क्षारीय इलेक्ट्रोलाइज़र जल इलेक्ट्रोलिसिस हाइड्रोजन उत्पादन प्रक्रिया में हाइड्रोजन और क्षार परिसंचरण

क्षारीय इलेक्ट्रोलाइजर हाइड्रोजन उत्पादन प्रक्रिया में, इलेक्ट्रोलाइजर की गुणवत्ता के अलावा, डिवाइस को स्थिर संचालन कैसे चलाया जाए, जिसमें सेटिंग की लाइ परिसंचरण राशि भी एक महत्वपूर्ण प्रभाव कारक है।

हाल ही में, चीन औद्योगिक गैस एसोसिएशन हाइड्रोजन प्रोफेशनल कमेटी की सुरक्षा उत्पादन प्रौद्योगिकी विनिमय बैठक में, हाइड्रोजन जल इलेक्ट्रोलिसिस हाइड्रोजन संचालन और रखरखाव कार्यक्रम के प्रमुख हुआंग ली ने वास्तविक परीक्षण और संचालन और रखरखाव प्रक्रिया में हाइड्रोजन और लाइ परिसंचरण मात्रा सेटिंग पर हमारे अनुभव को साझा किया।

निम्नलिखित मूल पेपर है।

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राष्ट्रीय दोहरे कार्बन रणनीति की पृष्ठभूमि के तहत, एली हाइड्रोजन एनर्जी टेक्नोलॉजी कंपनी लिमिटेड, जो 25 वर्षों से हाइड्रोजन उत्पादन में विशेषज्ञता प्राप्त है और हाइड्रोजन ऊर्जा के क्षेत्र में शामिल होने वाली पहली कंपनी थी, ने इलेक्ट्रोलिसिस टैंक रनर, उपकरण निर्माण, इलेक्ट्रोड प्लेटिंग के साथ-साथ इलेक्ट्रोलिसिस टैंक परीक्षण और संचालन और रखरखाव के डिजाइन सहित हरित हाइड्रोजन प्रौद्योगिकी और उपकरणों के विकास का विस्तार करना शुरू कर दिया है।

एकक्षारीय इलेक्ट्रोलाइज़र कार्य सिद्धांत

इलेक्ट्रोलाइट से भरे इलेक्ट्रोलाइज़र से प्रत्यक्ष धारा प्रवाहित करके, जल के अणुओं की इलेक्ट्रोड पर विद्युत रासायनिक अभिक्रिया होती है और वे हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में विघटित हो जाते हैं। इलेक्ट्रोलाइट की चालकता बढ़ाने के लिए, सामान्य इलेक्ट्रोलाइट 30% पोटेशियम हाइड्रॉक्साइड या 25% सोडियम हाइड्रॉक्साइड की सांद्रता वाला एक जलीय घोल होता है।

इलेक्ट्रोलाइज़र में कई विद्युत अपघटनी कोशिकाएँ होती हैं। प्रत्येक विद्युत अपघटन कक्ष में कैथोड, एनोड, डायाफ्राम और इलेक्ट्रोलाइट होते हैं। डायाफ्राम का मुख्य कार्य गैस के प्रवेश को रोकना है। इलेक्ट्रोलाइज़र के निचले भाग में एक सामान्य इनलेट और आउटलेट होता है, और ऊपरी भाग में क्षार और ऑक्सी-क्षार के गैस-द्रव मिश्रण का प्रवाह चैनल होता है। एक निश्चित वोल्टेज में प्रवाहित होने पर, जब वोल्टेज पानी के सैद्धांतिक अपघटन वोल्टेज 1.23v और तापीय उदासीन वोल्टेज 1.48V से एक निश्चित मान से अधिक हो जाता है, तो इलेक्ट्रोड और द्रव इंटरफ़ेस के बीच रेडॉक्स प्रतिक्रिया होती है, और पानी हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में विघटित हो जाता है।

दो लाइ का परिसंचरण कैसे किया जाता है

1️⃣हाइड्रोजन, ऑक्सीजन साइड लाइ मिश्रित चक्र

परिसंचरण के इस रूप में, लाइ हाइड्रोजन विभाजक और ऑक्सीजन विभाजक के तल पर स्थित कनेक्टिंग पाइप के माध्यम से लाइ परिसंचरण पंप में प्रवेश करती है, और फिर ठंडा और फ़िल्टर होने के बाद इलेक्ट्रोलाइज़र के कैथोड और एनोड कक्षों में प्रवेश करती है। मिश्रित परिसंचरण के लाभ सरल संरचना, छोटी प्रक्रिया, कम लागत हैं, और इलेक्ट्रोलाइज़र के कैथोड और एनोड कक्षों में समान आकार के लाइ परिसंचरण को सुनिश्चित कर सकते हैं; नुकसान यह है कि एक ओर, यह हाइड्रोजन और ऑक्सीजन की शुद्धता को प्रभावित कर सकता है, और दूसरी ओर, यह हाइड्रोजन-ऑक्सीजन विभाजक के स्तर को समायोजित करने से बाहर कर सकता है, जिसके परिणामस्वरूप हाइड्रोजन-ऑक्सीजन मिश्रण का खतरा बढ़ सकता है। वर्तमान में, लाइ मिश्रण चक्र का हाइड्रोजन-ऑक्सीजन पक्ष सबसे आम प्रक्रिया है।

2️⃣हाइड्रोजन और ऑक्सीजन साइड लाइ का अलग-अलग संचलन

इस प्रकार के संचलन के लिए दो लाइ संचलन पंपों, अर्थात् दो आंतरिक संचलन की आवश्यकता होती है। हाइड्रोजन विभाजक के तल पर स्थित लाइ हाइड्रोजन-साइड संचलन पंप से होकर गुजरती है, ठंडी और फ़िल्टर की जाती है, और फिर इलेक्ट्रोलाइज़र के कैथोड कक्ष में प्रवेश करती है; ऑक्सीजन विभाजक के तल पर स्थित लाइ ऑक्सीजन-साइड संचलन पंप से होकर गुजरती है, ठंडी और फ़िल्टर की जाती है, और फिर इलेक्ट्रोलाइज़र के एनोड कक्ष में प्रवेश करती है। लाइ के स्वतंत्र संचलन का लाभ यह है कि विद्युत-अपघटन द्वारा उत्पादित हाइड्रोजन और ऑक्सीजन उच्च शुद्धता के होते हैं, जिससे हाइड्रोजन और ऑक्सीजन विभाजक के मिश्रण का जोखिम भौतिक रूप से टल जाता है; नुकसान यह है कि संरचना और प्रक्रिया जटिल और महंगी होती है, और दोनों तरफ के पंपों की प्रवाह दर, दाब, शक्ति और अन्य मापदंडों की एकरूपता सुनिश्चित करना भी आवश्यक होता है, जिससे संचालन की जटिलता बढ़ जाती है, और सिस्टम के दोनों तरफ की स्थिरता को नियंत्रित करने की आवश्यकता सामने आती है।

इलेक्ट्रोलाइटिक जल द्वारा हाइड्रोजन उत्पादन पर लाइ के परिसंचारी प्रवाह दर का प्रभाव और इलेक्ट्रोलाइजर की कार्यशील स्थिति

1️⃣लाइ का अत्यधिक संचलन

（1）हाइड्रोजन और ऑक्सीजन की शुद्धता पर प्रभाव

क्योंकि हाइड्रोजन और ऑक्सीजन की लाइ में एक निश्चित घुलनशीलता होती है, परिसंचरण की मात्रा बहुत बड़ी होती है जिससे घुले हुए हाइड्रोजन और ऑक्सीजन की कुल मात्रा बढ़ जाती है और लाइ के साथ प्रत्येक कक्ष में प्रवेश करती है, जिससे इलेक्ट्रोलाइजर के आउटलेट में हाइड्रोजन और ऑक्सीजन की शुद्धता कम हो जाती है; परिसंचरण की मात्रा बहुत बड़ी होती है जिससे हाइड्रोजन और ऑक्सीजन तरल विभाजक का अवधारण समय बहुत कम होता है, और जो गैस पूरी तरह से अलग नहीं हुई है उसे लाइ के साथ इलेक्ट्रोलाइजर के अंदरूनी हिस्से में वापस लाया जाता है, जो इलेक्ट्रोलाइजर की विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया की दक्षता और हाइड्रोजन और ऑक्सीजन की शुद्धता को प्रभावित करता है, और आगे यह इलेक्ट्रोलाइजर में विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया की दक्षता और हाइड्रोजन और ऑक्सीजन की शुद्धता को प्रभावित करेगा, और आगे हाइड्रोजन और ऑक्सीजन शुद्धिकरण उपकरण की डीहाइड्रोजनेट और डीऑक्सीजेनेट करने की क्षमता को प्रभावित करेगा,

（2） टैंक के तापमान पर प्रभाव

इस शर्त के तहत कि लाइ कूलर का आउटलेट तापमान अपरिवर्तित रहता है, बहुत अधिक लाइ प्रवाह इलेक्ट्रोलाइजर से अधिक गर्मी ले लेगा, जिससे टैंक का तापमान गिर जाएगा और बिजली बढ़ जाएगी।

（3）धारा और वोल्टेज पर प्रभाव

लाइ का अत्यधिक संचलन धारा और वोल्टेज की स्थिरता को प्रभावित करेगा। अत्यधिक द्रव प्रवाह धारा और वोल्टेज के सामान्य उतार-चढ़ाव में बाधा उत्पन्न करेगा, जिससे धारा और वोल्टेज का स्थिरीकरण आसानी से नहीं हो पाएगा, जिससे रेक्टिफायर कैबिनेट और ट्रांसफार्मर की कार्यशील स्थिति में उतार-चढ़ाव होगा, और इस प्रकार हाइड्रोजन के उत्पादन और गुणवत्ता पर असर पड़ेगा।

（4）ऊर्जा की खपत में वृद्धि

अत्यधिक लाइ परिसंचरण से ऊर्जा की खपत में वृद्धि, परिचालन लागत में वृद्धि और सिस्टम ऊर्जा दक्षता में कमी भी हो सकती है। मुख्य रूप से सहायक शीतलन जल आंतरिक परिसंचरण प्रणाली और बाह्य परिसंचरण स्प्रे और पंखे, ठंडा पानी का भार आदि में वृद्धि होती है, जिससे बिजली की खपत बढ़ती है और कुल ऊर्जा खपत भी बढ़ती है।

（5）उपकरण विफलता का कारण

अत्यधिक लाइ परिसंचरण से लाइ परिसंचरण पंप पर भार बढ़ जाता है, जिसके परिणामस्वरूप इलेक्ट्रोलाइजर में प्रवाह दर, दबाव और तापमान में उतार-चढ़ाव बढ़ जाता है, जो बदले में इलेक्ट्रोलाइजर के अंदर इलेक्ट्रोड, डायाफ्राम और गास्केट को प्रभावित करता है, जिससे उपकरण में खराबी या क्षति हो सकती है, और रखरखाव और मरम्मत के लिए कार्यभार में वृद्धि हो सकती है।

2️⃣लाइ परिसंचरण बहुत छोटा

（1）टैंक के तापमान पर प्रभाव

जब लाइ का परिसंचारी आयतन अपर्याप्त होता है, तो इलेक्ट्रोलाइज़र में ऊष्मा को समय पर नहीं हटाया जा सकता, जिसके परिणामस्वरूप तापमान में वृद्धि होती है। उच्च तापमान वातावरण गैसीय अवस्था में जल के संतृप्त वाष्प दाब को बढ़ा देता है और जल की मात्रा भी बढ़ जाती है। यदि जल पर्याप्त रूप से संघनित नहीं हो पाता है, तो इससे शुद्धिकरण प्रणाली पर भार बढ़ेगा और शुद्धिकरण प्रभाव प्रभावित होगा, साथ ही उत्प्रेरक और अधिशोषक के प्रभाव और जीवन काल पर भी प्रभाव पड़ेगा।

（2）डायाफ्राम जीवन पर प्रभाव

निरंतर उच्च तापमान वातावरण डायाफ्राम की उम्र बढ़ने की प्रक्रिया को तेज़ कर देगा, इसके प्रदर्शन को कम कर देगा या यहाँ तक कि इसे तोड़ भी देगा, जिससे डायाफ्राम के दोनों ओर हाइड्रोजन और ऑक्सीजन की पारस्परिक पारगम्यता आसानी से प्रभावित हो सकती है, जिससे हाइड्रोजन और ऑक्सीजन की शुद्धता प्रभावित होती है। जब पारस्परिक घुसपैठ विस्फोट की निचली सीमा के करीब होती है, तो इलेक्ट्रोलाइज़र के खतरे की संभावना बहुत बढ़ जाती है। साथ ही, निरंतर उच्च तापमान सीलिंग गैस्केट को रिसाव से होने वाली क्षति का कारण भी बनेगा, जिससे इसकी सेवा जीवन छोटा हो जाएगा।

（3）इलेक्ट्रोड पर प्रभाव

यदि परिसंचारी क्षार की मात्रा बहुत कम है, तो उत्पादित गैस इलेक्ट्रोड के सक्रिय केंद्र को जल्दी से नहीं छोड़ सकती है, और इलेक्ट्रोलिसिस दक्षता प्रभावित होती है; यदि इलेक्ट्रोड विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया को पूरा करने के लिए क्षार के साथ पूरी तरह से संपर्क नहीं कर सकता है, तो आंशिक निर्वहन असामान्यता और शुष्क जलन होगी, जिससे इलेक्ट्रोड पर उत्प्रेरक का बहाव तेज हो जाएगा।

（4 ）सेल वोल्टेज पर प्रभाव

परिसंचारी क्षार की मात्रा बहुत कम होती है, क्योंकि इलेक्ट्रोड के सक्रिय केंद्र में उत्पन्न हाइड्रोजन और ऑक्सीजन के बुलबुले को समय पर हटाया नहीं जा सकता है, और इलेक्ट्रोलाइट में घुली हुई गैसों की मात्रा बढ़ जाती है, जिससे छोटे कक्ष के वोल्टेज में वृद्धि होती है और बिजली की खपत में वृद्धि होती है।

इष्टतम लाइ परिसंचरण प्रवाह दर निर्धारित करने के लिए चार विधियाँ

उपरोक्त समस्याओं को हल करने के लिए, संगत उपाय करना आवश्यक है, जैसे कि लाइ परिसंचरण प्रणाली की नियमित जांच करना ताकि इसका सामान्य संचालन सुनिश्चित हो सके; इलेक्ट्रोलाइजर के आसपास अच्छी गर्मी अपव्यय की स्थिति बनाए रखना; और यदि आवश्यक हो, तो इलेक्ट्रोलाइजर के ऑपरेटिंग मापदंडों को समायोजित करना, ताकि लाइ परिसंचरण की बहुत बड़ी या बहुत छोटी मात्रा की घटना से बचा जा सके।

इष्टतम लाइ परिसंचरण प्रवाह दर को विशिष्ट इलेक्ट्रोलाइजर तकनीकी मापदंडों के आधार पर निर्धारित किया जाना चाहिए, जैसे इलेक्ट्रोलाइजर का आकार, कक्षों की संख्या, परिचालन दबाव, प्रतिक्रिया तापमान, ऊष्मा उत्पादन, लाइ सांद्रता, लाइ कूलर, हाइड्रोजन-ऑक्सीजन विभाजक, धारा घनत्व, गैस शुद्धता और अन्य आवश्यकताएं, उपकरण और पाइपिंग स्थायित्व और अन्य कारक।

तकनीकी पैरामीटर आयाम：

आकार 4800x2240x2281मिमी

कुल वजन 40700 किलोग्राम

प्रभावी कक्ष आकार1830、कक्षों की संख्या 238个

इलेक्ट्रोलाइज़र धारा घनत्व 5000A/m²

ऑपरेटिंग दबाव 1.6Mpa

प्रतिक्रिया तापमान 90℃±5℃

इलेक्ट्रोलाइज़र उत्पाद हाइड्रोजन आयतन 1300Nm³/h का एकल सेट

उत्पाद ऑक्सीजन 650Nm³/h

प्रत्यक्ष धारा n13100A、dc वोल्टेज 480V

लाइ कूलर Φ700x4244mm

ऊष्मा विनिमय क्षेत्र 88.2m²

हाइड्रोजन और ऑक्सीजन विभाजक Φ1300x3916mm

ऑक्सीजन विभाजक Φ1300x3916mm

पोटेशियम हाइड्रॉक्साइड घोल सांद्रता 30%

शुद्ध जल प्रतिरोध मान >5MΩ·cm

पोटेशियम हाइड्रॉक्साइड समाधान और इलेक्ट्रोलाइज़र के बीच संबंध:

शुद्ध जल को सुचालक बनाएँ, हाइड्रोजन और ऑक्सीजन को बाहर निकालें और ऊष्मा को दूर करें। शीतलन जल प्रवाह का उपयोग लाइ तापमान को नियंत्रित करने के लिए किया जाता है ताकि इलेक्ट्रोलाइज़र प्रतिक्रिया का तापमान अपेक्षाकृत स्थिर रहे, और इलेक्ट्रोलाइज़र की ऊष्मा उत्पादन और शीतलन जल प्रवाह का उपयोग सिस्टम के ऊष्मा संतुलन से मेल खाने के लिए किया जाता है ताकि सर्वोत्तम कार्य स्थिति और सबसे अधिक ऊर्जा-बचत वाले परिचालन मापदंडों को प्राप्त किया जा सके।

वास्तविक परिचालनों पर आधारित:

60m³/h पर लाइ परिसंचरण मात्रा नियंत्रण，

शीतलन जल प्रवाह लगभग 95% पर खुलता है，

इलेक्ट्रोलाइजर का प्रतिक्रिया तापमान पूर्ण लोड पर 90°C पर नियंत्रित किया जाता है।

इष्टतम स्थिति इलेक्ट्रोलाइजर डीसी बिजली की खपत 4.56 kWh/Nm³H₂ है।

पाँचसंक्षेप में

संक्षेप में, जल इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा हाइड्रोजन उत्पादन की प्रक्रिया में लाइ का संचलन आयतन एक महत्वपूर्ण पैरामीटर है, जो गैस की शुद्धता, चैम्बर वोल्टेज, इलेक्ट्रोलाइज़र तापमान और अन्य मापदंडों से संबंधित है। टैंक में लाइ प्रतिस्थापन के 2 ~ 4 बार/घंटा/मिनट पर परिसंचारी आयतन को नियंत्रित करना उचित है। लाइ के संचलन आयतन को प्रभावी ढंग से नियंत्रित करके, यह जल इलेक्ट्रोलिसिस हाइड्रोजन उत्पादन उपकरण के लंबे समय तक स्थिर और सुरक्षित संचालन को सुनिश्चित करता है।

क्षारीय इलेक्ट्रोलाइजर में जल इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा हाइड्रोजन उत्पादन प्रक्रिया में, कार्यशील स्थिति मापदंडों और इलेक्ट्रोलाइजर धावक डिजाइन का अनुकूलन, इलेक्ट्रोड सामग्री और डायाफ्राम सामग्री के चयन के साथ संयुक्त रूप से वर्तमान को बढ़ाने, टैंक वोल्टेज को कम करने और ऊर्जा की खपत को बचाने के लिए महत्वपूर्ण हैं।

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