中压水电解制氢工艺指标异常治理与探讨

摘 要：氢气和氧气纯度是判断制氢装置运行好坏的最关键的指标，也是检验制氢装置运行的性能指标。氢气和氧气纯度异常直接影响制氢装置安全运行。大唐国际托克托发电有限公司1号制氢装置由七一八所研制而提供的CNDQ系列中压电解制氢设备，产氢量为10Nm3/h，于2010年投产，设备投运后氧中氢指标一直偏高，碱液流量的变化对氧中氢指标影响较大，流量在500L/h时，氧中氢指标在0.75%左右。本文主要针对厂部制氢装置氢气和氧气指标不合格原因进行分析并通过系统内部检查和运行参数的调整，治理氢气和氧气纯度指标。

关键词：制氢装置；电解槽；指标

中图分类号：TQ116.2 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）05-0136-01

1 影响氢气和氧气纯度的主要因素

1.1 碱液浓度

根据《氢氧化钠和氢氧化钾水溶液的电阻率表》可以得出结论：25%的氢氧化钠和30%的氢氧化钾水溶液电阻率最小。电解液选择的原则：尽量选用电阻率最小的溶液作为电解液，我们选用的是氢氧化钠分析纯，浓度控制在22～26%。

1.2 碱液流量

电解槽的碱液流量控制在合适的位置。碱液流量过大：（Ⅰ）氢、氧分离器分离时间短，气体未充分分离又参与到下一轮的循环中，从而降低气体纯度；（Ⅱ）加快气泡排除，降低含气率，降低小室电压。流量过小：氢、氧分离器分离时间长，气体得到充分分离，从而提高气体纯度；缺点是电解液在电解过程中属于放热反应，流量过小不能及时将热量带出去，提高电解槽温度。电解液在电解过程中存在腐蚀产物，如果不能及时带出去，容易造成电解小室污堵。

1.3 分离器液位高低

制氢设备一般采用强制循环，氢、氧分离器液位的控制尤为重要，液位过高既影响气体的溢出效果，也会使碱液由溢流管或出气管进入洗涤器，再经洗涤器由放空口喷出，发生“窜碱”现象；液位过低，有可能在分离器中发生“漩涡”现象，导致分离器中的气体和碱液同时进入循环泵中，一起回流到电解槽中，在电解槽中造成氢、氧混合，轻则导致气体纯度迅速下降，重则电解槽中氢、氧混合会发生槽体爆炸，损坏设备，发生安全事故。

1.4 电解槽与碱液系统检查

制氢装置所用的碱液中会存在少量的碳酸盐，碳酸盐很容易在碱液中结晶析出，堵塞气道，导致出气不畅，在石棉隔膜两侧产生压差，使氢气、氧气通过石棉隔膜渗透至另一侧，造成气体纯度降低。另外，碱液中会存在其他部分杂质离子，电解槽经过长期的运行，由于不断的补水、补碱，杂质离子会越积越多，这些杂质不断污染电解小室，形成寄生性电解，导致电解小室内氢气侧产生氧气，氧气侧产生氢气，也会造成气体纯度下降。

1.5 电解槽石棉隔膜的影响

水在电解过程中，产生的氢气与氧气分别在石棉隔膜两侧析出，在石棉隔膜的阻隔下，氢气与氧气不会发生混合，但由于物质分子有相互渗透的特性，石棉隔膜不可能将氢气和氧气绝对隔离。由于氢气的分子量较小，渗透能力强。在一定压力、温度环境下，活动力很强，虽有石棉隔膜隔离，但仍会有微量氢气透过石棉隔膜进入氧气侧。若石棉隔膜质量不符合要求或损坏时，会增大氢气渗透至氧气侧气量，造成氧中氢指标超标。此时必须进行电解槽解体大修。

2 系统检查

2.1 碱液系统除盐水冲洗

静压冲洗：电解槽内的碱液打入碱液箱，并将除盐水打入到电解槽内部，通过碱液循环泵将除盐水在碱液系统内循环，反复冲洗，直至排放的除盐水澄清为止。

带压冲洗：将除盐水打入到电解槽内部，分离器液位控制在视窗中部，冲入电解槽内部1.6MPa的氮气后，迅速开关碱液过滤器排污门，直至将除盐水排净为止，直至排放的除盐水不携带杂质为止。

结果：除盐水冲洗对氧中氢指标提高没有效果。但是冲洗碱液系统后，碱液流量下调和电流上调之后槽温可以控制在一定的范围内；氢中氧指标随碱液流量下降而变小。

2.2 碱液管路、碱液过滤器内部检查

2.2.1 现象

在碱液管道管口处发现内壁附着有明显的灰白色粘垢，通过除盐水冲洗没有效果，用硬质木棍缠绕抹布进行擦拭，表面软垢可以清除，附着在内壁的一薄层硬垢无法去除。如图1和图2。

2.2.2 结果

从退回至碱液箱的碱液、碱液管道、碱液过滤器滤网的检查，发现系统内杂质主要是电解槽石棉布脱落的绒毛在系统运行过程中与碱液形成灰色粘垢使得碱液过脏，这可能造成氧中氢指标升高，因此对系统管路进行了清理、碱液过滤器滤网进行了更换、重新配置碱液。制氢设备启动后氧中氢指标仍然超标在1.3%左右，因此判断碱液过脏不是本次氧中氢超标的根本原因。

2.3 电解槽小室电压检测

通过电解槽小室电压检测，最大是2.18v，最小是1.88v；其中相邻两级电压差未超过0.2v。小室电压过高，电阻变大，如果电阻变大，说明电解槽内部污堵。通过该项工作不能判断出电解槽堵塞或气体循环不畅而导致氧中氢超标的问题。

3 工况调整试验

3.1 碱液流量调整

调整步骤：控制槽压3.0MPa、电流700A、液位320～330mm，碱液浓度控制25%时，调整碱液循环泵出口流量分别在520L/h、440L/h\行12小时，观察氧中氢和氢中氧指标变化趋势。结果：碱液流量在调整初期，氧中氢指标有见好情况，但随着流量稳定设备运行一段时间后，氧中氢指标开始逐渐上升，说明碱液流量调整在一定程度上可以改善氧中氢指标，但调整空间有限，就指标上涨现象看，氧中氢超标另有原因。

3.2 分离器液位调整

调整步骤：控制槽压3.0MPa、电流700A、碱液流量480L/h，碱液浓度控制25%时，将氢、氧分离器液位补水上、下限分别下调10mm运行12小时，观察氧中氢指标变化趋势。结果：分离器液位调整后氧中氢指标较调整前有所提高，但随着设备运行时间延长，纯度还是有缓慢上涨趋势，最后氧中氢指标达到1.44%，说明分离器液位调整可以提高氧中氢指标，但并不是造成氧中氢指标下降的原因。

4 电解槽内部检查

4.1 现象

设备在经过运行调整和现场就地检查无法解决氧中氢超标后，同年3月联系厂家返厂维修电解槽。电解槽解体检查过程中发现：石棉布、隔膜、极板安装紧凑，石棉布的质量符合要求，安装的石棉布未出现破损、老化问题；极板光洁完好，未发现极板腐蚀穿孔等问题；电解槽小室的产气和碱液通道被粉白色结晶物堵塞，部分小室气孔基本被堵死。如图3和图4所示。

4.2 结果

从电解槽拆解检查看，电解槽小室产气和碱液循环通道被粉白色结晶物堵塞，导致碱液循环不畅，气体排除不畅产生渗透，以及电解槽内杂质使电解小室内形成寄生电解产生氢气和氧气，最终导致气体纯度下降。

5 结语

通过对我厂1号制氢设备氧中氢指标超标的治理，找出了指标超标的根本原因并制定了有效的控制方案，目前设备运行氧中氢指标（要求不大于0.8%）基本控制在0.55～0.65%之间，既排除了制氢设备运行中的重大安全隐患，同时保证了10台机组的正常补氢工作，并为使用同型号制氢设备的兄弟电厂提供借鉴和指导依据。