水电解制氢工艺课件

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1、内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业吕吕 凯凯2009年一季度职工培训课程年一季度职工培训课程水电解制氢生产工艺水电解制氢生产工艺内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业第一节 概述一、氢气的性质和用途 1：氢气的性质 通常状况下，氢气是无色、无味的气体。氢气的分子量为2.0158，是最轻的气体。标准状况下，氢气的密度为0.0899g/L，是所有气体中密度最小的，所有要比空气轻得多。在压强为1.01325105Pa时，无色液态氢的沸点为252.80(20.2K)，雪状固态氢的熔点为259.14(13.86K)。它粘度最小，导热系数最高，化学性质活泼、渗透性和扩散性强，因而在氢气的生

2、产、贮送和使用过程中都易造成泄漏。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 氢气还是一种强还原剂，可同许多物质进行不同程度的化学反应，生成各种类型的氢化物。氢气是一种易燃、易爆的气体。在空气中的爆炸极限：上限755，下限4：在纯氧中的爆炸极限：上限94，下限4。氢气的着火性能随着温度和压力的不同而变化。通常压力增加，温度上升，可燃气体混合物的着火下限降低，上限提高，着火范围变宽。压力、温度下降则相反。氢气的燃烧过程由于密闭、引燃的状况和气体组合等条件的不同，可以成为爆炸和爆轰两种燃烧反应中的任何一种。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业氢气危险特性表氢气危险特性表内蒙古鄂尔多斯多晶

3、硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 2：氢气的用途 氢气广泛应用于化学、冶金、电子、电力等工业部门。在化学化工方面，氢是合成氨、氯化氢、有机合成的氢化反应和油脂硬化等的原料。在尼龙、塑料、农药的生产中也都离不开氢，需要加入一定纯度的氢气，生产相应的产品。在冶金工业中，氢气的使用颇为广泛。在有色金属-钨、钼、钛等的生产和加工中，使用高纯度的氢气作为还原气。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 在一些磁性材料、磁性合金的生产中，需要高纯度氢气作保护气，以提高其磁性和稳

4、定性；在硅钢片的生产中，需要高纯度的氢气作保护气；在硬质合金、粉末冶金材料的生产中，也需要高纯度氢气作保护气：在一些薄板、带钢的轧制中常常使用氮气-氢气混合气作为保护气。在电子工业中，也十分广泛地使用高纯度氢气，主要用于电子材料、半导体材料和器件、集成电路以及真空器件的生产。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 氢气在多晶硅生产中的应用 H2 Cl2 2HCl Q（燃烧）Si3HCl H2 SiHCl3 Q (280-330)SiHCl32H2Si3HCl (1050-1100)SiCl42H2SiHCl3 3HCl（1200 ）内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 工业制氢的

5、常用方法：氨分解制氢2NH33H2+N2-Q（650 催化剂作用）甲醇分解制氢CH3OH+H2OCO2+H2-Q（240 催化剂作用）电解氯化钠制氢2NaCl+H2OCl2+H2+2NaOH(电解)电解水制氢2H2OO2+2H2(电解)内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业二、制氢系统设备概况二、制氢系统设备概况 制氢装置和纯化系统为氯化氢合成、三氯氢硅合成、还原炉、氢化炉系统所需的氢气，其纯度和湿度应满足各用氢系统的要求。一套完备的制氢工艺装置应该由电解槽、气液处理器、整流装置、控制柜(计算机管理系统)、加水泵、碱箱、水箱、附属设备框架，除盐水闭式冷却装置以及系统内的电气及控制设备、管

6、道、阀门和仪表等几大部分组成。表11给出了一条生产线（制氢4套+纯化1套）设备清单。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业表表11 一条生产线制氢设备清单一条生产线制氢设备清单内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业表表11 一条生产线制氢设备清单一条生产线制氢设备清单内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业设备要求：1.整套设备为组装单元式，单元范围包括所有设备、阀门、管件、支吊架。同时应提供各单元间的连接管道。2.电解槽连续、间断均可运行。槽体为碳钢镀镍材质，压缩空气贮罐，氢气贮罐为合金钢，其余设备均为不锈钢材质。3.所有管路阀门均为不锈钢材质，气管路及碱液管路的阀门和其它参

7、与程控的阀门均采用进口产品。4.所有设备在额定条件下应能保证安全运行,电解槽大修周期不少于10年。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业第二节 电解水制氢的原理 所谓电解就是借助直流电的作用，将溶解在水中的电解质分解成新物质的过程。1、电解水原理在一些电解质水溶液中通入直流电时，分解出的物质与原来的电解质完全没有关系，被分解的是作为溶剂的水，原来的电解质仍然留在水中。例如硫酸、氢氧化钠、氢氧化钾等均属于这类电解质。在电解水时，由于纯水的电离度很小，导电能力低，属于典型的弱电解质，所以需要加入前述电解质，以增加溶液的导电能力，使水能够顺利地电解成为氢气和氧气。氢氧化钾等电解质不会被电解，现

8、以氢氧化钾为例说明：（1）氢氧化钾是强电解质，溶于水后即发生如下电离过程：于是，水溶液中就产生了大量的K+和OH-。第一节 水电解制氢装置的工作原理内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业（2）金属离子在水溶液中的活泼性不同，可按活泼性大小顺序排列如下：KNaMgAlMnZnFeNiSnPbHCuHgAgAu 在上面的排列中，前面的金属比后面的活泼。（3）在金属活泼性顺序中，越活泼的金属越容易失去电子，否则反之。从电化学理论上看，容易得到电子的金属离子的电极电位高，而排在活泼性大小顺序前的金属离子，由于其电极电位低而难以得到电子变成原子。H+的电极电位=-1.71V，而K+的电极电位=-2

9、.66V，所以，在水溶液中同时存在H+和K+时，H+将在阴极上首先得到电子而变成氢气，而K+则仍将留在溶液中。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业（4）水是一种弱电解质，难以电离。而当水中溶有KOH时，在电离的K+周围则围绕着极性的水分子而成为水合钾离子，而且因K+的作用使水分子有了极性方向。在直流电作用下，K+带着有极性方向的水分子一同迁向阴极，这时H+就会首先得到电子而成为氢气。其化学反应式如下：内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业（1）阴极反应。电解液中的H+（水电离后产生的）受阴极的吸引而移向阴极，接受电子而析出氢气，其放电反应为：（2）阳极反应。电解液中的OH-受阳极

10、的吸引而移向阳极，最后放出电子而成为水和氧气，其放电反应为：阴阳集合起来的总反应式为：电解 所以，在以KOH为电解质的电解过程中，实际上是水被电解，产生氢气和氧气，而KOH只起运载电荷的作用。OHHOHe424422 OHHOHe424422 eOOHOH42422 22222OHOH内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 在直流电作用于氢氧化钾水溶液时，在阴极和阳极上分别发生下列放电反应，见图：内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业第二节：制氢设备的制氢量衡算和电能消耗 1、法拉第定律电解水溶液制氢时，在物质量上严格遵守法拉第定律：各种不同的电解质溶液，每通过96485.309C

11、的电量，在任一电极上发生得失1 mol电子的电极反应,同时与得失1 mol电子相对应的任一电极反应的物质量亦为1mol。F=96485.309C/mol称为法拉第常数，它表示每摩尔电子的电量。在一般计算中，可以近似取F=96500C/mol。根据拉第定律，可以得到下式：M=kIt=kQ 式中 k表示1h内通过1A电流时析出的物质量，g/(Ah)；I电流，A；t通电时间，h；m电极上析出的物质的质量，g；Q通过电解池的电荷量，Ah。由于库仑单位很小，所以工业上常用的电荷量单位是安培小时，它与法拉第常数F的关系是：1F=96500/3600=26.8 Ah内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅

12、业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 5、配制电碱液的计算 配制新碱液，一般知道要配制的体积，百分比浓度（重量浓度）。然后根据百分比浓度，然后根据百分比尝试查得一定温度下的比重，再用比重乘以已知配制碱液的体积，求得碱液总重量，再把碱液总重量乘以百分比浓度，得出所需配碱液用固体碱的总重量。碱液总重量减去需用固体碱总重量，所得的差即为所需蒸馏水的总重量。如配制140升30%KOH电解液（15时），需要多少公斤的纯KOH和水。已知15时30%KOH的比重为1.29。解：（1）查比重表得知，浓度30%KO

13、H电解液（15时）的比重为1.29 （2）P总重1.29140L180.6Kg （3）P纯碱P总重30%180.6Kg30%54.18Kg （4）P水P总重-P纯碱180.6Kg-54.18Kg126.42 Kg内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 一、制氢系统简介 中压电解水制氢装置是一组可以安全可靠地连续生产氢气的成套设备，它采用工作温度为7085的碱性水溶液电解装置，其主设备为电解槽。在电解槽后连有氢侧系统、氧侧系统及补给水系统和碱液系统等，如下图所示。第三节 水电解制氢装置内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 此外，制氢站还包括纯水制备，氢气和氧气的储存、纯化、压缩输送

14、设备以及有关控制仪表和电源等。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 二、制氢装置基本由七个系统组成 2.1气体系统 2.2电解液循环系统 2.3气体排空（氮气置换）系统 2.4原料补充系统 2.5冷却水系统 2.6排污系统 2.7补碱系统内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 2.1气体系统 当电解槽接通直流电源，电解电流上升到一定数值时，电解槽内的水被电解成氢气和氧气。来自电解槽内各电解小室阴极侧的氢气和碱液，借助循环泵的扬程和气体升力，经碱液换热器进入氢分离洗涤器的分离段，在重力的作用下氢气和碱液分离。分离后的气体送入洗涤段，对气体进行冷却、洗涤和除雾，然后进入贮罐待用。内蒙

15、古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 2.2电解液循环系统 电解液循环的目的在于向电极区域补充电解消耗的纯水，带走电解过程中产生的氢气、氧气和热量，增加电极区域电解液的搅拌，减少浓差极化电压，降低碱液中的含气度，降低小室电压，减少能耗等，以使电解槽在稳定条件下工作。碱液循环的大小影响槽内小室电压和气体纯度。对手一个特定的电解槽，应有一个合适的循环量。一般槽内电解液更换次数为每小时2-4次。在常压电解系统中，通常用自然循环，而在压力电解系统中，因电解装置体积小，管道细，气液流通阻力大，加上电流密度较大，要求电解液更换的次数比较多，采用自然循环难于达到，因而采用碱液循环泵来强制循环。内蒙古鄂尔

16、多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 2.3气体排空（氮气置换）系统 水电解制氢装置设有充氮口，用于系统的气密检查与开机前的氮气置换。制氢系统开车后，氢气纯度达到要求后才能被送到贮罐（或净化设备），在未达到要求纯度以前的氢气可通过调节阀后的气体放空阀放空。当水电解制氢装置压力压差系统由于调节阀芯的磨损而出现失控现象时或因紧急事故需要将水电解制氢系统泄压排空时，可通过“手动”气体放空阀，使氢氧气体分别放出，但在操作中注意使氢氧分离器液位差不能过大。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 2.4原料水补充系统 电解过程中，装置内的原料水一直不停地在消耗，因此，为保证水电解的连续进行，需要定期向

17、装置内补充原料水。水箱中的水通过加水泵分别打入氢氧洗涤器，然后通过溢流管注入分离器下部的液相部分和循环碱液一并进入电解小室进行连续电解，同时使电解液中碱的浓度保持在最佳使用范围。补水过程中，只开启单个补水回路，即只开氢侧或氧侧补水回路。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 2.5冷却水系统 总管中的冷却水共分为三路：一路进入整流柜供可控硅元件冷却，一路进入氢（氧）洗涤器的蛇管或进入气体冷却器冷却氢（氧）气体。另一路冷却水通过气动薄膜调节阀控制进入碱液冷却器中，根据循环碱液温度的高低自动控制冷却水量，从而达到控制操作温度的目的。如有纯化装置还需要增加一路冷冻水进入气体冷却器中，以给待干燥

18、的气体降温或冷却从干燥器出来的再生气体。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 2.6排污系统 排污管道共分四处：一、碱液过滤器底部，通过过滤器排污阀排出碱液和过滤器中过滤下来的石棉绒杂质及污物。二、水箱底部排污口，通过排污阀排出箱中的污物或残液。三、碱箱底部排污口，通过排污阀排出箱中的污物或残液。四、从氢气干燥部分的气水分离器中排出冷凝水。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 2.7补碱系统 当装置需要补碱时，应在停机泄压状态下进行，按要求计算应补充碱的数量，重新配制碱液，通过碱箱到电解槽的阀门系统将碱液打入电解槽中。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 三、制氢装置各

19、种设备的结构以及在生产工艺流程中的作用。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 电解槽内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 电解槽是制氢装置的主体设备，它的主要性能要求是：制得的氢气纯度高；能耗低；结构简单；制造维修方便且使用寿命长；材料的利用率高；价格低廉。目前广泛使用的是压滤式水电解槽，其结构如下图所示。图8-5 压滤式碱性电解槽示意图内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 电解槽中平行、直立地设置数十块电极板，它们将整个电解槽分成若干个电解室，串联相接。电解槽的总电压为各电解室电压之和，总电流与各电解室电流相等。电解液是以一

20、根总管供给各电解室的。每一电解室又用石棉布分隔成氢侧（阴极）和氧侧（阳极），电解产生的氢气和氧气分别汇总于隔膜框上的氢气总管和氧气总管后导出。电解槽中的主要部件和材料如下：（1）极板与端极板。电解槽中间的隔板叫极板。极板由三片钢板组成，中间一块起分隔电解室及支持作用，无孔。其两侧分别铆接一块镍丝网，一侧为阳极，一侧为阴极。阳极的一侧为防止氧腐蚀而镀有镍保护层。阴极的一侧为减少超电压而镀有活化层。电解槽两端的极板称为端极板，阴、阳端极板内侧各焊一块镀镍的阳极和不镀镍的阴极。端极板除了起引入电流的作用外，也起紧固整个电解槽钢板的作用，所以要厚一些。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业（2）

21、隔膜框。隔膜框是构成各电解室的主要部分，每一个隔膜框构成一个电解室。它是一种空心环状厚钢板，在里圈由压环将石棉布固定在上面。石棉布呈多微孔组织，以便通过K+和OH-。隔膜框上部在氢、氧两侧均开有小孔，称为气道圈，用以通过氢气和氧气。隔膜框下部设有液道圈，用以通过电解液。（3）绝缘材料。隔膜框与极板之间设有绝缘垫圈。要求绝缘垫圈能够耐碱、耐热、耐压力。它能起到绝缘作用，使隔膜框不带电，而且有密封作用，以防止电解液外漏。（4）电解液。电解液浓度为30%的KOH溶液。电解液中的杂质对水的电解有很大的影响。Cl-和SO能强烈地腐蚀镍阳极；Fe3+附着于石棉布隔膜和阴极上，会增大电解电压，CO能恶化电解

22、液的导电度，含量过高会析出结晶；Ca2+、Mg2+有可能生成其碳酸盐沉淀，堵塞进液孔和出气小孔，造成电解液循环不良。另外，在电解过程中不断地补充水和碱都将可能引入上述杂质离子。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 所以，为了保证电解槽的正常运行和延长使用周期，固体碱、补充水和电解液应当符合如下标准：表表8-9 氢氧化钾的纯度氢氧化钾的纯度 名 称 含量（%）KOH NaCl Na2CO3 95 0.5 0.2 表表8-10 补充水的质量标准补充水的质量标准 名 称 含量（mg/L）Fe2+Fe3+Cl 干燥残渣 1 6 7 表表 8-11 电解液的质量标准电解液的质量标准 项目 单位

23、含量 KOH KOH 密度 Fe2+Fe3+Cl-Na2CO3 g/L g/mL mg/L mg/L mg/L 300400 1.251.30 3 800 100 内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 气液处理器是一个包含许多化工过程的多功能综合设备，它的作用如下：（1）借助于重力，使水电解产生的氢气和氧气与循环碱液分离。（2）借助于氢、氧分离器的压力控制，保持电解槽小室中阴极侧和阳极侧的压力平衡。（3）维持水电解过程中所需的电解液含量。并观察液位。（4）通过处理器内设置的蛇管冷却循环碱液，控制槽温。（5）除掉气体中的碱雾及液滴并降低气体温度2.气液处理器（包括气液分离器、气体洗涤器、

24、碱液及气体冷却器、碱液过滤器、屏蔽泵等）内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 气液处理器的结构：该型处理器分为两段，下部为分离冷却段，上部为洗涤冷却除雾段。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 气液分离器 电解槽产生的氢气与氧气由电解槽溢出时，携带了部分呈雾状的电解液与气体一同进入各系统中。分离器的作用之一就是利用冷却和扩容作用充分分离出电解液，并使之重新流回电解槽，分离器的第二个作用就是保证电解槽在满负荷或空载时，始终充满电解液。另外，由于电流通过电解液时有一部分电能变为热能而使电解液温度升高，分离器还有冷却电解液的作用，使温度保持在80以下。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔

25、多斯多晶硅业分离器的外形为圆筒形立式容器（小型）或水平放置（大型），内部设有冷却用蛇形管，系统中有氢、氧分离器，其结构见左图：在运行过程中要求分离器中的液位高于电解槽，以保证电解槽中充满电解液，不使隔膜外露，并使分离器与电解槽之间电解液的正常循环和冷却得到保证，否则会使阴阳极之间浓度差增大，降低电解效率，并形成浓差电池而腐蚀设备。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 气体洗涤器 从分离器送出的氢、氧气体的温度较高，其中仍然含有水蒸气和少量电解液，所以必须再经过气体洗涤器进一步冷却、洗涤。在洗涤器中将气体温度降至常温，减少气体中的含水量，洗去电解液，以满足用氢设备的要求，同时也减少了纯水

26、和电解液的消耗。气体洗涤器中部通入由补给水箱送来的纯水，氢气由上部进入，通过下部喇叭口，在穿过洗涤水时将残留的电解液溶于水中，再由中上部排出，成为较纯净的氢气。洗涤器的下部由于溶解了气体中的微量碱液而排出稀碱液。这些稀碱液并入碱液循环系统作为补充水进入电解槽。气体洗涤器的结构见下图。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 压力调节器 中压生产流程中利用此装置调整电解槽氢、氧两侧的压力，防止由于槽内的压力不平衡而造成氢、氧气互相渗透形成爆炸气体(低压生产流程中则可甩贮气柜、分离器、洗涤器来调整压力)。目前采用的压力调整器有浮球调节阀式和薄膜调节阀

27、式两种。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 电解所产生的氢气与氧气的体积不等，氢气体积为氧气的2倍，若两个调节器的下部不连通，则两侧压力就会不等，这将造成电解室内石棉布氢、氧两侧气压不等，氢气则有通过石棉布混入氧气的可能，导致电解工况被破坏，甚至发生事故。薄膜调节阀式压力调节器的工作过程如下：当氢侧压力升高时，分离器内液位压向氧侧。氧侧水位升高而氢侧液位下降，控制系统根据氢氧压力变送器检测出两个分离器的液位差，会自动调节增大氢侧的薄膜阀的开度。当氧侧压力与氢侧压力相等时，液位又回到原来状态。氢侧薄膜阀将自动关闭。因为氢气的体积为氧气体积的2倍，所以氢侧压力调节器的排气动作次数是氧侧压

28、力调节器的2倍。所以分离器的液位平衡由氢侧薄膜阀负责调节。而如果氧侧的压力升高时排出气体，这样同时就调整了系统压力，使之达到平衡。所以氧侧的薄膜阀负责了电解槽系统压力的调节。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 冷却器 冷却器的构造与分离器的基本相同，如图8-10所示。容器内有蛇形管，冷却水在容器内由下至上进行循环冷却。冷却器与分离器的不同之处是氢气走蛇形管，冷却水走管外。冷却器只在氢侧系统中设置。冷却器的作用在于分离和除掉由平衡箱出来的氢气中所带的少量水分，并使气体得到冷却，它可使氢气中的水含量降低到5g/m3以下，冷凝后的水分可通过排污门定期排出。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多

29、斯多晶硅业 砾石阻火器、水封槽 系统运行时为保障安全而设置这两个设备。如果气体出口处发生火灾，两个设备可以阻止火焰延烧到系统内部，避免造成重大事故。氧侧系统中设有水封槽，结构如右图所示，它的作用是净化氧气，也起挡火密封的作用。一般氧气不收集而对空排放掉，因此，水封槽的重要性就更大了。阻火器内部充填粒度为1020mm的洁净碎石，设置于氢气放空出口处，三个氢气储罐在弹簧安全阀后面可以串联起来，使用一个挡火器。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 干燥器干燥器为圆形立式设备，其主要作用是利用干燥剂对氢气进一步干燥，以获得更干燥的氢气。干燥器内一般装填5A的球形分子筛，其再生温度为180250

30、，再生时间为810h。储气罐电解产生的氢气、氧气，经过一系列净化和冷却处理，最后存入储气罐备用。为防止着火事故，储氢罐与大气间安有阻火器和弹簧安全阀。当罐内压力超过规定值时，气体可安全排出。碱液过滤器和碱液溶解箱 碱液过滤器的作用是消除电解液中的残渣污物，使电解槽运行正常。一般采用80100目的镍丝网制作过滤器的滤芯，并且要定期清洗。配碱箱用于配制KOH电解液及储存碱液，一般为不锈钢制容器，也可内衬耐腐蚀的塑料板，箱侧装有液位计。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 可控硅整流装置：整流装置由整流变压器、整流柜组成，用于供给电解所需直流电源。控制柜：控制柜包括工控机（PLC）、二次仪表

31、、氢气和氧气分析仪、稳压电源及操作按钮、开关等、可实现自动检测、调节、显示、故障报警、联锁、自动开机与停机等功能。工控机是控制部分的核心。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 碱液冷却器的作用是冷却循环碱液控制电解槽的温度。柱塞泵（加水泵）的作用是向系统输送电解原料水或补充电解碱液。屏蔽泵（碱液循环泵）的作用是对电解液进行强制循环，其循环的目的是：a补充槽休内电解消耗的纯水b带走电解产生的热量c增加电解液的搅拌，降低浓度差极化电压d降低含气度，减小功耗其它设备：内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业第二章 水电解制氢装置内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 三、纯化装置

32、纯化装置主要由脱氧器、干燥器、冷却器、气水分离器、气体过滤器及各种阀门管道组成。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业第三章 氢气纯化装置内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 1、脱氧器 脱氧器利用脱氧器内的催化剂去除氢气中的氧杂质等。一般可将氢气中的氧气杂质从百分之几纯化到ppm级。在催化剂的作用下，氧和氢迅速反应生成水，通常选用氧化铝镀钯为催化剂，它具有很高的活性，在高气流速度下也能达到很高的脱氧深度。氢、氧在催化剂的作用下反应时放出大量的热量，当混合气体中含量为1%时，在绝热条件下气体的理论升可达到165。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内

33、蒙古鄂尔多斯多晶硅业 2、干燥器 干燥器是利用干燥器内的活性氧化铝和分子筛对水的强烈的吸附能力来达到消除氢气中所含有的水份。当吸附剂工作一段时间后就会因吸附量达到饱和而失去继续工作的能力，这时必有对干燥剂进行再生方可继续使用。干燥剂再生的方法有多种，如采用产品气、氮气再生放空的方法，采用蒸汽加热氮气再生的方法等。以下为利用氢气内循环再生的全自动纯化方法。该流程由于采用产品氢气再生干燥剂，再生效果好，产品氢气可达到99.9999%，露点可低于-70。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 3：冷却器 冷却器的作用是将再生的热氢气进行冷凝，脱除热氢气从干燥剂中夹带出的水，提高再生效果。冷却器

34、为列管式冷却器，管内通7的冷却水，管间能气体，并装有折流板，以增加传热效果。冷却水流向和气体流向一般采取逆流。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 4：气水分离器 气水分离器为一不锈钢容器，其内部装有不锈钢丝网或滤芯，其主要作用是除去气体中的游离的液滴。其结构如下图：内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 5、气体过滤器 气体过滤器为一不锈钢容器，内部装有组合式气体过滤芯，主要作用是滤去气体中夹带的微小粒状物质。其结构如下图：内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业第四节第四节 制氢设备的运行与维护制氢设备的运行与维护 一、制氢设备的正常运行和维护（1）电解槽的液位保持在规定

35、范围内，防止由于液位过低而造成氢、氧气体混合，以及由于液位过高而增加气体排出阻力，引起氢、氧侧压力不平衡，造成氢、氧气体互相渗透。（2）经常检查分离器与洗涤器的液位，保持氢、氧两侧的压力平衡。（3）分离器的冷却水量，使氢、氧侧导气管的温度控制在605，不得超过规定的温度值。（4）定期检查电解槽的极间电压，与规定值的偏差不得超过0.3V。（5）氢、氧侧压力调节器的水位差不得超过100mm。（6）定期进行气体分析及电解液浓度分析。（7）定期检查干燥器中的干燥剂，如失效，则需及时更换，定期清洗碱液过滤器的滤网。（8）随时根据用气量调节设备负荷，检查漏泄情况。（9）当运行中出现紧急情况，如电气设备短路

36、、爆鸣、气体纯度急剧降低、电解槽严重漏泄、槽温过高等，应立即停车。通常使用事故按钮切断电源，再打开气体放空阀，并及时进行处理。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 二、制氢设备的检修 在检修时，必须做好材料和工具的准备工作，做好技术保安措施，严格遵守检修规程，对设备进行解体、清洗、组装，以及通过试验进行验收，经过试车，测试各项参数是否达到设计指标。制氢设备应定期进行小修和大修。当出现电解槽严重漏泄、气体纯度急剧下降、极板腐蚀严重、石棉垫损坏严重等威胁安全生产的情况时，必须随时进行检修。制氢设备大修后还应进行设备系统涂色：氢系统涂绿色；氧系统涂天蓝色；氮系统涂棕色；二氧化碳系统涂黑色白环

37、；碱系统涂黄色；工业水系统涂黑色；凝结水系统涂绿色蓝环；储气罐涂白色。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 三、制氢设备常见异常及其处理 1、氢气和氧气的纯度不合格 1.1、原因（1）石棉隔膜布因长期工作而破裂或稀薄，致使氢、氧气体互相混合、渗透。（2）电解小室的进液孔或出气孔被堵，或气体总出口、碱液循环系统被堵，气体产生压差而相互渗透。（3）极板与框架之间短路，框架发生电化反应或充当中间电极而发生“寄生电解”，产生气体。1.2、处理方法（1）停机更换石棉布。（2）冲洗电解槽，使被堵塞的系统畅通。（3）检查极间电压，消除电气短路。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 2、氢气的

38、湿度不合格 2.1、原因（1）电解槽运行温度过高，带走大量水蒸气。（2）洗涤器和冷却器的冷却水量不够。（3）冷却器底部存水过多。（4）干燥器内的分子筛失效。2.2、处理方法（1）降低电解槽运行温度。（2）加大洗涤器和冷却器的冷却水量。（3）排除冷却器底部的存水。（4）更换干燥器内的分子筛。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 3、电解槽漏碱液 3.1、原因（1）用于密封和绝缘的石棉橡胶垫失去柔性，或拉紧丝杠的螺丝松动，紧度不够。（2）腐蚀使石棉橡胶垫强度降低，甚至使槽体部分金属被破坏。3.2、处理方法（1）紧固电解槽或更换石棉胶垫。（2）定期清洗电解槽，避免由杂质短路而产生局部高温，减

39、缓腐蚀作用。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 4、电解槽运行温度过高 4.1、原因（1）电解槽超负荷运行。（2）电解液浓度过大或碱液循环管堵塞。（3）分离器的冷却水量不够。（4）冷却水管路堵塞或结垢。4.2、处理方法（1）降低电解槽的负荷。（2）重新配制电解液或冲洗碱液循环管。（3）加大分离器的冷却水量。（4）化学清洗冷却水管。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 5、电解槽极间电压过高或过低（1）极间电压降低，同时也现气体纯度降低，并且氢气纯度下降较明显。这可能是由于电解槽隔膜框、气道环和液道环处存在金属沉淀物或损失的石棉密封垫而造成短路现象，使极间电压降低，隔膜框参加电

40、解，影响气体纯度。解决的方法是查出短路原因后，消除金属沉淀物质或修补石棉密封垫，极间电压和气体纯度即可恢复正常。如经清洗后仍然无效，则应拆开液道和气道检查并进性处理。（2）极间电压升高，同时伴有气体纯度下降，一般是由于隔间出气孔和碱液、气流管被堵塞，造成隔间液面过低。也可能是由于碱液浓度过低或电解槽内液面过低造成的。另外极板腐蚀严重，石棉布上附着沉淀物过多，也会造成电流密度和电阻增大，致使片间电压升高。在检查出事故原因后，可采取相应措施进行处理，一般可恢复正常。若仍然不见好转，则须进行解体大修。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 6、氢、氧压力调节器调整失灵 6.1、原因（1）针型阀

41、关闭不严或浮筒被卡住。（2）浮筒行程不合适，造成水位不正常。（3）氢、氧事故排气门不严密。6.2、处理方法（1）检修针形阀或放开卡死的浮筒。（2）对故障浮筒进行重新调整。（3）检修氢、氧事故排气门。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 7、电解槽的绝缘不良 造成绝缘不良的原因主要是检修后存有金属异物；石棉橡胶垫上碱晶体在潮解后流到绝缘子或绝缘套管上；绝缘套管经蒸煮夹紧后有裂缝，水和碱残存于裂缝中；以及石棉橡胶垫片破裂等。处理方法是，用1%硼酸水擦洗绝缘器件，然后用纯水擦洗，再用空气吹干。更换有裂缝的绝缘套管及损坏的石棉橡胶垫。清洗全部绝缘零部件后，再用蒸汽通入分离器冷却管，保持电解槽液

42、位高于出气管中线以上，并进行逆循环，然后加热至绝缘合格为止。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 8、电解槽产生内部爆鸣 爆鸣必须具备两个条件：一是槽内有爆鸣气，二是槽内有火源。如果槽内由于各种原因造成氢、氧气体混合或吸入空气，就可能形成爆鸣气。另外，金属杂质积存或气道圈里存在金属毛刺，它们在冲击电压的作用下，产生尖端放电或产生电弧，当爆鸣气遇到电火花时就会产生爆鸣。防止槽内产生爆鸣的方法是：保持槽内清洁，避免在送电时产生火花，加强槽体密封，使停槽后空气不能吸入，另外，在启动前必须用氮气进行吹扫。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 9、制氢设备的出力降低制氢设备出力不足，主要

43、是由于电解槽内的电阻过大，因为在额定电压下，难以达到额定电流值。此外由于发生副反应和漏电损失，电流效率降低，也造成制氢设备出力不足。通过采取如下措施，可以提高设备的出力：（1）保证电解液的KOH浓度在300400g/L，使碱液密度在1.251.30cm3之间，此外，还应设法消除阀门和其他部位的电解液泄漏。（2）通过适当提高电解液的温度来增加其导电性能和降低氢、氧超电位。一般可以通过控制氢气的出口温度在5060来实现对电解液的温度控制。值得注意的是，应在提高电解液温度时，密切观察电解槽的腐蚀情况。（3）保持一定的液面高度。液面过低会使电阻增大，当电压一定时，就会使电解电流降低，影响设备出力。（4

44、）经常清洗电解槽，清除杂质，这样可以减小电解槽的内阻，有利于提高出力。（5）增加电解液的循环速度，可促使电解液的浓度均匀、温度降低，并使电解液的含气度降低。可在分离器与电解槽之间增加一台循环泵和冷却器来加快电解液的循环。但电解液的循环速度也不宜过快，否则会使电解液与气体不能充分分离，从而影响气体的纯度，增加碱液的消耗。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业第五节 制氢站的安全管理 一、建筑与环境（1）氢站、储氢罐与邻近建筑物或设施要有足够的防火间距，氢站应为不低于二级耐火等级的单层建筑，制氢、压缩、净化、充瓶等厂房的泄压面积应大于0.2m2/m3。（2）厂房通风良好，室内空气换气达4次/

45、h，事故通风换气不少于7次/h。通风孔应设在屋顶最高处，孔径不少于200mm，屋顶如有隔梁或有两个以上隔间时，每个隔间均设通风孔。孔的下边应与房顶内表面平齐，以防止氢气积聚。如采用机械通风，则必须选项用防爆型电机、风机及其他附属设备。（3）制氢站的控制室与配电室、化验室不应设门直接联通，门应直通室外。制氢室往配电室、化验室的电缆沟和暖气沟的孔洞应用防火材料封堵严密，氢站建筑不应使用钢制门窗。充氢瓶台的地面，应用不会产生火花的材料铺成，并有导除静电的设施。（4）氢气放空阀、安全阀均须设通往室外并高出屋顶3m以上的金属放空管和阻火器，各个放空管应有防止雨雪侵入和外来异物堵塞的措施，如安装防雨罩等。

46、（5）氢站应安装防雷设施，室内及明火现场空气中的氢含量不应大于0.3%，油区可燃气体，以氢为标准，要求小于0.8。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 二、氢站的配电和照明（1）配电线路应设熔断器保护，避免线路超载。氢站中的电力线路应密封在金属管中，尽量沿墙敷设，避免靠近屋顶。、电铃等应安装在室外，室内不得安装电钟。（2）开关和启动设备应设在非防爆间，如需安装在防爆间，则需选择防爆型设备。在电解间的门边应安装紧急停车用的防爆按钮。（3）生产间应有可靠的导除静电装置，严禁用输送有爆炸危险物质的管道作为接地线，接地线应使用铜线。（4）制氢站的照度不宜低于1530Lx，采用防爆型壁灯既利于防

47、爆，又便于维修。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 三、储氢装置的安全措施 氢气的储存一般采用储氢罐和氢气钢瓶。储氢罐是用钢板焊接而成的密闭容器，工作压力为0.11.5MPa，氢气钢瓶采用优质碳素钢、合金钢挤压或无缝钢管收缩而成，阀门采用黄铜或青铜制成，工作压力为0.115MPa。储氢装置必须严格遵守安全规定。1、储氢罐（1）储氢罐的位置应符合有关防火防爆规定，罐上应装有压力表、安全阀。安全阀上应连接带阻火器的放散管，罐底部不准采用底部封闭方式，以防止漏氢积聚。（2）应对储氢罐进行压强试验和气密性试验。（3）罐区应用围墙，并设置禁火标志和防雷装置。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯

48、多晶硅业 2、氢气钢瓶（1）氢气钢瓶应漆成深绿色，标有“氢气”字样，外观无破痕，阀体完整，试压检验日期用钢印打在气瓶肩部。（2）充分时遵守安全规程，不许超过最高工作压力。气瓶使用时必须留存一定量余气，压力不得低于0.05MPa。（3）气瓶存放和使用场所应有良好的通风，不得靠近热源及在阳光下曝晒，不准和腐蚀性、氧化性化学药品放在同一库内，氧气瓶、氯气瓶、氟气瓶等必须隔离存放。（4）气瓶在使用时应装减压阀，开启阀门要缓慢，搬运时要轻拿轻放，运输中应放置稳固。（5）当氢气钢瓶的瓶壁有裂缝、鼓泡或明显变形；气瓶壁厚小于3mm；经水压试验，气瓶的残余变形率大于10%；气瓶重量损失大于7.5%；气体容积增

49、大率大于3%；气瓶使用年限超过30年等情况出现时，应做报废处理。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业 四、制氢站的维修及管理1、日常管理严禁烟火，禁止在氢气系统各部位存放易燃、易爆品和其他化学危险品。定期对制氢车间空气中的氢含量进行检测，使其不得超过0.5%，工作人员不可穿化纤服及与地面摩擦会产生火花的鞋进入制氢车间，应使用铜铝合金制作的工具。2、设备检修不动火检修时，应部分或全部停止设备运行。拆解设备前应关紧连接阀门，将氢气放空，并用氮气置换后方可进行。应在切断电源、确认槽体上的电荷已消除后，方可开始进行电解槽的检修。如需动火检修，应尽可能将检修设备移到厂房外安全地点进行。必须在现场动火时，应严格遵守安全规程，将动火设备与其他管道全部拆离，经氮气吹扫，各点取样化验合格后方可进行。检修时要求厂房通风良好，空气中氢含量在 0.5以下，其他氢气设备尽可能停止运行。使用气焊时，氧气瓶、乙炔发生器应设在生产氢气的厂房外，电焊的地线不准接在氢气设备上。应有两台以上的测爆仪在现场监视，检修现场应配备轻便的灭火器材，检修人员应熟悉器材的使用方法。内蒙古鄂尔多斯多晶硅业内蒙古鄂尔多斯多晶硅业演示结束 谢谢大家！