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谈“氢”不色变│电解水制氢产业成熟、安全可靠

2018-12-02 07:17:20 五子山 中国汽车报网

编前:

最近,由于河北张家口“11·28”爆燃事故最初指向制氢安全,氢能产业和氢燃料电池汽车的安全性成为了海内外关注的焦点。

11月30日公布的事故原因初步调查结果显示,发生爆燃事故是由于中国化工集团河北盛华化工有限公司氯乙烯气柜发生泄露所致,与制氢无关。

但相关人士指出,此次误报事件带来的争议并未完全平息。他表示,氢能以其清洁、高效的特点被认为是未来最有潜力的能源载体,然而其安全性常常受到人们质疑。谈“氢”色变的社会现象凸显出氢能科普的重要性。

为此,笔名“五子山”的业内人士从制氢原理、加氢站,以及氢的运输、存储和加注等方面,撰写系列文章,以向大众及业界普及相关知识。

本篇为第一篇,主要介绍氢气的制备方法,以及水电解制氢技术及其安全防控。

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目前,氢气制备方法主要有:热化学法制氢(如煤制氢和天然气重整制氢等)、工业副产氢提纯制氢、水电解制氢和太阳能光催化分解水制氢等。

其中,水电解制氢技术有着无可比拟的优越性:

第一,不使用化石燃料,不产生有害气体;

第二,产品气纯度高,通常在99.7%以上;

第三,技术成熟,流程及设备简单;

第四,自动化水平高,采用微机控制,操作稳定可靠。

水电解制氢技术已有一个多世纪历史,目前有碱性水电解制氢、质子交换膜水电解制氢和固体氧化物水电解制氢。碱性水电解制氢最为成熟,目前应用最为广泛。

♦ 我国是名副其实的水电解制氢产品生产大国

一百多年来,国外涌现出众多著名的碱性水电解制氢生产厂商,如挪威Hydro公司,德国Lurgi公司,比利时范登堡IMET公司,加拿大多伦多电解槽有限公司,意大利米兰NeNora公司,美国德立台等。

目前,我国已发展成为名副其实的水电解制氢产品生产大国,产品数量及规格种类在国际上均位居前列,拥有中船重工第718所、天津大陆制氢设备有限公司及苏州竟力制氢设备有限公司等10多家企业,其产品除满足国内生产需求外,还大量出口到世界各地。中国企业的产品由于质量可靠,价格相对低廉,深受世界各国用户的青睐。

身为此次河北张家口“11·28”爆燃事故的受害方,却因为最初的媒体“误报”而无辜“躺枪”的张家口海珀尔公司,就是利用风电、光伏等可再生能源,利用碱性水电解制氢技术制氢,助力京津冀地区氢能产业发展,为2022年绿色冬奥服务。

♦ 碱性水电解制氢具备诸多优点

碱性水电解制氢的原理是将一对电极浸没在电解液中,电极中间隔以防止气体渗透的隔膜,从而构成水电解池。当给水电解池通以一定的直流电时,水就发生分解,在阴极析出氢气,阳极析出氧气,碱液在水中的作用在于增加水的电导率,本身不参加反应。

其反应式如下:

阴极上: 2e+2H2O→H2↑+2OH-

阳极上: 2OH--2e→H2O+1/2O2↑

总反应式: 2H2O→2H2↑+O2↑

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碱性水电解制氢具有工艺简单、操作方便、生产过程不会产生CO2等温室气体,且产品纯度高(一般可达99% ~ 99.99%)等优点,技术使用最为广泛。具体工艺流程如图:

♦ 水电解制氢技术的安全可靠性得到了认证

水电解制氢技术历经百年发展,在系统安全、电气安全、设备安全等方面已经形成了完善的安全设计标准体系和安全管理规范。在实际工业化过程中,水电解制氢技术的安全可靠性得到了认证。

以张家口海珀尔公司为例,其制氢工厂在建设、生产过程中,就遵守及执行了《中华人民共和国安全生产法》、《中华人民共和国特种设备安全法》等法律法规19项;《氢气站设计规范》、《加氢站技术规范》、《供配电系统设计规范》等安全标准12项;《中华人民共和国防震减灾法》、《构筑物抗震设计规范》等抗震法规及标准5项;消防设计执行的标准及规范约25项及其它相关法规、政策。

以下为典型的安全防护措施:

厂房建设方面,厂房为甲类厂房,采用单层建筑结构,其耐火等级、层数及防火分区的面积严格满足规范要求。如房间上部空间通风良好,顶棚内表面平整,避免死角;厂房顶部最高点设置无动力通风机和轴流风机等自然或强制换气设备;房间的自然通风换气次数≥3次/h,排风装置换气次数≥12次/h,并与氢气检漏装置联锁。

防电防爆方面,电气设备及控制仪表均为防爆类型;将设备、管道、构架、电缆金属外皮、钢屋架和突出屋面的放空管、风管等接到防雷电感应接地装置上;管道法兰、阀门等连接处,采用金属线跨接;所有导体均通过接地、跨接等方式严格消除静电。

工艺流程方面,采用分立式循环的工艺流程。将氢、氧碱液的循环回路分立设置,并分别注入分立液道的电解槽氢、氧小室,从而实现氢气和氧气的有效隔离,保证了系统运行的安全、可靠。

氢气管道方面,氢气管道采用无缝钢管;管道及管件之间采用焊接方式连接,减少可能出现的泄漏点;采用法兰或螺纹连接管道与设备管口、阀门等,并在连接处采用金属导线跨接且定期检查跨接电阻,设备或管道末端接地良好;管道上设放空管、取样口和吹扫口,其位置满足管道内气体吹扫、置换的要求,且系统内设有含氧量小于0.5%的氮气置换吹扫设施;氢气放空管引至室外,且放空口应高于屋顶最高点1m以上,管口处设阻火器以防止外界火花串入系统引发事故,且应有防雨雪侵入、杂物堵塞及防止雷击的保护措施。

生产监控方面,水电解制氢装置采用PLC全自动控制,PLC通过系统中装配的各类传感器,实时监控制氢系统工作时的压力、温度、液位、电解电压、电解电流、阀位状态等参数,并针对各个指标设置报警值和软连锁值;针对关键参数如压力、液位等参数设置机械式硬连锁仪表及元件,以避免在系统突然断电或PLC控制系统失控时发生危险。在水电解制氢装置中设置氧中氢含量和氢中氧含量在线分析仪,并设置氧中氢和氢中氧含量超量报警装置,如达到超量极限,则连锁关机。设氢气检漏报警装置,并与相应的排风机联锁,当空气中氢气浓度达到0.4%(体积比)时,排风机立即自动开启。

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能源危机和环境污染已日益严峻, 威胁着人类的生存和发展,发展可再生能源, 走可持续发展道路成为各国学者研究的焦点。利用可再生能源所产生的电能电解水制氢是成熟和清洁的氢气制备方式,将是发展氢经济的优先选择。

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