利用水電解制氫工藝實現氯氣零液化

新疆宜化集團地處新疆吉木薩爾縣準東五彩灣，位于準噶爾盆地邊緣，是按“煤電化一體化”和“資源節約型、環境友好型”的模式建成的低碳循環經濟產業園，于2018年12月恢復正常生產。在恢復生產準備階段，遇到一個難題是每天約40 t氯氣無法平衡，而新疆地區液氯、鹽酸市場極小，早已飽和，且運距極遠(500~2 000 km)。因運輸危化品管理極嚴，如果不對氯氣進行有效平衡，新疆宜化集團將無法正常開車。

在平衡氯氣方案中，先后考慮了液氯外銷、次氯酸鈉外銷、鹽酸外銷方案，均因市場容量、運距、申報手續等問題被否決。考慮新上配套氯產品項目，因建設周期、投資等原因也被否決。近年來水制氫技術取得了較大進步，在氯堿企業中開始應用。經計算，選擇單臺電解槽600 m3/h進行氯氣平衡。該型電解槽是目前國內氯堿企業采用單套能力較大的裝置，能滿足生產需要。

1 工藝裝置參數選擇

1.1 產氣量選擇

滿負荷時，按日富余40 t氯氣平衡。1 t氯氣理論上需要0.028 2 t氫氣進行平衡，1 t氫氣折11 000 m³，則需要外供氫氣量為：

40÷24×0.028 2×11 000=

517 (m³/h)。

合成氯化氫過程中按氫過量5%計算，則需要外供氫氣543 m³/h，故選擇600 m³/h水制氫裝置，副產氧氣量300 m³/h。

系統內氫氣壓力選擇1.8 MPa，制氫裝置采用FDQ-600型水電解制氫組合裝置，電解槽材質為碳鋼鍍鎳，主工藝管線選擇SS316L，輔助儲槽材質為SS304。

1.2 脫鹽水選擇

根據公式V=nV_m=22.4×m/M，得到純水的理論質量為：

m_H2O=482.2 kg/h。

實際消耗為理論值的1.5倍，即純水消耗按0.72 m³/h考慮，現有裝置有富余30~50 m³/h可用，故直接用工藝管道輸入界區，界區內設置5 m³原料脫鹽水箱，可緩沖8~12 h，不另行新建裝置。

1.3 整流變壓器

整流變壓器的作用是將10 kV交流電變換為與電解裝置的整流柜相匹配的交流電輸出給整流柜，經過可控硅整流輸出直流電，接至電解槽的正極輸電排，保證電解需要的電力。負極由整流變壓器直接引出，接至電解槽的負極輸電排，具有溫升報警、聯鎖，瓦斯報警、聯鎖等保護功能。滿負荷時電解槽的工作電壓為226 V，工作電流為12 kA，考慮冗余，故選擇容量為4 200 kV·A，無勵磁手動調壓，輸入3相，輸出12相，油浸冷卻，具體型號為ZHSK-4200/10。

1.4 整流柜選擇

電解槽采用晶閘管整流柜供電。晶閘管整流柜包括可控柜整流系統、控制觸發系統、操作聯鎖系統，其調壓范圍為水電解槽額定電壓的0.6~1.05倍，額定直流電流為水電解槽額定工作電流的1.1倍。整流柜內導線為銅母線及銅導線。導線為單芯，聚氯乙烯絕緣（阻燃型），額定耐電壓不低于600 V,其防護等級為IP41。

整流柜型號：KGHS-13200/238；直流輸出電壓：238 V；最大直流輸出電流：13 200A。

1.5 程控柜

程控柜為PLC控制柜。為了避免干擾影響控制功能，PLC柜單獨設置，防護等級IP41。

1.6 外送壓力

氫氣系統內工作壓力1.8 MPa，考慮外部氫氣主管線工作壓力為0.105~0.125 MPa，故選擇減壓外送壓力為0.125 MPa。氧氣在系統內放空。

2 裝置介紹

2.1 電解槽

水制氫系統由氫氣制備系統、氣液處理系統、加水補堿系統、供配電及控制系統4部分組成。脫鹽水由現有系統送來。

其中電解槽結構如圖1所示。

制氫系統的主機電解槽由供配電系統（整流變壓器、整流柜）提供直流電源，其具體連接程序為：10 kV網電與整流變壓器的輸入端相連，此時網電給整流變壓器提供10 kV交流電源。整流變壓器的兩負極直接和電解槽的兩負極分別相連；正極接整流柜的正極輸出端。根據電解槽的負荷要求，只要調節整流柜輸出值即可。

2.2 工藝流程

水制氫工藝流程如圖2所示。

圖2 水制氫工藝流程示意圖

從電解槽電解產生的氫氣和氧氣，分別隨同堿液一起，通過堿液循環泵的強制循環，進入氫分離器和氧分離器。堿液和氫氣、氧氣憑借各自的重力和浮力在分離器中進行有效的分離，分離出的氣體進入下一個工序氫氣冷卻器和氧氣冷卻器進行冷卻，分離后的堿液依靠堿液循環泵的強制循環進入電解槽。此時：工作溫度為65~90 ℃，工作壓力為1.0~1.8 MPa，氫氧分離器的液位差不超過500 Pa。

從氫氣氣體冷卻器和氧氣氣體冷卻器冷卻了的氣體分別進入氫氣捕滴器和氧氣捕滴器，利用除沫原理進一步除去氣體中液滴，降低氣體的濕含量。經冷卻的氣體，由于溫度降低，氣體中的水汽變為液滴。通過捕滴網的捕滴，使得氣體中的液滴返回堿液，使出口氣體的含濕量小于4 g/(m³·H₂)，同時就降低了氣體中的堿含量。處理后的氣體經過測試合格后向氯化氫合成工序送氣。

3 裝置運行情況

2018年12月5號開車一次成功，達產達標。至今運行半年多，生產正常。

3.1 運行參數

新裝置在12 kA工況下，可產氫氣680 m³/h。滿負荷下每年可增加PVC產量約2萬t。

3.2 主要聯鎖與報警設置

報警設置如表1所示，主要聯鎖設置如表2所示。

4 電解制氫主要操作經驗

4.1 溫度操作要點

氧槽溫、氫槽溫指標65～90 ℃。溫度高對電解槽造成損傷，影響電解槽的使用壽命；溫度低則電阻增大消耗增高，一般控制在72~78 ℃為好。

氫氣、氧氣冷卻器：氣體出口溫度20～45 ℃，溫度高造成出口氣體含水太高。在運行初期，因循環水是從系統主管上抽管，用戶多，致水制氫裝置循環水壓力低，換熱不充分，出口溫度一度高至50~60 ℃，后來增加1臺循環水管道泵，出口氣體出口溫度降低到28 ℃，氫氣產氣量和質量立即正常。

4.2 壓力操作要點

電解槽工作壓力1.00~1.80 MPa（氫氣減壓后為0.125 MPa，送至二合一），壓力高氫氣純度越好，但也易造成管路和儀表的損壞，正常情況控制壓力在1.65 MPa。

冷卻水0.15~0.3 MPa，系統超壓易造成管路和儀表損壞，系統報警提示。壓力低，則控制柜因換熱不好，易出現過熱現象，甚至燒毀元器件。此壓力須與電解槽聯鎖控制。

4.3 液位操作要點

氫氧分離器液位差±50 mm，液位差過大造成氫氧混合，發生停車事故，嚴重時會引起爆炸。正常情況下打自控，液位十分穩定，如出現波動，現場配合中控崗及時調整，如出現特別大波動，則聯鎖跳車，此時現場關閉保壓閥，查清原因再處理。

4.4 氫、氧純度低如何調節

(1)檢查氫、氧分析儀的氫、氧氣流量是否在規定的刻度上。

(2)使用過程中要及時更換變色硅膠。

(3)控制堿液的質量濃度為1.24~1.30 g/cm³。

(4)注意堿液循環量，調節閥的開度，使堿液循環量控制在工藝要求的范圍內，且氫、氧堿液循環量相當。

(5)應定期打開空氣過濾減壓器底部的放水閥，排放水和油。

(6)氧氣純度上不來，檢查后發現氧氣放空管冰堵，清通后正常，氧氣純度達到99.999%。

4.5 控制柜波動

在其他系統（電石、燒堿電解）開車后，發現水制氫整流柜在生產過程中有間歇性振動，開始懷凝整流同步反饋信號接點有問題，后發現是接在高壓端，受電解影響易波動，改到低壓端，此情況再沒出現。

4.6 可控硅發熱預防

控制柜冷卻水要加聯鎖。如沒有聯鎖，遇到泵跳車，電解未停車，則因控制柜發熱快，可能在幾分鐘內燒壞可控硅組件。調試過程中曾發生過燒毀3只可控硅，影響調試順利進行。

4.7 污氫排污

系統內氫氣要設定程序進行定期排污，冬季和夏季應根據分析數據調整，冬季一般在60 min/次，夏季則可在30~45 min/次。

5 結語

通過水電解制氫工藝，不僅可解決氯氣平衡問題，實現氯氣“零液化”，同時可有效增加PVC產量，可在氯氣難以處理地區廣泛推廣。