HS—200型制氢装置的技术与经济分析
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HS—200型制氢装置的技术与经济分析梁世荣 张乐荣 摘要：介绍了HS—200制氢装置的技术特点及运行方式，分析了该装置运行的经济性及存在问题。 关键词：HS制氢装置 氢气 电解 0 概述南海市发电A厂2×200MW机组，安装了两台美国能源公司（TELE DYNE）生产的HS—200型制氢装置，其出力及氢气品质很好地满足了本厂发电机组对氢气的各种要求。本文主要结合该装置在本厂的运行情况论述其技术特点、运行方式及经济性。1.设备结构及参数
ＨＳ制氢装置采用的电解液为浓度２５％的ＫＯＨ水溶液。其ＫＯＨ要求为试剂纯。具体要求如下：（固体８５％片状为例，液体的相应要求按此换算即可） 氢氧化钾ＫＯＨ ≥ ８５％ 碳酸钾Ｋ２ＣＯ３ ≤ ２．０％ 氯化物ＣＬ ≤ ０．０１％ 氮的化合物（如Ｎ） ≤ ０．００１％ 磷酸盐ＰＯ４≤ ５ＰＰｍ 硫酸盐（ＳＯ４） ≤ ０．００３％ 氢氧化铵沉淀物 ≤ ０．０２％ 重金属（如Ａｇ） ≤ ０．００１％ 铁Ｆｅ ≤ ０．００１％ 镍Ｎｉ ≤ ０．００１％ 钠Ｎａ ≤ ０．０５％3．3电解槽ＨＳ制氢装置的核心是电解槽，这是将水分解成氢气和氧气的基本过程的地方．电解槽有一系列单独的电解池所组成，其中氢气和氧气在各个电极表面产生，每个电解池中的电极用浸有电解液的多孔性隔膜材料隔开。电解槽采用压滤器结构。电解槽的布置要求电解能通过每个电解池进行循环。HS制氢装置电解槽的独特之处在于它只需要电解液通过每个电解池的阳极（氧气）半电池一侧进行循环。3．3电解液子系统HS制氢装置在运行过程中，起电解液在闭合的管路中不断循环，不断地向电解槽的各电解池供水，同时排除过程产生的热量。各电解池所产生的氧气随电解液一起带走并在KOH储罐中分离，电解液在热交换中冷却。流量开关及温度传感器为电解液流量及温度控制提供了保证。当电解液流量过低或电解液温度过高时装置都会停止运行。3．4给水子系统给水子系统将电解所需的高纯度水输送到KOH储罐的电解液中，该系统包括一只过滤器（装在HS制氢装置的外部）、水纯度监控装置、高压水泵等。HS制氢装置在最高氢气产率11.2米3/时，约消耗11升/时的水。在其他产气率时，给水消耗率与其成正比。如过水的电阻率低于200千欧厘米，装置将发出报警信号，并在10秒钟内停止运行。该系统还保证电解液子系统中的KOH储罐的液位，实现自动补水。3．5冷却水子系统 HS制氢装置中冷却电解液所需要的冷却水和冷却氢气所需要的冷却水分别在各自的管路系统中流动。如果氢气中的水分含量不要求降到最低，则允许用冷却水代替冷冻水进行冷却。如果氢气的纯度要求很高，水分要求很低则氢气必须用冷冻水冷却。目前就我厂的两台HS—200型制氢装置来说：氢气冷却所用的冷冻液与冷却电解液所需的冷却水是相同的，都是全厂共同的经过澄清处理的工业冷却水。 3．6气体预加压系统 HS制氢装置所用的预加压气体为氮气。它有三种独立的功能。第一，它是用来提高电解槽氢气侧的压力，以便将阴极半电池的任何残留的KOH除去，建立单一的循环条件。第二，在开机前，氮气用来吹扫装置的氧气管道系统，为安全开机形成一种惰性气氛。第三，氮气用作干燥器切换和阀门动作的压力源。 3．7气体控制及调节子系统 HS制氢装置中装在气体发生器柜上半部的大部分设备都与氢气和氧气两种产品的控制和调节相关。该系统主要包括压力传感器、背压调节器、压差调节器、氢气和氧气的压力开关、隔膜、干燥器等。气体控制器的定位是这样的：在产氢时的最低氢气的压力为7.7kg/cm2，这可保证7.0kg/cm2的最小氢气输送压力。为维持单一的循环过程，由压差调节器来控制氢气和氧气之间的压差0.5～1.1kg/cm2。压力传感器监控装置中氢气的压力，并控制产气率。压力控制器可以防止装置的压力突然下降；如果对氢气的需求太大，则背压调节器将只允许最大的产气率。同样，当对HS制氢装置无氢气需求时，HS装置中氢气的压力会升至8.4kg/cm2,电解电流会降到预先设定的最小控载电流。这时HS制氢装置所产生的过量的少量氢气将通过背压调节器放空。 从电解槽出来的氢气和从KOH储罐中出来的氧气分别在单独的冷凝器中除去大部分水分。从氧气冷凝器出来的冷凝液直接返回KOH储罐。从冷凝器出来的氢气进入两台氢气干燥器中的一台，进行干燥；氢气干燥器中装有少量可以将氢气中的少量氧气重新化合成水的催化剂，故氢气的干燥过程同时也是纯度进一步提高的过程。干燥气的再生过程是这样的：在干燥器内的电阻加热器对分子筛颗粒进行加热，分离出吸附的水蒸气，在用少量的氢气进行吹扫，以将水蒸气通过放空管路排走。干燥器一台运行、一台再生，每隔6个小时自动切换。因氧气在本厂来说是作为非产品气体，故无须对之干燥，直接排空。这样经过干燥器出来的氢气其露点达—73。C以下，纯度达99.9996%，这远远满足本厂发电机组对氢气的湿度和纯度的要求。 3．8电气及控制子系统该系统包括：变压器、整流器、继电器等，这些设备全装在一个柜中，将输入的交流电源转换成电解槽用的直流电源，也转变成装置的所有过程所需的交流电压。电解槽的直流电源随这过程压力的变化而变化。在将电源加到HS制氢装置和启动开关接通后，电器控制系统会对装置的一切功能进行自动控制。3．9装置的安全保护HS制氢装置的安全保护是这样考虑的：首先，装置的工作环境方面，运行过程中装置仅保持少量的氢气储量（氢气管路的管仅1/4英寸），这就减少了与氢气存放有关的任何潜在危险。对产生的氧气中的氢气含量进行监控，使之保持在安全工况，进而保持电解槽的完整性。有一台风机对两个机柜进行吹扫，以保证HS制氢装置在通风良好的环境中工作，确保HS制氢装置在加电使有安全的工作气氛。并有一台环境氢气检测装置进行监控；该装置与HS制氢装置连锁在一起，一旦检测出环境氢气含量超标即联锁HS制氢装置停机，这就确保HS制氢装置的安全工作环境。其次HS制氢装置的工作特性方面，装置在设计中对各运行参数做了设定。如果HS制氢装置运行明显偏离正常的设计参数，装置就会自动停止运行。整个系统的温度、压力、流量和液位都是连续监控的，以保证系统在确定的设计条件范围内工作。当被监控的任何参数超出允许范围时，有11闩锁继电器中的其一就会发生联锁保护动作，装置自动停止运行，气体发生中断。在装置继续运行之前，引起停机的故障必须得到纠正，否则是不能运行该HS装置的。4．产品气体（氢气）的品质氢气的品质如下（本厂情况）：1.纯度:99.9998%,2.露点—74C以下,本厂近两年平均为—80.65．C,3.压力:最大出口压力8.4kg/cm2,最小出口压力7.0kg/cm2。5．经济性分析
5．1设备费用：约13万美元/台
5．2全自动，无人值班，免去了值班人员的费用。一般氢站按4人值班，每年每人人工费约3万元，则每年该费用将用12万元，考虑住房、保险等因素则该费用将达15 万元。按20年计算则需300万元，可见该人工费的重要 。
5．3占地面积仅48M2，省地。而一般制氢站面积则200m2，按地价1000元/m2，建筑费1000M2，则该费用达30万元，可见占地面积也不可忽视。
5．4维护、维护费用少，经过本厂近三年的运行结果表明，该设备的维护维修费用是很低的，每年只需大修一次，大修费用约3万元。常规氢站的维护几大修费用约每年5万元。6．存在问题HS制氢装置存在的问题主要有三个：第一个问题：用氮气进行预加压和吹扫过程，这两个过程目前是以时间来控制而未考虑预加压与吹扫的实际效果。这往往会引发这两个过进行不彻底而造成后继中KOH液位不准确等一系列问题，结果是HS装置不能正常运行。第二个问题：氢气干燥器切换时，有时会发生停机现象。现象为干燥器氢侧压力低造成，实为吹扫氢气的接流器堵塞引起。第三个问题：该装置对KOH要求很严格，特别强调其中Na的含量必须小于0.05%这一点国内的KOH很难满足要求。7．结束语随着我国电力工业的发展，高参数、大容量的氢冷发电组不断投入运行，对氢气的湿度、纯度要求愈来愈严格；电厂值班人员的编制愈来愈少，对安全要求也日趋严格，在此种情况下，HS—200制氢装置显示出有较大的优势。