一种基于清洁能源制氢系统的集成化配碱循环系统设计_董学武.pdf

第 58 卷0引言加快发展清洁能源对于国家抢占能源高地、优化国家能源体系具有十分重要的意义。能源发展模式的转变已经提高到前所未有的高度。我国含有丰富的风、光、电、地热能、潮汐能等清洁能源，有利于促进能源革命和构件清洁低碳、安全高效能源体系的建立。在国家双碳目标和绿色发展理念的推动下，氢能具有燃烧性能好、点燃速度快、产物无毒害、燃烧产物可再利用程度高等特点，成为清洁能源发展的主流，其中碱水电解制氢系统在氢能研究领域具有技术成熟、生产制造成本低、单体制氢规模大的优势，该系统中碱液循环配比及循环调节工艺集成化对于提高电解水制氢效率、优化系统工艺参数等具有积极意义，通过对于系统的集成研究，碱液循环工艺和系统模拟研究等都有一定的基础。1清洁能源制氢现状及发展趋势随着国家“十四五可再生能源发展规划”的提出，我国能源体系发展进入新的历史阶段。规划中提出：力争在 2030 年二氧化碳排放达到顶峰，在 2060年实现碳中和。清洁能源在能源结构转型升级中的作用日渐凸显，成为能源发展结构的主力军。我国清洁能源发展趋势良好，总体实现跨越式发展，国内从利用水平、装机容量、装备制造水平、技术研究、行业竞争力等方面都进入了新局面，为国家能源结构转型升级和能源体系结构调整提供了重要基础，截至 2020 年底，我国清洁能源发电装机达到9.34 亿千瓦，在发电装机占比 42.5，从种类来看，风电、光电、水电、生物质发电进展较好，清洁能源利用总量增量较为明显，总量达到 6.8 亿吨标准煤，占一次能源消费总量的 1/10；我国在全球水电领域的贡献也较为明显，风电产业链也日趋健全，其中多晶硅、硅片、电池片和组件等方向总占比接近七成，综上所述，目前我国清洁能源领域增速明显、技术发展较快、市场份额较大、政策环境持续向好。随着全球能源总体趋势不断向低碳、零碳方向发展，我国也提出“碳达峰”、“碳中和”和“绿色发展新理念”等相关概念，清洁能源逐步成为支撑经济社会发展的后起之秀，大力发展清洁能源成为全球能源革命和应对气候变化新挑战的主流方式，同时也是解决能源短缺形势的唯一选择，“十四五”时期是我国清洁能源高质量发展的关键时期和重要阶段，一是在大规模发展的基础上，进一步提高发电装机量占比，兼顾增长速率和质量；二是由能源电力消费收稿日期：2023-01-15；修订日期：2023-02-19作者简介：董学武（1992），男，助理工程师，技术助理，从事机械设计及能源装备研发。E-mail：xwdong_一种基于清洁能源制氢系统的集成化配碱循环系统设计董学武，常潇源，牛玺辉，赵仁杰，翟小霞（兰州兰石集团能源装备研究院，甘肃 兰州 730000）摘要：随着现代工业的迅猛发展，传统的石化能源已无法适应新形势的要求，能源转型势在必行。清洁能源作为一种重复利用率高、环境污染小的能源正逐渐成为能源领域的重要角色，基于清洁能源系统中碱性电解水制氢系统具有技术较为成熟、成本较低的特点而得到广泛应用。本文主要针对碱水电解制氢系统的配碱循环系统集成化进行研究，旨在提高碱水制氢系统运行效率和为今后集成化配碱循环系统设计提供参考依据。关键词：水电解制氢；碱液循环系统；集成设计中图分类号：TK91文献标识码：ADOI：10.16316/j.issn.1672-0121.2023.03.024文章编号：1672-0121（2023）03-0096-04第 58 卷 第 3 期Vol.58 No.3CHINA METALFORMING EQUIPMENT&MANUFACTURING TECHNOLOGY2023 年 6 月Jun.202396-第 3 期增量补充转为增量主体；三是由以前的政策补贴驱动转变为市场导向引领，发挥市场指挥棒作用。2水电解制氢技术氢能作为清洁能源领域的重要一环，其产业链的发展有利于提高清洁能源领域总体发展水平，水电解制氢技术作为氢能产业的首要环节和重要步骤。发展绿色水电解制氢技术和装备，研究水电解制氢集成系统有助于推动清洁能源的发展。水电解制氢技术是通过直流电对于原料水进行电解，生成无毒无害的氢气和氧气的分解过程，产品对环境无污染。2.1水电解制氢分类与特点纯水在直流电的电解作用下，通过电化学反应将水分子电离成为氧原子和氢原子，后通过化学键的作用结合成氧分子和氢分子，并分别在电解槽的阳极和阴极上转化成氢氧气体的氧化还原反应，结合相应的电解质种类和特性的不同，主要可分为碱性电解（ALK）、质子交换膜（PEM）电解水、固体氧化物（SOEC）电解水三大类。碱水电解池电解质为 KOH 溶液，该电解效率为60%70，技术较为成熟，已经实现商业化，成本较低；固体氧化物电解池电解质主要为 Y2O3/ZrO3，目前以技术研究为主，由于当前投资成本较高，尚没有实现商业化；质子交换膜电解槽清洁无污染，电解质为纯水，适应清洁能源波动匹配性，国外已经实现商业化。2.2碱性水电解制氢系统工艺流程碱性电解水是以 30浓度的 KOH 溶液为电解质，通过电解质加快电解效率，在电解槽电解发生氧化还原反应的水电解制氢过程，生成的气体包含在碱液中流入气液分离器，通过重力沉积作用使得气液分离，气体从上部进入气体洗涤器进行初步洗涤，后经过气体纯化系统、干燥系统进一步纯化，最后通过氢气分析设备得到纯度为 99.99的产品氢气。分离的碱液经过循环系统，经由碱液循环泵、碱液冷却器、碱液过滤器后进入电解槽，整个系统控制有管道仪器仪表和控制程序控制。3集成化碱液循环系统设计3.1碱液循环系统初始参数要求碱性电解水制氢系统中电解液的成分含量对于电解设备寿命长短和电解水制氢效率高低的影响十分重要，本设计中碱液循环系统氢氧化钾溶液纯度如表 1 所示。系统中所需的原料水，也叫去离子水或者除盐水，以保证系统循环管道和设备受到的腐蚀程度降低，也可以减少配碱循环系统碱液泄露的影响，其参数如表 2 所示。集成化配碱循环系统主要参数应该为氢氧化钾溶液进出系统温度和系统流道材质，主要参数如表 3所示。3.2碱液循环系统体系建立清洁能源纯水，依托电解制氢系统，在碱性溶液中 KOH 电解质的带动下，其中主要电解的是除盐水，溶液中碱性物质主要起到增强电解效率、提高电表 1电解液含量占比名称不低于分析纯度含量（KOH）85.0碳酸盐（以 C2CO3 计算）3.0氯化物（CL）0.025硫酸盐（SO4）0.01磷酸盐（PO4）0.01钠（Na）2.0钙（Ca）2.0铁（Fe）0.002重金属（以 Pb 计算）0.003表 3配碱循环系统设计参数设计温度/设计压力/MPa流道材质 流道等级进循环系统901.6316LN2E内部循环701.6316LN2E出循环系统401.6316LN2E压力管道类型统一为 GC2表 2原料水成分表单位指标电导率us/cm1Fe2+mg/L1Cl-mg/L1悬浮物mg/L1压力MPa0.2-0.3董学武，等：一种基于清洁能源制氢系统的集成化配碱循环系统设计97-第 58 卷子传递速率的作用，KOH 碱性溶液通过碱液循环泵的不断推动，不断在电解槽、气液分离器等设备中流动，过程中产品气体在水电解制核心装备中产生，并经过气液分离器中进行产品气体和 KOH 溶液的自然分离，产生的氧气和氢气被不断地送出系统，并经过气体纯化系统和干燥系统等，以便达到总体使用要求。碱液循环系统配合清洁能源制氢电解水单元、氢氧气体分离纯化单元、冷却水循环单元、排污单元、检测仪表等装置完成对于水电解制氢的闭环控制，其中碱液循环系统机构设备包括碱液循环泵、碱液冷却器、碱液过滤器、配碱循环泵、气动薄膜阀、压力变送器、温度变送器、流量传感器等设备。3.3碱液循环系统集成优化碱性循环系统的主要作用是带走从电解槽系统中产生的氧气和氢气到气液分离器、并及时补充原料水到电解槽、对电解槽的电解反应区域进行不断的搅拌以减少浓差极化现象，碱液循环系统是电解水制氢装置中的核心装置，其关系到碱液的按时补给及电解水制氢的总体水平，如果电解液不能按时输送，电解水系统将会出现产气量不足、电解设备温度较高等不良影响，所以循环系统要配备气动薄膜阀、压力变送器、温度变送器、流量传感器等检测设备，并有系统自动控制整个循环系统的压力、碱液温度、及时补充电解消耗的原料水等过程，系统结构体系需要的设备为碱液循环泵、碱液冷却器、碱液过滤器、配碱循环泵、电解槽、汽水分离器、碱液循环管路及各类分析仪表，其中对于碱液循环泵采用一用一备的形式，提高整个系统的制氢效率，碱液循环系统的建立如图 1 所示。3.4碱液循环系统配碱流程设计清洁能源除盐水电解制氢碱液循环工艺流程包括：碱液配置回路设计、碱液内循环回路设计、碱液外循环回路、稀碱试运行设计，本设计主要是通过配碱的初始阶段，即固体氢氧化钾溶液配置阶段，对KOH 溶液达到 30%时正常运行的整个流程的集成化设计研究。第一阶段：配碱回路的设计。该回路的设计主要是将固体 KOH 溶液溶解在原料水中达到设计的30%浓度，在开始配碱之前，应该将水箱中的除盐水通过碱液循环泵的压力，不断在制氢体系中循环，在除盐水的流量占比达到满流量的 85时循环 34h，后停泵将清洗水排出，并依次循环往复，直到排出的水干净无杂物为止。回路清洗完毕后进行碱液的配置工作，本设计采用连续配置工艺，向碱液箱中注入除盐水，其中除盐水的量根据整个制氢系统的能耗计算，后将配碱循环泵启动，使得原料水只在碱液箱和配碱循环泵之间流动，后向碱箱中缓慢地加入固体 KOH，因为固体 KOH 溶解时会产生大量的热，所以应该慢慢加入，并且在设备周边配备硼酸溶液以保证安全措施。待固体 KOH 完全溶解后且基本达到所需用量后，取碱液并静置后测量碱液比重，如果没有达到标准，则继续向系统中添加固体溶剂直至合格。第二阶段：碱液内循环回路设计。该流程关闭配碱循环泵对应的阀门，隔开配碱循环泵，打开碱液循环泵、碱液冷却器、碱液过滤器对应的球阀，使得碱液在配碱箱和碱液循环泵、冷却器、过滤器之间循环，已检查碱液内循环回路是否合格，并及时测量溶液浓度，以便及时在碱箱中添加相应物质进汽水分离器气体洗涤器气体纯化设备气体分析设备产品气体电解槽除盐水箱碱液箱配碱循环泵碱液循环泵 1碱液循环泵 2碱液冷却器碱液过滤器图 1碱液循环系统集成设计示意图98-第 3 期行调整。第三阶段：待第二阶段完成后，打开碱性电解槽、汽水分离器、对应的球阀，使电解槽和分离器、分离器和碱液循环泵、电解槽和碱液循环泵之间的回路打通，让碱液在整个稳定运行的制氢环境中流动，检查整个集成化的碱液循环回路是否正常，并取样测量溶液浓度。第四阶段：稀碱试运行。接通水电解制氢系统的各种仪器仪表设备和气源装置，并且开启冷却水系统并调节冷却水压力，开启原料水补给体统，检查各连锁报警点的设置是否合适，之后启动碱液循环泵，调节系统压力平衡，随后开启整流柜，是电解所需的直流电通向电解槽的阳极、阴极开始电解析氢反应，此时可以通过氢氧分析仪看到电解反应正在进行，由于直流电和电解槽阻抗的原因，电解槽温度逐渐上升，在温度达到 60时，开启分析取样阀，待电解设备的温度达到 80时，并观察调节槽温，在槽温稳定在8588运行 12h 后，逐步增大系统的工作压力，稀碱的时间需连续运行 24h 以上。整个碱液循环回路流程完毕后，确定合理优化的循环回路参数，掌握集成化碱液循环回路的优化设计工艺流程，后停机并将稀碱溶液排出，后用除盐水进行清洗干净，整个清洁能源水电解制氢系统就完成配碱循环工作，之后可进行实际工况的清洁能源制氢流程。3.5集成优化系统管路设计碱液循环系统中电解槽、汽水分离器、碱液循环泵、碱液过滤器、配碱循环泵等设备之间集成化设计依靠管道进行连接，管道连接的材料、压力等级等的选择需要符合国家标准，管道材料需要耐腐蚀且成本较低，管道中心高度、管道高度需符合化工设计要求，管道设计需要考虑各个流道之间、流道和设备之间的干涉问题。3.5.1系统管路参数因为碱液循环系统中流动的溶液主要是浓度为30的 KOH 溶液，该溶液具有腐蚀性，所以本设计中管道采用 316L 不锈钢材质，成分为镍铬合金，可以增强管道使用寿命，抵抗碱性液体侵蚀。集成化配碱系统管道由汽水分离器中分离后的进碱温度为 90左右，经过碱液冷却器、碱液过滤器、管路的降温，出碱温度为 40，整体系统压力为3.2MPa，属于压力管道 GC2 类型。3.5.2管路设计选型设计集成化配碱管路包括 90弯头、等径三通、异径三通、同心异径管接头、榫槽面法兰、防腐垫片、螺栓螺柱、管道支架等部分组成，其中管道须符合化工标准中最小连接标准，管道设计不应该互相干涉，管道壁厚应该一致且符合压力要求。相应选型参照HG/T 20553 化工配管用无缝及焊接钢管尺寸选用系列、管道最小连接尺寸、GB/T12459 钢制对焊管件类型与参数等文件选择集成化系统管道类型和布置设计。4结束语清洁能源对于我国能源革命和结构转型发挥着至关重要的作用。其中我国水资源较为丰富，基于水电解制氢技术产生的氢能具有节能环保、燃烧性能好等优点。本设计以此为出发点，采用集成化的水电解制氢系统，将电解槽、碱液循环泵、碱液过滤器、配碱循环泵集成为一个整体，并且研究集成化配碱循环回路工艺，并且对于流道设计参数设计、流道设计应该考虑的标准和包含的管道元件进行设计，对于今后清洁能源制氢的集成化配碱循环系统设计提供参考和设计依据，也为原料集成化循环提供应用价值。参考文献：1刘明义，等.电解水制氢技术在清洁能源发电领域的应用A.2013年中国电机工程学会年会C.成都，2013.2俞红梅,邵志刚,侯明,等.电解水制氢技术研究进展与发展建议J.中国工程科学，2021，23（2）:7.3郭育菁.一种碱水制氢电解槽结构设计及性能优化D.北京：北京化工大学，2020.4吕学兵.KOH 装置电解槽碱液循环系统改造总结J.宁夏石油化工，2003，22（4）:2.5惠科，钱炼，虞海东，等.碱液清洗循环系统 P.中国：CN210796644U，2020.6张冠军,胡志达,石 磊,等.铝带材清洗工艺探讨与相关参数确定J.锻压装备与制造技术，2019，54（3）:91-94.DOI:10.16316/j.issn.1672-0121.2019.03.023.董学武，等：一种基于清洁能源制氢系统的集成化配碱循环系统设计99-第 58 卷0引言随着航空制造技术的发展和军用、民用飞机综合性能的不断提高，航空钛合金材料的发展呈现出高用量、高性能的特点。例如，美国 F22 战机钛耗达到 41%1，V2500 发动机钛耗达到 31%，民用飞机和钛耗也在增加，预计到 2020 年，民用飞机钛市场将达到 2.8 百万吨2。因此，各国开始投入大量的人力和财力研究新型高性能钛合金，尤其是高温钛合金，如美国的 Ti6242S 和 Ti1100，英国的 IMI829 和 IM-I834。我国还研制出了温度在 550以上的高温钛合金，如 Ti55、Ti-60、Ti600 等3-4。70 世纪苏联研制出 Ti-Al-Zr-Sn-Mo-W 体系+型热强钛合金 BT25，其名义成分为 Ti-6.7Al-1.5Sn-4Zr-2Mo-1W-0.15Si。该合金既有 BT9 钛合金的高热强度，又有 BT8 钛合金的热稳定性，可加工成锻件、模 锻 件 和 棒 材，在 500550 下 使 用 寿 命 为收稿日期：2023-01-16；修订日期：2023-02-24作者简介：张安（1995），男，硕士，工程师，从事钛合金材料组织、性能与热加工工艺研究。E-mail：锻造变形量对 TC25G 钛合金组织和性能的影响张安，张元东，刘秀良，车安达，马思琴（江西景航航空锻铸有限公司，江西 景德镇 333000）摘要：将 260mm TC25G 钛合金圆棒料在 T-40温度下保温一段时间后进行锻造，研究 15%、30%、45%、和 60%四种典型变形量对锻件的组织和室温力学性能的影响。结果表明，四种变形量的锻件显微组织均由多个椭球状的初生 相和互相交错的条状 相组成;随着变形量的增加，平直的束状 相减少，相方向性减弱，条状 相尺寸减小；同时，随着变形量的增加，拉伸强度先增后降；变形为 30%50%时，可获得满足技术标准要求的最佳的强塑性匹配。关键词：TC25G；钛合金；锻造变形量；组织演变；力学性能中图分类号：TG146.2+3；TG113文献标识码：ADOI：10.16316/j.issn.1672-0121.2023.03.025文章编号：1672-0121（2023）03-0100-05第 58 卷 第 3 期Vol.58 No.3CHINA METALFORMING EQUIPMENT&MANUFACTURING TECHNOLOGY2023 年 6 月Jun.2023Design of an integrated Alkali distribution cycle systembased on clean energy hydrogen production systemDONG Xuewu,CHANG Xiaoyuan,NIU Xihui,ZHAO Renjie,ZHAI Xiaoxia（Lanzhou LS Group Energy Equipment Research Institute,Lanzhou 730000,Gansu China）Abstract:With the deepening reform of the global energy system structure and the continuous promotion andevolution of the social development framework,the traditional fossil energy has not been able to adapt to theeconomic and social development,and peoples growing demand for material culture has posed new challengesto the energy transformation.As an energy with high reuse rate and low environmental pollution,clean energyis gradually becoming an important role in the energy field.Based on the characteristics of relatively maturetechnology and low cost of alkaline electrolysis water hydrogen production system in the clean energy system,which has been widely used,the integration of the alkali distribution cycle system of the alkaline waterelectrolytic hydrogen production system has been mainly studied in the text,aiming to improve the operatingefficiency of the alkaline water hydrogen production system and provide design reference and basis for thedesign of the integrated alkali distribution cycle system in the future.Key words:Hydrogen production by electrolysis of water;Alkali circulation system;Integrated Design100-