电解槽系统降低电耗的研究

陈晓予　叶祥英　许宁

摘要：本文简述了电解槽节电理论、原理，并通过计算分析，在DY75电解槽上成功地进行了实验，节电效果非常显著。
关键词：电解槽电耗负荷

　　氮氢站是为浮法玻璃生产线提供保护气体的。制氮氢气体电耗费用占成本的80％左右，而制氢设备水电解槽的电耗占总电耗的一半。所以，搞好电解槽的节能降耗工作对于降低NH站的生产成本，将起举足轻重的作用。
　　前一段时间，我们对两台DY75型电解槽进行大修，将所有阴极付极板重新镀Ni₃S₂，使槽电压降低明显。另外采用多开电解槽台数降低每台电解槽的负荷，节电效果也非常明显。下面对DY系列电解槽的节电问题进行论述。

1.电解槽制氢电耗分析

1.1电解槽供电系统电耗
　　三相10KV电源经感应调压器调压后，送到整流变压器，再由整流变压器送到硅整流柜，整出的直流电通过铜排送到电解槽的阴极和阳极。
　　此供电系统的电耗包括：感应调压器损耗、整流变压器损耗、硅整流柜损耗和铜排损耗。

图1典型的电解槽供电系统图

1.1.1感应调压器TB的损耗P_TB
　　感应调压器损耗的计算公式为：

P_TB=P_Fe＋P_Cu　　　式1.1

　　P_Fe为调压器的铁耗，它不随负荷变化，是个常数。P_Cu是调压器的铜耗。它是由于电流通过调压器的一次二次的铜线包，而引起的铜线热损耗，它与电流的平方成正比。从产品的随机资料中可以查到空载损耗P_o=1.5kW，短路损耗P_k=12.8kW。
　　由于短路损耗P_k是在常温下测得的(25℃)。实际运行温度较高(以75℃计算)，需将Pk换算成P_k75℃。不同温度下电阻的关系式为：

r_kθ2=r_kθ1[1＋α(t₂－t₁)]　　式1.2

　　式中r_kθ2，r_kθ1为不同温度的短路电阻。
　　t₁，t₂为温度。α为导体的温度系数。对于铜导体来说

α=0.0041/℃　

　　∴变压器短路损耗的温度补偿系统：

　式1.3

　　式中I_1e为调压器的一次额定电流
　　根据电机及变压器原理可知：

P_Fe=Po=1.5kW
P_Cu=β²P_K75=β2αP_K=15.4β²

　　 是变压器调压器的负载系统。I₁为调压器的一次运行电流。
　　所以P_TB=1.5kW＋1.5kWβ²
1.1.2整流变压器ZB的损耗P_ZB
　　和调压器损耗的分析方法一样，从整流变压器和产品的随机资料中可以查到：
　　P_o=1.5kW，P_K=10.5kW
　　由式1.3可知：α=1.2
　　∴P_K75=αP_K=12.6kW
　　所以P_ZB=P_Fe＋P_Cu=P_o＋β²P_K75=1.5kW＋12.6β²
1.1.3硅整流柜损耗P_GZ
　　硅元件上的电压降以0.6V计算，则硅整流柜损耗PGZ由下式计算：
　　P_GZ=0.6IzkW
　　I_z=6KA时，P_GZ=3.6kW
　　其中Iz为通入电解槽的直流电流，单位为KA。
1.1.4铜排损耗PT
　　铜排为截面宽200mm厚15mm的短形。
　　截面积S=200×15=3000mm²
　　将硅整流柜一次侧的铜排也折算成200mm×15mm的铜排后，铜排长度L以30m计算。
　　铜的电阻率ρ=0.0172Ωmm²/m，铜排电阻

　　电解槽运行时，铜排温度约为55℃，由式1.2可知
　　DL—高压开关柜TB—感应调压器ZB—整流变压器GB—硅整流柜TP—铜排DJC—电解槽

R_25℃=R_25℃[1＋α(55－25)]=1.93×10^－4Ω

　　所以铜排上的损耗P_T=I²ZR_55℃=I²_Z1.93×10^－4Ω
　　满负荷时，P_T=1.93×10^－4Ω×(6000A)²=6.95kW
　　另外，用实验的方法也可以测出P_T，将电解槽电流I_Z调到6000A测得铜排上的电压降VT=1.15V
　　则满荷时：P_T=6000A×1.15V=6.9kW。与前面的理论计算基本相符。

1.2电解槽本身的电耗Pc
　　P_c的计算公式为：

P_c=I_zU_z=I_znU_s　　式1.4

　　其中U_s为电解小室的电压。n为电解小室的数量。
　　由以上公式可知，在产气量不变(即I_z不变)的情况下，要降低电耗，就只有降低电解小室的电压U_s。
1.3电解槽启动过程中的电耗
　　电解槽刚启动时，由于槽内电解液温度较低，电压达到额定值时，电流很小，产生的氢气和氧气纯度差，不能使用而被放掉。随着电解液温度慢慢升高，电流也慢慢增大。一般要经过3～5个小时，电解液温度升到70多度，氢气和氧气纯度合格，启动过程结束。在这一过程中，大量的电能被浪费了。

2.节能方法及实际效果

　　电解槽在制造过程中，应采用什么工艺，什么材料，什么结构来达到节电的目的，不是本文所要讨论的内容。本文只对电解槽在使用过程中可以采用的节电方法、措施进行探讨。
　　电解槽本身的电耗占了整个系统电耗的90％左右，是耗电的主要部分，也是节电的主要对象。如前所述，电解槽本身节电的关键就是降低U_s。

U_s=E_H＋Eo＋U_HC＋U_OC＋U_浓＋U_液＋U_隔＋U_极　　式2、1

　　其中，E_H，E_o分别为氢、氧的理论分解电压，
　　U_HC，U_OC分别为氢、氧的理论超电压，
　　U_浓为浓差极化电压，
　　U_液为电解液上的电压降，
　　U_隔为隔膜上的电压降，
　　U_极为电极板上的电压降。
　　U_浓是由于电解过程中，电极表面的离子浓度和电解液中的离子浓度有差别造成的。而电解槽在运动过程中，由于电解液温度较高(80℃左右)，离子易于扩散，而且电解液被强制循环，离子的浓差很小，所以U_浓可以忽略不计。
　　由于极板上的电阻非常小，U_极非常小，可以忽略不计。
　　U_隔也非常小，可以忽略不计。
　　(E_H＋E_o)I_z所消耗的电能，做功产生氢气和氧气，E_H＋E_o是个常数。根据有关资料可以查出。

E_H＋E_o=1.23V

　　由以上的分析可以看出：对电解槽本身的节电起决定作用的是超电压U_HC、U_OC和电解液的电压降U液。要设法降低U_HC、U_OC和U_液。
　　降低U_液也就是要降低电解液的电阻R_液。它的计算公式为：

　　式2.2

　　其中L为电极间的距离，S为电解液的有效截面积，ρ为电解液的电阻率。L是不变的。由式2.2可知，增大S减小ρ，就可以达到减小R液，从而降低U_液的目的。所以要达到电解槽本身节电的目的，所要做的工作就是：尽可能降低超电压U_HC、U_OC，增大电解液的有效截面积S，降低电解液的电阻率ρ。
　　以下为降低整个电解槽系统电耗的几个方法和措施
2.1选用电阻率较低且较经济的电解液
　　生产中，一般选用NaOH或KOH，它们的浓度为23％，温度为75℃时，电阻率分别为：1.007Ωcm²/cm和0.86Ωcm²/cm。可见KOH电阻率较低，优先选用KOH。
2.2选取电解液的最佳浓度和最佳温度
　　如图2所示，开始时，电解液的电阻率ρ随着浓度的增大而减少，达到ρ最低时，继续增加电解液的浓度，ρ反而逐渐增大。随着电解液温度的升高，这个最佳浓度会有点儿升高。电解液的浓度过高或过低，不仅会增大ρ，增加电耗，还会产生一些副作用，如增加对设备的腐蚀等。

图2KOH在不同浓度、温度下的电解率

　　从图2还可以看出，温度越高，ρ越小，电耗越小。但温度也不能过高，过高了，排出的气体将带走大量的水汽和碱液，会增加对设备的腐蚀。
　　电解液的含气度对电解液的电阻影响很大。在电解时，电解液被上升的气泡充满，从而降低了电解液的有效截面积，增大了电解液的电阻，含气度越高，电解液的电阻越大。随着温度的升高，电解液的粘稠度下降，有利于气泡的排出，从而减少电解液的含气度。除了控制好温度外，还要确保电解液的快速循环，使气泡尽快带出来。另外，还可采取低负荷运行的方法来降低电解液的含气度。
　　电解液的最佳温度为75～85℃，这时的最佳浓度要控制在25％左右的NaOH或32％左右的KOH。

2.3在阴极上加镀Ni₃S₂，降低氢的超电压
　　最近，我们对两台DY75型电解槽进行了大修，大修前，运行的电压很高。过去大修时，只是将槽子极板的隔膜框清一清，大修后运行电压降低不明显。这次，我们将两台槽子的所有极付极板全部重新加镀了Ni₃S₂，检修完后，通过运行，把电解槽大修前后的性能进行比较。

表1　DY75型电解槽大修前后电耗的对照表

（表1中的耗电功率是用公式P=I_zU_z计算出来的）

　　从表1可以看出，不管是低负荷还是满负荷，节电率都接近12％，若两台槽子都满负荷运行，每年可节电84.1万kWh，节电非常明显，经济效益显著。
　　这次大修与以往最主要的不同点，就是阴极负极板加镀了Ni₃S₂活化层。显著地降低了超电压，是这次节电成功的主要原因。
2.4电解槽低负荷经济运行
　　有关这方面的内容，在一些书中已有介绍，本文将以不同的角度，根据实验，进行较为全面的论述。
　　前一段时间，我们做了一个实验。将一台DY75型电解槽电流升到6000A，待其稳定后，保持6000A不变，连续运行3小时，测量整个电解槽系统(包括供电回路)的电耗、槽总电压和产氢气量。用同样的方法，测得电解电流为4000A、3000A时的数据。将这些数据填入表2，并计算出表2中的其它数据。

表2　电解不同负荷电耗的比较

　　从表2可以清楚地看到，负荷越低，生产的氢气的单耗越低，节电率越高。与6000A时的电耗相比，4000A和3000A的节电率分别为6.88％和11.6％。但负荷不能过低，否则氢气的纯度不能保证。
　　那么为什么低负荷要比高负荷省电呢?下面将从电解槽本身和供电系统两部分来分析。
2.4.1对电解槽本身来说，负荷越低越省电。生产氢气的单耗λ越低。
　　大家都知道，电解槽的每小时产氢量Q与电解电流I_z成正比。Q的单位是m³/h
　　即Q=bI_z　　式2.3
　　式中的b为常数。对于DY75型电解槽，b=12.5m³/h
　　由式1.4得电解槽本身的耗电功率为：

P_c=I_zU_z

　　所以电解槽的氢气单耗为

　式2.4

　　由式2.4可知，不管电流I_z多大，电解槽本身的氢气单耗只与总电压U_z有关，成正比关系。而电解槽在运行中，总电压Uz随着电解电流I_z的下降而下降的。从表1、表2中可以看出来。所以随着负荷的降低及I_z的下降，U_z将下降，电解槽本身的单耗也随之下降，生产同样多的氢气所耗的电能就减少。负荷越低，λ越低，越省电。
　　为什么总电压U_z随着电解电流I_z的下降而下降呢?原因是：
　　(1)由图3可知，随着电解电流I_z的减少，氢、氧的超电压UHCUOC将下降，从而使U_z下降。

图3　1.2分别为25℃、75℃的超电压

　　(2)I_z下降将使电解液的含气度下降从而增大了电解液的有效截面积S，使R液减小，U_z下降。
2.4.2对供电系统来说，在半负荷到满负荷范围内，负荷越低，氢气单耗越低，越省电。
　　调压器和整流变压器的电耗约占供电系统电耗的75％左右，是主要部分。对于调压器和整流变压器来说，总损耗：

P=P_Fe＋P_Cu=P_Fe＋β²P_K75℃　　式2.5

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