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气体分析仪表在氢能源(电解水制氢站)领域的应用

发布时间: 2021-08-31  点击次数: 118次

石化燃料(石油、天然气、煤,石油气)均属不可以再生资源且储量有限,而人类时刻又离不开能源,随着化石燃料耗量的日益增加,其储量日益减少,新的替代能源迫在眉睫。而氢能是公认的清洁能源,作为低碳和零碳能源正在脱颖而出。因其具备储量最大、可再生、可循环利用;制取途径多样化,氢气可以从天然气、煤炭、生物质、废弃材料(例如塑胶)、水分子中实现零碳排放制取,等一系列清洁、高效、零碳和可持续利用的特性被视为未来清洁能源研究发展的方向。

全球氢能源主要来源为天然气,煤炭制氢的占比较低,而国内恰恰相反,煤炭资源丰富天然气资源缺乏,因此国内氢能源来源主要以煤炭为主,天然气制氢份额并不高。根据中国煤炭工业协会公开数据显示,2020年中国氢气产量超过2500万吨,其中煤制氢所产氢气占62%、天然气制氢占19%,工业副产气制氢占18%,电解水制氢占1%左右。

在现有的制氢技术中,使用煤或天然气制氢具有显著的成本优势,我国石化资源丰富,目前煤炭是主要的制氢来源。但使用化石能源作为原料终究不可持续,且制取会产生污染;使用甲醇等化工原料制氢受上游产品约束,产量和价格浮动较大,难以形成稳定有效的供给。使用工业尾气制氢也存在原料少、来源不稳定的问题。

目前看来,可以支撑未来巨大氢能需求量,原料来源稳定的制氢方式应为电解水制氢。虽然目前由于成本太高,电解水在氢能制备产业中只占1%左右,与其它方式相比不具备竞争优势,但长久来看,电解水制氢或许是较好的出路。

不论那种制氢方法,要达到使用要求的话,都需要达到一定的纯度,那么如何判断氢气是否达标呢?这就需要用到气体分析仪表,等来检测氢气纯度。

 

根据一系列国家制氢相关国标,加上氢气的特殊化学性质分子量轻,要完成其痕量杂质(氢纯度)的分析,对其取样进样分析的技术要求非常高。

GB/T 19774-2005  水电解制氢系统技术要求

GB/T 29411-2012  水电解氢氧发生器技术要求

GB 32311-2015  水电解制氢系统能效限定值及能效等级

GB/T 37563-2019  压力型水电解制氢系统安全要求

GB/T 37562-2019  压力型水电解制氢系统技术条件

电厂制氢设备都是水电解制氢,产品氢气中的杂质气体是氧气和水蒸气及非常微量的含碳气体(水中溶解)以及非常微量的油污、粉尘等杂质,所以一般现场用到以下分析检测仪器:


序号

仪表名称

用途

量程

1

氢中氧分析仪

粗氢纯度检测

0-2%

2

氧中氢分析仪

粗氢纯度检测

0-2%

3

露点仪

纯化后氢纯度检测

-80--20

4

微量氧分析仪

纯化后氢纯度检测

0-1000ppm

5

在线式氢气检漏仪

氢气泄露检测

0-1000ppm

6

便携式氢气检漏仪

氢气泄露检测

0-1000ppm

制氢站分析仪表清单

气体分析仪及量程选择:

以水电解制氢为例,制氢设备产出的粗氢一般纯度为99.5~99.9之间,粗氢纯度检测选择氢中氧分析仪和氧中氢分析仪,量程均选择0~2%之间即可满足要求,一般选用电化学原理。粗氢经过纯化干燥处理后,纯度可达到4959的纯度,此时需要通过微量氧、露点仪来检测高纯氢的纯度是否合格,纯化后的氢气微量氧一般在0~10ppm(与气体流量、压力相关),露点要小于<-50℃。



气路材质及预处理选择:

气体分析仪进气口与气源之间的气路连接,是能够准确检测气体指标极为重要的因素,需要注意取样管材质及气路连接的气密性。

l  气路材质:氢中氧、氧中氢、微量氧可选用聚四氟乙烯软管,露点仪必须采用内壁抛光的不锈钢管

l  预处理:整套制氢系统涉及到各类罐体、管路、阀门等,会导致气体中含有微量的油污、粉尘等杂质,长期的积累会导致气路堵塞、损坏气体分析仪传感器或导致测量不精准,所以有必要对气体进行预处理后再进行检测。

l  过滤器:检测露点时预处理的过滤器,可选择烧结金属过滤器(内部滤径小于10μm)或活性炭过滤器(内部滤径小于20μm-30μm

l  气密性检查:气路连接的气密性是保证低浓度气体检测是否准确的前提,,如果气密性不佳导致空气进入会影响最终的检测结果。

电源及信号:

氢气易燃易爆,现场的分析仪仪表需具备防爆能力,电源选择24V DC,模拟输出选择标准4-20mA信号连接至PLC。为保证分析仪的检测精度、稳定性等,模拟输出信号线选用屏蔽线,为防止干扰供电不建议与电动机、空调、等大功率设备公用电源。除了电源外还要加装安全隔离栅(隔离栅内部采用限压、限流、隔离等措施。