海水电解制氢试验装置建设

技 术 方 案

目  录

一、概述

二、装置流程图

三、主要工艺设计参数

  1、材料制备测试单元

  2、工艺测试单元

  3、PLC/DCS控制系统

  4、装置总装要求

四、流程描述

五、工艺设计原则

六、控制系统描述

七、装置设备明细表

八、公用工程

一、概述

电解水制氢是一个连续消耗水和电能的过程，每生产1公斤的氢气需消耗约9kg的纯水。海水以及海上资源丰富，可以为海水电解制绿氢提供无尽的原料和动力来源。但海水中含有大量的离子，各种离子会在海水电解制氢过程中逐渐累积，待累积至一定浓度后某些离子会加剧腐蚀、结晶或发生副反应。

为实现海水直接电解制氢催化剂及电极的工业化应用并提高海水制氢系统的稳定性和经济性，需搭建海水电解制氢平台，实现海水电解制氢催化剂及电极的工业化，同时开发在线结盐工艺，通过多产品、多功能的全自控流程，实现系统中离子的相对平衡，为海水制氢技术的市场化发展提供支撑。

本装置具体包括两大核心单元：材料制备测试单元和工艺测试单元，通过试验装置建设，推进海水电解制氢催化剂及电极的工业化制备，同时开发在线结盐工艺，通过多产品、多功能的全自控流程，实现系统中离子的相对平衡，为海水制氢技术的市场化发展提供支撑。

二、装置流程图

海水电解制氢试验装置建设流程总体分为两大单元：

（1）材料制备测试单元：完成海水电解制氢催化剂和电极的工业化制备和稳定性测试，开展500Nm?/h海水制氢电极的试制工作。

（2）工艺测试单元：通过在线结盐系统的开发与试验，实现多产品、多功能的全自控流程，完成氢气、氧气和多种盐类产品的在线分离。

装置整体流程如下：

·         原料预处理 → 海水预处理系统（过滤、调节） → 电解液配制

·         电解液配制 → 海水电解槽（电解反应） → 氢气/氧气分离

·         氢气 → 气液分离 → 纯化 → 合格氢气产出

·         氧气 → 气液分离 → 排放/收集

·         电解后液 → 在线结盐系统（多级结晶分离） → NaOH/NaCl/钙盐/镁盐产品

·         母液 → 回流至电解系统（维持离子平衡）

·         材料制备测试单元 → 催化剂制备 → 电极喷涂制备 → 稳定性测试 → 反馈优化

通过试验装置建设，推进海水电解制氢催化剂及电极的工业化制备，同时开发在线结盐工艺，通过多产品、多功能的全自控流程，实现系统中离子的相对平衡，为海水制氢技术的市场化发展提供支撑。

三、主要工艺设计参数

1、材料制备测试aiDJI单元

1.1 催化剂和电极的工业化制备

本单元完成海水电解制氢催化剂和电极的工业化制备和稳定性测试，满足两种规格装置的制备需求：

1.1.1 催化剂制备系统

催化剂制备系统采用模块化设计，具备以下功能模块：

·         前处理模块：原料配料、溶解、混合，配备高精度计量泵（精度±0.5%）和恒温反应釜（容积50L，控温精度±0.5°C），支持共沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法等多种合成工艺

·         合成反应模块：可控温控压反应釜（容积20L，控温范围RT-200°C，控压0-2MPa），配备搅拌调速系统（0-500rpm可调）

·         后处理模块：离心洗涤（转速0-8000rpm可调）、真空干燥（控温范围RT-200°C，控温精度±1°C）、程序升温焙烧（<=1200°C，升温速率1-20°C/min可调）

·         粉体表征模块：在线粒度分析仪（测量范围0.1-1000μm）、BET比表面积测试仪、XRD快速扫描装置，实现制备过程实时质控

1.1.2 电极制备系统（500Nm?/h级）

开展500Nm?/h海水制氢电极的试制工作（直径1.5米），系统核心指标全部满足并优于招标要求：

电极制备系统由以下子系统组成：

·         喷涂主机：亚音速等离子喷枪，配备40KW电源系统，喷枪运动速度0-500mm/s可调，喷枪配置水冷系统保证长时间稳定运行

·         多路送粉系统：4路独立容积式送粉器，送粉速率1-200g/min可调，支持3-4种组分同时或顺序送粉，各路送粉精度±2%

·         运动平台：五轴联动龙门式平台（X/Y/Z/A/C轴），X/Y轴行程2000mm×1500mm，Z轴行程500mm，定位精度±0.03mm，重复定位精度±0.03mm

·         气氛控制：密封喷涂舱，氧含量<10ppm可控，配尾气处理系统，保证喷涂过程气氛稳定

·         冷却系统：基体水冷底盘，控温精度±1°C，防止涂层热损伤

·         在线监测：红外测温仪（测量范围200-1200°C，响应时间<10ms）、涂层厚度在线测量仪（测量精度±1μm）

1.2 稳定性测试

稳定性测试平台用于对制备的催化剂和电极进行长周期性能评价，主要功能包括：

·         电化学性能测试：极化曲线、电化学阻抗谱（EIS）、计时电位法、计时电流法，支持多通道同时测试

·         长效稳定性测试：连续运行≥1000小时，自动记录电压衰减曲线，计算衰减率，数据采集频率1Hz

·         海水工况模拟：可调配不同氯离子浓度（0-100000ppm）的模拟海水，测试电极在真实工况下的耐久性

·         原位表征接口：预留原位拉曼光谱、原位XRD接口，支持催化剂失活机理研究

·         数据自动采集与分析：测试数据自动采集、存储，生成测试报告，支持数据导出为CSV/Excel格式

2、工艺测试单元

为保证海水直接电解制氢系统的稳定运行，通过电解液中物质的物性差异，将含量最多的氯以盐的形式实时析出，以此维持系统中碱度和氯离子的相对平衡。通过在线结盐系统的开发与试验工作，实现多产品、多功能的全自控流程，为催化剂和电极长周期测试提供支撑，提高海水电解制氢技术的稳定性、先进性以及经济性。

2.1 海水电解主反应系统

2.1.1 电解槽设计

·         槽体结构：双极性压滤式结构，电极有效面积根据实验需求可调，支持模块化扩展

·         隔膜材料：采用复合隔膜，耐氯离子腐蚀，离子选择性好，可有效阻隔氢氧气体串混

·         密封设计：氟橡胶O型圈+金属法兰密封，耐碱耐氯，密封性能可靠

·         工况适应性：可处理氯离子浓度0~100000ppm的水质，支持碱性海水直接制氢工况

2.1.2 辅助系统

·         海水预处理：砂滤+活性炭+精密过滤+UV杀菌，出水SS<1mg/L，满足电解进水要求

·         电解液循环：磁力驱动泵+不锈钢换热器，流量0-10m?/h可调，控温精度±1°C

·         气体分离：氢氧分离器+气液分离罐+洗涤塔，实现氢气和氧气的高效分离

·         气体纯化：钯膜纯化器，氢气纯度≥99.999%

·         在线分析：氢中氧/氧中氢在线分析仪、氢气湿度仪，实时监控气体品质

2.2 在线结盐系统

在线结盐系统是本项目的核心创新点，通过多级结晶分离工艺，实现不同盐类产品的实时产出和系统离子平衡。

2.2.1 工艺原理

基于电解液中各物质的物性差异（溶解度、结晶温度、析出顺序等），通过多级温度控制和浓度调节，将不同盐类依次结晶分离：

·         首级：蒸发浓缩，控制浓度使NaOH优先富集，回收率>99%

·         第二级：降温结晶，NaCl在特定温度区间结晶析出，纯度>99.5%

·         第三级：调pH沉淀，Ca??以钙盐形式沉淀析出，纯度>99.5%

·         第四级：调pH沉淀，Mg??以镁盐形式沉淀析出，纯度>99.5%

·         母液回流：分离后母液返回电解系统，维持系统内离子的相对平衡

2.2.2 系统组成

·         多效蒸发器：强制循环蒸发器，蒸发温度30-80°C可调，真空度-0.08~-0.03MPa，蒸发量可调

·         结晶反应器：DTB型结晶器，控温精度±0.5°C，配备搅拌系统和晶种投加系统，保证结晶产品粒度均匀

·         固液分离：离心机（转速0-3000rpm）+真空过滤系统，实现结晶产品的高效固液分离

·         干燥系统：真空干燥箱，干燥温度60-120°C可调，保证产品含水率达标

·         在线监测：电导率仪、pH计、密度计、离子浓度计（Na?/Ca??/Mg??/Cl?在线监测），实时监控各阶段工艺参数

2.2.3 自控系统指标

自控系统可处理氯离子浓度0~100000ppm的水质，并完成氢气、氧气和多种盐类产品的在线分离，系统离子波动率<1%。

2.2.4 多产品分离与回收

可实现不同盐类产品的实时产出，多产品分离与回收系统与在线结盐系统联动，实现气液固三相产品的在线分离和收集：

·         气体产品：氢气和氧气分别收集、纯化、计量和储存，氢气纯度≥99.999%

·         液体产品：NaOH碱液浓缩、收集、包装，回收率>99%

·         固体产品：NaCl/钙盐/镁盐结晶、分离、干燥、包装，纯度均>99.5%

·         全流程自动控制：由PLC/DCS系统统一调度，实现多产品、多功能的全自控流程

3、PLC/DCS控制系统

提供开放可编辑的控制系统与硬件设备。设置多出关键参数连锁控制。

3.1 硬件配置

3.2 软件系统

软件方面能与目前炼厂多种PLC/DCS系统兼容。

·         控制软件：采用开放式架构PLC/DCS编程软件，支持梯形图（LD）、功能块图（FBD）、结构化文本（ST）等多种编程语言

·         通信协议：支持OPC UA、Modbus TCP/RTU、Profinet、EtherNet/IP、HART等主流工业通信协议，可与霍尼韦尔、横河、和利时、浙大中控等主流DCS系统无缝对接

·         HMI人机界面：组态化监控界面，实时显示工艺流程、参数趋势、报警信息，支持历史数据查询和报表生成

·         数据管理：内置实时数据库，支持数据存储、导出（CSV/Excel/PDF），数据保存周期≥2年

·         开放接口：提供RESTful API和OPC UA服务端接口，支持第三方系统数据调用和集成

3.3 关键参数连锁控制

设置多出关键参数连锁控制，包括但不限于：

3.4 控制系统功能

·         自动/手动切换：支持全自动、半自动、手动三种操作模式，无扰动切换

·         回路调节：PID自动调节温度、压力、流量、液位等过程参数

·         顺序控制：按工艺要求自动执行开停车、冲洗、切换等顺序操作

·         报警管理：分级报警（低/高/高高），报警记录可追溯，支持报警屏蔽和确认

·         趋势分析：实时趋势和历史趋势曲线，支持多变量对比分析

·         权限管理：操作员/工程师/管理员多级权限，操作日志自动记录

·         远程监控：支持远程访问（需甲方授权），方便远程技术支持

4、装置总装要求

装置布置、安装、安全、防爆等满足石化相关标准要求，并可满足碱性海水直接制氢工况需求。

4.1 装置布置原则

·         严格按照GB 50160《石油化工企业设计防火规范》进行区域划分和设备布置

·         模块化布局，留有足够的操作和检修空间，通道宽度≥1.2m

·         按工艺流程顺序布置，减少管道交叉和物料输送距离

·         关键设备预留检修通道和吊装空间

·         电气仪表控制柜布置在安全区域，与危险区域有效隔离

4.2 安全防爆设计

4.2.1 防爆区域划分

根据GB 50058《爆炸危险环境电力装置设计规范》，对装置区域进行防爆分区：

·         电解槽及气体分离区域：2区爆炸危险区域（氢气）

·         电气仪表选型：ExdIIBT4防爆等级，防护等级IP55

·         接线箱：防爆型，所有远传信号接入本地接线箱

4.2.2 安全联锁系统

·         超温超压报警联锁：温度/压力超过设定值时自动报警并联锁停车

·         断电自锁功能：失电时所有阀门处于安全位置，系统自锁

·         氢气泄漏检测：区域氢气浓度检测仪，超限自动联锁排风和停车

·         气体纯度联锁：氢中氧含量超限自动联锁，防止爆炸混合物形成

4.2.3 接地与防雷

·         仪表接地：执行SH/T 3081《石油化工仪表接地设计规范》

·         防雷接地：按二类防雷设计，接地电阻≤4Ω

·         防静电接地：所有设备和管道可靠接地，接地电阻≤100Ω

4.3 快速启停方案

装置启动至得到合格氢气的时间不超过180min，合格盐类的时间不超过5天，装置可满足快速启停，关键设备使用年限不小于10年。

4.3.1 启动方案

装置冷态启动至合格氢气产出时间≤150min，具体流程：

合格盐类产出时间≤4天，在线结盐系统在氢气产出后启动，经蒸发浓缩、降温结晶、沉淀分离等工序，4天内产出合格盐类产品。

4.3.2 停车方案

·         正常停车：逐步降电流→断电→氮气吹扫→降温→排液，全过程≤60min

·         紧急停车：一键急停，0.5秒内断电，联锁阀动作，氮气自动置换

·         热启动：停车后2小时内重启，启动时间≤30min

4.3.3 关键设备寿命保证

关键设备设计使用年限不小于10年，主要措施：

·         电解槽：钛合金极板+耐腐蚀涂层，设计寿命≥10年

·         换热器：316L不锈钢材质，耐碱耐氯腐蚀

·         泵阀：氟塑料衬里或钛合金材质，适应强腐蚀工况

·         管道管件：316L不锈钢，焊接按GC2标准执行

·         控制系统：工业级硬件，MTBF≥50000小时

四、流程描述

装置功能需求概述如下：

4.1 材料制备测试单元

材料制备测试单元通过开展物理调节和化学调节对电极表面催化层的影响研究，进一步提升催化剂和电极的性能，并开展催化剂和电极的工业化制备及稳定性测试工作，同时开展兆瓦级海水制氢电极的试制工作。

具体流程：

·         催化剂制备：原料配料→合成反应→离心洗涤→真空干燥→焙烧活化→粉体表征→合格催化剂粉体

·         电极制备：基体预处理→多组分亚音速热喷涂→涂层后处理→电极性能检测→合格电极

·         稳定性测试：电极装池→电解液配制→通电测试→电化学表征→长效稳定性评价→数据报告

4.2 工艺测试单元

工艺测试单元通过在线结盐工艺的开发，维持系统内离子的相对平衡，实现高纯度盐类产品的实时产出，并通过多产品、多功能的全自控流程开发，提高海水电解制氢技术运行的稳定性、先进性以及经济性，为催化剂和电极的长周期运转提供支撑。

具体流程：

·         海水预处理：原水→砂滤→活性炭吸附→精密过滤→UV杀菌→合格进水

·         电解制氢：进水→电解液配制→电解槽电解→氢氧分离→气体纯化→合格氢气/氧气

·         在线结盐：电解后液→多效蒸发浓缩→降温结晶NaCl→调pH沉淀钙盐→调pH沉淀镁盐→NaOH富集回收→母液回流

·         产品收集：氢气收集计量→氧气收集排放→NaOH碱液收集→NaCl/钙盐/镁盐干燥包装

五、工艺设计原则

本工艺遵循以下几点原则：

5.1 操作角度

·         操作性能稳定，数据准确

·         采用模块式安装结构，便于操作维护

·         关键参数自动采集记录，数据可追溯

5.2 安全角度

·         设有超温超压报警、断电自锁功能

·         所有设备均包含超压、超温、超流量等报警设定值与报警系统

·         所有设备均包含报警超限的应急处理系统，并接入控制系统

·         氢气区域设置可燃气体检测仪，超限自动联锁

5.3 性能角度

·         采用性能优越的控制系统仪表及仪器

·         所有仪表均用SI单位，压力单位MPa，温度°C，防护等级为IP55

·         仪表测量引压管线、阀门、卡套材质为不锈钢

5.4 防爆与接地

·         本装置的电气仪表部分的防爆要求由双方商定后确定

·         仪表接地：执行石油化工仪表接地设计规范

·         程控阀、电磁阀、压缩机、罐体、仪表、线路以及现场控制柜均按石化相关标准规定的防爆等级配置

六、控制系统描述

6.1 仪表规范

1. 所有仪表均用SI单位，压力单位MPa，温度°C，防护等级为IP55。

2. 卖方仪表供货范围包括所有就地仪表、一次检测元件、一次发讯元件、仪表接线箱、非防爆电气仪表控制柜、撬内仪表至仪表接线箱的导线、导管及安装材料。仪表接线箱至电气仪表控制柜之间所需导线、导管及安装材料由买方负责。

3. 远传信号接入本地接线箱内，报警信号为不带电开关量干接点，预留停车信号接线端子，模拟点均为：4~20mA。

4. 就地压力指示仪表，刻度盘直径选用100mm，气压表选用不锈钢压力表，油压表选用不锈钢耐震压力表。

5. 所有仪表元件的连接电线均连到安装在底座上的仪表接线箱中。

6. 仪表测量引压管线、阀门、卡套材质为不锈钢。

6.2 控制保护系统

7. 控制保护系统主要包括：

·         程控阀、电磁阀、压缩机、罐体、仪表、线路以及现场控制柜均按石化相关标准规定的防爆等级配置

·         上述所有设备均包含超压、超温、超流量等报警设定值与报警系统

·         上述所有设备均包含报警超限的应急处理系统，并接入控制系统

6.3 仪表清单（主要）

6.4 仪表接线箱

·         防爆型仪表接线箱，安装在装置底座上

·         所有仪表元件的连接电线均连到接线箱中

·         远传信号（4-20mA模拟量、干接点开关量）经接线箱汇总后送至控制柜

·         预留停车信号接线端子

七、装置设备明细表

八、公用工程