氢气站设计(hydrogen generation station design)

氢气制备设施设计。氢气在冶金工业中的用途较广。纯氢可作工业炉中的保护气体，或与氮气混合成一定比例的气氛作保护气体，在金属冶炼和硬质合金、粉末冶金生产中作还原气体。在氩气和氮气纯化中，起除氧净化作用。

在冶金工业中，氢气的工业性生产通常采用水电解法、变压吸附法(pressure swing adsorption，简称PSA)和焦炉煤气深冷分离法。焦炉煤气深冷分离法能耗高、设备耗铜材多，已逐渐被淘汰。1966年美国联合碳化物公司(Union Carbide Corporation)建立了世界上第一套变压吸附法制取纯氢的工业性装置，尔后在石油、化工行业得到了应用。1978年该公司又成功地解决了焦炉煤气PSA法制氢装置。中国于1990年建成第一套产氢1000m³/h的焦炉煤气PSA法制氢装置。PSA法制氢的单位电耗仅为水电解法制氢的1/8～1/l0，具有能耗低、投资省、自动化水平高、大部分设备可露天布置、一次获得高纯度氢等优点。

氢气站设计内容主要包括水电解设施设计和变压吸附设施设计。

24m³/h水电解设施工艺流程简图

1-纯水制备；2-纯水箱；3-配硷箱；4-硷泵；5-硷液过滤器；6-水电解槽；7-氧气分离器；8-氢气分离器；9-氧气洗涤器；10-氢气洗涤器；11-氧气调压器；12-氢气调压器；13-高位水箱；14-水封；15-循环硷液过滤器

水电解设施设计采用水电解槽制取氢气的设施设计。电解槽由浸没在电解液中的许多对电极组成。每对电极的中间以防止气体渗透的隔膜隔开。当在水电解槽两端通以一定电压的直流电流时，水就发生分解。在阴极上产生纯度为99.7%～99.9%的氢气，在阳极上产生纯度为99.2%的氧气。

水电解法制氢的工艺流程，以公称能力为24m³/h的水电解装置为例(见图)。

水电解槽是水电解装置的主要设备，有箱型、压滤型两种。大多采用压滤型电解槽。根据产品的压力又可将压滤型电解槽分为压力型和常压型两种。在冶金工厂中经常使用的水电解装置的能力及工作压力见表。

水电解装置的能力和工作压力

若用户对氢气纯度要求高且要求氢中含氧量小于或等于(5～l0)×10^-6，露点为-40～-70℃时，由水电解槽制得的氢气，需作进一步净化处理。氢气经铜催化剂、钯催化剂或银催化剂等催化，其所含的氧气与氢气化合成水，然后再用硅胶或分子筛等脱水，使氢气的纯度达到要求。

水电解法的电解溶液，通常采用以工业纯固体氢氧化钾或氢氧化钠作电解质，纯水作溶剂配制。氢氧化钾溶液浓度为300～400g/L，氢氧化钠溶液浓度为200～260g/L。电阻率为0.05～1MΩ•cm的纯水一般用离子交换法或水蒸气冷凝法制得。水电解槽的直流电源装置，目前常用硅整流器或可控硅整流器。电解装置的单位电耗为每立方米氢气4.3～5.6kW•h。

全站由水电解间、氢气净化间、碱液配制间、纯水制备间、加压间、氢气充灌间、直流电源间、变压器间、分析问等组成。如有副产品氧气充瓶时，还要增加氧气压缩及充瓶间。

变压吸附设施设计利用分子筛对混合气中各组分吸附容量的不同且随着压力变化而呈差异的特性，采用由选择吸附和解吸再生两个过程组成交替切换的循环工艺，以分离混合气体或提纯气体的工艺设施设计。变压吸附法又称等温吸附分离法。吸附和再生在相同温度下进行。从焦炉煤气中用变压吸附提取纯氢的工艺过程由加压工序、预处理工序、变压吸附工序、氢气净化工序组成。

经加压工序后的焦炉煤气中尚含有焦油、烷烃、烯烃、苯、萘、硫化物、氮氧化物等能使吸附剂失效的杂质。必须先经过预处理工序去除后，再进入下一工序变压吸附塔。变压吸附塔内装有吸附剂，周期性地进行吸附和解吸过程。吸附剂多为各种类型的分子筛。

变压吸附法制氢工艺除加压工序外，其他工序的设备均为露天布置。

站区设计要点主要有：（1）氢气站设计容量须根据用户使用氢气的特点，按氢气昼夜平均或班平均小时耗量确定。(2)站房宜为独立建筑，布置在工厂常年最小频率风向的上风侧，并需远离有明火或散发火花的地点，与建、构筑物的防火间距须符合有关规程规范要求。(3)制氢站房属于有爆炸危险的场所，电气设备需考虑防爆，建筑物应设有防雷击和防静电感应的措施，设备与管道应设有防静电积聚措施。(4)水电解间或焦炉煤气加压间、氢气净化间、氢气加压及充灌间均为有爆炸危险的生产设施，厂房结构需考虑必要的泄压面积。为防止泄漏的氢气积聚在顶部死角，屋盖需做成无梁无檩条结构，屋顶常装设有通风帽或天窗。(5)散发氢气源的厂房内宜装氢气检漏报警装置，并与事故风机连锁。(6)氢气放散管需有阻火器。