Техническое обслуживание электролизеров имеет важное значение для обеспечения долгосрочной и стабильной работы оборудования и включает в себя периодический осмотр и замену электродов, сепараторов, систем уплотнения, систем циркуляции электролита и электрических соединений. Из-за различий в принципах работы, используемых материалах и условиях эксплуатации в различных отраслях промышленности стратегии и частота технического обслуживания электролизеров значительно различаются. Европейская ассоциация промышленных газов (EIGA) прямо требует, чтобы трубы, клапаны, насосы, теплообменники и накопительные баки в щелочных электролизерах регулярно проверялись на наличие утечек электролита или воды. Американский институт инженеров-химиков (AIChE) отмечает, что Ассоциация сжатых газов (CGA) разрабатывает новые стандарты, включающие передовые методы безопасной эксплуатации и технического обслуживания электролизеров. В рамках полного спектра услуг thyssenkrupp nucera на протяжении всего жизненного цикла, переключатель технического обслуживания электролизеров (EMS) значительно повышает безопасность и эффективность технического обслуживания электролизеров за счет снижения остаточного напряжения. Основная логика технического обслуживания электролизеров разделена на три уровня: ежедневная очистка и мониторинг состояния составляют уровень 1, направленный на продление срока службы; плановые ремонтные работы, включающие замену прокладок и повторное покрытие или замену электродов, составляют уровень 2, направленный на восстановление работоспособности; а при аномальном повышении напряжения ячейки или значительном снижении эффективности по току, целенаправленная замена неисправных ячеек составляет уровень 3, направленный на замену по состоянию.
| Тип отрасли/электролизера | «Основные» компоненты, требующие периодической замены | Компоненты вторичной замены (умеренные интервалы замены) | Расходные материалы (частая замена) |
|---|---|---|---|
| 1. Водородный завод (ALK) | Диафрагма (5–8 лет; истончение или перфорация) Покрытие электрода (5–10 лет; отслаивание никелевого покрытия) | Уплотнительные прокладки (3–5 лет; затвердевают из-за коррозии под воздействием щелочного раствора) Электроды (при перфорации из-за локальной коррозии) | Электролит (КОН) (фильтровать или заменять каждые 2–3 года) Фильтрующий картридж с щелочным раствором (несколько месяцев) |
| 2. Водородная установка (PEM) | Мембранно-электродный блок (МЭБ) (3–5 лет, деградация мембраны или агломерация катализатора) Покрытие из титановой биполярной пластины (5–8 лет, повышение сопротивления из-за пассивации) | Сменная смола/фильтрующий картридж для деионизированной воды (от нескольких месяцев до 1 года) Уплотнительные кольца (2–3 года) | Газодиффузионные слои анода/катода (при локальной абляции) |
| 3. Хлорщелочной завод | Катионообменная мембрана (~3 года, сердцевина сердечника) Покрытие электрода (5–8 лет, повторное покрытие оксидами рутения/иридия) | Уплотнительные прокладки (2–3 года, замена всей ячейки) Титановая анодная сетка (в случае коррозии подложки после разрушения покрытия) | Фильтр для очищенного рассола (частая замена) |
| 4. Выплавка металлов (электролиз в расплавленных солях, например, алюминия) | Предварительно прокаленные угольные аноды (замена одного комплекта каждые 20–30 дней; непрерывный расход) Угольная футеровка катода (3–5 лет; при повреждении дна) | Боковые карбоновые блоки (заменяются во время капитального ремонта) Стальные зажимы/направляющие стержни (если погнуты или подверглись коррозии) | Порошок оксида алюминия (непрерывная подача; не является заменой компонента) |
| 5. Выплавка металлов (водные растворы, например, меди/цинка) | Стартовые катодные пластины/постоянные катоды (при деформации или повреждении изоляционного слоя) Нерастворимые аноды (на основе свинца/титана) (2–5 лет, пассивация) | Проводящие контакты (плохой контакт из-за износа) Диафрагменные мешки (если имеются, примерно 2 года) | Смола для очистки электролита (для удаления ионов-примесей) |
| 6. Гальваническое покрытие/Прецизионное гальваническое покрытие печатных плат | Растворимые аноды (например, медные шарики/никелевые блоки) (пополняются по мере истощения) Нерастворимые аноды (титановая сетка с покрытием) (1–3 года, после разрушения покрытия) | Нагревательные элементы (образование накипи и перегорание, 1–2 года) Фильтрующие картриджи (несколько недель – несколько месяцев, частая замена) | Добавки для гальванических ванн (постоянное пополнение) Контакты для подвесных/зажимных приспособлений (месяцы) |
| 7. Очистка/дезинфекция и подготовка сточных вод | Электродные пластины (6–12 месяцев; из-за образования накипи, пассивации или коррозии; считаются расходными материалами) | Выпрямители (отремонтированы, но не заменены) Трубы и клапаны (если подверглись коррозии от гипохлорита натрия) | Раствор для травления (используется для химической очистки; не является компонентом раствора) |
Многие компоненты, периодически заменяемые в электролитических ячейках, имеют ценность для вторичной переработки, и компания DONGSHENG Precious Metals Recycling Company закупает эти компоненты по высоким ценам.
Технология щелочных электролизеров (ЩЭ) является наиболее зрелым и экономически эффективным вариантом для водородных заводов, а техническое обслуживание электролизеров сосредоточено на трех ключевых областях: предотвращение утечек, предотвращение засоров и предотвращение коррозии. Уплотнительные прокладки в ЩЭ затвердевают и выходят из строя в течение 3–5 лет в высокотемпературном щелочном растворе; их необходимо полностью заменить, и рекомендуется использовать фторкаучук (ФКМ). Сепаратор необходимо заменить через 5–8 лет, если он истончается или в нем появляются отверстия, что приводит к перекрестному загрязнению водородом и кислородом. Во время остановок систему необходимо продувать азотом, герметизировать для предотвращения попадания CO₂, а электролит необходимо промывать и циркулировать для предотвращения образования карбонатных отложений. Электролизеры с протонно-обменной мембраной (ПЭМ) быстро реагируют и лучше подходят для работы с нестабильными источниками питания; техническое обслуживание этих электролизеров сосредоточено на защите мембраны и катализатора. Мембранно-электродные сборки (МЭС) необходимо заменять каждые 3–5 лет из-за деградации мембраны или агломерации катализатора. При высоких плотностях тока (например, 3 А/см²) дрейф напряжения может достигать 50,0 мкВ/ч, что значительно превышает показатели, наблюдаемые в условиях низкого тока. Мониторинг в реальном времени в сочетании с электрохимической импедансной спектроскопией (ЭИС) широко признан ключевой стратегией для раннего обнаружения деградации. Твердооксидные электролизеры (ТОЭ) и анионообменные мембранные электролизеры (АЭМ)Электролизеры с ионообменной мембраной в основном находятся на стадии исследований и разработок, а их техническое обслуживание в большей степени зависит от решений, разработанных производителем. Мембранные ионообменные электролизеры стали абсолютным фаворитом на хлорщелочных заводах, в то время как мембранные и ртутные процессы постепенно выводятся из эксплуатации из-за проблем с загрязнением окружающей среды. Ионообменная мембрана является приоритетной в техническом обслуживании электролизеров, срок службы которой составляет приблизительно три года. Замена мембраны включает в себя комплексный процесс, в том числе остановку и изоляцию электролизера, удаление медных шин, демонтаж старой мембраны и прокладок, шлифовку электролизера, установку новых прокладок, замачивание и кондиционирование мембраны, и, наконец, установку мембранного узла. В руководстве по установке мембраны Nafion™ подчеркивается, что во время установки необходимо предотвращать образование микроотверстий или разрывов, и мембрана ни в коем случае не должна пересыхать во время остановок или периодов простоя. Электролизеры на расплавленных солях в металлургических заводах используются для переработки реактивных металлов, таких как алюминий и магний, и работают в расплавленной соли при высоких температурах от 750 до 1000 °C. Предварительно прокаленные углеродные аноды на алюминиевых заводах заменяются каждые 20–30 дней и считаются расходными материалами непрерывного действия. Техническое обслуживание электролизных ячеек на расплавленных солях требует тщательного контроля теплового баланса и замены футеровки; стоимость одной замены футеровки может достигать 3–4 миллионов юаней. Электролизные ячейки на основе водных растворов используются для рафинирования меди и цинка; техническое обслуживание этих ячеек в основном включает пассивацию нерастворимых анодов и очистку проводящих контактов.
Электролитические ячейки в гальванических цехах бывают самых разных типов, адаптированных под обрабатываемый металл (медь, никель, цинк, золото) и свойства гальванического раствора (кислотный, щелочной, на основе цианида, без цианида). Основная задача обслуживания электролитических ячеек — управление гальваническим раствором, что требует ежедневного осмотра состояния фильтра для предотвращения утечек воздуха или жидкости. Растворимые аноды (такие как цинк и никель) необходимо заменять при их расходе на 70%. Фильтрующие картриджи в контуре циркуляции гальванического раствора необходимо заменять еженедельно (точность 5–10 мкм). Каждые шесть месяцев резервуар необходимо тщательно очищать, мешки с анодами промывать, а поврежденные мешки с анодами заменять. Нагревательные змеевики следует ежемесячно очищать от накипи 10%-ным раствором лимонной кислоты. Падение напряжения в точках соединения шин должно быть менее 10 мВ; перегрев указывает на ослабленные контакты или коррозию. В электронной промышленности для нанесения покрытий на печатные платы используются прецизионные гальванические ванны, к которым предъявляются чрезвычайно высокие требования к однородности и чистоте покрытия. Техническое обслуживание этих ванн в основном сосредоточено на поддержании работоспособности систем распыления, очистке токопроводящих поверхностей и контроле пульсаций напряжения выпрямителя (которые должны быть менее 5%). Медные шарики и анодные мешки необходимо очищать каждые 90 дней.
На очистных сооружениях для сточных вод используются двухмерные/трехмерные электролитические реакторы и однополярные/биполярные электролитические ячейки для удаления тяжелых металлов или органических соединений посредством таких механизмов, как электрокоагуляция и электроокисление. Наиболее сложными проблемами при обслуживании этих электролитических ячеек являются образование накипи и пассивация электродов. Ионы кальция и магния в сточных водах образуют карбонатную накипь на поверхностях электродов, покрывая покрытия и вызывая резкое снижение эффективности электролиза. Стандартизированные процедуры обслуживания электродов включают обратную промывку 1–2 раза в день для удаления поверхностных отложений и ежемесячную химическую очистку путем замачивания в 5%-ном растворе соляной или лимонной кислоты. Цикл замены электродов обычно составляет 6–12 месяцев, в зависимости от материала и качества воды; рекомендуется использовать коррозионностойкие материалы, такие как DSA (размерно-стабильные аноды). При очистке необходимо использовать мягкие щетки или нейтральные моющие средства; использование сильнощелочных растворов или острых инструментов для соскабливания поверхности строго запрещено во избежание отслаивания покрытия. На предприятиях по производству дезинфицирующих средств используются бездиафрагменные электролизеры для производства дезинфицирующего средства на основе гипохлорита натрия непосредственно на месте путем электролиза разбавленного рассола. Ключевым моментом в обслуживании этих электролизеров является кислотная промывка для удаления накипи — высокожесткая исходная вода вызывает накопление накипи из кальция и магния на электродах, и регулярная кислотная промывка — единственный способ восстановить эффективность. Температура электролита должна поддерживаться ниже 45°C.
В основе водородных металлургических заводов, установок хранения энергии и сглаживания пиковых нагрузок, а также установок синтеза экологически чистого аммиака и метанола лежит производство электроэнергии из возобновляемых источников энергии и последующее производство экологически чистого водорода с помощью крупномасштабных электролизеров. Ключевые точки технического обслуживания щелочных электролизеров (ЩЭ) и электролизеров с протонно-обменной мембраной (ПЭМ), используемых в этих областях, идентичны точкам обслуживания описанных выше установок производства водорода. Однако уникальная проблема в сценариях энергетического перехода заключается в резких колебаниях условий эксплуатации — хранение энергии и сглаживание пиковых нагрузок требуют быстрого запуска и остановки электролизеров для адаптации к прерывистому характеру выработки ветровой и солнечной энергии. Компания Enapter рекомендует ограничивать циклы запуска-остановки электролизеров максимум 5 раз в день и 1 раз в час для обеспечения их долговечности. При динамических нагрузках алгоритмы прогнозирования на основе EIS считаются ключевыми инструментами для интеллектуального управления системой и профилактического обслуживания электролизеров. Для обеспечения долговременной работы электролизеров с протонообменной мембраной в условиях прерывистой работы на возобновляемых источниках энергии крайне важна комбинация стратегий: динамическое регулирование тока, терморегулирование, проектирование интерфейсов и диагностика в реальном времени.
В установках органического электросинтеза используются безмембранные или мембранные электролизеры для синтеза определенных органических соединений, при этом выбор мембраны зависит от требований реакции. Сложность обслуживания этих электролизеров заключается в разнообразии реакционных систем — различные органические синтезы предъявляют совершенно разные требования к материалам электродов, выбору мембран и рабочим параметрам. Техническое обслуживание электролизеров должно быть адаптировано к конкретной реакции синтеза; плановое обслуживание включает осмотр поверхностей электродов (на наличие отложений органических полимеров), проверку целостности мембран и анализ состава электролита. Поскольку органический электросинтез часто включает неводные растворители или специализированные электролиты, уплотнительные материалы должны обладать более высокой химической стойкостью, чем те, которые используются в электролизерах на водной основе. Интервалы замены уплотнительных прокладок и трубопроводов должны определяться в зависимости от конкретной органической среды, с которой они контактируют; стандартизированного отраслевого графика не существует. Рекомендуется заключить долгосрочное соглашение о техническом обслуживании с производителем электролизера для обеспечения своевременной поставки критически важных запасных частей (таких как специализированные покрытия электродов и изготовленные на заказ диафрагмы); Это наиболее эффективная стратегия управления для обслуживания электролизеров данного типа.
Язык
