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【大盘点】绿氢生产中所需的智能仪表

作者:Cornelia Huber2024.02.07阅读 5036

  
本文图片来源:ABB
  绿色氢能工艺需要新一代的智能仪表,以帮助制造企业实现全球可持续发展和净零碳排放的目标。
  在各种来自环境、经济和地缘政治因素的推动下,绿色氢能等可持续能源的发展正在加速,不断推动着全球实现工业零碳排放的进程。最新一代的智能仪表和分析仪正在帮助提高绿色氢气生产的效率、安全性和可行性。
  由于对破坏性气候变化和能源安全的担忧,世界各国正专注于减少二氧化碳和甲烷等温室气体的产生,并寻找从化石燃料转向更可持续的替代品的方法。去年在格拉斯举行的COP26峰会,鼓励各国制定雄心勃勃的2030年减排目标,以期在本世纪中叶实现净零碳排放。
  相关预测显示,到2050年,全球氢能经济产值将达到2.5万亿美元,并将创造3000万个就业机会。作为最大限度提高效率和安全性并提供决策所需数据的一种方式,实现这些目标意味着从煤炭、石油和天然气等传统能源,转向产生最少排放且不依赖于少数几个国家供应的可再生能源。
  01  用于可持续燃料的绿色氢气
  从消费到工业应用,在能源供应中最关键的是需要一致、可靠和可扩展的能源。尽管风能和太阳能等可再生能源有助于减少排放,但它们是间歇性的,很难储存生产的电力。
  因此,尽管化石燃料对环境有不良影响,但它们仍然是能源供应的支柱。这是因为它们具有更高的能量密度,可以储存以满足季节性需求,此外,它们还能为一些工业过程提供化学原料。
  不过,随着氢气作为一种能源的可行性不断提高,这一现状正在改变。氢气提供了可再生能源和化石燃料的许多优势——它可以以低排放或零排放生产,可以储存和运输,清洁燃烧,并可进一步用于化学加工或生产。
  因此,它被认为是帮助脱碳能源应用的关键燃料之一。它可以用作运输和调峰电厂的燃料,燃烧氢气也可以为多种类型的工业、住宅和商业建筑供热,此外,氢气还可以作为化肥、燃料精炼和塑料等化学产品的原料。
  众所周知,可以使用多种工艺来制氢。这些工艺在氢的化学来源和电力来源的可再生性方面各不相同。按生产方法的不同,氢气生产通常分为绿色、灰色、蓝色、棕色或白色。绿氢是最环保的类型,一般使用可再生能源或核能电解生产。
  如果氢气要为缓解气候变化做出重大贡献,其生产必须是基于可再生能源提供的零碳电解。根据国际能源署2022年9月发布的一份氢气跟踪报告,如果到2050年实现净零排放,到2030年工业对氢气的总需求将增长44%,其中低碳氢气将达到2100万吨。国际能源署表示,在增加氢气产量方面正在取得一些进展,2020年安装了近70兆瓦的电解产能,比前一年翻了一番。

▲图1:智能工艺仪表助力绿色氢气生产。ABB的AC211 2-电极导电装置专为超纯水应用而设计,
可确保在几乎无需维护的情况下保持水的导电性。氢气电解槽需要敏感的气体分析仪,它们可以
测量氧气流中的微量氢气。
  02  通过控制和仪表优化电解槽性能
  作为一个多阶段工艺,绿色氢气生产需要精确的测量,以确保安全高效的运行。ISO22734:2019(用水电解处理的氢发生器——工业、商业和住宅应用)规定了氢气生产过程中需要测量的主要参数,以保持控制并避免可能影响效率或安全的潜在问题。
  为了生产绿色氢气,目前使用的电解方法主要有三种:
  ■ 碱性电解(AEC)是一种成熟的商业技术。为了最大限度地提高用于生产氢气的电解质的导电性,AEC电解槽使用含25-30wt%氢氧化钾(KOH)的碱性溶液,即碱液。电解质的高碱性意味着任何与之接触的仪表都必须是耐腐蚀的。工业电导率传感器具有PVDF主体和Hastelloy C电极,非常适合高浓度KOH测量等严苛场合的应用。
  ■ 质子交换膜(PEM)电解槽,使用纯水作为电解质溶液,避免了回收和再循环碱性电解槽所需的氢氧化钾电解质溶液。水的纯度是关键,使用反渗透和离子交换树脂将水去离子至小于0.1mS/m的电导率。专为超纯水应用而设计的2电极电导率电池,可以确保水的电导率保持在这个水平,几乎不需要维护。
  ■ 固体氧化物电解池(SOE),使用陶瓷作为电解质,材料成本低。它们在高温下运行,电气效率高,电解过程使用蒸汽,因此需要热源。SOE电解槽使用蒸汽而不是补给水来供应电解槽,需要使用智能仪表准确测量流量、压力和温度,这与AEC和PEM电解槽对仪表的要求有所不同。
  03  控制氢电解反应需要精确的气体分析仪
  电解氢工艺的过程控制包含三个主要功能——安全操作、高效的电氢转换和气体纯度控制。在电解过程中面临的一个挑战是,在氢气流中积聚小浓度的氧气以及在氧气流中积聚氢气的可能性。电解槽堆叠组件可能将气体从电解槽的一侧泄漏到另一侧(ISO22734将其定义为故障状态)。

▲图2:ABB H-Shield钛基二元纳米涂层具有紧密的分子结构和最高的抗氢离子渗透性,同时使压力
变送器隔膜能够响应不断变化的压力。氧气和氢气的压力测量可以通过ABB的266GST和PGS100
系列压力变送器来实现。
  为了避免这种情况的发生,氢电解槽需要灵敏的气体分析仪,该分析仪可以测量氧气流中的微量氢,反之亦然,可以测量非常低的含量。
  原料氢气还含有来自电解槽的电解质蒸汽。相分离器允许在电解槽之后进行气体和液体分离。监测分解相分离器中的液位至关重要,因为液位过低会关闭电解槽并触发氮气吹扫。
  04  用于氢气测量的液位测量和温度控制
  磁性液位计(包括磁性开关和传感器)可用于测量相分离器中的低液位和高液位。通过将设备与工艺介质隔离,磁性液位测量为测量分相器中的液位提供了理想的非接触式解决方案,同时也消除了对通常与点液位开关技术相关的昂贵的密封、隔膜和工艺连接的需求。设定值点可以在不改变工艺管道的情况下进行调整,这样就可以使用快速部署、易于调整和维护的液位开关。
  温度控制也是至关重要的。可再生能源的可变电力供应可能会导致电解槽增加产量,消耗更多电流并提高温度。持续测量电解槽的温度,将能够有效控制冷却,以将温度保持在安全范围内。
  将铂电阻温度计与适当的变送器相结合,可以提供所需的测量结果,并在报警发生时,触发预防措施中的解决方案。如果还包括连续传感器监测和自我监测等功能,则有可能收集有关电源电压和电线断裂或腐蚀等问题的额外信息。
  同样的技术可以应用于监测和控制脱氧阶段的温度,在脱氧阶段,氢气中的微量氧气在放热催化反应中转化为水,从而产生最终的氢气产物。监测温度以确保反应受控,并且工况保持在安全限度内至关重要。
  05  压力测量和泵送液态水供应
  某些类型的电解槽设计是在高压下运行。如果要在高压下使用气体,精确测量压力水平的功能就特别重要,因为将液态水泵送到电解槽中,其压力会升高(如30巴),比在电解槽之后将氢气从大气压压缩到30巴成本更低,能耗也低得多。在水回路中安装数字压力变送器,以连续监测压力,有助于优化泵送性能。
  准确可靠的压力测量对于保持过程安全非常重要,因为它可以防止电解槽过压,并确保电解槽产生的氢气和氧气可以畅通无阻地流走。
  压力变送器可测量氧气和氢气的压力。TüV NORD根据IEC61508系列功能安全标准,认证用于过程安全的控制系统,有助于保护加压电解槽。
  在氢气应用中影响压力变送器的另一个问题是氢气渗透问题。由于氢气分子通过压力变送器隔膜并扩散到压力变送器的填充液中,氢气渗透会损害变送器的性能,直到发生故障。加入钛基二元纳米涂层可提供最高的抗氢离子渗透能力,同时使压力变送器隔膜能够响应不断变化的压力条件。
  06  智能测量提升自动化和控制效率
  当今的智能数字测量技术提供了更高的准确性、范围和深度信息,可用于评估工艺性能和测量设备的状态。远程连接等功能有助于提高诊断信息的可用性,使工程师能够在不在现场的情况下跟踪故障或更改仪表配置等操作。更强大的可预测性有助于主动维护,避免不必要的停机时间,并将关键工艺装置的潜在损坏或氢气质量受损的风险降至最低。
  数字仪表的操作更简单,使任何经验水平的操作员都能更容易使用熟悉的技术访问或传输与操作和维护相关的关键数据。
  关键概念:
  ■ 绿氢生产方法有助于实现净零碳排放目标。
  ■ 了解有助于控制电解氢生产工艺的仪表,包括气体和电导率分析仪,液位、温度和压力传感器。
  ■ 智能仪表提高了自动化水平和控制效率。
  思考一下:
  智能仪表如何提高自动化过程的效率?