電解水制氫系統安全設計

李保法 中國石化集團南京工程公司 南京 211100

電解水制氫系統安全設計

李保法*中國石化集團南京工程公司 南京 211100

針對氫氣制備及純化，根據氫氣的理化和火災危險特性，分析電解水制氫系統中的潛在危險因素，提出安全設計思路。

氫氣電解水制氫危險因素安全設計

氫氣是未來最為理想的能源載體之一，具有高效、清潔無污染、可再生循環等諸多優點。然而，氫氣的理化特性決定了其易燃易爆的高度危險性，在氫氣的生產、使用和儲存等系統的設計中要認真進行危險因素分析，發現事故隱患，應立即并給出合理、有效的對策與措施。

1 電解水制氫系統工藝

工業生產中常用的氫氣制備方法有電解水制氫法、礦物燃料轉化制氫法以及石油化工生產過程中副產氫氣等。電解水制氫法具有工藝簡單、操作方便、生產過程不會產生CO2等溫室氣體，且產品純度高(一般可達99%～99.99%)等優點，是目前重要的制氫方法之一，被視為未來“氫經濟時代”的主要生產方式。

1.1 工藝流程

電解水制氫及純化的工藝流程見圖1。

圖1 電解水制氫系統流程框圖

30%KOH水溶液(即電解液)在電解槽中陰極小室產生氫氣，反應式為:

陽極小室產生氧氣(本文不作詳細討論)，反應式為:

含有堿液的氫氣進氫分離器，在重力作用下進行氣液分離，冷卻后再由氫氣捕滴器將其中的游離水除去，經氫氣緩沖罐進脫氧器，將微量的氧雜質在催化劑的作用下反應生成水，再由氫氣冷卻器將氣體中的水蒸汽冷凝排出，然后進裝有分子篩的吸附塔，利用分子篩對水、二氧化碳及其他雜質的吸附作用，達到凈化氫氣的目的。

1.2 系統主要設備操作參數

電解水制氫系統主要設備及操作參數見表1。

表1 電解水制氫系統主要設備及操作參數

2 氫氣的物性及其危險性分析

2.1 氫氣的物性

氫氣物性見表2。

2.2 危險性分析

從表2中可知，氫氣具有易燃易爆的特性，又有較高的擴散速度，與空氣混合能形成爆炸性混合物，遇熱或明火即發生爆炸，且所需引燃能量極小。氫氣在生產使用和儲存過程中可能存在如下潛在危險:

2.2.1 物理爆炸

儲存于鋼瓶或儲罐內的壓力較高的氫氣(或液化氫氣)在環境溫度升高時，可能會發生受熱膨脹(或液氫氣化)使壓力升高，當超過容器的耐壓強度時，即會發生爆炸。

表2 氫氣物性

2.2.2 火災爆炸

高溫下氫氣對鋼材具有腐蝕性，能削弱儲存設備、輸送管道等的耐壓強度，嚴重時可導致設備管道系統出現裂縫，發生泄漏。氫氣一旦泄漏逸散在空氣中，可以迅速大面積地向高處擴散，瞬間與空氣形成爆炸性混合物。此時，由于受熱、遇到明火、摩擦產生靜電等，僅需很小的能量就可發生爆燃甚至爆轟。

2.2.3 氣體窒息

氫氣雖然無毒，在生理學上為惰性氣體，但在發生大面積氫氣泄漏時，會使空氣中氧分壓降低，環境缺氧引起窒息。在很高的分壓下，可呈現麻醉作用。因此，在應急處理氫氣泄漏事故時，應特別注意自身的安全防護。

3 系統的安全設計

3.1 防火、防爆措施

為防止氫氣由于超壓、泄漏等引發的火災爆炸事故，系統設計中應采取以下措施。

3.1.1 廠區布置

制氫系統(含站房及儲罐)應遠離有明火、高溫的廠房，不應布置在它們的下風向，同時不應處在整個廠區的上風向，且系統與其他廠房、建構筑物之間的防火間距應符合《氫氣站設計規范》GB 50177－2005中的要求;若廠區內各廠房之間有高度落差時，系統應位于地坪標高較高的區域。

3.1.2 系統布置

制氫間(包括電解室、附屬設備框架、純化框架及氫氣緩沖罐)與其他配套設備(如變壓器、整流柜、儀表柜、備用品間等)之間應用防爆墻分隔;與儲罐間應滿足安全間距要求，距離不小于9m。

3.1.3 廠房結構

氫氣的生產廠房為甲類廠房，宜采用單層建筑結構，廠房的耐火等級、層數及防火分區的面積應滿足《建筑設計防火規范》GB 50016－2006中表3.3.1的要求;制氫間的廠房屋頂應留有排風孔以滿足房間內通風換氣的要求，避免易燃易爆氣體在房間內積聚，并應采用輕質不可燃屋頂，以滿足發生爆炸事故時泄壓面積的要求(《建筑設計防火規范》第3.6.3條)。

3.1.4 電氣設備

根據《爆炸和火災危險環境電力裝置設計規范》GB 50058－92，制氫間及氫氣儲罐區域內應被劃分為爆炸性氣體環境危險區域1區，制氫間門窗邊沿以外、氫氣罐外壁以外半徑4.5m的地面、空間，以及氫氣排放口周圍半徑4.5m的空間和頂部7.5m的區域為2區。位于該區域內的所有電氣設備均應采用防爆型，且防爆等級不應低于ⅡCT1。電解槽工作所需電能較大，其供電系統應獨立設計，專線專供，不得與其他電路系統混用。

3.1.5 工藝流程

系統采用分立式循環的工藝流程。分立式循環就是把傳統的水電解流程中將氫、氧分離器液相連通，并將混合的氫、氧堿液一并注入電解槽的方法，改為將氫、氧堿液的循環回路分立設置，并分別注入分立液道的電解槽氫、氧小室，從而實現氫氣和氧氣的有效隔離，保證了系統運行的安全、可靠。

3.1.6 氫氣管道

(1)氫氣管道應采用無縫鋼管，禁止使用鑄鐵管道。

(2)管道及管件之間應盡量采用焊接方式連接，以減少可能出現的泄漏點，與設備管口、閥門等的連接可采用法蘭或螺紋連接，但在連接處需采用金屬導線跨接并定期檢查跨接電阻，設備或管道末端應接地良好。

(3)管道不得穿過生活間、辦公室、配電室、儀表間、樓梯間及其他不使用氫氣的房間。

(4)管道不得穿過防爆墻。

(5)管道不應鋪設在管溝內;管道穿過墻壁或樓板時應設套管，套管內的管段不應有焊縫，管道與套管間應采用非燃燒材料填塞。

(6)管道上應設放空管、取樣口和吹掃口，其位置應能滿足管道內氣體吹掃、置換的要求，且系統內應設有含氧量小于0.5%的氮氣置換吹掃設施。

(7)氫氣放空管應引至室外，且放空口應高于屋頂最高點1m以上，管口處設阻火器以防止外界火花串入系統引發事故，且應有防雨雪侵入、雜物堵塞及防止雷擊的保護措施。

(8)氫氣在碳素鋼管道中的最大流速要求見表3。

表3 碳素鋼管中氫氣的最大流速

但當設計壓力為0.1～3.0MPa時，氫氣在不銹鋼管中的最大流速可為25m/s。

3.1.7 氫氣儲罐

(1)該系統中的氫氣儲罐工作壓力為2.5MPa，屬于壓力容器范疇，其設計、制造和檢驗應符合《壓力容器安全監察規程》中的技術要求。

(2)儲罐應設有放空閥、安全閥和壓力表，放空管口末端應設阻火器。

(3)儲罐的基礎和支撐必須牢固，且應為非燃燒材料。

(4)儲罐的地面應高于相鄰散發可燃氣體或蒸氣的甲、乙類生產廠房的地面，否則應設高度不低于1m的實體墻予以隔離。

3.1.8 檢測報警

系統中有火災和爆炸危險的區域內(制氫間及氫氣儲罐)需設置可燃氣體(氫氣)檢測報警儀，且應符合《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規范》GB 50493－2009中的相關要求。

3.1.9 自控系統

在氫、氧捕滴器后的管線上設有在線分析儀，分別監測氫中的氧含量及氧中的氫含量，并與報警系統及緊急停車系統進行聯鎖，當氫、氧含量超標時，啟動報警系統，必要時自動啟動緊急停車系統。

3.1.10 防雷電

根據《建筑物防雷設計規范》的規定，系統不應低于二類防雷建筑，應設有防直接雷擊、防雷電感應和防雷電波的措施。

3.2 防灼燙

灼燙是指強酸、強堿濺到身體引起的灼傷;或因火焰引起的燒傷;高溫物體引起的燙傷;放射線引起的皮膚損傷等。

(1)該系統中電解槽以30%的KOH溶液作為電解液，《常用危險化學品的分類及標志》GB 13690－92將其劃為第8.2類堿性腐蝕品，具有強腐蝕性、強刺激性，皮膚和眼睛直接接觸可引起灼傷，應立即用大量流動清水沖洗。因此，系統設計時在有可能發生KOH溶液泄漏區域(如堿液罐、電解槽附近)，需設置洗手池、淋浴噴頭及洗眼器，使操作人員在發生意外傷害時可以第一時間進行自我救護，保障人身安全。

(2)系統中部分設備及管道的操作溫度最高可達近400℃，人體接觸時會造成高溫燙傷，因此，除工藝技術要求需要進行保溫的設備和工藝物料管線外，對操作溫度高于60℃的設備及管道應進行隔熱，以防止其對操作人員的傷害及周圍環境的影響。保溫及隔熱材料的選擇和厚度的確定應滿足《石油化工設備和管道隔熱技術規范》SH 3010－2000的要求。

3.3 防觸電

電解水制氫需要消耗電能，電解槽的運行需要230V左右的穩定直流電源，系統為其單獨配備了變壓器和整流柜，將10kV交流電變換為電解槽工作所需的直流電源;同時系統配備了380V的動力電路供其他用電設備使用。為防止操作人員觸電發生危險，所有用電設備應接地良好，且應設有漏電保護設施;應配備絕緣鞋(靴)和絕緣手套等防護用品，供操作、維護人員接觸帶電設備作業時穿戴。

4 結語

事故的發生有其偶然性及必然性。只要在系統設計中采取合理有效的安全設施及措施，就可以最大限度地減少事故的發生概率。

1 GB 50177－2005，氫氣站設計規范［S］．

2 GB 50016－2006，建筑設計防火規范［S］．

3 GB 50058－1992，爆炸和火災危險環境電力裝置設計規范［S］．

4 周國泰主編．危險化學品安全技術全書［M］．北京:化學工業出版社．

5 王廉舫．水電解制氫氧［M］．長沙:湖南工業氣體專委會．

6 李仲來．氫氣的制取及化工應用［J］．小氮肥設計技術．2004，25(4):45－51．

7 張德勇．化工裝置氫氣系統的安全防護與應急處理［J］．石油化工安全環保技術．2007，23(6):18－20．

8 許正旭，李輝．水電解制氫系統安全體系建設探討［J］．青海氣象．2007(1):52－54．

Based on the hydrogen production and purification，analyze the potentialhazardousfactorsofhydrogenproductionthroughwater electrolysis system in accordance with the physiochemical and fire risk properties of hydrogen itself．Put forward the safety design ideas．

Safety Design of Hydrogen Production Through Water Electrolysis System

Li Baofa
(Sinopec Nanjing Engineering＆Construction Inc.，Nanjing 210048)

hydrogenhydrogenproductionthroughwater electrolysishazardous factorsafety design

*李保法:工程師。2004年畢業于南京工業大學安全工程專業。主要從事化工工藝、管道及安全衛生等方面的設計工作。聯系電話: (025)87118802，E－mail:libf@snei.com.cn。

2011－03－27)