电解水制氢系统安全设计

李保法 中国石化集团南京工程公司 南京 211100

电解水制氢系统安全设计

李保法*中国石化集团南京工程公司 南京 211100

针对氢气制备及纯化，根据氢气的理化和火灾危险特性，分析电解水制氢系统中的潜在危险因素，提出安全设计思路。

氢气电解水制氢危险因素安全设计

氢气是未来最为理想的能源载体之一，具有高效、清洁无污染、可再生循环等诸多优点。然而，氢气的理化特性决定了其易燃易爆的高度危险性，在氢气的生产、使用和储存等系统的设计中要认真进行危险因素分析，发现事故隐患，应立即并给出合理、有效的对策与措施。

1 电解水制氢系统工艺

工业生产中常用的氢气制备方法有电解水制氢法、矿物燃料转化制氢法以及石油化工生产过程中副产氢气等。电解水制氢法具有工艺简单、操作方便、生产过程不会产生CO2等温室气体，且产品纯度高(一般可达99%～99.99%)等优点，是目前重要的制氢方法之一，被视为未来“氢经济时代”的主要生产方式。

1.1 工艺流程

电解水制氢及纯化的工艺流程见图1。

图1 电解水制氢系统流程框图

30%KOH水溶液(即电解液)在电解槽中阴极小室产生氢气，反应式为:

阳极小室产生氧气(本文不作详细讨论)，反应式为:

含有碱液的氢气进氢分离器，在重力作用下进行气液分离，冷却后再由氢气捕滴器将其中的游离水除去，经氢气缓冲罐进脱氧器，将微量的氧杂质在催化剂的作用下反应生成水，再由氢气冷却器将气体中的水蒸汽冷凝排出，然后进装有分子筛的吸附塔，利用分子筛对水、二氧化碳及其他杂质的吸附作用，达到净化氢气的目的。

1.2 系统主要设备操作参数

电解水制氢系统主要设备及操作参数见表1。

表1 电解水制氢系统主要设备及操作参数

2 氢气的物性及其危险性分析

2.1 氢气的物性

氢气物性见表2。

2.2 危险性分析

从表2中可知，氢气具有易燃易爆的特性，又有较高的扩散速度，与空气混合能形成爆炸性混合物，遇热或明火即发生爆炸，且所需引燃能量极小。氢气在生产使用和储存过程中可能存在如下潜在危险:

2.2.1 物理爆炸

储存于钢瓶或储罐内的压力较高的氢气(或液化氢气)在环境温度升高时，可能会发生受热膨胀(或液氢气化)使压力升高，当超过容器的耐压强度时，即会发生爆炸。

表2 氢气物性

2.2.2 火灾爆炸

高温下氢气对钢材具有腐蚀性，能削弱储存设备、输送管道等的耐压强度，严重时可导致设备管道系统出现裂缝，发生泄漏。氢气一旦泄漏逸散在空气中，可以迅速大面积地向高处扩散，瞬间与空气形成爆炸性混合物。此时，由于受热、遇到明火、摩擦产生静电等，仅需很小的能量就可发生爆燃甚至爆轰。

2.2.3 气体窒息

氢气虽然无毒，在生理学上为惰性气体，但在发生大面积氢气泄漏时，会使空气中氧分压降低，环境缺氧引起窒息。在很高的分压下，可呈现麻醉作用。因此，在应急处理氢气泄漏事故时，应特别注意自身的安全防护。

3 系统的安全设计

3.1 防火、防爆措施

为防止氢气由于超压、泄漏等引发的火灾爆炸事故，系统设计中应采取以下措施。

3.1.1 厂区布置

制氢系统(含站房及储罐)应远离有明火、高温的厂房，不应布置在它们的下风向，同时不应处在整个厂区的上风向，且系统与其他厂房、建构筑物之间的防火间距应符合《氢气站设计规范》GB 50177－2005中的要求;若厂区内各厂房之间有高度落差时，系统应位于地坪标高较高的区域。

3.1.2 系统布置

制氢间(包括电解室、附属设备框架、纯化框架及氢气缓冲罐)与其他配套设备(如变压器、整流柜、仪表柜、备用品间等)之间应用防爆墙分隔;与储罐间应满足安全间距要求，距离不小于9m。

3.1.3 厂房结构

氢气的生产厂房为甲类厂房，宜采用单层建筑结构，厂房的耐火等级、层数及防火分区的面积应满足《建筑设计防火规范》GB 50016－2006中表3.3.1的要求;制氢间的厂房屋顶应留有排风孔以满足房间内通风换气的要求，避免易燃易爆气体在房间内积聚，并应采用轻质不可燃屋顶，以满足发生爆炸事故时泄压面积的要求(《建筑设计防火规范》第3.6.3条)。

3.1.4 电气设备

根据《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》GB 50058－92，制氢间及氢气储罐区域内应被划分为爆炸性气体环境危险区域1区，制氢间门窗边沿以外、氢气罐外壁以外半径4.5m的地面、空间，以及氢气排放口周围半径4.5m的空间和顶部7.5m的区域为2区。位于该区域内的所有电气设备均应采用防爆型，且防爆等级不应低于ⅡCT1。电解槽工作所需电能较大，其供电系统应独立设计，专线专供，不得与其他电路系统混用。

3.1.5 工艺流程

系统采用分立式循环的工艺流程。分立式循环就是把传统的水电解流程中将氢、氧分离器液相连通，并将混合的氢、氧碱液一并注入电解槽的方法，改为将氢、氧碱液的循环回路分立设置，并分别注入分立液道的电解槽氢、氧小室，从而实现氢气和氧气的有效隔离，保证了系统运行的安全、可靠。

3.1.6 氢气管道

(1)氢气管道应采用无缝钢管，禁止使用铸铁管道。

(2)管道及管件之间应尽量采用焊接方式连接，以减少可能出现的泄漏点，与设备管口、阀门等的连接可采用法兰或螺纹连接，但在连接处需采用金属导线跨接并定期检查跨接电阻，设备或管道末端应接地良好。

(3)管道不得穿过生活间、办公室、配电室、仪表间、楼梯间及其他不使用氢气的房间。

(4)管道不得穿过防爆墙。

(5)管道不应铺设在管沟内;管道穿过墙壁或楼板时应设套管，套管内的管段不应有焊缝，管道与套管间应采用非燃烧材料填塞。

(6)管道上应设放空管、取样口和吹扫口，其位置应能满足管道内气体吹扫、置换的要求，且系统内应设有含氧量小于0.5%的氮气置换吹扫设施。

(7)氢气放空管应引至室外，且放空口应高于屋顶最高点1m以上，管口处设阻火器以防止外界火花串入系统引发事故，且应有防雨雪侵入、杂物堵塞及防止雷击的保护措施。

(8)氢气在碳素钢管道中的最大流速要求见表3。

表3 碳素钢管中氢气的最大流速

但当设计压力为0.1～3.0MPa时，氢气在不锈钢管中的最大流速可为25m/s。

3.1.7 氢气储罐

(1)该系统中的氢气储罐工作压力为2.5MPa，属于压力容器范畴，其设计、制造和检验应符合《压力容器安全监察规程》中的技术要求。

(2)储罐应设有放空阀、安全阀和压力表，放空管口末端应设阻火器。

(3)储罐的基础和支撑必须牢固，且应为非燃烧材料。

(4)储罐的地面应高于相邻散发可燃气体或蒸气的甲、乙类生产厂房的地面，否则应设高度不低于1m的实体墙予以隔离。

3.1.8 检测报警

系统中有火灾和爆炸危险的区域内(制氢间及氢气储罐)需设置可燃气体(氢气)检测报警仪，且应符合《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》GB 50493－2009中的相关要求。

3.1.9 自控系统

在氢、氧捕滴器后的管线上设有在线分析仪，分别监测氢中的氧含量及氧中的氢含量，并与报警系统及紧急停车系统进行联锁，当氢、氧含量超标时，启动报警系统，必要时自动启动紧急停车系统。

3.1.10 防雷电

根据《建筑物防雷设计规范》的规定，系统不应低于二类防雷建筑，应设有防直接雷击、防雷电感应和防雷电波的措施。

3.2 防灼烫

灼烫是指强酸、强碱溅到身体引起的灼伤;或因火焰引起的烧伤;高温物体引起的烫伤;放射线引起的皮肤损伤等。

(1)该系统中电解槽以30%的KOH溶液作为电解液，《常用危险化学品的分类及标志》GB 13690－92将其划为第8.2类碱性腐蚀品，具有强腐蚀性、强刺激性，皮肤和眼睛直接接触可引起灼伤，应立即用大量流动清水冲洗。因此，系统设计时在有可能发生KOH溶液泄漏区域(如碱液罐、电解槽附近)，需设置洗手池、淋浴喷头及洗眼器，使操作人员在发生意外伤害时可以第一时间进行自我救护，保障人身安全。

(2)系统中部分设备及管道的操作温度最高可达近400℃，人体接触时会造成高温烫伤，因此，除工艺技术要求需要进行保温的设备和工艺物料管线外，对操作温度高于60℃的设备及管道应进行隔热，以防止其对操作人员的伤害及周围环境的影响。保温及隔热材料的选择和厚度的确定应满足《石油化工设备和管道隔热技术规范》SH 3010－2000的要求。

3.3 防触电

电解水制氢需要消耗电能，电解槽的运行需要230V左右的稳定直流电源，系统为其单独配备了变压器和整流柜，将10kV交流电变换为电解槽工作所需的直流电源;同时系统配备了380V的动力电路供其他用电设备使用。为防止操作人员触电发生危险，所有用电设备应接地良好，且应设有漏电保护设施;应配备绝缘鞋(靴)和绝缘手套等防护用品，供操作、维护人员接触带电设备作业时穿戴。

4 结语

事故的发生有其偶然性及必然性。只要在系统设计中采取合理有效的安全设施及措施，就可以最大限度地减少事故的发生概率。

1 GB 50177－2005，氢气站设计规范［S］．

2 GB 50016－2006，建筑设计防火规范［S］．

3 GB 50058－1992，爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范［S］．

4 周国泰主编．危险化学品安全技术全书［M］．北京:化学工业出版社．

5 王廉舫．水电解制氢氧［M］．长沙:湖南工业气体专委会．

6 李仲来．氢气的制取及化工应用［J］．小氮肥设计技术．2004，25(4):45－51．

7 张德勇．化工装置氢气系统的安全防护与应急处理［J］．石油化工安全环保技术．2007，23(6):18－20．

8 许正旭，李辉．水电解制氢系统安全体系建设探讨［J］．青海气象．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:工程师。2004年毕业于南京工业大学安全工程专业。主要从事化工工艺、管道及安全卫生等方面的设计工作。联系电话: (025)87118802，E－mail:libf@snei.com.cn。

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