在各種來(lái)自環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和地緣政治因素的推動(dòng)下，綠色氫能等可持續(xù)能源的發(fā)展正在加速，不斷推動(dòng)著全球?qū)崿F(xiàn)工業(yè)零碳排放的進(jìn)程。最新一代的智能儀表和分析儀正在幫助提高綠色氫氣生產(chǎn)的效率、安全性和可行性。
由于對(duì)破壞性氣候變化和能源安全的擔(dān)憂，世界各國(guó)正專注于減少二氧化碳和甲烷等溫室氣體的產(chǎn)生，并尋找從化石燃料轉(zhuǎn)向更可持續(xù)的替代品的方法。去年在格拉斯舉行的COP26峰會(huì)，鼓勵(lì)各國(guó)制定雄心勃勃的2030年減排目標(biāo)，以期在本世紀(jì)中葉實(shí)現(xiàn)凈零碳排放。
相關(guān)預(yù)測(cè)顯示，到2050年，全球氫能經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值將達(dá)到2.5萬(wàn)億美元，并將創(chuàng)造3000萬(wàn)個(gè)就業(yè)機(jī)會(huì)。作為最大限度提高效率和安全性并提供決策所需數(shù)據(jù)的一種方式，實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)意味著從煤炭、石油和天然氣等傳統(tǒng)能源，轉(zhuǎn)向產(chǎn)生最少排放且不依賴于少數(shù)幾個(gè)國(guó)家供應(yīng)的可再生能源。
1、用于可持續(xù)燃料的綠色氫氣
從消費(fèi)到工業(yè)應(yīng)用，在能源供應(yīng)中最關(guān)鍵的是需要一致、可靠和可擴(kuò)展的能源。盡管風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源有助于減少排放，但它們是間歇性的，很難儲(chǔ)存生產(chǎn)的電力。
因此，盡管化石燃料對(duì)環(huán)境有不良影響，但它們?nèi)匀皇悄茉垂?yīng)的支柱。這是因?yàn)樗鼈兙哂懈叩哪芰棵芏龋梢詢?chǔ)存以滿足季節(jié)性需求，此外，它們還能為一些工業(yè)過(guò)程提供化學(xué)原料。
不過(guò)，隨著氫氣作為一種能源的可行性不斷提高，這一現(xiàn)狀正在改變。氫氣提供了可再生能源和化石燃料的許多優(yōu)勢(shì)——它可以以低排放或零排放生產(chǎn)，可以儲(chǔ)存和運(yùn)輸，清潔燃燒，并可進(jìn)一步用于化學(xué)加工或生產(chǎn)。
因此，它被認(rèn)為是幫助脫碳能源應(yīng)用的關(guān)鍵燃料之一。它可以用作運(yùn)輸和調(diào)峰電廠的燃料，燃燒氫氣也可以為多種類型的工業(yè)、住宅和商業(yè)建筑供熱，此外，氫氣還可以作為化肥、燃料精煉和塑料等化學(xué)產(chǎn)品的原料。
眾所周知，可以使用多種工藝來(lái)制氫。這些工藝在氫的化學(xué)來(lái)源和電力來(lái)源的可再生性方面各不相同。按生產(chǎn)方法的不同，氫氣生產(chǎn)通常分為綠色、灰色、藍(lán)色、棕色或白色。綠氫是最環(huán)保的類型，一般使用可再生能源或核能電解生產(chǎn)。
如果氫氣要為緩解氣候變化做出重大貢獻(xiàn)，其生產(chǎn)必須是基于可再生能源提供的零碳電解。根據(jù)國(guó)際能源署2022年9月發(fā)布的一份氫氣跟蹤報(bào)告，如果到2050年實(shí)現(xiàn)凈零排放，到2030年工業(yè)對(duì)氫氣的總需求將增長(zhǎng)44%，其中低碳?xì)錃鈱⑦_(dá)到2100萬(wàn)噸。國(guó)際能源署表示，在增加氫氣產(chǎn)量方面正在取得一些進(jìn)展，2020年安裝了近70兆瓦的電解產(chǎn)能，比前一年翻了一番。
▲圖1：智能工藝儀表助力綠色氫氣生產(chǎn)。ABB的AC211 2-電極導(dǎo)電裝置專為超純水應(yīng)用而設(shè)計(jì)，可確保在幾乎無(wú)需維護(hù)的情況下保持水的導(dǎo)電性。氫氣電解槽需要敏感的氣體分析儀，它們可以測(cè)量氧氣流中的微量氫氣。
2、通過(guò)控制和儀表優(yōu)化電解槽性能
作為一個(gè)多階段工藝，綠色氫氣生產(chǎn)需要精確的測(cè)量，以確保安全高效的運(yùn)行。ISO22734:2019（用水電解處理的氫發(fā)生器——工業(yè)、商業(yè)和住宅應(yīng)用）規(guī)定了氫氣生產(chǎn)過(guò)程中需要測(cè)量的主要參數(shù)，以保持控制并避免可能影響效率或安全的潛在問(wèn)題。
為了生產(chǎn)綠色氫氣，目前使用的電解方法主要有三種：
■ 堿性電解（AEC）是一種成熟的商業(yè)技術(shù)。為了最大限度地提高用于生產(chǎn)氫氣的電解質(zhì)的導(dǎo)電性，AEC電解槽使用含25-30wt%氫氧化鉀（KOH）的堿性溶液，即堿液。電解質(zhì)的高堿性意味著任何與之接觸的儀表都必須是耐腐蝕的。工業(yè)電導(dǎo)率傳感器具有PVDF主體和Hastelloy C電極，非常適合高濃度KOH測(cè)量等嚴(yán)苛場(chǎng)合的應(yīng)用。
■ 質(zhì)子交換膜（PEM）電解槽，使用純水作為電解質(zhì)溶液，避免了回收和再循環(huán)堿性電解槽所需的氫氧化鉀電解質(zhì)溶液。水的純度是關(guān)鍵，使用反滲透和離子交換樹脂將水去離子至小于0.1mS/m的電導(dǎo)率。專為超純水應(yīng)用而設(shè)計(jì)的2電極電導(dǎo)率電池，可以確保水的電導(dǎo)率保持在這個(gè)水平，幾乎不需要維護(hù)。
■ 固體氧化物電解池（SOE），使用陶瓷作為電解質(zhì)，材料成本低。它們?cè)诟邷叵逻\(yùn)行，電氣效率高，電解過(guò)程使用蒸汽，因此需要熱源。SOE電解槽使用蒸汽而不是補(bǔ)給水來(lái)供應(yīng)電解槽，需要使用智能儀表準(zhǔn)確測(cè)量流量、壓力和溫度，這與AEC和PEM電解槽對(duì)儀表的要求有所不同。
3、控制氫電解反應(yīng)需要精確的氣體分析儀
電解氫工藝的過(guò)程控制包含三個(gè)主要功能——安全操作、高效的電氫轉(zhuǎn)換和氣體純度控制。在電解過(guò)程中面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是，在氫氣流中積聚小濃度的氧氣以及在氧氣流中積聚氫氣的可能性。電解槽堆疊組件可能將氣體從電解槽的一側(cè)泄漏到另一側(cè)（ISO22734將其定義為故障狀態(tài)）。
▲圖2：ABB H-Shield鈦基二元納米涂層具有緊密的分子結(jié)構(gòu)和最高的抗氫離子滲透性，同時(shí)使壓力變送器隔膜能夠響應(yīng)不斷變化的壓力。氧氣和氫氣的壓力測(cè)量可以通過(guò)ABB的266GST和PGS100系列壓力變送器來(lái)實(shí)現(xiàn)。
為了避免這種情況的發(fā)生，氫電解槽需要靈敏的氣體分析儀，該分析儀可以測(cè)量氧氣流中的微量氫，反之亦然，可以測(cè)量非常低的含量。
原料氫氣還含有來(lái)自電解槽的電解質(zhì)蒸汽。相分離器允許在電解槽之后進(jìn)行氣體和液體分離。監(jiān)測(cè)分解相分離器中的液位至關(guān)重要，因?yàn)橐何贿^(guò)低會(huì)關(guān)閉電解槽并觸發(fā)氮?dú)獯祾摺?/span>
4、用于氫氣測(cè)量的液位測(cè)量和溫度控制
磁性液位計(jì)（包括磁性開關(guān)和傳感器）可用于測(cè)量相分離器中的低液位和高液位。通過(guò)將設(shè)備與工藝介質(zhì)隔離，磁性液位測(cè)量為測(cè)量分相器中的液位提供了理想的非接觸式解決方案，同時(shí)也消除了對(duì)通常與點(diǎn)液位開關(guān)技術(shù)相關(guān)的昂貴的密封、隔膜和工藝連接的需求。設(shè)定值點(diǎn)可以在不改變工藝管道的情況下進(jìn)行調(diào)整，這樣就可以使用快速部署、易于調(diào)整和維護(hù)的液位開關(guān)。
溫度控制也是至關(guān)重要的。可再生能源的可變電力供應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致電解槽增加產(chǎn)量，消耗更多電流并提高溫度。持續(xù)測(cè)量電解槽的溫度，將能夠有效控制冷卻，以將溫度保持在安全范圍內(nèi)。
將鉑電阻溫度計(jì)與適當(dāng)?shù)淖兯推飨嘟Y(jié)合，可以提供所需的測(cè)量結(jié)果，并在報(bào)警發(fā)生時(shí)，觸發(fā)預(yù)防措施中的解決方案。如果還包括連續(xù)傳感器監(jiān)測(cè)和自我監(jiān)測(cè)等功能，則有可能收集有關(guān)電源電壓和電線斷裂或腐蝕等問(wèn)題的額外信息。
同樣的技術(shù)可以應(yīng)用于監(jiān)測(cè)和控制脫氧階段的溫度，在脫氧階段，氫氣中的微量氧氣在放熱催化反應(yīng)中轉(zhuǎn)化為水，從而產(chǎn)生最終的氫氣產(chǎn)物。監(jiān)測(cè)溫度以確保反應(yīng)受控，并且工況保持在安全限度內(nèi)至關(guān)重要。
5、壓力測(cè)量和泵送液態(tài)水供應(yīng)
某些類型的電解槽設(shè)計(jì)是在高壓下運(yùn)行。如果要在高壓下使用氣體，精確測(cè)量壓力水平的功能就特別重要，因?yàn)閷⒁簯B(tài)水泵送到電解槽中，其壓力會(huì)升高（如30巴），比在電解槽之后將氫氣從大氣壓壓縮到30巴成本更低，能耗也低得多。在水回路中安裝數(shù)字壓力變送器，以連續(xù)監(jiān)測(cè)壓力，有助于優(yōu)化泵送性能。
準(zhǔn)確可靠的壓力測(cè)量對(duì)于保持過(guò)程安全非常重要，因?yàn)樗梢苑乐闺娊獠圻^(guò)壓，并確保電解槽產(chǎn)生的氫氣和氧氣可以暢通無(wú)阻地流走。
壓力變送器可測(cè)量氧氣和氫氣的壓力。TÜV NORD根據(jù)IEC61508系列功能安全標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)證用于過(guò)程安全的控制系統(tǒng)，有助于保護(hù)加壓電解槽。
在氫氣應(yīng)用中影響壓力變送器的另一個(gè)問(wèn)題是氫氣滲透問(wèn)題。由于氫氣分子通過(guò)壓力變送器隔膜并擴(kuò)散到壓力變送器的填充液中，氫氣滲透會(huì)損害變送器的性能，直到發(fā)生故障。加入鈦基二元納米涂層可提供最高的抗氫離子滲透能力，同時(shí)使壓力變送器隔膜能夠響應(yīng)不斷變化的壓力條件。
6、智能測(cè)量提升自動(dòng)化和控制效率
當(dāng)今的智能數(shù)字測(cè)量技術(shù)提供了更高的準(zhǔn)確性、范圍和深度信息，可用于評(píng)估工藝性能和測(cè)量設(shè)備的狀態(tài)。遠(yuǎn)程連接等功能有助于提高診斷信息的可用性，使工程師能夠在不在現(xiàn)場(chǎng)的情況下跟蹤故障或更改儀表配置等操作。更強(qiáng)大的可預(yù)測(cè)性有助于主動(dòng)維護(hù)，避免不必要的停機(jī)時(shí)間，并將關(guān)鍵工藝裝置的潛在損壞或氫氣質(zhì)量受損的風(fēng)險(xiǎn)降至最低。
數(shù)字儀表的操作更簡(jiǎn)單，使任何經(jīng)驗(yàn)水平的操作員都能更容易使用熟悉的技術(shù)訪問(wèn)或傳輸與操作和維護(hù)相關(guān)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。
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