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电解水制氢系统安全设计

文档作者：李保法文档来源：中国石化集团南京工程公司		点击数：	更新时间： 2025年03月15日
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上一篇：含氧煤层气液化HYSYS模拟及安全性分析

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l6 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN
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 南京2ll 100
摘要 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。
关键词 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CO 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。
J氢 速煎
土
脱盐水补充
氧气处理后装瓶
产品氢气供用户
30YoKO
槽
(3．0】H溶溶 液I 率
吸附塔H 冷却器H 脱氧器
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：
4H20+4e=2H2 f+40H一
阳极小室产生氧气(本文不作详细讨论)，反
应式为：
40H一=02 f+2H20+4e
含有碱液的氢气进氢分离器，
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
设备名称 操作参数
电解槽 鑫 26~ 3压0V力‘ 叭
氢分离器 温度85℃ ；压力2．5MPa(G)
氢气冷却器 劈；薯霾 凳藿； 5． ／／40。．~( ；M (G)
脱氧器 温度190℃ ；压力2．5MPa(G)
丰n舆 温度 (管程／壳程)190／40~C
付 衙 压力 (管程／壳程)2．5／0．4 MPa(G)
吸附塔 温度385℃ ；压力2．5MPa(G)
氢气储罐 温度常温；压力2．5MPa(G)
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
在重力作用下 储存于钢瓶或储罐内的压力较高的氢气(或液
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．eOllk cn。
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李保法 电解水制氢系统安全设计 l7
表2 氢气物性
名称 数据 名称 数据
外观／形状 无色无嗅气体 引燃温度，℃ 400
分子量 2 自燃点，℃ 560
熔点，℃ 一259．2 最小点火能，mJ 0．019
沸点，℃ 一252．8 燃烧热，kJ／tool 241
榔 密度。’07(j( 爆炸极限 4·1％r-v7 4·1％
相对蒸气密度0．07(空气=1) 最大擐M炸．Pa压 力， o⋯．7 2
饱和蒸气压， l3．33 扩散 ， o
． kP 634
a (一257．9"C)
临界温度 2．65(在空气
， ℃ 一240 中燃烧速度)
临 力' 1
． 3
火焰速度，m／s 2133(爆轰时
MP 可能 达到 的最 a ⋯
大火焰速度)
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。
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
制氢问(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；制氢问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，制氢问门窗
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的空问和顶部
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U CT1。
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)管道不得穿过生活问、办公室、配电室、
仪表问、楼梯间及其他不使用氢气的房间。
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18 CHEM ICAL ENGINEERING DESIGN
(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1ITI以上，管口处设阻火器以防止外界
火花串人系统引发事故，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
工作压力P(MPa) 氢气最大流速(m／s)
P>3．O
0．1

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