В.С. Морозов, Д.В. Морозов, Е.В. Морозов, Я.В. Морозов
ООО «Научно-производственная компания «Наука»
142700, Россия, Московская область, г. Видное, ул. Тинькова, дом 39.

ПРОИЗВОДСТВО ОСОБО ЧИСТОГО ВОДОРОДА

1. Введение

В работе [1] представлено краткое описание оригинального опытно-промышленного производства водорода чистого как побочного продукта производства технического водорода. Такое опытное производство было создано ЗАО НТА “Наука” за счет собственных средств, но располагалось на территории ФГУП “СКТБЭ” (г. Москва).

К началу 2007 г. сформулированная ЗАО НТА “Наука” программа опытных работ по получению особо чистого водорода (далее в тексте — водород ОСЧ) была практически завершена. Задействованное в таких работах оборудование требовало замены на новое, отвечающее современным требованиям промышленной безопасности. Более того, всё бо́льшие трудности в борьбе с загрязнениями технического водорода маслом и продуктами его крекинга создавала изношенная система масляной компрессии в ФГУП “СКТБЭ”. Поэтому в новом предприятии ООО НПК “Наука” была создана система компремирования и очистки водорода СКОВ-10, выпускаемая по ТУ 3642-015-78538315-2007 и предназначенная для решения проблемы производства водорода ОСЧ. Всё оборудование, входящее в состав системы СКОВ-10, в установленном порядке сертифицировано (сертификат соответствия N РОСС RU.АИЗО.В04267), оформлено разрешение Федеральной службы по экологическому, техническому и атомному надзору на его применение N РРС 00-26748. Проект размещения головного образца системы СКОВ-10 выполнены ОАО “Мосэлектронпроект′ом” (г. Москва). Специализированные предприятия выполнили необходимый объем строительно-монтажных работ и испытаний.

Цель настоящей работы состоит в кратком описании нового серийного производства водорода ОСЧ, созданного в содружестве с работниками АО “ЭПИЭЛ” с использованием разработанной системы СКОВ-10.

2. Выбор места расположения производства

Рассмотрев предложения и условия ряда предприятий по размещению оборудования производства водорода ОСЧ, мы остановились на предложении ЗАО “ЭПИЭЛ” — предприятии в центре электронной промышленности (г. Зеленоград). Это предприятие имеет в своем составе непрерывно действующую водородно-кислородную станцию, оснащенную электролизерами СЭУ-40 с реальной перспективой их замены на более совершенные. Система электролиза имеет штатные узлы каталитической очистки водорода от кислорода и его осушки.

Поскольку состав исходного сырья имеет значение для параметров работы производства водорода ОСЧ, выполнили исследование по определению чистоты генерируемого в указанных электролизерах технического водорода.

В качестве определяемых компонентов были влага, кислород, аргон, азот, метан и оксид углерода.

Объемную долю влаги определяли посредством гигрометра “ИВА-9”. Остальных из указанных примесей – посредством хроматографа “ЛУЧ-6.7”.

Результаты измерений объемной доли влаги составили от 10 млн⁻¹ (ppm) до 21 млн⁻¹ (точка росы при 101,3 кПа от минус 60°С до минус 55°С). Объемная доля кислорода составила не более 0,005 млн⁻¹. Примеси метана и оксида углерода не обнаруживались с пороговой чувствительностью анализа 0,005 млн⁻¹.

С другой стороны, заметными по величине были значения объемной доли аргона (до 0,1 млн⁻¹) и преобладающими по величине – значения объемной доли азота (до 11 млн⁻¹).

На рис.1 представлены результаты 74-х измерений объемной доли азота в трех сериях наблюдений длительностью по (4-4,5)ч в разные дни.

Рис. 1. Результаты измерений объёмной доли азота в водороде

Из данных рис.1 следует, что при эксплуатации электролизеров в пределах штатной технологии объёмная доля азота в водороде изменяется во времени волнообразно от значения приблизительно 1 млн⁻¹ до значения 11 млн⁻¹. При этом среднеинтегральные значения объемной доли азота в пределах отрезков указанного времени остаются одинаковыми на уровне 5 млн⁻¹.

Выяснили, что практически единственным источником поступления примесей с исследуемую систему электролиза является питательная вода. Исходная питательная вода, даже изначально деаэрированная, контактирует с атмосферным воздухом как в период ее транспортировки к месту электролиза, так и в процессе хранения в баках для воды. Поэтому компоненты воздуха в ней растворяются, выступая загрязнителями продуктов электролиза. Волнообразный характер изменения содержания азота на фоне стабильного во времени среднеинтегрального значения можно объяснить колебаниями давления в системе, имеющей значительные по объему тупиковые зоны в виде газового пространства в баках питательной воды.

Полученные данные представляют самостоятельный интерес для разработчиков систем электролиза воды. В нашем случае они были использованы при разработке нормативно-технической и эксплуатационной документации при создании рассматриваемого нового производства водорода ОСЧ.

3. Краткое описание производства

На рис.2 изображена принципиальная блок-схема созданного производства водорода ОСЧ. В качестве сырья в производстве используется технический водород, поступающий под давлением (0,9-1,0) МПа из электролизной станции 1.

Рис. 2. Принципиальная блок-схема производства водорода особо чистого:
1-станция электролиза воды; 2-безмасляная компрессия; 3- хранилище сжатого водорода; 4-блок осушки водорода; 5-криоадсорбционная очистка водорода; 6-заполнение баллонов; 7-контроль давления и качества продукции; 8-блок осушки воздуха (азота); 9-шкаф подготовки баллонов.

В компрессоре 2 водород сжимается до давления 25,0 МПа и направляется в хранилище сжатого водорода 3.

Водородный компрессор фирмы HYDRO-PAC типа С06-10-70/140LX (производство США) взрывозащищенного исполнения является безмасляным. При мощности электродвигателя 7,5 кВт он имеет производительность 10 нм³/ч, что обеспечивает годовую мощность производства водорода ОСЧ приблизительно 80000 нм³. Путем установки еще одного такого же компрессора мощность производства можно удвоить.

Хранилище сжатого водорода включает 12 одинаковых баллонов объемом по 0,5 м³, что соответствует запасу водорода в количестве приблизительно 1500 нм³ и обеспечивает работу последующих стадий производства практически вне зависимости от времени работы компрессора.

Из хранилища в сжатом до 15,0 МПа состоянии водород подается в блок его глубокой осушки 4 адсорбционным методом. Производительность данного блока составляет до 100 нм³/ч водорода, который далее направляется в блок его криогенной очистки 5, либо под давлением 0,8 МПа на технологию в производство изделий электронной техники (в редкие моменты перерыва в работе электролизной станции).

Очищенный криоадсорбционным способом водород направляется на одновременное заполнение до 10-ти 40-литровых баллонов 6. Каждый из заполненных баллонов направляется на контроль 7 в нем давления и качества готовой продукции.

Производство имеет отдельную технологическую линию подготовки баллонов в подогреваемом шкафу 9 путем продувки одновременно до 10-ти баллонов глубоко осушенным в блоке 8 воздухом (азотом).

В состав оборудования производства входят также щиты газораспределения, оснащенные необходимой арматурой, предохранительными и измерительными устройствами, обеспечивающими пуск, остановку и функционирование в нормальном технологическом режиме компрессора, хранилища сжатого водорода и систем криоочистки и заполнения баллонов.

4. Качество готовой продукции

Готовая продукция производства, выпускаемая в виде трех марок особо чистого водорода “А”, “Б” и “В” по новым техническим условиям ТУ 2114-016-78538315-2008, выгодно отличается от известных аналогов [2,3] как по номенклатуре возможных и поэтому нормируемых примесей, так и по численным значениям показателей качества.

Главным здесь является использование сырья, не содержащего углеводородов, и использование безмасляной компрессии. Это позволяет обоснованно не включать в число нормируемых примесей метан. В число нормируемых примесей можно не включать и оксид углерода по причине его отсутствия в сырье для производства водорода ОСЧ. Соответственно, аргон можно не включать в число нормируемых примесей из-за его исчезающе малых по отношению к азоту значений.

Таким образом, в числе нормируемых остаются только три реально наблюдаемые примеси: кислород, азот и влага.

Гарантии соответствия реальных значений показателей качества выпускаемого водорода ОСЧ установленным нормам обеспечиваются реализацией сплошного, а не выборочного, контроля показателей качества продукции анализом проб из баллонов при строгом контроле соблюдения требований технологического регламента производства, разработанного и утвержденного в соответствии с [4].

5. Заключение

Как правдиво отмечено в статье [5], уже в настоящее время потребность многих предприятий в водороде ОСЧ является значительной, а обладание его производством является престижным. Водород ОСЧ используют, как правило, при реализации новых высоких технологий, в том числе с поставками получаемой таким образом продукции на экспорт, о чем могут свидетельствовать осуществляемые в таком случае налоговыми органами так называемые встречные проверки.

Очевидно, объём спроса на водород ОСЧ является серьёзным показателем технического развития того или иного региона. Уверенность именно в таком пути развития регионов России и явилась основной побудительной причиной при реализации решения о разработке системы СКОВ-10 и создании на основе её головного образца действующего производства водорода ОСЧ. В данном случае система “привязана” к источнику сырьевого технического водорода — действующей электролизной станции. Однако, флагман производства отечественных электролизеров ОАО “Уралхиммаш” практически завершает создание (с нашим участием) электролизёра нового поколения, полностью автоматизированного и имеющего производительность 10 нм³/ч водорода под давлением 1,0 МПа. Это как раз то, что может быть головной частью в системе СКОВ-10. В таком случае производство водорода ОСЧ обретает свойство автономности.

Литература

1. В.С. Морозов, Д.В. Морозов, Е.В. Морозов, А.Г. Демешев “Водород чистый как побочный продукт водорода технического”, Технические газы, 2005, №5, с .47-51.

2. ГОСТ Р 51673-2000 Водород газообразный чистый.

3. ТУ 2118-06-18136415-06 Водород особо чистый.

4. “Положение о технологических регламентах производства продукции на предприятиях химического комплекса”, утвержденное 6 мая 2000г. Заместителем Министра Экономики Российской Федерации Н.Г.Шамраевым. “Положение о порядке разработки и содержании раздела “Безопасная эксплуатация производства технологического регламента” (РД 09-251-98), с Изменением №1 (РДИ 09-251-02), утверждены постановлением Госгортехнадзора России от 18.12.98 №77, от 21.11.02 №66.

5. Александр Яцук “От аэростата до орбитальной станции” НГ-НВО от 27.04.2007