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CN114717576A - 一种制氢系统和碱液循环方法 - Google Patents

一种制氢系统和碱液循环方法 Download PDF

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CN114717576A CN202210493279.6A CN202210493279A CN114717576A CN 114717576 A CN114717576 A CN 114717576A CN 202210493279 A CN202210493279 A CN 202210493279A CN 114717576 A CN114717576 A CN 114717576A
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Abstract

本发明公开了一种制氢系统，包括：电解槽、第一换热单元、气液分离单元和第二换热单元；电解槽的出口分别连接于第一换热单元的热流体进口和第二换热单元的热流体进口，第二换热单元的热流体出口连接于第一换热单元的热流体进口，第一换热单元的热流体出口连接于气液分离单元的进口；气液分离单元的液体出口连接于第二换热单元的冷流体进口，第二换热单元的冷流体出口连接于电解槽的进口。本方案将电解槽出来的高温气液混合物在进入换热冷却器之前，分流一路高温碱液用来加热返回的低温碱液，从而保证电解槽正常工作时的温度，重新利用电解槽产生的废热，提高系统的制氢效能。本发明还公开了一种应用上述制氢系统的碱液循环方法。

Description

一种制氢系统和碱液循环方法
技术领域
本发明涉及电解制氢技术领域，特别涉及一种制氢系统和碱液循环方法。
背景技术
目前，碱水电解产生的废热都是通过碱液换热器进行换热，再利用冷却塔进行散热。电解槽电解制氢过程中产生的废热不能利用，加大了能量的浪费。
同时，为了能够提高气液分离的效率，需要电解槽出口的气液两相流进行冷却，其冷却温度越低，气液分离效果越好。碱液冷却的温度若太低，为了保证电解槽正常工作温度，在循环进入电解槽之前需要对碱液进行适当加温，以保证电解槽内部电解效率。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种制氢系统，减少能量的浪费。
本发明还提供了一种应用上述制氢系统的碱液循环方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种制氢系统，包括：电解槽、第一换热单元、气液分离单元和第二换热单元；
所述电解槽的出口分别连接于所述第一换热单元的热流体进口和所述第二换热单元的热流体进口，所述第二换热单元的热流体出口连接于所述第一换热单元的热流体进口，所述第一换热单元的热流体出口连接于所述气液分离单元的进口；
所述气液分离单元的液体出口连接于所述第二换热单元的冷流体进口，所述第二换热单元的冷流体出口连接于所述电解槽的进口。
优选地，还包括：循环泵；
所述循环泵设置于所述气液分离单元液体出口和所述第二换热单元冷流体进口之间，和/或所述循环泵设置于所述第二换热单元冷流体出口和所述电解槽进口之间。
优选地，所述电解槽的出口包括：第一出口和第二出口；所述第一出口和所述第二出口分别对应不同的热流体；所述第一换热单元包括：第一换热器和第二换热器；所述气液分离单元包括：第一气液分离器和第二气液分离器；所述第二换热单元包括：第三换热器和第四换热器；
所述第一出口分别连接于所述第一换热器的热流体进口和所述第三换热器的热流体进口，所述第三换热器的热流体出口连接于所述第一换热器的热流体进口，所述第一换热器的热流体出口连接于所述第一气液分离器的进口；所述第一气液分离器的液体出口连接于所述第三换热器的冷流体进口；
所述第二出口分别连接于所述第二换热器的热流体进口和所述第四换热器的热流体进口，所述第四换热器的热流体出口连接于所述第二换热器的进口，所述第二换热器的热流体出口连接于所述第二气液分离器的进口；所述第二气液分离器的液体出口连接于所述第四换热器的冷流体进口，所述第四换热器的冷流体出口和所述第三换热器的冷流体出口并联连接于所述电解槽的进口。
优选地，所述电解槽的出口包括：第一出口和第二出口；所述第一出口和所述第二出口分别对应不同的热流体；所述第一换热单元包括：第一换热器和第二换热器；所述气液分离单元包括：第一气液分离器和第二气液分离器所述第二换热单元包括：第三换热器和第四换热器；
所述第一出口分别连接于所述第一换热器的热流体进口和所述第三换热器的热流体进口，所述第三换热器的热流体出口连接于所述第一换热器的热流体进口，所述第一换热器的热流体出口连接于所述第一气液分离器的进口；所述第一气液分离器的液体出口连接于所述第三换热器的冷流体进口，所述第三换热器的冷流体出口连接于所述电解槽的进口；
所述第二出口分别连接于所述第二换热器的热流体进口和所述第四换热器的热流体进口，所述第四换热器的热流体出口连接于所述第二换热器的进口，所述第二换热器的热流体出口连接于所述第二气液分离器的进口；所述第二气液分离器的液体出口连接于所述第四换热器的冷流体进口，所述第四换热器的冷流体出口和所述第三换热器的冷流体出口串并联连接于所述电解槽的进口。
优选地，所述电解槽为碱水电解槽，所述第一出口和所述第二出口中的一个对应氢气碱液混合物，另一个对应氧气碱液混合物。
优选地，还包括：第一流量调节阀和第二流量调节阀；
所述第一流量调节阀设置于所述第一出口和所述第一换热器热流体进口之间，和/或所述第一流量调节阀设置于所述第一出口和所述第三换热器热流体进口之间；
所述第一流量调节阀设置于所述第二出口和所述第二换热器热流体进口之间，和/或所述第二流量调节阀设置于所述第二出口和所述第四换热器热流体进口之间。
优选地，还包括：第一气体洗涤器和第二气体洗涤器；
所述第一气液分离器的气体出口连接于所述第一气体洗涤器的进口，所述第二气液分离器的气体出口连接于所述第二气体洗涤器的进口。
一种碱液循环方法，采用如上述的制氢系统，包括步骤：
使电解槽出口的流体分别进入第一换热单元的热流体进口和第二换热单元的热流体进口，使第二换热单元流出的热流体进入第一换热单元的热流体进口；
使第一换热单元流出的热流体进入气液分离单元的进口，使气液分离单元流出的液体进入第二换热单元的冷流体进口，使第二换热单元流出的液体进入电解槽的进口。
优选地，在所述使电解槽出口的流体分别进入第一换热单元的热流体进口和第二换热单元的热流体进口之前，还包括：
通过流量调节阀调整电解槽出口流向第一换热单元和第二换热单元的比例。
优选地，在所述使第一换热单元流出的热流体进入气液分离单元的进口之后，还包括：
使气液分离单元流出的气体进入气体洗涤器。
从上述的技术方案可以看出，本发明提供的制氢系统，将电解槽出来的高温气液混合物在进入换热冷却器之前，分流一路高温碱液用来加热返回的低温碱液，从而保证电解槽正常工作时的温度，重新利用电解槽产生的废热，提高系统的制氢效能。本发明还提供了一种碱液循环方法，由于采用了上述的制氢系统，因此也就相应具有如上所述的全部的有益效果，具体可以参照前面说明，在此不再赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种制氢系统的示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种制氢系统的示意图。
其中，1为电解槽，2-1为第一流量调节阀，2-2为第二流量调节阀，3-1为第一换热器，3-2为第二换热器，4-1为第一气液分离器，4-2为第二气液分离器，5-1为第一气体洗涤器，5-2为第二气体洗涤器，6为循环泵，7-1为第三换热器，7-2为第四换热器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供的制氢系统，包括：电解槽1、第一换热单元、气液分离单元和第二换热单元，其结构可以参照图1和图2所示；
其中，电解槽1的出口分别连接于第一换热单元的热流体进口和第二换热单元的热流体进口，第二换热单元的热流体出口连接于第一换热单元的热流体进口，第一换热单元的热流体出口连接于气液分离单元的进口；
气液分离单元的液体出口连接于第二换热单元的冷流体进口，第二换热单元的冷流体出口连接于电解槽1的进口。
从上述的技术方案可以看出，本发明实施例提供的制氢系统，将电解槽出来的高温流体在进入换热冷却器之前，分流一路高温流体用来加热返回的低温流体，从而保证电解槽正常工作时的温度，重新利用电解槽产生的废热，提高系统的制氢效能。
本发明实施例提供的制氢系统，还包括：循环泵6，其结构可以参照图1和图2所示；
其中，循环泵6设置于气液分离单元液体出口和第二换热单元冷流体进口之间，和/或循环泵6设置于第二换热单元冷流体出口和电解槽1进口之间，为流体的运动提供足够的动力，提高运行的效率。
进一步的，电解槽1的出口包括：第一出口和第二出口；第一出口和第二出口分别对应不同的热流体，第一换热单元包括：第一换热器3-1和第二换热器3-2；气液分离单元包括：第一气液分离器4-1和第二气液分离器4-2；第二换热单元包括：第三换热器7-1和第四换热器7-2；其结构可以参照图1所示；
第一出口分别连接于第一换热器3-1的热流体进口和第三换热器7-1的热流体进口，第三换热器7-1的热流体出口连接于第一换热器3-1的热流体进口，第一换热器3-1的热流体出口连接于第一气液分离器4-1的进口；第一气液分离器4-1的液体出口连接于第三换热器7-1的冷流体进口；
第二出口分别连接于第二换热器3-2的热流体进口和第四换热器7-2的热流体进口，第四换热器7-2的热流体出口连接于第二换热器3-2的进口，第二换热器3-2的热流体出口连接于第二气液分离器4-2的进口；第二气液分离器4-2的液体出口连接于第四换热器7-2的冷流体进口，第四换热器7-2的冷流体出口和第三换热器7-1的冷流体出口并联连接于电解槽1的进口。如此设置，即设置两条废热并联再利用管路，本方案能够实现对电解槽排出的不同热流体的废热再利用。
如图2所示，本实施例还提供了串联的方案，电解槽1的出口包括：第一出口和第二出口；第一出口和第二出口分别对应不同的热流体；第一换热单元包括：第一换热器3-1和第二换热器3-2；气液分离单元包括：第一气液分离器4-1和第二气液分离器4-2；第二换热单元包括：第三换热器7-1和第四换热器7-2；
第一出口分别连接于第一换热器3-1的热流体进口和第三换热器7-1的热流体进口，第三换热器7-1的热流体出口连接于第一换热器3-1的热流体进口，第一换热器3-1的热流体出口连接于第一气液分离器4-1的进口；第一气液分离器4-1的液体出口连接于第三换热器7-1的冷流体进口，第三换热器7-1的冷流体出口连接于电解槽1的进口；
第二出口分别连接于第二换热器3-2的热流体进口和第四换热器7-2的热流体进口，第四换热器7-2的热流体出口连接于第二换热器3-2的进口，第二换热器3-2的热流体出口连接于第二气液分离器4-2的进口；第二气液分离器4-2的液体出口连接于第四换热器7-2的冷流体进口，第四换热器7-2的冷流体出口和第三换热器7-1的冷流体出口串联连接于电解槽1的进口。如此设置，即设置两条废热串联再利用管路，本方案能够实现对电解槽排出的不同热流体的废热再利用。
具体的，电解槽1为碱水电解槽，第一出口和第二出口中的一个对应氢气碱液混合物，另一个对应氧气碱液混合物，适用于碱性水电解制氢装置。
本发明实施例提供的制氢系统，还包括：第一流量调节阀2-1和第二流量调节阀2-2，其结构可以参照图1和图2所示；
其中，第一流量调节阀2-1设置于第一出口和第一换热器3-1热流体进口之间，和/或第一流量调节阀2-1设置于第一出口和第三换热器7-1热流体进口之间，可以调节进入第三换热器7-1的气液混合物的流量；
第一流量调节阀2-2设置于第二出口和第二换热器3-2进口之间，和/或第二流量调节阀2-2设置于第二出口和第四换热器7-2热流体进口之间，可以调节进入第四换热器7-2的气液混合物的流量。
本发明实施例提供的制氢系统，还包括：第一气体洗涤器5-1和第二气体洗涤器5-2，其结构可以参照图1和图2所示；
其中，第一气液分离器4-1的气体出口连接于第一气体洗涤器5-1的进口，第一气体洗涤器5-1的出口去往纯化或者放空；第二气液分离器4-2的气体出口连接于第二气体洗涤器5-2的进口，第二气体洗涤器5-2的出口去往纯化或者放空。
本发明实施例还提供了一种碱液循环方法，采用如上述的制氢系统，包括步骤：
使电解槽1出口的流体分别进入第一换热单元的热流体进口和第二换热单元的热流体进口，使第二换热单元流出的热流体进入第一换热单元的热流体进口；
使第一换热单元流出的热流体进入气液分离单元的进口，使气液分离单元流出的液体进入第二换热单元的冷流体进口，使第二换热单元流出的液体进入电解槽1的进口。本方案的碱液循环方法，由于采用了上述的制氢系统，因此也就相应具有如上所述的全部的有益效果，具体可以参照前面说明，在此不再赘述。
进一步的，在使电解槽1出口的流体分别进入第一换热单元的热流体进口和第二换热单元的热流体进口之前，还包括：
通过流量调节阀调整电解槽1出口流向第一换热单元和第二换热单元的比例。可以调节通过第二换热单元内高温气液混合物的流量，从而控制电解槽1入口碱液的温度。
具体的，在使第一换热单元流出的热流体进入气液分离单元的进口之后，还包括：
使气液分离单元流出的气体进入气体洗涤器。
下面结合完整实施例对本方案作进一步介绍：
电解槽1出口气液混合物进分两路，一路经过流量调节阀(2-1和2-2)去碱液冷却器(3-1和3-2)，一路经过旁路管道进入热交换器(7-1和7-2)；通过流量调节阀(2-1和2-2)，可以调节进入热交换器(7-1和7-2)的气液混合物的流量；通过碱液冷却器(3-1和3-2)进行对碱液进行降温，保证进入气液分离器(4-1和4-2)的气液混合物的温度；分离器(4-1和4-2)分离后的碱液汇合，再通过碱液循环泵6重新泵入电解槽；气体通过分离后，经过洗涤器(5-1和5-2)洗后的气体可以进入纯化或者气体收集装置或者放空；热交换器(7-1和7-2)可以并列布置，也可以串联布置；系统中设置纯水补水系统(未画)。
本方案的优点在于：
1、碱液冷却器(3-1和3-2)将气液混合物的冷却温度可以设置更低，提高分离效率；同时不会因为更低的碱液温度导致电解槽1入口温度过低，这样既保证了分离效率的提高，又不会对电解槽1产生影响；
2、通过流量调节阀(2-1和2-2)，可以调节通过热交换器(7-1和7-2)内高温气液混合物的流量，从而控制电解槽1入口碱液的温度；
3、可以重新利用电解槽1产生的废热进行综合利用，提高系统的制氢效能。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种制氢系统，其特征在于，包括：电解槽(1)、第一换热单元、气液分离单元和第二换热单元；
所述电解槽(1)的出口分别连接于所述第一换热单元的热流体进口和所述第二换热单元的热流体进口，所述第二换热单元的热流体出口连接于所述第一换热单元的热流体进口，所述第一换热单元的热流体出口连接于所述气液分离单元的进口；
所述气液分离单元的液体出口连接于所述第二换热单元的冷流体进口，所述第二换热单元的冷流体出口连接于所述电解槽(1)的进口。
2.根据权利要求1所述的制氢系统，其特征在于，还包括：循环泵(6)；
所述循环泵(6)设置于所述气液分离单元液体出口和所述第二换热单元冷流体进口之间，和/或所述循环泵(6)设置于所述第二换热单元冷流体出口和所述电解槽(1)进口之间。
3.根据权利要求1所述的制氢系统，其特征在于，所述电解槽(1)的出口包括：第一出口和第二出口；所述第一出口和所述第二出口分别对应不同的热流体；所述第一换热单元包括：第一换热器(3-1)和第二换热器(3-2)；所述气液分离单元包括：第一气液分离器(4-1)和第二气液分离器(4-2)；所述第二换热单元包括：第三换热器(7-1)和第四换热器(7-2)；
所述第一出口分别连接于所述第一换热器(3-1)的热流体进口和所述第三换热器(7-1)的热流体进口，所述第三换热器(7-1)的热流体出口连接于所述第一换热器(3-1)的热流体进口，所述第一换热器(3-1)的热流体出口连接于所述第一气液分离器(4-1)的进口；所述第一气液分离器(4-1)的液体出口连接于所述第三换热器(7-1)的冷流体进口；
所述第二出口分别连接于所述第二换热器(3-2)的热流体进口和所述第四换热器(7-2)的热流体进口，所述第四换热器(7-2)的热流体出口连接于所述第二换热器(3-2)的进口，所述第二换热器(3-2)的热流体出口连接于所述第二气液分离器(4-2)的进口；所述第二气液分离器(4-2)的液体出口连接于所述第四换热器(7-2)的冷流体进口，所述第四换热器(7-2)的冷流体出口和所述第三换热器(7-1)的冷流体出口并联连接于所述电解槽(1)的进口。
4.根据权利要求1所述的制氢系统，其特征在于，所述电解槽(1)的出口包括：第一出口和第二出口；所述第一出口和所述第二出口分别对应不同的热流体；所述第一换热单元包括：第一换热器(3-1)和第二换热器(3-2)；所述气液分离单元包括：第一气液分离器(4-1)和第二气液分离器(4-2)；所述第二换热单元包括：第三换热器(7-1)和第四换热器(7-2)；
所述第一出口分别连接于所述第一换热器(3-1)的热流体进口和所述第三换热器(7-1)的热流体进口，所述第三换热器(7-1)的热流体出口连接于所述第一换热器(3-1)的热流体进口，所述第一换热器(3-1)的热流体出口连接于所述第一气液分离器(4-1)的进口；所述第一气液分离器(4-1)的液体出口连接于所述第三换热器(7-1)的冷流体进口，所述第三换热器(7-1)的冷流体出口连接于所述电解槽(1)的进口；
所述第二出口分别连接于所述第二换热器(3-2)的热流体进口和所述第四换热器(7-2)的热流体进口，所述第四换热器(7-2)的热流体出口连接于所述第二换热器(3-2)的进口，所述第二换热器(3-2)的热流体出口连接于所述第二气液分离器(4-2)的进口；所述第二气液分离器(4-2)的液体出口连接于所述第四换热器(7-2)的冷流体进口，所述第四换热器(7-2)的冷流体出口和所述第三换热器(7-1)的冷流体出口串并联连接于所述电解槽(1)的进口。
5.根据权利要求3或4所述的制氢系统，其特征在于，所述电解槽(1)为碱水电解槽，所述第一出口和所述第二出口中的一个对应氢气碱液混合物，另一个对应氧气碱液混合物。
6.根据权利要求3或4所述的制氢系统，其特征在于，还包括：第一流量调节阀(2-1)和第二流量调节阀(2-2)；
所述第一流量调节阀(2-1)设置于所述第一出口和所述第一换热器(3-1)热流体进口之间，和/或所述第一流量调节阀(2-1)设置于所述第一出口和所述第三换热器(7-1)热流体进口之间；
所述第二流量调节阀(2-2)设置于所述第二出口和所述第二换热器(3-2)热流体进口之间，和/或所述第二流量调节阀(2-2)设置于所述第二出口和所述第四换热器(7-2)热流体进口之间。
7.根据权利要求3或4所述的制氢系统，其特征在于，还包括：第一气体洗涤器(5-1)和第二气体洗涤器(5-2)；
所述第一气液分离器(4-1)的气体出口连接于所述第一气体洗涤器(5-1)的进口，所述第二气液分离器(4-2)的气体出口连接于所述第二气体洗涤器(5-2)的进口。
8.一种碱液循环方法，采用如权利要求1-7任意一项所述的制氢系统，其特征在于，包括步骤：
使电解槽(1)出口的流体分别进入第一换热单元的热流体进口和第二换热单元的热流体进口，使第二换热单元流出的热流体进入第一换热单元的热流体进口；
使第一换热单元流出的热流体进入气液分离单元的进口，使气液分离单元流出的液体进入第二换热单元的冷流体进口，使第二换热单元流出的液体进入电解槽(1)的进口。
9.根据权利要求8所述的碱液循环方法，其特征在于，在所述使电解槽(1)出口的流体分别进入第一换热单元的热流体进口和第二换热单元的热流体进口之前，还包括：
通过流量调节阀调整电解槽(1)出口流向第一换热单元和第二换热单元的比例。
10.根据权利要求8所述的碱液循环方法，其特征在于，在所述使第一换热单元流出的热流体进入气液分离单元的进口之后，还包括：
使气液分离单元流出的气体进入气体洗涤器。
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