CN111336571A - 一种电解水制氢余热利用***及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种电解水制氢余热利用***及其工作方法，属于电解水制氢技术领域。包括电解水制氢***、膜蒸馏***、热用户供暖***和循环冷却***；将电解水制氢过程中产生的余热，作为膜蒸馏过程的热量来源，用于制备电解水制氢***的补水，节省了膜蒸馏过程中的加热能耗。相对于传统制水***，膜蒸馏***制水的能耗更低。余热梯级利用方式，用于加热膜蒸馏原水后的循环水中仍然带有余热，可以用于热用户如电解制氢车间或集装箱的冬季供暖，保障制氢***所在空间的温度需求，通过余热的梯级利用，提高了整个电解制氢***的能量利用效率。该***设计合理，对电解水制氢的余热进行了梯级综合利用，提高了能量的转换效率，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于电解水制氢技术领域，具体涉及一种电解水制氢余热利用***及其工作方法。
背景技术
氢能是一种绿色、高效的二次能源，在交通、电力、燃料等领域具有广阔的应用前景。随着风电、光伏等可再生能源的大规模发展，利用可再生能源电解水制氢为氢能提供了绿色、低碳、低成本、可持续的生产方式。然而，电解水制氢相对于煤气化制氢、天然气重整制氢等传统的化石原料制氢，成本还相对较高，主要是由于耗电量较大。电解水制氢的过程中，电能除了通过电极的催化作用产生氢气、氧气外，由于电极、电解液、隔膜存在电阻，电流的热效应会使得电解液的温度逐渐升高，而为了控制电解温度在一定的范围内(60-100℃)，通常需要对电解液进行循环冷却，因此，会导致一部分热能损失，使得电能整体转换效率下降。为了提高电解水制氢的电能转换效率，当前技术发展的热点是改善电极的催化活性，以达到提高电-氢转化效率的目的，但是受限于催化剂成本、使用寿命、工业放大等因素，一些高性能的催化剂尚难实现工业应用。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种电解水制氢余热利用***及其工作方法，***设计合理，对电解水制氢的余热进行了梯级综合利用，提高了能量的转换效率。
本发明通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种电解水制氢余热利用***，包括电解水制氢***、膜蒸馏***、热用户供暖***和循环冷却***；电解水制氢***包括电解槽、电解液换热器、气液分离器、气体冷却器、水雾捕滴器和补水***；膜蒸馏***包括膜蒸馏组件、原水辅热***、原水换热***和产水换热***；
电解槽、气液分离器和电解液换热器通过电解液循环管路连接，构成电解液循环回路；气液分离器的纯水进口与补水***纯水出口连接，气液分离器气体出口与气体冷却器气体进口连接，气体冷却器的气体出口与水雾捕滴器连接，水雾捕滴器连接有氢气和氧气排出管道；气体冷却器的循环水出口与电解液换热器的循环水入口连接，电解液换热器的循环水出口与原水换热***的循环水入口连接；
原水换热***的循环水出口与热用户供暖***连接，原水换热***、原水辅热***和膜蒸馏组件通过原水循环管路连接，构成原水循环回路；膜蒸馏组件和产水换热***间通过产水循环管路构成产水循环回路；产水换热***的产水出口与补水***的纯水进口连接，产水换热***与循环冷却***通过循环水管路连接，构成循环水循环回路；循环冷却***与气体冷却器的循环水入口连接，热用户供暖***与循环冷却***连接，用户供暖***、循环冷却***、气体冷却器、电解液换热器和原水换热***之间构成循环水循环回路。
优选地，电解槽为碱性电解槽或固体聚合物电解槽。
优选地，电解液换热器、气体冷却器、原水换热***和产水换热***为间壁式换热器。
优选地，原水辅热***为电阻式加热器或间壁式换热器。
优选地，热用户供暖***为暖气热交换器。
优选地，电解液循环管路、原水循环管路和产水循环管路上均设有温度计和调节阀。
本发明公开了上述电解水制氢余热利用***的工作方法，包括：
电解槽中电解反应的产物经气液分离器分离液体后进入气体冷却器降温，再经水雾捕滴器进一步去除水雾，得到得氢气和氧气经氢气和氧气排出管道排出；电解液中的水被逐渐消耗，电解液逐渐升温；
循环冷却***中的循环水分为两路，一路进入气体冷却器对分离液体后的电解反应产物降温后进入电解液换热器与电解液进行换热，电解液温度减低后重新回到电解槽中参与电解反应；循环水温度升高后进入原水换热***与原水换热后循环水进入热用户供暖***供热后进入循环冷却***，换热后的原水温度升高，再经原水辅热***进一步升温后进入膜蒸馏组件；膜蒸馏组件中的蒸汽压力差，驱动原水侧的水以蒸汽形式透过膜进入产水侧，降温后冷凝为液体，得到高品质的产水，经产水换热***降温后进入补水***补充电解反应消耗的水；
循环冷却***中的另一路循环水进入产水换热***对产水降温后重新回到循环冷却***。
优选地，电解槽内电解液的运行温度为80～100℃，经电解液换热器降温后的电解液温度为60～70℃，经原水换热***升温后的原水的温度为40～80℃，经产水换热***降温后的产水的温度为5～20℃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的一种电解水制氢余热利用***，结合电解水制氢***、膜蒸馏***、热用户供暖***和循环冷却***，将电解水制氢过程中产生的余热，作为膜蒸馏过程的热量来源，用于制备电解水制氢***的补水，节省了膜蒸馏过程中的加热能耗。相对于采用传统超滤、反渗透等制水***，膜蒸馏***制水的能耗更低。采用余热梯级利用方式，用于加热膜蒸馏原水后的循环水中仍然带有余热，可以用于热用户如电解制氢车间或集装箱的冬季供暖，保障制氢***所在空间的温度需求，通过余热的梯级利用，提高了整个电解制氢***的能量利用效率。该***设计合理，对电解水制氢的余热进行了梯级综合利用，提高了能量的转换效率，具有良好的应用前景。
进一步地，电解槽采用碱性电解槽或固体聚合物电解槽，均采用液态电解质，电解质运行温度相近，对本***的适用性好。
进一步地，电解液换热器、气体冷却器、原水换热***和产水换热***采用间壁式换热器，能够通过循环换热过程实现热量的回收和梯级利用。
进一步地，原水辅热***采用电阻式加热器或间壁式换热器，能够实现对原水温度进行调节，控制产水量。
进一步地，电解液循环管路、原水循环管路和产水循环管路上均设有温度计和调节阀，能够实时监测各***的温度，并进行调节，保障***的正常运行。
本发明公开的上述电解水制氢余热利用***的工作方法，能耗低、节能效果显著，梯级利用预热的方式提高了能量的综合利用率，具有良好的经济收益，环保优势明显，具有良好的应用前景。
进一步地，各装置中温度的设置，有利用对电解反应余热进行高效的梯级综合利用，满足各级对热量的需求。
附图说明
图1为本发明的电解水制氢余热利用***的整体结构示意图。
图中：1-电解水制氢***，11-电解槽，12-电解液换热器，13-气液分离器，14-气体冷却器，15-水雾捕滴器，16-补水***，2-膜蒸馏***，21-膜蒸馏组件，22-原水辅热***，23-原水换热***，24-产水换热***，3-热用户供暖***，4-循环冷却***。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：
如图1，本发明的电解水制氢余热利用***，包括电解水制氢***1、膜蒸馏***2、热用户供暖***3和循环冷却***4；电解水制氢***1包括电解槽11、电解液换热器12、气液分离器13、气体冷却器14、水雾捕滴器15和补水***16；膜蒸馏***2包括膜蒸馏组件21、原水辅热***22、原水换热***23和产水换热***24；
电解槽11、气液分离器13和电解液换热器12通过电解液循环管路连接，构成电解液循环回路；气液分离器13的纯水进口与补水***16纯水出口连接，气液分离器13气体出口与气体冷却器14气体进口连接，气体冷却器14的气体出口与水雾捕滴器15连接，水雾捕滴器15连接有氢气和氧气排出管道；气体冷却器14的循环水出口与电解液换热器12的循环水入口连接，电解液换热器12的循环水出口与原水换热***23的循环水入口连接；
原水换热***23的循环水出口与热用户供暖***3连接，原水换热***23、原水辅热***22和膜蒸馏组件21通过原水循环管路连接，构成原水循环回路；膜蒸馏组件21和产水换热***24间通过产水循环管路构成产水循环回路；产水换热***24的产水出口与补水***16的纯水进口连接，产水换热***24与循环冷却***4通过循环水管路连接，构成循环水循环回路；循环冷却***4与气体冷却器14的循环水入口连接，热用户供暖***3与循环冷却***4连接，用户供暖***3、循环冷却***4、气体冷却器14、电解液换热器12和原水换热***23之间构成循环水循环回路。
电解槽11优选采用碱性电解槽或固体聚合物电解槽。
电解液换热器12、气体冷却器14、原水换热***23和产水换热***24优选采用间壁式换热器。
原水辅热***22优选采用电阻式加热器或间壁式换热器。
热用户供暖***优选采用暖气热交换器。
在电解液循环管路、原水循环管路和产水循环管路上设置温度计和调节阀，可以实时监测各***的运行健康状况，配合自动控制***，能够实现自动化控制。通常进行如下设置：电解槽11内电解液的运行温度为80～100℃，经电解液换热器12降温后的电解液温度为60～70℃，经原水换热***23升温后的原水的温度为40～80℃，经产水换热***24降温后的产水的温度为5～20℃。
下面对本发明的解水制氢余热利用***工作方法进行进一步的说明：
电解水制氢***1的电解槽11中发生电解反应产生氢气和氧气，电解液中的水被逐渐消耗，同时电解槽11中的电解液温度升高至90℃；循环冷却***4的循环水分为两路，第一路循环水首先进入电解水制氢***1的气体冷却器14和电解液换热器12，通过换热作用，电解液温度降低至60℃，重新回到电解槽11中；由于换热作用，循环水的温度升高，接着进入膜蒸馏***2的原水换热***23，通过换热作用，原水温度升高，再经原水辅热***22，使得原水的温度升高至60℃；循环水从原水换热***23出来后进入车间供暖***，通过换热作用，为车间提供热量。循环冷却***4的第二路循环水进入膜蒸馏***2的产水换热***24，通过换热作用，使得产水温度降低至10℃；膜蒸馏***2中原水侧温度60℃，产水侧温度10℃，由于膜蒸馏组件21两侧存在蒸汽压力差，驱动原水侧的水以蒸汽形式透过膜进入产水侧，由于温度降低而在产水侧冷凝为液体，原水中的盐份等杂质不能通过膜，原水逐渐较少，产水逐渐增多；膜蒸馏***2获得品质较高的产水，进入电解水制氢***1的补水***16，用于补充电解过程中消耗的水分。
需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式的一部分，根据本发明所描述的***所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种电解水制氢余热利用***，其特征在于，包括电解水制氢***(1)、膜蒸馏***(2)、热用户供暖***(3)和循环冷却***(4)；电解水制氢***(1)包括电解槽(11)、电解液换热器(12)、气液分离器(13)、气体冷却器(14)、水雾捕滴器(15)和补水***(16)；膜蒸馏***(2)包括膜蒸馏组件(21)、原水辅热***(22)、原水换热***(23)和产水换热***(24)；
电解槽(11)、气液分离器(13)和电解液换热器(12)通过电解液循环管路连接，构成电解液循环回路；气液分离器(13)的纯水进口与补水***(16)纯水出口连接，气液分离器(13)气体出口与气体冷却器(14)气体进口连接，气体冷却器(14)的气体出口与水雾捕滴器(15)连接，水雾捕滴器(15)连接有氢气和氧气排出管道；气体冷却器(14)的循环水出口与电解液换热器(12)的循环水入口连接，电解液换热器(12)的循环水出口与原水换热***(23)的循环水入口连接；
原水换热***(23)的循环水出口与热用户供暖***(3)连接，原水换热***(23)、原水辅热***(22)和膜蒸馏组件(21)通过原水循环管路连接，构成原水循环回路；膜蒸馏组件(21)和产水换热***(24)间通过产水循环管路构成产水循环回路；产水换热***(24)的产水出口与补水***(16)的纯水进口连接，产水换热***(24)与循环冷却***(4)通过循环水管路连接，构成循环水循环回路；循环冷却***(4)与气体冷却器(14)的循环水入口连接，热用户供暖***(3)与循环冷却***(4)连接，用户供暖***(3)、循环冷却***(4)、气体冷却器(14)、电解液换热器(12)和原水换热***(23)之间构成循环水循环回路。
2.根据权利要求1所述的电解水制氢余热利用***，其特征在于，电解槽(11)为碱性电解槽或固体聚合物电解槽。
3.根据权利要求1所述的电解水制氢余热利用***，其特征在于，电解液换热器(12)、气体冷却器(14)、原水换热***(23)和产水换热***(24)为间壁式换热器。
4.根据权利要求1所述的电解水制氢余热利用***，其特征在于，原水辅热***(22)为电阻式加热器或间壁式换热器。
5.根据权利要求1所述的电解水制氢余热利用***，其特征在于，热用户供暖***(3)为暖气热交换器。
6.根据权利要求1所述的电解水制氢余热利用***，其特征在于，电解液循环管路、原水循环管路和产水循环管路上均设有温度计和调节阀。
7.根据权利要求1～6任意一项所述电解水制氢余热利用***的工作方法，其特征在于，包括：
电解槽(11)中电解反应的产物经气液分离器(13)分离液体后进入气体冷却器(14)降温，再经水雾捕滴器(15)进一步去除水雾，得到得氢气和氧气经氢气和氧气排出管道排出；电解液中的水被逐渐消耗，电解液逐渐升温；
循环冷却***(4)中的循环水分为两路，一路进入气体冷却器(14)对分离液体后的电解反应产物降温后进入电解液换热器(12)与电解液进行换热，电解液温度减低后重新回到电解槽(11)中参与电解反应；循环水温度升高后进入原水换热***(23)与原水换热后循环水进入热用户供暖***(3)供热后进入循环冷却***(4)，换热后的原水温度升高，再经原水辅热***(22)进一步升温后进入膜蒸馏组件(21)；膜蒸馏组件(21)中的蒸汽压力差，驱动原水侧的水以蒸汽形式透过膜进入产水侧，降温后冷凝为液体，得到高品质的产水，经产水换热***(24)降温后进入补水***(16)补充电解反应消耗的水；
循环冷却***(4)中的另一路循环水进入产水换热***(24)对产水降温后重新回到循环冷却***(4)。
8.根据权利要求7所述的电解水制氢余热利用***的工作方法，其特征在于，电解槽(11)内电解液的运行温度为80～100℃，经电解液换热器(12)降温后的电解液温度为60～70℃，经原水换热***(23)升温后的原水的温度为40～80℃，经产水换热***(24)降温后的产水的温度为5～20℃。
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