CN117026268A - 一种多槽并联碱性水电解制氢及余热回收*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多槽并联碱性水电解制氢及余热回收***，包括制氢***、蒸汽压缩式制冷循环***、气体纯化***和余热回收***；水制氢***用来电解水产生氢气和氧气并除去氢气中的碱雾和水，过滤电解槽入口碱液中的杂质，气体纯化***对氢气进行除氧、冷却和干燥，最终获得纯度合格的氢气，余热回收***通过管路进入换热器对循环回路中的碱液加热；本申请将电解过程中的低品位的热能充分回收利用，使停机电解槽处于热备用状态，大幅减少停机电解槽启动时间，降低了电解槽开机过程和氢气纯化过程中的电能消耗以及整个流程中碱和水的损耗，提高了碱性水电解***对新能源发电功率波动的适应性和***的经济效益。
Description
技术领域
本发明属于电解水制氢领域，具体涉及一种多槽并联碱性水电解制氢及余热回收***。
背景技术
利用可再生能源发电产生的电力来电解水制氢是目前最热门的绿氢生产方式，也是推动我国碳达峰和碳中和的重要途径，可实现可再生能源的就地消纳，促进节能减排，提高电能利用率。
在四种水电解制氢技术中，碱性水电解制氢技术发展最成熟，无贵金属催化剂，生产成本最低。在水电解制氢过程中会有一部分的电能转化成热能，但这些热能并没有被充分利用，最终被冷却水带走或散失在周围环境中，导致电解水制氢的热效率很低。另外新能源发电受到自然条件的影响呈现波动性和不稳定性，其发电功率会经常波动变化，导致对碱性电解槽供电不稳定。因此通常采用多个电解槽并联来提高碱性水电解制氢***对新能源发电功率波动的适应性，同时也提高了产氢量和电解槽的使用寿命。
由于弃风、弃电的不稳定性以及企业的实际生产需求，部分电解槽会停机或出现故障检修。缩短电解槽停机后的启动时间其有利于减小产氢波动，降低制氢的经济损失。电解槽停机启动时的速度主要取决于电解槽的温度。若启动槽温过低，电解电流增加缓慢，而电流低反向导致电解槽温度上升速率低，从而降低产气量，增加电解槽电能消耗，这在有多台电解槽的制氢***中也是如此。因此应尽量使电解槽启动时处于热备用状态，缩短启动时间。但目前缺乏有效的电解槽保温措施使电解槽启动时处于热备用状态，其启动能耗高、时间长。
碱性水电解槽出口的气液混合物温度较高，在气液分离器中进行气液分离时碱液的雾化程度高，气体和碱液分离比较困难，导致分离出的氢气中的碱雾含量较大，增加水电解过程中碱的消耗。同时，碱性水电解制氢生产的氢气中的氧气含量较大，因此必须进行除氧。在实际过程中为了提高除氧效率，氢气在脱氧塔中需被电加热器加热升温并维持至一定温度，该过程消耗了大量电能，降低***的经济效益。另外，制氢***通常采用分子筛作为吸附剂来对氢气进行干燥，需对吸附饱和的吸附剂进行再生。该过程需用电加热器将氢气加热，用高温氢气对其吸附的水分进行解析，这也增加了再生时的电耗和成本。
综上所述，现有的多槽运行碱性电解水制氢***中缺乏有效的热管理办法回收利用电解槽产生的废热、电解槽停机启动时间长、对新能源发电功率波动适应性较差、碱液和电能消耗量较高。
发明内容
针对上述现有碱性电解水制氢技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于压缩蒸汽制冷循环的多槽并联碱性水电解制氢及余热回收***，能够有效维持新能源发电功率波动期间碱性水电解槽的工作温度，提高电解槽运行的稳定性，降低电能消耗，降低制氢过程的成本。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种多槽并联碱性水电解制氢及余热回收***，包括制氢***、气体纯化***、蒸汽压缩式制冷循环***及余热回收***；
所属制氢***包括多个并联设置的电解槽，各电解槽分别连接直流变换器，各个直流变换器连接到直流母线上；各电解槽阴极出口依次连接第一气液分离器、氢侧洗涤器和氢侧第二气液分离器，氢侧第二气液分离器的气体出口与气体纯化***连通；所述的电解槽阳极出口依次连接氧侧第一气液分离器、氧侧洗涤器、氧侧第二气液分离器和储氧罐；
所述气体纯化***包括脱氧塔，脱氧塔气体入口与氢侧第二气液分离器的气体出口连通，脱氧塔气体出口并联连接第一干燥塔、第二干燥塔、第三干燥塔，第一干燥塔、第二干燥塔、第三干燥塔气体出口连接储氢罐；
所述蒸汽压缩式制冷循环***包括氢侧蒸发器，所述氢侧蒸发器安装在氢侧洗涤器和第二气液分离器之间的气体管路上用于对氢侧洗涤器出口的氢气进行冷却，氧侧蒸发器安装在氧侧洗涤器和氧侧第二气液分离器之间的气体管路上对氧侧洗涤器出口的氧气进行冷凝除水；循环蒸发器安装在碱液循环泵与各电解槽连通管路上用于对碱液循环泵出口的碱液冷却；脱氧蒸发器安装在脱氧塔气体出口与第一干燥塔、第二干燥塔及第三干燥塔连接的管路上用于对从脱氧塔出来的氢气进行冷却，冷凝除水；第一再生蒸发器、第二再生蒸发器、第三再生蒸发器分别安转在脱氧蒸发器与第一干燥塔、第二干燥塔及第三干燥塔连接一侧的管路上对进入各干燥塔的氢气进而二次冷却；第一冷凝器、第二冷凝器、第三冷凝器分别安装在第一干燥塔、第二干燥塔及第三干燥塔另一侧的气体出口或者气体入口管路上；
所述氢侧蒸发器、氧侧蒸发器、循环蒸发器、脱氧蒸发器、第一再生蒸发器、第二再生蒸发器、第三再生蒸发器通过管路与压缩机连通，压缩机与第一冷凝器、第二冷凝器、第三冷凝器连通，第一冷凝器、第二冷凝器、第三冷凝器通过管路与节流阀入口连通组成制冷循环***；
所述余热回收***包括氢侧换热器、氧侧换热器；氢侧换热器、氧侧换热器分别安装在电解槽阴极出口和电解槽阳极出口的气液混合物管路上，吸收电解槽出口气液混合物的热量；从氢侧第二气液分离器的气体出口分离出的氢气依次通过氢侧换热器、氧侧换热器行热交换，被加热的氢气再进入气体纯化***；碱液循环泵出口分成两个支路，循环换热器和循环蒸发器各设置在一个分支管路上，循环换热器与循环蒸发器并联连接，碱液循环泵出口的碱液进入循环蒸发器中被冷却，进入循环换热器中的碱液被加热；
循环换热器、储热罐和冷却液循环泵依次连接形成冷却液循环回路，冷却液循环回路还分别与第一冷凝器、第二冷凝器、第三冷凝器连通用于吸收冷凝器释放的热量；所述的循环换热器出口的冷却液通过冷却液循环泵流入第一冷凝器、第二冷凝器、第三冷凝器吸热，第一冷凝器、第二冷凝器、第三冷凝器出口的高温冷却液进入储热罐中被储存，储热罐中的高温冷却液进入循环换热器放热。
进一步，包括纯水箱、纯水箱经补水泵与氢侧洗涤器液体进口连通，纯水箱中的水通过补水泵送至氢侧洗涤器用来补充电解过程消耗的水。
进一步，所述氢侧第二气液分离器液体出口与氢侧洗涤器洗涤液入口连通，氢侧洗涤器液体出口与第一气液分离器液体入口连通，氧侧第二气液分离器液体出口与氧侧洗涤器洗涤液入口连通，氧侧洗涤器的液体出口与第一气液分离器液体入口连通；氢侧第一气液分离器和氧侧第一气液分离器相连通，氢侧第一气液分离器和氧侧第一气液分离器液体出口均通过管路依次经碱液过滤器、碱液循环泵与各电解槽连通。
进一步，所述第一再生蒸发器、第二再生蒸发器、第三再生蒸发器之间采用并联布置，所述第一冷凝器、第二冷凝器、第三冷凝器之间也采用并联布置。
进一步，所述氢侧蒸发器冷却分离出的液体出口与氢侧洗涤器洗涤液入口连通，氧侧蒸发器冷却分离出的液体出口与氧侧洗涤器洗涤液入口连通，氢侧蒸发器和氧侧蒸发器冷却分离出的液体最终汇集到碱液过滤器进行过滤后经碱液循环泵流回到电解槽。
进一步，所述脱氧蒸发器、第一再生蒸发器、第二再生蒸发器、第三再生蒸发器冷凝水出口通过管路分别与氢侧第一气液分离器、氧侧第一气液分离器的液体出口管路连通；所述的脱氧蒸发器、第一再生蒸发器、第二再生蒸发器、第三再生蒸发器冷凝氢气后分离出的水与氢侧第一气液分离器、氧侧第一气液分离器分离出的碱液汇合后一同流入碱液过滤器进行过滤。
进一步，还包括用于调节制冷剂、冷却液、碱液或氢气流量的控制阀；
多个第一控制阀分别安装在每个电解槽进液口处，用于调节电解槽入口碱液流量；第二控制阀、第三控制阀分别安装在氢侧蒸发器、氧侧蒸发器制冷剂入口管路上；第五控制阀、第六控制阀、第七控制阀分别安装在第一冷凝器、第二冷凝器、第三冷凝器的制冷剂入口管路上；第十一控制阀、第十二控制阀、第十三控制阀分别安装在第一冷凝器、第二冷凝器、第三冷凝器的冷却液管路上，通过调节第十一控制阀、第十二控制阀、第十三控制阀改变与冷凝器进行热交换的冷却液流量，冷凝器可实现多股流体换热。
进一步，第十四控制阀、第十五控制阀、第十六控制阀、第十七控制阀、第十八控制阀分别安装在循环蒸发器、脱氧蒸发器、第一再生蒸发器、第二再生蒸发器、第三再生蒸发器的制冷剂入口管路上；在电解过程中调节蒸发器和冷凝器入口处的控制阀来改变制冷剂的流向及流量。
进一步，第八控制阀、第九控制阀、第十控制阀为三通阀；
第一冷凝器、第二冷凝器、第三冷凝器的氢气入口管路分别通过第八控制阀、第九控制阀、第十控制阀与储氢罐连通，第十九控制阀、第二十控制阀分别安装在脱氧塔与第二干燥塔、第三干燥塔的连通管路上；调节第八控制阀、第九控制阀、第十控制阀、第十九控制阀、第二十控制阀、第四控制阀改变干燥***中氢气的流向。
进一步，第四控制阀、第二十一控制阀均为三通阀，第四控制阀安装在第二冷凝器氢气出口管路上用于将第一冷凝器、第二冷凝器、第三冷凝器氢气管路连通；第二十一控制阀安装在碱液循环泵出口管路上，将碱液循环泵出口分成两个支路，循环换热器和循环蒸发器各设置在一个分支管路上。
由以上技术方案可见，本发明具有以下优点：
1.直流变换器给每个电解槽单独供电，实际运行时可根据发电功率来灵活控制每个电解槽的产氢量。
2.运行电解槽的电解液可运输至待启动的电解槽中，使待启动电解槽维持热备用状态，减少电解槽启动时间，降低电解槽启动时的电能消耗。
3.电解槽出口的气液混合物经过换热后进入第一气液分离器进行气液分离，气液分离器中的气液混合物温度较低，碱液雾化程度低，更有利于气液分离，降低碱液的损耗，减少气液分离过程中的冷却成本。
4.脱氧塔入口的氢气与电解槽出口的气液混合物和高温冷却液换热后温度升高，减少了脱氧塔中电加热器额外加热的电能消耗，提高热能的利用率和除氧效率。
5.将工作电解槽出口的碱液输送给其他待启动的电解槽，减少电解槽停机启动时间，能够有效维持新能源发电功率波动期间碱性水电解槽的工作温度，充分利用了电解槽运行期间产生的废热，通过实际运行工况改变电解槽入口碱液温度，实现碱液的预热，可以提高电解槽宽功率波动的稳定性、适应性，更好地与可再生能源发电相耦合，提高电解槽运行的稳定性。
6.利用压缩蒸汽制冷循环对气体进行冷却，冷凝效果比冷却水更好，更有利于气体中水的冷凝，减少电解过程中水的损失。
7.利用蒸汽压缩式制冷循环***冷凝器中制冷剂放出的热量来加热氢气，提高再生干燥塔入口氢气的温度，用于干燥剂的再生，降低再生干燥塔中电加热器的电能消耗，显著降低气体干燥剂的再生成本，高温冷却液可存储在储热罐中用于提供生活热水和取暖，提高能量综合利用率，降低制氢过程的成本，提高经济效益。
8.冷却液在冷凝器中吸收制冷剂放出的热量后温度升高，通过将冷却液储存在储热罐中来实现热量的回收储存，这部分热量可以对电解槽进行停机预热，也可以用来供暖和提供生活热水，减少电解槽停机的启动时间，实现热能的回收，降低了热能的损耗，提高热能利用率。
附图说明
图1是本发明的基于压缩蒸汽制冷循环的多槽并联碱性电解水制氢及余热回收***流程图；
图中：1-纯水箱；2-电解槽；3-氢侧换热器；4-氧侧换热器；5-氢侧第一气液分离器；6-氧侧第一气液分离器；7-氢侧洗涤器；8-氧侧洗涤器；9-氢侧蒸发器；10-氧侧蒸发器；11-氢侧第二气液分离器；12-氧侧第二气液分离器；13-直流母线；14-直流变换器；15-补水泵；16-碱液过滤器；17-碱液循环泵；18-循环换热器；19-循环蒸发器；20-冷却液循环泵；21-脱氧塔；22-脱氧蒸发器；23-第一再生蒸发器；24-第二再生蒸发器；25-第三再生蒸发器；26-第一干燥塔；27-第二干燥塔；28-第三干燥塔；29-第一冷凝器；30-第二冷凝器；31-第三冷凝器；32-压缩机；33-节流阀；34-储热罐；35-第一控制阀；36-第二控制阀；37-第三控制阀；38-第四控制阀；39-第五控制阀；40-第六控制阀；41-第七控制阀；42-第八控制阀；43-第九控制阀；44-第十控制阀；45-第十一控制阀；46-第十二控制阀；47-第十三控制阀；48-第十四控制阀；49-第十五控制阀；50-第十六控制阀；51-第十七控制阀；52-第十八控制阀；53-第十九控制阀；54-第二十控制阀；55-第二十一控制阀；56-储氧罐；57-储氢罐。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1，一种多槽并联碱性水电解制氢及余热回收***，包括制氢***、气体纯化***、蒸汽压缩式制冷循环***及余热回收***。
制氢***主要包括纯水箱1、补水泵15、电解槽2、氢侧第一气液分离器5、氧侧第一气液分离器6、氢侧洗涤器7、氧侧洗涤器8、氢侧第二气液分离器11、氧侧第二气液分离器12、碱液过滤器16和碱液循环泵17，用于电解水产生气液混合物，并对气体进行分离、洗涤、冷凝、除水，同时过滤电解槽入口碱液中的杂质；
所述的电解槽2的数量n大于等于2，多个电解槽2采用并联布置，每个电解槽2的额定功率可以相同也可以不同。各电解槽2分别连接直流变换器14，各个直流变换器14连接到直流母线13上，由与各电解槽2额定功率相匹配的直流变换器14给每个电解槽2单独供电，确保各个电解槽2独立控制，实际运行时可根据发电功率来灵活控制每个电解槽2的产氢量。
各电解槽2阴极出口依次连接氢侧第一气液分离器5、氢侧洗涤器7和氢侧第二气液分离器11，纯水箱1经补水泵15与氢侧洗涤器7液体进口连通，纯水箱1中的水通过补水泵15送至氢侧洗涤器7用来补充电解过程消耗的水，氢侧第二气液分离器11液体出口与氢侧洗涤器7洗涤液入口连通，氢侧第二气液分离器11的气体出口与气体纯化***连通。氢侧洗涤器7液体出口与氢侧第一气液分离器5液体入口连通。所述的电解槽2阳极出口依次连接氧侧第一气液分离器6、氧侧洗涤器8、氧侧第二气液分离器12和储氧罐56，氧侧第二气液分离器12液体出口与氧侧洗涤器8洗涤液入口连通，氧侧洗涤器8的液体出口与第一气液分离器6液体入口连通。氢侧第一气液分离器5和氧侧第一气液分离器6相连通，氢侧第一气液分离器5和氧侧第一气液分离器6液体出口均通过管路依次经碱液过滤器16、碱液循环泵17与各电解槽2连通。氢侧第一气液分离器5、氧侧第一气液分离器6分离出的碱液汇合后一同流入碱液过滤器16进行过滤后经碱液循环泵17流回到各电解槽2。
所述的电解槽2阴极出口的气液混合物进入氢侧第一气液分离器5进行气液分离，分离出的氢气进入氢侧洗涤器7除去碱雾；氢侧洗涤器7出口的氢气进入氢侧第二气液分离器11进行气液分离；氢侧第二气液分离器11分离出的液体进入氢侧洗涤器7，氢侧洗涤器7液体出口与氢侧第一气液分离器5连通，分离出的碱液依靠循环管路回到电解槽2。
电解槽2阳极出口的气液混合物进入氧侧第一气液分离器6进行气液分离，分离出的氧气进入氧侧洗涤器8除去碱雾，氧侧洗涤器8出口的氧气进入氧侧第二气液分离器12进行气液分离，氧侧第二气液分离器12出口的氧气进入储氧罐56或排空；氧侧第二气液分离器12分离出的液体进入氧侧洗涤器8，氧侧洗涤器8液体出口与氧侧第一气液分离器6连通，分离出的碱液依靠循环管路回到电解槽2。
气体纯化***主要包括脱氧塔21、第一干燥塔26、第二干燥塔27、第三干燥塔28，用来对氢气进行除氧和干燥，提高氢气的纯度。脱氧塔21气体入口与氢侧第二气液分离器11的气体出口连通，脱氧塔21气体出口并联连接第一干燥塔26、第二干燥塔27、第三干燥塔28，第一干燥塔26、第二干燥塔27、第三干燥塔28气体出口连接储氢罐57。
蒸汽压缩式制冷循环***包括氢侧蒸发器9、氧侧蒸发器10、循环蒸发器19、脱氧蒸发器22、第一再生蒸发器23、第二再生蒸发器24、第三再生蒸发器25、压缩机32、第一冷凝器29、第二冷凝器30、第三冷凝器31和节流阀33，在蒸发器内制冷剂吸热对碱液进行冷却或对气体进行冷凝除水，在冷凝器内制冷剂放热对再生干燥塔入口氢气进行加热升温并提高冷却液的温度。
所述氢侧蒸发器9安装在氢侧洗涤器7和第二气液分离器11之间的气体管路上，所述氢侧洗涤器7出口的氢气进入氢侧蒸发器9进行冷却；所述氧侧蒸发器10安装在氧侧洗涤器8和氧侧第二气液分离器12之间的气体管路上，氧侧洗涤器8出口的氧气进入氧侧蒸发器10进行冷凝除水；循环蒸发器19安装在碱液循环泵17与各电解槽2连通管路上，碱液循环泵17出口的碱液进入循环蒸发器19中被冷却；脱氧蒸发器22安装在脱氧塔21气体出口与第一干燥塔26、第二干燥塔27及第三干燥塔28连接的管路上，对从脱氧塔21出来的氢气进行冷却，冷凝除水；第一再生蒸发器23、第二再生蒸发器24、第三再生蒸发器25分别安转在脱氧蒸发器22与第一干燥塔26、第二干燥塔27及第三干燥塔28连接一侧的管路上对进入各干燥塔的氢气进而二次冷却；第一冷凝器29、第二冷凝器30、第三冷凝器31分别安装在第一干燥塔26、第二干燥塔27及第三干燥塔28另一侧的气体出口或者气体入口管路上。
氢侧蒸发器9、氧侧蒸发器10、循环蒸发器19、脱氧蒸发器22、第一再生蒸发器23、第二再生蒸发器24、第三再生蒸发器25的制冷剂出口均通过管路与压缩机32制冷剂入口连通，压缩机制冷剂出口分别与第一冷凝器29、第二冷凝器30、第三冷凝器31制冷剂入口连通，第一冷凝器29、第二冷凝器30、第三冷凝器31制冷剂出口均通过管路与节流阀33入口连通，节流阀出口再分别通过管路与氢侧蒸发器9、氧侧蒸发器10、循环蒸发器19、脱氧蒸发器22、第一再生蒸发器23、第二再生蒸发器24、第三再生蒸发器25的制冷剂入口连通。制冷***中的制冷剂分别流经氢侧蒸发器9、氧侧蒸发器10、循环蒸发器19、脱氧蒸发器22、第一再生蒸发器23、第二再生蒸发器24、第三再生蒸发器25进行吸热后进入压缩机32压缩。压缩机32出口的制冷剂通过第一冷凝器29、第二冷凝器30、第三冷凝器31放热后进入节流阀33，节流阀33出口的制冷剂进入蒸发器完成制冷循环。所述第一再生蒸发器23、第二再生蒸发器24、第三再生蒸发器25之间采用并联布置，所述第一冷凝器29、第二冷凝器30、第三冷凝器31之间也采用并联布置。
氢侧蒸发器9冷却分离出的液体出口与氢侧洗涤器7洗涤液入口连通，氧侧蒸发器10冷却分离出的液体出口与氧侧洗涤器8洗涤液入口连通，氢侧蒸发器9和氧侧蒸发器10冷却分离出的液体最终汇集到碱液过滤器16进行过滤后经碱液循环泵17流回到电解槽2。
所述的脱氧蒸发器22、第一再生蒸发器23、第二再生蒸发器24、第三再生蒸发器25冷凝水出口通过管路分别与氢侧第一气液分离器5、氧侧第一气液分离器6的液体出口管路连通；所述的脱氧蒸发器22、第一再生蒸发器23、第二再生蒸发器24、第三再生蒸发器25冷凝氢气后分离出的水与氢侧第一气液分离器5、氧侧第一气液分离器6分离出的碱液汇合后一同流入碱液过滤器16进行过滤。
余热回收***包括氢侧换热器3、氧侧换热器4、循环换热器18、储热罐34、冷却液循环泵20，用来加热脱氧塔入口氢气，提高电解槽入口碱液的温度，同时可以将热量存储用来供暖和供给生活热水。氢侧换热器3、氧侧换热器4分别安装在电解槽2阴极出口和电解槽2阳极出口的气液混合物管路上，电解槽2阴极出口的气液混合物经过氢侧换热器3进行热交换，电解槽2阳极出口的气液混合物经过氧侧换热器4进行热交换吸收气液混合物的热量；从氢侧第二气液分离器11的气体出口分离出的氢气依次通过氢侧换热器3、氧侧换热器4行热交换，被加热的氢气再进入气体纯化***。
循环换热器18安装在碱液循环泵17和各电解槽2之间的连通管路上对进入电解槽2的碱液进行加热，碱液循环泵17出口分成两个支路，循环换热器18和循环蒸发器19各设置在一个分支管路上，循环换热器18与循环蒸发器19并联连接，碱液循环泵17出口的碱液进入循环蒸发器19中被冷却，进入循环换热器18中被加热，通过循环换热器18和循环蒸发器19调节，得到满足温度要求的碱液流入电解槽2。
循环换热器18、储热罐34和冷却液循环泵20依次连接形成冷却液循环回路，冷却液循环回路还分别与第一冷凝器29、第二冷凝器30、第三冷凝器31连通用于吸收冷凝器释放的热量。所述的循环换热器18出口的冷却液通过冷却液循环泵20流入第一冷凝器29、第二冷凝器30、第三冷凝器31吸热，第一冷凝器29、第二冷凝器30、第三冷凝器31出口的高温冷却液进入储热罐34中被储存，储热罐34中的高温冷却液进入循环换热器18放热。
另外***管路中还包括用于调节制冷剂、冷却液、碱液或氢气流量的控制阀，包括第一控制阀35、第二控制阀36、第三控制阀37、第四控制阀38、第五控制阀39、第六控制阀40、第七控制阀41、第八控制阀42、第九控制阀43、第十控制阀44、第十一控制阀45、第十二控制阀46、第十三控制阀47、第十四控制阀48、第十五控制阀49、第十六控制阀50、第十七控制阀51、第十八控制阀52、第十九控制阀53、第二十控制阀54、第二十一控制阀55。
多个第一控制阀35分别安装在每个电解槽2进液口处，用于调节电解槽2入口碱液流量；第二控制阀36、第三控制阀37分别安装在氢侧蒸发器9、氧侧蒸发器10制冷剂入口管路上；第五控制阀39、第六控制阀40、第七控制阀41分别安装在第一冷凝器29、第二冷凝器30、第三冷凝器31的制冷剂入口管路上；第十一控制阀45、第十二控制阀46、第十三控制阀47分别安装在第一冷凝器29、第二冷凝器30、第三冷凝器31的冷却液管路上，通过调节第十一控制阀45、第十二控制阀46、第十三控制阀47可改变与冷凝器进行热交换的冷却液流量，冷凝器可实现多股流体换热。冷却液循环回路中的冷却液可以为任何满足实际运行需求的工业冷却介质。
第十四控制阀48、第十五控制阀49、第十六控制阀50、第十七控制阀51、第十八控制阀52分别安装在循环蒸发器19、脱氧蒸发器22、第一再生蒸发器23、第二再生蒸发器24、第三再生蒸发器25的制冷剂入口管路上；在电解过程中需根据实际情况调节蒸发器和冷凝器入口处的第二控制阀36、第三控制阀37、第五控制阀39、第六控制阀40、第七控制阀41、第十四控制阀48、第十五控制阀49、第十六控制阀50、第十七控制阀51、第十八控制阀52来改变制冷剂的流向及流量。制冷***中的制冷剂为任何满足制冷循环要求的制冷剂。
第四控制阀38、第八控制阀42、第九控制阀43、第十控制阀44第二十一控制阀55均为三通阀，第一冷凝器29、第二冷凝器30、第三冷凝器31的氢气入口管路分别通过第八控制阀42、第九控制阀43、第十控制阀44与储氢罐57连通，第十九控制阀53、第二十控制阀54分别安装在脱氧塔21与第二干燥塔27、第三干燥塔28的连通管路上，第四控制阀38安装在第二冷凝器30氢气出口管路上用于将第一冷凝器29、第二冷凝器30、第三冷凝器31氢气管路连通。调节第八控制阀42、第九控制阀43、第十控制阀44、第十九控制阀53、第二十控制阀54、第四控制阀38可改变干燥***中氢气的流向。氢气干燥采用三塔联动干燥流程，在一个循环周期内，第一干燥塔26、第二干燥塔27和第三干燥塔28都依次经历主工作、再生和次工作状态。
第二十一控制阀55安装在碱液循环泵17出口管路上，将碱液循环泵17出口分成两个支路，循环换热器18和循环蒸发器19各设置在一个分支管路上。所述的氢侧第一气液分离器5和氧侧第一气液分离器6分离出的碱液在循环管路中依次流经碱液过滤器16、碱液循环泵17，若碱液循环泵17出口碱液温度过低，调节第二十一控制阀55使碱液循环泵17出口的碱液进入循环换热器18与储热罐34流出的高温冷却液进行热交换，若碱液循环泵17出口碱液温度过高，调节第二十一控制阀55使碱液循环泵17出口的碱液进入循环蒸发器19中被冷却。循环换热器18和循环蒸发器19出口的满足温度要求的碱液流入电解槽2。
干燥塔采用分子筛为吸附剂，允许氢气这种非极性分子通过，但对水这种极性很强的分子具有强烈的亲和力。分子筛的吸附为物理吸附，当吸附饱和后，需要一段时间进行加热再生除去分子筛中的水分才能再次进行吸附。氢气干燥采用三塔联动干燥流程，在一个循环周期内，第一干燥塔26、第二干燥塔27和第三干燥塔28都依次经历主工作、再生和次工作状态。
所述的第一干燥塔26、第二干燥塔27和第三干燥塔28分别处于主工作、再生和次工作状态时，通过调节阀门使制冷剂通过第一冷凝器29、第二冷凝器30和第三冷凝器31。脱氧蒸发器22出口的氢气依次流经第一再生蒸发器23和第一干燥塔26，分别被冷却和干燥后不通过第一冷凝器29，进入第二冷凝器30。氢气被第二冷凝器30中的制冷剂加热升温后进入第二干燥塔27，在第二干燥塔27中被电加热到200，将分子筛中吸附的水解析出来。高温氢气携带第二干燥塔27中分子筛解析出来的水进入第二再生蒸发器24被冷却。最后氢气依次进入第三再生蒸发器25、第三干燥塔28，被再次冷却和干燥，干燥后的氢气不经过第三冷凝器31，直接进入储氢罐55被储存。附图1仅展示了第一干燥塔26、第二干燥塔27和第三干燥塔28分别处于主工作、再生和次工作状态时的气体干燥流程，第一干燥塔26、第二干燥塔27和第三干燥塔28处于其他工作状态时，气体干燥流程需相应变化。
实施例1
当电解槽处于低负荷和正常负荷工作期间，电解槽2阳极出口的气液混合物经过氧侧换热器4降温后进入氧侧第一气液分离器6进行气液分离，分离出的气体进入氧侧洗涤器8除去碱雾。打开第三控制阀37使制冷剂通过氧侧蒸发器10，洗涤器出口的气体进入氧侧蒸发器10对气体冷却除水，随后进入氧侧第二气液分离器12再次进行气液分离，分离出的氧气被排空或储存在储氧罐56中。电解槽2阴极出口的气液混合物经过氢侧第一换热器3降温后进入氢侧第一气液分离器5进行气液分离，分离出的气体进入氢侧洗涤器7除去碱雾。打开第二控制阀35使制冷剂通过氢侧蒸发器9，洗涤器出口的气体进入氢侧蒸发器9对气体冷却除水，随后进入氢侧第二气液分离器11再次进行气液分离。打开第二控制阀36使冷却液通过第二换热器，分离出的氢气通过氢侧换热器3、氧侧换热器4升温后进入脱氧塔21进行除氧。氢侧第一气液分离器5和氧侧第一气液分离器6分离出的碱液经过碱液过滤器16除去碱液中的固体杂质。调节第二十一控制阀55，打开运行的电解槽2入液口第一控制阀35，使碱液过滤器16出口的碱液通过碱液循环泵17后进入循环换热器18换热升温，使碱液温度达到65左右，碱液被加热后流入电解槽2。若部分电解槽2停机，则关闭电解槽2入液口的第一控制阀35。循环换热器18出口的冷却液通过冷却液循环泵20被输送至冷凝器。在电解过程中纯水箱1中的纯水被补水泵15输送至氢侧洗涤器7，用来补充电解消耗的水。氢气进入气体纯化***，根据实际冷凝需求调节第十五控制阀49、第十六控制阀50、第十七控制阀51、第十八控制阀52开度，打开第十五控制阀49、第十六控制阀50、第十七控制阀51、第十八控制阀52，氢气在脱氧塔21中被加热升温至一定温度后除氧，随后氢气进入脱氧蒸发器22进行冷却。第一干燥塔26、第二干燥塔27、第三干燥塔28在一个循环周期内依次经历主工作、再生和次工作状态。在此仅说明第一干燥塔26、第二干燥塔27、第三干燥塔28分别处于主工作、再生和次工作状态时的操作步骤。调节第五控制阀39、第六控制阀40和第七控制阀41开度分别使制冷剂通过第一冷凝器29、第二冷凝器30、第三冷凝器31。关闭第十九控制阀53，脱氧蒸发器22出口的氢气依次流经第一再生蒸发器23和第一干燥塔26分别被冷却和干燥。打开第十一控制阀45使冷却液通过第一冷凝器29，冷却液与制冷剂换热后温度升高。调节第八控制阀42、第四控制阀38使氢气不通过第一冷凝器29，直接进入第二冷凝器30。关闭第十二控制阀46使冷却液不通过第二冷凝器30，调节第九控制阀43，氢气被第二冷凝器30中的制冷剂加热升温后进入第二干燥塔27，在第二干燥塔27中被电加热到200，将分子筛中吸附的水解吸出来。高温氢气携带第二干燥塔27中分子筛解析出来的水进入第二再生蒸发器24被冷却。打开第二十控制阀54，最后氢气依次进入第三再生蒸发器25、第三干燥塔28，被再次冷却和干燥。打开第十三控制阀47使冷却液通过第三冷凝器31，冷却液与制冷剂换热后温度升高。调节第十控制阀44使干燥后的氢气不进入第三冷凝器31，得到的高纯度氢气进入储氢罐57中储存。脱氧蒸发器22、第一再生蒸发器23、第二再生蒸发器24、第三再生蒸发器25冷却氢气得到的水与氢侧第一气液分离器5、氧侧第一气液分离器6分离出的碱液混合，最终一同流入电解槽2。
实施例2
当电解槽处于高负荷工作期间，电解槽2阳极出口的气液混合物经过氧侧换热器4降温后进入氧侧第一气液分离器6进行气液分离，分离出的气体进入氧侧洗涤器8除去碱雾。打开第三控制阀37使制冷剂通过氧侧蒸发器10，洗涤器出口的气体进入氧侧蒸发器10对气体冷却除水，随后进入氧侧第二气液分离器12再次进行气液分离，分离出的氧气被排空或储存在储氧罐56中。电解槽2阴极出口的气液混合物经过氢侧第一换热器3降温后进入氢侧第一气液分离器5进行气液分离，分离出的气体进入氢侧洗涤器7除去碱雾。打开第二控制阀35使制冷剂通过氢侧蒸发器9，洗涤器出口的气体进入氢侧蒸发器9对气体冷却除水，随后进入氢侧第二气液分离器11再次进行气液分离。打开第二控制阀36使冷却液通过第二换热器，分离出的氢气通过氢侧换热器3、氧侧换热器4升温后进入脱氧塔21进行除氧。氢侧第一气液分离器5和氧侧第一气液分离器6分离出的碱液经过碱液过滤器16除去碱液中的固体杂质。调节第二十一控制阀55，打开运行的电解槽2入液口第一控制阀35，使碱液过滤器16出口的碱液通过碱液循环泵17后进入循环蒸发器19进行冷却，使碱液温度达到55℃左右，冷却后的碱液流入电解槽2。若部分电解槽2停机，则关闭电解槽2入液口的第一控制阀35。循环换热器18出口的冷却液通过冷却液循环泵20被输送至冷凝器。在电解过程中纯水箱1中的纯水被补水泵15输送至氢侧洗涤器7，用来补充电解消耗的水。氢气进入气体纯化***，根据实际冷凝需求调节第十五控制阀49、第十六控制阀50、第十七控制阀51、第十八控制阀52开度，打开第十五控制阀49、第十六控制阀50、第十七控制阀51、第十八控制阀52，氢气在脱氧塔21中被加热升温至一定温度后除氧，随后氢气进入脱氧蒸发器22进行冷却。第一干燥塔26、第二干燥塔27、第三干燥塔28在一个循环周期内依次经历主工作、再生和次工作状态。在此仅说明第一干燥塔26、第二干燥塔27、第三干燥塔28分别处于主工作、再生和次工作状态时的操作步骤。调节第五控制阀39、第六控制阀40和第七控制阀41开度分别使制冷剂通过第一冷凝器29、第二冷凝器30、第三冷凝器31。关闭第十九控制阀53，脱氧蒸发器22出口的氢气依次流经第一再生蒸发器23和第一干燥塔26分别被冷却和干燥。打开第十一控制阀45使冷却液通过第一冷凝器29，冷却液与制冷剂换热后温度升高。调节第八控制阀42、第四控制阀38使氢气不通过第一冷凝器29，直接进入第二冷凝器30。关闭第十二控制阀46使冷却液不通过第二冷凝器30，调节第九控制阀43，氢气被第二冷凝器30中的制冷剂加热升温后进入第二干燥塔27，在第二干燥塔27中被电加热到200℃，将分子筛中吸附的水解吸出来。高温氢气携带第二干燥塔27中分子筛解析出来的水进入第二再生蒸发器24被冷却。打开第二十控制阀54，最后氢气依次进入第三再生蒸发器25、第三干燥塔28，被再次冷却和干燥。打开第十三控制阀47使冷却液通过第三冷凝器31，冷却液与制冷剂换热后温度升高。调节第十控制阀44使干燥后的氢气不进入第三冷凝器31，得到的高纯度氢气进入储氢罐57中储存。脱氧蒸发器22、第一再生蒸发器23、第二再生蒸发器24、第三再生蒸发器25冷却氢气得到的水与氢侧第一气液分离器5、氧侧第一气液分离器6分离出的碱液混合，最终一同流入电解槽2。
本发明相对于现有技术，每个电解槽由直流变换器单独供电，实际运行时可根据发电功率来灵活控制每个电解槽的产氢量；运行电解槽的电解液可运输至待启动的电解槽中，使待启动电解槽维持热备用状态，减少电解槽启动时间，降低电解槽启动时的电能消耗；电解槽出口的气液混合物经过换热后进入第一气液分离器进行气液分离，气液分离器中的气液混合物温度较低，碱液雾化程度低，更有利于气液分离，降低碱液的损耗，减少气液分离过程中的冷却成本；脱氧塔入口的氢气与电解槽出口的气液混合物和高温冷却液换热后温度升高，减少了脱氧塔中电加热器额外加热的电能消耗，提高热能的利用率和除氧效率；可通过实际运行工况改变电解槽入口碱液温度，实现碱液的预热，可以提高电解槽宽功率波动的稳定性、适应性，更好地与可再生能源发电相耦合；利用压缩蒸汽制冷循环对气体进行冷却，冷凝效果比冷却水更好，更有利于气体中水的冷凝，减少电解过程中水的损失；利用蒸汽压缩式制冷循环***冷凝器中制冷剂放出的热量来加热氢气，提高再生干燥塔入口氢气的温度，用于干燥剂的再生，降低再生干燥塔中电加热器的电能消耗，显著降低气体干燥剂的再生成本，提高经济效益；冷却液在冷凝器中吸收制冷剂放出的热量后温度升高，通过将冷却液储存在储热罐中来实现热量的回收储存，这部分热量可以对电解槽进行停机预热，也可以用来供暖和提供生活热水，减少电解槽停机的启动时间，实现热能的回收，降低了热能的损耗，提高热能利用率。
Claims (10)
1.一种多槽并联碱性水电解制氢及余热回收***，其特征在于：包括制氢***、气体纯化***、蒸汽压缩式制冷循环***及余热回收***；
所属制氢***包括多个并联设置的电解槽(2)，各电解槽(2)分别连接直流变换器(14)，各个直流变换器(14)连接到直流母线(13)上；各电解槽(2)阴极出口依次连接氢侧第一气液分离器(5)、氢侧洗涤器(7)和氢侧第二气液分离器(11)，氢侧第二气液分离器(11)的气体出口与气体纯化***连通；所述的电解槽(2)阳极出口依次连接氧侧第一气液分离器(6)、氧侧洗涤器(8)、氧侧第二气液分离器(12)和储氧罐(56)；
所述气体纯化***包括脱氧塔(21)，脱氧塔(21)气体入口与氢侧第二气液分离器(11)的气体出口连通，脱氧塔(21)气体出口并联连接第一干燥塔(26)、第二干燥塔(27)、第三干燥塔(28)，第一干燥塔(26)、第二干燥塔(27)、第三干燥塔(28)气体出口连接储氢罐(57)；
所述蒸汽压缩式制冷循环***包括氢侧蒸发器(9)，所述氢侧蒸发器(9)安装在氢侧洗涤器(7)和第二气液分离器(11)之间的气体管路上用于对氢侧洗涤器(7)出口的氢气进行冷却，氧侧蒸发器(10)安装在氧侧洗涤器(8)和氧侧第二气液分离器(12)之间的气体管路上对氧侧洗涤器(8)出口的氧气进行冷凝除水；循环蒸发器(19)安装在碱液循环泵(17)与各电解槽(2)连通管路上用于对碱液循环泵(17)出口的碱液冷却；脱氧蒸发器(22)安装在脱氧塔(21)气体出口与第一干燥塔(26)、第二干燥塔(27)及第三干燥塔(28)连接的管路上用于对从脱氧塔(21)出来的氢气进行冷却，冷凝除水；第一再生蒸发器(23)、第二再生蒸发器(24)、第三再生蒸发器(25)分别安转在脱氧蒸发器(22)与第一干燥塔(26)、第二干燥塔(27)及第三干燥塔(28)连接一侧的管路上对进入各干燥塔的氢气进而二次冷却；第一冷凝器(29)、第二冷凝器(30)、第三冷凝器(31)分别安装在第一干燥塔(26)、第二干燥塔(27)及第三干燥塔(28)另一侧的气体出口或者气体入口管路上；
所述氢侧蒸发器(9)、氧侧蒸发器(10)、循环蒸发器(19)、脱氧蒸发器(22)、第一再生蒸发器(23)、第二再生蒸发器(24)、第三再生蒸发器(25)通过管路与压缩机(32)连通，压缩机与第一冷凝器(29)、第二冷凝器(30)、第三冷凝器(31)连通，第一冷凝器(29)、第二冷凝器(30)、第三冷凝器(31)通过管路与节流阀(33)入口连通组成制冷循环***；
所述余热回收***包括氢侧换热器(3)、氧侧换热器(4)；氢侧换热器(3)、氧侧换热器(4)分别安装在电解槽(2)阴极出口和电解槽(2)阳极出口的气液混合物管路上，吸收电解槽(2)出口气液混合物的热量；从氢侧第二气液分离器(11)的气体出口分离出的氢气依次通过氢侧换热器(3)、氧侧换热器(4)行热交换，被加热的氢气再进入气体纯化***；碱液循环泵(17)出口分成两个支路，循环换热器(18)和循环蒸发器(19)各设置在一个分支管路上，循环换热器(18)与循环蒸发器(19)并联连接，碱液循环泵(17)出口的碱液进入循环蒸发器(19)中被冷却，进入循环换热器(18)中的碱液被加热；
循环换热器(18)、储热罐(34)和冷却液循环泵(20)依次连接形成冷却液循环回路，冷却液循环回路还分别与第一冷凝器(29)、第二冷凝器(30)、第三冷凝器(31)连通用于吸收冷凝器释放的热量；所述的循环换热器(18)出口的冷却液通过冷却液循环泵(20)流入第一冷凝器(29)、第二冷凝器(30)、第三冷凝器(31)吸热，第一冷凝器(29)、第二冷凝器(30)、第三冷凝器(31)出口的高温冷却液进入储热罐(34)中被储存，储热罐(34)中的高温冷却液进入循环换热器(18)放热。
2.如权利要求1所述的多槽并联碱性水电解制氢及余热回收***，其特征在于：包括纯水箱(1)、纯水箱(1)经补水泵(15)与氢侧洗涤器(7)液体进口连通，纯水箱(1)中的水通过补水泵(15)送至氢侧洗涤器(7)用来补充电解过程消耗的水。
3.如权利要求2所述的多槽并联碱性水电解制氢及余热回收***，其特征在于：所述氢侧第二气液分离器(11)液体出口与氢侧洗涤器(7)洗涤液入口连通，氢侧洗涤器(7)液体出口与氢侧第一气液分离器(5)液体入口连通，氧侧第二气液分离器(12)液体出口与氧侧洗涤器(8)洗涤液入口连通，氧侧洗涤器(8)的液体出口与第一气液分离器(6)液体入口连通；氢侧第一气液分离器(5)和氧侧第一气液分离器(6)相连通，氢侧第一气液分离器(5)和氧侧第一气液分离器(6)液体出口均通过管路依次经碱液过滤器(16)、碱液循环泵(17)与各电解槽(2)连通。
4.如权利要求3所述的多槽并联碱性水电解制氢及余热回收***，其特征在于：所述第一再生蒸发器(23)、第二再生蒸发器(24)、第三再生蒸发器(25)之间采用并联布置，所述第一冷凝器(29)、第二冷凝器(30)、第三冷凝器(31)之间也采用并联布置。
5.如权利要求1-4任一项所述的多槽并联碱性水电解制氢及余热回收***，其特征在于：所述氢侧蒸发器(9)冷却分离出的液体出口与氢侧洗涤器(7)洗涤液入口连通，氧侧蒸发器(10)冷却分离出的液体出口与氧侧洗涤器(8)洗涤液入口连通，氢侧蒸发器(9)和氧侧蒸发器(10)冷却分离出的液体最终汇集到碱液过滤器(16)进行过滤后经碱液循环泵(17)流回到电解槽(2)。
6.如权利要求1-4任一项所述的多槽并联碱性水电解制氢及余热回收***，其特征在于：所述脱氧蒸发器(22)、第一再生蒸发器(23)、第二再生蒸发器(24)、第三再生蒸发器(25)冷凝水出口通过管路分别与氢侧第一气液分离器(5)、氧侧第一气液分离器(6)的液体出口管路连通；所述的脱氧蒸发器(22)、第一再生蒸发器(23)、第二再生蒸发器(24)、第三再生蒸发器(25)冷凝氢气后分离出的水与氢侧第一气液分离器(5)、氧侧第一气液分离器(6)分离出的碱液汇合后一同流入碱液过滤器(16)进行过滤。
7.如权利要求6所述的多槽并联碱性水电解制氢及余热回收***，其特征在于：还包括用于调节制冷剂、冷却液、碱液或氢气流量的控制阀；
多个第一控制阀(35)分别安装在每个电解槽(2)进液口处，用于调节电解槽(2)入口碱液流量；第二控制阀(36)、第三控制阀(37)分别安装在氢侧蒸发器(9)、氧侧蒸发器(10)制冷剂入口管路上；第五控制阀(39)、第六控制阀(40)、第七控制阀(41)分别安装在第一冷凝器(29)、第二冷凝器(30)、第三冷凝器(31)的制冷剂入口管路上；第十一控制阀(45)、第十二控制阀(46)、第十三控制阀(47)分别安装在第一冷凝器(29)、第二冷凝器(30)、第三冷凝器(31)的冷却液管路上，通过调节第十一控制阀(45)、第十二控制阀(46)、第十三控制阀(47)改变与冷凝器进行热交换的冷却液流量，冷凝器可实现多股流体换热。
8.如权利要求7所述的多槽并联碱性水电解制氢及余热回收***，其特征在于：第十四控制阀(48)、第十五控制阀(49)、第十六控制阀(50)、第十七控制阀(51)、第十八控制阀(52)分别安装在循环蒸发器(19)、脱氧蒸发器(22)、第一再生蒸发器(23)、第二再生蒸发器(24)、第三再生蒸发器(25)的制冷剂入口管路上；在电解过程中调节蒸发器和冷凝器入口处的控制阀来改变制冷剂的流向及流量。
9.如权利要求7所述的多槽并联碱性水电解制氢及余热回收***，其特征在于：第八控制阀(42)、第九控制阀(43)、第十控制阀(44)均为三通阀；
第一冷凝器(29)、第二冷凝器(30)、第三冷凝器(31)的氢气入口管路分别通过第八控制阀(42)、第九控制阀(43)、第十控制阀(44)与储氢罐(57)连通，第十九控制阀(53)、第二十控制阀(54)分别安装在脱氧塔(21)与第二干燥塔(27)、第三干燥塔(28)的连通管路上；调节第八控制阀(42)、第九控制阀(43)、第十控制阀(44)、第十九控制阀(53)、第二十控制阀(54)、第四控制阀(38)改变干燥***中氢气的流向。
10.如权利要求7所述的多槽并联碱性水电解制氢及余热回收***，其特征在于：第四控制阀(38)、第二十一控制阀(55)均为三通阀，第四控制阀(38)安装在第二冷凝器(30)氢气出口管路上用于将第一冷凝器(29)、第二冷凝器(30)、第三冷凝器(31)氢气管路连通；第二十一控制阀(55)安装在碱液循环泵(17)出口管路上，将碱液循环泵(17)出口分成两个支路，循环换热器(18)和循环蒸发器(19)各设置在一个分支管路上。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311053737.5A CN117026268A (zh) | 2023-08-21 | 2023-08-21 | 一种多槽并联碱性水电解制氢及余热回收*** |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202311053737.5A CN117026268A (zh) | 2023-08-21 | 2023-08-21 | 一种多槽并联碱性水电解制氢及余热回收*** |
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| Publication Number | Publication Date |
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| CN117026268A true CN117026268A (zh) | 2023-11-10 |
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ID=88624251
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|---|---|
| CN (1) | CN117026268A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117888143A (zh) * | 2024-01-12 | 2024-04-16 | 航天长征化学工程股份有限公司 | 一种耦合电解制氢能效控制***及能效控制方法 |
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2023
- 2023-08-21 CN CN202311053737.5A patent/CN117026268A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN117888143A (zh) * | 2024-01-12 | 2024-04-16 | 航天长征化学工程股份有限公司 | 一种耦合电解制氢能效控制***及能效控制方法 |
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