碱性水电解制氢余热利用系统及方法与流程

本发明涉及制氢系统领域，尤其是涉及一种碱性水电解制氢余热利用系统及方法。

背景技术：

随着环保意识的普及，水电解氢成为目前最热门的制氢方式。碱性水电解制氢余热利用的一般工艺流程是：采用30％氢氧化钾或25％氢氧化钠水溶液为电解液，电解槽r通常在80±5℃条件下工作。在电解槽r通直流电的条件下水被电解成h2与o2，并与未被电解的碱液一起分别进入气液后处理装置中的氢、氧气液分离器，分离出来的气体再经过气体洗涤、冷却。在碱性水电解行业中，氧气通常不用，排空入大气中。氢气被利用，而通过上述简单处理后的氢气由于含水量较高及含有少量的氧。

在水电解制氢行业中由于电解水中通常采用隔膜把阴阳极分开，电解水出来的氢气纯度通常含有满足国家标准要求的氢气，但是此时氢气中含有的氧量对于工业用来说还是过高，所以通常采用脱氧塔中添加催化剂把微量的氧去除掉。为了满足催化剂的工作条件，在传统的脱氧过程是需要采用独立的电加热管对氢气进行加热，在加热过程中为了很好的控制氢气的温度，且耗费大量的热能。电加热管需要配套的plc逻辑控制及其配套的中间继电器、接触器、防爆管，防爆帽，热电偶等装置控制加热的温度，由于中间继电器、接触器、电加热管等相关电器设备多为易耗件，需要经常检修更换，加大了整个制氢的复杂度和难度及成本。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种碱性水电解制氢余热利用系统，能够利用电解碱液废热对分离后的氢气升温，以便于升温后的氢气在脱氧塔中于催化剂的作用下反应，无需额外的加热器，即节省了电加热管的设置且使氢气的制备更加简易。

本发明还提出一种碱性水电解制氢余热利用方法。

第一方面，本发明的一个实施例提供了一种碱性水电解制氢余热利用系统，包括：

电解系统，用于电解水以生成待处理氢气和待处理氧气；

氢气处理系统，用于将所述待处理氢气进行处理以获取待提纯氢气，所述待提纯氢气中含有微量氧气；

氧气处理系统，用于将所述待处理氧气进行处理以获取干净的氧气；

循环控制管路，用于控制所述电解系统分离出的碱液传输；

脱氧系统，用于将所述待提纯氢气中的微量氧气和微量氢气反应以获取纯净的氢气和水；

余热回收系统，用于连接所述循环控制管路与所述脱氧系统以将所述循环控制管路传输碱液的废热提供到所述脱氧系统中。

本发明实施例的一种碱性水电解制氢余热利用系统至少具有如下有益效果：通过余热回收系统将电解系统产生待处理氢气和待处理氧气后残留的碱液的废热，余热回收系统将废热利用到脱氧系统，以将碱液废热合理利用到脱氧系统，以使脱氧系统的工作环境满足催化剂反应的温度，从而使待提纯氢气中含有微量的氧气反应掉，通过利用碱液的废热提供给脱氧系统的工作温度，一方面节省了脱氧系统的额外热量，另一方面简化了氢气的脱氧步骤，使氢气体脱氧简易。

根据本发明的另一些实施例的一种碱性水电解制氢余热利用系统，还包括：碱液循环系统，用于连接所述循环控制管路以将所述电解系统分离出的碱液循环至所述电解系统。

根据本发明的另一些实施例的一种碱性水电解制氢余热利用系统，还包括：余热利用调节器，所述余热利用调节器用于调节所述余热回收系统的碱液分配量。

根据本发明的另一些实施例的一种碱性水电解制氢余热利用系统，所述氢气处理系统包括：

氢洗涤器，用于将所述待处理氢气中的微量碱洗涤去除；

第一氢冷却器，用于将洗涤后的所述待处理氢气进行冷却；

第一氢集水器，用于将冷却后的所述待处理氢气进行气、水分离以将所述待处理氢气中的微量水分离出来以得到水和所述待提纯氢气；

氢排水器，用于将水排放出系统外。

根据本发明的另一些实施例的一种碱性水电解制氢余热利用系统，所述待提纯氢气通入所述余热回收系统，所述脱氧系统包括：

脱氧塔，用于将通过所述余热回收系统的待提纯氢气中的微量氧气和微量氢气反应以输出氢气和水；

第二氢冷却器，用于将脱氧后的所述氢气和水分进行冷却；

第二氢集水器，用于将所述氢气和水分离出来，水通过所述氢排水器排出；

第一调节阀，用于控制调节系统的液位，保证液位平衡后将所述氢气排放出去。

根据本发明的另一些实施例的一种碱性水电解制氢余热利用系统，所述循环控制管路包括：

第一连接管路，用于传输所述电解系统分离出的碱液；

第二连接管路，用于连接所述第一连接管路；

第三连接管路，用于传输碱液；

若干循环控制阀，用于控制所述第二连接管路的碱液流通及循环；

循环泵，用于控制碱液流通以及循环提供动力；

所述余热回收系统包括：

第四连接管路，用于传输所述循环泵循环的部分碱液至所述余热回收系统；

第五氢处理管路，用于传输所述第一氢集水器分离出的待提纯氢气；

氢碱换热器，用于接收所述第四连接管路输入的碱液和所述第五氢处理管路的所述待提纯氢气，所述待提纯氢气通过所述氢碱换热器后升温；

第六氢处理管路，用于将升温后的所述待提纯氢气传输至所述脱氧塔。

根据本发明的另一些实施例的一种碱性水电解制氢余热利用系统，所述碱液循环系统包括：

第五连接管路，用于传输循环的碱液；

第六连接管路，用于连接所述第五连接管路并传输碱液；

碱液冷却器，用于将所述第五连接管路传输的碱液及第六连接管路传输的碱液进行冷却；

第七连接管路，用于传输冷却后的碱液，同时用于传输经过监测后的碱液至所述电解系统；

碱液流量计，用于监测碱液的流量。

根据本发明的另一些实施例的一种碱性水电解制氢余热利用系统，所述余热利用调节器为调节阀门，所述调节阀门设置于所述第五连接管路上用于调节碱液在所述氢碱换热器中的剂量。

第二方面，本发明的一个实施例提供了一种碱性水电解制氢余热利用方法，包括：

碱液在电解槽内电解后经过分离得到待处理氢气和待处理氧气；

待处理氧气经过分离、洗涤、冷却、排水处理后得到干净的氧气；

待处理氢气经过分离、洗涤、冷却、排水后得到待提纯氢气；

经过电解分离后的碱液通过循环控制管路循环至余热回收系统；

所述余热回收系统将所述待提纯氢气通入氢碱换热器使所述待提纯氢气升温；

升温后的所述待提纯氢气进入脱氧系统，所述脱氧系统将待提纯氢气中的氢气和氧气反应得到纯净的氢气和水。

本发明实施例的一种碱性水电解制氢余热利用方法至少具有如下有益效果：通过余热回收系统将电解碱液后产生的废热利用到脱氧系统，以使脱氧系统的工作环境满足催化剂反应的温度，从而使待提纯氢气中的氧气与氢气进行催化反应而脱去氧，通过利用碱液的废热为脱氧系统提供工作温度，一方面节省了脱氧系统的额外热量及其附属设备，另一方面简化了待提纯氢气的脱氧步骤，使待提纯氢气脱氧简易。

根据本发明的另一些实施例的一种碱性水电解制氢余热利用方法，还包括：

经过电解分离后的碱液进行冷却后回流至所述电解槽。

附图说明

图1是本发明实施例中一种碱性水电解制氢余热利用系统的模块框图；

图2是本发明实施例中一种碱性水电解制氢余热利用系统的流程原理图。

附图标记：100、电解系统；200、氢气处理系统；300、氧气处理系统；400、循环控制管路；500、脱氧系统；600、余热回收系统；700、碱液循环系统；800、余热利用调节器；a1、循环控制阀；a2、调节阀门；e1、氧冷却器；e2、第一氢冷却器；e3、第二氢冷却器；e4、碱液冷却器；e5、氢碱换热器；v1、氧分离器；v2、氢分离器；v3、氧洗涤器；v4、氢洗涤器；v5、氧集水器；v6、第一氢集水器；v7、第二氢集水器；v8、氧排水器；v9、氢排水器；vg1、第一调节阀；vg2、第二调节阀；p1、循环泵；r1、脱氧塔；f1、碱液流量计；k1、第一连接管路；k2、第二连接管路；k3、第三连接管路；k4、第四连接管路；k5、第五连接管路；k6、第六连接管路；k7、第七连接管路；h1、第一氢处理管路；h2、第二氢处理管路；h3、第三氢处理管路；h4、第四氢处理管路；h5、第五氢处理管路；h6、第六氢处理管路；h7、第七氢处理管路；h8、第八氢处理管路；h9、第九氢处理管路；o1、第一氧处理管路；o2、第二氧处理管路；o3、第三氧处理管路；o4、第四氧处理管路；o5、第五氧处理管路。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，如果涉及到方位描述，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。如果某一特征被称为“设置”、“固定”、“连接”、“安装”在另一个特征，它可以直接设置、固定、连接在另一个特征上，也可以间接地设置、固定、连接、安装在另一个特征上。

在本发明实施例的描述中，如果涉及到“若干”，其含义是一个以上，如果涉及到“多个”，其含义是两个以上，如果涉及到“大于”、“小于”、“超过”，均应理解为不包括本数，如果涉及到“以上”、“以下”、“以内”，均应理解为包括本数。如果涉及到“第一”、“第二”，应当理解为用于区分技术特征，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

参照图1，示出了本发明实施例中一种碱性水电解制氢余热利用系统的模块框图。本发明实施例公开了一种碱性水电解制氢余热利用系统，包括：电解系统100、氢气处理系统200、氧气处理系统300、循环控制系统、脱氧系统500、余热回收系统600；电解系统100用于电解碱溶液以生成待处理氢气和待处理氧气；氢气处理系统200用于将待处理氢气进行处理以获取待提纯氢气；氧气处理系统300用于将待处理氧气进行处理以获取干净的氧气；循环控制管路400用于控制电解系统100分离出的碱液传输；脱氧系统500用于将待提纯氢气中的氧气和氢气反应以获取纯净的氢气和水；余热回收系统600用于连接循环控制管路400与脱氧系统500以将循环控制管路400传输碱液的废热提供到脱氧系统500中。通过电解系统100产生待处理氢气和待处理氧气后，氧气处理系统300将待处理氧气进行处理以获得干净的氧气排出。氢气处理系统200将待处理氢气处理后得到的氢气含有微量的氧气，因此获取到待提纯氢气。通过脱氧系统500将待提纯氢气中的氧气和氢气通过催化剂加热以生成水进而将待提纯氢气中的氧气去除，由于脱氧系统500需要高温将氢气和氧气反应，所以通过余热回收系统600将电解系统100生成待处理氢气和待处理氧气后的碱液的热量回收以提供到脱氧系统500，因此节省额外的热量提供到脱氧系统500中，且能够循环使用碱液原有的热量，以节省脱氧系统500加热设备及相应控制设备的设置且简化了整个制氢系统的加工程序。

由于水电解制氢、氧过程过程为放热反应，为了维持系统正常运行，通常设立碱液冷却器，利用冷却水把热量带走，控制碱液循环温度，维持设备连续运行。现将水电解制氢、氧产生的热量运用于脱氧的过程中，即节省了碱液冷却器的设置，且节省了脱氧时采用的加热设备。

在一些实施例中，参照图1和图2，电解系统100包括：电解槽r、氢分离器v2、氧分离器v1，电解槽r用于电解碱性溶液以生成待处理氢气和待处理氧气，但电解槽r生成待处理氢气、待处理氧气分别与碱液混合在一起，氢分离器v2用于将待处理氢气和碱液正常分离后产生待处理氢气，而氧分离器v1用于将待处理氧气和碱液正常分离后产生待处理氧气。为保证系统正常工作，氢分离器v2和氧分离器v1内有一半容积是碱液。

氧气处理系统300包括：氧洗涤器v3、氧冷却器e1、氧集水器v5、氧排水器v8、第二调节阀vg2，氧洗涤器v3与氧分离器v1连接有第二氧处理管路o2，待处理氧气通过第二氧处理管路o2流入到氧洗涤器v3，氧洗涤器v3用于将待处理氧气中的微量碱液洗涤干净。氧冷却器e1与氧洗涤器v3连接有第三氧处理管路o3，洗涤后的待处理氧气通过氧冷却器e1，氧冷却器e1用于将洗涤后的待处理氧气进行冷却，以便于把氧气中的水分冷凝下来。氧冷却器e1和氧集水器v5连接有第四氧处理管路o4，且氧集水器v5和氧排水器v8连接。氧集水器v5用于将待处理氧气之中的氧气和微量水分离出来，氧集水器v5分离出来的水通过氧排水器v8排放出来。氧集水器v5与第二调节阀vg2之间连接有第五氧处理管路o5，集水器分离出的氧气通过第五氧处理管路o5流到第二调节阀vg2，通过第二调节阀vg2调节系统压力后将氧气排出。通过氧洗涤器v3、氧冷却器e1、氧集水器v5、氧排水器v8、第二调节阀vg2对电解后的待处理氧气进行洗涤、冷却、分离水等方式以排出干净的氧气。

氢气处理系统200包括：氢洗涤器v4、第一氢冷却器e2、第一氢集水器v6、氢排水器v9，由于氢气中携带有微量的碱和氧气，氢洗涤器v4用于将氢气体中的微量碱洗涤去除；第一氢冷却器e2，用于将洗涤后的氢进行冷却，以便于将氢气中的水分冷凝下来；第一氢集水器v6用于将冷却后的氢气进行气、水分离以将氢气中的微量水分离出来以得到水和待提纯氢气；氢排水器v9，用于将水排放出去。经过氢分离器v2分离碱液后得到待处理氢气，且氢分离器v2和氢洗涤器v4之间连接有第二氢处理管路h2，待处理的氢气通过第二氢处理管路h2流到氢洗涤器v4将微量的碱液洗除。氢洗涤器v4和第一氢冷却器e2连接有第三氢处理管路h3，通过第三氢处理管路h3将洗涤后的待处理氢气流到第一氢冷却器e2进行冷却，第一氢冷却器e2与第一氢集水器v6连接有第四氢处理管路h4，冷却后的氢气通过第四氢处理管路h4流到第一氢集水器v6中将待处理氢气中的微量水分分离以得到待提纯氢气，分离后的水通过氢排水器v9排出。通过氢洗涤器v4、第一氢冷却器e2、第一氢集水器v6、氢排水器v9将待处理氢气中的微量碱液和微量水去除，以得到含有微量氧气的待提纯氢气。

循环控制管路400包括：第一连接管路k1、第二连接管路k2、第三连接管路k3、第五连接管路k5、第七连接管路k7、循环控制阀a1、循环泵p1，氢分离器v2和氧分离器v1连接有第一连接管路k1，第一连接管路k1连接第二连接管路k2，以便于氢分离器v2和氧分离器v1分离出来的碱液通过第一连接管路k1流到第二连接管路k2。若干个循环控制阀a1的设置能够控制碱液通过循环泵p1稳定循环。在本实施例中循环控制阀a1设置四个且分别定义为第一循环控制阀a1-1、第二循环控制阀a1-2、第三循环控制阀a1-3以及第四循环控制阀a1-4。其中第一循环控制阀a1-1设置在第二连接管路k2管路上。第二循环控制阀a1-2及第三循环控制阀a1-3分别设置在循环泵p1的前面和后面，第四循环控制阀a1-4设置在第二连接管路k2对外连接。其中第一循环控制阀a1-1关闭、第四循环控制阀a1-4打开用于系统开始机前向系统注入碱液；第一循环控制阀a1-1打开、第四循环控制阀a1-4关闭用于系统开机后碱液循环。第二循环控制阀a1-2设置在循环碱泵p1前，第三循环控制阀a1-3设置在循环碱泵p1后，当循环碱泵p1故障需要拆下检修时关闭第三循环控制阀a1-3及第二循环控制阀a1-2控制阀门，第三循环控制阀a1-3控制阀门的另外一个功能就是调节总的碱液循环量。循环泵p1为碱液流通提供动力。

余热回收系统600包括：第四连接管路k4、第五氢处理管路h5、氢碱换热器e5、第六氢处理管路h6、第六连接管路k6；第四连接管路k4用于传输循环泵p1利用的部分碱液；第五氢处理管路h5用于传输第一氢集水器v6分离出的待提纯氢气至氢碱换热器e5；氢碱换热器e5用于接收第四连接管路k4输入的碱液和第五氢处理管路h5的待提纯氢气，待提纯氢气通过氢碱换热器e5后升温；第六氢处理管路h6用于将升温后的待提纯氢气传输至脱氧系统500，第六处理管路用于将氢碱换热器e5流出的碱液输送至碱液冷却器e4。由于分离出的碱液一般在85℃～90℃之间，而氢气通过氢碱换热器e5后利用碱液的废热实现自身的升温，温度能提升到约85℃提升温度后的待提纯氢气通过第六氢处理管路h6流到脱氧系统500进行脱氧。待提纯氢气通过氢碱换热器e5进行升温，以循环利用碱液废热，实现废热利用的节能环保效果。

脱氧系统500包括：脱氧塔r1、第二氢冷却器e3、第二氢集水器v7、第一调节阀vg1；脱氧塔r1用于将通过余热回收系统600的待提纯氢气中的氧气和氢气反应以输出氢气和水；第二氢冷却器e3用于将脱氧后的氢气和水进行冷却；第二氢集水器v7用于将氢气和水分离出来，水通过氢排水器v9排出；第一调节阀vg1用于将控制分离器液位平衡后的氢气输出本系统。脱氧塔r1和第二氢冷却器e3之间设有第七氢处理管路h7，第二氢冷却器e3和第二氢集水器v7之间连接有第八氢处理管路h8，第二氢集水器v7和第一调节阀vg1之间连接有第九氢处理管路h9。由于脱氧塔r1中设有催化剂，催化剂要求氢氧反应的条件为催化剂的工作温度要求60℃以上，而待提纯氢气通过氢碱换热器e5利用碱液废热将自身的温度提升到约85℃，提升温度后的待提纯氢气进入脱氧塔r1中，由于待提纯氢气加热后满足催化剂工作的起始温度，则在脱氧塔r1中待提纯氢气中的氢气和微量氧气反应生成水，由于氢氧反应为放热反应则脱氧塔r1内的温度再次被提升，进一步促进催化反应，反应完成的氢气混合着水汽经过第七氢气处理管路h7进入第二氢冷却器e3，经过冷却后的氢气在第二氢集水器v7进行气水分离，分离出来的水通过氢排水器v9排出，氢气通过第九氢处理管路h9再流到第一调节阀vg1，第一调节阀vg1调节液位平衡后以将氢气输出本系统外。通过利用碱液的废热到脱氧塔r1中进行加热反应，以节省额外采用加热设备提供高温环境，一方面节省了加热设备的设置及其消耗的电能，减少了相应设备的采购与维护，另一方面简化了氢氧反应的操作。

在一些实施例中，一种碱性水电解制氢余热利用系统还包括：碱液循环系统700和余热利用调节器800，碱液循环系统700用于连接循环控制管路400以将电解系统100分离出的碱液再次输入电解系统100。余热利用调节器800用于调节余热回收系统600和碱液循环系统700之间的碱液分配量。通过碱液循环系统700将氢分离器v2和氧分离器v1的碱液重新流回电解槽r，以使碱液能够继续分解出氢气和氧气。通过余热利用调节器800以分配流入到氢碱换热器e5中的分配量，以实现合理的分配。既能够使氢气利用碱液的废热进行温度提升，也能够保证碱液在碱液冷却器e4的作用下控制系统工作温度继续分解。

在一些实施例中，碱液循环系统700包括：第五连接管路k5、碱液冷却器e4、第六连接管路k6、碱液流量计f1、第七连接管路k7；第五连接管路k5用于传输将循环泵p1循环的碱液；碱液冷却器e4用于将第五连接管路k5传输的部分碱液以及流经氢碱换热器e5后流经第六连接管路k6的部分碱液进行集中冷却；第七连接管路k7用于传输冷却后的碱液；碱液流量计f1用于监测碱液的流量；同时第七连接管路k7用于传输经过监测后的碱液至电解系统100。碱液通过第六连接管路k6及第五连接管路k5流经碱液冷却器e4后进行集中冷却，碱液冷却器e4在通入外部冷却水的作用下把碱液冷却到工艺系统要求。碱液通过余热利用调节器800进行分配，然后分配好的碱液通过氢碱换热器e5再经过第六连接管路k6再流入碱液冷却器e4后续再流到碱液流量计f1进行系统监测，然后碱液通过第七连接管路k7流回电解槽r，以便于循环碱液继续电解出氢气和氧气。

余热利用调节器800为调节阀门a2，调节阀门a2设置于第五连接管路k5上用于调节碱液在氢碱换热器e5中的分配量，保证待处理氢气温度能达到约85℃。氢碱换热器e5和碱液冷却器e4之间连接有第六连接管路k6，以将氢碱换热器e5内的碱液通过第六连接管路k6流到碱液冷却器e4，在控制总的碱液温度后回流至电解槽r。通过调节阀门a2调节碱液在氢碱换热器e5的分配量，以实现合理分配。

在一些实施例中，本发明实施例公开了一种碱性水电解制氢余热利用方法，包括：

碱液在电解槽内电解后经过分离得到待处理氢气和待处理氧气；

待处理氧气经过分离、洗涤、冷却、排水处理后得到干净的氧气；

待处理氢气经过分离、洗涤、冷却、排水后得到待提纯氢气；

经过电解分离后的碱液通过循环控制管路循环至余热回收系统；

余热回收系统将待提纯氢气通入氢碱换热器使待提纯氢气升温；

升温后的待提纯氢气进入脱氧系统，脱氧系统将待提纯氢气中的氢气和氧气反应得到纯净的氢气和水。把余热回收系统中碱液的废热利用到脱氧系统以提供一个高温的工作环境，以便于催化剂能够达到工作的起始温度。以循环利用碱液的余热，一方面节省脱氧系统的额外的电加热设备、配套防爆设备及其消耗的电能，另一方面能够简化了氢气脱氧的步骤，使氢气脱氧更加简易。

一种碱性水电解制氢余热利用方法还包括：经过电解分离后的碱液进行冷却后回流至电解槽。

其中，一种碱性水电解制氢余热利用方法的具体工作过程参照一种碱性水电解制氢余热利用系统，在此不再赘述。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。