一种大型碱性电解水制氢装置的综合热管理系统的制作方法

本申请涉及电解水制氢生产系统，更具体地说，它涉及一种大型碱性电解水制氢装置的综合热管理系统。

背景技术：

电解水制氢其为在充满电解液的电解槽中通入直流电，水分子在电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气。当前生产过程中为提高水的离子导电率以及减少电解水制氢过程中其他杂离子的干扰，一般其电解液采用碱液（naoh溶液），其工艺和生产系统称为碱性电解水制氢工艺及其系统。

同时目前大型碱性电解水制氢过程中由于制取量大、电解过程中对碱液的加热，使得两个电极分别采出的氢气气相和副产品氧气气相具体体积流量大、夹带有碱液液雾、高温的特性。一方面为对所得氢气、氧气分离碱液提纯，另一方面回收氢气气相和氧气气相中的热量，故会大型碱性电解水制氢配置有热管理系统。

例如在氢气气相、氧气气相进行气液分离前使用换热其进行换热回收热量，冷凝氢气气相、氧气气相中的水蒸气，便于氢气、氧气的提纯，另一方面将回收的热量加热由气液分离回收的循环碱液。并且该系统还对高功率电解水制氢过程中多余的回收热量，即在气相回收热量在满足循环碱液加热所需热量外的多余热量，进行收集，将多余的较高温度的换热介质储存于储热罐中。

发明人研究发现其仍存在有不足之处，由于将氢气中回收热量、氧气中回收热量统合，并通过多次传递以加热循环碱液，受氢气氧气的流量、含水量在电解过程中周期性小范围波动，回收热量对循环碱液加热效果亦存在波动；另一方面储热罐储在高功率电解过程中储存较高温度的换热介质，储存过程中对氢气气相、氧气气相间接换热回收热量的换热管路中换热介质的量不断减少，需要补充换热介质，补充的换热介质温度与流出换热介质的温度不符，使换热系统波动，且该系统波动还会影响到采出至储热罐内的换热介质温度，形成反馈循环，导致换热系统温度波动时间增长、加热稳定性降低，工况动态平衡难。

并且低功率电解时将较高温度的换热介质接入原有对循环碱液加热的换热管路中进行辅助加热，但增加后的换热介质体积必然与原有管道储量不符，多余的换热介质必然需要有所储存装置，辅助加热的使用时间受储热罐大小限制，储热罐内原有较高温度的换热介质使用完毕后无法在进行辅助加热，对生产继续造成阻碍，并且过大的储热罐使得设备成本、换热介质用量成本以及保温成本大为提高。

技术实现要素：

为了提高碱性电解水装置综合热管理系统回收热量加热效果稳定性，本申请提供一种大型碱性电解水制氢装置的综合热管理系统。

本申请提供一种大型碱性电解水制氢装置的综合热管理系统，采用如下的技术方案：

一种大型碱性电解水制氢装置的综合热管理系统，包括碱性电解水制氢单元、热量回收单元、热量再分配单元、气相处理单元和液相循环单元，

所述碱性电解水制氢单元包括电解槽，所述电解槽设有液碱循环进口；

所述气相处理单元包括氢气气液分离器，氧气气液分离器；

所述电解槽与氢气气液分离器之间连接有氢气采出管段，所述电解槽与氧气气液分离器之间连接有氧气采出管段；

所述热量回收单元包括综合换热器、安装于氢气采出管段上的氢气热量回收换热器和安装于氧气采出管段上的氧气热量回收换热器；

所述综合换热器内设有与换热介质接触的储热仓，所述储热仓封闭存有储热介质，所述储热介质包括溶解焓变体、相变材料两者中一者或两者，所述溶解焓变体为溶解焓变材料与溶解焓变材料的饱和溶液的混合物；

所述氢气热量回收换热器与氧气热量回收换热器并连；

所述氢气热量回收换热器的冷流出口和氧气热量回收换热器的冷流体出口连接于综合换热器的热流体进口；

所述液相循环单元包括碱液循环管段，所述碱液循环管段安装有碱液循环泵，且所述碱液循环管段连接气相处理单元液相采出的碱液和电解槽；

所述热量再分配单元包括安装于碱液循环管段上的再分配换热器以及辅助加热器，所述再分配换热器位于碱液循环泵下游，再分配换热器冷流体进出口与碱液循环管段连接，再分配换热器的热流体进出口分别连接于综合换热器的冷流体进出口；

所述辅助加热器位于再分配换热器下游。

通过采用上述技术方案，首先本申请中采用辅助加热器对循环碱液加热，不使用储热桶储存而外的换热介质，避免换热介质采出换热管道、并入原有换热管道引起的温度波动，以及免除换热介质引出后补充新换热介质、换热介质并入后原有换热介质排出储存的问题，减少综合热管理系统工作稳定性的不良影响因素。

再者，本申请中在综合换热器内设有封闭的储热仓，储热仓与换热介质接触，使得储热仓内的储热介质与综合换热器内流动的换热介质进行换热，通过相变或溶解或析出溶质的方式，储存热量。

由于综合换热器兼具将氢气中回收热量、氧气中回收热量统合和加热再分配换热器所用热流体两个作用，故综合换热器对再分配换热器所用热流体加热温度的稳定性受到氢气/氧气生产量、氢气/氧气采出时含水量等影响，而氢气/氧气生产量、氢气/氧气采出时含水量又受电解槽电压、电解槽内碱液纯度以及碱液温度等因素影响，电解槽内碱液纯度以及碱液温度受循环碱液温度和纯度直接相关，故而综合换热器中从氢气/氧气中回收热量的热量体温度存在波动，且该波动具有呈周期性的特性，对氢气、氧气的生产量存在干扰，易出现生产过程中参数错误报警，影响生产监测。

故而储热介质工作初期即存储能量，在综合加热器传热温差值减小时，释放能量，缓和温差值导致传热效率降低对循环碱液加热效果的影响，提高综合热管理系统工作稳定性，并减少生产过程中参数错误报警的可能。

优选的，所述储热仓位于综合换热器的冷流体流动腔中。

通过采用上述技术方案，本申请中储热仓中储热介质对冷流体受热不足时，直接释放热量加热，即提高了储热介质对冷流体的传热效率，同时利用综合换热器中热流体对冷流体换热存在传热效率的情况，进一步弱化冷流体的温度波动。

优选的，所述储热仓中为溶解焓变体、相变材料的混合材料。

通过采用上述技术方案，相变材料储能量大，溶解焓变体能量释放在温度梯度上分布更均匀，两者混合使用，对温度波动的缓冲效果更好。

优选的，所述热量回收单元还包括安装于氢气热量回收换热器与电解槽之间的氢气侧直接预热器、安装于氧气热量回收换热器与电解槽之间的氧气侧直接预热器，所述气相处理单元包括输送气相中分离出液相的液相输送管，所述液相输送管的下游分别与氧气侧直接预热器、氢气侧直接预热器连接，所述氧气侧直接预热器、氢气侧直接预热器内气液相直接接触换热，所述氧气侧直接预热器、氢气侧直接预热器还同时连接于碱液循环管段。

通过采用上述技术方案，以循环碱液与氢气采出、氧气采出直接混合换热，对氢气、氧气降温，同时提高循环碱液的温度，提高氢气/氧气热量回收效率。

优选的，所述液相输送管分为连接氢气气液分离器的氢气侧输送管、连接氧气气液分离器的氧气侧输送管。

通过采用上述技术方案，由氢气气液分离器分离出的循环碱液与氢气混合换热，由氧气气液分离器分离出的循环碱液与氧气混合换热，由此避免循环碱液中溶解气体对产品造成交叉污染。

优选的，所述氧气侧直接预热器、氢气侧直接预热器为填料塔。

通过采用上述技术方案，减少氢气采出、氧气采出换热后的液雾夹带，同时提高换热效率。

优选的，所述液相循环单元还包括位于碱液循环泵上游的碱液过滤器。

通过采用上述技术方案，减少循环碱液带入电解槽内的杂质。

优选的，所述储热仓外设有连接内部的活塞管，所述活塞管内密封滑动连接有压变活塞。

通过采用上述技术方案，储热仓内体积可根据内容物温度变化而适应变化，减少储热仓容器压力需求，使得储热仓仓壁厚度减小，利于传热。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1.采用辅助加热器对循环碱液加热，不使用储热桶储存而外的换热介质，避免换热介质采出换热管道、并入原有换热管道引起的温度波动，以及免除换热介质引出后补充新换热介质、换热介质并入后原有换热介质排出储存的问题，减少综合热管理系统工作稳定性的不良影响因素；

2.利于综合换热器内储热仓的储热介质工作初期即存储能量，在综合加热器传热温差值减小时，释放能量，缓和温差值导致传热效率降低对循环碱液加热效果的影响，提高综合热管理系统工作稳定性，并减少生产过程中参数错误报警的可能；

3.以循环碱液与氢气采出、氧气采出直接混合换热，对氢气、氧气降温，同时提高循环碱液的温度，提高氢气/氧气热量回收效率。

4.储热仓连接带有密封滑动的活塞，其内体积可根据内容物温度变化而适应变化，减少储热仓容器压力需求，使得储热仓仓壁厚度减小，利于传热。

附图说明：

图1为实施例1中综合热管理系统的示意图；

图2为综合换热器的示意图；

图3为活塞管的示意图；

图4为实施例2中综合热管理系统的示意图。

附图标记：1、碱性电解水制氢单元；11、电解槽；12、整流变压器；2、气相处理单元；21、氢气气液分离器；22、氧气气液分离器；23、氢气后处理装置；24、氧气后处理装置；25、氢气采出管段；26、氧气采出管段；27、氢气侧输送管；28、氧气侧输送管；3、热量回收单元；31、氢气热量回收换热器；32、氧气热量回收换热器；33、综合换热器；331、壳体；332、管束；3321、换热通管；333、封头；334、冷流进口；335、冷流出口；336、热流出口；337、热流进口；338、管板；339、储热仓；3391、活塞管；3392、压变活塞；34、综合换热分流器；35、氢气侧直接预热器；36、氧气侧直接预热器；4、液相循环单元；41、碱液循环管段；42、碱液过滤器；43、碱液循环泵；5、热量再分配单元；51、再分配换热器；52、辅助加热器。

具体实施方式

以下结合附图1-4对本申请作进一步详细说明。

实施例1

大型碱性电解水制氢装置的综合热管理系统，如附图1所示，包括碱性电解水制氢单元1、热量回收单元3、热量再分配单元5、气相处理单元2和液相循环单元4。

碱性电解水制氢单元1包括电解槽11和与电解槽11电连接的整流变压器12。电解槽11内设有正极室和负极室，正极室和负极室存储有碱液且两者之间以离子隔膜分隔。由整流变压器12向电解槽11通电，电解电解槽11内的碱液。

气相处理单元2包括氢气气液分离器21，氧气气液分离器22、氢气后处理装置23、氧气后处理装置24。

电解槽11与氢气气液分离器21之间连接有氢气采出管段25，氢气采出管段25连接氢气气液分离器21和电解槽11，氢气气液分离器21的气相采出与氢气后处理装置23连通，氢气气液分离器21的液相采出通往液相循环单元4。电解槽11内电解氢气采出混合气相（混有碱液液雾）沿氢气采出管段25进入氢气气液分离器21，分离的气相进入氢气后处理装置23，分离的液相进入液相循环单元4。

电解槽11与氧气气液分离器22之间连接有氧气采出管段26，氧气采出管段26连接氧气气液分离器22和电解槽11。氧气气液分离器22的气相采出与氧气后处理装置24连通，氧气气液分离器22的液相采出通往液相循环单元4。电解槽11内电解氧气采出混合气相（混有碱液液雾）沿氧气采出管段26进入氧气气液分离器22，分离的气相进入氧气后处理装置24，分离的液相进入液相循环单元4。

热量回收单元3包括安装于氢气采出管段25上的氢气热量回收换热器31和安装于氧气采出管段26上的氧气热量回收换热器32。

氢气热量回收换热器31的热流体进出口于氢气采出管段25接合，氢气采出管段25中物料通过氢气热量回收换热器31后进入氢气气液分离器21。

氧气热量回收换热器32的热流体进出口于氧气采出管段26接合，氧气采出管段26中物料通过氧气热量回收换热器32后进入氧气气液分离器22。

热量回收单元3还包括综合换热器33，氢气热量回收换热器31的冷流体出口、氧气热量回收换热器32冷流体出口同时接于综合换热器33的热流体进口，综合换热器33的热流体出口连接有综合换热分流器34，综合换热分流器34的下游连接氢气热量回收换热器31的冷流体进口、氧气热量回收换热器32冷流进出口。

综合换热器33与氢气热量回收换热器31之间循环有换热介质，综合换热器33与氢气热量回收换热器31之间循环有换热介质。

如附图2所示，综合换热器33为间壁式换热器，其可以为管壳式换热器和板式换热器中的一者，此处以夹套式换热器为例，综合换热器33采用并流或对流根据综合换热器33负荷而定。

综合换热器33包括位于外侧的壳体331、位于壳内的管束332、安装于壳体331两端的封头333。

壳体331成中空筒状，其侧面设置有连通内部的冷流进口334和冷流出口335，冷流进口334和冷流出口335即为综合换热器33冷流体进出口。

封头333数量为二，分别密封固定于壳体331两端，且两个封头333上均设有管口。两个管口分布为热流出口336和热流进口337，热流出口336和热流进口337即为综合换热器33热流体进出口。

同时壳体331内还固定有垂直壳体331长度方向的管板338，管板338数量为多个且沿壳体331长度方向间隔分布。管板338的数量、换热通管3321数量、换热通管3321的直径根据综合换热器33负荷而定，附图中管板338的数量、换热通管3321数量以及换热通管3321的直径为便于清晰表示综合换热器33结构仅做示意。

其中两个管板338封闭壳体331的两端端口，管束332包括多个换热通管3321，换热通管3321与壳体331平行，且换热管道的两端贯穿壳板，两个封头333内部空间与换热通管3321内部空间连通形成供综合换热器33内热流体流动的换热空间，壳体331内侧与换热通管3321外侧之间形成供综合换热器33内冷流体流动的换热空间。

综合换热器33还包括储热仓339，储热仓339数量为多个，根据综合换热器33负荷需求而定，其呈管状，储热仓339位于壳体331内部，且贯穿固定于管板338上。

如附图3所示，储热仓339的一端封闭，另一端连接有同轴的活塞管3391，活塞管3391内密封滑动连接有压变活塞3392。储热仓339储存有储热介质，储热介质为溶解焓变体、相变材料两者中一者或两者。相变材料吸收热量由固体转化为液态，且为非晶体材料，此次为玻璃化温度区间为70~90的混合脂肪烃蜡。溶解焓变体为溶解焓变材料与溶解焓变材料的饱和溶液的混合物，溶解焓变材料溶解过程中释放热量，例如亚硝酸钙、氢氧化铯等。此处储热仓339内储热介质为溶解焓变体、相变材料的混合材料。

如附图1所示，液相循环单元4包括碱液循环管段41，碱液循环管段41的上游同时与氢气气液分离器21的液相采出、氧气气液分离器22的液相采出连接，碱液循环管段41的下游与电解槽11连接。

碱液循环管段41自上游气相处理单元2向下游电解槽11依次安装有碱液过滤器42、碱液循环泵43，将氢气气液分离器21和氧气气液分离器22分离出的碱液循环回电解槽11中。

热量再分配单元5包括再分配换热器51以及辅助加热器52，再分配换热器51和辅助加热器52均接入碱液循环管段41，再分配换热器51和辅助加热器52均位于碱液循环泵43下游，且其中再分配换热器51位于辅助加热器52上游。

再分配换热器51冷流体进出口与碱液循环管段41连接，再分配换热器51的热流体进出口分别连接于综合换热器33的冷流体进出口，再分配换热器51与综合换热器33之间循环有换热介质，由此使得综合换热器33对再分配换热器51的热流体加热，再由再分配换热器51加热流经再分配换热器51的循环碱液。

实施例1的工作过程：

电解槽11内电解采出的氢气/氧气，经过氢气热量回收换热器31/氧气热量回收换热器32换热而降温，再进入氢气气液分离器21/氧气气液分离器22分离气液相。气相采出的其他通往后续处理。液相采出的循环碱液通往液相循环单元4，沿碱液循环管段41通往电解槽11。

同时氢气热量回收换热器31/氧气热量回收换热器32回收热量由经综合换热器33换热，传递给综合换热器33的冷流体以及储热仓339中的储热介质。

再由综合换热器33的冷流体对再分配换热器51中的循环碱液加热，预热循环碱液。并且在电解槽11低功率工作期间，以辅助加热器52辅助预热循环碱液，维持循环碱液预热温度达到工艺参数要求。

本实施例中采用辅助加热器52对循环碱液加热，不使用储热桶储存而外的换热介质，避免换热介质采出换热管道、并入原有换热管道引起的温度波动，以及免除换热介质引出后补充新换热介质、换热介质并入后原有换热介质排出储存的问题，减少综合热管理系统工作稳定性的不良影响因素。

另一方面，综合换热器33内设有封闭的储热仓339，储热仓339与换热介质接触，使得储热仓339内的储热介质与综合换热器33内流动的换热介质进行换热，通过相变或溶解或析出溶质的方式，储存热量。储热介质工作初期即存储能量，在综合加热器传热温差值减小时，释放能量，缓和温差值导致传热效率降低对循环碱液加热效果的影响，提高综合热管理系统工作稳定性，并减少生产过程中参数错误报警的可能。

实施例2

大型碱性电解水制氢装置的综合热管理系统，如附图4所示，基于实施例1的基础上，其区别之处在于实施例2中热量回收单元3还包括氢气侧直接预热器35、氧气侧直接预热器36。气相处理单元2包括输液相输送管，分为连接氢气气液分离器21的氢气侧输送管27、连接氧气气液分离器22的氧气侧输送管28。

氢气侧直接预热器35安装并接入氢气采出管段25，电解槽11中氢气采出流经氢气侧直接预热器35后，再进入氢气热量回收换热器31。

氢气侧输送管27的上游连接氢气气液分离器21的液相采出，其下游连接氢气侧直接预热器35顶部，故而氢气气液分离器21分离的循环碱液进入氢气侧输送管27，并与电解槽11的氢气采出直接接触换热。

氧气侧直接预热器36与氢气侧直接预热器35相似，亦未填料塔，其填料塔大小根据氧气气采出量规模以及循环碱液量而定。氧气侧直接预热器36安装并接入氧气采出管段26，电解槽11中氧气采出流经氧气侧直接预热器36后，再进入氧气热量回收换热器32。

氧气侧输送管28的下由连接氧气侧直接预热器36顶部，故而氧气气液分离器22分离的循环碱液进入氧气侧输送管28，并与电解槽11的氧气采出直接接触换热，

同时碱液循环管段41的上游改接于氢气侧直接预热器35和氧气侧直接预热器36的底部。氧气侧直接预热器36与氢气侧直接预热器35中换热后的碱液流经碱液过滤器42、再分配换热器51、辅助加热器52进入电解槽11。

实施例2的改进优点：以循环碱液与氢气采出、氧气采出直接混合换热，对氢气、氧气降温，同时提高循环碱液的温度，提高氢气/氧气热量回收效率。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。