一种水电解装置及方法与流程

1.本发明涉及一种水电解装置及方法。


背景技术：

2.在能源转型中，氢能的利用可以实现大规模、高效可再生能源的消纳，实现无碳能源的循环利用，兼具绿色与高效的特点，符合我国清洁低碳、安全高效的能源政策和战略方向。在目前的各种制氢技术中，电解水制氢因其产品纯度高、技术成熟、可实现大规模分布式利用、容易与可再生能源耦合等特点，将在可再生能源的助推下走向主流。利用可再生能源规模化低成本电解水制氢，将是未来氢能产业发展的战略方向。
3.相比其他制氢技术，电解水制氢成本较高，如何降低成本成为电解水制氢的重要研究方向。从未来趋势看，可再生能源成本不断下降，加上政府的政策支持，以及氢能产业链上下游企业的不断探索，绿色电解水制氢的商业模式会趋于成熟，规模化将为水电解制氢带来大幅设备成本下降空间，随着可再生能源尤其是太阳能和风能成本的走低，电解水的用电成本有望大幅下降。为使电解水制氢更具有竞争力，除了降低设备成本和电价以外，还需要想方设法降低附属设施的成本。
4.由于风力发电和光伏发电具有波动性，不能持续地提供稳定的电能输出，这就要求电解装置有较高的动态响应能力，可根据供电情况灵活调节负荷。目前使用最为普遍的碱液电解槽，电解液的电导率在一定范围内随着温度的升高而增加，随温度降低而下降。电解槽停车后，电解液因自然散热而温度降低，导致电导率下降，重新启动时电解液的升温较慢，无法快速提升负荷。如果在电解槽停车后能维持电解液的温度，重启后就能快速响应以适应风电及光电的频繁波动，更好地与风电及光电耦合。
5.传统电解水装置，碱液的冷却一般采用来自开式凉水塔的循环水。当电解水装置规模较大时，所需循环水量很大，凉水塔因蒸发损失所需要的补水量较大。尤其在缺水地区，因凉水塔补水带来的运行成本较高。
6.仍需要使电解槽能够快速提升负荷，实现动态快速响应，并且减少水电解装置及方法的成本。


技术实现要素：

7.本发明的目的是使电解槽能够快速提升负荷，实现动态快速响应。
8.本发明的另一个目的是减少水电解装置及方法的成本。
9.本发明提供了一种水电解装置，包括
10.一个或多个电解槽，用于电解碱液以产生氢气和氧气；
11.氢气分离器和/或氧气分离器，用于分离电解产生的气体和夹带的碱液；
12.使氢气分离器和/或氧气分离器分离出的碱液返回电解槽的管线；和
13.碱液冷却器，用于冷却要返回电解槽的碱液，
14.其中所述管线设置有加热旁路，能用于加热要返回电解槽的碱液，且所述管线和
加热旁路设置为能够使要返回电解槽的碱液通过或不通过所述加热旁路。
15.本发明还提供了一种水电解装置，包括
16.一个或多个电解槽，用于电解碱液以产生氢气和氧气；
17.氢气分离器和/或氧气分离器，用于分离电解产生的气体和夹带的碱液；
18.使氢气分离器和/或氧气分离器分离出的碱液返回电解槽的管线；和
19.碱液冷却器，用于冷却要返回电解槽的碱液，
20.其中所述碱液冷却器使用空冷闭式循环水系统。
21.本发明在传统的电解水制氢装置碱液冷却系统上，采用空冷闭式循环水系统，避免传统蒸发式开式凉水塔补水的消耗，同时提高循环水给水和回水温度，减小换热面积，从而减少循环水站的换热设备投资。高温的回水可用于厂区或附近生活区的采暖，回收热量的同时降低回水温度，从而降低循环水站的能耗。
22.电解水装置中采用高效换热器进行碱液冷却，以降低设备成本。碱液循环管线可以设置蒸汽或电加热旁路，在电解槽停车后维持碱液温度，或电解槽重启时对碱液进行预热，使电解槽能够快速提升负荷，实现动态快速响应。
23.电解水装置中碱液冷却器可直接采用空冷，降低设备投资。
24.当多组电解槽共用一套碱液循环系统时，若供电负荷波动导致电解水制氢装置需要降负荷生产，可停掉同组中的部分电解槽，其余电解槽中的碱液仍保持循环运行状态，从而维持碱液温度，重启时快速提升负荷。
附图说明
25.图1是根据本发明一个实施方案的水电解装置图；
26.图2是根据本发明另一个实施方案的水电解装置图；
27.图3是根据本发明另一个实施方案的水电解装置图；
28.图4是根据本发明另一个实施方案的水电解装置图；
29.图5是根据本发明另一个实施方案的水电解装置图。
具体实施方式
30.在一个方面中，本发明涉及一种水电解装置，包括
31.一个或多个电解槽，用于电解碱液以产生氢气和氧气；
32.氢气分离器和/或氧气分离器，用于分离电解产生的气体和夹带的碱液；
33.使氢气分离器和/或氧气分离器分离出的碱液返回电解槽的管线；和
34.碱液冷却器，用于冷却要返回电解槽的碱液，
35.其中所述管线设置有加热旁路，能用于加热要返回电解槽的碱液，且所述管线和加热旁路设置为能够使要返回电解槽的碱液通过或不通过所述加热旁路。
36.在一个方面中，所述加热旁路是电加热旁路或蒸汽加热旁路。
37.在一个方面中，所述管线和加热旁路设置为能够使要返回电解槽的碱液在电解槽中的一个或多个停车后通过所述加热旁路。
38.在一个方面中，所述管线和加热旁路设置为能够使要返回电解槽的碱液在温度低于60℃或低于50℃时通过所述加热旁路。
39.在一个方面中，所述水电解装置包括循环泵，用于使氢气分离器和/或氧气分离器分离出的碱液返回电解槽。
40.在一个方面中，在循环泵与电解槽之间的管线中设置有流量调节阀，用于调节碱液循环流量。
41.在一个方面中，所述加热旁路设置在所述碱液冷却器和电解槽之间。
42.在一个方面中，所述碱液冷却器为换热器，可以选自钎焊板翅式换热器、绕管式换热器、板框式换热器或螺旋板换热器。
43.在一个方面中，所述碱液冷却器使用空冷闭式循环水系统。
44.在一个方面中，对于所述空冷闭式循环水系统，给水温度为45-60℃，回水温度为55-70℃。
45.在一个方面中，所述空冷采用变频、双频或工频电机。
46.在一个方面中，所述空冷采用干式空冷器、干湿联合式空冷器或蒸发式空冷器。
47.在一个方面中，所述空冷闭式循环水系统的回水管线设置有包含需要热量的设备的旁路，所述回水管线和所述旁路设置为能够使回水通过或不通过所述旁路。
48.在一个方面中，所述空冷闭式循环水系统的循环水能够在电解槽中的一个或多个停车后被关闭。
49.在一个方面中，能够向所述空冷闭式循环水系统中通入蒸汽以加热要返回电解槽的碱液。
50.在一个方面中，本发明涉及一种水电解装置，包括
51.一个或多个电解槽，用于电解碱液以产生氢气和氧气；
52.氢气分离器和/或氧气分离器，用于分离电解产生的气体和夹带的碱液；
53.使氢气分离器和/或氧气分离器分离出的碱液返回电解槽的管线；和
54.碱液冷却器，用于冷却要返回电解槽的碱液，
55.其中所述碱液冷却器使用空冷闭式循环水系统。
56.在一个方面中，对于所述空冷闭式循环水系统，给水温度为45-60℃，回水温度为55-70℃。
57.在一个方面中，所述空冷采用变频、双频或工频电机。
58.在一个方面中，所述空冷采用干式空冷器、干湿联合式空冷器或蒸发式空冷器。
59.在一个方面中，所述空冷闭式循环水系统的回水管线设置有包含需要热量的设备的旁路，所述回水管线和所述旁路设置为能够使回水通过或不通过所述旁路。
60.在一个方面中，所述空冷闭式循环水系统的循环水能够在电解槽中的一个或多个停车后被关闭。
61.在一个方面中，能够向所述空冷闭式循环水系统中通入蒸汽以加热要返回电解槽的碱液。
62.在一个方面中，本发明涉及一种水电解方法，使用本发明所述的水电解装置，其中在电解槽中的一个或多个停车后，使要返回电解槽的碱液通过所述加热旁路。
63.在一个方面中，使要返回电解槽的碱液在温度低于60℃或低于50℃时通过所述加热旁路。
64.在一个方面中，电解产生的气体和夹带的碱液在85-90℃。
65.在一个方面中，要返回电解槽的碱液被所述碱液冷却器冷却至65-70℃。
66.在一个方面中，使用空冷闭式循环水系统，给水温度为45-60℃，回水温度为55-70℃。
67.在一个方面中，可采用空冷闭式循环水系统，全年无需补水，可有效降低电解水装置的成本。可根据应用场景选择干式、干湿联合式或蒸发式空冷器。空冷可采用变频、双频或工频电机，在冬季气温低时节省能耗。
68.现有技术中，用于碱液冷却器的循环水，一般给水温度为30/32℃，回水温度为40℃/42℃。在本发明的一个方面，将给水温度提高到45-60℃，回水温度提高到55-70℃，大大提高了空冷的对数平均温差，在同样的换热量下，大大减少了所需换热面积，从而降低空冷的设备投资，降低电解水装置的成本。
69.在本发明的一个方面，闭式循环水的温度达55-70℃。在回水管线上设置旁路，冬季厂区或附近生活区有采暖需求时，可将高温的回水用于采暖，回收热量，降低综合能耗，同时回水温度降低可有效减少空冷的负荷，从而降低电解水装置的运行成本。
70.传统电解槽的碱液冷却多采用管壳式换热器。在本发明的一个方面，采用高效换热器以提高换热效率，从而在一定程度上降低设备投资。高效换热器包括但不限于钎焊板翅式换热器、绕管式换热器、板框式换热器、螺旋板换热器。
71.传统电解水装置中的碱液冷却器多采用水冷，在本发明的一个方面，碱液冷却器直接采用空冷器，可进一步降低投资，提高绿色能源的利用率。
72.电解槽停机后，碱液温度下降，电阻率增大。重新启动时，大部分电流用于产生热量提高电解液温度，氢气/氧气产品的生产能力较低。在本发明的一个方面，在碱液循环管路上设置旁路加热器，采用附近工厂的低压蒸汽(如有)作为热源，或采用电加热。例如，装置正常运行时，旁路加热器不投用，当电解槽停车后或重新启动时，如电解液温度低于50-60℃，例如低于50℃或60℃时，则启动加热器，使碱液迅速升温，从而使电解槽快速提升负荷。碱液循环主管路和加热器旁路上分别设置切换阀，可自动控制。参见图1，例如，当碱液温度高于或等于60℃时，主阀门v-103打开，旁路阀门v-104关闭；当碱液温度低于50-60℃时，例如低于50℃或60℃时，主阀门v-103关闭，旁路阀门v-104打开。
73.风电和光电等绿色能源具有波动性，不能持续地提供稳定的电能输出。在本发明的一个方面，当电解槽采用风电或光电时，可使2-8组电解槽共用一套碱液循环系统，当供电出现波动需要电解水装置降负荷生产时，停掉其中1组或多组电解槽，使其余电解槽正常运转，维持循环的碱液温度，当供电恢复后，停掉的电解槽重启时，较高的碱液温度可使电解槽快速提升负荷，实现对风电或光电的快速响应，缩短电解水装置的启动时间，提高操作的安全性。
74.实施例
75.实施例1
76.参考图1。在电能和阴/阳电极的作用下，电解槽a-101碱液中的水发生分解，分别在小室的阴极和阳极产生氢气和氧气。电解槽a-101出口85-90℃的氢气和氧气携带碱液，分别进入氢气分离器s-101和氧气分离器s-102，进行气液分离，出分离器后的氢气和氧气分别送去下游工段。氢气分离器s-101和氧气分离器s-102中的85-90℃的碱液汇合后去碱液冷却器e101冷却至65-70℃，经碱液循环泵p-101增压后循环回电解槽a-101中。
77.在碱液换热器e-101和碱液循环泵p-101之间，或者碱液循环管路上其他位置，设置旁路加热器e-102，采用附近工厂的低压蒸汽作为热源或采用电加热。例如，装置正常运行时，碱液温度高于或等于60℃，主阀门v-103打开，旁路阀门v-104关闭；当碱液温度低于50-60℃时，例如低于50℃或60℃时，主阀门v-103关闭，旁路阀门v-104打开。
78.碱液冷却器e-101采用闭式循环水，闭式循环水站c-101采用空冷，给水温度45-60℃，回水温度55-70℃。空冷可采用变频、双频或工频电机。回水管线设置旁路，冬季厂区或附近生活区有采暖需求时，打开旁路阀门v-102，将55-70℃的回水可用作采暖水。无采暖需求时，关闭v-102。
79.实施例2
80.参考图2。在电能和阴/阳电极的作用下，电解槽a-101碱液中的水发生分解，分别在小室的阴极和阳极产生氢气和氧气。电解槽a-101出口85-90℃的氢气和氧气携带碱液，分别进入氢气分离器s-101和氧气分离器s-102，进行气液分离，出分离器后的氢气和氧气分别送去下游工段。
81.氢气分离器s-101中的碱液去碱液冷却器e-101冷却至65-70℃，经碱液循环泵p-101增压后循环回电解槽a-101中。
82.氧气分离器s-102中的碱液去碱液冷却器e-103冷却至65-70℃，经碱液循环泵p-102增压后循环回电解槽a-101中。
83.在碱液换热器e-101和碱液循环泵p-101之间，或者碱液循环管路上其他位置，设置旁路加热器e-102，采用附近工厂的低压蒸汽作为热源或采用电加热。例如，装置正常运行时，碱液温度高于或等于60℃，主阀门v-103打开，旁路阀门v-104关闭；当碱液温度低于50-60℃时，例如低于50℃或60℃时，主阀门v-103关闭，旁路阀门v-104打开。
84.在碱液换热器e-103和碱液循环泵p-102之间，或者碱液循环管路上其他位置，设置旁路加热器e-104，采用附近工厂的低压蒸汽作为热源或采用电加热。例如，装置正常运行时，碱液温度高于或等于60℃，主阀门v-105打开，旁路阀门v-106关闭；当碱液温度低于50-60℃时，例如低于50℃或60℃时，主阀门v-105关闭，旁路阀门v-106打开。
85.碱液冷却器e-101和e-103采用闭式循环水，闭式循环水站c-101采用空冷，给水温度45-60℃，回水温度55-70℃。空冷可采用变频、双频或工频电机。回水管线设置旁路，冬季厂区或附近生活区有采暖需求时，打开旁路阀门v-102，将55-70℃的回水可用作采暖水。无采暖需求时，关闭v-102。
86.实施例3
87.参考图3。多组电解槽a-101，a-102，a-103，a-104，a-105，a-106，a-107，a-108共用一套碱液循环系统，包括气液分离器、碱液冷却器、碱液循环泵、碱液旁路加热器等。在电能和阴/阳电极的作用下，电解槽a-101，a-102，a-103，a-104，a-105，a-106，a-107，a-108碱液中的水发生分解，分别在小室的阴极和阳极产生氢气和氧气。电解槽a-101，a-102，a-103，a-104，a-105，a-106，a-107，a-108出口85-90℃的氢气和氧气携带碱液，分别进入氢气分离器s-101和氧气分离器s-102，进行气液分离，出分离器后的氢气和氧气分别送去下游工段。氢气分离器s-101和氧气分离器s-102中的85-90℃的碱液汇合后去碱液冷却器e101冷却至65-70℃，经碱液循环泵p-101增压后循环回电解槽a-101，a-102，a-103，a-104，a-105，a-106，a-107，a-108中。
88.在电解水制氢装置与风电或光电耦合的场景中，如供电出现波动，可停掉2组、4组或6组电解槽，剩余电解槽仍正常运转，维持循环的碱液温度，当供电恢复后，较高的碱液温度可使电解槽快速提升负荷。
89.在碱液循环泵p-101至电解槽a-101的管线上设置碱液循环流量调节阀fv-101，用于控制碱液循环量。当电解水装置负荷降低时，通过减小碱液循环流量调节阀fv-101的开度，减少碱液循环量。
90.在碱液换热器e-101和碱液循环泵p-101之间，或者碱液循环管路上其他位置，设置旁路加热器e-102，采用附近工厂的低压蒸汽作为热源或采用电加热。例如，装置正常运行时，碱液温度高于或等于60℃，主阀门v-103打开，旁路阀门v-104关闭；当碱液温度低于50-60℃时，例如低于50℃或60℃时，主阀门v-103关闭，旁路阀门v-104打开。
91.碱液冷却器e-101采用闭式循环水，闭式循环水站c-101采用空冷，给水温度45-60℃，回水温度55-70℃。空冷可采用变频、双频或工频电机。回水管线设置旁路，冬季厂区或附近生活区有采暖需求时，打开旁路阀门v-102，将55-70℃的回水可用作采暖水。无采暖需求时，关闭v-102。
92.实施例4
93.参考图4。在电能和阴/阳电极的作用下，电解槽a-101碱液中的水发生分解，分别在小室的阴极和阳极产生氢气和氧气。电解槽a-101出口85-90℃的氢气和氧气携带碱液，分别进入氢气分离器s-101和氧气分离器s-102，进行气液分离，出分离器后的氢气和氧气分别送去下游工段。氢气分离器s-101和氧气分离器s-102中的85-90℃的碱液汇合后去碱液换热器e101冷却至65-70℃，经碱液循环泵p-101增压后循环回电解槽a-101中。
94.装置正常运行时，碱液需要冷却，碱液换热器e-101前后的阀门v-103和v-104打开，v-105和v-106关闭，采用闭式循环水冷却碱液。电解槽停车后，或者重启之前，为使碱液维持或达到较高的温度，关闭v-103和v-104，打开v-105和v-106，用附近工厂的低压蒸汽作为热源，对碱液进行加热，可使电解槽迅速提升负荷，实现动态响应。
95.闭式循环水站c-101采用空冷，给水温度45-60℃，回水温度55-70℃。回水管线设置旁路，冬季厂区或附近生活区有采暖需求时，打开旁路阀门v-102，将55-70℃的回水可用作采暖水。无采暖需求时，关闭v-102。
96.实施例5
97.参考图5。在电能和阴/阳电极的作用下，电解槽a-101碱液中的水发生分解，分别在小室的阴极和阳极产生氢气和氧气。电解槽a-101出口85-90℃的氢气和氧气携带碱液，分别进入氢气分离器s-101和氧气分离器s-102，进行气液分离，出分离器后的氢气和氧气分别送去下游工段。氢气分离器s-101和氧气分离器s-102中的85-90℃的碱液汇合后去碱液冷却器e101冷却至65-70℃，经碱液循环泵p-101增压后循环回电解槽a-101中。
98.碱液冷却器e-101采用空冷器。空冷可采用变频、双频或工频电机，在冬季气温低时节省能耗。
99.在碱液换热器e-101和碱液循环泵p-101之间，或者碱液循环管路上其他位置，设置旁路加热器e-102，采用附近工厂的低压蒸汽作为热源或采用电加热。例如，装置正常运行时，碱液温度高于或等于60℃，主阀门v-101打开，旁路阀门v-102关闭；当碱液温度低于50-60℃时，例如低于50℃或60℃时，主阀门v-101关闭，旁路阀门v-102打开。
100.本发明包括以下技术方案。
101.1.一种水电解装置，包括
102.一个或多个电解槽，用于电解碱液以产生氢气和氧气；
103.氢气分离器和/或氧气分离器，用于分离电解产生的气体和夹带的碱液；
104.使氢气分离器和/或氧气分离器分离出的碱液返回电解槽的管线；和
105.碱液冷却器，用于冷却要返回电解槽的碱液，
106.其中所述管线设置有加热旁路，能用于加热要返回电解槽的碱液，且所述管线和加热旁路设置为能够使要返回电解槽的碱液通过或不通过所述加热旁路。
107.2.根据技术方案1所述的水电解装置，其中所述加热旁路是电加热旁路或蒸汽加热旁路。
108.3.根据技术方案1所述的水电解装置，其中所述管线和加热旁路设置为能够使要返回电解槽的碱液在电解槽中的一个或多个停车后通过所述加热旁路。
109.4.根据技术方案1所述的水电解装置，其中所述管线和加热旁路设置为能够使要返回电解槽的碱液在温度低于60℃或低于50℃时通过所述加热旁路。
110.5.根据技术方案1所述的水电解装置，其中所述水电解装置包括循环泵，用于使氢气分离器和/或氧气分离器分离出的碱液返回电解槽。
111.6.根据技术方案1所述的水电解装置，其中在循环泵与电解槽之间的管线中设置有流量调节阀，用于调节碱液循环流量。
112.7.根据技术方案1所述的水电解装置，其中所述加热旁路设置在所述碱液冷却器和电解槽之间。
113.8.根据技术方案1所述的水电解装置，其中所述碱液冷却器为换热器，选自钎焊板翅式换热器、绕管式换热器、板框式换热器或螺旋板换热器。
114.9.根据技术方案1所述的水电解装置，其中所述碱液冷却器使用空冷闭式循环水系统。
115.10.根据技术方案9所述的水电解装置，其中对于所述空冷闭式循环水系统，给水温度为45-60℃，回水温度为55-70℃。
116.11.根据技术方案9所述的水电解装置，其中所述空冷采用变频、双频或工频电机。
117.12.根据技术方案9所述的水电解装置，其中所述空冷采用干式空冷器、干湿联合式空冷器或蒸发式空冷器。
118.13.根据技术方案9所述的水电解装置，其中所述空冷闭式循环水系统的回水管线设置有包含需要热量的设备的旁路，所述回水管线和所述旁路设置为能够使回水通过或不通过所述旁路。
119.14.根据技术方案9所述的水电解装置，其中所述空冷闭式循环水系统的循环水能够在电解槽中的一个或多个停车后被关闭。
120.15.根据技术方案14所述的水电解装置，其中能够向所述空冷闭式循环水系统中通入蒸汽以加热要返回电解槽的碱液。
121.16.一种水电解装置，包括
122.一个或多个电解槽，用于电解碱液以产生氢气和氧气；
123.氢气分离器和/或氧气分离器，用于分离电解产生的气体和夹带的碱液；
124.使氢气分离器和/或氧气分离器分离出的碱液返回电解槽的管线；和
125.碱液冷却器，用于冷却要返回电解槽的碱液，
126.其中所述碱液冷却器使用空冷闭式循环水系统。
127.17.根据技术方案16所述的水电解装置，其中对于所述空冷闭式循环水系统，给水温度为45-60℃，回水温度为55-70℃。
128.18.根据技术方案16所述的水电解装置，其中所述空冷采用变频、双频或工频电机。
129.19.根据技术方案16所述的水电解装置，其中所述空冷采用干式空冷器、干湿联合式空冷器或蒸发式空冷器。
130.20.根据技术方案16所述的水电解装置，其中所述空冷闭式循环水系统的回水管线设置有包含需要热量的设备的旁路，所述回水管线和所述旁路设置为能够使回水通过或不通过所述旁路。
131.21.根据技术方案16所述的水电解装置，其中所述空冷闭式循环水系统的循环水能够在电解槽中的一个或多个停车后被关闭。
132.22.根据技术方案21所述的水电解装置，其中能够向所述空冷闭式循环水系统中通入蒸汽以加热要返回电解槽的碱液。
133.23.一种水电解方法，使用技术方案1-15中任一项所述的水电解装置，其中在电解槽中的一个或多个停车后，使要返回电解槽的碱液通过所述加热旁路。
134.24.根据技术方案23所述的方法，其中使要返回电解槽的碱液在温度低于60℃或低于50℃时通过所述加热旁路。
135.25.根据技术方案23所述的方法，其中电解产生的气体和夹带的碱液在85-90℃。
136.26.根据技术方案23所述的方法，其中要返回电解槽的碱液被所述碱液冷却器冷却至65-70℃。
137.27.一种水电解方法，使用技术方案9或16所述的水电解装置，其中对于所述空冷闭式循环水系统，给水温度为45-60℃，回水温度为55-70℃。
138.尽管已参考附图描绘的优选实施方案描述了本发明，可以理解，在本发明的精神或范围内各种修改是可能的。