一种新型火电厂电解供氢系统的制作方法

本发明属于电解制氢技术领域，具体涉及一种新型火电厂电解供氢系统。

背景技术：

当前传统火电厂多采用氢冷发电机，氢气的来源主要为电解水制氢或者直接从外部采购。虽然电解水制氢效率可达75-100％，但考虑发电效率，实际上能量利用效率不足35％，导致制氢能耗较高。

同时，现阶段我国电力供给能力过剩，许多电厂在较低负荷下运行，不仅会降低发电效率，还会危害设备，造成经济损失。

而氢气作为二次能源，具有能量密度高、清洁无污染等优点，在航天、军事、化工、能源、冶金、交通等领域有着重要应用。随着氢能利用技术逐渐发展成熟，氢能在世界范围内备受关注。

生物质资源是一种来源广泛、成本低廉的可再生资源，但受现有生物质利用方法限制，资源利用率一直很低，城市生活垃圾及生物医用废弃物的有效处理已经成为我国城市发展的重要难题。因此，有必要提供一种通过有效回收利用热能及有机物再生资源，制备清洁能源的技术方案。

技术实现要素：

本发明提供了一种新型火电厂电解供氢系统，采用生物质等有机物为原料，利用火电厂烟气热量进行有机物氧化降解反应，并结合电化学方法，实现高效、低能耗制备高纯氢气的目的。该系统可用于替代火电厂现有电解水制氢系统，为氢冷发电机提供氢源，降低火电厂自耗电量，同时锅炉可在更高负荷下运行，生产的富余电量制备氢气外供，提高锅炉效率，获取经济效益。

所述电解供氢系统主要由制粉单元、催化降解单元、电解单元和氢气后处理单元构成。

所述制粉单元包括给料机、制粉机、输粉泵及对应阀门与管道。

所述催化降解单元包括粉液混合器、换热器、催化降解反应器、搅拌器及对应阀门与管道。

所述电解单元包括电解槽、电源及开关，所述电解槽由端板、集电板、电极板和质子交换膜组成。

所述催化降解单元与电解单元通过隔膜泵、阳极储液箱、水处理器及流量计、对应阀门和管道相连接，构成阳极液循环回路。

所述电解单元直接通过流量计和对应管道与氢气后处理单元相连接。所述电解单元还可以通过阴极循环回路、流量计和对应管道与氢气后处理单元相连接。阴极液循环回路包括通过管道依次相连的气液分离器、阴极储液箱和隔膜泵。

所述氢气后处理单元包括氢气纯化装置、增压泵、高压气瓶及对应阀门与管道。

所述制粉单元将生物质等有机物破碎为一定粒径范围内的有机物颗粒，保证有机物在催化降解单元内与催化剂充分接触。

所述催化降解单元是利用锅炉烟气热量进行有机物催化氧化反应的场所。

所述制粉单元制备的有机物颗粒经输粉泵送入粉液混合器，同时加入氧化性物质，与火电厂化水车间来水混合均匀，按照一定比例配制成混合液。

所述锅炉烟气自低温过热器或省煤器出口引出，烟气温度在300-600℃之间，所述锅炉烟气通过催化降解单元的烟气循环管路输送换热，烟气循环管路上设置有上游烟气阀门和下游烟气阀门，上游烟气阀门和下游烟气阀门能够在连通和切断状态之间切换，控制锅炉烟气的流通。

所述粉液混合器中混合液送入换热器，与高温锅炉烟气充分换热后，升高至80-200℃，送入催化降解反应器。

所述催化降解单元烟气循环管路分为两股，一股进入换热器用于提升混合液温度至80-200℃，另一股进入催化降解反应器，用于混合液保温。

所述催化降解反应器兼具有换热作用，在高温锅炉烟气作用下，混合液在80-200℃下保持1-100小时。

所述锅炉烟气经充分换热后，自空气预热器出口返送至锅炉尾部烟道内，从烟囱排出。

所述催化降解反应器外设置有保温层，并配置有电加热装置，用于辅助维持反应器内温度稳定。

所述电加热装置用电来自火电厂自身所生产电量。

所述催化降解单元所采用的氧化性物质可为：fe³⁺，ag⁺，mn⁴⁺，tempo⁺(四甲基哌啶氧化物)，aq⁺，磷钼酸、磷钨酸、钒取代的磷钼酸及多金属氧酸盐的组合物。

在高温条件下，有机物在氧化性物质作用下发生氧化降解反应，氢质子从中剥离出来，依附于还原态物质上，形成阳极液。

所述阳极液通过阳极循环回路送入电解槽阳极侧，所述阳极储液箱兼具温度调节的功能，满足电解槽对阳极液温度要求。

所述电解单元用电来自火电厂自身所生产电量。

所述电解槽运行温度在室温-80℃或80-200℃之间。

当电解槽运行温度在室温-80℃之间时，采用nafion等在室温-80℃之间长期稳定运行的质子交换膜。

当电解槽运行温度在80-200℃之间时，采用磷酸膜等可在80-200℃之间长期稳定运行的高温质子交换膜。

所述质子交换膜阴极侧无需涂覆任何催化剂。

所述氢气纯化装置可采用变温变压吸附等工艺，提纯后氢气纯度可达99.99％以上。

经提纯后的氢气部分用于氢冷发电机冷却介质，另一部分经增压泵增压后储存于高压气瓶内，作为备用氢源或外供。

当电解供氢系统因故障无法运行时，切断催化降解单元上游和下游烟气阀门，避免因高温出现设备损坏，同时高压气瓶内氢气可作为备用氢源，用作氢冷发电机冷却介质，避免发电机因高温损坏。

通过采用上述设计与改进，与现有火电厂供氢系统相比，本发明的有益效果在于：

将有机物电解制氢技术应用于火电厂，同时利用火电厂烟气热量进行有机物氧化降反应，制氢能耗较低；

可根据火电厂需求在两种不同条件下运行：当运行负荷较高时，可用于替代现有电解水制氢系统，作为氢能发电机氢源，降低火电厂自耗电量，增加外供电量，获取经济效益；当运行负荷较低时，可在满足氢冷发电机冷却需求的基础上，提高锅炉负荷，利用富余装机容量制备氢气外供，同时提高锅炉效率，提高经济效益。

附图说明

图1为本发明的一种新型火电厂电解供氢系统的系统示意图。

图2为本发明的一种新型火电厂电解供氢系统一优选实施例的示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细阐述。

本发明提供了一种新型火电厂电解供氢系统，如图1、图2所示。该系统主要由制粉单元1、催化降解单元2、电解单元3和氢气后处理单元4构成。所述制粉单元1由给料机11、制粉机12、输粉泵13及对应阀门14组成。所述催化降解单元2由粉液混合器21、换热器22、催化降解反应器23、搅拌器24及对应阀门25、26组成。所述制粉单元1与催化降解单元2通过管道相连接。所述电解单元3包括电解槽31、电源32及开关33，所述电解槽31由端板、集电板、电极板和质子交换膜组成。

所述催化降解单元2与电解单元3通过阳极循环回路5相连，阳极循环回路5包括隔膜泵51、水处理器52、阳极储液箱53及流量计54、管道55、压力表56和测温表57。催化降解单元2中的混合液经管道55进入隔膜泵51后经管道55流入电解槽31，优选的，隔膜泵51与电解槽31间的管道55上进一步设有流量计54、压力表56以及测温表57；混合液在电解槽31内反应后，经管道55流入水处理器52，水处理器52中净化后的混合液流入阳极储液箱53，阳极储液箱53中的液体再次流入催化降解单元2。

所述电解单元3直接通过管道6与氢气后处理单元4相连接，优选的，管道6上设置有流量计61和压力表62。

所述氢气后处理单元4包括氢气纯化装置41、增压泵42、高压气瓶43及对应阀门44。

将生物质等有机物在制粉机12中破碎为一定粒径范围内的颗粒，经输粉泵13送入粉液混合器21，同时加入氧化性物质，与火电厂化水车间来水混合均匀，按照一定比例配制成混合液，并送入换热器22；

锅炉烟气经过热器，由再热器或省煤器出口引出，引入催化降解单元2，锅炉烟气通过催化降解单元2的烟气循环管路输送换热，利用锅炉烟气温度进行反应，优选的，烟气温度在300-600℃之间。锅炉烟气在催化降解单元2内分为两股，一股进入换热器22将混合液温度提升至80-200℃，另一股送入兼具换热和保温功能的催化降解反应器23，使混合液在80-200℃保温1-100小时，优选的，可在电加热装置的辅助作用下保持温度，该电加热装置的供电可来自火电厂自身发电。混合液在换热器22内提升至合适的反应温度，并送入催化降解反应器23，在催化降解反应器23提供的稳定反应温度条件下，进行催化降解反应。进一步优选的，可使用搅拌器24促进催化降解反应的反应效率，反应产生氢质子和电子，氢质子依附于还原态物质；高温的锅炉烟气经充分换热后，送回空气预热器出口返送至锅炉尾部烟道内，从烟囱排出；

待有机物混合液充分氧化降解后，混合液经隔膜泵51送至电解单元3，在室温-80℃或80-200℃条件下，电子经外电路转移至阴极侧，氢质子在外加电厂作用下通过质子交换膜，在阴极侧与电子结合生成氢气；

电解产生的氢气经阴极液循环回路6或管道7直接进入氢气纯化装置41，提纯至99.99％以上，部分用于氢冷发电机冷却介质，另一部分经增压泵42增压后储存于高压气瓶43内，作为备用氢源或外供；

电解后的混合液经水处理器52净化处理后，去除有机物残渣等杂质，其余送入粉液混合器21，补充氧化性物质水溶液，并送入有机物，保证有机物降解连续进行，为电解单元3提供稳定的阳极液；

优选的，锅炉烟气通过催化降解单元2的烟气循环管路输送换热，烟气循环管路上设置有上游烟气阀门和下游烟气阀门，当电解供氢系统因故障无法运行时，切断催化降解单元2上游和下游烟气阀门，避免因高温出现设备损坏，同时该火电厂电解制氢系统还可进一步包括氢冷发电机，高压气瓶3内氢气可作为备用氢源，用作氢冷发电机冷却介质，避免发电机因高温损坏。

与现有火电厂供氢系统相比，本发明将有机物电解制氢技术应用于火电厂，利用火电厂烟气热量进行有机物氧化降反应，制氢能耗较低。该系统可根据需求在两种不同条件下运行：当运行负荷较高时，可用于替代现有电解水制氢系统，作为氢能发电机氢源，降低火电厂自耗电量，增加外供电量，获取经济效益；当运行负荷较低时，可在满足氢冷发电机冷却需求的基础上，提高锅炉负荷，利用富余装机容量制备氢气外供，同时提高锅炉效率，提高经济效益。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。