一种用于电解水制氢的热能耦合及节水系统的制作方法

本技术涉及电解水制氢，具体涉及一种用于电解水制氢的热能耦合及节水系统。

背景技术：

1、工业上用于碱性电解水制氢的设备主要包括电解槽、碱液冷却器、连接在电解槽与碱液冷却器之间的碱液循环管路、依次连接电解槽氢气输出端的氢气分离器和氢气洗涤器、依次连接电解槽氧气输出端的氧气分离器和氧气洗涤器，同时还配套设置有除湿用的氢气冷却分离器和氧气冷却分离器。碱性电解水制氢的工作原理为：通过在电解槽的两个电极之间加载电流，水分子将在阳极发生氧化反应产生氧气，在阴极发生还原反应产生氢气；电解时含有碱液的氧气和含有碱液的氢气分别通过气体分离器、气体洗涤器处理后，再通过冷却分离器除湿，得到相应的氧气和氢气。由于纯水是弱电解质，电离程度和导电能力较差，因此在电解水制氢过程中会加入一定浓度的koh或naoh溶液作为电解质以增加电解液的导电性。为了提高电解水制氢的纯度，通常在碱性电解水制氢的设备中还配套设置有除氧用的脱氧塔加热器，工艺介质(含有微量氧气的氢气)进入脱氧塔加热器中进行氧气和氢气化学反应，实现氧气的去除。

2、制氢工艺主要是获取氢气，产生的氧气可以视情况进行处理，可以收集，也可以排空放掉。

3、现有的碱性电解水制氢工艺存在的不足是：

4、一是碱性电解水制氢过程中需要消耗电能对脱氧塔加热器内的工艺介质由14.99℃加热至150℃，现有工艺是通过电能对工艺介质进行加热，其电能消耗较大。

5、二是电解过程中需要对碱液冷却器内的碱液进行降温(碱液属于一种高温余热)，而现有的碱性电解水制氢工艺是通过32～42℃循环水带走，造成了热量极大浪费。

6、三是电解过程中的气体冷却分离器需要使用低温冷媒(12～7℃)进行冷却，而现有的碱性电解水制氢工艺是通过电制冷制取12～7℃的低温冷水对工艺介质进行降温，其电能消耗同样较大。

7、四是现有的碱性电解水制氢工艺中使用的冷却塔需要消耗较多的水资源。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本实用新型提出一种用于电解水制氢的热能耦合及节水系统，旨在降低电解水制氢过程中的电能消耗，并降低水资源的消耗。具体的技术方案如下：

2、一种用于电解水制氢的热能耦合及节水系统，包括分别设置在电解水制氢系统中的氢气冷却分离器、氧气冷却分离器和预冷分离器，以及用于为所述氢气冷却分离器、氧气冷却分离器和预冷分离器提供冷冻水的余热利用制冷机组，所述余热利用制冷机组上设置有冷冻水循环主回路，所述氢气冷却分离器、氧气冷却分离器和预冷分离器分别通过冷冻水循环分支回路与所述冷冻水循环主回路相连接。

3、作为本实用新型的进一步改进方案之一，所述电解水制氢系统中设置有碱液冷却器，所述碱液冷却器上设置有用于所述碱液冷却器降温冷却的高温中间热水循环主回路，所述高温中间热水循环主回路上设置有与所述余热利用制冷机组相连接的用于为所述余热利用制冷机组提供驱动热源的第一高温中间热水循环分支回路，所述电解水制氢系统中设置有代替冷却塔的空气冷却器，所述高温中间热水循环主回路连接在所述碱液冷却器与所述空气冷却器之间。

4、优选的，所述电解水制氢系统中设置有用于将经过所述氢气冷却分离器分离出的含有微量氧气的氢气进行脱氧提纯加热的脱氧塔加热器，所述电解水制氢系统中还设置有热水预热器，所述高温中间热水循环主回路上还设置有与所述热水预热器相连接的用于为所述热水预热器提供热源的第二高温中间热水循环分支回路，所述含有微量氧气的氢气通过氢气脱氧加热管路先后进入所述热水预热器和脱氧塔加热器实现两次加热。

5、其中，所述氢气脱氧加热管路包括连接所述热水预热器的氢气脱氧加热输入管路、连接在所述热水预热器与所述脱氧塔加热器之间的氢气脱氧加热中间管路和设置在所述脱氧塔加热器上的氢气脱氧加热输出管路。

6、作为本实用新型的进一步改进方案之二，所述电解水制氢系统中不设置碱液冷却器，所述电解水制氢系统的电解槽上设置有用于电解槽碱液降温冷却的碱液冷却循环主回路，所述碱液冷却循环主回路上设置有与所述余热利用制冷机组相连接的用于为所述余热利用制冷机组提供驱动热源的第一碱液冷却循环分支回路，所述电解水制氢系统中设置有代替冷却塔的空气冷却器，所述碱液冷却循环主回路连接在所述电解槽与所述空气冷却器之间。

7、优选的，所述电解水制氢系统中设置有用于将经过所述氢气冷却分离器分离出的含有微量氧气的氢气进行脱氧提纯加热的脱氧塔加热器，所述电解水制氢系统中还设置有碱液预热器，所述碱液冷却循环主回路上还设置有与所述碱液预热器相连接的用于为所述碱液预热器提供热源的第二碱液冷却循环分支回路，所述含有微量氧气的氢气通过氢气脱氧加热管路先后进入所述碱液预热器和脱氧塔加热器实现两次加热。

8、其中，所述氢气脱氧加热管路包括连接所述碱液预热器的氢气脱氧加热输入管路、连接在所述碱液预热器与所述脱氧塔加热器之间的氢气脱氧加热中间管路和设置在所述脱氧塔加热器上的氢气脱氧加热输出管路。

9、本实用新型中，所述脱氧塔加热器上设置有用于为所述含有微量氧气的氢气进行脱氧提纯加热的电能加热供热管路。

10、本实用新型中，所述电解水制氢系统包括电解槽、设置在所述电解槽与所述碱液冷却器之间的碱液冷却回路，所述碱液冷却回路包括从所述电解槽的阴极室输出的含氢碱液分支管路、从所述电解槽的阳极室输出的含氧碱液分支管路、连接在所述含氢碱液分支管路及含氧碱液分支管路汇合节点与所述碱液冷却器之间的电解槽碱液输出管路、连接在所述碱液冷却器与所述电解槽之间的电解槽碱液回收管路；在所述含氢碱液分支管路上设置有氢气分离器，在所述含氧碱液分支管路上设置有氧气分离器，所述氢气分离器连接氢气洗涤器，所述氧气分离器连接氧气洗涤器；在所述电解槽碱液回收管路上设置有碱液循环泵。

11、本实用新型中，所述氢气洗涤器的氢气输出端通过管路连接至所述氢气冷却分离器；所述氧气洗涤器的氧气输出端通过管路连接至所述氧气冷却分离器；所述氢气冷却分离器的氢气输出端通过管路连接至所述脱氧塔加热器，所述脱氧塔加热器的氢气输出端通过管路连接至预冷分离器。

12、优选的，所述预冷分离器包括预冷分离器a、预冷分离器b和预冷分离器c，所述预冷分离器a、预冷分离器b、预冷分离器c分别对应连接干燥器a、干燥器b、干燥器c。

13、优先的，所述余热利用制冷机组为热水型制冷机组、碱液直进制冷机组、多能源制冷机组中的一种；其中，所述多能源制冷机组为蒸汽-热水双能源溴化锂制冷机组、蒸汽碱液制冷机组，蒸汽热水碱液制冷机组中的一种。

14、本实用新型的一种用于电解水制氢的热能耦合及节水系统，可应用于一套电解水制氢系统，也可以应用于多套电解水制氢系统。应用于一套电解水制氢系统时，即为一套电解水制氢系统配套使用一套热能耦合及节水系统；应用于多套电解水制氢系统时，即为多套电解水制氢系统共用一套热能耦合及节水系统。

15、本实用新型中，所述用于电解水制氢的热能耦合及节水系统的热能耦合及节水工艺如下：

16、(1)电解水制氢系统中冷源的选用：送入电解水制氢系统中氢气冷却分离器、氧气冷却分离器及预冷分离器内的冷冻水由余热利用制冷机组产生；

17、(2)余热利用制冷机组驱动热源的选用：余热利用制冷机组的驱动热源既可使用包括蒸汽、天然气在内的一次能源，也可使用热水或碱液；其中，作为驱动热源的蒸汽来源于厂区管网内的蒸汽，作为驱动热源的热水来源于和碱液冷却器换热后制取的高温中间热水，作为驱动热源的碱液来自于电解槽碱液；工作时，余热利用制冷机组优先利用驱动热水或碱液的热量制取冷冻水，当驱动热水或碱液的热量不足时，再使用驱动蒸汽作为补充能源制取冷冻水；

18、(3)余热利用制冷机组工艺参数的设置：送入余热利用制冷机组的热水或碱液温度为70～95℃，从余热利用制冷机组出来的热水或碱液温度为50～70℃；从余热利用制冷机组制冷端出来的冷冻水温度≤12℃，与所述氢气冷却分离器、氧气冷却分离器和预冷分离器换热升温后的冷冻水温度≤20℃；

19、(4)热能耦合及节水过程：

20、当采用热水作为余热利用制冷机组的驱动热源时，其热能耦合及节水过程如下：

21、将温度为50～70℃高温中间热水代替循环冷却水送入碱液冷却器内，使用高温中间热水对从电解槽送入到碱液冷却器的温度≥80℃高温碱液冷却降温，使得碱液降温至≤70℃，送入碱液冷却器对碱液降温的高温中间热水温度在50℃和70℃之间，高温中间热水在碱液冷却器内换热升温，其温度在70℃到95℃之间；

22、与碱液冷却器换热后温度在70℃到95℃之间的高温中间热水将从高温中间热水循环主回路上分出两个高温中间热水循环分支回路：第一高温中间热水循环分支回路和第二高温中间热水循环分支回路，第一高温中间热水循环分支回路将高温中间热水送入余热利用制冷机组，第二高温中间热水循环分支回路将高温中间热水送入新设置在脱氧加热器前的热水预热器内，剩余的高温中间热水通过高温中间热水循环主回路送入空气冷却器内被环境空气冷却降温至50℃和70℃之间；通过使用空气冷却器代替传统冷却塔对高温中间热水降温，相比传统冷却塔起到了100％节水的效果；

23、送入余热利用制冷机组内的高温中间热水作为驱动热源制取冷冻水，冷冻水送入氢气冷却分离器、氧气冷却分离器及预冷分离器内使用，起到节约传统电制冷电耗的作用；高温中间热水在余热利用制冷机组内降温后，也送入空气冷却器内被环境空气降温冷却降温至50℃和70℃之间；

24、通过在原脱氧塔加热器前新增加热水预热器，使得从氢气冷却分离器出来的含有微量氧气的氢气在送入脱氧塔加热器加热前，先被送入热水预热器的高温中间热水预热至60℃以上，再将预热后的含有微量氧气的氢气送入脱氧塔加热器内加热，可以节约脱氧塔加热器的电能消耗，高温中间热水在热水预热器内降温后，也送入空气冷却器内被环境空气降温冷却至50℃和70℃之间。

25、当采用碱液作为余热利用制冷机组的驱动热源时，其热能耦合及节水过程与采用热水作为余热利用制冷机组的驱动热源时其工作原理基本相同；其区别在于碱液代替热水直接进入到余热利用制冷机组、碱液预热器、空气冷却器中的任一或全部设备中，从而实现热能耦合及节水效果。

26、本实用新型的有益效果是：

27、第一，本实用新型的一种用于电解水制氢的热能耦合及节水系统，使用余热利用制冷机组代替传统的电制冷，降低了系统耗电量。

28、第二，本实用新型的一种用于电解水制氢的热能耦合及节水系统，通过使用空气冷却器代替传统冷却塔对高温中间热水降温，相比传统冷却塔起到了100％节水的效果。

29、第三，本实用新型的一种用于电解水制氢的热能耦合及节水系统，在脱氧塔加热器前增设热水预热器并用中间高温热水代替循环水对高温碱液降温，使得高温碱液的热量被再次利用，由此进一步降低了系统的能耗。

30、第四，本实用新型的一种用于电解水制氢的热能耦合及节水系统，高温中间热水既为驱动余热利用制冷机组提供驱动热源，也为送入脱氧塔加热器的工艺介质(含有微量氧气的氢气)进行预热，同时也提供了送入空气冷却器所需要降温的水温，使得空冷器仅依靠空气便可实现对循环水的冷却，因此起到了良好的节约电能的作用。