一种利用油田光热的制氢系统和制氢方法与流程

本发明涉及电解水制氢，尤其涉及一种利用油田光热的制氢系统和制氢方法。

背景技术：

1、在电解水制氢领域中，soec（solid oxide electrolysis cell，固体氧化物电解池）电解水制氢具有能量转化效率高、反应速度快的特点。但soec系统前端需要额外的热源去加热原料气，这就需要单独设置热源，增加了成本。而现有油田中有大量的光热，目前没有充分的使用，造成了能量浪费。因此，如何提出一种能够降低成本、充分利用油田光热的制氢系统成为目前亟待解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的之一在于解决通过soec电解水制氢需要额外设置热源，以及油田中的光热能量浪费的问题，为了解决上述问题，本发明提供一种能够降低成本、充分利用油田光热的制氢系统。

2、具体地，本发明是通过如下技术方案实现的：

3、根据本发明的第一方面，提供了一种利用油田光热的制氢系统，该系统包括：油田光热装置，用于收集光热能量；气化装置，与油田光热装置连接，油田光热装置利用收集的光热能量为气化装置供热，以使流经气化装置的水气化而产生水蒸气；电解装置，与气化装置连接，从气化装置流出的水蒸气在电解装置上发生电解反应，生成氢气。

4、根据本发明提供的利用油田光热的制氢系统，包括油田光热装置、气化装置和电解装置。油田光热装置能够收集光热能量，气化装置与油田光热装置连接，从而油田光热装置能够利用收集的光热能量为气化装置供热，以使流经气化装置的水汽化而产生水蒸气。电解装置与气化装置连接，从气化装置流出的水蒸气在电解装置上发生电解反应，生成氢气。可以理解的是，本技术可以通过油田光热装置以及气化装置对水进行升温加热，使水变成高温水蒸气，这样电解装置就可以对高温水蒸气进行电解，而对高温水蒸气电解可以有效提高制氢效率，且还可以降低电解过程所需的能耗。同时，本技术通过设置油田光热装置对电解过程中的水进行加热，一方面，充分利用了油田的光热能量，避免了油田光热能量的浪费。另一方面，利用油田光热对水进行预热，可以满足电解水制氢的需求，这样就无需额外设置加热装置，既节省了成本，又避免了能源浪费。

5、在上述技术方案中，气化装置包括第一流路和第二流路，第一流路包括注水口和出水口，水经注水口流入第一流路，水蒸气经出水口流出，第二流路包括集热介质入口和集热介质出口，第一流路和第二流路之间能进行换热。

6、在该技术方案中，气化装置包括第一流路和第二流路，第一流路包括注水口和出水口，水经注水口流入第一流路，水蒸气经出水口流出，第二流路包括集热介质入口和集热介质出口，第一流路和第二流路之间能进行换热。可以理解的是，油田光热装置能够加热第二流路中的集热介质，这样就可以通过第一流路和第二流路之间的换热将第二流路中的水进行加热，形成水蒸气。通过设置油田光热装置一方面有效利用了油田光热的热量，避免了资源浪费，另一方面使得制氢系统不需要额外设置预热源，节省了制氢系统的整体成本，以及降低了整体能耗。

7、在上述技术方案中，油田光热装置的一端与集热介质入口连通，另一端与集热介质出口连通，油田光热装置利用收集的光热能量对油田光热装置中的集热介质进行加热，加热后的集热介质经集热介质入口通入第二流路，并经集热介质出口流回到油田光热装置。

8、在该技术方案中，油田光热装置的一端与集热介质入口连通，另一端与集热介质出口连通，油田光热装置能够利用收集的光热能量对油田光热装置中的集热介质进行加热，加热后的集热介质经集热介质入口通入第二流路，并经集热介质出口流回到油田光热装置。可以理解的是，由于油田光热装置与第二流路之间形成了一个闭合回路，因此，集热介质能够在油田光热装置和第二流路之间循环流动，从而能够持续进行换热，保证换热效果。

9、在上述技术方案中，油田光热装置包括集热管，集热管一端与集热介质入口连通，另一端与集热介质出口连通，集热管内设置有集热介质。

10、在该技术方案中，油田光热装置包括集热管，收集的光热能量能够对集热管进行加热，从而加热集热管内的集热介质。具体地，集热管一端与集热介质入口连通，另一端与集热介质出口连通，以形成闭合回路，使集热介质在闭合回路中循环流动。

11、在上述技术方案中，集热管的材质为金属。

12、在该技术方案中，集热管可以是金属管，金属管的导热性较好，有利于温度的传递。当然，集热管也可以是其他导热性较好材质的管。

13、在上述技术方案中，集热介质包括导热油。

14、在该技术方案中，集热介质为导热油，导热油的换热效果较好。

15、在上述技术方案中，制氢系统还包括：循环泵，设置在油田光热装置与集热介质入口之间，用于将加热后的集热介质通过集热介质入口通入第二流路。

16、在该技术方案中，制氢系统还包括循环泵。循环泵设置在油田光热装置与集热介质入口之间，能够将加热后的集热介质通过集热介质入口通入第二流路。可以理解的是，只有当集热介质循环流动之后才能够有效地实现换热，因此，本技术设置循环泵可以保证集热介质能够循环流动，保证换热效率。

17、在上述技术方案中，制氢系统还包括：气体混合器，连接于气化装置和电解装置之间；保护气输送器，与气体混合器连通，用于向气体混合器输入保护气，气体混合器用于混合水蒸气以及保护气，并将混合后的水蒸气和保护气输送给电解装置。

18、在该技术方案中，制氢系统还包括气体混合器和保护气输送器。气体混合器连接于气化装置和电解装置之间，这样就可以将气化后的水和其他气体一起混合在气体混合器中，然后一起输送至电解装置中进行电解。保护气输送器与气体混合器连通，能够向气体混合器输入保护气。这里的向气体混合器中输入保护气的作用在于提高还原性气氛，防止电解水装置氢电极氧化。

19、进一步地，保护气输送器为氢气输送器、氮气输送器、氦气输送器中的一个。

20、在上述技术方案中，制氢系统还包括：加热组件，设置在气化装置和电解装置之间，用于加热从气化装置流出的水蒸气，并将加热后的水蒸气通入电解装置以发生电解反应。

21、在该技术方案中，加热组件能够对从气化装置流出的水蒸气进一步加热，加热后的水蒸气用于电解制氢的效果更好。

22、在上述技术方案中，电解装置包括：第一输入端，与加热组件连通，加热后的水蒸气能够通过第一输入端进入电解装置内；第二输入端，与外界空气连通，外界空气能够通过第二输入端进入电解装置内；第一输出端，用于输出电解产生的氢气；第二输出端，用于输出电解产生的富氧气体。

23、在该技术方案中，电解装置包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端。第一输入端与加热组件连通，加热组件能够将加热后的水蒸气输送到电解装置，从而基于水蒸气进行电解。第二输入端与外界空气连通，能够使外界空气进入电解装置，从而满足电解的需求。第一输出端能够输出电解产生的氢气，第二输出端能够排出电解产生的富氧空气。其中，通过第二输入端通入空气还可以带出电解产生的氧气，维持电解装置的性能，保持电解装置两侧压差平衡。

24、在上述技术方案中，加热组件包括：第一换热部，与气化装置连接，用于对水蒸气进行一段加热；第一电加热器，与第一换热部和第一输入端连接，用于对一段加热后的水蒸气进行二段加热。

25、在该技术方案中，通过分段加热，先利用第一换热部将高温气体余热进行充分利用，将水蒸气进行预热，然后再利用第一电加热器将水蒸气加热到电解温度，这样可以提高系统能量利用效率。可以理解的，例如锅炉房中产生的热量先对第一换热部进行预热，然后第一换热部再与水蒸气进行换热，对水蒸气进行一段加热，这样就可以实现锅炉房中热量的回收利用，相比于直接用第一电加热器进行加热到电解温度而言，提高了能源的利用率。

26、在上述技术方案中，制氢系统还包括：第二换热部，与第一输出端连接，用于对电解过程中产生的氢气进行一段降温；第一冷却器，与第二换热部连接，用于对一段降温后的氢气进行二段降温。

27、在该技术方案中，制氢系统还包括第二换热部和第一冷却器。通过第二换热部和第一冷却器对产生的氢气进行降温，这样可以实现氢气的回收利用，提高能源的利用率。

28、在上述技术方案中，第一换热部和第二换热部在同一个第一换热器上。这样就可以减少换热器的数量，降低了装置整体的复杂度。

29、在上述技术方案中，制氢系统还包括：气体输送组件，与第二输入端连接，用于向电解装置输送空气；气体回收组件，与第二输出端连接，用于回收电解产生的富氧气体。

30、在上述技术方案中，气体输送组件包括：风机，包括送风口，用于输送空气；第三换热部，与风机的送风口连接，用于对送风口送出的空气进行一段加热；第四换热部，与第三换热部连接，用于对一段加热后的空气进行二段加热；第二电加热器，与第四换热部和第二输入端连接，用于对二段加热后的空气进行三段加热。

31、在该技术方案中，通过对送风口送出的空气进行分段加热，这样可以提高能源的利用率。

32、在上述技术方案中，气体回收组件包括：回风机，与第二输出端连接，包括回风口，回风口用于回收电解产生的富氧气体；第五换热部，与回风口连接，用于对回风口回收的富氧气体进行一段降温；第六换热部，与第五换热部连接，用于对一段降温后的富氧气体进行二段降温。

33、在该技术方案中，回收的高温的富氧气体，先通过第五换热部进行一段降温，再通过第六换热部进行二段降温，这样就可以将富氧空气降低至储存的温度进行储存，以供后期的使用。

34、在上述技术方案中，第四换热部和第五换热部在同一个第二换热器上。这样就可以减少换热器的数量，降低了装置整体的复杂度。

35、在上述技术方案中，第三换热部和第六换热部在同一个第三换热器上。这样就可以减少换热器的数量，降低了装置整体的复杂度。

36、在上述任一技术方案中，电解装置为固体氧化物电解装置。

37、在该技术方案中，电解装置包括固体氧化物电解装置。固体氧化物电解装置制氢具有能量转化效率高、反应速度快的特点，能够利用光热电解水制氢，能够将多余的热能转化为氢气储存起来。其中，固体氧化物电解装置（soec）的电解效率可达90%至95%，系统效率可达70%至75%。

38、根据本发明的第二方面，提供一种利用油田光热的制氢方法，能够用于第一方面或第一方面的任意可能的实现方式中的利用油田光热的制氢系统。该方法包括将水输入气化装置，利用油田光热装置对气化装置进行加热，以将气化装置中的水气化而产生水蒸气；将水蒸气输送至电解装置，以及将加热后的空气输送至电解装置，以电解生成氢气。

39、根据本技术提供的利用油田光热的制氢方法，能够用于第一方面或第一方面的任意可能的实现方式中的利用油田光热的制氢系统。该方法通过将水输入进能够利用油田光热进行加热的气化装置，对水实现加热生成高温水蒸气，从而可以使电解装置电解高温水蒸气制氢。而对高温水蒸气电解可以有效提高制氢效率，且还可以降低电解过程所需的能耗。同时，本技术通过设置油田光热装置对电解过程中的水进行加热，一方面，充分利用了油田的光热能量，避免了油田光热能量的浪费。另一方面，利用油田光热对水进行加热，可以满足电解水制氢的需求，这样就无需额外设置加热装置，既节省了成本，又避免了能源浪费。同时，由于本技术提供的利用油田光热的制氢方法是用于第一方面或第一方面的任意可能的实现方式中的利用油田光热的制氢系统，因此，本技术提供的利用油田光热的制氢方法还具有第一方面或第一方面的任意可能的实现方式中的利用油田光热的制氢系统的全部有益技术效果，在此不再赘述。

40、在上述技术方案中，在将水蒸气输送至电解装置的步骤之前，方法还包括：对水蒸气进行加热。

41、在该技术方案中，在将高温水蒸气输送至电解水装置之前，可以进一步对高温水蒸气进行加热，然后再输送至电解水装置，从而提高电解效率。