CN114000163B - 一种含盐废水电解制氢系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电解水制氢技术领域，公开了一种含盐废水电解制氢系统，包括依次连接的电解槽、气液分离器、补水预热器、电解液换热器、电解液二次换热器和正渗透系统，电解液换热器的出液口与电解槽进液口连接，正渗透系统的出液口与补水预热器连接，补水预热器与电解槽进液口连接。本发明将制水系统与电解系统耦合，实现电解系统的原位补水，减少了中间储水环节；利用含盐废水作为电解系统的补水水源，通过正渗透原理，实现了含盐废水的浓缩处理和回用，提高了水资源的利用效率；通过电解液与补水的热交换，充分利用电解液余热，实现了补水的预热，减少了补水过程对电解液温度的影响，有利于维持电解反应效率。
Description
技术领域
本发明属于电解水制氢技术领域，特别涉及一种含盐废水电解制氢系统及其工作方法。
背景技术
氢作为一种来源广泛、清洁无碳、灵活高效、应用场景丰富的物质，承载了能源与原料的双重属性，在工业领域具有深厚的应用基础，并且在向电力、建筑、交通、钢铁等领域快速拓展。氢能正成为各领域深入脱碳、绿色发展的重要解决方案。电解水制氢过程中需要耗用大量的水，而为了避免电解过程中副反应的发生，通常需要补充纯水，使得实际的耗水量又进一步增加。
对于工业用水量巨大、水资源短缺的国家，提高废水的处理和回用效率，实现废水的近零排放逐渐受到各行业的重视。废水近零排放最终通常面临含盐废水处理的问题，含盐废水经过预处理去除废水中的有机物、重金属以及钙镁等硬度离子后，通常形成主要含有氯化钠、硫酸钠的混合含盐废水，这部分废水经过浓缩、结晶后实现零排放。由于浓缩过程通常采用蒸发、高压膜过滤，使得废水处理能耗和成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含盐废水电解制氢系统及其工作方法，解决了目前电解水制氢过程中需要耗用大量纯水及含盐废水处理能耗和成本较高的问题。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种含盐废水电解制氢系统，包括电解槽、气液分离器、补水预热器、电解液换热器、电解液二次换热器及正渗透系统；
电解槽上设有进液口和出液口；
气液分离器上设有高温进液口、高温出液口、低温进液口及气体出口；
补水预热器上设有高温进液口、高温出液口、低温进液口及低温出液口；
电解液换热器上设有进液口和出液口；
电解液二次换热器上设有低温进液口和低温出液口；
正渗透系统设有电解液入口、电解液出口及用于通入含盐废水的废水入口和用于排出废水的废水出口；
电解槽的出液口与气液分离器的高温进液口连接，气液分离器的高温出液口与补水预热器的高温进液口相连；
补水预热器的高温出液口与电解液换热器的进液口相连，电解液换热器的出液口与电解液二次换热器的低温进液口、电解槽的进液口分别相连；
电解液二次换热器的低温出液口与正渗透系统的电解液入口相连，正渗透系统的电解液出口与补水预热器的低温电解液入口相连，补水预热器的低温出液口与电解槽的进液口相连。
进一步，电解槽的内部交替布置阳极室和阴极室，阳极室之间通过孔道串联，阴极室通过孔道串联。
进一步，气液分离器包括氢气分离器和氧气分离器，阴极室与氢气分离器通过电解液管道相连，阳极室与氧气分离器通过电解液管道相连。
进一步，正渗透系统包括废水侧和电解液侧，在废水侧和电解液侧中间设有渗透膜，废水入口和废水出口设置在废水侧，电解热入口和电解液出口设置在电解液侧。
进一步，电解液换热器为间壁式换热器。
进一步，电解液二次换热器为间壁式换热器。
进一步，补水预热器为间壁式换热器。
进一步，间壁式换热器的冷却介质为水或空气。
本发明还公开了基于所述含盐废水电解制氢系统的工作方法，包括如下步骤：
S1、电解液在电解槽中发生电解，产生氢气和氧气，同时电解液中的水被逐渐消耗，电解液的温度逐渐升高；
S2、电解槽中的高温电解液进入气液分离器中分离，溢出氢气和氧气，同时高温电解液进入补水预热器；
S3、高温电解液经补水预热器后再进入电解液换热器，高温电解液在电解液换热器中与冷却介质进行热交换，温度下降；
S4、温度下降的电解液分为两路，一路回到电解槽中继续进行电解反应；另一路进入电解液二次换热器进行降温后进入正渗透系统，同时，正渗透系统通入经过预处理的含盐废水；
水分子渗入电解液中，含盐废水被浓缩，同时电解液中的水得到补充；
S5、补水后的电解液由正渗透系统进入补水预热器，补水后的电解液与来自气液分离器的高温电解液在补水预热器中进行热交换，补水后的电解液温度升高，流向电解槽；
S6、重复S1～S5，以此循环往复。
进一步，S1中，电解液的温度升高至70-90℃；
S3中，电解液的温度下降至50-70℃；
S4中，进入正渗透系统的电解液的温度为30-40℃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开了一种含盐废水电解制氢系统及其工作方法，所述含盐废水电解制氢系统包括电解槽、气液分离器、补水预热器、电解液换热器、电解液二次换热器和正渗透系统，电解槽、气液分离器、补水预热器、电解液换热器、电解液二次换热器和正渗透系统依次连接，电解液换热器的出液口与电解槽进液口连接，正渗透系统的出液口与补水预热器连接。高温电解液在电解液换热器中与冷却介质进行热交换，温度下降，温度下降的电解液一路回到电解槽进行电解反应；另一路进入电解液二次换热器，在电解液二次换热器中与冷却介质进一步热交换，温度下降；温度降低的电解液进入正渗透系统，同时，正渗透系统入经过预处理的含盐废水，由于电解液的盐浓度高、渗透压高，含盐废水的盐浓度低、渗透压低，水分子由废水侧进入电解液侧，含盐废水被浓缩，电解液中的水得到补充；补水后的电解液由正渗透系统进入补水预热器，补水后的电解液与高温电解液在补水预热器中进行热交换，补水后的电解液温度升高后流入电解槽，重复进行后续工作。本发明将制水系统与电解系统耦合，实现电解系统的原位补水，减少了中间储水环节；利用含盐废水作为电解系统的补水水源，通过正渗透原理，实现了含盐废水的浓缩处理和回用，提高了水资源的利用效率；通过电解液与补水的热交换，充分利用电解液余热，实现了补水的预热，减少了补水过程对电解液温度的影响，有利于维持电解反应效率。本发明利用含盐废水作为电解水制氢过程的水源，并实现原位补水，对于解决含盐废水的处理，提升电解水制氢过程中的水资源利用效率，推动环保与能源领域的协调、绿色发展具有重要意义。
附图说明
图1为本发明的一种含盐废水电解制氢系统的原理框图。
其中，1为电解槽，2为气液分离器，3为补水预热器，4为电解液换热器，5为电解液二次换热器，6为正渗透系统。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
如图1所示，本发明公开了一种含盐废水电解制氢系统，包括电解槽1、气液分离器2、补水预热器3、电解液换热器4、电解液二次换热器5、及正渗透系统6；电解槽1上设有进液口和出液口；气液分离器2上设有高温进液口、高温出液口、低温进液口及气体出口；补水预热器3上设有高温进液口、高温出液口、低温进液口及低温出液口；电解液换热器4上设有进液口和出液口；电解液二次换热器5上设有低温进液口和低温出液口；
正渗透系统6包括废水侧和电解液侧，在废水侧和电解液侧中间设有渗透膜，在废水侧设有废水入口，在电解液侧设有电解热入口和电解液出口；
电解槽1的出液口与气液分离器2的高温进液口连接，气液分离器2的高温出液口与补水预热器3的高温进液口相连；
补水预热器3的高温出液口与电解液换热器4的进液口相连，电解液换热器4的出液口与电解液二次换热器5的低温进液口、电解槽1的进液口分别相连；
电解液二次换热器5的低温出液口与正渗透系统6的电解液入口相连，正渗透系统6的电解液出口与补水预热器3的低温电解液入口相连，补水预热器3的低温出液口与电解槽1的进液口相连；正渗透系统6的废水入口用于通入含盐废水。
具体地，电解液换热器4为间壁式换热器，补水预热器3流出的高温电解液和冷却介质在电解液换热器4内进行热交换，电解液温度降低。冷却介质为水或空气；
具体地，电解液二次换热器5为间壁式换热器，电解液和冷却介质在换热器内进行热交换，电解液温度进一步降低；
具体地，电解槽1的内部交替布置阳极室和阴极室，阳极室之间通过孔道串联，阴极室通过孔道串联；气液分离器2包括氢气分离器和氧气分离器，阴极室与氢气分离器通过电解液管道相连，阳极室与氧气分离器通过电解液管道相连。
具体地，补水预热器3的为间壁式换热器，高温电解液和低温电解液在补水预热器3中进行热交换。
基于所述含盐废水电解制氢系统的工作方法，包括如下步骤：
S1、电解液在电解槽1中发生电解，产生氢气和氧气，同时电解液中的水被逐渐消耗，电解液的温度逐渐升高；
S2、电解槽1中的高温电解液进入气液分离器2中分离，溢出氢气和氧气，同时高温电解液进入补水预热器3；
S3、高温电解液经补水预热器3后再进入电解液换热器4，高温电解液在电解液换热器4中与冷却介质进行热交换，温度下降；
S4、温度下降的电解液分为两路，一路回到电解槽1中继续进行电解反应；另一路进入电解液二次换热器5进行降温后进入正渗透系统6，同时，正渗透系统6通入经过预处理的含盐废水；
水分子透过渗透膜由废水侧进入电解液侧，含盐废水被浓缩，同时电解液中的水得到补充；
S5、补水后的电解液由正渗透系统6进入补水预热器3，补水后的电解液与来自气液分离器2的高温电解液在补水预热器3中进行热交换，补水后的电解液温度升高，然后升温的电解液流向电解槽1；
S6、重复S1～S5，以此循环往复。
S1中，电解液的温度升高至70-90℃；S3中，电解液的温度下降至50-70℃；S4中，进入正渗透系统6的电解液的温度为30-40℃。
预处理后的含盐废水的成分为氯化钠和硫酸钠，质量浓度≤5％。
下面为具体的实施例：
电解液采用10％的硫酸钠，电解液在电解槽1中发生电化学反应，阴极室产生氢气、阳极室产生氧气，电解液中的水被逐渐消耗，同时电解液的温度逐渐升高80℃；阴极室和阳极室的高温电解液分别进入气液分离器2的氢气分离器和氧气分离器；氢气和氧气分别在氢气分离器和氧气分离器中分离溢出，高温电解液进入补水预热器3，利用余热对补水后的电解液进行预热，同时高温电解液温度下降；高温电解液再进入电解液换热器4中与冷却介质进行热交换，温度下降至60℃；60℃的电解液一路回到电解槽1的阴极室和阳极室进行电解反应；另一路进入电解液二次换热器5中与冷却介质进一步热交换，温度下降至30℃；30℃的电解液进入正渗透系统6，同时，正渗透系统6通入经过预处理的含盐废水，含盐废水中盐的浓度1％，由于电解液的盐浓度高、渗透压高，含盐废水的盐浓度低、渗透压低，水分子透过正渗透膜由废水侧进入电解液侧，含盐废水被浓缩，电解液中的水得到补充；补水后的电解液由正渗透系统6进入补水预热器3，补水后的电解液与高温电解液在补水预热器3中进行热交换，补水后的电解液温度升高，然后回到电解槽1中，对电解系统中的水进行补充。
Claims (8)
1.一种含盐废水电解制氢系统，其特征在于，包括电解槽（1）、气液分离器（2）、补水预热器（3）、电解液换热器（4）、电解液二次换热器（5）及正渗透系统（6）；
电解槽（1）上设有进液口和出液口；
气液分离器（2）上设有高温进液口、高温出液口、低温进液口及气体出口；
补水预热器（3）上设有高温进液口、高温出液口、低温进液口及低温出液口；
电解液换热器（4）上设有进液口和出液口；
电解液二次换热器（5）上设有低温进液口和低温出液口；
正渗透系统（6）设有电解液入口、电解液出口及用于通入含盐废水的废水入口和用于排出废水的废水出口；
电解槽（1）的出液口与气液分离器（2）的高温进液口连接，气液分离器（2）的高温出液口与补水预热器（3）的高温进液口相连；
补水预热器（3）的高温出液口与电解液换热器（4）的进液口相连，电解液换热器（4）的出液口与电解液二次换热器（5）的低温进液口、电解槽（1）的进液口分别相连；
电解液二次换热器（5）的低温出液口与正渗透系统（6）的电解液入口相连，正渗透系统（6）的电解液出口与补水预热器（3）的低温电解液入口相连，补水预热器（3）的低温出液口与电解槽（1）的进液口相连；
电解槽（1）的内部交替布置阳极室和阴极室，阳极室之间通过孔道串联，阴极室通过孔道串联；
正渗透系统（6）包括废水侧和电解液侧，在废水侧和电解液侧中间设有渗透膜，废水入口和废水出口设置在废水侧，电解热入口和电解液出口设置在电解液侧。
2.根据权利要求1所述的一种含盐废水电解制氢系统，其特征在于，气液分离器（2）包括氢气分离器和氧气分离器，阴极室与氢气分离器通过电解液管道相连，阳极室与氧气分离器通过电解液管道相连。
3.根据权利要求1所述的一种含盐废水电解制氢系统，其特征在于，电解液换热器（4）为间壁式换热器。
4.根据权利要求1所述的一种含盐废水电解制氢系统，其特征在于，电解液二次换热器（5）为间壁式换热器。
5.根据权利要求1所述的一种含盐废水电解制氢系统，其特征在于，补水预热器（3）为间壁式换热器。
6.根据权利要求3-5任意一项所述的一种含盐废水电解制氢系统，其特征在于，间壁式换热器的冷却介质为水或空气。
7.基于权利要求1-6任意一项所述含盐废水电解制氢系统的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、电解液在电解槽（1）中发生电解，产生氢气和氧气，同时电解液中的水被逐渐消耗，电解液的温度逐渐升高；
S2、电解槽（1）中的高温电解液进入气液分离器（2）中分离，溢出氢气和氧气，同时高温电解液进入补水预热器（3）；
S3、高温电解液经补水预热器（3）后再进入电解液换热器（4），高温电解液在电解液换热器（4）中与冷却介质进行热交换，温度下降；
S4、温度下降的电解液分为两路，一路回到电解槽（1）中继续进行电解反应；另一路进入电解液二次换热器（5）进行降温后进入正渗透系统（6），同时，正渗透系统（6）通入经过预处理的含盐废水；
水分子渗入电解液中，含盐废水被浓缩，同时电解液中的水得到补充；
S5、补水后的电解液由正渗透系统（6）进入补水预热器（3），补水后的电解液与来自气液分离器（2）的高温电解液在补水预热器（3）中进行热交换，补水后的电解液温度升高，流向电解槽（1）；
S6、重复S1-S5，以此循环往复。
8.根据权利要求7所述的含盐废水电解制氢系统的工作方法，其特征在于，S1中，电解液的温度升高至70-90℃；
S3中，电解液的温度下降至50-70℃；
S4中，进入正渗透系统（6）的电解液的温度为30-40℃。
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