CN114717608A - 一种长寿命的碱性电解水系统及控制方法 - Google Patents

一种长寿命的碱性电解水系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种长寿命的碱性电解水系统及其控制方法，该系统包括氢分离器、氧分离器和电解槽，所述氢分离器、氧分离器的出液口均连接至碱液循环泵，碱液循环泵通过管路依次连接吸附单元、碱液冷却器和电解槽进液口，所述电解槽的两个出气口分别通过管路连接至氢分离器和氧分离器的进气口；所述氢分离器的出气口经管路依次连接脱碱单元。本发明所述的碱性电解水系统设置吸附单元，吸附循环碱液内的的杂质以增加电解槽的使用寿命。两条吸附支路交替运行，同时设置反冲洗单元，冲洗过程不影响电解系统运行。另外设置脱碱单元，对氢气进行脱碱，避免氢气中携带的碱液对脱氧塔内催化剂的腐蚀，降低了系统维修的成本和周期。

Description

一种长寿命的碱性电解水系统及控制方法
技术领域
本发明属于电解水制氢领域，尤其涉及一种长寿命的碱性电解水系统及控制方法。
背景技术
电解水制氢工艺，按照电解质不同，分为碱性电解水(AWE)、质子交换膜电解水(PEM)和固体氧化物电解水(SOEC)三种技术，目前碱性电解水和质子交换膜电解水已经工业化，固体氧化物电解水处于实验室阶段。碱性电解水制氢技术最为成熟，具有电解槽结构简单、成本低廉等特点，碱性电解水需要借助25-30％的KOH或者NaOH水溶液作为电解质，在KOH或者NaOH水溶液中进行循环电解。
传统的碱性电解水碱液系统，运行一段时间后，隔膜(尤其是石棉隔膜)、电极的涂层(阴极的镍喷涂层)、极板的镍镀层，均会有不同程度的脱落，脱落物在碱液系统中循环，最终沉积在系统底部或者堵塞隔膜孔隙，导致沉积部位的垢下腐蚀以及电解槽电耗的增加，影响电解槽的寿命。
传统的碱性电解水系统，氢气经过气液分离器后，直接进入脱氧塔，氢气中带有的碱液，对脱氧塔催化剂影响很大，影响其脱氧塔的寿命。
发明内容
本发明针对上述的技术问题，提出一种可有效提高碱性电解槽以及纯化系统的寿命，降低系统维修成本和周期的碱性电解水系统及控制方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种长寿命的碱性电解水系统，包括氢分离器、氧分离器和电解槽，所述氢分离器、氧分离器的出液口均连接至碱液循环泵，碱液循环泵通过管路依次连接吸附单元、碱液冷却器和电解槽进液口，所述电解槽的两个出气口分别通过管路连接至氢分离器和氧分离器的进气口；所述氢分离器的出气口经管路依次连接脱碱单元；
所述吸附单元包括两条并联的吸附支路，第一吸附支路上设置有第一电磁阀、第一吸附器及检测第一吸附器前后压力的第一压差计和第二电磁阀，第二吸附支路上设置有第三电磁阀、第二吸附器及检测第二吸附器前后压力的第二压差计和第四电磁阀，两条吸附支路汇合后的主路上设置有第一在线分析仪；
所述脱碱单元包括两条并联的脱碱支路，两条脱碱支路的两个公共端均设置在线分析仪，第一脱碱支路上设置有第九电磁阀、第一脱碱塔、第十电磁阀和第十一电磁阀，第二脱碱支路上设置有第十二电磁阀、第十三电磁阀、第二脱碱塔和第十四电磁阀；还包括第十五电磁阀，第十五电磁阀一端连接至第十电磁阀和第十一电磁阀之间的管路上，另一端连接至第十二电磁阀和第十三电磁阀之间的管路上。
作为优选，所述第一吸附器和第二电磁阀之间设置第五电磁阀，第二吸附器和第四电磁阀之间设置第六电磁阀，第五电磁阀和第六电磁阀经管路连接至冲洗水源，构成反冲洗单元；
所述第一电磁阀与第一吸附器之间设置有第八电磁阀，第三电磁阀与第二吸附器之间设置有第七电磁阀，第八电磁阀和第七电磁阀经管路连接至排污口，构成污水回收单元。
作为优选，所述电解槽的两个出气口之一与氢分离器的进气口连接的管路上设第一温度计，另一出气口与氧分离器进气口连接的管路上设第二温度计。
作为优选，所述氢分离器和氧分离器的出气端均设置压力控制器。
作为优选，所述脱碱单元的下游连接脱氧塔和干燥塔。
作为优选，所述干燥塔的出气端设置压力控制器。
本发明还提出一种长寿命的碱性电解水系统的控制方法，包括如下步骤：
1)电解槽运行，电解后的碱液一部分随氧气从电解槽阳极出来，到氧分离器进行气液分离，分离出的氧气送到下游；电解后的另一部分碱液随氢气从电解槽阴极出来，到氢分离器进行气液分离，分离出的氢气进入脱碱单元脱碱，此后经脱氧塔和干燥塔后输送至下游；
2)氢分离器和氧分离器分离出的碱液均经碱液循环泵输送至吸附单元除杂，此后经碱液冷却器冷却后送回电解槽；
3)第一(或第二)脱碱塔运行，通过在线分析仪监测脱碱塔出口氢气中的碱液含量，超过1ppm时，切换至第二(或第一)脱碱塔，第一(或第二)脱碱塔进行吸附剂更换；当碱性电解水系统波动，引起氢气中碱液急剧上升，且在线分析仪显示碱液含量超过1ppm时，将第一脱碱塔和第二脱碱塔串联使用，以降低脱碱塔出口的碱液含量，待系统稳定后再恢复单第一(或第二)脱碱塔运行；
4)第一(或第二)吸附器运行，通过第一(或第二)压差计和在线分析仪监测碱液的质量，当第一(或第二)压差计或在线分析仪超过报警值时，切换至第二(或第一)吸附器运行，第一(或第二)吸附器进行反冲洗，质排至污水系统；如果压差计或在线分析仪监测碱液的质量仍不合格，则更换吸附剂。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
该碱性电解水系统设置吸附单元，吸附单元的两个吸附器可交替运行，吸附循环碱液内的的杂质以增加电解槽的使用寿命。
两条吸附支路交替运行，同时设置反冲洗单元，冲洗过程不影响电解系统运行。
设置脱碱单元，脱碱单元对经氢分离器出来的氢气进行脱碱，避免氢气中携带的碱液对脱氧塔内催化剂的腐蚀，增长脱氧塔的使用寿命。同样的两条脱碱支路交替运行，降低了系统维修的成本和周期。
所述控制方法实现了碱性电解水系统的自动监测和运行，降低了系统维修的成本和周期。
附图说明
图1为本发明碱性电解水系统的结构示意图；
图2为本发明碱性电解水系统的吸附单元结构示意图；
图3为本发明碱性电解水系统的脱碱单元结构示意图；
以上各图中：1、氢分离器；2、氧分离器；3、碱液循环泵；4、电解槽；5、吸附单元；6、脱碱单元；7、脱氧塔；8、干燥塔；9、第一压力控制器；10、第二压力控制器；11、第一温度计；12、第二温度计；13、第一吸附器；14、第一压差计；15、第二吸附器；16、第二压差计；17、第一在线分析仪；18、第一电磁阀；19、第二电磁阀；20、第三电磁阀；21、第四电磁阀；22、第五电磁阀；23、第六电磁阀；24、第七电磁阀；25、第八电磁阀；26、第二在线分析仪；27、第三在线分析仪；28、第一脱碱塔；29、第二脱碱塔；30、第九电磁阀；31、第十电磁阀；32、第十一电磁阀；33、第十二电磁阀；34、第十三电磁阀；35、第十四电磁阀；36、第十五电磁阀；37、第三压力控制器；38、碱液冷却器。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合附图和实施例做具体说明。
实施例一：
如图1所示，一种长寿命的碱性电解水系统，包括氢分离器1、氧分离器2、碱液循环泵3和电解槽4，所述氢分离器1和氧分离器2的出液口均连接至碱液循环泵3，碱液循环泵3通过管路依次连接吸附单元5、碱液冷却器38和电解槽4进液口。所述电解槽4的氢出气口通过管路连接至氢分离器1，电解后的部分碱液随氢气从电解槽4阴极出来，到氢分离器1内进行气液分离，分离出的氢气进入脱碱单元6脱碱。氢分离器1的下游管路上安装有第三压力控制器37，通过该压力控制器的控制氢分离器1的压力。
脱碱单元6的下游连接脱氧塔7和干燥塔8，脱碱后的氢气经脱氧塔7进一步去除氧气，此后干燥塔8除水后输送至下游。干燥塔8后的管路上设置有第一压力控制器9，通过该压力控制器控制脱碱单元6、脱氧塔7和干燥塔8的压力。
电解槽4的氧出气口通过管路连接至氧分离器2的进气口，电解后的部分碱液随氧气从电解槽4阳极出来，到氧分离器2进行气液分离，分离出的氧气送到下游。氧分离器2的下游管路上安装有第二压力控制器10，通过该压力控制器控制氧分离器2的压力。
所述电解槽4的氢出气口与氢分离器1的进气口连接的管路上设第一温度计11，该温度计监测电解槽阴极的反应温度，氧出气口与氧分离器2的进气口连接的管路上设第二温度计12，该温度计监测电解槽阳极的反应温度。
如图2所示，所述吸附单元5包括两条并联的吸附支路，第一吸附支路上设置有第一电磁阀18、第一吸附器13及检测第一吸附器13前后压力的第一压差计14和第二电磁阀19，第二吸附支路上设置有第三电磁阀20、第二吸附器15及检测第二吸附器15前后压力的第二压差计16和第四电磁阀21，两条吸附支路汇合后的主路上设置有第一在线分析仪17。所述第一吸附器13和第二电磁阀19之间设置第五电磁阀22，第二吸附器15和第四电磁阀21之间设置第六电磁阀23，第五电磁阀22和第六电磁阀23经管路连接至冲洗水源，构成反冲洗单元；所述第一电磁阀18与第一吸附器13之间设置有第八电磁阀25，第三电磁阀20与第二吸附器15之间设置有第七电磁阀24，第八电磁阀25和第七电磁阀24经管路连接至排污口，构成污水回收单元。
第一吸附器13独立运行时需要打开第一电磁阀18和第二电磁阀19，同时关闭阀第三至第八电磁阀25。第二吸附器15独立运行时需打开第三电磁阀20和第四电磁阀21，同时关闭第一电磁阀18、第二电磁阀19，以及第五至第八电磁阀25。第一吸附器13进行反冲洗时关闭第一电磁阀18和第二电磁阀19，打开第五电磁阀22和第八电磁阀，用纯水冲洗第一吸附器13一段时间后杂质排至污水系统。第二吸附器15进行反冲洗时需关闭第三电磁阀20和第四电磁阀21，打开第六电磁阀23和第七电磁阀24，用纯水冲洗第二吸附器15一段时间，杂质排至污水系统。
吸附单元5的运行过程如下：
第一(或第二)吸附器运行，通过第一(或第二)压差计和在线分析仪监测碱液的质量，当第一(或第二)压差计或在线分析仪超过报警值时，切换至第二(或第一)吸附器运行，第一(或第二)吸附器进行反冲洗，质排至污水系统；如果压差计或在线分析仪监测碱液的质量仍不合格，则更换吸附剂。
如图3所示，所述脱碱单元6包括两条并联的脱碱支路，两条脱碱支路的两个公共端均设置在线分析仪，上游为第二在线分析仪26，下游为第三在线分析仪27。第一脱碱支路上设置有第九电磁阀30、第一脱碱塔28、第十电磁阀31和第十一电磁阀32，第二脱碱支路上设置有第十二电磁阀33、第十三电磁阀34、第二脱碱塔29和第十四电磁阀；还包括第十五电磁阀36，第十五电磁阀36一端连接至第十电磁阀31和第十一电磁阀32之间的管路上，另一端连接至第十二电磁阀33和第十三电磁阀34之间的管路上。
第一脱碱塔28独立运行时需打开第九电磁阀30、第十电磁阀31和第十五电磁阀36，关闭第十一至第十四电磁阀；第二脱碱塔29独立运行时需打开第十一电磁阀32、第十二电磁阀33和第十四电磁阀，关闭第九电磁阀30、第十电磁阀31、第十三电磁阀34和第十五电磁阀36；第一脱碱塔28和第二脱碱塔29串联运行时需打开第就至第十三电磁阀34关闭第十四和第十五电磁阀36。
脱碱单元6的运行过程如下：
第一(或第二)脱碱塔单独运行，通过第三在线分析仪27监测脱碱塔出口氢气中的碱液含量。碱液含量超过1ppm时，切换至第二(或第一)脱碱塔，第一(或第二)脱碱塔进行吸附剂更换。当碱性电解水系统波动，引起氢气中碱液急剧上升(通过第二在线分析仪26监测)，且第三在线分析仪27显示碱液含量超过1ppm时，将第一脱碱塔28和第二脱碱塔29串联使用，以降低脱碱塔出口的碱液含量，待系统稳定后再恢复单第一(或第二)脱碱塔单独运行。
传统的碱性电解水碱液系统运行一段时间后，隔膜(尤其是石棉隔膜)、电极的涂层(阴极的镍喷涂层)、极板的镍镀层均会有不同程度的脱落，脱落物在碱液系统循环，沉积在系统底部或者堵塞隔膜孔隙，会导致沉积部位的垢下腐蚀以及电解槽4电耗的增加，影响电解槽4的寿命。本实施例所述的碱性电解水系统设置吸附单元5，吸附单元5的两个吸附器可交替运行，吸附循环碱液内的的杂质以增加电解槽4的使用寿命。两条吸附支路交替运行，同时设置反冲洗单元，冲洗过程不影响电解系统运行。
另外设置脱碱单元6，脱碱单元6对经氢分离器1出来的氢气进行脱碱，避免氢气中携带的碱液对脱氧塔7内催化剂的腐蚀，增长脱氧塔7的使用寿命。同样的两条脱碱支路交替运行，降低了系统维修的成本和周期。
实施例二：
一种长寿命的碱性电解水系统的控制方法，包括如下步骤：
1、电解槽4运行，电解后的碱液一部分随氧气从电解槽4阳极出来，到氧分离器2进行气液分离，分离出的氧气送到下游；电解后的另一部分碱液随氢气从电解槽4阴极出来，到氢分离器1进行气液分离，分离出的氢气进入脱碱单元6脱碱，此后经脱氧塔7和干燥塔8后输送至下游；
2、氢分离器1和氧分离器2分离出的碱液均经碱液循环泵3输送至吸附单元5除杂，此后经碱液冷却器38冷却后送回电解槽4；
3、第一(或第二)脱碱塔运行，通过在线分析仪监测脱碱塔出口氢气中的碱液含量，超过1ppm时，切换至第二(或第一)脱碱塔，第一(或第二)脱碱塔进行吸附剂更换；当碱性电解水系统波动，引起氢气中碱液急剧上升，且在线分析仪显示碱液含量超过1ppm时，将第一脱碱塔28和第二脱碱塔29串联使用，以降低脱碱塔出口的碱液含量，待系统稳定后再恢复单第一(或第二)脱碱塔运行；
4、第一(或第二)吸附器运行，通过第一(或第二)压差计和在线分析仪监测碱液的质量，当第一(或第二)压差计或在线分析仪超过报警值时，切换至第二(或第一)吸附器运行，第一(或第二)吸附器进行反冲洗，质排至污水系统；如果压差计或在线分析仪监测碱液的质量仍不合格，则更换吸附剂。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的。

Claims (7)

1.一种长寿命的碱性电解水系统，其特征在于：包括氢分离器、氧分离器和电解槽，所述氢分离器、氧分离器的出液口均连接至碱液循环泵，碱液循环泵通过管路依次连接吸附单元、碱液冷却器和电解槽进液口，所述电解槽的两个出气口分别通过管路连接至氢分离器和氧分离器的进气口；所述氢分离器的出气口经管路依次连接脱碱单元；
所述吸附单元包括两条并联的吸附支路，第一吸附支路上设置有第一电磁阀、第一吸附器及检测第一吸附器前后压力的第一压差计和第二电磁阀，第二吸附支路上设置有第三电磁阀、第二吸附器及检测第二吸附器前后压力的第二压差计和第四电磁阀，两条吸附支路汇合后的主路上设置有第一在线分析仪；
所述脱碱单元包括两条并联的脱碱支路，两条脱碱支路的两个公共端均设置在线分析仪，第一脱碱支路上设置有第九电磁阀、第一脱碱塔、第十电磁阀和第十一电磁阀，第二脱碱支路上设置有第十二电磁阀、第十三电磁阀、第二脱碱塔和第十四电磁阀；还包括第十五电磁阀，第十五电磁阀一端连接至第十电磁阀和第十一电磁阀之间的管路上，另一端连接至第十二电磁阀和第十三电磁阀之间的管路上。
2.根据权利要求1所述的长寿命的碱性电解水系统，其特征在于：所述第一吸附器和第二电磁阀之间设置第五电磁阀，第二吸附器和第四电磁阀之间设置第六电磁阀，第五电磁阀和第六电磁阀经管路连接至冲洗水源，构成反冲洗单元；
所述第一电磁阀与第一吸附器之间设置有第八电磁阀，第三电磁阀与第二吸附器之间设置有第七电磁阀，第八电磁阀和第七电磁阀经管路连接至排污口，构成污水回收单元。
3.根据权利要求1所述的长寿命的碱性电解水系统，其特征在于：所述电解槽的两个出气口之一与氢分离器的进气口连接的管路上设第一温度计，另一出气口与氧分离器进气口连接的管路上设第二温度计。
4.根据权利要求1所述的长寿命的碱性电解水系统，其特征在于：所述氢分离器和氧分离器的出气端均设置压力控制器。
5.根据权利要求1所述的长寿命的碱性电解水系统，其特征在于：所述脱碱单元的下游连接脱氧塔和干燥塔。
6.根据权利要求5所述的长寿命的碱性电解水系统，其特征在于：所述干燥塔的出气端设置压力控制器。
7.一种长寿命的碱性电解水系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)电解槽运行，电解后的碱液一部分随氧气从电解槽阳极出来，到氧分离器进行气液分离，分离出的氧气送到下游；电解后的另一部分碱液随氢气从电解槽阴极出来，到氢分离器进行气液分离，分离出的氢气进入脱碱单元脱碱，此后经脱氧塔和干燥塔后输送至下游；
2)氢分离器和氧分离器分离出的碱液均经碱液循环泵输送至吸附单元除杂，此后经碱液冷却器冷却后送回电解槽；
3)第一(或第二)脱碱塔运行，通过在线分析仪监测脱碱塔出口氢气中的碱液含量，超过1ppm时，切换至第二(或第一)脱碱塔，第一(或第二)脱碱塔进行吸附剂更换；当碱性电解水系统波动，引起氢气中碱液急剧上升，且在线分析仪显示碱液含量超过1ppm时，将第一脱碱塔和第二脱碱塔串联使用，以降低脱碱塔出口的碱液含量，待系统稳定后再恢复单第一(或第二)脱碱塔运行；
4)第一(或第二)吸附器运行，通过第一(或第二)压差计和在线分析仪监测碱液的质量，当第一(或第二)压差计或在线分析仪超过报警值时，切换至第二(或第一)吸附器运行，第一(或第二)吸附器进行反冲洗，质排至污水系统；如果压差计或在线分析仪监测碱液的质量仍不合格，则更换吸附剂。
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