CN114959740B - 规模化碱性电解水制氢的停机电解槽保温系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种规模化碱性电解水制氢的停机电解槽保温系统，涉及电解水制氢技术领域。系统包括多并一气液分离器、碱液内循环换热组件和碱液外循环换热组件；多并一气液分离器的底部的热碱液混合后进入碱液内循环换热组件，并送至停机的电解槽维持槽温，构成碱液内循环换热流程；多并一气液分离器的底部的热碱液混合后进入碱液换热器，另一组多并一气液分离器的底部的热碱液混合后进入碱液外循环换热组件中的碱液换热器，并送至停机的电解槽维持槽温，构成碱液外循环换热流程。这样，利用在运的电解槽工作时产生的多余热量给停机的电解槽保温，解决规模化碱性电解水制氢时停机的电解槽因温度偏低导致再启动时间变长、影响氢气产量的技术问题。

Description

规模化碱性电解水制氢的停机电解槽保温系统
技术领域
本发明涉及电解水制氢技术领域，具体而言，涉及一种规模化碱性电解水制氢的停机电解槽保温系统。
背景技术
碱性电解水制氢技术是当前所有电解水制氢技术中最为成熟的一种，其电解槽制造成本较低，结构框架成熟，电堆寿命较长，商业化应用程度远优于其他电解水制氢技术，成为目前国内电解水制氢项目尤其是规模化电解水制氢项目的首选。针对规模化电解水制氢项目，要求同一时间多台碱性电解槽同时运行以确保氢气产量，如果出现某一制氢设备临时性停机或故障停机等情况，需要备用碱性电解槽快速启动投入生产，一旦启动不及时势必会造成产氢量大幅波动，给制氢项目带来经济损失。因此，规模化电解水制氢项目对碱性电解槽的启动时间提出了更高的要求。
碱性电解槽在启动时，影响启动速度的关键因素是电解槽温度，槽温过低会使槽内电阻加大，在额定输入电压条件下，制氢电流提升困难，而电流低又反向使得电解槽升温速度缓慢，导致产气时间延长，产气量降低，电能消耗增加。电解槽一旦处于停机状态，槽温会迅速下降，受制于碱性电解槽的固有特性，下次再启动时必须先进行热机，使电解槽温度达到允许范围后才能开始工作，在保压状态下，若碱性电解槽在50℃槽温下启动仅需用时10分钟以内便可达满负荷运行，若在5℃槽温下启动则需要至少80分钟以上才可达满负荷运行，因此使停机电解槽在热备用状态(50℃以上)启动，可大大缩短启动时间并减少启动阶段电能消耗。然而，目前规模化电解水制氢项目还处于初期发展阶段，尚缺乏针对碱性电解槽快速启动的热备用措施；另一方面，运行中的制氢设备在电解水过程中产生的热量又需要被冷却水带走而不能被充分利用，导致了热能的浪费。
发明内容
本发明的目的包括提供了一种规模化碱性电解水制氢的停机电解槽保温系统，以解决规模化电解水制氢项目中，停机电解槽因槽温偏低而无法快速启动的技术问题。
本发明的实施例可以这样实现：
本发明提供一种规模化碱性电解水制氢的停机电解槽保温系统，系统包括多并一气液分离器、碱液内循环换热组件和碱液外循环换热组件；
多并一气液分离器的底部的热碱液混合后进入碱液内循环换热组件，并送至停机的电解槽维持槽温，从停机的电解槽的阴极侧流出的冷碱液回到多并一气液分离器，从停机的电解槽的阳极侧流出的冷碱液回到多并一气液分离器，在多并一气液分离器中与同组在运的电解槽的热碱液再次混合均温，构成碱液内循环换热流程；
碱液外循环换热组件包括碱液换热器，多并一气液分离器的底部的热碱液混合后进入碱液换热器，另一组多并一气液分离器的底部的热碱液混合后进入碱液换热器，并送至停机的电解槽维持槽温，从停机的电解槽的阴极侧流出的冷碱液回到多并一气液分离器，从停机的电解槽的阳极侧流出的冷碱液回到多并一气液分离器，在多并一气液分离器中与同组在运的电解槽的热碱液再次混合均温，构成碱液外循环换热流程。
在可选的实施方式中，碱液内循环换热组件包括流路FF、碱液水冷器和碱液循环泵，碱液内循环换热组件还包括流路FF1、...、FFN，碱液水冷器包括碱液水冷器C1、...、CN，碱液循环泵包括碱液循环泵D1、...、DN，多并一气液分离器的底部的热碱液混合后经过流路FF分别进入流路FF1、...、FFN，流路FF1、...、FFN分别连接碱液水冷器C1、...、CN，碱液水冷器C1、...、CN分别连接碱液循环泵D1、...、DN，碱液循环泵D1、...、DN分别连接停机的电解槽E1、...、EN。
在可选的实施方式中，碱液外循环换热组件还包括流路GG以及流路GG1、...、GGN，碱液外循环换热组件还包括流路GG’以及流路GG1’、...、GGN’；
多并一气液分离器的底部的热碱液混合后通过流路GG进入碱液换热器，并分别进入流路GG1、...、GGN，再分别进入碱液水冷器C1、...、CN；另一组多并一气液分离器的底部的热碱液混合后通过流路GG1’进入碱液换热器，并分别进入流路GG1’、...、GGN’，再分别进入各自相连的碱液水冷器。
在可选的实施方式中，电解槽为碱性电解槽，电解槽的碱液为质量分数30％的KOH溶液。
在可选的实施方式中，多并一气液分离器包括多并一氢分离器和多并一氧分离器，多并一氢分离器与电解槽的阴极相连接，多并一氧分离器与电解槽的阳极相连接。
在可选的实施方式中，多并一氢分离器和多并一氧分离器由多台电解槽共用。
在可选的实施方式中，每台电解槽均单独配置一台碱液水冷器和至少一台碱液循环泵，停机的电解槽的碱液水冷器的冷却水出口、入口均关闭。
在可选的实施方式中，多并一气液分离器的底部的热碱液混合后通过流路GG进入碱液换热器的管程，另一组多并一气液分离器的底部的热碱液混合后通过流路GG1’进入碱液换热器的壳程；或者，多并一气液分离器的底部的热碱液混合后通过流路GG进入碱液换热器的壳程，另一组多并一气液分离器的底部的热碱液混合后通过流路GG1’进入碱液换热器的管程。
在可选的实施方式中，多并一氢分离器、多并一氧分离器、碱液换热器和电解槽的出入口管线上均设置有阀门，多并一氢分离器和多并一氧分离器的碱液出口管线上还设置有单向阀，碱液换热器的管程入口与壳程入口之间还设置有跨线阀，碱液换热器的管程出口与壳程出口之间还设置有跨线阀。
在可选的实施方式中，每台电解槽的进液口处均设置有用于检测碱液温度的温度传感器。
本发明实施例提供的规模化碱性电解水制氢的停机电解槽保温系统的有益效果包括：
1)利用在运的电解槽工作时产生的多余热量给停机的电解槽保温，既解决了规模化碱性电解水制氢时停机电解槽因温度偏低，导致再启动时间变长影响氢气产量的技术问题，不使用额外热源，还减少了制氢系统的冷却水消耗；
2)有效避免了碱性电解槽在开、停机过程中因温差大造成设备热胀冷缩进而出现氢气、氧气及碱液等介质泄漏的风险；
3)有效降低了停机的电解槽的碱液在低温静止状态下出现结晶造成管路和设备堵塞的风险。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的规模化碱性电解水制氢的停机电解槽保温系统的组成示意图。
图标：100-规模化碱性电解水制氢的停机电解槽保温系统；1-多并一氢分离器；2-多并一氧分离器；3-碱液水冷器；4-碱液循环泵；5-碱液换热器；6-电解槽。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
请参考图1，本实施例提供了一种规模化碱性电解水制氢的停机电解槽保温系统100(以下简称：系统)，系统包括多并一气液分离器、碱液内循环换热组件和碱液外循环换热组件。
其中，多并一气液分离器包括多并一氢分离器1和多并一氧分离器2，多并一氢分离器1与电解槽6的阴极相连接，多并一氧分离器2与电解槽6的阳极相连接。多并一氢分离器1和多并一氧分离器2由多台电解槽6共用。每台电解槽6均单独配置一台碱液水冷器3和至少一台碱液循环泵4，停机的电解槽6的碱液水冷器3的冷却水出口、入口均关闭。
多并一氢分离器1、多并一氧分离器2、碱液换热器5和电解槽6的出入口管线上均设置有阀门，多并一氢分离器1和多并一氧分离器2的碱液出口管线上还设置有单向阀，碱液换热器5的管程入口与壳程入口之间还设置有跨线阀，碱液换热器5的管程出口与壳程出口之间还设置有跨线阀。每台电解槽6的进液口处均设置有用于检测碱液温度的温度传感器。
多并一气液分离器的底部的热碱液混合后进入碱液内循环换热组件，并送至停机的电解槽6维持槽温，从停机的电解槽6的阴极侧流出的冷碱液回到多并一气液分离器，从停机的电解槽6的阳极侧流出的冷碱液回到多并一气液分离器，在多并一气液分离器中与同组在运的电解槽6的热碱液再次混合均温，构成碱液内循环换热流程。
碱液外循环换热组件包括碱液换热器5，多并一气液分离器的底部的热碱液混合后进入碱液换热器5，另一组多并一气液分离器的底部的热碱液混合后进入碱液换热器5，并送至停机的电解槽6维持槽温，从停机的电解槽6的阴极侧流出的冷碱液回到多并一气液分离器，从停机的电解槽6的阳极侧流出的冷碱液回到多并一气液分离器，在多并一气液分离器中与同组在运的电解槽6的热碱液再次混合均温，构成碱液外循环换热流程。
具体的，在碱液内循环换热流程中，碱液内循环换热组件包括流路FF、碱液水冷器3和碱液循环泵4，碱液内循环换热组件还包括流路FF1、...、FFN，碱液水冷器3包括碱液水冷器C1、...、CN，碱液循环泵4包括碱液循环泵D1、...、DN。
多并一氢分离器1和多并一氧分离器2的底部的热碱液混合后经过流路FF分别进入流路FF1、...、FFN，流路FF1、...、FFN分别连接碱液水冷器C1、...、CN，碱液水冷器C1、...、CN分别连接碱液循环泵D1、...、DN，碱液循环泵D1、...、DN分别连接停机的电解槽E1、...、EN。这样，热碱液由停机的电解槽E1、...、EN的碱液循环泵D1、...、DN送至停机的电解槽E1、...、EN维持槽温，从停机的电解槽E1、...、EN的阴极侧流出的冷碱液回到多并一氢分离器1，从停机的电解槽E1、...、EN的阳极侧流出的冷碱液回到多并一氧分离器2，在多并一氢分离器1和多并一氧分离器2中与同组在运的电解槽6的热碱液再次混合均温，如此构成碱液内循环换热流程。
在碱液外循环换热流程中，碱液外循环换热组件还包括流路GG以及流路GG1、...、GGN，碱液外循环换热组件还包括流路GG’以及流路GG1’、...、GGN’。
多并一氢分离器1和多并一氧分离器2的底部的热碱液混合后通过流路GG进入碱液换热器5的管程，并分别进入流路GG1、...、GGN，再分别进入碱液水冷器C1、...、CN；另一组多并一气液分离器的底部的热碱液混合后通过流路GG1’进入碱液换热器5的壳程，并分别进入流路GG1’、...、GGN’，再分别进入各自相连的碱液水冷器3。
热碱液由停机的电解槽6的碱液循环泵D1、...、DN泵送至停机的电解槽E1、...、EN维持槽温，从停机的电解槽E1、...、EN的阴极侧流出的冷碱液回到多并一氢分离器1，从停机的电解槽E1、...、EN的阳极侧流出的冷碱液回到多并一氧分离器2，在多并一氢分离器1和多并一氧分离器2中与同组在运的电解槽6的热碱液再次混合均温，如此构成碱液外循环换热流程。
优选的，电解槽6停机后的保温工艺流程切换步骤包括：
(1)电解槽6停机后，首先采用碱液内循环换热流程，关闭停机的电解槽6的碱液水冷器3的冷却水，并逐渐减小同组在运的电解槽6的碱液水冷器3的冷却水，使进入停机的电解槽6和在运的电解槽6的碱液温度为60℃-80℃；
(2)当同组电解槽6的碱液水冷器3的冷却水逐渐关闭后，电解槽6入口碱液温度仍小于60℃时，则立即切换至碱液外循环换热流程，并逐渐减小另一组在运的电解槽6的碱液水冷器3的冷却水，使进入停机的电解槽6和在运的电解槽6的碱液温度为60℃-80℃。
实施例1
多并一气液分离器采用4并1，即4台电解槽6共用1台氢分离器、1台氧分离器，4台电解槽6的功率均为5MW，正常运行时，氢分离器和氧分离器的底部碱液出口温度为80℃，电解槽6入口碱液温度为70℃，电解槽6出口碱液温度为90℃，环境温度为40℃时，当4台电解槽6中的1台电解槽6停机，则采用碱液内循环换热流程，与停机前对比，经循环换热后从停机的电解槽6流出的碱液温度约为52℃，在运的电解槽6出口碱液温度为90℃，4并1气液分离器底部碱液出口温度约为74℃，停运的电解槽6的碱液水冷器3的冷却水关闭，停机的电解槽6入口碱液温度约70℃，在停机的电解槽6中碱液放热后流出电解槽6的温度约52℃，在运的电解槽6的碱液水冷器3的冷却水流量为原来的20％左右，使在运的电解槽6入口碱液温度控制为70℃，在运的电解槽6出口碱液温度为90℃。
实施例2
多并一气液分离器采用4并1，即4台电解槽6共用1台氢分离器、1台氧分离器，共两组4并1气液分离器，共8台功率均为5MW的电解槽6，正常运行时，氢分离器和氧分离器的底部碱液出口温度为80℃，电解槽6入口碱液温度为70℃，电解槽6出口碱液温度为90℃，环境温度为-10℃低温时，当8台电解槽6中的1台电解槽6停机，则采用碱液外循环换热流程，与停机前对比，经循环换热后从停机的电解槽6流出的碱液温度约为35℃，其余7台在运的电解槽6出口碱液温度为90℃，与停机的电解槽6同组的4并1气液分离器的底部碱液出口温度约为72℃，另一组气液分离器的底部碱液出口温度为76℃，停运的电解槽6的碱液水冷器3的冷却水关闭，停机的电解槽6入口碱液温度约62℃，在停机的电解槽6中碱液放热后流出电解槽6的温度约35℃，7台在运的电解槽6的碱液水冷器3的冷却水几乎全关闭，使在运的电解槽6入口碱液温度控制为70℃，在运的电解槽6出口碱液温度为90℃。
本实施例提供的规模化碱性电解水制氢的停机电解槽保温系统100的有益效果包括：
1)利用在运的电解槽6工作时产生的多余热量给停机的电解槽6保温，既解决了规模化碱性电解水制氢时停机电解槽6因温度偏低、导致再启动时间变长影响氢气产量的技术问题，不使用额外热源，还减少了制氢系统的冷却水消耗；
2)有效避免了碱性电解槽在开、停机过程中因温差大造成设备热胀冷缩进而出现氢气、氧气及碱液等介质泄漏的风险；
3)有效降低了停机的电解槽6的碱液在低温静止状态下出现结晶造成管路和设备堵塞的风险。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种规模化碱性电解水制氢的停机电解槽保温系统，其特征在于，所述系统包括多并一气液分离器、碱液内循环换热组件和碱液外循环换热组件；
所述多并一气液分离器的底部的热碱液混合后进入所述碱液内循环换热组件，并送至停机的电解槽（6）维持槽温，从停机的所述电解槽（6）的阴极侧流出的冷碱液回到所述多并一气液分离器，从停机的所述电解槽（6）的阳极侧流出的冷碱液回到所述多并一气液分离器，在所述多并一气液分离器中与同组在运的所述电解槽（6）的热碱液再次混合均温，构成碱液内循环换热流程；
所述碱液外循环换热组件包括碱液换热器（5），所述多并一气液分离器的底部的热碱液混合后进入所述碱液换热器（5），另一组所述多并一气液分离器的底部的热碱液混合后进入所述碱液换热器（5），并送至停机的所述电解槽（6）维持槽温，从停机的所述电解槽（6）的阴极侧流出的冷碱液回到所述多并一气液分离器，从停机的所述电解槽（6）的阳极侧流出的冷碱液回到所述多并一气液分离器，在所述多并一气液分离器中与同组在运的所述电解槽（6）的热碱液再次混合均温，构成碱液外循环换热流程；
所述碱液内循环换热组件包括流路FF、碱液水冷器（3）和碱液循环泵（4），所述碱液内循环换热组件还包括流路FF1、...、FFN，所述碱液水冷器（3）包括碱液水冷器C1、...、CN，所述碱液循环泵（4）包括碱液循环泵D1、...、DN，所述多并一气液分离器的底部的热碱液混合后经过所述流路FF分别进入流路FF1、...、FFN，流路FF1、...、FFN分别连接碱液水冷器C1、...、CN，碱液水冷器C1、...、CN分别连接碱液循环泵D1、...、DN，碱液循环泵D1、...、DN分别连接停机的电解槽E1、...、EN；
所述碱液外循环换热组件还包括流路GG以及流路GG1、...、GGN，所述碱液外循环换热组件还包括流路GG’以及流路GG1’、...、GGN’；
所述多并一气液分离器的底部的热碱液混合后通过所述流路GG进入所述碱液换热器（5），并分别进入流路GG1、...、GGN，再分别进入碱液水冷器C1、...、CN；另一组所述多并一气液分离器的底部的热碱液混合后通过所述流路GG1’进入所述碱液换热器（5），并分别进入流路GG1’、...、GGN’，再分别进入各自相连的碱液水冷器（3）。
2.根据权利要求1所述的规模化碱性电解水制氢的停机电解槽保温系统，其特征在于，所述电解槽（6）为碱性电解槽，所述电解槽（6）的碱液为质量分数30%的KOH溶液。
3.根据权利要求1所述的规模化碱性电解水制氢的停机电解槽保温系统，其特征在于，所述多并一气液分离器包括多并一氢分离器（1）和多并一氧分离器（2），所述多并一氢分离器（1）与所述电解槽（6）的阴极相连接，所述多并一氧分离器（2）与所述电解槽（6）的阳极相连接。
4.根据权利要求3所述的规模化碱性电解水制氢的停机电解槽保温系统，其特征在于，所述多并一氢分离器（1）和所述多并一氧分离器（2）由多台所述电解槽（6）共用。
5.根据权利要求1所述的规模化碱性电解水制氢的停机电解槽保温系统，其特征在于，每台所述电解槽（6）均单独配置一台所述碱液水冷器（3）和至少一台所述碱液循环泵（4），停机的所述电解槽（6）的所述碱液水冷器（3）的冷却水出口、入口均关闭。
6.根据权利要求1所述的规模化碱性电解水制氢的停机电解槽保温系统，其特征在于，所述多并一气液分离器的底部的热碱液混合后通过所述流路GG进入所述碱液换热器（5）的管程，另一组所述多并一气液分离器的底部的热碱液混合后通过所述流路GG1’进入所述碱液换热器（5）的壳程；或者，所述多并一气液分离器的底部的热碱液混合后通过所述流路GG进入所述碱液换热器（5）的壳程，另一组所述多并一气液分离器的底部的热碱液混合后通过所述流路GG1’进入所述碱液换热器（5）的管程。
7.根据权利要求3所述的规模化碱性电解水制氢的停机电解槽保温系统，其特征在于，所述多并一氢分离器（1）、所述多并一氧分离器（2）、所述碱液换热器（5）和所述电解槽（6）的出入口管线上均设置有阀门，所述多并一氢分离器（1）和所述多并一氧分离器（2）的碱液出口管线上还设置有单向阀，所述碱液换热器（5）的管程入口与壳程入口之间还设置有跨线阀，所述碱液换热器（5）的管程出口与壳程出口之间还设置有跨线阀。
8.根据权利要求1所述的规模化碱性电解水制氢的停机电解槽保温系统，其特征在于，每台所述电解槽（6）的进液口处均设置有用于检测碱液温度的温度传感器。
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