CN117858980A - 运行电解槽的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种运行电解槽的方法，该方法包括向电解槽提供反应物流，并使用电解槽将反应物分解成产品流。确定电解槽的电力供应的幅值，如果电力供应的幅值小于或等于预定值，则在电解槽之前将稀释剂气体流引入反应物流中。稀释剂气体是惰性气体。此外，还有一种生产氨的系统，其中该系统的原料由电解槽提供。

Description

运行电解槽的方法和设备

技术领域

本公开涉及一种运行电解槽(电解器)的方法和设备。更具体地说，本公开涉及在供应给电解槽的功率低于额定最小值时运行电解槽的方法和设备。本公开还涉及从根据本公开运行的电解槽的产品流中生产氨的系统和方法。

背景技术

多年来，氢一直用于诸如脂肪和油脂的氢化、金属矿石的还原和氨生产等工业过程中。近年来，氢作为一种高效能量载体也引起了人们的极大兴趣，因为氢在释放能量时不会导致CO₂排放。因此，对氢的需求与日俱增。

最常用的氢生产方法是水电解，这一过程需要大量的电能。为了减少氢生产的环境影响，理想的做法是只使用诸如风能或太阳能的可再生能量源。然而，由于风能和太阳能生产取决于不断变化的环境条件，因此实际上难以利用这些能源有效地生产氢。在电解过程中，氢可能会逆向于预期流动而行进，并进入氧气流。这一过程被称为氢交叉。特别是在电解槽的可用功率较低时(诸如低于电解槽的大约15％的标称功率)，产品流速可能会很低，以至于氢交叉潜在地会导致爆炸性气体混合物的形成。这是显然不能容忍的安全隐患，因此实际上电解槽不会在低负载下运行，这意味着潜在有用的绿色能量无法被用于生产绿色氢。应该注意的是，可接受的最小标称功率(低于此功率，氢交叉将变得不可接受)变化很大，例如取决于电解槽技术类型、电极效率、分离器材料、电解液选择、泵(如果有的话)的流量、电解槽以其运行的模式和压力(干-湿、湿-湿或SOEC)。

本发明正是在这一背景下应运而生的。

发明内容

本发明提供了一种运行电解槽的方法，所述方法包括：

为所述电解槽提供电力供应(power supply)；

向所述电解槽的入口提供反应物流(反应物流动流，reactant flowstream)，并运行所述电解槽以将所述反应物分解成一个或多个产品流；

确定所述电力供应的幅值(magnitude of the power supply)；以及如果所述电力供应的幅值小于或等于预定值，则在所述电解槽之前将稀释剂气体流引入所述反应物流中，其中所述稀释剂气体包括惰性气体。

本发明的方法的优势在于，向反应物流中加入惰性气体降低了电解槽内气体的分压，并对系统进行了冲洗，从而降低了气体从电解槽的一侧交叉到另一侧的可能性。

可选地，所述惰性气体包括氮气，氮气是一种丰富而廉价的气体。

反应物流可以可选地被提供给电解槽的第一入口和第二入口，其中第一入口与电解槽的第一侧流体连通，第二入口与电解槽的第二侧流体连通，使得第一入口接收第一反应物流，第二入口接收第二反应物流；以及

在第一入口之前将稀释剂气体流引入第一反应物流中。

可以在第二入口之前将第二气体流引入第二反应物流中，其中第二气体与稀释剂气体不同。第二气体可以可选地是氧气或空气，或者诸如氮气的惰性气体。将第二气体流引入电解槽的第二侧是有益的，因为它有助于稀释可能从电解槽的第一侧进入电解槽的第二侧的任何交叉气体。稀释存在于电解槽的第二侧的任何交叉气体是有益的，因为可以限制或者甚至消除存在于电解槽的第二侧的交叉气体的影响/后果。

在一个示例中，第二气体从产品流供应，产品流可容易地用作第二气体流。

可选地，反应物流包括水，稀释剂气体包括氮气。当电解槽被用于生产氢作为氨生产过程的原料时，这是有益的。

反应物流可以可选地包括水，稀释剂气体包括氮气，第二气体包括氧气，其中电解槽的第一侧包括氢生产侧，电解槽的第二侧包括氧生产侧。

当电力供应的幅值小于或等于预定值时，第一产品流可以包括氢气和氮气的混合物。

在一个示例中，该方法包括在电力供应的幅值小于或等于第二预定值时关停电解槽，其中第二预定值小于预定值。

可选地，稀释剂气体的流速依据电力供应的幅值来确定，使得：

当电力供应小于预定值时，以第一流速引入稀释剂气体；以及

当电力供应等于第二预定值时，以第二流速引入稀释剂气体，其中第二流速大于第一流速。

可以确定第一产品流中氢气与氮气的分子比，可选地，如果第一产品流中氢气与氮气的分子比小于或等于3，则可以关停电解槽。

向电解槽供应的电流可用于估算电解槽生产的氢气的量。

在另一方面，本发明提供了一种为氨生产过程提供原料的方法，所述方法包括：

运行如上所述配置的电解槽，其中，当电力供应的幅值小于预定值时，电解槽生产包括氢气和氮气的混合物的第一产品流；以及

提供第一产品流作为氨生产过程的原料。

可选地，第一产品流中氢气与氮气的分子比大于或等于3。

在另一方面，本发明提供了一种生产氨的系统，所述系统包括：

电解槽，其被配置为在使用中将水分解成氢气产品流和氧气产品流，其中电解槽包括位于电解槽的氢气侧的第一入口和第一出口，以及位于电解槽的氧气侧的第二入口和第二出口；

连接到第一入口的第一水供应管道(第一供水管道)和连接到第二入口的第二水供应管道；

连接到第一水供应管道的氮气供应管道；

氮气控制阀，其用于控制氮气从氮气供应管道到第一水供应管道的流动；

连接到电解槽的第一出口的第一产品出口管道，以及连接到电解槽的第二出口的第二产品出口管道；

包括原料入口的氨生产设施，其中第一产品出口管道被配置为向原料入口供应氢气产品流；以及

包括氮气出口管道的氮气供应设备，其中氮气出口管道被配置为向氮气供应管道供应氮气。

可选地，该系统还包括第二氮气供应管道，其中第二氮气供应管道被配置为从氮气供应设备向原料入口供应氮气。

该系统可以可选地包括：连接到第二水供应管道的氧气供应管道；用于控制氧气从氧气供应管道到第二水供应管道的流动的氧气控制阀；以及包括氧气出口管道的氧气供应设备，其中氧气出口管道被配置为向氧气供应管道供应氧气。

在本申请的范围内，明确表示前述段落、权利要求书和/或以下描述及附图中列出的各方面、实施例、示例和替代方案，尤其是其各个特征，可以独立使用或以任意组合进行使用。也就是说，所有实施例和/或任何实施例的特征可以以任何方式和/或组合进行组合，除非这些特征不相容。申请人保留修改任何原始提交的权利要求或相应地提交任何新权利要求的权利，包括修改任何原始提交的权利要求以使其从属于任何其他权利要求和/或包含任何其他权利要求的任何特征的权利，尽管原始并未以这种方式提出权利要求。

附图说明

现在将仅以举例的方式，参照附图对本发明的实施例进行描述，其中：

图1显示了根据本发明布置的电解槽的示意图；

图2显示了电解槽的效率曲线的示意图；

图3显示了图1的电解槽在被布置为供应氨生产过程时的示意图；以及

图4显示了图1的电解槽处于图3所示的布置的替代布置的示意图。

具体实施方式

以下详细描述参照了附图，附图以图示的方式显示了可以在其中实践本发明的具体细节和实施例。以足够多的细节对这些实施例进行了描述，以使本领域的普通技术人员能够实践本发明。在不偏离所附权利要求书中定义的本发明范围的情况下，还可以利用其他实施例，并且可以进行结构更改。

图1显示了电解槽1的示意图。电解槽1包括第一侧2和第二侧3。第一侧2包括用于接收反应物流入电解槽1的第一入口4和用于允许从电解槽1移除第一产品流10的第一出口5。类似地，电解槽1的第二侧3包括用于接收反应物流入电解槽1的第二入口6和用于允许从电解槽1移除第二产品流11的第二出口7。

如果经由第一入口4和第二入口6供应到电解槽1中的反应物是水，则电解槽1的第一侧2可以称为氢气侧2，第二侧3可以称为氧气侧3。在以下示例中，反应物流为水。但是，本领域技术人员将理解，电解槽可以用于分解其他水基反应物以生产氢气。

电解槽1的第一入口4经由第一水管道16从反应物流15被供应水，电解槽1的第二入口6经由第二水管道17从反应物流15被供应水。第一产品流10通过第一产品出口管道18从电解槽1的第一出口5被带走，第二产品流11通过第二产品出口管道19从电解槽1的第二出口7被带走。

当在电解槽1上施加电流，并供应水作为反应物流15时，第一(或氢气)侧2生产氢气作为第一产品流10，第二(或氧气)侧3生产氧气作为第二产品流11。

图2显示了电解槽(诸如图1所示和上文所述的电解槽1)的效率曲线的示意图。实线20表示电解槽1的效率与电解槽的标称负载百分比的函数关系。可以看出，电解槽1的效率在大约25％负载处达到最大值，从此处开始，随着功率负载的增加，效率逐渐下降。当功率负载从25％左右下降到15％左右(15％是氢交叉开始发生之前可能的最小功率负载)时，电解槽1的效率迅速下降。如上所述，并且如图1中的箭头12所示，在氢交叉过程中，氢会行进到氧气流中，从而潜在地会导致形成爆炸性气体混合物。

现在回到图1，氮气供应管道25连接到第一水管道16。氮气供应管道25中定位有流动(流量)控制阀26，用于控制氮气从氮气供应源(图1中未显示)的流动。氮气可以替代地经由单独的供应管道直接供应到电解槽2的第一侧，而不进入第一水管道16。

电解槽1连接到波动或瞬态电力供应29。在图1中，波动电力供应29被示意性地表示为风力涡轮机50，它包括转子51，该转子51被配置为可选地经由齿轮箱52驱动发电机53。发电机53生成的电能通过整流器54从交流电力供应转换为直流电力供应。直流电从整流器54直接供应给电解槽1。

将理解的是，波动电力供应29可以由任何电力供应设备提供给电解槽1，这些电力供应设备通常会产生可变输出，该可变输出取决于某些环境条件(诸如风能、太阳能或波浪能)。还将理解，电解槽的电力供应可以从多个此类装置直接提供，也可以通过当地或国家电网提供。此外，可以使用多种电源来供应电解槽1，不一定只采用一种形式的可再生能源。例如，可以使用风能连同太阳能。

在运行电解槽1时，如果可用功率下降到低于电解槽1的标称负载的15％，则流动控制阀26将被打开，以允许氮气流进入第一水管道16，从而向电解槽的第一(氢气)侧2供应水和氮气。氮气稀释电解槽的第一侧2的氢气，从而通过降低第一侧2的氢气的分压和通过冲洗电解槽1的第一侧2的反应产品，有助于防止氢气交叉到电解槽1的第二(氧气)侧3。由于氮气是一种相对惰性的气体，在电解槽1的第一侧2的条件下，氮气不会与氢气发生反应，因此，在这些运行条件下，来自电解槽1的第一产品流10包括氢气和氮气。

再次参考图2，虚线21指示当功率负载低于大约15％，且输送到电解槽1的第一侧2的反应物流包括添加的氮气时电解槽1的效率。可以看出，向电解槽1的第一侧2的反应物流中添加氮气将电解槽1的运行扩展至低于15％功率负载，从而使电解槽1即使在功率可用性较低的情况下依然能够继续运行。

电解槽1的运行可以通过如下方式由人工控制或自动控制：确定电力供应的幅值；如果电力供应的幅值小于或等于预定值，则在电解槽1的第二侧2的第一入口4之前将氮气流引入第一水供应管道16。例如，预定值可以是电解槽1的标称负载的15％。

电解槽1可以在不向第一侧2的反应物流中添加氮气的情况下安全运行的最小功率可以根据诸如温度、水质和电解槽及其部件的条件/使用年限/运行时间的运行条件而变化。例如，新的或新修复的电解槽可以能够在不向反应物流中添加氮气的情况下以标称负载的10％运行，而运行小时数较长的旧电解槽可能只能够在不向反应物流中添加氮气的情况下以标称负载的20％运行。影响最小可能负载(在不添加氮气的情况下)的一个因素可能是分离电解槽1的第一(氢气)侧2与第二(氧气)侧3的膜的条件。因此，预定值可以随着电解槽的运行条件而改变，对电解槽1的运行的控制可以包括依据温度、水质、电解槽的使用年限/运行时间或本领域技术人员已知的任何其他相关条件中的一个或多个来确定预定值。

对电解槽1的控制还可以包括确定电力供应的幅值的第二预定值，其中第二预定值低于预定值，据此，如果电力供应的幅值小于或等于第二预定值，则关停电解槽1。例如，第二预定值可以在电解槽1的标称负载的2％至5％的范围内，这取决于电解槽的类型、电解槽的条件以及诸如温度和水质的其他运行条件。

除上述之外，对电解槽1的控制还可以包括依据电力供应的幅值确定氮气的流速。例如，当电力供应小于或等于预定值时，可以第一流速引入氮气，随后当电力供应大于或等于第二预定值时，可以第二流速引入氮气。其中，第二流速大于第一流速。这样，电解槽1的第一侧2的氢气的相对稀释度可随着电力供应的降低而增加。类似地，电解槽1的第一侧2的氢气的相对稀释度可随着电力供应的增加而降低。氮气的流速可根据预定曲线进行控制，其中特定的电力供应幅值对应于特定的氮气流速。该曲线可以是连续的(例如线性的或弯曲的)，也可以是非连续的，其中氮气的流速依据电力供应的预定阶跃变化而“阶跃变化”。

在另一种选项中，对电解槽1的控制还可以包括确定第一产品流10中氢气与氮气的分子比，如果第一产品流10中氢气与氮气的分子比小于或等于3，则关停电解槽1。选择该值是为了满足氨生产过程对原料的要求。如果第一产品流10不是用于氨生产，则可根据任何合适的标准来选择在此处关停电解槽1的分子比。

在又一种选项中，对电解槽1的控制还可以包括使用供应给电解槽1的电流来估算电解槽1生产的氢气的量。电解槽1的电力消耗与氢产量之间存在着一种相对简单的近乎正比的关系，因此可以使用电力消耗作为氢产量的度量。然后，还可以基于氮气的流速，使用估算的氢产量来确定第一产品流10中氢气与氮气的分子比。

图3显示了电解槽1在被布置为供应氨生产设施30时的示意图。在这种布置中，第一产品流10通过分离器31，以去除第一产品流10中的残留水。然后，水被重新循环回到反应物流15，以重新供应到电解槽1的入口4、6。可以在入口14处向反应物流15供应额外的水供应13。

然后将第一产品流10供应到氨生产设施30的原料入口32。在第一产品流10的氢气与氮气的分子比小于3的情况下，可以向第一产品流10添加额外的氮气33供应，以使氢气与氮气的分子比达到氨生产过程要求的水平。在第一产品流10的氢气与氮气的分子比小于3的情况下，可以向第一产品流10添加额外的氢气供应，或者可以从第一产品流10中去除(部分)氮气，例如通过蒸馏。氨产品流34在出口35处离开氨生产设施30。

在图3的布置中，用于添加到电解槽1的原料15和添加到氨生产设施30的原料中的氮气供应由空气分离单元(ASU)40供应，该空气分离单元40与电解槽1和氨生产设施30一起位于现场。ASU可以由本地(波动或瞬态)电力供应29来供应电力。

在图3所示的布置的替代布置中，用于添加到电解槽1的原料15和/或添加到氨生产设施30的原料中的氮气供应可以从气体罐供应。

图4显示了电解槽1的示意图，该电解槽1处于图3所示的布置的替代布置。图4的布置在所有方面都与图3的布置类似，并使用了相似的数字表示相似的部件。在图4的布置中，氧气供应管道45在电解槽1的第二入口6之前附接到第二水供应管道17。氧气流动控制阀46定位在氧气供应管道25中，用于控制氧气从氧气供应源(诸如ASU40)的流动。替代地，也可以从气体罐向氧气供应管道供应氧气。

可以通过打开阀46向供应到电解槽1的第二入口6的反应物流15中添加氧气，来允许在第二入口6之前向第二水供应管道17中添加氧气。在向电解槽1的第一侧2添加氮气的同时向电解槽1的第二侧3添加氧气，通过降低电解槽1的第二(氧气)侧3的氢气浓度，有助于降低与氢交叉有关的风险。

对向电解槽1的第二侧3添加氧气的控制可以与上面关于对向电解槽1的第一侧2添加氮气的控制所描述的相同的方式实现，在确定何时添加氧气、何时停止添加氧气以及在任何给定时间或运行条件下添加多少氧气时，可以考虑相同的因素。将理解的是，氧气的流速和电力供应的预定值可以与控制第一侧2的氮气添加的流速和预定值相同，也可以不同。

在另一个替代示例(未显示)中，氧气可以从第二产品流11供应到电解槽1的第二侧3的入口。这可以是经由氧气供应管道45的氧气供应的附加(补充)，也可以代替经由氧气供应管道45的氧气供应。

上述控制协议可以由控制器和致动器系统(未显示)自动执行，该系统由中央控制单元(诸如计算机)控制。

在上述所有示例中，可以使用多于一个的电解槽向氨生产设施30供应原料。这可能是为了增加可用的原料供应和/或提供冗余。

将理解的是，出于说明的目的，氮气被视为并且被假定为惰性气体。为了扩展电解槽(图2)的工作范围(包络)，氮气并不是唯一可以添加到电解槽1的第一侧2的惰性气体，其他惰性气体，诸如二氧化碳、氖、氩(或任何其他惰性气体)都可以用来代替氮气或作为氮气的附加。当第一产品流10用于供应氨生产过程的原料时，优选地使用氮气作为电解槽1的第一侧2的稀释剂气体。但是，在其他情况下，其他惰性气体可能更适合。例如，在氢生产厂中，二氧化碳可能是更合适的稀释剂气体，其中在氢生产过程中产生的二氧化碳会被捕获并储存在碳捕获设施中(所谓的蓝氢)。

Claims (17)

1.一种运行电解槽的方法，所述方法包括：

为所述电解槽提供电力供应；

向所述电解槽的入口提供反应物流，并运行所述电解槽以将所述反应物分解成一个或多个产品流；

确定所述电力供应的幅值；以及

如果所述电力供应的幅值小于或等于预定值，则在所述电解槽之前将稀释剂气体流引入所述反应物流中，其中，所述稀释剂气体包括惰性气体。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述惰性气体包括氮气。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，所述方法包括：

将所述反应物流提供给所述电解槽的第一入口和第二入口，其中，所述第一入口与所述电解槽的第一侧流体连通，所述第二入口与所述电解槽的第二侧流体连通，使得所述第一入口接收第一反应物流，所述第二入口接收第二反应物流；以及

在所述第一入口之前将所述稀释剂气体流引入所述第一反应物流中。

4.根据权利要求3所述的方法，所述方法包括在所述第二入口之前将第二气体流引入所述第二反应物流中，其中，所述第二气体与所述稀释剂气体不同。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第二气体从产品流供应。

6.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中，所述反应物流包括水，所述稀释剂气体包括氮气。

7.根据权利要求4或5所述的方法，其中，所述反应物流包括水，所述稀释剂气体包括氮气，所述第二气体包括氧气，其中，所述电解槽的第一侧包括氢气生产侧，所述电解槽的第二侧包括氧气生产侧。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，当所述电力供应的幅值小于或等于所述预定值时，第一产品流包括氢气和氮气的混合物。

9.根据权利要求8所述的方法，所述方法包括：如果所述电力供应的幅值小于或等于第二预定值，则关停所述电解槽，其中，所述第二预定值小于所述预定值。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述稀释剂气体的流速依据所述电力供应的幅值来确定，使得：

当所述电力供应小于所述预定值时，以第一流速引入所述稀释剂气体；以及

当所述电力供应等于所述第二预定值时，以第二流速引入所述稀释剂气体，其中，所述第二流速大于所述第一流速。

11.根据权利要求9或10所述的方法，所述方法包括确定所述第一产品流中氢气与氮气的分子比，如果所述第一产品流中氢气与氮气的分子比小于或等于3，则关停所述电解槽。

12.根据权利要求1至权利要求11中任一项所述的方法，所述方法包括使用供应给所述电解槽的电流来估算所述电解槽生产的氢气的量。

13.一种为氨生产过程提供原料的方法，所述方法包括：

根据权利要求6至12中任一项运行电解槽，其中，当所述电力供应的幅值小于所述预定值时，所述电解槽生产包括氢气和氮气的混合物的第一产品流；以及

提供所述第一产品流作为所述氨生产过程的原料。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第一产品流中氢气与氮气的分子比大于或等于3。

15.一种生产氨的系统，所述系统包括：

电解槽，所述电解槽被配置为在使用中将水分解成氢气产品流和氧气产品流，其中，所述电解槽包括位于所述电解槽的氢气侧的第一入口和第一出口，以及位于所述电解槽的氧气侧的第二入口和第二出口；

连接到所述第一入口的第一水供应管道和连接到所述第二入口的第二水供应管道；

连接到所述第一水供应管道的氮气供应管道；

氮气控制阀，所述氮气控制阀用于控制氮气从所述氮气供应管道到所述第一水供应管道的流动；

连接到所述电解槽的第一出口的第一产品出口管道，以及连接到所述电解槽的第二出口的第二产品出口管道；

包括原料入口的氨生产设施，其中，所述第一产品出口管道被配置为向所述原料入口供应所述氢气产品流；以及

包括氮气出口管道的氮气供应设备，其中，所述氮气出口管道被配置为向所述氮气供应管道供应氮气。

16.根据权利要求15所述的系统，所述系统包括：

第二氮气供应管道，其中，所述第二氮气供应管道被配置为将氮气从所述氮气供应设备供应到所述原料入口。

17.根据权利要求15或16所述的系统，所述系统包括：

连接到所述第二水供应管道的氧气供应管道；

用于控制氧气从所述氧气供应管道到所述第二水供应管道的流动的氧气控制阀；以及

包括氧气出口管道的氧气供应设备，其中，所述氧气出口管道被配置为向所述氧气供应管道供应氧气。