CN220413546U - 一种压裂返排液废水电解制氢装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种压裂返排液废水电解制氢装置，属于废水回收利用技术领域，其包括：进水系统、电解槽、加药系统、废液存贮箱、氧气收集系统和氢气收集系统；电解槽包括本体以及依次层叠设置在本体内的第一进水固定框、第一膜组件、第一电解板、隔膜、第二电解板、第二膜组件和第二进水固定框；本体上设有进水口、加药口、出液口、排液口、阳极氧气管道和阴极氢气管道，进水系统与进水口连接，加药系统与加药口连接，废液存贮箱与排液口连接，氧气收集系统与阳极氧气管道连接，氢气收集系统与阴极氢气管道连接。该装置结构简洁，操作便捷，将电解压裂返排液作为制氢原料，实现资源利用再循环，节能减排，安全环保。
Description
技术领域
本实用新型涉及废水回收利用技术领域，具体涉及一种压裂返排液废水电解制氢装置。
背景技术
近年来，电解制氢技术大部分反应主要依靠淡水资源，而地球的上的淡水资源日益紧缺。与此同时，压裂反排液是石油钻采压裂施工作业的必然产物，主要来源于施工前后活性水洗井作业产生的大量洗井废水，具有成分复杂、稳定性高、矿化度高、含盐量高等特点，不经处理直接排放将对周围环境及水系造成危害。
因此，实有必要设计一种压裂返排液废水电解制氢装置，同时克服上述问题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种压裂返排液废水电解制氢装置，结构简洁，操作便捷，将电解压裂返排液作为制氢原料，实现资源利用再循环，节能减排，安全环保。
本实用新型提供的一种压裂返排液废水电解制氢装置，包括：进水系统、电解槽、加药系统、废液存贮箱、氧气收集系统和氢气收集系统；
电解槽包括本体以及依次层叠设置在本体内的第一进水固定框、第一膜组件、第一电解板、隔膜、第二电解板、第二膜组件和第二进水固定框，第一进水固定框和第二进水固定框上设有进水通孔；本体上设有进水口、加药口、出液口、排液口、阳极氧气管道和阴极氢气管道，进水系统与进水口连接，用于向本体内输送压裂返排液废水，加药系统与加药口连接，用于清洗第一膜组件和第二膜组件，废液存贮箱与排液口连接，氧气收集系统与阳极氧气管道连接，用于收集电解产生的氧气，氢气收集系统与阴极氢气管道连接，用于收集电解产生的氢气。
优选地，第一膜组件包括依次设置在第一进水固定框和第一电解板之间的第一超滤膜、第一模组固定框、第一反渗透膜和第一膜电解板固定框；第二膜组件包括依次设置在第二电解板和第二进水固定框之间的第二膜电解板固定框、第二反渗透膜、第二模组固定框及第二超滤膜。
优选地，第一超滤膜和第二超滤膜的膜丝材质为PTFE聚四氟乙烯。
优选地，第一电解板和第二电解板两个电解板上均设有网状流道，电解板边沿设有与网状流道连通的汇流道。
优选地，进水系统包括存液箱、进水泵和过滤器，存液箱的出液端通过进水泵和过滤器与进水口连接，存液箱的进液端与出液口连接。
优选地，加药系统包括加酸装置、加碱装置和清洗循环装置，加酸装置的出液端与加药口连接，加碱装置的出液端与加药口连接，清洗循环装置的出液端与加药口连接，排液口与清洗循环装置的进液端连接。
优选地，氧气收集系统包括氧气压缩机和液氧分离器，阳极氧气管道通过氧气压缩机与液氧分离器的进气端连接，液氧分离器的出液端与进水口连接。
优选地，液氧分离器的出气口与可燃气体监测器连接。
优选地，氢气收集系统包括氢气压缩机、液氢分离器、氢气冷却装置和氢气存贮罐，阳极氧气管道通过氢气压缩机与液氢分离器的进气端连接，液氢分离器的出气端通过氢气冷却装置与氢气存贮罐连接，液氢分离器的出液端与废液存贮箱连接。
本实用新型具有以下优点和有益效果：该装置利用水泵冲力以及氢气及氧气气包的氢气压缩机、氧气压缩机抽负压形成的压力差作为为驱动力，使水分子透过膜组件，到达电解槽的正极和负极，进行电解制氢；通过循环管道，使电解完的电解液回流至存液箱进行重复电解，实现资源利用再循环。同时，长期运行会使膜组件的截留作用下降，通过定期的膜化学清洗，使膜组件的利用率维持稳定，再通过电流的定时正负极转向实现钙镁离子反向迁移，减少电解板表面形成水垢层，再辅助压缩机出气电动控制脉动式返回气包恢复正压力，实现脉动式正负压反冲，进一步实现膜摆动及膜清洗，即使长期运行后通过反洗随时可恢复膜初始性能，降低了电解制氢的成本，此外，在电解制氢领域从直接电解淡水装变为电解压裂返排液，减轻了淡水资源紧缺问题。
附图说明
图1为本实用新型一优选实施例的压裂返排液废水电解制氢装置的结构示意图；
图2为本实用新型一优选实施例的电解槽的部分结构示意图；
图3为本实用新型一优选实施例的第一电解板或第二电解板的结构示意图；
附图标号说明：
1、进水系统，101、存液箱，102、进水泵，103、过滤器，
2、电解槽，201、第一进水固定框，202、第一超滤膜，203、第一模组固定框，204、第一反渗透膜，205、第一膜电解板固定框，206、第一电解板，207、隔膜，208、第二电解板，209、第二膜电解板固定框，210、第二反渗透膜，211、第二模组固定框，212、第二超滤膜，213、第二进水固定框，214、网状流道，215、汇流道，
3、加药系统，301、加酸装置，302、加碱装置，303、清洗循环装置，304、加酸泵，305、加碱泵，306、循环水泵，
4、废液存贮箱，
5、氧气收集系统，501、氧气压缩机，502、液氧分离器，503、可燃气体监测器，
6、氢气收集系统，601、氢气压缩机，602、液氢分离器，603、氢气冷却装置，604、氢气存贮罐，
7、液位计，
8、压力表。
具体实施方式
为更好的理解本实用新型，下面的实施例是对本实用新型的进一步说明，但本实用新型的内容不仅仅局限于下面的实施例。
如图1至图所示，一种压裂返排液废水电解制氢装置，包括：进水系统1、电解槽2、加药系统3、废液存贮箱4、氧气收集系统5和氢气收集系统6。
如图1至图3所示，电解槽2包括本体以及依次层叠设置在本体内的第一进水固定框201、第一膜组件、第一电解板206、隔膜207、第二电解板208、第二膜组件和第二进水固定框213，第一进水固定框201和第二进水固定框213中部设有进水通孔，本体内的废水通过进水口向电解板的方向流动。其中，在本体上设有进水口、加药口、出液口、排液口、阳极氧气管道和阴极氢气管道；进水系统1与进水口连接，用于向本体内输送压裂返排液废水；加药系统3与加药口连接，用于清洗第一膜组件和第二膜组件；废液存贮箱4与排液口连接；氧气收集系统5与阳极氧气管道连接，用于收集电解产生的氧气，氢气收集系统6与阴极氢气管道连接，用于收集电解产生的氢气。
具体的，第一膜组件包括依次设置在第一进水固定框201和第一电解板206之间的第一超滤膜202、第一模组固定框203、第一反渗透膜204和第一膜电解板固定框205；第二膜组件包括依次设置在第二电解板208和第二进水固定框213之间的第二膜电解板固定框209、第二反渗透膜210、第二模组固定框211及第二超滤膜212，第一模组固定框203、第一膜电解板固定框205、第二膜电解板固定框209及第二模组固定框211中部也设有进水通孔。
压裂返排液废水送至电解槽2的本体内，通过第一进水固定框201和第二进水固定框213的进水通孔流进膜丝材质为PTFE聚四氟乙烯的第一超滤膜202和第二超滤膜212，截留过滤后的水再经第一模组固定框203和第二模组固定框211的进水通孔进入第一反渗透膜204和第二反渗透膜210，进行进一步的截留过滤，再从第一膜电解板固定框205和第二膜电解板固定框209的进水通孔到达第一电解板206和第二电解板208进行电解，电解过程中电解完的压裂返排液、电解不充分的压裂返排液以及温度过高的压裂返排液通过本体的出液口回流至存液箱101，进行重复电解。
为了更好的电解作业，第一电解板206和第二电解板208两个电解板上均设有菱形的网状流道214，半径为2～5mm，流道夹角为15～120°，电解板为铁、镍复合体金属材质，厚度为5～10mm；与第一膜电解板固定框205和第二膜电解板固定框209的进水通孔对应的第一电解板206和第二电解板208中部设有凹槽，且与网状流道214连通，压裂返排液废水经由凹槽及网状流道214向四周扩散至整个电解板；且在电解板边沿设有与网状流道214连通的汇流道215，电解完的压裂返排液流入汇流道215中，从汇流道215集中流出，如图2和图3。同时，本体内的电解温度控制在30-70℃，压裂返排液进入膜组件的温度控制在20-45℃，第一超滤膜202和第二超滤膜212平均孔径范围0.03～1.0微米，操作压为0.2～0.3MPa，产水通量为50～60L/(m2.h)，操作温度为：4-45℃，耐受pH的范围为：1.8-11，产水浊度＜0.1NTU；第一反渗透膜204和第二反渗透膜210平均孔径范围1～2nm，操作压为0.4-0.8MPa，最高运行温度为：45℃，耐受pH的范围为：2-11，为中空纤维式，材质为聚酰胺复合膜，稳定脱盐率为：98％。
如图1至图所示，进水系统1包括存液箱101、进水泵102和过滤器103，存液箱101的出液端通过进水泵102和过滤器103与进水口连接，存液箱101的进液端与出液口连接。
同时，加药系统3包括加酸装置301、加碱装置302和清洗循环装置303，加酸装置301的出液端与加药口连接，加碱装置302的出液端与加药口连接，清洗循环装置303的出液端与加药口连接，排液口与清洗循环装置303的进液端连接；且加酸装置301通过加酸泵304、加碱装置302通过加碱泵305、清洗循环装置303通过循环水泵306与加药口连接。
清洗循环装置303设有自来水进水口，清洗循环装置303作为膜组件清洗循环转运停留装置，减少清洗液、自来水的损耗使流进电解槽2的膜组件的清洗液与膜组件的杂质反应更充分，本体的排液口连接废液存贮箱4的入口，作为膜清洗废液排放管路；将使用过的清洗液排送至废液存贮箱4，清洗循环装置303输送自来水对电解槽2的膜组件进行进一步清洗。其中，清洗膜组件的加酸装置301的酸作为清洗液的pH控制在：2.5-4，加碱装置302的碱作为清洗液的pH控制在：8.5-11，用自来水清洗过后的出水pH控制在：6.5-7.5。
且，电解槽2通过电流转向，使电解正负极反转，电解液中的钙镁离子反向迁移，减少电解板表面形成水垢层，再辅助氧气压缩机501、氢气压缩机601通过抽送氧气、氢气产生的负压电动控制脉动式返回气包恢复正压力，实现脉动式正负压反冲，进一步实现膜摆动及膜清洗。
同时，氧气收集系统5包括氧气压缩机501和液氧分离器502，阳极氧气管道通过氧气压缩机501与液氧分离器502的进气端连接，将本体内电解出来的含有液体的氧气进行气液分离，液氧分离器502的出液端与进水口连接，分离出来的液体送回本体内，液氧分离器502的出气口与可燃气体监测器503连接。氢气收集系统6包括氢气压缩机601、液氢分离器602、氢气冷却装置603和氢气存贮罐604，阳极氧气管道通过氢气压缩机601与液氢分离器602的进气端连接，将本体内电解出来的含有液体的氢气进行气液分离，液氢分离器602的出气端通过氢气冷却装置603与氢气存贮罐604连接，将气液分离后的氢气进行冷却并送入氢气存贮罐604内贮存，液氢分离器602的出液端与废液存贮箱4连接，分离出的液体直接送入废液存贮箱4。
为了更好的电解作业，在阳极氧气管道、阴极氢气管道上均串联有压力表8，根据压力表8的表值来调节氧气压缩机501、氢气压缩机601的转速，通过氧气压缩机501、氢气压缩机601的转速来调节控制气体流速；且，在存液箱101和清洗循环装置303内均设有液位计7，能实时监测液体高度。
工作原理：流进存液箱101的压裂返排液废水经进水泵102与过滤器103抽送至电解槽2，通过进水泵102的冲力与氢气压缩机601和氧气压缩机501抽负压形成的压力差作为驱动力，使截留过后的压裂返排液透过膜组件进入至电极部位进行电解，电解完的压裂反排液、电解不充分的压裂返排液以及温度过高的压裂返排液通过电解槽2出口管回流至存液箱101；通过加药系统3对膜组件进行定期清洗，针对部分酸性盐、碱性盐进行酸洗或碱洗，酸洗、碱洗的清洗液通过清洗循环装置303和循环水泵306抽送回到膜组件，进行循环清洗，清洗完的废液排放至废液存贮箱4；电解产生的氢气、氧气通过氢气压缩机601、氧气压缩机501，抽送至液氢分离器602和液氧分离器502。
该装置利用水泵冲力以及氢气及氧气气包的氢气压缩机601、氧气压缩机501抽负压形成的压力差作为为驱动力，使水分子透过膜组件，到达电解槽2的正极和负极，进行电解制氢；通过循环管道，使电解完的电解液回流至存液箱101进行重复电解，实现资源利用再循环。同时，长期运行会使膜组件的截留作用下降，通过定期的膜化学清洗，使膜组件的利用率维持稳定，再通过电流的定时正负极转向实现钙镁离子反向迁移，减少电解板表面形成水垢层，再辅助压缩机出气电动控制脉动式返回气包恢复正压力，实现脉动式正负压反冲，进一步实现膜摆动及膜清洗，即使长期运行后通过反洗随时可恢复膜初始性能，降低了电解制氢的成本，此外，在电解制氢领域从直接电解淡水装变为电解压裂返排液，减轻了淡水资源紧缺问题。
以上所述是本实用新型的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本实用新型的保护范围。
Claims (9)
1.一种压裂返排液废水电解制氢装置，其特征在于，包括：进水系统、电解槽、加药系统、废液存贮箱、氧气收集系统和氢气收集系统；
电解槽包括本体以及依次层叠设置在本体内的第一进水固定框、第一膜组件、第一电解板、隔膜、第二电解板、第二膜组件和第二进水固定框，第一进水固定框和第二进水固定框上设有进水通孔；本体上设有进水口、加药口、出液口、排液口、阳极氧气管道和阴极氢气管道，进水系统与进水口连接，用于向本体内输送压裂返排液废水，加药系统与加药口连接，用于清洗第一膜组件和第二膜组件，废液存贮箱与排液口连接，氧气收集系统与阳极氧气管道连接，用于收集电解产生的氧气，氢气收集系统与阴极氢气管道连接，用于收集电解产生的氢气。
2.如权利要求1中所述的压裂返排液废水电解制氢装置，其特征在于：第一膜组件包括依次设置在第一进水固定框和第一电解板之间的第一超滤膜、第一模组固定框、第一反渗透膜和第一膜电解板固定框；第二膜组件包括依次设置在第二电解板和第二进水固定框之间的第二膜电解板固定框、第二反渗透膜、第二模组固定框及第二超滤膜。
3.如权利要求2中所述的压裂返排液废水电解制氢装置，其特征在于：第一超滤膜和第二超滤膜的膜丝材质为PTFE聚四氟乙烯。
4.如权利要求1中所述的压裂返排液废水电解制氢装置，其特征在于：第一电解板和第二电解板两个电解板上均设有网状流道，电解板边沿设有与网状流道连通的汇流道。
5.如权利要求1中所述的压裂返排液废水电解制氢装置，其特征在于：进水系统包括存液箱、进水泵和过滤器，存液箱的出液端通过进水泵和过滤器与进水口连接，存液箱的进液端与出液口连接。
6.如权利要求1中所述的压裂返排液废水电解制氢装置，其特征在于：加药系统包括加酸装置、加碱装置和清洗循环装置，加酸装置的出液端与加药口连接，加碱装置的出液端与加药口连接，清洗循环装置的出液端与加药口连接，排液口与清洗循环装置的进液端连接。
7.如权利要求1中所述的压裂返排液废水电解制氢装置，其特征在于：氧气收集系统包括氧气压缩机和液氧分离器，阳极氧气管道通过氧气压缩机与液氧分离器的进气端连接，液氧分离器的出液端与进水口连接。
8.如权利要求7中所述的压裂返排液废水电解制氢装置，其特征在于：液氧分离器的出气口与可燃气体监测器连接。
9.如权利要求1中所述的压裂返排液废水电解制氢装置，其特征在于：氢气收集系统包括氢气压缩机、液氢分离器、氢气冷却装置和氢气存贮罐，阳极氧气管道通过氢气压缩机与液氢分离器的进气端连接，液氢分离器的出气端通过氢气冷却装置与氢气存贮罐连接，液氢分离器的出液端与废液存贮箱连接。
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|---|---|---|---|
| CN202322324267.3U CN220413546U (zh) | 2023-08-28 | 2023-08-28 | 一种压裂返排液废水电解制氢装置 |
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