CN222499403U - 风光发电制氢的碱性电解槽余热及废气联合利用装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及能量回收利用技术领域，公开了风光发电制氢的碱性电解槽余热及废气联合利用装置，包括制氢单元，所述制氢单元右侧从左到右依次设置有氧气分离单元和氢气分离单元，所述制氢单元和所述氧气分离单元之间连通有初级氧气输送管，所述制氢单元和所述氢气分离单元之间连通有初级氢气输送管，所述氢气分离单元和所述氧气分离单元底部之间设置有碱液回收组件，所述氢气分离单元后侧设置有燃烧室。本实用新型中，通过利用启机阶段不合格的氢气，减少制氢损失；其次利用制氢设备运转时以及废气燃烧时产生的热量，用于制氢全流程干燥以及供热；并且在热量充足时可利用汽轮机自发电，减少厂区市政用电量，减少市政用电费用。

Description

风光发电制氢的碱性电解槽余热及废气联合利用装置

技术领域

本实用新型涉及能量回收利用技术领域，尤其涉及风光发电制氢的碱性电解槽余热及废气联合利用装置。

背景技术

新能源作为绿色能源飞速发展。截止2023年底，新能源装机容量已达14.5亿千瓦。与此同时，跃迁式的发展也会带来一定的问题，其中最明显的就是电量消纳问题。由此，催生出一系列以消纳新能源多余发电量为目的的产业，利用新能源进行制氢作为当下主流的工业模式受人关注。当前制氢工艺较为成熟的有碱性电解水制氢和质子交换膜电解制氢。质子交换膜电解水制氢目前由于技术问题，国内单堆制氢量最大为300Nm3/h，体量较小且因其生产成本高昂难以实现大规模使用。碱性电解水工艺技术成熟，成本较低，目前国内最大单堆制氢量为3000Nm3/h，适合大规模的应用。

由于风电及光伏的波动性，电解槽不能24h的满负荷运转，启停次数也会随之增加。由于碱性电解槽技术的限制，在启机阶段，至少需要1h-1.5h的冷启动，才能够到达额定功率。设备冷启动时，由于产生的气体纯度达不到要求，通常会采取外排的形式，待产气纯度合格时进行收集以及下一步的纯化分离等操作，在这个过程中大量的氢气外排浪费。

为此提出一种风光发电制氢的碱性电解槽余热及废气联合利用装置来解决上述问题。

实用新型内容

为了弥补以上不足，本实用新型提供了风光发电制氢的碱性电解槽余热及废气联合利用装置，旨在改善现有技术中设备冷启动时，由于产生的气体纯度达不到要求，通常会采取外排的形式，待产气纯度合格时进行收集以及下一步的纯化分离等操作，在这个过程中大量的氢气外排浪费的问题。

为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：风光发电制氢的碱性电解槽余热及废气联合利用装置，包括制氢单元，所述制氢单元右侧从左到右依次设置有氧气分离单元和氢气分离单元，所述制氢单元和所述氧气分离单元之间连通有初级氧气输送管，所述制氢单元和所述氢气分离单元之间连通有初级氢气输送管，所述氢气分离单元和所述氧气分离单元底部之间设置有碱液回收组件，所述氢气分离单元后侧设置有燃烧室，所述燃烧室和所述氢气分离单元之间连通有次级氢气输送管，所述燃烧室左侧设置有水处理单元，所述水处理单元和所述燃烧室之间连通有输水管，所述水处理单元左侧固定连接有输送泵，所述输送泵输出端和所述制氢单元之间连通有补水管，所述制氢单元前侧设置有氢氧分离单元，所述氢氧分离单元和所述制氢单元之间连通有夹套，所述燃烧室外侧安装有热量回收组件，所述热量回收组件用于回收装置运行时产生的热量。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述碱液回收组件包括碱液回收单元，所述碱液回收单元位于所述氧气分离单元和所述氢气分离单元之间，所述碱液回收单元顶部固定连接有Y型管，所述Y型管顶部两端分别和所述氧气分离单元、所述氢气分离单元底部连通。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述燃烧室顶部安装有加氧管，所述制氢单元顶部安装有加水管。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述热量回收组件包括两个导热套、换热器一、循环泵、换热器二、水泵和夹套，其中一个所述导热套内侧固定连接在所述氧气分离单元外侧，另一个所述导热套内侧固定连接在所述氢气分离单元外侧，所述换热器一内侧固定连接在所述燃烧室外侧，所述循环泵设置在所述氢气分离单元和所述燃烧室之间，所述循环泵输入端和所述换热器一之间连通有抽水管，所述循环泵输出端和两个所述导热套之间连通有分流管，所述换热器二内侧固定连接在所述制氢单元外侧，所述水泵底部固定连接在所述水处理单元顶部，所述水泵输入端和所述换热器一之间连通有进水管，所述水泵输出端和所述换热器二之间连通有入水管，所述夹套内侧固定连接在所述氢氧分离单元外侧，所述夹套和所述换热器二之间设置有抽取泵，所述抽取泵底部固定连接在所述制氢单元中部，所述抽取泵输入端通过管道和所述换热器二之间连通，所述抽取泵输出端和所述夹套之间连通有预热管。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述换热器二左侧安装有热电转换接口，所述换热器二前部安装有电解槽加热接口。

作为上述技术方案的进一步描述：

两个所述导热套和所述换热器一之间连通有回流管，所述换热器二和所述换热器一之间连通有循环管。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述夹套和所述换热器二之间连通有回水管。

本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型中，通过利用启机阶段不合格的氢气，减少制氢损失；其次利用制氢设备运转时以及废气燃烧时产生的热量，用于制氢全流程干燥以及供热；并且在热量充足时可利用汽轮机自发电，减少厂区市政用电量，减少市政用电费用；利用启机阶段产生的氢气废气，在收集燃烧产水经处理后可循环使用制氢，减少水耗。

附图说明

图1为本实用新型提出的风光发电制氢的碱性电解槽余热及废气联合利用装置的第一视角的立体图；

图2为本实用新型提出的风光发电制氢的碱性电解槽余热及废气联合利用装置的第二视角的立体图；

图3为本实用新型提出的风光发电制氢的碱性电解槽余热及废气联合利用装置的分流管局部结构示意图。

图例说明：

1、制氢单元；2、氧气分离单元；3、氢气分离单元；4、初级氧气输送管；5、初级氢气输送管；6、Y型管；7、碱液回收单元；8、燃烧室；9、次级氢气输送管；10、加氧管；11、水处理单元；12、输水管；13、输送泵；14、补水管；15、导热套；16、换热器一；17、循环泵；18、抽水管；19、分流管；20、回流管；21、换热器二；22、水泵；23、进水管；24、入水管；25、循环管；26、热电转换接口；27、电解槽加热接口；28、加水管；29、氢氧分离单元；30、夹套；31、抽取泵；32、预热管；33、回水管。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参照图1-图3，本实用新型提供的一种实施例：风光发电制氢的碱性电解槽余热及废气联合利用装置，包括制氢单元1，制氢单元1右侧从左到右依次设置有氧气分离单元2和氢气分离单元3，制氢单元1和氧气分离单元2之间连通有初级氧气输送管4，制氢单元1和氢气分离单元3之间连通有初级氢气输送管5，氢气分离单元3和氧气分离单元2底部之间设置有碱液回收组件，氢气分离单元3后侧设置有燃烧室8，燃烧室8和氢气分离单元3之间连通有次级氢气输送管9，燃烧室8左侧设置有水处理单元11，水处理单元11和燃烧室8之间连通有输水管12，水处理单元11左侧固定连接有输送泵13，输送泵13输出端和制氢单元1之间连通有补水管14，制氢单元1前侧设置有氢氧分离单元29，氢氧分离单元29和制氢单元1之间连通有夹套30，燃烧室8外侧安装有热量回收组件，热量回收组件用于回收装置运行时产生的热量。碱液回收组件包括碱液回收单元7，碱液回收单元7位于氧气分离单元2和氢气分离单元3之间，碱液回收单元7顶部固定连接有Y型管6，Y型管6顶部两端分别和氧气分离单元2、氢气分离单元3底部连通。燃烧室8顶部安装有加氧管10，制氢单元1顶部安装有加水管28。

具体的，启机阶段，制氢单元1制得的氢气与氧气由于重力作用，与碱性电解液一起分别通过初级氢气输送管5和初级氧气输送管4进入氢气分离单元3、氧气分离单元2中，此时干燥工作主要由电加热承担.随后氧气分离单元2中分离得到的氧气外排，氢气分离单元3中得到的氢气则通过次级氢气输送管9输送至燃烧室8内。通过加氧管10向燃烧室8内输送足够的空气，同时将氢气和氧气混合点燃，从而通过反应生成水。随后燃烧室8中生成的水通过输水管12送入水处理单元11内进行处理，之后处理合格后的水通过输送泵13和补水管14重新加入制氢单元1内部作为制氢的原料使用。实现了对启机阶段产生的不合格的氧气和氢气的再利用。

参照图1-图3，热量回收组件包括两个导热套15、换热器一16、循环泵17、换热器二21、水泵22和夹套30，其中一个导热套15内侧固定连接在氧气分离单元2外侧，另一个导热套15内侧固定连接在氢气分离单元3外侧，换热器一16内侧固定连接在燃烧室8外侧，循环泵17设置在氢气分离单元3和燃烧室8之间，循环泵17输入端和换热器一16之间连通有抽水管18，循环泵17输出端和两个导热套15之间连通有分流管19，换热器二21内侧固定连接在制氢单元1外侧，水泵22底部固定连接在水处理单元11顶部，水泵22输入端和换热器一16之间连通有进水管23，水泵22输出端和换热器二21之间连通有入水管24，夹套30内侧固定连接在氢氧分离单元29外侧，夹套30和换热器二21之间设置有抽取泵31，抽取泵31底部固定连接在制氢单元1中部，抽取泵31输入端通过管道和换热器二21之间连通，抽取泵31输出端和夹套30之间连通有预热管32。换热器二21左侧安装有热电转换接口26，换热器二21前部安装有电解槽加热接口27。两个导热套15和换热器一16之间连通有回流管20，换热器二21和换热器一16之间连通有循环管25。夹套30和换热器二21之间连通有回水管33。

具体的，在燃烧室8内部进行氢气和氧气的反应时，燃烧室8内部积蓄了大量的热能，这些热能会被安装在燃烧室8外的换热器一16吸收，进而加热换热器一16内部的冷水。当换热器一16内部的水温升高之后，可通过启动循环泵17通过抽水管18将换热器一16内部的热水抽出，并通过分流管19将热水法分别输送至氧气分离单元2和氢气分离单元3外的导热套15内部，通过导热套15加热氧气分离单元2和氢气分离单元3，为其工作提供稳定的温度，此时便可不需要使用电辅热，进而有效地减少能耗。同时换热器一16内另一部分的热水则通过水泵22和进水管23抽出并顺着入水管24进入换热器二21内部，进而加热换热器二21内部的冷水，直至装置运行趋于稳定时，此时制氢单元1运行产生的温度会被换热器二21吸收存储。此时通过启动抽取泵31便可将换热器二21内的热水抽出并通过预热管32输送至夹套30内部，进而加热夹套30，使得夹套30能够将热量传递至氢氧分离单元29上，为其运行提供温度的支撑。并且当换热器二21内部存储的温度足够多时，可通过电解槽加热接口27将热量输送至电解槽设备和加氢站中，维持设备及加氢站工作环境温度。当热量进一步地增高时，通过热电转换接口26将热蒸汽输送，利用小型蒸汽轮机进行发电作为厂区自用电，减少市政用电量。

工作原理：该整机装置包含氢氧分离单元29，启机阶段，制氢单元1制得的氢气与氧气由于重力作用，与碱性电解液一起分别进入氢气分离单元3、氧气分离单元2中，此时干燥工作主要由电加热承担，氧气分离单元2中分离得到的氧气外排，氢气分离单元3中得到的氢气则通过次级氢气输送管9输送至燃烧室8内。另一边碱液在冷却之后通过Y型管6排入碱液回收单元7内部存储，经处理后重新进入制氢单元1内循环使用。氢气在燃烧室8内与空气混合点燃后释放大量的热量，加热换热器一16中的冷水，经循环泵17后至氢气分离单元3、氧气分离单元2，做辅热用，减少电耗。另一部分在水泵22的作用下将热水送入换热器二21内部，用于加热换热器二21。燃烧室8中生成大量的水，通过输水管12和重力的作用排至水处理单元11，经处理合格后通过输送泵13和补水管14加入制氢单元1内部，作为新鲜补水用于制氢。同时换热器二21储存和吸收制氢单元1在启机阶段产生的热量。

待氢气品质合格后，装置处于正常制氢阶段，换热器二21开始正常工作，在抽取泵31的工作下将存储的热水通过预热管32加入夹套30内部，加热夹套30进而加热氢氧分离单元29。同时也可通过电解槽加热接口27将热量输送至电解槽设备和加氢站中，维持设备及加氢站工作环境温度。当热量充足时，通过热电转换接口26将热蒸汽输送，利用小型蒸汽轮机进行发电作为厂区自用电，减少市政用电量。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.风光发电制氢的碱性电解槽余热及废气联合利用装置，包括制氢单元(1)，其特征在于：所述制氢单元(1)右侧从左到右依次设置有氧气分离单元(2)和氢气分离单元(3)，所述制氢单元(1)和所述氧气分离单元(2)之间连通有初级氧气输送管(4)，所述制氢单元(1)和所述氢气分离单元(3)之间连通有初级氢气输送管(5)，所述氢气分离单元(3)和所述氧气分离单元(2)底部之间设置有碱液回收组件，所述氢气分离单元(3)后侧设置有燃烧室(8)，所述燃烧室(8)和所述氢气分离单元(3)之间连通有次级氢气输送管(9)，所述燃烧室(8)左侧设置有水处理单元(11)，所述水处理单元(11)和所述燃烧室(8)之间连通有输水管(12)，所述水处理单元(11)左侧固定连接有输送泵(13)，所述输送泵(13)输出端和所述制氢单元(1)之间连通有补水管(14)，所述制氢单元(1)前侧设置有氢氧分离单元(29)，所述氢氧分离单元(29)和所述制氢单元(1)之间连通有夹套(30)，所述燃烧室(8)外侧安装有热量回收组件，所述热量回收组件用于回收装置运行时产生的热量。

2.根据权利要求1所述的风光发电制氢的碱性电解槽余热及废气联合利用装置，其特征在于：所述碱液回收组件包括碱液回收单元(7)，所述碱液回收单元(7)位于所述氧气分离单元(2)和所述氢气分离单元(3)之间，所述碱液回收单元(7)顶部固定连接有Y型管(6)，所述Y型管(6)顶部两端分别和所述氧气分离单元(2)、所述氢气分离单元(3)底部连通。

3.根据权利要求1所述的风光发电制氢的碱性电解槽余热及废气联合利用装置，其特征在于：所述燃烧室(8)顶部安装有加氧管(10)，所述制氢单元(1)顶部安装有加水管(28)。

4.根据权利要求1所述的风光发电制氢的碱性电解槽余热及废气联合利用装置，其特征在于：所述热量回收组件包括两个导热套(15)、换热器一(16)、循环泵(17)、换热器二(21)、水泵(22)和夹套(30)，其中一个所述导热套(15)内侧固定连接在所述氧气分离单元(2)外侧，另一个所述导热套(15)内侧固定连接在所述氢气分离单元(3)外侧，所述换热器一(16)内侧固定连接在所述燃烧室(8)外侧，所述循环泵(17)设置在所述氢气分离单元(3)和所述燃烧室(8)之间，所述循环泵(17)输入端和所述换热器一(16)之间连通有抽水管(18)，所述循环泵(17)输出端和两个所述导热套(15)之间连通有分流管(19)，所述换热器二(21)内侧固定连接在所述制氢单元(1)外侧，所述水泵(22)底部固定连接在所述水处理单元(11)顶部，所述水泵(22)输入端和所述换热器一(16)之间连通有进水管(23)，所述水泵(22)输出端和所述换热器二(21)之间连通有入水管(24)，所述夹套(30)内侧固定连接在所述氢氧分离单元(29)外侧，所述夹套(30)和所述换热器二(21)之间设置有抽取泵(31)，所述抽取泵(31)底部固定连接在所述制氢单元(1)中部，所述抽取泵(31)输入端通过管道和所述换热器二(21)之间连通，所述抽取泵(31)输出端和所述夹套(30)之间连通有预热管(32)。

5.根据权利要求4所述的风光发电制氢的碱性电解槽余热及废气联合利用装置，其特征在于：所述换热器二(21)左侧安装有热电转换接口(26)，所述换热器二(21)前部安装有电解槽加热接口(27)。

6.根据权利要求4所述的风光发电制氢的碱性电解槽余热及废气联合利用装置，其特征在于：两个所述导热套(15)和所述换热器一(16)之间连通有回流管(20)，所述换热器二(21)和所述换热器一(16)之间连通有循环管(25)。

7.根据权利要求4所述的风光发电制氢的碱性电解槽余热及废气联合利用装置，其特征在于：所述夹套(30)和所述换热器二(21)之间连通有回水管(33)。