一种利用化工废热进行固体氧化物电解水的制氢系统的制作方法

1.本发明涉及高温电解制氢和化工废热回收利用技术领域，特别是涉及一种利用化工废热进行固体氧化物电解水的制氢系统。


背景技术：

2.本世纪以来，面对全球化石能源紧缺现状和其带来的污染问题，对能源化工工业提出更高的绿色环保要求，以减轻对环境的影响，随着双碳战略的实施，传统行业的能源绿色化、低碳化势在必行。
3.能源化工工业生产过程中产生的废气废水以及动力机械排气通常带有大量的热量且燃烧不完全，并不能直接排放，需要经后处理后再进行检验、排放，这个过程既浪费了原本废气废水带有的大量热量，又需要加大投资对其进行处理。如果利用工业废热开发清洁能源既能全面利用废弃热量，产生的清洁能源又能供给厂区的运行设备所需。
4.固体氧化物电解水系统利用高温下的固态离子导体作为电解质，通过外加直流电场将水分子分解为氢和氧。相比传统的水分解技术，固体氧化物电解水具有许多优点，如高效、低成本、可持续等。固体氧化物电解水系统能够利用环境高温，使其电解效率达到接近100％，但其产生的产物富氧空气通常直接被排放，不能加以利用，工艺流程还未完善。固体氧化物电解水系统频繁启动损伤器件，如果能够利用稳定的工业废热为系统供热，能够使电解水系统稳定运行，在废气废水处理或化工生产过程中对电解水产生的富氧空气加以利用，更能节省成本，满足绿色环保要求。
5.因此需要提出一种制氢系统，利用化工废热以提供给电解水所需的热量，实现能源利用的最大化。


技术实现要素：

6.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种利用化工废热进行固体氧化物电解水的制氢系统，所述制氢系统包括：
7.供料模块，用于提供水蒸汽及空气，所述供料模块包括锅炉，以对去离子水进行加热得到所述水蒸汽；
8.热交换模块，利用化工废热进行热交换，将来自供料模块的水蒸汽及空气分别加热至反应温度及供热温度；
9.电解模块，加热至反应温度的水蒸汽通入所述电解模块的阴极通过电解制得氢气和氧气；加热至供热温度的空气通入所述电解模块的阳极，用于提供给电解模块热能以维持电解反应；
10.储氢模块，包括气液分离器及氢气罐，电解模块阴极处的氢气与水蒸汽混合形成氢水混合气排出，并经所述热交换模块降温后进入气液分离器，经气液分离器分离出的氢气进入氢气罐储存，分离出的水进入所述锅炉继续提供水蒸汽。
11.优选地，通入所述电解模块阳极的空气还与阳极生成的氧气混合后得到富氧空
气，排出的富氧空气经所述热交换模块降温后进入锅炉燃料口作为助燃剂。
12.优选地，所述热交换模块包括第一热交换器及第二热交换器，所述化工废热先进入所述第二热交换器再进入第一热交换器，第一热交换器的腔体温度低于第二热交换器的腔体温度；来自供料模块的水蒸汽及空气先进入所述第一热交换器，再进入第二热交换器，实现逐级升温；来自电解模块生成的富氧空气及氢水混合气先进入所述第二热交换器，再进入第一热交换器，实现逐级降温；
13.经过热量交换后，释放热量的化工废热从第一热交换器排出，然后经过长管冷却进入废气处理器进行废气处理。
14.优选地，所述第一热交换器的腔体温度为300-350摄氏度，第二热交换器的腔体温度为600-700摄氏度，进入所述第二热交换器的化工废热温度高于630摄氏度。
15.优选地，所述热交换模块还包括蒸汽加热器、空气加热器，经第二热交换器加热后的水蒸汽及空气分别经过所述蒸汽加热器、空气加热器进行再次升温，然后分别到达反应温度、供热温度后进入所述电解模块。
16.优选地，所述水蒸汽、空气、富氧空气、氢水混合气通过盘管的形式在第一热交换器及第二热交换器的腔体内进行热量交换。
17.优选地，所述热交换模块还包括第一温控装置、第二温控装置，第一温控装置用以控制第一热交换器的腔体温度，第二温控装置用以控制第二热交换器的腔体温度。
18.优选地，反应温度为800摄氏度以上，供热温度为850-900摄氏度，供热温度大于反应温度。
19.优选地，所述供料模块还包括水泵、氧气罐、气泵，所述水泵用于将去离子水泵入锅炉中；经所述热交换模块降温后的富氧空气先进入所述氧气罐储存，然后经气泵鼓入至锅炉燃料口。
20.优选地，所述电解模块包括固体氧化物电解槽，电解槽的阳极与阴极通过电介质层隔开，在阳极处与阴极处分别形成密闭空间，并在阳极及阴极均设置入口端及出口端；阴极的入口端通入水蒸汽，得到氢气，氢气与水蒸汽混合后从出口端排出，形成所述氢水混合气；阳极的入口端通入的空气与氧气混合从出口端排出，形成所述富氧空气。
21.如上所述，本发明的制氢系统，具有以下有益效果：
22.(1)锅炉可以利用副产物富氧空气，使燃料燃烧更充分，节省成本，减少污染和排放浪费，提高了系统的整体效率。
23.(2)经过锅炉预热的水蒸汽进入热交换模块，可以保护热交换模块的器件安全，延长使用寿命。
24.(3)系统通过两级工业废热供热的热交换器能够充分利用废热的同时，还可以使工业废热降温，方便下一步废气处理。
25.(4)采用固体氧化物电解水制氢，利用环境热，电解消耗降低，电解效率可以达到90～100％。
26.(5)电解生成的高温蒸汽与氢气的混合物、高温富氧空气均通过热交换模块中的热交换器，不仅能够降低自身温度，而且能够补充热交换器中的热量，为原料蒸汽和空气提供热量。
27.(6)采用气液分离装置实现水的回收利用，有效降低了系统的耗水量，并且保护储
氢气罐的长时间运行。
附图说明
28.图1显示为本发明中制氢系统的工艺流程示意图。
29.图2显示为本发明中电解槽的电解原理示意图。
30.元件标号说明
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水泵
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锅炉
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第一温控装置
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第二温控装置
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第一热交换器
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第二热交换器
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蒸汽加热器
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空气加热器
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固体氧化物电解槽
[0040]
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废气处理器
[0041]
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气液分离器
[0042]
12
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氢气罐
[0043]
13
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氧气罐
[0044]
14
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气泵
具体实施方式
[0045]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0046]
如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
[0047]
为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。本文使用的“介于
……
之间”表示包括两端点值。
[0048]
在本技术的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
[0049]
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘
制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，其组件布局型态也可能更为复杂。
[0050]
固体氧化物电解水利用高温下的固态离子导体作为电解质，通过外加直流电场将水分子分解为氢和氧。在这个过程中，离子导体起到了催化剂和传递离子的作用。在高温下，离子导体中存在着大量的空位和缺陷，这些空位和缺陷可以吸附并传递离子。当外加直流电场时，正极吸引阴离子向阳极移动而负极则吸引阳离子向阴极移动。在这个过程中，水分子被分解成了氢和氧。通常，其反应温度控制在800～1000℃，由于其工作温度高，能够大大增加反应的动力，同时可大幅降低电能消耗。本发明正是利用高温工业废气提供热能，保证高温电解电解水过程的工作温度。
[0051]
如图1所示，本发明提供一种利用化工废热进行固体氧化物电解水的制氢系统，具体包括：
[0052]
供料模块i，用于提供水蒸汽及空气，所述供料模块包括锅炉2，以对去离子水进行加热得到所述水蒸汽；
[0053]
热交换模块iii，利用化工废热将来自供料模块的水蒸汽及空气分别加热至反应温度及供热温度；
[0054]
电解模块iv，加热至反应温度的水蒸汽通入所述电解模块的阴极通过电解制得氢气和氧气；加热至供热温度的空气通入所述电解模块的阳极，用于提供给电解模块热能以维持电解反应，供热温度大于反应温度；
[0055]
储氢模块ii，包括气液分离器11及氢气罐12，电解模块阴极处的氢气与水蒸汽混合形成氢水混合气排出，并经所述热交换模块降温后进入气液分离器11，经气液分离器11分离出的氢气进入氢气罐12储存，分离出的水进入所述锅炉2继续提供水蒸汽。
[0056]
进一步地，通入所述电解模块阳极的空气还与阳极生成的氧气混合后得到富氧空气，富氧空气经所述热交换模块降温后进入锅炉2燃料口作为助燃剂；
[0057]
本发明的供料模块除了用于提供电解制氢的水之外，还额外提供空气，空气经热交换模块加热至供热温度形成过热空气后进入电解模块的阳极，用以提供热能维持电解反应。然后再与阳极生成的氧气混合形成富氧空气，返回至锅炉2处作为助燃剂。此处的空气除了起到加热的作用外，还起到了降低氧气浓度的作用，如果没有空气对氧气的稀释作用，直接将纯氧连通至锅炉2，则容易出现强烈的燃烧过程，具有危险性。同时，设定供热温度(850-900摄氏度)大于反应温度(800摄氏度以上)，以保证过热空气具有足够的热量提供给电解模块，以维持反应过程，避免热量不足造成反应不充分。
[0058]
具体地，如图2所示，所述电解模块包括固体氧化物电解槽9，在稳定高温下，电解槽将水分解为氢气和氧气，并排出电解槽，其主要特征为高温状态下电能和热能转化为化学能过程中的电能消耗降低，电解效率可以达到90～100％。上述的氢水混合气及富氧空气是分别在阴极及阳极处自然混合而成的，阳极与阴极通过电介质层隔开，在阳极处与阴极处分别形成密闭空间，并在阳极及阴极均设置入口端及出口端。阴极的入口端通入水蒸汽，得到氢气，氢气与水蒸汽无法分离，直接混合从出口端排出，形成氢水混合气。阳极的入口端通入的过热空气也无法与氧气分离，直接混合从出口端排出，形成富氧空气。
[0059]
进一步地，所述热交换模块包括第一热交换器5及第二热交换器6，所述化工废热先进入所述第二热交换器6再进入第一热交换器5，第一热交换器5的腔体温度低于第二热
交换器6的腔体温度；来自供料模块的水蒸汽及空气先进入所述第一热交换器5，再进入第二热交换器6，实现逐级升温；来自电解模块生成的富氧空气及氢水混合气先进入所述第二热交换器6，再进入第一热交换器5，实现逐级降温。作为一种实施方式，所述水蒸汽、空气、富氧空气、氢水混合气通过盘管的形式在第一热交换器5及第二热交换器6的腔体内进行热量交换。
[0060]
进一步地，所述第一热交换器5的腔体温度为300-350摄氏度，第二热交换器6的腔体温度为600-700摄氏度。所述电解模块的反应温度为800-900摄氏度。所述化工废热的温度高于630摄氏度，化工废热可以来自工业废气或高温废液。
[0061]
具体地，通过热交换模块对化工废热的热能进行充分利用，使其对水蒸汽及空气进行加热，经过热量交换后，释放热量的化工废热从第一热交换器5排出，过程中也实现了自身温度的降低，便于进入废气处理器10进行废气处理，而不需要再做额外的降温处理。同时，来自电解模块生成的富氧空气及氢水混合气具有较高的反应温度，大于第二热交换器6的腔体温度，也能对来自供料模块的水蒸汽及空气起到一定的加热作用。
[0062]
进一步地，所述热交换模块还包括蒸汽加热器7、空气加热器8，经第二热交换器6加热后的水蒸汽及空气分别经过所述蒸汽加热器7、空气加热器8进行再次升温，然后分别到达反应温度、供热温度后进入所述电解模块。
[0063]
进一步地，所述供料模块还包括水泵1、氧气罐13、气泵14，所述水泵1用于将去离子水泵1入锅炉2中，经所述热交换模块降温后的富氧空气先进入所述氧气罐13储存，然后经气泵14鼓入至锅炉2燃料口。
[0064]
进一步地，所述热交换模块还包括第一温控装置3、第二温控装置4，第一温控装置3用以控制第一热交换器5的腔体温度，第二温控装置4用以控制第二热交换器6的腔体温度。
[0065]
所述第一热交换器5及第二热交换器6可以是余热锅炉，将带有工业废热的气体或液体，通入余热锅炉中，为供料模块产生的水蒸汽和通入的空气提供热量，经过两级热交换，使其温度达到600摄氏度以上，在两级热交换过程中，使用温控装置、流量装置等设备监测热交换情况；在经过两级热交换后产生的蒸汽和热空气经过加热器进一步加热达到800摄氏度以上，得到高温蒸汽和过热空气；带有工业废热的高温气体或液体经过两级热交换，温度已下降，经冷却和废气/废液处理器处理后进行检测排放。所述的余热锅炉是指利用各种工业过程中的废气、废料或废液中的余热及其可燃物质燃烧后产生的热量把水加热到一定温度的锅炉，其类型包括但不限于燃油余热锅炉、燃气余热锅炉、燃煤余热锅炉及外媒余热锅炉等，其主要特征为能够使工业废热与水或者水蒸汽进行热交换，将水蒸汽温度提高到一定温度。
[0066]
上述制氢系统的完整制氢过程为：去离子水经水泵1以恒定水量泵入锅炉2中；同时从气泵14将大量富氧空气鼓入锅炉2，使燃料能够充分燃烧，加热去离子水生成蒸汽，通入多级热交换模块中。将温度高于630摄氏度的高温工业废气通入第二热交换器6中，在第二热交换器6中进行热交换后工业废气继续通入第一热交换器5中，在第一温控装置3和第二温控装置4的控制和调节下将第二热交换器6、第一热交换器5的温度分别控制在600-700摄氏度、300-350摄氏度，从第一热交换器5排出的工业废气温度低于300摄氏度，经过长管冷却通入废气处理器10中。蒸汽与空气分别通入第一热交换器5，经热交换后温度保持在
300度以上，继续通入至第二热交换器6，经热交换后温度保持在600摄氏度以上。蒸汽经蒸汽加热器7加热后，温度升至800摄氏度以上，通入固体氧化物电解槽9。空气经空气加热器8加热后，温度升至850-900摄氏度左右，通入固体氧化物电解槽9，为电解反应提供环境热。经电解反应后，阳极生成氧气，与提供环境热的过热空气混合形成富氧空气；阴极生成的氢气，和少量过热蒸汽混合；两路气体分别通入第二热交换器6、第一热交换器5，将温度降至300摄氏度左右，不仅能够降低自身温度，而且能够为原料空气和蒸汽提供热量。蒸汽与氢气的混合物经过第一热交换器5后温度下降至300摄氏度以下，通入专用的气液分离器11，在气液分离器11中，氢水混合气温度进一步下降，并且水蒸汽液化形成液体，与氢气分离，通过气液分离器11的去离子水出口转入水泵1中，形成循环回路；而分离出的氢气，通过气液分离器11的气体出口转入氢气罐12中。富氧空气经过第一热交换器5后温度下降至300摄氏度以下，经过氧气罐13贮存后，可通过气泵14鼓入锅炉2中，富氧空气利于锅炉2燃料的完全燃烧。
[0067]
综上所述，本发明提供一种利用化工废热进行固体氧化物电解水的制氢系统，该制氢系统通过利用高温工业废热与原料气热交换的形式，预热原料气体，并且将生成的两路产物气体通入热交换模块，既可以保证原料气体温度，提高固体氧化物电解槽电解效率，还能对工业废气废液进行降温，便于下一步废料处理，此外，还能实现产物气体的降温，完成热量的良性利用。系统还使用了燃烧锅炉，在预热原料形成蒸汽的同时能够利用产物富氧空气，有效利用能源，降低燃烧消耗；气液分离器的使用可以保护氢气气罐的使用，还可以使去离子水形成回路，降低水的消耗。
[0068]
整个系统利用能源化工的稳定废热进行储能，能够避免可再生能源的间歇性、波动性，形成稳定的功能系统，并能对电解生成的另一产物富氧空气进行再利用，对实现适应性更广、成本低且易于规模化的新型储能具有十分重要的意义。
[0069]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

技术特征：
1.一种利用化工废热进行固体氧化物电解水的制氢系统，其特征在于，所述制氢系统包括：供料模块，用于提供水蒸汽及空气，所述供料模块包括锅炉，以对去离子水进行加热得到所述水蒸汽；热交换模块，利用化工废热进行热交换，将来自供料模块的水蒸汽及空气分别加热至反应温度及供热温度；电解模块，加热至反应温度的水蒸汽通入所述电解模块的阴极通过电解制得氢气和氧气；加热至供热温度的空气通入所述电解模块的阳极，用于提供给电解模块热能以维持电解反应；储氢模块，包括气液分离器及氢气罐，电解模块阴极处的氢气与水蒸汽混合形成氢水混合气排出，并经所述热交换模块降温后进入气液分离器，经气液分离器分离出的氢气进入氢气罐储存，分离出的水进入所述锅炉继续提供水蒸汽。2.根据权利要求1所述的制氢系统，其特征在于：通入所述电解模块阳极的空气还与阳极生成的氧气混合后得到富氧空气，排出的富氧空气经所述热交换模块降温后进入锅炉燃料口作为助燃剂。3.根据权利要求2所述的制氢系统，其特征在于：所述热交换模块包括第一热交换器及第二热交换器，所述化工废热先进入所述第二热交换器再进入第一热交换器，第一热交换器的腔体温度低于第二热交换器的腔体温度；来自供料模块的水蒸汽及空气先进入所述第一热交换器，再进入第二热交换器，实现逐级升温；来自电解模块生成的富氧空气及氢水混合气先进入所述第二热交换器，再进入第一热交换器，实现逐级降温；经过热量交换后，释放热量的化工废热从第一热交换器排出，然后经过长管冷却进入废气处理器进行废气处理。4.根据权利要求3所述的制氢系统，其特征在于：所述第一热交换器的腔体温度为300-350摄氏度，第二热交换器的腔体温度为600-700摄氏度，进入所述第二热交换器的化工废热温度高于630摄氏度。5.根据权利要求3所述的制氢系统，其特征在于：所述热交换模块还包括蒸汽加热器、空气加热器，经第二热交换器加热后的水蒸汽及空气分别经过所述蒸汽加热器、空气加热器进行再次升温，然后分别到达反应温度、供热温度后进入所述电解模块。6.根据权利要求3所述的制氢系统，其特征在于：所述水蒸汽、空气、富氧空气、氢水混合气通过盘管的形式在第一热交换器及第二热交换器的腔体内进行热量交换。7.根据权利要求3所述的制氢系统，其特征在于：所述热交换模块还包括第一温控装置、第二温控装置，第一温控装置用以控制第一热交换器的腔体温度，第二温控装置用以控制第二热交换器的腔体温度。8.根据权利要求1所述的制氢系统，其特征在于：反应温度为800摄氏度以上，供热温度为850-900摄氏度，供热温度大于反应温度。9.根据权利要求2所述的制氢系统，其特征在于：所述供料模块还包括水泵、氧气罐、气泵，所述水泵用于将去离子水泵入锅炉中；经所述热交换模块降温后的富氧空气先进入所述氧气罐储存，然后经气泵鼓入至锅炉燃料口。10.根据权利要求2所述的制氢系统，其特征在于：所述电解模块包括固体氧化物电解
槽，电解槽的阳极与阴极通过电介质层隔开，在阳极处与阴极处分别形成密闭空间，并在阳极及阴极均设置入口端及出口端；阴极的入口端通入水蒸汽，得到氢气，氢气与水蒸汽混合后从出口端排出，形成所述氢水混合气；阳极的入口端通入的空气与氧气混合从出口端排出，形成所述富氧空气。

技术总结
本发明提供一种利用化工废热进行固体氧化物电解水的制氢系统，该制氢系统通过利用高温工业废热与原料气热交换的形式，预热原料气体，并且将生成的两路产物气体通入热交换模块，既可以保证原料气体温度，提高固体氧化物电解槽电解效率，还能对工业废气废液进行降温，便于下一步废料处理，此外，还能实现产物气体的降温，完成热量的良性利用。系统使用燃烧锅炉，在预热原料形成蒸汽的同时能够利用产物富氧空气，有效利用能源，降低燃烧消耗；气液分离器的使用可以保护氢气气罐的使用，还可以使去离子水形成回路，降低水的消耗。整个系统利用稳定废热进行储能，形成稳定的功能系统，对实现适应性更广、成本低且易于规模化的新型储能具有重要意义。能具有重要意义。能具有重要意义。


技术研发人员：徐丽粉 赵天斌
受保护的技术使用者：上海勘测设计研究院有限公司
技术研发日：2023.07.03
技术公布日：2023/9/9