火电厂电解海水制氢系统和方法与流程

专利2022-05-10  8



1.本发明涉及电解制氢技术领域,尤其涉及一种火电厂电解海水制氢系统和方法。


背景技术:

2.氢能作为一种绿色能源,可用于发电、发热、交通燃料等领域,具有零污染、热值高、可存储、储量足、应用广等优点。大力发展氢能将有助于许多行业实现零碳排放的目标。
3.在过去的几十年中,氢能的制备技术一直是各国研究的重点,也都取得了显著的成果,当前最主流的制氢方法有甲烷蒸汽重整、甲烷自热重整、电解水制氢、工业副产品或工业废渣提取等。同时,各种新技术也广泛运用于制氢行业当中,从而提升制氢效率,降低能源消耗,降低碳排放,例如过程强化技术、碳捕集及封存技术等。
4.常规电解制氢工艺,直接针对纯水进行电解。但地球整个环境中淡水和纯水资源十分有限,最为丰富的水资源是海水资源,如果能够直接电解海水实现制氢工艺,则可以极大拓宽氢能的应用前景。
5.另一方面,火电厂目前的调峰调频主要包括机组协调控制升降负荷调峰调频以及外挂电锅炉、外挂储能电池等外挂调峰调频措施。机组协调升降负荷调峰调频存在对机组运行人员操作要求高、频繁升降负荷减少机组锅炉汽机寿命等问题。外挂储能电池存在投资高、电池充放电次数有限、电池容易发生火灾等问题;外挂电锅炉调峰调频存在产生的蒸汽或热水需要有用户,不适合非采暖区域等问题。


技术实现要素:

6.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
7.为此,本发明的目的在于提出一种火电厂电解海水制氢系统,火电机组产生的烟气经过脱硫和初级减碳净化处理后,得到的净烟气中的co2能够与海水中的钙镁离子进行反应沉淀,去除了海水中的钙镁离子,进而有效防止海水电解过程中大量的钙镁离子,直接电解会导致离子膜或隔膜堵塞和损坏的情况,同时通过海水中钙镁离子与净烟气中co2反应,实现对净烟气中co2的捕捉,降低了净烟气中co2的含量,降低碳排放,并且利用火电机组的富余调峰电量给电解槽供电,不仅降低了火电机组的压力,并且降低了能源消耗,同时实现了最低用电成本的电解槽生产氢气的目的,并且在生产氢气的同时还能够生成烧碱和氯气。
8.为达到上述目的,本发明提出的一种火电厂电解海水制氢系统,包括:
9.火电机组;海水净化组件,所述海水净化组件与所述火电机组相连,所述火电机组用于将发电产生的至少一部分烟气供给到所述海水净化组件,以利用所述烟气中的二氧化碳净化原料海水;海水蒸发浓缩组件,所述海水蒸发浓缩组件与所述海水净化组件相连,用于从所述海水净化组件接收净化后的海水并对所述净化后的海水进行浓缩处理;电解槽,所述电解槽与所述火电机组和所述海水蒸发浓缩组件相连,用于从所述海水蒸发浓缩组件接收浓缩后的海水并对所述浓缩后的海水进行电解,以得到氢气、氯气和氢氧化钠溶液,以
利用所述氢氧化钠溶液制备烧碱。
10.优选地,还包括烟气处理组件,所述烟气处理组件分别与所述火电机组和所述海水净化组件相连,用于将所述火电机组发电产生的烟气进行净化处理,以利用所述净化处理的至少一部分烟气供给到所述海水净化组件。
11.优选地,所述电解槽的功率可调以用于所述火电机组的调峰调频。
12.优选地,所述海水净化组件包括:海水烟气混合装置,所述海水烟气混合装置与所述烟气处理组件相连,以通过所述净化处理的至少一部分烟气的二氧化碳与原料海水中的钙镁离子反应生产钙镁沉淀物;和海水沉淀池,所述海水沉淀池,用于对所述反应生成钙镁沉淀物的原料海水进行沉淀;和海水过滤装置,所述海水过滤装置,用于对所述沉淀后的原料海水进行过滤以得到净化后的海水。
13.优选地,所述海水烟气混合装置为海水曝气反应器或海水喷淋塔,所述海水曝气反应器和所述海水喷淋塔用于实现所述原料海水和所述净化处理的至少一部分烟气的充分混合反应。
14.优选地,以通过所述净化烟气中的二氧化碳与原料海水中的钙镁离子反应生产钙镁沉淀物;和海水过滤装置,所述海水过滤装置,用于对产生钙镁沉淀物的海水进行过滤以得到净化后的海水。
15.优选地,还包括氢氧化钠溶液蒸发浓缩组件,所述氢氧化钠溶液蒸发浓缩组件与所述电解槽相连,用于从所述电解槽接收所述氢氧化钠溶液并对所述氢氧化钠溶液进行浓缩以得到烧碱。
16.优选地,还包括水回收组件,所述水回收组件与所述氢氧化钠溶液蒸发浓缩组件和所述海水蒸发浓缩组件相连,用于冷凝回收海水蒸发浓缩和氢氧化钠溶液蒸发浓缩过程中产生的水蒸汽。
17.优选地,所述海水蒸发浓缩组件与所述火电机组的汽轮机相连,以便所述海水蒸发浓缩组件利用所述汽轮机的抽汽蒸汽作为热源。
18.优选地,所述氢氧化钠溶液蒸发浓缩组件与所述火电机组的汽轮机相连,以便所述氢氧化溶液蒸发浓缩组件利用所述汽轮机的抽汽蒸汽作为热源。
19.优选地,还包括氢气存储罐,所述氢气存储罐与所述电解槽相连,用于存储电解槽电解生成的氢气。
20.优选地,还包括氯气存储罐,所述氯气存储罐与所述电解槽相连,用于存储电解槽电解生成的氯气。
21.一种火电厂电解海水制氢方法,包括:将电厂的火电机组产生的烟气经过净化后得到的净化烟气通入原料海水中,以净化原料海水;对净化后的海水进行蒸发浓缩;利用火电机组的电力对蒸发浓缩后的海水进行电解,以得到氢气、氯气和氢氧化钠溶液。
22.优选地,还包括调节用于电解所述海水的电解槽的功率,以用于所述火电机组的调峰调频。
23.优选地,净化所述原料海水包括:通过所述净化烟气中的二氧化碳与原料海水中的钙镁离子反应生产钙镁沉淀物;对产生钙镁沉淀物的海水进行沉淀;对沉淀后的海水过滤以得到净化后的海水。
24.优选地,还包括:利用所述火电机组的汽轮机的蒸汽抽汽对净化后的海水进行蒸
发浓缩和/或对所述氢氧化钠溶液进行浓缩;冷凝回收净化后的海水蒸发浓缩过程中和/或所述氢氧化钠溶液浓缩过程中产生的水蒸汽。
25.优选地,还包括对所述氢氧化钠溶液进行浓缩,以得到烧碱。
26.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
27.本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
28.图1是本发明一实施例提出的火电厂电解海水制氢系统的结构示意图;
29.图2是本发明另一实施例提出的电解槽消耗火电机组调峰调频富余电力示意图;
30.图3是本发明另一实施例提出的火电厂电解海水制氢系统的结构示意图;
31.图4是本发明另一实施例提出的海水净化组件的结构示意图;
32.图5是本发明另一实施例提出的火电厂电解海水制氢系统的结构示意图;
33.图6是本发明另一实施例提出的火电厂电解海水制氢系统的结构示意图;
34.图7是本发明另一实施例提出的海水蒸发浓缩示意图;
35.图8是本发明另一实施例提出的海水蒸发浓缩和氢氧化钠溶液蒸发浓缩示意图;
36.图9是本发明另一实施例提出的火电厂电解海水制氢系统的结构示意图;
37.图10是本发明另一实施例提出的火电厂电解海水制氢系统的结构示意图;
38.图11是本发明另一实施例提出的火电厂电解海水制氢过程示意图。
39.图12是本发明火电厂电解海水制氢系统的结构示意图。
40.图中:100、火电厂电解海水制氢系统;1、火电机组;101、汽轮机;2、海水净化组件;210、海水烟气混合装置;202、海水沉淀池;203、海水过滤装置;3、海水蒸发浓缩组件;4、电解槽;5、烟气处理组件;6、氢氧化钠溶液蒸发浓缩组件;7、水回收组件;8、氢气存储罐;9、氯气存储罐。
具体实施方式
41.下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。相反,本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
42.图1是本发明一实施例提出的一种火电厂电解海水制氢系统100的结构示意图。
43.一种火电厂电解海水制氢系统100,包括火电机组1、海水净化组件2、海水蒸发浓缩组件3、电解槽4;
44.海水净化组件2与火电机组1相连,火电机组1用于将发电产生的至少一部分烟气供给到海水净化组件2,以利用烟气中的二氧化碳净化原料海水。
45.可以理解的是,火电机组1发电过程中产生大量的烟气,烟气中含有二氧化碳气体,海水净化组件2中的原料海水中含有大量的钙镁离子,将火电机组1中产生的烟气通入
原料海水中后,烟气中的co2能够与原料海水中的钙镁离子反应,使得钙镁离子沉淀。
46.海水蒸发浓缩组件3与海水净化组件2相连,用于从海水净化组件2接收净化后的海水并对净化后的海水进行浓缩处理。
47.可以理解的是,通过海水净化组件2净化处理后的海水,其中的杂质和沉淀除去,此时通过海水蒸发浓缩组件3进行蒸发浓缩后,能够提高海水中氯化钠的浓度,使得浓缩处理后的海水中具有较高浓度的氯化钠,能够达到电解槽4电解氯化钠的浓度标准,其中海水蒸发浓缩组件3为蒸发浓缩装置,蒸发浓缩装置为现有技术设备。
48.电解槽4与火电机组1和海水蒸发浓缩组件3相连,用于从海水蒸发浓缩组件3接收浓缩后的海水并对浓缩后的海水进行电解,以得到氢气、氯气和氢氧化钠溶液,以利用氢氧化钠溶液制备烧碱。
49.可以理解为,海水蒸发浓缩组件3通过管道连接至电解槽4,海水蒸发浓缩组件3浓缩后的海水通过管道通入电解槽4中,海水蒸发浓缩组件3浓缩后的海水中含有高浓度的氯化钠,也就相当于通过电解槽4对氯化钠溶液进行电解,生成氢氧化钠溶液,可以直接用于制备烧碱,同时在电解槽4电解过程中通过火电机组1发电生成的电能为电解槽4供电。
50.参照图2,在本发明的一个实施例中,电解槽4的功率可调以用于火电机组1的调峰调频。
51.具体来说,由于火电机组1的调峰调频富余电力有所变化,而电解槽4电解过程中的功率可调,通过调节电解槽4电解过程中的功率实现对火电机组1的调峰调频富余电力的消耗,无需外挂电锅炉或者外挂储能电池来消耗多余的发电负荷,并且还能制备氢气和氯气。
52.参照图3,在本发明的一个实施例中,还包括烟气处理组件5,烟气处理组件5与火电机组1和海水净化组件2相连,用于将火电机组1发电产生的烟气进行净化处理,以利用净化处理的至少一部分烟气供给到海水净化组件2。
53.也就是说,火电机组1产生的烟气通入烟气处理组件5中进行处理后,烟气处理组件5处理后的烟气部分通过管道通入海水净化组件2中;由于火电机组1发电过程中产生的烟气中含有大量的烟尘和硫化物,直接通入原料海水中不仅造成原料海水的污染,并且烟尘的通入使得原料海水中杂质增多,应该后续电解过程,通过设置烟气处理组件5,能够实现脱硫和初级减碳效果,得到的净烟气达到排放标准,该烟气处理组件5为现有技术,在火力发电过程中通常将产生的烟气经过烟气处理组件5处理后才能达到排放标准,通过烟囱排放。
54.参照图4,在本发明的一个实施例中,海水净化组件2包括海水烟气混合装置201、海水沉淀池202和海水过滤装置203,海水烟气混合装置201与烟气处理组件5相连,以通过净化烟气中的二氧化碳与原料海水中的钙镁离子反应生产钙镁沉淀物;海水沉淀池201,用于对反应生成钙镁沉淀物的原料海水进行沉淀,海水过滤装置203,用于对产生钙镁沉淀物的海水进行过滤以得到净化后的海水。
55.在本实施例中,海水烟气混合装置201为海水曝气反应器或海水喷淋塔,利用烟气在海水中曝气反应的海水曝气反应器或海水喷淋塔实现海水和烟气的充分混合反应,海水曝气反应器、海水喷淋塔、海水沉淀池202和海水过滤装置203为现有技术设备,烟气处理组件5将处理后的一部分烟气通入海水烟气混合装置201的原料海水中,烟气与海水烟气混合
装置201中原料海水中的钙镁离子反应,生成钙镁沉淀物,生成钙镁沉淀物的原料海水通入海水沉淀池202中,在海水沉淀池202中进行沉淀,海水沉淀池202的出水口与海水过滤装置203的进水口之间通过管道连接,同时管道上设置有泵,能够将海水沉淀池202中沉淀后的海水抽入海水过滤装置203中进行过滤,得到净化后的海水,同时海水过滤装置203与海水蒸发浓缩组件3相连,净化后的海水通入海水蒸发浓缩组件3中进行蒸发浓缩。
56.参照图5,在本发明的一个实施例中,还包括氢氧化钠溶液蒸发浓缩组件6,氢氧化钠溶液蒸发浓缩组件6与电解槽4相连,用于从电解槽4接收氢氧化钠溶液并对氢氧化钠溶液进行浓缩以制备烧碱。
57.具体地说,氢氧化钠溶液蒸发浓缩组件6为蒸发浓缩装置,蒸发浓缩装置为现有技术设备,此处不再详细赘述;由于电解槽4电解过程中产生的氢氧化钠溶液浓度低,需要进行浓缩才能方便制备固体烧碱,因此通过蒸发浓缩装置将低浓度的氢氧化钠溶液进行浓缩后得到高浓度的氢氧化钠溶液,之后可以再进行蒸发浓缩和干燥等系列处理,产出烧碱产品。
58.参照图6,在本发明的一个实施例中,还包括水回收组件7,水回收组件7与氢氧化钠溶液蒸发浓缩组件6和海水蒸发浓缩组件3相连,用于冷凝回收海水蒸发浓缩和氢氧化钠溶液蒸发浓缩过程中产生的水蒸汽。
59.可以理解的是,由于海水蒸发浓缩组件3和氢氧化钠溶液蒸发浓缩组件6在蒸发浓缩过程中会产生水蒸汽,产生的水蒸气直接排出造成浪费,此时通过水回收组件7对产生的水蒸气进行冷凝成纯净水,最终纯净水的洁净度分为可饮用纯净水、可作为火电厂工业补水的纯净水,实现了节水性能,其中水回收组件7为冷凝水回收装置,为现有技术设备,此处不再详细赘述。
60.参照图7,在本发明的一个实施例中,海水蒸发浓缩组件3与火电机组1的汽轮机101相连,以便海水蒸发浓缩组件3利用汽轮机101的抽汽蒸汽作为热源。
61.也就是说,火电机组1的汽轮机101排出的蒸气可以为海水蒸发浓缩组件3提供热量,便于海水蒸发浓缩组件3直接进行蒸发浓缩,无需另外为海水蒸发浓缩组件3的蒸发浓缩提供热量。
62.参照图8,在本发明的一个实施例中,氢氧化钠溶液蒸发浓缩组件6与火电机组1的汽轮机101相连,以便氢氧化钠溶液蒸发浓缩组件6利用汽轮机101的抽汽蒸汽作为热源。
63.具体低,火电机组1的汽轮机101排出的蒸气可氢氧化钠溶液蒸发浓缩组件6提供热量,详细地,两个蒸发浓缩装置(即海水蒸发浓缩组件3和氢氧化钠溶液蒸发浓缩组件6)的热源供应管路与火电机组1中的汽轮机101蒸汽排放管道连接,汽轮机101蒸汽排放管道排出的高温蒸汽通过蒸汽排放管道输送至蒸发浓缩装置的热源供应管路,实现了火电机组1中生成的高温蒸汽的能量合理利用,降低了能量损失,无需另外为蒸发浓缩装置提供热源,降低了成本。
64.参照图9,在本发明的一个实施例中,还包括氢气存储罐8,氢气存储罐8与电解槽4相连,用于存储电解槽4电解生成的氢气。电解槽4产生的氢气通过氢气存储罐8存储后可以直接对外售卖,也可以直接用作火电机组1的原料。
65.参照图10,在本发明的一个实施例中,还包括氯气存储罐9,氯气存储罐9与电解槽4相连,用于存储电解槽4电解生成的氯气。电解槽4电解过程汇总产生的氯气通过氯气存储
罐9存储后可以直接对外售卖。
66.参照图11和图12,在本发明的一个实施例中,本发明中公开的火电厂电解海水制氢的具体过程如下:
67.s1:将电厂的火电机组产生的烟气经过净化后得到的净化烟气通入原料海水中,以净化原料海水。
68.详细来说,将电厂的火电机组1产生的烟气经过烟气处理组件5净化处理,净化烟气在通过烟囱排放前,将部分净化烟气通入海水烟气混合装置201的原料海水中,通过净化烟气中的二氧化碳与原料海水中的钙镁离子反应生产钙镁沉淀物,将反应生产钙镁沉淀物的原料海水通入海水沉淀池202中进行沉淀,沉淀后的海水通过海水过滤装置203进行过滤,得到净化后的海水。
69.s2:对净化后的海水进行蒸发浓缩。
70.具体地,净化后的海水中氯化钠的浓度没有达到电解要求,将净化后的海水通入海水蒸发浓缩组件3中进行蒸发浓缩,使得海水中氯化钠的浓度达到电解槽4电解氯化钠的标准;
71.s3:利用火电机组的电力对蒸发浓缩后的海水进行电解,以得到氢气、氯气和氢氧化钠溶液。
72.通过火电机组的电力对电解槽进行供电,使得电解槽通过电解反应,阳极产生氯气,阴极产生氢气,对产生的其他产品氢气和氯气进行收集和储存,对外销售。
73.在本发明的一个实施例中,火电厂电解海水制氢的方法还包括调节用于电解所述海水的电解槽的功率,以用于火电机组的调峰调频。
74.具体来说,电解槽利用火电厂中火电机组调峰调频富余电力作为电源,不仅能够为电解槽的电解,同时能够用于火电机组的调峰调频。
75.在本发明的一个实施例中,净化原料海水包括:通过所述净化烟气中的二氧化碳与原料海水中的钙镁离子反应生产钙镁沉淀物;对产生钙镁沉淀物的海水进行沉淀;对沉淀后的海水过滤以得到净化后的海水。
76.在本发明的一个实施例中,还包括:利用所述火电机组的汽轮机的蒸汽抽汽对净化后的海水进行蒸发浓缩和/或对所述氢氧化钠溶液进行浓缩;冷凝回收净化后的海水蒸发浓缩过程中和/或所述氢氧化钠溶液浓缩过程中产生的水蒸汽。
77.具体地,利用氢氧化钠溶液蒸发浓缩组件6对电解得到的氢氧化钠溶液进行浓缩,以得到烧碱,并且电解得到的氢气和氯气进行存储,用于对外售卖。其中在氢氧化钠溶液蒸发浓缩组件6和海水蒸发浓缩组件3进行蒸发浓缩时,利用火电机组1的汽轮机的蒸汽抽汽作为氢氧化钠溶液蒸发浓缩组件6和海水蒸发浓缩组件3的热源,对净化后的海水进行蒸发浓缩和对氢氧化钠溶液进行浓缩;利用水回收组件7冷凝回收海水蒸发浓缩组件3和氢氧化钠溶液蒸发浓缩组件6在蒸发浓缩净化后的海水过程中和氢氧化钠溶液浓缩过程中产生的水蒸汽,最终纯净水的洁净度分为可饮用纯净水、可作为火电厂工业补水的纯净水。
78.在本发明的一个实施例中,还包括对所述氢氧化钠溶液进行浓缩,以得到烧碱。
79.具体地,利用火电机组汽轮机的蒸汽抽汽作为热源,加热蒸发浓缩氢氧化钠溶液,再经过深度蒸发浓缩和干燥等系列处理,产出烧碱产品。
80.需要说明的是,在本发明的描述中,术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的,而不
能理解为指示或暗示相对重要性。此外,在本发明的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。
81.流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为,表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的组件、片段或部分,并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现,其中可以不按所示出或讨论的顺序,包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序,来执行功能,这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
82.在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
83.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
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