电解水制氢并联产氢同位素水的热质耦合方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了电解水制氢并联产氢同位素水的热质耦合方法和装置，该方法包括以下步骤：待电解水进入电解单元进行电解，得到包含低氘氢气在内的氢气，低氘氢气能够被选择用来制备低氘水产品，余下氢气能够被选择用来制备液氢；对未被电解单元的末级电解池电解的水进行分离操作，得到高纯氘水产品，分离操作所用热源为低氘氢气与氧气进行化合产生的热量。本发明专利技术提供的电解水制氢并联产氢同位素水的热质耦合方法和装置中，通过能量耦合、产品联产，热量和物质在系统内进行有效传递，不额外消耗能量，提高了电解水制氢系统的能源综合利用率，可同时获得液氢、低氘水和高纯氘水；利用风电、光伏发电、电网波谷电力等进行电解供电，成本降低。本降低。本降低。

【技术实现步骤摘要】
电解水制氢并联产氢同位素水的热质耦合方法和装置


[0001]本专利技术属于化工
，具体涉及电解水制氢并联产氢同位素水的热质耦合方法和装置。

技术介绍

[0002]随着国家“双碳”目标的提出，风能和太阳能等清洁能源的开发和利用越来越受到重视。近年来，风电和光伏发电的装机容量逐年增加，已成为我国电力供给的重要补充。但风电和光伏发电受天气影响大，电力输出不稳定，同时在工业用电过程中，也存在波峰波谷电力问题。目前，电解水制氢已成为一种重要的电力调节方式，通过电解水制氢可以有效地消纳风电、光伏发电等的不稳定电力，还可以利用其他多余波谷电力。通过水的电解，将电能转化为氢能，或将氢气做为其他工业过程的原料加以利用，实现能源的有效利用和转换。目前电解水制氢再利用氢能发电整体成本较高、能效偏低，仅为40％左右，但随着可再生能源尤其是太阳能和风能发电成本的下降，电解水制氢将会逐渐满足商业化的要求，成为解决可再生能源滞纳问题的重要选项。针对氢能转化能效偏低的问题，有必要将电解水制氢与相关的工艺过程结合起来，系统进行设计和规划，实现电解水制氢过程能量利用和经济效益的最大化。
[0003]低氘水有提高基础代谢，提高人体免疫力、抑制癌细胞的生长等作用，逐渐被人们所认识和重视。而氘水(重水)在不同领域有着非常广泛的用途，是制备各种氘代试剂、氘代光电材料和氘代药品的原料。现有的低氘水和高纯氘水的生产过程耗能高，因此生产成本高。

技术实现思路

[0004]为解决现有技术中存在的技术问题，本专利技术的目的在于提供电解水制氢并联产氢同位素水的热质耦合方法和装置。
[0005]为实现上述目的，达到上述技术效果，本专利技术采用的技术方案为：
[0006]电解水制氢并联产氢同位素水的热质耦合方法，包括以下步骤：
[0007]1)待电解水进入电解单元进行电解，得到包含低氘氢气在内的氢气，低氘氢气能够被选择用来制备低氘水产品，余下氢气能够被选择用来制备液氢；
[0008]2)对未被电解单元的末级电解池电解的水进行分离操作，得到高纯氘水产品，分离操作所用热源为低氘氢气与氧气进行化合产生的热量。
[0009]进一步的，步骤1)中，待电解水首先经水净化装置净化处理后进入电解单元进行逐级电解，在电解单元的第一级电解池中电解得到低氘氢气，电解单元的第一级电解池中未电解的水进入第二级电解池继续进行电解，第二级电解池中未电解的水进入第三级电解池中继续电解，依次类推，上一级电解池中未电解的水进入下一级电解池继续进行电解，直至到达末级电解池，除第一级电解池外，电解单元的余下所有电解池电解得到除低氘氢气之外的氢气。
[0010]进一步的，步骤1)中，所述电解单元包括2
‑
10级电解池，上一级电解池与下一级电解池相连通。
[0011]进一步的，步骤2)中，采用分离单元对未被电解单元的末级电解池电解的水进行分离操作。
[0012]进一步的，所述分离单元采用精馏装置或化学交换装置；所述精馏装置包括若干级精馏塔，所述化学交换装置包括若干级交换塔。
[0013]电解水制氢并联产氢同位素水的热质耦合装置，其特征在于，包括：
[0014]电解单元，所述电解单元包括电解池组，所述电解池组包括至少2级电解池，上一级电解池与下一级电解池相连通，上一级电解池中未电解的水进入下一级电解池继续进行电解，在电解单元的第一级电解池中电解得到低氘氢气；
[0015]分离单元，所述分离单元与电解单元相连通，所述分离单元对来自电解单元的未被电解的水进行分离操作，得到高纯氘水产品。
[0016]本专利技术提供的电解水制氢并联产氢同位素水的热质耦合装置，还包括氢氧化合单元，所述氢氧化合单元包括燃烧室、气包和低氘水贮罐，所述电解池组中的第一级电解池与燃烧室相连通再依次连通气包和低氘水贮罐，所述气包与低氘水贮罐之间的管路上设置有调压阀，所述氢氧化合单元能够被选择性地用来将低氘氢气制成低氘水产品，低氘水产品生成过程中产生的热量能够被选择性地用来作为分离单元进行分离操作时的热源。
[0017]进一步的，所述电解单元还包括一个水净化装置、压缩机组和一个液氢贮罐，所述水净化装置与电解池组中的第一级电解池相连通，所述压缩机组包括若干个压缩机，压缩机的总数量比电解池的总数量少一个，只有第一级电解池不与压缩机相连，余下的每个电解池的阴极分别与一个压缩机相连通再连通至液氢贮罐。
[0018]进一步的，所述电解池组包括n级电解池，分别记为第一级电解池、第二级电解池、第三级电解池、
…
第n级电解池，所述压缩机组包括n
‑
1个压缩机，分别记为压缩机Ⅰ、压缩机Ⅱ、
…
，所述第一级电解池与第二级电解池相连通，所述第二级电解池分别与第三级电解池和末级精馏塔相连通，所述第二级电解池的阴极与压缩机Ⅰ相连通，所述第三级电解池的阴极与压缩机Ⅱ相连通，以此类推，所述末级电解池与精馏塔组的进料口相连通，除第一电解池外的余下的电解池分别与对应的压缩机相连通。
[0019]进一步的，所述电解池组的级数为2
‑
10级，即n为2
‑
10中的任一整数，除第一级电解池外，电解池组的余下的每个电解池的阴极分别与一个压缩机相连通。
[0020]进一步的，所述电解单元所用电采用新能源电、电网波谷电或常规电，所述电解池采用碱液水电解制氢、阴离子交换膜电解制氢、质子交换膜电解制氢或固体氧化物电解制氢方式。
[0021]进一步的，所述分离单元采用精馏装置时，所述精馏装置包括精馏塔组、再沸器、氘水贮罐、冷凝器和回流罐，所述精馏塔组包括若干级精馏塔，精馏塔组中的每个精馏塔的塔顶和塔底分别设置有冷凝器和再沸器，上一级精馏塔塔顶的冷凝器与下一级精馏塔塔底的再沸器相连通，再沸器中物料与来自氢氧化合单元的水蒸气进行换热，第一级精馏塔塔底与氘水贮罐相连通，末级精馏塔塔顶的冷凝器与回流罐相连通，所述回流罐与末级精馏塔塔顶的回流口和电解池组的第二级电解池相连通。采用精馏装置对未被电解单元的末级电解池电解的水进行精馏分离操作的步骤包括：
[0022]经过电解单元的各级电解池进行电解后，未被电解单元的末级电解池电解的氘被富集的水进入水精馏单元的末级精馏塔中，末级精馏塔塔底液相进入上一级精馏塔中进行提浓，逐级精馏，直至到达第一级精馏塔中，各级精馏塔各自连通的再沸器中的物料被加热气化，返回各级精馏塔中，在各级精馏塔中，上升的蒸气和下降的液体进行热质交换，下降的液体中氘含量逐渐增加，在第一级精馏塔塔底得到高纯氘水产品，在末级精馏塔塔顶流出的气相经冷凝后分别回流到电解单元和末级精馏塔。
[0023]进一步的，所述精馏塔组的级数为1
‑
10级，精馏操作为减压精馏，真空度为30
‑
70KPa。
[0024]进一步的，所述分离单元采用化学交换装置时，所述化学交换装置单元包括交换塔组、热交换器、氘水贮罐，所述化学交换塔组包括若干级交换塔，交换塔组本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.电解水制氢并联产氢同位素水的热质耦合方法，其特征在于，包括以下步骤：1)待电解水进入电解单元进行电解，得到包含低氘氢气在内的氢气，低氘氢气能够被选择用来制备低氘水产品，余下氢气能够被选择用来制备液氢；2)对未被电解单元的末级电解池电解的水进行分离操作，得到高纯氘水产品，分离操作所用热源为低氘氢气与氧气进行化合产生的热量。2.根据权利要求1所述的电解水制氢并联产氢同位素水的热质耦合方法，其特征在于，步骤1)中，待电解水首先经水净化装置净化处理后进入电解单元进行逐级电解，在电解单元的第一级电解池中电解得到低氘氢气，电解单元的第一级电解池中未电解的水进入第二级电解池继续进行电解，第二级电解池中未电解的水进入第三级电解池中继续电解，依次类推，上一级电解池中未电解的水进入下一级电解池继续进行电解，直至到达末级电解池，除第一级电解池外，电解单元的余下所有电解池电解得到除低氘氢气之外的氢气。3.根据权利要求1所述的电解水制氢并联产氢同位素水的热质耦合方法，其特征在于，步骤1)中，所述电解单元包括2
‑
10级电解池，上一级电解池与下一级电解池相连通。4.根据权利要求1所述的电解水制氢并联产氢同位素水的热质耦合方法，其特征在于，步骤2)中，采用分离单元对未被电解单元的末级电解池电解的水进行分离操作。5.根据权利要求4所述的电解水制氢并联产氢同位素水的热质耦合方法，其特征在于，所述分离单元采用精馏装置或化学交换装置；所述精馏装置包括若干级精馏塔，所述化学交换装置包括若干级交换塔。6.电解水制氢并联产氢同位素水的热质耦合装置，其特征在于，包括：电解单元，所述电解单元包括电解池组，所述电解池组包括至少2级电解池，上一级电解池与下一级电解池相连通，上一级电解池中未电解的水进入下一级电解池继续进行电解，在电解单元的第一级电解池中电解得到低氘氢气；分离单元，所述分离单元与电解单元相连通，所述分离单元对来自...

【专利技术属性】
技术研发人员：武法文，
申请(专利权)人：南京合源新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：