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CN106567103B - 次氯酸钠和高纯度氢气联产方法和系统 - Google Patents

次氯酸钠和高纯度氢气联产方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种次氯酸钠和高纯度氢气联产方法，其包括以下步骤：1)海水预脱气：将海水输入预脱气装置，除去不凝气；2)电解海水：将预脱气后的海水输入电解海水装置进行电解，获得氢气和次氯酸钠溶液并进入湿氢气贮气柜；3)气液分离：氢气和次氯酸钠溶液在湿氢气贮气柜中分离，获得的次氯酸钠溶液通过管道输入核电站循环水入口或收集，从湿氢气贮气柜收集获得的氢气；4)氢气提纯：收集的氢气经脱氯除雾罐中的碱液吸收、冷冻干燥、脱氧和干燥，获得高纯度氢气。此外，本发明还公开了一种次氯酸钠和高纯度氢气联产系统。

Description

次氯酸钠和高纯度氢气联产方法和系统
技术领域
本发明属于工业水处理及新能源氢能生产领域，更具体地说，本发明涉及一种次氯酸钠和高纯度氢气联产方法和系统，其可广泛用于火电厂或核电厂。
背景技术
目前，滨海核能发电厂和火力发电厂通常分别建设水电解制氢站生产氢气和电解海水制氯站生成次氯酸钠。
水电解制氢工艺为：电解槽电解质为除盐水，极板材料为纯镍或碳钢镀镍，电解液为浓碱液如氢氧化钾或除盐水，生产压力通常为中压3MPa，阴极析出氢气，阳极析出氧气，氧气对大气直接排放。电解海水制氯工艺为：电解槽在氯离子含量在10000～20000ppm的海水条件下工作，阳极板材料为带有稀有金属涂层的钛板或其他适合在海水中电解的材料，生产压力低于0.6MPa，电解海水的产品为次氯酸钠和氢气，电解海水的氢气产量约为水电解制氢站氢气的10～20倍，对大气直接排放。
水电解制氢站由于同时产生氢气和氧气，存在制氢设备的电解槽石棉隔离性能下降、极板电化学腐蚀、运行逻辑失效和电极正负极倒接等安全隐患，极易导致氢气和氧气混合而产生爆炸。此外，水电解制氢设备维修周期短，设备质量要求高，在运行中存在较大风险。电解海水制氯站将产生大量氢气排放至电厂周边大气中，也存在安全隐患。
现有的两种工艺在电解过程都消耗大量的电能，副产物氧气和氢气的排放造成极大的能源浪费，两种工艺均产生氢气，存在易燃易爆危险。同时建立两个独立厂房的基建及设备投资费用高，电厂需要同时加强管理，耗费人力物力。
鉴于现有火电厂和核能发电厂制氢站和制氯站的设计、建设及运行中的安全和能耗问题，确有必要提供一种能耗低且环保的次氯酸钠和高纯度氢气联产方法和系统。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种能耗低且环保的次氯酸钠和高纯度氢气联产方法和系统，使电解海水生产次氯酸钠的同时，将氢气有效转变为发电所必需的高纯度氢气产品。
为实现上述发明目的，本发明提供一种次氯酸钠和高纯度氢气联产方法，其包括以下步骤：
1)海水预脱气：将海水输入预脱气装置，除去不凝气；
2)电解海水：将预脱气后的海水输入电解海水装置进行电解，获得氢气和次氯酸钠溶液并进入湿氢气贮气柜；
3)气液分离：氢气和次氯酸钠溶液在湿氢气贮气柜中分离，获得的次氯酸钠溶液通过管道输入核电站循环水入口或收集，从湿氢气贮气柜收集获得的氢气；
4)氢气提纯：收集的氢气经脱氯除雾罐中的碱液吸收、冷冻干燥、脱氧和干燥，获得高纯度氢气。
作为本发明次氯酸钠和高纯度氢气联产方法的一种改进，步骤1)中，通过真空泵除去不凝气，不凝气包括氮气、二氧化碳、氧气和氩气。
作为本发明次氯酸钠和高纯度氢气联产方法的一种改进，步骤3)中，所述次氯酸钠溶液浓度为1500ppm～2000ppm。
作为本发明次氯酸钠和高纯度氢气联产方法的一种改进，所述湿氢气贮气柜设有氢气压力调节阀和氢气排放阀。
作为本发明次氯酸钠和高纯度氢气联产方法的一种改进，步骤4)中，所述碱液为质量浓度为40～50％的氢氧化钠或氢氧化钾溶液。
为了实现上述发明目的，本发明还提供了一种次氯酸钠和高纯度氢气联产系统，其包括：
海水预脱气单元，包括海水蓄水池、海水取水泵和顶部安装有真空泵的预脱气槽；
电解海水单元，包括海水加压泵和电解海水装置；
气液分离单元，包括氢气初分离器和湿氢气贮气柜；以及
氢气提纯单元，包括脱氯除雾罐、冷冻干燥器、脱氧器、干燥器和氢气过滤器。
作为本发明次氯酸钠和高纯度氢气联产系统的一种改进，所述海水预脱气单元用于去除不凝气氮气、二氧化碳、氧气和氩气。
作为本发明次氯酸钠和高纯度氢气联产系统的一种改进，所述海水加压泵为变频泵。
作为本发明次氯酸钠和高纯度氢气联产系统的一种改进，所述电解海水装置包括若干个串联运行的立式或卧式电解槽。
作为本发明次氯酸钠和高纯度氢气联产系统的一种改进，所述气液分离单元还包括设置于湿氢气贮气柜侧壁上的液位传感器、设置于湿氢气贮气柜底部的流量计和次氯酸钠出水调节阀，以及设置于湿氢气贮气柜顶部的安全排放阀和氢气压力调节阀。
作为本发明次氯酸钠和高纯度氢气联产系统的一种改进，所述氢气初分离器通过管线连接在电解海水装置上部，电解海水装置内的部分氢气经过氢气初分离器和管线进入所述湿氢气贮气柜。
作为本发明次氯酸钠和高纯度氢气联产系统的一种改进，所述湿氢气贮气柜还通过管线直接与电解海水装置连接，电解后含次氯酸钠的海水和部分氢气经管线直接流入湿氢气贮气柜。
作为本发明次氯酸钠和高纯度氢气联产系统的一种改进，所述湿氢气贮气柜内液位保持在50～70％。
作为本发明次氯酸钠和高纯度氢气联产系统的一种改进，所述脱氧器内填充有脱氧剂钯分子筛或活性氧化铝镀钯或其他高效脱氧剂。
作为本发明次氯酸钠和高纯度氢气联产系统的一种改进，所述干燥器内填充粉末状多水硅铝酸盐晶体或其他高效脱水剂，采用双塔或多塔结构。
作为本发明次氯酸钠和高纯度氢气联产系统的一种改进，所述氢气过滤器的过滤精度为不超过0.3μm。
相对于现有技术，本发明次氯酸钠和高纯度氢气联产方法和系统具有以下优点：
1)通过一套电解海水装置配电实现次氯酸钠溶液和氢气的制备，无需单独配置水电解制氢电解槽和配电整流设备，可节约电能消耗，提高用电效率和发电效率，减少建设及运行费用。
2)通过预脱气装置去除源海水中的不凝气(N2、CO2、O2和Ar等)，可有效提高氢气的纯度。
3)次氯酸钠浓度可通过电解槽输入电流进行调节，氢气压力和产量可通过电解槽输入电流或氢气压力调节阀和氢气排放阀进行调节。
4)氢气初分离器可实现氢气的疏导和收集，使电解槽组内含气量降低，增大电解槽电流密度，提高电解效率。
5)在脱氧工艺前设置冷冻干燥机，可实现湿氢气的干燥、提纯及过滤，延长脱氧设备的使用寿命。
6)电解海水装置可通过在线酸洗维护，无需定期返厂大修，可有效保证电厂设备的可用率。
7)通过外加增压充装设备，实现瓶装氢气生产，对于氢能源生产具有重要价值。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式，对本发明次氯酸钠和高纯度氢气联产方法和系统及其有益技术效果进行详细说明，其中：
图1为本发明次氯酸钠和高纯度氢气联产方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的发明目的、技术方案及其有益技术效果更加清晰，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。
请参阅图1所示，本发明次氯酸钠和高纯度氢气联产系统包括：
海水预脱气单元10，包括海水蓄水池102、海水取水泵104和顶部安装有真空泵108的预脱气槽106；
电解海水单元20，包括海水加压泵202(可采用变频泵)和电解海水装置204；
气液分离单元30，包括氢气初分离器302和湿氢气贮气柜304；以及
氢气提纯单元40，包括脱氯除雾罐402、冷冻干燥器404、脱氧器406、干燥器408和氢气过滤器409。
海水预脱气单元10用于初步去除源海水中含有的不凝气(N2、CO2、O2和Ar等)，以二氧化碳计量，脱气后不凝气含气量在3～5mg/L，除气率达到95％以上。
预脱气槽106呈密封设置，其顶部安装有真空泵108，以保证运行在一定的真空度下(通常真空度需0.08Mpa以上)，由耐海水腐蚀的材料制成。预脱气槽106包括圆柱体或长方体槽体、安装于槽体内上部的布水喷淋装置、安装于槽体内中部的多面塑料球填料、安装于槽体内下部的承托透水装置，以及安装于槽体内底部的中间水箱。
电解海水装置204设有两个出口，顶部出口206连接氢气初分离器302，氢气初分离器302与湿氢气贮气柜304通过管线连接，上部出口208通过管线直接与湿氢气贮气柜304连接。
电解海水装置204包括若干个串联运行的立式或卧式电解槽，设计压力为0.6Mpa，海水从电解槽下部进入，电解后的海水从电解槽上部排出。电解槽包括槽体、阳极和阴极，通过调节电解槽输入电流可控制次氯酸钠浓度和氢气产量。阳极为析氯电位低的电极，例如析氯电位低的含钌、铱的贵金属涂层钛基电极，海水在阳极析出氯气并迅速溶解与水中的氢氧根生成次氯酸根。阴极为析氢电位低的电极，例如钛、或含镍和过渡金属钼合金涂层的钛基，水在阴极析出氢气，并生成大量氢氧根。
除了氢气初分离器302和湿氢气贮气柜304，气液分离单元30还包括设置于湿氢气贮气柜304侧壁上的液位传感器306、设置于湿氢气贮气柜304底部的流量计308和次氯酸钠出水调节阀310、设置于湿氢气贮气柜304顶部的安全排放阀312和阻火器314(连接大气)，以及设置于湿氢气贮气柜304与脱氯除雾罐402之间的氢气压力调节阀316。
根据本发明的一个优选实施方式，通过海水加压泵202、次氯酸钠出水调节阀310和流量计308，湿氢气贮气柜304的液位保持在50～70％之间，通过调节氢气压力调节阀316和氢气排放阀312，维持后续氢气管线压力高于0.3MPa(可调压力)。
脱氯除雾罐402内部溶液为浓碱液，例如可以是40％以上的氢氧化钠或氢氧化钾溶液。脱氯除雾罐402顶部设有除雾器，下部设有进气管线，内设布气管，布气管开孔3～5mm，均匀分布在布水截面。脱氯除雾罐402的设置使氢气在上浮过程中与碱液充分接触反应以除去氯气和部分水蒸气，除雾器能使湿氢气中的水分凝结成水滴留在罐内。为了保证脱氯效果，需要定期取样化验脱氯除雾罐402中的碱液浓度，低于30％应进行补充或更换碱液。
冷冻干燥器404能将氢气中的水分进一步去除，以降低氢气露点，有效延长后续脱氧器406和干燥器408的使用寿命。
氢气从冷冻干燥器404出口进入脱氧器406，脱氧器406内填充有钯分子筛或活性氧化铝镀钯或其他高效脱氧剂，可去除微量氧气。
干燥器408内填充粉末状多水硅铝酸盐晶体或其他高效脱水剂，以去除残余水分。根据本发明的一个优选实施方式，干燥器408采用双塔或多塔结构。
氢气过滤器409的过滤精度为0.3μm，用于滤除氢气中的杂质成份，获得纯度99.99％以上的高纯度氢气。
请参照图1所示，本发明次氯酸钠和高纯度氢气联产方法包括以下步骤：
1)海水预脱气：海水蓄水池102通过海水取水泵104将海水输入预脱气槽106，在真空泵108的作用下，将海水中含有的不凝气(氮气、氧气、二氧化碳和氩气)初步去除，排入大气中。
2)电解海水：预脱气后的海水在加压泵202的驱动下进入电解海水装置204进行电解，大部分氢气从电解槽上部氢气初分离器302进行收集，进入湿氢气贮气柜304，其余氢气和电解后的次氯酸钠溶液混合从上部出口208进入湿氢气贮气柜304；
3)气液分离：进入湿氢气贮气柜304的次氯酸钠溶液经设有流量计308和次氯酸钠出水调节阀310的管线输入至核电站循环水入口或通过适当方式收集，湿氢气从湿氢气贮气柜304经管线收集至氢气提纯单元；
4)氢气提纯：湿氢气进入脱氯除雾罐402并除去微量氯气和部分水蒸气，然后依次进入冷冻干燥器404、脱氧器406、干燥器408除去微量氧气和水分，最终通过氢气过滤器409滤除杂质成分，得到纯度99.99％以上的氢气。
结合以上对本发明的详细描述可知，相对于现有技术，本发明次氯酸钠和高纯度氢气联产方法和系统可广泛应用于核电厂或火电厂，具有以下优点：
1)通过一套电解海水装置配电实现次氯酸钠溶液和氢气的制备，无需单独配置水电解制氢电解槽和配电整流设备，可节约电能消耗，提高用电效率和发电效率，减少建设及运行费用。
2)通过预脱气装置去除源海水中的不凝气(N2、CO2、O2和Ar等)，可有效提高氢气的纯度。
3)次氯酸钠浓度可通过电解槽输入电流进行调节，氢气压力和产量可通过电解槽输入电流或氢气压力调节阀和氢气排放阀进行调节。
4)氢气初分离器可实现氢气的疏导和收集，使电解槽组内含气量降低，增大电解槽电流密度，提高电解效率。
5)在脱氧工艺前设置冷冻干燥机，可实现湿氢气的干燥、提纯及过滤，延长脱氧设备的使用寿命。
6)电解海水装置可通过在线酸洗维护，无需定期返厂大修，可有效保证电厂设备的可用率。
7)通过外加增压充装设备，实现瓶装氢气生产，对于氢能源生产具有重要价值。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (16)

1.一种次氯酸钠和高纯度氢气联产方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)海水预脱气：将海水输入预脱气装置，除去不凝气；
2)电解海水：将预脱气后的海水输入电解海水装置进行电解，获得氢气和次氯酸钠溶液并进入湿氢气贮气柜；
3)气液分离：氢气和次氯酸钠溶液在湿氢气贮气柜中分离，获得的次氯酸钠溶液通过管道输入循环水入口或收集，从湿氢气贮气柜收集获得的氢气；
4)氢气提纯：收集的氢气经脱氯除雾罐中的碱液吸收、冷冻干燥、脱氧和干燥，获得高纯度氢气。
2.根据权利要求1所述的次氯酸钠和高纯度氢气联产方法，其特征在于，步骤1)中，通过真空泵除去不凝气，不凝气包括氮气、二氧化碳、氧气和氩气。
3.根据权利要求1所述的次氯酸钠和高纯度氢气联产方法，其特征在于，步骤3)中，所述次氯酸钠溶液浓度为1500ppm～2000ppm。
4.根据权利要求1所述的次氯酸钠和高纯度氢气联产方法，其特征在于，所述湿氢气贮气柜设有氢气压力调节阀和氢气排放阀。
5.根据权利要求1所述的次氯酸钠和高纯度氢气联产方法，其特征在于，步骤4)中，所述碱液为质量浓度为40～50％的氢氧化钠或氢氧化钾溶液。
6.一种次氯酸钠和高纯度氢气联产系统，其特征在于，包括：
海水预脱气单元，包括海水蓄水池、海水取水泵和顶部安装有真空泵的预脱气槽；
电解海水单元，包括海水加压泵和电解海水装置；
气液分离单元，包括氢气初分离器和湿氢气贮气柜；以及
氢气提纯单元，包括脱氯除雾罐、冷冻干燥器、脱氧器、干燥器和氢气过滤器。
7.根据权利要求6所述的次氯酸钠和高纯度氢气联产系统，其特征在于，所述海水预脱气单元用于去除不凝气氮气、二氧化碳、氧气和氩气。
8.根据权利要求6所述的次氯酸钠和高纯度氢气联产系统，其特征在于，所述海水加压泵为变频泵。
9.根据权利要求6所述的次氯酸钠和高纯度氢气联产系统，其特征在于，所述电解海水装置包括若干个串联运行的立式或卧式电解槽。
10.根据权利要求6所述的次氯酸钠和高纯度氢气联产系统，其特征在于，所述气液分离单元还包括设置于湿氢气贮气柜侧壁上的液位传感器、设置于湿氢气贮气柜底部的流量计和次氯酸钠出水调节阀，以及设置于湿氢气贮气柜顶部的安全排放阀和氢气压力调节阀。
11.根据权利要求6所述的次氯酸钠和高纯度氢气联产系统，其特征在于，所述氢气初分离器通过管线连接在电解海水装置上部，电解海水装置内的部分氢气经过氢气初分离器和管线进入所述湿氢气贮气柜。
12.根据权利要求11所述的次氯酸钠和高纯度氢气联产系统，其特征在于，所述湿氢气贮气柜还通过管线直接与电解海水装置连接，电解后含次氯酸钠的海水和部分氢气经管线直接流入湿氢气贮气柜。
13.根据权利要求6所述的次氯酸钠和高纯度氢气联产系统，其特征在于，所述湿氢气贮气柜内液位保持在50～70％。
14.根据权利要求6所述的次氯酸钠和高纯度氢气联产系统，其特征在于，所述脱氧器内填充有脱氧剂钯分子筛或活性氧化铝镀钯。
15.根据权利要求6所述的次氯酸钠和高纯度氢气联产系统，其特征在于，所述干燥器内填充粉末状多水硅铝酸盐晶体，采用双塔或多塔结构。
16.根据权利要求6所述的次氯酸钠和高纯度氢气联产系统，其特征在于，所述氢气过滤器的过滤精度为不超过0.3μm。
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