[发明专利]使用有机朗肯循环回收电解液余热用于发电的系统和方法

说明书

本发明公开了一种使用有机朗肯循环回收电解液余热用于发电的系统和方法。该系统包括至少一个电解液循环回路和至少一个有机朗肯循环回路，其中，一个电解液换热器同时位于上述两个循环回路中，在电解液循环回路中流动的电解液循环流股与在有机朗肯循环回路中流动的有机工质流股通过电解液换热器换热，前者被降温，后者被气化。气化后的有机工质流股通过膨胀机做功，并带动发电机发电。产生的电能可以被并入电网或转化成直流电后输入电解装置。

技术领域

本发明属于电解领域，特别是电解水装置中的余热回收领域，涉及一种使用有机朗肯循环回收电解液余热用于发电的系统和方法。

背景技术

电解水制备氢气和氧气在工业上有很多应用。例如，高纯度氧气和氢气用于半导体工业；氢气作为清洁、高效的新兴能源以及以氢气为原料的石油化工等。自从1789年观测到电解水的现象以来，电解水技术一直在不断地发展。目前，常用的有3种不同的电解槽，分别是碱性电解槽，聚合物薄膜电解槽以及固体氧化物电解槽，电解效率也提高到了70％～90％。

碱性电解槽是技术最成熟、最经济、最易于操作的一种电解槽。采用的电解液一般为10wt％～30wt％的氢氧化钾溶液(KOH)。在电解槽中通入直流电后，在阴极产生氢气，在阳极产生氧气，这一过程消耗大量的电能。例如，一个氢气产量为1000Nm³/h的电解槽需耗电约5.0MWh。因此，需要能提高电解效率和/或减少电量消耗的方法。

美国专利公开US2018/0171870A1披露了一个将电解槽、发动机、有机朗肯循环和发电机整合在一起的系统。电解水产生的氢气作为燃料供给发动机，发动机产生的热废气与有机朗肯循环中的工质进行换热并使之蒸发。蒸发后的工质流膨胀做功带动发电机发电，发出的交流电转变为直流电通入电解槽。这一系统需要利用额外的发动机才能实现能量的转化和利用。

由此可见，对电解过程，特别是电解水过程中能量的回收利用方式，现有技术中没有充分的研究和公开。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种系统和方法，将蕴含在电解液中的余热转化为电能并加以利用。

在一方面，本发明公开了一种回收电解液余热的系统，该系统包括至少一个电解液循环回路和至少一个有机朗肯循环回路，其中，一个电解液换热器同时位于上述两个循环回路中，在电解液循环回路中流动的电解液循环流股与在有机朗肯循环回路中流动的有机工质流股通过电解液换热器换热。

可选地，所述有机工质流股包含四氟乙烷或氟利昂。

进一步地，本发明中的电解液循环回路还包含电解槽和电解液循环泵，其中，从电解槽中流出的电解液循环流股经电解液循环泵输入电解液换热器，被在有机朗肯循环回路中流动的有机工质流股降温后流回电解槽，降温后的温度大致在85～90℃。

进一步地，本发明中的有机朗肯循环回路还包含朗肯膨胀机和与之相联动的发电机，朗肯循环节热器，朗肯循环冷凝器，朗肯循环泵和电解液换热器，其中，有机工质流股于电解液换热器中被电解液循环流股升温气化形成气态工质流股，该流股在朗肯膨胀机中膨胀做功，随后于所述朗肯循环节热器中被冷凝后工质流股冷却，于所述朗肯循环冷凝器中被冷却水冷凝得到冷凝后工质流股，冷凝后工质流股被所述朗肯循环泵输送至所述朗肯循环节热器中，在其中被气态工质流股升温后，再次输入电解液换热器形成循环，并且，与膨胀机联动的发电机将膨胀做功转换成电能，该电能转化成直流电后输入电解槽或直接并入电网。

在另一方面，本发明还公开了采用上文的系统回收电解液余热的方法，提供至少一个电解液循环回路和至少一个有机朗肯循环回路，其中，一个电解液换热器同时位于上述两个循环回路中，在电解液循环回路中流动的电解液循环流股与在有机朗肯循环回路中流动的有机工质流股通过电解液换热器换热。

进一步地，在所述电解液循环回路中，从电解槽中流出的电解液循环流股经电解液循环泵输入电解液换热器，被在有机朗肯循环回路中流动的有机工质流股降温后流回电解槽。