本发明涉及能源回收，具体涉及一种耦合电解水制氢和膜蒸馏的水氢联产系统、方法和应用。
背景技术：
1、目前海上风电开发主要集中在近海，面领着与近海养殖、渔业捕捞、运输航线发展矛盾等问题。另外，近海风电资源开发也将趋于饱和。随着能源需求的增加，加大深远海海上风电开发力度是必然趋势。目前，深远海海风输变电成本高，且超高压柔性直流输变电技术尚未突破，因此深远海电力的运输是制约风电进一步开发的瓶颈之一。利用海上风电制备高品质氢能，不仅可以解决了海上风电大规模消纳和能量长时间存储问题，还可以有效降低深远海电力输送成本。目前，海水制氢有两种方案，即直接电解海水制氢和海水淡化后制氢。其中，碱性电解淡水制氢和海水淡化技术都已比较成熟，两者的结合有着广阔的前景。另外，海水淡化的能耗和成本相比于制氢过程来说几乎可以忽略不计，两者耦合并不会明显增加制氢成本。除了技术成熟和成本低，海水淡化还有诸多优点，比如可以提供冗余淡水、所产生浓盐水有利于矿物质的提取、可以处理生活废水和工业废水等。
2、目前国内外已有多个海水制氢的示范项目，但都是小规模试点，且大多数项目处于在建或者拟建设阶段。在这些试点项目中，使用的海水淡化装置以反渗透(ro)为主。ro是目前市面上最常用的海水淡化技术，其能耗和成本都低于其他海水淡化技术。然而，ro系统对预处理要求比较高，运行过程中消耗大量化学药品，同时膜组件需要定期更换，大大推高了深远海制氢的工程建设难度和运维成本。近年来，依托疏水膜来实现分离的低温膜蒸馏技术(md)受到了广泛的关注。低温膜蒸馏结合了膜方法和热方法的优势，如驱动温度低、结构紧凑、可模块化设计、运行简单等，因此被认为是最具有潜力的热驱动海水淡化技术之一。实现膜蒸馏技术同碱性电解水制氢技术的相耦合，能够在膜蒸馏过程中充分利用电解水制氢所产生的大量余热和余压(约占总能耗的30-40％)，同时其淡化水也能够源源不断地提供品质的电解水源。此外，相较于反渗透设备，膜蒸馏设备的装备集成性更高，占地面积更小，更适合于远海制氢工程的建设和使用。
3、目前碱性电解水制氢系统的能量回收方式主要是回收产气后电解液中的余热。碱性电解槽在工作过程中会由于焦耳效应产热，产热会导致电解槽的温度上升。受制于隔膜材料的限制，碱性电解槽的工作温度不能超过90摄氏度，否则隔膜损坏将带来系统安全性问题。因此碱性电解槽产生的多余热量必须由电解液吸收后带走，同时为了保证电解液能够带走足够的热量，需要对吸热后的电解液降温。因此，提供一种回收电解槽能量的系统及方法是非常有必要的。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本发明提供一种耦合电解水制氢和膜蒸馏的水氢联产系统、方法和应用。
2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
3、本发明提供耦合电解水制氢和膜蒸馏的水氢联产系统，该系统包括：氢气-碱液气液分离器、碱性电解槽、氧气-碱液气液分离器、余热回收换热器、气泡发生器、膜蒸馏组件、冷凝器；所述碱性电解槽分别与氢气-碱液气液分离器和氧气-碱液气液分离器相连，所述氢气-碱液气液分离器和氧气-碱液气液分离器均与余热回收换热器相连；所述氧气-碱液气液分离器、气泡发生器、膜蒸馏组件和冷凝器依次相连；
4、其中，所述碱性电解槽用于在制氢过程中使电解液产生热量和氢气、高压氧气；所述氢气-碱液气液分离器用于使氢气与碱液气液分离；所述氧气-碱液气液分离器用于使氧气与碱液气液分离，并将一部分高压氧气输送至气泡发生器；所述余热回收换热器用于将碱液所携带的余热回收，以加热海水/苦咸水/工业废水；所述气泡发生器用于利用所述氧气与海水/苦咸水/工业废水混合形成微纳米气泡流，并输送至膜蒸馏组件中；所述膜蒸馏组件用于利用所述微纳米气泡流实现强化膜通量；所述冷凝器用于将膜蒸馏组件中产生的蒸汽形成淡水。
5、进一步的，该系统还包括储热系统，所述储热系统与所述余热回收换热器相连，所述储热系统用于储存加热海水/苦咸水后冗余的热量。
6、进一步的，该系统还包括喷射器，所述喷射器还分别与氧气-碱液气液分离器和冷凝器相连；所述氧气-碱液气液分离器用于使氧气与碱液气液分离，并将另一部分高压氧气输送至喷射器；所述喷射器用于利用引流端形成的负压加速冷凝膜蒸馏组件中产生的蒸汽，以进一步强化膜通量。
7、进一步的，该系统还包括淡水储存系统，所述淡水储存系统与冷凝器相连；所述冷凝器用于将所述淡水输送至淡水储存系统；所述淡水储存系统用于储存淡水。
8、进一步的，所述淡水储存系统还用于将所述淡水供给碱性电解槽使用。
9、进一步的，所述氢气-碱液气液分离器和淡水储存系统之间设置有泵a；所述碱性电解槽和余热回收换热器之间设置有泵b；所述余热回收换热器和储热系统之间设置有泵c；所述储热系统和气泡发生器之间设置有泵d。
10、本发明还提供一种耦合电解水制氢和膜蒸馏的水氢联产方法，该方法应用于如上述的耦合电解水制氢和膜蒸馏的水氢联产系统中；该方法包括：碱性电解槽在制氢过程中产热，所述碱性电解槽中的电解液将产生的热量和氢气与氧气分别带入氢气-碱液气液分离器与氧气-碱液气液分离器中；通过余热回收换热器将氢气-碱液气液分离器与氧气-碱液气液分离器中碱液所携带的余热回收，用于加热海水/苦咸水/工业废水，并将冗余的热存于储热系统中；从氧气-碱液气液分离器中分离的高压氧气一部分将进入气泡发生器中和海水/苦咸水/工业废水混合形成微纳米气泡流，随后通入膜蒸馏组件中，实现强化膜通量；另一部分高压氧气将进入喷射器中，利用喷射器引流端所形成的负压加速冷凝膜蒸馏组件中的蒸汽，从而实现进一步强化膜通量；所述膜蒸馏组件中的蒸汽通过冷凝器形成淡水，通入淡水储存系统中储存，并供给碱性电解槽使用。
11、本发明也提供如上述的耦合电解水制氢和膜蒸馏的水氢联产系统在碱性电解水制氢系统的能量回收领域中的应用。
12、相较于现有技术，本发明提供的技术方案至少具有以下优点：
13、本发明提出了一种耦合电解水制氢和膜蒸馏的水氢联产系统、方法和应用，该水氢联产系统中能量回收主要包括两个方面，一方面是利用电解槽内产生余热用于预热海水淡化所需的原水；另一方面是利用电解槽内产生的高压氧气(约2mpa)，该高压氧气一部分通过喷射器将在膜蒸馏气隙端形成一定真空度，另一部分将通入气泡发生器生产微纳米气泡溶液，利用这两种效应将实现膜蒸馏过程的强化。通过以上过程实现电解水制氢和淡化联产，解决了电解水制氢的淡水水源不足，低温余热和余压无法得到有效利用，膜蒸馏工艺产量较低等问题，提高了双系统的总体产量和能量利用率。
1.耦合电解水制氢和膜蒸馏的水氢联产系统，其特征在于，该系统包括：氢气-碱液气液分离器(1)、碱性电解槽(2)、氧气-碱液气液分离器(3)、余热回收换热器(4)、气泡发生器(6)、膜蒸馏组件(7)、冷凝器(8)；
2.根据权利要求1所述的耦合电解水制氢和膜蒸馏的水氢联产系统，其特征在于，该系统还包括储热系统(5)，所述储热系统(5)与所述余热回收换热器(4)相连，所述储热系统(5)用于储存加热海水/苦咸水/工业废水后冗余的热量。
3.根据权利要求2所述的耦合电解水制氢和膜蒸馏的水氢联产系统，其特征在于，该系统还包括喷射器(9)，所述喷射器(9)还分别与氧气-碱液气液分离器(3)和冷凝器(8)相连；
4.根据权利要求3所述的耦合电解水制氢和膜蒸馏的水氢联产系统，其特征在于，该系统还包括淡水储存系统(10)，所述淡水储存系统(10)与冷凝器(8)相连；
5.根据权利要求4所述的耦合电解水制氢和膜蒸馏的水氢联产系统，其特征在于，所述淡水储存系统(10)还用于将所述淡水供给碱性电解槽(2)使用。
6.根据权利要求4所述的耦合电解水制氢和膜蒸馏的水氢联产系统，其特征在于，所述氢气-碱液气液分离器(1)和淡水储存系统(10)之间设置有泵a(11)；所述碱性电解槽(2)和余热回收换热器(4)之间设置有泵b(12)；所述余热回收换热器(4)和储热系统(5)之间设置有泵c(13)；所述储热系统(5)和气泡发生器(6)之间设置有泵d(14)。
7.一种耦合电解水制氢和膜蒸馏的水氢联产方法，其特征在于，该方法应用于如权利要求5或6所述的耦合电解水制氢和膜蒸馏的水氢联产系统中；该方法包括：碱性电解槽(2)在制氢过程中产热，所述碱性电解槽(2)中的电解液将产生的热量和氢气与氧气分别带入氢气-碱液气液分离器(1)与氧气-碱液气液分离器(3)中；
8.如权利要求1至6中任一项所述的耦合电解水制氢和膜蒸馏的水氢联产系统在碱性电解水制氢系统的能量回收领域中的应用。
