一种油田采出水制氢系统和方法与流程

本发明涉及一种油田采出水制氢系统和方法。

背景技术：

1、随着油气田开发方式的多样化，压裂、气驱、火驱等新开发技术的规模化应用，用水需求逐年下降，富裕采出水打破了油田水资源的注采平衡。油田大多处于环境脆弱地区，对于采出水处理外排指标严苛，外排水受到总量控制，采出水的出路及资源化再利用成为亟待解决的问题。油气田采出水成分复杂，从地层中携带大量的矿物质，含有钠、钾等多种盐类和氢、氧等元素，传统采出水处理方法多将其作为污染物去除，达到相关指标后回用，是一种以需求为目的的单纯处理模式，忽略了采出水中有效价值的开发利用。

2、目前氢能是替代化石能源实现碳中和的重要选择，氢气生产方式以化工副产物为主，大规模光伏或风力发电配套的电解水制绿氢将成为绿色能源发展的重要趋势。因此，电解油田采出水资源产生氢气，为油田转型绿色能源企业具有十分重要的意义。

技术实现思路

1、鉴于现有技术缺陷，本发明提供了一种油田采出水制氢系统和方法，以至少部分地解决现有技术中存在的问题。

2、作为本发明的第一方面，涉及一种油田采出水制氢系统，包括依次连接的电解预处理装置、极液制备装置、酸碱制备装置和电解制氢装置；

3、所述电解预处理装置包括电解预处理槽和依次间隔设置于所述电解预处理槽内的至少一个电解阳极及多个电解阴极，所述电解阴极为网状铁合金电极，在对所述至少一个电解阳极和所述多个电解阴极施加第一预设电压情况下，对通入所述电解预处理槽的油田采出水进行电解处理去除污染物，得到预处理水；

4、所述极液制备装置用于对所述预处理水进行电解处理，得到阳离子液和阴离子液；

5、所述酸碱制备装置用于对所述阳离子液和所述阴离子液进行电解处理，得到碱性溶液；

6、所述电解制氢装置包括电解制氢电解槽和设置于所述电解制氢槽内的电解制氢隔膜和两个电解制氢电极，所述电解制氢隔膜设置于所述两个电解制氢电极之间，所述电解制氢电极为浸泡10％znnb2o6溶液的含0.5％ce的多孔钛基电极，在对两个电解制氢电极施加第二预设电压情况下，对通入所述电解制氢槽的所述碱性溶液进行电解处理，得到氢气。

7、在一个或一些可选的实施例中，所述电解制氢装置还包括扩散装置；所述扩散装置用于对产生的氢气气泡进行分离。

8、在一个或一些可选的实施例中，所述电解预处理装置中的电解处理条件为：电流密度1ma/cm2、极板间距5～10cm、水流速度0.05～0.1m/s、停留时间0.5h。

9、在一个或一些可选的实施例中，所述电解制氢隔膜包括承载层和复合层，所述复合层涂覆于所述承载层，所述承载层为聚苯硫醚织物，所述复合层为聚合物和氧化锆的混合物；所述电解制氢隔膜的厚度为500μm，孔隙率为60％。

10、在一个或一些可选的实施例中，所述电解制氢槽的工作压力为0.6mpa。

11、在一个或一些可选的实施例中，所述极液制备装置包括极液槽和设置于所述极液槽内的两个极液制备电极以及设置于所述两个极液制备电极之间的阳离子交换膜和阴离子交换膜，在对两个极液制备电极施加第三预设电压情况下，对通入所述极液槽的所述预处理水进行电解处理，通过阳离子交换膜和阴离子交换膜渗透得到阳离子液和阴离子液。

12、在一个或一些可选的实施例中，所述离子交换膜的离子交换容量为2.5～2.6meq/g，抗拉强度为60mpa，延伸率为60％，区电阻＜30mk-cm2，耐碱3mol koh；所述阳离子交换膜的离子交换容量为1.1～1.4meq/g，比表面积电阻＜2.0～2.5ω·cm2。

13、在一个或一些可选的实施例中，所述极液制备装置中的电解处理条件为：电流密度2ma/cm2、水流速度0.1～0.3m/s。

14、在一个或一些可选的实施例中，所述酸碱制备装置包括酸碱制备槽和设置于所述酸碱制备槽内的两个酸碱制备电极以及设置于所述两个酸碱制备电极之间的双极膜，在对两个酸碱制备电极施加第四预设电压情况下，对通入所述酸碱制备槽的所述阳离子液和阴离子液进行电解处理，通过双极膜渗透得到碱性溶液。

15、在一个或一些可选的实施例中，所述酸碱制备电极为多孔钛钌电极；所述酸碱制备电极的比表面积为20～30cm2/cm3，孔隙率为30～45％。

16、在一个或一些可选的实施例中，所述双极膜的厚度为0.15～0.2mm，跨膜电压为0.8～1.5v，阴面交换容量为0.7～1.2mol/kg，阳面交换容量为1.2～1.4mol/kg。

17、在一个或一些可选的实施例中，所述酸碱制备装置中的电解处理条件为：电流密度2ma/cm2、极板间距0.5cm、水流速度0.1～0.3m/s。

18、在一个或一些可选的实施例中，所述电解预处理装置还包括集渣槽；所述集渣槽设置于所述电解预处理槽内。

19、作为本发明的第二方面，涉及一种油田采出水制氢方法，使用上述的油田采出水系统，该方法包括：

20、将油田采出水通入电解预处理装置的电解预处理槽，对所述电解预处理装置的至少一个电解阳极和所述多个电解阴极施加第一预设电压，对将油田采出水进行电解处理去除污染物，得到预处理水；其中，所述电解阴极为网状铁合金电极；

21、将所述预处理水通入极液制备装置进行电解处理，得到阳离子液和阴离子液；

22、将所述阳离子液和所述阴离子液通入酸碱制备装置进行电解处理，得到碱性溶液；

23、将所述碱性溶液通入电解制氢装置的电解制氢槽，对所述电解制氢装置的两个电解制氢电极施加第二预设电压，对所述碱性溶液进行电解处理，得到氢气；其中，所述电解制氢电极为浸泡10％znnb2o6溶液的含0.5％ce的多孔钛基电极。

24、本发明通过在电解预处理装置设置至少一个电解阳极及多个电解阴极，采用阶梯电压对油田采出水进行电解预处理，使得去除油田采出水中的乳化油和有机污染物的效果更加彻底。本发明电解预处理装置中的电解阴极采用网状结构，为油田采出水提供贯通式流道，水流从电解阳极流向并穿透电解阴极，水流方向和电场方向相同，减少了油田采出水在电解预处理装置中进行电解处理过程副反应的发生，进而减少了水质变化，加强了破乳和有机物降解效果。

25、本发明通过在电解制氢装置中增设扩散装置，对氢气气泡进行快速分离，提高了油田采出水制氢系统的产氢效率。

26、本发明提供的油田采出水制氢系统，对油田采出水进行电解处理，既可以在电解预处理装置的电场作用下实现离子迁移去除油田采出水中的污染物，也能依托膜材料形成酸、碱、盐等工业产品，还能电解生成氢气、氧气，提高了油田采出水的回收利用效益，实现油田采出水高价值、高回报利用，促进了油田采出水处理从“治污单功能”向“治污资源化再生双功能”转变。

技术特征：

1.一种油田采出水制氢系统，其特征在于，包括依次连接的电解预处理装置、极液制备装置、酸碱制备装置和电解制氢装置；

2.如权利要求1所述的油田采出水制氢系统，其特征在于，所述电解制氢装置还包括扩散装置；所述扩散装置用于对产生的氢气气泡进行分离。

3.如权利要求1所述的油田采出水制氢系统，其特征在于，所述电解预处理装置中的电解处理条件为：电流密度1ma/cm2、极板间距5～10cm、水流速度0.05～0.1m/s、停留时间0.5h。

4.如权利要求1所述的油田采出水制氢系统，其特征在于，所述电解制氢隔膜包括承载层和复合层，所述复合层涂覆于所述承载层，所述承载层为聚苯硫醚织物，所述复合层为聚合物和氧化锆的混合物；所述电解制氢隔膜的厚度为500μm，孔隙率为60％。

5.如权利要求1所述的油田采出水制氢系统，其特征在于，所述电解制氢槽的工作压力为0.6mpa。

6.如权利要求1所述的油田采出水制氢系统，其特征在于，所述极液制备装置包括极液槽和设置于所述极液槽内的两个极液制备电极以及设置于所述两个极液制备电极之间的阳离子交换膜和阴离子交换膜，在对两个极液制备电极施加第三预设电压情况下，对通入所述极液槽的所述预处理水进行电解处理，通过阳离子交换膜和阴离子交换膜渗透得到阳离子液和阴离子液。

7.如权利要求6所述的油田采出水制氢系统，其特征在于，所述离子交换膜的离子交换容量为2.5～2.6meq/g，抗拉强度为60mpa，延伸率为60％，区电阻＜30mk-cm2，耐碱3molkoh；所述阳离子交换膜的离子交换容量为1.1～1.4meq/g，比表面积电阻＜2.0～2.5ω·cm2。

8.如权利要求6所述的油田采出水制氢系统，其特征在于，所述极液制备装置中的电解处理条件为：电流密度2ma/cm2、水流速度0.1～0.3m/s。

9.如权利要求1所述的油田采出水制氢系统，其特征在于，所述酸碱制备装置包括酸碱制备槽和设置于所述酸碱制备槽内的两个酸碱制备电极以及设置于所述两个酸碱制备电极之间的双极膜，在对两个酸碱制备电极施加第四预设电压情况下，对通入所述酸碱制备槽的所述阳离子液和阴离子液进行电解处理，通过双极膜渗透得到碱性溶液。

10.如权利要求9所述的油田采出水制氢系统，其特征在于，所述酸碱制备电极为多孔钛钌电极；所述酸碱制备电极的比表面积为20～30cm2/cm3，孔隙率为30～45％。

11.如权利要求9所述的油田采出水制氢系统，其特征在于，所述双极膜的厚度为0.15～0.2mm，跨膜电压为0.8～1.5v，阴面交换容量为0.7～1.2mol/kg，阳面交换容量为1.2～1.4mol/kg。

12.如权利要求9所述的油田采出水制氢系统，其特征在于，所述酸碱制备装置中的电解处理条件为：电流密度2ma/cm2、极板间距0.5cm、水流速度0.1～0.3m/s。

13.如权利要求1所述的油田采出水制氢系统，其特征在于，所述电解预处理装置还包括集渣槽；所述集渣槽设置于所述电解预处理槽内。

14.一种油田采出水制氢方法，其特征在于，包括：

技术总结本发明公开了一种油田采出水制氢系统和方法，该系统包括依次连接的电解预处理装置、极液制备装置、酸碱制备装置和电解制氢装置；该电解预处理装置对通入所述电解预处理槽的油田采出水进行电解处理去除污染物，得到预处理水；极液制备装置对预处理水进行电解处理，得到阳离子液和阴离子液；酸碱制备装置对所述阳离子液和所述阴离子液进行电解处理，得到碱性溶液；电解制氢装置对通入所述电解制氢槽的所述碱性溶液进行电解处理，得到氢气。本发明将油田采出水进行电解处理，制备氢气等一系列产品，提高了油田采出水的回收利用效益，制得氢气纯度≥99.9％。技术研发人员：郑帅,杨萍萍,黄强,吴昊,谢亮,杨立辉,马尧,雷江辉,庹浩,刘建超,张文凯,米翔受保护的技术使用者：中国石油工程建设有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/4