一种用盐湖水氯镁石双电解制镁的系统和方法

摘要

本发明涉及一种用盐湖水氯镁石双电解制镁的系统及方法，属于电解领域，系统包括：微电网，氯化镁溶液配制装置，氯化镁溶液电解系统，加热炉，氯化氢合成装置，无水氯化镁制备系统以及无水氯化镁电解系统；微电网用于产生并提供电能；氯化镁溶液配制装置与微电网连接；氯化镁溶液电解系统与氯化镁溶液配制装置和微电网连接；加热炉与氯化镁溶液电解系统和微电网连接；氯化氢合成装置与氯化镁溶液电解系统和微电网连接；无水氯化镁制备系统与加热炉、氯化氢合成装置和微电网连接；无水氯化镁电解系统与无水氯化镁制备系统和微电网连接。本发明能够利用可再生能源和盐湖水氯镁石，以实现制镁。

说明书

技术领域

本发明涉及电解技术领域，特别是涉及一种用盐湖水氯镁石双电解制镁的系统和方法。

背景技术

青海盐湖镁资源丰富，目前正在开发的柴达木盐湖镁储量40亿吨，至今没有工业化生产出金属镁。每生产1t氯化钾一般要副产8～10t的氯化镁老卤，由于受技术水平和生产成本的限制，目前盐湖企业仅有很少一部分对提钾后的氯化镁老卤进行了综合利用，绝大部分将老卤回排至盐湖当中。老卤的返排回湖不仅严重浪费资源，同时造成局部盐湖成分失衡和盐湖资源结构的破坏，不利于盐湖化工产业的可持续发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种用盐湖水氯镁石双电解制镁的系统和方法，以利用可再生能源和盐湖水氯镁石，以实现制镁。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

第一方面，本发明提供一种用盐湖水氯镁石双电解制镁的系统，包括：

微电网，氯化镁溶液配制装置，氯化镁溶液电解系统，加热炉，氯化氢合成装置，无水氯化镁制备系统以及无水氯化镁电解系统；

所述微电网用于产生并提供电能；

所述氯化镁溶液配制装置与所述微电网连接，用于根据盐湖水氯镁石配制饱和氯化镁溶液；

所述氯化镁溶液电解系统与所述氯化镁溶液配制装置和微电网连接，用于根据所述饱和氯化镁溶液电解制取氢氧化镁、氢气和氯气；

所述加热炉与所述氯化镁溶液电解系统和微电网连接，用于加热所述氢氧化镁制备氧化镁；

所述氯化氢合成装置与所述氯化镁溶液电解系统和微电网连接，用于根据所述氢气和氯气合成氯化氢；

所述无水氯化镁制备系统与所述加热炉、氯化氢合成装置和微电网连接，用于根据所述氧化镁与氯化氢制备无水氯化镁；

所述无水氯化镁电解系统与所述无水氯化镁制备系统和微电网连接，用于电解所述无水氯化镁生成金属镁和氯气。

可选的，所述微电网包括电网系统和氢氧燃料电池堆发电系统。

可选的，所述电网系统包括电流变换器和整流器。

可选的，所述氢氧燃料电池堆发电系统包括多个串联的氢氧燃料电池，所述氢氧燃料电池包括氢气极、固体电解质和氧气极，所述氢气极和氧气极为多孔气体扩散电极，所述固体电解质为全氟磺酸型固体聚合物。

可选的，所述微电网还包括：检测模块，分别与所述氢氧燃料电池堆发电系统和电网系统连接，用于检测所述氢氧燃料电池堆发电系统和电网系统的电压、电流以及温度。

可选的，所述微电网还包括：控制模块，分别与所述检测模块、氢氧燃料电池堆发电系统和电网系统连接，用于根据所述氢氧燃料电池堆发电系统的电压控制所述电网系统开始供电或停电。

可选的，所述加热炉为电磁加热线圈，所述电磁加热线圈采用中空的铜管缠绕而成，所述铜管内通入冷却水用于降温，所述电磁加热线圈外壁设置有保温层。

可选的，所述控制模块为MCU子模块或GH05-V2S05-R子模块。

可选的，所述氢氧燃料电池堆发电系统还包括电催化剂，所述电催化剂采用碳载铂合金催化剂，所述铂合金包括铂、铬、锰、钴和镍，所述铂的比例在35～65％之间。

第二方面，本发明还提供一种用盐湖水氯镁石双电解制镁的方法，包括：

利用电网系统和氢氧燃料电池堆发电系统构建微电网；

氯化镁溶液配制装置基于微电网的电能配制饱和氯化镁溶液；

氯化镁溶液电解系统基于微电网的电能将所述饱和氯化镁溶液电解制取氢氧化镁、氢气和氯气；

氯化氢合成装置基于微电网的电能将所述氢气和氯气合成氯化氢；

加热炉基于微电网的电能加热所述氢氧化镁制备氧化镁；

无水氯化镁制备系统基于微电网的电能，利用所述氧化镁与氯化氢制备无水氯化镁；

无水氯化镁电解系统基于微电网的电能将所述无水氯化镁电解，得到金属镁和氯气。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种用盐湖水氯镁石双电解制镁的系统和方法，充分利用了盐湖镁资源所提供的氢气、氯气和氯化镁得到金属镁，资源得到综合利用，没有污染，清洁生产，节省电能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的用盐湖水氯镁石双电解制镁的系统结果示意图；

图2为本发明实施例提供的用盐湖水氯镁石双电解制镁的方法流程示意图；

图3为本发明实施例提供的基于盐湖水氯镁石制镁电解的流水作业线示意图。

符号说明：1-电网系统，2-氢氧燃料电池堆发电系统，3-微电网，4-氯化镁溶液配置装置，5-氯化镁溶液电解系统，6-氯化氢合成装置，7-加热炉，8-无水氯化镁制备系统，9-无水氯化镁电解系统，91-氯化镁熔化槽，92-镁与电解质分离槽，93-电解质混和槽，94-无隔板电解槽，95-送料总管，96-镁与电解质输送管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种用盐湖水氯镁石双电解制镁的系统和方法，以利用可再生能源和盐湖水氯镁石，以实现制镁。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例提供的用盐湖水氯镁石双电解制镁的系统结果示意图，如图1所示，一种用盐湖水氯镁石双电解制镁的系统，包括：微电网3，氯化镁溶液配制装置4，氯化镁溶液电解系统5，加热炉7，氯化氢合成装置6，无水氯化镁制备系统8以及无水氯化镁电解系统9；

其中，微电网3包括电网系统1和氢氧燃料电池堆发电系统2；微电网3用于产生并提供电能；氢氧燃料电池堆发电系统2包括储氢罐、储氧罐、控制柜、电池堆、温度控制系统，用于产生电能；氯化镁溶液配制装置4与微电网3连接，用于根据盐湖水氯镁石配制饱和氯化镁溶液；氯化镁溶液电解系统5与氯化镁溶液配制装置4和微电网3连接，用于根据饱和氯化镁溶液电解制取氢氧化镁、氢气和氯气；加热炉7与氯化镁溶液电解系统5和微电网3连接，用于加热氢氧化镁制备氧化镁；氯化氢合成装置6与氯化镁溶液电解系统5和微电网3连接，用于根据氢气和氯气合成氯化氢；无水氯化镁制备系统与加热炉7、氯化氢合成装置6和微电网3连接，用于根据氧化镁与氯化氢制备无水氯化镁；无水氯化镁电解系统9与无水氯化镁制备系统8和微电网3连接，用于电解无水氯化镁生成金属镁和氯气；进一步的，还可以在电解金属镁，除去杂质。

具体的，微电网3还包括：检测模块和控制模块，用于控制微电网3的电压电流平衡。

检测模块与电网系统1、氢氧燃料电池堆发电系统2连接，检测模块用于检测各发电系统的电压。

在一个示例中，检测模块包括电压检测子模块、电流检测子模块和温度检测子模块。

特别是电压检测子模块对氢氧燃料电池堆系统的整体电压和氢氧燃料电池的电压进行检测。对于氢氧燃料电池堆系统整体电压的检测有2种方法：(1)采用霍尔电压传感器检测电压；(2)采用电阻分压电路检测电压。采用霍尔电压传感器成本较高，而且还需要特定的电源，过程比较复杂。所以采用电阻分压电路检测电压。

控制模块分别与检测模块和电网系统1、氢氧燃料电池堆发电系统2连接，控制模块用于根据电压控制氢氧燃料电池堆发电系统2开始发电或停止供电。

在一个示例中，控制模块具体可以为MCU子模块或GH05-V2S05-R子模块。

例如，MCU子模块是M68HC08系列的GZ16型号的单片机。M68HC08系列所有的MCU子模块均采用增强型M68HC08中央处理器(CP08)。该单片机具有以下特性：(1)8MHz内部总线频率；(2)16KB的内置FLASH存储器；(3)2个16位定时器接口单元；(4)支持1MHz～8MHz晶振的时钟发生器；(5)增强型串行通信接口(ESCI)单元。

电网系统1包括电流变换器和整流器，用于供电，电网系统1与第一AC/AC转换器连接，氢氧燃料电池堆发电系统2与DC/AC转换器连接。

本发明采用PEMFC氢氧燃料电池堆发电系统，包括多个串联的氢氧燃料电池；氢氧燃料电池包括氢气极、固体电解质和氧气极。燃料采用电解水氢气；氧化剂采用电解水纯氧；电解质为全氟磺酸型固体聚合物；电催化剂采用碳载铂合金催化剂，合金元素有铂、铬、锰、钴和镍，铂的比例在35～65％之间，铂合金通过化学还原法沉积在碳载体上，形成碳载铂合金催化剂；电极是多孔气体扩散电极，由催化剂和扩散层构成。电极扩散层材料是碳纸或碳布，厚度约为0.2～0.3mm。催化层的材料是纯铂黑和聚四氟乙烯乳液；双极板材料为无孔石墨板、表面活性的金属板或复合双极板。

在一个示例中，本发明设计PEMFC氢氧燃料电池堆发电系统，与DC/AC转换器连接，并接入微电网。PEMFC氢氧燃料电池堆发电系统，燃料氢气来源于电解饱和氯化镁溶液氢气，氧气来源于空气中的氧气。氢氧燃料电池堆发电系统2发出的直流电经过逆变器变为交流电接入微电网3，氢氧燃料电池堆发电系统2受微电网3中智能控制器协调，原则是保证氢氧氢氧燃料电池堆发电系统2所发出的电全部上网，最大程度减少电网系统1用电。

氯化镁溶液电解系统5通过第一AC/DC变换器与微电网3连接，用微电网3电能电解饱和氯化镁溶液制取氢氧化镁、氢气和氯气。

在一个示例中，氯化镁溶液电解系统5，饱和氯化镁溶液来自青海柴达木盐湖老卤，含氯化镁28～32％，或者来自柴达木盐湖从老卤制备的水氯镁石(MgCl

阳极反应：     2Cl

阴极反应：     2H

阴极区：       Mg

总反应方程式： MgCl

氯化氢合成装置6，与微电网3通过第二AC/AC连接。氯化氢合成装置6包括冷却器、缓冲器、调节阀、孔板流量计、自控调节阀、快速切断阀、阻火器以及合成炉。来自氯化镁溶液电解系统4工段的氢气和氯气，经过冷却器、缓冲器、调节阀、孔板流量计、自控调节阀、快速切断阀、阻火器进入合成炉灯头混合燃烧，生成氯化氢气体自炉顶排出，经空气冷却器进入石墨冷却器，冷却后氯化氢气体通过分配台经过氯化氢顶冷器送无水氯化镁工段做原料，多余部分用水吸收制成盐酸。

加热炉7与微电网3通过第三AC/AC变换器连接，加热炉7用于加热氢氧化镁生成氧化镁。氢氧化镁来自电解氯化镁溶液系统工段，氢氧化镁含水10～15％，通过干燥、煅烧，温度350～450℃，时间2～3小时，磨细到300目，纯度99.5～99.8％。在一个示例中，加热炉7具体可以为电磁加热线圈，电磁加热线圈采用中空的铜管缠绕形成，铜管内通入冷却水用于降温，电磁加热线圈外壁设置有保温层。电磁加热线圈与微电网3连接后，将电能转化为热能，将氢氧化镁在350～450℃范围内煅烧2小时生成氧化镁。

无水氯化镁制备系统8，通过第四AC/AC与微电网3连接。无水氯化镁制备系统8包括反应器、冷却器和盛水器。将氧化镁粉末通入无水氯化镁制备系统8的反应器，氯化氢气体也通入反应器，反应器采用流化床工作方式，氯化氢气体从床底部通入，搅动氧化镁粉末沸腾，反应温度630～700℃，反应2～4小时，水蒸气通过水蒸气管道冷却进入盛水器。无水氯化镁进入冷却器，冷却至200℃以下，供无水氯化镁电解系统作为原料使用。

在一个示例中，冷却器分别与相关需要冷却的部位连接。冷却器具体可以为水冷系统或者风冷系统。

无水氯化镁电解系统9，通过第二AC/DC变换器与微电网3连接。无水氯化镁电解系统作业过程如图3所示，无水氯化镁电解系统包括氯化镁熔化槽91(熔体槽)，镁与电解质分离槽92(分离槽)，电解质混和槽93(调整槽)，无隔板电解槽94(电解槽)，送料总管95以及镁与电解质输送管96，同时每个电解槽还设有氯气收集系统，电解槽阳极采用石墨材质，阳极区密封，将氯气收集后压缩在液氯罐中，供氯化氢气体合成用原料。电解镁电流强度80～300kA，槽电压5.5～6V，电流效率90～93％，电能单耗11000～13000kWh/tMg，电解温度670～680℃，氯气浓度95～97％(体积)。电解质成分：MgCl

具体的，氯化镁在熔体槽中进行熔化并精炼。熔体槽内装有加热用的交流电极。此外还有碳素直流电极，控制较低的电压(约2V)及电流密度，进行预电解除杂质。在较低的电流密度下，熔体中的氧化铁、水分和其它杂质进行电解，而氯化镁则不进行或很少进行电解，于是氯化镁得到了净化。精炼好了的氯化镁熔体用耐热泵或溢流到调整槽中，与从分离槽来的含量少的电解质按一定比例调整到要求的氯化镁浓度，而后用耐热泵经总送料管95送到电解车间，再经支管分别流到各电解槽内。向电解槽加料可以是间歇的，也可以是连续的。电解槽产出的镁浮在阴极室的电解质表面上，镁夹带着部分电解质从电解槽的溢流口流出，经过送料总管送往分离槽进行沉降分离，镁层在上，电解质层在下。镁用泵送去铸造车间铸锭，而电解质送到调整槽，配入新的一批氯化镁后再返回电解槽。调整槽内也有交流电加热装置。所有输送熔体的溜槽，都是由钢外壳内砌耐火砖，外包以玻璃棉保温层，上面盖有保温板所组成的。电解槽产出的氯气，从电解槽的氯气支管出来后经总氯气管送往液氯车间供氯化氢气体合成原料。

阳极反应：     2Cl

阴极反应：     Mg

总反应方程式： MgCl

综上，本发明实施例提供了用盐湖水氯镁石双电解制镁的系统，系统包括：电网系统，氢氧燃料电池堆发电系统，氯化镁溶液电解系统和制镁系统。电网系统供应主要电能；氢氧燃料电池堆发电系统产生电能供微电网减少电网用电，节省电网电能；氯化镁溶液电解系统利用盐湖水氯镁石所配制的饱和氯化镁溶液，电解制取氢氧化镁、氢气和氯气，氢氧化镁用于制备氧化镁，氢气用于合成氯化氢气体和供氢氧燃料电池燃料用，氯气用于合成氯化氢气体；制镁系统利用微电网电能，将氧化镁与氯化氢气体所生产无水氯化镁，电解无水氯化镁制得金属镁，并放出氯气，氯气再返到氯化氢合成装置。

基于上述系统，本发明还公开一种用盐湖水氯镁石双电解制镁的方法，请参见图2，包括：

步骤1：获取电网系统和氢氧燃料电池堆发电系统产生的电能，组成微电网。

步骤2：利用微电网和氯化镁溶液配制装置进行氯化镁溶液配制。

其中，具体是用水氯镁石溶解在水中，得到饱和氯化镁溶液。

步骤3：利用微电网电能在氯化镁溶液电解系统中电解饱和氯化镁溶液制备氢氧化镁、氢气和氯气。

步骤4：利用微电网电能在氯化氢合成装置中制备氯化氢气体。

步骤5：利用微电网电能在加热炉中制备氧化镁。

步骤6：将氧化镁与氯化氢气体利用微电网的电能在无水氯化镁制备系统中制备无水氯化镁。

步骤7：在无水氯化镁电解系统中，将无水氯化镁作为原料电解制得金属镁和氯气，由微电网供给电能。

其中，将无水氯化镁电解生成液体镁并精炼与铸锭，电解得到氯气再送去氯化氢合成装置。氢氧燃料电池的燃料氢来自氯化镁电解，氧化剂来自空气中的氧气。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。