CN111378980A - 一种联产氢气和尿素的储能系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种联产氢气和尿素的储能系统及方法，包括可再生能源电源、电解制氢装置、氢气储罐、氧气储罐、合成氨反应器、空分装置和尿素合成反应器；所述电解制氢装置的输入端通水，氧气输出端连接至氧气储罐，氢气输出端连接至氢气储罐，氢气储罐的输出端连接至合成氨反应器的氢气入口，所述空分装置的输入端通空气，氧气输出端连接至氧气储罐，氮气输出端连接至合成氨反应器的氮气入口，所述合成氨反应器的氨输出端连接至尿素合成反应器的氨气入口，尿素合成反应器上还设置有用于通入烟气的烟气入口；所述电解制氢装置和合成氨反应器通过可再生能源电源供电。

Description

一种联产氢气和尿素的储能系统和方法
技术领域
本发明涉及可再生能源和氢储能领域，具体涉及一种联产氢气和尿素的储能系统和方法。
背景技术
在全球应对气候变化的大环境下，近年来我国积极推进能源结构转型，大幅增加可再生能源在能源生产和消费中的比重，逐步实现对化石能源的替代。然而，由于风能、太阳能的波动性和间歇性，再加上我国水、风、光资源空间分布与用能需求的不均衡性，导致可再生能源无法全部入网消纳，甚至出现大规模弃水、弃风、弃光现象的发生。未来，随着可再生能源比例的进一步提高，可再生能源入网消纳的压力会更为显著。储能是提高可再生能源利用率，实现大规模的能源消纳利用的重要途径。其中，电解制氢技术可以适应可再生能源的波动性和间歇性，通过氢气存储和利用能够实现可再生能源实现大规模、低成本储放，是最有前景的储能方式之一。
目前，我国氢能基础设施建设薄弱，氢气消费市场尚未形成规模，大量可再生能源制取的清洁氢气将面临无法完全直接利用的难题。通过合适的途径进行化学转化联产化学品可以有效解决上述问题，其中通过合成氨联产尿素是一种重要的转化途径。氨是一种高效的氢载体，其下游产品尿素是目前使用量较大的一种化学氮肥，在国民经济生产中占有重要位置。传统化学工业中，合成氨常采用需要高温、高压和铁基催化剂共同作用的哈柏法，其反应条件苛刻且能耗巨大，适用于大规模、集中式生产模式。等离子体催化技术在常温常压条件下通过放电设备将氮气和氢气电离和分解从而产生具有高活性的自由基，通过自由基反应可以在温和条件下实现合成氨。将电解制氢与易于实现小规模分布式生产的等离子体催化合成氨相耦合，可以实现氢气的灵活生产和利用，联产氢气尿素能够有效应对发展不完善的氢气市场变化，对于消纳波动性和间歇性可再生能源具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种联产氢气和尿素的储能系统和方法，以克服现有技术中存在的问题，本发明利用可再生能源入网剩余电量，在电厂内实现电解制氢，然后通过耦合合成氨与碳捕集工艺联产尿素，在实现储能的同时完成了二氧化碳捕集和资源化利用。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种联产氢气和尿素的储能系统，包括可再生能源电源、电解制氢装置、氢气储罐、氧气储罐、合成氨反应器、空分装置和尿素合成反应器；
所述电解制氢装置的输入端通水，氧气输出端连接至氧气储罐，氢气输出端连接至氢气储罐，氢气储罐的输出端连接至合成氨反应器的氢气入口，所述空分装置的输入端通空气，氧气输出端连接至氧气储罐，氮气输出端连接至合成氨反应器的氮气入口，所述合成氨反应器的氨输出端连接至尿素合成反应器的氨气入口，尿素合成反应器上还设置有用于通入烟气的烟气入口；所述电解制氢装置和合成氨反应器通过可再生能源电源供电。
进一步地，所述氢气储罐和氧气储罐上均连接有对外输送管道。
进一步地，所述烟气为煤、天然气、生物质或污泥燃烧过程中产生的烟气。
进一步地，所述电解制氢装置为碱性水电解制氢装置、固体聚合物电解制氢装置或高温固体氧化物电解制氢装置。
进一步地，所述合成氨反应器为等离子体催化反应器，其中，采用介质阻挡放电技术产生低温等离子体，催化剂为Al2O3负载的Ru基催化剂。
进一步地，所述介质阻挡放电电压为40～60kV，放电功率为5～20kJ/L,谐振频率为8～12kHz。
进一步地，所述合成氨反应器为平板式或管式，反应温度为80～150℃，反应压力为0.1～0.3MPa。
进一步地，所述可再生能源电源输入端与可再生能源发电厂的发电输出端连接以获取入网剩余电量。
进一步地，所述可再生能源发电厂为水力发电厂、风力发电厂、光伏发电厂或光热发电厂。
一种联产氢气和尿素的方法，电解制氢装置通过电解水制得氢气和氧气，氢气和氧气分别通入氢气储罐和氧气储罐，同时空分装置通过分离空气得到的氧气通入氧气储罐，分离空气得到的氮气通过合成氨反应器，合成氨反应器利用氢气与氮气合成氨气，氨气通过尿素合成反应器中，在尿素合成反应器中氨气与烟气中的二氧化碳发生反应生成尿素。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明的联产氢气和尿素的储能系统在具体操作时，可再生能源电源为电解制氢装置和合成氨反应器供电，电解制氢装置通过电解水制得氢气和氧气，氢气和氧气分别通入氢气储罐和氧气储罐，同时空分装置通过分离空气得到的氧气通入氧气储罐，分离空气得到的氮气通过合成氨反应器，合成氨反应器利用氢气与氮气合成氨气，氨气通过尿素合成反应器中，在尿素合成反应器中氨气与烟气中的二氧化碳发生反应生成尿素，将电能转化为氢气燃料和化学品，可以灵活消纳可再生能源入网剩余电量，有效解决日趋严重的弃水弃风弃光问题。
进一步，本发明采用等离子体催化技术，降低合成氨反应能耗，同时有利于实现分布式和间歇性生产模式，符合再生能源的储能需求。
进一步，本发明以烟气作为原料与氨反应合成尿素，实现低成本二氧化碳捕集和资源化利用，具有良好的减排效果。
附图说明
图1为联产氢气和尿素的储能系统示意图。
其中，1-可再生能源电源，2-电解制氢装置，3-氢气储罐，4-氧气储罐，5-合成氨反应器，6-空分装置，7-尿素合成反应器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明：
参见图1，本发明所述的联产氢气和尿素的储能系统包括可再生能源电源1、电解制氢装置2、氢气储罐3、氧气储罐4、合成氨反应器5、空分装置6、尿素合成反应器7。
电解制氢装置2通过电解水制得氢气和氧气，氧气输出端连接所述氧气储罐4，氢气输出端连接氢气储罐3；氢气储罐3的输出端连接于合成氨反应器5的氢气入口；空分装置6的氧气输出端连接氧气储罐3，氮气输出端连接于合成氨反应器5的氮气入口；合成氨反应器5利用氢气与氮气合成氨，氨输出端连接于尿素合成反应器7的氨气入口；氨气与烟气中的二氧化碳在所述尿素合成反应器7中发生反应生成尿素。
氢气储罐3和氧气储罐4连通于对外输送管道，通过对外输送管道对外直接输送氢气和氧气。当氢气产量低于市场需求时，全部氢气作为最终产品外售；当氢气产量高于市场需求时，富余氢气作为原料进行合成氨反应，同时生产尿素，将富余氢气转化为化学品加以利用。电解制氢装置2和空分装置6产生的氧气纯度很高，可以作为高品质化学品直接外售。
烟气为煤、天然气、生物质、污泥等燃烧过程中产生的烟气。烟气中含有大量二氧化碳，是重要的温室气体来源，同时也是合成尿素的原料。烟气通入尿素合成反应器7，其中二氧化碳与氨气反应生成尿素实现了二氧化碳捕集和资源化利用。
电解制氢装置2采用碱性水电解制氢装置、固体聚合物电解制氢装置或高温固体氧化物电解制氢装置中的任意一种。
合成氨反应器5为等离子体催化反应器，采用介质阻挡放电技术产生低温等离子体，催化剂为Al2O3负载的Ru基催化剂。
合成氨反应器5为平板式或管式的一种，反应温度为80～150℃，反应压力为0.1～0.3MPa；所述介质阻挡放电电压为40～60kV，放电功率为5～20kJ/L,谐振频率为8～12kHz。采用等离子体催化技术，可以规避传统合成氨的高温、高压需求，易于实现小规模、分布式生产。采用介质阻挡放电技术产生低温等离子体，仅需控制电能供应即可灵活控制合成氨反应的发生和中止，符合储能过程中的间歇性操作需求。
电解制氢装置2和合成氨反应器6由可再生能源电源1直接供电。再生能源电源1输入端与可再生能源发电厂的发电输出端连接以获取入网剩余电量，可再生能源发电厂为水力发电厂、风力发电厂、光伏发电厂或光热发电厂中的任意一种。当可再生能源发电量低于电网调度电量时，全部电量入网保障电力供应；当可再生能源发电量高于电网调度电量时，入网剩余电量进入储能系统用于电解制氢、合成氨，避免因限电造成弃水、弃风、弃光。

Claims (10)

1.一种联产氢气和尿素的储能系统，其特征在于，包括可再生能源电源(1)、电解制氢装置(2)、氢气储罐(3)、氧气储罐(4)、合成氨反应器(5)、空分装置(6)和尿素合成反应器(7)；
所述电解制氢装置(2)的输入端通水，氧气输出端连接至氧气储罐(4)，氢气输出端连接至氢气储罐(3)，氢气储罐(3)的输出端连接至合成氨反应器(5)的氢气入口，所述空分装置(6)的输入端通空气，氧气输出端连接至氧气储罐(4)，氮气输出端连接至合成氨反应器(5)的氮气入口，所述合成氨反应器(5)的氨输出端连接至尿素合成反应器(7)的氨气入口，尿素合成反应器(7)上还设置有用于通入烟气的烟气入口；所述电解制氢装置(2)和合成氨反应器(5)通过可再生能源电源(1)供电。
2.根据权利要求1所述的一种联产氢气和尿素的储能系统，其特征在于，所述氢气储罐(3)和氧气储罐(4)上均连接有对外输送管道。
3.根据权利要求1所述的一种联产氢气和尿素的储能系统，其特征在于，所述烟气为煤、天然气、生物质或污泥燃烧过程中产生的烟气。
4.根据权利要求1所述的一种联产氢气和尿素的储能系统，其特征在于，所述电解制氢装置(2)为碱性水电解制氢装置、固体聚合物电解制氢装置或高温固体氧化物电解制氢装置。
5.根据权利要求1所述的一种联产氢气和尿素的储能系统，其特征在于，所述合成氨反应器(5)为等离子体催化反应器，其中，采用介质阻挡放电技术产生低温等离子体，催化剂为Al2O3负载的Ru基催化剂。
6.根据权利要求5所述的一种联产氢气和尿素的储能系统，其特征在于，所述介质阻挡放电电压为40～60kV，放电功率为5～20kJ/L,谐振频率为8～12kHz。
7.根据权利要求5所述的一种联产氢气和尿素的储能系统，其特征在于，所述合成氨反应器(5)为平板式或管式，反应温度为80～150℃，反应压力为0.1～0.3MPa。
8.根据权利要求1所述的一种联产氢气和尿素的储能系统，其特征在于，所述可再生能源电源(1)输入端与可再生能源发电厂的发电输出端连接以获取入网剩余电量。
9.根据权利要求8所述的一种联产氢气和尿素的储能系统，其特征在于，所述可再生能源发电厂为水力发电厂、风力发电厂、光伏发电厂或光热发电厂。
10.一种联产氢气和尿素的方法，采用权利要求1-9任一项所述的一种联产氢气和尿素的储能系统，其特征在于，电解制氢装置(2)通过电解水制得氢气和氧气，氢气和氧气分别通入氢气储罐(3)和氧气储罐(4)，同时空分装置(6)通过分离空气得到的氧气通入氧气储罐(4)，分离空气得到的氮气通过合成氨反应器(5)，合成氨反应器(5)利用氢气与氮气合成氨气，氨气通过尿素合成反应器(7)中，在尿素合成反应器(7)中氨气与烟气中的二氧化碳发生反应生成尿素。
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