CN113562693A - 一种高温熔融盐储能与水蒸汽热解耦合的制氢装置及方法 - Google Patents

一种高温熔融盐储能与水蒸汽热解耦合的制氢装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种高温熔融盐储能与水蒸汽热解耦合的制氢装置及方法，包括供热系统、储能系统、制氢系统、贮存系统及自动控制系统，相互之间通过管道连接，所述供热系统包括可再生能源接收转化装置I、可再生能源接收转化装置II、电加热器及集热器；储能系统包括熔融盐储罐I、熔融盐储罐II、储能罐及熔融盐输送泵；制氢系统包括水箱、水泵、高温蒸汽发生器及热解制氢装置；贮存系统包括产品氢气、氧气管网及储罐；自动控制系统包括控制系统、阀门、测量仪表及在线分析仪表，本发明通过熔融盐存储风电、太阳能等可再生能源，并耦合水蒸汽热解制氢技术，实现可再生能源的综合应用以及氢能的绿色生产。

Description

一种高温熔融盐储能与水蒸汽热解耦合的制氢装置及方法
技术领域
本发明涉及一种高温熔融盐储能与水蒸汽热解耦合的制氢装置及方法，属于集热储能和热解制氢领域。
背景技术
随着社会的快速发展，对能源的需求在日益增长。目前能源结构以化石能源为主，但化石能源燃料会导致一系列环境污染和温室效应等问题。因此改革能源结构，加大清洁能源应用，减少环境污染物和温室气体的排放已成为人类社会发展不得不面对的重大课题。在清洁能源中氢能具有高热值、零排放、无污染、应用广等优势，成为最具有发展潜力的替代能源。目前化石能源制氢仍是主流，无法真正实现零排放，但随着国家“碳达峰”、“碳中和”要求的逐步落实，以及可再生能源利用形式的优化，可再生能源制氢是未来绿氢生产的主流。
光伏、风力发电已是目前较为成熟的可再生能源发电技术，但由于光伏发电、风电的波动性以及不规律性，导致产生的电能难以并入电网，产生大量弃光、弃风，造成资源的严重浪费。而储能技术能够有效地将弃光、弃风等可再生能源转化为稳定的二次能源，实现可再生能源的高效化利用，解决可再生能源分布散、利用率低等问题。因此对于扩大可再生能源的应用，亟需储能技术的发展。
熔融盐是盐的熔融态液体，具有高热熔、高导电性、高稳定性、较宽的使用温度范围以及低廉的价格等优势，使得熔融盐传热蓄热技术在化工、军工领域得到了广泛的应用。
本发明通过熔融盐存储风电、太阳能等可再生能源，并耦合水蒸汽热解制氢技术，实现可再生能源的综合应用以及氢能的绿色生产。
发明内容
本发明的目的是提供一种高温熔融盐储能与水蒸汽热解耦合的制氢方法与装置。该方法克服了风电、太阳能、水能等可再生能源波动大、不稳定的难题，充分利用弃电、废热，并辅有价格较低的谷电加热，耦合高温水蒸汽热解制氢技术，在实现氢能绿色连续生产的同时，提高风能、太阳能、水能等可再生能源的利用率，减少化石能源的依赖。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：一种高温熔融盐储能与水蒸汽热解耦合的制氢装置，包括供热系统、储能系统、制氢系统、贮存系统及自动控制系统，相互之间通过管道连接，所述供热系统包括可再生能源接收转化装置I、可再生能源接收转化装置II、电加热器及集热器；储能系统包括熔融盐储罐I、熔融盐储罐II、储能罐及熔融盐输送泵；制氢系统包括水箱、水泵、高温蒸汽发生器及热解制氢装置；贮存系统包括产品氢气、氧气管网及储罐；自动控制系统包括控制系统、阀门、测量仪表及在线分析仪表，所述可再生能源接收转化装置I可将风能、水能、潮汐能、生物质能可再生能源转化为电能，可再生能源接收转化装置II将太阳能、地热能转化为热能，所述电加热器可利用可再生能源接收转化装置I所产电能或者电网电力加热熔融盐储能，并用于热解制氢；集热器可利用可再生能源接收转化装置II或工厂废热加热熔融盐储能，并用于热解制氢。
作为优选：所述可再生能源接收转化装置I与电加热器相连，可再生能源接收转化装置II与集热器相连，电加热器和集热器相连，并分别依次与熔融盐储罐I、熔融盐输送泵、高温蒸汽发生器、熔融盐储罐II相连，所述电加热器和集热器还分别与储能罐相连，当有风电、水电或者使用夜间谷电时，电加热器将熔融盐储罐II中的低温状态熔融盐加热，一部分经熔融盐储罐I、熔融盐输送泵、高温蒸汽发生器，加热水蒸汽；另一部分高温熔融盐则输送至储能罐中储存备用，当太阳能、地热或工厂废热充足时，集热管将熔融盐储罐II中的低温状态熔融盐加热，一部分经熔融盐储罐I、熔融盐输送泵、高温蒸汽发生器，加热水蒸汽；另一部分高温熔融盐则输送至储能罐中储存备用。
作为优选：所述高温蒸汽发生器的进水口通过水泵与水箱相连，蒸汽出口与热解制氢装置的水蒸汽入口相连，所述储能罐和熔融盐储罐I通过熔融盐泵与高温蒸汽发生器的熔融盐进口相连，高温蒸汽发生器的熔融盐出口与熔融盐储罐II相连，在高温蒸汽发生器换热后的熔融盐回流至熔融盐储罐II中，高温蒸汽发生器使用从加热器或集热器持续稳定供应至熔融盐储罐I中的高温熔融盐进行换热，当电加热器或集热器不工作、可再生能源接收转化装置I或可再生能源接收转化装置II供能出现波动、或熔融盐储罐I中高温熔融盐量不足时，系统自动切换至预先存储了高温熔融盐的储能罐，由储能罐继续提供高温熔融盐，保证设备的持续稳定运行，所述高温蒸汽发生器将水箱中的水与高温熔融盐进行换热制得高温水蒸汽，然后供给热解制氢装置。所述热解制氢装置与高温蒸汽发生器相连，高温蒸汽发生器制得的高温水蒸汽进入热解制氢装置，在催化剂作用下发生催化热解，得到产品氢气和氧气，并送入产品管网及氢气储罐和氧气储罐中。
作为优选：所述电加热器与集热器可以单独配置其中一种或同时配置两种，进一步优选：同时配置电加热器与集热器时，可以以串联或并联或串并联方法运行。
作为优选：所述熔融盐包括碱金属的硅酸盐、碳酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐、硫酸盐或磷酸盐中的一种或几种组合。
作为优选：所述高温蒸汽发生器可采用但不限于间壁式换热器、夹套式换热器、套管式换热器、管壳式换热器、板片式换热器、板壳式换热器。
作为优选：所述热解制氢装置主要包含水解反应器、产氢反应器、产氧反应器、换热器、结晶器、介质输送设备、气体纯化器等。
作为优选：所述催化剂种类包括过渡金属及其氧化物、氯化物、氮化物、氟化物、碳酸盐、硫酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐。
作为优选：所述水解反应器反应温度在300~700℃；产氢反应器反应温度在50~200℃；产氧反应器反应温度在300~700℃；结晶器反应温度在50~200℃。
一种高温熔融盐储能与水蒸汽热解耦合的制氢装置的使用方法：所述熔融盐储罐II中的低温状态熔融盐通过集热器或电加热器加热至高温成为高温熔融盐，一部分进入熔融盐储罐I进行后续制氢，剩余部分进入储能罐中储能。储能罐能在电加热器或集热器不工作（比如晚间太阳能装置无法供热），或可再生能源接收转化装置供能出现波动，或熔融盐储罐I中高温熔融盐量不足时，继续为下游热解工艺供热。熔融盐储罐I中的高温熔融盐经熔融盐输送泵送入高温蒸汽发生器中与水换热，生成的低温状态熔融盐回流至熔融盐储罐II。所得的高温水蒸气进入热解制氢装置催化热解，得到产品氢气和氧气，并送入产品管网及储罐。
本发明具有以下特点：
1）本发明采用电加热器和集热器双加热装置，相互协调，可充分利用风电、水电等因布点分散和发电波动大而难以并网的可再生能源，同样可利用夜间低价谷电，维持装置持续运行；同时太阳能、地热、工厂废热可通过集热器被收集，可实现电能、热能的综合应用。
2）本发明通过熔融盐储能系统，缓冲前端电、热的波动，通过储能罐和熔融盐储罐的切换，实现热能的持续、稳定释放，保证了高温水蒸气的持续供给和产品氢气、氧气的连续生产。
3）本发明耦合了熔融盐储能和水蒸汽催化热解制氢，合理利用多种可再生能源进行热解制氢，避免了可再生资源浪费，实现了氢能的绿色生产。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明电加热器与集热器第二种结构示意图。
图3为本发明电加热器与集热器第三种结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作详细的介绍：如图1-3所示，本发明一种高温熔融盐储能与水蒸汽热解耦合的制氢装置，包括供热系统、储能系统、制氢系统、贮存系统及自动控制系统，相互之间通过管道连接，所述供热系统包括可再生能源接收转化装置I、可再生能源接收转化装置II、电加热器及集热器；储能系统包括熔融盐储罐I、熔融盐储罐II、储能罐及熔融盐输送泵；制氢系统包括水箱、水泵、高温蒸汽发生器及热解制氢装置；贮存系统包括产品氢气、氧气管网及储罐；自动控制系统包括控制系统、阀门、测量仪表及在线分析仪表，所述可再生能源接收转化装置I可将风能、水能、潮汐能、生物质能可再生能源转化为电能，可再生能源接收转化装置II将太阳能、地热能转化为热能，所述电加热器可利用可再生能源接收转化装置I所产电能或者电网电力加热熔融盐储能，并用于热解制氢；集热器可利用可再生能源接收转化装置II或工厂废热加热熔融盐储能，并用于热解制氢，所述可再生能源接收转化装置I13与电加热器1相连，可再生能源接收转化装置II14与集热器2相连，电加热器1和集热器2相连，并分别依次与熔融盐储罐I4、熔融盐输送泵6、高温蒸汽发生器7、熔融盐储罐II5相连，所述电加热器1和集热器2还分别与储能罐3相连，当有风电、水电或者使用夜间谷电时，电加热器1将熔融盐储罐II5中的低温状态熔融盐加热，一部分经熔融盐储罐I4、熔融盐输送泵6、高温蒸汽发生器7，加热水蒸汽；另一部分高温熔融盐则输送至储能罐3中储存备用，当太阳能、地热或工厂废热充足时，集热管2将熔融盐储罐II5中的低温状态熔融盐加热，一部分经熔融盐储罐I4、熔融盐输送泵6、高温蒸汽发生器7，加热水蒸汽；另一部分高温熔融盐则输送至储能罐3中储存备用。电加热器1和集热器2可根据项目现场实际条件选择配置形式，所述高温蒸汽发生器7的进水口通过水泵8与水箱9相连，蒸汽出口与热解制氢装置10的水蒸气入口相连，所述储能罐3和熔融盐储罐I4通过熔融盐泵6与高温蒸汽发生器7的熔融盐进口相连，高温蒸汽发生器7的熔融盐出口与熔融盐储罐II5相连，在高温蒸汽发生器7换热后的熔融盐回流至熔融盐储罐II5中，其中使用从加热器1或集热器2持续稳定供应至熔融盐储罐I4中的高温熔融盐进行换热，当电加热器1或集热器2不工作、可再生能源接收转化装置I13或可再生能源接收转化装置II14供能出现波动、或熔融盐储罐I4中高温熔融盐量不足时，系统自动切换至预先存储了高温熔融盐的储能罐3，由储能罐3继续提供高温熔融盐，保证设备的持续稳定运行，所述高温蒸汽发生器7将水箱9中的水与高温熔融盐进行换热制得高温水蒸气，然后供给热解制氢装置10所述热解制氢装置10与高温蒸汽发生器7相连，高温蒸汽发生器7制得的高温水蒸气进入热解制氢装置10，在催化剂作用下发生催化热解，得到产品氢气和氧气，并送入产品管网及氢气储罐11和氧气储罐中12，所述电加热器1与集热器2可以以图2串联、图1并联、图3串并联方法运行，所述熔融盐包括碱金属的硅酸盐、碳酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐、硫酸盐或磷酸盐中的一种或几种组合，所述高温蒸汽发生器可采用但不限于间壁式换热器、夹套式换热器、套管式换热器、管壳式换热器、板片式换热器、板壳式换热器，所述热解制氢装置主要包含水解反应器、制氢反应器、制氧反应器、换热器、结晶器、介质输送设备、气体纯化器，所述催化剂种类包括过渡金属及其氧化物、氯化物、氮化物、氟化物、碳酸盐、硫酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐，所述水解反应器反应温度在300~700℃；产氢反应器反应温度在50~200℃；产氧反应器反应温度在300~700℃；结晶器反应温度在50~200℃。
一种高温熔融盐储能与水蒸汽热解耦合的制氢装置的使用方法：所述熔融盐储罐II中的低温状态熔融盐通过集热器或电加热器加热至高温成为高温熔融盐，一部分进入熔融盐储罐I进行后续制氢，剩余部分进入储能罐中储能。储能罐能在电加热器或集热器不工作（比如晚间太阳能装置无法供热），或可再生能源接收转化装置供能出现波动，或熔融盐储罐I中高温熔融盐量不足时，继续为下游热解工艺供热。熔融盐储罐I中的高温熔融盐经熔融盐输送泵送入高温蒸汽发生器中与水换热，生成的低温状态熔融盐回流至熔融盐储罐II。所得的高温水蒸气进入热解制氢装置催化热解，得到产品氢气和氧气，并送入产品管网及储罐。

Claims (10)

1.一种高温熔融盐储能与水蒸汽热解耦合的制氢装置，其特征在于包括供热系统、储能系统、制氢系统、贮存系统及自动控制系统，相互之间通过管道连接，所述供热系统包括可再生能源接收转化装置I、可再生能源接收转化装置II、电加热器及集热器；储能系统包括熔融盐储罐I、熔融盐储罐II、储能罐及熔融盐输送泵；制氢系统包括水箱、水泵、高温蒸汽发生器及热解制氢装置；贮存系统包括产品氢气、氧气管网及储罐；自动控制系统包括控制系统、阀门、测量仪表及在线分析仪表，所述可再生能源接收转化装置I可将风能、水能、潮汐能、生物质能可再生能源转化为电能，可再生能源接收转化装置II将太阳能、地热能转化为热能，所述电加热器可利用可再生能源接收转化装置I所产电能或者电网电力加热熔融盐储能，并用于热解制氢；集热器可利用可再生能源接收转化装置II或工厂废热加热熔融盐储能，并用于热解制氢。
2.根据权利要求1所述的高温熔融盐储能与水蒸汽热解耦合的制氢装置，其特征在于所述可再生能源接收转化装置I（13）与电加热器（1）相连，可再生能源接收转化装置II（14）与集热器（2）相连，电加热器（1）和集热器（2）相连，并分别依次与熔融盐储罐I（4）、熔融盐输送泵（6）、高温蒸汽发生器（7）、熔融盐储罐II（5）相连，所述电加热器（1）和集热器（2）还分别与储能罐（3）相连，当有风电、水电或者使用夜间谷电时，电加热器（1）将熔融盐储罐II（5）中的低温状态熔融盐加热，一部分经熔融盐储罐I（4）、熔融盐输送泵（6）、高温蒸汽发生器（7），加热水蒸汽；另一部分高温熔融盐则输送至储能罐（3）中储存备用，当太阳能、地热或工厂废热充足时，集热管（2）将熔融盐储罐II（5）中的低温状态熔融盐加热，一部分经熔融盐储罐I（4）、熔融盐输送泵（6）、高温蒸汽发生器（7），加热水蒸汽；另一部分高温熔融盐则输送至储能罐（3）中储存备用。
3.根据权利要求2所述的高温熔融盐储能与水蒸汽热解耦合的制氢装置，其特征在于所述高温蒸汽发生器（7）的进水口通过水泵（8）与水箱（9）相连，蒸汽出口与热解制氢装置（10）的水蒸气入口相连，所述储能罐（3）和熔融盐储罐I（4）通过熔融盐泵（6）与高温蒸汽发生器（7）的熔融盐进口相连，高温蒸汽发生器（7）的熔融盐出口与熔融盐储罐II（5）相连，在高温蒸汽发生器（7）换热后的熔融盐回流至熔融盐储罐II（5）中，高温蒸汽加热器（7）使用从加热器（1）或集热器（2）持续稳定供应至熔融盐储罐I（4）中的高温熔融盐进行换热；当电加热器（1）或集热器（2）不工作、可再生能源接收转化装置I（13）或可再生能源接收转化装置II（14）供能出现波动、或熔融盐储罐I（4）中高温熔融盐量不足时，系统自动切换至预先存储了高温熔融盐的储能罐（3），由储能罐（3）继续提供高温熔融盐，保证设备的持续稳定运行，所述高温蒸汽发生器（7）将水箱（9）中的水与高温熔融盐进行换热制得高温水蒸气，然后供给热解制氢装置（10），所述热解制氢装置（10）与高温蒸汽发生器（7）相连，高温蒸汽发生器（7）制得的高温水蒸气进入热解制氢装置（10），在催化剂作用下发生催化热解，得到产品氢气和氧气，并送入产品管网及氢气储罐和氧气储罐中（11、12）。
4.根据权利要求3所述的高温熔融盐储能与水蒸汽热解耦合的制氢装置，其特征在于所述电加热器（1）与集热器（2）可以单独配置其中一种或同时配置两种，同时配置电加热器（1）与集热器（2）时，可以以串联或并联或串并联方法运行。
5.根据权利要求3所述的高温熔融盐储能与水蒸汽热解耦合的制氢装置，其特征在于所述熔融盐包括碱金属的硅酸盐、碳酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐、硫酸盐或磷酸盐中的一种或几种组合。
6.根据权利要求3所述的高温熔融盐储能与水蒸汽热解耦合的制氢装置，其特征在于所述高温蒸汽发生器可采用但不限于间壁式换热器、夹套式换热器、套管式换热器、管壳式换热器、板片式换热器、板壳式换热器。
7.根据权利要求3所述的高温熔融盐储能与水蒸汽热解耦合的制氢装置，其特征在于所述热解制氢装置主要包含水解反应器、产氢反应器、产氧反应器、换热器、结晶器、介质输送设备、气体纯化器等。
8.根据权利要求3所述的高温熔融盐储能与水蒸汽热解耦合的制氢装置，其特征在于所述催化剂种类包括过渡金属及其氧化物、氯化物、氮化物、氟化物、碳酸盐、硫酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐。
9.根据权利要求7所述的高温熔融盐储能与水蒸汽热解耦合的制氢装置，其特征在于所述水解反应器反应温度在300~700℃；产氢反应器反应温度在50~200℃；产氧反应器反应温度在300~700℃；结晶器反应温度在50~200℃。
10.一种根据权利要求1-9任意一项权利要求所述的高温熔融盐储能与水蒸汽热解耦合的制氢装置的使用方法：其特征在于所述熔融盐储罐II中的低温状态熔融盐通过集热器或电加热器加热至高温成为高温熔融盐，一部分进入熔融盐储罐I进行后续制氢，剩余部分进入储能罐中储能，储能罐能在电加热器或集热器不工作，或可再生能源接收转化装置供能出现波动，或熔融盐储罐I中高温熔融盐量不足时，继续为下游热解工艺供热，熔融盐储罐I中的高温熔融盐经熔融盐输送泵送入高温蒸汽发生器中与水换热，生成的低温状态熔融盐回流至熔融盐储罐II，所得的高温水蒸气进入热解制氢装置催化热解，得到产品氢气和氧气，并送入产品管网及储罐。
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