CN114686904A - 一种清洁能源制氢制氨系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种清洁能源制氢制氨系统。本发明的特征在于将水电解制氢技术与合成氨技术相结合，并耦合清洁能源发电，在实现零碳排放制氢的同时，以液氨的形式对氢能进行储运，有效解决了氢能储运难、合成氨工业碳排放高、氢能生产地和终端应用地错配的问题，大幅拓宽氢能应用场景。
Description
技术领域
本发明涉及一种清洁能源制氢制氨系统，属于绿色氢能、绿色化工领域。
背景技术
随着国家“碳达峰”、“碳中和”目标的提出，清洁能源在能源消费中的占比将大幅提升。氢能在清洁能源中具有高热值、零排放、无污染、应用广等优势，是目前最具有发展潜力的替代能源。现阶段化石能源制氢仍是主要制氢手段，无法实现真正的零排放，随着清洁能源利用技术的发展，清洁能源制氢是未来绿氢生产的主要方式。清洁能源制氢主要是通过水电解制氢技术，将风电、光电、水电及核电等清洁能源转化为氢能。可在生产氢能的同时，就地消纳因波动大产生的弃风、弃光、弃水，提高清洁能源的利用率，优化其利用技术。
但氢气密度小、危险性大、难压缩、存储难，导致其储运难度大、成本高。因此将氢气作为原料转化为易存储、安全性高、无碳排放的氨，是解决氢气储运难题的有效方式之一。
氨作为现代化工和农业生产最基础的原料之一，其生产工艺为一定比例的氢气和氮气在高温、高压环境下发生催化反应所得。传统工艺流程中氢气主要是通过煤气化制得，该过程中存在大量二氧化碳排放和大量不可再生资源消耗的问题。因此，将清洁能源制氢与合成氨工业相结合，解决了氢气制备过程中碳排放的问题，同时利用了清洁能源发电，减少了化石能源的消耗。同时，氨易液化和分解，故以液氨为载体，可实现氢的运距离高效、安全运输，解决了氢能生产地和终端应用地错配的问题。
因此，可对现有合成氨工厂进行优化改造，将清洁能源制氢与合成氨工业有机结合，有助于提高清洁能源利用率、实现氢能零排放生产及长距离安全运输、降低合成氨工业碳排放等，对可持续发展之路有重大战略意义。
发明内容
本发明旨在提供一种清洁能源制氢制氨系统。该系统在实现氢零排放生产的同时，有效提高了清洁能源的利用率，并辅有价格较低的谷电，耦合合成氨技术，实现以液氨的形式对氢能进行储运，解决氢能生产地和终端应用地错配的问题，大幅拓宽氢能应用场景。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开了一种清洁能源电解制氢制氨系统，以利用清洁能源合成氨，包括以下结构：
一种清洁能源制氢制氨系统，该系统包括供电系统、水电解制氢系统及合成氨系统，其中水电解制氢系统中的电源来自供电系统，水电解制氢系统与合成氨系统之间通过管道连接，所述供电系统由外部电源与调峰控制系统组成，该外部电源为清洁能源发电机或国家电网供电，所述水电解制氢系统包括水电解装置和供水系统，供水系统提供外部水源，水电解装置的进水口与供水系统相连，其出口分成氧气管道和氢气管道，氧气管道连接至氧气储罐中，出口氢气管道连接至合成氨系统中的氢气入口，同时氢气管道还与氢气储罐相连，所述合成氨系统包括合成氨装置、空分装置和氨贮存系统，合成氨装置的氮气入口通过管道连接至空分装置的氮气出口，空分装置同时设有液氮贮槽，合成氨装置的氨出口与氨贮存系统相连，氨贮存系统包括氨液化装置及液氨贮槽，或氨气储罐。
作为优选：所述清洁能源发电机可将太阳能、风能、水能、潮汐能、核能、地热能、生物质能等清洁能源中的一种或几种组合的清洁能源转化为电能，
作为优选：所述外部水源为经过净化的污水，该污水通过污水净化装置进行净化，达到水电解装置的水质要求，并通过水泵将水通入水电解装置中，所述该水电解装置为碱性水电解装置、质子交换膜电解装置、高温固体氧化物电解装置或固体聚合物电解装置中的任意一种或多种电解制氢装置。
作为优选：所述氧气管道还可连接氧气液化装置，将氧气液化后存入液氧贮槽中。
作为优选：所述液氨贮槽还设置有液氨灌装设备，可将液氨向外转运、销售，以及汽化器，为下游化工生产提供原料氨，所述氨气储罐可为下游化工生产提供原料氨,。
作为优选：所述空分装置为单塔或双塔的纯氮空分装置。
作为优选：所述空分装置为单塔或双塔的纯氮空分装置。
本发明的有益效果在于：通过上述清洁能源电解制氢制氨系统，可实现氢能的零碳排放生产，耦合合成氨技术，将危险性大、储运难的氢转存于氨中，以液氨的形式运输至终端应用地，就地分解得到氢气，实现氢气的长距离高效运输，解决氢能生产地和终端应用地错配的问题。
本发明所提供的清洁能源电解制氢制氨系统，通过清洁能源发电制氢，充分利用了当地丰富的可再生资源，优化清洁能源利用技术，实现了能源的稳定储存和有效利用。
另外，本发明所提供的清洁能源电解制氢制氨系统，以清洁能源电解制氢技术代替传统合成氨工业中煤气化制氢技术，减少化石能源的消耗，解决了氢气制备过程中碳排放的问题，实现氨的绿色合成。
附图说明
图1为本发明实施例一的结构示意图；
图2为本发明实施例一中纯氮空分的结构示意图；
图3为本发明实施例二的结构示意图；
图4为本发明实施例三的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。通过清洁能源发电机11将清洁能源转化为电能，水电解装置21利用该部分电能生产氢气，合成氨装置31利用氢气和来自空分装置的氮气生产氨，得到的产品氨可经过液化以液氨的形式贮存或运输，在氢能使用地将液氨分解得到氢气或用于生产尿素、硝酸等下游产品；也可直接以气氨的形式用于尿素、硝酸等化工产品的现场生产。
本发明的另一目的是提供一种能够执行本发明系统并具有工业化规模处理能力的系统，该系统包括供电系统、水电解制氢系统及合成氨系统。
所述供电系统包括清洁能源发电机11及调峰控制系统12，所述调峰控制系统12一方面与清洁能源发电机11相连，用于对清洁能源发电机进行控制，另一方面所述调峰控制系统12与国家电网13相连，接受国家电网调度，可对清洁能源发电机11所得电量进行调控。优选地，所述清洁能源发电机11可将太阳能、风能、水能、潮汐能、核能、地热能、生物质能等清洁能源中的一种或几种组合的清洁能源转化为电能，供电系统在清洁能源充足时优先满足水电解系统和合成氨系统用电，剩余电量可上网创造营收；当清洁能源缺乏时（比如夜间光伏发电装置无法供电）或波动较大时，可使用夜间电网谷电为水电解系统和合成氨系统供电，所述水电解系统包括水电解装置21和供水系统，所述水电解装置21的用电来自于供电系统，可利用清洁能源发电电解水制得氢气和氧气，并进行纯化；所述水电解装置21的氢气出口与合成氨装置31氢气入口相连；所述水电解装置21的原料水由供水系统提供，所述水电解装置21的氢气出口与对外氢输送管道相连，通过对外氢输送管道向外直接输送氢气，所述水电解装置21的氢气出口还与氢气储罐相连，用于将未用于合成氨装置中的氢气存储于氢气储罐中，所述氢气储罐设有相应的高压钢瓶灌装设备，通过钢瓶灌装对外销售，所述水电解装置21的氧气出口与氧气贮存系统相连，所述氧气贮存系统包括氧气储罐23，或氧气液化装置和液氧贮槽35，或两者并行设置，所述氧气储罐23或液氧贮槽35设有相应的高压或低温液体灌装设备，对外销售，所述水电解装置21可采用但不限于碱性水电解装置、质子交换膜电解装置、高温固体氧化物电解装置或固体聚合物电解装置中的任意一种或多种电解制氢装置，所述供水系统提供外部水源，包括污水净化装置25和水泵24，所述污水净化装置25将所述清洁能源电解制氢合成氨装置中的污水经处理纯化达到所述水电解装置的水质要求。所述污水净化装置25通过所述水泵24与所述水电解装置21的进水口连接，所述合成氨系统包括合成氨装置31、空分装置和氨贮存系统。所述合成氨装置的氮气入口与所述空分装置氮气出口相连，所述合成氨装置利用所述水电解系统生产的氢气和所述空分装置生产的氮气制氨；所述合成氨装置的氨出口与所述氨贮存系统相连，所述空分装置为纯氮空分，所述纯氮空分可采用但不限于单塔或双塔流程，所述纯氮空分还与液氮贮槽相连，用于存储纯氮空分生产的液氮，所述液氮贮槽设有相应的低温液体灌装设备，实现对外销售，所述氨贮存系统包括氨气储罐，或氨液化装置和液氨贮槽，或两者并行设置，所述液氨贮槽的设有低温液氨灌装设备，可与液氨槽车相连，转运至使用地；所述液氨贮槽设有汽化器37，与以氨为原料的化工装置连接，为化工生产提供原料氨，如生产尿素、硝酸等化工产品，所述氨气储罐出口与以氨为原料的化工装置连接，为化工生产提供原料氨，如生产尿素、硝酸等化工产品；所述氨气储罐设有相应的灌装设备，实现对外销售。
实施例一
一种清洁能源电解制氢制氨系统，包括供电系统、水电解制氢系统及合成氨系统。所述供电系统包括清洁能源发电机及调峰控制系统；所述水电解制氢系统包括水电解装置和供水系统；所述合成氨系统包括合成氨装置、空分装置和氨贮存系统。
如图1所示，清洁能源发电机11的发电输出端与水电解装置21的电源输入端连接，同时清洁能源发电机11受调峰控制系统12控制。当清洁能源充足时，清洁能源发电机11所得电量优先供水电解装置21使用，当有电量富余时，受调峰控制系统12控制，将富余电量上传国家电网13；当清洁能源缺乏时（比如夜间光伏发电装置无法供电）或波动较大时，受调峰控制系统12控制，可自动切换使用电网谷电为水电解系统和合成氨系统供电。
水电解装置21的氢气出口与合成氨装置31的氢气入口相连，为合成氨装置31提供原料氢气；水电解装置21的氢气出口还与氢气储罐22相连，可将未用于合成氨装置31中的氢气存储于氢气储罐22中，可以为合成氨装置31继续提供原料氢气，也可以通过充装对外销售。水电解装置21的氧气出口与氧气储罐23相连，对氧气进行存储，充装后可对外售卖。水电解装置21的原料水入口通过水泵24与污水净化装置25相连。由污水净化装置25净化装置污水，为水电解装置21提供原料用水。
合成氨装置31的氮气进口与纯氮空分32的氮气出口相连。纯氮空分32还与液氮贮槽33相连，用于储存纯氮空分32生产的液氮。液氮贮槽33中的液氮经蒸发汽化后可继续作为合成氨装置31的原料气，也可直接对外销售液氮。原料氢气和原料氮气通过阀门的控制，按一定的比例通入合成氨装置31在高温高压条件下合成制得氨气。合成氨装置31氨气出口通过氨液化装置34与液氨贮槽35连接，制得的氨气以液氨的形式储存。液氨经槽车转运到氢能使用地后，如加氢站或其他用氢地，通过液氨分解装置36就地分解为氢气和氮气，氢气后续利用，氮气可回收或直接放空。
图2为单塔污氮气返流膨胀的纯氮空分流程。原料空气经空气过滤器32-1除尘、空气压缩机32-2压缩、预冷系统32-3预冷、分子筛吸附器32-4a/32-4b净化后进入主换热器32-7，被返流污氮气冷却后，进入氮塔32-10底部参与精馏。在氮塔32-10顶部获得产品氮气，在氮塔32-10底部的富氧液空经过节流后进入冷凝蒸发器32-11的蒸发侧，以冷凝氮塔32-10顶部的气氮。从冷凝蒸发器32-11顶部抽出的污氮气经过冷器32-9和主换热器32-7复热至一定温度后，从中部抽出，进入透平膨胀机32-8膨胀，为整个纯氮空分提供冷量。膨胀后的污氮气进入主换热器32-7的冷端，与正流空气进行换热，复热至常温后出冷箱，一部分经电加热器32-5加温后用于分子筛再生，其余经消声器32-6后放空。
实施例二
如图3所示，在实施例一的基础上，水电解装置的氧气出口通过氧气液化装置26与液氧贮槽27相连，水电解装置21制得的氧气经液化以液氧的形式存储于液氧贮槽27中，液氧可做为副产品对外出售。
实施例三
如图4所示，在实施例二的基础上，合成氨装置31氨气出口还与氨气储罐38相连，氨气储罐38出口与以氨为原料的化工装置连接，为化工生产提供原料氨，如生产尿素、硝酸等化工产品，或灌装出售。部分氨气经氨液化装置34液化后运输至其他化工厂，再汽化后为化工生产提供原料氨。
综上所述，本发明通过清洁能源发电及水电解技术，实现氢的零碳排放生产，同时耦合合成氨技术，将危险性大、储运难的氢转存于氨中，以液氨的形式运输至终端应用地，就地分解得到氢气，实现氢气的长距离高效运输，解决氢能生产地和终端应用地错配的问题。本发明是一种氢能绿色生产和氢能存储、转化的系统和装置。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种清洁能源制氢制氨系统，该系统包括供电系统、水电解制氢系统及合成氨系统，其中水电解制氢系统中的电源来自供电系统，水电解制氢系统与合成氨系统之间通过管道连接，其特征在于：所述供电系统由外部电源与调峰控制系统组成，该外部电源为清洁能源发电机或国家电网供电，所述水电解制氢系统包括水电解装置和供水系统，供水系统提供外部水源，水电解装置的进水口与供水系统相连，其出口分成氧气管道和氢气管道，氧气管道连接至氧气储罐中，出口氢气管道连接至合成氨系统中的氢气入口，同时氢气管道还与氢气储罐相连，所述合成氨系统包括合成氨装置、空分装置和氨贮存系统，合成氨装置的氮气入口通过管道连接至空分装置的氮气出口，空分装置同时设有液氮贮槽，合成氨装置的氨出口与氨贮存系统相连，氨贮存系统包括氨液化装置及液氨贮槽，或氨气储罐。
2.根据权利要求1所述的清洁能源制氢制氨系统，其特征在于：所述清洁能源发电机可将太阳能、风能、水能、潮汐能、核能、地热能、生物质能等清洁能源中的一种或几种组合的清洁能源转化为电能，
根据权利要求1所述的清洁能源制氢制氨系统，其特征在于：所述外部水源为经过净化的污水，该污水通过污水净化装置进行净化，达到水电解装置的水质要求，并通过水泵将水通入水电解装置中，所述该水电解装置为碱性水电解装置、质子交换膜电解装置、高温固体氧化物电解装置或固体聚合物电解装置中的任意一种或多种电解制氢装置。
3.根据权利要求1所述的清洁能源制氢制氨系统，其特征在于：所述氧气管道还可连接氧气液化装置，将氧气液化后存入液氧贮槽中。
4.根据权利要求1所述的清洁能源制氢制氨系统，其特征在于：所述液氨贮槽还设置有液氨灌装设备，可将液氨向外转运、销售，以及汽化器，为下游化工生产提供原料氨，所述氨气储罐可为下游化工生产提供原料氨。
5.根据权利要求1所述的清洁能源制氢制氨系统，其特征在于：所述空分装置为单塔或双塔的纯氮空分装置。
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