CN116443892A - 一种基于多能互补的离网型绿色合成氨系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及合成氨技术领域，公开了一种基于多能互补的离网型绿色合成氨系统及方法，该系统，包括制氢装置、气体储存装置、合成氨装置，还包括分别与制氢装置连接的电池储能装置、熔盐储能发电装置，合成氨装置包括氨合成单元、压缩单元，制氢装置、压缩单元、氨合成单元依次连接，气体储存装置与压缩单元连接。本发明解决了现有技术存在的难以实现合成氨装置离网运行等问题。
Description
技术领域
本发明涉及合成氨技术领域，具体是一种基于多能互补的离网型绿色合成氨系统及方法。
背景技术
可再生能源的利用可以从源头减少碳排放，是全球应对能源资源紧张、环境恶化、气候变暖的重要手段。但可再生能源负荷波动大、调整频繁，可再生能源发出的电会对电网造成非常大的冲击，限制了可再生能源的发展应用，造成了大量弃风弃光现象。合成氨生产流程短、受其它资源制约少、储能密度高、便于运输，电解水制氢生产绿色合成氨是可再生能源消纳的理想途径。
可再生资源富足区域往往地处偏远，传统外电网可得性较差。根据合成氨系统对外电网的依赖程度，可再生能源消纳配套合成氨项目可以分为三种运行模式：并网型、弱并网型、离网型。其中，离网型合成氨由于整个系统可以完全不依赖外电网运行，将可再生能源对外电网的影响降至最低，是最适合可再生能源消纳的模式，但其技术难度和挑战也最大。如何实现合成氨装置离网运行是绿色合成氨技术发展亟待解决的核心问题。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于多能互补的离网型绿色合成氨系统及方法，解决现有技术存在的难以实现合成氨装置离网运行等问题。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
一种基于多能互补的离网型绿色合成氨系统，包括制氢装置、气体储存装置、合成氨装置，还包括分别与制氢装置连接的电池储能装置、熔盐储能发电装置，合成氨装置包括氨合成单元、压缩单元，制氢装置、压缩单元、氨合成单元依次连接，气体储存装置与压缩单元连接。
作为一种优选的技术方案，还包括与制氢装置连接的电池储能装置、熔盐储能发电装置分别连接的可再生能源发电装置。
作为一种优选的技术方案，还包括与压缩单元连接的空分装置。
作为一种优选的技术方案，合成氨装置还包括与氨合成单元连接的冷冻单元。
作为一种优选的技术方案，气体储存装置包括相互连接的膨胀发电机、储气罐。
作为一种优选的技术方案，压缩单元包括依次连通的合成气压缩机、循环气压缩机，合成气压缩机的输出端、储气罐、膨胀发电机、合成气压缩机的输入端依次连通，空分装置与合成气压缩机的输出端连通，制氢装置与合成气压缩机的输入端连通。
作为一种优选的技术方案，氨合成单元包括依次连通的废锅系统、预热器、水冷器、冷交、氨冷器、分离器，还包括与废锅系统、预热器分别连通的合成塔，废锅系统与熔盐储能发电装置连通，冷交与循环气压缩机的输入端联通，氨冷器与冷冻单元连通，冷交与分离器连通。
作为一种优选的技术方案，氨合成单元还包括液氨流量调节阀、压力控制装置，还包括流量比例控制装置、氮气流量调节阀、氢气流量调节阀,压力控制装置设于冷交与分离器的连通管路之间，氮气流量调节阀设于空分装置与合成气压缩机的输出端的连通管路之间，氢气流量调节阀设于制氢装置与合成气压缩机的输入端的连通管路之间，压力控制装置与流量比例控制装置电连接，流量比例控制装置与氮气流量调节阀、氢气流量调节阀分别电连接。
作为一种优选的技术方案，熔盐储能发电装置包括依次连接的熔盐储罐系统、蒸汽发生系统、发电系统,还包括相互连接的电加热系统、蒸汽发生系统，熔盐储罐系统分别与电加热系统、蒸汽发生系统连接。
一种基于多能互补的离网型绿色合成氨方法，采用所述的一种基于多能互补的离网型绿色合成氨系统，采用如下工作方式：
正常工况下，可再生能源发电装置利用可再生能源发电，绿电送至制氢装置制取绿氢，纯化后绿氢与氮气、氨合成单元产生的循环气一起加压至氨合成所需压力后经过压缩单元送至氨合成单元；氨合成单元中氨合成反应释放的热量通过产生蒸汽带出氨合成单元，所产生蒸汽送至熔盐储能发电装置加热熔盐储热；氨合成单元未反应的合成气继续反应，生成的液氨作为产品送出；
当可再生能源资源充足时，可再生能源发电装置送出过量的绿电，制氢装置产生过量的绿氢经过压缩单元送至气体储存装置；以及，将多余的循环气送至气体储存装置存储；将多余的绿电送至熔盐储能发电装置储存或者电池储能装置储存；
当可再生能源资源不足时，可再生能源发电装置负荷下降至氨合成单元负荷低至操作下限时，气体储存装置释放部分合成气至压缩单元，维持氨合成单元在操作负荷下限之上；同时膨胀发电机投入运行，为氨合成单元提供补充电源；
当可再生能源资源低至可再生能源发电装置发电为零时，熔盐储能发电装置启动发电模式、电池储能装置处于待用状态。
本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：
(1)本发明设置电池储能装置，储存可再生能源送出多余绿电，在发电低谷或不发电时释放电能供工厂使用，起到削峰填谷作用；
(2)本发明设置熔盐储能发电装置，储存氨合成反应产生的化学能、以及少量富裕绿电，在发电低谷或不发电时释放电能供工厂使用；
(3)本发明设置气体储存装置，既储存原料气、消除可再生能源制氢负荷波动对合成氨装置的影响，又在可再生能源发电低谷时利用膨胀机发电、提供补充电源；
(4)本发明利用电池储能、熔盐储能、气体储能等多种储能技术互补，既可发挥电池储能响应及时的优点，又可发挥熔盐储能和气体储能投资经济的优势；
(5)本发明多种储能手段与化工过程中释放的化学反应能量、高压气体膨胀势能充分耦合，在不大幅增加发电和储能投资的前提下，实现合成氨工厂离网安全运行。
附图说明
图1为本发明所述的一种基于多能互补的离网型绿色合成氨系统的结构示意图；
图2为图1的局部放大图之一；
图3为图1的局部放大图之二；
图4为熔盐储能发电装置的一种结构示意图；
图5为图4的局部放大图之一；
图6为图4的局部放大图之二。
附图中标记及其相应的名称：1、可再生能源发电装置，2、制氢装置，3、电池储能装置，4、熔盐储能发电装置，5、气体储存装置，6、空分装置，7、氨合成单元，8、压缩单元，9、冷冻单元，41、熔盐储罐系统，42、蒸汽加热系统，43、电加热系统，44、蒸汽发生系统，45、发电系统，51、膨胀发电机，52、储气罐，71、合成塔，72、废锅系统，73、预热器，74、水冷器，75、冷交，76、氨冷器，77、分离器，78、液氨流量调节阀，79、压力控制装置，81、合成气压缩机，82、循环气压缩机，100、流量比例控制装置，101、氮气流量调节阀，102、氢气流量调节阀，411、热熔盐槽，412、冷熔盐槽，413、初熔及配制系统，451、冷凝液槽，452、透平驱动机。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1至图6所示，本发明提供了一种基于多能互补的离网型绿色合成氨系统，相较于传统并网型和弱并网型运行模式，在未大幅增加发电和储能投资的前提下，可实现可再生能源制合成氨工厂不依托外电网，完全独立稳定运行。本技术主要适用于可再生能源生产绿氨，有助于提升可再生能源电解水制氢生产绿色合成氨的自适应性，消除应用瓶颈，具有良好的应用前景。对于可再生能源制备其它类似的化工产品(如：绿色甲醇)同样适用。
本发明研发了一种基于多能互补的离网型绿色合成氨系统，结合电池储能、熔盐储能、气体储能等多种储能方式，且与化工过程中释放的化学反应能量、高压气体膨胀势能充分耦合，以保证合成氨工厂完全离网安全运行。
本发明研发了一种基于多能互补的离网型绿色合成氨系统，其特点是：
1)设置电池储能装置3，储存可再生能源送出多余绿电，在发电低谷或不发电时释放电能供工厂使用，起到削峰填谷作用。
2)设置熔盐储能发电装置4，储存氨合成反应产生的化学能、以及少量富裕绿电，在发电低谷或不发电时释放电能供工厂使用。
3)设置气体储存装置5，既储存原料气、消除可再生能源制氢负荷波动对合成氨装置的影响，又在可再生能源发电低谷时利用膨胀机发电、提供补充电源。
4)利用电池储能、熔盐储能、气体储能等多种储能技术互补，既可发挥电池储能响应及时的优点，又可发挥熔盐储能和气体储能投资经济的优势。
5)多种储能手段与化工过程中释放的化学反应能量、高压气体膨胀势能充分耦合，在不大幅增加发电和储能投资的前提下，实现合成氨工厂离网安全运行。
本发明提出的一种基于多能互补的离网型绿色合成氨系统，包含可再生能源发电装置1、制氢装置2(优选电解水制氢装置)、电池储能装置3、熔盐储能发电装置4、气体储存装置5(包括膨胀发电机51、储气罐52)、空分装置6和合成氨装置。其中，合成氨装置又包括：压缩单元8(包括合成气压缩机81、循环气压缩机82)、氨合成单元7(包括合成塔71、废锅系统72、预热器73、水冷器74、冷交75、氨冷器76、分离器77、液氨流量调节阀78、压力控制装置79)、冷冻单元9、调节控制系统以及相连的管路系统等。
优选的，氨合成单元7还包括液氨流量调节阀78、压力控制装置79，还包括流量比例控制装置100、氮气流量调节阀101、氢气流量调节阀102,压力控制装置79设于冷交75与分离器77的连通管路之间，氮气流量调节阀101设于空分装置6与合成气压缩机81的输出端的连通管路之间，氢气流量调节阀102设于制氢装置2与合成气压缩机81的输入端的连通管路之间，压力控制装置79与流量比例控制装置100电连接，流量比例控制装置100与氮气流量调节阀101、氢气流量调节阀102分别电连接。其中，图1中PIC对应压力控制装置79，表示压力控制(Pressure Indicate and Control)，优选的，压力控制装置79包括压力变送器、执行动作的调节阀、信号等；图1中FFIC对应流量比例控制装置100，是流量比例控制的意思(Flow to Flow Indicate and Control)，流量比例控制装置100包括两个流量计、执行动作的两个调节阀、信号等。流量比例控制装置100将其测得的进入压缩单元8的氢氮气比值信号传送至氢气流量调节阀102、氮气流量调节阀101，通过调整调节氢气流量调节阀102、氮气流量调节阀101开度，控制进入压缩单元8的氢氮比值在3左右。
可再生能源发电装置1利用可再生能源发电，绿电送至制氢装置2制取绿氢，纯化后的绿氢和空分装置6来的氮气一起送往合成氨装置。
电池储能装置3主要作用是将上游可再生能源发电富裕时将多余电能储存起来，以备可再生能源发电低谷或不发电时释放电能供工厂使用。单一的电池储能单位储能投资高昂，有必要与熔盐储能、气体储存装置5等其它储能方式互补结合，提高储能系统经济性。
熔盐储能发电装置4主要由熔盐储罐系统41(包括热熔盐槽411、冷熔盐槽412、初熔及配制系统413)、蒸汽加热系统42、电加热系统43、蒸汽发生系统44、发电系统45(包括冷凝液槽451、透平驱动机452)构成。上游可再生能源发电富裕时将多余电能用于电加热系统加热熔盐，将电能转化成热能储存到熔盐储罐中；任何工况下氨合成反应释放的热量通过产生蒸汽带出氨合成单元7，所产生蒸汽再送至熔盐储能发电装置4加热熔盐储能。当上游可再生能源发电不足或不发电时，熔盐储能发电装置4启动发电模式，热熔盐通过蒸汽发生系统产生蒸汽，再由蒸汽驱动发电系统的汽轮机发电，为合成氨工厂提供电源，实现工厂无外电网送电的情况下离网运行。
气体储存装置5主要由储气罐系统和膨胀发电机系统构成。上游电解水制氢富裕时将多余氢气/氢氮气送至储气罐系统缓存；气体储存单元的补充气来自加压后的合成气或循环气，不需要设置补充气压缩机。当上游电解水制氢产氢不足或不产氢气时，含氢气体从储气罐释放、为氨合成单元7提供原料，降低上游系统负荷波动对合成氨装置的影响，同时高压含氢气体膨胀、带动膨胀发电机发电，为装置运行提供补充电源。
本发明主要适用于可再生能源生产绿氨，对于可再生能源制备其它类似的化工产品(如：绿色甲醇)同样适用。
实施例2
如图1至图6所示，作为实施例1的进一步优化，在实施例1的基础上，本实施例还包括以下技术特征：
本发明开发的一种基于多能互补的离网型绿色合成氨系统，包括可再生能源发电装置1、制氢装置2、电池储能装置3、熔盐储能发电装置4、气体储存装置5、空分装置6、合成氨装置等。
(1)正常工况下，可再生能源发电装置1利用可再生能源发电，绿电送至制氢装置2制取绿氢，纯化后绿氢送合成氨装置。原料绿氢进入合成氨装置之后，先经过压缩单元8，由合成气压缩机81加压到一定压力后与空分来的氮气、氨合成单元7来的循环气一起进入循环机，继续加压到氨合成所需压力进入氨合成单元7反应生成合成氨。氨合成反应释放的热量通过产生蒸汽带出氨合成单元7，所产生蒸汽送至熔盐储能发电装置4加热熔盐储热。氨合成单元7未反应的合成气送循环气机加压后返回合成塔继续反应，生成的液氨作为产品送出，分氨所需冷量由冷冻单元9提供。
(2)当可再生能源资源充足时，发电装置送出过量的绿电，电解水制氢也产生过量的绿氢，经合成气压缩机81压缩后多余的含氢气体送至气体储存装置5；也可以将多余的循环气送至气体储存装置5存储；还可将多余的绿电直接送至熔盐储能发电装置4加热熔盐储能或者电池储能装置3储存。
(3)当可再生能源资源不足时，发电装置负荷下降，导致合成氨装置负荷低至接近操作下限时，气体储存装置5释放部分合成气至合成气压缩机81入口，维持合成氨装置在操作负荷下限之上。同时气体储存系统膨胀发电机投入运行，为装置提供补充电源，降低整个工厂的电耗。
(4)当可再生能源资源继续下降，发电继续降低直至没有时，熔盐储能发电装置4启动发电模式、电池储能装置3处于待用状态，熔盐储能发电装置4、电池储能装置3、气体储存装置5膨胀发电机三者一起发挥作用，为合成氨工厂运行提供电源、维持装置安全稳定运行。
本发明将化工过程中释放的化学反应能量、高压气体膨胀势能与多种储能技术相结合，将可再生能源对外电网的依赖及影响降至最低，实现合成氨工厂不依托外电网，完全独立稳定运行。
本发明具有以下优势：
1、设置电池储能装置3，储存可再生能源送出多余绿电，在发电低谷或不发电时释放电能供工厂使用，起到削峰填谷作用。
2、设置熔盐储能发电装置4，储存氨合成反应产生的化学能、以及少量富裕绿电，在发电低谷或不发电时释放电能供工厂使用。
3.设置气体储存装置5，既储存原料气、消除可再生能源制氢负荷波动对合成氨装置的影响，又在可再生能源发电低谷时利用膨胀机发电、提供补充电源。
4.利用电池储能、熔盐储能、气体储能等多种储能技术互补，既可发挥电池储能响应及时的优点，又可发挥熔盐储能和气体储能投资经济的优势。
5.多种储能手段与化工过程中释放的化学反应能量、高压气体膨胀势能充分耦合，在不大幅增加发电和储能投资的前提下，实现合成氨工厂离网安全运行。
如上所述，可较好地实现本发明。
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于多能互补的离网型绿色合成氨系统，其特征在于，包括制氢装置(2)、气体储存装置(5)、合成氨装置，还包括分别与制氢装置(2)连接的电池储能装置(3)、熔盐储能发电装置(4)，合成氨装置包括氨合成单元(7)、压缩单元(8)，制氢装置(2)、压缩单元(8)、氨合成单元(7)依次连接，气体储存装置(5)与压缩单元(8)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于多能互补的离网型绿色合成氨系统，其特征在于，还包括与制氢装置(2)连接的电池储能装置(3)、熔盐储能发电装置(4)分别连接的可再生能源发电装置(1)。
3.根据权利要求2所述的一种基于多能互补的离网型绿色合成氨系统，其特征在于，还包括与压缩单元(8)连接的空分装置(6)。
4.根据权利要求3所述的一种基于多能互补的离网型绿色合成氨系统，其特征在于，合成氨装置还包括与氨合成单元(7)连接的冷冻单元(9)。
5.根据权利要求4所述的一种基于多能互补的离网型绿色合成氨系统，其特征在于，气体储存装置(5)包括相互连接的膨胀发电机(51)、储气罐(52)。
6.根据权利要求5所述的一种基于多能互补的离网型绿色合成氨系统，其特征在于，压缩单元(8)包括依次连通的合成气压缩机(81)、循环气压缩机(82)，合成气压缩机(81)的输出端、储气罐(52)、膨胀发电机(51)、合成气压缩机(81)的输入端依次连通，空分装置(6)与合成气压缩机(81)的输出端连通，制氢装置(2)与合成气压缩机(81)的输入端连通。
7.根据权利要求6所述的一种基于多能互补的离网型绿色合成氨系统，其特征在于，氨合成单元(7)包括依次连通的废锅系统(72)、预热器(73)、水冷器(74)、冷交(75)、氨冷器(76)、分离器(77)，还包括与废锅系统(72)、预热器(73)分别连通的合成塔(71)，废锅系统(72)与熔盐储能发电装置(4)连通，冷交(75)与循环气压缩机(82)的输入端联通，氨冷器(76)与冷冻单元(9)连通，冷交(75)与分离器(77)连通。
8.根据权利要求7所述的一种基于多能互补的离网型绿色合成氨系统，其特征在于，氨合成单元(7)还包括液氨流量调节阀(78)、压力控制装置(79)，还包括流量比例控制装置(100)、氮气流量调节阀(101)、氢气流量调节阀(102),压力控制装置(79)设于冷交(75)与分离器(77)的连通管路之间，氮气流量调节阀(101)设于空分装置(6)与合成气压缩机(81)的输出端的连通管路之间，氢气流量调节阀(102)设于制氢装置(2)与合成气压缩机(81)的输入端的连通管路之间，压力控制装置(79)与流量比例控制装置(100)电连接，流量比例控制装置(100)与氮气流量调节阀(101)、氢气流量调节阀(102)分别电连接。
9.根据权利要求8所述的一种基于多能互补的离网型绿色合成氨系统，其特征在于，熔盐储能发电装置(4)包括依次连接的熔盐储罐系统(41)、蒸汽发生系统(44)、发电系统(45),还包括相互连接的电加热系统(43)、蒸汽发生系统(44)，熔盐储罐系统(41)分别与电加热系统(43)、蒸汽发生系统(44)连接。
10.一种基于多能互补的离网型绿色合成氨方法，其特征在于，采用权利要求2至9任一项所述的一种基于多能互补的离网型绿色合成氨系统，采用如下工作方式：
正常工况下，可再生能源发电装置(1)利用可再生能源发电，绿电送至制氢装置(2)制取绿氢，纯化后绿氢与氮气、氨合成单元(7)产生的循环气一起加压至氨合成所需压力后经过压缩单元(8)送至氨合成单元(7)；氨合成单元(7)中氨合成反应释放的热量通过产生蒸汽带出氨合成单元(7)，所产生蒸汽送至熔盐储能发电装置(4)加热熔盐储热；氨合成单元(7)未反应的合成气继续反应，生成的液氨作为产品送出；
当可再生能源资源充足时，可再生能源发电装置(1)送出过量的绿电，制氢装置(2)产生过量的绿氢经过压缩单元(8)送至气体储存装置(5)；以及，将多余的循环气送至气体储存装置(5)存储；将多余的绿电送至熔盐储能发电装置(4)储存或者电池储能装置(3)储存；
当可再生能源资源不足时，可再生能源发电装置(1)负荷下降至氨合成单元(7)负荷低至操作下限时，气体储存装置(5)释放部分合成气至压缩单元(8)，维持氨合成单元(7)在操作负荷下限之上；同时膨胀发电机(51)投入运行，为氨合成单元(7)提供补充电源；
当可再生能源资源低至可再生能源发电装置(1)发电为零时，熔盐储能发电装置(4)启动发电模式、电池储能装置(3)处于待用状态。
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