CN116639707A - 无碳新能源生态系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无碳新能源生态系统，第一部分，制氮气：设置氢电池装置，氢电池的氢气端连通氢气储罐，氢电池的氧气端通入过滤除杂后的空气，氢电池产生电能存储到氨燃料电池中存储，同时将空气中的氧气消耗后得到氮气含量高的杂气，对杂气提纯得到氮气；第二部分，制氨气：将氮气和氢气合成氨气，分离出液氨，液氨作为氨燃料电池的燃料。该系统将氢气与空气中氧元素、氮元素分别反应最终得到氨气，氨气易液化，方便存储和长距离运输，可广泛应用到生产生活中，整个过程可持续，零污染。

Description

无碳新能源生态系统

技术领域

本发明涉及清洁能源生态技术领域，具体是一种无碳新能源生态系统。

背景技术

在目前国内外能源开发和建设中，对于能源的需求越来越大，煤炭、石油、天然气等不可再生能源日益枯竭，并且不可再生资源在处理净化过程中，碳排放的污染，给人类生存环境带来严重的挑战，需要尽快发展可持续循环能源的研究和使用。

化工厂的氯碱工业中副产出大量高纯氢气，氢气易燃易爆，存储设备要求较高、不便运输和灌装，无形中给企业带来较重的成本压力，为此采取的消耗方式是将氢气进一步提纯除杂后用于生产盐酸、少部分运送到加气站作为车辆能源等，但消耗量整体较少厂区仍会剩余较多氢气。若将氢气直接燃烧处理，不仅浪费了能源，主要是配套设备、操作工艺等存在很大的安全隐患。如何将过量氢气安全、可靠的处理或再利用，是需要解决的问题。

发明内容

为了解决能源和环境问题，本发明提出了一种无碳新能源生态系统，将氢气与空气中氧元素、氮元素分别反应最终得到氨气，氨气易液化，方便存储和长距离运输，可广泛应用到生产生活中，达到无碳新能源的开发和利用，整个过程可持续，零污染。本发明采用的技术方案如下：

一种无碳新能源生态系统，包括：

第一部分，制氮气：设置氢电池装置，氢电池的氢气端连通氢气储罐，氢电池的氧气端通入过滤除杂后的空气，氢电池产生电能存储到氨燃料电池中存储，同时将空气中的氧气消耗后得到氮气含量高的杂气，对杂气提纯得到氮气；

第二部分，制氨气：将氮气和氢气合成氨气，分离出液氨，液氨作为氨燃料电池的燃料。

上述第一部分，杂气提纯氮气采用分离法，包括步骤：

(1.11)杂气在离心式空气压缩机中被压缩至0.50Mpa、85℃，进入冷却塔冷却至8~12℃；

(1.12)进入自动切换的分子筛吸附器，出分子筛的杂气为18~20℃，分为两路：第一路进入低压换热器与返流气体换热、温度降到-174.3℃左右进入下塔，第二路进入增压机增压；其中第二路又分支为两路：一路从末级送出一部分通过高换热进入膨胀机、另一路剩余空气经膨胀机增压端增压进入高压换热器与返流气体换热被冷却后经高压节流阀进入下塔。

(1.13)在下塔杂气被初步分离成氮气和污液氮，在下塔的顶部塔顶获得氮气进入主冷与液氧换热被冷凝成液氮去储槽；

(1.14) 在上塔的顶部获取污氮气，经过冷器高压换热器复热后出冷箱，在抽出的污氮气经过冷器回收部分冷量后分两路，其中一路进入高压换热器复热后去水冷塔，另一路进入低压换热器复热后分三路：一路去纯化系统再生分子筛、一路给冷箱充气、一路到水冷塔；

(1.15)上塔底部的液氧在主冷中被下塔的氮气加热并蒸发作为上塔的上升蒸气参与精馏，另外的液氧引出分馏塔，经液氧泵加压至设计压力在高压换热器中被复热后作为产品气送出，生产的液氧产品去储槽。

上述第一部分，杂气提纯氮气采用变压吸附法，包括步骤：

(1.21) 杂气经压缩机压缩后，经过除尘、除油、干燥后，进入储罐；

(1.22) 再压缩进入吸附塔将少量的氧分子被碳分子筛吸附、未吸附的氮气穿过吸附床，氮气汇集后进入氮气储罐。

上述第二部分中，液氮的制备方法包括步骤：

(2.1)来自氢气储罐的氢气和来自氮气储罐中的氮气进入氨气合成塔，氮气与氨气在合成塔中合成形成氨气；

(2.2)合成后的混合气冷却分离出液氨，输送至液氨储罐；

(2.3)分离后氢气、氮气混合气经热交换后的进一步在冷却器内冷却后，再送入干燥器，解析出其中的水份及残氨，吸附干燥后的氢、氮气再经压缩进入氨气合成塔。

上述的无碳新能源生态系统，还设置有太阳能、风能或水能发电，输送至氨燃料电池中存储。

本发明的有益效果为：一方面在用空气制氮时，引入氢电池消耗掉空气中的氧气，既能降低氮气后续处理的耗能又能得到电能，之后再将氮气提纯后与氢气反应得到液氨，形成无碳环保的生态体系。另一方面能够多方位且安全的消耗氢气、极大降低生产危险系数，也能降低企业存储氢气的压力和成本。

附图说明

图1为本发明的能源转化过程示意图。

图中：1为氢气储罐、2为氢电池装置、3为氮气提纯装置、4为合成氨装置、5为液氨储罐、6为氨燃料电池、7为发电系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

通过本技术研发建设，依靠太阳能、风能等自然界能源开发利用，利用“以氮固氢”、“以氨固氮”，减少化工厂氢气库存，实现“氨动力可持续循环经济”和动力发电技术。氨可以直接用作燃料，特别是氨作为燃料电池燃料时没有积炭问题氨的存储、运输更加安全方便且成本低。。

本无碳新能源体系建设技术主要分为以下几个板块，包括：（1）太阳能、风能等发电系统，（2）氮气的制取，（3）氨合成制备，绿色氨的应用。

（1）发电系统7

太阳能发电是太阳光照射太阳能电池板，光能由单晶硅电池片转化为电能，一部分通过整流调压器进行调压以直流电方式储存，用于为电解水制氢装置供电；另一部分输送至逆变器，由逆变器传输至“氨燃料电池6电源进行存储，由电源为整体作为开发的新能源体系的用电设备供电。风能、水能发电也是通过自然资源利用风势能或水流域的位差能发电，发电输送至传输至氨燃料电池6进行存储。

氨燃料电池6可储存不同能级的电压，根据需要进行输送和储存。氨燃料电池6电源组成化学物质的分子、原子，有不同数量或状态的电子分布在不同的能级上。在高能级上的电子受到某种因素的作用，会从高能级跳到低能级，同时释放出相应的能量。相反，输入适当的能量，会使电子从低能级跃迁到高能级，同时贮存相应的能量。这样在使用上可以利用各种形式的太阳能（风能、电能）或者其他暂时剩余的能量，把某些善于贮能的物质从低能级转变为高能级，从而达到贮存能量的目的，需要时再把这些贮存的能量释放出来供给应用。

（2）氮气的制取

氨原料分为氢气和氮气，其中氢气来自化工厂合成氯碱工业副产物，氮气是在空气中获取。

设置氢电池装置2，其氢气端连通氢气储罐1、氧气端通入过滤除杂后的空气，氢电池产生电能存储到氨燃料电池6中存储，同时将空气中的氧气消耗后得到氮气含量高的杂气，用氮气提纯装置3提纯杂气得到氮气。氮气提纯装置3可以使用分离装置或者变压吸附装置。

2.1分离法

杂气经自洁式过滤器除去灰尘和机械杂质，在离心式压缩机（由发电系统7提供动力）中被压缩至0.50Mpa，85℃左右，进入冷却塔冷却至8~12℃，然后进入自动切换的分子筛吸附器，以清除水份、二氧化碳和碳氢化合物等有害杂质，出分子筛的杂气为18~20℃，分为两路。第一路杂气进入低压换热器与返流气体换热，温度降到-174.3℃左右进入下塔。第二路杂气进入增压机增压，此时又分为两路：一路从末级送出通过高换换热进入膨胀机；另一路剩余杂气经膨胀机增压端增压进入高压换热器与返流气体换热，被冷却后经高压节流阀进入下塔。

在下塔杂气被初步分离成氮气和污液氮，在下塔的顶部塔顶获得氮气（≤10ppm ）进入主冷与液氧换热被冷凝成液氮去液氮储槽5。

在上塔顶部得到获取污氮气，经过冷器高压换热器复热后出冷箱，在抽出的污氮气经过冷器回收部分冷量后分两路，，一路进入高压换热器复热后去水冷塔，另一路进入低压换热器复热后分三路：一路去纯化系统再生分子筛、一路给冷箱充气、另一路到水冷塔。

上塔底部的液氧大部分在主冷中被下塔的氮气加热并蒸发，作为上塔的上升蒸气参与精馏，另外部分液氧引出分馏塔，经液氧泵加压至设计压力在高压换热器中被复热后作为产品气送出，生产的液氧产品去储槽，可以作为氨燃烧锅炉的燃料。

2.2变压吸附法

杂气经空压机压缩后，经过除尘、除油、干燥后，进入杂气储罐，经过压缩，进入吸附塔，压缩后杂气中的氧分子被碳分子筛吸附，未吸附的氮气穿过吸附床，经过出气阀、氮气产气阀进入氮气储罐，吸附塔一般分为左右塔，交替吸附和解析。变压吸附制氮氧气进行释放不能回收，氮气汇集后进入氮气储罐。目前制氮机制备的氮气纯度达到99.99%，进入氮气工艺罐后，制备氨时还需净化处理，氮气净化器主要为氮气中加入适当配比的来自电解的氢气，在氮气净化器中，氢气和氮气中微量的O2进行反应，生成水，有氮气冷却分离器冷却后排出，氮气净化器中装有506HN型脱氧剂，主要成份为锰极变价氧化剂。净化冷却后氮气中氧含量小于10PPm。

（3）液氨的制备

来自氢气储罐1的氢气，通过氢气出口管进入氨气合成塔中，来自氮气储罐中的氮气通过氮气出口管进入氨气合成塔中，氮气与氨气在氨气合成塔中合成形成氨气，合成后的混合气冷却分离出液氨被输送至液氨储罐存储。分离后氢气氮气的混合气经热交换后的进一步在冷却器内冷却后，再送入干燥器(5A分子筛床)，除去残余水分及其它杂质，而干燥器一般设置二台，一台吸附干燥氢、氮分解气，另一台在加热状态下(一般在300～350℃)解吸出其中的水份及残氨，吸附干燥氢、氮气再经压缩进入氨气合成塔从而达到再生、重复使用的效果。

氨在作为燃料，能量密度大(同体积含能量液氨是液氢的1.5倍)、易液化(常压下一33℃或常温下9个大气压均可使氨液化，而氢在一240℃以上则无法液化)、易贮运(普通液化气钢瓶即可贮运氨，而贮运氢则需特殊材料和特殊设备)。液氨比液化天然气更便于贮运，除车载船运外，液氨可利用现有的输气管送。

当今动力能源消耗，主要以石油和天然气、煤炭等天然不可再生能源中获取，即使最前沿的燃料电池，仍然摆脱不了石化能源的依赖。氨作为固氢燃料，不仅可以白天对于不可再生能源的依赖，还可以实现可持续循环经济，达到零污染的目的。氢气与空气中的氮气催化合成氨，这是绿色氨技术基础。以新一代可再生、零污染燃料取代传统石化燃料势在必行，尤其对于汽车高运输国家，发展一种氨动力发动机，利用自然能源，达到安全、环保、低耗经济的目的。对于能源消耗大国，利用天然能源，太阳能、风能、水能等能量替代，通过无碳新能源新体系建设，生产液氨，进行锅炉燃烧制汽发电，达到规模化装置，实现绿色循环经济。

氨燃料普及应用之后，可使氨的生产更规模化，贮运供给更一体化，市场更多元化，进而更有利于“氨经济”自身的良性循环和发展。氨的用量之大及输送之便，使之能适合在能源易得地区的大规模生产，以提高能源利用率和产业经济效益。而其所需原料的易得及其生产工艺和设备的相对简单，使之又适宜于在交通运输不便的地区或情况下实现小型化、移动化的生产，便于推广使用，适合多种行业。

Claims (5)

1.一种无碳新能源生态系统，其特征在于，包括：

第一部分，制氮气：设置氢电池装置，氢电池的氢气端连通氢气储罐，氢电池的氧气端通入过滤除杂后的空气，氢电池产生电能存储到氨燃料电池中存储，同时将空气中的氧气消耗后得到氮气含量高的杂气，对杂气提纯得到氮气；

第二部分，制氨气：将氮气和氢气合成氨气，分离出液氨，液氨作为氨燃料电池的燃料。

2.根据权利要求1所述的无碳新能源生态系统，其特征在于，上述第一部分，杂气提纯氮气采用分离法，包括步骤：

(1.11)杂气在离心式空气压缩机中被压缩至0.50Mpa、85℃，进入冷却塔冷却至8~12℃；

(1.12)进入自动切换的分子筛吸附器，出分子筛的杂气为18~20℃，分为两路：第一路进入低压换热器与返流气体换热、温度降到-174.3℃左右进入下塔，第二路进入增压机增压；其中第二路又分支为两路：一路从末级送出一部分通过高换换热进入膨胀机、另一路剩余空气经膨胀机增压端增压进入高压换热器与返流气体换热被冷却后经高压节流阀进入下塔；

(1.13)在下塔杂气被初步分离成氮气和污液氮，在下塔的顶部塔顶获得氮气进入主冷与液氧换热被冷凝成液氮去储槽；

(1.14) 在上塔的顶部获取污氮气，经过冷器高压换热器复热后出冷箱，在抽出的污氮气经过冷器回收部分冷量后分两路，其中一路进入高压换热器复热后去水冷塔，另一路进入低压换热器复热后分三路：一路去纯化系统再生分子筛、一路给冷箱充气、一路到水冷塔；

(1.15)上塔底部的液氧在主冷中被下塔的氮气加热并蒸发作为上塔的上升蒸气参与精馏，另外的液氧引出分馏塔，经液氧泵加压至设计压力在高压换热器中被复热后作为产品气送出，生产的液氧产品去储槽。

3.根据权利要求1所述的无碳新能源生态系统，其特征在于，上述第一部分，杂气提纯氮气采用采用变压吸附法，包括步骤：

(1.21) 杂气经压缩机压缩后，经过除尘、除油、干燥后，进入储罐；

(1.22) 再压缩进入吸附塔将少量的氧分子被碳分子筛吸附、未吸附的氮气穿过吸附床，氮气汇集后进入氮气储罐。

4.根据权利要求1所述的无碳新能源生态系统，其特征在于，上述第二部分中，液氮的制备方法包括步骤：

(2.1)来自氢气储罐的氢气和来自氮气储罐中的氮气进入氨气合成塔，氮气与氨气在合成塔中合成形成氨气；

(2.2)合成后的混合气冷却分离出液氨，输送至液氨储罐；

(2.3)分离后氢气、氮气混合气经热交换后的进一步在冷却器内冷却后，再送入干燥器，解析出其中的水份及残氨，吸附干燥后的氢、氮气再经压缩进入氨气合成塔。

5.根据权利要求1所述的无碳新能源生态系统，其特征在于，还设置有太阳能、风能或水能发电，输送至氨燃料电池中存储。