CN117947441A - 一种可再生能源联产绿色纯碱与氯化铵的系统、方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可再生能源联产绿色纯碱与氯化铵的系统、方法，该系统包括：可再生能源发电子系统，电解水子系统，空气分离子系统，合成氨子系统，尾气预处理子系统，废盐预处理子系统及纯碱合成子系统。通过利用可再生能源风光发电用于电解制氢及空分，解决了可再生能源发电对电网的冲击以及电网实现波动供电平衡的困难，实现了绿色电力的就地消纳，将绿电就地转化为有经济附加值的绿色产品，实现了绿电‑绿氢‑绿色化工品生产线的平稳运行；采用工业废盐和工业排放尾气二氧化碳作为绿色纯碱原料，整合周边工业企业碳排尾气和工业废盐，进行废物的资源化利用，碳减排同时实现绿色循环经济。

Description

一种可再生能源联产绿色纯碱与氯化铵的系统、方法

技术领域

本发明涉及可再生能源技术领域，具体涉及一种可再生能源联产绿色纯碱与氯化铵的系统、方法。

背景技术

随着世界人口的增长及经济发展，由此导致的环境问题也日益突出。当今气候变化是人类面临的全球性问题。大规模开发利用可再生能源是降低二氧化碳排放与能源短缺的有效途径。

但值得注意的是，可再生能源发电主要方式包括风电和光伏，而可再生电力的开发高度依赖用电负荷。此外，大规模特高压输电成本较高，且光伏、风力发电间歇性和不稳定的特点对送、受端电网均构成压力，导致可再生能源丰富的边远地区的绿电送出难题。

新能源发电与电化学结合成为了研究热点，通过将绿色电力转化为化学产品，实现储电和输电的化学品储存和运输，不仅可以扩大绿色电力的消纳空间，还能大幅降低储电和输电的成本，为偏远地区开发高质量可再生能源创造有利条件。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明公开一种可再生能源联产绿色纯碱与氯化铵的系统、方法，通过采用绿氢-绿氨与废气-废固相结合的循环经济方案，通过各装置的优化配置和耦合集成，不但有效解决了新能源发电间歇性和波动性对化工装置稳定运行的影响，同时实现了风光发电的稳定就地消纳；更通过二氧化碳气和工业废盐的资源化利用实现了降碳减排的目的，利用自然变废为宝并获得较好的经济效益。

为了实现以上技术目的，一方面，本发明提出一种可再生能源联产绿色纯碱与氯化铵的系统，该系统包括：

可再生能源发电子系统，用于利用风能和/或太阳能发电得到绿电；

电解水子系统，所述电解水子系统连接所述可再生能源发电子系统，用于采用所述绿电电解水得到氢气和氧气；

空气分离子系统，所述空气分离子系统连接所述可再生能源发电子系统，用于采用所述绿电进行空气分离得到氮气；

合成氨子系统，所述合成氨子系统分别经管路连接所述电解水子系统的氢气输出端和所述空气分离子系统的氮气输出端，用于采用所述电解水子系统得到的氢气及所述空气分离子系统得到的氮气合成绿氨；

尾气预处理子系统：用于提浓工业尾气中的二氧化碳得到原料尾气；

废盐预处理子系统：用于对工业废盐进行除杂和提纯得到原料废盐；

纯碱合成子系统：所述纯碱合成子系统分别经管路连接所述合成氨子系统的绿氨输出端、所述尾气预处理子系统的原料尾气输出端和所述废盐预处理子系统的原料废盐输出端，用于以所述绿氨、原料尾气及原料废盐为原料制备绿色纯碱并副产氯化铵。

在上述技术方案中利用化工装置产生的废盐(主要组成为氯化钠)，并收集化工装置产生的二氧化碳排放尾气、通过二氧化碳提纯装置提纯后将原料尾气送至绿色联碱装置。同时结合风电/光伏产生绿电用以电解纯水制氢，并以绿电作为空分装置的能源来源制备氮气；通过将氢气/氮气按照氨合成要求的进料比进入氨合成系统，所制备的绿氨也作为绿色联碱装置的原料。在纯碱合成子系统，经处理后的原料废盐、原料尾气和氨作为原料获得纯度达标的绿色纯碱产品和氯化铵副产品，由此形成了以绿电-绿氢-绿氨-绿色纯碱为主线的工艺路线。

上述技术方案采用可再生绿电制绿氢，与煤制氢比较过程中不但省去了煤气化、变换等碳排放工艺环节，副产高纯度氧气也可用于周边炼钢、化工等企业的用氧需求，降低传统空分制氧的能耗；同时可以将周边电厂、炼钢或化工装置排放的二氧化碳尾气资源化利用；在周边工业废盐资源充足的情况下，可以实现完全循环经济制备绿色纯碱和氯化铵产品，推动化工产业实现零碳化转型升级。

上述技术方案将可再生能源发电与绿氢、绿氨、绿色纯碱充分结合，将绿色电力转化为化学性质稳定的基础化学产品，将储电、输电变成化学品储运，可以在扩展绿电消纳空间的同时极大降低储电输电成本，为偏远地区优质可再生能源开发创造有利条件。

在本发明的进一步示例中，所述电解水子系统包括用于电解水的电解槽，以及与所述电解槽的粗氢气输出端连接的氢气纯化装置、与所述电解槽的粗氧气输出端连接的氧气纯化装置。更进一步的，所述电解水子系统还包括储氢装置。

在本发明的进一步示例中，所述尾气预处理子系统包括二氧化碳吸收和解吸模块，由所述解吸模块输出原料尾气。

在本发明的进一步示例中，所述原料尾气中二氧化碳的浓度≥80wt％。

在本发明的进一步示例中，所述废盐预处理子系统包括洗盐模块和/或分质结晶模块。

在本发明的进一步示例中，所述原料废盐满足干盐的氯化钠含量≥98.5％。

在本发明的进一步示例中，所述纯碱合成子系统包括重碱模块和氯化铵模块，其中，所述重碱模块用于以绿氨、原料尾气及原料废盐为原料制备生成重碱并滤出氯化铵母液，所述重碱经加热得到纯碱产品；所述重碱模块的滤液输出端连接所述氯化铵模块的原料输入端；所述氯化铵模块用于低温结晶生成氯化铵产品，所述氯化铵模块的结晶浆液输出端连接所述重碱模块的原料输入端。

在本发明的进一步示例中，所述可再生能源发电子系统包括风电/光伏发电装置及储能装置。

另一方面，本申请提出了一种可再生能源联产绿色纯碱与氯化铵的方法，该方法包括以下步骤：

S1，利用风能和/或太阳能发电得到绿电；

S2，利用所述绿电电解水得到氢气和氧气；利用所述绿电进行空气分离得到氮气；

S3，利用步骤S2得到的氢气及氮气合成绿氨；提浓工业尾气中二氧化碳的浓度至≥80％，得到原料尾气；将工业废盐进行预处理至干盐的氯化钠含量≥98.5％，得到原料废盐；

S4，以所述绿氨、原料尾气和原料废盐为原料得到绿色纯碱并副产氯化铵。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：通过利用可再生能源风光发电用于电解制氢及空分，解决了可再生能源发电对电网的冲击以及电网实现波动供电平衡的困难，实现了绿色电力的就地消纳，将绿电就地转化为有经济附加值的绿色产品，实现了绿电-绿氢-绿色化工品生产线的平稳运行；采用工业废盐和工业排放尾气二氧化碳作为绿色纯碱原料，整合周边工业企业碳排尾气和工业废盐，进行废物的资源化利用，碳减排同时实现绿色循环经济。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出本发明可再生能源联产绿色纯碱与氯化铵的系统的结构图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1-可再生能源发电子系统、11-储能装置，2-电解水子系统、21-氢气纯化装置、22-氧气纯化装置、23-储氢装置，3-空气分离子系统，4-合成氨子系统，5-尾气预处理子系统，6-废盐预处理子系统，7-纯碱合成子系统。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，给出了本发明的较佳实施例。但应当理解为这些实施例仅仅是用于更详细说明之用，而不应理解为用以任何形式限制本发明，即并不意于限制本发明的保护范围。

实施例1

一种可再生能源联产绿色纯碱与氯化铵的系统，如图1所示，该系统包括：

(1)可再生能源发电子系统1，用于利用风能和/或太阳能发电得到绿电。本发明所述可再生能源发电子系统1包括太阳能发电系统、风能发电系统，主要用于将太阳能和/或风能转化为电能。利用可再生能源发电子系统1得到的绿电将主要用于满足电解水子系统2和空气分离子系统3的用电需求，以及其他化工装置的用电需求。

可选的，所述可再生能源发电子系统1包括风电/光伏发电装置及储能装置11。在实际运行过程中，通过设置储能装置11可用于克服因天气、气候等影响可再生能源风光发电的间歇性和波动性，保障整体工艺系统稳定、持续运行。

进一步可选的，所述储能装置11采用电池储能装置11，其配套规模理论依据如下：

储能装置11充放电逻辑：针对完全离网制化工产品模型和绿电制氢结合网电用于化工装置模型：1)绿电优先用于制氢气和下游化工装置使用；2)当绿电大于制氢和化工装置最大需求时，开始给储能装置11充电；3)当绿电大于制氢、化工装置、储能装置11最大需求时，弃电；4)当绿电小于制氢和化工装置最大需求时，开始降低化工装置负荷；5)当绿电小于化工装置最低运行负荷需求时，储能装置11放电；6)当绿电和储能装置11总电量小于化工装置最低运行负荷需求时，化工装置停车。

需注意，本发明对所述储能装置11的具体结构不做限定，本领域内技术人员可通过非创造性的劳动选择合适的储能装置及设置合适的连接方式，由此形成的技术方案均在本发明保护范围内。可选的，所述储能装置11包括多组储能单元；多组所述储能单元并联连接，更进一步可选的，每个储能单元内的交直流双向逆变器交流侧并联连接。

(2)电解水子系统2，所述电解水子系统2连接所述可再生能源发电子系统1，用于采用所述绿电电解水得到氢气和氧气。

需注意，本发明对具体电解水制氢的设备及工艺不做限定，本领域内技术人员可通过非创造性的劳动选择合适的电解水制氢设备及工艺。随着氢能相关研究的推进，电解水制氢发展出以下两种不同的工艺路线：碱液法、质子交换膜法(PEM)。可选的，本实施例中碱性电解槽电解制氢，所述碱性电解槽制氢系统采用单元组装式结构，主要由电解槽、气液处理器(框架)、加水泵、水碱箱、控制柜、整流柜、整流变压器、阻火器等部分组成；可选的，所述碱洗电解槽的操作温度为85-95℃，操作压力为1.6-1.8MPaG，电解槽出口的氢气产品压力大约为1.4-1.6MPaG。

进一步可选的，所述碱性电解槽的数量为多台，可选4-5台电解槽一组，每台电解槽的操作负荷下限在25％-30％左右，电解槽分组并在运行中进行分组控制。从而使整个系统的操作比化工装置更为灵活，启停更为灵活，可基本根据绿电负荷灵活调整电解槽的操作和启停，使风电产生的绿电产生绿氢，作为下游绿氨装置的氢气来源。

可选的，所述电解水子系统2包括用于电解水的电解槽，以及与所述电解槽的粗氢气输出端连接的氢气纯化装置21、与所述电解槽的粗氧气输出端连接的氧气纯化装置22。

需注意，所述电解水子系统2电解水生成的氧气及富余的氢气可作为产品外售。

可选的，所述电解水子系统2还包括储氢装置23，通过储氢装置23将电解水子系统2电解得到的部分氢气存储在氢气储罐中，在风/光发电不足时进行放氢以保证下游化工装置的用氢需求。

需注意，所述储氢装置23可选采用高压气态储氢，储氢装置23的规模根据当地的风光发电的负荷曲线进行匹配计算，确保在可再生能源电力出力较小的情况下，保证化工装置在合理负荷运行的同时，实现不停车稳态运行，从而提高装置运行可靠性和稳定性，并实现装置的安全运行和经济效益。

(3)空气分离子系统3，用于采用所述绿电进行空气分离得到氮气，所制备的氮气将输送至后续氨合成子系统。需注意，在实际运行过程中可考虑设置空气分离子系统3的操作弹性范围较大，以适应上下游系统能力的波动。

(4)合成氨子系统4，所述合成氨子系统4分别经管路连接所述电解水子系统2的氢气输出端和所述空气分离子系统3的氮气输出端，用于采用所述电解水子系统2得到的氢气及所述空气分离子系统3得到的氮气合成绿氨。

需注意，本发明对于合成氨子系统4的具体设备和工艺不作限定，可选为采用动态氨合成工艺，本领域内技术人员可通过非创造性的劳动选择合适的氨合成工艺及设备，由此形成的技术方案均在本发明保护范围内。

(5)尾气预处理子系统5，用于提浓工业尾气中的二氧化碳得到原料尾气。

可选的，所述尾气预处理子系统5包括二氧化碳吸收和解吸模块，由所述解吸模块输出原料尾气。所述尾气预处理子系统5将来自周边工厂的二氧化碳尾气，如电厂、钢厂的烟气，采用溶剂法进行二氧化碳提纯，得到包含高浓度CO₂的原料尾气用于后续纯碱合成的原料。

可选的，所述原料尾气中二氧化碳的浓度≥80wt％，在实际工艺过程中，若输入所述尾气预处理子系统5的尾气如果为煤化工装置高浓度尾气，可直接送至纯碱装置作为原料；如果为炼厂或电厂等低浓度二氧化碳尾气，则可通过提浓处理至纯度≥80wt％，再作为纯碱原料供应。

需注意，所述原料尾气中的一股可输入二氧化碳精制装置进行精制，得到食品级CO₂液体产品进行出售。

(6)废盐预处理子系统6，对工业废盐进行除杂和提纯得到原料废盐。

可选的，所述废盐预处理子系统6包括洗盐模块和/或分质结晶模块。在实际工艺流程中，如果来自周边企业的已分离工业废盐满足指标要求则可直接作为纯碱合成的原料使用；如果工业废盐不满足绿色纯碱入料要求，则需经所述洗盐模块进行精制后得到满足纯碱合成要求的原料废盐；如果工业废盐未进行任何分离提纯，则需要在本方案中分质结晶分离后再作为纯碱合成的原料使用；如果采用工业废盐作为工业精制盐的掺混原料，将基于其掺混比例确定工业废盐的纯度要求指标或者采用洗盐或分质结晶等操作进行预处理。

需注意，采用工业废盐直接作为绿色纯碱的原料，其纯度组成满足《工业盐》(GB/T5462-2015)中精制工业盐“工业干盐一级”或者“工业湿盐优级”的指标即可直接作为进料。

可选的，所述原料废盐满足干盐的氯化钠含量≥98.5％。

(7)纯碱合成子系统7，所述纯碱合成子系统7分别经管路连接所述合成氨子系统4的绿氨输出端、所述尾气预处理子系统5的原料尾气输出端和所述废盐预处理子系统6的原料废盐输出端，用于以所述绿氨、原料尾气及原料废盐为原料制备绿色纯碱并副产氯化铵。

可选的，所述纯碱合成子系统7包括重碱模块和氯化铵模块，其中，所述重碱模块用于以绿氨、原料尾气及原料废盐为原料制备生成重碱并滤出氯化铵母液，所述重碱经加热得到纯碱产品；所述重碱模块的滤液输出端连接所述经氯化铵模块的原料输入端，在实际工艺过程中，重碱模块滤出的氯化铵母液经吸氨后作为氯化铵模块的原料输入；所述氯化铵模块用于低温结晶得到包含氯化铵产品的氯化铵混合结晶浆液，所述混合结晶浆液经离心分离后得到氯化铵产品及结晶浆液；所述氯化铵模块的结晶浆液输出端连接所述重碱模块的原料输入端，在实际工艺过程中，氯化铵模块输出的结晶浆液作为重碱模块的输入物料进行吸氨和碳化。

需注意，本发明对所用纯碱合成工艺和设备不做限定，可选为采用浓气制碱工艺(二次吸氨一次碳化)和冷法制氯化铵的工艺技术方案，生产纯碱并副产氯化铵。

除上述子系统外，本发明可再生能源联产绿色纯碱与氯化铵的系统还包括用于电能转换和分配的辅助设施，所述辅助设置包括变电所、机柜间及整流间等；以及包括公用工程设施，如空压站、纯水站及冷却循环水站等。

本发明利用可再生能源风光发电用于电解制氢，通过储能和储氢设施弥补风光发电的间歇性和波动性，同时实现制氢下游合成氨的稳定运行；利用周边各类工业企业的二氧化碳尾气和煤化工等企业的工业废盐资源，制备绿色纯碱，并副产氯化铵。

实施例2

基于实施例1所示的可再生能源联产绿色纯碱与氯化铵的系统，本实施例提出了一种可再生能源联产绿色纯碱与氯化铵的方法，该方法包括以下步骤：

S1，利用风能和/或太阳能发电得到绿电；

S2，利用所述绿电电解水得到氢气和氧气；利用所述绿电进行空气分离得到氮气；

S3，利用步骤S2得到的氢气及氮气合成绿氨；提浓工业尾气中二氧化碳的浓度至≥80％，得到原料尾气；将工业废盐进行预处理至干盐的氯化钠含量≥98.5％，得到原料废盐；

S4，以所述绿氨、原料尾气和原料废盐为原料得到绿色纯碱并副产氯化铵。

实施例3

本实施例展示特定工况下采用实施例2所示技术方案进行可再生能源联产绿色纯碱与氯化铵的工艺流程。需注意，该工艺流程仅为较优流程的展示，并不限定本发明的保护范围。

一种可再生能源联产绿色纯碱与氯化铵的方法，本实施例可再生能源发电子系统1以风电装机能力400MW，太阳能发电装机能力100MW孤网运行装置为例，基于当地典型的综合电力出力曲线，配置电解水子系统2正常绿氢产量35000Nm³/h；具体的，配置单台产氢为1200Nm³/h的碱性水电解槽45台(30台运行制备绿氨，15台用于储氢设备制氢)；空气分离子系统3产14000Nm³/h氮气；合成氨子系统4产生的液氨产量为14万吨/年；纯碱合成子系统7产能为42万吨/年，其中，工业废盐原料消耗量48万吨/年，二氧化碳消耗量26.6万吨/年。

本实施例对应42万吨/年规模纯碱装置的碳排放核算如表1所示。

表1

由表1可验证，本发明就地取材实现了以空气、水为原料，以太阳能和风能等可再生能源制备绿氨，并以此将工业废盐和尾气二氧化碳资源化为纯碱和氯化铵产品。获得经济效益同时达到了绿色低碳、循环经济的目的。

需注意的是，以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明；本实施例尺寸数据并不定限定本技术方案，只是展示其中一种具体的工况。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单改进和润饰，都应当视为属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种可再生能源联产绿色纯碱与氯化铵的系统，其特征在于，包括：

可再生能源发电子系统(1)，用于利用风能和/或太阳能发电得到绿电；

电解水子系统(2)，所述电解水子系统(2)连接所述可再生能源发电子系统(1)，用于采用所述绿电电解水得到氢气和氧气；

空气分离子系统(3)，所述空气分离子系统(3)连接所述可再生能源发电子系统(1)，用于采用所述绿电进行空气分离得到氮气；

合成氨子系统(4)，所述合成氨子系统(4)分别经管路连接所述电解水子系统(2)的氢气输出端和所述空气分离子系统(3)的氮气输出端，用于采用所述电解水子系统(2)得到的氢气及所述空气分离子系统(3)得到的氮气合成绿氨；

尾气预处理子系统(5)，用于提浓工业尾气中的二氧化碳得到原料尾气；

废盐预处理子系统(6)，用于对工业废盐进行除杂和提纯得到原料废盐；

纯碱合成子系统(7)，所述纯碱合成子系统(7)分别经管路连接所述合成氨子系统(4)的绿氨输出端、所述尾气预处理子系统(5)的原料尾气输出端和所述废盐预处理子系统(6)的原料废盐输出端，用于以所述绿氨、原料尾气及原料废盐为原料制备绿色纯碱并副产氯化铵。

2.根据权利要求1所述的可再生能源联产绿色纯碱与氯化铵的系统，其特征在于，所述电解水子系统(2)包括用于电解水的电解槽，以及与所述电解槽的粗氢气输出端连接的氢气纯化装置(21)、与所述电解槽的粗氧气输出端连接的氧气纯化装置(22)。

3.根据权利要求1所述的可再生能源联产绿色纯碱与氯化铵的系统，其特征在于，所述电解水子系统(2)还包括储氢装置(23)。

4.根据权利要求1所述的可再生能源联产绿色纯碱与氯化铵的系统，其特征在于，所述尾气预处理子系统(5)包括二氧化碳吸收和解吸模块，由所述解吸模块输出原料尾气。

5.根据权利要求1所述的可再生能源联产绿色纯碱与氯化铵的系统，其特征在于，所述原料尾气中二氧化碳的浓度≥80wt％。

6.根据权利要求1所述的可再生能源联产绿色纯碱与氯化铵的系统，其特征在于，所述废盐预处理子系统(6)包括洗盐模块和/或分质结晶模块。

7.根据权利要求1所述的可再生能源联产绿色纯碱与氯化铵的系统，其特征在于，所述原料废盐满足干盐的氯化钠含量≥98.5％。

8.根据权利要求1所述的可再生能源联产绿色纯碱与氯化铵的系统，其特征在于，所述纯碱合成子系统(7)包括重碱模块和氯化铵模块，其中，所述重碱模块用于以绿氨、原料尾气及原料废盐为原料制备生成重碱并滤出氯化铵母液，所述重碱经加热得到纯碱产品；所述重碱模块滤液输出端连接所述氯化铵模块的原料输入端；所述氯化铵模块用于低温结晶生成氯化铵产品，所述氯化铵模块的结晶浆液输出端连接所述重碱模块的原料输入端。

9.根据权利要求1所述的可再生能源联产绿色纯碱与氯化铵的系统，其特征在于，所述可再生能源发电子系统(1)包括风电/光伏发电装置及储能装置(11)。

10.一种可再生能源联产绿色纯碱与氯化铵的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，利用风能和/或太阳能发电得到绿电；

S2，利用所述绿电电解水得到氢气和氧气；利用所述绿电进行空气分离得到氮气；

S3，利用步骤S2得到的氢气及氮气合成绿氨；提浓工业尾气中二氧化碳的浓度至≥80％，得到原料尾气；将工业废盐进行预处理至干盐的氯化钠含量≥98.5％，得到原料废盐；

S4，以所述绿氨、原料尾气和原料废盐为原料得到绿色纯碱并副产氯化铵。