CN118145673A - 可再生能源合成氨方法和可再生能源合成氨系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及合成氨技术领域，并公开了一种可再生能源合成氨方法和可再生能源合成氨系统。可再生能源合成氨方法包括以下步骤：利用可再生能源生产电能；利用电能电解水得到氢源一；将生物质废料气化得到气化炉尾气；对气化炉尾气进行分离得到氢气和甲烷；将甲烷进行重整得到氢气；并将氢气作为氢源二；利用氮气和氢源一、氢源二进行合成氨反应。氢源一的生产利用了可再生能源，实现了对可再生能源的消纳，避免了可再生能源并网造成的波动；氢源二的生产利用了生物质废料，实现了对生物质废料的处理，氢源一和氢源二的生产方式节约了一次能源的使用。
Description
技术领域
本发明涉及合成氨技术领域，具体涉及一种可再生能源合成氨方法和可再生能源合成氨系统。
背景技术
氨(NH3)是世界上最高产的无机化合物之一，主要用于化肥、塑料、炸药、硝酸、药物等的生产。现有的合成氨工艺主要是哈伯-博施法，原料是氮气和氢气，氮气及氢气在200个大气气压及摄氏400度，通过一个铁化合物的催化剂(Fe)，发生化学作用生成氨气。上述合成氨工艺存在一下问题：合成氨原料中的氢源主要来源为不可再生的煤炭或者天然气；合成氨过程中能耗较高。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明实施例提出一种可再生能源合成氨方法，该可再生能源合成氨方法中氢的来源为水和能够再生的生物质废料，且将生物质肥料气化、重整的余热用于合成氨，降低了能耗。
本发明实施例还提出一种可再生能源合成氨系统。
本发明实施例的可再生能源合成氨方法包括以下步骤：
步骤一：利用可再生能源生产电能；
步骤二：利用所述电能对水进行电解得到氢源一；
步骤三：将生物质废料与碱混合后送入气化炉中，得到气化炉尾气；
步骤四：对所述气化炉尾气进行分离得到氢气和甲烷；
步骤五：将所述甲烷与水蒸气通入重整反应器进行甲烷重整反应得到氢气；
步骤六：将所述步骤四中得到的氢气与所述步骤五中得到的氢气混合作为氢源二；
步骤七：利用氮气和所述氢源一、所述氢源二进行合成氨反应。
本发明实施例的可再生能源合成氨方法中，氢源一的生产利用了可再生能源，实现了对可再生能源的消纳，避免了可再生能源并网造成的波动；氢源二的生产利用了生物质废料，实现了对生物质废料的处理，氢源一和氢源二的生产方式节约了一次能源的使用。由于可再生能源时空分布不均匀的缺点，氢源一的供应不稳定，将氢源一与氢源二相结合可以实现合成氨工艺中氢源的稳定供应。
在一些实施例中，所述步骤二中，利用所述电能并采用碱性电解水的方式生产所述氢源一，且电解过程的温度为70～90摄氏度。
在一些实施例中，利用所述气化炉和所述重整反应器的余热加热给水并得到蒸汽热源，利用所述蒸汽热源向所述合成氨反应供热。
在一些实施例中，先利用所述气化炉尾气对所述给水一次加热，然后利用所述甲烷重整反应的生成气对所述给水进行二次加热并得到所述蒸汽热源。
在一些实施例中，利用所述蒸汽热源为所述步骤二中的电解水过程供热。
在一些实施例中，所述步骤一中，生产所述电能的方式包括以下至少一种：光伏发电、风力发电、水力发电。
本发明实施例的可再生能源合成氨系统基于上述实施例中任意一项所述的可再生能源合成氨方法，包括：
发电单元，所述发电单元通过可再生能源生产电能；
电解制氢单元，所述电解制氢单元包括电解槽，所述电解槽利用所述电能对水进行电解生产氢源一；
生物质制氢单元，所述生物质制氢单元用于对生物质废料气化、重整以获得氢源二；
合成氨单元，所述合成氨单元利用所述氢源一和所述氢源二合成氨；
热管理单元，所述热管理单元用于回收所述生物质制氢单元的余热并向所述合成氨单元、所述电解制氢单元供热。
在一些实施例中，所述生物质制氢单元包括气化炉、分离器和重整反应器，所述气化炉用于对生物质废料进行气化得到气化炉尾气，所述分离器用于将所述气化炉尾气分离为甲烷和氢气，所述重整反应器用于对所述甲烷进行重整得到氢气。
在一些实施例中，所述热管理单元包括换热器一和换热器二，所述换热器一利用所述气化炉尾气对给水一次加热，所述换热器二利用所述重整反应器的生成气对所述给水二次加热并得到蒸汽热源，所述蒸汽热源用于向所述合成氨单元、所述电解制氢单元供热。
在一些实施例中，所述合成氨单元包括合成氨反应器，所述合成氨反应器内设置有催化剂，所述蒸汽热源用于将所述催化剂加热至设定温度。
附图说明
图1是本发明实施例的可再生能源合成氨系统的示意图。
附图标记：
1、发电单元；2、电解制氢单元；3、生物质制氢单元；31、气化炉；32、分离器；33、重整反应器；4、合成氨单元；41、合成氨反应器；5、热管理单元；51、换热器一；52、换热器二。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明实施例的可再生能源合成氨方法包括以下步骤：
步骤一：利用可再生能源生产电能。生产电能的方式可以为光伏发电、光热发电、风力发电和水力发电。
步骤二：利用电能对水进行电解得到氢源一。电解水的方式可以为碱性电解水、高温电解水和质子交换膜电解水。
步骤三：将生物质废料与碱混合后送入气化炉31中，得到气化炉尾气。生物质废料可以为秸秆等农林废弃物。碱可以为氢氧化钠，先将生物质废料在氢氧化钠溶液中浸泡，在气化过程中氧化物会以碳酸钠的形式被固定，这一过程实现了碳的负排放。
步骤四：对气化炉尾气进行分离得到氢气和甲烷。气化炉尾气一般包括氢气、甲烷和一些杂质气体，可以采用变压吸附的方式对氢气进行分离，然后对分离出的氢气进行纯化，纯化后的氢气作为氢源二的一部分。
步骤五：将甲烷与水蒸气通入重整反应器33进行甲烷重整反应得到氢气。
步骤六：将步骤四中得到的氢气与步骤五中得到的氢气混合作为氢源二。
步骤七：利用氮气和氢源一、氢源二进行合成氨反应。
本发明实施例的可再生能源合成氨方法中，氢源一的生产利用了可再生能源，实现了对可再生能源的消纳，避免了可再生能源并网造成的波动；氢源二的生产利用了生物质废料，实现了对生物质废料的处理，氢源一和氢源二的生产方式节约了一次能源的使用。由于可再生能源时空分布不均匀的缺点，氢源一的供应不稳定，将氢源一与氢源二相结合可以实现合成氨工艺中氢源的稳定供应。
在一些实施例中，如图1所示，步骤二中，利用电能并采用碱性电解水的方式生产氢源一，且电解过程的温度为70～90摄氏度。碱性电解水技术路线较为成熟，且成本较低。
在一些实施例中，如图1所示，利用气化炉31和重整反应器33的余热加热给水并得到蒸汽热源，利用蒸汽热源向合成氨反应供热。气化炉31中排出的气化炉尾气为700～900摄氏度，重整反应器33中排出的生成气温度为900～1100摄氏度，合成氨反应过程中需要将催化剂加热至400～500摄氏度。气化炉尾气和重整反应器33的生成气具有较多的余热，排出后需要冷却至一定温度进行分离、纯化处理，利用气化炉尾气和重整反应器33的生成气加热给水实现了余热的回收，利用蒸汽热源供给合成氨反应实现了余热的利用，提高了能源利用率，降低了生产成本。
在一些实施例中，先利用气化炉尾气对给水一次加热，然后利用甲烷重整反应的生成气对给水进行二次加热并得到蒸汽热源。通过对给水的一次加热、二次加热能够使蒸汽达到较高的温度。同时上述加热方式换热温差较小，换热设备的使用寿命更长。
在一些实施例中，利用蒸汽热源为步骤二中的电解水过程供热。具体地，碱性电解水反应时需要先将碱性电解槽中的电解液加热至70～90摄氏度，蒸汽热源供给合成氨反应后仍能够用来加热电解液。上述过程实现了能量的梯级利用，提高了能量的利用率，降低了合成氨的生产成本。
在一些实施例中，如图1所示，步骤一中，生产电能的方式为光伏发电。
在其它实施例中，生产电能的方式还可以为风力发电、水力发电。
下面描述本发明实施例的可再生能源合成氨系统。
如图1所示，本发明实施例的可再生能源合成氨系统包括：发电单元1，电解制氢单元2，生物质制氢单元3，合成氨单元4和热管理单元5。发电单元1通过可再生能源生产电能；电解制氢单元2包括电解槽，电解槽利用电能对水进行电解生产氢源一；生物质制氢单元3用于对生物质废料气化、重整以获得氢源二；合成氨单元4利用氢源一和氢源二合成氨；热管理单元5用于回收生物质制氢单元3的余热并向合成氨单元4、电解制氢单元2供热。
具体地，发电单元1的发电方式可以为光伏发电单元1。
在其它实施例中，发电单元1的发电方式还可以为风力发电和水力发电。
在一些实施例中，如图1所示，生物质制氢单元3包括气化炉31、分离器32和重整反应器33，气化炉31用于对生物质废料进行气化得到气化炉尾气，分离器32用于将气化炉尾气分离为甲烷和氢气，重整反应器33用于对甲烷进行重整得到氢气。具体地，生物质废料经过气化炉31气化后生成的气化炉尾气包括氢气、甲烷和其它杂质气体。分离器32用于将氢气和甲烷分离开，分离出的氢气经过纯化后可以储存在氢气罐中作为氢源二。分离出的甲烷与水蒸气通入到重整反应器33进行甲烷重整反应，生成的氢气经过纯化后同样储存在氢气罐中作为氢源二。
在一些实施例中，如图1所示，热管理单元5包括换热器一51和换热器二52，换热器一51利用气化炉尾气对给水一次加热，换热器二52利用重整反应器33的生成气对给水二次加热并得到蒸汽热源，蒸汽热源用于向合成氨单元4、电解制氢单元2供热。通过对给水的一次加热、二次加热能够使蒸汽达到较高的温度。蒸汽热源供给合成氨反应后仍能够用来向电解制氢单元2供热。
在一些实施例中，如图1所示，合成氨单元4包括合成氨反应器41，合成氨反应器41内设置有催化剂，蒸汽热源用于将催化剂加热至设定温度。具体地，利用蒸汽热源将催化剂加热至400～500摄氏度，合成氨反应开始。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体地限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种可再生能源合成氨方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：利用可再生能源生产电能；
步骤二：利用所述电能对水进行电解得到氢源一；
步骤三：将生物质废料与碱混合后送入气化炉中，得到气化炉尾气；
步骤四：对所述气化炉尾气进行分离得到氢气和甲烷；
步骤五：将所述甲烷与水蒸气通入重整反应器进行甲烷重整反应得到氢气；
步骤六：将所述步骤四中得到的氢气与所述步骤五中得到的氢气混合作为氢源二；
步骤七：利用氮气和所述氢源一、所述氢源二进行合成氨反应。
2.根据权利要求1所述的可再生能源合成氨方法，其特征在于，所述步骤二中，利用所述电能并采用碱性电解水的方式生产所述氢源一，且电解过程的温度为70～90摄氏度。
3.根据权利要求2所述的可再生能源合成氨方法，其特征在于，利用所述气化炉和所述重整反应器的余热加热给水并得到蒸汽热源，利用所述蒸汽热源向所述合成氨反应供热。
4.根据权利要求3所述的可再生能源合成氨方法，其特征在于，先利用所述气化炉尾气对所述给水一次加热，然后利用所述甲烷重整反应的生成气对所述给水进行二次加热并得到所述蒸汽热源。
5.根据权利要求3所述的可再生能源合成氨方法，其特征在于，利用所述蒸汽热源为所述步骤二中的电解水过程供热。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的可再生能源合成氨方法，其特征在于，所述步骤一中，生产所述电能的方式包括以下至少一种：光伏发电、风力发电、水力发电。
7.一种基于权利要求2-5中任意一项所述的可再生能源合成氨方法的可再生能源合成氨系统，其特征在于，包括：
发电单元，所述发电单元通过可再生能源生产电能；
电解制氢单元，所述电解制氢单元包括电解槽，所述电解槽利用所述电能对水进行电解生产氢源一；
生物质制氢单元，所述生物质制氢单元用于对生物质废料气化、重整以获得氢源二；
合成氨单元，所述合成氨单元利用所述氢源一和所述氢源二合成氨；
热管理单元，所述热管理单元用于回收所述生物质制氢单元的余热并向所述合成氨单元、所述电解制氢单元供热。
8.根据权利要求7所述的可再生能源合成氨系统，其特征在于，所述生物质制氢单元包括气化炉、分离器和重整反应器，所述气化炉用于对生物质废料进行气化得到气化炉尾气，所述分离器用于将所述气化炉尾气分离为甲烷和氢气，所述重整反应器用于对所述甲烷进行重整得到氢气。
9.根据权利要求7所述的可再生能源合成氨系统，其特征在于，所述热管理单元包括换热器一和换热器二，所述换热器一利用所述气化炉尾气对给水一次加热，所述换热器二利用所述重整反应器的生成气对所述给水二次加热并得到蒸汽热源，所述蒸汽热源用于向所述合成氨单元、所述电解制氢单元供热。
10.根据权利要求9所述的可再生能源合成氨系统，其特征在于，所述合成氨单元包括合成氨反应器，所述合成氨反应器内设置有催化剂，所述蒸汽热源用于将所述催化剂加热至设定温度。
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