CN218231881U - 一种光热发电绿氨合成系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光热发电绿氨合成系统，包括：聚光集热系统，用于将光能转化为热能；熔盐储热系统，用于将来自聚光集热系统的热能转化为内能并储存；发电系统，用于将来自熔盐储热系统的内能转化为电能；纯水系统，用于给发电系统和电解水制氢系统提供水；电解水制氢系统，基于发电系统的电能使来自纯水系统的水电解产生氢气；氨合成系统，在熔盐储热系统的供能下，使来自电解水制氢系统的氢气和来自空分系统的氮气反应合成氨。本实用新型光热发电绿氨合成系统利用熔盐储能具有大规模、连续稳定储能的优点，可以稳定连续地运行，通过换热系统使能源能够更多更好地被有效利用。

Description

一种光热发电绿氨合成系统

技术领域

本实用新型涉及清洁能源和氨合成领域，具体涉及一种光热发电绿氨合成系统。

背景技术

目前氨合成氢气来源主要采用煤气化和天然气重组制氢两种路线，但是两种路线中都伴随着大量的碳排放问题。可再生能源制氢主要是采用光伏、风电等将太阳能或者风能转化为电能，产生的电能去电解水产生氢气。产生的氢气再与空分得到的氮气反应生成氨。整个过程没有碳排放。但是由于可再生能源的间歇波动性，而合成氨是一个连续生产的过程，因此需要克服其中不匹配的问题。

综上所述，如何研发出一种光热发电绿氨合成系统以能够连续稳定地基于太阳能进行氨合成且更好地利用能源是目前亟待解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种光热发电绿氨合成系统，采用太阳能光热发电技术，利用熔盐储能具有大容量的特点，通过巧妙地设置整个系统，克服可再生能源波动性的问题，开发出可连续稳定运转的光热发电绿氨合成系统并更好地利用能源。

本实用新型涉及一种光热发电绿氨合成系统，包括：聚光集热系统，用于将光能转化为热能；熔盐储热系统，用于将来自所述聚光集热系统的热能转化为内能并储存；发电系统，用于将来自所述熔盐储热系统的内能转化为电能；纯水系统，用于给所述发电系统和电解水制氢系统提供水；电解水制氢系统，基于所述发电系统的电能使来自所述纯水系统的水电解产生氢气；空分系统，用于分离出空气中的氮气；氨合成系统，在所述熔盐储热系统的供能下，使来自所述电解水制氢系统的氢气和来自所述空分系统的氮气反应合成氨；换热系统，用于将所述氨合成系统的床层热量和尾气余热输送至所述熔盐储热系统进行存储。

可选地，所述聚光集热系统设置有聚光镜和用于将来自所述聚光镜的太阳反射光转化为热能的集热器；所述聚光镜选自平面镜或曲面镜。

可选地，所述熔盐储热系统包括冷熔盐储罐和热熔盐储罐，所述冷熔盐储罐连接于所述集热器和所述热熔盐储罐之间。

可选地，所述发电系统设置有蒸汽发生器、汽轮机和发电机；所述蒸汽发生器连接于所述热熔盐储罐和所述汽轮机之间，所述汽轮机与所述发电机相连。

可选地，所述纯水系统设置有微滤装置、超滤装置、反渗透装置和EDI电除盐装置，所述纯水系统的水出口与所述蒸汽发生器相连。

可选地，所述电解水制氢系统设置有电解槽和气液分离装置，所述电解槽的入口与所述纯水系统的水出口相连，所述电解槽的出口与所述气液分离装置相连。

可选地，所述光热发电绿氨合成系统还包括用于储存所述电解水制氢系统所产生氢气的储氢系统，所述储氢系统的氢气入口与所述气液分离装置的气体出口相连，所述储氢系统的氢气出口与所述氨合成系统相连。

可选地，所述储氢系统中设置有储氢罐，所述光热发电绿氨合成系统还设置有连接于所述气液分离装置的氢气出口与所述储氢罐之间的气体压缩机。

可选地，所述光热发电绿氨合成系统还设置有气体加热加压装置，所述储氢罐的氢气出口、所述空分系统的氮气出口分别与所述气体加热加压装置的气体入口相连，所述气体加热加压装置的气体出口与所述氨合成系统的气体入口相连。

可选地，所述氨合成系统设置有Harber-Bosch反应器；所述气体加热加压装置包括分别给氢气和氮气进行加热的气体加热部件和反应前气体压缩机，所述气体加热部件与所述热熔盐储罐相连。

可选地，所述换热系统为换热器，所述换热器的热流体进口分别与所述氨合成系统的尾气出口和床层换热器出口相连接，所述换热器的冷流体进口与所述冷熔盐储罐相连接。

有益效果：

本实用新型光热发电绿氨合成系统属于离网型绿氨合成工艺系统，利用可再生资源，可不采用网上电，没有碳排放；利用熔盐储能具有大规模、连续稳定储能的优点，同时设置发电系统、电解水制氢系统和氨合成系统等，光热发电绿氨合成系统可以稳定连续地运行，通过换热系统使能源能够更多更好地被有效利用。

附图说明

图1是本实用新型光热发电绿氨合成系统的一种具体实施方式的框图；

图2是本实用新型光热发电绿氨合成系统的另一种具体实施方式的框图；

附图标记说明

1聚光集热系统；2熔盐储热系统；3发电系统；

4纯水系统；5电解水制氢系统；6储氢系统；

7空分系统；8氨合成系统；9换热系统。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本申请进一步详细说明。通过这些说明，本申请的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

此外，下面所描述的本申请不同实施方式中涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本实用新型提供一种光热发电绿氨合成系统，如图1所示，包括：

聚光集热系统1，用于将光能转化为热能；

熔盐储热系统2，用于将来自所述聚光集热系统1的热能转化为内能并储存；

发电系统3，用于将来自所述熔盐储热系统2的内能转化为电能；

纯水系统4，用于给所述发电系统3和电解水制氢系统5提供水；

电解水制氢系统5，基于所述发电系统3的电能使来自所述纯水系统4的水电解产生氢气；

空分系统7，用于分离出空气中的氮气；

氨合成系统8，在所述熔盐储热系统2的供能下，使来自所述电解水制氢系统5的氢气和来自所述空分系统7的氮气反应合成氨；

换热系统9，用于将所述氨合成系统8的床层热量和尾气余热输送至所述熔盐储热系统2进行存储。

需要说明的是，在本实用新型的光热发电绿氨合成系统中，聚光集热系统1可以将太阳能转化为热能；熔盐储热系统2可以将聚光集热系统1的热能转化为内能；熔盐储热系统2的部分内能可以在发电系统3中转化为电能，熔盐储热系统2的另一部分内能还可以给氨合成系统8供能，使氮气和氢气在氨合成系统8中生成氨。本实用新型的光热发电绿氨合成系统通过熔盐储热系统2使太阳能转化的热能转化为内能稳定地存储于熔盐储热系统2中，进而可以连续地给发电系统3和氨合成系统8供能，通过调整各个系统的功率，使整个光热发电绿氨合成系统能够实现连续稳定的运转。

需要说明的是，在本实用新型的光热发电绿氨合成系统中，通过设置换热系统9能够使氨合成系统8的床层热量和尾气余热输送至所述熔盐储热系统2进行存储，防止能源的浪费，进一步使能源能够更多地被有效利用。

需要说明的是，发电系统3可以为塔式、槽式、蝶式、菲涅尔发电中的一种或多种。所述熔盐储热系统2中的熔盐可以选自硝酸盐、氯盐、氟盐、碳酸盐中的一种或多种。

根据本实用新型的一种实施方式，所述聚光集热系统1设置有聚光镜和用于将来自所述聚光镜的太阳反射光转化为热能的集热器；所述聚光镜选自平面镜或曲面镜。

需要说明的是，太阳光首先照射在聚光镜上，聚光镜将太阳光反射到集热器上，太阳反射光在集热器上转化为热能。

根据本实用新型的一种实施方式，所述熔盐储热系统2包括冷熔盐储罐和热熔盐储罐，所述冷熔盐储罐连接于所述集热器和所述热熔盐储罐之间。

需要说明的是，集热器中的热能首先输送至冷熔盐储罐中，冷熔盐储罐中的熔盐被热能加热后可以流动至热熔盐储罐中并存储，这样热能被转化并存储为熔盐的内能。

根据本实用新型的一种实施方式，所述发电系统3设置有蒸汽发生器、汽轮机和发电机；所述蒸汽发生器连接于所述热熔盐储罐和所述汽轮机之间，所述汽轮机与所述发电机相连。

需要说明的是，蒸汽发生器在热熔盐储罐的热熔盐的加热下使水转化为水蒸气，蒸汽发生器产生的水蒸气带动汽轮机转动，汽轮机带动发电机发电。

根据本实用新型的一种实施方式，所述纯水系统4设置有微滤装置、超滤装置、反渗透装置和EDI电除盐装置，所述纯水系统4的水出口与所述蒸汽发生器相连。

需要说明的是，纯水系统4中的水经过微滤装置、超滤装置、反渗透装置和EDI电除盐装置的多步净化后经水出口进入发电系统3的蒸汽发生器中去受热气化转化为水蒸气。通过设置微滤装置、超滤装置、反渗透装置和EDI电除盐装置可以使进入发电系统3的蒸汽发生器中的水具有很好的纯度，防止水中的杂质和盐等对蒸汽发生器造成堵塞等不良影响。所述纯水系统4的水电阻率可以小于等于1MΩ.Cm。

根据本实用新型的一种实施方式，所述电解水制氢系统5设置有电解槽和气液分离装置，所述电解槽的入口与所述纯水系统4的水出口相连，所述电解槽的出口与所述气液分离装置相连。

需要说明的是，纯水系统4中的水首先进入电解槽发生电解产生氢气和氧气，氢气与碱液的混合气液进入气液分离装置使氢气与碱液分离，得到纯净的氢气，所得到的氢气的纯度可以大于99％，温度可以为10～40℃，压力可以为1～5MPa。电解槽的功率调节范围可设置为5～100％。电解槽可以为碱性电解槽、PEM电解槽和固态氧化物电解槽中的一种或者多种。

根据本实用新型的一种优选实施方式，如图2所示，所述光热发电绿氨合成系统还包括用于储存所述电解水制氢系统5所产生氢气的储氢系统6，所述储氢系统6的氢气入口与所述气液分离装置的气体出口相连，所述储氢系统6的氢气出口与所述氨合成系统8相连。

需要说明的是，在该优选的实施方式中，气液分离装置流出的纯净的氢气可以进入储氢系统6使氢气被存储起来，这样氢气可以持续稳定地输送至氨合成系统8中，以使氨合成反应可以更加稳定和持续地进行。

根据本实用新型的一种实施方式，所述储氢系统6中设置有储氢罐，所述光热发电绿氨合成系统还设置有连接于所述气液分离装置的氢气出口与所述储氢罐之间的气体压缩机。

需要说明的是，通过在气液分离装置的氢气出口与储氢罐之间设置气体压缩机，可以使气液分离装置出来的氢气被加压并压缩后存储于储氢罐中。所述的储氢罐容量可以为氨合成系统8(合成氨反应器)满负荷运行所需量1～5天。所述氨合成系统8的负荷调节范围可以为20～100％。

根据本实用新型的一种实施方式，所述光热发电绿氨合成系统还设置有气体加热加压装置，所述储氢罐的氢气出口、所述空分系统7的氮气出口分别与所述气体加热加压装置的气体入口相连，所述气体加热加压装置的气体出口与所述氨合成系统8的气体入口相连。

需要说明的是，空分系统7的氮气经过气体加热加压装置进行加热和加压后进入氨合成系统8中，储氢罐的氢气经过气体加热加压装置进行加热和加压后进入氨合成系统8中，加热和加压后的氢气和氮气在氨合成系统8中发生反应生成氨。空分系统7可以为深冷空分、膜分离和变压吸附分离系统中的一种或多种。

根据本实用新型的一种实施方式，所述氨合成系统8设置有Harber-Bosch反应器；

所述气体加热加压装置包括分别给氢气和氮气进行加热的气体加热部件和反应前气体压缩机，所述气体加热部件与所述热熔盐储罐相连。

需要说明的是，所述热熔盐储罐可以给气体加热部件提供内能，通过气体加热部件可以给氢气和氮气进行加热，通过反应前气体压缩机可以给氢气和氮气进行加压，进而氮气和氢气可以更好地在氨合成系统8中反应为氨。Harber-Bosch反应器可设置反应温度为400～1000℃，压力为10～50MPa，Harber-Bosch反应器功率调节范围可设置为20～100％。所述氨合成系统8中填充的催化剂可以为Fe、Ru、Mo、Cu、Ce，Ti、Ce等氧化物中的一种或多种。

需要说明的是，作为一种优选的实施方式，发电系统3可以与空分系统7相连，进而发电系统3可以给空分系统7提供电能以使其运转分离得到氮气；作为更为优选的实施方式，发电系统3还可以与纯水系统4相连，进而发电系统3可以给纯水系统4提供电能使其运转得到纯化后的水。

需要说明的是，本实用新型的光热发电绿氨合成系统还可以设置有备用电源连接部件，以使电解水制氢系统、纯水系统、空分系统和氨合成系统等在系统运转出现问题时依然可以正常运转。熔盐储热系统2可以设置有储能系统，储能系统可以为电池储能，电池储能可以为锂电池、铁铬电池、铅酸电池、液流电池中的一中或多种。

根据本实用新型的一种实施方式，所述换热系统9为换热器，所述换热器的热流体进口分别与所述氨合成系统8的尾气出口和床层换热器出口相连接，所述换热器的冷流体进口与所述冷熔盐储罐相连接。

需要说明的是，氨合成系统8的尾气出口流出的热尾气以及床层换热器出口流出的热流体经所述换热器的热流体进口进入所述换热器中；所述冷熔盐储罐中的冷熔盐经换热器的冷流体进口进入所述换热器中，冷熔盐在所述换热器中受热后流出至热熔盐储罐中进行储存。

本实用新型的光热发电绿氨合成系统采用太阳能光热发电技术，利用熔盐储能具有大容量、便宜的优点，同时调节发电系统、电解水制氢系统和氨合成系统(合成氨反应器)的功率，克服可再生能源波动性的问题，开发可连续稳定运转的离网型的光热发电绿氨合成系统。采用可再生能源合成氨，解决了传统的煤合成氨、天然气合成氨路线碳排放的问题。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于本申请工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应作广义理解。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

以上结合了优选的实施方式对本申请进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本申请进行多种替换和改进，这些均落入本申请的保护范围内。

Claims (11)

1.一种光热发电绿氨合成系统，其特征在于，包括：

聚光集热系统(1)，用于将光能转化为热能；

熔盐储热系统(2)，用于将来自所述聚光集热系统(1)的热能转化为内能并储存；

发电系统(3)，用于将来自所述熔盐储热系统(2)的内能转化为电能；

纯水系统(4)，用于给所述发电系统(3)和电解水制氢系统(5)提供水；

电解水制氢系统(5)，基于所述发电系统(3)的电能使来自所述纯水系统(4)的水电解产生氢气；

空分系统(7)，用于分离出空气中的氮气；

氨合成系统(8)，在所述熔盐储热系统(2)的供能下，使来自所述电解水制氢系统(5)的氢气和来自所述空分系统(7)的氮气反应合成氨；

换热系统(9)，用于将所述氨合成系统(8)的床层热量和尾气余热输送至所述熔盐储热系统(2)进行存储。

2.根据权利要求1所述的光热发电绿氨合成系统，其特征在于，所述聚光集热系统(1)设置有聚光镜和用于将来自所述聚光镜的太阳反射光转化为热能的集热器；所述聚光镜选自平面镜或曲面镜。

3.根据权利要求2所述的光热发电绿氨合成系统，其特征在于，所述熔盐储热系统(2)包括冷熔盐储罐和热熔盐储罐，所述冷熔盐储罐连接于所述集热器和所述热熔盐储罐之间。

4.根据权利要求3所述的光热发电绿氨合成系统，其特征在于，所述发电系统(3)设置有蒸汽发生器、汽轮机和发电机；所述蒸汽发生器连接于所述热熔盐储罐和所述汽轮机之间，所述汽轮机与所述发电机相连。

5.根据权利要求4所述的光热发电绿氨合成系统，其特征在于，所述纯水系统(4)设置有微滤装置、超滤装置、反渗透装置和EDI电除盐装置，所述纯水系统(4)的水出口与所述蒸汽发生器相连。

6.根据权利要求5所述的光热发电绿氨合成系统，其特征在于，所述电解水制氢系统(5)设置有电解槽和气液分离装置，所述电解槽的入口与所述纯水系统(4)的水出口相连，所述电解槽的出口与所述气液分离装置相连。

7.根据权利要求6所述的光热发电绿氨合成系统，其特征在于，所述光热发电绿氨合成系统还包括用于储存所述电解水制氢系统(5)所产生氢气的储氢系统(6)，所述储氢系统(6)的氢气入口与所述气液分离装置的气体出口相连，所述储氢系统(6)的氢气出口与所述氨合成系统(8)相连。

8.根据权利要求7所述的光热发电绿氨合成系统，其特征在于，所述储氢系统(6)中设置有储氢罐，所述光热发电绿氨合成系统还设置有连接于所述气液分离装置的氢气出口与所述储氢罐之间的气体压缩机。

9.根据权利要求8所述的光热发电绿氨合成系统，其特征在于，所述光热发电绿氨合成系统还设置有气体加热加压装置，所述储氢罐的氢气出口、所述空分系统(7)的氮气出口分别与所述气体加热加压装置的气体入口相连，所述气体加热加压装置的气体出口与所述氨合成系统(8)的气体入口相连。

10.根据权利要求9所述的光热发电绿氨合成系统，其特征在于，所述氨合成系统(8)设置有Harber-Bosch反应器；

所述气体加热加压装置包括分别给氢气和氮气进行加热的气体加热部件和反应前气体压缩机，所述气体加热部件与所述热熔盐储罐相连。

11.根据权利要求10所述的光热发电绿氨合成系统，其特征在于，所述换热系统(9)为换热器，所述换热器的热流体进口分别与所述氨合成系统(8)的尾气出口和床层换热器出口相连接，所述换热器的冷流体进口与所述冷熔盐储罐相连接。

Images