CN115928105A - 一种回热式绿色氢氨储能*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种回热式绿色氢氨储能***，包括电解水制氢子***、深冷空分子***、合成氨子***和热回收子***，电解水制氢子***的氢气输出端与合成氨子***的输入端相连接；深冷空分子***的氮气输出端与合成氨子***的输入端相连接，合成氨子***离出未反应的氢气和氮气输送至热回收子***，热回收子***的氢气端与合成氨子***的输入端相连接，热回收子***的公用工程水输出端与电解水制氢子***和合成氨子***的热量输入端相连接。利用不同子***之间冷、热能，可回收不同部件之间冷、热能并运送至需要相应能量的部件进行能量梯级利用，用于高效率的输出氨气、氧气，并存储能量，解决绿色氢氨***高耗能、热污染和冷、热能利用效率低的问题。
Description
技术领域：
本发明涉及一种回热式绿色氢氨储能***。
背景技术：
太阳能、风能等清洁能源具有间歇性、波动性，使得新能源发电功率以预测，常出现电压不稳、频率越限等问题。氨不仅在农业、工业领域被广泛使用，在作为能源载体，也拥有着体积能量密度大、生产技术成熟、低毒害等优势。此外，氨的储运基础设施完善，压缩成本低，使其作为能源载体在技术和经济两方面都具有可行性。
氮气与氢气合成氨反应通常需要在催化剂的作用和高温高压的作用下进行，过程中常伴随大量热能产生。同时，水在电解前需要被加热，而从空气中分离出氮气的过程又伴随着大量的冷能被释放。因此，如果让冷能和热能在不同部件之间流动并加以利用，不仅可以减少***整体耗能，还会降低对环境的热污染。
发明内容：
本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明所要解决的技术问题是提供一种回热式绿色氢氨储能***。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种回热式绿色氢氨储能***，包括电解水制氢子***、深冷空分子***、合成氨子***和热回收子***，所述电解水制氢子***的氢气输出端与合成氨子***的输入端相连接；所述深冷空分子***的氮气输出端与合成氨子***的输入端相连接，所述合成氨子***分离出未反应的氢气和氮气输送至热回收子***，所述热回收子***的氢气端与合成氨子***的输入端相连接，所述热回收子***的公用工程水输出端分别与电解水制氢子***和合成氨子***的热量输入端相连接。
进一步的，所述电解水制氢子***包含混合器A、电解槽、闪蒸罐A以及闪蒸罐B，所述混合器A的输出端与电解槽的输入端之间连接有换热器A，所述电解槽的阴极产物输出端与闪蒸罐A之间连接有换热器B，电解槽的阳极产物输出端与闪蒸罐B之间连接有换热器C；所述合成氨子***包含依次连接的混合器B、空气压缩组件、氨合成反应器以及闪蒸罐C，所述混合器B的输入端与闪蒸罐A的排气端相连接；所述空气压缩组件与氨合成反应器之间设有换热器D，氨合成反应器与闪蒸罐C之间设有冷凝器A；所述深冷空分子***包括依次连接的空气压缩机A、换热器E、蒸馏塔以及换热器F，所述蒸馏塔中分离出的液态氮气在换热器F中被加热气化并送入混合器B中；所述热回收子***包含依次连接的换热器G、冷凝器B以及闪蒸罐D，所述闪蒸罐C分离出未反应的氢气和氮气依次经过换热器G和冷凝器B后进入闪蒸罐D，闪蒸罐D分离出的氢气送入混合器B中。
进一步的，所述闪蒸罐A和闪蒸罐B分离出来的液态水回流至混合器A。
进一步的，所述空气压缩组件包括依次设置的空气压缩机B和空气压缩机C；所述氨合成反应器包括依次设置的氨合成反应器A、氨合成反应器B以及氨合成反应器C，所述换热器D设于空气压缩机C与氨合成反应器A之间，所述氨合成反应器A与氨合成反应器B之间设有换热器H，所述氨合成反应器B与氨合成反应器C之间设有换热器I，所述冷凝器A连接于氨合成反应器C与闪蒸罐C之间；所述换热器F还连接于氨合成反应器C与冷凝器A之间。
进一步的，所述闪蒸罐D氢气输出端与混合器B的输入端之间设有换热器J。
进一步的，所述热回收子***还包括混合器C和公用工程水输入***，所述公用工程水输入***具有出水端A、出水端B以及出水端C，公用工程水输入***的出水端A经过换热器D与混合器C的输入端相连接，公用工程水输入***的出水端B依次经过换热器B、换热器H与混合器C的输入端相连接，公用工程水输入***的出水端C依次经过换热器C、换热器I与混合器C的输入端相连接，所述混合器C的输出水依次流经换热器A和换热器J。
进一步的，所述闪蒸罐D分离出的氮气输送至换热器E。
进一步的，所述换热器A与混合器A之间连接有水泵。
与现有技术相比，本发明具有以下效果：本发明设计合理，利用不同子***之间冷、热能，可以回收不同部件之间冷、热能并运送至需要相应能量的部件进行能量梯级利用，用于高效率的输出氨气、氧气，并存储能量，解决了绿色氢氨***高耗能、热污染和冷、热能利用效率低的问题。
附图说明：
图1是本发明实施例的构造示意图。
图中：
1-混合器A；2-水泵；3-换热器A；4-电解槽；5-换热器C；6-换热器B；7-闪蒸罐A；8-闪蒸罐B；9-混合器B；10-空气压缩机B；11-空气压缩机C；12-换热器D；13-氨合成反应器A；14-换热器H；15-氨合成反应器B；16-换热器I；17-氨合成反应器C；18-换热器F；19-冷凝器A；20-闪蒸罐C；21-换热器G；22-冷凝器B；23-闪蒸罐D；24-空气压缩机A；25-换热器E；26-蒸馏塔；27-换热器J；28-混合器C；29-电解水制氢子***；30-深冷空分子***；31-合成氨子***；32-热回收子***。
具体实施方式:
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“ 纵向”、“ 横向”、“ 上”、“ 下”、“ 前”、“ 后”、“ 左”、“ 右”、“ 竖直”、“ 水平”、“ 顶”、“ 底”、“ 内”、“ 外”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，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。
如图1所示，本发明一种回热式绿色氢氨储能***，包括电解水制氢子***29、深冷空分子***30、合成氨子***31和热回收子***32，所述电解水制氢子***29的氢气输出端与合成氨子***31的输入端相连接；所述深冷空分子***30的氮气输出端与合成氨子***31的输入端相连接，电解水制氢子***输出的氢气和深冷空分子***输出的氮气在合成氨子***制得得到产品NH3和其他未反应的H2和N2；所述合成氨子***31离出未反应的氢气和氮气输送至热回收子***32，所述热回收子***32的氢气端与合成氨子***31的输入端相连接，所述热回收子***32的公用工程水输出端分别与电解水制氢子***29和合成氨子***31的热量输入端相连接。
本实施例中，所述电解水制氢子***29包含混合器A1、电解槽4、闪蒸罐A7以及闪蒸罐B8，所述混合器A1的输出端与电解槽4的输入端之间连接有换热器A3，换热器A3与混合器A1之间连接有水泵2；所述电解槽4的阴极产物输出端与闪蒸罐A7之间连接有换热器B6，电解槽4的阳极产物输出端与闪蒸罐B8之间连接有换热器C5；闪蒸罐A7和闪蒸罐B8分离出来的液态水回流至混合器A1。工作时，水在25℃、1bar的条件下进入电解水制氢子***，在经过水泵2加压后，由换热器A3预热后进入到电解槽4中，电解槽对水进行电解，H2在电解槽4阴极处析出，经过换热器B6被冷却后再到闪蒸罐A7中被分离出来，然后被送入合成氨子***；而电解槽4阳极出得到副产品O2，在换热器C5中被冷却后在闪蒸罐B8中被纯化分离。由闪蒸罐A7和闪蒸罐B8分离出来的液态水在混合器A1中与进料水混合，并再次流入电解槽中。
本实施例中，所述深冷空分子***30包括依次连接的空气压缩机A24、换热器E25、蒸馏塔26以及换热器F18，空气在空气压缩机A24中被压缩后，在换热器E25中被低温冷却到液体状态，然后被送到蒸馏塔26中分离出N2，蒸馏塔26中分离出的液态氮气在换热器F18中被加热气化并送入合成氨子***31。
本实施例中，所述合成氨子***31包含依次连接的混合器B9、空气压缩组件、氨合成反应器以及闪蒸罐C20，所述混合器B9的输入端与闪蒸罐A7和换热器F18的排气端相连接，闪蒸罐A7中被分离出来的H2输入混合器B9，蒸馏塔26中分离出的液态氮气在换热器F18中被加热气化并送入混合器B9；所述空气压缩组件与氨合成反应器之间设有换热器D12，氨合成反应器与闪蒸罐C20之间设有冷凝器A19。进一步的，所述空气压缩组件包括依次设置的空气压缩机B10和空气压缩机C11；所述氨合成反应器包括依次设置的氨合成反应器A13、氨合成反应器B15以及氨合成反应器C17，所述换热器D12设于空气压缩机C11与氨合成反应器A13之间，所述氨合成反应器A13与氨合成反应器B15之间设有换热器H14，所述氨合成反应器B15与氨合成反应器C17之间设有换热器I16，所述冷凝器A19连接于氨合成反应器C17与闪蒸罐C20之间；所述换热器F18还连接于氨合成反应器C17与冷凝器A19之间。工作时，分离出的液态N2在换热器F18中被加热气化并被送入混合器B9中与来自电解槽4的H2混合，H2和N2的混合气体被空气压缩机B10和空气压缩机C11压缩到工作压力，并在换热器D12中发生换热到工作温度。随后，混合物在氨合成反应器A13、氨合成反应器B15以及氨合成反应器C17中发生氨合成反应，并在反应器间设置的换热器H14、换热器I16中冷却反应气以维持理想的反应平衡。从氨合成反应器C17出口的NH3在换热器F18中被预冷，同时回收热能以气化空气分离出的N2，随后产品NH3在冷凝器A19中发生冷凝，然后在闪蒸罐C20中被分离，得到产品NH3和其他未反应的H2和N2。
本实施例中，所述热回收子***32包含依次连接的换热器G21、冷凝器B22以及闪蒸罐D23，所述闪蒸罐C20分离出未反应的氢气和氮气依次经过换热器G21和冷凝器B22后进入闪蒸罐D23，在闪蒸罐D23中H2被回收，并被送到混合器B9中与H2/N2混合物混合，以降低***的成本。而闪蒸罐D23分离出的氮气输送至换热器E25，分离出的N2被用于冷却空气分离中的进料空气以回收冷能，N2随后被释放到环境中。
本实施例中，所述闪蒸罐D23氢气输出端与混合器B9的输入端之间设有换热器J27。
本实施例中，所述热回收子***32还包括混合器C28和公用工程水输入***，所述公用工程水输入***具有出水端A、出水端B以及出水端C，公用工程水输入***的出水端A经过换热器D12与混合器C28的输入端相连接，公用工程水输入***的出水端B依次经过换热器B6、换热器H14与混合器C28的输入端相连接，公用工程水输入***的出水端C依次经过换热器C5、换热器I16与混合器C28的输入端相连接，所述混合器C的输出水依次流经换热器A和换热器J。公用工程水进入***后分作三部分，其中两部分分别在换热器C5和换热器B6中冷却从电解槽出来的水，随后进入氨合成反应器的间的换热器H14和换热器I16继续用以冷却氨合成反应器出口处的气体。另一部分直接进入换热器D12以冷却由于被压缩而升温的高压H2/N2混合气。随后三部分公用工程水在混合器C28中混合，先后进入换热器A3以加热即将进入电解槽的进料水和换热器27J以加热分离得到的回收H2。
具体实施过程：
启动阶段，水在25℃、1bar的条件下进入***，在经过水泵2加压后，由热交换器A3预热后进料到电解槽4。H2在电解槽4阴极处析出，经过换热器B6被冷却后再闪蒸罐A7中被分离出来，然后被送到下一个单元，而电解槽4阳极处得到副产品O2，在换热器C5中被冷却后在闪蒸罐B8中被纯化分离。由闪蒸罐A7和闪蒸罐B8分离出来的液态水在混合器A1中与进料水混合，并再次流入电解槽4中。
同时，空气在空气压缩机A24中被压缩后，在换热器E25中被低温冷却到液体状态，然后被送到蒸馏塔26中分离出N2。分离出的液态N2在换热器F18中被加热气化并被送入混合器B9中与来自电解槽4的H2混合。H2和N2的混合气体被空气压缩机A10和空气压缩机B11压缩到工作压力，并在换热器D12中发生换热到工作温度。随后，混合物在氨合成反应器A13、氨合成反应器B15、氨合成反应器C17中发生氨合成反应，并在氨合成反应器间设置换热器H14、换热器I16中冷却反应气以维持理想的反应平衡。从氨合成反应器C17出口的NH3在换热器F18中被预冷，同时回收热能以气化空气分离出的N2。随后产品NH3在冷凝器A19中发生冷凝，然后在闪蒸罐C20中被分离，得到产品NH3和其他未反应的H2和N2，这部分气体在换热器G21中被冷却后在冷凝器B22中被冷凝，在闪蒸罐D23中H2被回收，并被送到混合器B9中与H2/N2混合物混合，以降低***的成本。而分离出的N2被用于冷却空气分离中的进料空气以回收冷能，N2随后被释放到环境中。
此外，本***新增了公用工程水以提高能量的流动性。25℃，1bar条件下的公用工程水进入***后分作三部分，其中两部分分别在换热器C5和B6中冷却从电解槽4出来的水，随后进入氨合成反应器间的换热器H14和换热器I16继续用以冷却氨合成反应器出口处的气体。另一部分直接进入换热器D12以冷却由于被压缩而升温的高压H2/N2混合气。随后三部分公用工程水在混合器C28中混合，先后进入换热器A3以加热即将进入电解槽4的进料水和换热器J27以加热分离得到的回收H2。
本发明的优点在于：该***高效利用了绿色氢氨合成***内不同子***之间冷、热能，可以回收不同部件之间冷、热能并运送至需要相应能量的部件进行能量梯级利用，用于高效率的输出氨气、氧气，并存储能量，解决了绿色氢氨***高耗能、热污染和冷、热能利用效率低的问题。
本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。
本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (8)
1.一种回热式绿色氢氨储能***，其特征在于：包括电解水制氢子***、深冷空分子***、合成氨子***和热回收子***，所述电解水制氢子***的氢气输出端与合成氨子***的输入端相连接；所述深冷空分子***的氮气输出端与合成氨子***的输入端相连接，所述合成氨子***分离出未反应的氢气和氮气输送至热回收子***，所述热回收子***的氢气端与合成氨子***的输入端相连接，所述热回收子***的公用工程水输出端分别与电解水制氢子***和合成氨子***的热量输入端相连接。
2.根据权利要求1所述的一种回热式绿色氢氨储能***，其特征在于：所述电解水制氢子***包含混合器A、电解槽、闪蒸罐A以及闪蒸罐B，所述混合器A的输出端与电解槽的输入端之间连接有换热器A，所述电解槽的阴极产物输出端与闪蒸罐A之间连接有换热器B，电解槽的阳极产物输出端与闪蒸罐B之间连接有换热器C；所述合成氨子***包含依次连接的混合器B、空气压缩组件、氨合成反应器以及闪蒸罐C，所述混合器B的输入端与闪蒸罐A的排气端相连接；所述空气压缩组件与氨合成反应器之间设有换热器D，氨合成反应器与闪蒸罐C之间设有冷凝器A；所述深冷空分子***包括依次连接的空气压缩机A、换热器E、蒸馏塔以及换热器F，所述蒸馏塔中分离出的液态氮气在换热器F中被加热气化并送入混合器B中；所述热回收子***包含依次连接的换热器G、冷凝器B以及闪蒸罐D，所述闪蒸罐C分离出未反应的氢气和氮气依次经过换热器G和冷凝器B后进入闪蒸罐D，闪蒸罐D分离出的氢气送入混合器B中。
3.根据权利要求2所述的一种回热式绿色氢氨储能***，其特征在于：所述闪蒸罐A和闪蒸罐B分离出来的液态水回流至混合器A。
4.根据权利要求2所述的一种回热式绿色氢氨储能***，其特征在于：所述空气压缩组件包括依次设置的空气压缩机B和空气压缩机C；所述氨合成反应器包括依次设置的氨合成反应器A、氨合成反应器B以及氨合成反应器C，所述换热器D设于空气压缩机C与氨合成反应器A之间，所述氨合成反应器A与氨合成反应器B之间设有换热器H，所述氨合成反应器B与氨合成反应器C之间设有换热器I，所述冷凝器A连接于氨合成反应器C与闪蒸罐C之间；所述换热器F还连接于氨合成反应器C与冷凝器A之间。
5.根据权利要求4所述的一种回热式绿色氢氨储能***，其特征在于：所述闪蒸罐D氢气输出端与混合器B的输入端之间设有换热器J。
6.根据权利要求5所述的一种回热式绿色氢氨储能***，其特征在于：所述热回收子***还包括混合器C和公用工程水输入***，所述公用工程水输入***具有出水端A、出水端B以及出水端C，公用工程水输入***的出水端A经过换热器D与混合器C的输入端相连接，公用工程水输入***的出水端B依次经过换热器B、换热器H与混合器C的输入端相连接，公用工程水输入***的出水端C依次经过换热器C、换热器I与混合器C的输入端相连接，所述混合器C的输出水依次流经换热器A和换热器J。
7.根据权利要求2所述的一种回热式绿色氢氨储能***，其特征在于：所述闪蒸罐D分离出的氮气输送至换热器E。
8.根据权利要求2所述的一种回热式绿色氢氨储能***，其特征在于：所述换热器A与混合器A之间连接有水泵。
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| CN202310059585.3A Active CN115928105B (zh) | 2023-01-18 | 2023-01-18 | 一种回热式绿色氢氨储能*** |
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| CN114807962A (zh) * | 2022-04-14 | 2022-07-29 | 华中科技大学 | 一种基于吸收式热泵的碱性电解水制氢***及其调节方法 |
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-
2023
- 2023-01-18 CN CN202310059585.3A patent/CN115928105B/zh active Active
Patent Citations (7)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 孟硕;: "气头合成氨装置节能优化分析", 石油石化绿色低碳, no. 02, 20 April 2018 (2018-04-20) * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115928105B (zh) | 2024-05-03 |
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