CN118669777A - 一种可再生能源制氨及能源回收利用系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可再生能源制氨及能源回收利用系统和方法。本发明的可再生能源制氨及能源回收利用系统包括供电系统、氢氮制备系统和合成氨能量回收系统，供电系统与氢氮制备系统和合成氨能量回收系统连接，氢氮制备系统包括空分设备、碱性电解槽和合成压缩机，合成氨能量回收系统包括合成塔、蒸汽发生器和换热器，空分设备和碱性电解槽通过合成压缩机与合成塔连接，合成塔与蒸汽发生器和换热器连接，蒸汽发生器的蒸汽出口与蒸汽用户和吸收式热泵连接，吸收式热泵与空调冷热用户连接，蒸汽发生器的氨气出口与换热器连接，换热器与生活热水用户连接。本发明通过能源梯级利用实现了冷热电联合供应，提高了能源利用效率。

Description

一种可再生能源制氨及能源回收利用系统和方法

技术领域

本发明涉及制氨技术领域，尤其是涉及一种可再生能源制氨及能源回收利用系统和方法。

背景技术

氨的能源属性和储能属性使其在动力燃料、清洁电力和储氢载体等新市场方面具有极大的发展潜力。绿氨是由氮和氢在高温高压和催化剂存在下直接合成的氨，氨市场由传统合成氨向绿氨过渡已成大势所趋，积极探索绿氢、绿氨能等替代化石能源的新方式和新途径日渐为人们所关注。利用风电、光伏、生物质等可再生能源发电制氢后与氮气合成绿氨，可以有效解决可再生能源消纳问题，同时可以解决传统高压储运氢等难题。

绿氨生产过程中伴随着产热过程，合理地利用和控制绿氨生产过程中放出的热量，可以节约生产中的能源消耗，降低生产成本，并且可以提高氨的合成率，尽量回收这部分热量可使吨氨的能耗降低。然而，目前针对绿氨生产过程中的各种热量回收方法都仅限于工艺系统内部利用，不仅能源消耗场景单一，此外热量的综合利用效率较低。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可再生能源制氨及能源回收利用系统和方法，通过能源梯级利用实现了冷热电联合供应，在保证供能可靠性的同时提高了能源利用效率。

本发明提供一种可再生能源制氨及能源回收利用系统，包括供电系统、氢氮制备系统和合成氨能量回收系统，供电系统分别与氢氮制备系统和合成氨能量回收系统连接以对其进行供电，氢氮制备系统包括空分设备、给水箱、碱性电解槽和合成压缩机，合成氨能量回收系统包括合成塔、蒸汽发生器和换热器，碱性电解槽的进口端与给水箱连接，合成压缩机的进口端分别与空分设备和碱性电解槽连接，合成压缩机的出口端与合成塔的进口端连接，合成塔的出口端分别与蒸汽发生器和换热器连接，蒸汽发生器的蒸汽出口分别与蒸汽用户和吸收式热泵连接，吸收式热泵与空调冷热用户连接，蒸汽发生器的氨气出口与换热器连接，换热器与生活热水用户连接。

进一步地，供电系统包括光伏发电系统、风电系统和生物质发电系统，供电系统与储能电池连接。

进一步地，空分设备和合成压缩机的冷却水管道通过循环水泵与余热回收器连接，给水箱和余热回收器的进口端分别通过给水管道与水源连接，在给水箱和余热回收器的给水管道上分别设有阀门，余热回收器的出口端通过补水管道与给水箱连接。

进一步地，在合成塔的进口端和出口端分别设有热管换热器。

进一步地，在合成塔、蒸汽发生器和换热器之间的连接管道上分别设有阀门。

进一步地，换热器包括依次设置的一级换热器和二级换热器，一级换热器通过循环水泵与蓄热水箱连接，蓄热水箱通过给水泵与供热水箱连接，供热水箱与生活热水用户连接，二级换热器通过循环水泵与水源热泵连接，水源热泵通过循环水泵与供热水箱连接。

进一步地，在一级换热器与蓄热水箱之间的连接管道上设有阀门，在二级换热器与水源热泵之间的连接管道上设有阀门。

进一步地，吸收式热泵通过循环水泵与余热回收器连接，余热回收器通过补水管道分别与蓄热水箱和给水箱连接，在余热回收器与蓄热水箱和给水箱的补水管道上分别设有阀门。

进一步地，余热回收器通过进水管道分别与连接一级换热器和二级换热器连接，一级换热器和二级换热器通过出水管道分别与余热回收器连接，在进水管道和出水管道上分别设有阀门，在进水管道与出水管道之间的补水管道上设有阀门。

本发明还提供一种可再生能源制氨及能源回收利用方法，采用上述可再生能源制氨及能源回收利用系统进行。

本发明的可再生能源制氨及能源回收利用系统利用合成塔合成氨气过程中产生的热量，通过蒸汽发生器产生的蒸汽供给蒸汽用户和空调冷热用户，同时通过换热器换热产生的热水供给生活热水用户，有效利用氨合成工艺过程产生的大量余热，提供外送蒸汽、空调冷热水、生活热水等多种能源消耗场景，提高了能源综合利用率和系统经济性；此外，通过能源梯级利用实现了冷热电联合供应，在保证供能可靠性的同时提高了能源利用效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施方式的可再生能源制氨及能源回收利用系统的结构示意图。

附图标记说明：

1：空分设备；2：给水箱；3：碱性电解槽；4：合成压缩机；5：合成塔；6：蒸汽发生器；7：一级换热器；8：二级换热器；9：吸收式热泵；10：储能电池；11、12：余热回收器；13：热管换热器；14：蓄热水箱；15：给水泵；16：供热水箱；17：水源热泵；18、19、20、21、22：循环水泵。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

结合图1所示，本实施例的可再生能源制氨及能源回收利用系统包括供电系统、氢氮制备系统和合成氨能量回收系统，供电系统分别与氢氮制备系统和合成氨能量回收系统连接以对其进行供电，氢氮制备系统包括空分设备1、给水箱2、碱性电解槽3和合成压缩机4，合成氨能量回收系统包括合成塔5、蒸汽发生器6和换热器，碱性电解槽3的进口端与给水箱2连接，合成压缩机4的进口端分别与空分设备1和碱性电解槽3连接，合成压缩机4的出口端与合成塔5的进口端连接，合成塔5的出口端分别与蒸汽发生器和换热器连接，蒸汽发生器6的蒸汽出口分别与蒸汽用户和吸收式热泵9连接，吸收式热泵9与空调冷热用户连接，蒸汽发生器6的氨气出口与换热器连接，换热器与生活热水用户连接。

具体地，供电系统包括光伏发电系统、风电系统和生物质发电系统，供电系统与储能电池10连接。光伏发电系统、风电系统和生物质发电系统可以经电网连接储能电池10、氢氮制备系统、合成氨能量回收系统和末端电用户。由于光伏发电系统、风电系统具有波动性、间接性和不确定性，无法保证绿电绿氨的稳定供应，因此配套设置生物质发电系统和储能电池10以保证供电供能的稳定性，减少系统对网电的依赖，以便生产真正的“绿氨”。

光伏发电系统、风电系统电力中的一部分用于氢氮制备系统、合成氨能量回收系统和末端电用户；当光伏发电系统、风电系统电力大于用电需求时，多余部分的电量可储存至储能电池10；当光伏发电系统、风电系统电力小于用电需求时，优先启动储能电池10供电，同时降低合成氨能量回收系统生产负荷，启动生物质发电系统，通过合成氨能量回收系统的负荷调节以及储能电池10、生物质发电系统的补充供电，保证合成氨能量回收系统的稳定连续运行。

氢氮制备系统主要用于制备氢气和氮气，主要包括空分设备1、给水箱2、碱性电解槽3和合成压缩机4；其中，空分设备1用于分离空气以便制备氮气，给水箱2用于向碱性电解槽3供水，碱性电解槽3用于电解水制备氢气，合成压缩机4用于对合成的氢气和氮气进行混合并压缩。

进一步地，氢氮制备系统还包括循环水泵18和余热回收器11，空分设备1和合成压缩机4的冷却水管道可以通过循环水泵18与余热回收器11连接，给水箱2和余热回收器11的进口端分别通过给水管道与水源连接，在给水箱2和余热回收器11的给水管道上分别设有阀门V1、阀门V2，空分设备1和合成压缩机4的冷却水经余热回收器11降温后返回，自来水预热后输送至给水箱2，通过控制阀门V1、阀门V2的流量比实现余热回收器11的余热回收量。预热后的补水送至碱性电解槽3，提高了碱性电解槽3电解水的反应温度，进而提高了电解效率。

在合成塔5的进口端和出口端分别设有热管换热器13，经合成压缩机4压缩后的氢氮混合气体经合成塔5进口端的热管换热器13换热后进入合成塔5，合成塔5制取的高温氨气经合成塔5出口端的热管换热器13换热后进入蒸汽发生器6。蒸汽发生器6的蒸汽出口分别与蒸汽用户和吸收式热泵9连接，吸收式热泵9与空调冷热用户连接，蒸汽发生器6产生的水蒸气分为两路外供，一路与吸收式热泵9连接，吸收式热泵9经管网连接至空调冷热用户，另一路经管网连接至蒸汽用户。

在合成塔5、蒸汽发生器6和换热器之间的连接管道上分别设有阀门；具体地，在合成塔5与蒸汽发生器6的连接管道上设有阀门V5，在合成塔5与换热器的连接管道上设有阀门V6，在蒸汽发生器6与换热器的连接管道上设有阀门V7，通过阀门V5、阀门V6和阀门V7调节进入蒸汽发生器6的氨气流量以便控制蒸汽产量。

此外，在蒸汽发生器6与蒸汽用户的输送管道上设有阀门V8，在蒸汽发生器6与吸收式热泵9之间的连接管道上设有阀门V9；通过阀门V8、阀门V9调节蒸汽发生器6向蒸汽用户和吸收式热泵9的供汽量。

蒸汽发生器6的氨气出口与换热器连接；具体地，换热器包括依次设置的一级换热器7和二级换热器8，一级换热器7通过循环水泵19与蓄热水箱14连接，蓄热水箱14通过给水泵15与供热水箱16连接，供热水箱16与生活热水用户连接，二级换热器8通过循环水泵20与水源热泵17连接，水源热泵17通过循环水泵21与供热水箱16连接，在一级换热器7与蓄热水箱14之间的连接管道上设有阀门V14、阀门V15，在二级换热器8与水源热泵17之间的连接管道上设有阀门V16、阀门V17。

吸收式热泵9通过循环水泵22与余热回收器12连接，余热回收器12通过补水管道分别与蓄热水箱14和给水箱2连接，在余热回收器12与给水箱2和蓄热水箱14的补水管道上分别设有阀门V3、阀门V4。补水经余热回收器12预热后，开启阀门V3或阀门V4，经补水管道输送至给水箱2或蓄热水箱14。

余热回收器12通过进水管道分别与一级换热器7和二级换热器8连接，一级换热器7和二级换热器8通过出水管道分别与余热回收器12连接，在一级换热器7和二级换热器8的进水管道上分别设有阀门V10、阀门V11，在一级换热器7和二级换热器8的出水管道上分别设有阀门V12、阀门V13，阀门V3位于进水管道与出水管道之间的补水管道上。当生活热水负荷需求降低时，关闭阀门V3，开启阀门V11至阀门V13，补水经进水管道依次通过一级换热器7和二级换热器8加热后输送至给水箱2。

在合成氨能量回收系统联合生活热水供应时，生活热水补水经余热回收器12预热后，开启阀门V4，经补水管道送至蓄热水箱14，开启阀门V14、阀门V15，低温水经过管道进入一级换热器7加热，通过循环水泵19回到蓄热水箱14，完成蓄热功能；蓄热水箱14中的高温水经过给水泵15通过管道送至供热水箱16，如供热水箱16中的水温未达到供热需求时，供热水箱16中的低温水进一步通过循环水泵21进入水源热泵17中进行加热，高温水经过管道回到供热水箱16；水源热泵17蒸发侧的低温水经过管道进入二级换热器8进行加热，开启阀门V16、阀门V17，高温水通过循环水泵20回到水源热泵17，水源热泵17经循环水泵21与供热水箱16连接，以便作为生活热水补充热源；供热水箱16通过管网向生活热水用户提供热水，氨气经一级换热器7、二级换热器8换热后冷凝成液氨。合成氨过程中产生的高温余热经四级换热利用后冷凝成液氨，向用户提供了空调冷热、蒸汽及生活热水，提高了余热利用效率。

本实施例的可再生能源制氨及能源回收利用系统利用合成塔5合成的氨气通过蒸汽发生器6产生蒸汽供给蒸汽用户和空调冷热用户，同时通过换热器换热后产生热水供给生活热水用户，有效利用氨合成工艺过程产生的大量余热，提供外送蒸汽、空调冷热水、生活热水等多种能源消耗场景，提高了能源综合利用率和系统经济性此外，通过能源梯级利用实现了冷热电联合供应，在保证供能可靠性的同时提高了能源利用效率。

实施例2

本实施例的可再生能源制氨及能源回收利用方法采用实施例1的可再生能源制氨及能源回收利用系统进行，具体如下：

在供电系统中，光伏发电系统、风电系统、生物质发电系统经电网连接储能电池10、氢氮制备系统、合成氨能量回收系统和末端电用户；根据实际情况和需要利用光伏发电系统、风电系统、生物质发电系统、储能电池10为氢氮制备系统、合成氨能量回收系统提供电力。

在氢氮制备系统系统中，空气经空分设备1分离制备氮气；水通过给水管道经阀门V1、阀门V2调节流量后分别送入给水箱2和余热回收器11，给水箱2中的水进入碱性电解槽3中在40-80℃下电解产生氢气，氮气和氢气分别通过管道送至合成压缩机4中进行压缩。空分设备1和合成压缩机4的冷却水经余热回收器11降温后返回，自来水预热后经给水箱2送至碱性电解槽3，以便提高电解水的反应温度和电解效率。

在合成氨能量回收系统中，经合成压缩机4压缩后的氢氮混合气体经热管换热器13换热后进入合成塔5，合成塔5制取得到高温氨气，高温氨气经热管换热器13换热后进入蒸汽发生器6。蒸汽发生器6的蒸汽出口分别与蒸汽用户和吸收式热泵9连接，吸收式热泵9与空调冷热用户连接，蒸汽发生器6产生的水蒸气分为两路外供，一路与吸收式热泵9连接，吸收式热泵9经管网连接至空调冷热用户，另一路经管网连接至蒸汽用户。氨气经过蒸汽发生器6换热降温，蒸汽发生器6的氨气出口与一级换热器7一次侧入口连接，一级换热器7二次侧经过循环水泵19与蓄热水箱14连接，蓄热水箱14经过给水泵15与供热水箱16连接，供热水箱16经管网连接至生活热水用户；氨气经一级换热器7换热降温至70℃左右，一级换热器7一次侧出口接至二级换热器8一次侧入口，二级换热器8二次侧经循环水泵20与水源热泵17连接，水源热泵17经循环水泵21与供热水箱16连接以作为生活热水补充热源，供热水箱16经管网连接至生活热水热用户，氨气经二级换热器8一次侧出口冷凝成液氨。吸收式热泵9的吸收器、冷凝器经循环水泵22与余热回收器12一次侧连接，余热回收器12二次侧与制氢系统和生活热水系统补水连接。合成氨过程中产生的高温余热经四级换热利用后冷凝成液氨，向用户提供了空调冷热、蒸汽及生活热水，提高了余热利用效率。

上述可再生能源制氨及能源回收利用方法的运行及调控过程如下：

1、光伏发电系统、风电系统电力中的一部分用于氢氮制备系统、合成氨能量回收系统和末端电用户；当光伏发电系统、风电系统电力大于用电需求时，多余部分的电量储存至储能电池10；当光伏发电系统、风电系统电力小于用电需求时，启动储能电池10供电，同时降低合成氨能量回收系统生产负荷，启动生物质发电系统，通过合成氨能量回收系统的负荷调节以及储能电池10、生物质发电系统的补充供电，保证合成氨能量回收系统的稳定连续运行。

2、制氢系统补水由两部分构成，一部分水由余热回收器18预热后输送至给水箱2，通过控制阀门V1、阀门V2的流量实现余热回收器18的余热回收量；另一部分水由余热回收器12预热后，开启阀门V3，经补水管道输送至给水箱2；当生活热水负荷需求降低时，补水经余热回收器12预热后，关闭阀门V3，开启阀门V11-阀门V13，补水经管道依次通过一级换热器7和二级换热器8加热后输送至给水箱2。

3、合成氨能量回收系统联合供冷、供热以及供应蒸汽时，氢氮混合气经合成塔5反应后生成高温高压氨气，热管换热器13根据合成氨负荷比例自动调节换热量；经热管换热器13热端排出的氨气通过蒸汽发生器6换热，产生的蒸汽通过管道分别供给蒸汽用户及吸收式热泵9，吸收式热泵9通过管网向空调冷热用户提供冷热源，通过阀门V5-阀门V7调节进入蒸汽发生器6的氨气流量以控制蒸汽产量，通过阀门V8、阀门V9调节蒸汽用户及吸收式热泵9的供汽量。

4、合成氨能量回收系统联合生活热水供应时，生活热水补水经余热回收器12预热后，开启阀门V4，经管道送至蓄热水箱14，开启阀门V14、阀门V15，低温水经过管道进入一级换热器7加热，通过循环水泵19回到蓄热水箱14，完成蓄热功能；蓄热水箱14中的高温水经过给水泵15和管道送至供热水箱16，供热水箱16中的低温水通过循环水泵21进入水源热泵17进行加热，高温水经过管道回到供热水箱16；水源热泵17蒸发侧的低温水经过管道进入二级换热器8加热，开启阀门V16、阀门V17，高温水通过循环水泵20回到水源热泵17；供热水箱16通过管网向生活热水用户提供热水；

合成氨能量回收系统处于非满负荷工况运行时，以氨冷却工艺需求为主，调整外送蒸汽、空调冷热、生活热水供应量及储存量，保证系统稳定运行。

本实施例的可再生能源制氨及能源回收利用方法提供了一种新的能量梯级回收利用方式，利用可再生能源供电并制取氢气和氮气，结合氢气与氮气合成氨生产过程中产生的大量余热与一级换热器7、二级换热器8、吸收式热泵9、水源热泵17等进行间接连接，形成一套冷热电汽联合供应系统和方法；能源侧多能互补，供能安全可靠，负荷侧灵活可调、可再生能源消纳比例高，方法操作简单，可拓展性强；特别是，通过充分利用可再生能源制氨过程中的余热，提高了综合能源利用率，实现了冷热电蒸汽联合供应，使可再生能源获得比较稳定的输出，在保证供能可靠性的同时提高了能源利用效率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种可再生能源制氨及能源回收利用系统，其特征在于，包括供电系统、氢氮制备系统和合成氨能量回收系统，供电系统分别与氢氮制备系统和合成氨能量回收系统连接以对其进行供电，氢氮制备系统包括空分设备、给水箱、碱性电解槽和合成压缩机，合成氨能量回收系统包括合成塔、蒸汽发生器和换热器，碱性电解槽的进口端与给水箱连接，合成压缩机的进口端分别与空分设备和碱性电解槽连接，合成压缩机的出口端与合成塔的进口端连接，合成塔的出口端分别与蒸汽发生器和换热器连接，蒸汽发生器的蒸汽出口分别与蒸汽用户和吸收式热泵连接，吸收式热泵与空调冷热用户连接，蒸汽发生器的氨气出口与换热器连接，换热器与生活热水用户连接。

2.根据权利要求1所述的可再生能源制氨及能源回收利用系统，其特征在于，供电系统包括光伏发电系统、风电系统和生物质发电系统，供电系统与储能电池连接。

3.根据权利要求1所述的可再生能源制氨及能源回收利用系统，其特征在于，空分设备和合成压缩机的冷却水管道通过循环水泵与余热回收器连接，给水箱和余热回收器的进口端分别通过给水管道与水源连接，在给水箱和余热回收器的给水管道上分别设有阀门，余热回收器的出口端通过补水管道与给水箱连接。

4.根据权利要求1所述的可再生能源制氨及能源回收利用系统，其特征在于，在合成塔的进口端和出口端分别设有热管换热器。

5.根据权利要求1所述的可再生能源制氨及能源回收利用系统，其特征在于，在合成塔、蒸汽发生器和换热器之间的连接管道上分别设有阀门。

6.根据权利要求1所述的可再生能源制氨及能源回收利用系统，其特征在于，换热器包括依次设置的一级换热器和二级换热器，一级换热器通过循环水泵与蓄热水箱连接，蓄热水箱通过给水泵与供热水箱连接，供热水箱与生活热水用户连接，二级换热器通过循环水泵与水源热泵连接，水源热泵通过循环水泵与供热水箱连接。

7.根据权利要求6所述的可再生能源制氨及能源回收利用系统，其特征在于，在一级换热器与蓄热水箱之间的连接管道上设有阀门，在二级换热器与水源热泵之间的连接管道上设有阀门。

8.根据权利要求6所述的可再生能源制氨及能源回收利用系统，其特征在于，吸收式热泵通过循环水泵与余热回收器连接，余热回收器通过补水管道分别与蓄热水箱和给水箱连接，在余热回收器与蓄热水箱和给水箱的补水管道上分别设有阀门。

9.根据权利要求8所述的可再生能源制氨及能源回收利用系统，其特征在于，余热回收器通过进水管道分别与连接一级换热器和二级换热器连接，一级换热器和二级换热器通过出水管道分别与余热回收器连接，在进水管道和出水管道上分别设有阀门，在进水管道与出水管道之间的补水管道上设有阀门。

10.一种可再生能源制氨及能源回收利用方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一所述的可再生能源制氨及能源回收利用系统进行。