CN220579415U - 一种电解水制氢耦合合成氨系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种电解水制氢耦合合成氨系统，属于合成氨技术领域。一种电解水制氢耦合合成氨系统，包括电解水制氢单元、空气分离单元、氢气压缩单元、氮气压缩单元、合成氨单元、二氧化碳捕集单元、合成尿素单元、第一余热回收单元和第二余热回收单元。通过电解水制氢单元提供的氢气和空气分离单元提供的氮气，两者在合成氨单元得到液氨。通过二氧化碳捕集单元捕集的二氧化碳，二氧化碳和液氨在合成尿素单元得到尿素。第一余热回收单元将合成氨单元收集的热量输送至氮气压缩单元，第二余热回收单元将合成尿素单元收集的热量输送至氢气压缩单元和电解水制氢单元，与合成氨单元、合成尿素单元和气体压缩单元共建循环利用系统。

Description

一种电解水制氢耦合合成氨系统

技术领域

本实用新型涉及合成氨技术领域，尤其涉及一种利用电解水制氢耦合合成氨系统。

背景技术

在21世纪,氢能和电解水技术的发展为实现低碳和清洁生产提供了可能性。电解水技术可以高效生产氢气,且绿色无污染，但长期以来，其应用一直面临着电力成本高的障碍。近年来，光伏电池和风电等可再生能源技术的发展大幅降低了电力成本，使电解水制氢成为实施低碳清洁生产的关键技术手段之一。

与此同时，氨合成工艺也在不断发展。20世纪初，高温高压条件下利用铁系催化剂使氮气与氢气生成氨的方法问世，实现了氨的工业生产。但该传统方法还是依赖于大量化石燃料，产生较多温室气体排放，不利于低碳发展。为减少化石燃料消耗和温室气体排放，利用电解水制氢与空气分离氮气，再经传统高温反应生成氨是一种绿色环保的氨生产方式，是当前化工产业实现低碳转型和高质量发展的重要技术途径之一，具有重要的工业意义和应用价值。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种电解水制氢耦合合成氨系统，通过利用电解水制氢与合成氨系统耦合并循环回收能量，以实现能量的高效利用。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种电解水制氢耦合合成氨系统，包括电解水制氢单元、空气分离单元、氢气压缩单元、氮气压缩单元、合成氨单元、二氧化碳捕集单元、合成尿素单元、第一余热回收单元和第二余热回收单元；

电解水制氢单元通过第一运输支路与合成氨单元连通，第一运输支路设置氢气压缩单元；

空气分离单元通过第二运输支路与合成氨单元连通，第二运输支路设置氮气压缩单元；

合成氨单元通过第三运输支路与合成尿素单元连通；

二氧化碳捕集单元通过第四运输支路与合成尿素单元连通；

第一余热回收单元一端通过第五运输支路与合成氨单元连通，另一端通过第六运输支路与氮气压缩单元连通；

第二余热回收单元一端通过第七运输支路与合成尿素单元连通，第二余热回收单元的另一端通过第八运输支路与氢气压缩单元连通，还通过第九运输支路与电解水制氢单元连通；

优选的，电解水制氢耦合合成氨系统设置有燃料电池单元，燃料电池单元一端与空气分离单元连接，另一端与电解水制氢单元连接，空气分离装置产生的冷却水通过第十运输支路输送至燃料电池单元，燃料电池单元将燃料电池单元产生的冷却水通过第十一运输支路输送至电解水制氢单元。

优选的，电解水制氢单元采用碱性电解水制氢装置。

优选的，电解水制氢单元连接用于储存电解水制氢装置产生氧气的储氧罐，储氧罐里的氧气通过第十三运输支路与燃料电池单元连通。

优选的，该合成氨系统还包括有发电单元，发电单元分别连接电解水制氢单元、空气分离单元、氢气压缩单元、氮气压缩单元、合成氨单元、二氧化碳捕集单元、合成尿素单元、第一余热回收单元和第二余热回收单元；

发电单元采用太阳能电池板或风力发电机。

优选的，二氧化碳捕集单元采用火电厂烟气收集装置、工业余气收集装置或生物质发酵处理装置。

优选的，氢气压缩单元和氮气压缩单元均采用气体压缩机，气体压缩机为双螺杆式空气压缩机。

本实用新型与现有技术相比，具有以下有益效果：

如上所述，本实用新型通过第一余热回收单元和第二余热回收单元实现了系统内部多余热量的高效利用，提高整个系统的能源效率，通过与合成氨单元、合成尿素单元和气体压缩单元密切配合，共同构建“热——物质”循环利用系统，降低系统能耗。

电解水制氢单元采用可再生电力制备高纯氢气，为合成氨系统提供原料氢气，两系统耦合，实现氨化工高质高产清洁生产，促进我国化工业转型升级。

二氧化碳捕集单元实现了资源的高效回收与利用，对开发循环经济和推进低碳产业具有重要作用。通过与合成尿素单元耦合，构建工业废弃物资源化利用链条，在源头上实现污染减排和资源保护。

本实用新型空气分离单元得到的冷却水进行再利用，将冷却水供给燃料电池单元，并进一步用于电解水制氢，实现物质及能量的循环利用。

本实用新型系统工艺简单，便于操作、易于安装调试和维护，产品具有较高附加值，具有良好的经济社会效益。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种电解水制氢耦合合成氨系统的示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。

基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本实用新型中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”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；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实用新型中的具体含义。

另外，本实用新型各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

请参阅图1，本实施例提供一种电解水制氢耦合合成氨系统包括：

电解水制氢单元1、空气分离单元2、合成氨单元3、氢气压缩单元4、氮气压缩单元5、二氧化碳捕集单元6、合成尿素单元7、发电单元8、第一余热回收单元9和第二余热回收单元10。

该实施例中，电解水制氢单元1用于制备合成氨所用的氢气，电解水制氢单元1采用碱性电解水制氢装置，采用一组或多组电解槽并联，更好地适配可再生能源发电单元8，高效电解产生氢气和氧气。

电解水制氢单元1产生的氢气进入氢气压缩单元4中，该实施例中，氢气压缩单元4采用氢气压缩机，氢气压缩机用于将氢气调节至所需的反应压力。氢气压缩机通过第一运输支路11与合成氨单元3连通，将电解产生的原料氢气进行压缩,调节至合成氨反应所需的压力。此外，避免压缩机油污染高纯氢气和满足安全要求，氢气压缩机采用双螺杆氢气压缩机。该实施例中，电解水制氢单元1产生的氧气通过第十二运输支路25运输至储氧罐24储存，储氧罐24中的氧气可通过第十三运输支路21输送至燃料电池单元22，可进一步供应于燃料电池单元22发电。

空气分离单元2，用于分离空气中的氮气，分离出的氮气用作合成氨的原料。该实施例中，空气分离单元2采用氮分离膜等节能型低温分离技术，减少系统能耗。空气分离单元2分离出氮气与冷却水，氮气输送到氮气压缩单元5，氮气压缩单元5用于调节合成氨的氮气压力，分离出的冷却水通过第十运输支路20输送至燃料电池单元22，为燃料电池单元22提供所需冷却水。该实施例中，氮气压缩单元5采用氮气压缩机，氮气压缩机用于将氮气调节至所需的反应压力。

合成氨单元3，用于将双螺杆氢气压缩机输送的氢气和氮气压缩机输送的氮气完成合成氨反应，得到产品液氨。该实施例中，合成氨单元3包括合成氨塔、氨液化单元等。合成氨塔中催化剂选自负载钌的金属氧化物催化剂，如Ru/Al2O3催化剂，通过优化改性使得催化剂的孔道结构更适合N₂和H₂的吸附和转化，更有利于合成氨反应的进行，降低反应温度，可以在相对低温下完成氨合成，显著降低反应系统能耗。合成氨塔采用优化设计，内部带有换热系统的多段式反应器，减少反应热损耗，显著提高氨产量。

二氧化碳捕集单元6，用于捕集合成尿素所需的二氧化碳，二氧化碳捕集单元6通过第四运输支路14与合成尿素单元7连通，将捕集的二氧化碳运输至合成尿素单元7，用于合成尿素。该实施例中，二氧化碳捕集单元6可以设置为火电厂烟气收集单元、工业余气收集单元和生物质发酵处理单元等，采用化学吸收、物理吸附或膜分离技术高效捕集二氧化碳，作为合成尿素的原料气体。

合成尿素单元7，用于将二氧化碳捕集单元收集的二氧化碳和合成氨单元3所得的液氨进一步合成尿素肥料。合成尿素系统所制得的尿素产品23可以用于农业氮肥、饲料添加剂、防腐剂和医药化工原料等。

第一余热回收单元9，用于将合成氨单元3的合成氨反应余热输送至氮气压缩机，提前预热合成氨反应所需的氮气。该实施例中，第一余热回收单元9通过第五运输支路15与合成氨单元3连通，第一余热回收单元9将合成氨单元3中合成氨反应余热通过第六运输支路16输送至氮气压缩机，该热量用来提前预热合成氨反应所需的氮气。

第二余热回收单元10，用于将收集合成尿素单元7中的合成尿素反应余热，运输到双螺杆氢气压缩机，预热合成氨反应所需的氢气。第二余热回收单元10还将一部分热量输送至电解水制氢单元1，预热碱液，缩短电解水系统启动时间，减少电解能耗，提高产氢效率。

第二余热回收单元10通过第七运输支路17与合成尿素单元7连通，第二余热回收单元10将合成尿素单元7回收的热量通过第八运输支路18输送到双螺杆氢气压缩机，预热合成氨反应所需的氢气。此外，第二余热回收单元10还将合成尿素单元7回收的热量通过第九运输支路19输送至电解水制氢单元1，预热碱液，缩短电解水系统启动时间，减少电解能耗，提高产氢效率。

发电单元8用于提供各工作单元所需的电量，该实施例中，发电单元8采用单晶硅太阳能电池板或垂直轴风力发电机等，对系统供电更加环保且可持续。发电单元8通过电缆连接电解水制氢单元1、空气分离单元2、合成氨单元3氢气压缩单元4、氮气压缩单元5、二氧化碳捕集单元6、合成尿素单元7、第一余热回收单元9和第二余热回收单元10。

此外，该实施例中，还采用燃料电池单元22进行发电，提供给碱性电解水制氢装置。通过上述空气分离单元2产生的冷却水和储氧罐24中的氧气进行发电，燃料电池单元22产生冷却水和电力输送至碱性电解水制氢装置，冷却水可作为电解水制氢的原料进行利用。

该实施例中，运输支路管道采用碳钢系列材料，化学成分安全、耐高压、防腐蚀，确保氢气和氮气等稳定输送。

该电解水制氢耦合合成氨系统的具体操作步骤如下：

首先将上述各单元连通，发电单元8进行发电，将电力输送至上述各工作单元。

碱性电解水制氢装置产生氢气和氧气，产生的氧气通过第十二运输支路25输送至储氧罐24存储，储氧罐24中的氧气通过第十三运输支路运输至燃料电池单元22，供燃料电池单元22发电使用。碱性电解水制氢装置产生的氢气输送至双螺杆氢气压缩机，氢气在双螺杆氢气压缩机中调节至所需的反应压力。

空气分离单元2分离出氮气与冷却水，氮气输送至氮气压缩机，氮气在氮气压缩机中调节至所需的反应压力。空气分离单元2产生的冷却水通过第十一运输支路21运输至燃料电池单元22，可为燃料电池单元22提供水源。

双螺杆氢气压缩机将氢气通过第一运输支路11运输至合成氨单元3，氮气压缩机将氮气通过第二运输支路12运输至合成氨单元3，氢气与氮气在氨塔内进行合成氨反应，并通过氨液化单元进行液化得到液化氨。

二氧化碳捕集单元6将火电厂烟气收集单元、工业余气收集单元和生物质发酵处理单元收集的二氧化碳通过第四运输支路14运输至合成尿素单元7。

合成氨单元3得到的液氨通过第三运输支路13输送至合成尿素单元7，与二氧化碳捕集单元6收集的二氧化碳在合成尿素单元7中合成尿素。

第一余热回收单元9将合成氨单元3中合成氨反应收集的热量通过第五运输支路15收集至第一余热回收单元9，并通过第六运输支路16运输至氮气压缩机，预热合成氨反应所需的氢气。

第二余热回收单元10将合成尿素单元7中合成尿素反应收集到的热量通过第七运输支路17运输至第二余热回收单元10，第二余热回收单元10通过第八运输支路18将部分热量运输至双螺杆氢气压缩机，预热合成氨反应所需的氢气。此外，第二余热回收单元10通过第九运输支路19将部分热量运输至碱性电解水制氢装置，预热碱液，缩短电解水系统启动时间，减少电解能耗，提高产氢效率。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本实用新型一种电解水制氢耦合合成氨系统有了清楚的认识。

当然，以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内，理应受到本实用新型的保护。

Claims (7)

1.一种电解水制氢耦合合成氨系统，其特征在于，包括电解水制氢单元、空气分离单元、氢气压缩单元、氮气压缩单元、合成氨单元、二氧化碳捕集单元、合成尿素单元、第一余热回收单元和第二余热回收单元；

所述电解水制氢单元通过第一运输支路与所述合成氨单元连通，所述第一运输支路设置所述氢气压缩单元；

所述空气分离单元通过第二运输支路与所述合成氨单元连通，所述第二运输支路设置所述氮气压缩单元；

所述合成氨单元通过第三运输支路与所述合成尿素单元连通；

所述二氧化碳捕集单元通过第四运输支路与所述合成尿素单元连通；

所述第一余热回收单元一端通过第五运输支路与合成氨单元连通，另一端通过第六运输支路与氮气压缩单元连通；

所述第二余热回收单元一端通过第七运输支路与合成尿素单元连通，第二余热回收单元的另一端通过第八运输支路与氢气压缩单元连通，第二余热回收单元还通过第九运输支路与电解水制氢单元连通。

2.根据权利要求1所述的一种电解水制氢耦合合成氨系统，其特征在于，所述电解水制氢耦合合成氨系统设置有燃料电池单元，所述燃料电池单元一端与所述空气分离单元连接，另一端与所述电解水制氢单元连接，空气分离装置产生的冷却水通过第十运输支路输送至燃料电池单元，所述燃料电池单元将燃料电池单元产生的冷却水通过第十一运输支路输送至电解水制氢单元。

3.根据权利要求1所述的一种电解水制氢耦合合成氨系统，其特征在于，所述电解水制氢单元采用碱性电解水制氢装置。

4.根据权利要求2所述的一种电解水制氢耦合合成氨系统，其特征在于，所述电解水制氢单元连接用于储存电解水制氢装置产生氧气的储氧罐，所述储氧罐通过第十三运输支路与所述燃料电池单元连通。

5.根据权利要求1所述的一种电解水制氢耦合合成氨系统，其特征在于，该合成氨系统还包括有发电单元，所述发电单元分别连接电解水制氢单元、空气分离单元、氢气压缩单元、氮气压缩单元、合成氨单元、二氧化碳捕集单元、合成尿素单元、第一余热回收单元和第二余热回收单元；

发电单元采用太阳能电池板或风力发电机。

6.根据权利要求1所述的一种电解水制氢耦合合成氨系统，其特征在于，所述二氧化碳捕集单元采用火电厂烟气收集装置、工业余气收集装置或生物质发酵处理装置。

7.根据权利要求1所述的一种电解水制氢耦合合成氨系统，其特征在于，所述氢气压缩单元和氮气压缩单元均采用气体压缩机，所述气体压缩机为双螺杆式空气压缩机。