一种基于液态空气储能与高温电解合成绿氨的系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于液态空气储能与高温电解合成绿氨的系统其原理如下：可再生能源发电系统，用于提供电能；液态空气储能单元，接受可再生能源发电系统的电力对外界空进行处理并以液态空气的形式将电能进行储存，同时能够将液态空气转化成气态形式并将该过程中的能量转化为电能；空气分离单元与液态空气储能单元相连接，并接收来自液态空气储能单元的液态空气进行分离处理得氮气；电解单元接收可再生能源发电系统的电力进行水电解反应得到氢气，当可再生能源发电系统供电不足时，接受液态空气储能单元的液态转换产生的电力驱动电解单元继续进行电解反应；氨合成单元接收来自空气分离单元的氮气及电解单元的氢气进行氨合成，同时将反应过程中产生的热量回收传送至电解单元。该发明专利技术的电转氨效率大幅度提升。该发明专利技术的电转氨效率大幅度提升。该发明专利技术的电转氨效率大幅度提升。

【技术实现步骤摘要】
一种基于液态空气储能与高温电解合成绿氨的系统


[0001]本专利技术涉及绿氨合成的
，尤其是涉及一种基于液态空气储能与高温电解合成绿氨的系统。

技术介绍

[0002]目前，随着光伏和风电成本的持续下降，基于可再生能源电解制氢，并进一步合成绿氨(把可再生能源用电分解水分解后的氢合成的氨，即为绿氨)的生产流程正成为越来越可行的选择。然而，与其他化学储能途径相比，电力
‑
氨
‑
电力路线的整体能量效率相对较低，经济可行性低。利用绿氨进行储能需要进一步提高效率，并降低其生产成本。
[0003]常规的电力转氨流程由三个主要部分组成：用于生成H2的电解水装置、用于生成N2的空气分离装置(ASU)或变压吸附(PSA)装置，以及利用N2和H2生产NH3的哈珀(HB)合成装置。电解槽是其中最关键的单元，目前主要有三种电解技术：碱性电解槽(AEC)、质子交换膜电解槽(PEMEC)和固体氧化物高温电解槽(SOEC)。
[0004]由于可再生能源供应的间歇性和波动性，直接与新能源耦合的电力转氨工艺无法连续运行，因此通常需要使用大型氢气储罐以确保后续工艺的安全性和可靠性。当前的工艺流程主要存在以下问题。
[0005](1)电解装置和哈珀合成装置各种独立运行，为适应可再生能源的波动性，电解槽的容量设计通常比后续合成装置的容量更大，造成投资成本增加；此外，为了保证合成氨装置能够维持在较为稳定的负荷下运行，储氢罐的容量设计也需相应提高，但高压存储大量H2存有泄漏、爆炸的安全隐患，且设备价格和维护成本较为高昂。
[0006](2)当前绿电转氨中多采用低温电解槽(碱性电解槽和质子交换膜电解槽等)，技术较为成熟，对新能源跟随性较好，能够更好的适应可再生能源出力波动性。然而相比于高温电解(固体氧化物高温电解槽)，低温电解过程效率较低；此外，由于电解装置和氨合成装置往往独立运行，没有进行合理的热量集成，从而导致绿电转氨整体转化效率进一步下降。

技术实现思路

[0007]针对现有技术存在的不足，本专利技术一方面提供了一种基于液态空气储能与高温电解合成绿氨的系统，包括：
[0008]可再生能源发电系统，用于提供电能；
[0009]液态空气储能单元，其与所述可再生能源发电系统连通，接受所述可再生能源发电系统的电力对外界空进行处理并以液态空气的形式将电能进行储存，同时能够将液态空气转化成气态形式并将该过程中的能量转化为电能；
[0010]空气分离单元，其与所述液态空气储能单元相连通，并接收来所自述液态空气储能单元的液态空气进行分离处理得氮气；
[0011]电解单元，其与所述可再生能源发电系统及所述液态空气储能单元电性连通，接收所述可再生能源发电系统的电力进行水电解反应得到氢气，当可再生能源发电系统供电
不足时，接受液态空气储能单元的液态转换产生的电力驱动电解单元继续进行电解反应；
[0012]氨合成单元，其与所述空气分离单元及所述电解单元相连通，接收来自所述空气分离单元的氮气及所述电解单元的氢气进行氨合成，同时将反应过程中产生的热量回收传送至所述电解单元。
[0013]具体而言，通过设置的液态空气储能单元，一方面可以接收可再生能源发电系统过剩的电量，将该电力用来驱动机械将空气进行处理的液态空气进行储存，当电力供应不足时，可通过将压缩空气转化为气态空气的过程来进行动力转化用来发电。更具体而言，通过设置的电解单元通过水电解反应得到氢气来替代以往的大型储氢罐的设计，一方面能够保证氢气供应量充足，另一方面减少储氢环节高压大量存储泄漏、爆炸的风险，还减少了设备成本及维护设备的成本。
[0014]进一步地，所述液态空气储能单元包括依次连通设置的过滤干燥装置、空气压缩机、冷却装置及液态空气储罐；所述过滤干燥装置用于接收外界空气，所述液态空气储罐与所述空气分离单元连通设置；外界空气首先经过过滤干燥装置进行净化与干燥，然后送入空气压缩机进行压缩，得到的高压空气在冷却装置进行冷却降温，被冷凝为液体空气，最后送入液态空气储罐中进行储存。具体而言，当可再生能源发电系统电力过剩足够负担电解单元时，可将部分电力用于空气压缩机等装置提供动力，对外界空进行液态化处理，并进行液态空气的储存，储存至液态空气储罐内；当可再生能源发电系统电力不足无法完全负担电解单元时，通过对液态空气储罐内液态空气转化为气态空气，进行能量转换，将该能量转化为发电机的动力带动发电机发电，再将电力用于电解单元进行的水电解反应。
[0015]进一步地，所述空气分离单元包括高压精馏塔、膨胀阀及低压精馏塔；所述高压精馏塔与所述液态空气储能单元连通设置，所述低压精馏塔与所述氨合成单元连通设置；其中，来自所述液态空气储能单元的液态空气从经过高压精馏塔进行精馏，然后送入膨胀阀中进行升压，最后送入低压精馏塔，最终分馏得氮气。应当理解是，精馏分馏是通过化学产品的沸点不同，将其从多种混合气体中分离出来的，具体而言，精馏过程中，可同时对液态空气中的氧气进行分馏分离，并进行回收收集。
[0016]进一步地，所述氨合成单元包括依次连通设置的第一级反应器、第二级反应器及第三级反应器；所述第一级反应器与所述空气分离单元及所述电解单元连通设置，分别接受来自两者的氮气及氢气进行氮合成反应；所述第二级反应器及所述第三级反应器接收来自第一级反应器的混合气体，继续进行氮合成反应及混合气体输送。具体而言，氨合成是在高温高压、催化剂的条件下进行的，且该反应为放热反应。具体而言通过设置的三个反应器进一步增加了反应时长，使合成反应进行的更充分。
[0017]进一步地，所述氨合成单元还包括氨分离装置；所述氨分离装置与所述第三级反应器连通设置，其接收经过三个反应器合成反应后的混合气体，并分离得到氨。
[0018]进一步地，所述第一级反应器与第二级反应器之间设置第三水换热器，所述第二级反应器与第三级反应器之间设置第二水换热器，所述第三级反应器出口处设置第一水换热器；所述第一水换热器、所述第二水换热器、第三水换热器内热交换水连通设置，三个水换热器中的水分别吸收氨合成过程中产生的热量并进行流通传递。具体而言，通过设置的多个换热器，对氨合成过程中释放的热量进行吸收转化，水介质从第一级水换器热引入，依次经过第一水换热器、第二水换热器及第三水换热器，逐步吸收各级反应器中产生的反应
热，并通过水介质进行热量转移。
[0019]进一步地，所述电解单元包括固体氧化物高温电解槽、氧气压缩机及氢气压缩机；所氢气压缩机一端连接所述固体氧化物高温电解槽、另一端连接所述第一级反应器；所述氧气压缩机一端与所述固体氧化物高温电解槽连通设置，另一端与所述第一级反应器连通。具体而言，所述固体氧化物高温电解槽，制氢高效迅速，不需要再设计储氢设备。更具体而言，固体氧化物高温电解槽内发生水解反应得到氢气及氧气，氧气经过氧气压缩机处理之后进行回收，氢气经过氢气压缩机处理后进入第一级反应器，并与氮气发生合成反应生成氨。
[0020]进一步地，所述电解单元还本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于液态空气储能与高温电解合成绿氨的系统，其特征在于，包括：可再生能源发电系统，用于提供电能；液态空气储能单元，其与所述可再生能源发电系统连通，接受所述可再生能源发电系统的电力对外界空进行处理并以液态空气的形式将电能进行储存，同时能够将液态空气转化成气态形式并将该过程中的能量转化为电能；空气分离单元，其与所述液态空气储能单元相连通，并接收来所自述液态空气储能单元的液态空气进行分离处理得氮气；电解单元，其与所述可再生能源发电系统及所述液态空气储能单元电性连通，接收所述可再生能源发电系统的电力进行水电解反应得到氢气，当可再生能源发电系统供电不足时，接受液态空气储能单元的液态转换产生的电力驱动电解单元继续进行电解反应；氨合成单元，其与所述空气分离单元及所述电解单元相连通，接收来自所述空气分离单元的氮气及所述电解单元的氢气进行氨合成，同时将反应过程中产生的热量回收传送至所述电解单元。2.根据权利要求1所述的基于液态空气储能与高温电解合成绿氨的系统，其特征在于，所述液态空气储能单元包括依次连通设置的过滤干燥装置、空气压缩机、冷却装置及液态空气储罐；所述过滤干燥装置用于接收外界空气，所述液态空气储罐与所述空气分离单元连通设置。3.根据权利要求1所述的基于液态空气储能与高温电解合成绿氨的系统，其特征在于，所述空气分离单元包括高压精馏塔、膨胀阀及低压精馏塔；所述高压精馏塔与所述液态空气储能单元连通设置，所述低压精馏塔与所述氨合成单元连通设置。4.根据权利要求1所述的基于液态空气储能与高温电解合成绿氨的系统，其特征在于，所述氨合成单元包括依次连通设置的第一级反应器、第二级反应器及第三级反应器；所述第一级反应器与所述空气分离单元及所述电解单元连通设置，分别接受来自两者的氮气及氢气进行氮合成反应；所述第二级反应器及所述第三级反应器接收来自第一级反应器的混合气体，继续进行氮合成反应及混合气体输...

【专利技术属性】
技术研发人员：王丹丹，李亚楼，安宁，李芳，杨小煜，孙璐，蔡靖，文晶，何蕾，陈兴雷，赵敏，徐希望，丁平，万凯遥，赵飞，
申请(专利权)人：国家电网有限公司国网新疆电力有限公司，
类型：发明
国别省市：