一种可再生能源电解水制氢直接合成绿氨系统的制作方法

1.本实用新型涉及一种可再生能源电解水制氢直接合成绿氨系统，属于能源技术领域。

背景技术：

2.氢能是一种来源广泛、清洁无碳、灵活高效且应用场景丰富的二次能源，可以解决可再生电力能源消纳和储存的问题。由于氢具有密度小、扩散能力强、易燃易爆(在空气中爆炸极限为4～75％)、氢脆和储存难等特殊的物理性质，因此，安全高效的储运及应用技术是氢能产业大规模发展的关键所在，也是制约氢能产业经济性发展的瓶颈。而解决氢能储运问题是氢能安全高效使用的必要前提，也是氢能全产业链降低成本的关键一环。
3.电解水制氢是指在直流电的作用下，通过电化学过程将水分子分解为氢气和氧气，分别在阴、阳极析出。目前，氢能主要通过电解水制氢生产。若能使用可再生能源电解水制取绿氢作为原料直接合成绿氨不仅可以实现新能源的本地化有效消纳，也是化工绿转型的重要途径，可显著降低化工行业的碳排放，规模化应用潜力巨大。

技术实现要素：

4.为解决上述缺陷，本实用新型提供了一种可再生能源电解水制氢直接合成绿氨系统，所述电解水制氢直接合成绿氨系统包括电解水制氢装置、合成氨装置以及氮气输送装置；所述电解水制氢装置和合成氨装置之间设有压缩装置；所述压缩装置包括第一压缩机和氢气高压储罐；所述第一压缩机的进气端与电解水制氢装置相连通，出气端与氢气高压储罐的进气端相连通，使得电解水制氢装置产生的氢气能够在高压的状态下进入氢气高压储罐；所述氢气高压储罐的出气端与合成氨装置相连通，所述氮气输送装置的出气端与合成氨装置相连通，使得氢气高压储罐中的高压氢气以及氮气能够进入合成氨装置中，在合成氨催化剂(电解水制氢产生的氢气中不可避免地掺杂少量的氧气，此处采用抗氧性合成氨催化剂可无需使用纯化装置对掺杂少量的氧气的氢气进行脱氧处理，直接将其作为原料直接合成绿氨，此处抗氧性合成氨催化剂为负载型的抗氧性合成氨催化剂，活性组分采用comoni非贵金属或钌基贵金属，载体采用碳纳米材料、氧化铝或分子筛，活性助剂采用ca、mg等金属氧化物)的作用下进行反应，生成液氨。
5.在本实用新型的一种实施方式中，所述电解水制氢装置包括电解池、氧气纯化装置以及氢气纯化装置；所述氧气纯化装置的进气端与电解池的阳极槽相连通，出气端与大气或氧气储罐相连通，用于收集并纯化电解池产生的氧气；所述氢气纯化装置的进气端与电解池的阴极槽相连通，出气端与第一压缩机的进气端相连通，用于收集并纯化电解池产生的氢气，并将纯化后的氢气输送至第一压缩机。
6.在本实用新型的一种实施方式中，所述氢气纯化装置包括依次相连的氢气侧换热器、氢气气液分离器以及氢气洗涤塔；所述氢气侧换热器的进气端与电解池的阴极槽相连通，所述氢气洗涤塔的出气端与第一压缩机的进气端相连通，使得电解池产生的氢气能够
先经氢气侧换热器降温，再经氢气气液分离器和氢气洗涤塔纯化，然后经第一压缩机压缩后，在高压的状态下进入氢气高压储罐。
7.在本实用新型的一种实施方式中，所述氧气纯化装置包括依次相连的氧气侧换热器、氧气气液分离器以及氧气洗涤塔；所述氧气侧换热器的进气端与电解池的阳极槽相连通，所述氧气洗涤塔的出气端与大气或氧气储罐相连通，使得电解池产生的氧气能够先经氧气侧换热器降温，再经氧气气液分离器和氧气洗涤塔纯化后，排放至大气或进入氧气储罐。
8.在本实用新型的一种实施方式中，所述电解池为碱性(awe)电解池或质子交换膜(pem)电解池。
9.在本实用新型的一种实施方式中，所述电解水制氢装置还包括水供应组件；所述水供应组件包括氧气侧水供应管道以及氢气侧水供应管道；所述氧气水供应管道依次连接氧气侧换热器和氧气洗涤塔，给氧气侧换热器和氧气洗涤塔供应水；所述氢气侧水供应管道依次连接氢气侧换热器和氢气洗涤塔，给氢气侧换热器和氢气洗涤塔供应水。
10.在本实用新型的一种实施方式中，所述氧气侧水供应管道以及氢气侧水供应管道之间串联或并联。
11.在本实用新型的一种实施方式中，所述电解水制氢装置还包括电解液循环组件；所述电解液循环组件包括氧气侧电解液循环管道以及氢气侧电解液循环管道；所述氧气侧电解液循环管道依次连接电解池、氧气气液分离器和氧气洗涤塔，使得氧气气液分离器和氧气洗涤塔中的电解液回流至电解池；所述氢气侧电解液循环管道依次连接电解池、氢气气液分离器和氢气洗涤塔，使得氢气气液分离器和氢气洗涤塔中的电解液回流至电解池。
12.在本实用新型的一种实施方式中，所述氧气侧电解液循环管道以及氢气侧电解液循环管道之间串联或并联。
13.在本实用新型的一种实施方式中，所述电解水制氢装置还包括液体平衡组件；所述液体平衡组件包括液体平衡管道；所述液体平衡管道的一端与氧气气液分离器相连通，另一端与氢气气液分离器相连通，以平衡氧气气液分离器和氢气气液分离器内的溶液高度。
14.在本实用新型的一种实施方式中，所述合成氨装置包括依次相连的压力调节器、合成氨反应器、换热组件、闪蒸组件以及冷剂输送装置；所述压力调节器的进气端与氢气高压储罐相连通，所述氮气输送装置的出气端与合成氨反应器相连通，使得氢气高压储罐中的高压氢气能够先经压力调节器调节至合成氨反应器所需的压力，再与氮气共同进入合成氨反应器中，在其装填的合成氨催化剂的作用下进行反应，生成氨气；所述冷剂输送装置包括冷剂输入管道和冷剂输出管道；所述冷剂输入管道的输出端与换热组件相连通，所述冷剂输出管道的输入端与换热组件相连通，所述闪蒸组件的出气端与液氨储罐相连通，使得合成氨反应器中生成的氨气能够先经生成液氨换热组件换热和冷凝液化，再经闪蒸组件提纯，生成液氨并进入液氨储罐。
15.在本实用新型的一种实施方式中，所述合成氨装置还包括合成气循环组件；所述合成气循环组件包括合成气循环管道；所述合成气循环管道依次连接闪蒸组件、换热组件和压力调节器，使得闪蒸组件排出的循环合成气能够与氢气高压储罐中的高压氢气混合后，先经压力调节器调节至合成氨反应器所需的压力，再与氮气共同进入合成氨反应器中，
在合成氨催化剂的作用下进行反应，生成氨气。
16.在本实用新型的一种实施方式中，所述换热组件包括依次相连的一级换热器和二级换热器；所述冷剂输入管道的输出端与二级换热器相连通，所述冷剂输出管道的输入端与二级换热器相连通。
17.在本实用新型的一种实施方式中，所述闪蒸组件包括依次相连的一级闪蒸罐和二级闪蒸罐；所述合成气循环管道依次连接一级闪蒸罐、二级换热器、一级换热器和压力调节器。
18.在本实用新型的一种实施方式中，所述合成氨装置还包括驰放气输出组件；所述驰放气输出组件包括驰放气输出管道；所述驰放气输出管道的一端与二级闪蒸罐相连通，另一端与火炬系统相连通，使得二级闪蒸罐产生的驰放气能够在火炬系统进行燃烧。
19.在本实用新型的一种实施方式中，所述压力调节器为减压阀和/或第二压缩机。
20.本实用新型技术方案，具有如下优点：
21.本实用新型提供了一种可再生能源电解水制氢直接合成绿氨系统，所述电解水制氢直接合成绿氨系统包括电解水制氢装置、合成氨装置以及氮气输送装置；所述电解水制氢装置和合成氨装置之间设有压缩装置；所述压缩装置包括第一压缩机和氢气高压储罐；所述第一压缩机的进气端与电解水制氢装置相连通，出气端与氢气高压储罐的进气端相连通；所述氢气高压储罐的出气端与合成氨装置相连通，所述氮气输送装置的出气端与合成氨装置相连通。所述电解水制氢直接合成绿氨系统通过压缩装置将电解水制氢装置和合成氨装置结合，使得电解水制氢装置生成的氢气可作为原料直接在合成氨装置合成绿氨，不仅可以实现新能源的本地化有效消纳，也是化工绿转型的重要途径，可显著降低化工行业的碳排放，规模化应用潜力巨大。
附图说明
22.为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施方式，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。
23.图1：电解水制氢直接合成绿氨系统的结构示意图。
24.图1中，1电解池；2氧气侧换热器；3氢气侧换热器；4氧气气液分离器；5氢气气液分离器；6氧气洗涤塔；7氢气洗涤塔；8第一压缩机；9氢气高压储罐；10第二压缩机；11合成氨反应器；12一级换热器；13二级换热器；14一级闪蒸罐；15二级闪蒸罐。
具体实施方式
25.提供下述实施例是为了更好地进一步理解本实用新型，并不局限于所述最佳实施方式，不对本实用新型的内容和保护范围构成限制，任何人在本实用新型的启示下或是将本实用新型与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本实用新型相同或相近似的产品，均落在本实用新型的保护范围之内。
26.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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
为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
27.在本实用新型的描述中，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”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。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。
28.此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所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。
29.下述实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
30.实施例1：一种可再生能源电解水制氢直接合成绿氨系统
31.如图1所示，本实施例提供了一种可再生能源电解水制氢直接合成绿氨系统，所述电解水制氢直接合成绿氨系统包括电解水制氢装置、合成氨装置以及氮气输送装置；所述电解水制氢装置和合成氨装置之间设有压缩装置；所述压缩装置包括第一压缩机8和氢气高压储罐9；所述第一压缩机8的进气端与电解水制氢装置相连通，出气端与氢气高压储罐9的进气端相连通，使得电解水制氢装置产生的氢气能够在高压的状态下进入氢气高压储罐9；所述氢气高压储罐9的出气端与合成氨装置相连通，所述氮气输送装置的出气端与合成氨装置相连通，使得氢气高压储罐9中的高压氢气以及氮气能够进入合成氨装置中，在合成氨催化剂(电解水制氢产生的氢气中不可避免地掺杂少量的氧气，此处采用抗氧性合成氨催化剂可无需使用纯化装置对掺杂少量的氧气的氢气进行脱氧处理，直接将其作为原料直接合成绿氨，此处抗氧性合成氨催化剂为负载型的抗氧性合成氨催化剂，活性组分采用comoni非贵金属或钌基贵金属，载体采用碳纳米材料、氧化铝或分子筛，活性助剂采用ca、mg等金属氧化物)的作用下进行反应，生成液氨。
32.作为优选，所述电解水制氢装置包括电解池1、氧气纯化装置以及氢气纯化装置；所述氧气纯化装置的进气端与电解池1的阳极槽相连通，出气端与大气或氧气储罐相连通，用于收集并纯化电解池1产生的氧气；所述氢气纯化装置的进气端与电解池1的阴极槽相连通，出气端与第一压缩机8的进气端相连通，用于收集并纯化电解池1产生的氢气，并将纯化后的氢气输送至第一压缩机8。
33.作为优选，所述氢气纯化装置包括依次相连的氢气侧换热器3、氢气气液分离器5以及氢气洗涤塔7；所述氢气侧换热器3的进气端与电解池1的阴极槽相连通，所述氢气洗涤塔7的出气端与第一压缩机8的进气端相连通，使得电解池1产生的氢气能够先经氢气侧换热器3降温，再经氢气气液分离器5和氢气洗涤塔7纯化，然后经第一压缩机8压缩后，在高压的状态下进入氢气高压储罐9。
34.作为优选，所述氧气纯化装置包括依次相连的氧气侧换热器2、氧气气液分离器4以及氧气洗涤塔6；所述氧气侧换热器2的进气端与电解池1的阳极槽相连通，所述氧气洗涤塔6的出气端与大气或氧气储罐相连通，使得电解池1产生的氧气能够先经氧气侧换热器2
降温，再经氧气气液分离器4和氧气洗涤塔6纯化后，排放至大气或进入氧气储罐。
35.作为优选，所述电解池为碱性(awe)电解池或质子交换膜(pem)电解池。
36.作为优选，所述电解水制氢装置还包括水供应组件；所述水供应组件包括氧气侧水供应管道以及氢气侧水供应管道；所述氧气水供应管道依次连接氧气侧换热器2和氧气洗涤塔6，给氧气侧换热器2和氧气洗涤塔6供应水；所述氢气侧水供应管道依次连接氢气侧换热器3和氢气洗涤塔7，给氢气侧换热器3和氢气洗涤塔7供应水。
37.作为优选，所述氧气侧水供应管道以及氢气侧水供应管道之间串联或并联。
38.作为优选，所述电解水制氢装置还包括电解液循环组件；所述电解液循环组件包括氧气侧电解液循环管道以及氢气侧电解液循环管道；所述氧气侧电解液循环管道依次连接电解池1、氧气气液分离器4和氧气洗涤塔6，使得氧气气液分离器4和氧气洗涤塔6中的电解液回流至电解池1；所述氢气侧电解液循环管道依次连接电解池1、氢气气液分离器5和氢气洗涤塔7，使得氢气气液分离器5和氢气洗涤塔7中的电解液回流至电解池1。
39.作为优选，所述氧气侧电解液循环管道以及氢气侧电解液循环管道之间串联或并联。
40.作为优选，所述电解水制氢装置还包括液体平衡组件；所述液体平衡组件包括液体平衡管道；所述液体平衡管道的一端与氧气气液分离器4相连通，另一端与氢气气液分离器5相连通，以平衡氧气气液分离器4和氢气气液分离器5内的溶液高度。
41.作为优选，所述合成氨装置包括依次相连的压力调节器、合成氨反应器11、换热组件、闪蒸组件以及冷剂输送装置；所述压力调节器的进气端与氢气高压储罐9相连通，所述氮气输送装置的出气端与合成氨反应器11相连通，使得氢气高压储罐9中的高压氢气能够先经压力调节器调节至合成氨反应器11所需的压力，再与氮气共同进入合成氨反应器11中，在其装填的合成氨催化剂的作用下进行反应，生成氨气；所述冷剂输送装置包括冷剂输入管道和冷剂输出管道；所述冷剂输入管道的输出端与换热组件相连通，所述冷剂输出管道的输入端与换热组件相连通，所述闪蒸组件的出气端与液氨储罐相连通，使得合成氨反应器11中生成的氨气能够先经生成液氨换热组件换热和冷凝液化，再经闪蒸组件提纯，生成液氨并进入液氨储罐。
42.作为优选，所述合成氨装置还包括合成气循环组件；所述合成气循环组件包括合成气循环管道；所述合成气循环管道依次连接闪蒸组件、换热组件和压力调节器，使得闪蒸组件排出的循环合成气能够与氢气高压储罐9中的高压氢气混合后，先经压力调节器调节至合成氨反应器11所需的压力，再与氮气共同进入合成氨反应器11中，在合成氨催化剂的作用下进行反应，生成氨气。
43.作为优选，所述换热组件包括依次相连的一级换热器12和二级换热器13；所述冷剂输入管道的输出端与二级换热器13相连通，所述冷剂输出管道的输入端与二级换热器13相连通。
44.作为优选，所述闪蒸组件包括依次相连的一级闪蒸罐14和二级闪蒸罐15；所述合成气循环管道依次连接一级闪蒸罐14、二级换热器13、一级换热器12和压力调节器。
45.作为优选，所述合成氨装置还包括驰放气输出组件；所述驰放气输出组件包括驰放气输出管道；所述驰放气输出管道的一端与二级闪蒸罐15相连通，另一端与火炬系统相连通，使得二级闪蒸罐产生的驰放气能够在火炬系统进行燃烧。
46.作为优选，所述压力调节器为减压阀和/或第二压缩机10。
47.使用上述可再生能源电解水制氢直接合成绿氨系统合成绿氨的过程如下：
48.可再生能源产生的电力通过电解池1进行电解水，阳极槽产生氧气，阴极槽产生氢气(即绿氢)，阴极槽产生的氢气和电解液(80～90℃)先通过一级换热器12和二级换热器13进行降温至55～65℃，再通过氢气气液分离器5和氢气洗涤塔7纯化，得到纯度为95～99.8％的氢气(其余组分为氧气)；
49.纯度为95～99.8％的氢气经过第一压缩机8压缩至5～50mpa后，进入氢气高压储罐9进行存储；
50.氢气高压储罐9中储存的氢气、氮气输送装置输送的氮气和一级闪蒸罐14产生的循环合成气先经过减压阀或第二压缩机10调节至合成氨反应器11所需的压力，再进入装有负载型的抗氧性合成氨催化剂的合成氨反应器11中进行反应，得到活性(出口nh3含量)≥10％的产品气；
51.产品气先经过一级换热器12和二级换热器13进行换热和冷凝液化，再经过一级闪蒸罐14，一级闪蒸罐顶排出的循环合成气，由第二压缩机10重新送至合成氨反应器11进行反应，一级闪蒸罐底粗液氨送至二级闪蒸罐15进行再次提纯，二级闪蒸罐底部得到产品液氨(即绿氨)，灌顶排出的驰放气送至火炬系统进行燃烧。
52.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。

技术特征：

1.一种可再生能源电解水制氢直接合成绿氨系统，其特征在于，所述电解水制氢直接合成绿氨系统包括电解水制氢装置、合成氨装置以及氮气输送装置；所述电解水制氢装置和合成氨装置之间设有压缩装置；所述压缩装置包括第一压缩机和氢气高压储罐；所述第一压缩机的进气端与电解水制氢装置相连通，出气端与氢气高压储罐的进气端相连通；所述氢气高压储罐的出气端与合成氨装置相连通，所述氮气输送装置的出气端与合成氨装置相连通。2.根据权利要求1所述的电解水制氢直接合成绿氨系统，其特征在于，所述电解水制氢装置包括电解池、氧气纯化装置以及氢气纯化装置；所述氧气纯化装置的进气端与电解池的阳极槽相连通，出气端与大气或氧气储罐相连通；所述氢气纯化装置的进气端与电解池的阴极槽相连通，出气端与第一压缩机的进气端相连通。3.根据权利要求2所述的电解水制氢直接合成绿氨系统，其特征在于，所述氢气纯化装置包括依次相连的氢气侧换热器、氢气气液分离器以及氢气洗涤塔；所述氢气侧换热器的进气端与电解池的阴极槽相连通，所述氢气洗涤塔的出气端与第一压缩机的进气端相连通。4.根据权利要求3所述的电解水制氢直接合成绿氨系统，其特征在于，所述氧气纯化装置包括依次相连的氧气侧换热器、氧气气液分离器以及氧气洗涤塔；所述氧气侧换热器的进气端与电解池的阳极槽相连通，所述氧气洗涤塔的出气端与大气或氧气储罐相连通。5.根据权利要求4所述的电解水制氢直接合成绿氨系统，其特征在于，所述电解水制氢装置还包括水供应组件；所述水供应组件包括氧气侧水供应管道以及氢气侧水供应管道；所述氧气水供应管道依次连接氧气侧换热器和氧气洗涤塔；所述氢气侧水供应管道依次连接氢气侧换热器和氢气洗涤塔。6.根据权利要求5所述的电解水制氢直接合成绿氨系统，其特征在于，所述电解水制氢装置还包括电解液循环组件；所述电解液循环组件包括氧气侧电解液循环管道以及氢气侧电解液循环管道；所述氧气侧电解液循环管道依次连接电解池、氧气气液分离器和氧气洗涤塔；所述氢气侧电解液循环管道依次连接电解池、氢气气液分离器和氢气洗涤塔。7.根据权利要求1～6任一项所述的电解水制氢直接合成绿氨系统，其特征在于，所述合成氨装置包括依次相连的压力调节器、合成氨反应器、换热组件、闪蒸组件以及冷剂输送装置；所述压力调节器的进气端与氢气高压储罐相连通，所述氮气输送装置的出气端与合成氨反应器相连通；所述冷剂输送装置包括冷剂输入管道和冷剂输出管道；所述冷剂输入管道的输出端与换热组件相连通，所述冷剂输出管道的输入端与换热组件相连通，所述闪蒸组件的出气端与液氨储罐相连通。8.根据权利要求7所述的电解水制氢直接合成绿氨系统，其特征在于，所述合成氨装置还包括合成气循环组件；所述合成气循环组件包括合成气循环管道；所述合成气循环管道依次连接闪蒸组件、换热组件和压力调节器。9.根据权利要求8所述的电解水制氢直接合成绿氨系统，其特征在于，所述换热组件包括依次相连的一级换热器和二级换热器；所述冷剂输入管道的输出端与二级换热器相连通，所述冷剂输出管道的输入端与二级换热器相连通。10.根据权利要求9所述的电解水制氢直接合成绿氨系统，其特征在于，所述闪蒸组件包括依次相连的一级闪蒸罐和二级闪蒸罐；所述合成气循环管道依次连接一级闪蒸罐、二
级换热器、一级换热器和压力调节器。

技术总结

本实用新型涉及一种可再生能源电解水制氢直接合成绿氨系统，属于能源技术领域。本实用新型提供了一种可再生能源电解水制氢直接合成绿氨系统，包括电解水制氢装置、合成氨装置和氮气输送装置，电解水制氢装置和合成氨装置之间设有压缩装置，压缩装置包括第一压缩机和氢气高压储罐，第一压缩机的进气端与电解水制氢装置相连通，出气端与氢气高压储罐的进气端相连通，氢气高压储罐的出气端与合成氨装置相连通，氮气输送装置的出气端与合成氨装置相连通。所述系统通过压缩装置将电解水制氢装置和合成氨装置结合，使得电解水制氢装置生成的氢气可作为原料直接在合成氨装置合成绿氨，不仅可以实现新能源的本地化有效消纳，也是化工绿转型的重要途径。绿转型的重要途径。绿转型的重要途径。