一种灰氢绿氢耦合制氨系统的制作方法

1.本实用新型涉及一种灰氢绿氢耦合制氨系统，属于绿色能源利用技术领域。


背景技术：

2.随着国家“碳达峰”、“碳中和”目标的提出，清洁能源在能源消费中的占比将大幅提升。在清洁能源中，氢能由于具有高热值、零排放、无污染、应用广等优势，是目前最具有发展潜力的替代能源。根据生产来源和制备过程中的碳排放情况，氢能分为灰氢、蓝氢和绿氢这三种类型。灰氢，是通过化石燃料（煤炭、石油、天然气等）燃烧产生的氢气，在生产过程中会有二氧化碳等排放，目前占比95％以上；蓝氢，是将天然气通过蒸汽甲烷重整或自热蒸汽重整制成的氢气；绿氢，是通过使用再生能源（例如太阳能、风能、核能等）制造的氢气，例如通过可再生能源发电进行电解水制氢，在生产绿氢的过程中基本没有碳排放，因此这种类型的氢气也被称为“零碳氢气”。但是，氢气密度小、爆炸危险性大、运输成本高、存储难度大，严重制约其推广。因此将氢气和空气中的氮气作为原料就近转化为易存储、安全性高、无碳排放的氨，是解决氢气储运难题的最有效方式之一。随着可再生能源利用技术的发展，将风电、光电、水电及核电等清洁绿电能源转化为绿氢，并实现绿氢的就地消纳，被业界认为是未来发展的主要方向。
3.鉴于风、光等清洁能源的不连续性、不可预测与不可控性，在不具备公共电网条件的场合，为使后续绿氢、绿氨装置的最低负荷运行，必须配置相应的储电、储氢装置，而且通常要按最为苛刻的无绿电资源间隔周期进行配置，这样貌似能够摆脱对外部资源的依赖，生产出“纯粹”的绿氨产品，但储电、储氢设施投资巨大，严重削弱了绿氨的经济竞争力，项目财务成本过高，可行性差。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是提供一种灰氢绿氢耦合制氨系统，实现绿电的低成本消纳，提高绿电经济性和可行性。
5.为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
6.一种灰氢绿氢耦合制氨系统，包括采用绿电的电解制氢单元，所述电解制氢单元的绿氢出口通过管路与合成氨原料混合单元的绿氢入口连接，所述合成氨原料混合单元还连接有灰氢管路和氮管路，所述合成氨原料混合单元的氮氢出口通过管路依次与气体压缩单元、氨合成单元连接，所述合成氨原料混合单元与气体压缩单元的连接管路上设有氢氮在线分析仪，所述氨合成单元的氨出口与储氨单元相连。
7.本实用新型技术方案的进一步改进在于：所述电解制氢单元产生的绿氧能够用于灰氢的生产。
8.本实用新型技术方案的进一步改进在于：所述电解制氢单元的绿氢出口分出一支连接灰氨合成系统的氢入口。
9.一种灰氢绿氢耦合制氨系统，包括采用绿电的电解制氢单元，所述电解制氢单元
的绿氢出口通过管路与合成氨原料混合单元的绿氢入口连接，所述合成氨原料混合单元还连接有氮管路，所述合成氨原料混合单元的氮氢出口管路上设有氢氮在线分析仪；还包括连接有灰氢管路和氮管路的合成氨原料混合单元，所述合成氨原料混合单元的氮氢出口管路上也设有氢氮在线分析仪；所述连接灰氢的合成氨原料混合单元和连接绿氢的合成氨原料混合单元通过管路汇合后依次与气体压缩单元、氨合成单元连接，所述氨合成单元的氨出口与储氨单元相连。
10.本实用新型技术方案的进一步改进在于：所述电解制氢单元产生的绿氧能够用于灰氢的生产。
11.本实用新型技术方案的进一步改进在于：所述电解制氢单元的绿氢出口分出一支连接灰氨合成系统的氢入口。
12.由于采用了上述技术方案，本实用新型取得的技术效果有：
13.本实用新型将灰氢与绿氢耦合进行制氨，实现了绿氨的低成本、安全、稳定生产，避免了可再生能源负荷波动过大、时有时无、不可预测的固有缺陷对绿氨装置提出的严峻挑战。
14.本实用新型跳出孤立的绿电－绿氨系统的思维桎梏，放眼整体的合成氨、煤化工、天然气化工行业，通过系统工程的方法，充分利用各种现有资源，优势互补，有机耦合，是实现绿氨行业健康发展，保证装置安全、稳定、长周期、经济运行的现实途径。
附图说明
15.图1是本实用新型的结构示意图；
16.图2是本实用新型实施例二的结构示意图；
17.图3是本实用新型实施例三的结构示意图；
18.图4是本实用新型实施例四的结构示意图；
19.图5是本实用新型实施例五的结构示意图；
20.其中，1、电解制氢单元，2、合成氨原料混合单元，3、氨合成单元，4、储氨单元，5、氢氮在线分析仪，6、气体压缩单元，7、流量计，8、上游制氢装置，9、氮气制备单元。
具体实施方式
21.下面结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步详细说明：
22.一种灰氢绿氢耦合制氨系统，如图1所示，包括采用绿电的电解制氢单元1，所述电解制氢单元1的绿氢出口通过管路与合成氨原料混合单元2的绿氢入口连接，所述合成氨原料混合单元2还连接有灰氢管路和氮管路，所述合成氨原料混合单元2的氮氢出口通过管路依次与气体压缩单元6、氨合成单元3连接，所述氨合成单元3的氨出口与储氨单元4相连。所述合成氨原料混合单元2与气体压缩单元6的连接管路上设有氢氮在线分析仪5，以保证氢氮的摩尔比保持3∶1。
23.实施例1
24.一种灰氢绿氢耦合制氨系统，在现有化石能源合成灰氨系统的基础上引入采用绿电的电解制氢单元1，所述现有化石能源合成灰氨系统的生产负荷与设计最大负荷相比，具有10-15%的可调空间，所述电解制氢单元1电解制备的绿氢量在现有化石能源合成灰氨系
统的可调空间内，电解制氢单元1电解合格的氢气可做到随产随消纳，波动由合成装置在原系统设计范围内自动调节，完全借用现有化石能源合成灰氨系统的预留富余生产能力和氮气合成绿氨。具体如图1所示，包括采用绿电的电解制氢单元1，所述电解制氢单元1设有水入口、绿氧出口和绿氢出口，所述绿氢出口通过管路与合成氨原料混合单元2的绿氢入口连接，所述合成氨原料混合单元2为现有化石能源合成灰氨系统的原有装置，连接有灰氢制备单元和氮气制备单元；所述合成氨原料混合单元2的氮氢出口通过管路依次与气体压缩单元6、氨合成单元3和储氨单元4连接，所述合成氨原料混合单元2与气体压缩单元6的连接管路上设有氢氮在线分析仪5，以保证氢氮的摩尔比保持3∶1；所述氨合成单元3、气体压缩单元6及储氨单元4均为现有化石能源合成灰氨系统的装置。绿氢直接并入现有化石能源合成灰氨系统，与灰氢混合后利用氨合成单元3的空余负荷实现绿氨的“代加工”生产。
25.实施例2
26.一种灰氢绿氢耦合制氨系统，在现有化石能源合成灰氨系统的基础上引入采用绿电的电解制氢单元1，所述现有化石能源合成灰氨系统的生产负荷与设计最大负荷相比，具有10-15%的可调空间，所述电解制氢单元1电解制备的绿氢量在现有化石能源合成灰氨系统的可调空间内，电解制氢单元1电解合格的氢气可做到随产随消纳，波动由合成装置在原装置设计范围内自动调节，完全借用现有化石能源合成灰氨系统的预留富余生产能力和氮气合成绿氨。具体如图2所示，包括采用绿电的电解制氢单元1，所述电解制氢单元1设有水入口、绿氧出口和绿氢出口，所述绿氢出口通过管路与合成氨原料混合单元2的绿氢入口连接，所述连接管路上设有流量计7，所述合成氨原料混合单元2还连接有氮管路，所述合成氨原料混合单元2的氮氢出口管路上设有氢氮在线分析仪5；还包括连接有灰氢管路和氮管路的合成氨原料混合单元2，所述合成氨原料混合单元2为现有化石能源合成灰氨系统的原有装置，连接有灰氢制备单元和氮气制备单元；所述合成氨原料混合单元2的氮氢出口管路上也设有氢氮在线分析仪5。所述连接灰氢的合成氨原料混合单元2和连接绿氢的合成氨原料混合单元2通过管路汇合后依次与气体压缩单元6、氨合成单元3连接，所述氨合成单元3的氨出口与储氨单元4相连。所述氨合成单元3、气体压缩单元6及储氨单元4均为现有化石能源合成灰氨系统的装置。
27.实施例3
28.对于绿氨生产能力与现有合成灰氨系统相比占比过大时，现有合成灰氨系统设计能力负荷的可调空间难以承受时，新建绿氨的绿氢制备单元、气体压缩单元、氨合成单元和储氨单元，从现有合成灰氨系统引入部分合格氢氮气维持绿氨合成装置最低负荷稳定生产，待绿氢高负荷产出时，不仅满足新建绿氨系统满负荷运行，还可把多余部分绿氢引入现存合成氨系统，实现两套系统的互补运行，实现综合效益最佳。
29.一种灰氢绿氢耦合制氨系统，如图3所示，包括采用绿电的电解制氢单元1，所述电解制氢单元1的绿氢出口通过管路与合成氨原料混合单元2的绿氢入口连接，所述合成氨原料混合单元2还连接有氮管路，所述合成氨原料混合单元2的氮氢出口管路上设有氢氮在线分析仪5，所述电解制氢单元1的绿氢出口还可分出一支连接现有灰氨合成系统的氢入口，把多余的绿氢引入现存合成氨系统，实现两套系统的互补运行，实现综合效益最佳；还包括连接有灰氢管路和氮管路的合成氨原料混合单元2，所述合成氨原料混合单元2及其连接的灰氢管路和氮管路为现有灰氨合成系统的装置，所述合成氨原料混合单元2的氮氢出口管
路上也设有氢氮在线分析仪5；所述连接灰氢的合成氨原料混合单元2和连接绿氢的合成氨原料混合单元2通过管路汇合后依次与气体压缩单元6、氨合成单元3连接，所述氨合成单元3的氨出口与储氨单元4相连。所述电解制氢单元1、气体压缩单元6、氨合成单元3和储氨单元4均为新建单元。
30.实施例4
31.在当地没有现有合成灰氨系统的情况下，新建绿氨的绿氢制备单元、气体压缩单元、氨合成单元和储氨单元；灰氢绿氢耦合制氨系统依托与现存煤化工、天然气化工等具备制氢能力的上游装置耦合，维持绿氨合成系统的低负荷、稳定运行，使绿氨合成系统可在绿氢停供期间“怠速待机”，随时具备接收、消纳绿氢能力。
32.一种灰氢绿氢耦合制氨系统，如图4所示，包括采用绿电的电解制氢单元1，所述电解制氢单元1的绿氢出口通过管路与合成氨原料混合单元2的绿氢入口连接，所述合成氨原料混合单元2还连接有灰氢管路和氮管路，所述灰氢管路的另一端连接有上游制氢装置8，所述上游制氢装置8为现存煤化工、天然气化工等具备制氢能力的上游装置，所述氮管路连接自制氮气装置或外购氮管路，外购氮优选液氮。所述合成氨原料混合单元2的氮氢出口通过管路依次与气体压缩单元6、氨合成单元3连接，所述氨合成单元3的氨出口与储氨单元4相连。所述合成氨原料混合单元2与气体压缩单元6的连接管路上设有氢氮在线分析仪5，以保证氢氮的摩尔比保持3∶1。
33.实施例5
34.对于无法依托现有合成灰氨系统和具备制氢能力的上游制氢装置的情况下，配套建设化石燃料制氢合成氨系统，所述化石燃料制氢合成氨系统的灰氢制备净化单元规模小，投资成本低，制氮单元、气体压缩单元、氨合成单元及储氨单元规模大，具备消纳绿氢的生产能力；灰氢制备净化单元作为系统的低负荷运行原料，维持系统“怠速备用”状态，从而克服绿氢断供时系统的开停机风险。
35.一种灰氢绿氢耦合制氨系统，如图5所示，包括采用绿电的电解制氢单元1，所述电解制氢单元1的绿氢出口通过管路与合成氨原料混合单元2的绿氢入口连接，所述合成氨原料混合单元2还连接有灰氢管路和氮管路，所述灰氢管路的另一端连接有上游制氢装置8，所述上游制氢装置8为自建的小型灰氢制备净化单元，所述氮管路连接自建氮气制备单元9，所述电解制氢单元1产生的绿氧及氮气制备单元9产生的氧气或富氧空气供灰氢制备净化单元制氢应用。所述合成氨原料混合单元2的氮氢出口通过管路依次与气体压缩单元6、氨合成单元3连接，所述氨合成单元3的氨出口与储氨单元4相连。所述合成氨原料混合单元2与气体压缩单元6的连接管路上设有氢氮在线分析仪5，以保证氢氮的摩尔比保持3∶1。

技术特征：
1.一种灰氢绿氢耦合制氨系统，其特征在于：包括采用绿电的电解制氢单元（1），所述电解制氢单元（1）的绿氢出口通过管路与合成氨原料混合单元（2）的绿氢入口连接，所述合成氨原料混合单元（2）还连接有灰氢管路和氮管路，所述合成氨原料混合单元（2）的氮氢出口通过管路依次与气体压缩单元（6）、氨合成单元（3）连接，所述合成氨原料混合单元（2）与气体压缩单元（6）的连接管路上设有氢氮在线分析仪（5），所述氨合成单元（3）的氨出口与储氨单元（4）相连。2.根据权利要求1所述的一种灰氢绿氢耦合制氨系统，其特征在于：所述电解制氢单元（1）产生的绿氧能够用于灰氢的生产。3.根据权利要求1所述的一种灰氢绿氢耦合制氨系统，其特征在于：所述电解制氢单元（1）的绿氢出口分出一支连接灰氨合成系统的氢入口。4.一种灰氢绿氢耦合制氨系统，其特征在于：包括采用绿电的电解制氢单元（1），所述电解制氢单元（1）的绿氢出口通过管路与合成氨原料混合单元（2）的绿氢入口连接，所述合成氨原料混合单元（2）还连接有氮管路，所述合成氨原料混合单元（2）的氮氢出口管路上设有氢氮在线分析仪（5）；还包括连接有灰氢管路和氮管路的合成氨原料混合单元（2），所述合成氨原料混合单元（2）的氮氢出口管路上也设有氢氮在线分析仪（5）；所述连接灰氢的合成氨原料混合单元（2）和连接绿氢的合成氨原料混合单元（2）通过管路汇合后依次与气体压缩单元（6）、氨合成单元（3）连接，所述氨合成单元（3）的氨出口与储氨单元（4）相连。5.根据权利要求4所述的一种灰氢绿氢耦合制氨系统，其特征在于：所述电解制氢单元（1）产生的绿氧能够用于灰氢的生产。6.根据权利要求4所述的一种灰氢绿氢耦合制氨系统，其特征在于：所述电解制氢单元（1）的绿氢出口分出一支连接灰氨合成系统的氢入口。

技术总结
本实用新型涉及一种灰氢绿氢耦合制氨系统，属于绿色能源利用技术领域，包括采用绿电的电解制氢单元，所述电解制氢单元的绿氢出口通过管路与合成氨原料混合单元的绿氢入口连接，所述合成氨原料混合单元还连接有灰氢管路和氮管路，所述合成氨原料混合单元的氮氢出口通过管路依次与气体压缩单元、氨合成单元连接，所述合成氨原料混合单元与气体压缩单元的连接管路上设有氢氮在线分析仪，所述氨合成单元的氨出口与储氨单元相连。本实用新型将灰氢与绿氢耦合进行制氨，实现了绿氨的低成本、安全、稳定生产，避免了可再生能源负荷波动过大、时有时无、不可预测的固有缺陷对绿氨装置提出的严峻挑战。的严峻挑战。的严峻挑战。


技术研发人员：刘金成 郭彦书 卫华 谭建鑫 王洪忠 张长秋 刘慧琴 侯立刚 吴海良
受保护的技术使用者：刘金成
技术研发日：2023.02.16
技术公布日：2023/7/28