一种基于合成氨的化学储能系统及方法

技术领域

本发明涉及储能技术领域，特别涉及一种基于合成氨的化学储能系统及方法。

背景技术

太阳能和风能具有清洁、取之不尽用之不竭等特点，但是存在时间分布不均问题，太阳能和风能在利用时一般都需要使用储能等技术。

化学储能基于化学反应，通过反应物和生成物的化学键的断裂重组实现能量的存储。化学储能生成储能物质后，尤其是的液态的储能物质，具有能量密度高和能够长期储存的特点，适合将太阳能和风能转化后进行储存。其中，合成氨是一种化学储能方式，氨易于液化，具有储能密度高，产品用途广等特点，是制造硝酸和化肥的重要原料，还可以在氧气中燃烧，生成氮气和水，无二氧化碳排放。

在我国西北地区，太阳能、风能资源丰富，但是为了稳定的利用太阳能或风能，需要配套体积庞大的熔盐储能或电池储能，或对火电机组等进行调峰，因此，如果能够开发出一种化学储能系统，该系统可以将太阳能、风能转化为化学能储存在储能物质中，会对太阳能和风能的利用带来巨大变化。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于合成氨的化学储能系统及方法，将太阳能、风能等转化为氨这一储能物质进行存储，能量密度高，能长期储存，用途广泛。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于合成氨的化学储能系统，包括光伏板1、风车2、电解槽3、氢气储罐4、混合器5、压缩机6、合成氨反应器7、氨分离装置8、液氨储罐9、空分装置10、透平11、回热器12、预冷器13、二氧化碳压缩机14和发电机15；所述的光伏板1和风车2与电解槽3相连接，为电解槽3供电，电解槽3的氢气出口与氢气储罐4的入口相连通，氢气储罐4的出口与混合器5的氢气入口相连通，所述的空分装置10的氮气出口与混合器5的氮气入口相连通，混合器5的出口与压缩机6的入口相连通，压缩机6的出口与合成氨反应器7的管程入口相连通，合成氨反应器7的管程出口与氨分离装置8的入口相连通，氨分离装置8的气体出口与混合器5的入口相连通，氨分离装置8的液体出口与液氨储槽9的入口相连通；

所述的合成氨反应器7的壳程出口与透平11的入口相连通，透平11的出口与回热器12的热侧入口相连通，回热器12的热侧出口与预冷器13的热侧入口相连通，预冷器13的热侧出口与二氧化碳压缩机14的入口相连通，二氧化碳压缩机14的出口与回热器12的冷侧入口相连通，回热器12的冷侧出口与合成氨反应器7的壳程入口相连通。

所述的合成氨反应器7的管程中装载有铁触媒。

所述的透平11与压缩机6通过联轴器联动，透平11与二氧化碳压缩机14通过联轴器联动，二氧化碳压缩机14与发电机15通过联轴器联动。

所述的合成氨反应器7为管壳式。

一种基于合成氨的化学储能方法，包括以下步骤；

光伏板1发出的电力和风车2发出的电力，进入电解槽3，电解槽3中的水电解后生成的氢气进入氢气储罐4，氢气储罐4中的氢气送入混合器5，空气经过空分装置10，分离出的氮气送入混合器5，氢气和氮气在混合器5中按比例混合后，进入压缩机6进行加压，加压后进入合成氨反应器7的管程，在管程中铁触媒的作用下，生成氨，进入分离装置8中分离，分离后的氨送入液氨储罐9，未反应的氢气和氮气送回混合器5；

合成氨反应是放热反应，合成氨反应器7管程放出的热量被壳程中的二氧化碳工质吸收，吸热后的二氧化碳进入透平11中做功，做功后的二氧化碳进入回热器12的热侧，与低温的二氧化碳工质换热后，进入预冷器13的热侧，与循环水换热，进一步降温，之后进入二氧化碳压缩机14加压，加压后的二氧化碳进入回热器12的冷侧，与高温的二氧化碳工质换热后，进入合成氨反应器7的壳程进一步吸热后，完成循环；

透平11通过联轴器拖动压缩机6、二氧化碳压缩机14和发电机15转动。

本发明的有益效果：

本发明所述的基于合成氨的化学储能系统在具体工作时，将电能通过电解转化为氢气的化学能，并进一步通过合成氨反应，将能量储存在氨中，能量密度高、可以长期储存、用途广泛，从而实现将太阳能和风能进行有效的储存。

附图说明

图1为本发明的系统示意图。

其中，1为光伏板、2为风车、3为电解槽、4为氢气储罐、5为混合器、6为压缩机、7为合成氨反应器、8为分离装置、9为液氨储槽、10为空分装置、11为透平，12为回热器、13为预冷器、14为二氧化碳压缩机、15为发电机。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

参考图1，本发明所述的基于合成氨的化学储能系统，包括光伏板1、风车2、电解槽3、氢气储罐4、混合器5、压缩机6、合成氨反应器7、氨分离装置8、液氨储罐9、空分装置10、透平11、回热器12、预冷器13、二氧化碳压缩机14和发电机15。

光伏板1利用太阳能发出的电力、风车2利用风能发出的电力输送到电解槽3，电解槽3的氢气出口与氢气储罐4的入口相连通，氢气储罐4的出口与混合器5的氢气入口相连通，空分装置10的氮气出口与混合器5的氮气入口相连通，混合器5的出口与压缩机6的入口相连通，压缩机6的出口与合成氨反应器7的管程入口相连通，合成氨反应器7的管程出口与分离装置8的入口相连通，分离装置8的液体出口与液氨储罐9的入口相连通，分离装置8的气体出口与混合器5的入口相连通。

合成氨反应器7的壳程出口与透平11的入口相连通，透平11的出口与回热器12的热侧入口相连通，回热器12的热侧出口与预冷器13的热侧入口相连通，预冷器13的热侧出口与二氧化碳压缩机14的入口相连通，二氧化碳压缩机14的出口与回热器12的冷侧入口相连通，回热器12的冷侧出口与合成氨反应器7的壳程入口相连通。

合成氨反应器7的管程中装载有铁触媒。

透平11与压缩机6通过联轴器联动，透平11与二氧化碳压缩机14通过联轴器联动，二氧化碳压缩机14与发电机15通过联轴器联动。

优选的，合成氨反应器7为管壳式。

优选的，空分装置10为分子筛。

光伏板1发出的电力和风车2发出的电力，进入电解槽3，电解槽3中的水电解后生成的氢气进入氢气储罐4，氢气储罐4中的氢气送入混合器5，空气经过空分装置10，分离出的氮气送入混合器5，氢气和氮气在混合器5中按3:1的摩尔比混合后，进入压缩机6进行加压到20MPa，之后进入合成氨反应器7的管程，在500℃、20MPa的条件下，在铁触媒的催化作用下，生成氨，并释放热量，反应产物进入分离装置8中分离，分离后的氨送入液氨储罐9，未反应的氢气和氮气送回混合器5。

合成氨反应是放热反应，合成氨反应器7管程放出的热量被壳程中的二氧化碳工质吸收，吸热后的二氧化碳进入透平11中做功，做功后的二氧化碳进入回热器12的热侧，与低温的二氧化碳工质换热后，进入预冷器13的热侧，与循环水换热，进一步降温，之后进入二氧化碳压缩机14加压，加压后的二氧化碳进入回热器12的冷侧，与高温的二氧化碳工质换热后，进入合成氨反应器7的壳程进一步吸热后，完成循环。

透平11通过联轴器拖动压缩机6转动，为氢气和氮气的加压提供动力，透平11通过联轴器拖动二氧化碳压缩机14转动，为二氧化碳工质的加压提供动力，透平11通过联轴器拖动发电机15转动，发出的电力用于本系统内空分装置10等使用。

需要指出的是，上述实施例只为说明本发明的技术构思和特点，具体的实施方法，如合成氨反应器7的操作条件和空分装置10的形式等等仍可进行修改和改进，但都不会由此而背离权利要求书中所规定的本发明的范围和基本精神。