生成、存储和使用氢气的方法和装置与流程

生成、存储和使用氢气的方法和装置
1.相关申请的交叉引用
2.本技术主张在2020年7月28提出申请的欧洲专利申请ep 20188259.4的优先权，所述欧洲专利申请以引用方式全文并入本文。


背景技术：

3.本发明涉及使用氢气存储来最小化由可再生能源生产的氢气(即“绿色”氢气)的变化对将被进料到下游工艺例如从可再生氢气生产氨的工厂的可用氢气的影响。
4.上游氢气生产工艺是使用可再生电力或能源的电解工艺。使用可再生能源为电解供电的一个缺点是能源可用性的内在变化。下游工艺可以容忍其进料氢气的一些变化，但将不会达到不进行氢气存储所需的程度-诸如定期关闭。
5.在现有技术中，氢气存储已经被提议用于生产“绿色”氢气的设备。然而，现有技术设备似乎完全依赖于以高压存储氢气，并且在任何情况下，文献中不详细讨论这种存储的实际实施。
6.本发明涉及将来自电解槽以进料到下游工艺的低压氢气的压缩要求与来自储存器的氢气的填充和排放整合。


技术实现要素：

7.本发明的方面包含：
8.#1.一种用于供应氢气以在至少一个下游工艺中消耗的方法，所述方法包括：
9.通过对水进行电解来生产氢气；
10.在多级压缩系统中压缩所述氢气以生产经压缩的氢气；和
11.将所述经压缩的氢气进料至所述下游工艺；
12.其中用于所述电解的至少一些电力由可再生来源生成；
13.其中在所述电解生产比所述下游工艺所需氢气多的氢气的时段，所述方法包括任选地在进一步压缩后将过量的经压缩的氢气进料到存储器中；和
14.其中在所述下游工艺需要比所述电解生产的氢气多的氢气的时段，所述方法包括从存储器中撤回经压缩的氢气，并且在适当减压后，将所述减压氢气进料到所述多级压缩系统的一个级。
15.#2.根据方面#1所述的方法，其中所述经压缩的氢气以至多约100巴的最大值压力存储。
16.#3.根据方面#1所述的方法，其中所述经压缩的氢气以至多约50巴的最大值压力存储。
17.#4.根据方面#1所述的方法，其中所述经压缩的氢气以至多约所述下游工艺的进料压力的最大值压力存储。
18.#5.根据方面#1所述的方法，其中所述经压缩的氢气以至少约5巴的最小值压力存储。
19.#6.根据方面#1所述的方法，其中所述经压缩的氢气以至少约1.3巴的最小值压力存储。
20.#7.根据方面#1所述的方法，其中所述氢气以大气压到约1.5巴的进料压力被进料到所述多级压缩系统。
21.#8.根据方面#1至#7中任一方面所述的方法，其中由所述多级压缩系统生产的所述经压缩的氢气具有约10巴至约50巴的压力。
22.#9.根据方面#8所述的方法，其中所述经压缩的氢气的所述压力为约25巴至约35巴，优选约30巴。
23.#10.根据方面#8所述的方法，其中所述经压缩的氢气的所述压力为约10巴至约12巴，优选约11巴。
24.#11.根据方面#1至#10中任一方面所述的方法，其中所述多级压缩系统具有单个区段。
25.#12.根据方面#1至#10中任一方面所述的方法，其中所述多级压缩系统包括第一区段和所述第一区段下游的至少一个进一步区段。
26.#13.根据方面#12所述的方法，其中所述第一区段将所述氢气压缩至约2巴至约6巴的压力。
27.#14.根据方面#12或方面#13所述的方法，其中所述氢气在所述第一区段中压缩后的所述压力为约2巴至约3巴，优选2.5巴。
28.#15.根据方面#12或方面#13所述的方法，其中所述氢气在所述第一区段中压缩后的所述压力为约4巴至约6巴，优选5巴。
29.#16.根据方面#12至#15中任一方面所述的方法，其中所述减压氢气被进料到所述多级压缩系统的所述进一步压缩区段的初始级。
30.#17.根据方面#1至#16中任一方面所述的方法，其中所述减压氢气被进料到所述多级压缩系统的中间级。
31.#18.根据方面#1至#17中任一方面所述的方法，其中所述减压氢气被进料到所述多级压缩系统的进料端。
32.#19.根据方面#1至#15中任一方面所述的方法，其中在所述下游工艺需要比所述电解生产的氢气多的氢气的所述时段，所述方法包括：
33.降低从存储器中撤回的所述经压缩的氢气的压力，以约所述多级压缩系统的第一级的入口压力生产减压氢气；和
34.将所述减压氢气进料到所述第一级。
35.#20.根据方面#19所述的方法，其中一旦存储器中的所述经压缩的氢气的压力下降到所述级的所述入口压力，所述方法包括：
36.进一步降低从存储器中撤回的所述经压缩的氢气的压力，以在所述第一级上游的所述多级压缩系统的第二级的入口压力下生产减压氢气；和
37.将所述减压氢气进料到所述第二级。
38.#21.根据方面#20所述的方法，其中所述第二级是所述多级压缩系统的初始级。
39.#22.根据方面#1至#21中任一方面所述的方法，其中所述至少下游工艺是氨合成。
40.#23.根据方面#1至#22中任一方面所述的方法，其中所述电解具有至少约1gw的总
容量。
41.#24.一种用于供应氢气以在下游工艺中消耗的装置，所述装置包括：
42.多个电解槽，并联布置用于生产氢气；
43.电力生成系统，用于从可再生资源生成电力，以供应为所述多个电解槽供电所需的至少一些电力，所述电力生成系统与所述多个电解槽导电连通；
44.用于压缩氢气的多级压缩系统，所述多级压缩系统包括进料端和出口端，所述进料端与所述多个电解槽流体流动连通；
45.用于消耗经压缩的氢气的至少一个下游处理单元，所述下游处理单元与所述多级压缩系统的所述出口端流体流动连通；
46.用于存储经压缩的氢气的存储系统，所述存储系统与所述多级压缩系统的所述出口端和所述多级压缩系统的至少一个压缩级流体流动连通；和
47.控制系统，用于基于所述电解槽的氢气生产水平和/或所述下游工艺的需求来控制从所述多级压缩系统到所述存储系统的经压缩的氢气的压力和流动并且控制从所述存储系统到所述多级压缩系统的经压缩的氢气的压力和流动。
48.#25.根据方面#24所述的装置，其中所述多个电解槽具有至少约1gw的总容量。
49.#26.根据方面#24或方面#25所述的装置，其中所述多个电解槽被布置成至少两组，所述装置包括：
50.第一集管，从每组中的每个电解槽收集氢气；和
51.第二集管，收集来自所述第一集管的氢气并将所述氢气进料到所述多级压缩系统的所述进料端；
52.其中所述装置进一步包括导管，所述导管用于在适当减压后将经压缩的氢气从所述存储系统进料到所述第二集管。
53.#27.根据方面#24至#26中任一方面所述的装置，其中所述多级压缩系统包括单个区段，所述区段包括多个并联布置的压缩机，每个压缩机包括至少一个级；所述装置进一步包括第三集管，所述第三集管用于收集来自每个压缩机的经压缩的氢气，并将所述压缩氢气进料到所述至少一个下游处理单元，或者进料到所述至少一个下游处理单元上游的纯化系统。
54.#28.根据方面#27所述的装置，包括导管，所述导管用于在适当减压后将经压缩的氢气从所述存储系统进料到所述第二集管。
55.#29.根据方面#24至#26中任一方面所述的装置，其中所述多级压缩系统包括：
56.第一区段，包括多个并联布置的压缩机，每个压缩机包括至少一个级；和
57.所述第一区段下游的第二区段，所述第二区段包括多个并联布置的压缩机，每个压缩机包括至少两个串联布置的级；
58.所述装置包括：
59.第三集管，收集来自所述第一区段中的每个压缩机的经压缩的氢气，并将所述经压缩的氢气进料到所述第二区段的所述压缩机；和
60.第四集管，收集来自所述第二区段中的每个压缩机的经压缩的氢气，并将所述经压缩的氢气进料到所述至少一个下游处理单元，或者进料到所述至少一个下游处理单元上游的纯化系统。
61.#30.根据方面#29所述的装置，包括导管，所述导管用于在适当减压后将经压缩的氢气从所述存储系统进料到所述第三集管。
62.#31.根据方面#24或方面#25所述的装置，其中所述多个电解槽被布置成至少两组，并且所述多级压缩系统包括：
63.第一区段，包括并联布置成至少两组的多个压缩机，每个压缩机包括至少两个串联布置的级；和
64.所述第一区段下游的第二区段，所述第二区段包括多个并联布置的压缩机，每个压缩机包括至少两个串联布置的级；
65.所述装置包括：
66.至少两个第一集管，每个第一集管从一组中的每个电解槽收集氢气，并将所述氢气进料到所述多级压缩系统的所述第一区段中的相应组压缩机的所述进料端；
67.第二集管，收集来自所述第一区段中的每组压缩机的经压缩的氢气，并将所述经压缩的氢气进料到所述第二区段的所述压缩机；和
68.第三集管，收集来自所述第二区段中的每个压缩机的经压缩的氢气，并将所述经压缩的氢气进料到所述至少一个下游处理单元，或者进料到所述至少一个下游处理单元上游的纯化系统。
69.#32.根据方面#31所述的装置，包括导管，所述导管用于在适当减压后将经压缩的氢气从所述存储系统进料到所述第一集管中的至少一个。
70.#33.根据方面#31或方面#32所述的装置，包括导管，所述导管用于在适当减压后将经压缩的氢气从所述存储系统进料到所述第二集管。
71.#34.根据方面#24至#33中任一方面所述的装置，其中所述下游处理单元是氨合成工厂。
附图说明
72.现在将仅通过示例并参考附图来描述本发明，其中：
73.图1是常规工艺的简化流程图，其中氢气通过对水进行电解来生产，经压缩并进料到下游氨工厂，并且其中过量的氢气以高压存储；
74.图2是应用于图1的工艺的本发明第一实施例的简化流程图，其中多级压缩系统具有单个区段；
75.图3是应用于图1的工艺的本发明第二实施例的简化流程图，其中多级压缩系统具有低压(lp)区段和中压(mp)区段；
76.图4是进一步简化的流程图，提供用于将本发明的第一实施例与图1的工艺整合的一个选项的进一步细节；
77.图5是另一简化的流程图，提供用于将本发明的第二实施例与图1的工艺整合的一个选项的进一步细节；和
78.图6是另一简化的流程图，提供用于将本发明的第二实施例与图1的工艺整合的另一选项的进一步细节。
具体实施方式
79.根据本发明的第一方面，提供一种用于供应氢气以在至少一个下游工艺中消耗的方法，所述方法包括：
80.通过对水进行电解来生产氢气；
81.在多级压缩系统中压缩所述氢气以生产经压缩的氢气；和
82.将所述经压缩的氢气进料至所述下游工艺；
83.其中用于所述电解的至少一些电力由至少一种可再生能源生成；
84.其中在所述电解生产比所述下游工艺所需氢气多的氢气的时段，所述方法包括任选地在进一步压缩后将过量的经压缩的氢气进料到存储器中；和
85.其中在所述下游工艺需要比所述电解生产的氢气多的氢气的时段，所述方法包括从存储器中撤回经压缩的氢气，并且在适当减压后，将所述减压氢气进料到所述多级压缩系统的一个级。
86.在减压的上下文中的术语“适当”旨在意指考虑到向其进料减压氢气的多级压缩系统的级的入口压力，将氢气的压力降到适当的程度。
87.在下面对本发明实施例的讨论中，除非另有说明，否则给出的压力是绝对压力。
88.氢气生产与需求
89.如上所述，使用可再生能源生成的电力的缺点之一是能源可用性的内在波动。本发明通过提供一种系统来解决此种问题，所述系统用于收集和存储在生产超过下游工艺的需求的时段生产的至少一些、优选全部过量氢气，并在需求超过生产的时段将所存储的氢气分配到下游工艺。
90.在一些实施例中，经压缩的氢气可以在不进一步压缩的情况下存储。在这些实施例中，气体以至多氢气在多级压缩系统中被压缩到的压力的最大压力，例如约下游工艺(在仅存在一个的情况下)的进料压力或下游工艺(在存在多于一个的情况下)中一个的进料压力的最大值压力存储。在此类实施例中，经压缩的氢气可能以至多约25巴至约30巴范围内的最大压力存储。
91.然而，经压缩的氢气可以在存储之前进一步压缩。在这些实施例中，经压缩的氢气可以至多约200巴的最大值或至多约150巴的最大值或至多约100巴的最大值或至多约90巴的最大值或至多约80巴的最大值或至多约70巴的最大值或至多约60巴的最大值或至多约50巴的最大值压力存储。
92.在氢气需求水平超过生产水平的时段，经压缩的氢气从存储器中取出并减压以生产减压氢气。压力可以以任何常规方式降低，特别是通过使气体通过阀。
93.减压氢气的压力将取决于多级压缩系统中要加入减压氢气的点的压力。
94.将容易理解，“多级”压缩系统具有多个压缩级，所述压缩级可以在并联和/或串联的压缩机之间分开。每一级的总压力比通常在约2至约2.5的范围内，以限制经压缩的气体的温度升高。
95.在多级压缩系统中，相邻级之间通常需要冷却器(“中间冷却器”)，且在最后级之后通常需要冷却器(“后冷却器”)，以从经压缩的气体中去除压缩的热量。因此，在本发明的上下文中，压缩的“级”是指冷却器之间的压缩系统部分。
96.多级压缩系统包括一个或多个压缩区段。本上下文中压缩的“区段”是指进料和产
品之间的压缩系统部分。每个区段可包括一个或多个压缩级以及相关的冷却器。
97.在一些实施例中，减压氢气可以被进料到多级压缩系统的最后级。在这些实施例中，减压氢气将处于最终级的进料的入口压力下。
98.在其他实施例中，减压氢气可以被进料到多级压缩系统的中间级。在这些实施例中，减压氢气将处于中间级的进料的入口压力下。
99.中间级可以是压缩区段内的中间级，或者在多级压缩系统中存在两个或更多个区段的情况下，是第一压缩区段下游的进一步压缩区段内的初始级。在这些实施例中，减压氢气将处于进一步压缩区段的进料的入口压力即“区段间”压力下。
100.在更进一步的实施例中，减压氢气可以被进料到进料端，即多级压缩系统的初始级。在这些实施例中，减压氢气将是多级压缩系统的进料压力，例如约1.1巴。
101.在需求超过生产的时段，所述方法可以包括：
102.降低从存储器中撤回的所述经压缩的氢气的压力，以所述多级压缩系统的第一级的入口压力生产减压氢气；和
103.将所述减压氢气进料到所述第一级。
104.在此类实施例中，一旦存储器中经压缩的氢气的压力下降到约第一级的入口压力，所述方法可以包括：
105.进一步降低从存储器中撤回的所述经压缩的氢气的压力，以所述第一级上游的所述多级压缩系统的第二级的入口压力(第二中间压力)生产减压氢气；和
106.将所述减压氢气进料到所述第二级。
107.应当理解，本上下文中的术语“第一级”和“第二级”不是指在正常操作期间多级压缩系统中下游方向上的级的相对位置。相反，这些术语仅旨在反映在需求超过生产的时段减压氢气被进料到多级压缩系统的级的顺序。术语“第一中间压力”和“第二中间压力”应该相应地解释为第一中间压力高于第二中间压力。
108.这些实施例可进一步包括将减压氢气进料到第一级和第二级上游的多级压缩系统的其他级。在这些进一步的实施例中，从存储器中撤回的经压缩的氢气的压力降低到相应级的入口压力。
109.在一些优选实施例中，第二级是多级压缩系统的初始级。
110.应当理解，在减压氢气在第一级之后被进料到第二级的实施例中，当流向第二级的气流开始时，流向第一级的气流停止。一般来说，当减压氢气开始流向另一个压缩级时，流向给定压缩级的减压氢气停止。
111.由于氢气可以从存储器返回到多级压缩系统的中间级和/或初始级，因此经压缩的氢气可以最低约5巴的最小值，或许甚至最低约1.3巴的最小值压力存储。
112.在其中经压缩的氢气在存储之前被进一步压缩的实施例中，另一种选项是将从存储器中撤回的经压缩的氢气在适当减压后直接进料到下游工艺，直到存储压力下降到下游工艺的进料压力。此时，从存储器中撤回的经压缩的氢气的压力将进一步降低，并且减压氢气被进料到根据本发明的多级压缩系统的一个级。然而，这些实施例不是优选的，例如由于高压存储系统的额外资本费用。
113.与仅排放到下游工艺的进料压力的高压氢存储系统相比，本发明通过使用已经存在于所述工艺中的多级压缩系统能够减小氢的存储体积，以在存储压力下降到低于所述进
料压力时，再压缩来自存储器的氢气。因此，氢气可以继续从存储器中取出，直到存储压力下降到多级压缩系统的进料压力的最小值。
114.在氢气生产因电解槽缺乏电力而受到限制的时段，需要额外的压缩动力，但是在给定特定时间的存储压力的情况下，通过以可能的最高压缩机级间压力供应氢气，可以使额外的压缩动力最小化。它还允许最大氢气存储压力等于或低于下游工艺的进料压力，以消除对氢气存储的任何额外压缩要求。
115.应当理解，相同体积的气体以相同的最大压力以相同的存储体积存储，并且降低最小存储压力会增加来自存储器的气体的“可释放的”体积，即所存储气体的可用体积。
116.然而，本发明人已经认识到，当氢气被生产出并随后在多级压缩系统中压缩以用于至少一个下游工艺时，可以通过将氢气从存储器返回到多级压缩系统中的一个级而不是直接返回到下游工艺来增加所存储氢气的可释放体积，并且这种布置会减小所述工艺所需的总存储容器体积。
117.举例来说，与从最大压力200巴到最小压力30巴的存储相比，对于给定质量的可释放氢气，从最大压力200巴到最小压力1.5巴的存储需要减少15％的存储容器体积。
118.类似地，与从最大压力100巴到最小压力30巴的存储相比，对于给定质量的可释放氢气，从最大压力100巴到最小压力1.5巴的存储需要减少30％的存储容器体积。
119.此外，与从最大压力50巴到最小压力30巴的存储相比，对于给定质量的可释放氢气，从最大压力50巴到最小压力1.5巴的存储需要减少60％的存储容器体积。
120.进一步地，与不允许存储的30巴到30巴相比，从最大压力30巴到最小压力1.5巴的存储是可行的。
121.此外，尽管总存储容器体积随着最大存储压力的降低而增加，但是较低的设计压力使得容器壁更薄，并且可以降低存储系统的总资本成本。出于诸如可制造性等考虑，容器厚度通常被限制在最大值，并且在这种情况下，较低的设计压力将导致较少的容器(但每个容器将更大)。此外，容器设计的容许应力可以增加到低于特定的容器壁厚，并且如果较低的设计压力允许所述厚度低于此阈值，则可以降低总的容器金属质量(且因此降低总成本)。
122.电解
123.氢气在本发明中通过对水进行电解来生成。可以使用任何适当形式的水电解，包含碱性水电解和聚合物电解质膜(pem)水电解。
124.用于电解的水通常是海水，其可能通过反渗透进行脱盐和脱矿质。
125.电解所需的至少一些电力由可再生能源生成，所述可再生能源包含风能、太阳能、潮汐能和水电能，或这些来源的组合，特别是风能和太阳能。使用从这些来源生成的电力来为电解槽供电。
126.优选地，所述工艺在电解电力生成方面是独立的。因此，电解的全部电力需求理想地使用可再生能源来满足。
127.然而，设想到由一种或多种可再生能源生成的电力可以在对来自下游工艺的产品的需求特别高的时段和/或在可再生能源仅在低于满足需求所需的阈值时可用或根本不可用的时段由其他来源补充。在这些情况下，额外的电力可以从现场电池存储中获取和/或从一个或多个现场汽油、柴油或氢动力发电机(包含燃料电池)中生成和/或从当地或国家电
网中获取。
128.本发明优选实施例的表征特征是规模。在这方面，电解通常具有至少1吉瓦(gw)的总容量。电解的最大总容量仅受实际考虑的限制，例如从可再生能源生成足够的电力来为所述多个电解槽供电。因此，电解可以具有大约10gw或更大的最大总容量。电解的总容量可以从1gw到约5gw，例如从约1.5gw到约3gw。
129.氢气通常通过在略高于大气压的压力，例如约1.3巴下电解生成。然而，在一些实施例中，电解在稍高的压力例如至多约3巴下生产氢气。
130.因此，氢气通常在从大气压到约3巴的压力范围内，优选在从大气压到约1.5巴的压力范围内例如在约1.1巴下被进料到多级压缩系统。
131.纯化
132.电解生产的氢气通常在40℃下被水饱和，并且通常含有一些残余氧气，通常为约500ppm至约1000ppm(v)。根据下游工艺的容差，这些杂质通常将必须去除。
133.在这方面，氧气是哈伯工艺中使用的常规催化剂的毒药。因此，在下游工艺是氨合成的实施例中，催化剂的进料将含有小于约10ppm，通常小于约5ppm的总氧，即来自任何杂质源，诸如氧气(o2)、水(h2o)、一氧化碳(co)和/或二氧化碳(co2)的氧原子。因此，进料也将是干的，即不超过1ppm的水。
134.使用常规“灰色”氢气的下游工艺(即源自烃或含碳进料流的氢气，不捕获二氧化碳，例如通过重整天然气)或“蓝色”氢气(即以与灰色氢气相同方式得到的氢气，但与生产相关的一些或全部二氧化碳被捕获)，诸如炼油厂，对氧气和水有类似的耐受性。然而，氢液化通常有更严格的规范，并且要求进料中的水不超过10ppb且氧气不超过1ppm。
135.电解生产的经压缩的氢气优选在进料到下游工艺之前被纯化。在这方面，经压缩的氢气中的残余氧气可以通过一些氢气的催化燃烧转化为水，以生产贫氧经压缩的氢气(含有不超过1ppm o2)，然后可以干燥所述氢气以生产干燥的经压缩的氢气(含有不超过1ppm水)，用于下游工艺。
136.压缩
137.多级压缩系统负责将氢气从电解生产氢气的压力压缩到通常至少稍高于下游工艺的进料压力的高压。
138.由多级压缩系统生产的经压缩的氢气通常具有约10巴至约50巴的压力。在一些实施例中，经压缩的氢气的压力为约25巴至约35巴，优选约30巴。在其他实施例中，经压缩的氢气的压力为约10巴至约12巴，优选约11巴。
139.在一些实施例中，多级压缩系统仅具有单个区段来将氢气压缩至期望的高压。在其他实施例中，所述多级压缩系统包括第一区段和第一区段下游的至少一个进一步区段。
140.在特定实施例中，多级压缩系统具有两个区段，第一(低压或“lp”)区段，在所述区段中氢气从多级压缩系统的进料压力压缩至约2巴至约6巴范围内的第一高压；以及第二(中压或“mp”)区段，在所述区段中氢气从第一高压压缩至下游工艺所需的最终高压。
141.在一些实施例中，氢气在第一区段中压缩后的第一高压可以在约2巴至约3巴的范围内，例如2.5巴。在其他实施例中，第一高压可以在约4巴至约6巴的范围内，例如5巴。
142.下游工艺
143.经压缩的氢气在下游工艺中被消耗，或者在并联布置的多于一个下游工艺中被消
耗。
144.下游工艺可包含目前将使用“灰色”氢气或“蓝色”氢气的任何工艺。这些工艺包含炼油和钢铁制造。
145.在优选实施例中，至少一些例如所有经压缩的氢气都是通过哈伯(或哈伯-博世)工艺来生产氨。在此工艺中，氨是通过氢气和氮气的混合物在铁基催化剂上在高温下，通常在约400℃至约500℃下以及在高压下，通常在约100巴至200巴范围内的压力下反应而生产的。
146.在其他实施例中，至少一些例如所有经压缩的氢气都通过低温冷却来液化。
147.在更进一步的实施例中，第一部分经压缩的氢气用于生产氨，且第二部分经压缩的氢气被液化。
148.装置
149.根据本发明的第二方面，提供用于供应氢气以在下游工艺中消耗的装置，所述装置包括：
150.多个电解槽，并联布置用于生产氢气；
151.电力生成系统，用于从可再生能源生成电力，以供应为所述多个电解槽供电所需的至少一些电力，所述电力生成系统与所述多个电解槽导电连通；
152.用于压缩氢气的多级压缩系统，所述多级压缩系统包括进料端和出口端，所述进料端与所述多个电解槽流体流动连通；
153.用于消耗经压缩的氢气的至少一个下游处理单元，所述下游处理单元与所述多级压缩系统的所述出口端流体流动连通；
154.用于存储经压缩的氢气的存储系统，所述存储系统与所述多级压缩系统的所述出口端和所述多级压缩系统的至少一个压缩级流体流动连通；和
155.控制系统，用于基于所述电解槽的氢气生产水平和/或下游工艺的需求来控制从所述多级压缩系统到所述存储系统的经压缩的氢气的压力和流动并且控制从所述存储系统到所述多级压缩系统的经压缩的氢气的压力和流动。
156.电解槽
157.水的电解由多个电解单元或“池”提供。每个单元或池可被称为“电解槽”。
158.所述多个电解槽通常具有至少1gw的总容量。电解槽的最大总容量仅受实际考虑的限制，例如从可再生能源生成足够的电力来为多个电解槽供电。因此，电解槽可以具有10gw或更大的最大总容量。进行电解的电解槽的总容量可以从1gw到5gw，例如从约1.5gw到约3gw。
159.所述多个电解槽通常由大量，例如数百个组合成“模块”的单独的池组成，这些模块也包含工艺设备，例如泵、冷却器和/或分离器等，并且这些模块的组通常布置在单独的建筑物中。
160.每个模块通常具有至少10mw例如20mw的最大容量，并且每个建筑物通常具有至少100mw，例如400mw的总容量。
161.本发明可以使用任何适当类型的电解槽。在这方面，有三种常规类型的电解槽-碱性电解槽、pem电解槽和固体氧化物电解槽-并且这些类型的电解槽中的每一种在理论上都适用于本发明。
162.碱性电解槽通过将氢氧离子(oh-)从阴极输送到阳极来操作，在阴极侧生成氢气。使用氢氧化钠或氢氧化钾的液体碱性溶液作为电解质的电解槽是可商购的。商用碱性电解槽通常在约100℃至约150℃的温度范围内操作。
163.在pem电解槽中，电解质是固体塑料材料。水在阳极反应形成氧和带正电荷的氢离子。电子流过外部电路，并且氢离子选择性地移动穿过pem到达阴极。在阴极，氢离子与来自外部电路的电子结合形成氢气。pem电解槽通常在约70℃至约90℃的温度范围内操作。
164.固体氧化物电解槽使用固体陶瓷材料作为电解质，所述电解质在高温下选择性地传导带负电荷的氧离子(o
2-)。阴极的水与来自外部电路的电子结合，形成氢气和带负电荷的氧离子。氧离子穿过固体陶瓷膜，且在阳极反应形成氧气，并且为外部电路生成电子。固体氧化物电解槽必须在足够高的温度下操作，以使固体氧化物膜正常工作，例如在约700℃到约800℃之间。
165.由于操作温度较低，通常优选使用碱性电解槽和/或pem电解槽。
166.所述多个电解槽可以布置成至少两个并联的组。在这些实施例中，所述装置包括：
167.第一集管，从每组中的每个电解槽收集氢气；和
168.第二集管，收集来自所述第一集管的氢气并将所述氢气进料到所述多级压缩系统的所述进料端；
169.其中所述装置进一步包含导管，所述导管用于在适当减压后将经压缩的氢气从所述存储系统进料到所述第二集管。
170.电力生成系统
171.电解用电力由至少一种可再生能源，例如风能和/或太阳能生成。
172.在风能用于生成电力的实施例中，电力生成系统将包括多个风力涡轮机。在太阳能用于生成电力的实施例中，电力生成系统将包括多个光伏电池或“太阳能电池”。
173.一些实施例将包括多个风力涡轮机和多个光伏电池。
174.表述“导电连通”将被理解为意味着将使用适当的线材和/或缆线以及任何其他相关设备，以安全和有效的方式将电力生成系统与电解槽连接。
175.多级压缩系统
176.如上所述，多级压缩系统包括通常压缩比在约2至约2.5范围内的多个级。中间冷却器通常设置在相邻级之间，且在最后级之后可能需要后冷却器。
177.多级压缩系统的级也布置在一个或多个压缩区段中。每个区段可包括一个或多个压缩级以及相关的冷却器。
178.在特定实施例中，多级压缩系统具有两个区段，第一(低压或“lp”)区段，在所述区段中氢气从多级压缩系统的进料压力压缩至第一高压；以及第二(中压或“mp”)区段，在所述区段中氢气从第一高压压缩至下游工艺所需的最终高压。
179.lp区段可以具有一个或多个，例如两个压缩级，并且mp区段可以具有两个或更多个例如3或4个压缩级。
180.举例来说，对于总电解槽容量为1gw的工艺，多级压缩系统可根据需要具有5至15个压缩机，例如7至13个压缩机或9至11个压缩机。技术人员将会理解，具有更高总容量的工艺将需要更大数量的压缩机。
181.lp区段中的压缩机可适当加大尺寸，例如达10％，以适应机器的损失。另外或另选
地，多级压缩系统可以在lp或mp区段中包括备用压缩机，所述备用压缩机将接入以替换相关区段中已经发生故障的另一台机器。
182.多级压缩系统中的压缩机通常是往复式压缩机。然而，可以使用离心式压缩机来代替一些或全部往复式压缩机。
183.纯化系统
184.在下游工艺不能容忍对水进行电解生产的经压缩的氢气中固有的水和氧气水平的实施例中，所述装置将包括纯化经压缩的氢气的纯化系统。
185.纯化系统通常将包括“脱氧”单元，在所述单元中，通过氢气的催化燃烧除脱氧气，生产水和贫氧的经压缩的氢气。
186.贫氧气体然后可以在干燥器例如吸附单元(诸如变温吸附(tsa)单元)中干燥，以为下游工艺生产干燥经压缩的氢气。
187.所存储氢气的返回
188.如上所述，多级压缩系统可以包括单个区段。
189.在这些实施例中，所述区段通常包括多个并联布置的压缩机，每个压缩机包括至少一个级。所述装置可进一步包括第三集管，以收集来自每个压缩机的经压缩的氢气，并且将所述经压缩的氢气进料到所述至少一个下游处理单元，或者进料到至少一个下游处理单元上游的纯化系统。
190.所述装置可以进一步包括导管，所述导管用于在适当减压后将经压缩的氢气从所述存储系统进料到所述第二集管。
191.然而，多级压缩系统可以包括：
192.第一区段，包括多个并联布置的压缩机，每个压缩机包括至少一个级；和
193.所述第一区段下游的第二区段，所述第二区段包括多个并联布置的压缩机，每个压缩机包括至少两个串联布置的级。
194.在这些实施例中，所述装置可以包括：
195.第三集管，收集来自所述第一区段中的每个压缩机的经压缩的氢气，并将所述经压缩的氢气进料到所述第二区段的所述压缩机；和
196.第四集管，收集来自所述第二区段中的每个压缩机的经压缩的氢气，并将所述经压缩的氢气进料到所述下游处理单元，或者进料到所述下游处理单元上游的纯化系统。
197.这些实施例的装置可以进一步包括导管，所述导管用于在适当减压后将经压缩的氢气从所述存储系统进料到所述第三集管。
198.所述多个电解槽可以布置成至少两个组。在这些实施例中，多级压缩系统可以包括：
199.第一区段，包括并联布置成至少两组的多个压缩机，每个压缩机包括至少两个串联布置的级；和
200.所述第一区段下游的第二区段，所述第二区段包括多个并联布置的压缩机，每个压缩机包括至少两个串联布置的级。
201.所述装置可以进一步包括：
202.至少两个第一集管，每个第一集管从一组中的每个电解槽收集氢气，并将所述氢气进料到所述多级压缩系统的所述第一区段中的相应组压缩机的所述进料端；
203.第二集管，收集来自所述第一区段中的每组压缩机的经压缩的氢气，并将所述经压缩的氢气进料到所述第二区段的所述压缩机；和
204.第三集管，收集来自所述第二区段中的每个压缩机的经压缩的氢气，并将所述经压缩的氢气进料到所述下游处理单元，或者进料到所述下游处理单元上游的纯化系统。
205.在这些实施例中，所述装置可以包括导管，所述导管用于在适当减压后将经压缩的氢气从所述存储系统进料到所述第一集管中的至少一个。
206.另外或另选地，这些实施例的装置可以包括导管，所述导管用于在适当减压后将经压缩的氢气从所述存储系统进料到所述第二集管。
207.存储系统
208.存储系统通常包括连接到公共入口/出口集管的多个压力容器和/或管节段。
209.压力容器可以是球体，例如直径至多约25m或“子弹”，即具有大l/d比(通常至多约12:1)和直径至多约12m的卧式容器。
210.如果场地地质允许，也可以使用盐丘。
211.下游处理单元
212.下游处理单元可以是利用氢气作为进料的任何单元。
213.适当的下游处理单元的示例包含炼油厂、钢铁制造厂、氨合成工厂或氢液化工厂。在一些实施例中，存在并联布置的氨合成工厂和氢液化工厂。
214.控制系统
215.控制系统不仅控制从多级压缩系统到存储系统的经压缩的氢气的压力和流动，例如在氢气生产超过需求的时段，而且控制经压缩的氢气到多级存储系统的压力和流动，例如在氢气需求超过生产的时段。
216.在一些实施例中，控制系统将简单地寻求维持通向下游工艺的下游集管中的氢气的压力。因此，为了连续地向下游工艺提供给定量的氢气，将在进料到下游工艺的排放集管上保持压力控制器。
217.如果排放集管中的压力超过所需的进料压力(例如因为可用的氢气比下游工艺消耗的多)，将通过打开通向存储器的进料管线中的阀来释放压力。
218.一旦排放集管中的压力降至所需的进料压力，通向存储器的进料管线中的阀将关闭。
219.如果排放集管中的压力降至低于所需的进料压力(例如因为可用的氢气比下游工艺消耗的少)，将通过打开多级压缩系统中从存储器到第一级的第一返回管线中的阀来增加压力。
220.第一返回管线中的阀将保持打开，直到排放集管中的压力超过所需的进料压力，表明氢气生产水平已经回到所需水平，此时阀将关闭，或者直到存储容器中的压力下降到约多级压缩系统的第一级的入口压力，通过第一返回管线进料。
221.在后一种情况下，不仅第一返回管线中的阀将被关闭，而且从存储器到多级压缩系统中的第二级(第一级的上游)的第二返回管线中的阀也将被打开，以便继续将氢气从存储器进料回到下游工艺。
222.这种控制系统可以被称为“分程”控制系统。
223.水源
224.本发明可以使用任何适当的水源。然而，在使用海水来生产用于电解的水的实施例中，所述装置将进一步包括至少一个用于海水脱盐和脱矿质的单元(或工厂)。
225.如上所述，多级压缩系统包括通常压缩比在约2至约2.5范围内的多个级。中间冷却器通常设置在相邻级之间，且在最后级之后可能需要后冷却器。在图1至3中，为了简单起见，多级压缩系统被描述为具有一个或两个压缩级，带有一个中间冷却器和/或后冷却器。
226.根据图1，通过在通常由附图标记2表示的多个电解槽单元中电解水，在约大气压下生产氢气。为电解槽供电所需的电力至少部分由可再生能源生成，例如风(通常由单元4表示)和/或太阳(通常由单元6表示)。额外的电力可以由柴油、汽油或氢动力发电机(未示出)生产，或者从电网(未示出)获取。
227.氢气流8在刚好高于大气压的压力(例如约1.1巴)下被从电解槽2去取出，并且被进料到多级压缩系统10(在图中示意性地表示为具有第一级12、中间冷却器14、第二级16和后冷却器18)，以生产压力在80巴至150巴之间的经压缩的氢气流20。为了获得如此高的压力，多级压缩系统通常具有至少两个压缩区段。
228.如上所述，来自电解槽的氢气通常是湿的(在40℃下饱和)，并且含有一些氧气(通常为500ppm至1000ppm)。因此，氢气在位于多级压缩系统中间点的纯化单元(未示出)中被纯化，所述纯化单元通常位于压力在约20巴至约40巴范围内例如约30巴的位置处。在这点上，通过在“脱氧”单元(未示出)中催化燃烧一些氢以形成水来去除氧，并且在干燥器单元(未示出)中通过吸附来干燥贫氧氢气(含有不超过1ppm的o2)。
229.纯化的经压缩的氢气流20从多级压缩系统10的最后级16中取出，并被进料到后冷却器18，以生产纯化的经压缩的氢气流24(通常含有不超过5ppm的总氧，包含1ppm的水)，该氢气流从纯化单元中取出。
230.氮气流26通过空气分离单元(asu；未示出)中的低温蒸馏来生产，并在压缩机28中压缩，以在80巴至150巴的压力下生产纯度约为99.99％的经压缩的氮气流30。然后将流30与经压缩的氢气流24合并，并将合并的合成气体流32进料到氨合成工厂34。
231.在电解生产比氨工厂34所需氢气多的氢气的时段，过量的经压缩的氢气流36被取出，进料到压缩机系统38，在该压缩机系统中，氢气被压缩到200巴，然后作为流40(经由控制阀42)被发送到存储器44。
232.在氨工厂34需要比电解生产的氢气多的氢气的时段，经压缩的氢气流46从存储器44中取出，通过阀48减压以在80巴至150巴之间的压力下生产减压氢气流50，其被进料到流24以补充氨工厂34的氢气进料。
233.图2描绘本发明的第一实施例。在图2中，使用相同的附图标记来表示与图1的流程图共有的流程图特征。以下是对将图2的第一实施例与图1所示工艺区分开来的特征的讨论。
234.关于图2，多级压缩系统10具有含有所有压缩级(一般表示为级12和16)和相关中间冷却器和后冷却器(一般表示为分别生产冷凝流15和19的冷却器14和18)的单个区段，并将流8中的氢气从约大气压压缩到约30巴。
235.图2中还提供纯化单元22的进一步细节。在这点上，经压缩的氢气流20被进料到“脱氧”单元52，在该“脱氧”单元中，通过催化转化为水来去除残留的氧气，以生产贫氧氢气流54，该贫氧氢气流在冷却器56中通过间接热交换被冷却，生成冷凝流57，然后在单元58中
通过吸附被干燥，以生产经压缩的氢气流24。
236.使用取自流24的经压缩的氢气流60再生单元58中的吸附床。流60通过阀62减压至约14巴，并且使用减压流64来再生干燥器58。废再生气体作为循环流66返回到多级压缩系统10的中间级中的氢气流，用于再压缩。因此，水以冷凝流19的形式流出。
237.如果需要，流24的剩余部分68可能在减压后与来自asu(未示出)的氮气流30结合，形成合成气体流32，该合成气体流被进料至氨工厂34，在该氨工厂中其被压缩(未示出)到氨合成所需的压力。
238.如果需要，经压缩的氢气流36可以通过阀42减压，并进料到存储单元44，在该存储单元中其以至多26巴的最大值压力存储。当需要时，氢气流46在作为流98返回到多级压缩系统10的初始级12的进料之前被取出并通过阀96减压。
239.图3描绘本发明的第二实施例。在图3中，使用相同的附图标记来表示与图1和2的流程图共有的流程图特征。以下是对将图3的第二实施例与图1和2所示工艺区分开来的特征的讨论。
240.多级压缩系统10具有含有压缩机12、中间冷却器(未示出)和后冷却器14的lp区段70，以及含有压缩机16、中间冷却器(未示出)和后冷却器18的mp区段72。氢气流8被进料到lp区段70，在该lp区段中氢气从约1.1巴压缩至约5巴，并且从lp区段70排出的氢气被进料至mp区段，在该mp区段中氢气被进一步压缩至比其中流68与氮气流30混合的下游点压力高约1巴的压力。
241.因此，当氢气和氮气混合点的压力为约10巴时，mp区段72将氢气压缩至约11巴。另选地，当氢气和氮气混合点的压力为约26巴时，mp区段72将氢气压缩至约27巴。
242.用于再生干燥器58的纯化氢气流60可以在作为流78进料到干燥器58之前进料到鼓风机74和加热器76。另外，废再生气体流66可以在“脱氧”单元52和干燥器58之间的点再循环到纯化单元22。干燥器58中取出的水因此以冷凝流57的形式从系统中排出。
243.如上所述，经压缩的氢气流68可以与来自asu(未示出)的氮气流30以氮气从asu取出的压力例如约10巴混合。在这些实施例中，组合气体在压缩机系统80中被压缩以生产压力为约26巴的合成气体流32，然后将其进料至氨工厂34，在该氨工厂中其在进料至催化反应器(未示出)之前在压缩系统82中被进一步压缩。
244.另选地，经压缩的氢气流68可以在氨工厂的进料压力即约26巴下与来自asu(未示出)的氮气流30混合。在这些实施例中，来自asu的氮气流26在压缩系统28中被压缩以生产约26巴的经压缩的氮气，然后将其与经压缩的氢气混合以生产合成气体流32。流32然后被进料到氨工厂34，在该氨工厂中其在被进料到催化反应器(未示出)之前在压缩系统82中被进一步压缩。
245.干燥氢气可以至多氨工厂的进料压力的最大值压力，即约26巴存储在存储系统44中。在这些实施例中，经压缩的氢气流36从流24中取出，通过阀42适当地调节压力，并进料到存储系统。
246.另选地，氢气可以更高的压力，例如至多50巴甚至100巴或更高的最大压力存储。在此类实施例中，氢气流84从流24中被取出，在存储压缩系统86中被压缩以形成流88，该流在被进料到存储系统44之前根据需要通过阀90被调节压力。
247.在氢气需求超过生产的时段，来自存储系统44的氢气可以在适当减压(例如通过
阀48)后，以流50的形式直接进料到氨工厂34的流24中的氢气进料。在一些实施例中，从存储器中撤回的氢气在适当减压(例如通过阀92)后可以流94的形式被进料到多级压缩系统10的lp区段70和mp区段72之间的点。在更进一步的实施例中，从存储器中撤回的氢气在适当减压(例如通过阀96)后可以流98的形式被进料到lp区段70的初始压缩级12。
248.在一些实施例中，从存储器中撤回的氢气以流50的形式被进料到氨工厂34，直到存储系统中的压力下降到约工厂34的进料压力，此时阀48将关闭，且阀92将打开。撤回的氢气然后可以流94的形式被进料到多级压缩系统10的区段70、72之间的点，直到存储系统中的压力下降到约mp区段72的进料压力。此时，阀92关闭，且阀96打开，从而以流98的形式向多级压缩系统10的初始级的进料提供撤回的氢气。
249.这种将氢气从存储器进料到下游工艺的顺序途径的优点在于，与仅通过管线98从存储器进料氢气相比，其表示在需求超过生产的时段将氢气返回到工艺的更节能的方法。
250.图4示出图2中描绘的电解槽和多级压缩系统的一种布置。在图4中相同的附图标记用于表示与前面的附图共有的布置特征。以下是对所述布置的有区别特征的讨论。
251.在这点上，多个2电解槽单元100并联布置在至少两个并联的组-组2a和组2b中。组2a中的每个单元100生产的氢气由第一集管102a收集，且组2b中的每个单元100生产的氢气由另一个第一集管102b收集。氢气然后由第二集管104从第一集管102a、102b收集。
252.多级压缩系统10具有多个并联布置的压缩机106。氢气通过第二集管104分配到每个压缩机的进料中。
253.通过第三集管108从每个压缩机106收集经压缩的氢气，然后将经压缩的氢气进料到纯化单元(未示出)。
254.如图所示，所述多个2电解槽单元100可以包含电解槽单元100的一个或多个进一步并联的组2c等(未示出)，每个进一步组生产另外的氢气，用于由进一步的第一集管102c等(未示出)收集，其又被第二集管104的延伸部分(未示出)收集。
255.在此类实施例中，多级压缩系统10将包含并联布置的进一步压缩机(未示出)，并且氢气将通过去往第二集管104的延伸部分被分配到进一步压缩机的进料中。此外，经压缩的氢气将通过第三集管108的延伸部分(未示出)从进一步压缩机收集。
256.在氢气需求超过生产的时段，来自存储器44的氢气可以在适当减压(阀96)后以流98的形式进料至第二集管104，该第二集管将气体进料分配到压缩机106。来自存储器44的氢气可另选地或随后在适当减压(阀48)后以流50的形式被进料到第三集管108。
257.图5示出图3中描绘的电解槽和多级压缩系统的一种布置。在图5中相同的附图标记用于表示与前面的附图共有的布置特征。以下是对此布置的有区别特征的讨论。
258.多级压缩系统10具有lp区段70，该lp区段包括多个并联布置的压缩机106。第三集管112收集来自lp区段70中的压缩机106的经压缩的氢气。
259.多级压缩系统10还具有mp区段72，该mp区段包括多个并联布置的压缩机114，并且来自lp区段70的经压缩的氢气通过第三集管112分配到压缩机114。第四集管116收集来自mp区段72中的压缩机114的经压缩的氢气，然后将经压缩的氢气进料到纯化单元(未示出)。
260.如图所示，所述多个2电解槽单元100可以包含电解槽单元100的一个或多个进一步并联的组2c等(未示出)，每个进一步组生产另外的氢气，用于由进一步的第一集管102c等(未示出)收集，其又被第二集管104的延伸部分(未示出)收集。
261.在此类实施例中，多级压缩系统10的lp区段70将包含并联布置的进一步压缩机(未示出)，并且氢气将通过第二集管104的延伸部分被分配到进一步压缩机的进料。此外，经压缩的氢气将通过第三集管112的延伸部分(未示出)从进一步压缩机收集。
262.多级压缩系统10的mp区段72还将包含并联布置的进一步压缩机(未示出)。
263.在氢气需求超过生产的时段，来自存储器44的氢气可以在适当减压(阀92)后以流94的形式进料至第三集管112，用于分配到压缩机114。另选地或随后，来自存储器44的氢气可以在适当减压(阀96)后以流98的形式进料至第二集管104，用于分配到压缩机106。
264.也可以在适当减压(阀48)后，可以将来自存储器44的氢气以流50的形式进料至第四集管116。
265.图6示出图3中描绘的电解槽和多级压缩系统的另一布置。在图6中相同的附图标记用于表示与前面的附图共有的布置特征。以下是对此布置的有区别特征的讨论。
266.在这种布置中，多级压缩系统的第一区段被分成至少两个并联的子区段70a和70b；第一子区段70a含有并联布置的第一多个压缩机106a，且第二子区段70b含有并联布置的第二多个压缩机106b。
267.电解槽100的第一组2a中生产的氢气被收集在第一集管102a中，该第一集管也将气体分配到多级压缩系统10的第一子区段70a中的压缩机106a。类似地，在电解槽100的第二组2b中生产的氢气被收集在第一集管102b中，该第一集管也将气体分配到多级压缩系统10的第二子区段70b中的压缩机106b。
268.由第一子区段70a中的压缩机106a生产的经压缩的氢气由第二集管112a收集，并且由第二子区段70b中的压缩机106b生产的经压缩的氢气由第二集管112b收集。
269.第三集管118收集来自第二集管112a和112b的经压缩的氢气，然后将气体进料到多级压缩系统10的第二区段72中的压缩机114。
270.如图所示，所述多个2电解槽单元100可以包含电解槽单元100的一个或多个进一步并联的组2c等(未示出)，每个进一步组生产另外的氢气，用于由进一步的第一集管102c等收集(未示出)。
271.在此类实施例中，多级压缩系统10的lp区段70将包含并联布置在进一步并联子区段70c等中的进一步压缩机(未示出)，并且氢气将通过进一步的第一集管102c等被分配到进一步压缩机的进料。此外，经压缩的氢气将通过第三集管118的延伸部分(未示出)从进一步压缩机收集。
272.多级压缩系统10的mp区段72还将包含并联布置的进一步压缩机(未示出)。
273.在氢气需求超过生产的时段，来自存储器44的氢气可以在适当减压(阀92)后以流94的形式进料至第三集管118，用于分配到多级压缩系统10的第二区段72中的压缩机114。
274.另选地或随后，来自存储器44的氢气可以在适当减压(阀96)后以流98的形式进料到一个或多个第一集管102a、102b，用于分配到多级压缩系统10的第二子区段70b中的压缩机106a、106b。为简单起见，图6仅示出进料第一集管102b。然而，将理解流98可以进料到集管102a中。
275.来自存储器44的氢气可在适当减压(阀48)后以流50的形式被进料到第四集管116。
276.尽管已经参照附图中描述的优选实施例描述了本发明，但是应当理解，在如以下
权利要求所限定的本发明的精神或范围内，各种修改是可能的。
277.在本说明书中，除非另外明确说明，否则词语“或”是以当满足所述条件中的一个或两个时返回真值的运算符的意义使用，而不是只要求满足其中一个条件的运算符“异或”。词语“包括”是以“包含”的意义使用，而不是指“由
……
组成”。
278.以上所有先前的教导均通过引用并入本文中。本文对任何先前出版的文件的承认不应被视为承认或表示其教导在当时是澳大利亚或其他地方的普通常识。