一种基于合成氨的压缩气体储能和化学储能方法及系统与流程

1.本发明属于储能技术领域，特别涉及一种基于合成氨的压缩气体储能和化学储能方法及系统。


背景技术：

2.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，风能在利用时一般都需要使用储能等技术。
3.压缩气体储能是利用电力系统负荷低谷时的剩余电量或者是用清洁能源间歇性的电量，由电动机带动压缩机，将气体压入密闭空间，即将电能转化成可储存的压缩气体的气压势能并储存在密闭空间。
4.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。通过化学反应生成储能物质后，尤其是液态的储能物质，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。
5.在我国西北地区和东部沿海，风能资源丰富，但是为了稳定的利用风能，需要对火电机组等进行调峰或者进行电池储能，因此，如果能够开发出基于合成氨的压缩气体储能和化学储能系统，该系统可以将风能转化为气压势能并最终转化为化学能储存在储能物质中，将会对风能的利用带来巨大变化。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于合成氨的压缩气体储能和化学储能方法及系统，该方法及系统能够将风能转化为气压势能，并最终转化为化学能存储于储能物质中。
7.为达到上述目的，本发明所述的基于合成氨的压缩气体储能和化学储能方法包括以下步骤：利用风车输出的电进行电解水，以产生氢气，利用风车输出的电对氢气以及氮气分别进行压缩，再将压缩后的氢气和氮气进行混合，然后送入反应器中反应合成氨。
8.本发明所述的基于合成氨的压缩气体储能和化学储能系统包括氮气输入管道、风车、第一电动机、氮气压缩机、高压氮气罐、混合器、第二电动机、氢气压缩机、高压氢气罐、电解槽及反应器；
9.风车的输出端与第一电动机的电源接口、第二电动机的电源接口及电解槽的电源接口相连接，第一电动机的输出轴与氮气压缩机的驱动轴相连接，第二电动机的输出轴与氢气压缩机的驱动轴相连接，电解槽的氢气出口与氢气压缩机的入口相连通，氢气压缩机的出口与高压氢气罐的入口相连通，高压氢气罐的出口与混合器的入口相连通，氮气输入管道与氮气压缩机的入口相连通，氮气压缩机的出口与高压氮气罐的入口相连通，高压氮气罐的出口与混合器的入口相连通，混合器的出口与反应器的管程入口相连通；
10.反应器的管程内装载有铁触媒。
11.还包括分离装置及循环气压缩机；反应器的管程出口与分离装置的入口相连通，分离装置的气体出口与循环气压缩机的入口相连通，循环气压缩机的出口与混合器的入口相连通。
12.还包括液氨储槽；分离装置的液体出口与液氨储槽的入口相连通.
13.还包括透平、回热器、预冷器及二氧化碳压缩机；
14.反应器的壳程出口与透平的入口相连通，透平的出口与回热器的热侧入口相连通，回热器的热侧出口与预冷器的热侧出口相连通，预冷器的热侧出口与二氧化碳压缩机的入口相连通，二氧化碳压缩机的出口与回热器的冷侧入口相连通，回热器的冷侧出口与反应器的壳程入口相连通。
15.透平与循环气压缩机通过第一联轴器相连接。
16.透平与二氧化碳压缩机通过第二联轴器相连接。
17.氮气压缩机的入口的氮气来自于空分工艺。
18.本发明具有以下有益效果：
19.本发明所述的基于合成氨的压缩气体储能和化学储能方法及系统在具体操作时，利用风车输出的电进行电解水，以产生氢气，利用风车输出的电对氢气以及氮气分别进行压缩，从而将风能转化为气压势能，再将压缩后的氢气和氮气进行混合，然后送入反应器中反应合成氨，从而将风能最终转化为化学能，并存储于储能物质中，具有能量密度高、可以长期储存及用途广泛的特点，从而实现风能的有效储存。
附图说明
20.图1为本发明的系统示意图。
21.其中，1为风车、2为第一电动机、3为氮气压缩机、4为高压氮气罐、5为混合器、6为第二电动机、7为氢气压缩机、8为高压氢气罐、9为电解槽、10为反应器、11为分离装置、12为循环气压缩机、13为液氨储槽、14为透平、15为回热器、16为预冷器、17为二氧化碳压缩机。
具体实施方式
22.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
23.在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
24.参考图1，本发明所述的基于合成氨的压缩气体储能和化学储能系统包括风车1、
第一电动机2、氮气压缩机3、高压氮气罐4、混合器5、第二电动机6、氢气压缩机7、高压氢气罐8、电解槽9、反应器10、分离装置11、循环气压缩机12、液氨储槽13、透平14、回热器15、预冷器16及二氧化碳压缩机17；
25.风车1的输出端与第一电动机2的电源接口、第二电动机6的电源接口及电解槽9的电源接口相连接，第一电动机2的输出轴与氮气压缩机3的驱动轴相连接，第二电动机6的输出轴与氢气压缩机7的驱动轴相连接，电解槽9的氢气出口与氢气压缩机7的入口相连通，氢气压缩机7的出口与高压氢气罐8的入口相连通，高压氢气罐8的出口与混合器5的入口相连通，氮气输入管道与氮气压缩机3的入口相连通，氮气压缩机3的出口与高压氮气罐4的入口相连通，高压氮气罐4的出口与混合器5的入口相连通，混合器5的出口与反应器10的管程入口相连通，反应器10的管程出口与分离装置11的入口相连通，分离装置11的气体出口与循环气压缩机12的入口相连通，循环气压缩机12的出口与混合器5的入口相连通，分离装置11的液体出口与液氨储槽13的入口相连通。
26.反应器10的壳程出口与透平14的入口相连通，透平14的出口与回热器15的热侧入口相连通，回热器15的热侧出口与预冷器16的热侧出口相连通，预冷器16的热侧出口与二氧化碳压缩机17的入口相连通，二氧化碳压缩机17的出口与回热器15的冷侧入口相连通，回热器15的冷侧出口与反应器10的壳程入口相连通。
27.反应器10的管程内装载有铁触媒。
28.透平14与循环气压缩机12通过第一联轴器相连接，透平14与二氧化碳压缩机17通过第二联轴器相连接。
29.反应器10为管壳式结构。
30.氮气压缩机3的入口的氮气来自于空分工艺。
31.本发明所述的基于合成氨的压缩气体储能和化学储能方法包括以下步骤：利用风车1输出的电进行电解水，以产生氢气，利用风车输出的电对氢气以及氮气分别进行压缩，再将压缩后的氢气和氮气进行混合，然后送入反应器10中反应合成氨。
32.具体过程为：
33.风车1发出的电力驱动第一电动机2、第二电动机6及电解槽9工作，第一电动机2驱动氮气压缩机3工作，第二电动机6驱动氢气压缩机7工作，氮气压缩机3将氮气加压至10mpa以上后送入高压氮气罐4中储存；电解槽9中水电解生成的氢气进入到氢气压缩机7中压缩至10mpa以上后送入高压氢气罐8中储存，高压氮气罐4输出的氮气与高压氢气罐8输出的氢气进入混合器5中按1:3的摩尔比混合，然后进入反应器10的管程中，反应器10的管程中，在铁触媒的作用下，在400-450℃、10mpa的条件下反应生成氨，然后进入到分离装置11中进行气液分离，其中，分离出来的气体经循环气压缩机12加压后送入混合器5中，分离出来的液体进入到液氨储槽13中储存；
34.反应器10壳程输出的二氧化碳工质进入到透平14中做功，然后进入到回热器15的热侧中放热，再进入到预冷器16的热侧中放热，随后经二氧化碳压缩机17加压后进入到回热器15的冷热中吸热，最后进入到反应器10的壳程中吸热，完成循环。
35.透平14通过第一联轴器及第二联轴器拖动循环气压缩机12及二氧化碳压缩机17转动。
36.当风能充足时，风车1持续发电，第一电动机2拖动氮气压缩机3正常工作，第二电
动机6拖动氢气压缩机7正常工作，电解槽9正常工作，将高压氮气储存于高压氮气罐4中，将高压氢气储存于高压氢气罐8中，将风能转化为气压势能以及氢气的化学能进行储存。反应器10中处理氮气和氢气的能力小于氮气压缩机3及氢气压缩机7的处理能力，过剩的高压氮气储存于高压氮气罐4中，过剩的高压氢气储存于高压氢气罐8中。
37.当风能不足时，利用高压氮气罐4及高压氢气罐8中存储的氮气及氢气，维持反应器101的正常工作，保持反应器10中正常进行合成氨反应。
38.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，如氮气压缩机3的氮气来源，反应器10的操作条件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。