[发明专利]一种基于液氨载氢-制氢的能量储存及转换系统

说明书

本发明提供一种基于液氨载氢‑制氢的能量储存及转换系统，包括：液态氨储存、气化、除杂及氨气升温单元，包括依次连通的液氨储罐、气化器、压力调节阀组、干燥过滤器、氨气预热器和加热器；催化裂解转化制氢、分离纯化单元，包括依次连通的氨气催化裂解‑氢分离器，纯化器，冷却器和载冷剂泵；所述氨气催化裂解‑氢分离器与所述氨气预热器相连通，所述氨气催化裂解‑氢分离器产生的废气中的高温氮气经过所述氨气预热器进行能量回收将热量传递给氨气使其升温；所述冷却器与所述气化器之间通过所述载冷剂泵泵送循环载冷剂。本发明现有的制氢过程污染排放量大、耗电量高，气制造后储运较复杂的问题。

技术领域

本发明涉及液氨载氢-制氢的换热网络及设备领域，具体而言，尤其涉及一种基于液氨载氢-制氢的能量储存及转换系统。

背景技术

能源短缺，环境污染和气候变暖给人类社会带来了巨大的压力，因此优化能源使用效率合理开发高效清洁能源以及其相关转化技术，从传统重污染的化石燃料向环境友好的可再生非化石能源过渡是目前亟需解决的关键性问题。在众多可再生能源中氢能被誉为“能源皇冠上的明珠”是一种完全清洁可再生的终极能源。虽然氢分布广泛，然而自然状态下游离态氢存在量极少，如何经济低碳环保的富集纯化进而制造氢气从而使用是目前氢能源普及的一大难题。目前工业人工大规模制氢可分为化石燃料、可再生水电解以及生物技术制造等。然而，由于技术限制这几种制氢过程要么存在污染排放量更大，耗电量更高等环境经济问题，要么不能大规模生产稳定性差等。另外，氢气制造后的储运较复杂而且极其昂贵，气态压力储氢需要生产设计压力为98MPa的储氢罐才能满足要求，液氢储运需要将氢气在常压下降低到-253℃进行液化，存罐技术难度材料要求极高。因此在上述技术不成熟的情况下急需寻找可替代的具有经济性储氢制氢方法。

氨作为一种含氢质量分数17.6％的有机物质，被广泛用于农工业基础性产品和化工原料，其在空气中爆炸极限较窄(16～27％)，且具有刺激性气味易于发现，其生产技术成熟储运价格低廉，其在600℃左右常压加入常规催化剂完全裂解为氢气和氮气且转化效率可达99.9％，具有非常大的产氢潜力。氨仅需在常温-33℃就可液化而且不会和金属产生氢脆反应，而且液氨的体积能量密度是液氢的1.53倍。液氨的体积能量密度是液氢的1.53倍，在相同体积条件下能量储运率更高。目前，国内加氢站的氢气价格约70元每公斤，而液氨的价格约3000元每吨，其分解得到的氢气约16.7元每公斤，其中还没有对比氢和氨在储存、运输、分解等成本的差价。因此，氨作为储氢-制氢的原料气来源及其有前途和新引力的技术形式。

目前现有的制氢-储氢技术都集中在高耗能以及高排放方面，且纯粹的把制氢和储氢技术割裂开来，比如化石燃料重整，水电解在大量耗能并且制出氢气后比没有进行后续的氢储运的技术衔接，以致后续的压缩、液化以及氢化物储运再次进行能源消耗，虽然目前大规模制造氢气的成本可以接受但是后续的氢气储运能源消耗及成本过高，这种技术模式导致整个制氢-储氢产业最后的用氢成本远大于化石燃料及相关治理排放的费用，而且用氢时的能源效率并没有抵消制氢-储氢时的能耗排放，因此目前这种上述技术是极为不合理的。

发明内容

根据上述提出现有的制氢过程存在污染排放量大、耗电量高等环境经济问题，氢气制造后的储运较复杂而且极其昂贵的技术问题，而提供一种基于液氨载氢-制氢的能量储存及转换系统。本发明以氢化物储运为开端制氢为终端，打破了传统方法先制氢后储运的复杂过程和极高成本，本发明以富氢物液氨(单位质量储氢量17.6％)为储氢载体，突破了传统电解水(11.1％)，甲醇水蒸气重整(12.4％)、有机氢化物水解(5.2～8.6％)等载氢体系；通过液氨气化，氨气预热、加热，催化分解以及最后的氢气纯化等步奏，通过一系列能量转换过程不仅能有效经济的储运富氢介质及现场制造纯化率99.9％以上的氢气，而且利用集成换热网络回收该过程冷量和废热以减少制氢能耗，同时还兼顾了废气无污染，结构紧凑，满足了现场加氢站以及相关化工设备开车时的氢需求。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于液氨载氢-制氢的能量储存及转换系统，包括：