浮式电解水制氢合成绿氨装置的制作方法

1.本实用新型涉及能源技术领域，特别是涉及一种浮式电解水制氢合成绿氨装置。


背景技术：

2.近年来，氨发电、氨燃料电池、氨发电机等技术的研究和投入使用，使得氨的需求在不断提升。利用可再生能源产生的绿电(光电、风电、潮汐电和水电等)电解水制取绿氢，通过空气分离制取氮，再通过氢与氮的合成反应生产绿氨，使绿氨作为燃料，实现零碳排放，是未来能源发展的趋势之一。
3.工业上氨的生产通常由氮和氢在高温高压和催化剂存在条件下合成得到。其中，氮气通常由空气分离得到，少量的制氮通常采用变压吸附技术，大量的制氮通常采用深冷分离技术。氢气主要以煤、天然气、重油等化石燃料为原料制得，也有少量以工业副产气如焦炉煤气为原料制得。目前通常采用以煤、天然气、重油、焦炉煤气等为原料制氢进而制氨的工艺生产过程伴随着大量二氧化碳的排放，大部分工厂排放的二氧化碳都直接排放到了大气中。另外，制取氮使用的动力电或动力蒸汽来自于燃烧化石燃料所产生的电力或蒸汽，该部分化石燃料燃烧产生的二氧化碳也直接排放到了大气中。另外，现有的陆上合成氨工厂占地面积大，工厂选址要求高，土建工程量巨大，且工厂建造需考虑该地区的建造能力和人力成本，投资成本高，建造周期长。


技术实现要素：

4.基于此，针对传统的制氨工艺生产过程伴随着大量二氧化碳的排放，合成氨工厂占地面积大，工厂选址要求高，土建工程量巨大，且工厂建造需考虑该地区的建造能力和人力成本，投资成本高，建造周期长的问题，本实用新型一实施例提供了一种浮式电解水制氢合成绿氨装置。本实用新型的浮式电解水制氢合成绿氨装置整体布置紧凑，系统集成度高，可以布置在远离人群居住的码头或者海域，安全环保，相较于陆上工厂本实用新型在浮式船体或浮式生产平台上实现绿氢和绿氨生产，整个生产过程实现零碳排放。
5.一种浮式电解水制氢合成绿氨装置，包括浮式平台以及设置在所述浮式平台上的接电配电装置、电解水制氢装置、空气分离装置与氨合成装置，所述接电配电装置用于连接外接供电装置，所述接电配电装置用于对高压电进行整流、变压与分配，所述电解水制氢装置、所述空气分离装置以及所述氨合成装置分别与所述接电配电装置电性连接，所述电解水制氢装置用于将水电解为氢气和氧气，所述空气分离装置用于将空气中的氮气与氧气分离，所述氨合成装置用于利用所述电解水制氢装置产生的氢气与所述空气分离装置产生的氮气合成液氨，所述电解水制氢合成绿氨装置在生产过程无碳排放。
6.在其中一些实施例中，所述浮式电解水制氢合成绿氨装置还包括外接供电装置与高压电缆，所述外接供电装置通过所述高压电缆与所述接电配电装置电性连接，所述外接供电装置选自陆上电场以及海上电场中的一种或两种，所述外接供电装置的电源为可再生能源产生的绿电，绿电选自风电、潮汐电、光电和水电中的一种或几种。
7.在其中一些实施例中，所述浮式电解水制氢合成绿氨装置还包括余热发电装置，所述余热发电装置设置于所述浮式平台，所述余热发电装置用于利用所述氨合成装置副产的蒸汽驱动透平发电。
8.在其中一些实施例中，所述浮式电解水制氢合成绿氨装置还包括冷却水装置，所述冷却水装置设置于所述浮式平台，所述冷却水装置用于对所述电解水制氢装置、所述空气分离装置以及所述氨合成装置进行换热降温处理。
9.在其中一些实施例中，所述冷却水装置的换热管延伸至海水中，所述冷却水装置的换热后的高温水与海水进行热交换从而降低温度后泵送至所述电解水制氢装置、所述空气分离装置以及所述氨合成装置，形成封闭式循环系统。
10.在其中一些实施例中，所述浮式电解水制氢合成绿氨装置还包括氨存储装置，所述氨存储装置设置于所述浮式平台上，所述氨存储装置与所述氨合成装置连接以用于存储所述氨合成装置合成的液氨。
11.在其中一些实施例中，所述氨存储装置包括安装于所述浮式平台上的氨液储罐单元、氨卸载单元和氨气再液化单元，所述氨液储罐单元内部设置有深井氨液货泵，所述氨液储罐单元用于存储所述氨合成装置合成的液氨，所述氨气再液化单元连接于所述氨液储罐单元以用于对所述氨液储罐单元产生的蒸发气进行再液化，所述氨卸载单元的进口端连接所述氨液储罐单元，所述氨卸载单元的出口端用于连接液氨运输船的液货船舱。
12.在其中一些实施例中，所述浮式电解水制氢合成绿氨装置还包括脱盐水装置，所述脱盐水装置安装于所述浮式平台，所述脱盐水装置用于对供应至所述电解水制氢装置的水进行脱盐处理。
13.在其中一些实施例中，所述浮式电解水制氢合成绿氨装置还包括生活楼，所述生活楼设置于所述浮式平台；
14.和/或，所述浮式电解水制氢合成绿氨装置还包括控制站，所述控制站设置于所述浮式平台，所述接电配电装置、所述电解水制氢装置、所述空气分离装置与所述氨合成装置分别于所述控制站电性连接。
15.在其中一些实施例中，所述浮式电解水制氢合成绿氨装置还包括发电装置、储能装置与燃气系统，所述发电装置与所述燃气系统、所述氨合成装置连接，所述发电装置用所述氨合成装置产生的绿氨作为燃料进行发电。
16.在其中一些实施例中，所述外接供电装置、所述电解水制氢装置、所述空气分离装置、所述氨合成装置、所述余热发电、所述冷却水装置、所述氨存储装置、所述生活楼、所述控制站、所述发电装置、所述氨存储装置安装在所述浮式平台上，所述浮式平台为船型、移动式平台、水上固定式平台中的一种，所述浮式平台适用于江河湖海环境水域。
17.相对比传统技术，上述浮式电解水制氢合成绿氨装置，具有如下有益效果：
18.1)本实用新型在浮式平台例如浮式船体上实现绿氢和绿氨生产，整个生产过程实现了零碳排放。
19.2)相比于传统的陆上合成氨工厂占地面积较大，本实用新型结构布置紧凑，系统集成度高，可以布置在远离人群居住的码头或者海域，安全环保。
20.3)相较于传统的陆上合成氨工厂，本实用新型可在一个船厂或重工企业完成整体建造、安装和调试，然后拖运到作业码头或海域直接投产，具有投资成本较低、建造周期短
的特点。
21.4)本实用新型可以布置在近岸或远海，是一个可移动海上工厂，具有灵活性高的特点，资产可移动。
22.5)本实用新型的外接供电装置可以是来自海上或者岸上的绿电，例如风电、光电和水电等绿电。
23.6)本实用新型的电解水制氢装置根据需要可进行多层布置，可以有效地节省浮式平台例如浮式船体上甲板面积。
24.7)本实用新型的余热发电装置可利用所述氨合成装置副产的蒸汽驱动透平发电，可以提高整个装置的能效。
25.8)本实用新型配置了发电装置与燃料油系统，实现氨燃料发电，保证零碳排放。
26.9)本实用新型配置储能装置如燃料电池、锂电池等，保证了发电装置产生的电能存储，实现工艺连续稳定。
附图说明
27.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对本领域技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.为了更完整地理解本技术及其有益效果，下面将结合附图来进行说明。其中，在下面的描述中相同的附图标号表示相同部分。
29.图1为本实用新型一实施例所述的浮式电解水制氢合成绿氨装置示意图。
30.附图标记说明
31.10、浮式电解水制氢合成绿氨装置；100、浮式平台；200、高压电缆；300、接电配电装置；400、电解水制氢装置；500、空气分离装置；600、氨合成装置；700、外接供电装置；800、余热发电装置；900、冷却水装置；1000、氨存储装置；1100、脱盐水装置；1200、生活楼；1300、控制站；1400、发电装置。
具体实施方式
32.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。
33.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
34.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性
或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
35.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
36.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
37.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
38.在本实用新型的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
39.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
40.本技术实施例提供一种浮式电解水制氢合成绿氨装置10，以解传统的制氨工艺生产过程伴随着大量二氧化碳的排放，合成氨工厂占地面积大，工厂选址要求高，土建工程量巨大，且工厂建造需考虑该地区的建造能力和人力成本，投资成本高，建造周期长的问题。以下将结合附图对进行说明。
41.本技术实施例提供的浮式电解水制氢合成绿氨装置10，示例性的，请参阅图1所示，图1为本技术实施例提供的浮式电解水制氢合成绿氨装置10的结构示意图。本技术的浮式电解水制氢合成绿氨装置10能够用于用途。
42.为了更清楚的说明浮式电解水制氢合成绿氨装置10的结构，以下将结合附图对浮式电解水制氢合成绿氨装置10进行介绍。
43.示例性的，请参阅图1所示，图1为本技术实施例提供的浮式电解水制氢合成绿氨装置10的结构示意图。
44.一种浮式电解水制氢合成绿氨装置10，包括浮式平台100以及设置在浮式平台100上的高压电缆200、接电配电装置300、电解水制氢装置400、空气分离装置500与氨合成装置
600。
45.接电配电装置300通过高压电缆200连接外接供电装置700。接电配电装置300用于对高压电进行整流、变压与分配给电解水制氢装置400、空气分离装置500与氨合成装置600等设备或用户。电解水制氢装置400、空气分离装置500以及氨合成装置600分别与接电配电装置300电性连接。
46.电解水制氢装置400用于将水电解为氢气和氧气。电解水制氢装置400以水为原料，电解水制氢装置400可以选择碱性水(awe)电解槽、质子交换膜(pem)电解槽、阴离子交换膜(aem)电解槽、固体氧化物(soe)电解槽等电解水设备，对上述电解水制氢装置400进行通电，将水电解为氢气和氧气，并将氢气中的少量氧气和水脱除后，加压得到氨合成需要的原料氢气。在满足安全要求基础上，电解水制氢单元可以分多层布置。
47.空气分离装置500用于将空气中的氮气与氧气分离。空气分离装置500是利用分子筛在不同压力下对不同气体分子吸附性能的差异将气体混合物分开的原理，采用固体吸附剂把空气中的氮和氧分离出来；或利用空气中的氮和氧的沸点不同，将空气冷却成液体后采用精馏塔将氮和氧分离出来，制得高纯氮气。
48.氨合成装置600用于利用电解水制氢装置400产生的氢气与空气分离装置500产生的氮气合成液氨。具体地，氨合成装置600在高温高压和催化剂存在条件下，氢气与氮气反应得到氨，反应放出的热量进行回收，氨从反应生成物中分离并冷却制得液氨，上述的电解水制氢合成绿氨装置10在生产过程无碳排放。
49.上述的浮式电解水制氢合成绿氨装置10，通过绿电(如风电、潮汐电、光电和水电等)来制取绿氢和生产绿氨，整个生产过程实现零碳排放，相较于陆上合成氨工厂，上述装置布置紧凑、系统集成度高，不需要占用巨大的陆地空间，可以安装在远离人群居住的码头或者海域，安全环保；上述装置可在一个船厂完成整理建造安装和调试，然后拖运到作业码头或海域直接投产，具有投资成本较低、建造周期短的特点。
50.本方案是一个海上可移动工厂，具有灵活性高的特点，资产可移动。
51.在其中一些实施例中，请参阅图1所示，浮式电解水制氢合成绿氨装置10还包括外接供电装置700。外接供电装置700通过高压电缆200与接电配电装置300电性连接，外接供电装置700选自陆上电场以及海上电场中的一种或两种。具体地，外接供电装置700的电源可以选自风电、潮汐电、光电和水电等中的一种或几种。
52.在其中一些实施例中，请参阅图1所示，浮式电解水制氢合成绿氨装置10还包括余热发电装置800。余热发电装置800设置于浮式平台100，余热发电装置800用于利用氨合成装置600副产的蒸汽驱动透平发电。
53.在其中一些实施例中，请参阅图1所示，浮式电解水制氢合成绿氨装置10还包括冷却水装置900。冷却水装置900设置于浮式平台100，冷却水装置900用于对电解水制氢装置400、空气分离装置500以及氨合成装置600进行换热降温处理。
54.在其中一些实施例中，冷却水装置900的换热管延伸至海水中，冷却水装置900的换热后的高温水与海水进行热交换从而降低温度后泵送至电解水制氢装置400、空气分离装置500以及氨合成装置600，形成封闭式循环系统。
55.在其中一些实施例中，浮式电解水制氢合成绿氨装置10还包括氨存储装置1000。氨存储装置1000设置于浮式平台100上，氨存储装置1000与氨合成装置600连接以用于存储
氨合成装置600合成的液氨。
56.在其中一些实施例中，氨存储装置1000包括安装于浮式平台100上的氨液储罐单元、氨卸载单元和氨气再液化单元。氨液储罐单元内部设置有深井氨液货泵，氨液储罐单元用于存储氨合成装置600合成的液氨，氨气再液化单元连接于氨液储罐单元以用于对氨液储罐单元产生的蒸发气进行再液化，氨卸载单元的进口端连接氨液储罐单元，氨卸载单元的出口端用于连接液氨运输船的液货船舱。由于低温氨液储罐单元会吸收环境中的热量，导致液氨吸热产生蒸发气，从而导致氨液储罐单元压力增大，为保证氨液储罐单元正常操作，产生的氨蒸气须由氨气再液化系统再液化处理，蒸发气再液化后返回氨液储罐单元。
57.在其中一些实施例中，氨液储罐单元包括若干个安装于在浮式平台100如船体内的a型液货舱或者b型液货舱，a型液货舱或者b型液货舱用来存储低温液氨产品。
58.在其中一些实施例中，请参阅图1所示，浮式电解水制氢合成绿氨装置10还包括脱盐水装置1100。脱盐水装置1100安装于浮式平台100，脱盐水装置1100用于对供应至电解水制氢装置400的水进行脱盐处理。浮式平台100内的淡水舱输送淡水到脱盐水装置1100处理，产生合格的脱盐水，脱盐水输送至电解水单元分解产生合格的氢气，脱盐水装置1100可以保证电解水制氢装置400的正常运行。
59.在其中一些实施例中，请参阅图1所示，浮式电解水制氢合成绿氨装置10还包括生活楼1200。生活楼1200设置于浮式平台100。生活楼1200可以为日常生产的工作人员提供工作、生活和娱乐。
60.在其中一些实施例中，请参阅图1所示，浮式电解水制氢合成绿氨装置10还包括控制站1300。控制站1300设置于浮式平台100，接电配电装置300、电解水制氢装置400、空气分离装置500与氨合成装置600分别于控制站1300电性连接。控制站1300用于监控安全稳定生产。
61.在其中一些实施例中，浮式电解水制氢合成绿氨装置10还包括发电装置1400、储能装置与燃气系统。发电装置1400与燃气系统、氨合成装置600连接，发电装置1400通过燃气系统的燃料与氨合成装置600产生的液氨进行发电，储能装置与发电装置1400电性连接。发电装置1400为双燃料机型，发电装置1400可采用氨合成装置产生的绿氨作为燃料。氨气作为主要发电装置1400的燃料，燃烧后不会产生二氧化碳气体，氨气为一种清洁能源，满足目标区域内的零碳排放要求。发电装置1400、储能装置与燃气系统在附图1中未示出。
62.在其中一些实施例中，储能装置可以是燃料电池、锂电池等。
63.在其中一些实施例中，浮式电解水制氢合成绿氨装置10还包括设置于浮式平台100上的压载水系统、润滑油系统。
64.在其中一些实施例中，外接供电装置700、电解水制氢装置400、空气分离装置500、氨合成装置600、余热发电800、冷却水装置900、氨存储装置1000、脱盐水装置1100、生活楼1200、控制站1300、发电装置1400、氨存储装置1000中的一种或者多组均可以安装在浮式平台100上。
65.在其中一些实施例中，浮式平台100为船型、移动式平台、水上固定式平台中的一种，浮式平台100适用于江、河、湖、海等各种环境水域。
66.相对比传统技术，上述浮式电解水制氢合成绿氨装置10，具有如下有益效果：
67.1)本实用新型在浮式平台100例如浮式船体上实现绿氢和绿氨生产，整个生产过
程实现了零碳排放。
68.2)相比于传统的陆上合成氨工厂占地面积较大，本实用新型结构布置紧凑，系统集成度高，可以布置在远离人群居住的码头或者海域，安全环保。
69.3)相较于传统的陆上合成氨工厂，本实用新型可在一个船厂或重工企业完成整体建造、安装和调试，然后拖运到作业码头或海域直接投产，具有投资成本较低、建造周期短的特点。
70.4)本实用新型可以布置在近岸或远海，是一个可移动海上工厂，具有灵活性高的特点，资产可移动。
71.5)本实用新型的外接供电装置700可以是来自海上或者岸上的绿电，例如风电、光电和水电等绿电。
72.6)本实用新型的电解水制氢装置400根据需要可进行多层布置，可以有效地节省浮式平台100例如浮式船体上甲板面积。
73.7)本实用新型的余热发电装置800可利用氨合成装置600副产的蒸汽驱动透平发电，可以提高整个装置的能效。
74.8)本实用新型配置了发电装置与燃料油系统，实现氨燃料发电，保证零碳排放。
75.9)本实用新型配置储能装置如燃料电池、锂电池等，保证了发电装置产生的电能存储，实现工艺连续稳定。
76.在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
77.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
78.以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。