一种新能源发电制氢合成甲醇的综合能源利用系统的制作方法

本发明涉及新能源，尤其是涉及一种新能源发电制氢合成甲醇的综合能源利用系统。

背景技术：

1、随着可再生能源的快速发展，可再生能源电力的消纳问题导致大量的弃水、弃光等能源浪费，利用可再生能源电解水制氢可以实现新能源的本地化有效消纳，但是目前氢气的储运存在能量密度低、安全风险高的问题。而甲醇作为一种优良的能源载体，能量密度高，液化能耗低，储运也更加安全，目前甲醇主要由天然气或煤经合成气(h2+co)制备。我国二氧化碳排放量超过40％来源于燃煤发电厂，所以控制煤炭燃烧过程中产生的二氧化碳是碳减排的关键所在，二氧化碳的捕集、利用与封存技术(ccus)，被认为是最具潜力、最具实效性的减排手段。利用捕集的二氧化碳和电解水产生的氢气合成甲醇是碳循环利用的可行工艺路线，也能提升可再生能源消纳能力和能源载体运输的安全性。

2、由于新能源发电具有波动性，如光伏制氢一天24h的有效发电时间在8～10小时，而合成甲醇的负载调控速率慢，不能匹配新能源发电制氢的波动工况，同时甲醇合成反应要求的原料气压力远高于电解槽出口氢气压力，因此，离网型新能源发电制氢与合成甲醇无法直接耦合，需要在中间配置氢气压缩缓冲装置。

3、氢储能系统，设施一般是固定式的，对于质量储氢密度要求不高，但是其往往受制于建造场所的空间，特别是对于海上平台等特殊的应用场景，因此储氢装置的体积储氢密度是一个关键指标。使用氢气压缩机将氢气压缩后储存至气态储氢装置中是目前主流的氢气压缩与储存手段，其工艺成熟，成本较低，质量储氢密度较高，但由于是以气态形式储存氢气，其体积储氢密度较低，同时储存压力较高，安全风险大，消耗的压缩功也较大。

4、为了解决上述问题，本发明提供了一种新能源发电制氢合成甲醇的综合能源利用系统，能同时实现氢气的储存与压缩，显著减小了储氢装置的占用空间。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种新能源发电制氢合成甲醇的综合能源利用系统，该系统能够利用新能源发电电解水制氢并与由电厂高温烟气中提纯的二氧化碳合成甲醇，氢气的储存与压缩方便，占地小，且能够对合成甲醇过程中产生的废热进行回收利用。

2、本发明提供一种新能源发电制氢合成甲醇的综合能源利用系统，包括：新能源发电制氢合成甲醇单元和热管理单元；

3、所述新能源发电制氢合成甲醇单元包括依次连接的新能源发电装置、变压器、电解水制氢装置、氢气纯化干燥装置、氢气冷却装置、缓冲罐、金属氢化物氢储存与压缩装置、二氧化碳捕集净化装置和二氧化碳加氢制甲醇装置；

4、所述热管理单元包括废热利用模块和冷却模块，其中，所述废热利用模块包括储热池和气液换热器，通过所述气液换热器回收二氧化碳加氢制甲醇装置的合成反应热和高温气体产物废热，并将热量储存在所述储热池中，供给所述金属氢化物氢储存与压缩装置升温增压过程和放氢过程使用；所述冷却模块包括冷水机，通过所述冷水机带走冷却液中的热量，冷却液流经所述氢气冷却装置，并将所述氢气纯化干燥装置出口氢气冷却后进入所述缓冲罐中储存。

5、优选地，所述电解水制氢装置为电解槽，所述电解槽为碱性电解槽和pem电解槽中的一种或两种。

6、优选地，所述新能源发电装置为离网型，且所述新能源发电装置为风力发电设备、光伏发电设备和水力发电设备中的至少任意一种。

7、优选地，所述新能源发电制氢合成甲醇单元还包括储能电池，所述储能电池与所述变压器和所述电解槽均电性连接，所述储能电池用于在所述新能源发电装置发电量过剩时，对其剩余电量进行储存，并在所述新能源发电装置发电功率不足时，与所述新能源发电装置共同为所述电解槽供电。

8、优选地，所述二氧化碳加氢制甲醇装置包括甲醇合成塔及依次连通的冷凝器、闪蒸器和分馏塔，所述甲醇合成塔的出口与所述气液换热器的入口相连通，所述气液换热器的出口与所述冷凝器相连通。

9、优选地，所述金属氢化物氢储存与压缩装置和所述甲醇合成塔间接有气体预热器，所述气体预热器与所述储热池相接，所述二氧化碳捕集净化装置通过压缩机和气气换热器与所述气体预热器相连通，所述二氧化碳捕集净化装置能够捕获并净化电厂高温烟气中的二氧化碳经所述压缩机压缩后，在所述气气换热器中与电厂高温烟气换热和经由所述金属氢化物氢储存与压缩装置压缩的氢气一起进入所述气体预热器内混合预热后，通入所述甲醇合成塔内合成甲醇。

10、优选地，所述金属氢化物氢储存与压缩装置和所述气体预热器间依次接有第一温度传感器、压力传感器、第一电磁阀和比例阀。

11、优选地，所述金属氢化物氢储存与压缩装置的数量至少为两组，能够交替进行吸氢和放氢，所述储氢合金为镧镍系、钛锰系、钛铬系和钛铁系中的至少任意一种，所述金属氢化物氢储存与压缩装置内设导热油管和冷却液管。

12、优选地，所述废热利用模块还包括ptc加热器，所述ptc加热器通过三通电磁阀与所述储热池和第一油泵相连通，所述金属氢化物氢储存与压缩装置和所述气体预热器分别通过第二温度传感器和第三温度传感器与所述ptc加热器相接，当无废热可利用时通过所述ptc加热器给所述金属氢化物氢储存与压缩装置升温压缩和放氢供热，第一膨胀油箱与所述第一油泵接通保持管路中的油压稳定，所述第一油泵通过第四温度传感器、第一流量控制器和第二电磁阀与所述金属氢化物氢储存与压缩装置相接通，且所述第一油泵通过第二流量控制器、第五温度传感器和第三电磁阀与所述气体预热器相接通，所述甲醇合成塔内部设置管式换热器吸收甲醇合成反应热加热导热油，所述甲醇合成塔的出口与所述储热池的入口间设置第六温度传感器和第一流量计，所述储热池的出口和所述甲醇合成塔的入口间依次接第四电磁阀、第二油泵和第七温度传感器，第二膨胀油箱与所述第二油泵接通保持管路中的油压稳定，所述气液换热器的液相出口通过第八温度传感器和第二流量计与所述储热池的入口相接通，所述储热池的出口依次通过第五电磁阀、第三油泵和第九温度传感器与所述气液换热器的液相入口相接通，第三膨胀油箱与所述第三油泵相接保持管路中的油压稳定。

13、优选地，所述冷却模块还包括膨胀水箱、水泵、第一冷却回路和第二冷却回路，所述冷水机通过所述膨胀水箱、所述水泵和第一冷却回路与所述金属氢化物氢储存与压缩装置相接，所述第一冷却回路上依次接有第十温度传感器、第六电磁阀、第十一温度传感器和第三流量计，所述冷水机通过所述膨胀水箱、所述水泵和第二冷却回路与所述氢气冷却装置相连通，所述第二冷却回路上依次接有第十二温度传感器、第七电磁阀、第十三温度传感器和所述第三流量计。

14、相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

15、1.通过依次连接的新能源发电装置、变压器、电解水制氢装置、氢气纯化干燥装置、氢气冷却装置、缓冲罐、金属氢化物氢储存与压缩装置、二氧化碳捕集净化装置和二氧化碳加氢制甲醇装置组成新能源发电制氢合成甲醇单元利用电解氢制甲醇，新能源发电装置所发电量经变压器变压后进行电解水制氢，所制氢气经干燥、冷却和缓冲后，利用金属氢化物氢储存与压缩装置中金属氢化物的吸氢和放氢以及升温增压效应对氢气进行压缩储存，二氧化碳捕集净化装置能够对电厂高温烟气中所含二氧化碳进行收集、压缩和提浓，然后，和金属氢化物氢储存与压缩装置所放出氢气一起导入二氧化碳加氢制甲醇装置内在催化剂作用下发生合成反应生成甲醇并放出热量，金属氢化物氢储存与压缩装置体积储氢密度大，压缩方便；

16、2.废热利用模块包括储热池和气液换热器，能够利用导热油对制甲醇反应产生的废热进行吸收并储存于储热池，并将其利用于系统中，比如可用于二氧化碳和氢气混合气的预热，能够降低能耗，提高系统效率；

17、3.冷却模块利用冷水机制冷，冷却液流经氢气冷却装置，将氢气纯化干燥装置出口的氢气冷却后进入缓冲罐中储存，冷却液流经金属氢化物氢储存与压缩装置，在其吸氢时带走反应产生的热量，保证吸氢反应速率，在其放氢结束后使装置快速降温，保证下一次吸氢反应顺利进行，提高吸氢和放氢的效率，保证甲醇合成的效率。