一种利用二氧化碳和电解制氢合成尿素的系统 |
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| 申请号 | CN202322564288.2 | 申请日 | 2023-09-20 | 公开(公告)号 | CN220766864U | 公开(公告)日 | 2024-04-12 |
| 申请人 | 国能经济技术研究院有限责任公司; | 发明人 | 滕霄云; | ||||
| 摘要 | 本实用新型涉及低 碳 技术领域，具体涉及一种利用CO2和 电解 制氢合成尿素的系统。该系统包括分别与尿素合成装置进行连接的CO2捕集装置和合成 氨 装置；其中，所述合成氨装置用于将空气分离装置中产生的氮气和电解 水 制氢装置中产生的氢气制备氨气；所述空气分离装置与所述电解水制氢装置分别与新 能源 发电装置进行连接；所述CO2捕集装置包括依次连接的CO2吸收塔和CO2 解吸 塔，所述CO2吸收塔内含有 乙醇 胺和/或碳酸 钾 溶液。本实用新型通过CO2捕集装置制取高纯的CO2，结合来自合成氨装置的氨气于尿素合成装置中合成尿素，可以实现CO2资源合理化利用。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种利用CO2和电解制氢合成尿素的系统，其特征在于，该系统包括CO2捕集装置(1)、合成氨装置(2)和尿素合成装置(3)，所述CO2捕集装置(1)和所述合成氨装置(2)分别与所述尿素合成装置(3)进行连接，来自所述CO2捕集装置(1)的CO2与来自所述合成氨装置(2)的氨气进入所述尿素合成装置(3)中合成尿素； |
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| 说明书全文 | 一种利用二氧化碳和电解制氢合成尿素的系统技术领域[0001] 本实用新型涉及低碳技术领域，具体涉及一种利用CO2和电解制氢合成尿素的系统，尤其涉及一种新能源发电制氢耦合CO2合成尿素的系统。 背景技术[0002] 能源安全保供和碳中和是当前以及未来我国能源行业的主旋律，高比例风光资源是我国能源安全的基本保障，钢铁、化工、交通等难以脱碳行业是实现碳中和的重要突破口；而氢能产业发展的底层逻辑，既是风光资源消纳的重要途径，又是高碳行业低碳化利用的必要手段，实现了绿色资源与高碳资产的连通。其中，煤炭中的碳，与新能源制取的绿氢相结合，形成碳一化学的基本原料，可以生产广泛的化工产品，实现煤炭由燃料向原料并行发展的低碳化之路。 [0003] 大规模具有经济效益的CO2消纳技术面临诸多限制。CCS技术消纳CO2是净投入，没有产出；CO2‑EOR(驱油)技术消纳CO2具有一定经济效益，但受限于油田开采等客观因素难以大规模发展。CO2化学转化技术可实现高附加值利用，国内外已有相关企业开展CO2催化加氢等技术生产甲醇、烯烃等基础化工产品；但由于能耗高、催化效率低、生产成本高等问题也大大限制了该技术的大规模产业化推广。尿素相比液氨，更易保存，使用方便，且不是危险化学品，火电厂的脱硝剂也由液氨改为尿素。实用新型内容 [0004] 本实用新型的目的是为了克服现有技术存在的CO2化学转化技术问题，提供一种利用CO2和电解制氢合成尿素的系统，该系统通过内部含有特定CO2吸收剂的CO2捕集装置制取高纯的CO2，同时利用新能源发电制备绿氨，将高纯的CO2与绿氨结合制备尿素，进而实现CO2资源合理化利用。 [0005] 为了实现上述目的，本实用新型提供了一种利用CO2和电解制氢合成尿素的系统，该系统包括CO2捕集装置、合成氨装置和尿素合成装置，所述CO2捕集装置和所述合成氨装置分别与所述尿素合成装置进行连接，来自所述CO2捕集装置的CO2与来自所述合成氨装置的氨气进入所述尿素合成装置中合成尿素；其中，所述合成氨装置用于将空气分离装置中产生的氮气和电解水制氢装置中产生的氢气制备氨气；所述空气分离装置与所述电解水制氢装置分别与新能源发电装置进行连接；所述CO2捕集装置包括依次连接的CO2吸收塔和CO2解吸塔，所述CO2吸收塔内含有乙醇胺和/或碳酸钾溶液。 [0007] 优选地，所述CO2解吸塔中的二氧化碳出口与所述尿素合成装置中的二氧化碳入口进行连接。 [0008] 优选地，所述合成氨装置包括依次连接的合成氨反应器和冷却分离器，所述冷却分离器的液氨出口与所述尿素合成装置的液氨入口连接。 [0009] 优选地，所述系统还包括燃煤电厂，来自所述燃煤电厂的烟气进入所述CO2捕集装置中进行CO2捕集。 [0010] 优选地，所述电解水制氢装置包括依次连接的电解槽、气体纯化和分离装置以及储氢罐。更优选地，所述储氢罐中的氢气出口与所述合成氨装置的氢气入口连接。 [0011] 优选地，所述系统还包括储能装置，所述新能源发电装置与储能装置进行连接。 [0012] 优选地，所述空气分离装置与所述电解水制氢装置分别与所述燃煤电厂连接，用于将所述空气分离装置与所述电解水制氢装置中产生的氧气输送至所述燃煤电厂中进行富氧燃烧。 [0014] 通过上述技术方案，本实用新型至少具有以下有益效果： [0015] (1)本实用新型首先利用新能源电解水制备绿氢，利用绿氢制氨，实现了绿氨的生产，同时通过内部含有特定CO2吸收剂的CO2捕集装置制取高纯的CO2，将绿氨耦合该高纯度CO2生产绿色尿素，使得电厂CO2得到了具有一定经济效率的资源化利用； [0017] 图1是本实用新型的利用CO2和电解制氢合成尿素的系统。 [0018] 附图标记说明 [0019] 1CO2捕集装置 2合成氨装置 [0020] 3尿素合成装置 4燃煤电厂 [0021] 5空气分离装置 6电解水制氢装置 [0022] 7新能源发电装置 8储能装置 [0023] 11CO2吸收塔 12CO2解吸塔 [0024] 21合成氨反应器 22冷却分离器 [0025] 31尿素合成塔 32蒸发造粒装置 [0026] 61电解槽 62气体纯化和分离装置 [0027] 63储氢罐 具体实施方式[0028] 以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。 [0029] 在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。 [0030] 本实用新型提供了一种利用CO2和电解制氢合成尿素的系统，如图1所示，该系统包括CO2捕集装置1、合成氨装置2和尿素合成装置3，所述CO2捕集装置1和所述合成氨装置2分别与所述尿素合成装置3进行连接，来自所述CO2捕集装置1的CO2与来自所述合成氨装置2的氨气进入所述尿素合成装置3中合成尿素；其中，所述合成氨装置2用于将空气分离装置5中产生的氮气和电解水制氢装置6中产生的氢气制备氨气；所述空气分离装置5与所述电解水制氢装置6分别与新能源发电装置7进行连接；所述CO2捕集装置1包括相互连接的CO2吸收塔11和CO2解吸塔12，所述CO2吸收塔11内含有乙醇胺和/或碳酸钾溶液。 [0031] 在具体的实施方式中，所述合成氨装置2产生的氨气与所述CO2捕集装置1产生的CO2的体积比为3.5‑4.5：1(采用水溶液全循环法合成尿素工艺)或者2.8‑2.9:1(采用二氧化碳气提法合成尿素工艺)。 [0032] 在具体的实施方式中，所述空气分离装置5中产生的氮气与所述电解水制氢装置6中产生的氢气的体积比为1：2.8‑2.9。 [0033] 在具体的实施方式中，所述CO2捕集装置1用于吸收和提纯CO2，得到的高纯CO2作为制备尿素的原料，将CO2与合成氨装置2制得的氨气在尿素合成装置3中合成尿素，整个过程可以实现CO2资源合理化利用。 [0034] 在本实用新型所述的系统中，所述CO2捕集装置1包括依次连接的CO2吸收塔11和CO2解吸塔12，所述解吸塔12中采用的解吸CO2的热量来自合成氨装置或者尿素合成装置，所述解吸塔12设置有CO2气体出口，用于排出CO2。 [0035] 在本实用新型所述的系统中，所述合成氨装置2包括依次连接的合成氨反应器21和冷却分离器22，其中，所述合成氨反应器21设置有氮气入口和氢气入口，所述冷却分离器22设置有液氨出口。具体地，所述合成氨反应器21和所述冷却分离器22可以为本领域的常规选择。 [0036] 在本实用新型所述的系统中，所述尿素合成装置3包括尿素合成塔31和蒸发造粒装置32，所述尿素合成装置3设置有二氧化碳入口和液氨入口，具体地，所述CO2解吸塔12的二氧化碳出口与所述尿素合成塔31中的二氧化碳入口连接，所述冷却分离器22中设置的液氨出口与所述尿素合成塔31中的液氨入口连接。 [0037] 在本实用新型所述的系统中，所述系统还包括燃煤电厂4，来自所述燃煤电厂4的烟气进入所述CO2捕集装置1中进行CO2捕集，其中烟气包括：CO2、O2、N2和水蒸气等，烟气中CO2的浓度为12％‑16％。 [0038] 在本实用新型所述的系统中，所述电解水制氢装置6包括电解槽61、气体纯化和分离装置62以及储氢罐63。在优选情况下，所述储氢罐63中的氢气出口与所述合成氨装置2的氢气入口连接。 [0039] 在本实用新型所述的系统中，所述系统还包括储能装置8，所述新能源发电装置7与储能装置8通过电线进行连接，在所述新能源发电装置7出现波动的时候，所述储能装置8能起到稳定生产的作用。 [0040] 在本实用新型所述的系统中，在优选实施方式中，所述空气分离装置5与所述电解水制氢装置6分别与所述燃煤电厂4连接，用于将所述空气分离装置5与所述电解水制氢装置6中产生的氧气输送至所述燃煤电厂4中进行富氧燃烧，产生更高CO2浓度的烟气。 [0041] 在本实用新型所述的系统中，在具体实施方式中，所述新能源发电装置7包括风力发电系统、水力发电系统或光伏发电系统， [0042] 根据本实用新型的第一种实施方式，所述系统包括CO2捕集装置1、合成氨装置2和尿素合成装置3，所述CO2捕集装置1和所述合成氨装置2分别与所述尿素合成装置3进行连接，来自所述CO2捕集装置1的CO2与来自所述合成氨装置2的氨气进入所述尿素合成装置3中合成尿素；其中，所述合成氨装置2用于将空气分离装置5中产生的氮气和电解水制氢装置6中产生的氢气制备氨气；所述空气分离装置5与所述电解水制氢装置6分别与新能源发电装置7进行连接；所述CO2捕集装置1包括相互连接的CO2吸收塔11和CO2解吸塔12，所述CO2吸收塔11内含有乙醇胺和/或碳酸钾溶液。 [0043] 根据本实用新型的第二种实施方式，所述系统包括CO2捕集装置1、合成氨装置2和尿素合成装置3，所述CO2捕集装置1和所述合成氨装置2分别与所述尿素合成装置3进行连接，来自所述CO2捕集装置1的CO2与来自所述合成氨装置2的氨气进入所述尿素合成装置3中合成尿素；其中，所述合成氨装置2用于将空气分离装置5中产生的氮气和电解水制氢装置6中产生的氢气制备氨气；所述空气分离装置5与所述电解水制氢装置6分别与新能源发电装置7进行连接；所述CO2捕集装置1包括相互连接的CO2吸收塔11和CO2解吸塔12，所述CO2吸收塔11内含有乙醇胺和/或碳酸钾溶液；所述尿素合成装置3包括尿素合成塔31和蒸发造粒装置32；所述CO2解吸塔12的二氧化碳出口与所述尿素合成装置3的二氧化碳入口连接。 [0044] 根据本实用新型的第三种实施方式，所述系统包括CO2捕集装置1、合成氨装置2和尿素合成装置3，所述CO2捕集装置1和所述合成氨装置2分别与所述尿素合成装置3进行连接，来自所述CO2捕集装置1的CO2与来自所述合成氨装置2的氨气进入所述尿素合成装置3中合成尿素；其中，所述合成氨装置2用于将空气分离装置5中产生的氮气和电解水制氢装置6中产生的氢气制备氨气；所述空气分离装置5与所述电解水制氢装置6分别与新能源发电装置7进行连接；所述CO2捕集装置1包括相互连接的CO2吸收塔11和CO2解吸塔12，所述CO2吸收塔11内含有乙醇胺和/或碳酸钾溶液；所述尿素合成装置3包括尿素合成塔31和蒸发造粒装置32；所述CO2解吸塔12的二氧化碳出口与所述尿素合成装置3的二氧化碳入口连接；合成氨装置2包括依次连接的合成氨反应器21和冷却分离器22，所述冷却分离器22的液氨出口与所述尿素合成装置3的液氨入口连接。 [0045] 根据本实用新型的第四种实施方式，所述系统包括CO2捕集装置1、合成氨装置2和尿素合成装置3，所述CO2捕集装置1和所述合成氨装置2分别与所述尿素合成装置3进行连接，来自所述CO2捕集装置1的CO2与来自所述合成氨装置2的氨气进入所述尿素合成装置3中合成尿素；其中，所述合成氨装置2用于将空气分离装置5中产生的氮气和电解水制氢装置6中产生的氢气制备氨气；所述空气分离装置5与所述电解水制氢装置6分别与新能源发电装置7进行连接；所述CO2捕集装置1包括相互连接的CO2吸收塔11和CO2解吸塔12，所述CO2吸收塔11内含有乙醇胺和/或碳酸钾溶液；所述尿素合成装置3包括尿素合成塔31和蒸发造粒装置32；所述CO2解吸塔12的二氧化碳出口与所述尿素合成装置3的二氧化碳入口连接；合成氨装置2包括依次连接的合成氨反应器21和冷却分离器22，所述冷却分离器22的液氨出口与所述尿素合成装置3的液氨入口连接；所述电解水制氢装置6包括依次连接的电解槽61、气体纯化和分离装置62以及储氢罐63；所述储氢罐63中的氢气出口与所述合成氨装置2中的氢气入口连接。 [0046] 根据本实用新型的第五种实施方式，所述系统包括CO2捕集装置1、合成氨装置2和尿素合成装置3，所述CO2捕集装置1和所述合成氨装置2分别与所述尿素合成装置3进行连接，来自所述CO2捕集装置1的CO2与来自所述合成氨装置2的氨气进入所述尿素合成装置3中合成尿素；其中，所述合成氨装置2用于将空气分离装置5中产生的氮气和电解水制氢装置6中产生的氢气制备氨气；所述空气分离装置5与所述电解水制氢装置6分别与新能源发电装置7进行连接；所述CO2捕集装置1包括相互连接的CO2吸收塔11和CO2解吸塔12，所述CO2吸收塔11内含有乙醇胺和/或碳酸钾溶液；所述尿素合成装置3包括尿素合成塔31和蒸发造粒装置32；所述CO2解吸塔12的二氧化碳出口与所述尿素合成装置3的二氧化碳入口连接；合成氨装置2包括依次连接的合成氨反应器21和冷却分离器22，所述冷却分离器22的液氨出口与所述尿素合成装置3的液氨入口连接；所述电解水制氢装置6包括依次连接的电解槽61、气体纯化和分离装置62以及储氢罐63；所述储氢罐63中的氢气出口与所述合成氨装置2中的氢气入口连接；所述系统还包括储能装置8，所述新能源发电装置7与储能装置8进行连接。 [0047] 根据本实用新型的第六种实施方式，所述系统包括CO2捕集装置1、合成氨装置2和尿素合成装置3，所述CO2捕集装置1和所述合成氨装置2分别与所述尿素合成装置3进行连接，来自所述CO2捕集装置1的CO2与来自所述合成氨装置2的氨气进入所述尿素合成装置3中合成尿素；其中，所述合成氨装置2用于将空气分离装置5中产生的氮气和电解水制氢装置6中产生的氢气制备氨气；所述空气分离装置5与所述电解水制氢装置6分别与新能源发电装置7进行连接；所述CO2捕集装置1包括相互连接的CO2吸收塔11和CO2解吸塔12，所述CO2吸收塔11内含有乙醇胺和/或碳酸钾溶液；所述尿素合成装置3包括尿素合成塔31和蒸发造粒装置32；所述CO2解吸塔12的二氧化碳出口与所述尿素合成装置3的二氧化碳入口连接；合成氨装置2包括依次连接的合成氨反应器21和冷却分离器22，所述冷却分离器22的液氨出口与所述尿素合成装置3的液氨入口连接；所述电解水制氢装置6包括依次连接的电解槽61、气体纯化和分离装置62以及储氢罐63；所述储氢罐63中的氢气出口与所述合成氨装置2中的氢气入口连接；所述系统还包括储能装置8，所述新能源发电装置7与储能装置8进行连接；所述空气分离装置5与所述电解水制氢装置6分别与所述燃煤电厂4连接，用于将所述空气分离装置5与所述电解水制氢装置6中产生的氧气输送至所述燃煤电厂4中进行富氧燃烧。 [0048] 根据本实用新型的第七种实施方式，所述系统包括CO2捕集装置1、合成氨装置2和尿素合成装置3，所述CO2捕集装置1和所述合成氨装置2分别与所述尿素合成装置3进行连接，来自所述CO2捕集装置1的CO2与来自所述合成氨装置2的氨气进入所述尿素合成装置3中合成尿素；其中，所述合成氨装置2用于将空气分离装置5中产生的氮气和电解水制氢装置6中产生的氢气制备氨气；所述空气分离装置5与所述电解水制氢装置6分别与新能源发电装置7进行连接；所述CO2捕集装置1包括相互连接的CO2吸收塔11和CO2解吸塔12，所述CO2吸收塔11内含有乙醇胺和/或碳酸钾溶液；所述尿素合成装置3包括尿素合成塔31和蒸发造粒装置32；所述CO2解吸塔12的二氧化碳出口与所述尿素合成装置3的二氧化碳入口连接；合成氨装置2包括依次连接的合成氨反应器21和冷却分离器22，所述冷却分离器22的液氨出口与所述尿素合成装置3的液氨入口连接；所述电解水制氢装置6包括依次连接的电解槽61、气体纯化和分离装置62以及储氢罐63；所述储氢罐63中的氢气出口与所述合成氨装置2中的氢气入口连接；所述系统还包括储能装置8，所述新能源发电装置7与储能装置8进行连接；所述空气分离装置5与所述电解水制氢装置6分别与所述燃煤电厂4连接，用于将所述空气分离装置5与所述电解水制氢装置6中产生的氧气输送至所述燃煤电厂4中进行富氧燃烧；所述新能源发电装置7为风力发电系统、水力发电系统或光伏发电系统。 [0049] 下面通过实施例来进一步说明本实用新型所述的一种利用CO2和电解制氢合成尿素系统。实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述实施例。 [0050] 以下实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为本领域常规方法。下述实施例中所用的实验材料，如无特殊说明，均可商购得到。 [0051] 实施例均按照以下系统进行实施，如图1所示，所述利用CO2和电解制氢合成尿素的系统包括CO2捕集装置1、合成氨装置2、尿素合成装置3和燃煤电厂4；所述CO2捕集装置1和所述合成氨装置2分别与所述尿素合成装置3进行连接，来自所述燃煤电厂4的烟气进入所述CO2捕集装置1中进行CO2捕集，所述CO2捕集装置1包括依次连接的CO2吸收塔11和CO2解吸塔12，所述CO2吸收塔11内含有乙醇胺和/或碳酸钾溶液，所述CO2解吸塔12中的二氧化碳出口与所述尿素合成装置3中的二氧化碳入口进行连接，经过所述CO2捕集装置1捕集后的CO2与来自所述合成氨装置2的氨气进入所述尿素合成装置3中合成尿素；所述尿素合成装置3包括依次连接的尿素合成塔31和蒸发造粒装置32；其中，所述合成氨装置2用于将空气分离装置5中产生的氮气和电解水制氢装置6中产生的氢气制备氨气；所述空气分离装置5与所述电解水制氢装置6分别与新能源发电装置7进行连接，新能源发电装置7与储能装置8进行连接，所述电解水制氢装置6包括依次连接的电解槽61、气体纯化和分离装置62以及储氢罐63，所述储氢罐63中的氢气出口与所述合成氨装置2中的氢气入口连接；所述合成氨装置2包括依次连接的合成氨反应器21和冷却分离器22，所述冷却分离器22的液氨出口与所述尿素合成装置3的液氨入口连接。 [0052] 实施例1 [0053] 来自所述燃煤电厂4的15％烟气进入所述CO2捕集装置1的CO2吸收塔11中，利用乙醇胺吸收剂对其进行吸收，含有CO2的乙醇胺流入CO2解吸塔12中对其进行解吸，解吸后的高纯CO2从解吸塔12的气体出口排出，排出的二氧化碳通过所述尿素合成装置3中的尿素合成塔31的二氧化碳入口进入所述尿素合成装置3的尿素合成塔31；所述新能源发电装置7一方面给所述空气分离装置5提供电能分离得到的99％氮气通过所述合成氨装置2的氮气入口进入所述合成氨装置2中，所述新能源发电装置7另一方面给所述电解水制氢装置6提供电能，所述电解水制氢装置6中的电解槽和气体纯化和分离装置得到的99.8％的氢气，送入储氢罐，并连接送入由所述合成氨装置2的氢气入口进入到合成氨装置2中，接着合成氨装置2中的氮气和氢气进行反应生成氨气，生成的氨气通过合成氨装置2的氨气出口进入所述尿素合成装置3的尿素合成塔31中，与前述CO2进行反应合成，尿素采用水溶液全循环法合成尿素工艺，氨气与CO2的体积比为4：1。 [0054] 实施例2 [0055] 在本实施例中，来自所述燃煤电厂4的20％烟气进入所述CO2捕集装置1的CO2吸收塔11中，利用碳酸钾溶液对其进行吸收，含有CO2的碳酸氢钾液体流入CO2解吸塔12中对其进行解吸，解吸后的高纯CO2从解吸塔12的气体出口排出，排出的二氧化碳通过所述尿素合成装置3中的尿素合成塔31的二氧化碳入口进入所述尿素合成装置3的尿素合成塔31中；所述新能源发电装置7一方面给所述空气分离装置5提供电能分离得到的99％氮气通过所述合成氨装置2的氮气入口进入所述合成氨装置2中，所述新能源发电装置7另一方面给所述电解水制氢装置6提供电能，所述电解水制氢装置6中的电解槽和气体纯化和分离装置得到的99.8％的氢气，送入储氢罐，并连接送入由所述合成氨装置2的氢气入口进入到合成氨装置 2中，接着合成氨装置2中的氮气和氢气进行反应生成氨气，生成的氨气通过合成氨装置2的氨气出口进入所述尿素合成装置3的尿素合成塔31中，与前述CO2进行反应合成尿素，采用二氧化碳气提法合成尿素工艺，氨气与CO2的体积比为2.8：1。 [0056] 由上述实施例可以看出，采用本实用新型所述利用CO2和电解制氢合成尿素系统，可以实现CO2资源以及风电光伏等新能源的合理化利用。 [0057] 以上详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于此。在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本实用新型所公开的内容，均属于本实用新型的保护范围。 |
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