甲醇生产余热利用和太阳能联合制氢的系统

本发明涉及一种能源利用系统，尤其涉及的是一种制氢系统。

背景技术：

1、随着能源需求的迅速增长，寻找替代化石燃料的可再生能源、提高能量利用效率、减少环境污染已成为当前研究的重点。太阳能作为一种应用广泛且环保的可再生能源，在可持续发展中起着关键作用。氢能是一种能量密度高、清洁无污染、易于存储和运输的可再生能源，是目前最具发展潜力的能源载体。太阳能水电解制氢利用太阳能发电，通过电解水产生氢气，是一种零碳排放的制氢方式。然而，受到环境和气候的影响，太阳能具有间歇性和不稳定性。当太阳能通过超级电容和蓄电池进行电能存储时，其能量密度低，成本高，而且所产生的电能不能完全利用，导致太阳能电解制氢的成本的升高以及电解效率的降低。甲醇生产过程的工业余热有着巨大的潜力。工业余热可以通过有机朗肯技术以及空气压缩技术转化为有用的电能用来电解制氢或者甲醇生产，不仅显著减少二氧化碳等温室气体的排放，而且降低了制氢成本并实现了资源的最大化利用。

2、将甲醇工业余热和太阳能制氢系统结合起来，可以形成一个高效的综合能源系统。该综合能源系统有助于提高系统效率、降低碳排放以及降提高经济效益等，但这种复杂的系统也面临着一系列挑战和问题。

3、cn111089001a描述了一种基于太阳能的热电氢多联供系统，利用碟式太阳能聚光器、固体氧化物电解槽、质子交换膜燃料电池、双级朗肯循环等组件，通过朗肯循环、水电解和燃料电池技术提供不间断电力和热水，实现对太阳能的清洁高效利用。但只考虑了太阳能系统的优化，未能联合其他的能源系统如工业余热利用进行优化。

4、cn111089001a描述了一种压缩空气储能耦合太阳能和地热能制氢的系统及方法。系统包括多级压缩机组、储气罐、多级膨胀机组、太阳能系统、电解水系统等，通过多种部件的耦合和作用，实现了能量的梯级利用和提高系统效率的目标。虽然考虑了其他能源制氢，但地热能也存在资源分布不均以及初始成本过高的局限性。

5、cn218146429u是关于一种能量梯级利用的绿色甲醇制备系统，包括能量收集单元和甲醇制备单元。能量收集单元通过太阳能集热器和熔盐储能装置收集热能，并将其传递给甲醇制备单元，用于制备甲醇。其中熔盐储能装置在大规模热能储存中具有重要应用前景，但也面临高初始投资、腐蚀性、凝固问题、热损失、系统复杂性和环境安全等挑战。因此，现有技术中能源利用系统多存在能源不稳定、能源利用率低的问题。

6、因此，开发一种能够综合利用太阳能和甲醇生产余热的制氢系统，可以充分利用太阳能和甲醇生产过程中的余热，提高能源的利用效率和制氢效率，推动清洁能源的发展和氢能产业的进步，具有重要的理论意义和应用价值。

7、公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息已构成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于：如何解决目前清洁能源的利用率低，制氢效率低的问题。

2、本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

3、甲醇生产余热利用和太阳能联合制氢的系统，其特征在于，包括太阳能制氢单元、电解槽、氢气收集单元、甲醇生产余热回收单元、有机朗肯循环单元、空气压缩单元；

4、所述太阳能制氢单元依次连接所述电解槽、所述氢气收集单元；所述甲醇生产余热回收单元依次连接所述有机朗肯循环单元、所述空气压缩单元；所述空气压缩单元连接电解槽；

5、所述太阳能制氢单元产生电能后输入电解槽，电解槽将水分解成氢气和氧气，氢气通过氢气收集单元进行收集、分离、压缩、储存；

6、甲醇生产余热回收单元产生的余热由有机朗肯循环单元进行收集并膨胀做功、发电，用于空气压缩单元压缩空气；所述空气压缩单元将环境空气压缩、存储、膨胀做功、发电供给电解槽；

7、在太阳能充足时，直接通过太阳能光电解水制氢；而在太阳能不足时，通过空气压缩单元产生的电能进行电解水制氢。

8、本发明中综合制氢系统利用甲醇生产过程中的余热、有机朗肯循环和空气压缩技术以及太阳能技术，整个系统的工作流程是一个综合能量转换和利用的过程，从甲醇生产的余热回收开始，通过有机朗肯循环转换为电能，再利用空气压缩技术进行电能储存。在太阳能充足时，直接通过太阳能光电解水制氢，而在太阳能不足时，利用储存的电能进行电解水制氢。这一过程不仅提高了能源的利用效率，水电解制氢的高效化，还实现了清洁能源的高效转换和利用以及推动了氢能经济的发展。

9、优选的，所述太阳能制氢单元包括太阳能光伏板、光伏汇流器、dcdc转换器、并网逆变器；所述太阳能光伏板依次与光伏汇流器、dcdc转换器、并网逆变器连接，所述并网逆变器与所述电解槽连接。

10、优选的，所述氢气收集单元包括依次连接的气体收集器、气体分离器、氢气压缩机、储氢罐。

11、优选的，所述电解槽内阴极产生的氢气以及阳极产生的氧气通过管道运输到所述气体收集器中，所述气体收集器收集的氢气和氧气混合物通过管道再运输到所述气体分离器，气体分离器对氢气和氧气混合物进行分离，并对氢气进行过滤、吸附干燥和净化，将氢气通过管道运输到所述氢气压缩机，压缩后的氢气被送入储氢罐中储存。

12、优选的，所述甲醇生产余热回收单元包括依次连接的合成气罐、甲醇合成塔、余热源收集器。

13、甲醇生产过程中高温余热的回收利用，将其与有机朗肯循环相结合，通过余热驱动的方式提高能源利用效率，这一点是整个系统能源循环的基础。

14、优选的，所述有机朗肯循环单元包括蒸发器、工质泵、冷凝器、第一膨胀机组、第一发电机；所述余热源收集器与所述蒸发器连接，所述蒸发器与所述第一膨胀机组连接，所述第一膨胀机组与所述第一发电机连接，所述第一膨胀机组还与所述冷凝器连接，所述冷凝器与所述工质泵连接，所述工质泵连接所述蒸发器。

15、优选的，来自甲醇生产余热回收单元的余热源的热量进入到所述蒸发器，液态工质加热并蒸发成高压蒸汽，高压蒸汽随后进入到所述第一膨胀机组膨胀做功，驱动所述第一发电机产生电能；膨胀后的蒸汽工质变为低压蒸汽进入到所述冷凝器冷凝为液态工质，冷凝后的液态工质被工质泵，抽出、加压、排出、输送到所述蒸发器，以此形成循环。

16、有机朗肯循环的创新应用，利用甲醇生产余热加热的工作介质在有机朗肯循环中的应用，不仅提升了余热的利用效率，还通过涡轮发电为后续的氢气生产提供了必要的电力，这种创新的能量转换方式是本发明的技术亮点之一。

17、优选的，所述空气压缩单元包括依次连接的电动机、压缩机组、第一换热器、储气罐、第二换热器、第二膨胀机组、第二发电机，第二发电机与所述电解槽连接。

18、空气压缩与太阳能的联合应用：将空气压缩单元与太阳能集热单元相结合，通过太阳能预热压缩空气进一步提高水电解制氢的效率，这种结合既利用了太阳能这一清洁能源，又优化了氢气的生产过程。

19、优选的，所述电动机通过所述有机朗肯循环单元产生电能驱动所述压缩机组，所述压缩机组将环境空气吸入并压缩，压缩后的空气被输送到所述储气罐进行存储；

20、当需要释放能量时，所述储气罐中的压缩空气通过管道输送到所述第二膨胀机组释放，第二膨胀机组驱动第二发电机发电，所述第二发电机产生的电能用于电解槽进行电解产生氢气。

21、优选的，所述空气压缩单元还包括低温介质储罐、高温介质储罐、热用户换热器、冷用户换热器；

22、所述第一换热器与所述低温介质储罐、所述高温介质储罐均连接，所述第二换热器与所述低温介质储罐、所述高温介质储罐均连接，所述低温介质储罐、所述高温介质储罐均连接所述热用户换热器连接；

23、所述第二膨胀机组还与所述冷用户换热器连接。

24、本发明的优点在于：

25、本发明中综合制氢系统利用甲醇生产过程中的余热、有机朗肯循环和空气压缩技术以及太阳能技术，整个系统的工作流程是一个综合能量转换和利用的过程，从甲醇生产的余热回收开始，通过有机朗肯循环转换为电能，再利用空气压缩技术进行电能储存。在太阳能充足时，直接通过太阳能光电解水制氢，而在太阳能不足时，利用储存的电能进行电解水制氢。这一过程不仅提高了能源的利用效率，水电解制氢的高效化，还实现了清洁能源的高效转换和利用以及推动了氢能经济的发展。

26、甲醇生产过程中高温余热的回收利用，将其与有机朗肯循环相结合，通过余热驱动的方式提高能源利用效率，这一点是整个系统能源循环的基础。

27、有机朗肯循环的创新应用，利用甲醇生产余热加热的工作介质在有机朗肯循环中的应用，不仅提升了余热的利用效率，还通过涡轮发电为后续的氢气生产提供了必要的电力，这种创新的能量转换方式是本发明的技术亮点之一。

28、空气压缩与太阳能的联合应用：将空气压缩单元与太阳能集热单元相结合，通过太阳能预热压缩空气进一步提高水电解制氢的效率，这种结合既利用了太阳能这一清洁能源，又优化了氢气的生产过程。

29、该系统不仅提高了氢气的生产效率，降低了生产成本，还减少了对化石燃料的依赖和环境污染，具有重要的经济价值和环保意义。

30、还可以根据需求，通过优化系统内部协调、优化能量转换和存储、优化能量管理系统，以动态调整能源分配和利用，以应对能量供需的不平衡。提高热能和电能的有效利用，增加系统的灵活性，通过多种能源技术的结合，系统可以更灵活地响应能源供需变化，提高整体能源安全和可靠性；减少环境的影响，通过有效利用可再生能源和余热，减少对化石燃料的依赖，从而减少温室气体排放。

31、本发明的设计理念和技术方案可扩展至其他工业过程(如合成氨产业)中余热的回收利用，以及其他类型的可再生能源(如风能、地热能)与传统能源(如石油和煤炭)的综合利用，适应性强。