CN102428029A - 复合设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种复合型设备，其具有取得太阳能、并且利用取得的太阳能的一部分制造氢的制氢设备；储存由制氢设备制造的氢的储氢设备；和由空气制造氮的制氮设备，并将制造的氢和氮向合成设备连续地供给。

Description

复合设备
技术领域
本发明涉及复合设备。
背景技术
近年的地球温室化正越来越发展成深刻的事态。其主要原因可以认为是进入20世纪，从作为能源大量使用的石油、天然气等的化石燃料释放出的大气中的二氧化碳(CO2)等。
另一方面，由于能源需求的增大，曾经被认为取之不尽的化石燃料的枯竭正变得更加明确，价格以远超出预想的速度继续高涨。可以预想在不久的将来，人类已难以对化石燃料能源有所期待。
作为替代石油、天然气等的化石燃料能源的替代能源，现在正在研究煤能、生物能、核能和太阳能等自然能源。
作为替代能源，利用煤能的场合，可认为通过煤的燃烧而释放出大量的二氧化碳成为问题。对此，曾提出了在燃烧时回收二氧化碳，并储存在地中的方案，虽然进行了较多的研究，但关于长期的稳定的储存，尚有不切实性，并且适合于储存的场所也偏在。此外，可认为二氧化碳的回收、输送、向地中的投入耗费较多的成本也成为问题。另外，煤燃烧还有可能引起由硫氧化物(SOx)、烟雾等的发生导致的环境问题，这也成为问题。
作为替代能源的生物能，尤其是以乙醇为主的生物燃料，近年来非常地显露头角。然而，来自植物的乙醇的生成和浓缩需要大量的能量，有时在能量效率上不利。此外，作为用于生物燃料的原料，利用玉米、大豆、甘蔗等的场合，由于它们当然地也有作为食品和饲料的用途，因此会使食品和饲料的价格高涨。所以，除巴西等特别的地区以外，不能够将生物能作为实质的能源考虑。
作为替代能源的核能的利用，对于来自原子能发电站的放射性废物的处理，不能说已找到充分的解决对策。而且，基于对核扩散的恐惧的反对意见也较多，因此不能期待世界性的大进展。可以预想由于在长期中伴随原子反应堆老朽化，废反应堆增多，作为替代能源的核能的份额会减少。
如上所述，煤能、生物能、核能中的任一种都不能说已解决了持续性和导致地球温室化的二氧化碳发生的问题。因此作为理想的能源有太阳能。
发明内容
虽然太阳能是非常有力的替代能源，但为了将其在社会活动中充分利用，成问题的是(1)太阳能的能量密度低；以及(2)太阳能的储存和输送较困难。然而，通过解决(2)的有关太阳能的储存和输送的课题，能够确保、能够利用沙漠等的广大的用地，由此能量密度低便不成为问题。
为了解决上述课题，必须将太阳能转换为储存和输送容易的化学能。虽然考虑了种种的物质，但考虑到操作性、安全性、既有的基本设施的利用、作为能源的应用性，可以认为氨最适合。该氨的制造方法包括：使用制氢设备取得太阳能，并且利用取得的太阳能的一部分由水制造氢；使用制氮设备由空气制造氮；使用储氢设备储存由制氢设备制造的氢；使用氨合成设备，由制造的氢和制造的氮连续地合成氨。
附图说明
以下参照附图对本发明进行说明
图1是表示制氨设备的一例的图。
图2是表示抛物面反射器(parabolic dish)型聚光装置的一例的图。
图3是表示太阳塔(solar tower)型聚光装置的一例的图。
图4是表示抛物面槽(parabolic trough)型聚光装置的一例的图。
图5是表示制氢设备的一例的图。
图6是表示储氢设备的一例的图。
图7是表示储氢设备的另一例的图。
图8是表示制氮设备的一例的图。
图9是表示通过深冷分离而制造氮的制氮设备的一例的图。
图10是表示氨合成设备的一例的图。
图11是表示氨合成设备的另一例的图。
图12是表示聚光量的一例的图。
图13是表示进行氨制造量的计算和氨制造量的控制的控制装置的一例的图。
图14是表示进行氨制造量的计算和氨制造量的控制的处理流程的图。
图15是表示用于表示氢设备的物质收支的工艺流程的一例的图。
图16是表示图15所示的工艺流程的物质收支的图。
图17表示向氨合成设备400供给合成气体的复合设备的一例。
具体实施方式
关于太阳能的储存和输送，作为能够由水、空气和太阳能制造、并且储存和输送容易的液体燃料，可考虑氨(NH3)。
另外，现在世界的氨生产量每年约1.5亿吨，主要在肥料用途中大量使用。从这样地在市场上大量地使用的业绩来看，也可认为氨具有充分的社会接受性。
氨的物理特性接近于LPG，在常温下，在8个大气压左右下简单地液化，并且，关于其储存和输送，有充分的业绩，不会成为特别的问题。另外，氨被定义为不燃性物质，难以着火，即使着火，燃烧速度也慢，可燃范围也窄，因此可认为其操作性不会成为特别的问题。
氨的能量密度是汽油的一半左右，与甲醇大致相同，但在理论混合比下的放热量，与汽油同等，作为燃料也可充分用于移动体。此外，由罐车等送到远距离地的火力发电站，能够代替天然气、煤而燃烧，该场合下的效率，在理论上可以认为超过天然气、汽油。
在氨的燃烧方面，能够进行由下述的式1表示的燃烧反应。
2NH3+3/2O2→N2+3H2O+(放热量)  (式1)
即，在氨的燃烧中，不生成二氧化碳，因此，没有地球温室化的问题。
以下参照附图对实施方式进行说明。
用图1说明利用太阳能合成氨的制氨设备的一例。如图1所示，制氨设备10具有制氢设备100、储氢设备200、制氮设备300和氨合成设备400。
制氢设备100是取得太阳能，并且利用取得的太阳能由水制造氢的设备。由于制氢设备100将太阳能作为用于制氢的能源使用，因此在辐射太阳能的白天进行制氢的运行，在没有太阳能辐射的夜间停止制氢的运行。
制氮设备300是用于由空气制造成为氨合成设备400的合成气体的一部分的氮的设备。制氮设备300不直接利用太阳能，而如后述那样地通过来自外部的电力或氢燃烧来制造氮，因此通过来自外部的电力或氢的供给，能够不分昼夜地进行连续运行。
氨合成设备400是由氢和氮合成氨的设备。氨合成设备400不分昼夜地连续地合成氨。
储氢设备200，是用于储存由制氢设备100所制造的氢，并且对氨合成设备400连续地供给氢、以及根据情况对制氮制备300连续地供给氢的设备。
这样，虽然制氢设备100在夜间停止制氢，但氨合成设备400不分昼夜地连续地合成氨。使氨合成设备400相应于制氢设备100间歇地运行的场合，会产生由氨合成设备400的开动工序和停止工序所导致的能量损失，因此，储氢设备200储存在白天由制氢设备100所制造的氢的至少一部分，即使在夜间也对氨合成设备400供给储存的氢，由此制氨设备10能够利用氨合成设备400连续地合成氨。通过氨合成设备的连续运行，能够降低如在白天工作而在夜间停止那样的氨合成设备的间歇运行所产生的能量损失。
以下，依次说明制氨设备10具有的各设备的详细情况。
<制氢设备100>
制氢设备100是取得太阳能，并且利用取得的太阳能的一部分制造氢的设备。
<制氢设备100(太阳能的取得)>
作为取得太阳能的方法，除了简单地接收太阳光的方法以外，为了提高其能量密度，还有进行聚光的方法。例如可以利用下述(A1)～(A3)的聚光装置。
(A1)抛物面反射器型
图2是表示抛物面反射器型聚光装置的一例的图。图2中表示的抛物面反射器型聚光装置，具有使太阳光20反射而进行聚光的碟状反射部141和接受聚光光的受光部142，在受光部142取得太阳热能。由受光部142得到的太阳热能，由于温度高，因此可以直接驱动斯特林发动机，也可以随意地利用如熔融金属钠之类的熔融碱金属、熔融盐、油、水蒸气等的热介质使之移动到需要的场所。抛物面反射器型聚光装置，适于规模比较小的设备，作为太阳热能为10kW～数百kW左右时可优选使用。一般地，抛物面反射器型聚光装置的聚光度高，由此能够得到2000℃以上的高温热源，但成本比后述的类型的聚光装置高。
(A2)太阳塔型
图3是表示太阳塔型聚光装置的一例的图。图3所示的太阳塔型聚光装置150，具有使太阳光20反射而进行聚光的多个反射部151和接受聚光光的受光部153，在受光部153取得太阳热能。受光部153配置在受光塔152的上部。相应于太阳的运动，以朝向受光部153的方式控制反射部151。由受光部153得到的太阳热能，能够随意地利用热介质使之移动到需要的部位。太阳塔型聚光装置适于10MW～数百MW的大规模的设备。一般地，太阳塔型聚光装置，聚光度大，能够得到1000℃以上的高温热源。但塔的建设费较高。
(A3)抛物面槽型
图4是表示抛物面槽型聚光装置的一例的图。图4中表示的抛物面槽型聚光装置，具有使太阳光20反射而进行聚光的槽型反射部161和接受聚光光的受光部162，在受光部162取得太阳热能。由受光部162得到的太阳热能，通过随意地使热介质经由热介质流路163流通，而能够移动到需要的场所，抛物面槽型聚光装置，结构简单且成本低，适于大规模的设备。一般地，适于数百MW，但聚光度低，得到的热源是400～600℃的低温热源。
如上述那样，聚光装置各具特征。因此，在制氢设备100中能够利用这些聚光装置中的任一种或者它们的组合。具体地讲，能够采用聚光度大的聚光装置(例如抛物面反射器型聚光装置和/或太阳塔型聚光装置)得到用于高温热源的太阳热能，并且可采用聚光度小的聚光装置(例如抛物面槽型聚光装置)得到其他的太阳热能，例如用于低温热源、动力的太阳热能。
例如，能够使采用聚光度大的聚光装置得到的太阳热能，为采用聚光度大的聚光装置和聚光度小的聚光装置得到的太阳热能的合计的1/2以下，例如1/3～1/2的范围。这样，限制一般成本高的聚光度大的聚光装置的比例，对于聚光设备总体的成本而言有时是优选的。
<制氢设备100(氢制造法)>
作为利用取得的太阳能的一部分由水制造氢的方法，可以利用多种方法。具体地，例如有下述的(B1)～(B6)的水的分解方法。在(B1)～(B4)的方法中，焦点在于使水的分解反应所需要的温度降低，在(B5)的方法中，焦点在于提高光能的利用率。
(B1)直接热分解法
是最基本的方法，根据下述的式2所示的反应，在高温下直接地将水分解成氢和氧。
H2O→H2+1/2O2(2000℃以上) (式2)
该反应本来需要数千摄氏度的温度，但通过利用催化剂，能够在2000℃左右的温度下实现。
(B2)金属氧化还原法
存在为了降低上述(B1)中所需的高温，介在第3物质而分解水的方法。其代表性的例子是介在锌的方法，该场合的反应式如以下所述。
Zn+H2O→ZnO+H2(约400℃)   (式3)
ZnO→Zn+1/2O2(约1700℃)   (式4)
总反应H2O→H2+1/2O2
在该方法中，需要高温的热源(约1700℃)和低温的热源(约400℃)这两种热源。
(B3)I-S(碘-硫)法
作为比上述(B2)的方法进一步降低反应温度的方法，有I-S循环法。I-S法是通过利用直到850℃左右的热将使原料水和碘(I)与硫(S)的化合物反应而得到的氢碘酸、硫酸热分解来制造氢和氧的方法。反应如下。
H2SO4→H2O+SO2+1/2O2(约850℃)    (式5)
2H2O+SO2+I2→H2SO4+2HI(约130℃)  (式6)
2HI→H2+I2(约400℃)              (式7)
总反应H2O→H2+1/2O2
在该方法中，需要高温的热源(850℃)和低温的热源(400℃)这两种热源。
(B4)UT-3循环法
作为比上述(B2)的方法进一步降低反应温度的方法，有UT-3循环法。反应如下。
CaBr2(s)+H2O(g)→CaO(s)+2HBr(g)(700～750℃)  (式8)
CaO(s)+Br2(g)→CaBr2(s)+1/2O2(g)(500～600℃)  (式9)
Fe3O4(s)+8HBr(g)→FeBr2(g)+4H2O(g)+Br2(g)(200～300℃)  (式10)
3Fe3O4(s)+4H2O(g)→Fe3O4(s)+6HBr(g)+H2(g)(550～600℃)  (式11)
如果将式8～11所示的4个反应相加，则留有水分解成氢和氧的反应，其他的化合物在循环中循环。反应分别在式8～11所示的温度下进行，因此为了使循环进行，具有最高750℃的热能即可。
如上所述，利用热由水制造氢的上述(B1)～(B4)的反应，任一反应都在至少其一部分中需要比较高的温度的热源。
该比较高的温度的热源，能够将取得的太阳热能直接地作为热源利用而提供，该场合下，可以采用聚光度大的聚光装置，例如抛物面反射器型聚光装置和/或太阳塔型聚光装置得到需要的太阳热能的至少一部分。
(B5)利用光催化剂进行的水分解
是不利用热能而利用光能，光电化学性地分解水的方法。当在室温附近对与水接触的光催化剂照射太阳光时，分解水而产生氢和氧。作为代表性的光催化剂有氧化钛。然而，氧化钛的场合，太阳光之中只有紫外区的光有助于该反应，不能够利用占太阳光的大部分的可见光、近红外光，因此效率极低。于是，进行了各种各样的光催化剂的研究，例如，通过混合氮原子、硫原子等的杂质，甚至可见光区的光也能够利用的光催化剂等。另外，也盛行下述的研究：将成为色素、太阳能电池材料的接受光而发生电动势的材料与光催化剂组合，来提高水分解的效率。另一方面，光催化剂不需要高温热源，具有每单位面积的设备成本非常廉价的可能性，因此在用地面积充裕的场合具有成为主流技术的可能性。
(B6)水的电解法
通过电解水能够制造氢。作为水的电解法，例如有碱水电解法和固体高分子电解质水电解法。作为碱水电解法，例如可以使用KOH水溶液。在固体高分子电解质水电解法中，例如，氟树脂系离子交换膜可用于电解质。
<制氢设备(设备说明)>
在图5中对作为制氢设备100的一例的制氢设备100A进行说明。
制氢设备100A具有反应装置130、聚光设备150A、160A、热交换器170。反应装置130是用于采用上述(B1)～(B4)、(B6)所示的方法的任一种由水制造氢的装置。
虽然没有图示，但反应装置130也可以是直接接受太阳光采用上述(B5)所示的方法由水制造氢的装置。另外，反应装置130具有用于进行施行上述(B1)～(B5)的任一种方法的蒸馏、分解、回收、混合、加压、热交换等操作的功能的多个设备。反应装置130也可以具有除去伴随制氢反应的物质的功能。例如，在I-S法的场合，根据式7，具有碘化氢(HI)、碘(I2)与氢伴随的情况。另外，在UT-3法的场合，根据式11，具有溴化氢(HBr)伴随的情况。该场合下，这些伴随的气体必须在与合成氨催化剂接触前进行精制除去，因此也可以在反应装置130中进行精制除去。
聚光设备150A是聚光度高的聚光设备，例如，相当于采用图3说明的太阳塔型聚光装置150。采用聚光设备150A聚集的太阳热能，例如也可以作为用于实现(B2)～(B4)所示的750℃以上的反应温度的高温热源使用。聚光设备160A是聚光度低的聚光设备，例如相当于采用图4说明的抛物面槽型聚光装置160。聚光设备160A，例如也可以作为用于实现(B2)～(B4)所示的低于750℃的低温的反应温度的高温热源使用。这样，通过利用聚光度小的聚光装置，例如抛物面槽型聚光装置进行太阳热能的取得，对于聚光设备总体的成本而言有时是优选的。另外，在图5中示出了两种聚光设备，但也可以只采用聚光设备150A实现氢生成反应的全部的反应温度。
这样，制氢设备100A利用取得的太阳能的一部分由水制造氢和氧。氧可以在别的用途中利用或者排放到大气中。所制造的氢从反应装置130进入管路101中。管路101中的氢通过热交器170冷却，进入管路102中。在该冷却处理中，可以进行利用蒸气的热和/或动力回收，也可以利用冷却水(CW)冷却到用于储氢设备200的压缩机(后述)的规定温度。管路102中的氢被加压输送到储氢设备200中。
再者，制氢设备100A也可以如图5所示具有发电单元190。发电单元190具有热交换器191、蒸气轮机192、发电机194、冷凝器196和泵198。热交换器191，通过将高温的热介质与水进行热交换而发生蒸气。蒸气轮机192是利用从热交换器191排出蒸气进行旋转的涡轮机。发电机194与蒸气轮机192连接并且由进行旋转的转子回收动力进行发电。冷凝器196将从蒸气轮机192排出的蒸气冷却，恢复成水，水由泵198再次送入热交换器191中。再者，在上述例中，利用热交换器191生成蒸气，但也可以不是与热介质的热交换，而为在由150或160所示的聚光装置中直接生成蒸气的构成。
采用(B6)所示的水电解法的场合，反应装置130作为进行水电解的装置发挥功能。用于水电解的电由发电机194向反应装置130供给。
<储氢设备>
储氢设备200是储存由制氢设备100所制造的氢，并且向制氮设备300和氨合成设备400供给氢的设备。通过储存在白天由制氢设备100所制造的氢的至少一部分，在夜间也向制氮设备300和氨合成设备400供给储存的氢，储氢设备200能够使制氮设备和氨合成设备400连续运行。
图6表示作为储氢设备200的一例的储氢设备200A。储氢设备200A具有压缩机210、热交换器220、氢罐240、压缩单元250A和压力控制装置260A。
与制氢设备100连接的管路102，与压缩机210的入口连接。
压缩机210的出口压力，也可以根据向制氮设备300的燃气轮机的燃烧器(后述)的供给压力和/或向氨合成设备400的反应器(后述)的合成气体供给压力来确定。这样，通过在氢罐240的入口侧提高压力，而减轻制氮设备300的燃气轮机燃烧器近前的加压或氨合成设备400的反应器近前的加压所需要的能量，同时储存于氢罐240中的气体密度提高，由此能够减小氢罐240的容量。
热交换220将通过压缩机210的加压而加热了的氢冷却。
氢罐240，储存用于向即使在夜间也连续运行的氨合成设备400供给的充分量的氢。氢罐240A上安装有压力计(PI)232，压力计232检测罐的压力。虽然图6中表示出一个氢罐240，但储氢设备200，为了相应于氨合成设备400的氨制造量保存夜间运行所需要的氢量，也可以具有多个罐。氢罐240中储存的氢被送入管路201中。管路201中的氢被输送到制氮设备300或氨合成设备400中。
管路203是对氢罐240进行旁通的管路。对氢罐240供给制造的氢的一部分的场合，其他的氢，绕过氢罐240而向制氮设备300或氨合成设备400供给。
压力控制装置260A，为与采用图13在后面叙述的控制装置相同的装置构成。压力控制装置260A，在管路201的压力降低的场合，通过利用压力控制装置260A将氢罐240中储存的氢进行加压，从而维持管路201的压力。再者，氢罐240的压力，由于制氢设备100运行期间供给所制造的氢，因此能够维持压力，但制氢设备100停止的期间不供给氢并且对氨合成设备400供给氢，因此氢罐240的压力降低。
因此，压力控制装置260A监视管路201的压力，在管路201的压力降低的场合，进行控制以使压缩单元250A工作，维持管路201的压力。另外，氢罐240的压力，随着向制氮设备300和氨合成设备400的氢供给量而慢慢地降低。因此，压缩单元250A，能够与管路201的压力相对应地改变压缩比为好。图6所示的压缩单元250A，为了改变压缩比而具有多级构成的压缩机。例如，在管路201发生压力降低的场合，关闭控制阀252和控制阀255，开放控制阀251和控制阀256，起动压缩机253，由压缩机253加压了的氢被供给到管路201中。在压力进一步降低的场合，关闭控制阀252和控制阀256，开放控制阀251和控制阀255，起动压缩机253和压缩机257，由压缩机253和压缩机257加压了的氢被供给到管路201中。压缩机253和压缩机257也可以通过变换控制根据压力控制转速。如果通过变换控制能够根据管路201的压力而改变压缩机的排出压力，则压缩单元250A也可以只具有一个压缩机。这样，通过压缩单元250A，管路201的压力被维持为一定。
图7表示作为储氢设备200的另一例的储氢设备200B。储氢设备200B具有氢罐240、压缩单元250B和压力控制装置260B。
储氢设备200B与储氢设备200A的不同点是：压缩单元250B具有对来自制氢设备100的由管路102所供给的氢进行加压的功能、和为了防止夜间时管路201的压力降低，对由氢罐240供给的氢进行加压的功能这两种功能，不需要图6中表示的压缩机210。压缩单元250B的设备构成，与图6所示的压缩单元250A相同。
制氢设备100运行中，压力控制装置260B开放控制阀212和控制阀214，并且关闭控制阀216。压力控制装置260B再关闭控制阀252和控制阀256，并且开放控制阀251和控制阀255，起动压缩机253和压缩机257。这样，压缩单元250B将由制氢设备100制造的氢加压输送到氢罐240和制氮设备300以及氨合成设备400中。制氢设备100停止中，压力控制装置260B开放控制阀216并且关闭控制阀212和控制阀214，使压缩单元250B运行，将氢罐240的氢加压输送到氢罐240和制氮设备300以及氨合成设备400中。制氢设备100停止时的压缩单元250B的运行，与上述的压缩单元250A相同。
这样，由于压缩单元250B具有对由管路102所供给的制造的氢进行加压的功能和对由氢罐240所供给的氢进行加压的功能，因此可不需要图6所示的压缩机210。
<制氮设备(氮制造法)>
制氮设备300是由空气制造成为氨合成设备400的合成气体的一部分的氮，含有储存氮的一部分的功能的设备。
制氮设备300采用下述的(C1)或(C2)的方法由空气制造氮。
(C1)深冷分离
在深冷分离法中，一边冷却空气一边进行压缩，形成液态空气，利用氧与氮的沸点之差，从液态空气中分离氮。深冷分离法，虽然能够得到高纯度的氮，但需要大规模的设备和比较多的能量。
(C2)通过燃烧除去氧
利用空气使制造的氢(H2)燃烧，使空气中的氧消耗，由此也能够制造氮气。再者，由于氢的燃烧反应是放热反应，因此也能够利用反应热产生氨制造设备10所需要的电力等。
<制氮设备(通过氢燃烧来制造氮的设备)>
图8表示通过氢燃烧来制造氮的制氮设备的一例。制氮设备300A具有氢燃烧装置310A。制氮设备300A也可以具有氢控制装置320A、控制阀340、控制阀342、热交换器350、气体精制装置360、储氮设备380A。
这样，制氮设备300A将制造的氢和空气燃烧来制造氮，并且将通过燃烧而发出的电力供给至氨合成设备400和制氢设备100中的至少一个设备。
氢控制装置320A，利用控制阀340、342分成向氢燃烧装置310A供给由管路210供给的氢的管路302、和与氨合成设备400连接的管路303。
氢燃烧装置310A具有空气压缩机311、燃烧器312、燃气轮机313、排热回收锅炉314、蒸气轮机315、冷凝器316、泵318、发电机319。空气压缩机311，将空气压缩成依照燃烧器312的压力条件的规定压力。为了进行氢的燃烧反应，燃烧器312使由管路302供给的氢、和由空气压缩机311压缩的空气进行燃烧。再者，制氮设备300A能够得到在储氢设备200中储存的氢，因此即使是制氢设备100停止时，氢燃烧装置310A也能够连续运行。因此，不会产生与氢燃烧装置310A的起动工序和停止工序相伴的能量损失。
以下示出氢气的燃烧为化学计量比(理论配比)的情况的化学式。
H2+2.4空气→H2O+1.88N2+0.023Ar+0.0007CO2  (式12)
这样，利用氢燃烧装置310A，能够制造合成氨的气体的氮，并在下游的氨合成设备400中将由管路303所供给的氢气混合，能够制造具有所希望的化学计量比的氢与氮的合成气体。
另外，氢在空气中的燃烧极限为4～75(体积％)。氢与氮的混合比例，只要是在氢的燃烧极限范围内，就可以自由地变更。因此，也可以将氢气相对于空气的混合比提高到作为燃烧极限的上限值的75体积％来进行氢燃烧。例如，根据燃烧后的排气中的氮含量和氢含量由管路303供给氢气，使合成氨的气体的混合比为氢∶氮＝3∶1。而且，通过预先由管路302向氢燃烧装置310A供给氢气以使燃烧后的排气中的氢∶氮为3∶1，可不需要由管路303追加供给氢气。该场合下也如下式13所示，导入气体中的氢浓度为73.4体积％，是氢的可燃区域。
6.63H2+2.4空气→H2O+1.88N2+5.63H2+0.023Ar+0.0007CO2  (式13)
另一方面，虽然在式12和式13中没有表示，但通过氢燃烧反应而产生氮氧化物(NOx)。在氨合成中，含氧化合物会使催化剂中毒，因此利用后述的气体精制装置360除去NOx。通过使氢相对于氧的量比化学计量比大，能够减少NOx在燃烧气体中的浓度。因此，根据后述的NOx除去设备的设备能力，使氢相对于氧的量比化学计量比大而进行燃烧，换言之，优选相比于化学计量比以氢过剩的状态进行燃烧。
再者，氢控制装置320A，利用控制阀340、342，以某个氢过剩率供给在氢燃烧装置310A中燃烧的氢，使氢燃烧。上述氢过剩率，也可以根据燃烧气体中的氧浓度、氮氧化物浓度和发电效率中的至少一项来确定。燃烧气体中的氧浓度、氮氧化物浓度，可以利用定期地检测出的数据设定在氢控制装置320中，也可以采用在后述的气体精制装置360中检测出的检测值。另外，氢控制装置320A能够由发电机319的发电量和管路302中的氢流量得到发电效率。
燃烧器312中的燃烧温度，例如为1100～1500℃。当要提高燃气轮机313的发电效率时，燃烧器312的压力变高，因此所供给的空气的压缩比例如为11～23。因此，对燃烧器312供给的管路302的氢供给压力，考虑配管的压力损失，比11～23个大气压大。氢燃烧装置310A是复合循环(combined cycle)发电装置。燃气轮机313是利用来自燃烧器312的高温高压的燃烧气体进行旋转的涡轮机。排热回收锅炉314，是通过使来自燃气轮机313的高温排气与水进行热交换而发生蒸气的锅炉。蒸气轮机315是利用由排热回收锅炉314进行了热交换的蒸气进行旋转的涡轮机。发电机319由燃气轮机313和蒸气轮机315获得动力，利用旋转的转子进行发电。冷凝器316将从蒸气轮机排出的蒸气冷却，变成水，水由泵318再次送入到排热回收锅炉314中。
这样，在制造氮气的同时由发电机319发生的电力能够作为储氢设备200和氨合成设备400中的至少一个设备的电力使用。另外，由热交换器350回收的热，能够作为制氢设备100、储氢设备200、制氮设备300、氨合成设备400中的至少一个设备的热源使用。因此，不只是制造氮，还通过利用氢燃烧所带来的能量，不从外部接受电或减少来自外部的电，能够不分昼夜地使氨制造设备10连续运行。
再者，制氮设备300A使获得氨合成所需的氮量的制造的氢进行燃烧。制氮设备300A使获得由氨合成设备400和制氢设备100中的至少一个设备所需要的电力确定的电力的量的制造的氢燃烧。其结果，制氮设备300A能够供给作为合成氨的气体的原料的氮，并且，不从外部接受电或减少来自外部的电，能够不分昼夜地使氨制造设备10连续运行。在需电较多时，制氮量有时超过合成氨所需要的氮量，在这样的场合，储氮设备380A作为缓冲设备储存氮，进一步过剩的氮，利用氢控制装置320A控制控制阀344，经由管路305，以在氨制造设备10以外进行利用为目的向外部供给。这样，通过设置储氮设备380A，储存过剩地制造的氮，不论氮的需求如何都能够形成减少氢燃烧装置310A的发电量即氮制造量的自由度。例如在氨制造设备10中的电的需求变动、氢燃烧装置310A的发电电力的需求暂时地减少时，通过储存氮能够缓冲，作为设备能够顺利工作。或者，能够使用白天的太阳热发电、深夜电那样的效率更好的、或更价廉的其他的电力供给设备。另外，通过由管路305向外部供给进一步过剩的氮气，制氮设备300不仅有制造合成氨的气体的功能，还能够作为单纯地制造氮的装置发挥功能。
来自热交换器350的排气被供给到管路304中。氢控制装置320A是控制向管路303的氢供给量和向管路302的氢供给量的装置。氢控制装置320A利用控制阀340控制向燃烧器312的供给氢量。氢控制装置320A通过控制送向管路302的氢量，能够控制氢燃烧中的氢相对于氮的混合比。
在氨合成中，含氧化合物会使催化剂中毒，因此空气中含有的CO2、由氢燃烧而产生的水以及NOx必须除去到规定的浓度。因此，气体精制装置360，是根据氨合成设备400的入口条件除去通过氢气燃烧反应而制造的氢和氮以外的副产物的设备。
作为气体精制装置360，也可以具有水(H2O)除去设备、二氧化碳(CO2)除去设备、氧(O2)除去设备、NOx除去设备、过氧化氢(H2O2)除去设备。作为水除去设备，有填充了沸石的干燥器。作为二氧化碳(CO2)除去设备，有使用碳酸钾水溶液进行反应吸收的方法(下式)。
K2CO3+CO2→2KHCO3(低温下的吸收反应)  (式14)
K2CO3+CO2→2KHCO3(高温下的再生反应)  (式15)
作为氧(O2)除去设备，有与H2的Pd或Pt的催化反应、分离膜、PSA(Pressure Swing Adsorption)法。作为NOx除去设备，有使用氨的除去方法。
气体精制装置360，也可以连续检测燃烧气体中的氧浓度、氮氧化物浓度，将检测值通知给氢控制装置320A。
<制氮设备(通过深冷分离而制造氮的设备)>
图9表示通过深冷分离而制造氮的制氮设备的一例。制氮设备300B与制氮设备300A相比，不同之处在于还具有深冷分离设备370，没有气体精制装置360，但其他的装置与制氮设备300A相同。氢燃烧装置310B不制造氮而作为发电设备设置，由氢燃烧装置310B发出的电向深冷分离设备370、储氢设备200、氨合成设备400中的至少一个设备供给。再者，制氮设备300B，使获得由深冷分离设备370、氨合成设备400和制氢设备100中的至少一个设备所需要的电力确定的电力的量的制造的氢燃烧。氢控制装置320B能够根据向管路303供给的氢量，控制由深冷分离设备370制造的、向管路304供给的氮量。
制氮设备300B能够得到在储氢设备200中储存的氢，因此即使是制氢设备100停止时，氢燃烧装置310B也能够连续运行。
因此，制氮设备300B，具有向深冷分离设备370、氨合成设备400和储氢设备200中的至少一个设备供给将制造的氢和空气燃烧而发生的电力的发电设备，不需要来自外部的供电，而能够使氨制造设备10和深冷分离设备370连续运行。因此，能够减轻与深冷分离设备370的开动工序和停止工序相伴的能量损失。制氮设备300B也可以具有储氮设备380B。通过具有储氮设备，能够采用效率更好的、或更廉价的其他的电力制造氮并储存起来。例如，氨制造设备10具有图5所示的发电单元190的场合，能够利用由白天的剩余的太阳热发生的电力，在深冷分离设备370中制备氮，并储存在储氮设备380B中。另外，在能够从外部供电的场合，也可以利用深液电大量地制造氮并储存起来。
对于制氮设备300B中的与制氮设备300A相同的其他的装置，省略其说明。
通过深冷分离而制造的氮，在从导入的空气进入深冷分离中的冷箱之前，脱除水和二氧化碳，并且将该空气液化后，被分离成氧和氮。在此制造的氮气中的含氧化合物为极低的浓度，因此可不需要气体精制装置360。另外，副产的氧，除了氨制造设备10以外也能够进行利用。
<氨合成设备(氨合成方法)>
是由氢和氮合成氨的设备。
氨的合成由下面表示的反应式表示，是放热反应。
N2+3H2→2NH3(约400℃)  (式16)
如式16所示是体积减少的反应，因此优选反应压力在化学平衡上为高压。即使合成氨的反应是放热反应，由于压缩工序的必要性，氨的合成也需要动力。
<氨合成设备(设备说明)>
图10表示氨合成设备的一例。氨合成设备400A具有合成气体压缩机420、合成气体热交换器430、反应器440、液化设备450和氨合成控制装置460。管路303上设置有检测流经管路303的氢流量的流量计(FI)461。管路304上设置有检测流经管路304的氮流量的流量计462。管路406上设置有检测流经管路406的氨流量的流量计463。氨合成控制装置460，基于由流量计461得到的氢流量、和由流量计462得到的氮流量，基于式16表示的化学计量比来控制各设备，以使由流量计463得到成为设定值的规定的氨制造量。再者，氨合成控制装置460，成为设定值的规定的氨制造量也可以从后述的控制装置900接收信号。
由管路303、304供给的合成气体，利用合成气体压缩机420升压到反应器440的反应压力。然后，合成气体由合成气体压缩机420排出而被供给到管路401中。管路403向合成气体热交换器430的低温侧供给。
合成气体压缩机420，是用于将含有氢和氮的合成气体加压到合成氨的反应的反应压力的压缩机。合成气体压缩机是多级构成的离心压缩机或多级构成的轴流式压缩机。图10中合成气体压缩机420由两个压缩机构成，但不限于该构成。
合成气体热交换器430是将通过合成气体的放热反应而高温化了的氨气送入高温侧，将合成气体送入低温侧的热交换器。这样，通过利用高温化了的氨气作为热介质，就不需要从外部供给将合成气体加热到反应温度的能量。
反应器440是填充有规定的催化剂，并且进行由式16所示的氨合成反应的设备。
在反应器440中合成的氨被供给到管路403中。供给到管路403中的氨，由合成气体热交换器430低温化，被供给到管路404中。管路404与液化设备450连接。
液化设备450将生成的氨液化，并取出到管路406中，使未反应的合成气体返回到管路405中，与新的合成气体一起由合成气体压缩机420加压，并送入到反应器440中。由液化设备450液化的氨，从管路406储存于没有图示的储氨设备中，陆运和/或船运出厂。
图11表示氨合成设备的另一例。氨合成设备400B，除了管路303的连接端头处在合成气体压缩机420的后级段侧以外，具有与利用图10说明的氨合成设备400A相同的构成。因此，对于与氨合成设备400A相同的构成，省略说明。
供给到管路304中的氮，向合成气体压缩机420的一级压缩机的入口供给。供给到管路303中的氢，向合成气体压缩机420的二级压缩机的入口供给。
由管路304供给的氮，由于是燃气轮机313的排气压力，因此为低压。由管路303供给的氢，由于由被压缩储存的氢罐202供给，因此为高压。因此，如果来自管路304的氮被供给至压缩机的第1级，来自管路303的氢被供给至压缩机的第2级或其以后的级段即可。再者，图11是例举合成气体压缩机420为多级构成的图，合成气体压缩机不限于图11中说明的合成气体压缩机420。
这样，通过将由管路304供给的氮的3倍摩尔数的氢由管路303送入到压缩机的后级段的入口侧，与将混合后的合成气体送入压缩机的第一级并进行加压的情况相比，能够大幅度地减少合成气体压缩机420所需要的动力。如上所述，在制氨设备中，合成气体的压缩动力在每单位氨的需要能量中占有较大的比例，因此合成气体压缩机420所需要的动力的降低能够减少每单位氨的需要能量。
<氨合成设备的控制>
由于制氢设备100的制氢量根据日照量而不同，因此制氨设备10也可以根据日照量控制氨的生产量。
图12是表示日照的聚光量的一例的图。聚光量曲线801表示夏天的聚光量。聚光量曲线803表示冬天的聚光量。聚光量曲线802表示春天或秋天的聚光量。如图所示，夏天从日出到日落的时间长，因此聚光量大。另一方面，冬天从日出到日落的时间短，因此聚光量小。聚光量小时，有时相对于目标制氨量不能够充分地得到氢。另外，聚光量大时，可制造过剩的氢。因此，优选制氨设备10根据聚光量控制氨的制造量。
利用图13来说明进行氨制造量的算出和氨制造量的控制的控制装置的一例。控制装置900具有存储部911、处理部912、通信部913、外部存储装置914、驱动装置915和总线919。再者，虽然没有图示，但控制装置900通过通信部913与制氨设备10的仪表化设备类、以及压力控制装置260A或压力控制装置260B、氢控制装置320A或氢控制装置320B、以及氨合成控制装置460连接。
控制装置900，在存储部911存储日照量信息、氢罐残存量、天气预报信息。日照量信息和天气预报信息能够通过通信部913由预测日照量和天气预报的外部系统进行网络接收。控制装置900利用由氢罐的压力计232取得的压力信息取得氢罐残存量。日照量信息是记录每个季节变化的从日出到日落的时间、和根据天气预报确定的单位时间的日照量，采用记录预测聚光量和氢制造量用的信息。换言之，日照量信息是包含例如如图12所示记录季节和时间的变动的日照量的信息。
控制装置900还存储用于算出氨制造量，并且使氨合成设备按算出的氨制造量制造氨的程序。控制装置900的处理部912，通过执行上述程序实现氨制造量算出功能。控制装置900利用氨制造量算出功能，将算出的氨制造量作为设定值，传输到氨合成控制装置460，由此能够控制氨合成设备400的氨制造量。
这样，控制装置900基于太阳的日照量信息算出1天能够制造的氢量，并且算出以算出的制氢量为原料的氨制造量，由此按算出的氨制造量使氨合成设备400制造氨。
利用图13、图14来说明利用控制装置900算出氨制造量和控制氨制造量的处理流程的一例。
控制装置900的处理部912，使用由日照量信息得到的日照量，算出氢制造量(S701)。氢制造量基于由日照量得到的热能算出。处理部912由算出的氢制造量算出由储氢设备200向制氮设备300和氨合成设备400供给的单位时间的氢流量(S702)。接着，处理部912确定向制氮设备300和氨合成设备400供给的氢流量(S703)。虽然氢燃烧反应为了制氮和发电而进行，但基于氮制造量或发电的某一方支配性的量确定氢流量。氢燃烧装置310的发电效率高，氨合成设备400的耗电效果大的场合等，以少的氢量就满足规定的发电量，另一面在不能得到充分的合成气体用的氮量的场合，为了制造氮，确定送往制氮设备300的氢流量。另外，电力需求多的场合，为了以合成气体所需的氮量以上来制造氮，并进行发电，确定送往制氮设备300的氢流量。
再者，氢流量能够利用以下的式算出。
Ha＝对制氮设备300和氨合成设备400的氢供给量
Hg＝合成气体的氢流量
He＝发电用的氢流量
Hn＝制氮用的氢流量
Ng＝合成气体中的氮流量
a＝规定的系数(由制氨所需要的电力确定的系数)
b＝制氮所需要的氢相对于氮的比例
Ha＝Hg+He    (式21)
Ha＝Hg+Hn    (式22)
He＝a×Hg    (式23)
Hn＝b×Ng    (式24)
Ng＝1/3×Hg  (式25)
发电目的的氢流量确定的场合，由利用式21和式23得到的下式26求出合成气体的氢流量(Hg)。
Hg＝Ha/(1+a)  (式26)
出于制氮目的，氢流量确定的场合，由利用式22、式24和式25得到的下式27求出合成气体的氢流量(Hg)。
Hg＝Ha/(1+b/3)  (式27)
处理部912由算出的Hg求出Ng(S704)，再由Hg和Ng算出氨制造量(S705)。控制装置900通过将这样地算出的氨制造量作为设定值传输到氨合成控制装置460，能够控制氨合成设备400的氨制造量。
通过以日照量信息为基础算出氢制造量和氨制造量并进行控制，将只在日照时产生的氢水准化，算出送到氨合成设备400的氢量，由此避免间歇运行导致的能量损失，从而能够高效率地利用太阳能来制造氨。
<供给氨的合成气体的复合设备>
利用图17表示对氨合成设备400供给合成气体的复合设备的一例。复合设备30是对氨合成设备400供给合成气体的设备。
复合设备30包括利用图5～9说明了的制氢设备100A、储氢设备200A或储氢设备200B、制氮设备300A或制氮设备300B，对氨合成设备400供给含有氢和氮的合成气体。制氢设备100A、储氢设备200A或储氢设备200B、制氮设备300A或制氮设备300B已经作了说明，因此在此省略说明。
复合设备30，在具有储氢设备200B的情况下，能够利用压缩单元250B的多功能性省略图6所示的压缩机210。另外，如利用图6和图7所说明的那样，储存在氢罐240中的氢，相应于燃烧器312的运行压力而升压。因此，能够减小氢罐240所需的容量，此外，如利用图11所说明的那样，通过氢供给到合成气体压缩机420的后级段，能够使氨合成设备400中的合成气体压缩机420的压缩动力降低。
<氨设备的物料平衡>
利用图15说明用于表示氨设备的物料平衡的工艺流程图。
管路201、303、304、305和406如由图5～10说明的那样。电力291是由制氮设备300向储氢设备200供给的电力。电力391是通过深冷分离制氮设备300消耗的电力。电力491是由制氮设备300向氨合成设备400供给的电力。
利用图16，对图15所示的氨设备中的物料平衡的一例进行说明。
在以下表示的三个实例中，计算物料平衡。
实例A)通过氢燃烧而制造氮，并且采用制氮设备和氨合成设备24小时地使用由氢燃烧所发生的电。
实例B)通过氢燃烧而制造氮，并且采用制氮设备和氨合成设备只在夜间使用由氢燃烧所发生的电。白天由图5的发电单元190发电，由发电单元190向制氮设备和氨合成设备供给所需要的电力。
实例C)通过深冷分离而制造氮，并且采用制氮设备和氨合成设备只在夜间使用由氢燃烧所发生的电。
计算物料平衡的计算条件如下。
氨制造量：2,500t/d
合成气体中的氮量：1,860,000Nm3/d
合成气体中的氢量：5,570,000Nm3/d
氢燃烧气体发电效率：0.3
图16表示在上述实例和计算条件下得到的物料平衡的表801。由表801清楚地表明，在将氨制造量设为一定的场合，管路201中所示的需要的氢流量按实例C、实例A、实例B的顺序变少。对由制氮设备300供给所有的夜间的需要电力的实例B和实例C进行比较可知，相比于深冷分离，通过氢燃烧而制造氮，需要的氢量少。
该结果是基于几个假定而计算出的结果，实际的设备中的选择，除该计算以外，还考虑例如设备的建设成本、维护性，可否从外部供给电力、占地面积等许多的因素来确定。
在此记载的全部的例子和条件是企图读者理解本发明的记载，应该解释为不限定本发明。本发明的实施例虽然已有详细描述，但应该理解的是不脱离本发明的范围而可以进行种种的变更、置换和代替。

Claims (28)

1.一种氨制造方法，包括：
取得太阳能，并且利用取得的太阳能的一部分采用制氢设备制造氢；
采用制氮设备由空气制造氮；
采用储氢设备储存由所述制氢设备制造的氢；
采用氨合成设备由所述制造的氢和所述制造的氮连续地合成氨。
2.根据权利要求1所述的氨制造方法，包括：采用所述储氮设备储存由所述制氮设备制造的氮。
3.根据权利要求1所述的氨制造方法，包括：将使所述制造的氢和空气燃烧而产生的热能转换成电能，将所得到的电力向所述制氮设备、所述氨合成设备和所述制氢设备中的至少一个设备供给。
4.根据权利要求1所述的氨制造方法，包括：在所述制氮设备中将所述制造的氢和空气燃烧而制造氮，并且将通过所述燃烧而产生的热能转换成电能，将所得到的电力向所述氨合成设备和所述制氢设备中的至少一个设备供给。
5.根据权利要求4所述的氨制造方法，包括：在所述制氮设备中使空气和氢在相比于化学计量比氢过剩的条件下燃烧，所述氢过剩的比率根据燃烧气体中的氧浓度、氮氧化物浓度和发电效率中的至少一项来确定。
6.根据权利要求4所述的氨制造方法，包括：在所述制氮设备中使得到氨合成所需要的氮量的量的所述制造的氢燃烧。
7.根据权利要求3所述的氨制造方法，包括：在所述制氮设备中使得到由所述氨合成设备和所述制氢设备中的至少一个设备所需要的电力确定的电力的量的所述制造的氢燃烧。
8.根据权利要求6或7所述的氨制造方法，包括：采用所述制氮设备从所述储氢设备得到所述制造的氢。
9.根据权利要求3所述的氨制造方法，包括：在所述储氢设备中以基于所述制氮设备中的氢和空气的燃烧压力和/或所述氨合成的反应压力的压力储存所述氢。
10.根据权利要求1所述的氨制造方法，包括：基于太阳的日照量信息算出一天能够制造的氢量，并且基于所述算出的制氢量算出氨制造量，
所述氨的连续合成，是以所述算出的氨制造量制造氨。
11.一种氨合成气体制造方法，包括：
取得太阳能，并且利用取得的太阳能的一部分采用制氢设备制造氢；
采用制氮设备由空气制造氮；
采用储氢设备储存由所述制氢设备制造的氢；
向氨合成设备供给所述制造的氢和所述制造的氮。
12.根据权利要求11所述的氨合成气体制造方法，包括：采用所述储氮设备储存由所述制氮设备制造的氮。
13.根据权利要求11所述的氨合成气体制造方法，包括：所述制氮设备将所述制造的氢和空气燃烧而制造氮，并且将通过所述燃烧而产生的热能转换成电能，将所得到的电力向所述氨合成设备和所述制氢设备中的至少一个设备供给。
14.根据权利要求13所述的氨合成气体制造方法，包括：所述储氢设备以基于所述制氮设备中的氢和空气的燃烧压力和/或所述氨合成的反应压力的压力储存所述氢。
15.一种氨制造设备，其利用太阳能制造氨，该氨制造设备具备：
取得太阳能，并且利用取得的太阳能的一部分制造氢的制氢设备；
由空气制造氮的制氮设备；
储存由所述制氢设备制造的氢的储氢设备；和
由所述制造的氢和所述制造的氮连续地合成氨的氨合成设备。
16.根据权利要求15所述的氨合成设备，具备：储存由所述制氮设备制造的氮的储氮设备。
17.根据权利要求15所述的氨制造设备，具备：将使所述制造的氢和空气燃烧而产生的热能转换成电能，并将所得到的电力向所述制氮设备、所述氨合成设备和所述制氢设备中的至少一个设备供给的发电设备。
18.根据权利要求15所述的氨制造设备，其中，所述制氮设备将所述制造的氢和空气燃烧而制造氮，并且将通过所述燃烧而产生的热能转换成电能，将所得到的电力向所述氨合成设备和所述制氢设备中的至少一个设备供给。
19.根据权利要求18所述的氨制造设备，其中，所述制氮设备使空气和氢在相比于化学计量比氢过剩的条件下燃烧，所述氢过剩的比率根据燃烧气体中的氧浓度、氮氧化物浓度和发电效率中的至少一项来确定。
20.根据权利要求18所述的氨制造设备，其中，在所述制氮设备中，使得到氨合成所需要的氮量的量的所述制造的氢燃烧。
21.根据权利要求17所述的氨制造设备，其中，所述制氮设备使得到由所述氨合成设备和所述制氢设备中的至少一个设备所需要的电力确定的电力的量的所述制造的氢燃烧。
22.根据权利要求20或21所述的氨制造设备，其中，所述制氮设备从所述储氢设备得到所述制造的氢。
23.根据权利要求17所述的氨制造设备，其中，所述储氢设备以基于所述制氮设备中的氢和空气的燃烧压力和/或所述氨合成的反应压力的压力储存所述氢。
24.根据权利要求15所述的氨制造设备，具备控制装置，所述控制装置基于太阳的日照量信息算出一天能够制造的氢量，基于所述算出的制氢量算出氨制造量，并且以所述算出的氨制造量使所述氨合成设备制造氨。
25.一种复合设备，是向由氢和氮连续地合成氨的氨合成设备连续地供给氢和氮的复合设备，其具备：
取得太阳能，并且利用取得的太阳能的一部分制造氢的制氢设备；
由空气制造氮，并且将所述氮向所述氨合成设备供给的制氮设备；和
储存由所述制氢设备制造的氢，并且将所述制造的氢向所述氨合成设备供给的储氢设备。
26.根据权利要求25所述的复合设备，具备：储存由所述制氮设备制造的氮的储氮设备。
27.根据权利要求25所述的复合设备，其中，所述制氮设备将所述制造的氢和空气燃烧而制造氮，并且将通过所述燃烧而产生的热能转换成电能，将所得到的电力向所述氨合成设备和所述制氢设备中的至少一个设备供给。
28.根据权利要求25所述的复合设备，其中，所述储氢设备以基于所述制氮设备中的氢和空气的燃烧压力和/或所述氨合成的反应压力的压力储存所述氢。
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