CN104071748A

CN104071748A - 一种物质能量转换站

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Publication number: CN104071748A
Application number: CN201410308442.2A
Authority: CN
Inventors: 刘慧祥
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-01-04
Filing date: 2014-07-01
Publication date: 2014-10-01

Abstract

一种物质能量转换站，涉及物质能量转换站领域，只需要输入可做动力和化工用的煤等资源、海水、空气、砂石及其他一些矿物，在物质能量转换站里转换，其向外界的输出包括电力、淡水和多种重要的化工产品和肥料等，几乎不向大气环境和地表环境排放任何的废物，只有过量的N₂、O₂、CO₂等排掉，能源的利用率高，环境效益非常大；同时亦是对海水资源进行大规模开发的最好方式，资源的物质能量利用最高效，并且综合成本较之分级利用相加平均应能为最低，有着巨大的经济效益。

Description

一种物质能量转换站

技术领域

本发明涉及物质能量转换站领域，详细讲是一种节约使用资源，减小环境污染，多种资源综合优化利用，获取最大经济效益的物质能量转换站，和工厂化农业、林业、畜牧业等组合。

背景技术

由于现代工业的飞速发展，我们面临着资源枯竭、严重的环境污染等危机。在我们寻找新的能源，开发各种资源的同时，高效地利用现有资源是我们不能忽视的问题。由于电厂是大的污染源，而一些化工厂又是耗能大户，若我们能寻找到其多种的物质能量的内在联系，我们就有可能节约大量的物质能量消耗，取得大的经济效益。

另现有的农业、林业、畜牧业等类似于靠天吃饭。

我们知道，合成氨的生产过程大体可以归纳为如下步骤：

第一步是制造含氮和氢的原料气体，其使用的原料绝大多数为可做动力燃料的资源，即煤、石油、天然气等。

第二步是将原料气体净化处理，去除氮和氢以外的各种杂质和有毒成分，从而获得纯净的氮氢混合气体。

第三步是压缩氮氢混合气体至合成氨所需的压力。

第四步是借催化剂的作用，进行氨的合成得到合成氨。

合成氨原料气的来源一般是用燃料变换的方法。另还有一种特殊的方法，即电解水法来得到氢气和副产品氧气，然后用一部分氢气烧掉空气中氧气得到氮气。采用这种方法，由于大量耗用高质量电能和无法进行NH₃ 产品的进一步加工处理的局限，使单纯用此法制NH₃受到限制，只能在电能成本比较低时考虑采用此法。

在当今的火电厂中，使用燃料利用其热能后，其燃料燃烧产生物被简单处理后全部排入大气。排烟含有N₂、CO₂、SO₂等这些重要的资源。而因无法回收或回收成本高，造成了巨大的物质能量消耗和严重的环境污染，这是巨大的浪费。我们必须考虑在可能的限度内加以利用。

对烟气的处理有物理、化学或物理化学结合的多种方法，如：变压吸附法、低温液化法、烟气再气化、热钾碱法等。我们可以考虑利用排烟来得到合成氨原料气N₂及副产品CO₂等。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种多种资源综合优化利用，获取最大经济效益的物质能量转换站。

本发明解决上述现有技术的不足所采用的技术方案是：

这样一种物质能量转换站，只需要输入可做动力和化工用的资源、煤类、油类、天然气类、海水、空气、砂石及其他一些矿物，而其向外界的输出却包括电力、淡水和多种重要的化工产品和肥料等，几乎不向大气环境和地表环境排放任何的废物，只有过量的N₂、O₂、CO₂等排掉，能源的利用率高，环境效益非常大。同时亦是对海水资源进行大规模开发的最好方式，资源的物质能量利用最高效，并且综合成本较之分级利用相加平均应能为最低，有着巨大的经济效益。

若这一设想技术上能够实现，则有两方面的考虑：（1）、按此方法重新全面规划设计；（2）、目前已有设备基础上的改造。而后者更有现实意义。其可在大型合成氨等化工厂的基础上改造联建电厂，电厂联建大型化工厂。这样的联建也不仅限于化工厂和电厂的联建，只要是使用空气燃烧含有 C、S、N燃料的一些工程，亦可用此种方法联建合成氨工程，可以回收SO₂、CO₂和热量，不向或少向大气排放NO、NO₂，比如钢铁厂等。

综上所述，这样的联建能得到最好的资源配置方式，使物质能量有一个高效的利用方式，并使之对环境的影响减小到目前来说最低的程度。但其如此众多的产品如何组合才更合理，在上述众多产品中，我们发现处了其能满足其他方面的需要外，其中一种组合是能满足工厂化农业、工厂化林业和工厂化畜牧业等几乎所有条件。包括多种肥料、水、二氧化碳、光和热能及温室材料等。若以此为基础，能够最快地在现有基础上建立合理的工农业生产体系。此体系物质能量利用方式最高效。粮食、林木、竹子、一些动物等农林产品等可直接从工厂里生产出来，人类社会再不用靠天吃饭。另可大量生产甜菜、油菜等快速生长的植物做原料，可作为一碳化工的基础，以替代部分石油等资源。

另我将上述内容简称“刘慧祥式联建”。和其中的一些主要内容大致称为：“刘慧祥式物质能量转换站”。

附图说明

图1是本发明中低温液化法的流程示意图。

图2是本发明中烟气再气化法的流程示意图。

具体实施方式

低温液化法：

固体（煤类）、液体（油类）、气体（天燃气、高炉煤气等）燃烧后产生以下燃烧产物：N₂氮气、CO₂二氧化碳、O₂氧气、SO₂二氧化硫、NO_x氮氧化物和少量的三氧化硫SO₃；燃烧不完全时，还可以产生一氧化碳、甲烷、氢气等（假设灰尘被除尘器全部除掉）。当我们分析这些产物时，可以发现这些产物的熔沸点差值较大，下列出一张常压下烟气成分的熔沸点表：

成分	熔点（单位℃）	沸点（单位℃）
			N₂	-210	-196
O₂	-218	-183
			CO₂	-56.6（5.2atm）	-78.5
H₂O	0	100
			SO₂	-75.5	-10.02
SO₃	16.8
			NO	-164	-152
NO₂	-11.2	21.2
			CO	-199	-191.5
H₂	-259.14	-252.87
			CH₄	-182.48	-164

从这些成分的熔沸点表可以看出，CO₂、SO₂的熔沸点较高，N₂、H₂、O₂，的沸点很低。烟气中NO_x中NO大约占90%，NO₂大约占5—10%。NO的熔沸点较低，而在常温下NO很容易与O₂化合成NO₂，NO与水反应生成HNO₃和NO，这样可以使NO大量转化为HNO₃，使得烟气中NO_x含量较少。SO₃也完全溶于水。在大型电站锅炉中，我们可以通过在运行当中控制，使CO₂、CH₄等可燃气体含量变得更小。由此可见，假若我们用低温液化分离的方法可以使用较高的低温使CO₂、SO₂脱离掉。只剩下N₂、O₂、和少量的NO_x。若再继续液化，即可采用液氮清洗的方法可除掉NO_x、O₂等其他杂质，获得较高纯度的原料气，但须制取极低的低温。若我们考虑少量的NO_x、在合成氨的反应中可能会以水的形态存在，可能对合成氨反应中产生极小的影响，若技术上可行的话，最好的方法使用氢气烧掉其中的氧气，并使氢气保持一定的过量度，这样氮气和氢气一起进入合成塔合成氨。

下面考虑这样一个流程，做出方框示意图见附图1，下面是流程示意图说明。

烟气经高效除尘器去除绝大部分灰尘，再经水膜式降温除尘，使之降至常温，其中一氧化氮与氧气反应生成二氧化氮，二氧化氮与水反应生成硝酸和一氧化氮，这样可去除部分氮氧化物；若氮氧化物对合成氨反应影响极小，则此步可去除。同时亦除掉SO₃，并进一步除尘。然后加入过量的氢气燃烧，去除氧气，设置换热器回收热量，并再一次经水膜式降温降至常温，然后进行低温化分离器，得到氮气、氢气和水、二氧化碳、二氧化硫和二氧化氮的固态或液态形式。氮气和氢气用于合成氨；二氧化碳、二氧化硫用于回收利用，氢气可以用纯电解法或常规燃料变换等获得。

烟气再气化法：

利用锅炉烟气生产煤气和合成氨原料气的设想方法：

工业上用煤和焦炭作原料造煤气和合成氨原料气的方法，使用的所谓水煤气法，即空气、水蒸气和煤在发生炉内发生气化反应，生产水煤气，再经处理为供用户煤气，若得合成氨原料气，则经CO加水变换，净化处理得之。

考虑到火电厂烟气中含有O₂、CO₂、H₂O亦能够与碳进行气化反应得CO气体，可考虑参见图2的流程图。这种流程其关键设备可称之为“碳煤气发生炉”。可用煤、油、天燃气等，其中理想反应如下：2C+O₂→2CO+热量，CO₂+ C→ 2CO--热量，C+ H₂ O→ CO+ H₂-热量---。烟气中的O₂、CO₂、H₂ O均与碳反应得煤气，用烟气中的过量O₂或再加热空气或纯氧和加入蒸汽保证1000℃-—1500℃-左右的炉温，保证气化反应进行。

这种处理方法尽可能少向大气排放烟气，和水煤气法相比可减少制造煤气的燃料消耗，可直接供给用户煤气，或再经CO变换，用于合成氨。

若这种方法实现不了，可除去此设想办法。

第三种方法，可在制造煤气、一氧化碳、氢气等的装置上分两路，一路用于化工用途，一路用于燃烧做动力用途。

总之，通过对电厂烟气的适当处理，是可以进行合成氨工业性生产的。

在滨海电厂联建大型化工厂的优越性：

首先是烟气中的N₂、CO₂、SO₂来源较之现在工业上常用的获取方法容易，并且应能节省大量的能源，而且若用低温液化分离法吸收的烟气热量和消耗的能量通过冷凝器全部以热量方式进行海水淡化。现在滨海电厂的循环海水几乎都为开式循环，因无法利用或没有好的利用方式而造成大量热损失。因电厂低质热源丰富，因而也就可以再上一个利用热能进行海水淡化的工程，得到淡水和粗制工业盐，为大型化工厂提供原料。

在滨海电厂联建化工厂中，其各种主要的物质能量来源如下：

N₂、CO₂、SO₂主要来源于烟气；

H₂来源于电解水或成熟的一氧化碳等的变换；

O₂来源于电解水或空气分离装置。

淡水和工业原盐来源于利用低质热能的海水淡化工程。

低质热能则主要来源于汽轮机的抽气和排气，可采用多效闪蒸的办法。热源还来源于电厂排烟热量和电厂、化工厂的一切废热。作为热力循环过程中最大的冷源损失和低温液化分离法冷凝器的放热全部利用，锅炉排烟热损部分利用，电厂和化工厂联合建立的热能利用达到极限。

其进一步加工组合如下：

H₂、N₂用于合成氨；

SO₂、O₂用于制取硫酸；

NH₃、CO_2 用于制取尿素、碳酸铵或碳酸氢铵；

氨和原盐则用于联合制碱，生产纯碱和氯化铵。

NH₃、、O₂用于制取硝酸。

利用排烟热量的酸性海水和利用锅炉排污热量的碱性海水中和，海水淡化后，泥渣为少量的磷酸肥料。

在此基础上，还可以进一步的各种物质能量组合深加工。如纯碱和砂石结合制得高强度的钢化玻璃做温室材料。

这样把滨海电厂和化工厂联建作为一个物质能量转换站，其串联和/或并联第一级为其资源的能量利用，而其次级为物质和/或利用，并且在这样的串级和并联利用中，进行各种交叉利用。如可将汽轮机与氨压缩机同轴运行，或引起汽机合适参数蒸汽驱动，从淡水中再提取重水等。

这样一个物质能量转换站，只需要输入可做动力和化工用的煤油等资源、海水、空气、砂石及其他一些矿物，而其向外界的输出却包括电力、淡水和多种重要的化工产品和肥料等，几乎不向大气环境和地表环境排放任何的废物，只有过量的N₂、O₂、CO₂等排掉，能源的利用率高，环境效益非常大。同时亦是对海水资源进行大规模开发的最好方式，资源的物质能量利用最高效，并且综合成本较之分级利用相加平均应能为最低，有着巨大的经济效益。

若这一设想技术上能够实现，则有两方面的考虑：（1）、按此方法重新全面规划设计；（2）、目前已有设备基础上的改造。而后者更有现实意义。其可在大型合成氨化工厂的基础上改造联建电厂，电厂联建大型化工厂。这样的联建也不仅限于化工厂和电厂的联建，只要是使用空气或氧气燃烧含有 C、S、N燃料的一些工程，亦可用此种方法联建合成氨工程，可以回收SO₂、CO₂和热量，不向或少向大气排放NO、NO₂，比如钢铁厂等。

内陆电厂和一些大型化工厂可用管道输入海水等进行联合建造。

Claims

1.一种物质能量转换站，只需要输入可做动力和化工用的煤等资源、海水、空气、砂石及其他一些矿物，在物质能量转换站里转换，其向外界的输出包括电力、淡水和多种重要的化工产品和肥料等，几乎不向大气环境和地表环境排放任何的废物，只有过量的N₂、O₂、CO₂等排掉，能源的利用率高，环境效益非常大；同时亦是对海水资源进行大规模开发的最好方式，资源的物质能量利用最高效，并且综合成本较之分级利用相加平均应能为最低，有着巨大的经济效益；这样的联建能得到最好的资源配置方式，使物质能量有一个高效的利用方式，并使之对环境的影响减小到目前来说最低的程度；但其如此众多的产品如何组合才更合理，在上述众多产品中，我们发现处了其能满足其他方面的需要外，其中一种组合是能满足工厂化农业、工厂化林业和工厂化畜牧业等几乎所有条件；包括多种肥料、水、二氧化碳、光和热能及温室材料等；若以此为基础，能够最快地在现有基础上建立合理的工农业生产体系，此体系物质能量利用方式最高效；粮食、林木、竹子、一些动物等农林畜牧产品等可直接从工厂里生产出来，人类社会再不用靠天吃饭；另可大量生产甜菜、油菜等快速生长的植物做原料，可作为一碳化工的基础，以替代部分石油等资源。

2.根据权利要求1所述的物质能量转换站，其特征在于若这一设想技术上能够实现，则有两方面的考虑：（1）、按此方法重新全面规划设计；（2）、目前已有设备基础上的改造，而后者更有现实意义，其可在大型合成氨化工厂的基础上改造联建电厂，电厂联建大型化工厂；这样的联建也不仅限于化工厂和电厂的联建，只要是使用空气或氧气燃烧含有 C、S、N燃料的一些工程，亦可用此种方法联建合成氨工程，可以回收SO₂、CO₂和热量等，不向或少向大气排放NO、NO₂等，比如钢铁厂等。