CN105836759A - 利用核能的无碳合成氨系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用核能的无碳合成氨系统及其方法，它包括高温气冷堆、蒸汽发生器、过热器、固体氧化物电解槽、斯特林热气机、加热器、混合器、深冷空分单元、低压压缩机、中间冷却器、高压压缩机、预热器、氨合成塔、氨冷凝器、氨分离器、给水管道、空气管道。本发明以核能为燃料、以空气和水为原料，利用高温气冷堆耦合水蒸汽电解法和深冷空气分离法共同实现不依赖化石能源，不产生污染物的合成氨系统。本发明利用水蒸汽电解法高温氢气的余热驱动斯特林热气机带动压缩机做功，利用深冷空分单元低温氮气作为氨冷凝器和中间冷却器的冷却介质，具有能量综合利用、节约用水、简化工艺流程等特点，因此有很好的经济和环保价值以及良好的应用前景。

Description

利用核能的无碳合成氨系统及其方法

技术领域

本发明属于核能应用和化工技术领域，特别是涉及一种利用核能的无碳合成氨系统及其方法。

背景技术

合成氨是氮肥工业的基础，同时也是无机化学和有机化学工业的基础原料，可用于生产染料、炸药、制药、合成纤维和合成树脂等，因此合成氨技术在当今化学工业的发展中起着核心的作用。目前我国合成氨产量已居世界首位，现已掌握了以焦炭、无烟煤、天然气生产合成氨的技术，形成了特有的煤、石油、天然气原料并存的生产格局。未来合成氨技术发展的主要趋势是大型化、低能耗、原料结构调整、清洁生产和可持续发展。随着社会经济的发展，我国将面临能源短缺、环境污染和淡水紧缺等一系列问题，由此将造成未来合成氨工业出现新的难题：一是目前合成氨工业的燃料和原料都是化石能源，化石能源过度消费造成短缺将引起价格上涨使合成氨的燃料成本和原料成本大幅度提高；二是目前合成氨工艺需要经过复杂的净化工序，包括脱硫、脱碳、精炼等环节，伴随产生大量的CO₂废气排放和含氰化物的废液排放，由此造成环境污染问题。针对上述问题，未来亟需通过调整能源结构和原料结构探索出新的合成氨方法。鉴于我国今后将大力发展清洁的核能以满足电力需求和减少环境污染，因此可考虑开发以核能作为燃料，以空气和水作为原料的新合成氨方法，该方法可利用核能为合成氨工艺提供工艺热和电力，并由核能驱动高温水蒸汽电解法制取纯氢气，通过空气分离法得到纯氮气，再按比例混合成干净的合成气送入合成塔经过氨的合成和分离工序制取液氨。

降低合成氨的能耗和工艺复杂性一直是合成氨工业面临的重大课题，目前氨工业的合成和分离工序分为压缩、氨合成、冷凝分离等过程，压缩过程需要大量的耗功，压缩机一般由利用废热锅炉进行余热回收的蒸汽动力系统驱动，增加了工艺的复杂性；冷凝分离过程先经由水冷却器再经由二级氨冷却器以达到氨气冷凝温度，涉及的冷却设备较多，同时需要消耗大量的冷却水。而采用核能为燃料、空气和水为原料的合成氨方法可考虑合理利用水蒸汽电解法高温氢气的余热和深冷空气分离法低温氮气的冷量对传统工艺的流程进行改进，简化工艺的结构，并达到节能降耗和节约用水的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以核能为燃料、以空气和水为原料，实现能量综合利用、节约用水、简化工艺流程的合成氨系统。

本发明的另一个目的在于提供一种利用高温气冷堆耦合高温水蒸汽电解法和深冷空气分离法共同实现不依赖化石能源，不产生污染物的合成氨方法。

本发明的目的是通过下述的技术方案加以实现的：

本发明是一种利用核能的无碳合成氨系统，它包括高温气冷堆、蒸汽发生器、过热器、固体氧化物电解槽、斯特林热气机、加热器、混合器、深冷空分单元、低压压缩机、中间冷却器、高压压缩机、预热器、氨合成塔、氨冷凝器、氨分离器、给水管道、空气管道；所述的高温气冷堆的入口与蒸汽发生器的氦气出口连接，高温气冷堆的出口与过热器的氦气入口连接；所述的蒸汽发生器的氦气入口与过热器的氦气出口连接，蒸汽发生器的给水入口与加热器的给水出口连接，蒸汽发生器的水蒸汽出口与过热器的水蒸汽入口连接；所述的过热器的水蒸汽出口与固体氧化物电解槽的水蒸汽入口连接；所述的固体氧化物电解槽的氢气出口与斯特林热气机的热源进口连接；所述的斯特林热气机的转子与低压压缩机的转子以及高压压缩机的转子同轴连接，斯特林热气机的热源出口与加热器的氢气入口连接；所述的加热器的给水入口与给水管道连接，加热器的氢气出口与混合器的氢气入口连接；所述的深冷空分单元的空气入口与空气管道连接，深冷空分单元的氮气出口分成两路氮气支管：一路氮气支管与中间冷却器的管程入口连接，另一路氮气支管与氨冷凝器的管程入口连接；所述的中间冷却器的管程出口与氨冷凝器的管程出口汇合在一起与混合器的氮气入口连接；所述的混合器的出口与低压压缩机的入口连接；所述的低压压缩机的出口与中间冷却器的壳程入口连接；所述的中间冷却器的壳程出口与高压压缩机的入口连接；所述的高压压缩机的出口与预热器的壳程入口连接；所述预热器的壳程出口与氨合成塔的合成气入口连接；所述的氨合成塔的反应气出口与预热器的管程入口连接；所述的预热器的管程出口与氨冷凝器的壳程入口连接；所述的氨冷凝器的壳程出口与氨分离器的入口连接；所述的氨分离器的顶部设有气体出口与高压压缩机的入口连接，氨分离器的底部设有液氨出口。

所述的高温气冷堆的出口温度在900～1100℃之间；所述的过热器的水蒸汽出口温度在800～1000℃之间；所述的固体氧化物电解槽的氢气出口温度在700～800℃之间；所述的斯特林热气机的热源出口温度在400～600℃之间；所述的混合器的氢气入口温度在35～55℃之间；所述的深冷空分单元的氮气出口温度在-130～-30℃之间；所述的混合器的氮气入口温度在-30～-10℃之间。

本发明是一种实现利用核能的无碳合成氨系统的方法，它包括以下几个过程：

1）高温气冷堆出口的高温氦气经过热器和蒸汽发生器依次放热后返回高压气冷堆的入口完成一次循环；

2）给水经加热器吸热后进入蒸汽发生器吸热蒸发形成饱和蒸汽，饱和蒸汽经过热器加热为高温过热蒸汽后进入固体氧化物电解槽发生电解反应，电解产生的高温氢气进入斯特林热气机做功驱动低压压缩机和高压压缩机，做功后的氢气进入加热器放热后引入混合器；

3）空气经深冷空分单元进行分离得到低温氮气，低温氮气分成两路氮气支管，两路氮气支管分别进入氨冷凝器和中间冷却器作为冷却介质，完成冷却的两路氮气支管汇合在一起引入混合器与氢气混合形成合成气；

4）混合器出口的合成气经低压压缩机被一次压缩，再经中间冷却器被冷却、再经高压压缩机被二次压缩，然后进入预热器吸热，最后进入氨合成塔完成催化合成反应，氨合成塔排出的反应气经预热器放热后进入氨冷凝器被低温氮气冷却，反应气中的氨气被冷凝为液氨，液氨和合成气的混合物进入氨分离器，液氨被分离下来，分离后的气体作为循环气引入高压压缩机的入口。

采用上述方案后，本发明具有以下几个优点：

1）不依赖化石能源。本发明以核能为燃料、以空气和水为原料，从根本上摆脱了对化石能源的依赖，有利于降低未来合成氨工业的燃料成本和原料成本。

2）不污染环境。本发明不产生碳排放和有害废气，也基本上无废弃物排放，节省了减污治污方面的投入，更直接保护了环境实现可持续清洁生产。

3）能量综合利用。本发明水蒸汽电解的高温氢气先用于驱动斯特林热气机做功，再用于加热给水，高温余热实现了能量梯级回收利用；深冷空分单元的低温氮气经中间冷却器用于降低高压压缩机的入口温度，减少了压缩机的耗功。

4）节约用水。本发明深冷空分单元的低温氮气作为氨冷凝器和中间冷却器的冷却介质，与传统工艺对比，不仅冷却效果更好，而且节省了大量的冷却水。

5）简化工艺流程。本发明与传统工艺对比，不涉及合成气的净化工序，压缩机不采用复杂的蒸汽动力系统驱动，氨气冷冻系统更加简洁高效，因此本发明大幅度简化工艺流程，降低了设备投资和运行成本。

综上所述，本发明采用以核能为燃料、以空气和水为原料，利用高温气冷堆耦合水蒸汽电解法和深冷空气分离法共同实现不依赖化石能源，不污染环境的合成氨系统及其方法，同时具备能量综合利用、节约用水、简化工艺流程等特点，能够有效应对未来能源短缺、环境污染和淡水紧缺等问题带来的影响，因此具有很好的经济和环保价值以及良好的应用前景。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是本发明的方块工艺流程图。

具体实施方式

一、系统

如图1所示，本发明是一种利用核能的无碳合成氨系统，它包括高温气冷堆1、蒸汽发生器2、过热器3、固体氧化物电解槽4、斯特林热气机5、加热器6、混合器7、深冷空分单元8、低压压缩机9、中间冷却器10、高压压缩机11、预热器12、氨合成塔13、氨冷凝器14、氨分离器15、给水管道16、空气管道17；所述的高温气冷堆1的入口与蒸汽发生器2的氦气出口21连接，高温气冷堆1的出口与过热器3的氦气入口31连接；所述的蒸汽发生器2的氦气入口22与过热器3的氦气出口32连接，蒸汽发生器2的给水入口23与加热器6的给水出口61连接，蒸汽发生器2的水蒸汽出口24与过热器3的水蒸汽入口33连接；所述的过热器3的水蒸汽出口34与固体氧化物电解槽4的水蒸汽入口41连接；所述的固体氧化物电解槽4的氢气出口42与斯特林热气机5的热源进口连接；所述的斯特林热气机5的转子与低压压缩机9的转子以及高压压缩机11的转子同轴连接，斯特林热气机5的热源出口与加热器6的氢气入口62连接；所述的加热器6的给水入口63与给水管道16连接，加热器6的氢气出口64与混合器7的氢气入口71连接；所述的深冷空分单元8的空气入口81与空气管道17连接，深冷空分单元8的氮气出口82分成两路氮气支管：一路氮气支管与中间冷却器10的管程入口连接，另一路氮气支管与氨冷凝器14的管程入口连接；所述的中间冷却器10的管程出口与氨冷凝器14的管程出口汇合在一起与混合器7的氮气入口72连接；所述的混合器7的出口与低压压缩机9的入口连接；所述的低压压缩机9的出口与中间冷却器10的壳程入口连接；所述的中间冷却器10的壳程出口与高压压缩机11的入口连接；所述的高压压缩机11的出口与预热器12的壳程入口连接；所述预热器12的壳程出口与氨合成塔13的合成气入口连接；所述的氨合成塔13的反应气出口与预热器12的管程入口连接；所述的预热器12的管程出口与氨冷凝器14的壳程入口连接；所述的氨冷凝器14的壳程出口与氨分离器15的入口连接；所述的氨分离器15的顶部设有气体出口151与高压压缩机11的入口连接，氨分离器15的底部设有液氨出口152。

所述的高温气冷堆1的出口温度在900～1100℃之间；所述的过热器3的水蒸汽出口温度在800～1000℃之间；所述的固体氧化物电解槽4的氢气出口温度在700～800℃之间；所述的斯特林热气机5的热源出口温度在400～600℃之间；所述的混合器7的氢气入口温度在35～55℃之间；所述的深冷空分单元8的氮气出口温度在-130～-30℃之间；所述的混合器7的氮气入口温度在-30～-10℃之间。

二、方法

如图1、图2所示，本发明是一种实现利用核能的无碳合成氨系统的方法，它包括以下几个过程：

1）高温气冷堆1出口的高温氦气经过热器3和蒸汽发生器2依次放热后返回高压气冷堆1的入口完成一次循环；

2）给水经加热器6吸热后进入蒸汽发生器2吸热蒸发形成饱和蒸汽，饱和蒸汽经过热器3加热为高温过热蒸汽后进入固体氧化物电解槽4发生电解反应，电解产生的高温氢气进入斯特林热气机5做功驱动低压压缩机9和高压压缩机11，做功后的氢气进入加热器6放热后引入混合器7；

3）空气经深冷空分单元8进行分离得到低温氮气，低温氮气分成两路氮气支管，两路氮气支管分别进入氨冷凝器14和中间冷却器10作为冷却介质，完成冷却的两路氮气支管汇合在一起引入混合器7与氢气混合形成合成气；

4）混合器7出口的合成气经低压压缩机9被一次压缩，再经中间冷却器10被冷却、再经高压压缩机11被二次压缩，然后进入预热器12吸热，最后进入氨合成塔13完成催化合成反应，氨合成塔13排出的反应气经预热器12放热后进入氨冷凝器14被低温氮气冷却，反应气中的氨气被冷凝为液氨，液氨和合成气的混合物进入氨分离器15，液氨被分离下来，分离后的气体作为循环气引入高压压缩机11的入口。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种利用核能的无碳合成氨系统，其特征在于：它包括高温气冷堆、蒸汽发生器、过热器、固体氧化物电解槽、斯特林热气机、加热器、混合器、深冷空分单元、低压压缩机、中间冷却器、高压压缩机、预热器、氨合成塔、氨冷凝器、氨分离器、给水管道、空气管道；

所述的高温气冷堆的入口与蒸汽发生器的氦气出口连接，高温气冷堆的出口与过热器的氦气入口连接；所述的蒸汽发生器的氦气入口与过热器的氦气出口连接，蒸汽发生器的给水入口与加热器的给水出口连接，蒸汽发生器的水蒸汽出口与过热器的水蒸汽入口连接；所述的过热器的水蒸汽出口与固体氧化物电解槽的水蒸汽入口连接；所述的固体氧化物电解槽的氢气出口与斯特林热气机的热源进口连接；所述的斯特林热气机的转子与低压压缩机的转子以及高压压缩机的转子同轴连接，斯特林热气机的热源出口与加热器的氢气入口连接；所述的加热器的给水入口与给水管道连接，加热器的氢气出口与混合器的氢气入口连接；所述的深冷空分单元的空气入口与空气管道连接，深冷空分单元的氮气出口分成两路氮气支管：一路氮气支管与中间冷却器的管程入口连接，另一路氮气支管与氨冷凝器的管程入口连接；所述的中间冷却器的管程出口与氨冷凝器的管程出口汇合在一起与混合器的氮气入口连接；所述的混合器的出口与低压压缩机的入口连接；所述的低压压缩机的出口与中间冷却器的壳程入口连接；所述的中间冷却器的壳程出口与高压压缩机的入口连接；所述的高压压缩机的出口与预热器的壳程入口连接；所述预热器的壳程出口与氨合成塔的合成气入口连接；所述的氨合成塔的反应气出口与预热器的管程入口连接；所述的预热器的管程出口与氨冷凝器的壳程入口连接；所述的氨冷凝器的壳程出口与氨分离器的入口连接；所述的氨分离器的顶部设有气体出口与高压压缩机的入口连接，氨分离器的底部设有液氨出口。

2.根据权利要求1所述的利用核能的无碳合成氨系统，其特征在于：所述的高温气冷堆的出口温度在900～1100℃之间；所述的过热器的水蒸汽出口温度在800～1000℃之间；所述的固体氧化物电解槽的氢气出口温度在700～800℃之间；所述的斯特林热气机的热源出口温度在400～600℃之间；所述的混合器的氢气入口温度在35～55℃之间；所述的深冷空分单元的氮气出口温度在-130～-30℃之间；所述的混合器的氮气入口温度在-30～-10℃之间。

3.根据权利要求1所述的利用核能的无碳合成氨系统的方法，其特征在于，包括以下过程：

1）高温气冷堆出口的高温氦气经过热器和蒸汽发生器依次放热后返回高压气冷堆的入口完成一次循环；

2）给水经加热器吸热后进入蒸汽发生器吸热蒸发形成饱和蒸汽，饱和蒸汽经过热器加热为高温过热蒸汽后进入固体氧化物电解槽发生电解反应，电解产生的高温氢气进入斯特林热气机做功驱动低压压缩机和高压压缩机，做功后的氢气进入加热器放热后引入混合器；

3）空气经深冷空分单元进行分离得到低温氮气，低温氮气分成两路氮气支管，两路氮气支管分别进入氨冷凝器和中间冷却器作为冷却介质，完成冷却的两路氮气支管汇合在一起引入混合器与氢气混合形成合成气；

4）混合器出口的合成气经低压压缩机被一次压缩，再经中间冷却器被冷却、再经高压压缩机被二次压缩，然后进入预热器吸热，最后进入氨合成塔完成催化合成反应，氨合成塔排出的反应气经预热器放热后进入氨冷凝器被低温氮气冷却，反应气中的氨气被冷凝为液氨，液氨和合成气的混合物进入氨分离器，液氨被分离下来，分离后的气体作为循环气引入高压压缩机的入口。