CN113461027A - 一种低压合成氨塔及可再生能源低压合成氨系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低压合成氨塔及可再生能源低压合成氨系统，其中合成氨塔包括反应器外筒、原料气进入管和产物气出气管，反应器外筒内套装有多个触媒框，每个触媒框内装有第一催化剂床层；反应器外筒内还设有中心管，中心管与其一触媒框相连通，各触媒框之间形成依次串通的单向气流通道，产物气出气管与最后一个参与合成氨反应的触媒框的产出气输出端相连通；触媒框内布置若干穿越所有触媒框内部的第一换热管束，每个第一换热管束的一端分别与高压进水管连通，其另一端与蒸汽管连通。本发明合成氨塔可进行高效的热传递，预热原料气，且副产蒸汽，可实现床层准确控温，利于氨合成反应的进行，具有节能降耗的优点，合成氨塔操作温度范围为300℃‑450℃，压力范围为0.1MPa‑10MPa。

Description

一种低压合成氨塔及可再生能源低压合成氨系统
技术领域
本发明涉及清洁能源转化与存储技术领域，具体涉及一种低压合成氨塔及可再生能源低压合成氨系统。
背景技术
目前，我国风能、太阳能、水电等可再生能源行业发展迅速，但由于这些可再生电力能源具有间歇性、波动性等特点，导致可再生电力能源与当地用电需求不匹配，难以大规模并入电网，进而造成了大量的可再生能源弃置，以“弃风”、“弃光”和“弃水”等“三弃”问题尤为严重。我国每年“三弃”电力规模高达1000亿千瓦时，相当于三峡电站的年发电量。因此，为难以并网使用的可再生电力能源开拓新的使用领域具有巨大的经济效益和社会效益。
采用电解水制氢，可有效存储难利用的可再生能源。但由于氢气分子小，高压储氢需要35-70Mpa，液态储氢需要-252.8℃的低温，长距离运输还可能存在高达10％的逸氢损失，且氢气易燃易爆，导致其储运成本高、本质安全性弱。
氨是现代工业和农业生产最为基础的化工原料之一，约80％的氨用于生产化肥，工业化合成氨为解决人们的温饱问题做出了突出贡献。在新兴领域，氨具易液化、体积能量密度高、无碳排放、不易燃安全性高等优点，有望作为高效的氢载体应用于新能源领域，解决氢气储运的瓶颈问题。
工业化合成氨是采用哈伯-博施(Haber-Bosch)法将N2和H2通入高温、高压反应器(450-500℃，20-30MPa)中发生催化加成反应制得NH3的过程。传统的工艺流程中，H2是通过化石燃料的催化气化/重整耦合水气变换反应制得的，该过程中排放的大量CO2约占全球碳排放的1.2％。因此，针对工业化合成氨存在高能耗、高碳排放等问题，将无碳、清洁的可再生能源电力与合成氨工业有机结合，发展高效、清洁的可再生能源工业化合成氨技术对于中国的可持续发展之路具有重大的战略意义。
CN107055570A、CN105883852A、CN105964190B、CN109850918A中的各种合成氨反应器及系统工艺只适用于大规模合成氨工业，操作温度和压力高，能耗大，合成路线复杂，设备多，装置规模庞大，限制合成氨技术在可再生能源领域的分布式、小型化应用及灵活性操作。
发明内容
本发明旨在解决现有合成氨反应器及系统工艺操作温度和压力高，能耗大，合成路线复杂，设备多，装置规模庞大的问题，提供一种高效、紧凑的低压合成氨塔及可再生能源低压合成氨系统。
本发明采用如下技术方案：
一种低压合成氨塔，包括反应器外筒,所述反应器外筒上设有原料气进入管和产物气出气管，所述反应器外筒内套装有n个触媒框，其中n≥2，每个所述触媒框内装设有合成氨催化剂的第一催化剂床层；所述反应器外筒内还设有与所述原料气进入管相连通的中心管，所述中心管与其一所述触媒框相连通，各所述触媒框之间形成依次串通的单向气流通道，所述产物气出气管与最后一个参与合成氨反应的所述触媒框的产出气输出端相连通；
所述触媒框内布置若干穿越所有所述触媒框内部的第一换热管束，每个所述第一换热管束的一端分别与高压进水管连通，其另一端与蒸汽管连通；
原料气经所述中心管进入与其连通的所述触媒框内进行合成氨反应，反应后混合物依次通过所述单向气流通道顺次经过各所述触媒框进行合成氨反应，最终产物由所述产物气出气管排出；各所述第一换热管束中高压水吸收来自各所述触媒框内的反应热发生相变，生成高压蒸汽后，自所述蒸汽管排出。
所述反应器外筒内套装有呈上下隔空布置的n个触媒框，所述反应器外筒与各所述触媒框间分别形成一环隙气流通道Ⅱ；
所述中心管由下至上依次贯穿所有所述触媒框的中部，所述中心管的上端封闭且设置于最上方所述触媒框内部，位于最上方的所述触媒框与所述中心管相导通，其余所述触媒框与所述中心管间分别形成一环隙气流通道Ⅲ，所述环隙气流通道Ⅲ的一端与其下方相邻的所述触媒框外侧的环隙气流通道Ⅱ相连通；原料气经最上方所述触媒框进行合成氨反应后，反应后混合物依次经过其下方的所述触媒框进行至少一次合成氨反应后，最终产物由所述产物气出气管排出。
所述反应器外筒内还设有一换热腔，各所述第一换热管束分别贯穿所述换热腔，所述换热腔与所述环隙气流通道Ⅱ和所述环隙气流通道Ⅲ形成隔离设置，所述中心管和所述原料气进入管分别与所述换热腔相连通；所述换热腔内设置多个平行设置的第二换热管束，所述第二换热管束的一端与所述环隙气流通道Ⅲ连通，其另一端与所述产物气出气管连通。
所述触媒框为3个，自上而下分别为触媒框Ⅰ、触媒框Ⅱ和触媒框Ⅲ，位于所述触媒框Ⅰ外侧部分的所述环隙气流通道Ⅱ与位于所述触媒框Ⅱ外侧部分的所述环隙气流通道Ⅱ连通，位于所述触媒框Ⅱ内侧部分的所述环隙气流通道Ⅲ与位于所述触媒框Ⅲ外侧部分的所述环隙气流通道Ⅱ连通；原料气由原料气进入管进入所述中心管，并径向进入所述触媒框Ⅰ内进行初步合成氨反应后，反应后混合物Ⅰ经所述环隙气流通道Ⅱ，径向进入所述触媒框Ⅱ内进一步反应后，反应后混合物Ⅱ依次经所述环隙气流通道Ⅲ和所述环隙气流通道Ⅱ，径向进入所述触媒框Ⅲ内反应，最终产物自所述产物气出气管排出。
所述反应器外筒上还设有1#副线进气管和2#副线进气管，自所述产物气出气管排出的合成氨产物气经液化分离出液氨后，其余气体作为循环气分别自所述原料气进入管、1#副线进气管和2#副线进气管进入所述成氨塔内；所述1#副线进气管与位于所述触媒框Ⅰ外侧部分的所述环隙气流通道Ⅱ连通，自所述1#副线进气管进入的循环气与混合物Ⅰ混合并进行热交换；所述2#副线进气管与位于所述触媒框Ⅲ外侧部分的所述环隙气流通道Ⅱ连通，自所述2#副线进气管进入的循环气与混合物Ⅱ混合并进行热交换；
所述触媒框Ⅰ与所述中心管之间的环隙气流通道内还设装有催化燃烧催化剂的第二催化剂床层，用于去除自所述原料气进入管进入的原料气中氧气。
所述反应器外筒内套装有反应器内筒，所述触媒框套装于所述反应器内筒内部，所述环隙气流通道Ⅱ设置于所述触媒框与所述反应器内筒之间；所述反应器外筒与所述反应器内筒间形成环隙气流通道Ⅰ,所述换热腔与所述环隙气流通道Ⅰ的一端相连通，所述原料气进入管与所述环隙气流通道Ⅰ的另一端相连通。
所述换热腔设置于所述反应器内筒的下部，位于所述反应器内筒的下方的所述反应器外筒内设有换热组件，所述换热组件包括进水管、储水罐和第一换热管束，所述储水罐位于所述反应器外筒内部下方，所述进水管穿过所述反应器外筒，与所述储水罐连通，为所述储水罐提供高压水，所述第一换热管束与所述储水罐连通。
所述第一换热管束上远离所述储水罐的一端通过汽包与所述蒸汽管连通，将所述第一换热管束内的蒸汽通过所述汽包分离后自所述蒸汽管排出。
所述第一催化剂床层中的合成氨催化剂为Ru基催化剂，载体为活性炭、氧化铝、氧化镁、二氧化铈、氧化钡中的一种或多种；所述第二催化剂床层中的催化燃烧催化剂的活性组分为Pd、Pt、Sn中的一种或多种，载体为氧化铝、分子筛、氧化锆、氧化铈等中的一种或多种。
一种可再生能源低压合成氨系统，包括权利合成氨塔、电解水装置、氮源提供装置和氨分离装置，所述电解水装置的氢气出口和氮源提供装置的氮气出口与所述合成氨塔的原料气进入管连通；原料氢气和氮气经管路混合后通过所述原料气进入管进入所述合成氨塔进行氨的合成，所述合成氨塔的产物气出气管与所述氨分离装置连通，所述氨分离装置的出口为两个，分别为出液口和排气口，所述出液口与外部贮槽连通，所述排气口与所述原料气进入管连通，在所述合成氨塔内合成的氨混合气中的氨在所述氨分离装置中冷凝液化并分离，其中液氨通过所述出液口进入到外部贮槽中储存，未液化的气体作为循环气体经所述原料气进入管进入所述合成氨塔。
所述合成氨塔上设有1#副线进气管和2#副线进气管，所述1#副线进气管与位于所述触媒框Ⅰ外侧部分的所述环隙气流通道Ⅱ连通，所述2#副线进气管与位于所述触媒框Ⅲ外侧部分的所述环隙气流通道Ⅱ连通；所述氨分离装置上的排气口分三个管路，分别与所述原料气进入管、1#副线进气管和2#副线进气管连通，循环气体分别经所述原料气进入管、1#副线进气管和2#副线进气管进入所述合成氨塔。
所述系统还包括供电机构，所述供电机构与所述电解水装置电性连接，为所述电解水装置电解水提供电能；所述供电机构为光伏、风电、水电、潮汐发电中的一种或几种；
所述供电机构还可通过一逆变器与外部电网电性连接。
所述氮源提供装置为空气分离供氮装置；所述电解水装置的氧气出口与氮源提供装置的氧气出口分别与一储气罐连通，用于储存分离出的副产气氧气。
所述氨分离装置为具有氨冷凝和氨分离作用的一体式结构；所述氨分离装置的排气口依次联通有循环机和循环油分离器后分别与所述原料气进入管、1#副线进气管和2#副线进气管连通。
所述电解水装置的工作压力为0.1MPa-10MPa，工作温度为≤90℃；
所述合成氨塔的操作温度范围为300℃-450℃，压力范围为0.1MPa-10MPa；
所述原料气进入管中通入的原料气与循环气的比例为1:(2-8)，所述原料气进入管、1#副线进气管和2#副线进气管中通入的循环气的比例为(70-88):(5-10):(7-20)。
本发明技术方案，具有如下优点：
A、现有合成氨技术主要在450℃-500℃，20MPa-30MPa，适用于基于传统化石燃料的大规模、集中式工业化合成氨。针对可再生能源应用，合成氨工业需朝着小型化、分布式的特点发展，要求合成氨技术的低温、低压化。本发明提供的一种基于Ru催化剂的低温、低压化的合成氨塔操作温度范围为300℃-450℃，压力范围为0.1MPa-10MPa。
B、本发明中低压的合成氨塔，可进行高效的热传递，预热原料气，具有节能降耗的优点。第一换热管束穿过各级触媒框，触媒框内的催化剂反应热通过与第一换热管束内流动水热交换，实现了热量传递，产物气通过第二换热管束对经过的原料气进行热交换，原料气经预热后再进入触媒框，利于氨合成反应的进行，具有节能降耗的优点。与传统绝热反应器、等温反应器相比，本发明所提供的合成氨反应塔通过多段床层激冷、相变移热、径向流，床层温度更加精确可控，换热更加充分，转化效率高，副产蒸汽量大，压力损失小，能量效率高。
C、电解水制氢产生的氢气含有浓度较高的O2，会影响合成氨反应的活性和稳定性，针对这一问题，本发明在最上部径向流床层的外侧填装氢催化氧化催化剂，将塔中的O2转化为H2O，催化剂包括但不限于Pd、Pt、Sn基中的一种或多种，从而实现高效除氧。氨合成Ru基催化剂具有较好的抗水性，反应几乎不受H2O的影响。
D、本发明中可再生能源低压合成氨系统，可再生能源包括但不限于光伏、风电、水电、潮汐能发电等，可选择并网和离网两个模式：并网模式下，可再生能源在电网允许的容量范围内并网，多余电力用于电解水制氢，在可再生能源电力不足时还可利用电网电力满足基本生产需求，尤其是利用波谷电价提高经济性；离网模式下，可再生能源电力全部用于电解水制氢合成氨。
E、本发明电解水操作在0.1-10MPa压力下，与合成氨过程的压力匹配，无需对氢气进行额外增压，与现有技术相比，本发明可省去电解水和合成氨中间的增压过程，即无需压缩机及配套设备，产生的H2可直接匹配合成氨过程的压力。
F、本发明的整套系统除了能够在低温低压条件下高效合成氨，还能够副产高压蒸汽和高纯氧，具有高能量效率、高经济效益的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中低压合成氨塔整体结构示意图(一)；
图2为本发明中低压合成氨塔整体结构示意图(二)；
图3为本发明中可再生能源低压合成氨系统整体结构示意图(一)；
图4为本发明中可再生能源低压合成氨系统整体结构示意图(二)。
图中标识如下：
1-合成氨塔
11-原料气进入管，12-反应器外筒，13-反应器内筒，14-产物气出气管，15-中心管，16-触媒框，161-触媒框Ⅰ，162-触媒框Ⅱ，163-触媒框Ⅲ，17-换热组件，171-进水管，172-储水罐，173-第一换热管束，18-蒸汽管，19-汽包，110-换热腔，120-第二换热管束，130-1#副线进气管，140-2#副线进气管，150-第一催化剂床层，160-第二催化剂床层；
a-环隙气流通道Ⅰ，b-环隙气流通道Ⅱ，c-环隙气流通道Ⅲ；
2-电解水装置；3-氮源提供装置；4-储气罐；5-水净化装置；6-氨分离装置，61-出液口，62-排气口,63-水冷器，64-氨冷器，65-氨分离器；7-干燥装置；8-供电机构，81-逆变器；9-循环机；10-循环油分离器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种低压合成氨塔1，包括反应器外筒12,反应器外筒12上设有原料气进入管11和产物气出气管14，反应器外筒12内套装有呈上下隔空布置的n个触媒框16，其中n≥2，每个触媒框16内装设有合成氨催化剂的第一催化剂床层150，且反应器外筒12与触媒框16间形成环隙气流通道Ⅱb。触媒框16的中部沿其高度方向设置一中心管15，中心管15的一端与原料气进入管11连通，其另一端封闭且设置于最上方触媒框16内部，在触媒框16与中心管15间形成环隙气流通道Ⅲc，环隙气流通道Ⅲc的一端与产物气出气管14连通。位于最上方触媒框16内的中心管15部分在其管壁上开设若干气孔。沿中心管15外侧的触媒框16轴向间隔布置若干穿越触媒框16内部的第一换热管束173，每个第一换热管束173的一端分别与高压进水管连通，其另一端与蒸汽管18连通。原料气由原料气进入管11进入中心管15，并径向进入最上部触媒框16内进行合成氨反应后，反应后混合物依次经环隙气流通道Ⅱb和环隙气流通道Ⅲc进入其余触媒框16内进一步进行合成氨反应，最终产物自产物气出气管14排出；各第一换热管束173中高压水吸收来自各触媒框16内的反应热发生相变，生成高压蒸汽后，自蒸汽管18排出。
反应器外筒12内还设有一换热腔110，各第一换热管束173分别贯穿换热腔110，换热腔110与环隙气流通道Ⅱb和环隙气流通道Ⅲc形成隔离设置，中心管15和原料气进入管11分别与换热腔110相连通；换热腔110内设置多个平行设置的第二换热管束120，第二换热管束120的一端与环隙气流通道Ⅲc连通，其另一端与产物气出气管14连通。本发明中低压的合成氨塔，可进行高效的热传递，预热原料气，具有节能降耗的优点。第一换热管束穿过各级触媒框，触媒框内的催化剂反应热通过与第一换热管束内流动水热交换，实现了热量传递，产物气通过第二换热管束对经过的原料气进行热交换，原料气经预热后再进入触媒框，利于氨合成反应的进行，具有节能降耗的优点。与传统绝热反应器、等温反应器相比，本发明所提供的合成氨反应塔通过多段床层激冷、相变移热、径向流，床层温度更加精确可控，换热更加充分，转化效率高，副产蒸汽量大，压力损失小，能量效率高。
优选地，触媒框16为3个，自上而下分别为触媒框Ⅰ161、触媒框Ⅱ162和触媒框Ⅲ163，位于触媒框Ⅰ161外侧部分的环隙气流通道Ⅱb与位于触媒框Ⅱ162外侧部分的环隙气流通道Ⅱb连通，位于触媒框Ⅱ162内侧部分的环隙气流通道Ⅲc与位于触媒框Ⅲ163外侧部分的环隙气流通道Ⅱb连通。原料气由原料气进入管11进入中心管15，并径向进入触媒框Ⅰ161内进行初步合成氨反应后，反应后混合物Ⅰ经环隙气流通道Ⅱb，径向进入触媒框Ⅱ162内进一步反应后，反应后混合物Ⅱ依次经环隙气流通道Ⅲc和环隙气流通道Ⅱb，径向进入触媒框Ⅲ163内反应，最终产物自产物气出气管14排出。
反应器外筒12上还设有1#副线进气管130和2#副线进气管140，自产物气出气管14排出的合成氨产物气经液化分离出液氨后，其余气体作为循环气分别自原料气进入管11、1#副线进气管130和2#副线进气管140进入所述成氨塔内；1#副线进气管130与位于触媒框Ⅰ161外侧部分的环隙气流通道Ⅱb连通，自1#副线进气管130进入的循环气与混合物Ⅰ混合并进行热交换；2#副线进气管140与位于触媒框Ⅲ163外侧部分的环隙气流通道Ⅱb连通，自2#副线进气管140进入的循环气与混合物Ⅱ混合并进行热交换。
另外，如图2所示，反应器外筒12内套装有反应器内筒13，触媒框16套装于反应器内筒13内部，环隙气流通道Ⅱb设置于触媒框16与反应器内筒13之间。反应器外筒12与反应器内筒13间形成环隙气流通道Ⅰa,换热腔110与环隙气流通道Ⅰa的一端相连通，原料气进入管11与环隙气流通道Ⅰa的另一端相连通。
换热腔110设置于反应器内筒13的下部，位于反应器内筒13的下方的反应器外筒12内设有换热组件17，换热组件17包括进水管171、储水罐172和第一换热管束173，储水罐172位于反应器外筒12内部下方，进水管171穿过反应器外筒12，与储水罐172连通，为储水罐172提供高压水，第一换热管束173与储水罐172连通。第一换热管束173上远离储水罐172的一端通过汽包19与蒸汽管18连通，将第一换热管束173内的蒸汽通过汽包19分离后自蒸汽管18排出。
第一催化剂床层150内合成氨催化剂为Ru基催化剂，载体为活性炭、氧化铝、氧化镁、二氧化铈、氧化钡中的一种或多种。电解水制氢产生的氢气含有浓度较高的O2，会影响合成氨反应的活性和稳定性，针对这一问题，本发明在触媒框Ⅰ161与中心管15之间的环隙气流通道内还设有第二催化剂床层160，将塔中的O2转化为H2O，催化剂包括但不限于Pd、Pt、Sn基中的一种或多种，载体为氧化铝、分子筛、氧化锆、氧化铈等中的一种或多种，从而实现高效除氧。氨合成Ru基催化剂具有较好的抗水性，反应几乎不受H2O的影响。
使用时，由氢气和氮气混合而成的原料气(含＜0.2％氧气)通过原料气进入管11进入塔中，原料气先流经反应器外筒12与反应器内筒13间的环隙气流通道Ⅰa，再通过反应器内筒13下方的通道进入反应器内筒13内部。原料气与第一换热管束173和第二换热管束120换热后进入中心管5，原料气经由中心管5顶部侧壁上的气孔进入触媒框Ⅰ161中进行第一段合成氨反应，反应后的气体进入第二催化剂床层160中，氧气与氢气反应生成H2O，然后气体进入环隙气流通道Ⅱb，与1#副线进气管130进来的循环气混合控制反应气流温度后，通过触媒框Ⅱ162径向进入合成氨催化剂中反应继续第二段合成氨，反应后的气体依次经环隙气流通道Ⅲc和环隙气流通道Ⅱb，径向进入触媒框Ⅲ163内反应，反应后的产物气体进入环隙气流通道Ⅲc，再进入第二换热管束120与原料气换热，最后经产物气出气管14离开合成氨塔1。
高压水由进水管171进入储水罐172，在储水罐172缓冲后进入第一换热管束Ⅰ1731，依此穿过触媒框Ⅲ163、触媒框Ⅱ162和触媒框Ⅰ161，通过高压水气化相变逐步吸收三段框内床层中合成氨释放的热量，气化后进入汽包19中进行汽水分离，高压蒸汽从蒸汽管18中排出，作为副产高压蒸汽供给外界。
现有合成氨技术主要在450℃-500℃，20MPa-30MPa，适用于基于传统化石燃料的大规模、集中式工业化合成氨。针对可再生能源应用，合成氨工业需朝着小型化、分布式的特点发展，要求合成氨技术的低温、低压化。本发明提供的一种基于Ru催化剂的低温、低压化的合成氨塔操作温度范围为300℃-450℃，压力范围为0.1MPa-10MPa。
如图3所示，本发明还提供了一种可再生能源低压合成氨系统，包括合成氨塔1、电解水装置2、氮源提供装置3和氨分离装置6，电解水装置2的氢气出口和氮源提供装置3的氮气出口与合成氨塔1的原料气进入管11连通；原料氢气和氮气经管路混合后通过原料气进入管11进入合成氨塔1进行氨的合成，合成氨塔1的产物气出气管14与氨分离装置6连通，氨分离装置6的出口为两个，分别为出液口61和排气口62，出液口61与外部贮槽连通，排气口62分三个管路，分别与原料气进入管11、1#副线进气管130和2#副线进气管140连通，在合成氨塔1内合成的氨混合气中的氨在氨分离装置6中冷凝液化并分离，其中液氨通过出液口61进入到外部贮槽7中储存，未液化的气体作为循环气体分别经原料气进入管11、1#副线进气管130和2#副线进气管140进入合成氨塔1。
所述系统还包括供电机构8，供电机构8与电解水装置2电性连接，为电解水装置2电解水提供电能。供电机构8为光伏、风电、水电、潮汐发电中的一种或几种。供电机构8还可通过一逆变器81与外部电网电性连接。本发明中可再生能源低压合成氨系统，可再生能源包括但不限于光伏、风电、水电、潮汐能发电等。光伏通过DC-DC转换器，风电和水电通过AC-DC转换器，与经过逆变器81的电网电力并入一条总线上，再通过DC-DC转换器驱动高压电解水装置2工作。可再生能源的接入可分为离网和并网两种模式：离网模式下，可再生能源电力全部用于电解水制氢合成氨。并网模式下，可再生能源在电网允许的容量范围内并网，多余电力用于电解水制氢，在可再生能源电力不足时可利用电网电力满足基本的制氢生产需求，尤其是利用波谷电价提高本系统工艺的经济性，还能够起到调节可再生能源电力与电网负荷平衡的作用。
氮源提供装置3为空气分离供氮装置。电解水装置2的氧气出口与氮源提供装置3的氧气出口分别与一储气罐4连通，用于储存分离出的副产气氧气。本发明电解水操作在0.1-10MPa压力下，与合成氨过程的压力匹配，无需对氢气进行额外增压，与现有技术相比，本发明可省去电解水和合成氨中间的增压过程，即无需压缩机及配套设备，产生的H2可直接匹配合成氨过程的压力。
氨分离装置6为具有氨冷凝和氨分离作用的一体式结构，氨分离装置的排气口62依次联通有循环机9和循环油分离器10后分别与原料气进入管11、1#副线进气管130和2#副线进气管140连通。
合成氨塔1的操作温度范围为300℃-450℃，压力范围为0.1MPa-10MPa。原料气进入管11中通入的原料气与循环气的比例为1:(2-8)，原料气进入管11、1#副线进气管130和2#副线进气管140中通入的循环气的比例为(70-88):(5-10):(7-20)。
本发明的整套系统除了能够在低温低压条件下高效合成氨，还能够副产高压蒸汽和高纯氧，具有高能量效率、高经济效益的特点。
可采用的空气分离技术包括但不限于深冷技术和变压吸附技术中的一种或几种，还可以通过液氮直接供给氮气。可采用的氨分离技术包括但不限于氨冷却分离、氨吸附分离和氨吸收分离技术中的一种甚至多种。
实施例1：
合成氨塔层面：
原料气进入管入口气体氢氮体积比为2.5:1，压力为10MPa、温度为25℃；
三个第一催化剂床层的空速自上而下依次为：10000h-1、5000h-1、5000h-1；
催化剂床层控制温度为400℃；
进水管高压水压力为11MPa，温度为25℃；
蒸汽管道出口蒸气温度为320℃；
产物气出气管出口氨浓度为20.3％。
系统工艺层面：
在并网模式下，可再生能源在电网允许的容量范围内并网，多余电力用于电解水制氢，在可再生能源电力不足时还可利用电网电力满足基本生产需求，尤其是利用波谷电价提高经济性，还能够起到调节可再生能源电力与电网负荷平衡的作用。
电解水装置工作压力10MPa，工作温度80℃；
原料气氢氮体积比为2.5:1，原料气与循环气的比例为1:2；
循环气的分配比例：原料气进入管70％、1#副线进气管10％、2#副线进气管20％；
合成氨压力10MPa，氨转化率34％。
实施例2：
合成氨塔层面：
原料气进入管入口气体氢氮体积比为2.5:1，压力为7MPa、温度为25℃；
三个第一催化剂床层的空速自上而下依次为：10000h-1、5000h-1、5000h-1；
第二催化剂床层空速：15000h-1；
催化剂床层控制温度为400℃；
进水管高压水压力为8MPa，温度为25℃；
蒸汽管道出口蒸气温度为295℃；
产物气出气管出口氨浓度为16.5％。
系统工艺层面：
电解水装置工作压力7.5MPa，工作温度80℃；
原料气氢氮体积比为2.4:1，原料气与循环气的比例为2:5；
循环气的分配比例：原料气进入管75％、1#副线进气管10％、2#副线进气管15％；
合成氨压力7MPa，氨转化率28％。
实施例3：
合成氨塔层面：
原料气进入管入口气体氢氮体积比为2.5:1，压力为5MPa、温度为25℃；
三个第一催化剂床层的空速自上而下依次为：10000h-1、5000h-1、5000h-1；
第二催化剂床层空速：15000h-1；
催化剂床层控制温度为450℃；
进水管高压水压力为8MPa，温度为25℃；
蒸汽管道出口蒸气温度为294℃；
产物气出气管出口氨浓度为14％。
系统工艺层面：
电解水装置工作压力5.2MPa，工作温度80℃；
原料气氢氮体积比为2.2:1，原料气与循环气的比例为1:3；
循环气的分配比例：原料气进入管80％、1#副线进气管8％、2#副线进气管12％；
合成氨压力5MPa，氨转化率25％。
实施例4：
原料气进入管入口气体氢氮体积比为2.5:1，压力为10MPa、温度为25℃；
三个第一催化剂床层的空速自上而下依次为：10000h-1、5000h-1、5000h-1；
第二催化剂床层空速：15000h-1；
催化剂床层控制温度为350℃；
进水管高压水压力为11MPa，温度为25℃；
蒸汽管道出口蒸气温度为320℃；
产物气出气管出口氨浓度为7％。
系统工艺层面：
电解水装置工作压力10MPa，工作温度80℃；
原料气氢氮体积比为2.3:1，原料气与循环气的比例为1:7；
循环气的分配比例：原料气进入管85％、1#副线进气管6％、2#副线进气管9％；
合成氨压力10MPa，氨转化率13％。
实施例5：
原料气进入管入口气体氢氮体积比为2.5:1，压力为5MPa、温度为25℃；
三个第一催化剂床层的空速自上而下依次为：10000h-1、5000h-1、5000h-1；
第二催化剂床层空速：15000h-1；
催化剂床层控制温度为350℃；
进水管高压水压力为6MPa，温度为25℃；
蒸汽管道出口蒸气温度为275℃；
产物气出气管出口氨浓度为6％。
系统工艺层面：
电解水装置工作压力5MPa，工作温度80℃；
原料气氢氮体积比为2.25:1，原料气与循环气的比例为1:8；
循环气的分配比例：原料气进入管88％、1#副线进气管5％、2#副线进气管7％；
合成氨压力5MPa，氨转化率11％。
实施例6：
原料气进入管入口气体氢氮体积比为2.5:1，压力为0.1MPa、温度为25℃；
三个第一催化剂床层的空速自上而下依次为：10000h-1、5000h-1、5000h-1；
第二催化剂床层空速：15000h-1；
催化剂床层控制温度为350℃；
进水管高压水压力为6MPa，温度为25℃；
蒸汽管道出口蒸气温度为275℃；
产物气出气管出口氨浓度为6％。
系统工艺层面：
电解水装置工作压力0.1MPa，工作温度80℃；
原料气氢氮体积比为2.25，原料气与循环气的比例为1:8；
循环气的分配比例：原料气进入管88％、1#副线进气管5％、2#副线进气管7％；
合成氨压力0.1MPa，氨转化率11％。
实施例7：液氮供N2+氨冷却分离，如图4所示
电解水装置工作压力10MPa，工作温度80℃；
原料气氢氮体积比为2.5；原料气与循环气的比例为1:2；
循环气的分配比例：原料气进入管70％、1#副线进气管10％、2#副线进气管20％；
合成氨压力10MPa，氨转化率34％。
采用液氮供给N2，利用液氮的冷实现氨的冷却分离，实现能量的梯级综合利用。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (15)

1.一种低压合成氨塔，包括反应器外筒(12),所述反应器外筒(12)上设有原料气进入管(11)和产物气出气管(14)，其特征在于：
所述反应器外筒(12)内套装有n个触媒框(16)，其中n≥2，每个所述触媒框(16)内装设有合成氨催化剂的第一催化剂床层(150)；所述反应器外筒(12)内还设有与所述原料气进入管(11)相连通的中心管(15)，所述中心管(15)与其一所述触媒框(16)相连通，各所述触媒框(16)之间形成依次串通的单向气流通道，所述产物气出气管(14)与最后一个参与合成氨反应的所述触媒框(16)的产出气输出端相连通；
所述触媒框(16)内布置若干穿越所有所述触媒框(16)内部的第一换热管束(173)，每个所述第一换热管束(173)的一端分别与高压进水管连通，其另一端与蒸汽管(18)连通；
原料气经所述中心管(15)进入与其连通的所述触媒框(16)内进行合成氨反应，反应后混合物依次通过所述单向气流通道顺次经过各所述触媒框(16)进行合成氨反应，最终产物由所述产物气出气管(14)排出；各所述第一换热管束(173)中高压水吸收来自各所述触媒框(16)内的反应热发生相变，生成高压蒸汽后，自所述蒸汽管(18)排出。
2.根据权利要求1所述的低压合成氨塔，其特征在于，所述反应器外筒(12)内套装有呈上下隔空布置的n个触媒框(16)，所述反应器外筒(12)与各所述触媒框(16)间分别形成一环隙气流通道Ⅱ(b)；
所述中心管(15)由下至上依次贯穿所有所述触媒框(16)的中部，所述中心管(15)的上端封闭且设置于最上方所述触媒框(16)内部，位于最上方的所述触媒框(16)与所述中心管(15)相导通，其余所述触媒框(16)与所述中心管(15)间分别形成一环隙气流通道Ⅲ(c)，所述环隙气流通道Ⅲ(c)的一端与其下方相邻的所述触媒框(16)外侧的环隙气流通道Ⅱ(b)相连通；原料气经最上方所述触媒框(16)进行合成氨反应后，反应后混合物依次经过其下方的所述触媒框(16)进行至少一次合成氨反应后，最终产物由所述产物气出气管(14)排出。
3.根据权利要求2所述的低压合成氨塔，其特征在于，所述反应器外筒(12)内还设有一换热腔(110)，各所述第一换热管束(173)分别贯穿所述换热腔(110)，所述换热腔(110)与所述环隙气流通道Ⅱ(b)和所述环隙气流通道Ⅲ(c)形成隔离设置，所述中心管(15)和所述原料气进入管(11)分别与所述换热腔(110)相连通；所述换热腔(110)内设置多个平行设置的第二换热管束(120)，所述第二换热管束(120)的一端与所述环隙气流通道Ⅲ(c)连通，其另一端与所述产物气出气管(14)连通。
4.根据权利要求3所述的低压合成氨塔，其特征在于，所述触媒框(16)为3个，自上而下分别为触媒框Ⅰ(161)、触媒框Ⅱ(162)和触媒框Ⅲ(163)，位于所述触媒框Ⅰ(161)外侧部分的所述环隙气流通道Ⅱ(b)与位于所述触媒框Ⅱ(162)外侧部分的所述环隙气流通道Ⅱ(b)连通，位于所述触媒框Ⅱ(162)内侧部分的所述环隙气流通道Ⅲ(c)与位于所述触媒框Ⅲ(163)外侧部分的所述环隙气流通道Ⅱ(b)连通；原料气由原料气进入管(11)进入所述中心管(15)，并径向进入所述触媒框Ⅰ(161)内进行初步合成氨反应后，反应后混合物Ⅰ经所述环隙气流通道Ⅱ(b)，径向进入所述触媒框Ⅱ(162)内进一步反应后，反应后混合物Ⅱ依次经所述环隙气流通道Ⅲ(c)和所述环隙气流通道Ⅱ(b)，径向进入所述触媒框Ⅲ(163)内反应，最终产物自所述产物气出气管(14)排出。
5.根据权利要求4所述的低压合成氨塔，其特征在于，所述反应器外筒(12)上还设有1#副线进气管(130)和2#副线进气管(140)，自所述产物气出气管(14)排出的合成氨产物气经液化分离出液氨后，其余气体作为循环气分别自所述原料气进入管(11)、1#副线进气管(130)和2#副线进气管(140)进入所述成氨塔内；所述1#副线进气管(130)与位于所述触媒框Ⅰ(161)外侧部分的所述环隙气流通道Ⅱ(b)连通，自所述1#副线进气管(130)进入的循环气与混合物Ⅰ混合并进行热交换；所述2#副线进气管(140)与位于所述触媒框Ⅲ(163)外侧部分的所述环隙气流通道Ⅱ(b)连通，自所述2#副线进气管(140)进入的循环气与混合物Ⅱ混合并进行热交换；
所述触媒框Ⅰ(161)与所述中心管(15)之间的环隙气流通道内还设装有催化燃烧催化剂的第二催化剂床层(160)，用于去除自所述原料气进入管(11)进入的原料气中氧气。
6.根据权利要求5所述的低压合成氨塔，其特征在于，所述反应器外筒(12)内套装有反应器内筒(13)，所述触媒框(16)套装于所述反应器内筒(13)内部，所述环隙气流通道Ⅱ(b)设置于所述触媒框(16)与所述反应器内筒(13)之间；所述反应器外筒(12)与所述反应器内筒(13)间形成环隙气流通道Ⅰ(a),所述换热腔(110)与所述环隙气流通道Ⅰ(a)的一端相连通，所述原料气进入管(11)与所述环隙气流通道Ⅰ(a)的另一端相连通。
7.根据权利要求6所述的低压合成氨塔，其特征在于，所述换热腔(110)设置于所述反应器内筒(13)的下部，位于所述反应器内筒(13)的下方的所述反应器外筒(12)内设有换热组件(17)，所述换热组件(17)包括进水管(171)、储水罐(172)和第一换热管束(173)，所述储水罐(172)位于所述反应器外筒(12)内部下方，所述进水管(171)穿过所述反应器外筒(12)，与所述储水罐(172)连通，为所述储水罐(172)提供高压水，所述第一换热管束(173)与所述储水罐(172)连通。
8.根据权利要求7所述的低压合成氨塔，其特征在于，所述第一换热管束(173)上远离所述储水罐(172)的一端通过汽包(19)与所述蒸汽管(18)连通，将所述第一换热管束(173)内的蒸汽通过所述汽包(19)分离后自所述蒸汽管(18)排出。
9.根据权利要求8所述的低压合成氨塔，其特征在于，所述第一催化剂床层(150)中的合成氨催化剂为Ru基催化剂，载体为活性炭、氧化铝、氧化镁、二氧化铈、氧化钡中的一种或多种；所述第二催化剂床层(160)中的催化燃烧催化剂的活性组分为Pd、Pt、Sn中的一种或多种，载体为氧化铝、分子筛、氧化锆、氧化铈等中的一种或多种。
10.一种可再生能源低压合成氨系统，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的合成氨塔(1)、电解水装置(2)、氮源提供装置(3)和氨分离装置(6)，所述电解水装置(2)的氢气出口和氮源提供装置(3)的氮气出口与所述合成氨塔(1)的原料气进入管(11)连通；原料氢气和氮气经管路混合后通过所述原料气进入管(11)进入所述合成氨塔(1)进行氨的合成，所述合成氨塔(1)的产物气出气管(14)与所述氨分离装置(6)连通，所述氨分离装置(6)的出口为两个，分别为出液口(61)和排气口(62)，所述出液口(61)与外部贮槽连通，所述排气口(62)与所述原料气进入管(11)连通，在所述合成氨塔(1)内合成的氨混合气中的氨在所述氨分离装置(6)中冷凝液化并分离，其中液氨通过所述出液口(61)进入到外部贮槽(7)中储存，未液化的气体作为循环气体经所述原料气进入管(11)进入所述合成氨塔(1)。
11.根据权利要求10所述的可再生能源低压合成氨系统，其特征在于，所述合成氨塔(1)上设有1#副线进气管(130)和2#副线进气管(140)，所述1#副线进气管(130)与位于所述触媒框Ⅰ(161)外侧部分的所述环隙气流通道Ⅱ(b)连通，所述2#副线进气管(140)与位于所述触媒框Ⅲ(163)外侧部分的所述环隙气流通道Ⅱ(b)连通；所述氨分离装置(6)上的排气口(62)分三个管路，分别与所述原料气进入管(11)、1#副线进气管(130)和2#副线进气管(140)连通，循环气体分别经所述原料气进入管(11)、1#副线进气管(130)和2#副线进气管(140)进入所述合成氨塔(1)。
12.根据权利要求11所述的可再生能源低压合成氨系统，其特征在于，所述系统还包括供电机构(8)，所述供电机构(8)与所述电解水装置(2)电性连接，为所述电解水装置(2)电解水提供电能；所述供电机构(8)为光伏、风电、水电、潮汐发电中的一种或几种；
所述供电机构(8)还可通过一逆变器(81)与外部电网电性连接。
13.根据权利要求12所述的可再生能源低压合成氨系统，其特征在于，所述氮源提供装置(3)为空气分离供氮装置；所述电解水装置(2)的氧气出口与氮源提供装置(3)的氧气出口分别与一储气罐(4)连通，用于储存分离出的副产气氧气。
14.根据权利要求13所述的可再生能源低压合成氨系统，其特征在于，所述氨分离装置(6)为具有氨冷凝和氨分离作用的一体式结构；所述氨分离装置(6)的排气口(62)依次联通有循环机(9)和循环油分离器(10)后分别与所述原料气进入管(11)、1#副线进气管(130)和2#副线进气管(140)连通。
15.根据权利要求10所述的可再生能源低压合成氨系统，其特征在于，所述电解水装置(2)的工作压力为0.1MPa-10MPa，工作温度为≤90℃；
所述合成氨塔(1)的操作温度范围为300℃-450℃，压力范围为0.1MPa-10MPa；
所述原料气进入管(11)中通入的原料气与循环气的比例为1:(2-8)，所述原料气进入管(11)、1#副线进气管(130)和2#副线进气管(140)中通入的循环气的比例为(70-88):(5-10):(7-20)。
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