CN113526525A - 一种余热梯级回收的合成氨塔及可再生能源合成氨系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种余热梯级回收的合成氨塔及可再生能源合成氨系统，其中合成氨塔包括反应器外筒及原料气进入管和产物气出气管，反应器外筒内套装有催化剂床，且反应器外筒与催化剂床间形成环隙通道Ⅱ，其一端与产物气出气管连通；催化剂床的中部设置一中心管，其一端与原料气进入管连通，另一端封闭于催化床内部，沿中心管的轴向在其管壁上开设若干气孔；沿催化剂床轴向间隔布置若干穿越催化剂床内部的第一换热管束，每个第一换热管束的一端分别与具有不同输入水压的水管连通，其另一端与蒸汽管组连通。本发明合成氨塔可进行高效的热传递，预热原料气，且副产不同温度等级的蒸汽，通过调控副产蒸汽实现对床层的准确控温，利于氨合成反应的进行，具有节能降耗的优点。

Description

一种余热梯级回收的合成氨塔及可再生能源合成氨系统
技术领域
本发明涉及清洁能源转化与存储技术领域，具体涉及一种余热梯级回收的合成氨塔及可再生能源合成氨系统。
背景技术
目前，我国风能、太阳能等可再生能源发电行业发展迅速，但这些可再生能源受季节和天气条件的影响而波动较大，与相对稳定的用电需求不完全匹配，为减小可再生能源波动对电网造成的负面影响，经常会产生“弃风”、“弃光”和“弃水”等“三弃”现象，导致可再生能源利用率较低。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，可以实现大规模、高效的可再生能源消纳，而将氢气作为能源载体，可提高能源系统韧性，并实现不同地区间能量的再分配。但由于氢气密度小、难液化，目前较为成熟的高压储氢需要35-70Mpa，需消耗大量压缩功，且质量储氢密度仅5％左右，导致氢气储运成本高。
氨是现代工业和农业生产最为基础的化工原料之一，具有易液化、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。
现代工业合成氨普遍采用哈伯-博施(Haber-Bosch)工艺，将氢气和氮气通入高温、高压反应器中发生催化反应制得氨。工业生产中对于合成氨反应器温度的控制，一方面要求热点温度不超过催化剂使用温度上限，另一方面要求氨合成操作曲线尽量与最适宜温度曲线吻合。由于氨合成反应的最适宜温度随氨含量提高而降低，实际生产中要求随反应的进行，不断移出反应热，目前合成氨塔中常用的换热方法为内部换热式和冷激式。为了提高能效，合成氨工艺中还设置废热锅炉，通过回收合成氨塔出口气的热量产生中压蒸汽。
由上可知，传统的合成氨工艺中(如CN107055570A，CN105883852A)，合成氨过程和反应热回收过程分别在合成氨塔和废热锅炉中完成，设备数多且系统较为复杂，而合成氨塔中采用内部换热或冷激的方式也很难保证床层温度均匀且与最适宜温度吻合。
发明内容
本发明旨在解决传统工艺中合成氨反应过程与热量回收过程相对独立导致设备多工艺复杂，以及反应器温度不均匀、反应温度与最适宜温度不吻合的问题，从而提供一种新型高效、紧凑的余热梯级回收合成氨塔及可再生能源合成氨系统。
本发明采用如下技术方案：
一种余热梯级回收的合成氨塔，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催化剂床，且所述反应器外筒与所述催化剂床间形成环隙通道Ⅱ，所述环隙通道Ⅱ的一端与所述产物气出气管连通；
所述催化剂床的中部沿其高度方向设置一中心管，所述中心管的一端与所述原料气进入管连通，其另一端封闭且设置于所述催化床内部，沿所述中心管的轴向在其管壁上开设若干气孔；
沿所述中心管外侧的所述催化剂床轴向间隔布置若干穿越所述催化剂床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具有不同输入水压的水管连通，其另一端与蒸汽管组连通；
原料气由原料气进入管进入所述中心管，并径向进入所述催化剂床反应后，产物通过所述环隙通道Ⅱ，自所述产物气出气管排出；各所述第一换热管束中不同压力的高压水吸收来自催化剂床的反应热发生相变，生成高压蒸汽后，分别自所述蒸汽管组中的各蒸汽管道排出。
所述反应器外筒内还设有一换热腔，所述换热腔与所述环隙通道Ⅱ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通道Ⅱ连通，其另一端与所述产物气出气管连通。
各所述第一换热管束分别贯穿所述换热腔。
所述反应器外筒内套装有反应器内筒，所述催化剂床套装于所述反应器内筒内部，所述环隙通道Ⅱ设置于所述催化剂床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通道Ⅰ,所述换热腔与所述环隙通道Ⅰ的一端相连通，所述原料气进入管与所述环隙通道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，其中所述第一换热管束包括第一换热管束Ⅰ、第一换热管束Ⅱ和第一换热管束Ⅲ，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，所述储水罐的出水管路上串联有第一阀门和第二阀门，其中所述第一阀门靠近所述储水罐设置，所述第一换热管束Ⅱ与所述第一阀门和第二阀门之间的管路连通，所述第一换热管束Ⅲ与所述第二阀门的出水端连通，所述第一换热管束Ⅰ直接与所述储水罐连通。
三个所述第一换热管束上远离所述储水罐的一端分别通过三个汽包与所述蒸汽管组中的各蒸汽管道连通，将所述第一换热管束内的蒸汽通过所述汽包分离后分别自所述蒸汽管组中的各蒸汽管道排出。
紧贴所述催化剂床外沿设有触媒框，所述催化剂床套装在所述触媒框中，且在所述触媒框侧壁上沿其轴向开设有若干气孔；通过所述催化剂床的气体通流方向为径向从内向外。
所述催化剂床内盛装的合成氨催化剂为Fe基催化剂、Ni基催化剂、Ru基催化剂中的一种，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。
一种可再生能源合成氨系统，包括合成氨塔、电解水装置、氮源提供装置、混合器、氨冷凝器组、气液分离器和贮槽，所述电解水装置的氢气出口和氮源提供装置的氮气出口分别与所述混合器的进气口连通，所述混合器的出气口与所述合成氨塔的原料气进入管连通；原料氢气和氮气经所述混合器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依次与所述氨冷凝器组、气液分离器连通，所述气液分离器的出口为两个，分别为出液口和排气口，所述出液口与所述贮槽连通，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经所述氨冷凝器组冷凝液化后，连同未液化的气体一起进入所述气液分离器中，其中液氨通过所述出液口进入到所述贮槽中储存，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；所述电解水装置的氢气出口与所述混合器之间还设有一除氧除水装置，净化自所述电解水装置的氢气出口排出的氢气。
所述氨冷凝器组包括串联设置的水冷却器和氨冷器，所述水冷却器的进口与所述产物气出气管连通，所述氨冷器的出口与所述气液分离器的进口连通。
所述电解水装置的工作压力为0.1MPa-10MPa，工作温度为≤90℃。
本发明技术方案，具有如下优点：
A、本发明中余热梯级回收的合成氨塔，可进行高效的热传递，预热原料气，具有节能降耗的优点。第一换热管束穿过催化剂床，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，反应后出催化剂床的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催化剂床，利于氨合成反应的进行，具有节能降耗的优点。
B、本发明中余热梯级回收的合成氨塔，在径向催化剂床内布置通有冷水的多个第一换热管束，通过控制阀门调节不同位置第一换热管束的压力来调控催化剂床层温度和调节副产蒸汽等级，代替冷激副线或床层间的冷却，第一换热管束贯穿整个催化剂床，充分回收催化剂床层出口产物气余热。
C、现有的合成氨技术中，主要通过合成氨塔内换热器以及废热锅炉来实现热量回收，工艺复杂且设备多，针对可再生能源合成氨的应用场景，合成氨工业需朝着小型化、分布式的方向发展，采用本发明的余热梯级回收合成氨塔，可以省却废热锅炉，有效简化工艺流程，且合成氨塔内温度调控更精确，转化率高，能量效率高。
D、现有合成氨技术中，副产的蒸汽品味低，例如文献(张凤魁，新型合成氨废热锅炉的技术特点，2015，中氮肥)的蒸汽为250℃，3.97MPa。采用本发明的余热梯级回收合成氨塔，不仅有效提高了蒸汽品味，且通过调控可以副产不同压力等级的蒸汽(180-380℃，1-22MPa)，中高压的蒸汽可用于驱动汽轮机发电，汽轮机可用饱和蒸汽汽轮机或过热蒸汽汽轮机，中低压蒸汽可驱动溴化锂吸收式制冷机组。
E、本发明中可再生能源合成氨系统，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。
F、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。
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为本发明中余热梯级回收的合成氨塔整体结构示意图(一)；
图2为本发明中余热梯级回收的合成氨塔整体结构示意图(二)；
图3为本发明中可再生能源合成氨系统整体结构示意图。
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-催化剂床，17-换热组件，171-进水管，172-储水罐，173-第一换热管束，1731-第一换热管束Ⅰ，1732-第一换热管束Ⅱ，1733-第一换热管束Ⅲ，174-第一阀门，175-第二阀门，18-蒸汽管组，19-汽包，110-换热腔，120-第二换热管束；
a-环隙通道Ⅰ，b-环隙通道Ⅱ；
2-电解水装置，21-除氧除水装置；3-氮源提供装置；4-混合器；5-氨冷凝器组，51-水冷却器，52-氨冷器；6-气液分离器，61-出液口，62-排气口；7-贮槽；8-供电机构，81-逆变器；9-循环机；10-循环油分离器；20-减压阀。
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，本发明提供了一种余热梯级回收的合成氨塔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内套装有催化剂床161，且反应器外筒12与催化剂床161间形成环隙通道Ⅱb，环隙通道Ⅱb的一端与产物气出气管14连通；催化剂床161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催化床161内部，沿中心管15的轴向在其管壁上开设若干气孔；沿中心管15外侧的催化剂床161轴向间隔布置若干穿越催化剂床161内部的第一换热管束173，每个第一换热管束173的一端分别与具有不同输入水压的水管连通，其另一端与蒸汽管组18连通。原料气由原料气进入管11进入中心管15，并径向进入催化剂床161反应后，产物通过环隙通道Ⅱb，自产物气出气管14排出。各第一换热管束173中不同压力的高压水吸收来自催化剂床161的反应热发生相变，生成高压蒸汽后，分别自蒸汽管组18中的各蒸汽管道排出。
反应器外筒12内还设有一换热腔110，换热腔110与环隙通道Ⅱb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，各第一换热管束173分别贯穿换热腔110。，第二换热管束120的一端与环隙通道Ⅱb连通，其另一端与产物气出气管14连通。本发明合成氨塔，第一换热管束穿过催化剂床，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，反应后出催化剂床的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催化剂床，利于氨合成反应的进行，具有节能降耗的优点。
另外，如图2所示，反应器外筒12内还可套装有反应器内筒13，催化剂床161套装于反应器内筒13内部，环隙通道Ⅱb设置于催化剂床161与反应器内筒13之间。反应器外筒12与反应器内筒13间形成环隙通道Ⅰa,换热腔110与环隙通道Ⅰa的一端相连通，原料气进入管11与环隙通道Ⅰa的另一端相连通。
进一步地，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，其中第一换热管束173包括第一换热管束Ⅰ1731、第一换热管束Ⅱ1732和第一换热管束Ⅲ1733，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，储水罐172的出水管路上串联有第一阀门174和第二阀门175，其中第一阀门174靠近储水罐172设置，第一换热管束Ⅱ1732与第一阀门174和第二阀门175之间的管路连通，第一换热管束Ⅲ1733与第二阀门175的出水端连通，第一换热管束Ⅰ1731直接与储水罐172连通。
紧贴催化剂床161外沿设有触媒框16，催化剂床161套装在触媒框16中，且在触媒框16侧壁上沿其轴向开设有若干气孔；通过催化剂床161的气体通流方向为径向从内向外。催化剂床161内盛装的合成氨催化剂为Fe基催化剂、Ni基催化剂、Ru基催化剂中的一种，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。
三个第一换热管束173上远离储水罐172的一端分别通过三个汽包19与蒸汽管组18中的各蒸汽管道连通，将第一换热管束173内的蒸汽通过汽包19分离后分别自蒸汽管组18中的各蒸汽管道排出。
使用时，由氢气和氮气混合而成的原料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侧壁上的气孔进入催化剂床161，在催化剂床161中沿离心方向流动并发生合成氨反应。反应后的产物气体进入环隙通道Ⅱb，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，然后一部分高压水直接进入第一换热管束Ⅰ1731，一部分高压水经过第一阀门174进入第一换热管束Ⅱ1732，一部分高压水经过第一阀门174和第二阀门175后进入第一换热管束Ⅲ1733，第一换热管束Ⅱ1732和第一换热管束Ⅲ1733内的压力通过第一阀门174和第二阀门175进行调节。在三个第一换热管束173中，高压水吸收来自催化剂床161的反应热发生相变，生成高压蒸汽，形成气液两相流体，两相流分别进入相对应的三个汽包19中进行汽水分离，高压蒸汽从蒸汽管组18中排出。通过控制阀门调节不同位置第一换热管束的压力，来调控催化剂床层温度和调节副产蒸汽等级。
现有的合成氨技术中，主要通过合成氨塔内换热器以及废热锅炉来实现热量回收，工艺复杂且设备多，针对可再生能源合成氨的应用场景，合成氨工业需朝着小型化、分布式的方向发展，采用本发明的余热梯级回收合成氨塔，可以省却废热锅炉，有效简化工艺流程，且合成氨塔内温度调控更精确，转化率高，能量效率高。
现有合成氨技术中，副产的蒸汽品味低，例如文献(张凤魁，新型合成氨废热锅炉的技术特点，2015，中氮肥)的蒸汽为250℃，3.97MPa。采用本发明的余热梯级回收合成氨塔，不仅有效提高了蒸汽品味，且通过调控可以副产不同压力等级的蒸汽(180-380℃，1-22MPa)，中高压的蒸汽可用于驱动汽轮机发电，汽轮机可用饱和蒸汽汽轮机或过热蒸汽汽轮机，中低压蒸汽可驱动溴化锂吸收式制冷机组。
如图3所示，本发明还提供了一种可再生能源合成氨系统，包括上述合成氨塔1、电解水装置2、氮源提供装置3、混合器4、氨冷凝器组5、气液分离器6和贮槽7，电解水装置2的氢气出口和氮源提供装置3的氮气出口分别与混合器4的进气口连通，混合器4的出气口与合成氨塔1的原料气进入管11连通，原料氢气和氮气经混合器4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依次与氨冷凝器组5、气液分离器6连通，气液分离器6的出口为两个，分别为出液口61和排气口62，出液口61与贮槽7连通，排气口62与原料气进入管11连通，在合成氨塔1内合成的氨混合气中的氨经氨冷凝器组5冷凝液化后，连同未液化的气体一起进入气液分离器6中，其中液氨通过出液口61进入到贮槽7中储存，未液化的气体部分驰放后作为循环气体经原料气进入管11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的氢气出口与混合器4之间还设有一除氧除水装置21，净化自电解水装置2的氢气出口排出的氢气。外部净化后的水经过水泵加压，送入高压电解水装置2分解为氢气和氧气，氢气经过除氧除水装置21后，与空气分离供氮装置产生的氮气按一定比例混合后形成合成氨原料气，送入后端的合成氨工段。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。电解水和空气分离供氮装置均可副产高纯氧气，合成氨原料气中的氢气还可以来自工业副产氢。
另外，氨冷凝器组5包括串联设置的水冷却器51和氨冷器52，水冷却器51的进口与产物气出气管14连通，氨冷器52的出口与气液分离器6的进口连通。气液分离器6的排气口62与合成氨塔1的原料气进入管11之间依次联通有循环机9和循环油分离器10，循环机9的作用是给排气口62出口的气体加压，以满足合成氨工艺的要求，循环油分离器10的作用是脱除循环机9出口气体中含的润滑油。合成氨塔1的出口气经过水冷却器51、氨冷器51后进入气液分离器6，分离得到的液氨经过减压阀20后送入贮槽7作为产品，气液分离器6出口气体一部分作为弛放气排出，一部分作为循环气经过循环机9和循环油分离器10后，通过原料气进入管11进入合成氨塔。
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℃；
合成氨催化剂床层，空速为5000h-1；
催化剂床层出口温度为400℃；
进水管高压水入口压力为16.5MPa，温度为25℃；
蒸汽管道出口高压水蒸气温度为350℃，压力为16.5MPa；
蒸汽管道出口中压水蒸气温度为320℃，压力为11MPa；
产物气出气管出口氨浓度为21.5％。
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，原料气与循环气的比例为1:2；
合成氨压力10MPa，氨转化率34％；
副产高压蒸汽350℃，压力为16.5MPa；
副产中压蒸汽320℃，压力为11MPa。
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℃；
合成氨催化剂床层，空速为5000h-1；
催化剂床层出口温度为400℃；
进水管高压水入口压力为16.5MPa，温度为25℃；
蒸汽管道出口高压水蒸气温度为350℃，压力为16.5MPa；
蒸汽管道出口中压水蒸气温度为320℃，压力为11MPa；
产物气出气管出口氨浓度为16.8％。
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，原料气与循环气的比例为2:5；
合成氨压力7MPa，氨转化率28％；
副产高压蒸汽350℃，压力为16.5MPa；
副产中压蒸汽320℃，压力为11MPa；
副产蒸汽用于驱动饱和蒸汽汽轮机。
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10MPa、温度为25℃；
合成氨催化剂床层，空速为5000h-1；
催化剂床层出口温度为400℃；
进水管高压水入口压力为14MPa，温度为25℃；
蒸汽管道出口高压水蒸气温度为360℃，压力为14MPa；
蒸汽管道出口中压水蒸气温度为340℃，压力为11MPa；
蒸汽管道出口低压水蒸气温度为320℃，压力为8MPa；
产物气出气管出口氨浓度为21.5％。
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2.5，原料气与循环气的比例为1:2；
合成氨压力10MPa，氨转化率34％；
副产高压过热蒸汽360℃，压力为14MPa；
副产中压过热蒸汽340℃，压力为11MPa；
副产低压过热蒸汽320℃，压力为8MPa；
副产蒸汽均用于驱动过热蒸汽汽轮机。
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℃；
合成氨催化剂床层，空速为5000h-1；
催化剂床层出口温度为400℃；
进水管高压水入口压力为14MPa，温度为25℃；
蒸汽管道出口高压水蒸气温度为360℃，压力为14MPa；
蒸汽管道出口中压水蒸气温度为280℃，压力为6MPa；
蒸汽管道出口低压水蒸气温度为180℃，压力为1MPa；
产物气出气管出口氨浓度为21.5％。
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2.5，原料气与循环气的比例为1:2；
合成氨压力10MPa，氨转化率34％；
副产高压过热蒸汽360℃，压力为14MPa；
副产中压过热蒸汽280℃，压力为6MPa；
副产低压过热蒸汽180℃，压力为1MPa；
副产的中高压蒸汽用于驱动过热蒸汽汽轮机，低压蒸汽用于驱动溴化锂制冷机组。
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 (13)

1.一种余热梯级回收的合成氨塔，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)内套装有催化剂床(161)，且所述反应器外筒(12)与所述催化剂床(161)间形成环隙通道Ⅱ(b)，所述环隙通道Ⅱ(b)的一端与所述产物气出气管(14)连通；
所述催化剂床(161)的中部沿其高度方向设置一中心管(15)，所述中心管(15)的一端与所述原料气进入管(11)连通，其另一端封闭且设置于所述催化床(161)内部，沿所述中心管(15)的轴向在其管壁上开设若干气孔；
沿所述中心管(15)外侧的所述催化剂床(161)轴向间隔布置若干穿越所述催化剂床(161)内部的第一换热管束(173)，每个所述第一换热管束(173)的一端分别与具有不同输入水压的水管连通，其另一端与蒸汽管组(18)连通；
原料气由原料气进入管(11)进入所述中心管(15)，并径向进入所述催化剂床(161)反应后，产物通过所述环隙通道Ⅱ(b)，自所述产物气出气管(14)排出；各所述第一换热管束(173)中不同压力的高压水吸收来自催化剂床(161)的反应热发生相变，生成高压蒸汽后，分别自所述蒸汽管组(18)中的各蒸汽管道排出。
2.根据权利要求1所述的余热梯级回收的合成氨塔，其特征在于，所述反应器外筒(12)内还设有一换热腔(110)，所述换热腔(110)与所述环隙通道Ⅱ(b)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)的一端与所述环隙通道Ⅱ(b)连通，其另一端与所述产物气出气管(14)连通。
3.根据权利要求2所述的余热梯级回收的合成氨塔，其特征在于，各所述第一换热管束(173)分别贯穿所述换热腔(110)。
4.根据权利要求2所述的余热梯级回收的合成氨塔，其特征在于，所述反应器外筒(12)内套装有反应器内筒(13)，所述催化剂床(161)套装于所述反应器内筒(13)内部，所述环隙通道Ⅱ(b)设置于所述催化剂床(161)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)间形成环隙通道Ⅰ(a),所述换热腔(110)与所述环隙通道Ⅰ(a)的一端相连通，所述原料气进入管(11)与所述环隙通道Ⅰ(a)的另一端相连通。
5.根据权利要求4所述的余热梯级回收的合成氨塔，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)，其中所述第一换热管束(173)包括第一换热管束Ⅰ(1731)、第一换热管束Ⅱ(1732)和第一换热管束Ⅲ(1733)，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，所述储水罐(172)的出水管路上串联有第一阀门(174)和第二阀门(175)，其中所述第一阀门(174)靠近所述储水罐(172)设置，所述第一换热管束Ⅱ(1732)与所述第一阀门(174)和第二阀门(175)之间的管路连通，所述第一换热管束Ⅲ(1733)与所述第二阀门(175)的出水端连通，所述第一换热管束Ⅰ(1731)直接与所述储水罐(172)连通。
6.根据权利要求5所述的余热梯级回收的合成氨塔，其特征在于，三个所述第一换热管束(173)上远离所述储水罐(172)的一端分别通过三个汽包(19)与所述蒸汽管组(18)中的各蒸汽管道连通，将所述第一换热管束(173)内的蒸汽通过所述汽包(19)分离后分别自所述蒸汽管组(18)中的各蒸汽管道排出。
7.根据权利要求1所述的余热梯级回收的合成氨塔，其特征在于，紧贴所述催化剂床(161)外沿设有触媒框(16)，所述催化剂床(161)套装在所述触媒框(16)中，且在所述触媒框(16)侧壁上沿其轴向开设有若干气孔；通过所述催化剂床(161)的气体通流方向为径向从内向外。
8.根据权利要求7所述的余热梯级回收的合成氨塔，其特征在于，所述催化剂床(161)内盛装的合成氨催化剂为Fe基催化剂、Ni基催化剂、Ru基催化剂中的一种，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。
9.一种可再生能源合成氨系统，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的合成氨塔(1)、电解水装置(2)、氮源提供装置(3)、混合器(4)、氨冷凝器组(5)、气液分离器(6)和贮槽(7)，所述电解水装置(2)的氢气出口和氮源提供装置(3)的氮气出口分别与所述混合器(4)的进气口连通，所述混合器(4)的出气口与所述合成氨塔(1)的原料气进入管(11)连通；原料氢气和氮气经所述混合器(4)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)依次与所述氨冷凝器组(5)、气液分离器(6)连通，所述气液分离器(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)与所述贮槽(7)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经所述氨冷凝器组(5)冷凝液化后，连同未液化的气体一起进入所述气液分离器(6)中，其中液氨通过所述出液口(61)进入到所述贮槽(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)。
10.根据权利要求9所述的可再生能源合成氨系统，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。
11.根据权利要求10所述的可再生能源合成氨系统，其特征在于，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；
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)的氢气出口与所述混合器(4)之间还设有一除氧除水装置(21)，净化自所述电解水装置(2)的氢气出口排出的氢气。
12.根据权利要求9所述的可再生能源合成氨系统，其特征在于，所述氨冷凝器组(5)包括串联设置的水冷却器(51)和氨冷器(52)，所述水冷却器(51)的进口与所述产物气出气管(14)连通，所述氨冷器(52)的出口与所述气液分离器(6)的进口连通。
13.根据权利要求9所述的可再生能源合成氨系统，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℃。
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