CN113993816B - 可再生能量在氨合成中的使用 - Google Patents
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- B01D53/02—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography
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Abstract
提供了一种氨合成设备，所述氨合成设备包括：进料预处理段，其可操作以预处理进料流；合成气生成段，其可操作以重整进料流而产生重整器产物流；变换转化段，其可操作以使重整器产物流进行水煤气变换反应而产生比重整器气体流包含更多氢气的经变换气体流；纯化段，其可操作以从经变换气体流移除至少一种组分并提供氨合成进料流；和/或氨合成段，其可操作以从氨合成进料流产生氨，其中所述氨合成设备被配置为使得相对于常规的氨合成设备而言，本发明的氨合成设备或其一个或多于一个段所需的能量中更多由基于非碳的能源、可再生能源和/或电力提供。
Description
技术领域
本公开涉及可再生能量在氨合成中的使用；更特别地，本公开涉及氨合成设备的电气化；还更特别地，本公开涉及通过减少在氨合成设备中用作燃料的烃(例如，天然气/化石燃料)的燃烧来减少环境排放如二氧化碳。
背景技术
人们利用化学合成设备来提供多种化学品。通常，烧或“燃烧”专用燃料来提供化学合成的反应热、加热一个或多个工艺流的能量、蒸发液体(例如，使用沸水作为稀释剂)的能量、做功(例如，驱动压缩机或泵)的能量或用于整个化学合成设备的其他过程操作的能量。燃料的这种烧或燃烧会导致可能对环境有害的烟气的产生，并且还导致过程的能量效率的损失。同样，常规上人们常利用蒸汽作为化学合成设备内的全厂热量和/或能量传递流体。用于热量和/或能量传递的蒸汽常经由燃料的燃烧产生，从而导致在化学合成过程中产生额外的烟气和进一步的能量效率损失。另外，原本可用作反应物的材料用于作为燃料燃烧的使用也会减少化学合成设备从给定量的材料产生的期望的化学产品的量。因此，需要增强的化学合成系统和方法，由此减少或消除燃烧以提供能量的燃料的量，尤其是化石燃料。理想地，这样的系统和方法还提供化学合成设备的能量效率的提高和/或排放的减少，如温室气体(GHG)排放的减少。
发明内容
本文公开了一种氨合成设备，所述氨合成设备包括：进料预处理段，其可操作以预处理包含天然气、甲烷、丙烷、丁烷、LPG、石脑油、煤、石油焦或其组合的进料流；合成气生成段，其包括一个或多于一个重整器，所述重整器可操作以重整进料流而产生包含一氧化碳和氢气的重整器产物流；变换转化段，其包括一个或多于一个变换反应器，所述变换反应器可操作以使重整器产物流进行水煤气变换反应而产生比重整器气体流包含更多氢气的经变换气体流；纯化段，其可操作以从经变换气体流移除至少一种组分并提供包含氢气和氮气的氨合成进料流；和/或氨合成段，其包括一个或多于一个氨合成反应器，所述氨合成反应器可操作以从氨合成进料流产生氨，其中所述氨合成设备被配置为使得相对于常规的氨合成设备而言，本发明的氨合成设备、进料预处理段、合成气生成段、变换转化段、纯化段、氨合成段或其组合所需的能量更多由基于非碳的能源、可再生能源和/或电力提供。
本文还公开了一种氨合成设备，所述氨合成设备包括：进料预处理段，其可操作以预处理包含含碳材料如天然气、甲烷、丙烷、丁烷、LPG、石脑油、煤和/或石油焦的进料流；合成气生成段，其包括一个或多于一个重整器，所述重整器可操作以重整经预处理的进料流而产生包含一氧化碳和氢气的重整器气体流；变换转化段，其包括至少一个变换反应器，所述变换反应器可操作以使重整器气体流进行水煤气变换反应而产生比重整器气体流包含更多氢气的经变换气体流；纯化段，其可操作以从经变换气体流移除至少一种组分并提供包含氢气和氮气的氨合成进料流；和/或氨合成段，其包括至少一个氨合成反应器，所述氨合成反应器可操作以从氨合成进料流产生氨，其中所述氨合成设备被配置为使得进料预处理段、合成气生成段、变换转化段、纯化段、氨合成段或其组合所需的净外部能量中的大部分由电力提供。
本文还公开了一种氨合成设备，所述氨合成设备包括：进料预处理段，其可操作以预处理进料流；合成气生成段，其包括一个或多于一个重整器，所述重整器可操作以重整甲烷而产生包含一氧化碳和氢气的重整器气体流；变换转化段，其包括一个或多于一个变换反应器，所述变换反应器可操作以使重整器气体流进行水煤气变换反应而产生比重整器气体流包含更多氢气的经变换气体流；可操作以从经变换气体流移除至少一种组分并提供包含氢气和氮气的氨合成进料流的段；和/或氨合成段，其包括一个或多于一个氨合成反应器，所述氨合成反应器可操作以从氨合成进料流产生氨，其中所述氨合成设备被配置为使得不利用蒸汽做机械功。
另外，本文公开了一种氨合成设备，所述氨合成设备包括：进料预处理段，其可操作以预处理进料流；合成气生成段，其包括一个或多于一个重整器，所述重整器可操作以重整甲烷而产生包含一氧化碳和氢气的重整器气体流；变换转化段，其包括一个或多于一个变换反应器，所述变换反应器可操作以使重整器气体流进行水煤气变换反应而产生比重整器气体流包含更多氢气的经变换气体流；可操作以从经变换气体流移除至少一种组分并提供包含氢气和氮气的氨合成进料流的段；和/或氨合成段，其包括一个或多于一个氨合成反应器，所述氨合成反应器可操作以从氨合成进料流产生氨，其中所述氨合成设备被配置为使得不产生烟气。
本文还公开了一种氨合成设备，所述氨合成设备包括：进料预处理段，其可操作以预处理进料流；合成气生成段，其包括一个或多于一个重整器，所述重整器可操作以重整甲烷而产生包含一氧化碳和氢气的重整器气体流；变换转化段，其包括一个或多于一个变换反应器，所述变换反应器可操作以使重整器气体流进行水煤气变换反应而产生比重整器气体流包含更多氢气的经变换气体流；纯化段，其可操作以从经变换气体流移除至少一种组分并提供包含氢气和氮气的氨合成进料流；和/或氨合成段，其包括一个或多于一个氨合成反应器，所述氨合成反应器可操作以从氨合成进料流产生氨，其中所述氨合成设备被配置为除了任选地在合成气生成段的自热重整器(ATR)内以外无燃烧。
另外，本文公开了一种氨合成设备，所述氨合成设备包括可操作以提供氢气的以电的方式加热的蒸汽重整器和可操作以提供用于氨合成的氮气的以电的方式提供动力的空气分离单元(ASU)。
本文还公开了一种氨合成设备，所述氨合成设备包括：纯化段，其可操作以接收氢气流和氮气流，其中所述氮气流任选地来自与氢气流的来源不同的来源，任选地从氢气流和/或氮气流移除至少一种组分，并提供包含氢气和氮气的氨合成进料流；和氨合成段，其包括一个或多于一个氨合成反应器，所述氨合成反应器可操作以从氨合成进料流产生氨，其中所述氨合成设备被配置为使得用于纯化段、氨合成段或整个氨合成设备内的压缩和加热而供给的净外部能量中的大部分由基于非碳的能源、可再生能源、电力和/或可再生电力供给。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优点，现在参考结合附图和详细描述的以下简要描述，其中相同的附图标记代表相同的部件。
图1示出了典型的现有技术化学过程的概念图；
图2示出了根据本公开的实施方案的由可再生能量提供动力的化学过程的概念图；
图3示出了根据本公开的实施方案的一种一般性氨合成设备或过程I的方框流程图；
图4示出了根据本公开的实施方案的一种示例性氨合成设备或过程II的方框流程图；
图5示出了在本公开的对比例1中讨论的常规氨合成设备或过程III的方框流程图；
图6示出了根据本公开的实施例1的实施方案的一种包括电压缩机的示例性部分电气化氨合成设备或过程IV的方框流程图；
图7示出了根据本公开的实施例2的实施方案的一种包括电压缩机和电炉的示例性部分电气化氨合成设备或过程V的方框流程图；
图8示出了根据本公开的实施例3的实施方案的一种包括电压缩机和电重沸器的示例性部分电气化氨合成设备或过程VI的方框流程图；
图9示出了根据本公开的实施例4的实施方案的一种包括电压缩机、电重整器和电重沸器的近完全电气化氨合成设备或过程VII的方框流程图；
图10示出了在本公开的对比例2中讨论的常规氨合成设备或过程VIII的方框流程图；
图11示出了根据本公开的实施例5的实施方案的一种包括电压缩机的示例性部分电气化氨合成设备或过程IX的方框流程图；
图12示出了根据本公开的实施例6的实施方案的一种包括电压缩机和电重整器的示例性部分电气化氨合成设备或过程X的方框流程图；
图13示出了根据本公开的实施例7的实施方案的一种包括电压缩机和电重沸器的示例性部分电气化氨合成设备或过程XI的方框流程图；
图14示出了根据本公开的实施例8的实施方案的一种包括电压缩机、电重整器和电重沸器的近完全电气化氨合成设备或过程XII的方框流程图。
具体实施方式
一开始就应理解，尽管下文提供了一个或多个实施方案的示意性实施，但可使用任何数目的技术来实施所公开的组合物、方法和/或产品，无论是当前已知的还是尚不存在的。本公开不应以任何方式限制于下文示意的示意性实施方式、附图和技术，包括本文示意和描述的示例性设计和实施方式，而是可在附随的权利要求书以及其全部范围的等同物的范围内修改。
虽然据信本领域普通技术人员将很好地理解以下术语，但阐述以下定义以便于对目前公开的主题的解释。除非另有定义，否则本文使用的所有技术和科学术语都具有与目前公开的主题所属领域普通技术人员通常所理解的相同的含义。
如本文所用，“间歇性能源”或“IES”为由于所用能量不能储存或经济上不可取而不可连续用于转化为电力且无法直接控制的任何能源。间歇性能源的可用性可能是可预测的或不可预测的。可再生间歇性能源是一种间歇性能源，也是一种可再生能源，如下文所定义。“间歇性电力”是指由IES产生的电力。
如本文所用，“可再生能量”和“基于非化石的能量(ENF)”包括源自被自然、持续的过程迅速替代的可持续能源的能量和核能。因此，术语“可再生能量”和“基于非化石的能量(ENF)”是指源自基于非化石燃料的能源的能量(例如，不是经由化石燃料如煤或天然气的燃烧所产生的能量)，而“不可再生”或“基于化石的能量(EF)”为源自基于化石燃料的能源的能量(例如，经由化石燃料的燃烧所产生的能量)。化石燃料为地质历史中由生物有机体的遗骸形成的天然燃料，如煤或天然气。相应地，如本文所用，“可再生”和“基于非化石的能量(ENF)”包括但不限于风、太阳能、水流/运动、或生物质，它们在使用时不会被耗尽，与来自来源如化石燃料的“不可再生”能量相反，后者在使用时会被耗尽。可再生能量因此不包括基于化石燃料的能量(EF)但包括生物燃料。
如本文所用，“基于非碳的能量(ENC)”为来自基于非碳的能源的能量(例如，不是经由基于碳的燃料如烃的燃烧所产生的能量)，而基于碳的能量(EC)为来自基于碳的能源的能量(例如，经由基于碳的燃料如烃的燃烧所产生的能量)。核能在本文中被认为是可再生的、基于非化石(ENF)的能量和基于非碳的能量(ENC)。因此，基于碳的能量(EC)可以是可再生的(例如，基于非化石燃料的)或不可再生的(例如，基于化石燃料的)。例如，各种基于碳的生物燃料在本文中被认为是可再生的、基于碳的能源。
如本文所用，“可再生电力”表示由可再生能源产生的电力，而“不可再生电力”为由不可再生能源产生的电力。如本文所用，“基于非碳的电力”表示由基于非碳的能源产生的电力，而“基于碳的电力”为由基于碳的能源产生的电力。
例如，在实施方案中，整个本文公开的氨合成设备的可再生电力和/或热量可通过来自可再生(例如，生物)来源的可再生烃的燃烧来提供。例如，在实施方案中，可再生电力可经由ENF/EC能源的燃烧产生，所述能源包括在进给农业废物的消化器中产生的甲烷。同样，在实施方案中，可采用包含使用短循环碳废料产生的合成气的ENF/EC能源作为燃料(例如，燃烧以产生可再生电力和/或热量)。理想地，由这样的燃烧生成的二氧化碳被重新捕获(例如，通过新作物的生长)。
如本文所用，“外部”燃烧燃料是指在反应器的外部例如在炉中燃烧燃料。作为主要反应的一部分的燃烧(例如，在自热重整(ATR)中随重整发生的燃烧)不被认为是“外部”燃烧。如本文所用，“专用”燃料为仅为提供燃料值(例如，燃烧热)且不转化至产物中而引入的燃料或进料流的一部分。
如本文所用，“传热蒸汽(SHT)”表示仅或主要作为能量或传热介质而产生的蒸汽(例如，不用作稀释剂和/或反应物的蒸汽)。
如本文所用，“净”热输入或移除是指导致主要能量消耗的热输入或移除，例如，不是由装置的另一段或流提供的热输入或移除，例如，不是经由与另一工艺流的热交换提供。类似地，“净”能量是指导致主要能量消耗的能量，例如，不是由装置的另一段或流提供的能量，例如，不是经由与另一工艺流的热交换提供的热能。
如本文所用，“提供动力”表示供给机械能和/或电能。
如本文所用，“加热”表示供给热能。如本文所用，“冷却”表示自其移除热能。如本文所用，“直接”加热或冷却是指在不使用传热介质/流体的情况下的加热或冷却；“间接”加热或冷却是指经由传热介质/流体的加热或冷却。
如本文所用，“大多数”或“大部分”表示超过50％或超过一半。
如本文所用，“期望的”参数(例如，期望的温度)可指参数的预期或目标值，例如预定值，如用于过程控制的设定点值。
消耗的电量：对电力消耗的提及可指使用电力的功率(例如，以MW为单位)，如在特定位置所测得。例如，可在每个电气化炉的边界处或在整个烯烃合成设备边界处计算功率。此计算可考虑该位置内使用的所有电力。
烟气：可能由在发电站和/或工业装置中烧燃料或其他材料而产生的气体混合物，其中该气体混合物可经由管道提取。
烟气热回收：烟气热回收可指从热烟气提取有用的热能，例如通过使所述热烟气经过一个或多于一个热交换器上方以提高较冷的工艺流体的温度和/或改变所述流体的相(例如，使水沸腾以产生蒸汽)。在任何烟气热回收之后留在烟气中的任何能量都可称为烟气(能量)损失。烟气热回收段可以是用于回收烟气热量的设备和所述设备的相应位置。没有烟气热回收段可能意味着没有从热烟气回收热量的设备或区域。
对流段：对流段可以是炉子(例如，蒸汽裂化炉或重整炉)的一部分，其中通过对流传热从热烟气回收热量。没有对流段可能意味着没有通过对流传热从热烟气回收热量的设备或区域。
“无蒸汽”或“基本上无蒸汽”：“无蒸汽”可指其中不使用蒸汽来从一个过程操作向另一个过程操作传递能量或者来从外部向过程中带入能量的过程。“基本上无蒸汽”可指为从一个过程操作向另一个过程操作传递能量或者为从外部向过程中带入能量的蒸汽使用已被最小化使得使用蒸汽的所有能量传递之和共计小于所提供的净能量的大约10％、大约20％、或大约30％。用作反应物、稀释剂、作为产物获得或直接与工艺流混合的蒸汽可被称为“工艺蒸汽”并且不包括在该定义中。
主要能量传递介质：主要能量传递介质可以是用于以热能形式从一个过程操作向另一个过程操作移动能量或者向过程中带入能量的物质。应指出，一种物质在一个过程中可能出于不止一个目的而使用，如充当反应物或反应稀释剂，同时还充当介质以从一个过程操作向另一个过程操作传热。在这样的情况下，蒸汽作为反应物或稀释剂的用途可被认为是主要的，而且传热的效果可被认为是次要的。
电阻加热：电阻加热可以是借助于使电流通过电阻单元来加热。
感应加热：感应加热可以是通过电磁感应加热导电物体(通常是金属)的过程。
辐射加热：辐射加热可以是经由来自一个或多于一个较热物体的辐射加热物体的过程。
外部燃烧：外部燃烧可指烧燃料以生成热量并将该热量跨表面(例如，管壁)传递给工艺流体使得燃烧产物不与工艺流体混合。
热电设备：热电设备可以是用于将温度差直接转化成热电偶两端的电压(或反过来)的设备。
等温操作：等温操作可以是在恒定温度下的操作。等温操作可将温度保持在预定操作温度的0.5％、1％、2％、3％、4％、5％至10％以内。
对流传热：对流传热可以是通过一种或多于一种流体的移动使热量从一个地方移动到另一个地方。
虽然上述定义中的大部分基本上为如本领域技术人员所理解，但由于本文对当前公开的主题的具体描述，上述定义中的一个或多个可在上文以不同于如本领域技术人员通常所理解的含义的方式定义。
图1示出了典型的传统化学过程的概念图。此过程的目的在于将进料A转化为产物B，但通常也会产生一些副产物(表示为流C)。
用于实现这种转换的单元操作需要大量的能量。常规地，该能量主要通过烧燃料(通常为天然气)来生成热量而供给，在图1中表示为ΔHc(例如，燃烧热)。这会导致不期望的二氧化碳(CO2)产生和排放。如果反应是放热的，则可由反应热ΔHr供给额外的能量；如果反应是吸热的，则需要添加等于ΔHr的额外量的能量。如果是烧某些副产物来产生能量，表示为ΔHbp，则总能量平衡也可能受影响。然而，许多化学过程，即使是涉及放热反应的那些，都是净能量消耗者并因此需要外部能源(通常由一种或多于一种烃燃料提供)来提供净过程能量。
在大多数化学生产过程中，电力通常只是很小的外部输入。内部电气需要，如用于照明或控制的，通常小到可忽略不计，而在需要大量电力的那些少数过程中，例如电化学反应器(例如，制备氯气(Cl2)和氢氧化钠(NaOH)的氯碱过程)，这种电力通常在设施边界内通过烃的燃烧生成，并且即使不在设施边界内生成时，如果电力是通过烃的燃烧而非可再生地获得的，则这样的电力使用在能量效率和CO2排放方面与经由烃燃烧来现场产生电力是相当的。
在大多数化学生产过程中，能量消耗可方便地分为三大类。在第一个这样的大类中，本文称为第一类C1，热量通过燃料(例如，天然气/化石燃料)在炉中的燃烧以热能直接供给。(如这里所用，“直接”表示不存在中间传热介质，如蒸汽。)这些炉子通常在高温下运行并且需要大的热通量。这样的炉子的能量效率受到炉烟气中的热损失的限制。即使通过冷却烟气来回收能量(例如，以生成蒸汽或提供工艺加热)从而将这些热损失降至最低，燃料中所含化学能向可用热能的转化率通常也不超过85％至90％，即便有大量投资并损失了设计和操作灵活性时也是如此。
化学过程中能量消耗的第二个大类，本文称为第二类C2，包括加热各种化学品流，主要是为了将其温度升高至所需的反应温度或为分离(最通常为蒸馏)提供能量。尽管该热量中的一些可通过与其他化学品流交换来获得，但其最通常是由烃燃料(例如，天然气/化石燃料)的燃烧所直接生成的蒸汽或由来自高温炉的烟气的传热来提供(例如，来自类C1)。大多数现代化学过程包括相对复杂的蒸汽系统(或其他传热流体系统，为了简单起见，本文将其统称为蒸汽传热系统)以将能量从过剩的地方移动到需要的地方。该蒸汽系统可能包括多个压力水平的蒸汽(以在不同的温度下提供热量)以及蒸汽和冷凝物回收系统，并易于遭受腐蚀、结垢和其他操作困难，包括水处理和受污染的冷凝物的处置。由于传热、蒸汽冷凝和锅炉水循环的实际限制，蒸汽所含能量中可用于加热工艺流的比例通常限制在90％至95％。如果蒸汽是由专用的外部锅炉生成的，则燃料所含化学能中顶多80％至85％会被化学过程用作热量，因为另外的10％至15％或更多将损失到烟气，如在第一类C1中。
化学过程中能量使用的第三个大类，本文称为第三类C3，是用以做机械功的能量。此功主要用于加压和将流体从一个地方移动到另一个地方，并用于驱动旋转设备如泵、压缩机和风扇。此第三类C3还包括制冷设备，因为它主要由压缩提供动力。在大多数化学设施中，用于此功的能量由蒸汽提供，所述蒸汽通过与热工艺流的热传递或通过与来自类别C1的炉(例如，对流段中)的部分冷却烟气流的热传递而获得，或直接来自专用的外部锅炉中烃(例如，天然气/化石燃料)的燃烧。由于热能向机械功的转化的限制，故这些用途的能量效率相对于用作燃料的烃所含的化学能来说是很低的，通常只有25％至40％。
已出乎意料地发现，在化学过程中使用电力(例如，可再生和/或不可再生电力)替代从烃燃料获得的能量可通过提高整体能量效率而改善该过程，同时减少二氧化碳排放。在一些情况下，在化学过程中使用电力(例如，可再生和/或不可再生电力)替代从烃燃料获得的能量还可改善可靠性和可操作性，减少例如NOx、SOx、CO和/或挥发性有机化合物的排放，和/或降低生产成本(例如，如果有低成本电力可用的话)。
根据本公开的实施方案，通常通过燃料(例如，天然气/化石燃料)在炉中的燃烧和/或第一类C1中的其他加热而作为热能供给的热量被电加热所替代。电热、电加热、以电的方式生热、电加热器装置等是指电力向可用以应用于流体的热能的转化。这样的电加热包括但不限于：通过阻抗加热(例如，当电流流过携带待加热流体的导管时)，经由欧姆加热、等离子体、电弧、射频(RF)、红外(IR)、UV和/或微波的加热，通过经过电阻加热元件上方来加热，通过来自以电的方式加热的元件的辐射来加热，通过感应(例如，振荡磁场)加热，通过电力驱动的机械手段(例如，压缩)加热，经由热泵加热，通过使相对热的惰性气体或另一介质经过含待加热的流体的管上方来加热，其中所述热的惰性气体或另一介质以电的方式加热，或者通过这些的某种组合等来加热。
根据本公开的实施方案，如在第二类C2中对蒸汽(或另一传热流体)的利用被消除和/或仅用作中间传热介质的任何蒸汽(或其他流体)以电的方式产生或加热(例如，经由水的电加热)。
根据本公开的实施方案，在第三类C3中采用的常规旋转设备(例如，蒸汽涡轮机)被电驱动装置所替代。根据本公开的实施方案，第三类C3中的热移除被以电的方式提供动力的热移除所替代，例如冷却和/或制冷。电冷却、电冷却器、以电的方式移除热、电冷却或制冷装置等是指从流体移除热能。这样的电冷却包括但不限于通过以电的方式提供动力的装置进行的冷却。例如但不限于，电冷却可通过用电力为制冷循环提供动力来提供，其中制冷剂由以电的方式提供动力的压缩机压缩。作为另一个实例，电冷却可通过对鼓风的冷却风扇提供动力来提供，其中空气冷却工艺流体或元件。在实施方案中，电加热和冷却可由任何电源实现。
图2为根据本公开的实施方案的由可再生能量提供动力的化学过程的示意图。如图2中所示，在实施方案中，由可再生能量驱动的过程可能看起来与常规化学过程相似。然而，由燃料供给的能量输入中的一部分、大部分或在一些情况下基本上全部可被可再生能量和/或可再生电力替代。在实施方案中，这样的燃料输入被基于非碳的能量、可再生能量和/或可再生电力的替代将允许CO2排放的显著减少。在实施方案中，可采用任何可用形式的可再生能量。然而，如果采用可再生电力，则收益可能最大。可再生能量可从例如但不限于太阳能、风能或水力发电获得。根据本公开的实施方案，其他类型的可再生能量也可应用于化设备。例如，在实施方案中，可使用聚光太阳能、地热能和/或直接太阳能加热的使用来提供热能并减少CO2排放。
经由(例如，可再生)电力供给所需能量的主要优势之一在于过程的能量效率将提高。表1示出了单元操作的能量效率，例示了化工设施中如上以C1、C2和C3描述的三种能量使用类别。从表1可见，当使用电能时，三类能量消耗中的每一种的效率都更高。根据本公开的实施方案，当用于旋转设备的蒸汽驱动器被电动机替代时(如在上文讨论的第三类C3中)，收益可最大，电动机运行的能量效率可高达蒸汽驱动器的能量效率的三倍。只有当电力源自基于非碳的可再生来源时才能实现这些收益，因为从基于碳的燃料燃烧来生成电力的能量效率只有30％至45％。在将可再生电力用于加热应用时(如在上文讨论的第一类C1和第二类C2中)，能量效率收益将较小，但仍然显著。最终结果是，如果使用可再生能量代替基于碳的燃料(例如，天然气或其他烃)，则将使用更少的总能量。
根据本公开，可采用基于非碳的能量、可再生能量和/或电力(例如，来自可再生和/或不可再生来源)而不是上文描述的类别C1、C2和/或C3中的常规能源。在实施方案中，对大部分或基本上全部公用设施采用了电气化。在实施方案中，对大部分或基本上全部单元操作采用了电气化。在实施方案中，对大部分或基本上全部公用设施和单元操作采用了电气化。在实施方案中，对大部分或基本上全部过程应用、发动机、冷却和/或加热(例如，电驱动的热泵、制冷、电加热)、辐射、存储系统或其组合采用了电气化。
在实施方案中，基于非碳的能源和/或可再生能源包括风能、太阳能、地热能、水电能、核能、潮汐能、波浪能、海洋热梯度能、压力延滞渗透或其组合。在实施方案中，基于非碳的能源包括氢。在实施方案中，如本文所述的用于电气化的电力由这类可再生和/或基于非碳的能源产生。在实施方案中，一些或全部电力来自不可再生和/或基于碳的来源，例如但不限于烃(例如，可再生或不可再生的烃)、煤或源自烃(例如，可再生或不可再生的烃)的氢的燃烧。
大多数化工设施排放的大部分CO2是燃烧化石燃料以为设备提供能量的结果。根据本公开的实施方案，在化学合成中使用可再生能量的另一个好处在于，相对于其中可燃烧烃和/或一种或多于一种化石燃料的等效常规化学合成设备或方法而言，排放的温室气体的量将显著减少(例如，减少大于或等于至少5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或100％)。烧烃(例如，天然气、甲烷)来生成能量会导致二氧化碳(CO2)的产生；根据本公开的实施方案，可通过使用可再生能量来减少或避免这种产生。在本公开的实施方案中，每生产一吨产品所产生的CO2的量被减少至小于或等于约1.6、1.5、1.4、1.3、1.2、1.1、1.0、0.75、0.50、0.30、0.25、0.20、0.10、0.05或0吨CO2每吨化学产品(例如，氨)。此外，在本公开的实施方案中，可再生能量的使用释放了这些通常被作为燃料燃烧的烃(例如，天然气、甲烷)以用作化学原料(例如，来制氨)，这是更高价值的用途。
在化学品的生产中使用可再生电力也可带来操作优势。例如，在实施方案中，可采用电能来提供更准确和可调的热量输入，例如以控制沿反应器的温度分布或改变蒸馏塔中特定塔板的温度。在实施方案中，在反应段中(例如，在热解反应段中)使用电加热会带来更好控制的除焦和/或更快的除焦。非限制性地，其他实例包括使用以电的方式提供动力的制冷单元来提高分离的效率，和用速动的按需电加热器和蒸汽发生器替代低效的备用燃气锅炉以及针对其他公用设施用途。电力的使用还可在启动或关闭期间或响应过程变异性时取得显著的操作优势。一般而言，电力作为能源可应用于特定的位置并可以精确且可调的量应用，对过程变化响应迅速，从而与使用热能/燃烧能相比具有多种优势。
根据本公开的实施方案使用可再生电力还可提高向不止一个化工设备(例如，氨合成设备和附近的甲醇合成设备或氨合成设备和附近的烯烃合成设备)供给能量的公用设施的能量效率。例如，如果向若干不同的生产设施提供氧气和氮气的空气分离单元中的压缩机用可再生电力提供动力，则相对于用天然气燃烧产生的蒸汽来供给这种电力而言，可取得显著的能量收益。
在实施方案中，可经由高温热泵或蒸气再压缩来提供能量回收。设备可还包括热量和/或能量储存器，例如，以在采用间歇性能源(IES)时使用。在实施方案中，废热可经由电驱动的热泵升级到可用温度水平。在其他实施方案中，当通过使用发电涡轮机而不是控制阀来降低工艺流压力时，能量可作为电力回收。在其他实施方案中，能量可使用热电设备作为电力回收。
根据本公开的实施方案，使用可再生电力代替天然气或其他烃作为能源可作为现有化学过程(例如，现有氨合成设备)的改造的一部分或作为新化工设施(例如，新的氨合成设备)设计的有机组成部分进行。在改造中，使用可再生能量的机会可取决于现有设计的元素，如蒸汽系统；在改造中，需要仔细检查整个能量平衡和蒸汽系统，因为在不考虑这些因素的情况下电气化单件设备可能会导致能量效率低下。在实施方案中，如表1中所见，通过用电动机替代旋转设备的蒸汽驱动器(例如，在第三类C3中)来实现最高效率收益。然而，不同的目标可能导致部分电气化中的不同选择；在实施方案中，在一些情况下，以能量效率的较小增加为代价的较大CO2减少有时可通过首先替换掉烃炉(例如，在第一类C1中)来实现。在实施方案中，如果热能和/或蒸汽是从不止一种烃源获得的，则可通过首先消除最昂贵和/或污染最严重的燃料源来实现最有利的操作。可引入多少可再生能量以及现有燃料消耗以及二氧化碳(CO2)排放可减少到什么程度可随应用而异，并且在阅读本公开后将在本领域技术人员的技能范围内。
在实施方案中，在基层化学设施(例如，基层氨合成设备)的设计中规划可再生能量的使用可为更好的能量效率和更低的CO2排放提供更大的机会。在实施方案中，利用用电力为所有旋转设备(例如，在第三类C3中)提供动力来实现能量效率的高收益。在实施方案中，采用基本上全部(或大部分或大于40％、50％、60％、70％、80％或90％)电加热(例如，在第一类C1和/或第二类C2中)，并且归因于烟气中的热损失的低效率将被大大减轻或甚至避免。在实施方案中，可将经由化石燃料的燃烧生成的蒸汽的使用(例如，在第二类C2中)最小化或完全避免。在实施方案中，利用催化剂的改变和/或反应器运行条件的修改来允许反应器中较少的热生成和/或产生较少的燃烧副产物。在实施方案中，基于可再生电力的使用的设备(例如，氨合成设备)的设计允许分离操作的增强优化，因为压缩和制冷的相对成本经由根据本公开的可再生电力的利用而改变。在实施方案中，这样的增强分离还允许从排放流进一步捕获次要副产物，从而释放这些次要产品以进一步用作原料或产品。此外，根据本公开的实施方案，低成本电力的使用可允许引入新技术，例如但不限于混合气体和电加热器、变速压缩机驱动器、分布式制冷、热泵、改进的蒸馏塔、流体的被动式太阳能加热、反应器温度分布的精确控制、新型结构材料以及使用电制冷稀释剂进行淬火或冷却。如果电力的成本足够低，则如本文所教导的那样利用这类电力可能有利于引入新的电化学过程。对于新建工程，例如由于缺乏(例如，全设施)蒸汽分配系统，故以电的方式驱动过程的资本集约化可能较低。
根据本公开的实施方案，基于非碳的能量、可再生能量和/或电力(可再生、不可再生、基于碳的和/或基于非碳的电力)可用于几乎所有化学品的生产中，包括但不限于甲醇、氨、烯烃(例如，乙烯、丙烯)、芳烃、二醇和聚合物。在实施方案中，基于非碳的能量、可再生能量和/或电力也可用于化学品原料的制备中和用于燃料生产，如在甲基叔丁基醚(MTBE)合成、裂化、异构化和重整中。在这样的实施方案中，整个设备/工艺或其段的加热中的一些(例如，至少约10％、20％、30％、40％或50％)、大部分(例如，至少约50％、60％、70％、80％、90％或95％)或全部(例如，约100％)可由电加热提供，和/或整个设备/工艺或其段的冷却中的一些(例如，至少约10％、20％、30％、40％或50％)、大部分(例如，至少约50％、60％、70％、80％、90％或95％)或全部(例如，约100％)可由如上文所述的电冷却提供。下文公开了可再生能量、基于非碳的能量和/或电力在氨合成应用中的使用。
于2019年1月15日提交的标题为“Use of Renewable Energy in OlefinSynthesis”的美国临时专利申请号62/792612和62/792615、标题为“Use of RenewableEnergy in Ammonia Synthesis”的美国临时专利申请号62/792617和62/792619、标题为“Use of Renewable Energy in Methanol Synthesis”的美国临时专利申请号62/792622和62/792627及标题为“Use of Renewable Energy in the Production of Chemicals”的美国临时专利申请号62/792631、62/792632、62/792633、62/792634和62/792635出于与本公开不相悖的目的在此并入本文。
本公开描述了一种用于生产氨的氨合成设备，其被配置为使得氨合成设备的一个或多于一个段、单元、类似单元的组或单元操作所需的净能量中的大部分由来自基于非碳的能源的基于非碳的能量(ENC)(例如，不是经由基于碳的燃料如烃的燃烧产生的)、由可再生能量(例如，来自非化石燃料衍生能量(ENF))和/或由电力提供。在实施方案中，ENC或ENF源可包括电力，主要包括电力，基本上由电力组成，或由电力组成。在实施方案中，ENC或ENF源可包括可再生电力，主要包括可再生电力，基本上由可再生电力组成，或由可再生电力组成。在实施方案中，整个氨合成设备、设备的段(例如，进料预处理段、合成气生成段(通常已知且在本文中有时也称为重整段)、变换转化段、氢气和氮气纯化段(在本文中有时简称为“氢气纯化段”或简称为“纯化段”)和/或氨合成和/或分离段(有时简称为“氨合成段”))、单元或类似单元的组(例如，压缩机、动力提供单元、重沸器、加热单元、冷却单元、制冷机、分离器、蒸馏/分馏塔、重整器、变换反应器)或设备的单元操作(例如，压缩、提供动力、反应(例如，重整)、分离、加热、冷却)，或其组合所需的净能量中的一部分(例如，大于或等于约5％、10％、20％、30％、40％、50％)、大部分(例如，大于或等于约50％、60％、70％、80％、90％或95％)或全部(例如，约100％)由电力、可再生能量(例如，非化石燃料衍生能量(ENF))和/或基于非碳的能量(ENC)提供。在实施方案中，电力由可再生能源提供，例如但不限于风能(例如，经由风力涡轮机)、太阳能(例如，光伏(PV)面板或太阳能热)、水电能、波浪能、地热能、核能、潮汐能、生物质燃烧与替代作物中相关的CO2捕获或其组合。在实施方案中，整个氨合成设备、设备的段(例如，进料预处理段、合成气生成段、变换转化段、氢气和氮气纯化段和/或氨合成段和/或氨分离段)、单元或类似单元的组(例如，压缩机、动力提供单元、加热单元、重沸器、冷却单元、制冷机、分离器、蒸馏/分馏塔、反应器、变换反应器)或氨合成设备的单元操作(例如，压缩、提供动力、反应、分离、加热、冷却)，或其组合所需的，并且常规地在相似的氨合成设备中经由燃料、基于碳的燃料和/或化石燃料的燃烧和/或使用蒸汽(例如，本身经由这样的燃料的燃烧而生成)作为中间热量(和/或能量)传递流体来提供的电力、可再生能量(例如，非化石燃料衍生能量(ENF))或基于非碳的能量(ENC)中的一部分(例如，大于或等于约5、10、20、30、40、50)、大部分(例如，大于或等于约50％、60％、70％、80％、90％或95％)或全部(例如，约100％)在不燃烧燃料、基于碳的燃料和/或化石燃料的情况下和/或在不使用由这类燃料的燃烧生成的蒸汽作为中间热量(和/或能量)传递流体的情况下提供。在实施方案中，用于整个设备或设备的一个或多于一个段、单元或类似单元的组的净能量由来自可再生能源的电力提供。例如，在实施方案中，加热经由电阻加热或以其他方式将电能转化成热能和/或机械能而以电的方式提供。
在实施方案中，本公开的氨合成设备被配置为使得如下文所述经由进料预处理系统、一个或多于一个合成气生成器(例如，蒸汽重整器)、变换系统、氢气纯化系统、氨合成系统或其组合利用以提供动力、加热、冷却、压缩或其组合所需的净能量中的大部分(例如，大于50％、60％、70％、80％或90％)由电力提供。
在实施方案中，根据本公开的实施方案的氨合成设备为氨生产能力大于或等于约100000吨每年、500000吨每年或2500000吨每年的大型设备。在本公开中预期的较大规模下，由基于非碳的能源、可再生能源和/或电力提供的能量的量将相应地大。在实施方案中，根据本公开的方法部分或完全电气化的设备将消耗至少25、50、100、150、200、300、400或500MW的电力。
虽然将利用氨合成设备的具体实施方案来描述如本文所公开的氨合成设备的电气化，但应理解，单元的众多布置和多种氨合成技术可根据本公开电气化，在阅读本文的描述后这对于本领域技术人员将是显而易见的。
参考图3，该图为一般性氨合成设备I的方框流程图，氨合成设备可认为包括用于将包含含碳材料(例如，天然气、石脑油或煤)的进料流5和任选地包含含氮材料(通常为空气)的6转化为氨产物流55(和任选地一个或多于一个副产物流41)的以下工艺段中的一个或多于一个：进料预处理段10、重整或合成气生成段20、变换转化段30、氢气纯化段40、氨合成段50或其组合。这样的段将在接下来的几段中简要描述，并将在下文中更详细地描述。
如图3的氨合成方框流程图中所示，氨合成设备的进料预处理段10可操作以制备(例如，自进料移除不期望的组分(例如，硫)、调节进料的温度和/或压力)用于合成气生成的含碳进料5(最常见的是天然气)，从而提供经预处理的进料15。在应用中，本公开的氨合成设备不包括进料预处理段。由蒸汽重整段20组成的合成气生成段可操作以通过进料(例如，进料5或经预处理的进料15)的蒸汽重整进行合成气生成以产生包含一氧化碳(CO)和氢气(H2)的合成气25。在实施方案中，可将空气6引入到合成气生成段20的自热重整器中。该空气中氧气的燃烧提供加热这些反应器和供给反应热所需的一些能量；空气中的氮气完成转化为氨的过程。变换转化或“变换”段30可操作以使合成气25经由方程式(1)的水煤气变换(WGS)反应进行水煤气变换以提供额外的氢气：
H2O+CO→H2+CO2, (1)
并提供经变换的重整器产物35。氢气和氮气纯化段40可操作以产生包含经纯化的氢气和氮气的氨合成进料流(本文也称为经纯化的重整器产物)45。氨合成段50可操作以从氨合成进料45产生氨并因此提供氨产物55。在实施方案中，在向氨合成段50/150中引入氨合成进料之前即刻引入基本上纯净的氮气。应理解，在这样的实施方案中，在氢气和氮气纯化段40/140中纯化的气体不包含氮气。
如上所述和图3中所描绘，去往氨合成设备或其一个或多于一个段或单元组或单元操作的、或者在氨合成设备或其一个或多于一个段或单元组或单元操作之内的能量(E)输入(其可常规地经由来自基于碳的能源的基于碳的能量(EC)2A、来自基于化石燃料的能源的化石燃料衍生能量(EF)3A或经由单独或主要地使用蒸汽(例如，为此目的使用源自基于碳或化石燃料的能源的能量生成的蒸汽)作为热量或能量传递介质(SHT)1来提供)可部分或完全被来自基于非碳的能源的基于非碳的能量(ENC)2B、来自可再生能源的可再生/基于非化石的能量(ENF)3B的能量和/或电力(例如，电力和/或可再生电力)所替代。基于碳的能量(EC)2A、化石燃料衍生能量(EF)3A或两者均可部分或完全被电力替代。在实施方案中，电力可源自基于非碳的燃料、可再生燃料、可再生能源或其组合。经由本文公开的系统和方法获得的益处可以是来自氨合成设备或过程的温室气体(GHG)排放4的减少。在实施方案中，能量效率因烟气的消除而提高，因为消除了含在烟气中的热量向大气中的损失。蒸汽系统的消除或减少还可导致较低的基建和运营成本。
根据本公开，在冷却工艺流时，应使用尽可能多的热量来加热其他工艺流。然而，低于某个温度，进一步的传热将不再有效或有用，而是利用鼓风机、冷却水和/或制冷(其需要能量输入来移除热量)。在这样的实施方案中，例如，用于改变工艺流的温度的热交换器、制冷单元或其组合可以电的方式提供动力。在实施方案中，蒸汽不单独用作中间热量和/或能量传递流，并且设备或其段不包括复杂的蒸汽系统如常规地用于能量传递的那些。在实施方案中，蒸汽用作传热流体而不用于做机械功，例如驱动泵或压缩机。在实施方案中，经由电阻加热提供加热。在实施方案中，经由感应加热提供加热。
尽管无意于受本文提供的实例的限制，但现在将参考图4的氨合成设备II的示例性氨合成方框流程图来提供可根据本公开的实施方案电气化氨合成设备的一些方式的描述。在各种实施方案中，所描述的步骤、段、单元组或单元操作可以任何合适的顺序存在或运行，所述步骤、段、单元或单元操作中的一个或多于一个可不存在、重复、由不同的步骤、段、单元或单元操作所替代，并可采用本文未描述的附加步骤、段、单元或单元操作。另外，尽管步骤(例如，加热B2)被指出为在特定的段中(例如，在氢气和氮气纯化段40/140中)，但该步骤也可认为是另一个段(例如，氨合成段50/150)的一部分。
如上文参考图3的实施方案所指出，在实施方案中，氨合成设备包括进料预处理段10/110。这样的进料预处理段10/110可操作以从含碳进料移除一种或多种组分例如但不限于硫以提供经预处理的进料15/115。如果含碳进料包含硫，则可移除硫化合物，因为硫会使后续步骤中使用的一种或多于一种催化剂失活。除硫可利用催化加氢将原料中的硫化合物经由方程式(2)转化为气态硫化氢：
H2+RSH→RH+H2S(气体) (2)。
然后可通过使气态硫化氢经过例如氧化锌的床来吸附和移除气态硫化氢，其中其经由方程式(3)转化为固体硫化锌：
H2S+ZnO→ZnS+H2O (3)。
在进料预处理段10中采用的进料纯化装置可以是本领域技术人员已知的任何合适的污染物/毒物移除装置。在实施方案中，预处理段10/110可操作以在期望的操作温度和/或压力下为下游的合成气生成或重整段20/120提供进料。
根据本公开的实施方案，可以通过基于非碳的能量的减少使用、可再生能量的使用和/或电力(例如，来自可再生和/或不可再生来源的电力)的使用来实现进料预处理。例如：预处理段的压缩机可用电动机而非燃气或蒸汽驱动的涡轮机操作，进料预处理中所需的热量输入或移除可以电的方式提供，或其组合。
在实施方案中，采用减压来生成电力。在实施方案中，使用电加热和/或以电的方式加热的气体来再生进料预处理催化剂。
根据本公开的氨合成设备包括合成气生成段，其可操作以重整含碳进料以产生氢气和一氧化碳。合成气生成段可包括蒸汽甲烷重整、自热重整或两者。
在实施方案中，合成气生成段120包括蒸汽甲烷重整器或床、自热重整反应器或床和绝热蒸汽甲烷重整反应器或床。
合成气生成段20/120可操作以经由可逆且平衡限制的方程式(4)实现(例如，无硫)甲烷进料的催化蒸汽重整，以形成氢气加一氧化碳：
图4的实施方案的合成气生成段120包括120A处的蒸汽甲烷重整，通过120A，天然气进料105中的甲烷和管线111中的蒸汽合并，随后进料到蒸汽甲烷重整炉，在这里，甲烷经由方程式(4)被部分转化为一氧化碳和氢气。在实施方案中，蒸汽甲烷重整反应在约350℃至850℃的宽温度范围内和约25巴至50巴的压力下发生。蒸汽甲烷重整反应是吸热的，常规地通过在炉燃烧器处烧甲烷以提供热量输入来提供反应热，表示为Q1。如下文进一步描述的，根据本公开的实施方案，热量输入Q1经由可再生能源、基于非碳的能源和/或电力提供。可再生能源可包括来自可再生能源(如风能或太阳能)的电力。
在自热重整120B处，向121处指示的经部分转化的蒸汽中添加空气106(例如，经由压缩机或压缩段C1)并且空气中的氧气与甲烷燃烧生成二氧化碳、水和热量。120B处自热重整器的出口温度可为约1000℃，但反应器中可能存在一些较热和较冷的区域。在图4的实施方案中，在该步骤中添加空气提供了氮气的引入。如果自热重整的进行使得在此步骤中供给的氮气少于需要的量(例如，如果添加经纯化的氧气代替空气的话)，或者如果不存在自热重整器，则需要在后续的工艺步骤过程中添加氮气；例如，在实施方案中，可向干燥气体流144中引入自空气分离单元(ASU)获得的氮气。在图4的实施方案中，来自在106处引入的空气的氮气将保留在流中并成为该过程的氨合成段150的原材料。自热重整器中与空气一起引入的杂质如氩气也贯穿于该过程并且在实施方案中可通过吹扫移除。
在图4的实施方案中，合成气生成段120的最后一步是任选的绝热蒸汽甲烷重整床120C，来自燃烧的热为其提供反应热。122处指示的自热重整产物经受绝热蒸汽甲烷重整，如120C处所指示。
常规地，烧燃料(例如，天然气、甲烷、来自氨合成段的吹扫气)以提供达到期望的重整温度所需的热量Q1。在本公开的实施方案中，在不烧燃料的情况下达到期望的蒸汽重整温度。在本公开的实施方案中，在不烧基于碳的燃料的情况下达到期望的蒸汽重整温度。理想地，不烧天然气或甲烷作为燃料，因为常规地作为燃料烧掉的这样的天然气或甲烷可随后根据本公开的实施方案作为进料使用以产生附加的氨产物。
在实施方案中，可通过基于非碳的能量的减少使用、可再生能量的使用和/或电力(例如，来自可再生和/或不可再生来源的电力)的使用实现蒸汽重整。例如：重整段的压缩机(如压缩机C1)可用电动机、电力驱动的涡轮机和/或由以电的方式产生的蒸汽驱动的涡轮机操作，而非经由燃气或蒸汽驱动的涡轮机或由经由燃料的燃烧产生的蒸汽驱动的涡轮机操作；达到和保持期望的重整温度并提供反应(在蒸汽甲烷重整器120A和/或绝热蒸汽甲烷重整器120C中)的吸热热量所需的热量输入Q1可以电的方式提供；或其组合。在实施方案中，蒸汽重整器用电阻或感应加热来加热。在实施方案中，蒸汽重整器借助于以电的方式加热(例如，经由电阻加热、感应加热、欧姆加热等)的辐射板来加热。
在实施方案中，可用电加热来生成用于重整反应的蒸汽。在实施方案中，使用电极锅炉或电阻浸入式加热器来生成蒸汽。在实施方案中，进料的预热通过注入温度高于待加热的进料流的蒸汽来实现。在实施方案中，以电的方式使该蒸汽过热。引入到自热重整器的空气106可以电的方式加热。在实施方案中，120A处的蒸汽甲烷重整反应器以电的方式被加热以给出受控的温度分布从而增加反应的程度。在实施方案中，此受控的分布更紧密地接近于等温操作。在实施方案中，自热重整器的进料包含氧气而不是空气，氮气在过程中稍后引入，例如在步骤C2与B2之间。在实施方案中，此氧气和氮气自空气分离单元(ASU)获得。在实施方案中，空气分离单元使用可再生电力运行。在实施方案中，合成气生成段20/120不含自热重整器，氮气作为在以电的方式提供动力的空气分离单元中产生的纯氮气流引入。在实施方案中，离开一级重整器的合成气可被加热(例如，经由电能/加热的使用)至其可在绝热蒸汽重整反应器中进一步转化的温度。氮气(例如，来自以电的方式提供动力的ASU)可在绝热重整器之前或之后引入。其中在绝热蒸汽重整器之前引入氮气的实施方案中，可预热(例如，以电的方式)该氮气流以提供升高绝热重整器的合成气入口温度所需的额外热量中的一些或全部。
如上所述，本公开的氨合成设备可包括变换转化或“变换”段30/130。变换转化段30/130可包括高温变换反应器、低温变换反应器、第一变换反应器、最终变换反应器或其组合。变换转化段可包括在高温变换反应器、低温变换反应器或两者的上游和/或下游的冷却，其中移除的热量可直接或间接传递至另一工艺流。
在合成气生成完成后，合成气产物流125在变换转化段30/130中进行水煤气变换以经由上面的方程式(1)的水煤气变换(WGS)反应产生额外的氢气。在实施方案中，可经由本领域已知的任何合适的方法实现变换，只要如本文详述的那样提供用于氨合成设备I/II或变换段30/130的能量即可。例如，变换可包括高温变换、低温变换或两者，如在图4的实施方案中。在图4的实施方案中，合成气产物流125中的合成气产物在第一冷却步骤或单元A1中被部分冷却(由Q2表示热量移除)以产生由流131表示的经冷却的重整器产物。经冷却的合成气流131被引入到130A处的高温变换反应器中，在这里，通过经由上面方程式(1)的水煤气变换(WGS)反应变换水和一氧化碳以产生二氧化碳和额外的氢气来形成额外的氢气(H2)以提供高温变换流132。在实施方案中，高温变换可在约300至450℃的温度和约25至50巴的压力下进行。
变换段130可还包括在第二冷却步骤或单元A2中冷却高温变换流132(由Q3表示热量移除)，通过单元A2，该流被冷却以提供经冷却的高温变换流133。
图4的实施方案的变换段130还包括在步骤或单元130B处指示的低温变换反应器中进一步完成变换反应。经冷却的高温变换流133可被引入到130B处的低温变换反应器中。在实施方案中，130B处的低温变换步骤可在约200至300℃的温度和/或约25至50巴的压力下进行以提供低温变换流134。非限制性地，本公开的氨合成设备可既包括高温变换130A又包括低温变换130B，因为需要低温来驱动反应至接近完全，但反应在高温下进行得更快。
可采用第三冷却步骤A3(由Q4表示热量移除)来降低低温变换重整器产物134的温度，并提供经冷却的变换重整器产物流135。在实施方案中，经冷却的重整器产物流135具有适于进料到氢气和氮气纯化段40/140的温度。这样的温度可在环境温度与100℃之间。
根据本公开的实施方案，可以基于非碳的能量的减少使用、可再生能量的使用和/或电力(例如，来自可再生和/或不可再生来源的电力)的使用实现变换。例如：为提供期望的变换温度所需的热量移除(如在变换之前冷却A1的热量移除Q2，高温变换130A与低温变换130B之间冷却A2的热量移除Q3，低温变换130B之后冷却A3的热量移除Q4)可以电的方式提供，或其组合。在实施方案中，热量移除与热量输入相匹配，使得回收的热能被用于加热其他工艺流。在实施方案中，使用Q2、Q3和Q4来向Q1、Q5和/或Q7供给热能，剩余的能量以电的方式供给。在实施方案中，反应器(对于一个或多于一个步骤，有时包括重整)可具有由电加热施加的温度分布。在实施方案中，使用热电设备和/或热泵来将能量从Q2、Q3和/或Q4移动到可利用该能量的其他地方。
如上所述，本公开的氨合成设备可包括氢气和氮气纯化段40/140。氢气和氮气纯化段40/140可操作以从流35/135中的经变换合成气产物移除一种或多于一种组分(例如，二氧化碳、水、一氧化碳或其组合)。氢气和氮气纯化段40/140可包括二氧化碳移除装置、甲烷化装置、水冷凝/冷却装置、加热装置、压缩装置或其组合，如下文进一步描述。
如上所述，氢气和氮气纯化段40/140可包括二氧化碳移除装置。如上所述，在实施方案中，在变换之后，经变换的重整器产物流被冷却并且该流中存在的很多蒸汽被冷凝。在图4的实施方案中，经变换的重整器产物流135被进料到二氧化碳移除装置140A以产生二氧化碳减少的流141。在实施方案中，二氧化碳移除装置利用合适的溶剂(通常为胺或碳酸氢盐溶液)吸收二氧化碳。吸收的二氧化碳被释放，溶剂被再生以再循环至二氧化碳移除装置的CO2汽提塔中的吸收器。在实施方案中，溶剂的再生用电加热进行(例如，利用电重沸器)。在实施方案中，该电加热用浸入式加热器实现。在实施方案中，可通过注入低压蒸汽来从溶剂汽提出CO2，其中该蒸汽经由与另一工艺流的热交换和/或通过水的电加热产生。在实施方案中，溶剂为胺溶液。
如上所述，氢气和氮气纯化段40/140可包括甲烷化装置。由于下文所述的氨合成段50/150的氨合成反应中使用的(通常是多促进的磁铁矿)催化剂的性质，故在氨合成进料气体流或经纯化的重整器产物流45/145中(例如，在氢气和氮气混合物中)仅能容忍非常低的含氧(尤其是CO、CO2和H2O)化合物水平。在实施方案中，在二氧化碳移除140A之后，可在甲烷化器中甲烷化140B之前将二氧化碳减少的流141加热，如下文进一步提及并在B1处指示的(在Q5处指示热量输入)。甲烷化可操作以根据方程式(5)和(6)经由与氢气反应形成甲烷和水来移除残留的一氧化碳和二氧化碳：
CO+3H2→CH4+H2O (5)
CO2+4H2→CH4+2H2O (6)。
使用甲烷化器的一种替代方案是通过添加化学计量量的来自含氧流的氧气并使该混合流经过选择性CO氧化催化剂(例如，高度分散的金)床上方来将痕量水平的CO转化为CO2。这样，CO可根据方程式(7)与O2反应：
CO+1/2O2→CO2 (7)。
当采用这种替代的CO移除工艺时，其应在CO2移除步骤之前进行。与甲烷化相比，这种替代工艺的一个优点在于不消耗氢气。合适的含氧流包括空气、在空气分离设备中产生的富氧空气和在空气分离设备(在实施方案中，其可以是以电的方式提供动力的)中产生的纯氧。
如上所述，氢气和氮气纯化段40/140可包括水移除或“水冷凝”装置。在图4的实施方案中，在水冷凝A4处甲烷化产物流143流被冷却并且水147冷凝出(热量移除在Q6处指示)以产生干燥气体流144。在实施方案中，该水移除步骤可使用干燥剂或分子筛床(例如，3A分子筛)进行，经冷却的甲烷化器产物流经过干燥剂或分子筛床而生成干燥的气体流，直至分子筛床饱和之时，其后该流被切换到替代的分子筛床，现在饱和的分子筛床通过使经加热的干燥气体(例如，再生气体)流经过其而被干燥。在实施方案中，所述干燥气体流可包含氮气或燃料气体并可使用电能加热至所需的温度(例如，至大约220℃)。
如上所述，氢气和氮气纯化段40/140可包括压缩C2。例如，在图4的实施方案中，经由使用一个或多于一个压缩机的压缩C2，干燥气体流144被引入到氨合成段150。在实施方案中，压缩C2可将压力升高到约60至250巴。
如上所述，氢气和氮气纯化段40/140可包括加热装置。加热可在甲烷化的上游；压缩的下游和氨合成段150的上游；或两者处提供。例如，在二氧化碳移除140A之后，可在甲烷化器中甲烷化140B之前将二氧化碳减少的流141加热，如下文进一步提及并在B1处指示的(在Q5处指示热量输入)。在压缩C2之后并在氨合成段150中的氨合成之前，经纯化的重整器产物流145中的经压缩干燥气体可被加热B2(热量输入在Q7处指示)。在氨合成之前，经压缩的干燥气体流145中的经纯化重整器产物可被加热到例如约100℃至约350℃的范围内的温度(在流146中)。
根据本公开的实施方案，可以基于非碳的能量的减少使用、可再生能量的使用和/或电力(例如，来自可再生和/或不可再生来源的电力)的使用实现氢气和氮气纯化。例如：二氧化碳移除140A可通过电气化溶剂再生而电气化。可例如通过在B1处以电的方式加热气体141和/或通过在140B处以电的方式加热甲烷化反应器而电气化甲烷化140B。氢气和氮气干燥(例如，在A4处)可例如通过以电的方式加热再生气体流而电气化。在实施方案中，通过加热B1达到期望的甲烷化温度所需的热量输入Q5可以电的方式提供；实现水冷凝A4所需的热量移除Q6可以电的方式提供；在C2处采用的压缩可经由电动机、电力驱动涡轮机和/或由以电的方式产生的蒸汽驱动的涡轮机而非燃气驱动涡轮器和/或由自燃料的燃烧产生的蒸汽驱动的蒸汽涡轮机来实现；在加热B2处达到期望的氨合成温度所需的热量输入Q7可以电的方式提供；或其组合。在实施方案中，热量移除与热量输入相匹配，使得回收的热能被用于加热其他工艺流。在实施方案中，Q6中回收的能量被施加到能量输入Q5，余量以电的方式供给。在实施方案中，从另一来源获得的氢气被添加到氢气纯化段40/140中的过程中。在实施方案中，此氢气自使用可再生电力的过程获得。在实施方案中，氨合成所需的氮气中的一些或全部在氢气纯化段40/140的末端附近添加(例如经由图10-14中描绘并在下文比较例2和实施例5-8中描述的氮气管线266)。在实施方案中，氢气或氮气在被添加到氢气纯化段40/140中之前以电的方式被压缩和/或加热。
在实施方案中，可自外部来源(例如，自蒸汽裂化器、自炼油厂来源和/或自水电解)获得足够的氢气，使得不再需要重整和变换转化段。然后在压缩C2之前将来自其他来源(例如，来自空气分离单元)的适宜纯度的氮气添加到该氢气中。然后如下所述进行加热B2、氨合成150A、冷却A5/A6和分离。在实施方案中，所有氢气均使用基于非碳的能源、可再生能源、电力和/或可再生电力生产。在实施方案中，氮气自主要或完全由电力提供动力的空气分离单元获得。在实施方案中，压缩C2的压缩机、再循环压缩机C3和/或用于制冷A6的压缩机以电的方式驱动。在实施方案中，使用基于非碳的能源、可再生能源、电力和/或可再生电力供给用于加热B2、氨合成150A、冷却A5/A6和分离的大部分、60％、70％、80％、90％或全部外部能量。
在实施方案中，已从中移除二氧化碳的氢气和氮气流(例如，流144)可被进一步纯化以减少或消除甲烷污染，例如使用变压吸附(PSA)系统，从而生成甲烷含量低的经纯化氢气和氮气流和单独的甲烷流。在实施方案中，所述单独的甲烷流可被再循环至合成气生成段20/120，而甲烷含量低的经纯化氢气和氮气流可被进料到氨合成回路。在实施方案中，这种方法可减少对回路吹扫的需要并提高过程的整体效率。
在实施方案中，可使用PSA类型系统来在氨合成段50/150的氨合成回路之前或任选地在140B的甲烷化器之前从氢气和氮气流移除甲烷、CO和CO2。在这样的实施方案中，氢气和氮气流可被进料到合成回路，而混合的碳氧化物和甲烷流可被进一步处理以产生相对纯的CO2和甲烷流。在实施方案中，可将相对纯的CO2和甲烷流分别进料到尿素设备和再循环至氨设备的合成气生成段。
如上所述，本公开的氨合成设备可包括氨合成段50/150。氨合成段50/150可包括一个或多于一个氨合成反应器或催化剂床，其用于进行氨合成150A；冷却装置A5/A6，其可操作以在所述一个或多于一个氨合成反应器或催化剂床中的每一个之后移除热量；压缩装置(在本文中也称为再循环压缩机)C3，其可操作以将氮气和氢气再循环至所述一个或多于一个氨合成反应器；吹扫气体系统150B，其可操作以从氨合成段50/150吹扫气体(例如，甲烷、氩气、氮气和/或CO2)；或其组合，如下文进一步描述。
在氨合成段50/150中，氮气(N2)和氢气(H2)反应而制得氨(NH3)。在实施方案中，为了产生期望的氨终产物，根据平衡限制的方程式(8)使经纯化的氢气与氮气以催化方式反应，以形成氨：
用于氨合成反应的氮气可能已经在经纯化的合成气生成段产物流45/145中(例如，如在图4的实施方案中源自106处的工艺空气)，或者在替代的实施方案中可被添加到经纯化的氢气流中。如上所述，由于氨合成反应中使用的(通常是多促进的磁铁矿)催化剂的性质，故在合成气(例如，氢气和氮气混合物)中仅能容忍非常低的含氧(尤其是CO、CO2和H2O)化合物水平。在刚刚提及的其中在氢气纯化40/140之后添加氮气的实施方案中，可通过空气分离获得相对纯净的氮气。在实施方案中，可能需要额外的氧气移除。供给使用空气分离工艺产生的纯净氮气的一个优点在于氩气和其他杂质也可从氮气中移除，因此，进入到氨合成段50/150中的氢气和氮气流进料可包含减少的量的这种惰性材料或基本上没有这种惰性材料。这可减少对合成回路进行吹扫的需要(通常需要吹扫来防止非反应性气体的积聚)并提高过程的整体效率。
如上所述，氨合成段50/150可包括一个或多于一个氨合成反应器和/或催化剂床。氨合成反应可在氨合成段50/150的一个或多于一个氨合成反应器或催化剂床中进行。方程式(8)的氨合成反应是放热的并且转化率是平衡限制的。在实施方案中，氨合成反应在约200至500℃下进行。在实施方案中，反应在一系列(例如，三个)催化剂床/反应器上进行并在床之间移除热量(在氨合成反应器/催化剂床之间和/或之后从氨合成段50/150移除热量，图4中在Q8处指示)。不希望受理论限制，但可利用热量移除来限制温度升高并因此增加反应的程度。
如上所述，在实施方案中，氨合成段50/150包括冷却装置，其可操作以在所述一个或多于一个氨合成反应器或催化剂床中的每一个之后移除热量并允许从由氨合成反应器获得的流出物气体流分离氨。这种冷却可在一个或多于一个步骤中进行。在实施方案中，氨合成后冷却包括两个步骤：包括热冷却(其中可提取热量)的第一步骤和需要能量输入(主要是制冷)的第二步骤。在第一次氨合成后冷却中，如A5处所指示(能量移除在Q8处指示)，进行冷却以从管线151中的氨提取热量和/或能量，该热量和/或能量可用于工艺中的其他地方(例如，经由热交换)。在二次氨合成后冷却中，如A6处所指示，需要能量输入(例如，驱动压缩机的功)来进一步冷却来自第一次冷却A5的产物流151’，从而使氨冷凝并经由氨产物流155移除。在此二次冷却中，可将产品流冷却并随后在高压(例如，接近于氨合成回路压力)下将其激冷到约-10至约5℃的范围，从而使氨冷凝并作为液体移除。含大部分未反应的氢气和氮气及少数氨的剩余蒸气经由管线152和再循环压缩机C3再循环到氨合成回路(例如，经由再循环流153)，而含大部分氨和少数未转化的氢气和氮气的液体流(例如，氨流155)可根据需要被进一步激冷和减压以进一步纯化，并且储存、出售氨产物等。
如上所述，在实施方案中，氨合成段50/150包括压缩装置(本文中也称为再循环压缩机)C3，其可操作以将氮气和氢气再循环至所述一个或多于一个氨合成反应器。在图4的实施方案中，未反应的氮气和氢气经由再循环压缩机C3压缩，并经由再循环流153再循环回氨合成150A。在实施方案中，干燥气体流144的压缩C2和再循环流153的压缩C3可在一级或多级的单个压缩机中组合。
如上所述，在实施方案中，氨合成段50/150包括吹扫气体系统，其可操作以从氨合成段50/150吹扫气体(例如，甲烷、氮气(N2)、氢气(H2)、氩气(Ar)和/或杂质)。在实施方案中，为了应对再循环流153中再循环气体中残留甲烷和惰性物的积聚，经由吹扫气体系统150B从再循环气体吹扫出甲烷和惰性物。在图4的实施方案中，管线154中的吹扫气体进入吹扫气体系统150B，并经由吹扫管线105’从氨合成设备移除。甲烷吹扫物可作为重整器进料的组分引入到进料预处理段10/110和/或合成气生成段20/120中。吹扫气体系统150B可涉及热量移除，如Q9处所指示。在实施方案中，该吹扫气体可被处理，例如使用PSA，以将其分离成包含特定化合物或化合物组的两个或多于两个不同的流。在实施方案中，甲烷和/或惰性气体(例如，Ar)与吹扫气体分离，以便甲烷可作为进料引入到合成气生成段20/120，而存在于吹扫气体流中的惰性气体(例如，Ar)中的一些或大部分可从该过程中排除。在实施方案中，该吹扫气体可被处理，例如使用PSA，以分离经纯化氢气的流。在实施方案中，该氢气流可被再循环至氨合成反应器，燃烧以产生用于蒸汽甲烷重整的热蒸汽，作为有价值的副产物输出，和/或用于生成电力。在实施方案中，分离的氢气可在电力容易获得时储存并在电力不容易获得和/或无法以期望的价格获得时使用。在实施方案中，从吹扫气体分离的氮气被再循环(例如，加到干燥气体流144中)以转化为氨。
根据本公开的实施方案，可以基于非碳的能量的减少使用、可再生能量的使用和/或电力(例如，来自可再生和/或不可再生来源的电力)的使用实现氨合成150。在实施方案中，在一个或多于一个氨合成反应器内或下游(例如，经由冷却A5)达到期望的氨合成温度所需的热量移除Q8经由热交换传递至其他流，或者该能量通过转化为电力以其他方式利用；在再循环压缩机C3处采用的压缩可经由电动机、电力驱动涡轮机和/或由以电的方式产生的蒸汽驱动的涡轮机而非经由燃气驱动的涡轮机和/或由经由燃料的燃烧产生的蒸汽驱动的涡轮机实现；吹扫气体系统150B所需的热量移除Q9可以电的方式提供；或其组合。在实施方案中，用于获得产品氨(A6)的冷却/制冷系统被驱动使得能量输入由电力提供。在实施方案中，在C2和C3处采用的电驱动压缩机的更高效率允许在150A处的氨合成反应器中以经济的方式实现高于常压的压力并导致更高的单程氨产率。在实施方案中，此较高的压力允许降低反应器温度并导致更高的单程氨产率。
在实施方案中，A6处的制冷系统中电驱动压缩机的更高效率允许在较低温度下以经济的方式分离氨，从而实现更完全的分离。在实施方案中，较高压力、较低温度和/或较高产率的组合允许氨靠冷却水冷凝而不靠A6处较冷的制冷剂冷凝。
在实施方案中，氨合成设备内所需的净热量输入或移除(Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8和/或Q9)中的大部分、大于20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％或基本上全部由基于非碳的能源、由可再生能源如可再生电力、和/或由电力(例如，来自可再生和/或不可再生来源的电力)提供。
在实施方案中，氨合成设备内压缩(例如，在空气压缩机C1、干燥气体流压缩C2和/或再循环压缩机C3处)所需的能量中的大部分、大于20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％、或基本上全部由基于非碳的能源、由可再生能源如可再生电力、和/或由电力(例如，来自可再生和/或不可再生来源的电力)提供。例如，可利用电动机、电驱动涡轮机和/或由以电的方式产生的蒸汽驱动的涡轮机来提供整个氨合成设备或其一个或多于一个段的压缩。在实施方案中，大部分、大于20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％、或基本上全部压缩机被电动机、电驱动涡轮机和/或由以电的方式产生的蒸汽驱动的涡轮机替代或者利用电动机、电驱动涡轮机和/或由以电的方式产生的蒸汽驱动的涡轮机。
在实施方案中，利用电力来产生比常规冷却水略冷(例如，冷2℃、5℃、10℃或15℃)的冷却水。在实施方案中，利用电力来供给制冷系统所需的能量。
在实施方案中，可使用电力来为流体提供原动力。例如，可使用电力来为泵提供动力以移动和/或加压液体，和/或为鼓风机和/或风扇提供动力。在实施方案中，氨合成设备中利用的泵的数目中的一部分、大部分或全部(例如，20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或100％)是电气化的。
如上所述，根据本公开的实施方案，当利用来自具有潜在或已知间歇性供给(例如，间歇性能源或IES)的可再生来源的电力时，可采取各种步骤来维持氨合成设备的运行。IES的这种应对可如2019年1月15日提交的标题为“Use of Intermittent Energy in theProduction of Chemicals”的美国临时专利申请号62/792,636和62/792,637中所述，这些临时专利中每一者的公开内容出于与本公开不相悖的目的并入本文。例如，在实施方案中，针对电力供给的间隙性，储存压缩氢气。替代地或另外地，当有电力可用时，从吹扫气体分离的回收氢气可被加压和储存，并用于在低电力供给时间期间使用燃料电池来生成电力。替代地或另外地，针对电力供给的间歇性，可储存一种或多种低温液体。替代地或另外地，针对电力供给的间歇性，可储存热量。
在实施方案中，当在合成气生成段20/120中采用甲烷蒸汽重整器时，热量可被储存在对重整炉内部衬里的隔热材料中，从而增加炉子的储热能力，使得向其中的加热元件的供电的暂时损失将仅导致重整管的温度的小幅下降，重整管主要通过来自周围隔热材料的表面的辐射而被加热。替代地或另外地，针对电力供给的间歇性，可保留电池。可为关键部件提供备用电源；可采用不可再生电力作为间歇性可再生电力的后备。例如，这样的备用电源可经由由压缩气体或飞轮驱动的装置产生。替代地或另外地，针对电力供给的间歇性，可储存天然气进料、氢气或氮气。替代地或另外地，储存的压缩气体在减压时可用于生成电力。替代地或另外地，针对电力供给的间歇性，可储存经冷却的氨产物来用作制冷剂。
本公开的氨合成设备的电气化可经由可以是高压或低压的电源提供。电气设备可基于交流电(单相或多相)或直流电运行或者是基于交流电(单相或多相)或直流电运行的。
在实施方案中，在本公开的氨合成系统和方法中(例如，在预处理段10/110、合成气生成/重整段20/120、变换转化段30/130、氢气和/或氮气纯化段40/140、和/或产物纯化段50/150中)不采用由燃料的燃烧生成或者纯粹为热量和/或能量传递而产生的蒸汽。以这种方式，在实施方案中，根据本公开的氨合成设备可在无复杂的蒸汽热量和/或能量传递系统(其可常规地用于氨合成设备中)的情况下运行。在一些应用中，例如在反应器内采用蒸汽作为进料组分和/或稀释剂的情况下，这样的蒸汽可经由与氨合成设备内的工艺流的热传递产生和/或可以电的方式产生。在实施方案中，可使用电力使经由与工艺流的热传递生成的蒸汽过热。在实施方案中，在整个氨合成设备中都不采用蒸汽作为商品或公用设施。在实施方案中，本公开的氨合成设备基本上无蒸汽，或比生产氨的常规设备采用大大减少的蒸汽(例如，使用少至少10、20、30、40、50、60、70、80、90或100体积百分数(体积％)的蒸汽)。例如，生产氨的常规设备可利用蒸汽生产以用于进料预处理段10/110和/或氢气和/或氮气纯化段40/140的蒸馏塔的重沸器，可利用蒸汽生产来驱动用于压缩过程和/或再循环流的蒸汽涡轮机，或可利用蒸汽生产来驱动用于制冷的蒸汽涡轮机。在实施方案中，不为根据本公开的氨设备中的这些操作产生蒸汽，或者产生大大减少的蒸汽(例如，少至少10、20、30、40、50、60、70、80、90或100体积百分数(体积％)的蒸汽)。在实施方案中，蒸汽被用作传热流体，但不被用于做机械功(例如，以驱动压缩机或泵)。在实施方案中，为这些操作生成的蒸汽首要(例如，在所采用的总蒸汽中，最大百分数是以电的方式产生的)、主要(例如，大于50％的蒸汽是以电的方式产生的)或基本上全部以电的方式产生。在实施方案中，用作反应物或稀释剂的蒸汽首要(例如，在所采用的总蒸汽中，最大百分数是以电的方式产生的)、主要(例如，大于50％的蒸汽是以电的方式产生的)或基本上全部以电的方式产生。
在实施方案中，在本公开的氨合成设备或过程中，更多的能量被直接“原样”采用，例如，采用来自热产物流出物流的热量来加热进料流，而不被转换，例如，经由蒸汽的生成和经由蒸汽涡轮机将热能转化为机械能。根据本公开的实施方案，直接地使用能量可提高氨合成设备的能量效率，例如通过减少当把热量转化为机械能时发生的能量效率损失。
由于能量消耗占传统氨合成设备的运营成本的一大部分，故根据本公开的提高能量效率(例如，经由电气化)、和/或利用常规地经燃烧以用于为合成气生成(例如，通过重整)提供热和/或经燃烧以用于压缩(例如，经燃烧以产生用于蒸汽涡轮机的蒸汽或经燃烧以用于燃气涡轮机)的天然气来产生额外的氨可提供优于常规氨合成设备的经济优势。伴随地，相对于其中将烃作为燃料燃烧的常规氨合成设备，经由本公开实现的化石燃料(例如，天然气、甲烷)作为燃料的燃烧的减少提供了减少的温室气体(GHG)排放。在实施方案中，，为过程提供能量所产生的GHG排放(例如，二氧化碳排放)相对于其中烃作为燃料燃烧的常规氨合成设施减少至少5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或100％。在本公开的实施方案中，每生产一吨氨所产生的CO2的量减少至每吨氨小于1.6、1.5、1.4、1.3、1.2、1.1或1.0吨CO2。在实施方案中，本公开的方面可带来过程的碳效率的增加，即过程中消耗的一部分碳作为有用的产物重新出现，和/或带来比能耗(例如，合成一定量的化学产品所采用的能量)的降低。
常规地，化学过程中的单元操作所需的能量通常由烧化石燃料，尤其是天然气提供。本文公开了系统和方法，通过这样的系统和方法，在实施方案中，可用基于非碳的能量、可再生能量如可再生电力、和/或由来自任何来源(例如，可再生和/或不可再生)的电力减少或替代此能量输入，从而提高能量效率(例如，减少能量损失)。在实施方案中，能量效率(例如，减少的能量损失)通过减少或消除使用蒸汽来做机械功而提高。在实施方案中，过程的能量效率提高，使得每生产一吨氨的比能耗(针对过程的总净能量输入(包括燃料和电力，但不包括反应热、进料或副产物项的任何贡献)除以生产率)小于12、11、10、9、8或7GJ，其中使用燃料的较高热值计算所述比能耗。在实施方案中，每生产一吨氨，用作进料和燃料的甲烷和/或天然气的总量小于0.65、0.60、0.55、0.50、0.45或0.40吨。在实施方案中，每生产一吨氨，用作燃料的甲烷和/或天然气的总量小于0.20、0.15、0.10、0.05或0吨。本文公开的基于非碳的能量、可再生能量和/或电力在化学品生产中的使用，如经由蒸汽甲烷重整生产氨，将提高氨合成过程的能量效率和/或减少和/或消除自氨合成过程的二氧化碳排放和氨合成过程内的化石燃料消耗。
实施例
已一般性地描述了实施方案，给出以下实施例作为本公开的特定实施方案并证实其实践和优点。应理解，这些实施例以示意的方式给出而非旨在以任何方式限制说明书或权利要求书。
对比例1：具有一级和二级(自热)重整的常规氨合成
进行过程模拟以确定用于生产氨的典型过程III的热量和质量流量。此对比例1中采用的过程模拟使用Aspen进行。它不代表具体的运行设备，但它代表如下文参考图5描述的典型设备；设计参数取自具体设备的认识以及关于典型过程操作的文献信息。尽管变型对于本领域技术人员来说显而易见，但该对比例1代表了一种典型的过程，该过程可用作比较根据本公开的实施方案的电气化改造的效果的基础。
对比例1的过程III采用一级和二级(自热)重整(即，ATR)并被配置为每小时生产125公吨氨。如果一年运行典型的8000小时，则这将导致一百万吨氨的生产，但由于故障和维护导致的停机时间的变化可能会增加或减少此输出。这种规模是当今建造的典型的大型氨设备。
如图5中所示(其已被简化以仅示出该对比例1的过程的基本特征)，将59公吨每小时(t/hr)的纯甲烷进料205进料到该过程；从该甲烷进料移除硫和其他有害组分的预处理未包括在此模型中，也未在图5中示出。将194t/hr的量的水211蒸发并与甲烷进料混合。将所得进料215进一步预热并在大约620℃和690psia下进料到一级重整器220A，在其中产生CO、CO2和H2。能量Q1由天然气炉供给到一级重整器220A，该天然气炉供给反应热并进一步加热气体；该炉的燃烧还导致能量输入Q2，其在对流段中传递以预热进料水/甲烷混合物215，和能量损失Q5，其为在烟气中损失的能量。来自一级重整器220A的产物221与149t/hr的经预热空气进料206合并，并进料到二级自热重整器220B，在其中发生进一步的反应，产生更多的CO、CO2和H2。用于二级重整器220B的能量由在二级重整器自身中发生的甲烷、CO和H2的氧化供给。来自二级重整器220B的产物222被冷却(例如，在冷却A1处)至大约320℃并经过两个水煤气变换反应器230，在其中形成额外的H2和CO2。来自水煤气变换反应器230的产物流234被进一步冷却(例如，在冷却A2/A3处；如本文所用，A2/A3指的是’A2和/或A3’)并随后在CO2移除段240A中纯化，其中154t/hr的CO2通过胺吸收被移除。为了释放被吸收的CO2并再生胺溶液，大量的能量被需要。该能量中的一些通过与来自二级重整器220B和水煤气变换反应器230的冷却气体流热交换获得，但必须供给额外的能量Q3；该能量从辅助锅炉260经由从锅炉给水(BFW)261产生和使用的中压蒸汽262获得。来自CO2移除段240A的经纯化产物流241被加热至大约290℃并进料到甲烷化单元240B，在其中剩余的CO(～0.4mol％)和CO2(～0.1mol％)被移除。在A4处冷却并干燥所得气体流243，然后将所得流244与再循环气体253合并，并在合成回路压缩机C2/C3(在实施方案中，可为单个压缩机；如本文所用，C2/C3指“C2和/或C3”)中压缩至3095psia；用于该压缩的能量W2由从辅助锅炉260获得的高压蒸汽263提供。将经合并和压缩的气体流245预热至大约450℃并送到一系列串联的具有中间冷却的三个氨合成反应器250A；氮的单程转化率为30％。含氨产物流251首先在A5处冷却，其允许热量回收以用于加热其他工艺流，然后再次用空气和冷却水冷却，最后在A6处使用制冷冷却至-34℃，使得125t/hr的液氨产物255可被回收。用于A6处的制冷段的能量(例如，以提供功W3)由从辅助锅炉260获得的高压蒸汽263供给。氨回收后，从剩余气体取17t/hr的吹扫205’以移除杂质；该吹扫流的组成为大约12重量％的CH4、11重量％的H2、75重量％的N2和2重量％的NH3。然后将余下的气体流253再循环回合成回路压缩机C2/C3。
该对比例1的常规过程III中存在四个主要的能量消耗者：(1)CO2移除240A中胺溶液的再生，(2)提供动力(例如，提供功W1、W2、W3)以经由压缩机涡轮机265驱动三个大型压缩机，包括空气压缩机C1、合成回路压缩机C2/C3和A6处的制冷压缩机，(3)加热以提升进料气体的温度并为一级重整器220A提供反应热，和(4)在250A的第一氨合成反应器之前预热进料(例如，在加热B2处)。通常，电力的消耗非常少，主要用于一些较小的泵。这些操作所需的能量中的一些可通过与正在被冷却的流的热交换获得(例如，预热甲烷化反应器进料(例如，在加热B1处)所需的很多热量可从在A4处冷却来自同一反应器的产物气体243时所移除的热量获得)，但其余的必须外部供给并常规地通过烧燃料生成。在对比例1中，在两处供给外部能量：一级重整器220A的一级重整器炉、和辅助锅炉260。一级重整器炉消耗7.3t/hr的天然气，所含化学能(高热值，或HHV)为111MW。辅助锅炉260消耗40.5t/hr的天然气，所含化学能为617MW。另外，虽然一些反应是吸热的(例如，蒸汽重整)，但对比例1的净反应组是放热的并生成约70MW的能量，该能量可在别处使用。如何以最高的效率最有效地将此能量分配给过程中的各个能量消耗者是一个工程问题，本领域技术人员可在阅读本公开后经由温度的仔细匹配、能量类型和能量含量来解决该问题。能量可经由热交换直接传递，也可被转化为蒸汽用于热交换或做机械功，如驱动压缩机。在对比例1中，采用了最大化各种工艺流之间的热交换的策略；假定可得到的热量可在相应的温度下有效地从可得到的地方移动至需要的地方。这代表了最大热整合策略并最小化了外部能量输入，但其他布置也是可能的，如果这对于本领域技术人员将是显而易见的。使用燃烧来供给过程所需的一些外部能量输入伴随着一个缺点——来自这些炉子和锅炉的烟道气或烟气含有由于其低温和水的难以冷凝而无法有效回收的能量。例如，在对比例1的过程中，这种浪费的能量共计为147MW。在流被冷却但热量不能有效回收的若干工艺步骤中，例如在来自250A处的氨合成反应器的产物流的最终冷却中，也会损失能量。
表2示出了对比例1的过程的能量使用值。如表2中所见，通过在一级重整器220A的重整器炉和辅助锅炉260中燃烧天然气供给728MW的量的能量。获得额外的70MW作为反应的净放热热量。过程的总净能量输入为798MW，但大量(>400MW)的能量也在内部从热产物流的冷却传递至进料流的加热。在220A处的一级重整器炉中消耗的111MW中，使用辐射段来提供57MW以进一步加热气体并供给反应热；另外的31MW在对流段中传递以预热进料水/甲烷混合物215。剩余的23MW在烟气中损失到大气。向辅助锅炉260供给的量为617MW，其中的68MW用于为240A处的CO2移除供给热量，其中的424MW为三个大型压缩机：空气压缩机C1、合成回路压缩机C2/C3和A6处的制冷压缩机提供动力；其中的124MW在烟气中损失到大气。总共147MW或供给的净外部能量中的18％在来自一级重整器220A处的重整器炉和辅助锅炉260的烟气中损失。
从表2中的数据可进一步看出，每年的燃料气体总消耗量为382000吨。这种燃料的燃烧导致每年向大气排放105万吨CO2。过程化学本身会排放另外123万吨CO2，故每年的CO2排放总量为228万吨。包括燃料以及反应热在内的比能耗为每生产一吨氨22.9GJ；仅根据燃料输入计算的比能耗为每生产一吨氨20.9GJ。总供给能量中40％的量(798MW中的318MW)因蒸汽转化为机械功的低效率而损失；总供给能量中的另外18％(147MW)从烟道气损失到大气中。
实施例1：具有电压缩机的一级和二级重整
实施例1为对比例1中描述的氨合成过程根据本公开的一个实施方案的部分电气化过程IV。在过程IV中，部分电气化由电压缩机提供。该电气化设备或过程IV的关键要素在图6中示出；除了能量的提供外，该过程与对比例1中的基本上相同。将59公吨每小时(t/hr)的量的甲烷进料205进料到该过程；从该甲烷进料移除硫和其他有害组分的预处理未包括在此模型中，也未在图6中示出。将194t/hr的量的水211蒸发并与甲烷进料混合。将所得进料215进一步预热并在大约620℃和690psia下进给到一级重整器220A，在其中产生CO、CO2和H2。能量Q1由天然气炉供给到一级重整器220A，该天然气炉供给反应热并进一步加热气体；该炉的燃烧还导致能量输入Q2，其在对流段中传递以预热进料水/甲烷混合物215，和能量损失Q5，其为在烟气中损失的能量。来自一级重整器220A的产物221与149t/hr的经预热空气进料206合并，并进给到二级自热重整器220B，在其中发生进一步的反应，产生更多的CO、CO2和H2。用于二级重整器220B的能量由在重整器中发生的甲烷、CO和H2的氧化供给。来自二级重整器220B的产物222被冷却(例如，在冷却A1处)至大约320℃并经过两个水煤气变换反应器230，在其中形成额外的H2和CO2。来自水煤气变换反应器230的产物流234被进一步冷却(例如，在冷却A2/A3处)，随后在CO2移除段240A中纯化，其中154t/hr的CO2通过胺吸收被移除。为了释放被吸收的CO2并再生胺溶液，大量的能量被需要。该能量中的一些通过与来自二级重整器220B和水煤气变换反应器230的冷却气体流热交换获得，但必须供给额外的能量Q3；该能量从辅助锅炉260经由从BFW 261产生和使用的中压蒸汽262获得。来自CO2移除段240A的经纯化产物流被加热至大约290℃并进料到甲烷化单元240B，在其中剩余的CO(～0.4mol％)和CO2(～0.1mol％)被移除。在甲烷化产物243在A4处进一步冷却和干燥后，将所得气体流244与再循环气体253合并，并在合成回路压缩机C2/C3中压缩至3095psia；用于此压缩的能量(例如，以提供功W2)由电力供给。将经合并和压缩的气体流245预热至大约450℃并送到一系列串联的具有中间冷却的三个氨合成反应器250A；氮的单程转化率为30％。含氨产物流251首先在A5处冷却，其允许热量回收以用于加热其他工艺流，然后再次用空气和冷却水冷却，最后在A6处使用制冷冷却至-34℃，使得125t/hr的液氨产物255可被回收。用于A6处的制冷段的能量(例如，对于功W3)由可再生电力供给。氨回收后，从剩余气体取17t/hr的吹扫205’以移除杂质；该吹扫流的组成为大约12重量％的CH4、11重量％的H2、75重量％的N2和2重量％的NH3。然后将余下的气体流253再循环回合成回路压缩机C2/C3。
该实施例1的部分电气化过程IV中存在四个主要的能量消耗者：(1)CO2移除240A中胺溶液的再生，(2)提供动力(例如，对于功W1、W2、W3)以驱动三个大型压缩机：空气压缩机C1、合成回路压缩机C2/C3和A6处的制冷压缩机，(3)加热以提升进料气体的温度(例如，在110处)并为一级重整器220A提供反应热，和(4)在250A处的第一氨合成反应器之前预热进料(例如，在加热B2处)。出于多种其他目的，使用了较少的量的能量。这些操作所需的能量中的一些可通过与正在被冷却的流的热交换获得(例如，预热甲烷化反应器进料(例如，在加热B1处)所需的很多热量可从在A4处冷却来自同一反应器的产物气体243时所移除的热量获得)，但其余的必须外部供给。在实施例1中，在三处供给外部能量：220A处的一级重整器炉、辅助锅炉260和用于为三个大型压缩机(例如，C1、C2/C3和A6处的制冷压缩机)提供动力的可再生电力。220A处的一级重整器炉消耗7.3t/hr的天然气，所含化学能(高热值，或HHV)为111MW。辅助锅炉260消耗5.6t/hr的天然气，所含化学能为85MW。向三个大型压缩机供给量为114MW的电力；以93％的效率，做了与对比例1中需要424MW的高压蒸汽263所做的相同的功。另外，虽然一些反应是吸热的(例如，蒸汽重整)，但实施例1的净反应组是放热的并生成约70MW的能量，该能量可在别处使用。如何以最高的效率最有效地将此能量分配给过程中的各个能量消耗者是一个工程问题，本领域技术人员可在阅读本公开后经由温度的仔细匹配、能量类型和能量含量来解决该问题。能量可经由热交换直接传递，也可被转化为蒸汽用于热交换或做机械功，如驱动压缩机。在实施例1中，采用了最大化各种工艺流之间的热交换的策略；假定可得到的热量可在相应的温度下有效地从可得到的地方移动至需要的地方。这代表了最大热整合策略并最小化了外部能量输入，但其他布置也是可能的，如果这对于本领域技术人员将是显而易见的。使用燃烧来供给过程所需的一些外部能量输入伴随着一个缺点——来自这些炉子和锅炉的烟道气或烟气含有由于其低温和水的难以冷凝而无法有效回收的能量。在实施例1的过程中，这种浪费的能量共计仅40MW，比对比例1减少了73％。在流被冷却但热量不能有效回收的若干工艺步骤中，例如在来自250A处的氨合成反应器的产物流的最终冷却中，也会损失能量。
表2示出了实施例1的过程的能量使用值。如表2中所见，通过在一级重整器220A的重整器炉和辅助锅炉260中燃烧天然气供给196MW的量的能量，比对比例1减少了73％。供给114MW的量的可再生电力，并获得额外的70MW作为反应的净放热热量。过程的总净能量输入为380MW，但大量(>400MW)的能量也在内部从热产物流的冷却传递至进料流的加热。在220A处的一级重整器炉中消耗的111MW中，使用辐射段来提供57MW以进一步加热气体并供给反应热；另外的31MW在对流段中传递以预热进料水/甲烷混合物215。剩余的23MW在烟气中损失到大气。向辅助锅炉260供给的量为85MW，其中的68MW用于为240A处的CO2移除供给热量，其中的17MW在烟气中损失到大气。总共40MW或供给的净外部能量(例如，常规地经由烧燃料提供的能量)中的10.5％在来自220A处的重整器炉和辅助锅炉260的烟气中损失。
从表2中的数据可进一步看出，每年的燃料气体总消耗量为103000吨。这种燃料的燃烧导致每年向大气排放28万吨CO2。过程化学本身会排放另外123万吨CO2，故每年的CO2排放总量为151万吨，比对比例1减少了33％。包括燃料、电力和反应热在内的比能耗为每生产一吨氨10.9GJ；仅根据燃料和电力输入计算的比能耗为每生产一吨氨8.9GJ。总供给能量中10.5％的量在烟道气中损失而没有任何归因于蒸汽转化为机械功的低效率的损失，相比之下，在对比例1中分别有18％和40％的能量以这些方式损失了。
实施例2：具有电压缩机和电炉的一级和二级重整
实施例2为对比例1中描述的氨合成过程根据本公开的一个实施方案的又一部分电气化过程V。在过程V中，除了实施例1的电压缩机外，还通过电炉提供部分电气化。该电气化设备/过程V的关键要素在图7中示出；除了能量的提供外，该过程与对比例1中的基本上相同。将59公吨每小时(t/hr)的量的甲烷进料205进给到该过程；从该甲烷进料移除硫和其他有害组分的预处理未包括在此模型中，也未在图7中示出。将194t/hr的量的水211蒸发并与甲烷进料混合。将所得进料215进一步预热并在大约620℃和690psia下进给到一级重整器220A，在其中产生CO、CO2和H2。通过电加热向一级重整器220A供给能量Q1，其提供反应热并进一步加热气体。来自一级重整器220A的产物221与149t/hr的经预热空气进料206合并，并进给到二级自热重整器220B，在其中发生进一步的反应，产生更多的CO、CO2和H2。用于二级重整器220B的能量由在220B的二级重整器中发生的甲烷、CO和H2的氧化供给。来自二级重整器220B的产物被冷却(例如，在冷却A1处)至大约320℃并经过两个水煤气变换反应器230，在其中形成额外的H2和CO2。来自水煤气变换反应器230的产物流234被进一步冷却(例如，在冷却A3处)，随后在CO2移除段240A中纯化，其中154t/hr的CO2通过胺吸收被移除。为了释放被吸收的CO2并再生胺溶液，大量的能量被需要。该能量中的一些通过与来自二级重整器220B和水煤气变换反应器230的冷却气体流热交换获得，但必须供给额外的能量Q3；该能量从辅助锅炉260经由产生和使用的中压蒸汽262获得。来自CO2移除段240A的经纯化产物流241被加热至大约290℃并进给到甲烷化单元240B，在其中剩余的CO(～0.4mol％)和CO2(～0.1mol％)被移除。在A4处甲烷化产物243的进一步冷却和干燥后，将所得气体流244与再循环气体253合并，并在合成回路压缩机C2/C3中压缩至3095psia；用于此压缩的能量(例如，以提供功W2)由电力供给。将经合并和压缩的气体流245预热至大约450℃并送到一系列串联的具有中间冷却的三个氨合成反应器250A；氮的单程转化率为30％。含氨产物流251首先在A5处冷却，其允许热量回收以用于加热其他工艺流，然后再次用空气和冷却水冷却，最后在A6处使用制冷冷却至-34℃，使得125t/hr的液氨产物255可被回收。用于A6处的制冷段的能量(例如，W3)由可再生电力供给。氨回收后，从剩余气体取17t/hr的吹扫205’以移除杂质；该吹扫流的组成为大约12重量％的CH4、11重量％的H2、75重量％的N2和2重量％的NH3。然后将余下的气体流253再循环回合成回路压缩机C2/C3。
该实施例2的部分电气化过程V中存在四个主要的能量消耗者：(1)CO2移除240A中胺溶液的再生，(2)提供动力(例如，W1、W2、W3)以驱动三个大型压缩机：空气压缩机C1、合成回路压缩机C2/C3和A6处的制冷压缩机，(3)加热以提升进料气体的温度(例如，在进料预处理110处)并为一级重整器220A提供反应热，和(4)在第一氨合成反应器250A之前预热进料(例如，在加热B2处)。出于多种其他目的，使用了较少的量的能量。这些操作所需的能量中的一些可通过与正在被冷却的流的热交换获得(例如，预热甲烷化反应器进料(例如，在加热B1处)所需的很多热量可从冷却来自同一反应器(例如，在A4处)的产物气体时移除的热量获得)，但其余的必须外部供给。在实施例2中，在三处供给外部能量：一级重整器220A、辅助锅炉260和用于三个大型压缩机(例如，C1、C2/C3和A6处的制冷压缩机)的动力。一级重整器220A以电的方式加热；使用72MW的可再生电力来生成68MW的热量。与对比例1相比，一级重整器炉中没有对流段并且没有来自该加热的烟气损失。辅助锅炉260消耗7.0t/hr的天然气，所含化学能为107MW。向三个大型压缩机供给量为114MW的电力；以93％的效率，做了与对比例1中需要424MW的高压蒸汽263所做的相同的功。另外，虽然一些反应是吸热的(例如，220A处的蒸汽重整)，但实施例2的净反应组是放热的并生成约70MW的能量，该能量可在别处使用。如何以最高的效率最有效地将此能量分配给过程中的各个能量消耗者是一个工程问题，本领域技术人员可在阅读本公开后经由温度的仔细匹配、能量类型和能量含量来解决该问题。能量可经由热交换直接传递，也可被转化为蒸汽用于热交换或做机械功，如驱动压缩机。在实施例2中，采用了最大化各种工艺流之间的热交换的策略；假定可得到的热量可在相应的温度下有效地从可得到的地方移动至需要的地方。这代表了最大热整合策略并最小化了外部能量输入，但其他布置也是可能的，如果这对于本领域技术人员将是显而易见的。使用燃烧来供给过程所需的一些外部能量输入伴随着一个缺点——来自该锅炉的烟道气或烟气含有由于其低温和水的难以冷凝而无法有效回收的能量。在实施例2的过程中，这种浪费的能量共计仅22MW，比对比例1减少了84％。在流被冷却但热量不能有效回收的若干工艺步骤中，例如在来自250A处的氨合成反应器的产物流的最终冷却中，也会损失能量。
表2示出了实施例2的过程的能量使用值。如表2中所见，通过在辅助锅炉260中燃烧天然气供给107MW的量的能量，比对比例1减少了84％。供给186MW的量的可再生电力，并获得额外的70MW作为反应的净放热热量。过程V的总净能量输入为363MW，但大量(>400MW)的能量也在内部从热产物流的冷却传递至进料流的加热。在向220A处的一级重整器供给的72MW中，全部供给给反应器；在此实施方案中，一级重整器炉中无对流段且无烟气。向辅助锅炉260供给的量为107MW，其中的86MW用于为CO2移除240A供给热量，其中的21MW在烟气中损失到大气。总共22MW或供给的净外部能量中的6.1％在来自辅助锅炉260的烟气中损失。另外12MW或供给的净外部能量中的3.3％由于电力使用中的低效率而损失。
从表2中的数据可进一步看出，每年的燃料气体总消耗量为56000吨。这种燃料的燃烧导致每年向大气排放15.5万吨CO2。过程化学本身会排放另外123万吨CO2，故每年的CO2排放总量为138万吨，比对比例1减少了39％。包括燃料、电力和反应热在内的比能耗为每生产一吨氨10.5GJ；仅根据燃料和电力输入计算的比能耗为每生产一吨氨8.4GJ。总供给能量中9.4％的量在烟道气中和因电效率低下而损失；在此实施方案中，没有任何归因于蒸汽转化为机械功的低效率的损失。
实施例3：具有电压缩机和电重沸器的一级和二级重整
实施例3为对比例1中描述的氨合成过程根据本公开的一个实施方案的不同部分电气化过程VI。在过程VI中，除了实施例1的电压缩机外，还通过(CO2移除240A的)电重沸器提供部分电气化。该电气化设备VI的关键要素在图8中示出；除了能量的提供外，该过程与对比例1中的基本上相同。将59公吨每小时(t/hr)的量的甲烷进料205进给到该过程；从该甲烷进料移除硫和其他有害组分的预处理未包括在此模型中，也未在图8中示出。将194t/hr的量的水211蒸发并与甲烷进料混合。将所得进料215进一步预热并在大约620℃和690psia下进给到一级重整器220A，在其中产生CO、CO2和H2。能量Q1由天然气炉供给到一级重整器220A，该天然气炉提供反应热并进一步加热气体；该炉的燃烧还导致能量输入Q2，其在对流段中传递以预热进料水/甲烷混合物215，和能量损失Q5，其为在烟气中损失的能量。来自一级重整器220A的产物221与149t/hr的经预热空气进料206合并，并进给到二级自热重整器220B，在其中发生进一步的反应，产生更多的CO、CO2和H2。用于二级重整器220B的能量由在二级重整器自身中发生的甲烷、CO和H2的氧化供给。来自二级重整器220B的产物222被冷却(例如，在冷却A1处)至大约320℃并经过两个水煤气变换反应器230，在其中形成额外的H2和CO2。来自水煤气变换反应器230的产物流234被进一步冷却(例如，在A3处)，随后在CO2移除段240A中纯化，其中154t/hr的CO2通过胺吸收被移除。为了释放被吸收的CO2并再生胺溶液，大量的能量被需要。该能量中的一些通过与来自二级重整器220B和水煤气变换反应器230的冷却气体流热交换获得，但必须供给额外的能量Q3；在实施例3中，该能量自电加热(例如，电重沸器)获得。来自CO2移除段240A的经纯化产物流241被加热至大约290℃并进给到甲烷化单元240B，在其中剩余的CO(～0.4mol％)和CO2(～0.1mol％)被移除。在A4处甲烷化产物243的进一步冷却和干燥后，将所得气体流244与再循环气体253合并，并在合成回路压缩机C2/C3中压缩至3095psia；在此实施方案中，用于此压缩的能量(例如，对于功W2)由电力供给。将经合并和压缩的气体流245预热(例如，在加热B2处)至大约450℃并送到一系列串联的具有中间冷却的三个氨合成反应器250A；氮的单程转化率为30％。含氨产物流251首先在A5处冷却，其允许热量回收以用于加热其他工艺流，然后再次用空气和冷却水冷却，最后在A6处使用制冷冷却至-34℃，使得125t/hr的液氨产物255可被回收。用于A6处的制冷段的能量(例如，功W3)由可再生电力供给。氨回收后，从剩余气体取17t/hr的吹扫205’以移除杂质；该吹扫流的组成为大约12重量％的CH4、11重量％的H2、75重量％的N2和2重量％的NH3。然后将余下的气体流253再循环回合成回路压缩机C2/C3。
该实施例3的部分电气化过程VI中存在四个主要的能量消耗者：(1)CO2移除240A中胺溶液的再生，(2)提供动力(例如，对于功W1、W2、W3)以驱动三个大型压缩机：空气压缩机C1、合成回路压缩机C2/C3和A6处的制冷压缩机，(3)加热以提升进料气体的温度(例如，在进料预处理110处)并为一级重整器220A提供反应热，和(4)在第一氨合成反应器250A之前预热进料(例如，在加热B2处)。出于多种其他目的，使用了较少的量的能量。这些操作所需的能量中的一些可通过与正在被冷却的流的热交换获得(例如，预热甲烷化反应器进料(例如，在加热B1处)所需的很多热量可从在冷却(例如，在A4处)来自同一反应器的产物气体243时所移除的热量获得)，但其余的必须外部供给。在实施例3中，在三处供给外部能量：一级重整器220A、用于240A处的CO2移除系统中胺汽提溶液的再生的电加热、和用于三个大型压缩机的动力。一级重整器220A的一级重整器炉消耗7.3t/hr的天然气，所含化学能(高热值，或HHV)为111MW。向CO2移除系统240A供给量为72MW的电力，以95％的效率生成68MW的热量。向三个大型压缩机供给量为114MW的电力；以93％的效率，做了与对比例1中需要424MW的高压蒸汽263所做的相同的功。另外，虽然一些反应是吸热的(例如，220A处的蒸汽重整)，但实施例3的净反应组是放热的并生成约70MW的能量，该能量可在别处使用。如何以最高的效率最有效地将此能量分配给过程中的各个能量消耗者是一个工程问题，本领域技术人员可在阅读本公开后经由温度的仔细匹配、能量类型和能量含量来解决该问题。能量可经由热交换直接传递，也可被转化为蒸汽用于热交换或做机械功，如驱动压缩机。在实施例3中，采用了最大化各种工艺流之间的热交换的策略；假定可得到的热量可在相应的温度下有效地从可得到的地方移动至需要的地方。这代表了最大热整合策略并最小化了外部能量输入，但其他布置也是可能的，如果这对于本领域技术人员将是显而易见的。使用燃烧来供给过程所需的一些外部能量输入伴随着一个缺点——来自该炉的烟道气或烟气含有由于其低温和水的难以冷凝而无法有效回收的能量。在实施例3的过程中，这种浪费的能量共计仅23MW，比对比例1减少了84％。在流被冷却但热量不能有效回收的若干工艺步骤中，例如在来自250A处的氨合成反应器的产物流的最终冷却中，也会损失能量。
表2示出了实施例3的过程的能量使用值。如表2中所见，通过在220A处的二级重整器炉中燃烧天然气供给111MW的量的能量，但没有能量是通过辅助锅炉供给的。供给186MW的量的可再生电力。获得额外的70MW作为反应的净放热热量。过程的总净能量输入为367MW，但大量(>400MW)的能量也在内部从热产物流的冷却传递至进料流的加热。总共23MW或供给的净外部能量中的6.3％在烟气(例如，来自220A处的重整器炉)中损失。另外12MW或供给的净外部能量中的3.3％由于电力使用中的低效率而损失。
从表2中的数据可进一步看出，每年的燃料气体总消耗量为58000吨。这种燃料的燃烧导致每年向大气排放16.0万吨CO2。过程化学本身会排放另外123万吨CO2，故每年的CO2排放总量为139万吨，比对比例1减少了39％。包括燃料、电力和反应热在内的比能耗为每生产一吨氨10.6GJ；仅根据燃料和电力输入计算的比能耗为每生产一吨氨8.6GJ。总供给能量中的9.5％在烟道气中及由于电效率低下而损失；在此实施方案中，没有任何归因于蒸汽转化为机械功的低效率的损失。
实施例4：一级和二级重整-全电气
实施例4为对比例1中描述的氨合成过程根据本公开的一个实施方案的近完全电气化过程VII；没有供给来自燃烧的外部能量，但由于在220B处的二级自热重整器中甲烷、一氧化碳和氢气的氧化，故在过程内仍然存在一些燃烧。在过程VII中，通过电压缩机(如在实施例1-3中)、一级重整器220A中的电炉(如在实施例2中)和电重沸器(如在实施例3中)提供近完全电气化。该电气化设备或过程VII的关键要素在图9中示出；除了能量的提供外，该过程与对比例1中的基本上相同。将59公吨每小时(t/hr)的量的甲烷进料205进给到该过程；从该甲烷进料移除硫和其他有害组分的预处理未包括在此模型中，也未在图8中示出。将194t/hr的量的水211蒸发并与甲烷进料混合。将所得进料215进一步预热(例如，在进料预处理110处)并在大约620℃和690psia下进给到一级重整器220A，在其中产生CO、CO2和H2。通过电加热向一级重整器220A供给能量Q1，其提供反应热并进一步加热气体。来自一级重整器221的产物与149t/hr的经预热空气进料206合并，并进给到二级自热重整器220B，在其中发生进一步的反应，产生更多的CO、CO2和H2。用于二级重整器220B的能量由在二级重整器220B中发生的甲烷、CO和H2的氧化供给。来自二级重整器220B的产物222被冷却(例如，在冷却A1处)至大约320℃并经过两个水煤气变换反应器230，在其中形成额外的H2和CO2。来自水煤气变换反应器230的产物流234被进一步冷却(例如，在冷却A1/A2处)，随后在CO2移除段240A中纯化，其中154t/hr的CO2通过胺吸收被移除。为了释放被吸收的CO2并再生胺溶液，大量的能量被需要。该能量中的一些通过与来自二级重整器220B和水煤气变换反应器230的冷却气体流热交换获得，但必须供给额外的能量Q3；在实施例4中，该能量自电加热获得。来自CO2移除段240A的经纯化产物流241被加热至大约290℃并进给到甲烷化单元240B，在其中剩余的CO(～0.4mol％)和CO2(～0.1mol％)被移除。在A4处甲烷化产物243的进一步冷却和干燥后，将所得气体流244与再循环气体253合并，并在合成回路压缩机C2/C3中压缩至3095psia；在此实施方案中，用于此压缩的能量由电力供给。将经合并和压缩的气体流245预热(例如，在加热B2处)至大约450℃并送到一系列串联的具有中间冷却的三个氨合成反应器250A；氮的单程转化率为30％。含氨产物流251首先在A5处冷却，其允许热量回收以用于加热其他工艺流，然后再次用空气和冷却水冷却，最后在A6处使用制冷冷却至-34℃，使得125t/hr的液氨产物255可被回收。在此实施方案中，用于制冷段A6的能量由可再生电力供给。氨回收后，从剩余气体取17t/hr的吹扫205’以移除杂质；该吹扫流的组成为大约12重量％的CH4、11重量％的H2、75重量％的N2和2重量％的NH3。然后将余下的气体流253再循环回合成回路压缩机C2/C3。
该实施例4的电气化过程中存在四个主要的能量消耗者：(1)CO2移除240A中胺溶液的再生，(2)提供动力(例如，W1、W2、W3)以驱动三个大型压缩机：空气压缩机C1、合成回路压缩机C2/C3和A6处的制冷压缩机，(3)加热(例如，在进料预处理110处)以提升进料气体的温度并为一级重整器220A提供反应热，和(4)在250A处的第一氨合成反应器之前预热(例如，在加热B2处)进料。出于多种其他目的，使用了较少的量的能量。这些操作所需的能量中的一些可通过与正在被冷却的流的热交换获得(例如，预热(例如，在加热B1处)甲烷化反应器进料所需的很多热量可从在冷却(例如，在A4处)来自同一反应器的产物气体时所移除的热量获得)，但其余的必须外部供给。在实施例4中，在三处供给外部能量：220A处的一级重整器、用于240A处的CO2移除系统中胺汽提溶液的再生的加热、和用于三个大型压缩机的动力。全部该能量在实施例4中以电的方式供给。220A处的一级重整器以电的方式加热；使用72MW的可再生电力来生成68MW的热量。与对比例1相比，一级重整器炉中没有对流段并且没有来自该加热的烟气损失。向CO2移除系统240A供给量为72MW的电力，以95％的效率生成68MW的热量。向三个大型压缩机供给量为114MW的电力；以93％的效率，做了与对比例1中需要424MW的高压蒸汽263所做的相同的功。另外，虽然一些反应是吸热的(例如，220A处的蒸汽重整)，但实施例4的净反应组是放热的并生成约70MW的能量，该能量可在别处使用。如何以最高的效率最有效地将此能量分配给过程中的各个能量消耗者是一个工程问题，本领域技术人员可在阅读本公开后经由温度的仔细匹配、能量类型和能量含量来解决该问题。能量可经由热交换直接传递，也可被转化为蒸汽用于热交换或做机械功，如驱动压缩机。在实施例4中，采用了最大化各种工艺流之间的热交换的策略；假定可得到的热量可在相应的温度下有效地从可得到的地方移动至需要的地方。这代表了最大热整合策略并最小化了外部能量输入，但其他布置也是可能的，如果这对于本领域技术人员将是显而易见的。使用燃烧来供给过程所需的一些外部能量输入伴随着一个缺点——来自炉子和锅炉的烟道气或烟气含有由于其低温和水的难以冷凝而无法有效回收的能量。在实施例4的过程中，没有烟气损失，比对比例1减少了100％。在流被冷却但热量不能有效回收的若干工艺步骤中，例如在来自氨合成反应器250A的产物流的最终冷却中，也会损失能量。
表2示出了实施例4的过程VII的能量使用值。如表2中所见，供给276MW的可再生电力。获得额外的70MW作为反应的净放热热量。过程的总净能量输入为347MW，但大量(>400MW)的能量也在内部从热产物流的冷却传递至进料流的加热。仅16MW，或供给的净外部能量中的4.6％，由于电力使用中的低效率而损失。
从表2中的数据可进一步看出，实施例4中未消耗燃料气体。因为这个缘故，唯一排放的CO2是由过程化学本身形成的123万吨CO2；这代表与对比例1相比46％的减少。包括电力和反应热在内的比能耗为每生产一吨氨10.0GJ；仅根据电输入计算的比能耗为每生产一吨氨8.0GJ。由于能量使用中的低效率而损失的16MW的量的能量仅为对比例1中损失到烟气和蒸汽-机械能转化的能量的约三十分之一。
对比例2：仅经由一级(SMR)重整的常规氨合成
进行过程模拟以确定用于生产氨的过程VIII的热量和质量流量。此对比例2中采用的过程模拟使用Aspen进行。对比例2的过程，如图10中所示，示意了一种合成氨的替代设计，在此设计中不使用自热重整器，相比之下，在上述对比例1和实施例1-4中，自热重整器通过过程甲烷、CO和氢气的燃烧而内部生成热量。设计参数取自具体设备的知识以及关于典型过程操作的文献信息。尽管变型对于本领域技术人员来说显而易见，但该对比例2代表了这样一种过程，该过程可用作比较根据本公开的实施方案的电气化改造的效果的基础。虽然图10-14的过程仅包括唯一的一个重整段，但该重整段在下文中将被称为一级重整段。
对比例2的过程VIII被配置为每小时生产125公吨氨。如果一年运行典型的8000小时，则这将导致一百万吨氨的生产，但由于故障和维护导致的停机时间的变化可能会增加或减少此输出。这种规模是当今建造的典型的大型氨设备。
如图10中所示(其已被简化以仅示出该对比例2的过程的基本特征)，将53公吨每小时(t/hr)的纯甲烷进料205进给到该过程；从该甲烷进料移除硫和其他有害组分的预处理未包括在此模型中，也未在图10中示出。将176t/hr的量的水211蒸发并与甲烷进料混合。将所得进料215进一步预热(例如，在进料预处理110处)并在大约690psia下进给到一级重整器220A(其可以是唯一的一个重整器或重整器段)，在其中产生CO、CO2和H2。通过天然气炉向一级重整器220A供给能量Q1，其供给反应热并进一步加热气体。来自一级重整器220A的产物221被冷却(例如，在冷却A1处)至大约320℃并经过两个水煤气变换反应器230，在其中形成额外的H2和CO2。来自水煤气变换反应器230的产物流234被进一步冷却(例如，在冷却A2和/或A3处)，随后在CO2移除段240A中纯化，其中129t/hr的CO2通过胺吸收被移除。为了释放被吸收的CO2并再生胺溶液，大量的能量被需要。该能量中的一些通过与来自一级重整器220A和水煤气变换反应器230的冷却气体流热交换获得，但必须供给额外的能量Q3；该能量从辅助锅炉260经由从BFW 261产生和使用的中压蒸汽262获得。来自CO2移除段240A的经纯化产物流241被加热(例如，在加热B1处)至大约290℃并进给到甲烷化单元240B，在其中剩余的CO(～0.4mol％)和CO2(～0.1mol％)被移除。在A4处甲烷化产物243的进一步冷却和干燥后，添加量为109t/hr的氮气266，并将所得气体流244与再循环气体253合并，并在合成回路压缩机C2和/或C3中压缩至3095psia；用于此压缩的能量(例如，功W2)由从辅助锅炉260获得的高压蒸汽供给。将经合并和压缩的气体流245预热至大约450℃(例如，在加热B2处)并送到一系列串联的具有中间冷却的三个氨合成反应器250A；氮的单程转化率为33％。含氨产物流251首先在A5处冷却，其允许热量回收以用于加热其他工艺流，然后再次用空气和冷却水冷却，最后在A6处使用制冷冷却至-34℃，使得125t/hr的液氨产物255可被回收。用于制冷段A6的能量(例如，功W3)由从辅助锅炉260获得的高压蒸汽263供给。氨回收后，从剩余气体取17t/hr的吹扫205’以移除杂质；该吹扫流的组成为大约25重量％的CH4、11重量％的H2、62重量％的N2和2重量％的NH3。然后将余下的气体流253再循环回合成回路压缩机C2和/或C3。
该对比例2的常规过程VIII中存在四个主要的能量消耗者：(1)CO2移除240A中胺溶液的再生，(2)提供动力以经由压缩机涡轮机265驱动两个大型压缩机：合成回路压缩机C2/C3和A6处的制冷压缩机，(3)加热(例如，在进料预处理110处)以提升进料气体的温度并为一级重整器220A提供反应热，和(4)在第一氨合成反应器250A之前预热(例如，在加热B2处)进料。通常，电力的消耗非常少，主要用于一些较小的泵。这些操作所需的能量中的一些可通过与正在被冷却的流的热交换获得(例如，预热(例如，在加热B1处)甲烷化反应器进料所需的很多热量可从在冷却(例如，在A4处)来自同一反应器的产物气体时所移除的热量获得)，但其余的必须外部供给并常规地通过烧燃料生成。在对比例2中，在两处供给外部能量：一级重整器220A的一级重整器炉、和辅助锅炉260。一级重整器炉消耗21.1t/hr的天然气，所含化学能(高热值，或HHV)为322MW。辅助锅炉260消耗29.9t/hr的天然气，所含化学能为455MW。另外，虽然一些反应是放热的(例如，250A处的氨合成)，但对比例2的净反应组是吸热的并需要提供约67MW的能量。(相比之下，对比例1的净反应组是放热的。)如何以最高的效率最有效地将可得到的能量分配给过程中的各个能量消耗者是一个工程问题，本领域技术人员可在阅读本公开后经由温度的仔细匹配、能量类型和能量含量来解决该问题。能量可经由热交换直接传递，也可被转化为蒸汽用于热交换或做机械功，如驱动压缩机。在对比例2中，采用了最大化各种工艺流之间的热交换的策略；假定可得到的热量可在相应的温度下有效地从可得到的地方移动至需要的地方。这代表了最大热整合策略并最小化了外部能量输入，但其他布置也是可能的，如果这对于本领域技术人员将是显而易见的。使用燃烧来供给过程所需的一些外部能量输入伴随着一个缺点——来自这些炉子和锅炉的烟道气或烟气含有由于其低温和水的难以冷凝而无法有效回收的能量。例如，在对比例2的过程中，这种浪费的能量共计为155MW。在流被冷却但热量不能有效回收的若干工艺步骤中，例如在来自氨合成反应器250A的产物流的最终冷却中，也会损失能量。
表3示出了对比例2的过程VIII的能量使用值。如表3中所见，通过在一级重整器220A的重整器炉和辅助锅炉260中燃烧天然气供给777MW的量的能量。在此能量中，需要67MW来供给反应的净吸热热量。在减去这之后，输入到过程中用于其他用途的可得净能量为710MW，但大量(>400MW)的能量也在内部从热产物流的冷却传递至进料流的加热。在一级重整器炉中消耗的322MW中，使用辐射段来提供168MW以进一步加热气体并供给反应热；另外的90MW在对流段中传递以提供工艺用热。剩余的64MW在烟气中损失到大气。向辅助锅炉260供给的量为455MW，其中的15MW用于为CO2移除240A供给热量，其中的349MW为两个大型压缩机：合成回路压缩机C2/C3和A6处的制冷压缩机提供动力；91MW在烟气中损失到大气。总共155MW或供给的净可得能量中的22％在来自一级重整器220A处的重整器炉和辅助锅炉260的烟气中损失。
从表3中的数据可进一步看出，每年的燃料气体总消耗量为448000吨。这种燃料的燃烧导致每年向大气排放123万吨CO2。过程化学本身会排放另外110万吨CO2，故每年的CO2排放总量为233万吨。在从燃料输入减去反应热后的比能耗为每生产一吨氨19.2GJ；仅根据燃料输入计算的比能耗为每生产一吨氨21.0GJ。净可得能量中37％的量(710MW中的262MW)因蒸汽转化为机械功的低效率而损失；总供给能量中的另外22％(155MW)从烟道气损失到大气中。
实施例5：具有电压缩机的仅一级(SMR)重整
实施例5为对比例2中描述的氨合成过程根据本公开的一个实施方案的部分电气化过程IX。在过程IX中，部分电气化由电压缩机提供。该电气化设备IX的关键要素在图11中示出；除了能量的提供外，该过程与对比例2中的基本上相同。实施例5的过程被配置为每小时生产125公吨氨。如果一年运行典型的8000小时，则这将导致一百万吨氨的生产，但由于故障和维护导致的停机时间的变化可能会增加或减少此输出。这种规模是当今建造的典型的大型氨设备。
如图11中所示(其已被简化以仅示出该实施例5的过程的基本特征)，将53公吨每小时(t/hr)的甲烷进料205进给到该过程；从该甲烷进料移除硫和其他有害组分的预处理未包括在此模型中，也未在图11中示出。将176t/hr的量的水211蒸发并与甲烷进料混合。将所得进料215进一步预热(例如，在进料预处理110处)并在大约690psia下进给到一级重整器220A，在其中产生CO、CO2和H2。通过天然气炉向一级重整器220A供给能量Q1，其供给反应热并进一步加热气体。来自一级重整器220A的产物221被冷却(例如，在冷却A1处)至大约320℃并经过两个水煤气变换反应器230，在其中形成额外的H2和CO2。来自水煤气变换反应器230的产物流234被进一步冷却(例如，在冷却A2和/或A3处)，随后在CO2移除段240A中纯化，其中129t/hr的CO2通过胺吸收被移除。为了释放被吸收的CO2并再生胺溶液，大量的能量被需要。该能量中的一些通过与来自一级重整器220A和水煤气变换反应器230的冷却气体流热交换获得，但必须供给额外的能量Q3；该能量从辅助锅炉260经由从BFW 261产生和使用的中压蒸汽262获得。来自CO2移除段240A的经纯化产物流241被加热(例如，在加热B1处)至大约290℃并进给到甲烷化单元240B，在其中剩余的CO(～0.4mol％)和CO2(～0.1mol％)被移除。在A4处甲烷化产物243的进一步冷却和干燥后，添加109t/hr的氮气266，并将所得气体流244与再循环气体253合并，并在合成回路压缩机C2/C3中压缩至3095psia；在此实施方案中，用于此压缩的能量(例如，对于功W2)由可再生电力供给。将经合并和压缩的气体流245预热(例如，在加热B2处)至大约450℃并送到一系列串联的具有中间冷却的三个氨合成反应器250A；氮的单程转化率为33％。含氨产物流251首先在A5处冷却，其允许热量回收以用于加热其他工艺流，然后再次用空气和冷却水冷却，最后在二次冷却A6处使用制冷冷却至-34℃，使得125t/hr的液氨产物255可被回收。在此实施方案中，用于制冷段A6的能量(例如，对于功W3)由可再生电力供给。氨回收后，从剩余气体取17t/hr的吹扫205’以移除杂质；该吹扫流的组成为大约25重量％的CH4、11重量％的H2、62重量％的N2和2重量％的NH3。然后将余下的气体流253再循环回合成回路压缩机C2/C3。
该实施例5的常规过程IX中存在四个主要的能量消耗者：(1)240A处CO2移除中胺溶液的再生，(2)提供动力以驱动两个大型压缩机：合成回路压缩机C2/C3和A6处的制冷压缩机，(3)加热(例如，在进料预处理110处)以提升进料气体的温度并为一级重整器220A提供反应热，和(4)在第一氨合成反应器250A之前预热进料(例如，在加热B2处)。出于多种其他目的，使用了较少的量的能量。这些操作所需的能量中的一些可通过与正在被冷却的流的热交换获得(例如，预热(例如，在加热B1处)甲烷化反应器进料所需的很多热量可从在冷却来自同一反应器的产物气体243时所移除(例如，在A4处)的热量获得)，但其余的必须外部供给。在实施例5中，在三处供给外部能量：一级重整器220A处的一级重整器炉、辅助锅炉260和用于为大型压缩机提供动力的可再生电力。一级重整器炉消耗21.1t/hr的天然气，所含化学能(高热值，或HHV)为322MW。辅助锅炉260消耗1.2t/hr的天然气，所含化学能为18MW。向两个大型压缩机供给量为94MW的电力；以93％的效率，做了与对比例2中需要349MW的高压蒸汽263所做的相同的功。另外，虽然一些反应是放热的(例如，250A处的氨合成)，但实施例5的净反应组是吸热的并需要提供约67MW的能量。如何以最高的效率最有效地将可得能量分配给过程中的各个能量消耗者是一个工程问题，本领域技术人员可在阅读本公开后经由温度的仔细匹配、能量类型和能量含量来解决该问题。能量可经由热交换直接传递，也可被转化为蒸汽用于热交换或做机械功，如驱动压缩机。在实施例5中，采用了最大化各种工艺流之间的热交换的策略；假定可得到的热量可在相应的温度下有效地从可得到的地方移动至需要的地方。这代表了最大热整合策略并最小化了外部能量输入，但其他布置也是可能的，如果这对于本领域技术人员将是显而易见的。使用燃烧来供给过程所需的一些外部能量输入伴随着一个缺点——来自这些炉子和锅炉的烟道气或烟气含有由于其低温和水的难以冷凝而无法有效回收的能量。例如，在实施例5的过程中，这种浪费的能量共计为68MW，比对比例2减少了56％。在流被冷却但热量不能有效回收的若干工艺步骤中，例如在来自250A处的氨合成反应器的产物流的最终冷却中，也会损失能量。
表3示出了实施例5的过程IX的能量使用值。如表3中所见，通过在一级重整器220A的重整器炉和辅助锅炉260中燃烧天然气供给340MW的量的能量，比对比例2减少了56％。另外94MW的能量以电力供给。在总的能量中，需要67MW来供给反应的净吸热热量。在减去这之后，输入到过程中用于其他用途的可得净能量为367MW，但大量(>400MW)的能量也在内部从热产物流的冷却传递至进料流的加热。在一级重整器炉中消耗的322MW中，使用辐射段来提供168MW以进一步加热气体并供给反应热；另外的90MW在对流段中传递以提供工艺用热。剩余的64MW在烟气中损失到大气。向辅助锅炉260供给的量为18MW，其中的15MW被用于为CO2移除240A供给热量；其中的91MW在烟气中损失到大气。总共68MW或供给的净可得能量中的19％在来自一级重整器220A的重整器炉和辅助锅炉260的烟气中损失。
从表3中的数据可进一步看出，过程IX每年的燃料气体总消耗量为179000吨。这种燃料的燃烧导致每年向大气排放49万吨CO2。过程化学本身会排放另外110万吨CO2，故每年的CO2排放总量为159万吨，比对比例2减少了32％。在从燃料和电力输入减去反应热后的比能耗为每生产一吨氨9.9GJ；仅根据燃料和电力输入计算的比能耗为每生产一吨氨11.8GJ。总可得能量中19％的量从烟道气损失到大气中，但没有任何归因于蒸汽转化为机械功的低效率的损失，相比之下，在对比例2中分别有22％和37％的能量以这些方式损失了。
实施例6：具有电压缩机和电重整器的仅一级(SMR)重整
实施例6为对比例2中描述的氨合成过程根据本公开的一个实施方案的部分电气化过程X。在过程X中，除了实施例5的电压缩机外，还通过一级重整器220A的电炉提供部分电气化。该电气化设备X的关键要素在图12中示出；除了能量的提供外，该过程与对比例2中的基本上相同。实施例6的过程被配置为每小时生产125公吨氨。如果一年运行典型的8000小时，则这将导致一百万吨氨的生产，但由于故障和维护导致的停机时间的变化可能会增加或减少此输出。这种规模是当今建造的典型的大型氨设备。
如图12中所示(其已被简化以仅示出该实施例6的过程的基本特征)，将53公吨每小时(t/hr)的甲烷进料205进给到该过程；从该甲烷进料移除硫和其他有害组分的预处理未包括在此模型中，也未在图12中示出。将176t/hr的量的水211蒸发并与甲烷进料混合。将所得进料215进一步预热(例如，在进料预处理110处)并在大约690psia下进给到一级重整器220A，在其中产生CO、CO2和H2。通过电加热向一级重整器220A供给能量Q1，其供给反应热并进一步加热气体。来自一级重整器220A的产物221被冷却(例如，在冷却A1处)至大约320℃并经过两个水煤气变换反应器230，在其中形成额外的H2和CO2。来自水煤气变换反应器230的产物流234被进一步冷却(例如，在冷却A2和/或A3处)，随后在CO2移除段240A中纯化，其中129t/hr的CO2通过胺吸收被移除。为了释放被吸收的CO2并再生胺溶液，大量的能量被需要。该能量中的一些通过与来自一级重整器220A和水煤气变换反应器230的冷却气体流热交换获得，但必须供给额外的能量Q3；该能量从辅助锅炉260经由从BFW 261产生和使用的中压蒸汽262获得。来自CO2移除段240A的经纯化产物流241被加热(例如，在加热B1处)至大约290℃并进给到甲烷化单元240B，在其中剩余的CO(～0.4mol％)和CO2(～0.1mol％)被移除。在A4处甲烷化产物243的进一步冷却和干燥后，添加109t/hr的氮气266，并将所得气体流244与再循环气体253合并，并在合成回路压缩机C2/C3中压缩至3095psia；在此实施方案中，用于此压缩的能量(例如，对于功W2)由电力供给。将经合并和压缩的气体流245预热(例如，在加热B2中)至大约450℃并送到一系列串联的具有中间冷却的三个氨合成反应器250A；氮的单程转化率为33％。含氨产物流251首先在A5处冷却，其允许热量回收以用于加热其他工艺流，然后再次用空气和冷却水冷却，最后在A6处使用制冷冷却至-34℃，使得125t/hr的液氨产物255可被回收。在此实施方案中，用于A6处制冷段的能量(例如，对于功W3)由可再生电力供给。氨回收后，从剩余气体取17t/hr的吹扫205’以移除杂质；该吹扫流的组成为大约25重量％的CH4、11重量％的H2、62重量％的N2和2重量％的NH3。然后将余下的气体流253再循环回合成回路压缩机C2/C3。
该实施例6的过程X中存在四个主要的能量消耗者：(1)CO2移除240A中胺溶液的再生，(2)提供动力以驱动两个大型压缩机，例如合成回路压缩机C2/C3和A6处的制冷压缩机分别需要的功W2和W3，(3)加热(例如，在进料预处理110处)以提升进料气体的温度并为一级重整器220A提供反应热，和(4)在第一氨合成反应器250A之前预热(例如，在加热B2处)进料。出于多种其他目的，使用了较少的量的能量。这些操作所需的能量中的一些可通过与正在被冷却的流的热交换获得(例如，预热(例如，在加热B1处)甲烷化反应器进料所需的很多热量可从在冷却(例如，在A4处)来自同一反应器的产物气体时所移除的热量获得)，但其余的必须外部供给。在实施例6中，在三处供给外部能量：一级重整器220A的一级重整器炉、辅助锅炉260和用于为两个大型压缩机提供动力的可再生电力。在此实施方案中，一级重整器220A以电的方式加热；使用210MW的可再生电力来生成200MW的热量。与对比例2相比，一级重整器炉中没有对流段并且没有来自该加热的烟气损失。辅助锅炉260消耗5.5t/hr的天然气，所含化学能为84MW。向两个大型压缩机供给量为94MW的电力；以93％的效率，做了与对比例2中需要349MW的高压蒸汽263所做的相同的功。另外，虽然一些反应是放热的(例如，250A处的氨合成)，但实施例6的净反应组是吸热的并需要提供约67MW的能量。如何以最高的效率最有效地将可得能量分配给过程中的各个能量消耗者是一个工程问题，本领域技术人员可在阅读本公开后经由温度的仔细匹配、能量类型和能量含量来解决该问题。能量可经由热交换直接传递，也可被转化为蒸汽用于热交换或做机械功，如驱动压缩机。在实施例6中，采用了最大化各种工艺流之间的热交换的策略；假定可得到的热量可在相应的温度下有效地从可得到的地方移动至需要的地方。这代表了最大热整合策略并最小化了外部能量输入，但其他布置也是可能的，如果这对于本领域技术人员将是显而易见的。使用燃烧来供给过程所需的一些外部能量输入伴随着一个缺点——来自这些炉子和锅炉的烟道气或烟气含有由于其低温和水的难以冷凝而无法有效回收的能量。例如，在实施例6的过程中，这种浪费的能量共计为17MW，比对比例2减少了89％。在流被冷却但热量不能有效回收的若干工艺步骤中，例如在来自250A处的氨合成反应器的产物流的最终冷却中，也会损失能量。
表3示出了实施例6的过程的能量使用值。如表3中所见，通过在辅助锅炉260中燃烧天然气供给84MW的量的能量，比对比例2中的燃料消耗减少了89％。另外304MW的能量以电力供给。在总的能量中，需要67MW来供给反应的净吸热热量。在减去这之后，输入到过程中用于其他用途的可得净能量为321MW，但大量(>400MW)的能量也在内部从热产物流的冷却传递至进料流的加热。在向一级重整器220A供给的72MW可再生电力中，全部供给给反应器；在此实施方案的一级重整器220A中无对流段且无烟气产生。向辅助锅炉260供给的量为84MW，其中的67MW被用于为CO2移除240A供给热量；其中17MW或可得净外部能量中的5.3％在烟气中损失到大气。另外17MW或可得净外部能量中的5.3％由于电力使用中的低效率而损失。
从表3中的数据可进一步看出，每年的燃料气体总消耗量为44000吨。这种燃料的燃烧导致每年向大气排放12万吨CO2。过程化学本身会排放另外110万吨CO2，故每年的CO2排放总量为122万吨，比对比例2减少了48％。在从燃料和电力输入减去反应热后的比能耗为每生产一吨氨8.7GJ；仅根据燃料和电力输入计算的比能耗为每生产一吨氨10.5GJ。总可得能量中仅5％从烟道气损失到大气中，但没有任何归因于蒸汽转化为机械功的低效率的损失，相比之下，在对比例2中分别有22％和37％的能量以这些方式损失了。
实施例7：具有电压缩机和电重沸器的仅一级(SMR)重整
实施例7为对比例2中描述的氨合成过程根据本公开的一个实施方案的部分电气化过程XI。在过程XI中，除了实施例5的电压缩机外，还通过电重沸器(如在实施例3中)提供部分电气化。该电气化设备XI的关键要素在图13中示出；除了能量的提供外，该过程与对比例2中的基本上相同。实施例7的过程被配置为每小时生产125公吨氨。如果一年运行典型的8000小时，则这将导致一百万吨氨的生产，但由于故障和维护导致的停机时间的变化可能会增加或减少此输出。这种规模是当今建造的典型的大型氨设备。
如图13中所示(其已被简化以仅示出该实施例7的过程的基本特征)，将53公吨每小时(t/hr)的甲烷进料205进给到该过程；从该甲烷进料移除硫和其他有害组分的预处理未包括在此模型中，也未在图13中示出。将176t/hr的量的水211蒸发并与甲烷进料混合。将所得进料215进一步预热(例如，在进料预处理110处)并在大约690psia下进给到一级重整器220A，在其中产生CO、CO2和H2。通过天然气炉向一级重整器220A供给能量Q1，其供给反应热并进一步加热气体。来自一级重整器220A的产物221被冷却(例如，在冷却A1处)至大约320℃并经过两个水煤气变换反应器230，在其中形成额外的H2和CO2。来自水煤气变换反应器230的产物流被进一步冷却(例如，在冷却A2/A3处；如本文所用，A2/A3指的是’A2和/或A3’)，随后在CO2移除段240A中纯化，其中129t/hr的CO2通过胺吸收被移除。为了释放被吸收的CO2并再生胺溶液，大量的能量被需要。该能量中的一些通过与来自一级重整器220A和水煤气变换反应器230的冷却气体流热交换获得，但必须供给额外的能量Q3；在实施例7中，该能量自用可再生电力加热获得。来自CO2移除段240A的经纯化产物流241被加热至大约290℃并进给到甲烷化单元240B，在其中剩余的CO(～0.4mol％)和CO2(～0.1mol％)被移除。在A4处甲烷化产物243的进一步冷却和干燥后，添加109t/hr的氮气266，并将所得气体流244与再循环气体253合并，并在合成回路压缩机C2/C3中压缩至3095psia；在此实施方案中，用于此压缩的能量(例如，以提供功W2)由可再生电力供给。将经合并和压缩的气体流245预热(例如，在加热B2处)至大约450℃并送到一系列串联的具有中间冷却的三个氨合成反应器250A；氮的单程转化率为33％。含氨产物流251首先在A5处冷却，其允许热量回收以用于加热其他工艺流，然后再次用空气和冷却水冷却，最后在A6处使用制冷冷却至-34℃，使得125t/hr的液氨产物255可被回收。在此实施方案中，用于A6处制冷段的能量(例如，以提供功W3)由可再生电力供给。氨回收后，从剩余气体取17t/hr的吹扫205’以移除杂质；该吹扫流的组成为大约25重量％的CH4、11重量％的H2、62重量％的N2和2重量％的NH3。然后将余下的气体流253再循环回合成回路压缩机C2/C3。
该实施例7的过程XI中存在四个主要的能量消耗者：(1)CO2移除240A中胺溶液的再生，(2)提供动力以驱动两个大型压缩机，例如合成回路压缩机C2/C3和A6处的制冷压缩机分别的功W2和W3，(3)加热(例如，在进料预处理110处)以提升进料气体的温度并为220处的一级重整器提供反应热，和(4)在第一氨合成反应器250A之前预热(例如，在加热B2处)进料。出于多种其他目的，使用了较少的量的能量。这些操作所需的能量中的一些可通过与正在被冷却的流的热交换获得(例如，预热(例如，在加热B1处)甲烷化反应器进料所需的很多热量可从在冷却(例如，在A4处)来自同一反应器的产物气体243时所移除的热量获得)，但其余的必须外部供给。在实施例7中，在三处供给外部能量：一级重整220A处的一级重整器炉、用于240A处的CO2移除系统的电加热器和用于为两个大型压缩机提供动力的可再生电力。一级重整器炉消耗21.1t/hr的天然气，所含化学能(高热值，或HHV)为322MW。向CO2移除系统240A供给16MW的电力，以95％的效率生成15MW的热量。向大型压缩机供给量为94MW的电力；以93％的效率，做了与对比例2中需要349MW的高压蒸汽263所做的相同的功。另外，虽然一些反应是放热的(例如，250A处的氨合成)，但实施例7的净反应组是吸热的并需要提供约67MW的能量。如何以最高的效率最有效地将可得能量分配给过程中的各个能量消耗者是一个工程问题，本领域技术人员可在阅读本公开后经由温度的仔细匹配、能量类型和能量含量来解决该问题。能量可经由热交换直接传递，也可被转化为蒸汽用于热交换或做机械功，如驱动压缩机。在实施例7中，采用了最大化各种工艺流之间的热交换的策略；假定可得到的热量可在相应的温度下有效地从可得到的地方移动至需要的地方。这代表了最大热整合策略并最小化了外部能量输入，但其他布置也是可能的，如果这对于本领域技术人员将是显而易见的。使用燃烧来供给过程所需的一些外部能量输入伴随着一个缺点——来自这些炉子和锅炉的烟道气或烟气含有由于其低温和水的难以冷凝水而无法有效回收的能量。例如，在实施例7的过程中，这种浪费的能量共计为64MW，比对比例2减少了59％。在流被冷却但热量不能有效回收的若干工艺步骤中，例如在来自250A处的氨合成反应器的产物流的最终冷却中，也会损失能量。
表3示出了实施例7的过程XI的能量使用值。如表3中所见，通过在一级重整器220A处的重整器炉中燃烧天然气供给322MW的量的能量；与对比例2相比，没有辅助锅炉。另外110MW的能量以电力供给。在总的能量中，需要67MW来供给反应的净吸热热量。在减去这之后，输入到过程中用于其他用途的可得净能量为365MW，但大量(>400MW)的能量也在内部从热产物流的冷却传递至进料流的加热。在一级重整器炉中消耗的322MW中，使用辐射段来提供168MW以进一步加热气体并供给反应热；另外的90MW在对流段中传递以提供工艺用热。剩余的64MW在烟气中损失到大气；这代表总净可得能量的18％。另外7MW或可得净外部能量中的1.9％由于电力使用中的低效率而损失。
从表3中的数据可进一步看出，每年的燃料气体总消耗量为169000吨。这种燃料的燃烧导致每年向大气排放47万吨CO2。过程化学本身会排放另外110万吨CO2，故每年的CO2排放总量为157万吨，比对比例2减少了33％。在从燃料和电力输入减去反应热后的比能耗为每生产一吨氨9.9GJ；仅根据燃料和电力输入计算的比能耗为每生产一吨氨11.7GJ。总可得能量中18％的量从烟道气损失到大气中，但没有任何归因于蒸汽转化为机械功的低效率的损失，相比之下，在对比例2中分别有22％和37％的能量以这些方式损失了。
实施例8：仅一级(SMR)重整-全电气
实施例8为对比例2中描述的氨合成过程根据本公开的一个实施方案的近完全电气化过程XII。在过程XII中，通过电压缩机(如在实施例5-7中)、一级重整器220A中的电炉(如在实施例6中)和电重沸器(如在实施例7中)提供近完全电气化。该电气化设备XII的关键要素在图14中示出；除了能量的提供外，该过程与对比例2中的基本上相同。实施例8的过程被配置为每小时生产125公吨氨。如果一年运行典型的8000小时，则这将导致一百万吨氨的生产，但由于故障和维护导致的停机时间的变化可能会增加或减少此输出。这种规模是当今建造的典型的大型氨设备。
如图14中所示(其已被简化以仅示出该实施例8的过程的基本特征)，将53公吨每小时(t/hr)的甲烷进料205进给到该过程；从该甲烷进料移除硫和其他有害组分的预处理未包括在此模型中，也未在图14中示出。将176t/hr的量的水211蒸发并与甲烷进料混合。将所得进料215进一步预热(例如，在进料预处理110处)并在大约690psia下进给到一级重整器220A，在其中产生CO、CO2和H2。通过电加热向一级重整器220A供给能量Q1，其供给反应热并进一步加热气体。来自一级重整器220A的产物221被冷却(例如，在冷却A1处)至大约320℃并经过两个水煤气变换反应器230，在其中形成额外的H2和CO2。来自水煤气变换反应器230的产物流被进一步冷却(例如，在冷却A2/A3处)，随后在CO2移除段240A中纯化，其中129t/hr的CO2通过胺吸收被移除。为了释放被吸收的CO2并再生胺溶液，大量的能量被需要。该能量中的一些通过与来自一级重整器220A和水煤气变换反应器230的冷却气体流热交换获得，但必须供给额外的能量Q3；在实施例8中，该能量自用可再生电力加热获得。来自CO2移除段240A的经纯化产物流241被加热至大约290℃并进给到甲烷化单元240B，在其中剩余的CO(～0.4mol％)和CO2(～0.1mol％)被移除。在A4处甲烷化产物243的进一步冷却和干燥后，添加109t/hr的氮气266，并将所得气体流244与再循环气体253合并，并在合成回路压缩机C2/C3中压缩至3095psia；在此实施方案中，用于此压缩的能量(例如，以提供功W2)由可再生电力供给。将经合并和压缩的气体流245预热(例如，在加热B2处)至大约450℃并送到一系列串联的具有中间冷却的三个氨合成反应器250A；氮的单程转化率为33％。含氨产物流251首先在A5处冷却，其允许热量回收以用于加热其他工艺流，然后再次用空气和冷却水冷却，最后在A6处使用制冷冷却至-34℃，使得125t/hr的液氨产物255可被回收。在此实施方案中，用于A6处制冷段的能量(例如，对于功W3)由可再生电力供给。氨回收后，从剩余气体取17t/hr的吹扫205’以移除杂质；该吹扫流的组成为大约25重量％的CH4、11重量％的H2、62重量％的N2和2重量％的NH3。然后将余下的气体流253再循环回合成回路压缩机C2/C3。
该实施例8的过程XII中存在四个主要的能量消耗者：(1)CO2移除240A中胺溶液的再生，(2)提供动力以驱动两个大型压缩机，例如以为合成回路压缩机C2/C3和A6处的制冷压缩机分别提供功W2和W3，(3)加热(例如，在进料预处理110处)以提升进料气体的温度并为220A处的一级重整器提供反应热，和(4)在250A的第一氨合成反应器之前预热(例如，在加热B2处)进料。出于多种其他目的，使用了较少的量的能量。这些操作所需的能量中的一些可通过与正在被冷却的流的热交换获得(例如，预热(例如，在加热B1处)甲烷化反应器进料所需的很多热量可从在冷却(例如，在A4处)来自同一反应器的产物气体243时所移除的热量获得)，但其余的必须外部供给。在实施例8中，在三处供给外部能量：220A处一级重整器的电加热、用于240A处的CO2移除系统的电加热器和用于为两个大型压缩机提供动力的可再生电力；在此实施方案中，全部该外部能量均由可再生电力供给。一级重整器220A以电的方式加热；使用210MW的可再生电力来生成200MW的热量。与对比例2相比，一级重整器炉中没有对流段并且没有来自该加热的烟气损失。在实施例8中，向CO2移除系统240A供给71MW的电力，以95％的效率生成67MW的热量。向两个大型压缩机供给量为94MW的电力；以93％的效率，做了与对比例2中需要349MW的高压蒸汽263所做的相同的功。另外，虽然一些反应是放热的(例如，250A处的氨合成)，但实施例8的净反应组是吸热的并需要提供约67MW的能量。如何以最高的效率最有效地将可得能量分配给过程中的各个能量消耗者是一个工程问题，本领域技术人员可在阅读本公开后经由温度的仔细匹配、能量类型和能量含量来解决该问题。能量可经由热交换直接传递，也可被转化为蒸汽用于热交换或做机械功，如驱动压缩机。在实施例8中，采用了最大化各种工艺流之间的热交换的策略；假定可得到的热量可在相应的温度下有效地从可得到的地方移动至需要的地方。这代表了最大热整合策略并最小化了外部能量输入，但其他布置也是可能的，如果这对于本领域技术人员将是显而易见的。使用燃烧来供给过程所需的一些外部能量输入伴随着一个缺点——来自这些炉子和锅炉的烟道气或烟气含有由于其低温和水的难以冷凝而无法有效回收的能量。然而，在实施例8的过程中，没有能量在烟气中损失。在流被冷却但热量不能有效回收的若干工艺步骤中，例如在来自250A的氨合成反应器的产物流的最终冷却中，也会损失能量。
表3示出了实施例8的过程XII的能量使用值。如表3中所见，375MW的量的能量以电力供给。在总的能量中，需要67MW来供给反应的净吸热热量。在减去这之后，输入到过程中用于其他用途的可得净能量为308MW，但大量(>400MW)的能量也在内部从热产物流的冷却传递至进料流的加热。与对比例2相比，在实施例8中没有能量在蒸汽向机械功的转化中损失，也没有能量在烟气中损失到大气。21MW或可得净外部能量中的6.8％的量由于电力使用中的低效率而损失。
从表3中的数据可进一步看出，在实施例8的过程XII中没有燃料气体消耗。因为这个缘故，燃料的燃烧不会导致大气中CO2的排放。过程化学本身会排放110万吨CO2，故每年的CO2排放总量为110万吨，比对比例2减少了53％。在从电力输入减去反应热后的比能耗为每生产一吨氨8.3GJ；仅根据电力输入计算的比能耗为每生产一吨氨10.2GJ。与对比例2相比，没有能量从烟道气损失到大气，也没有能量在蒸汽向机械功的转化中损失。
实施例9：仅一级(SMR)重整-全电气外加PSA
如图14中的虚线所描绘，在实施例8中描述的过程中，进一步增加变压吸附(PSA)气体分离单元267以纯化吹扫气体流205’。流速为16.7t/hr，该吹扫气体流205’含有11重量％的氢气。气体分离单元267消耗2MW的电力，并产生基本上为纯氢气的产物流268。将所得的1.84t/hr的经纯化氢气进给到燃料电池270，在其中氢气以45％的电效率转化为水271和电力272，从而连续产生33MW的电力。使用净电力(31MW)来供给过程XII所需的375MW电力中的8.3％(参见表3)。
实施例10：仅一级(SMR)重整-全电气外加PSA和H2压缩/储存
向实施例8中描述的过程XII中进一步增加变压吸附(PSA)气体分离单元267以纯化吹扫气体流205’。流速为16.7t/hr，该吹扫气体流205’含有11重量％的氢气。气体分离单元267消耗2MW的电力，并产生基本上为纯氢气的产物流268。所得的1.84t/hr的经纯化氢气由压缩机C4压缩并储存在储存容器280中以在可再生电力的可得性低时或在其更昂贵时使用。需要时，将储存容器280中储存的氢气与此时由过程产生的268中的氢气合并，并使用燃料电池270将二者转化为电力272。何时使用储存的氢气来产生电力将由多种因素决定。作为一种可能性，如果每天有一定的可再生电力可用，则可在十二小时的时间段内收集和储存22.1吨氢气。当在接下来的十二小时内释放并与通过该过程仍在产生的管线268中的1.84t/hr氢气合并时，这将产生在十二小时内连续可用的大约64MW的电力272。这可供给过程XII的运行所需的375MW电力中的17％。
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虽然已示出和描述了各种实施方案，但本领域技术人员可在不脱离本公开的精神和教导的情况下对其进行修改。本文描述的实施方案仅是示例性的，而非旨在限制。本文公开的主题的许多变化和修改是可能的并且是在本公开的范围内的。在明确述及数值范围或限制的情况下，这样的明确范围或限制应理解为包括落入所明确述及的范围或限制内的类似量级的迭代范围或限制(例如，约1至约10包括2、3、4等；大于0.10包括0.11、0.12、0.13等)。例如，任何时候在公开具有下限RL和上限RU的数值范围时，具体公开了落入该范围内的任何数字。特别地，具体公开了该范围内的以下数字：R＝RL+k*(RU-RL)，其中k为1％至100％的范围内的变量，增量为1％，即k为1％、2％、3％、4％、5％、……、50％、51％、52％、……、95％、96％、97％、98％、99％或100％。而且，还具体公开了由如上定义的两个R数字定义的任何数值范围。关于权利要求的任何要素使用的术语“任选地”旨在表示该主题要素是必需的，或者替代地，不是必需的。两种替代方案都旨在在权利要求的范围内。更广义的术语如包含、包括、具有等的使用应理解为为较狭义的术语如由……组成、基本上由……组成、基本上包含等提供支持。
因此，保护范围不受上面阐述的描述的限制，而仅受附随的权利要求书的限制，该范围包括权利要求书的主题的所有等同物。每一项权利要求均作为本公开的实施方案并入说明书中。因此，权利要求是进一步的描述并且是对本公开的实施方案的补充。对参考文献的讨论并不是承认它是本公开的现有技术，尤其是出版日期可能在本申请的优先权日期之后的任何参考文献。本文引用的所有专利、专利申请和出版物的公开内容在此通过引用并入至它们提供补充本文阐述的内容的示例性、程序性或其他细节的程度。
附加公开部分I
上面公开的特定实施方案仅是示意性的，因为本公开可以不同但等效的方式修改和实践，这对于受益于本文教导的本领域技术人员将是显而易见的。此外，除了如在下面的权利要求书中所述外，不旨在限制本文所示构造或设计的细节。因此很明显，上面公开的特定示意性实施方案可被改变或修改并且所有这样的变化都被认为在本公开的范围和精神内。由于组合、整合和/或省略实施方案的特征而产生的替代实施方案也在本公开的范围内。虽然以“具有”、“包含”、“含有”或“包括”各种组分或步骤的更广义术语描述了组合物和方法，但组合物和方法也可“基本上由”或“由”各种组分和步骤“组成”。关于权利要求的任何要素使用的术语“任选地”意思是该要素是必需的，或者替代地，该要素不是必需的，这两种选择都在权利要求的范围内。
上文公开的数字和范围可有一定量的变化。任何时候在公开具有下限和上限的数值范围时，具体公开了落入该范围内的任何数字和任何包括的范围。特别地，本文公开的值的每一个范围(形式为“约a至约b”，或等价地“大约a至b”，或等价地“大约a-b”)应理解为阐述值的更广义范围内涵盖的每一个数字和范围。另外，除非专利权人另有明确、清晰地定义，否则权利要求书中的术语具有其普通的平常含义。此外，如在权利要求书中所用，术语前无定冠词在本文中定义为指其引入的一个或不止一个要素。如果本说明书中的词语或术语与一个或多个专利或其他文献的用法有任何冲突，应采用与本说明书一致的定义。
本文公开的实施方案包括：
A：一种氨合成设备，其包括：进料预处理段，其可操作以预处理包含天然气、甲烷、丙烷、丁烷、LPG、石脑油、煤、石油焦或其组合的进料流；合成气生成段，其包括一个或多于一个重整器，所述重整器可操作以重整进料流而产生包含一氧化碳和氢气的重整器产物流；变换转化段，其包括一个或多于一个变换反应器，所述变换反应器可操作以使重整器产物流进行水煤气变换反应而产生比重整器气体流包含更多氢气的经变换气体流；纯化段，其可操作以从经变换气体流移除至少一种组分并提供包含氢气和氮气的氨合成进料流；和/或氨合成段，其包括一个或多于一个氨合成反应器，所述氨合成反应器可操作以从氨合成进料流产生氨，其中所述氨合成设备被配置为使得相对于常规的氨合成设备而言，本发明的氨合成设备、进料预处理段、合成气生成段、变换转化段、纯化段、氨合成段或其组合所需的能量更多由基于非碳的能源、可再生能源和/或电力提供。
B：一种氨合成设备，其包括：进料预处理段，其可操作以预处理包含含碳材料如天然气、甲烷、丙烷、丁烷、LPG、石脑油、煤和/或石油焦的进料流；合成气生成段，其包括一个或多于一个重整器，所述重整器可操作以重整经预处理的进料流而产生包含一氧化碳和氢气的重整器气体流；变换转化段，其包括至少一个变换反应器，所述变换反应器可操作以使重整器气体流进行水煤气变换反应而产生比重整器气体流包含更多氢气的经变换气体流；纯化段，其可操作以从经变换气体流移除至少一种组分并提供包含氢气和氮气的氨合成进料流；和/或氨合成段，其包括至少一个氨合成反应器，所述氨合成反应器可操作以从氨合成进料流产生氨，其中所述氨合成设备被配置为使得进料预处理段、合成气生成段、变换转化段、纯化段、氨合成段或其组合所需的净外部能量中的大部分由电力提供。
C：一种氨合成设备，其包括：进料预处理段，其可操作以预处理进料流；合成气生成段，其包括一个或多于一个重整器，所述重整器可操作以重整甲烷而产生包含一氧化碳和氢气的重整器气体流；变换转化段，其包括一个或多于一个变换反应器，所述变换反应器可操作以使重整器气体流进行水煤气变换反应而产生比重整器气体流包含更多氢气的经变换气体流；可操作以从经变换气体流移除至少一种组分并提供包含氢气和氮气的氨合成进料流的段；和/或氨合成段，其包括一个或多于一个氨合成反应器，所述氨合成反应器可操作以从氨合成进料流产生氨，其中所述氨合成设备被配置为使得不利用蒸汽做机械功。
D：一种氨合成设备，其包括：进料预处理段，其可操作以预处理进料流；合成气生成段，其包括一个或多于一个重整器，所述重整器可操作以重整甲烷而产生包含一氧化碳和氢气的重整器气体流；变换转化段，其包括一个或多于一个变换反应器，所述变换反应器可操作以使重整器气体流进行水煤气变换反应而产生比重整器气体流包含更多氢气的经变换气体流；可操作以从经变换气体流移除至少一种组分并提供包含氢气和氮气的氨合成进料流的段；和/或氨合成段，其包括一个或多于一个氨合成反应器，所述氨合成反应器可操作以从氨合成进料流产生氨，其中所述氨合成设备被配置为使得不产生烟气。
E：一种氨合成设备，其包括：进料预处理段，其可操作以预处理进料流；合成气生成段，其包括一个或多于一个重整器，所述重整器可操作以重整甲烷而产生包含一氧化碳和氢气的重整器气体流；变换转化段，其包括一个或多于一个变换反应器，所述变换反应器可操作以使重整器气体流进行水煤气变换反应而产生比重整器气体流包含更多氢气的经变换气体流；纯化段，其可操作以从经变换气体流移除至少一种组分并提供包含氢气和氮气的氨合成进料流；和/或氨合成段，其包括一个或多于一个氨合成反应器，所述氨合成反应器可操作以从氨合成进料流产生氨，其中所述氨合成设备被配置为除了任选地在合成气生成段的自热重整器(ATR)内以外无燃烧。
F：一种氨合成设备，其包括可操作以提供氢气的以电的方式加热的蒸汽重整器和可操作以提供用于氨合成的氮气的以电的方式提供动力的空气分离单元(ASU)。
G：一种氨合成设备，其包括：纯化段，其可操作以接收氢气流和氮气流，其中所述氮气流任选地来自与氢气流的来源不同的来源，任选地从氢气流和/或氮气流移除至少一种组分，并提供包含氢气和氮气的氨合成进料流；和氨合成段，其包括一个或多于一个氨合成反应器，所述氨合成反应器可操作以从氨合成进料流产生氨，其中所述氨合成设备被配置为使得用于纯化段、氨合成段或整个氨合成设备内的压缩和加热而供给的净外部能量中的大部分由基于非碳的能源、可再生能源、电力和/或可再生电力供给。
实施方案A、B、C、D、E、F和G中的每一个可具有以下附加要素中的一个或多于一个：要素1：其中所述基于非碳的能源包括电力。要素2：其中所述电力由可再生能源产生。要素3：其中所述可再生能源包括风能、太阳能、地热能、水电能、核能、潮汐能、波浪能或其组合。要素4：其中能够在所述一个或多于一个重整器中的至少一个内获得期望的重整温度而无需外部(例如，在炉子中)燃烧燃料或基于碳的燃料。要素5：其中经由电力或可再生电力加热并包括相关的对流、辐射或其他传热措施而将所述一个或多个重整器加热至期望的重整温度。要素6：其中所述一个或多于一个反应器以电阻方式或感应方式加热。要素7：其中，除了生产用于蒸汽甲烷重整器和/或预重整器中的蒸汽外，不采用蒸汽作为主要的能量传递介质，和/或其中不采用蒸汽来做机械功。要素8：其中：在蒸汽甲烷重整器、预重整器或其组合中采用的蒸汽中的大部分、一些或全部以电的方式产生。要素9：还包括用于生产蒸汽的电极锅炉和/或浸入式加热器。要素10：其中预处理段、合成气生成段、变换转化段、纯化段、氨合成段或其组合包括一个或多于一个压缩机，并且其中所述一个或多于一个压缩机中的至少一半或大部分被配置为非燃气驱动和/或非蒸汽驱动地运行和/或被配置为经由在不烧燃料或基于碳的燃料的情况下产生的蒸汽来运行。要素11：其中所述一个或多于一个压缩机中的至少一个被配置为经由电动机驱动和燃气驱动运行两者或电动机驱动和蒸汽驱动运行两者来双功能地运行，和/或包括至少一个电动机驱动的压缩机和至少一个燃气驱动或蒸汽驱动的压缩机。要素12：包括用于进料预处理段、合成气生成段、变换转化段、氢气纯化段、氨合成段或其组合的一个或多于一个压缩步骤的双压缩机，使得压缩步骤可在当双压缩机中的第二个离线时经由双压缩机中的第一个实现，反之亦然，其中所述双压缩机中的第一个是电动机驱动的，而所述双压缩机中的第二个是蒸汽驱动的或燃烧驱动的。要素13：其中设备的配置允许在可再生电力可得时经由可再生电力运行一个或多于一个压缩步骤并在可再生电力不可得时经由蒸汽或燃烧运行。要素14：其中所述可再生电力由风能、太阳能、地热能、水电能、核能、潮汐能、波浪能或其组合提供。要素15：包括用于冷却或加热工艺流的装置，其中所述加热装置、冷却装置或两者中的一部分或大部分以电的方式提供加热或冷却。要素16：其中所述冷却装置中的一部分或大部分包括在所述一个或多于一个重整器中的每一个的下游的冷却装置；在所述一个或多于一个重整器中的最后一个的下游的冷却装置；在高温变换反应器、低温变换反应器或两者的下游的冷却装置；在甲烷化器的下游并被配置为从甲烷化器产物流冷凝水的冷却装置；在所述一个或多于一个氨合成反应器中的一个或多于一个的下游的冷却装置；或其组合。要素17：其中所述加热装置中的一部分或大部分包括在所述一个或多于一个重整器之前、在二氧化碳移除装置与纯化段的甲烷化器之间的加热装置；在所述一个或多于一个氨合成反应器的上游的加热装置；或两者。要素18：其中使用压缩氢气、压缩天然气进料、低温液体、热电池(包括高热质炉衬材料)、电池组或其组合来储存能量，使得在可再生电力不可得时能够采用来自氢气、天然气、低温液体、热电池和/或电力的储存能量。要素19：还包括电力生产装置，其被配置为从氨合成设备内的压力或热量产生电力。要素20：其中所述电力生产装置包括膨胀器、热电设备或其组合。要素21：其中：合成气生成段包括在自热重整器的上游的蒸汽甲烷重整器，其中利用压缩机来压缩空气以引入到自热重整器中；变换转化段包括在低温变换反应器的上游的高温变换反应器，在高温变换反应器之前和之后及在低温变换反应器之后有冷却装置；氢气净化段包括在甲烷化器的上游并经由加热装置与其分离的二氧化碳移除装置，以及在甲烷化器的下游的水冷凝装置、一个或多于一个压缩机和加热装置；氨合成段包括一个或多于一个带有热量移除装置的氨合成反应器、在所述一个或多于一个氨合成反应器中的最后一个的下游的再循环压缩机、和吹扫气体系统，其中所述吹扫在再循环压缩机的上游进行，其中蒸汽甲烷重整器所需的净热量输入、由加热装置提供的净热量输入、由冷却装置、水冷凝装置和/或吹扫气体系统实现的净热量移除或其组合中的大部分由电力提供；和/或其中选自用于压缩空气的压缩机、在甲烷化器的下游的一个或多于一个压缩机和再循环压缩机的大部分压缩机是电动机驱动的和/或由以电的方式产生的蒸汽驱动。要素22：不包括ATR，并还包括在合成气生成段的一个或多于一个重整器的下游的氮气入口管线。要素23：不包括自热重整器(ATR)。要素24：还包括将ASU与所述一个或多于一个氨合成反应器流体连接的氮气入口管线，能够通过所述氮气入口管线将来自ASU的氮气作为进料的组分引入到所述一个或多于一个氨合成反应器。要素25：其中所述纯化段还包括甲烷化器，其中氮气入口管线在甲烷化器的下游。要素26：其中氨合成设备的氨合成回路可在比常规氨合成设备低的吹扫量下运行。
附加公开部分II
以下为根据本公开的非限制性具体实施方案：
第一个实施方案，其为一种氨合成设备，所述氨合成设备包括：进料预处理段，其可操作以预处理包含天然气、甲烷、丙烷、丁烷、LPG、石脑油、煤、石油焦或其组合的进料流；合成气生成段，其包括一个或多于一个重整器，所述重整器可操作以重整进料流而产生包含一氧化碳和氢气的重整器产物流；变换转化段，其包括一个或多于一个变换反应器，所述变换反应器可操作以使重整器产物流进行水煤气变换反应而产生比重整器气体流包含更多氢气的经变换气体流；纯化段，其可操作以从经变换气体流移除至少一种组分并提供包含氢气和氮气的氨合成进料流；和/或氨合成段，其包括一个或多于一个氨合成反应器，所述氨合成反应器可操作以从氨合成进料流产生氨，其中所述氨合成设备被配置为使得相对于常规的氨合成设备而言，本发明的氨合成设备、进料预处理段、合成气生成段、变换转化段、纯化段、氨合成段或其组合所需的能量更多由基于非碳的能源、可再生能源和/或电力提供。
第二个实施方案，其为第一个实施方案的氨合成设备，其中所述基于非碳的能源包括电力。
第三个实施方案，其为一种氨合成设备，所述氨合成设备包括：进料预处理段，其可操作以预处理包含含碳材料如天然气、甲烷、丙烷、丁烷、LPG、石脑油、煤和/或石油焦的进料流；合成气生成段，其包括一个或多于一个重整器，所述重整器可操作以重整经预处理的进料流而产生包含一氧化碳和氢气的重整器气体流；变换转化段，其包括至少一个变换反应器，所述变换反应器可操作以使重整器气体流进行水煤气变换反应而产生比重整器气体流包含更多氢气的经变换气体流；纯化段，其可操作以从经变换气体流移除至少一种组分并提供包含氢气和氮气的氨合成进料流；和/或氨合成段，其包括至少一个氨合成反应器，所述氨合成反应器可操作以从氨合成进料流产生氨，其中所述氨合成设备被配置为使得进料预处理段、合成气生成段、变换转化段、纯化段、氨合成段或其组合所需的净外部能量中的大部分由电力提供。
第四个实施方案，其为第二或第三个实施方案的氨合成设备，其中所述电力由可再生能源产生。
第五个实施方案，其为第四个实施方案的氨合成设备，其中所述可再生能源包括风能、太阳能、地热能、水电能、核能、潮汐能、波浪能或其组合。
第六个实施方案，其为第二或第三个实施方案的氨合成设备，其中能够在所述一个或多于一个重整器中的至少一个内获得期望的重整温度而无需外部(例如，在炉子中)燃烧燃料或基于碳的燃料。
第七个实施方案，其为第六个实施方案的氨合成设备，其中经由电力或可再生电力加热并包括相关的对流、辐射或其他传热措施而将所述一个或多个重整器加热至期望的重整温度。
第八个实施方案，其为第七个实施方案的氨合成设备，其中所述一个或多于一个反应器以电阻方式或感应方式加热。
第九个实施方案，其为第二或第三个实施方案的氨合成设备，其中，除了生产用于蒸汽甲烷重整器和/或预重整器中的蒸汽外，不采用蒸汽作为主要的能量传递介质，和/或其中不采用蒸汽来做机械功。
第十个实施方案，其为第二或第三个实施方案的氨合成设备，其中在蒸汽甲烷重整器、预重整器或其组合中采用的蒸汽中的大部分、一些或全部以电的方式产生。
第十一个实施方案，其为第十个实施方案的氨合成设备，所述氨合成设备还包括用于生产蒸汽的电极锅炉和/或浸入式加热器。
第十二个实施方案，其为第二或第三个实施方案的氨合成设备，其中预处理段、合成气生成段、变换转化段、纯化段、氨合成段或其组合包括一个或多于一个压缩机，并且其中所述一个或多于一个压缩机中的至少一半或大部分被配置为非燃气驱动和/或非蒸汽驱动地运行和/或被配置为经由在不烧燃料或基于碳的燃料的情况下产生的蒸汽来运行。
第十三个实施方案，其为第十二个实施方案的氨合成设备，其中所述一个或多于一个压缩机中的至少一个被配置为经由电动机驱动和燃气驱动运行两者或电动机驱动和蒸汽驱动运行两者来双功能地运行，和/或包括至少一个电动机驱动的压缩机和至少一个燃气驱动或蒸汽驱动的压缩机。
第十四个实施方案，其为第十二个实施方案的氨合成设备，所述氨合成设备包括用于进料预处理段、合成气生成段、变换转化段、氢气纯化段、氨合成段或其组合的一个或多于一个压缩步骤的双压缩机，使得压缩步骤可在当双压缩机中的第二个离线时经由双压缩机中的第一个实现，反之亦然，其中所述双压缩机中的第一个是电动机驱动的，而所述双压缩机中的第二个是蒸汽驱动的或燃烧驱动的。
第十五个实施方案，其为第十二、第十三或第十四个实施方案的氨合成设备，其中所述设备的配置允许在可再生电力可得时经由可再生电力运行一个或多于一个压缩步骤并在可再生电力不可得时经由蒸汽或燃烧运行。
第十六个实施方案，其为第十五个实施方案的氨合成设备，其中所述可再生电力由风能、太阳能、地热能、水电能、核能、潮汐能、波浪能或其组合提供。
第十七个实施方案，其为第二或第三个实施方案的氨合成设备，所述氨合成设备包括用于冷却或加热工艺流的装置，其中所述加热装置、冷却装置或两者中的一部分或大部分以电的方式提供加热或冷却。
第十八个实施方案，其为第十七个实施方案的氨合成设备，其中所述冷却装置中的一部分或大部分包括在所述一个或多于一个重整器中的每一个的下游的冷却装置；在所述一个或多于一个重整器中的最后一个的下游的冷却装置；在高温变换反应器、低温变换反应器或两者的下游的冷却装置；在甲烷化器的下游并被配置为从甲烷化器产物流冷凝水的冷却装置；在所述一个或多于一个氨合成反应器中的一个或多于一个的下游的冷却装置；或其组合。
第十九个实施方案，其为第十七个实施方案的氨合成设备，其中所述加热装置中的一部分或大部分包括在所述一个或多于一个重整器之前、在二氧化碳移除装置与纯化段的甲烷化器之间的加热装置；在所述一个或多于一个氨合成反应器的上游的加热装置；或两者。
第二十个实施方案，其为第二或第三个实施方案的氨合成设备，其中使用压缩氢气、压缩天然气进料、低温液体、热电池(包括高热质炉衬材料)、电池组或其组合来储存能量，使得在可再生电力不可得时能够采用来自氢气、天然气、低温液体、热电池和/或电力的储存能量。
第二十一个实施方案，其为第二或第三个实施方案的氨合成设备，所述氨合成设备还包括电力生产装置，其被配置为从氨合成设备内的压力或热量产生电力。
第二十二个实施方案，其为第二十一个实施方案的氨合成设备，其中所述电力生产装置包括膨胀器、热电设备或其组合。
第二十三个实施方案，其为第二或第三个实施方案的氨合成设备，其中合成气生成段包括在自热重整器的上游的蒸汽甲烷重整器，其中利用压缩机来压缩空气以引入到自热重整器中；变换转化段包括在低温变换反应器的上游的高温变换反应器，在高温变换反应器之前和之后及在低温变换反应器之后有冷却装置；氢气净化段包括在甲烷化器的上游并经由加热装置与其分离的二氧化碳移除装置，以及在甲烷化器的下游的水冷凝装置、一个或多于一个压缩机和加热装置；氨合成段包括一个或多于一个带有热量移除装置的氨合成反应器、在所述一个或多于一个氨合成反应器中的最后一个的下游的再循环压缩机、和吹扫气体系统，其中所述吹扫在再循环压缩机的上游进行，其中蒸汽甲烷重整器所需的净热量输入、由加热装置提供的净热量输入、由冷却装置、水冷凝装置和/或吹扫气体系统实现的净热量移除或其组合中的大部分由电力提供；和/或其中选自用于压缩空气的压缩机、在甲烷化器的下游的一个或多于一个压缩机和再循环压缩机的大部分压缩机是电动机驱动的和/或由以电的方式产生的蒸汽驱动。
第二十四个实施方案，其为一种氨合成设备，所述氨合成设备包括：进料预处理段，其可操作以预处理进料流；合成气生成段，其包括一个或多于一个重整器，所述重整器可操作以重整甲烷而产生包含一氧化碳和氢气的重整器气体流；变换转化段，其包括一个或多于一个变换反应器，所述变换反应器可操作以使重整器气体流进行水煤气变换反应而产生比重整器气体流包含更多氢气的经变换气体流；可操作以从经变换气体流移除至少一种组分并提供包含氢气和氮气的氨合成进料流的段；和/或氨合成段，其包括一个或多于一个氨合成反应器，所述氨合成反应器可操作以从氨合成进料流产生氨，其中所述氨合成设备被配置为使得不利用蒸汽做机械功。
第二十五个实施方案，其为一种氨合成设备，所述氨合成设备包括：进料预处理段，其可操作以预处理进料流；合成气生成段，其包括一个或多于一个重整器，所述重整器可操作以重整甲烷而产生包含一氧化碳和氢气的重整器气体流；变换转化段，其包括一个或多于一个变换反应器，所述变换反应器可操作以使重整器气体流进行水煤气变换反应而产生比重整器气体流包含更多氢气的经变换气体流；可操作以从经变换气体流移除至少一种组分并提供包含氢气和氮气的氨合成进料流的段；和/或氨合成段，其包括一个或多于一个氨合成反应器，所述氨合成反应器可操作以从氨合成进料流产生氨，其中所述氨合成设备被配置为使得不产生烟气。
第二十六个实施方案，其为一种氨合成设备，所述氨合成设备包括：进料预处理段，其可操作以预处理进料流；合成气生成段，其包括一个或多于一个重整器，所述重整器可操作以重整甲烷而产生包含一氧化碳和氢气的重整器气体流；变换转化段，其包括一个或多于一个变换反应器，所述变换反应器可操作以使重整器气体流进行水煤气变换反应而产生比重整器气体流包含更多氢气的经变换气体流；纯化段，其可操作以从经变换气体流移除至少一种组分并提供包含氢气和氮气的氨合成进料流；和/或氨合成段，其包括一个或多于一个氨合成反应器，所述氨合成反应器可操作以从氨合成进料流产生氨，其中所述氨合成设备被配置为除了任选地在合成气生成段的自热重整器(ATR)内之外无燃烧。
第二十七个实施方案，其为第二十六个实施方案的氨合成设备，所述氨合成设备不包括ATR，并还包括在合成气生成段的一个或多于一个重整器的下游的氮气入口管线。
第二十八个实施方案，其为一种氨合成设备，所述氨合成设备包括可操作以提供氢气的以电的方式加热的蒸汽重整器和可操作以提供用于氨合成的氮气的以电的方式提供动力的空气分离单元(ASU)。
第二十九个实施方案，其为第二十八个实施方案的氨合成设备，所述氨合成设备不包括自热重整器(ATR)。
第三十个实施方案，其为第二十九个实施方案的氨合成设备，所述氨合成设备还包括将ASU与所述一个或多于一个氨合成反应器流体连接的氮气入口管线，能够通过所述氮气入口管线将来自ASU的氮气作为进料的组分引入到所述一个或多于一个氨合成反应器。
第三十一个实施方案，其为第三十个实施方案的氨合成设备，其中所述纯化段还包括甲烷化器，其中氮气入口管线在甲烷化器的下游。
第三十二个实施方案，其为第二十八个实施方案的氨合成设备，其中所述氨合成设备的氨合成回路可在比常规氨合成设备低的吹扫量下运行。
第三十三个实施方案，其为一种氨合成设备，所述氨合成设备包括：纯化段，其可操作以接收氢气流和氮气流，其中所述氮气流任选地来自与氢气流的来源不同的来源，任选地从氢气流和/或氮气流移除至少一种组分，并提供包含氢气和氮气的氨合成进料流；和氨合成段，其包括一个或多于一个氨合成反应器，所述氨合成反应器可操作以从氨合成进料流产生氨，其中所述氨合成设备被配置为使得供给以进行纯化段、氨合成段或整个氨合成设备内的压缩和加热的净外部能量中的大部分由基于非碳的能源、可再生能源、电力和/或可再生电力供给。
第三十四个实施方案，其为经由如本文所述并在第一至第三十三个实施方案中的任一项或本公开中描述的实施方案中的任一项中记载的装置来生产氨的装置和/或方法。
附加公开部分III
以下为根据本公开的非限制性具体实施方案：
本文公开的实施方案包括：
A：一种生产氨的方法，所述方法包括：(a)向合成气生成段如蒸汽重整或部分氧化中引入包含含碳材料的进料，所述含碳材料选自天然气、甲烷、丙烷、丁烷、LPG、石脑油、煤、石油焦或其组合，以产生包含氢气和一氧化碳的合成气产物，其中所述合成气生成段所需的能量由热量输入Q1供给；(b)通过实现热量移除Q2来冷却重整器产物以产生经冷却的合成气；(c)变换所述经冷却的合成气以产生经变换的合成气产物；(d)通过实现热量移除Q3来冷却所述经变换的合成气以产生经冷却的经变换合成气；(e)通过以下步骤纯化所述经冷却的经变换合成气：从所述经冷却的经变换合成气移除二氧化碳；通过热量输入Q4来加热以产生经加热的二氧化碳减少的气体；甲烷化所述经加热的二氧化碳减少的气体以产生甲烷化器产物；和通过热量移除Q5从所述甲烷化器产物冷却和冷凝水以提供经纯化的气体；(f)压缩所述经纯化的气体；(g)提高热量输入Q6加热经压缩的经纯化气体以提供经加热的气体；(h)提供包含所述经加热的气体的氨合成进料，其中所述氨合成进料包含氢气和氮气，其中所述氮气存在于合成气中或随后添加到合成气中；(i)自所述氨合成进料产生包含氨的产物；(j)通过热量移除Q7冷却所述包含氨的产物以从所述包含氨的产物移除氨并提供包含氮气和氢气的再循环气体流；(k)经由再循环压缩机压缩所述包含氮气和氢气的气体流；和/或(l)经由吹扫气体系统吹扫，其中由热量移除Q8实现进一步的冷却，其中，相对于生产氨的常规方法，该方法或者(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)、(i)、(j)、(k)、(l)或其组合中所需的净能量(例如，所需的净热能(例如，Q1+Q4+Q6–Q2–Q3–Q5–Q7–Q8)和/或机械功所需的净能量)中更多是由基于非碳的能源、可再生能源和/或电力提供的。
B：一种生产氨的方法，所述方法包括：(a)使包含含碳材料的进料在合成气生成段的重整器中进行重整以产生包含合成气的重整器产物，所述合成气含有氢气和一氧化碳，所述含碳材料选自天然气、甲烷、丙烷、丁烷、LPG、石脑油、煤、石油焦或其组合，其中重整温度由热量输入Q1维持；(b)通过实现热量移除Q2来冷却重整器产物以产生经冷却的重整器产物；(c)变换所述重整器产物以产生经变换的合成气；(d)通过实现热量移除Q3来冷却所述经变换的合成气；(e)通过以下步骤纯化所述经冷却的经变换合成气：从所述经冷却的经变换合成气移除二氧化碳；通过热量输入Q4来加热以产生经加热的二氧化碳减少的气体；甲烷化所述经加热的二氧化碳减少的气体以产生甲烷化器产物；和通过热量移除Q5从所述甲烷化器产物冷却和冷凝水以提供经纯化的气体；(f)压缩所述经纯化的气体；(g)通过热量输入Q6加热经压缩的经纯化气体以提供经加热的气体；(h)提供包含所述经加热的气体的氨合成进料，其中所述氨合成进料包含氢气和氮气；(i)自所述氨合成进料产生包含氨的产物；(j)通过热量移除Q7冷却所述包含氨的产物以从所述包含氨的产物移除氨并提供包含氮气和氢气的再循环气体流；(k)压缩所述包含氮气和氢气的气体流；和/或(l)经由吹扫气体系统吹扫，其中由热量移除Q8实现吹扫，其中该方法或者(a)-(l)中的一个或多于一个所需的净热能和/或机械能中的大部分由基于非碳的能源、可再生能源和/或电力提供。
C：一种生产氨的方法，所述方法包括：(a)使(例如，经由过程如蒸汽重整、部分氧化和气化)含碳材料如天然气、甲烷、丙烷、丁烷、LPG、石脑油、煤或石油焦反应以产生包含一氧化碳和氢气的合成气；(b)变换所述合成气以产生包含增加的量的氢气的经变换产物；(c)纯化所述经变换产物以产生包含较小量非氢组分的经纯化气体；和(d)从所述经纯化气体和任选地另外的氮气合成氨以提供氨产物，其中在(a)、(b)、(c)、(d)或其组合中需要的净能量中的大部分或者大于或等于约40％、50％、60％、70％、80％或90％由基于非碳的能源、可再生能源、电力或其组合提供。
D：一种生产氨的方法，所述方法包括：向合成气生成段如蒸汽重整或部分氧化中引入包含含碳材料如天然气、甲烷、丙烷、丁烷、LPG、石脑油、煤或石油焦的进料以产生包含氢气和一氧化碳的合成气产物，其中所述合成气生成段所需的能量由热量输入Q1供给；通过实现热量移除Q2来冷却所述合成气产物以产生经冷却的合成气；变换所述经冷却的合成气以产生经变换的合成气产物；通过实现热量移除Q3来冷却所述经变换的合成气产物以产生经冷却的经变换合成气；通过以下步骤纯化所述经冷却的经变换合成气：从所述经冷却的经变换合成气移除二氧化碳；通过热量输入Q4来加热以产生经加热的二氧化碳减少的气体；甲烷化所述经加热的二氧化碳减少的气体以产生甲烷化器产物；和通过移除热量移除Q5从所述甲烷化器产物冷却和冷凝水以提供经纯化的气体；压缩所述经纯化的气体；通过热量输入Q6加热经压缩的经纯化气体以提供经加热的气体；提供包含所述经加热的气体和任选地外加氮气的氨合成进料；自所述氨合成进料产生包含氨的产物；通过热量移除Q7冷却所述包含氨的产物以从所述包含氨的产物移除氨并提供包含氮气和氢气的再循环气体流；经由再循环压缩机压缩所述包含氮气和氢气的气体流；和/或经由吹扫气体系统吹扫，其中由热量移除Q8实现进一步的冷却，其中在冷却和水冷凝中移除的热量中的大部分或基本上全部(例如，Q2、Q3、Q5、Q7和/或Q8)仅用于加热其他流(例如，Q1、Q4和/或Q7)和/或被转化为电力。
实施方案A、B、C和D中的每一个可具有以下附加要素中的一个或多于一个：要素1：其中所述基于非碳的能源包括电力。要素2：其中所述电力由可再生能源产生。要素3：其中所述可再生能源包括风能、太阳能、地热能、水电能、核能、潮汐能、波浪能或其组合。要素4：其中在不燃烧燃料或基于碳的燃料的情况下供给所述合成气生成段所需的能量。要素5：其中基于非碳的能源包括间歇性能源(IES)或经由间歇性能源(IES)产生电力，并且所述方法还包括在IES可得时在不燃烧燃料或基于碳的燃料的情况下维持合成气生成段中的一个或多于一个反应器的温度，并在IES不可得时经由来自IES的能量的储存供给或通过燃烧燃料或基于碳的燃料来维持合成气生成段中的一个或多于一个反应器的温度。要素6：其中所述合成气生成在一个或多于一个蒸汽重整器中进行，并且必要的能量经由电力或可再生电力感应加热或电阻加热并包括相关的对流、辐射或其他传热措施来供给。要素7：其中，除了任选地生产用于合成气生成段中的蒸汽外，不采用蒸汽作为主要的能量传递介质；和/或不采用蒸汽来做机械功。要素8：其中在合成气生成段、设备的蒸汽涡轮机中的一个或多于一个、大部分或全部、或其组合中采用的蒸汽中的大部分、一些或全部以电的方式产生。要素9：其中移除热量不包括产生用于做机械功的蒸汽。要素10：其中压缩经纯化的气体、压缩包含氮气和氢气的气体流、压缩空气以引入到过程中或其组合包括用由电动机驱动的压缩机、电驱动涡轮机或由在所采用的至少一个、大多数或全部压缩机中以电的方式产生的蒸汽驱动的涡轮机进行压缩。要素11：还包括采用热电设备来将在Q2、Q3、Q5、Q7和/或Q8处移除的热量中的一些转化为电力。要素12：还包括采用电加热来控制合成气生成段、用于变换的变换反应器、用于甲烷化的甲烷化反应器和用于从氨合成进料生产包含氨的产物的氨合成反应器中任何或全部数目的反应器的温度分布。要素13：其中以至少接近等温操作来操作合成气生成段的许多反应器中的至少一个。要素14：其中用于移除二氧化碳的系统包括胺回收，并且其中所述胺回收用电加热实现。要素15：其中所述电加热通过浸入式加热器进行。要素16：还包括经由向合成气生成段的一个或多于一个反应器进料蒸汽来提供在(a)中达到反应温度所需的热量Q1中的一些或全部，其中以电的方式使所述蒸汽过热。要素17：还包括经由由可再生电力提供动力的空气分离单元(ASU)提供氨合成进料中的氮气，由此氨合成进料相对于常规操作具有减少的量的氩气和/或其他惰性物质。要素18：其中所述减少的量的氩气和/或其他惰性物将相对于常规的氨合成减少了氨合成的氨合成回路的吹扫。要素19：还包括通过在经冷却的经变换合成气的纯化期间或之后引入来自以可再生电的方式提供动力的ASU的氮气来提供氨合成进料中的氮气。要素20：还包括在压缩所述经纯化的气体之前从所述经纯化的气体移除甲烷，其中从所述经纯化的气体移除甲烷减少了用于从氨合成进料生产包含氨的产物的氨合成回路的(l)中的吹扫量。要素21：还包括经由以可再生电的方式提供动力的甲烷移除工艺从所述经纯化的气体移除甲烷。要素22：其中所述以可再生电的方式提供动力的甲烷移除工艺包括变压吸附(PSA)。要素23：还包括在电力可得和/或低于门槛价格时储存天然气，并在电力不可得或高于门槛价格时利用所储存的天然气作为进料的组分和/或来生成电力。要素24：还包括在电力可得或低于门槛价格时储存制冷剂并在电力不可得或高于门槛价格时利用所述制冷剂来冷却以提供热量移除Q2、Q3、Q5、Q7和/或Q8。要素25：其中所述制冷剂包括氨。要素26：还包括从吹扫气体流分离氢气并燃烧分离出的氢气中的至少一部分来提供热量、用作合成气生成中的反应物的高温蒸汽或两者。要素27：还包括从吹扫气体流分离氢气，任选地储存分离出的氢气中的至少一部分并在电力的其他来源不易获得和/或无法以理想的价格获得时将所储存的至少一部分氢气转化为电力。要素28：其中使用一个或多于一个燃料电池来将氢气转化为电力。要素29：其中消耗的电力的量大于或等于约25MW。要素30：其中每吨氨产生的CO2的量小于或等于约1.6吨CO2每生产一吨氨。要素31：其中所述比能耗小于或等于约12GJ每生产一吨氨。要素32：其中用于进料和燃料两者的甲烷和/或天然气的总消耗小于或等于约0.65吨每生产一吨氨。要素33：其中用于燃料的甲烷和/或天然气的总消耗小于或等于约0.20吨每生产一吨氨。要素34：其中(a)、(b)、(c)、(d)或其组合中热量移除、热量输入、压缩或其组合需要的净能量中的大部分或者大于或等于约40％、50％、60％、70％、80％或90％由基于非碳的能源、可再生能源、电力或其组合提供。要素35：其中(a)合成气生成在不烧燃料和/或基于碳的燃料的情况下实现。要素36：其中利用基于非碳的能源、可再生能源、电力或其组合来提供(a)、(b)、(c)、(d)或其组合中需要的净能量中的大部分或者大于或等于约40％、50％、60％、70％、80％或90％导致了温室气体排放相对于生产氨的常规方法减少至少5％、10％、20％、30％或40％。
附加公开部分IV
以下为根据本公开的非限制性具体实施方案：
第一个实施方案，其为一种生产氨的方法，所述方法包括：(a)向合成气生成段如蒸汽重整或部分氧化中引入包含含碳材料的进料，所述含碳材料选自天然气、甲烷、丙烷、丁烷、LPG、石脑油、煤、石油焦或其组合，以产生包含氢气和一氧化碳的合成气产物，其中所述合成气生成段所需的能量由热量输入Q1供给；(b)通过实现热量移除Q2来冷却重整器产物以产生经冷却的合成气；(c)变换所述经冷却的合成气以产生经变换的合成气产物；(d)通过实现热量移除Q3来冷却所述经变换的合成气以产生经冷却的经变换合成气；(e)通过以下步骤纯化所述经冷却的经变换合成气：从所述经冷却的经变换合成气移除二氧化碳，通过热量输入Q4来加热以产生经加热的二氧化碳减少的气体，甲烷化所述经加热的二氧化碳减少的气体以产生甲烷化器产物，和通过热量移除Q5从所述甲烷化器产物冷却和冷凝水以提供经纯化的气体；(f)压缩所述经纯化的气体；(g)通过热量输入Q6加热经压缩的经纯化气体以提供经加热的气体；(h)提供包含所述经加热的气体的氨合成进料，其中所述氨合成进料包含氢气和氮气，其中所述氮气存在于合成气中或随后添加到合成气中；(i)自所述氨合成进料产生包含氨的产物；(j)通过热量移除Q7冷却所述包含氨的产物以从所述包含氨的产物移除氨并提供包含氮气和氢气的再循环气体流；(k)经由再循环压缩机压缩所述包含氮气和氢气的气体流；和/或(l)经由吹扫气体系统吹扫，其中由热量移除Q8实现进一步的冷却，其中，相对于生产氨的常规方法，该方法或者(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)、(i)、(j)、(k)、(l)或其组合中所需的净能量(例如，所需的净热能(例如，Q1+Q4+Q6–Q2–Q3–Q5–Q7–Q8)和/或机械功所需的净能量)中更多是由基于非碳的能源、可再生能源和/或电力提供的。
第二个实施方案，其为第一个实施方案的方法，其中所述基于非碳的能源包括电力。
第三个实施方案，其为一种生产氨的方法，所述方法包括：(a)使包含含碳材料的进料在合成气生成段的重整器中进行重整以产生包含合成气的重整器产物，所述合成气含有氢气和一氧化碳，所述含碳材料选自天然气、甲烷、丙烷、丁烷、LPG、石脑油、煤、石油焦或其组合，其中重整温度由热量输入Q1维持；(b)通过实现热量移除Q2来冷却重整器产物以产生经冷却的重整器产物；(c)变换所述重整器产物以产生经变换的合成气；(d)通过实现热量移除Q3来冷却所述经变换的合成气；(e)通过以下步骤纯化所述经冷却的经变换合成气：从所述经冷却的经变换合成气移除二氧化碳，通过热量输入Q4来加热以产生经加热的二氧化碳减少的气体，甲烷化所述经加热的二氧化碳减少的气体以产生甲烷化器产物，和通过移除热量移除Q5从所述甲烷化器产物冷却和冷凝水以提供经纯化的气体；(f)压缩所述经纯化的气体；(g)通过热量输入Q6加热经压缩的经纯化气体以提供经加热的气体；(h)提供包含所述经加热的气体的氨合成进料，其中所述氨合成进料包含氢气和氮气；(i)自所述氨合成进料产生包含氨的产物；(j)通过热量移除Q7冷却所述包含氨的产物以从所述包含氨的产物移除氨并提供包含氮气和氢气的再循环气体流；(k)压缩所述包含氮气和氢气的气体流；和/或(l)经由吹扫气体系统吹扫，其中由热量移除Q8实现吹扫，其中该方法或者(a)-(l)中的一个或多于一个所需的净热能和/或机械能中的大部分由基于非碳的能源、可再生能源和/或电力提供。
第四个实施方案，其为第二或第三个实施方案的方法，其中所述电力由可再生能源产生。
第五个实施方案，其为第四个实施方案的方法，其中所述可再生能源包括风能、太阳能、地热能、水电能、核能、潮汐能、波浪能或其组合。
第六个实施方案，其为第二或第三个实施方案的方法，其中在不燃烧燃料或基于碳的燃料的情况下供给所述合成气生成段所需的能量。
第七个实施方案，其为第六个实施方案的方法，其中基于非碳的能源包括间歇性能源(IES)或经由间歇性能源(IES)产生电力，并且所述方法还包括在IES可得时在不燃烧燃料或基于碳的燃料的情况下维持合成气生成段中的一个或多于一个反应器的温度，并在IES不可得时经由来自IES的能量的储存供给或通过燃烧燃料或基于碳的燃料来维持合成气生成段中的一个或多于一个反应器的温度。
第八个实施方案，其为第二或第三个实施方案的方法，其中所述合成气生成在一个或多于一个蒸汽重整器中进行，并且必要的能量经由电力或可再生电力感应加热或电阻加热并包括相关的对流、辐射或其他传热措施来供给。
第九个实施方案，其为第二或第三个实施方案的方法，其中，除了任选地生产用于合成气生成段中的蒸汽外，不采用蒸汽作为主要的能量传递介质，和/或不采用蒸汽来做机械功。
第十个实施方案，其为第二或第三个实施方案的方法，其中在合成气生成段、设备的蒸汽涡轮机中的一个或多于一个、大部分或全部、或其组合中采用的蒸汽中的大部分、一些或全部以电的方式产生。
第十一个实施方案，其为第二或第三个实施方案的方法，其中移除热量不包括产生用于做机械功的蒸汽。
第十二个实施方案，其为第二或第三个实施方案的方法，其中压缩经纯化的气体、压缩包含氮气和氢气的气体流、压缩空气以引入到过程中或其组合包括用由电动机驱动的压缩机、电驱动涡轮机或由在所采用的至少一个、大多数或全部压缩机中以电的方式产生的蒸汽驱动的涡轮机进行压缩。
第十三个实施方案，其为第二或第三个实施方案的方法，所述方法还包括采用热电设备来将在Q2、Q3、Q5、Q7和/或Q8处移除的热量中的一些转化为电力。
第十四个实施方案，其为第二或第三个实施方案的方法，所述方法还包括采用电加热来控制合成气生成段、用于变换的变换反应器、用于甲烷化的甲烷化反应器和用于从氨合成进料生产包含氨的产物的氨合成反应器中任何或全部数目的反应器的温度分布。
第十五个实施方案，其为第二或第三个实施方案的方法，其中以至少接近等温操作来操作合成气生成段的许多反应器中的至少一个。
第十六个实施方案，其为第二或第三个实施方案的方法，其中用于移除二氧化碳的系统包括胺回收，并且其中所述胺回收用电加热实现。
第十七个实施方案，其为第十六个实施方案的方法，其中所述电加热通过浸入式加热器进行。
第十八个实施方案，其为第二或第三个实施方案的方法，所述方法还包括经由向合成气生成段的一个或多于一个反应器进料蒸汽来提供在(a)中达到反应温度所需的热量Q1中的一些或全部，其中以电的方式使所述蒸汽过热。
第十九个实施方案，其为第二或第三个实施方案的方法，所述方法还包括经由由可再生电力提供动力的空气分离单元(ASU)提供氨合成进料中的氮气，由此氨合成进料相对于常规操作具有减少的量的氩气和/或其他惰性物质。
第二十个实施方案，其为第十九个实施方案的方法，其中所述减少的量的氩气和/或其他惰性物将相对于常规的氨合成减少了氨合成的氨合成回路的吹扫。
第二十一个实施方案，其为第二十个实施方案的方法，所述方法还包括通过在经冷却的经变换合成气的纯化期间或之后引入来自以可再生电的方式提供动力的ASU的氮气来提供氨合成进料中的氮气。
第二十二个实施方案，其为第二或第三个实施方案的方法，所述方法还包括在压缩所述经纯化的气体之前从所述经纯化的气体移除甲烷，其中从所述经纯化的气体移除甲烷减少了用于从氨合成进料生产包含氨的产物的氨合成回路的(l)中的吹扫量。
第二十三个实施方案，其为第二十二个实施方案的方法，所述方法还包括经由以可再生电的方式提供动力的甲烷移除工艺从所述经纯化的气体移除甲烷。
第二十四个实施方案，其为第二十三个实施方案的方法，其中所述以可再生电的方式提供动力的甲烷移除工艺包括变压吸附(PSA)。
第二十五个实施方案，其为第二或第三个实施方案的方法，所述方法还包括在电力可得和/或低于门槛价格时储存天然气，并在电力不可得或高于门槛价格时利用所储存的天然气作为进料的组分和/或来生成电力。
第二十六个实施方案，其为第二或第三个实施方案的方法，所述方法还包括在电力可得或低于门槛价格时储存制冷剂并在电力不可得或高于门槛价格时利用所述制冷剂来冷却以提供热量移除Q2、Q3、Q5、Q7和/或Q8。
第二十七个实施方案，其为第二十六个实施方案的方法，其中所述制冷剂包括氨。
第二十八个实施方案，其为第二或第三个实施方案的方法，所述方法还包括从吹扫气体流分离氢气并燃烧分离出的氢气中的至少一部分来提供热量、用作合成气生成中的反应物的高温蒸汽或两者。
第二十九个实施方案，其为第二或第三个实施方案的方法，所述方法还包括从吹扫气体流分离氢气，任选地储存分离出的氢气中的至少一部分并在电力的其他来源不易获得和/或无法以理想的价格获得时将所储存的至少一部分氢气转化为电力。
第三十个实施方案，其为第二十九个实施方案的方法，其中使用一个或多于一个燃料电池来将氢气转化为电力。
第三十一个实施方案，其为第二或第三个实施方案的方法，其中消耗的电力的量大于或等于约25MW。
第三十二个实施方案，其为第一、第二或第三个实施方案的方法，其中每吨氨产生的CO2的量小于或等于约1.6吨CO2每生产一吨氨。
第三十三个实施方案，其为第一、第二或第三个实施方案的方法，其中所述比能耗小于或等于约12GJ每生产一吨氨。
第三十四个实施方案，其为第一、第二或第三个实施方案的方法，其中用于进料和燃料两者的甲烷和/或天然气的总消耗小于或等于约0.65吨每生产一吨氨。
第三十五个实施方案，其为第一、第二或第三个实施方案的方法，其中用于燃料的甲烷和/或天然气的总消耗小于或等于约0.20吨每生产一吨氨。
第三十六个实施方案，其为一种生产氨的方法，所述方法包括：(a)使(例如，经由过程如蒸汽重整、部分氧化和气化)含碳材料如天然气、甲烷、丙烷、丁烷、LPG、石脑油、煤或石油焦反应以产生包含一氧化碳和氢气的合成气；(b)变换所述合成气以产生包含增加的量的氢气的经变换产物；(c)纯化所述经变换产物以产生包含较小量非氢组分的经纯化气体；和(d)从所述经纯化气体和任选地另外的氮气合成氨以提供氨产物，其中在(a)、(b)、(c)、(d)或其组合中需要的净能量中的大部分或者大于或等于约40％、50％、60％、70％、80％或90％由基于非碳的能源、可再生能源、电力或其组合提供。
第三十七个实施方案，其为第三十六个实施方案的方法，其中(a)、(b)、(c)、(d)或其组合中热量移除、热量输入、压缩或其组合需要的净能量中的大部分或者大于或等于约40％、50％、60％、70％、80％或90％由基于非碳的能源、可再生能源、电力或其组合提供。
第三十八个实施方案，其为第三十六个实施方案的方法，其中(a)合成气生成在不烧燃料和/或基于碳的燃料的情况下实现。
第三十九个实施方案，其为第三十六个实施方案的方法，其中利用基于非碳的能源、可再生能源、电力或其组合来提供(a)、(b)、(c)、(d)或其组合中需要的净能量中的大部分或者大于或等于约40％、50％、60％、70％、80％或90％导致了温室气体排放相对于生产氨的常规方法减少至少5％、10％、20％、30％或40％。
第四十个实施方案，其为一种生产氨的方法，所述方法包括：向合成气生成段如蒸汽重整或部分氧化中引入包含含碳材料如天然气、甲烷、丙烷、丁烷、LPG、石脑油、煤或石油焦的进料以产生包含氢气和一氧化碳的合成气产物，其中所述合成气生成段所需的能量由热量输入Q1供给；通过实现热量移除Q2来冷却所述合成气产物以产生经冷却的合成气；变换所述经冷却的合成气以产生经变换的合成气产物；通过实现热量移除Q3来冷却所述经变换的合成气产物以产生经冷却的经变换合成气；通过以下步骤纯化所述经冷却的经变换合成气：从所述经冷却的经变换合成气移除二氧化碳，通过热量输入Q4来加热以产生经加热的二氧化碳减少的气体，甲烷化所述经加热的二氧化碳减少的气体以产生甲烷化器产物，和通过移除热量移除Q5从所述甲烷化器产物冷却和冷凝水以提供经纯化的气体；压缩所述经纯化的气体；通过热量输入Q6加热经压缩的经纯化气体以提供经加热的气体；提供包含所述经加热的气体和任选地外加氮气的氨合成进料；自所述氨合成进料产生包含氨的产物；通过热量移除Q7冷却所述包含氨的产物以从所述包含氨的产物移除氨并提供包含氮气和氢气的再循环气体流；经由再循环压缩机压缩所述包含氮气和氢气的气体流；和/或经由吹扫气体系统吹扫，其中由热量移除Q8实现进一步的冷却，其中在冷却和水冷凝中移除的热量中的大部分或基本上全部(例如，Q2、Q3、Q5、Q7和/或Q8)仅用于加热其他流(例如，Q1、Q4和/或Q7)和/或被转化为电力。
附加公开部分V
以下为根据本公开的非限制性具体实施方案：
第一个实施方案，其为一种氨合成设备，所述氨合成设备包括：进料预处理段，其可操作以预处理包含天然气、甲烷、丙烷、丁烷、LPG、石脑油、煤、石油焦或其组合的进料流；合成气生成段，其包括一个或多于一个重整器，所述重整器可操作以重整进料流而产生包含一氧化碳和氢气的重整器产物流；变换转化段，其包括一个或多于一个变换反应器，所述变换反应器可操作以使重整器产物流进行水煤气变换反应而产生比重整器气体流包含更多氢气的经变换气体流；纯化段，其可操作以从经变换气体流移除至少一种组分并提供包含氢气和氮气的氨合成进料流；和氨合成段，其包括一个或多于一个氨合成反应器，所述氨合成反应器可操作以从氨合成进料流产生氨，其中所述氨合成设备消耗大于或等于约25MW的电力，其中每吨氨产生的CO2的量小于或等于约1.6吨CO2每生产一吨氨，并且其中所述比能耗小于或等于约12GJ每生产一吨氨。
第二个实施方案，其为根据第一个实施方案的氨合成设备，其中所述氨合成设备不具有烟气热量回收段。
第三个实施方案，其为根据第一或第二个实施方案的氨合成设备，其中能够在所述一个或多于一个重整器中的至少一个内达到预定的重整温度而无需外部燃烧燃料或基于碳的燃料，并且其中经由电力加热并包括相关的对流、辐射或其他传热措施而将所述一个或多于一个重整器加热至预定的重整温度。
第四个实施方案，其为根据第一至第三个实施方案中的任一项的氨合成设备，其中所述一个或多于一个反应器以感应方式加热。
第五个实施方案，其为根据第一至第四个实施方案中的任一项的氨合成设备，其中除了生产用于蒸汽甲烷重整器或预重整器中的蒸汽外，不采用蒸汽作为主要的能量传递介质。
第六个实施方案，其为根据第一至第五个实施方案中的任一项的氨合成设备，其中在氨合成设备中所做的机械功的至少25％在不使用蒸汽的情况下完成。在一个方面，其为根据第六个实施方案的氨合成设备，在氨合成设备中所做的机械功的至少25％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、99％或100％在不使用蒸汽的情况下完成，例如经由一个或多于一个电气化压缩机。在一个方面，其为根据第六个实施方案的氨合成设备，在氨合成设备中所做的机械功的至少50％、60％、70％、80％、90％、99％或100％在不使用蒸汽的情况下完成，例如经由两个或更多个电气化压缩机。在一个方面，其为根据第六个实施方案的氨合成设备，在氨合成设备中所做的机械功的至少50％、60％、70％、80％、90％、99％或100％在不使用蒸汽的情况下完成，例如经由三个或更多个电气化压缩机使用等于或大于约100、110或120MW的电力。
第七个实施方案，其为根据第一至第六个实施方案中的任一项的氨合成设备，其中蒸汽甲烷重整器、预重整器或其组合中采用的蒸汽中的至少50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、99％或100％由电加热产生。
第八个实施方案，其为根据第一至第七个实施方案中的任一项的氨合成设备，其中预处理段、合成气生成段、变换转化段、纯化段、氨合成段或其组合包括一个或多于一个压缩机，并且其中所述一个或多于一个压缩机中的至少一半被配置为非燃气驱动或非蒸汽驱动运行或被配置为经由在不烧燃料的情况下产生的蒸汽来运行。
第九个实施方案，其为根据第一至第八个实施方案中的任一项的氨合成设备，其中使用压缩氢气、压缩天然气进料、低温液体、热电池、高热质炉衬材料、电池组或其组合来储存能量，使得在可再生电力不可得时能够在氨合成设备中采用来自氢气、天然气、低温液体、热电池和电力的储存能量。
第十个实施方案，其为根据第一至第九个实施方案中的任一项的氨合成设备，所述氨合成设备还包括电力生产装置，其被配置为从氨合成设备内的压力或热量产生电力，并且其中所述电力生产装置包括膨胀器、热电设备或其组合。
第十一个实施方案，其为根据第一至第十个实施方案中的任一项的氨合成设备，所述氨合成设备包括(a)可操作以提供氢气的以电的方式加热的蒸汽重整器和可操作以提供用于氨合成的氮气的以电的方式提供动力的空气分离单元(ASU)、(b)无自热重整器(ATR)，和(c)将ASU与所述一个或多于一个氨合成反应器流体连接的氮气入口管线，能够通过所述氮气入口管线将来自ASU的氮气作为进料的组分引入到所述一个或多于一个氨合成反应器。
第十二个实施方案，其为一种生产氨的方法，所述方法包括：(a)向合成气生成段如蒸汽重整或部分氧化中引入包含含碳材料的进料以产生包含氢气和一氧化碳的合成气产物，所述含碳材料选自天然气、甲烷、丙烷、丁烷、LPG、石脑油、煤、石油焦或其组合，其中所述合成气生成段所需的能量由热量输入Q1供给；(b)通过实现热量移除Q2来冷却重整器产物以产生经冷却的合成气；(c)变换所述经冷却的合成气以产生经变换的合成气产物；(d)通过实现热量移除Q3来冷却所述经变换的合成气以产生经冷却的经变换合成气；(e)通过以下步骤纯化所述经冷却的经变换合成气：从所述经冷却的经变换合成气移除二氧化碳，通过热量输入Q4来加热以产生经加热的二氧化碳减少的气体，甲烷化所述经加热的二氧化碳减少的气体以产生甲烷化器产物，和通过热量移除Q5从所述甲烷化器产物冷却和冷凝水以提供经纯化的气体；(f)压缩所述经纯化的气体；(g)通过热量输入Q6加热经压缩的经纯化气体以提供经加热的气体；(h)提供包含所述经加热的气体的氨合成进料，其中所述氨合成进料包含氢气和氮气，其中所述氮气存在于合成气中或随后添加到合成气中；(i)自所述氨合成进料产生包含氨的产物；(j)通过热量移除Q7冷却所述包含氨的产物以从所述包含氨的产物移除氨并提供包含氮气和氢气的再循环气体流；(k)经由再循环压缩机压缩所述包含氮气和氢气的气体流；和(l)经由吹扫气体系统吹扫，其中由热量移除Q8实现进一步的冷却，其中所述方法消耗大于或等于约25MW的电力每天，其中每吨氨产生的CO2的量小于或等于约1.6吨CO2每生产一吨氨，并且其中比能耗小于或等于约12GJ每生产一吨氨。
第十三个实施方案，其为根据第十二个实施方案的方法，其中用于进料和燃料两者的甲烷和天然气的总消耗小于或等于约0.65吨每生产一吨氨。
第十四个实施方案，其为根据第十二或第十三个实施方案的方法，其中用于燃料的甲烷和天然气的总消耗小于或等于约0.20吨每生产一吨氨。
第十五个实施方案，其为根据第十二至第十四个实施方案中的任一项的方法，其中在不燃烧燃料的情况下供给所述合成气生成段所需的能量。
第十六个实施方案，其为根据第十二至第十五个实施方案中的任一项的方法，其中基于非碳的能源包括间歇性能源(IES)或经由间歇性能源(IES)产生电力，并且所述方法还包括在IES可得时在不燃烧燃料或基于碳的燃料的情况下维持合成气生成段中的一个或多于一个反应器的温度，并在IES不可得时经由来自IES的能量的储存供给或通过燃烧燃料或基于碳的燃料来维持合成气生成段中的一个或多于一个反应器的温度。
第十七个实施方案，其为根据第十二至第十六个实施方案中的任一项的方法，所述方法还包括采用电加热来控制合成气生成段、用于变换的变换反应器、用于甲烷化的甲烷化反应器和用于从氨合成进料生产包含氨的产物的氨合成反应器中的至少一个反应器的温度分布。
第十八个实施方案，其为根据第十七个实施方案的方法，其中以至少接近等温操作来操作合成气生成段的反应器中的至少一个。
第十九个实施方案，其为根据第十二至第十八个实施方案中的任一项的方法，所述方法还包括经由向合成气生成段的一个或多于一个反应器进料蒸汽来提供在(a)中达到反应温度所需的热量Q1中的一些或全部，其中以电的方式使所述蒸汽过热。
第二十个实施方案，其为根据第十二至第十九个实施方案中的任一项的方法，所述方法还包括在压缩所述经纯化的气体之前从所述经纯化的气体移除甲烷，其中从所述经纯化的气体移除甲烷减少了用于从氨合成进料生产包含氨的产物的氨合成回路的(l)中的吹扫量，其中经由以可再生电的方式提供动力的甲烷移除工艺从所述经纯化的气体移除甲烷，并且其中所述以可再生电的方式提供动力的甲烷移除工艺包括变压吸附(PSA)。
第二十一个实施方案，其为根据第十二至第二十个实施方案中的任一项的方法，所述方法还包括在电力可得和低于门槛价格时储存天然气，并在电力不可得或高于门槛价格时利用所储存的天然气作为进料的组分或来生成电力。
第二十二个实施方案，其为根据第十二至第二十一个实施方案中的任一项的方法，所述方法还包括在电力可得或低于门槛价格时储存制冷剂并在电力不可得或高于门槛价格时利用所述制冷剂来冷却以提供热量移除Q2、Q3、Q5、Q7和Q8，并且其中所述制冷剂包括氨。
第二十三个实施方案，其为根据第十二至第二十二个实施方案中的任一项的方法，所述方法还包括从吹扫气体流分离氢气，并储存分离出的氢气中的至少一部分并在电力的其他来源不易获得或无法以理想的价格获得时将所储存的至少一部分氢气转化为电力，其中使用一个或多于一个燃料电池来将氢气转化为电力。
第二十四个实施方案，其为根据第十二至第二十三个实施方案中的任一项的方法，其中用于移除二氧化碳的系统包括胺回收，并且其中所述胺回收用电加热实现。
虽然已示出和描述了本发明的优选实施方案，但本领域技术人员可在不脱离本公开的教导的情况下对其进行修改。本文描述的实施方案仅是示例性的，而非旨在限制。本文公开的发明的许多变化和修改是可能的并在本发明的范围内。
在完全理解上述公开内容后，许多其他修改、等同物和替代物对于本领域技术人员将是显而易见的。以下权利要求旨在解释为在适用时涵盖所有这样的修改、等同物和替代物。因此，保护范围不受上面阐述的描述的限制，而仅受附随的权利要求书的限制，该范围包括权利要求书的主题的所有等同物。每一项权利要求均作为本发明的实施方案并入说明书中。因此，权利要求是进一步的描述并且是对本发明的具体实施方式的补充。本文引用的所有专利、专利申请和出版物的公开内容通过引用并入本文。
Claims (24)
1.一种氨合成设备，所述氨合成设备包括：
进料预处理段，所述进料预处理段可操作以从包含天然气、甲烷、丙烷、丁烷、LPG、石脑油、煤、石油焦或其组合的进料流中移除不期望的组分，调节所述进料流的温度和/或压力；
合成气生成段，所述合成气生成段包括一个或多于一个重整器，所述重整器可操作以重整所述进料流而产生包含一氧化碳和氢气的重整器产物流；
变换转化段，所述变换转化段包括一个或多于一个变换反应器，所述变换反应器可操作以使所述重整器产物流进行水煤气变换反应而产生比重整器气体流包含更多氢气的经变换气体流；
纯化段，所述纯化段可操作以从所述经变换气体流移除至少一种组分并提供包含氢气和氮气的氨合成进料流；和
氨合成段，所述氨合成段包括一个或多于一个氨合成反应器，所述氨合成反应器可操作以从所述氨合成进料流产生氨，
其中所述氨合成设备消耗大于或等于25MW的电力，
其中每吨氨产生的CO2的量小于或等于1.6吨CO2每生产一吨氨，
其中比能耗小于或等于12GJ每生产一吨氨；并且
其中所述氨合成设备被配置为使得进料预处理段、合成气生成段、变换转化段、纯化段和氨合成段所需的超过50％的净能量由电力提供。
2.根据权利要求1所述的氨合成设备，其中所述氨合成设备不具有烟气热量回收段。
3.根据权利要求1所述的氨合成设备，其中能够在所述一个或多于一个重整器中的至少一个内达到预定的重整温度而无需外部燃烧燃料或基于碳的燃料，并且其中经由电力加热并包括相关的对流、辐射或其他传热措施而将所述一个或多于一个重整器加热至所述预定的重整温度。
4.根据权利要求1所述的氨合成设备，其中所述一个或多于一个反应器以感应方式加热。
5.根据权利要求1所述的氨合成设备，其中除了生产用于蒸汽甲烷重整器或预重整器中的蒸汽外，不采用蒸汽作为主要的能量传递介质。
6.根据权利要求1所述的氨合成设备，其中在所述氨合成设备中所做的机械功的至少25％在不使用蒸汽的情况下完成。
7.根据权利要求1所述的氨合成设备，其中在蒸汽甲烷重整器、预重整器或其组合中采用的蒸汽中的至少50％由电加热产生。
8.根据权利要求1所述的氨合成设备，其中所述预处理段、所述合成气生成段、所述变换转化段、所述纯化段、所述氨合成段或其组合包括一个或多于一个压缩机，并且其中所述一个或多于一个压缩机中的至少一半被配置为非燃气驱动或非蒸汽驱动运行或被配置为经由在不烧燃料的情况下产生的蒸汽来运行。
9.根据权利要求1所述的氨合成设备，其中使用压缩氢气、压缩天然气进料、低温液体、热电池、高热质炉衬材料、电池组或其组合来储存能量，使得在可再生电力不可得时能够在所述氨合成设备中采用来自所述氢气、所述天然气、所述低温液体、所述热电池和电力的储存能量。
10.根据权利要求1所述的氨合成设备，所述氨合成设备还包括电力生产装置，所述电力生产装置被配置为从所述氨合成设备内的压力或热量产生电力，并且其中所述电力生产装置包括膨胀器、热电设备或其组合。
11.根据权利要求1所述的氨合成设备，所述氨合成设备包括(a)可操作以提供氢气的以电的方式加热的蒸汽重整器和可操作以提供用于氨合成的氮气的以电的方式提供动力的空气分离单元(ASU)、(b)无自热重整器(ATR)、和(c)将所述ASU与所述一个或多于一个氨合成反应器流体连接的氮气入口管线，能够通过所述氮气入口管线将来自所述ASU的氮气作为进料的组分引入到所述一个或多于一个氨合成反应器。
12.一种生产氨的方法，所述生产氨的方法包括：
(a)向合成气生成段中引入包含含碳材料的进料以产生包含氢气和一氧化碳的重整器产物，所述含碳材料选自天然气、甲烷、丙烷、丁烷、LPG、石脑油、煤、石油焦或其组合，其中所述合成气生成段所需的能量由热量输入Q1供给；
(b)通过实现热量移除Q2来冷却所述重整器产物以产生经冷却的合成气；
(c)变换所述经冷却的合成气以产生经变换的合成气产物；
(d)通过实现热量移除Q3来冷却所述经变换的合成气以产生经冷却的经变换合成气；
(e)通过以下步骤纯化所述经冷却的经变换合成气：
从所述经冷却的经变换合成气移除二氧化碳；
通过热量输入Q4来加热以产生经加热的二氧化碳减少的气体；
甲烷化所述经加热的二氧化碳减少的气体以产生甲烷化器产物；和
通过热量移除Q5从所述甲烷化器产物冷却和冷凝水以提供经纯化的气体；
(f)压缩所述经纯化的气体；
(g)通过热量输入Q6加热经压缩的经纯化气体以提供经加热的气体；
(h)提供包含所述经加热的气体的氨合成进料，其中所述氨合成进料包含氢气和氮气，其中所述氮气存在于所述合成气中或随后添加到所述合成气中；
(i)自所述氨合成进料产生包含氨的产物；
(j)通过热量移除Q7冷却所述包含氨的产物以从所述包含氨的产物移除氨并提供包含氮气和氢气的再循环气体流；
(k)经由再循环压缩机压缩所述包含氮气和氢气的气体流；和
(l)经由吹扫气体系统吹扫，其中由热量移除Q8实现进一步的冷却，
其中所述生产氨的方法消耗大于或等于25MW的电力每天，
其中每吨氨产生的CO2的量小于或等于1.6吨CO2每生产一吨氨，并且其中比能耗小于或等于12GJ每生产一吨氨。
13.根据权利要求12所述的方法，其中用于进料和燃料两者的甲烷和天然气的总消耗小于或等于0.65吨每生产一吨氨。
14.根据权利要求12所述的方法，其中用于燃料的甲烷和天然气的总消耗小于或等于0.20吨每生产一吨氨。
15.根据权利要求12所述的方法，其中在不燃烧燃料的情况下供给所述合成气生成段所需的能量。
16.根据权利要求12所述的方法，其中经由间歇性能源(IES)产生电力，并且所述方法还包括在IES可得时在不燃烧燃料或基于碳的燃料的情况下维持所述合成气生成段中的一个或多于一个反应器的温度，并在IES不可得时经由来自所述IES的能量的储存供给或通过燃烧燃料或基于碳的燃料来维持所述合成气生成段中的一个或多于一个反应器的温度。
17.根据权利要求12所述的方法，所述方法还包括采用电加热来控制所述合成气生成段、用于变换的变换反应器、用于所述甲烷化的甲烷化反应器和用于从所述氨合成进料生产包含氨的产物的氨合成反应器中的至少一个反应器的温度分布。
18.根据权利要求17所述的方法，其中以等温操作来操作所述合成气生成段的反应器中的至少一个。
19.根据权利要求12所述的方法，所述方法还包括经由向所述合成气生成段的一个或多于一个反应器进料蒸汽来提供在(a)中达到反应温度所需的热量Q1中的一些或全部，其中以电的方式使所述蒸汽过热。
20.根据权利要求12所述的方法，所述方法还包括在压缩所述经纯化的气体之前从所述经纯化的气体移除甲烷，其中从所述经纯化的气体移除甲烷减少了用于从所述氨合成进料生产包含氨的产物的氨合成回路的(l)中的吹扫量，其中经由以可再生电的方式提供动力的甲烷移除工艺从所述经纯化的气体移除甲烷，并且其中所述以可再生电的方式提供动力的甲烷移除工艺包括变压吸附(PSA)。
21.根据权利要求12所述的方法，所述方法还包括在电力可得和低于门槛价格时储存天然气，并在电力不可得或高于门槛价格时利用所储存的天然气作为进料的组分或来生成电力。
22.根据权利要求12所述的方法，所述方法还包括在电力可得或低于门槛价格时储存制冷剂并在电力不可得或高于门槛价格时利用所述制冷剂来冷却以提供热量移除Q2、Q3、Q5、Q7和Q8，并且其中所述制冷剂包括氨。
23.根据权利要求12所述的方法，所述方法还包括从吹扫气体流分离氢气，并储存分离出的氢气中的至少一部分并在电力的其他来源不易获得或无法以理想的价格获得时将所储存的至少一部分氢气转化为电力，其中使用一个或多于一个燃料电池来将氢气转化为电力。
24.根据权利要求12所述的方法，其中用于移除二氧化碳的系统包括胺回收，并且其中所述胺回收用电加热实现。
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