CN115385361B - 一种以水和空气为原料的绿色合成氨生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以水和空气为原料的绿色合成氨生产工艺，属于氨合成技术领域，包括以下步骤：压缩空气经PSA制取氮气，压缩氮气与电解水制取的氢气混合后进行脱氧处理，后经氢氮气压缩机增压后与氨分离器送出的气体混合进入混合气压缩机增压，后经热交换器加热后进入氨合成塔进行氨合成反应；反应后的合成气依次经过热交换器、空冷器、水冷器、冷交换器、氨冷器冷却后进入氨分离器进行气液分离；分离出的气相经冷交换器回收冷量后送入混合气压缩机进行循环；分离出的液氨送氨闪蒸槽减压闪蒸，闪蒸得到的氢氮气送氢氮气压缩机回收利用，闪蒸后的液氮作为产品送出。本发明以水和空气为原料，采用绿电作为电力来源，实现绿色零碳排放。

Description

一种以水和空气为原料的绿色合成氨生产工艺

技术领域

本发明属于氨合成技术领域，具体涉及一种以水和空气为原料的绿色合成氨生产工艺。

背景技术

合成氨主要用作于生产氮肥，也可作为冷冻剂和化工原料，还可以作为燃料和作为氢载体用于氢燃料电池，目前合成氨主要以天然气、煤、石油等为原料，经转化或气化得到富含CO和H2的合成气，再经CO变换、净化脱碳得到氢气，掺配氮气进行氨合成反应等到氨产品；氨合成多采用绝热反应器，其反应温升高效率低，且能源消耗高，碳排放量大。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种以水和空气为原料的绿色合成氨生产工艺，用于解决现有技术中合成氨过程碳排放量大，能源消耗高的问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供一种以水和空气为原料的绿色合成氨生产工艺，包括：S1：将空气压缩至0.6MPaG送PSA制氮机制取氮，氮气经压缩后与电解水制取的氢气混合，然后送脱氧系统进行脱氧处理，脱氧后的氢氮气经氢氮压缩机增压后与氨分离器送出的气体混合进入混合气压缩机增压，经热交换器加热后进入氨合成塔换热管内从上往下移动，在催化剂作用下进行氨合成反应，氨合成塔换热管外的熔盐从下往上流动；

S2：反应后的合成气进入热交换器加热氨合成塔的入口混合气后，经过冷却机构冷取至-10℃后进入氨分离器进行气液分离；分离出的气相经冷交换器回收冷量后送入混合气压缩机进行循环；

S3：分离出的液氨送入氨闪蒸槽减压闪蒸，闪蒸得到的氢氨气送入氢氮气压缩机进行回收利用，闪蒸后的液氮作为产品送出。

进一步，步骤S1中，所述氨合成塔采用以熔盐为移热介质的立式管壳式移热变温反应器，所述氨合成塔内部设有装填氨合成催化剂的管程和装填有熔盐的壳程；

合成气进入氨合成塔后，从上往下穿过管程进行催化反应，壳程内的熔盐从下往上流动，催化反应放出的热量通过熔盐流动移除。

进一步，所述熔盐在氨合成塔中被加热至预设温度后进入高温熔盐缓存罐缓存，再进入高温熔盐泵加压，然后依次经过蒸汽过热器、蒸汽发生器进行热量回收利用降温至330℃后进入低温熔盐缓存罐缓存，再经低温熔盐泵加压后进入氨合成塔形成循环。

进一步，所述蒸汽发生器和蒸汽过热器进行热量回收时，利用高温熔盐副产4.0MPaG、400℃过热中压蒸汽，送汽轮机带动发电机发电，以回收氨合成反应产生的热量。

进一步，所述汽轮机出口乏汽0.02MPaA、60℃，经乏汽空冷器冷凝并经透平冷凝液加压泵升压至4.5MpaG后送入净水器净化，净化后送蒸汽发生器进行循环利用。

进一步，电解水制氢的原料水为水冷器的冷却水。

进一步，所述冷却机构包括依次连接的空冷器、水冷器、冷交换器、氨冷器，从热交换器送出的混合气依次经过空冷器、水冷器、冷交换器、氨冷器进行冷却。

进一步，步骤S1中，所述电解水通过绿电电力供应负荷自动调节电解水制氢的运行负荷，通过中央控制器对电解水制氢运行负荷、混合气氢气/氮气比例、合成圈压力、合成塔温度进行模块运算自动调节原料水泵、空气压缩机、氮气压缩机、氢氮气压缩机、低温熔盐泵操作负荷。

本发明的有益效果在于：

本发明以水和空气为原料，采用绿电作为电力来源，实现绿色零碳排放；通过合成气和熔盐逆向流动，实现了氨合成塔入口端高反应物浓度时在高温下有利于加快反应速率、出口端高产物浓度时在低温下有利于提高化学反应平衡转化率。

本发明的其他优点、目标和特征将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上对本领域技术人员而言是显而易见的，或者本领域技术人员可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明实施例的流程图；

图2为本发明实施例的合成反应控制系统框图。

附图中标记如下：1、原料水泵；2、空气压缩机；3、氮气压缩机；4、脱氧系统；5、氢氨气压缩机；6、混合气压缩机；7、热合成塔；8、热交换器；9、水冷器；10、冷交换器；11、氨冷器；12、氨分离器；13、氨闪蒸槽；14、高温熔盐缓存罐；15、高温熔盐泵；16、低温熔盐泵；17、低温熔盐缓存罐；18、蒸汽发生器；19、蒸汽过热器；20、净水器；21、透平冷凝液加压泵；22、透平乏汽空冷器；23、发电机；24、汽轮机；25、电解槽；26、PSA制氮机；27、空冷器。

具体实施方式

如图1-2所示，本发明提供一种以水和空气为原料的绿色合成氨生产工艺，包括以下步骤：

S1：原料空气经空气压缩机2加压至0.6MPaG后送PSA制氮机26制氮，制氮后送入至氮气压缩机3加压至1.8MPaG；将原料水经原料水泵1加压至2.5MPaG，送至水冷器9加热80～90℃后送电解槽25进行电解水制氢，其中从电解槽25送出的氢气压力为1.9MPaG，电解槽25送出的氢气和氮气压缩机3送出的氮气混合后进入脱氧系统4进行脱氧处理后再与氨闪蒸槽13送出的闪蒸气混合并进入氢氮气压缩机5增压至14.1MpaG；增压后的氢氮气与氨分离器12送出的气体混合后进入混合气压缩机6增压至14.9MpaG，然后进入热交换器8加热后进入氨合成塔7从上往下移动进行氨合成反应，氨合成塔7内包围住催化剂的熔盐从下往上流动；

S2：反应后的混合气进入热交换器8加热从混合气压缩机6送出的混合气后进入冷却机构冷却，所述冷却机构包括依次连接的空冷器27、水冷器9、冷交换器10、氨冷器11，从热交换器送出的混合气依次经过空冷器27、水冷器9、冷交换器10、氨冷器11冷却至-10℃后进入氨分离器12，分离后的气相经冷交换器10回收冷量后送入混合气压缩机6入口处循环；

S3：氨分离器12分离出的液氨送氨闪蒸罐13减压至至2.0MPaG进行闪蒸，闪蒸气包括氢气和氮气，闪蒸后的闪蒸气送入氢氮气压缩机5入口与脱氧处理后的气体混合，闪蒸后的液氨作为产品送出。

上述技术方案的工作原理和有益效果：通过上述步骤的设计，以水和空气为原料，采用绿电作为电力来源，实现绿色零碳排放；通过对闪蒸气和氨分离器12分离的气相循环利用，减少了能源消耗，通过合成气和熔盐逆向流动，实现了氨合成塔7入口端高反应物浓度时在高温下有利于加快反应速率、出口端高产物浓度时在低温下有利于提高化学反应平衡转化率。

在本发明的一个实施例中，步骤S1中，所述氨合成塔7采用以熔盐为移热介质的立式管壳式移热变温反应器，所述氨合成塔7内部设有管程和壳程，所述管程用于装填氨合成催化剂，所述壳程装填有熔盐，所述壳程围住所述管程设置，以使熔盐包围住管程设置。

合成气进入氨合成塔后，从上往下穿过管程进行催化反应，其中，壳程内的熔盐从下往上流动，催化反应放出的热量通过熔盐流动移除。

上述技术方案的工作原理：氨合成塔7采用以熔盐为移热介质的立式管壳式移热变温反应器，管程为工艺气侧，装填氨合成催化剂，合成气从上往下穿过催化剂床层；壳程为熔盐侧，熔盐从下往上流动，氨合成反应放出热量通过壳程熔盐温升被移除。

上述技术方案的有益效果：通过合成气和熔盐逆向流动，熔盐温度随流动方向不断升高，合成气温度随着流动方向不断降低，实现了氨合成塔7入口端高反应物浓度时在高温下有利于加快反应速率、出口端高产物浓度时在低温下有利于提高化学反应平衡转化率，不同催化剂床层高度的操作温度均为最佳反应温度，以减少催化剂装量并提高氨合成反应单程转化率降低合成圈循环量，单程转化率可以达到60％，循环比可以降低至0.7，解决了传统氨合成塔采用绝热反应床，无法实现催化剂不在最佳反应温度下操作、催化剂装量、单程转化率降低、合成圈循环量大等问题。

在本发明的一个实施例中，所述熔盐在氨合成塔7中被加热至420℃后进入高温熔盐缓存罐14缓存，再进入高温熔盐泵15加压，然后依次经过蒸汽过热器19、蒸汽发生器18进行热量回收利用后降温至330℃后进入低温熔盐缓存罐17缓存，再经低温熔盐泵16加压后进入氨合成塔7形成循环；

所述蒸汽发生器18和蒸汽过热器19进行热量回收时，利用高温熔盐副产4.0MPaG、400℃过热中压蒸汽，送汽轮机24带动发电机23发电，以回收氨合成反应产生的热量。

上述技术方案的工作原理：设置高温熔盐缓存罐14和低温熔盐缓存罐17，缓存容量满足一个电力变化周期的熔盐循环量，高温熔盐缓存罐14储存经氨合成塔7加热的高温熔盐，高温熔盐经高温熔盐泵15升压后送蒸汽过热器19和蒸汽发生器18副产中压过热蒸汽后进入低温熔盐缓存罐17储存，副产的中压过热蒸汽送汽轮机24驱动发电机23发电，蒸汽过热器19、蒸汽发生器18及汽轮机24、发电机23稳态操作，作为装置的基础电力供应来源，实现工艺系统波动操作与余热发电系统稳态操作的衔接。

上述技术方案的有益效果：解决了传统合成氨工艺余热回收等级低的问题，实现了工艺系统波动操作与余热发电系统稳态操作的衔接；实现了氨合成反应热量的回收利用，降低了能源消耗。

在本发明的一个实施例中，所述过热中压蒸汽由汽轮机24送出后进入透平乏汽空冷器22冷凝，并经透平冷凝液加压泵21升压至4.5MpaG后送入净水器20净化，净化后送蒸汽发生器18进行循环利用。

上述技术方案的工作原理和有益效果：蒸汽发生器18和蒸汽过热器19进行热量回收时，利用高温熔盐副产4.0MPaG、400℃的过热中压蒸汽由汽轮机24送出后进入透平乏汽空冷器22冷凝，并经透平冷凝液加压泵21升压至4.5MpaG后送入净水器20净化，净化后送蒸汽发生器18进行循环利用，实现了过热中压蒸汽的循环利用，减少了能源消耗。

在本发明的一个实施例中，电解水制氢的原料水为水冷器9的冷却水。

上述技术方案的工作原理和有益效果：采用水冷器9的冷却水作为电解水制氢的原料水，既加热了电解水制氢的原料水，又节省了冷却水消耗，解决了传统合成氨需要消耗大量循环冷却水的问题。

在本发明的一个实施例中，步骤S1中，所述电解水通过绿电电力供应负荷自动调节电解水制氢的运行负荷，通过中央控制器对电解水制氢运行负荷、混合气氢气/氮气比例、合成圈压力、合成塔温度进行模块运算自动调节原料水泵、空气压缩机、氮气压缩机、氢氮气压缩机、低温熔盐泵操作负荷。

上述技术方案的工作原理：当绿电功率升高时，电解制氢的速率对应上升，当中央控制器检测到电解槽电流信号升高时，中央控制器通过控制指令生成模块生成控制指令控制空气压缩机电机、氮气压缩机电机、氮气压缩机电机、混合气压缩机电机联动提升输出功率，使得整体反应跟随绿电功率上升；相应地，因此当电解槽电流信号降低时，中央控制器控制空气压缩机电机、氮气压缩机电机、氮气压缩机电机、混合气压缩机电机联动降低输出功率；

传感器信号处理模块对提取气体组分自动分析仪中氮气与氢气含量的摩尔比值，中央控制器根据氮气与氢气含量的摩尔比值的预设阈值(氮氢摩尔比合理的区间0.333～0.334)对空气压缩机电机、氮气压缩机电机进行动态控制，当氮气与氢气含量的摩尔比值低于预设阈值最低值0.333时，此时氮气组分不足，中央控制器控制空气压缩机电机、氮气压缩机电机提高功率，增加氮气的进气量；相应地，当氮气与氢气含量的摩尔比值高于预设阈值最高值0.334时，中央控制器控制空气压缩机电机、氮气压缩机电机降低功率，减少氮气的进气量；使得根据氢气产生的速率动态调整氮气的进气量；

中央控制器实时监测压力传感器信号，当压力传感器信号超过预设阈值(压力阈值区间13Mpa-15MPa)最高值时，控制混合气体压缩机电机提升功率以加快循环气速提高反应速率，反之压力传感器信号低于压力阈值区间最低值时，控制混合气体压缩机电机降低功率，以减慢循环气速降低反应速率，使得合成圈压力保持一个合理区间；

中央控制器实时监测合成塔温度传感器信号，当温度传感器信号超过预设阈值(温度阈值区间380-450℃)最高值时，控制低温熔盐泵电机增加功率，加大低温熔盐流速，以降低合成塔温度，反之低于温度阈值最低值时，降低低温熔盐泵功率，降低低温熔盐流速，以维持合成塔温度；

此外，中央控制器监测电解槽液位信息，控制水泵电机，维持电解槽水位的稳定。

上述技术方案的有益效果：实现绿色零碳排放；为适配绿电孤网运行电力波动的特点，电解水制氢根据电力供应自动调节生产负荷，装置设置中央控制器，原料水泵、空气压缩机、氮气压缩机、氢氮气压缩机、低温熔盐泵操作负荷根据电解水制氢运行负荷、混合气氢气/氮气比例、合成圈压力、合成塔温度进行模块运算调节，实现整个装置的高弹性独立操作。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (2)

1.一种以水和空气为原料的绿色合成氨生产工艺，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将空气压缩至0.6MPaG送PSA制氮机制取氮，氮气经压缩后与电解水制取的氢气混合，然后送脱氧系统进行脱氧处理，脱氧后的氢氮气经氢氮压缩机增压后与氨分离器送出的气体混合进入混合气压缩机增压，经热交换器加热后进入氨合成塔换热管内从上往下移动，在催化剂作用下进行氨合成反应，氨合成塔换热管外的熔盐从下往上流动；

步骤S1中，所述氨合成塔采用以熔盐为移热介质的立式管壳式移热变温反应器，所述氨合成塔内部设有装填氨合成催化剂的管程和装填有熔盐的壳程；

合成气进入氨合成塔后，从上往下穿过管程进行催化反应，壳程内的熔盐从下往上流动，催化反应放出的热量通过熔盐流动移除；

步骤S1中，所述电解水通过绿电电力供应负荷自动调节电解水制氢的运行负荷，通过中央控制器对电解水制氢运行负荷、混合气氢气/氮气比例、合成圈压力、合成塔温度进行模块运算自动调节原料水泵、空气压缩机、氮气压缩机、氢氮气压缩机、低温熔盐泵操作负荷；

当绿电功率升高时，电解制氢的速率对应上升，当中央控制器检测到电解槽电流信号升高时，中央控制器通过控制指令生成模块生成控制指令控制空气压缩机电机、氮气压缩机电机、氮气压缩机电机、混合气压缩机电机联动提升输出功率，使得整体反应跟随绿电功率上升；相应地，因此当电解槽电流信号降低时，中央控制器控制空气压缩机电机、氮气压缩机电机、氮气压缩机电机、混合气压缩机电机联动降低输出功率；

传感器信号处理模块对提取气体组分自动分析仪中氮气与氢气含量的摩尔比值，中央控制器根据氮气与氢气含量的摩尔比值的预设阈值对空气压缩机电机、氮气压缩机电机进行动态控制，当氮气与氢气含量的摩尔比值低于预设阈值最低值0.333时，此时氮气组分不足，中央控制器控制空气压缩机电机、氮气压缩机电机提高功率，增加氮气的进气量；相应地，当氮气与氢气含量的摩尔比值高于预设阈值最高值0.334时，中央控制器控制空气压缩机电机、氮气压缩机电机降低功率，减少氮气的进气量；使得根据氢气产生的速率动态调整氮气的进气量；其中，氮氢摩尔比合理的区间为0.333~0.334；

中央控制器实时监测压力传感器信号，当压力传感器信号超过预设阈值最高值时，控制混合气体压缩机电机提升功率以加快循环气速提高反应速率，反之压力传感器信号低于压力阈值区间最低值时，控制混合气体压缩机电机降低功率，以减慢循环气速降低反应速率，使得合成圈压力保持一个合理区间，其中，压力阈值区间为13MPa-15MPa；

中央控制器实时监测合成塔温度传感器信号，当温度传感器信号超过预设阈值最高值时，控制低温熔盐泵电机增加功率，加大低温熔盐流速，以降低合成塔温度，反之低于温度阈值最低值时，降低低温熔盐泵功率，降低低温熔盐流速，以维持合成塔温度，其中，温度阈值区间为380-450℃；

此外，中央控制器监测电解槽液位信息，控制水泵电机，维持电解槽水位的稳定；

S2：反应后的合成气进入热交换器加热氨合成塔的入口混合气后，经过冷却机构冷取至-10℃后进入氨分离器进行气液分离；分离出的气相经冷交换器回收冷量后送入混合气压缩机进行循环；

S3：分离出的液氨送入氨闪蒸槽减压闪蒸，闪蒸得到的氢氨气送入氢氮气压缩机进行回收利用，闪蒸后的液氮作为产品送出；

所述熔盐在氨合成塔中被加热至预设温度后进入高温熔盐缓存罐缓存，再进入高温熔盐泵加压，然后依次经过蒸汽过热器、蒸汽发生器进行热量回收利用降温至330℃后进入低温熔盐缓存罐缓存，再经低温熔盐泵加压后进入氨合成塔形成循环；

所述蒸汽发生器和蒸汽过热器进行热量回收时，利用高温熔盐副产4.0MPaG、400℃过热中压蒸汽，送汽轮机带动发电机发电，以回收氨合成反应产生的热量；

所述汽轮机出口乏汽0.02MPaA、60℃，经乏汽空冷器冷凝并经透平冷凝液加压泵升压至4.5MPaG后送入净水器净化，净化后送蒸汽发生器进行循环利用；

电解水制氢的原料水为水冷器的冷却水。

2.根据权利要求1所述的以水和空气为原料的绿色合成氨生产工艺，其特征在于：所述冷却机构包括依次连接的空冷器、水冷器、冷交换器、氨冷器，从热交换器送出的混合气依次经过空冷器、水冷器、冷交换器、氨冷器进行冷却。