CN116081644A - 一种柔性合成氨制备系统及工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及氨的合成制备技术领域，具体涉及一种柔性合成氨制备系统及工艺，包括用于接收并压缩原料气体的压缩单元，用于缓存和补气的气体储存单元，用于合成氨并将氨冷却分离的氨合成单元，用于为氨合成单元提供冷量的冷冻单元，用于发电的余热发电单元。通过气体储存单元降低上游系统负荷波动的影响，使合成氨制备系统稳定运行；通过气体储存单元补充气，不需要设置补充气压缩机；膨胀发电机利用气体储存单元膨胀气发电回收高压气体势能。在合成氨低负荷运行时调整分氨温度及合成气组分，保持氨合成单元操作压力不低于设定值、避免设备应力疲劳，进而保证氨合成单元的安全运行，实现合成氨制备系统的柔性安全生产。

Description

一种柔性合成氨制备系统及工艺
技术领域
本发明涉及氨的合成制备技术领域，具体涉及一种柔性合成氨制备系统及工艺。
背景技术
可再生能源可以从源头减少碳排放，是全球应对能源资源紧张、环境恶化、气候变暖的重要手段；但可再生能源发电负荷波动大、稳定性差，影响可再生能源发电上网和利用效率，造成弃风、弃光现象严重。合成氨生产流程短、受其它资源制约少、储能密度高、便于运输，电解水制氢生产绿色合成氨是可再生能源消纳的理想途径。
氨合成是体积缩小的反应，当负荷降低时合成气在催化剂床层停留时间增加，单程转化率上升、合成回路压力下降。传统低压合成氨工艺100％负荷运行时系统压力可达到14MPa，当系统负荷下降到30％时系统压力仅为9.5MPa甚至更低。考虑可再生能源负荷波动特性，即便风光资源属性非常丰富的西北地区，测算全年有400～500次合成圈高压设备波动范围超过设计压力的20％，如此频繁的压力波动会引起设备的应力疲劳。由于合成塔、废锅等设备高温、高压、临氢，按照抗疲劳设备加工制造设备成本大幅增加；可再生能源负荷波动还会引起上游电解水制氢装置电耗的大幅增加，同时影响后续工艺装置连续产生，影响项目经济性。
故亟需研发适应可再生能源非稳定资源属性的柔性合成氨技术，在追求高操作弹性的同时，还要确保设备长期安全运行，以及投资和运行的经济性。
发明内容
至少为克服其中一种上述内容提到的缺陷，本发明提出一种柔性合成氨制备系统及工艺，通过调整弛放气流量、分氨温度、合成气组分，可实现生产负荷大范围、高频率波动下合成氨设备操作压力小范围波动，在不增加大量设备投资的情况下实现设备长期安全可靠运行。通过设置适当能力的气体储存单元，降低可再生能源制氢负荷波动的影响，实现合成氨稳定运行；补充气来自加压后的合成气或循环气，不需设置补充气压缩机，流程简单、操作灵活。通过在气体储存单元设置膨胀发电机，利用气体储存单元膨胀气带动膨胀发电机发电回收高压气体势能；通过设置余热发电单元，利用氨合成单元副产蒸汽发电，节省合成氨制备系统的总体能耗。
为了实现上述目的，本发明公开的制备系统可采用如下技术方案：
一种柔性合成氨制备系统，包括用于接收并压缩原料气体的压缩单元，用于缓存和补气的气体储存单元，用于反应生成合成氨、并将氨从合成气中冷却分离的氨合成单元，用于为氨合成单元提供冷量的冷冻单元，用于利用副产蒸汽发电的余热发电单元，以及用于实现自动化生产的控制系统。
上述公开的柔性合成氨制备系统，通过压缩单元控制合成气的流量，在气体储存单元的配合下保持送往氨合成单元的合成气的稳定，维持氨合成的负荷以保持稳定的合成效率；再者，本发明所提供的气体储存单元释放气体时驱动膨胀发电机发电，回收高压气体降至低压系统时的能量。通过调整气体储存单元的合成气缓存和释放，以及调整氨合成单元的弛放气量、分氨温度、合成气组分，避免氨合成单元操作压力波动过大，从而减少设备的使用疲劳度，可有效延长设备的使用寿命；再者，本发明所提供的系统能够自适应的调节合成气的压力值，避免了从外部再单独设置补气设备以维持合成气压力的稳定，可避免增加系统的建设成本。通过设置余热发电单元，利用氨合成单元副产蒸汽发电，节省合成氨制备系统的总体能耗。
进一步的，在本发明中，压缩单元主用于压缩原料气，使进入氨合成单元的合成气状态稳定可靠。压缩单元可采用多种可行的方案，并不被唯一限定，此处进行优化并提出其中一种可行的选择：所述的压缩单元包括依次连通的合成气压缩机和循环气压缩机，所述的合成气压缩机用以将接收的原料气及气体储存单元补充的膨胀气进行压缩，所述的循环气压缩机用以将合成气压缩机来的合成气以及氨合成单元来的循环气进行压缩、输送至氨合成单元。当电解水制氢生产负荷高位运行时，抽出部分高压气体送至气体储存单元储存，抽出的高压气体可以是合成气压缩机出口的合成气，也可以是氨合成单元来的循环气。
再进一步，在实际生产过程中，压缩单元通过外界提供原料气，此处进行优化并提出其中一种可行的选择：所述的压缩单元连接有氢气输送结构和氮气输送结构，且氢气输送结构连通至合成气压缩机，氮气输送结构连通至合成气压缩机与循环气压缩机之间、也可根据需要连通至合成气压缩机。采用如此方案时，外部通过电解水产生氢气，通过空气分离法获得氮气，并分别通过对应的输送管道将氢气和氮气输送至压缩单元。
进一步的，在合成氨制备过程中，通过氨合成单元在一定的反应条件下，使合成气催化反应生成NH3；受反应平衡限制，合成气并不能单程反应殆尽。采用如此方案时，氨合成单元用以将压缩单元来的合成气在催化剂的作用下生成合成氨。所述的氨合成单元包括用于对合成气进行加热的预热器，预热器连接合成塔并用于合成氨，合成塔出口还连接废锅系统并换热后用于发电，而换热后的氨再依次经过预热器、水冷器氨冷器和分离器，经回收热量、水冷、氨冷后分离出液氨作为产品，未反应的合成气循环进入循环气压缩机升压后返回系统继续反应生成液氨。
进一步的，氨合成单元氨冷器所需液氨由冷冻单元提供，本发明的冷冻单元采用压缩制冷，在一些方案中采用的制冷工质为氨，丙烯或其它制冷工质同样适用。
进一步的，在本发明中，为了提高制备系统的自动化程度和智能化程度，对系统中多个位置的参数进行监测，主要是对气体的参数进行监测以便于实时进行控制调节，因此此处进行优化并提出其中一种可行的选择：还包括与压缩单元、气体储存单元、氨合成单元、冷冻单元以及余热发电单元配合的调节控制系统，所述的调节控制系统包括温度监测模块、压力监测模块和流量监测模块，所述的温度监测模块用以检测氨合成单元的内部温度，所述的压力监测模块用以监测压缩单元、气体储存单元和氨合成单元内部的气体压力，所述的流量监测模块用以监测氨合成单元所输送的液氨量。采用如此方案时，所述的调节控制系统能够根据监测到的参数值进行及时反应判断，并根据预设的参数值进行调节，以快速、自动化的调节合成制备系统的稳定可靠。
上述内容公开了柔性合成氨制备系统的组成，本发明还公开了柔性合成氨制备工艺，此处进行具体说明。
一种柔性合成氨制备工艺，采用上述内容中所述的制备系统，包括：
按设定比例和设定流量向压缩单元中通入原料气以得到设定组分和设定流量的合成气，并将合成气加压至设定的压力，将合成气输送至氨合成单元中以制备液氨；
当输入压缩单元的合成气流量超过设定范围时，将合成气部分输送至气体储存单元以使氨合成单元负荷及压力降低至设定范围之内；当输入压缩单元内的合成气流量下降至一定量时，氨合成单元的操作压力开始下降，当氨合成单元压力接近设定范围下限时，通过调节冷冻单元来的液氨量提高分氨温度，同时调整界区氮气和氢气的比例调整合成气组成，维持氨合成单元压力高于设定范围下限；当输入压缩单元内的合成气流量继续降低至低于设定的最低流量时，将气体储存单元内的合成气输送至压缩单元以使氨合成单元负荷及压力达到设定最低流量；
氨合成单元中未反应的合成气回输至压缩单元用于循环制氨。
进一步的，本工艺中，对压缩单元、气体储存单元及氨合成单元的气体压力、温度和流量进行实时监测，并调节压缩单元内合成气的压力值至设定范围内，调节氨合成单元内的气体温度和压力值至设定范围内。
与现有技术相比，本发明公开技术方案的部分有益效果包括：
本发明能够在合成氨低负荷运行时对氨冷器负荷进行调整，以及对合成气组分进行调整，保持合成回路操作压力不低于设定值、避免设备疲劳，保证合成氨回路设备安全运行，在不增加过多投资的情况下实现合成氨高操作弹性的柔性生产。气体储存单元补充气来自合成气压缩机或氨合成单元循环气，不需要单独设置外部补气压缩机，流程简单、操作灵活、节省投资；同时设置气体储存单元也降低了可再生能源制氢负荷波动的影响，实现合成氨系统稳定运行。通过余热发电单元，利用氨合成单元副产蒸汽发电，节省合成氨制备系统的总体能耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅表示出了本发明的部分实施例，因此不应看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。
图1为柔性合成氨制备系统及工艺示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。
现有合成氨技术用于可再生能源发电制备合成氨时，合成氨制备系统将面临一系列安全性、连续性、经济性问题，下列实施例进行优化以克服现有技术中存在的缺陷。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种柔性合成氨制备系统，包括用于接收并压缩原料气体的压缩单元，用于缓存和补气的气体储存单元，用于反应生成合成氨、并将氨从合成气中冷却分离的氨合成单元，用于为氨合成单元提供冷量的冷冻单元，用于利用副产蒸汽发电降低装置能耗的余热发电单元，以及用于实现自动化生产的控制系统。
优选的，所述的原料气包括氢气和氮气，且氢气和氮气的通入流量按比例被控制后通入到压缩单元中。
上述公开的柔性合成氨制备系统，通过压缩单元控制合成气的流量，在气体储存单元的配合下保持送往氨合成单元的合成气的稳定，维持氨合成的负荷以保持稳定的合成效率；再者，本实施例所提供的气体储存单元释放气体时驱动膨胀发电机发电，回收高压气体降至低压系统时的能量。通过调整气体储存单元的合成气缓存和释放，以及调整氨合成单元的弛放气量、分氨温度、合成气组分，避免氨合成单元操作压力波动过大，避免设备的应力疲劳，可有效延长设备的使用寿命；再者，本实施例所提供的系统能够自适应的调节合成气的压力值，避免了从外部再单独设置补气设备以维持合成气压力的稳定，降低系统建设成本。
在本实施例中，压缩单元主用于压缩原料气，使进入氨合成单元的合成气状态稳定可靠；压缩单元可采用多种可行的方案，并不被唯一限定，本实施例进行优化并采用其中一种可行的选择：所述的压缩单元包括依次连通的合成气压缩机和循环气压缩机，所述的合成气压缩机用以将合成气压缩机来的合成气以及氨合成单元来的循环气进行压缩、输送至氨合成单元。当电解水制氢生产负荷高位运行时，抽出部分高压气体送至气体储存单元储存，抽出的高压气体可以是合成气压缩机出口的合成气，也可以是氨合成单元来的循环气。
在实际生产过程中，压缩单元通过外界提供原料气，本实施例进行优化并采用其中一种可行的选择：所述的压缩单元连接有氢气输送结构和氮气输送结构，且氢气输送结构连通至合成气压缩机，氮气输送结构连通至合成气压缩机与循环气压缩机之间、也可根据需要连通至合成气压缩机。采用如此方案时，外部通过电解水产生氢气，通过空气分离法获得氮气，并分别通过对应的输送管道将氢气和氮气输送至压缩单元。
优选的，本实施例中氢气输送结构和氮气输送结构均采用管道结构。
在氨的制备过程中，通过氨合成单元在一定的反应条件下，使合成气催化反应生成NH3，受反应平衡限制，合成气并不能单程反应殆尽。采用如此方案时，氨合成单元用以将压缩单元来的合成气在催化剂的作用下生成合成氨。所述的氨合成单元包括用于对合成气进行加热的预热器，预热器连接合成塔并用于合成氨，合成塔出口还连接废锅系统并换热后用于发电，而换热后的氨再依次经过预热器、水冷器氨冷器和分离器，合成塔出口的合成气经回收热量、水冷、氨冷后分离出液氨作为产品，未反应的合成气循环进入循环机升压后返回系统继续反应生成液氨。
在本实施例中，氨合成单元氨冷器所需液氨由冷冻单元提供，本实施例的冷冻单元采用压缩制冷，本实施例的制冷工质为氨，对于丙烯或其它制冷工质同样适用。
在本实施例中，氨合成单元废锅系统至少包括：废锅、锅炉给水预热器、蒸汽过热器，氨合成单元副产的过热蒸汽送至余热发电单元发电并回收冷凝液制备锅炉给水，节省合成氨制备系统的总体能耗。
在本实施例中，为了提高制备系统的自动化程度和智能化程度，对系统中多个位置的参数进行监测，主要是对气体的参数进行监测以便于实时进行控制调节，因此此处进行优化并提出其中一种可行的选择：还包括与压缩单元、气体储存单元和氨合成单元配合的调节控制系统，所述的调节控制系统包括温度监测模块、压力监测模块和流量监测模块，所述的温度监测模块用以检测氨合成单元的内部温度，所述的压力监测模块用以监测压缩单元、气体储存单元和氨合成单元内部的气体压力，所述的流量监测模块用以监测压缩单元原料气、补充气、循环气流量及氨合成单元所输送的液氨流量。采用如此方案时，所述的调节控制系统能够根据监测到的参数值进行及时反应判断，并根据预设的参数值进行调节，以快速、自动化的调节合成氨制备系统的稳定可靠。
优选的，调节控制系统还包括处理器，用于接收和处理温度监测模块、压力监测模块和流量监测模块所得到的数据并用于及时反馈调节。
实施例2
上述实施例1的内容公开了柔性合成氨制备系统的组成，本实施例公开了柔性合成氨制备工艺，此处进行具体说明。
一种柔性合成氨制备工艺，采用上述实施例1中所述的制备系统，包括：
S01：按设定比例和设定流量向压缩单元中通入原料气以得到设定组分和设定流量的合成气，并将合成气加压至设定的压力。
S02：将合成气输送至氨合成单元中以制备液氨。当输入压缩单元的合成气流量超过设定范围时，将合成气部分输送至气体储存单元以使氨合成单元负荷及压力降低至设定范围之内；当输入压缩单元内的合成气流量下降至一定量时，氨合成单元的操作压力开始下降，当氨合成单元压力接近设定范围下限时，通过调节冷冻单元来的液氨量提高分氨温度，同时调整界区氮气和氢气的比例调整合成气组成，维持氨合成单元压力高于设定范围下限；当输入压缩单元内的合成气流量继续降低至低于设定的最低流量时，将气体储存单元内的合成气输送至压缩单元以使氨合成单元负荷及压力达到设定最低流量；
S03：氨合成单元未反应的合成气回输至压缩单元用于循环制氨。
本工艺中，对压缩单元、气体储存单元及氨合成单元的气体压力、温度和流量进行实时监测，并调节压缩单元内合成气的压力值至设定范围内，调节氨合成单元内的气体温度和压力值至设定范围内。
根据实施例1和实施例2所公开的方案，此处列举实际案例以辅助说明。
案例1：
如图1所示，利用柔性合成氨制备系统制备氨，包括氨合成单元、冷冻单元、压缩单元、气体储存单元、余热发电单元、调节控制系统以及相连的管系等。
本案例中设置的气体储存单元，正常工况下，来自电解水制氢的氢气进入压缩单元，由合成气压缩机加压到一定压力后与空分来的氮气、氨合成单元来的循环气一起进入循环气压缩机，继续加压到氨合成所需压力，然后进入氨合成单元反应生成合成氨。氨合成单元未反应的合成气送循环气压缩机加压后返回合成塔继续反应，生成的液氨作为产品送出，分氨所需冷量由冷冻单元提供。当可再生能源发电量较高时，电解水制氢输送的氢气过量，经合成气压缩机压缩后，多余的氢气送至气体储存单元；也可以将多余的循环气送至气体储存单元存储。当可再生能源发电负荷低至接近合成氨系统操作负荷下限时，气体储存单元释放部分合成气至合成气压缩机入口，维持合成氨系统操作负荷不低于设定值，进而保证装置运行稳定和安全。本案例中设置的余热发电单元，利用氨合成单元副产蒸汽发电，节省合成氨制备系统的总体能耗。
本案例中，通过调整分氨温度降低合成回路压力波动。氨合成反应是氢气和氮气在催化剂的作用下进行的，受反应平衡的制约，14MPa合成塔出口的氨浓度达21％，大量未反应的合成气与反应生成的NH3经热量回收、继续冷却之后分离出液态产物NH3，未反应的合成气送循环气压缩机加压后返回氨合成回路继续反应生成合成氨。传统氨合成操作稳定，追求高的单程转化率和合成塔氨净值，这意味着同样规格的设备、管道下产量越高。在催化剂性能相同的情况下，合成塔出口NH3平衡浓度一定，入口NH3越低、则合成塔氨净值越高。而合成塔入口合成气中的NH3浓度由分氨温度决定，分氨温度越低、循环气中含的NH3越低。这就造成传统合成氨工艺分氨前先要经过水冷、氨冷等降温，将合成气温度降至-6℃、甚至更低进行分氨。当可再生能源发电负荷下降、合成氨系统操作压力也逐渐下降至设定值时，此时需要调整分氨温度，以维持氨合成单元的操作压力不低于设定值。即：负荷越低、分氨温度越高、氨分离器出口的循环气中NH3含量越高，氨合成塔入口气中NH3含量越高，从而使氨合成反应单程转化率下降，维持合成圈设备操作压力。通过建模动力学和稳态分析，利用上述方案可以实现合成氨30％生产负荷下操作压力达11MPa，从而减小设备操作压力的波动范围，避免发生设备应力疲劳，保证不增加过多投资的情况下运行安全。分氨温度的控制通过调整水冷器负荷和氨冷器负荷实现，水冷器和氨冷器的负荷的降低也会节省一定的能量消耗。
本案例中，通过调整合成回路气体组成来降低合成回路操作压力波动。除了提高分氨温度实现低负荷下维持合成回路压力稳定之外，还可以通过调节合成回路中气体组分的方式实现同样的目的。调节合成回路气体组分的手段有：调整进入合成圈的N2和H2的流量比例，调整合成圈弛放气的排放量，增加其它惰性气体等多种手段。
本案例可实现如下更优的技术效果：
1.合成氨低负荷运行时，调整水冷器负荷和氨冷器负荷、分氨温度，维持合成回路操作压力不低于设定值、避免设备发生应力疲劳，保证合成氨回路设备安全运行，在不增加过多投资的情况下实现合成氨高操作弹性的柔性生产。
2.合成氨低负荷运行时，调整合成回路合成气组分，维持合成回路操作压力不低于设定值、避免设备发生应力疲劳，保证合成氨回路设备安全运行，在不增加过多投资的情况下实现合成氨高操作弹性的柔性生产。
3.设置气体储存单元与分氨温度调节、合成气组分调节协同作用，降低了气体储存单元的规模，在实现柔性合成氨技术安全性的前提下、同时兼顾了投资经济性。
4.气体储存单元设置了膨胀发电机，利用气体储存单元膨胀气带动膨胀发电机发电回收高压气体势能，节省合成氨制备系统整体能耗。
5.气体储存单元的补充气来自加压后的合成气或循环气，不需要设置补充气压缩机，流程简单、投资节省、操作灵活。
6.设置余热发电单元，利用氨合成单元副产蒸汽发电，节省合成氨制备系统的整体能耗。
以上即为本实施例列举的实施方式，但本实施例不局限于上述可选的实施方式，本领域技术人员可根据上述方式相互任意组合得到其他多种实施方式，任何人在本实施例的启示下都可得出其他各种形式的实施方式。上述具体实施方式不应理解成对本实施例的保护范围的限制，本实施例的保护范围应当以权利要求书中界定的为准。

Claims (10)

1.一种柔性合成氨制备系统，其特征在于：包括用于接收并压缩原料气体的压缩单元，压缩单元旁接气体储存单元，气体储存单元用于对压缩单元缓压和补气；压缩单元连通氨合成单元并向氨合成单元供气，氨合成单元包括将合成气转化为氨的氨合成塔；氨合成单元旁接用于提供冷量的冷冻单元以及用于发电的余热发电单元。
2.根据权利要求1所述的柔性合成氨制备系统，其特征在于：所述的压缩单元包括合成气压缩机和循环气压缩机，所述的合成气压缩机用以将接收的原料气及气体储存单元补充的膨胀气进行压缩，所述的循环气压缩机用以将合成气压缩机来的原料气体和氨合成单元来的循环气进行加压并输送至氨合成单元。
3.根据权利要求2所述的柔性合成氨制备系统，其特征在于：所述的压缩单元连接有氢气输送结构和氮气输送结构，且氢气输送结构连通至合成气压缩机；氮气输送结构连通至合成气压缩机或连接至合成气压缩机与循环机之间。
4.根据权利要求2所述的柔性合成氨制备系统，其特征在于：所述的气体储存单元包括储气罐和膨胀发电机，所述的储气罐用以接收并缓存压缩单元来的气体，所述的膨胀发电机连接在储气罐与合成气压缩机之间，且膨胀发电机用以回收储气罐的气体输送至合成气压缩机入口时压力降低的能量。
5.根据权利要求1所述的柔性合成氨制备系统，其特征在于：还包括与压缩单元、气体储存单元、氨合成单元、冷冻单元和余热发电单元配合的调节控制系统，所述的调节控制系统包括温度监测模块、压力监测模块和流量监测模块，所述的温度监测模块用以检测氨合成单元的内部温度，所述的压力监测模块用以监测压缩单元、气体储存单元和氨合成单元内部的气体压力，所述的流量监测模块用以监测压缩单元原料气、补充气、循环气流量及氨合成单元所输送的液氨流量。
6.一种柔性合成氨制备工艺，采用权利要求1～5中任一项所述的制备系统，其特征在于，包括：
按设定比例和设定流量向压缩单元中通入原料气以得到设定组分和设定流量的合成气，并将合成气加压至设定的压力，将合成气输送至氨合成单元中以制备液氨；
当输入压缩单元的合成气流量超过设定范围时，将合成气部分输送至气体储存单元以使氨合成单元负荷及压力降低至设定范围之内；
氨合成单元中未反应的合成气回输至压缩单元用于循环制氨。
7.根据权利要求6所述的柔性合成氨制备工艺，其特征在于：对压缩单元、气体储存单元及氨合成单元的气体压力、温度和流量进行实时监测，并调节氨合成单元内的气体温度和压力值至设定范围内。
8.根据权利要求6所述的柔性合成氨制备工艺，其特征在于：当输入压缩单元内的合成气流量下降、氨合成单元操作压力下降时，对氨合成单元弛放气流量、冷却器热负荷进行控制，调节氨合成单元压力值至设定范围内。
9.根据权利要求6所述的柔性合成氨制备工艺，其特征在于：当输入压缩单元内的合成气流量下降、氨合成单元操作压力下降时，对输入压缩单元的氢气、氮气流量比例进行控制，调节氨合成单元合成气组分和压力值至设定范围内。
10.根据权利要求6所述的柔性合成氨制备工艺，其特征在于：当输入压缩单元内的合成气流量低于设定范围下限，将气体储存单元内的合成气输送至压缩单元以使氨合成单元负荷及压力达到设定最低流量。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116443892A (zh) * 2023-05-23 2023-07-18 中国成达工程有限公司 一种基于多能互补的离网型绿色合成氨系统及方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101948121A (zh) * 2010-09-19 2011-01-19 昆明理工大学 一种氨的合成工艺
CN105399112A (zh) * 2015-11-24 2016-03-16 湖北祥云(集团)化工股份有限公司 一种合成氨合成系统优化改进的方法和装置
CN115117936A (zh) * 2022-07-28 2022-09-27 清华四川能源互联网研究院 电制氢合成氨方法及系统
WO2022207386A1 (en) * 2021-03-30 2022-10-06 Casale Sa Process for ammonia synthesis using green hydrogen
CN217868148U (zh) * 2022-07-27 2022-11-22 山西兰花科技创业股份有限公司 一种氢回收压力能和气体综合利用系统
CN115385361A (zh) * 2022-08-29 2022-11-25 上海岚泽能源科技有限公司 一种以水和空气为原料的绿色合成氨生产工艺
CN115573893A (zh) * 2022-10-19 2023-01-06 中石化石油机械股份有限公司 一种带膨胀储能的压缩机负荷试验系统及其使用方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101948121A (zh) * 2010-09-19 2011-01-19 昆明理工大学 一种氨的合成工艺
CN105399112A (zh) * 2015-11-24 2016-03-16 湖北祥云(集团)化工股份有限公司 一种合成氨合成系统优化改进的方法和装置
WO2022207386A1 (en) * 2021-03-30 2022-10-06 Casale Sa Process for ammonia synthesis using green hydrogen
CN217868148U (zh) * 2022-07-27 2022-11-22 山西兰花科技创业股份有限公司 一种氢回收压力能和气体综合利用系统
CN115117936A (zh) * 2022-07-28 2022-09-27 清华四川能源互联网研究院 电制氢合成氨方法及系统
CN115385361A (zh) * 2022-08-29 2022-11-25 上海岚泽能源科技有限公司 一种以水和空气为原料的绿色合成氨生产工艺
CN115573893A (zh) * 2022-10-19 2023-01-06 中石化石油机械股份有限公司 一种带膨胀储能的压缩机负荷试验系统及其使用方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Atmospheric Pressure DBD Plasma Ammonia Synthesis and Separation Process Design and Environmental Impact Assessment", 《ACS SUSTAINABLE CHEMISTRY & ENGINEERING》, 4 October 2021 (2021-10-04) *
马凤兰等: "合成氨装置氮氢气压缩机级间气体余热利用研究", 《化肥工业》, 28 August 2016 (2016-08-28) *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116443892A (zh) * 2023-05-23 2023-07-18 中国成达工程有限公司 一种基于多能互补的离网型绿色合成氨系统及方法

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