CN217895159U - 一种绿氨制备系统 - Google Patents

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张长秋
钱进华
郭彦书
王洪忠
许建锋
赵艳平
刘慧琴
孙建
王永占
孙高峰
吴海良
尹元乐
夏伟伟
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Abstract

本实用新型涉及一种绿氨制备系统，属于化工生产技术领域，由DCS系统控制，包括与隔膜式氢氮压缩机连接的制氢单元和制氮单元，氢氮压缩机经中间冷却器Ｉ与循环机连接，循环机经中间冷却器Ⅱ分两路，一路经换热器与反应器连接，另一路与缓冲罐连接，缓冲罐与反应器连接；反应器经换热器、冷却器、冷交换器和氨冷凝器后与氨分离器连接，氨分离器的氨出口与氨存储单元连接、反应气出口经冷交换器与循环机连接；反应器内设有与余热发电配电单元连接的过热蒸汽发生器，过热蒸汽发生器的进口还连接有水处理单元，余热发电配电单元与新能源电网连接；余热发电配电单元为系统提供电力；本实用新型生产成本低且安全性好，能远程控制生产，应用前景良好。

Description

一种绿氨制备系统
技术领域
本实用新型涉及一种绿氨制备系统，属于化工生产技术领域。
背景技术
在目前碳达峰、碳中和的背景下，氢由于燃烧后既没有二氧化碳也没有其它有害污染物而被作为一种绿色能源受到广泛关注，氢能源替代传统的石油、煤炭等化石能源对环保具有非常积极的意义。绿氢，特指的是使用可再生能源（例如太阳能、风能、生物质能等）制取的氢气，它可以做到全生产周期无碳排，对温室气体的减排具有非常重要的意义。
但是氢很容易泄露，并且非常活泼，与空气混合后很容易发生燃烧和爆炸，在防爆、运输、存储等方面存在困难。氨是天然的储氢介质，常压状态下，只需将温度降低到-33℃，就能够将氨液化，并且相较于氢，氨拥有成熟完备的贸易、运输、存储体系和技术。因此，将氢转换成氨，氨分解后再利用氢的方式可以解决氢能源所存在的现有问题。
用氢制氨的工艺在国内外已经有近百年的发展史，是目前比较成熟的技术。但是如果在建有太阳能、风能等新能源的地区生产氨，却存在一系列严峻的问题。首先，这些新能源的用能核心区一般都是比较偏远的地区，普遍存在运输不方便、水资源不易得、生产条件苛刻等困难；其次，这些新能源还存在供应不稳定、波动大等问题，被迫开停车是常见工况。因此，如果没有特殊手段来保证，氨合成的过程很难实现正常操作，并且还可能造成爆炸、装置损毁等严重后果。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种绿氨制备系统，用来解决上述问题。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
一种绿氨制备系统，其特征在于：包括水电解制H2单元和制N2单元，所述水电解制H2单元和制N2单元的出气口通过管路汇合后与隔膜式氢氮压缩机的进气口连接，所述氢氮压缩机的出气口经中间冷却器Ｉ后与循环机的进气口连接，所述循环机的出气口经中间冷却器Ⅱ后分为两路，一路经换热器后与反应器的反应气进口连接，另一路经阀门后与H2/N2缓冲罐的进气口连接，且所述阀门和反应器进口管路设有压差联动装置；所述H2/N2缓冲罐的出气口通过管路与反应器的反应气进口连接，所述管路上设有阀门，且所述阀门与反应器的催化剂床层设有温度联动装置；所述反应器的出气口依次经换热器、冷却器、冷交换器和氨冷凝器后与NH3分离器的进气口连接，所述NH3分离器的NH3出口与NH3存储单元连接，所述NH3分离器的合成气出口经冷交换器后与循环机的进气口连接；
所述水电解制H2单元的进水口与水处理单元的出水口连接；
所述反应器内设有过热蒸汽发生器，所述过热蒸汽发生器的出口与余热发电配电单元的过热蒸汽入口连接；所述余热发电配电单元的蒸汽冷凝液出口通过管路与过热蒸汽发生器的进口连接，所述管路还连接有水处理单元的出水口；所述余热发电配电单元还与电网连接，所述电网的电由新能源发电设备提供；
所述水电解制H2单元、制N2单元、氢氮压缩机和循环机、均由余热发电配电单元提供电力；
所述绿氨制备系统由DCS系统进行控制。
本实用新型技术方案的进一步改进在于：所述制N2单元利用空气制备N2。
本实用新型技术方案的进一步改进在于：所述氨冷凝器的冷却介质由制冷单元进行冷却降温；所述冷却器、制冷单元、余热发电配电单元、中间冷却器Ｉ、中间冷却器Ⅱ的冷却介质由空冷单元进行冷却降温；所述空冷单元的冷却介质由环境空气进行冷却降温，所述空冷单元和制冷单元由余热发电配电单元提供电力。
本实用新型技术方案的进一步改进在于：所述新能源发电设备包括风力发电设备、太阳能发电设备、生物质能发电设备和水力发电设备中的一种或几种。
由于采用了上述技术方案，本实用新型取得的技术效果有：
本实用新型克服了利用不稳定的新能源发电系统制备氨的难题，生产成本低且安全性好，还能够远程控制生产，具有良好的应用前景。
本实用新型采用隔膜式压缩机，避免了由于新能源供应存在的不稳定、波动等原因造成合成氨生产装置开停车情况发生时产生的氢和氨的泄露，确保了人员和装置的安全，保证了生产的安全性。
本实用新型采用空冷单元，以空气为冷却介质，节约了大量的水资源，适用于水资源匮乏的新能源发电地区。
本实用新型设置了一个氢氮气缓冲罐，在正常生产过程中将参与反应的氢氮气储存在该缓冲罐中。当停车时间过长时，反应器中的温度降低，缓冲罐中的氢氮气可以充入反应器进行微量的氨合成反应，反应放出的热量维持氨合成的催化剂床层温度，保持催化剂处于催化活性的起活点，确保在再次开车时能快速提温，节约了开车时间和开车成本，达到装置安全随时快速启停的目的。
本实用新型的氨合成反应器内设置过热蒸汽发生器，用反应器内热量来加热水产生过热蒸汽。过热蒸汽进入汽轮机发电装置，将反应热能转化为电能，以部分满足水电解、制氮、空冷、氨制冷等装置的用电需求，减轻当地电网的用电压力。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
其中，1、反应器，2、换热器，3、冷却器，4、冷交换器，5、氨冷凝器，6、NH3分离器，7、氢氮压缩机，8、循环机，9、空冷单元，10、制冷单元，11、NH3存储单元，12、余热发电配电单元，13、水处理单元，14、水电解制H2单元，15、制N2单元，16、H2/N2缓冲罐，17、中间冷却器Ｉ，18、中间冷却器Ⅱ。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步详细说明：
一种绿氨制备系统，如图1所示，包括水电解制H2单元14和制N2单元15，所述水电解制H2单元14和制N2单元15的出气口通过管路汇合后与隔膜式氢氮压缩机7的进气口连接，所述氢氮压缩机7的出气口经中间冷却器Ｉ17后与循环机8的进气口连接，所述循环机8的出气口经中间冷却器Ⅱ18后分为两路，一路经换热器2后与反应器1的反应气进口连接，另一路经阀门后与H2/N2缓冲罐16的进气口连接，且所述阀门和反应器1进口管路设有压差联动装置，所述H2/N2缓冲罐16的出气口通过管路与反应器1的反应气进口连接，所述管路上设有阀门，且所述阀门与反应器1的催化剂床层设有温度联动装置，所述反应器1的出气口依次经换热器2、冷却器3、冷交换器4和氨冷凝器5后与NH3分离器6的进气口连接，所述NH3分离器6的NH3出口与NH3存储单元11连接，所述NH3分离器6的合成气出口经冷交换器4后与循环机8的进气口连接。
所述水电解制H2单元14的进水口与水处理单元13的出水口连接；所述制N2单元15利用空气制备N2。
所述反应器1内设有吸收氨合成反应热的过热蒸汽发生器，所述过热蒸汽发生器的出口与余热发电配电单元12的过热蒸汽入口连接，利用过热蒸汽的余热进行发电；所述余热发电配电单元12的蒸汽冷凝液出口通过管路与过热蒸汽发生器的进口连接，所述管路还连接有水处理单元13的出水口；所述余热发电配电单元12还与电网连接，所述电网的电由新能源发电设备提供，如风力发电设备、太阳能发电设备等。
所述氨冷凝器5的冷却介质由制冷单元10进行冷却降温。
所述冷却器3、余热发电配电单元12、中间冷却器Ｉ17、中间冷却器Ⅱ18的冷却介质由空冷单元9进行冷却降温。
所述制冷单元10冷却空冷单元9的冷却介质。
所述水电解制H2单元14、制N2单元15、氢氮压缩机7、循环机8、空冷单元9和制冷单元10均由余热发电配电单元12提供电力。
所述绿氨制备系统由DCS系统控制，能够实现远程、无人值守控制。
具体实现过程：
原水经水处理单元13处理合格后送入水电解制H2单元14将水电解制得氢气，制N2单元15分离空气制得氮气，氢气与氮气混合后作为新鲜气经隔膜式氢氮压缩机7加压，然后经中间冷却器Ｉ17降温后送入循环机8与反应气混合，出循环机8的原料气再由中间冷却器Ⅱ18降温，经换热器2升温后一路送至H2/N2缓冲罐16，H2/N2缓冲罐16的进口阀门与反应器1的进口管路设置压差联动装置，当缓冲罐内部压力低于进口管路压力时，自动打开缓冲罐进口阀门进气，当缓冲罐内部压力不低于进口管路压力时自动关闭缓冲罐进口阀门；另一路输送至反应器1，H2与N2气在反应器1中反应生成NH3并释放反应热，所述反应器1内设有吸收氨合成反应热的过热蒸汽发生器，所述过热蒸汽发生器的出口与余热发电配电单元12的过热蒸汽入口连接，利用过热蒸汽的余热进行发电；所述余热发电配电单元12的蒸汽冷凝液出口通过管路与过热蒸汽发生器的进口连接，所述管路还连接有水处理单元13的出水口，由水处理单元13补充系统的亏水。出反应器1的反应气进入换热器2降温后，依次经冷却器3、冷交换器4、氨冷凝器5降温后进入氨分离器6，分离出的液体氨输送至存储单元11；氨分离器6分离出来的合成气经冷交换器4换热后在循环机8进口与新鲜气混合进入循环机8。
所述氢氮压缩机7采用隔膜式压缩机，避免了停车时气体的泄露，确保了生产的安全性。
所述H2/N2缓冲罐16的出口阀门与反应器1的催化剂床层设置温度联动装置，缓冲罐中的氢氮气可以充入反应器1，当催化剂床层温度低于300℃时，自动打开缓冲罐出口阀门；当催化剂床层温度不低于350℃时，自动关闭缓冲罐出口阀门。以保证反应器1能够进行微量的氨合成反应，反应放出的热量维持氨合成的催化剂床层温度，保持催化剂处于催化活性的起活点，确保在再次开车时能快速提温，节约开车时间和开车成本，从而达到安全随时快速启停的目的。
所述水电解制H2单元14、制N2单元15、氢氮压缩机7、循环机8、空冷单元9和制冷单元10均由余热发电配电单元12提供电力，所述余热发电配电单元12与电网连接，所述电网的电由新能源发电设备提供，如风力发电设备、太阳能发电。
所述整个绿氨制备系统由DCS系统控制实施，对系统中涉及到的温度、压力、流量、液位等指标进行在线监测，并通过对应的调节阀进行操作和控制，甚至连锁停车操作，能够实现远程、无人值守控制，达到对工艺过程实时控制的目的。

Claims (4)

1.一种绿氨制备系统，其特征在于：包括水电解制H2单元（14）和制N2单元（15），所述水电解制H2单元（14）和制N2单元（15）的出气口通过管路汇合后与隔膜式氢氮压缩机（7）的进气口连接，所述氢氮压缩机（7）的出气口经中间冷却器Ｉ（17）后与循环机（8）的进气口连接，所述循环机（8）的出气口经中间冷却器Ⅱ（18）后分为两路，一路经换热器（2）后与反应器（1）的反应气进口连接，另一路经阀门后与H2/N2缓冲罐（16）的进气口连接，且所述阀门和反应器（1）进口管路设有压差联动装置；所述H2/N2缓冲罐（16）的出气口通过管路与反应器（1）的反应气进口连接，所述管路上设有阀门，且所述阀门与反应器（1）的催化剂床层设有温度联动装置；所述反应器（1）的出气口依次经换热器（2）、冷却器（3）、冷交换器（4）和氨冷凝器（5）后与NH3分离器（6）的进气口连接，所述NH3分离器（6）的NH3出口与NH3存储单元（11）连接，所述NH3分离器（6）的合成气出口经冷交换器（4）后与循环机（8）的进气口连接；
所述水电解制H2单元（14）的进水口与水处理单元（13）的出水口连接；
所述反应器（1）内设有过热蒸汽发生器，所述过热蒸汽发生器的出口与余热发电配电单元（12）的过热蒸汽入口连接；所述余热发电配电单元（12）的蒸汽冷凝液出口通过管路与过热蒸汽发生器的进口连接，所述管路还连接有水处理单元（13）的出水口；所述余热发电配电单元（12）还与电网连接，所述电网的电由新能源发电设备提供；
所述水电解制H2单元（14）、制N2单元（15）、氢氮压缩机（7）和循环机（8）均由余热发电配电单元(12)提供电力；
所述绿氨制备系统由DCS系统进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种绿氨制备系统，其特征在于：所述制N2单元（15）利用空气制备N2。
3.根据权利要求1所述的一种绿氨制备系统，其特征在于：所述氨冷凝器（5）的冷却介质由制冷单元（10）进行冷却降温；所述冷却器（3）、制冷单元（10）、余热发电配电单元（12）、中间冷却器Ｉ（17）、中间冷却器Ⅱ（18）的冷却介质由空冷单元（9）进行冷却降温；所述空冷单元（9）的冷却介质由环境空气进行冷却降温，所述空冷单元（9）和制冷单元（10）由余热发电配电单元(12)提供电力。
4.根据权利要求1所述的一种绿氨制备系统，其特征在于：所述新能源发电设备包括风力发电设备、太阳能发电设备、生物质能发电设备和水力发电设备中的一种或几种。
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