一种自除氧合成氨塔及可再生能源合成氨系统技术方案

本发明专利技术公开了一种自除氧合成氨塔及可再生能源合成氨系统，自除氧合成氨塔包括反应器外筒、原料气进入管和产物气出气管，反应器外筒内套装有触媒框和除氧罐，触媒框内装设有催化剂床层；反应器外筒与触媒框间形成环隙气体通道Ⅱ，其一端与产物气出气管连通；催化剂床层内设一中心管，其一端通过除氧罐与原料气进入管连通，另一端封闭置于催化剂床层内部；原料气经除氧罐除氧后由中心管进入触媒框内进行合成氨反应，反应产物自产物气出气管排出。本发明专利技术在塔内设置除氧罐实现氧气的脱除，氧气与氢气反应生成水，水被催化剂载体吸附，将水脱附实现反应器的长期稳定运行，且将除氧罐及其管路集成于同一塔体内，整体结构紧凑，更易于实现系统的小型化。于实现系统的小型化。于实现系统的小型化。

【技术实现步骤摘要】
一种自除氧合成氨塔及可再生能源合成氨系统


[0001]本专利技术涉及清洁能源转化与存储
，具体涉及一种自除氧合成氨塔及可再生能源合成氨系统。

技术介绍

[0002]目前，我国风能、太阳能等可再生能源发电行业发展迅速，但这些可再生能源受季节和天气条件的影响而波动较大，与相对稳定的用电需求不完全匹配，为减小可再生能源波动对电网造成的负面影响，经常会产生“弃风”、“弃光”和“弃水”等“三弃”现象，导致可再生能源利用率较低。我国每年“三弃”电力规模高达1000亿千瓦时，相当于三峡电站的年发电量。因此，为难以并网使用的可再生电力能源开拓新的使用领域具有巨大的经济效益和社会效益。
[0003]采用电解水制氢，可以实现大规模、高效的可再生能源消纳，而将氢气作为能源载体，可提高能源系统韧性，并实现不同地区间能量的再分配。但由于氢气密度小、难液化，目前较为成熟的高压储氢需要35
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70MPa，需消耗大量压缩功，且质量储氢密度仅5％左右，导致氢气储运成本高。
[0004]氨是现代工业和农业生产最为基础的化工原料之一，具有易液化、体积能量密度高、无碳排放、不易燃、安全性高等优点，有望作为高效的氢载体应用于新能源领域，解决氢气储运的瓶颈问题。
[0005]现代工业合成氨通常采用哈伯
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博施(Haber
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Bosch)工艺，将氢气和氮气通入高温、高压反应器中发生催化反应制得氨。传统的工艺流程中，氢气是通过化石燃料的催化气化/重整耦合水气变换反应制得的，该过程中排放的大量CO2约占全球碳排放的1.2％。因此，针对工业化合成氨存在高能耗、高碳排放等问题，将无碳、清洁的可再生能源电力与合成氨工业有机结合，发展高效、清洁的可再生能源工业化合成氨技术对于中国的可持续发展之路具有重大的战略意义。
[0006]基于可再生能源的合成氨工艺，是通过电解水制取氢气，并利用空气分离技术制取氮气，而后采用哈伯
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博施(Haber
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Bosch)工艺进行氨合成。目前电解水技术中较为成熟的是碱性电解水和质子交换膜电解水技术，所制取的氢气均包含一定量的氧气和水，需设置氢气纯化装置(GB/T19774
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2005)，而且空气分离所得的氮气中也包含少量的氧气，因此可再生能源合成氨工艺中需设置除氧除水装置，以消除氧气和水对合成氨过程的影响，整体系统较为复杂且设备数量多。针对可再生能源合成氨的应用场景，小型化和分布式是合成氨工艺发展的方向之一，因此需要简化整体工艺流程并减少设备数量。

技术实现思路

[0007]本专利技术旨在解决现有的可再生能源合成氨工艺中需要设置除氧除水装置而导致整体系统工艺复杂、设备数量多、不利于小型化等问题，提出一种新型高效、紧凑的自除氧合成氨塔及可再生能源合成氨系统。
[0008]本专利技术采用如下技术方案：
[0009]一种自除氧合成氨塔，包括反应器外筒,所述反应器外筒上设有原料气进入管和产物气出气管，所述反应器外筒内套装有触媒框和除氧罐，所述触媒框内装设有合成氨催化剂的催化剂床层；所述反应器外筒与所述触媒框间形成环隙气体通道Ⅱ，所述环隙气体通道Ⅱ的一端与所述产物气出气管连通；
[0010]所述催化剂床层内设置一中心管，所述中心管的一端通过所述除氧罐与所述原料气进入管连通，其另一端封闭且设置于所述催化剂床层内部，沿所述中心管的轴向在其管壁上开设若干气孔；
[0011]所述触媒框内布置若干穿越所有所述催化剂床层内部的换热管束，每个所述换热管束的一端分别与高压进水管连通，其另一端与蒸汽管连通；
[0012]原料气经所述除氧罐除氧后借助所述中心管进入与其连通的所述触媒框内进行合成氨反应，反应产物通过所述环隙气体通道Ⅱ，自所述产物气出气管排出；各所述换热管束中高压水吸收来自所述触媒框内的反应热发生相变，生成高压蒸汽后，自所述蒸汽管排出。
[0013]所述反应器外筒内还设有一换热器，所述换热器的第一冷气口与所述除氧罐的出气口连通，所述换热器的第二冷气口与所述中心管连通，所述换热器的第一热气口与所述环隙气体通道Ⅱ连通，所述换热器的第二热气口与所述产物气出气管连通，所述换热器的第一热气口与第二热气口作为连通的一对，用于通过热交换加热原料气，所述换热器的第一冷气口与第二冷气口作为连通的一对，用于通过热交换冷却产物气。
[0014]所述除氧罐为两个，分别为第一除氧罐和第二除氧罐，每个所述除氧罐上分别设有第一进气口、第二进气口、第一出气口和第二出气口，每个所述除氧罐的第一进气口与所述原料气进入管连通，其第二进气口与所述环隙气体通道Ⅱ连通，所述第一除氧罐的第一出气口与所述换热器的第一冷气口连通，所述第二除氧罐的第一出气口与所述换热器的第二冷气口连通，且在所述第二除氧罐的第一出气口与所述换热器的第二冷气口之间的管路上、所述第一除氧罐的第一出气口与所述换热器的第一冷气口之间的管路上分别设有与所述中心管的进气端连通的第一进气支管和第二进气支管；所述第一除氧罐的第二出气口与所述换热器的第一热气口连通，所述第二除氧罐的第二出气口与所述换热器的第二热气口连通，且在所述第一除氧罐的第二出气口与所述换热器的第一热气口之间的连通管路上、所述第二除氧罐的第二出气口与所述换热器的第二热气口之间的连通管路上分别设有与所述产物气出气管连通的第一出气支管和第二出气支管；
[0015]所述第一除氧罐的第一进气口、第二进气口、第一出气口和第二出气口处分别设有第一控制阀、第十二控制阀、第三控制阀和第四控制阀，所述第二除氧罐的第一进气口、第二进气口、第一出气口和第二出气口处分别设有第十控制阀、第十一控制阀、第八控制阀和第七控制阀，所述第一进气支管和第二进气支管上分别设有第二控制阀和第九控制阀，所述第一出气支管和第二出气支管上分别设有第五控制阀和第六控制阀。
[0016]所述反应器外筒上还设有1#副线进气管，自所述产物气出气管排出的合成氨产物气经液化分离出液氨后，其余气体作为循环气分别自所述原料气进入管和1#副线进气管进入所述合成氨塔内；所述1#副线进气管与所述环隙气流通道Ⅱ连通，自所述1#副线进气管进入的循环气与自所述原料气进入管进入的气体混合并进行热交换。
[0017]优选地，所述反应器外筒内套装有反应器内筒，所述触媒框连同所述换热器和除氧罐一同套装于所述反应器内筒内部，且所述换热器和除氧罐隔离设置于所述触媒框的一端，所述环隙气流通道Ⅱ设置于所述触媒框与所述反应器内筒之间；所述反应器外筒与所述反应器内筒间形成环隙气流通道Ⅰ,所述除氧罐的第一进气口与所述环隙气流通道Ⅰ的一端相连通，所述原料气进入管与所述环隙气流通道Ⅰ的另一端相连通。
[0018]所述换热器和除氧罐隔离设置于所述触媒框的上方，位于所述反应器内筒的下方的所述反应器外筒内设有换热组件，所述换热组件包括进水管、储水罐和换热管束，所述储水罐位于所述反应器外筒内部下方，所述进水管穿过所述反应器外筒，与所述储水罐连通，为所述储水罐提供高压水，所述换热管束与本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自除氧合成氨塔，包括反应器外筒(12),所述反应器外筒(12)上设有原料气进入管(11)和产物气出气管(14)，其特征在于：所述反应器外筒(12)内套装有触媒框(16)和除氧罐(120)，所述触媒框(16)内装设有合成氨催化剂的催化剂床层(140)；所述反应器外筒(12)与所述触媒框(16)间形成环隙气体通道Ⅱ(b)，所述环隙气体通道Ⅱ(b)的一端与所述产物气出气管(14)连通；所述催化剂床层(140)内设置一中心管(15)，所述中心管(15)的一端通过所述除氧罐(120)与所述原料气进入管(11)连通，其另一端封闭且设置于所述催化剂床层(140)内部，沿所述中心管(15)的轴向在其管壁上开设若干气孔；所述触媒框(16)内布置若干穿越所有所述催化剂床层(140)内部的换热管束(173)，每个所述换热管束(173)的一端分别与高压进水管(171)连通，其另一端与蒸汽管(18)连通；原料气经所述除氧罐(120)除氧后借助所述中心管(15)进入与其连通的所述触媒框(16)内进行合成氨反应，反应产物通过所述环隙气体通道Ⅱ(b)，自所述产物气出气管(14)排出；各所述换热管束(173)中高压水吸收来自所述触媒框(16)内的反应热发生相变，生成高压蒸汽后，自所述蒸汽管(18)排出。2.根据权利要求1所述的自除氧合成氨塔，其特征在于，所述反应器外筒(12)内还设有一换热器(110)，所述换热器(110)的第一冷气口(1101)与所述除氧罐(120)的出气口连通，所述换热器(110)的第二冷气口(1102)与所述中心管(15)连通，所述换热器(110)的第一热气口(1103)与所述环隙气体通道Ⅱ(b)连通，所述换热器(110)的第二热气口(1104)与所述产物气出气管(14)连通，所述换热器(110)的第一热气口(1103)与第二热气口(1104)作为连通的一对，用于通过热交换加热原料气，所述换热器(110)的第一冷气口(1101)与第二冷气口(1102)作为连通的一对，用于通过热交换冷却产物气。3.根据权利要求2所述的自除氧合成氨塔，其特征在于，所述除氧罐(120)为两个，分别为第一除氧罐(1201)和第二除氧罐(1202)，每个所述除氧罐(120)上分别设有第一进气口(c)、第二进气口(d)、第一出气口(e)和第二出气口(f)，每个所述除氧罐(120)的第一进气口(c)与所述原料气进入管(11)连通，其第二进气口(d)与所述环隙气体通道Ⅱ(b)连通，所述第一除氧罐(1201)的第一出气口(e)与所述换热器(110)的第一冷气口(1101)连通，所述第二除氧罐(1202)的第一出气口(e)与所述换热器(110)的第二冷气口(1102)连通，且在所述第二除氧罐(1202)的第一出气口(e)与所述换热器(110)的第二冷气口(1102)之间的管路上、所述第一除氧罐(1201)的第一出气口(e)与所述换热器(110)的第一冷气口(1101)之间的管路上分别设有与所述中心管(15)的进气端连通的第一进气支管(111)和第二进气支管(112)；所述第一除氧罐(1201)的第二出气口(f)与所述换热器(110)的第一热气口(1103)连通，所述第二除氧罐(1202)的第二出气口(f)与所述换热器(110)的第二热气口(1104)连通，且在所述第一除氧罐(1201)的第二出气口(f)与所述换热器(110)的第一热气口(1103)之间的连通管路上、所述第二除氧罐(1202)的第二出气口(f)与所述换热器(110)的第二热气口(1104)之间的连通管路上分别设有与所述产物气出气管(14)连通的第一出气支管(141)和第二出气支管(142)；所述第一除氧罐(1201)的第一进气口(c)、第二进气口(d)、第一出气口(e)和第二出气口(f)处分别设有第一控制阀(g)、第十二控制阀(r)、第三控制阀(i)和第四控制阀(j)，所述第二除氧罐(1202)的第一进气口(c)、第二进气口(d)、第一出气口(e)和第二出气口(f)
处分别设有第十控制阀(p)、第十一控制阀(q)、第八控制阀(n)和第七控制阀(m)，所述第一进气支管(111)和第二进气支管(112)上分别设有第二控制阀(h)和第九控制阀(o)，所述第一出气支管(141)和第二出气支管(142)上分别设有第五控制阀(k)和第六控制阀(l)。4.根据权利要求3所述的自除氧合成氨塔，其特征在于，所述反应器外筒(12)上还设有1#副线进气管(130)，自所述产物气出气管(14)排出的合成氨产物气经液化分离出液氨后，其余气体作为循环气分别自所述原料气进入管(11)和1#副线进气管(130)进入所述合成氨塔内；所述1#副线进气管(130)与所述环隙气流通道Ⅱ(b)连通，自所述1#副线进气管(130)进入的循环气与自所述原料气进入管(11)进入的气体混合并进行热交换。5.根据权利要求4所述的自除氧合成氨塔，其特征在于，所述反应器外筒(12)内套装有反应器内筒(13)，所述触媒框(16)...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗宇，林立，陈崇启，江莉龙，倪军，
申请(专利权)人：福州大学化肥催化剂国家工程研究中心，
类型：发明
国别省市：