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一种绿氨生产系统及方法技术方案

技术编号：36810024 阅读：13 留言：0更新日期：2023-03-09 00:38
本发明专利技术公开了一种绿氨生产系统及方法，其中绿氨生产系统，其包括制氢单元、合成氨单元、催化剂再生单元和纯化单元，所述制氢单元用于获得氢气和氧气；所述合成氨单元的具有第一氢气入口、氮气入口、催化剂入口和催化剂出口，所述第一氢气入口连通所述制氢单元的氢气出口；所述催化剂再生单元具有第二氢气入口、再生催化剂入口、再生催化剂出口和第二氢气出口，所述第二氢气入口连通所述制氢单元的氢气出口，所述再生催化剂入口连通所述催化剂出口，所述再生催化剂出口连通所述催化剂入口。本发明专利技术所述绿氨生产系统，可提高绿氨生产的灵活性，降低绿氨生产对纯化设备的要求，同时提高绿氨生产与波动性可再生能源的匹配程度。产与波动性可再生能源的匹配程度。产与波动性可再生能源的匹配程度。

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【技术实现步骤摘要】
一种绿氨生产系统及方法


[0001]本专利技术属于有机物合成
，尤其是一种绿氨生产系统及方法。

技术介绍

[0002]氢能是实现双碳目标的重要载体，被认为是未来能够与电并行的二次能源。然而，氢能的存储和运输目前仍然面临着耗能大、成本高、危险性高的问题。相比之下，氨的利用获得了越来越多的重视。氨是一种常用的化学品，具有成熟的供应和运输基础设施，能够作为一种储氢载体，间接实现氢能的时空配置，从而满足新型能源系统灵活性的要求。
[0003]然而，合成氨催化剂极易失活，因此对原料氢气的纯化处理要求较高(氢气纯度一般不低于99.99％)，导致纯化部分投资较高；纯化设备的操作灵活性有限，也限制了绿氢制绿氨对可再生能源功率波动的适应能力。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的一个目的在于提出一种绿氨生产系统，可提高绿氨生产的灵活性，降低绿氨生产对纯化设备的要求，同时提高绿氨生产与波动性可再生能源的匹配程度。
[0005]本专利技术的第二个目的在于提出一种绿氨生产方法。
[0006]为达到上述目的，本专利技术第一方面实施例提出了一种绿氨生产系统，包括：
[0007]制氢单元，所述制氢单元用于获得氢气和氧气；
[0008]合成氨单元，所述合成氨单元的具有第一氢气入口、氮气入口、催化剂入口和催化剂出口，所述第一氢气入口连通所述制氢单元的氢气出口；
[0009]催化剂再生单元，所述催化剂再生单元具有第二氢气入口、再生催化剂入口、再生催化剂出口和第二氢气出口，所述第二氢气入口连通所述制氢单元的氢气出口，所述再生催化剂入口连通所述催化剂出口，所述再生催化剂出口连通所述催化剂入口，所述第二氢气出口连通所述第一氢气入口；
[0010]纯化单元，所述纯化单元安装在所述制氢单元的氢气出口与所述第二氢气入口之间的管线上。
[0011]在本专利技术的一些实施例中，所述的绿氨生产系统，还包括锅炉；所述锅炉的燃料入口连通所述制氢单元的氧气出口，所述锅炉的蒸汽出口连通所述合成氨单元的第一蒸汽入口和所述催化剂再生单元的第二蒸汽入口。
[0012]在本专利技术的一些实施例中，所述制氢单元采用电解水制氢系统或光解水制氢系统；所述纯化单元为变温吸附装置、变压吸附装置、膜分离装置中的一种。
[0013]在本专利技术的一些实施例中，所述电解水制氢系统电连接可再生能源发电系统；所述电解水制氢系统采用碱性多孔隔膜电解槽或碱性离子膜电解槽。
[0014]在本专利技术的一些实施例中，所述催化剂为熔铁类催化剂、钌基催化剂、电子化合物类催化剂、钴基催化剂、镍基催化剂、金属氮化物类催化剂中的一种或几种。
[0015]在本专利技术的一些实施例中，所述催化剂为熔铁类催化剂、镍基催化剂、金属氮化物类催化剂中的一种或几种。
[0016]在本专利技术的一些实施例中，所述催化剂为TA201
‑
2型氨合成催化剂、A202型氨合成催化剂、A110型氨合成催化剂中的一种。
[0017]在本专利技术的一些实施例中，所述合成氨单元和所述催化剂再生单元均为气固流化床反应设备；所述气固流化床反应设备包括流化床反应器。
[0018]在本专利技术的一些实施例中，所述合成氨单元中的流化床反应器具有所述第一氢气入口、所述第一氧气入口、所述氮气入口、所述催化剂入口和所述催化剂出口；所述催化剂再生单元中的流化床反应器具有所述第二氢气入口、所述第二氧气入口、所述再生催化剂入口、所述再生催化剂出口和所述第二氢气出口。
[0019]在本专利技术的一些实施例中，所述催化剂出口位于所述合成氨单元中的流化床反应器的上端，所述再生催化剂入口位于所述催化剂再生单元中的流化床反应器的下端；所述再生催化剂出口位于所述催化剂再生单元中的流化床反应器流化区的上端，所述催化剂入口位于所述合成氨单元中的流化床反应器流化区的下端。
[0020]为达到上述目的，本专利技术第二方面实施例提出了一种绿氨生产方法，应用于本专利技术实施例的绿氨生产系统，包括：
[0021]制氢单元产生的氢气一部分作为原料气进入合成氨单元与氮气在催化剂的作用下反应生成氨气，另一部分经纯化后进入催化剂再生单元参与来自合成氨单元的失活催化剂的再生；
[0022]催化剂再生单元流出的氢气及获得的再生催化剂重新进入合成氨单元，参与氨气合成反应。
[0023]在本专利技术的一些实施例中，所述的绿氨生产方法，还包括：制氢单元产生的氧气进入锅炉辅助产生蒸汽，蒸汽作为换热介质辅助产生氨气合成和催化剂再生所需的温度。
[0024]在本专利技术的一些实施例中，所述合成氨单元的反应温度为100
‑
700℃，所述合成氨单元的反应压力为1
‑
30MPa；所述催化剂再生单元的反应温度为200
‑
800℃，所述催化剂再生单元的反应压力为1
‑
10MPa。
[0025]在本专利技术的一些实施例中，所述合成氨单元的反应温度为400
‑
600℃；所述合成氨单元的反应压力为10
‑
20MPa；所述催化剂再生单元的反应温度为400
‑
700℃；所述催化剂再生单元的反应压力与所述纯化单元的压力一致，均为1
‑
3MPa。
[0026]在本专利技术的一些实施例中，所述合成氨单元的催化剂载量按下式计算：
[0027]m1＝SQ
1，H2
/nR
com
[0028]式中：
[0029]m1——合成氨单元的催化剂载量，kg；
[0030]Q
1，H2
——制氢单元的氢气产量，mol/h；
[0031]S——目标氨气合成转化率，％；
[0032]n——进入合成氨单元的所有氢气与氮气的流量比；
[0033]R
com
——合成氨单元的反应速率，mol/kg/h。
[0034]在本专利技术的一些实施例中，所述目标氨气合成转化率按下式计算：
[0035]S＝[N(in)
‑
N(out)]/N(in)
[0036]式中：
[0037]N(in)——进入合成氨单元的氮气摩尔流量，mol/h；
[0038]N(out)——流出合成氨单元的氮气摩尔流量，mol/h；
[0039]在本专利技术的一些实施例中，所述合成氨单元的反应速率为单位时间内每千克催化剂颗粒表面产生的氨气的摩尔数；进入合成氨单元的氢气与氮气的流量比为3
‑
10，优选3
‑
4；所述目标氨气合成转化率为10
‑
40％。
[0040]在本专利技术的一些实施例中，所述催化剂再生单元的催化剂载量按下式计算：
[0041]m2＝m1*R
d
/R
g
[0042]式中：
[0043]m2——催化剂再生单元的催化剂载量，kg；
[0044]m1—本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种绿氨生产系统，其特征在于，包括：制氢单元，所述制氢单元用于获得氢气和氧气；合成氨单元，所述合成氨单元的具有第一氢气入口、氮气入口、催化剂入口和催化剂出口，所述第一氢气入口连通所述制氢单元的氢气出口；催化剂再生单元，所述催化剂再生单元具有第二氢气入口、再生催化剂入口、再生催化剂出口和第二氢气出口，所述第二氢气入口连通所述制氢单元的氢气出口，所述再生催化剂入口连通所述催化剂出口，所述再生催化剂出口连通所述催化剂入口，所述第二氢气出口连通所述第一氢气入口；纯化单元，所述纯化单元安装在所述制氢单元的氢气出口与所述第二氢气入口之间的管线上。2.根据权利要求1所述的绿氨生产系统，其特征在于，还包括锅炉；所述锅炉的燃料入口连通所述制氢单元的氧气出口，所述锅炉的蒸汽出口连通所述合成氨单元的第一蒸汽入口和所述催化剂再生单元的第二蒸汽入口。3.根据权利要求1或2所述的绿氨生产系统，其特征在于，所述制氢单元采用电解水制氢系统或光解水制氢系统；所述纯化单元为变温吸附装置、变压吸附装置、膜分离装置中的一种。4.根据权利要求3所述的绿氨生产系统，其特征在于，所述电解水制氢系统电连接可再生能源发电系统；所述电解水制氢系统采用碱性多孔隔膜电解槽或碱性离子膜电解槽。5.根据权利要求1或2所述的绿氨生产系统，其特征在于，所述催化剂为熔铁类催化剂、钌基催化剂、电子化合物类催化剂、钴基催化剂、镍基催化剂、金属氮化物类催化剂中的一种或几种。6.根据权利要求5所述的绿氨生产系统，其特征在于，所述催化剂为熔铁类催化剂、镍基催化剂、金属氮化物类催化剂中的一种或几种。7.根据权利要求5所述的绿氨生产系统，其特征在于，所述催化剂为TA201
‑
2型氨合成催化剂、A202型氨合成催化剂、A110型氨合成催化剂中的一种。8.根据权利要求1或2所述的绿氨生产系统，其特征在于，所述合成氨单元和所述催化剂再生单元均为气固流化床反应设备；所述气固流化床反应设备包括流化床反应器。9.根据权利要求8所述的绿氨生产系统，其特征在于，所述合成氨单元中的流化床反应器具有所述第一氢气入口、所述第一氧气入口、所述氮气入口、所述催化剂入口和所述催化剂出口；所述催化剂再生单元中的流化床反应器具有所述第二氢气入口、所述第二氧气入口、所述再生催化剂入口、所述再生催化剂出口和所述第二氢气出口。10.根据权利要求9所述的绿氨生产系统，其特征在于，所述催化剂出口位于所述合成氨单元中的流化床反应器流化区的上端，所述再生催化剂入口位于所述催化剂再生单元中的流化床反应器流化区的下端；所述再生催化剂出口位于所述催化剂再生单元中的流化床反应器流化区的上端，所述催化剂入口位于所述合成氨单元中的流化床反应器流化区的下端。11.一种绿氨生产方法，应用于如权利要求1至10任意一项所述的绿氨生产系统，其特征在于，包括：
制氢单元产生的氢气一部分作为原料气进入合成氨单元与氮气在催化剂的作用下反应生成氨气，另一部分经纯化后进入催化剂再生单元参与来自合成氨单元的失活催化剂的再生；催化剂再生单元流出的氢气及获得的再生催化剂重新进入合成氨单元，参与氨气合成反应。12.根据权利要求11所述的绿氨生产方法，其特征在于，还包括：制氢单元产生的氧气进入锅炉辅助产生蒸汽，蒸汽作为换热介质辅助产生氨气合成和催化剂再生所需的温度。13.根据权利要求11或12所述的绿氨生产方法，其特征在于，所述合成...

【专利技术属性】
技术研发人员：张畅，王金意，郭海礁，潘龙，徐显明，
申请(专利权)人：四川华能氢能科技有限公司华能集团技术创新中心有限公司四川华能太平驿水电有限责任公司四川华能宝兴河水电有限责任公司四川华能嘉陵江水电有限责任公司四川华能东西关水电股份有限公司四川华能康定水电有限责任公司四川华能涪江水电有限责任公司华能明台电力有限责任公司，
类型：发明
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