冷-热-动能量互补精制液氢液氮联产合成氨过程及系统技术方案

一种冷

【技术实现步骤摘要】
冷
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热
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动能量互补精制液氢液氮联产合成氨过程及系统


[0001]本专利技术涉及氢能源加工与利用、深冷与空气分离、合成氨制造技术与热能
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动力转换与工业节能技术，特别是高效、经济利用绿色电能替代化石能源制造能源化学品的跨行业


技术介绍

[0002]用绿色电能替代化石能源制造能源化学品（包括氢与合成氨）是降碳减排的重要技术经济路线，越来越为全球及全社会所关注。从市场化的角度需要解决的核心问题是氢能源的安全可靠性与经济高效性。例如电解水制氢目前虽已达到4.3kWh/m3的先进电耗水平，但受供电价格制约，经济上尚未大规模替代化石能源直接供应市场、也难以可接受的成本替代化石原料制造合成氨等能源化学品（何专利技术等. 天然气裂解制氢与水电解制氢合成氨工艺特性比较. 化肥设计, 2020, 2/58: 5
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9.）。兼之氢气的体积载能密度低，还需通过深冷加工成液氢产品等方式解决从制氢场所远距离输运到用户市场，这也是备受关注的高能耗过程（殷靓等. 氢液化流程设计和优化方法研究本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种深冷普通氢一分为二加工精制液氢和输出超临界氢冷媒的方法，其特征是首先将压力0.12~0.25MPa、温度5~35℃的普通氢气通过深冷加工为压力0.11~0.25MPa、温度20.5~24.0K、干度不大于0.15的气液两相普通氢混合物，然后将其一分为二：一部分液态普通氢由一次液氢泵加压至0.8~0.9MPa作为一次氢冷媒通过氢精制组合的冷管内吸热升温至不高于31K后、再由二次液氢泵加压至4.0~6.0MPa的超临界压力返回该组合继续吸热升温至不高于60K、作为超临界二次氢冷媒输出；另一部分气液两相普通氢混合物干度0~0.95、通过氢精制加压机抽引先通过氢精制催化转化与液化组合的冷管内吸热汽化并升温至不超过78K，然后被加压至0.3~0.7MPa、温升至128~158K、通过氢转化氮冷器降温至82K以下返回该组合的催化剂颗粒层进行正氢转仲氢的转化精制过程，转化热通过分布于催化剂颗粒层的冷却管传递给管内流动的31~60K温度的一次氢冷媒和78K以下汽化升温吸热的0.11~0.25MPa普通氢气液两相混合物；精制氢气反应终点温度24.5~29K、仲氢组成为97.2~99.2%、通过氢精制组合的液化段冷管放热而冷凝后、储放于压力不高于0.7MPa、温度不高于29K的精制液氢产品储罐；输出超临界的二次氢冷媒与精制液氢产品的质量流量比不小于1.0；所述普通氢气是指由普通工业过程制取的氢气，未经正氢转仲氢、其仲氢组成不高于30%、正氢组成不低于70%；所述通过冷管放热与吸热的传热过程端温差不小于2℃。2.一种与精制液氢过程相耦合的空气分离制液氮并输出超临界氮冷媒的方法，其特征是利用精制液氢过程输出温度不高于60K的超临界二次氢冷媒通过空分精馏塔上塔顶部的液氮冷凝器组合吸热、使压力不低于0.137MPa、温度不低于80K、浓度高于99.99 v%的纯氮气放热冷凝为纯液氮产品；二次氢冷媒吸热升温至不低于78K后绝热膨胀降温至不低于58K再返回液氮冷凝器组合吸热、如此重复至少3次，直至二次氢冷媒压力降至不低于0.35MPa、温度不高于78K、作为三次氢冷媒输出供后续使用；每kg二次氢冷媒给液氮冷凝器组合提供58
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78K温区冷量不少于980kJ、使精馏塔回流比不小于1.2的条件下从上塔顶获得纯液氮产品不少于2.4kg、同时从下塔顶获得压力不低于0.50MPa、温度不低于94K、浓度高于99.99%的纯液氮不少于2.3kg；上塔与下塔制得的纯液氮产品储放于同一个液氮储罐、其顶部位置低于空分精馏塔上塔底部、其气相压力与空分精馏塔上塔顶部气相压力平衡；用液氮加压泵将储罐内液氮加压为温度不超过90K的超临界冷氮，作为一次氮冷媒将进入空分塔的空气冷却至温度不高于105K，一次氮冷媒温度则回升至不高于200K、作为二次氮冷媒输出供后续使用。3.一种与精制液氢并输出超临界氢冷媒过程及空气分离制液氮并输出超临界氮冷媒过程相耦合联产合成氨的过程及系统，其特征是使精制液氢过程输出的超临界二次氢冷媒通过空分制液氮过程使用其冷量后输出的压力不低于0.35MPa、温度不高于78K的三次氢冷媒继续作为合成氨工艺系统合成气冷冻组合的冷媒，由空分制液氮过程一并输送给该组合的还有温度不高于200K的超临界二次氮冷媒，与温度不高于
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60℃返流的循环气冷媒一道，通过该冷冻组合将水冷降温至不高于30℃的含氨合成气冷却到低于
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60℃进行气
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液氨分离、使返流循环气含氨浓度小于0.34v%；三次氢冷媒在该冷冻组合中吸热升温至不高于27℃、绝热膨胀降温降压为不高于
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51℃、不低于0.125MPa的四次氢冷媒、产生的冷量返供给该冷冻组合、四次氢冷媒温度则再次回升至27℃以上，通过氢气增压机组压缩并回收其压
缩热、达到4.0~5.0MPa的压力和60~65℃的温度、再通过氢气增压单机加压至10~20MPa、升温至180~240℃、作为合成氨原料氢气与复热后作为合成氨原料氮气的二次氮冷媒及循环气汇合、进入合成塔进行氨合成催化反应；二次氮冷媒复热的过程包括与循环气一起通过冷冻氨分离组合吸热升温至295K以上、再一起通过循环气冷热交换组合吸热升温至200~230℃；作为合成氨原料气进入合成塔的氢气与氮气摩尔流量之比3.0，与合成循环气汇合后含氨浓度不高于0.16 v%，在10~20MPa压力下通过合成塔催化层完成400~500℃温区氨合成反应，合成气出塔含氨浓度达到16~18 v%、温度480~500℃；出塔合成气首先通过反应热回收器放热降温至230~250℃、再通过循环气冷热交换组合放热降温至不低于65℃，然后通过合成气氨冷器放热降温至不低于45℃、通过水冷器降温至不低于30℃，再通过合成气冷冻氨分离组合降温至不高于
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60℃、进入气

【专利技术属性】
技术研发人员：朱家骅，夏素兰，李季，吉旭，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：