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绿氨制取
双击自动滚屏 发布者:zq1229 发布时间:2024/6/10 7:35:54 阅读:37次 【字体:
 
绿氨制取

合成氨是氢气是最大的消纳途径之一。合成氨作为全球第二大化学品,是现代社会中最为重要的化工产品之一。氨是制造硝酸、化肥、炸药的重要原料,氨对地球上的生物相当重要,它是所有食物和肥料的重要成分。也是所有药物直接或间接的组成。由于氨有广泛的用途,氨是世界上产量最多的无机化合物之一,超过八成的氨被用于制作化肥。

合成氨是氢气和氮气在催化剂的作用下反应生成,以气态烃为原料的合成氨。国际上各公司采用的工艺方法有所不同,但基本生产过程没有发生大的改变,工艺流程基本相同。目前国内所应用的工艺多数是从国外引进,例如Kellogg、Topsoe、Casale、Braun、ICIAMV、ICILCA、KBR KAAP等工艺,其合成工艺的设计理念都是以提高氨净值和节能为最终目的。

由绿氢与空气中分离的氮气生产的合成氨称为绿氨,绿氨全程以可再生能源为原料进行制备,可以真正做到可持续全程无碳。就合成原理与技术路线而论,绿氨合成与传统氨合成在工艺流程、关键设备、设计与操作指标上并无本质差别。

目前绿氨大部分的制备方式基于Haber-Bosch合成法,用绿氢和氮气在催化剂作用下合成为绿氨,工艺主要分为三部分:氢气氮气压缩、氨合成及冷凝分离、氨压缩冷冻。

氢氮气压缩

纯度合格的氮气与电解水产生的合格氢气按比例混合后(氢气:氮气=3:1),经合成气压缩机从低压(以2.2兆帕为例)逐级压缩,在末级与来自合成冷交换器的循环气体一起压缩,提升压力到14.5兆帕,送至氨合成工序。

氨合成及冷凝分离

氨在一个固定床的氨合成塔中合成生产,采用15兆帕设计压力下合成的工艺,两级氨冷,二次分氨,降低冷冻电耗。氨合成塔内件采用两轴两径,采用塔锅直连,废锅回收热量副产2.5兆帕的中压蒸汽。
合成塔使用两级热力、中间冷却的设计,每个床都填充了1.5毫米-3毫米的铁基合成催化剂。铁基催化剂通常是由铁、铝、钾等元素制成的固体颗粒,表面有许多微孔,以增加与反应物分子的接触面积,可以加速反应速率,降低反应活化能。来自合成气压缩机的补充和循环气体在进入合成塔之前,通过进料/出料换热器与出口物进行换热,预热到约236摄氏度。进入合成塔的氨浓度约为3.8摩尔百分比。

氨压缩冷冻

从氨合成工序第一、二氨冷器来的不同压力等级的气氨分别进入氨压缩机入口分离器内,三级分离器出口气氨再分别进入氨压缩机对应的一至三级进口,氨压缩机出口气氨升压至1.6兆帕后进氨冷凝器冷凝,冷凝后的液氨进入液氨受槽。在液氨受槽中冷凝下来的液氨分两股,一股经氨加热器与产品液氨换热,冷却后为氨合成工序第一氨冷器提供冷量,气氨进入三段入口分离器;另一股直接进入液氨储罐。循环气经回收冷量后与氢氮气混合重新进入合成塔。典型合成氨的工艺流程如下图所示。

绿氢制绿氨工艺流程
采用可再生能源制备绿氢的方式合成氨,生产1吨氨理论上需要消耗0.18吨氢气,而制备绿氢的成本中电费和设备投资成本占比较大,目前的绿氨综合成本在3500元/吨左右,未来绿氨综合成本主要需要随着绿氢制备成本下降而进一步下降。

绿氢制绿氨所面临的较大挑战,是需考虑可再生能源供给和市场需求的波动,开发充分考虑操作安全性和过程经济性的绿氢制氨工艺,包括氨合成塔、压缩机、气体分离、换热网络等适配方案与协同控制,实现冷热电互济,提升系统灵活性,提高综合转换效率。

国内大型合成氨工业中如大型空分等可采用国内成熟的技术,低压合成氨技术亦步入国际先进水平,建成诸多大型合成氨基地,涌现了云天化、湖北宜化、华鲁恒升等一大批具有较高技术水平、较大生产规模的企业。

在双碳政策背景下,利用可再生能源合成绿氨已经得到了快速发展,目前已大致形成了三代合成氨技术,第一代为传统的哈伯法合成氨技术,第二代为低温低压合成氨技术,第三代则为多种技术路线并进,主要包含有:直接电催化合成氨,等离子体结合催化剂合成氨和低温常压合成氨。例如,中科院大连化物所陈萍团队在Nature Catal.发表了最新研究,利用三元Ru络合氢化物在300摄氏度和常压条件下合成氨。另外,韩国机械与材料研究所利用低温等离子体直接利用水和氮气合成氨,氨体积浓度达到了0.84%,产氨率达到了120微摩尔/秒。总体来看,国内的可再生能源合成氨技术与国外相比,基本上可以达到并驾齐驱
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