本公開(kāi)屬于合成氨領(lǐng)域，具體涉及一種制備合成氨系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、近期綠氨成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。氨正在從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)化肥領(lǐng)域向新能源源領(lǐng)域拓展。由于氨的單位熱值及單位儲(chǔ)氫密度高，在其儲(chǔ)存和運(yùn)輸方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，綠氨與傳統(tǒng)合成氨工藝最大的不同在于綠氨原料直接為電解水產(chǎn)生的綠氫，綠氫與空氣分離所得的氮?dú)饣旌?、加壓、純化后，通過(guò)合成氨反應(yīng)器生成氨。

2、目前風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電由于發(fā)電的波動(dòng)性，使發(fā)電高峰和用電高峰產(chǎn)生錯(cuò)配，造成并網(wǎng)困難。通過(guò)電解制氫將可再生能源轉(zhuǎn)化成氫氣，可儲(chǔ)可轉(zhuǎn)，因此，將可再生能源、制氫系統(tǒng)和制氮系統(tǒng)聯(lián)合合成氨的工藝進(jìn)一步提升了能源使用效率。但目前合成氨系統(tǒng)中，制氫系統(tǒng)與制氮系統(tǒng)分別采用兩套plc控制系統(tǒng)操作，在電解制氫系統(tǒng)中，電解槽控制系統(tǒng)控制整流柜、氫氧分離、堿液循環(huán)泵及補(bǔ)水泵、電解電壓電流、氫氣壓力和溫度顯示，純化控制系統(tǒng)采用plc控制脫氧塔溫度和干燥塔各閥門的切換，實(shí)現(xiàn)工作、再生、再生氣回收步驟的循環(huán)，而制氮系統(tǒng)則單獨(dú)使用一體化控制系統(tǒng)，無(wú)法精確控制系統(tǒng)的操作條件，導(dǎo)致無(wú)法精確獲得后續(xù)合成氨反應(yīng)所需的氫氣量和氮?dú)饬?，造成合成氨工藝的整體系統(tǒng)運(yùn)行精度和效率低，操作復(fù)雜，造成能耗的損失，能源利用效率低；另一方面，由于變壓吸附制氮設(shè)備的能耗主要是壓縮空氣，放空的富氧廢氣通常消耗50％以上的壓縮空氣，通過(guò)分離得到的氮?dú)饧兌纫笤礁?，需要的空氣也越多，能耗則越高，且制氮系統(tǒng)在適應(yīng)風(fēng)光波動(dòng)性操作的瞬間也容易出現(xiàn)雜質(zhì)超標(biāo)等問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種制備合成氨系統(tǒng)及方法，本發(fā)明提供的系統(tǒng)對(duì)可再生能源波動(dòng)適應(yīng)性高，系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)后，能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整并精確控制氫氣產(chǎn)量、氮?dú)猱a(chǎn)量以及工藝參數(shù)條件，系統(tǒng)整體運(yùn)行精度高，能源利用效率高，出口氣純度高，工藝能耗低。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種制備合成氨的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括：可再生能源發(fā)電單元、控制單元、電解制氫單元、制氮單元、催化脫氧單元、脫水單元和合成氨單元；

3、所述控制單元分別與所述可再生能源發(fā)電單元、所述制氮單元和所述電解制氫單元信號(hào)連接，用于接收所述可再生能源發(fā)電單元的波動(dòng)電源信號(hào)，根據(jù)所述波動(dòng)電源信號(hào)調(diào)節(jié)所述電解制氫單元的制氫量和所述制氮單元的制氮量；

4、所述催化脫氧單元包括第一混合氣入口和第一混合氣出口；所述制氫單元的氫氣出口和所述制氮單元的氮?dú)獬隹诜謩e與所述催化脫氧單元的第一混合氣入口連通；所述催化脫氧單元的第一混合氣出口與所述脫水單元的入口連通；

5、所述脫水單元的氣體出口與所述合成氨單元的第二混合氣入口連通。

6、可選地，所述電解制氫單元包括電解水制氫裝置、氣液分離裝置和純水裝置；所述電解制氫裝置包括純水入口和氫氣出口，所述電解制氫裝置的氫氣出口與所述氣液分離裝置的入口連通；

7、所述氣液分離裝置的液相出口與所述純水裝置的入口連通，所述純水裝置的出口與所述電解制氫裝置的純水入口連通；

8、所述電解水制氫裝置包括堿性多孔隔膜電解槽、堿性離子膜電解槽、質(zhì)子交換膜電解槽、陰離子交換膜電解槽或固體氧化物電解槽中的一種或幾種；

9、所述氣液分離裝置包括臥式氣液分離裝置或立式氣液分離裝置中的一種或幾種。

10、可選地，所述制氮單元包括深冷空分制氮裝置、變壓吸附制氮裝置或膜分離制氮裝置中的一種或幾種，優(yōu)選地，所述制氮單元為變壓吸附制氮裝置；

11、所述制氮單元包括空氣壓縮凈化裝置和吸附分離裝置；所述壓縮空氣凈化裝置的壓縮空氣出口與所述吸附分離裝置的進(jìn)料口連通；

12、所述空氣壓縮凈化裝置包括依次連接的壓縮機(jī)、干燥器、精密過(guò)濾器和空氣緩沖罐；

13、所述吸附分離裝置包括并聯(lián)布置的一個(gè)或多個(gè)吸附分離塔。

14、可選地，所述控制單元分別與所述壓縮機(jī)、所述干燥器和所述吸附分離裝置信號(hào)連接，調(diào)節(jié)所述壓縮機(jī)的氣體流量和功率、所述干燥器的功率、所述吸附分離裝置的氮?dú)饬髁?、閥門開(kāi)度和吸脫時(shí)序，以保持氮?dú)獾某隹诩兌葹?9～99.99％。

15、可選地，所述脫水單元包括tsa脫水裝置；所述tsa脫水裝置的冷凝水出口與所述純水裝置的入口連通；

16、優(yōu)選地，所述tsa脫水裝置包括并聯(lián)布置的一個(gè)或多個(gè)吸附塔。

17、本發(fā)明第二方面提供采用本發(fā)明第一方面所述的系統(tǒng)制備合成氨的方法，其中，該方法包括：

18、通過(guò)可再生發(fā)電單元發(fā)電并產(chǎn)生波動(dòng)電源信號(hào)；

19、使電解制氫單元采用所述可再生發(fā)電單元的發(fā)電進(jìn)行電解制備氫氣；

20、使空氣進(jìn)入制氮單元制備氮?dú)猓?/p>

21、使來(lái)自電解制氫單元的氫氣和來(lái)自制氮單元的氮?dú)膺M(jìn)入催化脫氧單元進(jìn)行脫氧處理，然后進(jìn)入脫水單元進(jìn)行脫水處理；

22、使從所述脫水單元得到的混合原料氣進(jìn)入合成氨單元進(jìn)行合成氨反應(yīng)；其中，根據(jù)所述波動(dòng)電源信號(hào)調(diào)節(jié)所述電解制氫單元的制氫量和所述制氮單元的制氮量。

23、可選地，所述的根據(jù)所述波動(dòng)電源信號(hào)調(diào)節(jié)所述電解制氫單元的制氫量和所述制氮單元的制氮量，包括：

24、采用電解制氫整流電源與控制單元接收所述可再生能源發(fā)電單元的波動(dòng)電源信號(hào)，以及根據(jù)所述波動(dòng)電源信號(hào)調(diào)節(jié)所述電解制氫單元的制氫量；

25、采用控制單元接收所述可再生能源發(fā)電單元的波動(dòng)電源信號(hào)，根據(jù)所述波動(dòng)電源信號(hào)確定所述制氮單元的氮?dú)庑枰縱氮，并根據(jù)所述氮?dú)庑枰縱氮調(diào)節(jié)所述制氮單元的制氮量。

26、所述的根據(jù)波動(dòng)電源信號(hào)確定所述制氮單元的氮?dú)庑枰縱氮包括：根據(jù)式(1)計(jì)算v氮；

27、v氮＝n×0.000418×m×i×t×η，?式(1)；

28、其中，m為所述電解制氫裝置的電解小室數(shù)；i為所述電流信號(hào)，單位為a；t為通電時(shí)間，單位為h；η為電流效率，單位為％；n為2～4。

29、可選地，所述的根據(jù)所述氮?dú)庑枰縱氮調(diào)節(jié)所述制氮單元的制氮量，包括：

30、通過(guò)調(diào)節(jié)所述壓縮機(jī)的氣體流量和功率、所述干燥器的功率、所述吸附分離裝置的氮?dú)饬髁俊㈤y門開(kāi)度和吸脫時(shí)序，以保持氮?dú)獾某隹诩兌葹?9～99.99％。

31、可選地，所述混合原料氣中的氫氣的純度為97％以上；所述混合原料氣中的氮?dú)獾募兌葹?9％以上；

32、所述混合原料氣中氮?dú)獾捏w積含量為50％以上；所述混合原料氣中氫氣的體積含量為50％以下；所述混合原料氣的露點(diǎn)為-65℃以下。

33、通過(guò)上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供的系統(tǒng)通過(guò)控制單元接收可再生能源發(fā)電單元的風(fēng)光波動(dòng)信號(hào)，將風(fēng)光波動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為輸入至制氫單元和制氮單元的電流信號(hào)，并根據(jù)電流信號(hào)確定合成氨反應(yīng)所需的氫氣流量信號(hào)和所需的氮?dú)饬髁啃盘?hào)，一方面使系統(tǒng)整體對(duì)可再生能源波動(dòng)的適應(yīng)性進(jìn)一步提升；另一方面，系統(tǒng)通過(guò)控制單元實(shí)現(xiàn)一體化聯(lián)動(dòng)，實(shí)時(shí)調(diào)整并精確控制氫氣產(chǎn)量、氮?dú)猱a(chǎn)量以及工藝參數(shù)條件，使得系統(tǒng)整體運(yùn)行精度高，能源利用效率高，后續(xù)合成氨反應(yīng)只需適應(yīng)原料氣的波動(dòng)，反應(yīng)效果好，出口氣純度高，在不增加設(shè)備投資的情況下整體系統(tǒng)效率高，同時(shí)，系統(tǒng)中的催化脫氧單元能夠進(jìn)一步將氫氣和氮?dú)庵械难蹼s質(zhì)脫除完全，避免了可再生能源波動(dòng)性引起的雜質(zhì)超標(biāo)的問(wèn)題。且本發(fā)明流程和操作簡(jiǎn)單，能耗及運(yùn)行成本低，利于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化使用。

34、本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的具體實(shí)施方式部分予以詳細(xì)說(shuō)明。