[发明专利]一种低压合成氨塔及可再生能源低压合成氨系统

说明书

本发明公开了一种低压合成氨塔及可再生能源低压合成氨系统，其中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多个触媒框，每个触媒框内装有第一催化剂床层；反应器外筒内还设有中心管，中心管与其一触媒框相连通，各触媒框之间形成依次串通的单向气流通道，产物气出气管与最后一个参与合成氨反应的触媒框的产出气输出端相连通；触媒框内布置若干穿越所有触媒框内部的第一换热管束，每个第一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。本发明合成氨塔可进行高效的热传递，预热原料气，且副产蒸汽，可实现床层准确控温，利于氨合成反应的进行，具有节能降耗的优点，合成氨塔操作温度范围为300℃‑450℃，压力范围为0.1MPa‑10MPa。

技术领域

本发明涉及清洁能源转化与存储技术领域，具体涉及一种低压合成氨塔及可再生能源低压合成氨系统。

背景技术

目前，我国风能、太阳能、水电等可再生能源行业发展迅速，但由于这些可再生电力能源具有间歇性、波动性等特点，导致可再生电力能源与当地用电需求不匹配，难以大规模并入电网，进而造成了大量的可再生能源弃置，以“弃风”、“弃光”和“弃水”等“三弃”问题尤为严重。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。

采用电解水制氢，可有效存储难利用的可再生能源。但由于氢气分子小，高压储氢需要35-70Mpa，液态储氢需要-252.8℃的低温，长距离运输还可能存在高达10％的逸氢损失，且氢气易燃易爆，导致其储运成本高、本质安全性弱。

氨是现代工业和农业生产最为基础的化工原料之一，约80％的氨用于生产化肥，工业化合成氨为解决人们的温饱问题做出了突出贡献。在新兴领域，氨具易液化、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。

工业化合成氨是采用哈伯-博施(Haber-Bosch)法将N₂和H₂通入高温、高压反应器(450-500℃，20-30MPa)中发生催化加成反应制得NH₃的过程。传统的工艺流程中，H₂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。

CN107055570A、CN105883852A、CN105964190B、CN109850918A中的各种合成氨反应器及系统工艺只适用于大规模合成氨工业，操作温度和压力高，能耗大，合成路线复杂，设备多，装置规模庞大，限制合成氨技术在可再生能源领域的分布式、小型化应用及灵活性操作。

发明内容

本发明旨在解决现有合成氨反应器及系统工艺操作温度和压力高，能耗大，合成路线复杂，设备多，装置规模庞大的问题，提供一种高效、紧凑的低压合成氨塔及可再生能源低压合成氨系统。

本发明采用如下技术方案：

一种低压合成氨塔，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n个触媒框，其中n≥2，每个所述触媒框内装设有合成氨催化剂的第一催化剂床层；所述反应器外筒内还设有与所述原料气进入管相连通的中心管，所述中心管与其一所述触媒框相连通，各所述触媒框之间形成依次串通的单向气流通道，所述产物气出气管与最后一个参与合成氨反应的所述触媒框的产出气输出端相连通；

所述触媒框内布置若干穿越所有所述触媒框内部的第一换热管束，每个所述第一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；