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首页 / 专利分类库 / 无机化学 / 绿色氨合成气的制备方法

绿色合成气的制备方法

申请号 CN202280056649.8 申请日 2022-07-20 公开(公告)号 CN117836236A 公开(公告)日 2024-04-05
申请人 托普索公司; 发明人 L·B·克努德森; P·A·韩;
摘要 用于生产 氨 合成气 的方法和系统,所述方法包括以下步骤:(a)通过环境空气的变压 吸附 提供包含氮气的分离流;(b)通过 水 和/或 蒸汽 的 电解 提供包含氢气的分离流;(c)将步骤a)和b)中获得的分离流合并为包含氢气和氮气的混合流;(d)对来自步骤(c)的混合流加压;以及(e)在步骤(d)上游和/或步骤(d)下游和/或步骤(d)期间通过使用混合流中含有的部分氢气对 氧 气催化氢化除去混合流中进一步含有的残余量的氧气,以产生所述氨合成气。
权利要求

1.生产合成气的方法,其包括以下步骤:
(a)通过环境空气的变压吸附提供包含氮气的分离流;
(b)通过和/或蒸汽电解提供包含氢气的分离流;
(c)将步骤a)和b)中获得的分离流合并为包含氢气和氮气的混合流;
(d)对来自步骤(c)的混合流加压;以及
(e)在步骤(d)上游和/或步骤(d)下游和/或步骤(d)期间通过使用混合流中含有的部分氢气对气催化氢化除去混合流中进一步含有的残余量的氧气,以产生所述氨合成气。
2.根据权利要求1所述的方法,其中在所述催化氢化上游的氨合成气压缩机中,对包含氢气和氮气的混合流加压。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其中所述混合流以提供2.8至3.2的H2与N2的摩尔比的量包含氢气和氮气。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法,其中所述电解在固体氧化物电解池中进行。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法,其中所述催化氢化在氢化催化剂的存在下进行。
6.用于生产氨合成气的系统,其包括:
a)一个或多个变压吸附单元,用于提供包含氮气的分离流;
b)一个或多个电解单元,用于提供包含氢气的分离流;
c)合并工具,用于提供包含分离氢气流和分离氮气流的混合流;
d)压缩单元,用于对混合流加压;以及
e)氧气氢化单元,用于催化氢化加压的混合流中含有的氧气。
7.根据权利要求6所述的系统,其中所述压缩单元是设置在氢化单元上游或下游的氨合成气压缩机。
8.根据权利要求6或7所述的系统,其中所述电解单元是固体氧化物电解池。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的系统,其中所述氢化单元含有氢化催化剂。
10.装置,其包括根据权利要求6至9中任一项所述的系统,用于运行根据权利要求1至5中任一项所述的方法。

说明书全文

绿色合成气的制备方法

[0001] 本发明涉及生产绿色氨合成气的方法、系统和装置,其中氢气通过电解提供以及N2通过空气分离单元PSA或膜分离提供,并且其中氢气流和氮气流中的气或含氧化合物在共同的脱氧单元中除去。
[0002] 来自电解的氢气和来自PSA的氮气可能含有杂质,例如O2、H2O、KOH或其他杂质,其在氨合成中通常是不需要的。这些杂质通常通过净化单元除去,以获得接近纯的氢气和氮气氨合成气。
[0003] 如果氢气在低压下产生,即接近大气压,约表压0.1巴,则将其压缩到所需的压或所需的合成压力,其对于NH3合成而言为约表压100‑300巴。如果CO2或N2在低压下(例如,对于CO2为表压0.3‑1.0巴)产生,则必要时可将它们压缩到所需的压力。
[0004] 因此,标准解决方案通常包括用于H2和用于N2的分开的净化单元,以及用于H2和用于N2的分开的压缩机
[0005] 任何含氧化合物,特别是氧气,都将是氨合成催化剂的毒物,因此氢气和氮气纯度的规格通常非常严格。在基于电解的氢气生产中,通常将需要气体净化系统。在氮气生产中,高纯度要求需要在低温空气分离单元(ASU)中进行空气分离,这使得氨工艺成本较高和/或能效较低。
[0006] 本发明提供了装置中净化单元和其他设备例如压缩单元的数量的减少,从而改进/减少CAPEX。
[0007] 对上述标准已知解决方案的改进是基于采用变压吸附将大气空气分离(PSA)为氮气和氧气,其在接近环境温度下运行并且与低温空气分离明显不同,并且是基于合并所述流(H2+N2),对合并流加压(优选在氨合成气压缩机中),并且随后在一个单一单元中、特别是在共同的氢化单元中净化加压的合并流,其中氧气通过催化氢化为而被除去。
[0008] 因此,在一个方面中本发明提供了生产氨合成气的方法,其包括以下步骤:
[0009] (a)通过环境空气的变压吸附提供包含氮气的分离流;
[0010] (b)通过水和/或蒸汽(steam)的电解提供包含氢气的分离流;
[0011] (c)将步骤a)和b)中获得的分离流合并为包含氢气和氮气的混合流;
[0012] (d)对来自步骤(c)的混合流加压;以及
[0013] (e)在步骤(d)上游和/或步骤(d)下游和/或步骤(d)期间通过使用混合流中含有的部分氢气对氧气催化氢化,除去混合流中进一步含有的残余量的氧气,以产生所述氨合成气。
[0014] 在脱氧步骤之前对所述混合流加压时,热能被施加到所述混合流,气体的温度升高。因此,可以免除用于催化氢化的启动加热器。
[0015] 因此,在本发明的一个优选实施方案中,氢气和氮气的混合流在催化氢化上游的氨合成气压缩机中加压。
[0016] 氨反应需要约3的H2:N2化学计量摩尔比。氢化反应中使用一定量的氢气。
[0017] 因此,在另一个优选实施方案中,所述混合流以提供2.8至3.2的H2与N2的摩尔比的量包含氢气和氮气。
[0018] 在另一个优选实施方案中,所述电解在固体氧化物电解池中进行。
[0019] 在另一个优选实施方案中,所述催化氢化在包含铂和/或钯的氢化催化剂存在下进行。
[0020] 本发明的另一个方面是用于生产氨合成气的系统,其包括:
[0021] a)一个或多个变压吸附单元,用于提供包含氮气的分离流;
[0022] b)一个或多个电解单元,用于提供包含氢气的分离流;
[0023] c)合并工具,用于提供包含分离氢气流和分离氮气流的混合流;
[0024] d)压缩单元,用于对混合流加压;以及
[0025] e)氧气氢化单元,用于催化氢化加压的混合流中含有的氧气。
[0026] 在一个优选实施方案中,所述压缩单元是设置在氢化单元上游或下游的氨合成气压缩机。
[0027] 在另一个优选实施方案中,所述电解单元是固体氧化物电解池。
[0028] 在另一个优选实施方案中,氢化单元含有包含铂和/或钯的氢化催化剂。
[0029] 本发明的第三个方面是装置,其包括根据上述实施方案中任一个的系统,用于运行根据上述实施方案中任一个的方法。
[0030] 总之,本发明的优点是:
[0031] ·对于所有容量,与低温ASU相比,PSA的低成本。
[0032] ·PSA在运行上更加灵活。与低温ASU相比,关闭和快速启动时间短。
[0033] ·动态氨回路在5%至100%负载之间基于来自太阳能能的变化功率输入运行。因此,灵活的PSA在以可再生能源运行的动态氨回路中是一个优势。
[0034] ·用于除去氢气和氮气两个进料流中氧气的合并的氢化单元,而不是用于每一个进料流的单独单元。
[0035] ·当将所述氢化单元设置在上游在合成气压缩机排放口时,将消除对启动加热器的需要。
[0036] ·更高的压力将有利于反应并减小所述氢化单元中的催化剂体积。
[0037] ·更高的温度将有利于氧气的氢化。
[0038] 附图中的图1示出了本发明的一个优选实施方案,用于生成用于合成绿色氨的H2和N2流,其中压缩步骤在从H2和N2的合并流中合并除去氧气的上流进行。
[0039] 来自电解槽的氢气流通常含有99.9摩尔%的H2和0.1摩尔%的O2。来自PSA单元的氮气流通常含有99.2摩尔%的N2、0.3摩尔%的O2和0.5摩尔%的Ar杂质。
[0040] 如上文所述,氨合成气中的氧气会使氨催化剂中毒,并因此需要通过将氧气催化氢化为水来除去氢气流和氮气流中含有的氧气。
[0041] 通过本发明,所述流以约2.8至3.2的H2与N2的摩尔比合并,并且在上游合成气压缩机中压缩并且随后在氢化单元中净化。
[0042] 在所述氢化单元中,氧气将通过与氢气的催化反应形成水而被除去。在将由此制备的氨合成气引入下游氨回路中之前,大部分水将在级间冷却和分离中被除去。