回收绿色氨生产中产生的废热的方法与流程

回收绿色氨生产中产生的废热的方法
1.本发明涉及一种回收在氨生产中产生的废热的方法。
2.具体地讲，本发明关注于绿色氨生产(即，制备氨合成气,包括由可持续或可再生能源驱动的水电解)中的废热。
3.氨已被认作为优异的能量媒介以及优异的氢载体。液氨比液氢包含更多的氢。
4.氨可以从空气、水和电力生产，几乎在可以得到丰富可再生能源的世界上的任何地方。
5.因此，氨可以为可再生能源的能量储存介质，它容易批量运输到不同的场所。氨可直接用于内燃机/燃气涡轮机或燃料电池，或者可以裂解/分解成氢和氮。可将分解的氨进料到燃气涡轮机，或者可以回收氢气用于燃料电池或其它用途。
6.基于电解生产氢通常会产生显著量的废热，因为传统技术的效率约为60％。
7.来自传统电解的废热通常在低温水平(约60℃)得到，在这里它没有太大的价值。由于用于氨或甲醇生产的超过90％的作为电力的所需能量用于通过电解生产氢，并且这个能量的约40％作为废热损失，因此废热的量是显著的。
8.在绿色电燃料生产中，电解效率相对较低是一个主要挑战。如果可以将废热转化成有价值的产品，经济可行性将会得到改善。
9.经由通过电解来生产氢的绿色氨生产需要大量冷却。这种冷却通常通过循环冷却水来进行，因此损失了低温度热量。
10.为了改善来自电解的废热的利用，本发明提供了一种方法，所述方法从电解回收部分或最大量的废热，然后，通过进一步加热来升级回收的热(在热水中)，所述进一步加热通过回收来自一个或多个压缩机级排放的工艺热量和/或来自氨合成和/或任选利用合成中产生的蒸汽的涡轮机冷凝器的废热。升级的废热可有利地用于区域供热，区域供热需要大约80℃的热水。
11.因此，本发明提供了一种用于回收在氨生产中产生的废热的方法，所述方法包括以下步骤：
12.(a)提供氨合成气，包括电解水或蒸汽以制备氢气和向氢气加入氮气流的步骤；
13.(b)使氨合成气转化成氨；
14.(c)从步骤(a)中的电解回收至少一部分废热；
15.(d)通过从一个或多个压缩机级排放而回收的热量和/或在步骤(b)中氨合成气转化中产生的废热和/或来自利用步骤(b)中产生的蒸汽的涡轮机冷凝器的废热，升级来自步骤(c)的废热；和
16.(e)将来自步骤(d)的升级废热分配到下游热利用步骤。
17.通过间接热交换来加热循环冷却水，来回收来自电解的废热。来自电解的部分加热的冷却水然后通过从氨合成气转化回收的热量和/或来自涡轮机冷凝器的废热而升级。
18.在与下游热利用步骤热交换之前，通过与从氨合成回收或产生的热量和/或如上所述涡轮机废热热交换，来将来自电解单元的循环冷却水加热到所需的温度，来升级如此回收的热量。
19.根据季节和利用合成设备的热平衡，可使来自电解在约60℃的废物部分地或最大化升级。
20.合成气压缩机级间废热可用于将热水加热到超过80℃。典型的压缩机排放温度约为120-130℃。
21.从来自氨合成反应的废热产生的蒸汽可用于例如蒸汽涡轮机中。蒸汽涡轮机冷凝可在区域供热所需的温度进行，以改善整体效率。
22.此外，可用从氨合成反应热产生的蒸汽同时生产动力和区域供热，就像在组合的动力和区域供热设备中一样。动力和区域供热之间的比率可通过冷凝器温度/压力来改变。
23.还可用氨作为燃料，用于由使用燃气涡轮机、燃气发动机或燃料电池生产动力。
24.本发明可有利地组合和集成可再生动力生产与电燃料生产和例如区域供热。
25.本发明允许进一步与其它废热源集成，并且还可以与可再生动力生产集成，因为可以决定它生产动力和/或电燃料和/或区域供热。
26.这项发明将需要更多的热交换器，通常便宜，因此使整个工艺复杂，但好处是会在短时间内回报。
27.废热的转化将卸载冷却要求，这可改善冷却系统的性能，并因此改善对工艺的冷却(压缩机吸入冷却)，由此降低比能耗。
28.根据季节，可使较多或较少的废热转化成区域供热。整体冷却系统无论如何将被确定为标称设备负荷的尺寸，而不是区域供热的要求。
29.除其它外，本发明的进一步优点为
[0030]-如果还生产区域供热，则改善可再生动力到电燃料的整体效率；
[0031]-在生产区域供热时，通过卸载冷却系统降低比能耗；
[0032]-在低氨设备负荷下，压缩机必须在反冲/防喘振系统打开下操作，从而增加比能耗。通过从压缩机级间/排放来回收废热，可以补偿比能耗的增加，并且可以在高设备负荷下实现；
[0033]-多变量系统，以优化热回收用于生产电燃料、区域供热和动力。
[0034]
概括地讲，本发明的优选实施方案为以下单独或其组合：
[0035]
通过空气分离、变压吸收或低温空气分离获得氮气流。
[0036]
下游利用步骤包括在燃气涡轮机中生产动力。
[0037]
生产动力包括利用来自步骤(b)的一部分氨作为燃气涡轮机中的涡轮机燃料。这可优选通过使氨部分或完全裂解成氢和氮来获得。
[0038]
在燃气涡轮机用于动力生产时，优点是利用蒸汽涡轮机的灵活性，它可根据季节生产动力和区域供热。通过在较低的压力操作涡轮机，在夏季生产相对较多的动力和较少的热量。因此，下游热利用步骤包括区域供热。
[0039]
下游热利用步骤为动力生产和区域供热的组合。
[0040]
图1显示如何生产区域供热的原理。
[0041]
封闭的冷却水回路将冷的冷却水(25℃)供应到电解单元，在那里将其加热到60℃。60℃的温度水平对于区域供热是不够的，因此从三个来源q1、q2和q3将一部分热的冷却水升级到85℃。q1为来自级间压缩机的高水平热量，q2为不用于蒸汽产生的工艺热量的一部分，q3为来自蒸汽涡轮机冷凝器的热量。当蒸汽涡轮机冷凝器在足够高的压力操作时，q3
是可能的，尽管它导致从蒸汽涡轮机较低动力输出。通过在q2和q3之间切换负荷，从夏季切换到冬季条件。
[0042]
用于升级的来自电解单元的部分热量为qe。如果需要更多的区域供热，可利用热泵通过电力升级其余部分。
[0043]
将来自三个来源的85℃升级的热的冷却水在进入热交换器之前混合，用于区域供热，在那里它将冷的区域水从30℃加热到82℃。热的冷却水将被冷却到33℃。
[0044]
冷却水系统将去除未转移到区域供热系统的工艺热。冷却水系统向需要的工艺供应冷的冷却水，在图1中未示出。
[0045]
表1给出了在没有热泵选项下，在2300mtpd绿色氨设备中可以生产的区域供热的量的实例。温度水平如在图1的描述中给出。
[0046][0047]
表1.q
总
为区域供热的量。


技术特征：
1.用于回收在氨生产中产生的废热的方法，所述方法包括以下步骤：(a)提供氨合成气，包括电解水或蒸汽以制备氢气和向氢气加入氮气流的步骤；(b)使氨合成气转化成氨；(c)从步骤(a)中的电解回收至少一部分废热；(d)通过从一个或多个压缩机级排放而回收的热量和/或在步骤(b)中氨合成气转化中产生的废热和/或来自利用步骤(b)中产生的蒸汽的涡轮机冷凝器的废热，升级来自步骤(c)的废热；和(e)将来自步骤(d)的升级废热分配到下游热利用步骤。2.权利要求1的方法，其中通过空气分离、变压吸收或低温空气分离获得氮气流。3.权利要求1或2的方法，其中所述下游利用步骤包括在燃气涡轮机中生产动力。4.权利要求3的方法，其中所述生产动力包括将来自步骤(b)的一部分氨作为涡轮机燃料利用于燃气涡轮机、燃气发动机或燃料电池中。5.权利要求4的方法，其中使氨至少部分裂解成氢和氮。6.权利要求1至5中任一项的方法，其中所述下游热利用步骤包括区域供热。7.权利要求1至6中任一项的方法，其中所述下游热利用步骤为动力生产和区域供热的组合。8.权利要求1至7中任一项的方法，其中通过与从氨合成回收或产生的热量和/或来自利用步骤(b)中产生的蒸汽的涡轮机冷凝器的涡轮机废热热交换，来加热来自电解的循环冷却水，来进行步骤(d)中废热的升级。

技术总结
用于回收在氨生产中产生的废热的方法，所述方法包括以下步骤：(a)提供氨合成气，包括电解水或蒸汽以制备氢气和向氢气加入氮气流的步骤；(b)使氨合成气转化成氨；(c)从步骤(a)中的电解回收至少一部分废热；(d)通过从一个或多个压缩机级排放而回收的热量和/或在步骤(b)中氨合成气转化中产生的废热和/或来自利用步骤(b)中产生的蒸汽的涡轮机冷凝器的废热，升级来自步骤(c)的废热；和(e)将来自步骤(d)的升级废热分配到下游热利用步骤。(d)的升级废热分配到下游热利用步骤。(d)的升级废热分配到下游热利用步骤。


技术研发人员：E
受保护的技术使用者：托普索公司
技术研发日：2021.12.13
技术公布日：2023/10/28