一种合成氨进料缓冲系统

技术领域

本申请涉及合成氨领域，具体涉及一种合成氨进料缓冲系统。

背景技术

氨（NH

氢气和氮气经过混合之后经过合成气压缩机压缩至130-180 bar，然后进入反应塔，在催化剂和一定的温度、压力的共同作用下转化为氨。根据反应条件的不同，氨的转化率一般在15-20%之间。之后，反应塔出口气经过冷却和分离后，一部分氢气和氮气的混合气作为循环气返回合成气压缩机，重新参与新的反应。分离出来的氨经过进一步的冷却和洗涤进入产品氨储罐。

合成气压缩机的入口压力通常保持在10-20 bar之间，入口压力过低会导致：（1）压缩机的压比（出口压力/入口压力）过大，压缩能耗升高；和（2）压缩机的压缩级数增加，压缩机体积增大、机械结构更加复杂，增加故障率和检修频率。同时，为了使压缩机尽可能地工作在高效率区间，入口压力不宜频繁波动。

在合成氨工厂内，为了保持合成氨反应的稳定性，在合成气压缩机之前通常设有氢气和氮气的缓冲罐，从而确保进入合成气压缩机的气体的流量和压力保持在预定值或预定范围内，或使其变化速率不超过设计限值（通常流量变化速率不超过1%/min）。在传统煤或天然气制合成氨中，由于煤制氢或天然气制氢的反应比较稳定，因此氢气的供应也比较稳定，故氢气缓冲罐的容量通常不大。

为了降低合成氨过程中的碳排放，绿色合成氨工厂采用可再生能源直接耦合电解水制氢。显然，风电、光伏等可再生能源存在一定的波动性，采用水电解技术制取原料氢气的流量频繁快速波动，且具有不可预测性，因此就需要在合成气压缩机之前配置较大的氢气缓冲罐来平抑氢气供应的波动性。

第一种合成氨进料缓冲系统如图1所示，其在可再生能源制氢到合成气压缩机之间的管路上设置一个旁路通向氢气缓冲罐，当制氢能力大于合成氨氢气需求时，多余的氢气进入氢气缓冲罐；反之，从氢气缓冲罐中释放氢气用以补充合成氨反应所需的氢气。

在第一种合成氨进料缓冲系统中，由于在可再生能源制氢通往合成气压缩机的管路上没有中间加压设备，为了满足合成气压缩机入口的压力需求，水电解制氢必须采用高压设备，出口压力通常在15-20 bar。制氢出口压力、氢气缓冲罐内的压力、合成气压缩机入口压力应满足如下关系：

因此，第一种合成氨进料缓冲系统存在以下缺陷：

（1）可再生能源制氢设备必须采用高压型设备，设备选型受限。常压型电解制氢设备的出口压力约为1 bar，不满足合成气压缩机入口压力的需求；

（2）氢气缓冲罐内气体的压力受制于制氢出口压力，无法进一步提高，导致同等容积下的储氢罐容量受限（换而言之，在同等储氢容量下需要的氢气缓冲罐体积更大）；以及

（3）在缓冲罐释放氢气的过程中，随着罐内气体的减少，压力降低，导致合成气压缩机入口压力随之降低，不利于压缩机的稳定、高效运行。

第二种合成氨进料缓冲系统如图2所示，其在制氢设备与氢气缓冲罐之间增加了一个氢压缩机。由于增加了氢压缩机，制氢设备的选型范围更广，既可以采用高压型、也可以采用低压型。只需给定制氢的出口压力，可以对氢压缩机进行适配性设计，使其满足出口压力需求。

此外，氢压缩机还可以提高缓冲罐的储氢能力。例如，在第一种合成氨进料缓冲系统中，假设制氢出口压力为15 bar，则氢气缓冲罐内最大压力只能到达15 bar（无法超过制氢出口压力）。假设合成气压缩机的最低入口压力为10 bar。也就是说，储氢罐仅能释放压差为5 bar的氢气。假设储氢罐的容积为500 m

然而，第二种合成氨进料缓冲系统也存在以下缺陷：

（1）氢压缩机的使用提高了系统能耗；

（2）氢气分子量小，不易压缩，单级压缩的增压比较低，导致氢压缩机级数较多，投资较大；以及

（3）系统增加了一个动设备，增加故障风险和检维修频率。

因此，仍然需要一种合成氨进料缓冲系统，其可以更加成本高效地实现对氨合成原料气的缓冲，维持氨合成系统的稳定运行。

发明内容

本申请的目的是提供一种合成氨进料缓冲系统，其可以成本高效的方式实现对氨合成原料气的缓冲功能，并且能够与可再生能源制氢装置结合使用，适应可再生能源制氢的氢气流量波动。

为了实现上述目的，一方面，本申请提供了一种合成氨进料缓冲系统，包括氨合成气缓冲罐和氨合成气压缩机（下文也可以简称为合成气压缩机），所述氨合成气压缩机具有入口和出口，并且包括与其入口连通的第一压缩机缸和与第一压缩机缸的出口连通的第二压缩机缸，所述第二压缩机缸的出口与所述氨合成气压缩机的出口连通，所述第一压缩机缸用于将输入的包含氢气和氮气的氨合成气加压至20-40 bar的压力，所述第二压缩机缸用于对来自第一压缩机缸的经加压的氨合成气进一步加压，其特征在于，所述第一压缩机缸的出口通过第一减压阀与所述氨合成气缓冲罐的入口连通，并且所述氨合成气缓冲罐的出口通过第二减压阀与所述氨合成气压缩机的入口连通。

另一方面，本申请提供了一种合成氨进料系统，包括氢气源、氮气源和根据本申请的合成氨进料缓冲系统，其中所述氢气源和氮气源与所述氨合成气压缩机的入口连通，所述氨合成气压缩机的出口与氨合成装置连通。

本申请的合成氨进料缓冲系统和合成氨进料系统具有以下优点：

（1）对电解水制氢设备的选型没有限制，既可以采用高压型、也可以采用低压型；

（2）提高氨合成气缓冲罐的最大压力，从而在同等容积下提高储气能力，减少占地面积，节约储罐投资；

（3）合成气压缩机入口压力保持恒定，保证压缩机的稳定、高效运行；以及

（4）不需增加氢压缩机，节约系统能耗，减少系统投资，减少动设备数量，降低故障风险和检维修频率；以及

（5）可以适应可再生能源的频繁快速波动，用于以可再生能源为电力来源的动态合成氨。

本申请的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本申请的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本申请，但并不构成对本申请的限制。在附图中：

图1显示了一种非本申请的合成氨进料缓冲系统的示意图；

图2显示了另一种非本申请的合成氨进料缓冲系统的示意图；以及

图3显示了根据本申请的合成氨进料缓冲系统的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本申请的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本申请，并不用于限制本申请。

在本文中所披露的任何具体数值（包括数值范围的端点）都不限于该数值的精确值，而应当理解为还涵盖了接近该精确值的值，例如在该精确值±5%范围内的所有可能的数值。并且，对于所披露的数值范围而言，在该范围的端点值之间、端点值与范围内的具体点值之间，以及各具体点值之间可以任意组合而得到一个或多个新的数值范围，这些新的数值范围也应被视为在本文中具体公开。

除非另有说明，本文所用的术语具有与本领域技术人员通常所理解的相同的含义，如果术语在本文中有定义，且其定义与本领域的通常理解不同，则以本文的定义为准。

本申请中，术语“氨合成气”是指适用于合成氨的包含氢气和氮气的气体混合物，优选地，其基本由氢气和氮气组成（例如，除氢气与氮气以外的其它气体含量低于10%，更优选低于5%，特别优选低于1%，例如低于0.5%或低于0.1%），并且其中氢气与氮气的摩尔比为2：1至4：1，优选2.5：1至3.5：1，特别优选约3：1。

本申请中，除了明确说明的内容之外，未提到的任何事宜或事项均直接适用本领域已知的那些而无需进行任何改变。而且，本文描述的任何实施方式均可以与本文描述的一种或多种其他实施方式自由结合，由此形成的技术方案或技术思想均视为本发明原始公开或原始记载的一部分，而不应被视为是本文未曾披露或预期过的新内容，除非本领域技术人员认为该结合明显不合理。

在本文中提及的所有专利和非专利文献，包括但不限于教科书和期刊文章等，均通过引用方式全文并入本文。

如上所述，在第一方面，本申请提供了一种合成氨进料缓冲系统，包括氨合成气缓冲罐和氨合成气压缩机，所述氨合成气压缩机具有入口和出口，并且包括与其入口连通的第一压缩机缸和与第一压缩机缸的出口连通的第二压缩机缸，所述第二压缩机缸的出口与所述氨合成气压缩机的出口连通，所述第一压缩机缸用于将输入的包含氢气和氮气的氨合成气加压至20-40 bar的压力，所述第二压缩机缸用于对来自第一压缩机缸的经加压的氨合成气进一步加压，其特征在于，所述第一压缩机缸的出口通过第一减压阀与所述氨合成气缓冲罐的入口连通，并且所述氨合成气缓冲罐的出口通过第二减压阀与所述氨合成气压缩机的入口连通。

在优选的实施方式中，所述氨合成气压缩机的出口压力为130-180 bar，并且所述氨合成气压缩机进一步包括与所述第二压缩机缸的出口连通的第三压缩机缸，其用于将来自所述第二压缩机缸的经进一步加压的氨合成气与来自氨合成工序的循环气再进一步加压至130-180 bar，所述第三压缩机缸的出口与所述氨合成气压缩机的出口连通。

在优选的实施方式中，所述氨合成气压缩机进一步包括气体混合器，其设置在所述氨合成气压缩机的入口与所述第一压缩机缸的入口之间，用于将自所述氨合成气压缩机的入口输入的包含氢气和氮气的混合气进一步混合得到输入所述第一压缩机缸的所述包含氢气和氮气的氨合成气。

在优选的实施方式中，所述氨合成气压缩机进一步包括连通所述第一压缩机缸的出口和入口的第一防喘振回路，和连通所述第二压缩机缸的出口和入口的第二防喘振回路，所述第一防喘振回路上依次设置有第一冷却装置和第一防喘振阀，所述第二防喘振回路上依次设置有第二冷却装置和第二防喘振阀。

在进一步优选的实施方式中，所述氨合成气压缩机包括所述气体混合器，并且所述第一防喘振回路的第一防喘振阀连接到所述气体混合器的入口，所述气体混合器的出口与所述第一压缩机缸的入口连通。

在进一步优选的实施方式中，所述第一冷却装置的出口分别通过第一防喘振阀与所述第一压缩机缸的入口连通，通过第一减压阀与所述氨合成气缓冲罐的入口连通，和通过管路与所述第二压缩机缸的入口连通。

在进一步优选的实施方式中，所述氨合成气压缩机包括所述第三压缩机缸，并且所述第二冷却装置的出口分别通过第二防喘振阀与所述第二压缩机缸的入口连通，和通过管路与所述第三压缩机缸的入口连通。

在更进一步优选的实施方式中，所述氨合成气压缩机进一步包括连通所述第三压缩机缸的出口和入口的第三防喘振回路，所述第三防喘振回路上依次设置有第三冷却装置和第三防喘振阀。

在更进一步优选的实施方式中，所述第三压缩机缸包括两级，来自所述第二压缩机缸的经进一步加压的氨合成气进入所述第三压缩机缸的第一级，来自氨合成工序的循环气进入所述第三压缩机缸的第二级。

在更进一步优选的实施方式中，所述氨合成气压缩机进一步包括连通所述第三压缩机缸的出口和所述第三压缩机缸的第二级的入口的第四防喘振回路，所述第四防喘振回路上设置有第四防喘振阀，并且所述第四防喘振回路与所述第三防喘振回路共用所述第三冷却装置，或者单独设置有第四冷却装置。

在优选的实施方式中，所述第一减压阀与第二减压阀通过多变量控制器（Multivariable Indicate Control，UIC）控制，该控制器的输入信号为氨合成气缓冲罐进口和出口处的压力，以及新鲜氨合成气的流量和氨合成气缓冲罐入口管路的流量。优选地，所述多变量控制器集成于分布式控制系统（DCS）中以实现自动化控制与集中监控。

图3示出了根据本申请的一种合成氨进料缓冲系统的优选实施方式的示意图，如图所示，该系统包括氨合成气缓冲罐和氨合成气压缩机，其中所述氨合成气压缩机采用离心式压缩机，包括依次连通的第一压缩机缸（也称为低压缸）、第二压缩机缸（也称为中压缸）和第三压缩机缸（也称为高压缸），其中压缩机缸数根据实际需要也可以发生变化。所述低压缸、中压缸和高压缸分别设置有相应的连通其出口和入口的防喘振回路，各防喘振回路上均设置有冷却装置和防喘振阀，其中各冷却装置的入口与相应压缩机缸的出口连通，而各冷却装置的出口通过防喘振阀与相应压缩机缸的入口连通。并且，所述低压缸防喘振回路上的冷却装置的出口还通过管路与中压缸入口连通，所述中压缸防喘振回路上的冷却装置的出口还通过管路与高压缸入口连通，而所述高压缸的出口还直接与下游氨合成装置连通。所述高压缸包括两级，其中来自中压缸的氨合成气进入所述高压缸的第一级，来自下游氨合成工序的循环气通过管路返回所述高压缸的第二级，所述高压缸防喘振回路上的冷却装置的出口通过一防喘振阀与所述高压缸的第一级的入口连通，同时还通过另一防喘振阀连通到所述循环气的返回管路，进而与所述高压缸的第二级的入口连通。

所述低压缸对应的冷却装置的出口还通过低压缸抽气管路与氨合成气缓冲罐的入口连通，在该低压缸抽气管路上设置有第一减压阀。所述氨合成气缓冲罐的出口通过缓冲气管路连接到所述合成气压缩机的新鲜气进气主管道上，并且在所述缓冲气管路上设置有第二减压阀，所述新鲜气进气主管道用于将来自氢气源的新鲜氢气和来自氮气源的新鲜氮气送往氨合成气压缩机的入口。

在所述低压缸抽气管路上临近所述第一减压阀的下游位置和所述缓冲气管路上临近所述第二减压阀的下游位置各自设置有压力变送器（PI），其可将压力信号传送至UIC控制器，然后通过该控制器向第一减压阀和第二减压阀输出控制指令，形成反馈回路，使氨合成气缓冲罐入口和出口压力保持在预定值或预定范围内。在所述合成气压缩机的新鲜气进气主管道上设置有流量指示器，所述UIC控制器通过监控合成气压缩机的进气流量来控制第一减压阀和第二减压阀的开度，从而控制氨合成气缓冲罐的充放。即，当新鲜气进气流量增长速率超过限值时，增大第一减压阀开度，减小第二减压阀开度或关闭第二减压阀，使氨合成气缓冲罐处于充气状态；反之，当新鲜气进气流量下降速率超过限值时，增大第二减压阀开度，减小第一减压阀开度或关闭第一减压阀，使氨合成气缓冲罐处于放气状态。除此之外，在所述低压缸抽气管路上所述第一减压阀的下游位置还设置有流量指示器（FI），其可将流量信号传送至UIC控制器，用于通过所述UIC控制器控制低压缸抽气管路的流量，使其不超过低压缸出口全流量的10%（一般为2-5%），避免抽气过多而触发压缩机中压缸或高压缸的防喘振调节。所述UIC控制器的控制策略集成至合成氨工厂的DCS系统，实现全自动化控制和集中监控。

如图3所示，来自作为氢气源的可再生能源制氢装置的新鲜氢气和来自作为氮气源的空气制氮装置的新鲜氮气首先在合成气压缩机的新鲜气进气主管道内合并，然后与来自氨合成气缓冲罐的缓冲气合并，再进入氨合成气压缩机的入口，在氨合成气压缩机的气体混合器中进一步混合后进入低压缸。

在第二方面，本申请提供了一种合成氨进料系统，包括氢气源、氮气源和根据本申请的合成氨进料缓冲系统，其中所述氢气源和氮气源与所述合成氨进料缓冲系统的氨合成气压缩机的入口连通，所述氨合成气压缩机的出口与氨合成装置连通。

根据本申请，所述氢气源可以为各种适用于提供高纯氢气的装置，本申请对此并没有严格的限制。在某些具体实施方式中，所述氢气源为可再生能源制氢装置，其采用可再生能源通过电解水制氢。根据本申请，所述可再生能源可以选自风力发电、水力发电和光伏发电。

根据本申请，所述氮气源可以为各种适用于提供高纯氮气的装置，本申请对此并没有严格的限制。在某些具体实施方式中，所述氮气源为空分制氮装置。

本申请的合成氨进料缓冲系统和合成氨进料系统适于与可再生能源制氢装置结合使用，其可以适应可再生能源制氢的氢气流量波动，成本高效地实现对氨合成原料气的缓冲。

具体而言，如图3所示，当可再生能源制氢装置的氢气流量保持稳定时，本申请的合成氨进料缓冲系统的第一减压阀门和第二减压阀门均关闭，新鲜氢气和新鲜氮气合并后直接进入氨合成气压缩机，经气体混合器混合后进入低压缸，经过低压缸和中压缸两级压缩后再与循环气混合，再经过高压缸压缩后进入氨合成工序。

当可再生能源制氢装置的氢气流量上升速率超过限值（例如1%/min）时，与传统方案不同，本申请的合成氨进料缓冲系统中新鲜氢气和新鲜氮气合并后不进入氨合成气缓冲罐，而是先进入氨合成气压缩机的低压缸，通过低压缸将压力提升至20-40 bar，而后经由与低压缸防喘振回路上的冷却装置出口连通的低压缸抽气管路，将一定比例（例如低压缸出口全流量的2-5%）的氢/氮混合气（即氨合成气）抽出到氨合成气缓冲罐中，使缓冲罐逐渐充满。此时，关闭第二减压阀门，打开第一减压阀门并控制其开度，使氢/氮混合气减压至不超过缓冲罐的设计压力，例如20-40 bar。

当可再生能源制氢装置的氢气流量下降速率超过限值（例如1%/min）时，关闭第一减压阀门，打开第二减压阀门，利用氨合成气缓冲罐中的缓冲气与新鲜气混合后再进入氨合成气压缩机的低压缸，以此补充新鲜气量的不足。此时，控制第二减压阀门的开度，使得缓冲罐出口压力始终保持恒定，例如恒定在10-30 bar之间的预定值，从而稳定压缩机入口压力。

本申请的合成氨进料缓冲系统和合成氨进料系统具有以下优点：

（1）充分利用氨合成气压缩机低压缸的加压能力，首先将氢气和氮气的混合气加压至20-40 bar，然后再将少部分加压后的混合气抽出到氨合成气缓冲罐，从而提高了缓冲罐的储存压力。在传统方案中，缓冲罐压力一般不超过20 bar，但本发明可以在不增加额外的硬件设备的情况下使缓冲罐压力提升至20-40 bar，储气容量可提高1-2倍，而且还可节省一个氢压缩机的投资。

（2）传统方案采用纯氢气缓冲罐，而本申请的氨合成气缓冲罐储存的是氢气和氮气的混合气体，氢/氮气混合比例与下游氨合成装置所需的合成气混合比例相同，例如为3:1。由于氢/氮混合气的分子量大于纯氢气，因此将混合气压缩至相同压力下的能耗比压缩纯氢气低20-30%。也就是说，在相同缓冲储气能力的情况下，本发明可节约能耗约20-30%。

（3）通过控制第二减压阀门的开度，本申请的进料缓冲系统可以确保氨合成气压缩机的入口压力保持恒定，使压缩机始终工作在效率最高的工况下。对于一个典型的动态绿色合成氨工厂，可节约能耗约5-10%。此外，稳定的入口压力还可以减轻压缩机的工作负担，减少故障率。

实施例

下面结合实施例对本申请作进一步的说明，但并不因此而使本申请受到任何限制。

实施例1

所用的合成氨进料缓冲系统如图3所示，可再生能源制氢装置采用电解水制氢工艺，由风电和光伏提供绿色电力。由于风电和光伏的出力（即输出功率）在大范围内波动，制氢过程的氢气流量也会在10-100%之间频繁波动。空分制氮装置的氮气流量与电解制氢的氢气流量同步调整，确保氢气和氮气的新鲜气量保持在3:1。

制氢和制氮的出口压力为15 bar。在正常工况下，新鲜氢气和新鲜氮气经过混合后直接进入氨合成气压缩机，压缩机的最佳入口压力也是15 bar，低压缸的出口压力为40bar。第一减压阀门和第二减压阀门均关闭，混合气经过压缩机压缩至150 bar后进入后续的氨合成等工序。

当电解制氢的氢气流量上升速率超过1%/min时，由于氨合成工序的负荷调节速率有限，不能在短时间内消纳快速产生的大量新鲜气，此时打开第一减压阀门，控制低压缸抽气管路的流量使2-5%的加压后的氢/氮混合气（即氨合成气）回流至氨合成气缓冲罐。氨合成气缓冲罐的最大设计压力为30 bar，因此控制第一减压阀门的开度将回流气体减压至30bar。

当电解制氢的氢气流量下降速率超过1%/min时，氨合成工序同样不能在短时间内将负荷快速降低。此时，打开第二减压阀门，释放氨合成气缓冲罐中的氢/氮混合气，使进入氨合成气压缩机的气量满足合成氨反应的需要。控制第二减压阀门的开度，使缓冲罐出口的压力保持恒定在15 bar。

本实施例中，氨合成气缓冲罐的容积为500 m

氨合成气压缩机出口压力为150 bar，入口压力为15 bar，压缩机压比为10。相比之下，传统方案的压缩机入口压力在10-15 bar之间波动，最大压比可达15。本发明可以将压缩机压比降低33%，降低压缩机投资。

以上详细描述了本申请的优选实施方式，但是，本申请并不限于上述实施方式中的具体细节，在本申请的技术构思范围内，可以对本申请的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本申请的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本申请对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本申请的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本申请的思想，其同样应当视为本申请所发明的内容。