[发明专利]一种自除氧合成氨塔及可再生能源合成氨系统

说明书

本发明公开了一种自除氧合成氨塔及可再生能源合成氨系统，自除氧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触媒框和除氧罐，触媒框内装设有催化剂床层；反应器外筒与触媒框间形成环隙气体通道Ⅱ，其一端与产物气出气管连通；催化剂床层内设一中心管，其一端通过除氧罐与原料气进入管连通，另一端封闭置于催化剂床层内部；原料气经除氧罐除氧后由中心管进入触媒框内进行合成氨反应，反应产物自产物气出气管排出。本发明在塔内设置除氧罐实现氧气的脱除，氧气与氢气反应生成水，水被催化剂载体吸附，将水脱附实现反应器的长期稳定运行，且将除氧罐及其管路集成于同一塔体内，整体结构紧凑，更易于实现系统的小型化。

技术领域

本发明涉及清洁能源转化与存储技术领域，具体涉及一种自除氧合成氨塔及可再生能源合成氨系统。

背景技术

目前，我国风能、太阳能等可再生能源发电行业发展迅速，但这些可再生能源受季节和天气条件的影响而波动较大，与相对稳定的用电需求不完全匹配，为减小可再生能源波动对电网造成的负面影响，经常会产生“弃风”、“弃光”和“弃水”等“三弃”现象，导致可再生能源利用率较低。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，可以实现大规模、高效的可再生能源消纳，而将氢气作为能源载体，可提高能源系统韧性，并实现不同地区间能量的再分配。但由于氢气密度小、难液化，目前较为成熟的高压储氢需要35-70MPa，需消耗大量压缩功，且质量储氢密度仅5％左右，导致氢气储运成本高。

氨是现代工业和农业生产最为基础的化工原料之一，具有易液化、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。

现代工业合成氨通常采用哈伯-博施(Haber-Bosch)工艺，将氢气和氮气通入高温、高压反应器中发生催化反应制得氨。传统的工艺流程中，氢气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。

基于可再生能源的合成氨工艺，是通过电解水制取氢气，并利用空气分离技术制取氮气，而后采用哈伯-博施(Haber-Bosch)工艺进行氨合成。目前电解水技术中较为成熟的是碱性电解水和质子交换膜电解水技术，所制取的氢气均包含一定量的氧气和水，需设置氢气纯化装置(GB/T19774-2005)，而且空气分离所得的氮气中也包含少量的氧气，因此可再生能源合成氨工艺中需设置除氧除水装置，以消除氧气和水对合成氨过程的影响，整体系统较为复杂且设备数量多。针对可再生能源合成氨的应用场景，小型化和分布式是合成氨工艺发展的方向之一，因此需要简化整体工艺流程并减少设备数量。

发明内容

本发明旨在解决现有的可再生能源合成氨工艺中需要设置除氧除水装置而导致整体系统工艺复杂、设备数量多、不利于小型化等问题，提出一种新型高效、紧凑的自除氧合成氨塔及可再生能源合成氨系统。

本发明采用如下技术方案：

一种自除氧合成氨塔，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触媒框和除氧罐，所述触媒框内装设有合成氨催化剂的催化剂床层；所述反应器外筒与所述触媒框间形成环隙气体通道Ⅱ，所述环隙气体通道Ⅱ的一端与所述产物气出气管连通；

所述催化剂床层内设置一中心管，所述中心管的一端通过所述除氧罐与所述原料气进入管连通，其另一端封闭且设置于所述催化剂床层内部，沿所述中心管的轴向在其管壁上开设若干气孔；