綠氨工藝簡介

瑞氣綠氨用變壓吸附制氮機(jī)

瑞氣始創(chuàng)于1979年，是一家從事氣體設(shè)備及氣體產(chǎn)品應(yīng)用研究開發(fā)的公司，歷經(jīng)四十余載的研究、創(chuàng)新與市場深耕，我們已在國內(nèi)外市場成功應(yīng)用超過4000多套系統(tǒng)，我們的產(chǎn)品與服務(wù)廣泛應(yīng)用于石油、化工、電子、食品、煤炭、醫(yī)藥、熱處理等多個行業(yè)，為全球客戶提供了高效、可靠的氣體及氣體設(shè)備解決方案。

經(jīng)過多年沉淀，瑞氣推出了BGPN/PNF/PNF+等系列變壓吸附制氮裝置可滿足合成氨行業(yè)所需的氮氣，如果您有合成氨氮氣需求，請聯(lián)系我們。

 

氨的簡介

綠氨是無碳化的氨合成與生產(chǎn)，由綠電制取的綠氫與空氣分離得到的氮經(jīng)過一定的合成工藝合成為綠氨；綠氨在清潔動力燃料、清潔電力燃料（火電摻燒）、儲氫載體等新應(yīng)用場景與市場擁有極大的應(yīng)用潛力，其滲透有望不斷快速攀升，2030年全球年產(chǎn)量有望超2000萬噸，2050年超5.6億噸，成為全球新型清潔能源供應(yīng)體系的重要一環(huán)。

綠氨的定義

綠氨是無碳化的氨合成與生產(chǎn)，由綠電制取的綠氫與空氣分離得到的氮經(jīng)過一定的合成工藝合成為綠氨。

綠氨，與傳統(tǒng)氨的主要區(qū)別在于生產(chǎn)過程的無碳性質(zhì)。

從原料輸入的角度來看，綠氨由兩個核心輸入組成：氮氣、氫氣；可以拆分成：水、空氣、可再生電力三個要素；首先，氫氣由水經(jīng)可再生電力電解產(chǎn)生，即綠氫；而氮氣是從空氣中分離出來得到；綠氫與氮通過哈伯-博世等合成氨工藝結(jié)合成氨。

在整個綠氨的生產(chǎn)過程中，所有過程均由可再生電力（綠電）驅(qū)動，無二氧化碳的排放，滿足此標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)過程生產(chǎn)出的氨為“綠氨”。

 

與氫類似，根據(jù)原料中氫氣的碳足跡，合成氨被分為灰氨、藍(lán)氨和綠氨。

灰氨中的氫氣來源于天然氣或者煤炭，由傳統(tǒng)的 Haber-Bosch 高溫催化工藝制備而成；

藍(lán)氨則是將灰氨生產(chǎn)過程中的二氧化碳進(jìn)行捕集；

綠氨是基于可再生能源提 供能量來源的前提下，以水為原料提供綠氫，然后與氮氣混合通過熱催化或者電催化等新型低碳技術(shù)制備而成。

氨的應(yīng)用

合成氨傳統(tǒng)應(yīng)用市場主要集中在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)與工業(yè)方面。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，氨主要作為尿素、復(fù)合肥的原料；工業(yè)領(lǐng)域，氨則用于生產(chǎn)車用尿素和煙氣脫硝等，其中近些年己內(nèi)酰胺、丙烯 腈、硝酸、煙氣脫硝等細(xì)分工業(yè)應(yīng)用市場對合成氨的需求均有較大增幅勢頭。

化肥：尿素、硫酸銨、磷酸一銨、硝酸銨、磷酸二銨等

其他用途：紡織品、爆炸物、冷凍劑、藥物等

新用途：船用燃料、發(fā)電燃料、儲氫載體（間接用途）

綠氨三大合成工藝

綠氨（可再生氨）的生產(chǎn)工藝主要是指全程以風(fēng)力、光伏發(fā)電等可再生能源為動力開展的電解水制氫及空氣分離制氮再通過一定的合成工藝生產(chǎn)綠氨的過程，即通過綠電、綠氫制備綠氨。當(dāng)前，綠氨核心的合成工藝主要可分為以下三大類路徑，其中傳統(tǒng)工藝哈伯博世法應(yīng)用最為成熟。

傳統(tǒng)工藝：基于傳統(tǒng)的哈伯-博世法（熱催化+高溫高壓）耦合綠氫

基于傳統(tǒng)哈伯-博世法（熱催化+高溫高壓） 耦合綠氫：反應(yīng)壓力20～50MPa，反應(yīng)溫度350～500 ℃，在鐵基催化劑作用下，綠氫和氮氣合成綠氨。

 

柔性工藝：（熱催化+低溫低壓法）耦合綠氫

該方式通過降低工作溫度與壓力的限制將合成氨裝置的小型化、靈活化變?yōu)榭赡?，從技術(shù)和工藝流程角度看，該方式更容易實現(xiàn)大規(guī)模綠氨生產(chǎn)。

 

新型工藝 ：光催化/等離子體/電化學(xué)等耦合綠氫

新型工藝包括電催化、光催化、生物催化、電磁催化合成氨等，各類新型工藝尚處實驗室研究迭代階段、相關(guān)的催化劑材料與工藝流程尚不成熟，距產(chǎn)業(yè)化還有比較大的距離。

 

結(jié)合各技術(shù)路線的實現(xiàn)方式、特點及成熟度來看，我們認(rèn)為對傳統(tǒng)的哈伯法灰氨合成工藝加以改良僅能作為短期內(nèi)灰氨向綠氨過渡的有益探索，但無法滿足大規(guī)模綠氨的供應(yīng)； 靈活性更高的低溫低壓法有望成為未來大規(guī)模制取綠氨的主流技術(shù)路徑

綠氨的常用制備工藝

1. 空氣分離制氮   

空氣凈化環(huán)節(jié)

起始對空氣進(jìn)行壓縮并去除灰塵、雜質(zhì)等污染物的操作十分關(guān)鍵。空氣中的灰塵等雜質(zhì)若不提前去除，后續(xù)進(jìn)入變壓吸附制氮裝置時，可能會堵塞吸附劑的孔隙，降低吸附劑對不同氣體成分的吸附效果，影響氮氣制取的純度和效率。通過壓縮空氣初步凈化，能為后續(xù)精準(zhǔn)分離氣體奠定良好基礎(chǔ)。

例如，微小的灰塵顆粒長期積累在吸附劑表面，會使吸附劑可用于吸附氧氣、二氧化碳等氣體的有效表面積減小，導(dǎo)致這些雜質(zhì)氣體不能被充分分離出去，進(jìn)而使最終制取的氮氣純度達(dá)不到要求。

變壓吸附制氮裝置

該裝置利用吸附劑對不同氣體成分吸附能力的差異來分離氣體，這體現(xiàn)了一種高效且環(huán)保的氣體分離理念。通過精準(zhǔn)選擇合適的吸附劑，并控制好變壓吸附的壓力變化等參數(shù)，可以精準(zhǔn)地將氧氣、二氧化碳等不需要的氣體從空氣中去除，得到高純度的氮氣。

比如，某些特定的分子篩吸附劑對氧氣分子有著較強(qiáng)的吸附作用，在一定壓力下能優(yōu)先吸附氧氣，當(dāng)壓力改變時又可實現(xiàn)吸附劑的再生，循環(huán)利用進(jìn)行氮氣制取，且整個過程利用新能源電力，符合綠色生產(chǎn)要求，所制得的“綠氮”為后續(xù)合成綠氨提供了優(yōu)質(zhì)原料。

2. 電解水制氫

電解槽及能源利用

選用可再生能源（如太陽能、風(fēng)能、潮汐能等）產(chǎn)生的電力驅(qū)動電解槽進(jìn)行水分解，從源頭上保證了制氫過程的綠色低碳。不同類型的電解槽（如堿性電解、質(zhì)子交換膜、固體氧化物電解等）各有特點。堿性電解槽技術(shù)成熟、成本較低，但電解效率相對有限；質(zhì)子交換膜電解槽電解效率高、氫氣純度高，但膜成本較高；固體氧化物電解槽可在高溫下運行，具有較高的理論電解效率，但對材料和操作條件要求嚴(yán)格。

例如，在太陽能資源豐富的地區(qū)，利用光伏發(fā)電產(chǎn)生的電力供給堿性電解槽制氫，既充分利用了清潔能源，又發(fā)揮了堿性電解槽大規(guī)模穩(wěn)定制氫的優(yōu)勢，實現(xiàn)了資源的合理配置，推動綠色制氫進(jìn)程。

氫氣純化處理

   電解后產(chǎn)生的氫氣進(jìn)行純化處理必不可少。因為即使在理想的電解條件下，氫氣中仍可能夾雜少量如堿霧（對于堿性電解槽而言）、微量的其他雜質(zhì)氣體等，這些雜質(zhì)若不除去，進(jìn)入合成氨環(huán)節(jié)會影響催化劑的活性，降低合成氨的反應(yīng)效率，甚至可能導(dǎo)致催化劑中毒失活。

比如，堿霧中的氫氧化鉀或氫氧化鈉成分若混入合成氨原料氣中，會與催化劑表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，改變催化劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)，使其無法有效催化氮氣和氫氣的反應(yīng)，所以必須通過特定的純化工藝，如洗滌、吸附等方法去除雜質(zhì)，保障氫氣質(zhì)量符合合成氨要求。

3. 合成氨

氣體混合與壓縮

將高純度的氮氣和氫氣按照特定比例混合是合成氨的前提。準(zhǔn)確的比例控制至關(guān)重要，因為氮氣和氫氣的反應(yīng)是按照化學(xué)計量比進(jìn)行的，偏離合適比例會導(dǎo)致反應(yīng)不完全，影響合成氨的產(chǎn)量和效率。

例如，若氫氣比例過高，多余的氫氣無法參與反應(yīng)，造成原料浪費，且在后續(xù)循環(huán)過程中還會增加設(shè)備的處理負(fù)擔(dān)；若氮氣比例過高，同樣會使反應(yīng)不能充分進(jìn)行。而后續(xù)通過壓縮機(jī)對混合氣體進(jìn)行壓縮、提高氣體壓力，目的是為了使氣體能夠在合成塔內(nèi)更好地進(jìn)行反應(yīng)，適宜的壓力有助于提高反應(yīng)速率和氨的產(chǎn)率。

合成塔內(nèi)反應(yīng)

 混合氣體進(jìn)入合成塔后先經(jīng)過熱交換器升溫，這一步驟是為了使氣體達(dá)到催化劑發(fā)揮最佳活性的適宜溫度范圍，因為合成氨反應(yīng)需要在一定的溫度條件下才能高效進(jìn)行。

隨后進(jìn)入放有催化劑的接觸室，催化劑在反應(yīng)中起著關(guān)鍵的催化作用，能極大地降低反應(yīng)的活化能，使原本需要在高溫高壓等苛刻條件下才能發(fā)生的氮氣和氫氣反應(yīng)，在相對溫和的條件下就能順利進(jìn)行。不同的催化劑有著不同的活性、選擇性和穩(wěn)定性特點，選擇合適的催化劑對提高合成氨效率和產(chǎn)品質(zhì)量意義重大。

例如，鐵基催化劑是傳統(tǒng)且應(yīng)用廣泛的合成氨催化劑，其成本相對合理，活性能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)需求，但科研人員也一直在研發(fā)性能更優(yōu)的新型催化劑，以進(jìn)一步提高合成氨的效率和降低能耗。

4. 氨的分離

冷凝分離原理

利用氨氣與氮氣、氫氣沸點的差異進(jìn)行冷凝分離是一種巧妙且有效的分離方法。通過冷凝器對從合成塔出來的混合氣體進(jìn)行冷卻，使氨氣液化，而氮氣和氫氣仍保持氣態(tài)，從而實現(xiàn)氨的分離。

例如，氨氣的沸點相對較高，在適當(dāng)?shù)牡蜏乩鋮s條件下能迅速轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，便于收集儲存，而氮氣和氫氣沸點低，依然以氣體形式存在，可通過后續(xù)的管道等設(shè)施進(jìn)行循環(huán)再利用，這樣既得到了目標(biāo)產(chǎn)品綠氨，又實現(xiàn)了原料氣體的高效循環(huán)利用，提高了整個綠氨生產(chǎn)工藝的原料利用率，降低生產(chǎn)成本，符合綠色化工生產(chǎn)的理念。

氣體循環(huán)利用

未反應(yīng)的氮氣和氫氣混合氣體通過壓縮機(jī)再次送入合成塔形成循環(huán)利用，這一循環(huán)機(jī)制是保證合成氨工藝高效、經(jīng)濟(jì)運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過不斷循環(huán)，讓未反應(yīng)的原料氣體有機(jī)會再次參與反應(yīng)，最大限度地利用原料，提高合成氨的總體轉(zhuǎn)化率，減少原料的浪費，在保證綠氨產(chǎn)量的同時，也提升了整個生產(chǎn)工藝的可持續(xù)性和經(jīng)濟(jì)性。