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TW202235372A - 回收綠色氨製造中所產生之餘熱之方法 - Google Patents

回收綠色氨製造中所產生之餘熱之方法 Download PDF

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TW202235372A
TW202235372A TW110146374A TW110146374A TW202235372A TW 202235372 A TW202235372 A TW 202235372A TW 110146374 A TW110146374 A TW 110146374A TW 110146374 A TW110146374 A TW 110146374A TW 202235372 A TW202235372 A TW 202235372A
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ammonia
heat
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electrolysis
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TW110146374A
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埃米爾 安德烈亞斯 傑爾內霍夫
派特 Ａ 漢
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丹麥商托普索公司
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Abstract

本發明提供一種回收氨製造中所產生之餘熱的方法，該方法包含以下步驟： （a）提供氨合成氣，包括電解水或蒸汽以製備氫氣及將氮氣流添加至氫氣中的步驟； （b）將氨合成氣轉化為氨； （c）自步驟（a）中之電解回收至少一部分餘熱； （d）藉由自一或多個壓縮機級排放回收的熱量及/或在步驟（b）中氨合成氣之轉化中產生之餘熱及/或來自利用步驟（b）中產生之蒸汽的輪機冷凝器之餘熱，升級來自步驟（c）之餘熱；及 （e）將來自步驟（d）之經升級的餘熱分配至下游熱量利用步驟。

Description

回收綠色氨製造中所產生之餘熱之方法
本發明係關於一種回收氨製造中所產生之餘熱的方法。
詳言之，本發明集中於氨之綠色製造中之餘熱，氨之綠色製造亦即氨合成氣之製備，包括由可持續或可再生能源驅動之水電解。
氨已被公認為極佳能量載體以及極佳氫載體。液態氨含有比液態氫更多的氫氣。
氨可在世界中幾乎任何可以獲得豐富可再生能源的地方自空氣、水及電產生。
氨可接著為用於可再生能源之能量儲存介質，其易於大量運輸至不同位置。氨可直接用於內燃機/燃氣輪機或燃料電池中，或其可裂解/分解成氫氣及氮氣。經分解之氨可饋入至燃氣輪機，或氫氣可經回收以用於燃料電池或其他用途。
歸因於習知技術之大約60%之效率，基於電解之氫氣產生將通常產生大量餘熱。
來自習知電解之餘熱典型地在低溫水準（約60攝氏度）下可用，在其中該餘熱沒有什麼價值。由於用於氨或甲醇生產之大於90%的所需能量作為電用於藉由電解之氫氣生產，且約40%的此能量作為餘熱損失，那麼餘熱之量為顯著的。
電解之相對較低效率為生產綠色電燃料之主要挑戰。若餘熱可轉型為寶貴產物，則將改良經濟可行性。
經由藉由電解之氫氣產生製造綠色氨需要大量冷卻。此冷卻通常藉由循環冷卻水來進行，且因此損失低溫熱。
為了改良來自電解之餘熱的利用率，本發明提供一種方法，其自電解部分回收餘熱或回收最大量之餘熱，且接著藉由回收來自一或多個壓縮機級排放的製程熱及/或來自氨合成及/或視情況存在之利用合成中產生之蒸汽的輪機冷凝器的餘熱，藉由進一步加熱來升級所回收熱量（在熱水中）。經升級之餘熱可有利地用於區域供熱，其需要大約80攝氏度熱水。
因此，本發明提供一種回收氨製造中所產生之餘熱的方法，該方法包含以下步驟： （a）提供氨合成氣，包括電解水或蒸汽以製備氫氣及將氮氣流添加至氫氣中的步驟； （b）將氨合成氣轉化為氨； （c）自步驟（a）中之電解回收至少一部分餘熱； （d）藉由自一或多個壓縮機級排放回收的熱量及/或在步驟（b）中氨合成氣之轉化中產生之餘熱及/或來自利用步驟（b）中產生之蒸汽的輪機冷凝器之餘熱，升級來自步驟（c）之餘熱；及 （e）將來自步驟（d）之經升級的餘熱分配至下游熱量利用步驟。
藉由間接熱交換藉由加熱循環冷卻水回收來自電解之餘熱。來自電解之一部分經加熱之冷卻水接著藉由自氨合成氣之轉化回收之熱量及/或來自輪機冷凝器之餘熱升級。
在下游熱量利用步驟下進行熱交換之前，藉由與來自如上文所提及之氨合成及/或輪機餘熱回收或產生之熱量的熱量熱交換，將來自電解單元之循環冷卻水加熱至所需溫度，來對由此回收之熱量進行升級。
視季節及與合成設備之熱平衡而定，可部分地升級或最大化升級在大約60℃之來自電解之廢料。
合成氣壓縮機級間餘熱可用於加熱熱水至大於80℃。典型壓縮機排出溫度為約120-130℃。
由來自氨合成反應之餘熱產生之蒸汽可例如用於蒸汽輪機中。蒸汽輪機冷凝可在區域供熱所需溫度下進行以提高總效率。
另外，由氨合成反應熱量產生之蒸汽可同時用於發電及區域供熱，正如在組合電力設備及區域供熱設備中。電力與區域供熱之間的比率可藉由冷凝器溫度/壓力改變。
氨亦可用作藉由使用燃氣輪機、燃氣引擎或燃料電池發電之燃料。
本發明可有利地組合且整合可再生電力生產與電燃料生產及例如區域供熱。
本發明進一步允許與其他餘熱源整合且亦可與可再生電力生產整合，此係因為其可決定生產電力及/或電燃料及/或區域供熱。
本發明將需要更多熱交換器，通常廉價，且因此使總體製程複雜化，但益處將在短時間內得到回報。
餘熱之轉化將擺脫冷卻要求，此可改善冷卻系統之效能且因此改良對製程之冷卻（壓縮機吸入冷卻）且藉此減少特定能量消耗。
視季節而定，餘熱中或多或少可轉化至區域供熱中。整個冷卻系統將不論如何針對標稱設備負載且在無需區域供熱情況下設定大小。
本發明之其他優點尤其為 -    若亦生產區域供熱，則提高可再生電力變為電燃料之總效率； -    當生產區域供熱時，藉由卸載冷卻系統減少特定能量消耗； -    在低氨設備負載下，壓縮機將必須在反沖/防喘振系統（kick back/antisurge system）打開的情況下操作且因此增加特定能量消耗。藉由自壓縮機級間/排放回收餘熱，特定能量消耗之增加可經補償且在高設備負載下可變得一樣； -    用以最佳化熱回收以用於生產電燃料、區域供熱及電力之多變量系統。
總體而言，本發明之較佳具體實例為以下單獨或以其組合形式：
藉由空氣分離、變壓吸附或低溫空氣分離獲得氮氣流。
下游利用步驟包含在燃氣輪機中發電。
發電包括利用來自步驟（b）之氨之一部分作為燃氣輪機中之輪機燃料。此可較佳藉由使氨部分或完全裂解為氫氣及氮氣而獲得。
當使用用於發電之燃氣輪機時，在使用蒸汽輪機情況下，優點為蒸汽輪機可取決於季節而發電及區域供熱之靈活性。藉由在較低壓力下操作該輪機而在夏季及以較少熱量生產相對更多電力。因此，下游熱量利用步驟包括區域供熱。
下游熱量利用步驟為發電與區域供熱之組合。
閉合冷卻水迴路將供應冷的冷卻水（25攝氏度）至電解單元，在電解單元中該冷卻水將被加熱至60攝氏度。60攝氏度之溫度水準對於區域供熱並不足夠，因此熱的冷卻水之一部分將自三個源Q1、Q2及Q3升級為比如85攝氏度。Q1為來自級間壓縮機之上層熱量，Q2為不用於蒸汽生產之製程熱量之一部分，且Q3為來自蒸汽輪機冷凝器之熱量。Q3在蒸汽輪機冷凝器在足夠高的壓力下操作時係可能的，儘管該足夠高的壓力導致蒸汽輪機的低功率輸出。自夏季至冬季條件之切換將為Q2與Q3之間的切換工作。
用於升級之來自電解單元之熱量的一部分為QE。若需要更多區域供熱，則剩餘部分可用熱泵藉由電力升級。
將來自三個源之85℃之經升級熱的冷卻水在進入熱交換器之前加以混合以用於區域供熱，在熱交換器中加熱冷區域水自比如30℃至82℃。熱的冷卻水將冷卻至33℃。
冷卻水系統將移除尚未轉移至區域供熱系統之製程熱。冷卻水系統亦將在需要時供應冷的冷卻水至該製程且未在圖1中展示。
表1給出區域供熱之量的實例，該區域供熱之量可在無熱泵選項之情況下在2300 MTPD綠色氨設備中產生。溫度水準如圖1之描述中給出。
2300 MTPD 綠色氨    熱能
Q 1 MW 10
Q 2 MW 10
Q 3 MW 46
Q 升級 MW 66
Q E MW 71.3
Q 總計 MW 137.3
表1. Q 總計為區域供熱之量。
無
[圖1]展示如何生產區域供熱之原理。

Claims (8)

  1. 一種回收氨製造中所產生之餘熱的方法，該方法包含以下步驟： （a）提供氨合成氣，包括電解水或蒸汽以製備氫氣及將氮氣流添加至該氫氣中的步驟； （b）將該氨合成氣轉化為氨； （c）自步驟（a）中之電解回收至少一部分餘熱； （d）藉由自一或多個壓縮機級排放回收之熱量及/或在步驟（b）中該氨合成氣之轉化中產生之餘熱及/或來自利用步驟（b）中產生之蒸汽的輪機冷凝器之餘熱，升級來自步驟（c）之餘熱；及 （e）將來自步驟（d）之經升級的餘熱分配至下游熱量利用步驟。
  2. 如請求項1之方法，其中該氮氣流係藉由空氣分離、變壓吸附或低溫空氣分離獲得。
  3. 如請求項1或2之方法，其中該下游利用步驟包含在燃氣輪機中發電。
  4. 如請求項3之方法，其中該發電包括利用來自步驟（b）之氨之一部分作為該燃氣輪機、燃氣引擎或燃料電池中之輪機燃料。
  5. 如請求項4之方法，其中該氨至少部分地裂解成氫氣及氮氣。
  6. 如請求項1至5中任一項之方法，其中該下游熱量利用步驟包括區域供熱。
  7. 如請求項1至6中任一項之方法，其中該下游熱量利用步驟為發電及區域供熱之組合。
  8. 如請求項1至7中任一項之方法，其中步驟（d）中之餘熱升級藉由與自該氨合成及/或來自利用步驟（b）中產生之蒸汽的輪機冷凝器的輪機餘熱回收或產生之熱量進行熱交換，加熱來自該電解之循環冷卻水來進行。
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