RU2805747C1 - Method for producing low-carbon hydrogen from ammonia by cracking ammonia ammonia cracking industry-3000 and plant for its implementation - Google Patents
Method for producing low-carbon hydrogen from ammonia by cracking ammonia ammonia cracking industry-3000 and plant for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2805747C1 RU2805747C1 RU2023118596A RU2023118596A RU2805747C1 RU 2805747 C1 RU2805747 C1 RU 2805747C1 RU 2023118596 A RU2023118596 A RU 2023118596A RU 2023118596 A RU2023118596 A RU 2023118596A RU 2805747 C1 RU2805747 C1 RU 2805747C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ammonia
- heating
- fuel
- heat
- coil
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к технологиям получения низкоуглеродного водорода и из аммиака путем крекинга аммиака для дальнейшего использования низкоуглеродного водорода в качестве углеродно-нейтрального топлива или компримирования низкоуглеродного водорода для транспортировки по магистральным топливным системам к конечному потребителю.The invention relates to technologies for producing low-carbon hydrogen from ammonia by cracking ammonia for further use of low-carbon hydrogen as a carbon-neutral fuel or compression of low-carbon hydrogen for transportation through main fuel systems to the end consumer.
Известно множество способов получения водорода путем крекинга аммиака при использовании топлива, продуктами горения которого является углекислый газ.There are many known methods for producing hydrogen by cracking ammonia using fuel whose combustion products are carbon dioxide.
Недостаток таких способов и установок заключается в том, при крекинге аммиака при использовании топлива, продуктами горения которого является углекислый газ, происходят выбросы углекислого газа в атмосферу.The disadvantage of such methods and installations is that when cracking ammonia when using fuel, the combustion products of which are carbon dioxide, carbon dioxide emissions occur into the atmosphere.
Известны также способы получения низкоуглеродного водорода путем крекинга аммиака, в которых в качестве топлива используют аммиак и азот-водородную смесь, которые при горении не образуют углекислый газ (WO2021/257944A1, опуб. 23.12.2021; WO2022/265648A1, опуб. 22.12.2022, WO2022/265651A1, опуб. 22.12.2022, CN111137853A, опуб. 12.05.2020, CN111957270A, опуб. 20.11.2020).There are also known methods for producing low-carbon hydrogen by cracking ammonia, in which ammonia and a nitrogen-hydrogen mixture are used as fuel, which do not form carbon dioxide during combustion (WO2021/257944A1, published 12/23/2021; WO2022/265648A1, published 12/22/2022 , WO2022/265651A1, published 12/22/2022, CN111137853A, published 05/12/2020, CN111957270A, published 11/20/2020).
Наиболее близким к предложенному способу является способ получения низкоуглеродного водорода метом крекинга аммиака, по которому жидкий сырьевой аммиак делят на топливный и сырьевой аммиак и нагнетают двумя насосами, далее сырьевой жидкий аммиак нагревают, испаряют и перегревают до температуры выше 250°С в теплообменнике за счет рекуперации тепла от дымовых газов и от азот-водородной смеси (АВС), далее перегретый газообразный аммиак поступает в реактор крекинга аммиака, где происходит эндотермическое разложение аммиака на составляющие азот и водород, при этом источником энергии, требуемой для нормального протекания реакции, является тепло от сгорания углерод-нейтрального топливного газа - смесь топливного аммиака и дымовых газов из блока короткоцикловой адсорбции (PSA). После реактора смесь азота и водорода с остаточным содержанием аммиака направляют (предпочтительно через аппарат воздушного охлаждения) в блок PSA для выделения водорода, а дымовые газы после теплообменника отводят. На чертежах показан один теплообменник, но на практике используют ряд теплообменников. Первоначальный нагрев и испарение сжатого сырьевого аммиака может осуществляться с помощью другого источника тепла, такого как вода или окружающий воздух (WO2022/265649A1, опуб. 22.12.2022).The closest to the proposed method is the method of producing low-carbon hydrogen by cracking ammonia, according to which liquid raw ammonia is divided into fuel and raw ammonia and pumped by two pumps, then the raw liquid ammonia is heated, evaporated and overheated to a temperature above 250°C in a heat exchanger due to recovery heat from flue gases and from the nitrogen-hydrogen mixture (ABC), then the superheated ammonia gas enters the ammonia cracking reactor, where the endothermic decomposition of ammonia into its components nitrogen and hydrogen occurs, while the source of energy required for the normal course of the reaction is the heat from combustion carbon-neutral fuel gas - a mixture of fuel ammonia and flue gases from a pressure swing adsorption (PSA) unit. After the reactor, a mixture of nitrogen and hydrogen with a residual ammonia content is sent (preferably through an air cooler) to the PSA unit for hydrogen separation, and the flue gases are removed after the heat exchanger. The drawings show a single heat exchanger, but in practice a number of heat exchangers are used. Initial heating and vaporization of the compressed ammonia feedstock can be accomplished using another heat source such as water or ambient air (WO2022/265649A1, published 12/22/2022).
Наиболее близкой к предложенной установке является установка для осуществления вышеуказанного способа, содержащая теплообменник (или ряд теплообменников), реактор крекинга аммиака, линию сырьевого аммиака, линию топливного аммиака, линию подачи воздуха, линию азот-водородной смеси (АВС) и линию дымовых газов. Линия сырьевого аммиака включает последовательно соединенные насос жидкого сырьевого аммиака, первое теплообменное пространство теплообменника (или ряда теплообменников) и трубопровод подачи перегретого аммиака в реактор. Линия топливного аммиака включает последовательно соединенные насос жидкого топливного аммиака, второе теплообменное пространство теплообменника, смеситель и печь реактора. Линия подачи воздуха включает компрессор, третье теплообменное пространство теплообменника и печь реактора. Линия АВС включает четвертое теплообменное пространство теплообменника, аппарат воздушного охлаждения, блок PSA (короткоцикловой адсорбции), трубопровод отходящих газов, не являющихся целевыми продуктами работы блока PSA, пятое теплообменное пространство теплообменника, смеситель и печь реактора. Смеситель может отсутствовать, и компоненты могут подаваться на сгорание в печь реактора по отдельности. С блоком PSA соединена линия отвода водорода и линия дымовых газов, которая включает шестое теплообменное пространство теплообменника и трубопровод отвода дымовых газов (WO2022/265649A1, опуб. 22.12.2022).The closest to the proposed installation is an installation for implementing the above method, containing a heat exchanger (or a number of heat exchangers), an ammonia cracking reactor, a raw ammonia line, a fuel ammonia line, an air supply line, a nitrogen-hydrogen mixture (ABC) line and a flue gas line. The ammonia feed line includes a series-connected liquid ammonia feed pump, a first heat exchange space of a heat exchanger (or series of heat exchangers) and a pipeline for supplying superheated ammonia to the reactor. The ammonia fuel line includes a series-connected liquid ammonia fuel pump, a second heat exchange space of the heat exchanger, a mixer and a reactor furnace. The air supply line includes the compressor, the third heat exchange space of the heat exchanger and the reactor furnace. The ABC line includes the fourth heat exchange space of the heat exchanger, an air cooler, a PSA (short cycle adsorption) unit, a pipeline for exhaust gases that are not the target products of the PSA unit, a fifth heat exchange space of the heat exchanger, a mixer and a reactor furnace. The mixer may be absent, and the components may be fed separately into the reactor furnace for combustion. Connected to the PSA unit is a hydrogen exhaust line and a flue gas line, which includes the sixth heat exchange space of the heat exchanger and a flue gas exhaust pipeline (WO2022/265649A1, pub. 12/22/2022).
Известные способ и установка имеют следующие недостатки. Дымовые газы, охлаждаемые в многопоточном теплообменнике, имеют высокую температуру, при которой использование дымососа для подачи его на дальнейшую обработку приводит к увеличению энергопотребления из-за того, что, дымовые газы при более высокой температуре имеют больший объемный расход, другими словами при постоянстве массового расхода более нагретый газ занимает больший объем и необходимо больше энергии для его перекачки.The known method and installation have the following disadvantages. Flue gases cooled in a multi-flow heat exchanger have a high temperature, at which the use of a smoke exhauster to supply it for further processing leads to an increase in energy consumption due to the fact that flue gases at a higher temperature have a higher volume flow rate, in other words, at a constant mass flow rate Hotter gas takes up more volume and more energy is needed to pump it.
Кроме того, использование многопоточных теплообменных аппаратов с фазовыми переходами (испарение сырьевого и топливного аммиака) может привести к высоким вибрационным нагрузкам и снижению общей надежности производства.In addition, the use of multi-flow heat exchangers with phase transitions (evaporation of raw material and fuel ammonia) can lead to high vibration loads and a decrease in overall production reliability.
Технической проблемой, решаемой предлагаемой технологией получения низкоуглеродного водорода, является повышение общей эффективности процесса получения низкоуглеродного водорода и обеспечение возможности получения дополнительного продукта - дистиллированной воды.The technical problem solved by the proposed technology for producing low-carbon hydrogen is to increase the overall efficiency of the process of producing low-carbon hydrogen and to ensure the possibility of obtaining an additional product - distilled water.
Техническая проблема решается способом получения водорода из аммиака, заключающимся в том, что жидкий аммиак нагнетают, жидкий сырьевой аммиак нагревают и испаряют и перегревают газообразный сырьевой аммиак, который подают в реактор крекинга аммиака, охлаждают полученную в результате крекинга аммиака азот-водородную смесь и выделяют из нее водород, жидкий топливный аммиак нагревают и испаряют и перегревают газообразный топливный аммиак, смешивают его с газовыми сдувками, полученными при выделении водорода, и подают полученный топливный газ вместе с нагретым воздухом в реактор крекинга аммиака для сгорания, при этом тепло дымовых газов используют для нагрева сырьевого аммиака, а также воздуха и топливного газа, согласно изобретению, используют реактор крекинга аммиака используют реактор крекинга аммиака, выход которого для дымовых газов соединен с блоком теплоиспользующей аппаратуры (БТА), с помощью которого используют тепло дымовых газов и в пространстве которого расположены змеевик для нагрева газообразного аммиака, змеевик для нагрева топливного газа, змеевик для нагрева воздуха, змеевик для нагрева теплоносителя и змеевик для нагрева жидкого сырьевого аммиака перед выходом из БТА для дымовых газов, при этом испарение и перегрев сырьевого аммиака осуществляют в соответствующих рекуперативных теплообменниках за счет тепла азот-водородной смеси, после чего нагревают газообразный сырьевой аммиак с использованием тепла дымовых газов, испарение и перегрев топливного аммиака осуществляют в других соответствующих рекуперативных теплообменниках с использованием теплоносителя, который нагревают за счет тепла дымовых газов, использование тепла дымовых газов для нагрева жидкого сырьевого аммиака осуществляют перед выходом дымового газа из БТА, после чего повышают давление использованных дымовых газов, охлаждают и выделяют из них сконденсированную дистиллированную воду, а обезвоженные дымовые газы направляют в атмосферу.The technical problem is solved by a method for producing hydrogen from ammonia, which consists in the fact that liquid ammonia is pumped, the liquid raw ammonia is heated and evaporated, and the gaseous raw ammonia is superheated, which is supplied to the ammonia cracking reactor, the nitrogen-hydrogen mixture obtained as a result of cracking the ammonia is cooled and separated from hydrogen, liquid fuel ammonia is heated and evaporated and the gaseous fuel ammonia is superheated, mixed with gas blow-offs obtained by hydrogen separation, and the resulting fuel gas is supplied together with heated air to the ammonia cracking reactor for combustion, while the heat of the flue gases is used for heating raw ammonia, as well as air and fuel gas, according to the invention, an ammonia cracking reactor is used, an ammonia cracking reactor is used, the outlet of which for flue gases is connected to a unit of heat-using equipment (BTA), with the help of which the heat of flue gases is used and in the space of which a coil for heating gaseous ammonia, a coil for heating fuel gas, a coil for heating air, a coil for heating the coolant and a coil for heating liquid raw ammonia before exiting the BTA for flue gases, while the evaporation and overheating of the raw ammonia is carried out in the corresponding recuperative heat exchangers using heat from nitrogen -hydrogen mixture, after which the gaseous raw ammonia is heated using the heat of the flue gases, the evaporation and overheating of the fuel ammonia is carried out in other corresponding recuperative heat exchangers using a coolant that is heated using the heat of the flue gases, the use of the heat of the flue gases to heat the liquid raw ammonia is carried out before the exit of flue gas from the BTA, after which the pressure of the used flue gases is increased, cooled and condensed distilled water is separated from them, and the dehydrated flue gases are sent to the atmosphere.
Кроме того, испарение и перегрев сырьевого аммиака осуществляют в соответствующих рекуперативных теплообменниках за счет тепла азот-водородной смеси, после чего нагревают газообразный сырьевой аммиак с использованием тепла дымовых газов.In addition, evaporation and overheating of the raw ammonia is carried out in appropriate recuperative heat exchangers using the heat of the nitrogen-hydrogen mixture, after which the gaseous raw ammonia is heated using the heat of the flue gases.
Кроме того, испарение и перегрев топливного аммиака осуществляют в других соответствующих рекуперативных теплообменниках с использованием теплоносителя, который нагревают за счет тепла дымовых газов.In addition, evaporation and superheating of fuel ammonia is carried out in other corresponding recuperative heat exchangers using a coolant that is heated by the heat of flue gases.
Выделение водорода из азот-водородной смеси может осуществляться путем короткоцикловой адсорбции.The release of hydrogen from a nitrogen-hydrogen mixture can be carried out by short-cycle adsorption.
Возможно также осуществление выделения водорода путем мембранного выделения.It is also possible to carry out hydrogen separation by membrane separation.
Предпочтительно осуществлять разделение потока аммиака на жидкий сырьевой аммиак и жидкий топливный аммиак после нагнетания жидкого аммиака.It is preferable to separate the ammonia stream into liquid feed ammonia and liquid fuel ammonia after injection of liquid ammonia.
Целесообразно также подавать с дымовыми газами часть газообразного топливного аммиака в межтрубное пространство БТА для нейтрализации оксидов азота.It is also advisable to supply part of the gaseous fuel ammonia with the flue gases into the inter-tube space of the BTA to neutralize nitrogen oxides.
Техническая проблема решается также установкой для получения водорода из аммиака, содержащей насос жидкого аммиака, линию нагрева сырьевого аммиака, линию нагрева топливного аммиака, реактор крекинга аммиака с блоком теплоиспользующей аппаратуры (БТА), линию нагрева воздуха и линию очистки, при этом БТА соединен с выходом реактора для дымовых газов, и в его пространстве расположены змеевик для нагрева газообразного аммиака, змеевик для нагрева топливного газа, змеевик для нагрева воздуха, змеевик для нагрева теплоносителя и змеевик для нагрева жидкого сырьевого аммиака перед выходом из БТА для дымовых газов, линия нагрева сырьевого аммиака включает змеевик нагрева жидкого сырьевого аммиака БТА, первый рекуперативный теплообменник - испаритель сырьевого аммиака, второй теплообменник - перегреватель сырьевого аммиака и змеевик нагрева газообразного сырьевого аммиака БТА и соединена с реакционными трубами реактора крекинга аммиака, линия нагрева топливного аммиака включает третий рекуперативный теплообменник - нагреватель жидкого топливного аммиака и четвертый рекуперативный теплообменник - испаритель топливного аммиака, который соединен со змеевиком нагрева топливного газа БТА, соединенным с горелкой реактора крекинга аммиака, выходы реакционных труб реактора соединены со вторым и первым рекуперативными теплообменниками и с линией очистки, включающей по меньшей мере один аппарат воздушного охлаждения и установку выделения водорода, выход которой для газовых сдувок соединен с линией нагрева топливного аммиака перед входом в змеевик для нагрева топливного газа БТА, а линия нагрева воздуха включает средство подачи воздуха и змеевик нагрева воздуха БТА, соединенный с горелкой реактора крекинга аммиака, причем выход БТА для дымовых газов последовательно соединен с дымососом, по меньшей мере одним другим аппаратом воздушного охлаждения и сепаратором для отделения дистиллированной воды.The technical problem is also solved by an installation for producing hydrogen from ammonia, containing a liquid ammonia pump, a raw ammonia heating line, a fuel ammonia heating line, an ammonia cracking reactor with a heat-using equipment unit (BTA), an air heating line and a cleaning line, while the BTA is connected to the outlet reactor for flue gases, and in its space there are a coil for heating ammonia gas, a coil for heating fuel gas, a coil for heating air, a coil for heating the coolant and a coil for heating liquid raw ammonia before exiting the BTA for flue gases, a heating line for raw ammonia includes a heating coil for liquid raw ammonia BTA, a first recuperative heat exchanger - a raw ammonia evaporator, a second heat exchanger - a superheater for raw ammonia and a heating coil for gaseous raw ammonia BTA and is connected to the reaction pipes of the ammonia cracking reactor, the fuel ammonia heating line includes a third recuperative heat exchanger - a liquid fuel heater wow ammonia and a fourth recuperative heat exchanger - a fuel ammonia evaporator, which is connected to a heating coil of the BTA fuel gas, connected to the burner of the ammonia cracking reactor, the outlets of the reaction pipes of the reactor are connected to the second and first recuperative heat exchangers and to a cleaning line, including at least one air cooler and a hydrogen separation unit, the outlet of which for gas blowdowns is connected to the ammonia fuel heating line before entering the BTA fuel gas heating coil, and the air heating line includes an air supply means and a BTA air heating coil connected to the burner of the ammonia cracking reactor, wherein the BTA output for flue gases is connected in series with a smoke exhauster, at least one other air cooling device and a separator for separating distilled water.
Кроме того, третий рекуперативный теплообменник - нагреватель жидкого топливного аммиака, и четвертый рекуперативный теплообменник - испаритель топливного аммиака включены параллельно в контур теплоносителя, включающий соединенный с ними змеевик нагрева теплоносителя БТА и насос рециркуляции теплоносителя.In addition, the third recuperative heat exchanger - liquid fuel ammonia heater, and the fourth recuperative heat exchanger - fuel ammonia evaporator are connected in parallel to the coolant circuit, including the BTA coolant heating coil connected to them and the coolant recirculation pump.
В предпочтительном варианте рекуперативные теплообменники представляют собой теплообменники кожухотрубной конструкции.In a preferred embodiment, the recuperative heat exchangers are shell-and-tube heat exchangers.
Установка выделения водорода может представлять собой блок короткоцикловой адсорбции.The hydrogen separation unit may be a short-cycle adsorption unit.
В другом варианте установка выделения водорода может представлять собой установку мембранного выделения водорода.In another embodiment, the hydrogen recovery unit may be a membrane hydrogen separation unit.
Целесообразно линии нагрева сырьевого аммиака и топливного аммиака соединить параллельно с выходом насоса жидкого аммиака.It is advisable to connect the heating lines of raw ammonia and fuel ammonia in parallel with the output of the liquid ammonia pump.
Также целесообразно, чтобы линия нагрева топливного аммиака имела ответвление, соединенное с межтрубным пространством БТА для дымовых газов.It is also advisable for the ammonia fuel heating line to have a branch connected to the annulus of the BTA for flue gases.
Технический результат, достигаемый при использовании предложенных способа и устройства, заключается в обеспечении возможности получения из дымовых газов дополнительного продукта - дистиллированной воды вследствие обеспечения охлаждения выходящих дымовых газов в блоке теплоиспользующей аппаратуры до температур порядка +60 град.С. Кроме того, реализация испарения и перегрева сырьевого аммиака потоком азот-водородной смеси позволяет повысить энергоэффективность установки за счет нагрева сырьевого аммиака до температуры близкой к температуре начала реакции, что приводит к снижению общего потребления топливного аммиака.The technical result achieved when using the proposed method and device is to provide the possibility of obtaining an additional product from flue gases - distilled water due to the cooling of the exhaust flue gases in the heat-using equipment unit to temperatures of the order of +60 degrees C. In addition, the implementation of evaporation and superheating of raw ammonia by a flow of nitrogen-hydrogen mixture makes it possible to increase the energy efficiency of the installation by heating the raw ammonia to a temperature close to the reaction start temperature, which leads to a decrease in the overall consumption of fuel ammonia.
На чертеже изображена схема исполнения предложенной установки.The drawing shows a diagram of the proposed installation.
Установка для получения низкоуглеродного водорода содержит линию нагрева сырьевого жидкого аммиака, реактор крекинга аммиака с БТА (блоком теплоиспользующей аппаратуры), линию нагрева топливного аммиака, линию нагрева воздуха, линию очистки и линию конденсации воды.The installation for producing low-carbon hydrogen contains a heating line for raw liquid ammonia, an ammonia cracking reactor with a BTA (heat-using equipment unit), a fuel ammonia heating line, an air heating line, a purification line and a water condensation line.
Линия нагрева сырьевого жидкого аммиака включает последовательно соединенные насос 1 жидкого аммиака, змеевик 12 БТА, рекуперативный теплообменник - испаритель 2 жидкого аммиака, рекуперативный теплообменник - перегреватель 3 газообразного аммиака и змеевик 8 БТА.The raw liquid ammonia heating line includes a series-connected liquid ammonia pump 1, a BTA coil 12, a recuperative heat exchanger - liquid ammonia evaporator 2, a recuperative heat exchanger - ammonia gas superheater 3 and a BTA coil 8.
Реактор 4 крекинга аммиака с реакционными трубами 5 включает в себя азот-водородную горелку 6. Линия нагрева воздуха включает воздуходувку 7 и змеевик 9 БТА, соединенный с горелкой 6. БТА соединен с выходом реактора 4 для дымовых газов, и в его пространстве последовательно расположены змеевик 8 для нагрева газообразного аммиака, змеевик 9 для нагрева топливного газа, змеевик 10 для нагрева воздуха, змеевик 11 для нагрева теплоносителя и змеевик 12 для нагрева жидкого аммиака перед выходом из БТА для дымовых газов.The ammonia cracking reactor 4 with reaction tubes 5 includes a nitrogen-hydrogen burner 6. The air heating line includes a blower 7 and a BTA coil 9 connected to the burner 6. The BTA is connected to the flue gas outlet of the reactor 4, and the coils are arranged in series in its space 8 for heating gaseous ammonia, coil 9 for heating fuel gas, coil 10 for heating air, coil 11 for heating coolant and coil 12 for heating liquid ammonia before leaving the BTA for flue gases.
Линия нагрева топливного аммиака включает в себя последовательно соединенные третий рекуперативный теплообменник 13 - нагреватель 13 жидкого топливного аммиака и четвертый рекуперативный теплообменник - испаритель 14 жидкого топливного аммиака и средство 15 понижения давления. Указанные нагреватель 13 и испаритель 14 включены в контур теплоносителя, предпочтительно масла, который включает соединенный с ними змеевик 11 БТА и насос 16 рециркуляции теплоносителя.The fuel ammonia heating line includes a series-connected third recuperative heat exchanger 13 - liquid fuel ammonia heater 13 and a fourth recuperative heat exchanger - liquid fuel ammonia evaporator 14 and pressure reducing means 15. Said heater 13 and evaporator 14 are included in a coolant circuit, preferably oil, which includes a BTA coil 11 connected to them and a coolant recirculation pump 16.
Линия очистки включает в себя аппарат или аппараты 17 воздушного охлаждения (АВО), установку выделения водорода - блок 18 короткоцикловой адсорбции (КЦА) и средство 19 понижения давления для отходящих газов - газовых сдувок, не являющихся целевыми продуктами работы блока 18 КЦА. Линия очистки и линия нагрева топливного аммиака соединены в одну линию, которая соединена со змеевиком 9 БТА. Дополнительно предусмотрен компрессор 23 для компримирования выходящего из блока 18 КЦА низкоуглеродного водорода при необходимости его транспортировки на дальние расстояния.The cleaning line includes an air-cooling apparatus or apparatuses 17 (ACO), a hydrogen separation unit - a short-cycle adsorption (PSA) unit 18, and a pressure reduction means 19 for exhaust gases - gas blow-offs that are not the target products of the operation of the PSA unit 18. The cleaning line and the fuel ammonia heating line are connected into one line, which is connected to the 9 BTA coil. Additionally, a compressor 23 is provided for compressing the low-carbon hydrogen leaving the PSA unit 18 if it is necessary to transport it over long distances.
В другом варианте выполнения установки линия очистки содержит после АВО 17 по меньшей мере один компрессор азот-водородной смеси и по меньшей мере один АВО для снятия теплоты компримирования и вместо блока КЦА установку мембранного выделения водорода (на чертеже не показаны), что в свою очередь позволяет получать продуктовый низкоуглеродный водород высокого давления и исключает необходимость компрессора 23 низкоуглеродного водорода.In another embodiment of the installation, the cleaning line contains, after the air cooler 17, at least one nitrogen-hydrogen mixture compressor and at least one air cooler for removing compression heat, and instead of the PSA unit, a membrane hydrogen separation unit (not shown in the drawing), which in turn allows produce high pressure product low carbon hydrogen and eliminates the need for low carbon hydrogen compressor 23.
Линия нагрева топливного аммиака перед соединением ее с линией очистки имеет ответвление, соединенное с пространством БТА.The fuel ammonia heating line, before connecting it to the cleaning line, has a branch connected to the BTA space.
Линия конденсации воды включает соединенный с выходом БТА аппарат или аппараты 21 воздушного охлаждения (АВО) и сепаратор 22 для производства дистиллированной воды и дымовых обезвоженных газов.The water condensation line includes an air cooling device or devices 21 connected to the BTA outlet and a separator 22 for the production of distilled water and flue dehydrated gases.
В качестве приводов насоса 1 жидкого аммиака, насоса 16 рециркуляции теплоносителя и компрессора 23 низкоуглеродного водорода предлагается применять электродвигатели, работающие от ветряной электростанции, но не ограничиваясь ими. Источником энергии для двигателей могут быть все углерод-нейтральные или «зеленые» источники электроэнергии или газотурбинные двигатели. As drives for the liquid ammonia pump 1, the coolant recirculation pump 16 and the low-carbon hydrogen compressor 23, it is proposed to use electric motors powered by a wind power plant, but not limited to them. The energy source for the engines can be all carbon-neutral or green electricity sources or gas turbine engines.
Способ получения низкоуглеродного водорода из аммиака получил условное наименование «Технология аммиачного крекинга - 3000» («ТАК-3000»). Способ осуществляется следующим образом.The method for producing low-carbon hydrogen from ammonia received the code name “Ammonia Cracking Technology - 3000” (“TAK-3000”). The method is carried out as follows.
Жидкий аммиак поступает на насос 1 жидкого аммиака, где он нагнетается до давления порядка 2,5-4,0 МПа и после этого делится на топливный и сырьевой аммиак в соотношении 5-10% / 90-95% соответственно. Далее жидкий сырьевой аммиак нагревается до температуры, близкой к температуре начала кипения аммиака при этом давлении, с запасом ниже на 2-10 град. С температуры начала кипения, за счет рекуперации тепла от дымовых газов в змеевике 12 БТА, далее испаряется с перегревом в 2-10 град.С в испарителе 2 за счет тепла от азот-водородной смеси (АВС), после чего газообразный сырьевой аммиак перегревается до температуры порядка +360 град.C за счет тепла от АВС в перегревателе 3. Далее перегретый газообразный аммиак поступает в змеевик 8 БТА и нагревается до температуры порядка +400 град.C и направляется в реакционные трубы 5 реактора 4 крекинга аммиака, где происходит эндотермическое разложение аммиака при давлении порядка 2-3,5 МПа и температуре порядка +450-1000 град.C на составляющие азот и водород. Источником энергии, требуемой для нормального протекания реакции, является тепло от сгорания топливного газа. В качестве катализаторов могут применяться катализаторы, например, выбранные из ряда (но не ограничиваясь): Ru/Al2O3, Ni/Al2O3, Ru/CeO2, Ni/CeO2.Liquid ammonia is supplied to liquid ammonia pump 1, where it is pumped to a pressure of about 2.5-4.0 MPa and is then divided into fuel and raw ammonia in the ratio of 5-10% / 90-95%, respectively. Next, the liquid raw ammonia is heated to a temperature close to the initial boiling point of ammonia at this pressure, with a margin of 2-10 degrees lower. From the initial boiling point, due to heat recovery from flue gases in coil 12, BTA is then evaporated with overheating of 2-10 degrees C in evaporator 2 due to heat from the nitrogen-hydrogen mixture (ABC), after which the gaseous raw ammonia is overheated to temperatures of the order of +360 degrees C due to the heat from the ABC in superheater 3. Next, the superheated ammonia gas enters the BTA coil 8 and is heated to a temperature of about +400 degrees C and is sent to the reaction pipes 5 of the ammonia cracking reactor 4, where endothermic decomposition occurs ammonia at a pressure of about 2-3.5 MPa and a temperature of about +450-1000 degrees C into components nitrogen and hydrogen. The source of energy required for the normal course of the reaction is the heat from the combustion of fuel gas. Catalysts can be used as catalysts, for example, selected from the following (but not limited to): Ru/Al 2 O 3 , Ni/Al 2 O 3 , Ru/CeO 2 , Ni/CeO 2 .
После реактора 4 крекинга аммиака АВС с остаточным содержанием аммиака порядка 0,9 мол. % с давлением порядка 2-3,5 МПа и температурой порядка +450-1000 град.C поступает в систему рекуперативных теплообменников - перегревателя 3 и испарителя 2 и в АВО 17, где охлаждается до температуры порядка +35 град.C за счет теплообмена с сырьевым аммиаком и окружающей средой, и затем направляется в блок 18 КЦА (или установку мембранного выделения водорода) для выделения низкоуглеродного водорода чистотой порядка 99,97% масс.After reactor 4 cracking of ammonia ABC with a residual ammonia content of about 0.9 mol. % with a pressure of about 2-3.5 MPa and a temperature of about +450-1000 degrees C enters the system of recuperative heat exchangers - superheater 3 and evaporator 2 and into AVO 17, where it is cooled to a temperature of about +35 degrees C due to heat exchange with raw ammonia and the environment, and then sent to the PSA unit 18 (or membrane hydrogen separation unit) to separate low-carbon hydrogen with a purity of about 99.97% of the mass.
Газовые сдувки блока 18 КЦА, содержащие азот, водород и аммиак, дросселируются с помощью средства 19 понижения давления до давления порядка 0,16 МПа (изб.) и направляются на смешение с газообразным топливным аммиаком перед змеевиком 9 БТА. Жидкий топливный аммиак поступает для нагрева в теплообменник 13, где происходит его нагрев с запасом ниже на 2-10 град.С температуры начала кипения аммиака при этом давлении за счет нагрева теплоносителем типа масла, далее испаряется с перегревом в 2-10 град.С в испарителе 14 за счет нагрева теплоносителем типа масла и выходит с температурой порядка +76 град.С. Далее перегретый топливный аммиак последовательно дросселируется до давления 0,16 МПа (изб.) с помощью средства 15 понижения давления и смешивается с газовыми сдувками блока 18 КЦА перед змеевиком 9 БТА, далее, проходя змеевик 9, топливный газ нагревается до температуры порядка +600 град.С и поступает в горелку 6 для выделения энергии, требуемой для нормального протекания эндотермической реакции крекинга аммиака.Gas blow-offs from the PSA unit 18, containing nitrogen, hydrogen and ammonia, are throttled using pressure reduction means 19 to a pressure of the order of 0.16 MPa (g) and sent for mixing with gaseous fuel ammonia in front of the BTA coil 9. Liquid fuel ammonia is supplied for heating to heat exchanger 13, where it is heated with a margin of 2-10 degrees below the boiling point of ammonia at this pressure due to heating by a coolant such as oil, and then evaporates with overheating of 2-10 degrees. evaporator 14 due to heating by a coolant such as oil and leaves with a temperature of about +76 degrees C. Next, the superheated fuel ammonia is successively throttled to a pressure of 0.16 MPa (g) using pressure reduction means 15 and mixed with the gas blow-offs of the PSA block 18 in front of the BTA coil 9, then, passing the coil 9, the fuel gas is heated to a temperature of the order of +600 degrees .C and enters burner 6 to release the energy required for the normal occurrence of the endothermic reaction of ammonia cracking.
Воздух окружающей среды принудительно направляется с помощью воздуходувки 7 для нагрева в змеевике 10 БТА до температуры порядка +300 град.С. и затем направляется в горелку 6 для осуществления сгорания углерод-нейтрального топлива, включающего преимущественно, но не ограничиваясь, аммиак, азот, водород и остаточные следы воды.Ambient air is forcibly directed using blower 7 to heat it in coil 10 BTA to a temperature of about +300 degrees C. and is then sent to burner 6 to effect combustion of a carbon-neutral fuel, including primarily, but not limited to, ammonia, nitrogen, hydrogen and residual traces of water.
Теплоноситель (например, масло) с давлением порядка 50 кПа (изб.) и температурой порядка +190 град.С поступает на насос 16 рециркуляции теплоносителя и нагнетается до рабочего давления контура теплоносителя, затем направляется параллельно в нагреватель 13 и испаритель 14 в соотношении порядка 34% / 66% соответственно, где охлаждается до температуры порядка +170 град.С, после чего направляется на повторный нагрев в змеевик 11 БТА до температуры порядка +190 град.С.A coolant (for example, oil) with a pressure of about 50 kPa (g) and a temperature of about +190 degrees C enters the coolant recirculation pump 16 and is pumped to the operating pressure of the coolant circuit, then sent in parallel to the heater 13 and the evaporator 14 in a ratio of the order of 34 % / 66%, respectively, where it is cooled to a temperature of about +170 degrees C, after which it is sent for reheating in coil 11 BTA to a temperature of about +190 degrees C.
Дымовые газы с температурой порядка +450-+1000 град.С из реактора 4 крекинга аммиака направляются в межтрубное пространство БТА, последовательно проходя змеевики 8,9,10,11,12 охлаждаются до температуры порядка +60 град.С и с помощью дымососа 20 направляются в АВО 21 для конденсации воды, после чего отделение сконденсированной дистиллированной воды происходит в сепараторе 22. Дымовые газы после сепаратора 22 состоят из азота, остаточной воды и примесей воздуха и направляются в атмосферу, а остаточные следы NOx нейтрализуются с помощью подвода в межтрубное пространство БТА газообразного топливного аммиака, тем самым технологическая схема приобретает статус углерод-нейтральной или низкоуглеродной.Flue gases with a temperature of about +450-+1000 degrees C from the ammonia cracking reactor 4 are directed into the annulus of the BTA, successively passing through coils 8,9,10,11,12 and cooled to a temperature of about +60 degrees C and using a smoke exhauster 20 are sent to AVO 21 for water condensation, after which the condensed distilled water is separated in separator 22. Flue gases after separator 22 consist of nitrogen, residual water and air impurities and are sent to the atmosphere, and residual traces of NO x are neutralized by supplying the annulus BTA of gaseous fuel ammonia, thereby the technological scheme acquires the status of carbon-neutral or low-carbon.
В отличие от прототипа из дымовых газов путем конденсирования на АВО 21 производится дополнительный продукт - дистиллированная вода, которая образовывается в результате горения углерод-нейтрального топлива. За счет более глубокой рекуперации тепла дымовых газов сырьевым жидким аммиаком в змеевике 12 БТА до температуры порядка +60°С становится возможным производить дополнительный продукт в виде дистиллированной воды за счет повышения давления дымовых газов на дымососе и конденсации воды из них за счет охлаждения окружающей средой. В прототипе, где рекуперация тепла производится до более высокой температуры, использование дымососов при более высоких температурах на входе и выходе из него приводит к увеличению энергопотребления из-за того, что, дымовые газы при более высокой температуре имеют больший объемный расход, другими словами при постоянстве массового расхода более нагретый газ занимает больший объем и необходимо больше энергии для его перекачки. В отличие от прототипа в предлагаемых способе и установке подготовка сырьевого аммиака происходит последовательно, сырьевой аммиак нагревается в змеевике 12 БТА теплом дымовых газов, затем испаряется в отдельном теплообменнике 2 теплом азот-водородной смеси, перегревается теплом азот-водородной смеси в теплообменнике 3 и нагревается до температуры близкой к температуре начала реакции в змеевике 8 БТА. Испарение сырьевого аммиака в отдельном теплообменнике азот-водородной смеси позволяет использовать теплообменное оборудование простой кожухотрубной конструкции с испарительным пространством, что упрощает аппаратурной оформление процесса, а также исключает использование многопоточных теплообменных аппаратов с фазовыми переходами, что может привести к высоким вибрационным нагрузкам и снижению общей надежности производства. Также, использование теплообменного оборудования простой кожухотрубной конструкции позволяет увеличивать производительность технологической линии за счет параллельной установки необходимого количества аппаратов, что невозможно осуществить в многопоточном теплообменнике, представленном в прототипе. Помимо этого, реализация испарения и перегрева сырьевого аммиака потоком азот-водородной смеси позволяет производить более глубокую рекуперацию тепла дымовых газов, что в свою очередь повышает энергоэффективность установки за счет нагрева сырьевого аммиака до температуры близкой к температуре начала реакции, что приводит к снижению общего потребления топливного аммиака, так как меньше тепла требуется для нагрева сырьевого аммиака до температуры начала реакции.Unlike the prototype, an additional product is produced from flue gases by condensation at AVO 21 - distilled water, which is formed as a result of the combustion of carbon-neutral fuel. Due to deeper heat recovery of flue gases with raw liquid ammonia in a 12 BTA coil up to a temperature of about +60°C, it becomes possible to produce an additional product in the form of distilled water by increasing the pressure of the flue gases on the smoke exhauster and condensing water from them due to cooling by the environment. In the prototype, where heat recovery is carried out to a higher temperature, the use of smoke exhausters at higher inlet and outlet temperatures leads to an increase in energy consumption due to the fact that flue gases at a higher temperature have a higher volumetric flow rate, in other words, at a constant mass flow, hotter gas occupies a larger volume and more energy is needed to pump it. Unlike the prototype in the proposed method and installation, the preparation of raw ammonia occurs sequentially, the raw ammonia is heated in a coil 12 BTA by the heat of flue gases, then evaporated in a separate heat exchanger 2 by the heat of the nitrogen-hydrogen mixture, overheated by the heat of the nitrogen-hydrogen mixture in the heat exchanger 3 and heated to temperature close to the reaction start temperature in the 8 BTA coil. Evaporation of raw ammonia in a separate heat exchanger of a nitrogen-hydrogen mixture allows the use of heat exchange equipment of a simple shell-and-tube design with an evaporation space, which simplifies the instrumentation of the process, and also eliminates the use of multi-flow heat exchangers with phase transitions, which can lead to high vibration loads and a decrease in overall production reliability . Also, the use of heat exchange equipment of a simple shell-and-tube design makes it possible to increase the productivity of the production line due to the parallel installation of the required number of devices, which cannot be done in a multi-flow heat exchanger presented in the prototype. In addition, the implementation of evaporation and superheating of raw ammonia by a flow of nitrogen-hydrogen mixture allows for deeper heat recovery of flue gases, which in turn increases the energy efficiency of the installation by heating the raw ammonia to a temperature close to the reaction start temperature, which leads to a reduction in overall fuel consumption ammonia, since less heat is required to heat the ammonia feed to the reaction temperature.
Также отличие предлагаемого технического решения заключается в том, что, нагрев топливного аммиака происходит в отдельном контуре теплоносителя, предпочтительно типа масла, что позволяет расширить область тоннажности способа и установки с малотоннажного до крупнотоннажного, потому что использование системы последовательных рекуперативных теплообменников отдельно для сырьевого аммиака и для топливного аммиака снижает единичную мощность оборудования, но позволяет увеличить общую производительность установки в целом.Also, the difference between the proposed technical solution is that the heating of fuel ammonia occurs in a separate coolant circuit, preferably oil type, which makes it possible to expand the tonnage area of the method and installation from small-tonnage to large-tonnage, because the use of a system of sequential recuperative heat exchangers separately for raw ammonia and for fuel ammonia reduces the unit power of the equipment, but allows you to increase the overall productivity of the installation as a whole.
Claims (12)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2805747C1 true RU2805747C1 (en) | 2023-10-23 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU71652A1 (en) * | 1947-03-18 | 1947-11-30 | М.Н. Вишневский | Installation for the catalytic decomposition of ammonia |
| JPWO2018116982A1 (en) * | 2016-12-22 | 2019-10-24 | 昭和電工株式会社 | Hydrogen production apparatus and hydrogen production method |
| RU2758850C1 (en) * | 2020-10-28 | 2021-11-02 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" | Device for cleaning flue gases from water vapor |
| WO2022096529A1 (en) * | 2020-11-04 | 2022-05-12 | Haldor Topsøe A/S | Method for cracking ammonia |
| WO2022265648A1 (en) * | 2021-06-18 | 2022-12-22 | Air Products And Chemicals, Inc. | Ammonia cracking for green hydrogen with nox removal |
| WO2022265649A1 (en) * | 2021-06-18 | 2022-12-22 | Air Products And Chemicals, Inc. | Ammonia cracking for green hydrogen |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU71652A1 (en) * | 1947-03-18 | 1947-11-30 | М.Н. Вишневский | Installation for the catalytic decomposition of ammonia |
| JPWO2018116982A1 (en) * | 2016-12-22 | 2019-10-24 | 昭和電工株式会社 | Hydrogen production apparatus and hydrogen production method |
| RU2758850C1 (en) * | 2020-10-28 | 2021-11-02 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" | Device for cleaning flue gases from water vapor |
| WO2022096529A1 (en) * | 2020-11-04 | 2022-05-12 | Haldor Topsøe A/S | Method for cracking ammonia |
| WO2022265648A1 (en) * | 2021-06-18 | 2022-12-22 | Air Products And Chemicals, Inc. | Ammonia cracking for green hydrogen with nox removal |
| WO2022265649A1 (en) * | 2021-06-18 | 2022-12-22 | Air Products And Chemicals, Inc. | Ammonia cracking for green hydrogen |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109296460B (en) | Method for heating a recycle gas stream and method of generating electricity | |
| CN115943119A (en) | Ammonia cracking of green hydrogen | |
| CN114538376A (en) | System and method for producing and separating hydrogen and carbon dioxide | |
| RU2394754C1 (en) | Method of obtaining hydrogen from hydrocarbon material | |
| CN102060267B (en) | Regenerative cycle and low-temperature multi-effect distillation seawater desalinization thermodynamic cycling device and method | |
| EP3759322B9 (en) | Systems and methods for power production using a carbon dioxide working fluid | |
| US20190016603A1 (en) | Oxycombustion systems and methods with thermally integrated ammonia synthesis | |
| JP2004530097A (en) | Generators with low CO2 emissions and related methods | |
| MX2008010500A (en) | A method for producing a distillate stream from a water stream containing at least one dissolved solid. | |
| AU2013200381A1 (en) | Process and device for air separation and steam generation in a combined system | |
| JP2014515083A (en) | Cryogenic air separation method and system | |
| US20180340454A1 (en) | Open Thermodynamic Cycle Utilizing Supercritical Carbon Dioxide Without Compressors | |
| CN102388265A (en) | Method and apparatus for generating electrical power | |
| US20160033128A1 (en) | Power generation system and method to operate | |
| RU2805747C1 (en) | Method for producing low-carbon hydrogen from ammonia by cracking ammonia ammonia cracking industry-3000 and plant for its implementation | |
| RU2470856C2 (en) | Method of producing nitric acid (versions) and plant to this end | |
| US20230027743A1 (en) | Process and device for membrane separation of a mixture containing hydrogen and carbon dioxide as main components | |
| US11885266B2 (en) | Steam cycle methods, systems, and apparatus for efficiently reducing carbon footprints in plant systems | |
| NO335351B1 (en) | Method and apparatus for generating hot working gases | |
| CN114382562B (en) | Shunt recompression pure oxygen combustion circulation system | |
| RU2626291C2 (en) | Energy conversion method | |
| EP2104800A1 (en) | Combustion installation | |
| RU2180889C1 (en) | Method of processing natural gas | |
| US20240158701A1 (en) | Method and System for Steamcracking | |
| RU132442U1 (en) | INSTALLATION FOR PRODUCING ETHYLENE |