綠氨工藝簡(jiǎn)介

瑞氣綠氨用變壓吸附制氮機

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

經(jīng)過(guò)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(mǎn)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(jiǎn)介

綠氨是無(wú)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(guò)一定的合成工藝合成為綠氨；綠氨在清潔動(dòng)力燃料、清潔電力燃料（火電摻燒）、儲氫載體等新應用場(chǎng)景與市場(chǎng)擁有極大的應用潛力，其滲透有望不斷快速攀升，2030年全球年產(chǎn)量有望超2000萬(wàn)噸，2050年超5.6億噸，成為全球新型清潔能源供應體系的重要一環(huán)。

綠氨的定義

綠氨是無(wú)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(guò)一定的合成工藝合成為綠氨。

綠氨，與傳統氨的主要區別在于生產(chǎn)過(guò)程的無(wú)碳性質(zhì)。

從原料輸入的角度來(lái)看，綠氨由兩個(gè)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(gè)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(lái)得到；綠氫與氮通過(guò)哈伯-博世等合成氨工藝結合成氨。

在整個(gè)綠氨的生產(chǎn)過(guò)程中，所有過(guò)程均由可再生電力（綠電）驅動(dòng)，無(wú)二氧化碳的排放，滿(mǎn)足此標準的生產(chǎn)過(guò)程生產(chǎn)出的氨為“綠氨”。

 

與氫類(lèi)似，根據原料中氫氣的碳足跡，合成氨被分為灰氨、藍氨和綠氨。

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

藍氨則是將灰氨生產(chǎn)過(guò)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(lái)源的前提下，以水為原料提供綠氫，然后與氮氣混合通過(guò)熱催化或者電催化等新型低碳技術(shù)制備而成。

氨的應用

合成氨傳統應用市場(chǎng)主要集中在傳統的農業(yè)與工業(yè)方面。農業(yè)領(lǐng)域，氨主要作為尿素、復合肥的原料；工業(yè)領(lǐng)域，氨則用于生產(chǎn)車(chē)用尿素和煙氣脫硝等，其中近些年己內酰胺、丙烯 腈、硝酸、煙氣脫硝等細分工業(yè)應用市場(chǎng)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(dòng)力開(kāi)展的電解水制氫及空氣分離制氮再通過(guò)一定的合成工藝生產(chǎn)綠氨的過(guò)程，即通過(guò)綠電、綠氫制備綠氨。當前，綠氨核心的合成工藝主要可分為以下三大類(lèi)路徑，其中傳統工藝哈伯博世法應用最為成熟。

傳統工藝：基于傳統的哈伯-博世法（熱催化+高溫高壓）耦合綠氫

基于傳統哈伯-博世法（熱催化+高溫高壓） 耦合綠氫：反應壓力20～50MPa，反應溫度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(guò)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(shí)現大規模綠氨生產(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(lèi)新型工藝尚處實(shí)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。

 

結合各技術(shù)路線(xiàn)的實(shí)現方式、特點(diǎn)及成熟度來(lái)看，我們認為對傳統的哈伯法灰氨合成工藝加以改良僅能作為短期內灰氨向綠氨過(guò)渡的有益探索，但無(wú)法滿(mǎn)足大規模綠氨的供應； 靈活性更高的低溫低壓法有望成為未來(lái)大規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

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?？諝庵械幕覊m等雜質(zhì)若不提前去除，后續進(jìn)入變壓吸附制氮裝置時(shí)，可能會(huì )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(guò)壓縮空氣初步凈化，能為后續精準分離氣體奠定良好基礎。

例如，微小的灰塵顆粒長(cháng)期積累在吸附劑表面，會(huì )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(lái)分離氣體，這體現了一種高效且環(huán)保的氣體分離理念。通過(guò)精準選擇合適的吸附劑，并控制好變壓吸附的壓力變化等參數，可以精準地將氧氣、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(zhù)較強的吸附作用，在一定壓力下能優(yōu)先吸附氧氣，當壓力改變時(shí)又可實(shí)現吸附劑的再生，循環(huán)利用進(jìn)行氮氣制取，且整個(gè)過(guò)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(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能等）產(chǎn)生的電力驅動(dòng)電解槽進(jìn)行水分解，從源頭上保證了制氫過(guò)程的綠色低碳。不同類(lèi)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(diǎn)。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格。

例如，在太陽(yáng)能資源豐富的地區，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模穩定制氫的優(yōu)勢，實(shí)現了資源的合理配置，推動(dòng)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)節會(huì )影響催化劑的活性，降低合成氨的反應效率，甚至可能導致催化劑中毒失活。

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(huì )與催化劑表面發(fā)生化學(xué)反應，改變催化劑的化學(xué)結構，使其無(wú)法有效催化氮氣和氫氣的反應，所以必須通過(guò)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。準確的比例控制至關(guān)重要，因為氮氣和氫氣的反應是按照化學(xué)計量比進(jìn)行的，偏離合適比例會(huì )導致反應不完全，影響合成氨的產(chǎn)量和效率。

例如，若氫氣比例過(guò)高，多余的氫氣無(wú)法參與反應，造成原料浪費，且在后續循環(huán)過(guò)程中還會(huì )增加設備的處理負擔；若氮氣比例過(guò)高，同樣會(huì )使反應不能充分進(jìn)行。而后續通過(guò)壓縮機對混合氣體進(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更好地進(jìn)行反應，適宜的壓力有助于提高反應速率和氨的產(chǎn)率。

合成塔內反應

 混合氣體進(jìn)入合成塔后先經(jīng)過(guò)熱交換器升溫，這一步驟是為了使氣體達到催化劑發(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，催化劑在反應中起著(zhù)關(guān)鍵的催化作用，能極大地降低反應的活化能，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，在相對溫和的條件下就能順利進(jìn)行。不同的催化劑有著(zhù)不同的活性、選擇性和穩定性特點(diǎn)，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，鐵基催化劑是傳統且應用廣泛的合成氨催化劑，其成本相對合理，活性能夠滿(mǎn)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(diǎn)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(guò)冷凝器對從合成塔出來(lái)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(shí)現氨的分離。

例如，氨氣的沸點(diǎn)相對較高，在適當的低溫冷卻條件下能迅速轉變?yōu)橐簯B(tài)，便于收集儲存，而氮氣和氫氣沸點(diǎn)低，依然以氣體形式存在，可通過(guò)后續的管道等設施進(jìn)行循環(huán)再利用，這樣既得到了目標產(chǎn)品綠氨，又實(shí)現了原料氣體的高效循環(huán)利用，提高了整個(gè)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

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