СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОЧЕВИНЫ И ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ УСТАНОВКА, ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ CO2, ПОЛУЧЕННЫЙ КИСЛОРОДНО-ТОПЛИВНЫМ ГОРЕНИЕМ
2
METHOD OF PRODUCING UREA AND A PRODUCTION PLANT USING CO OBTAINED BY OXY-FUEL COMBUSTION

Перекрестная ссылка на родственные заявки
Настоящая заявка испрашивает приоритет заявки на патент Италии № 102017000090748 от 4 августа 2017, описание которой введено в настоящий документ ссылкой.
Область техники
2
Настоящее изобретение относится к способу получения мочевины и к производственной установке, использующим CO, полученный кислородно-топливным горением углеродной подачи.
2
Требования защиты окружающей среды становятся все более ощутимыми и предусматривают, в частности, тщательный мониторинг выбросов CO.
2
Поэтому в различных отраслях промышленности ищут решения, характеризующиеся высокой энергоэффективностью и снижением выбросов загрязняющих веществ и СО, например, путем рециркуляции последнего.
Уровень техники
2
2
2
2
В промышленных комплексах производства мочевины, которые обычно включают в себя установку по производству аммиака и установку по производству мочевины, CO, необходимый для синтеза мочевины, получают с установки по производству аммиака путем очистки технологического газа по известным технологиям, и направляют на установку по производству мочевины. Количество CO, которое можно получить с установки по производству аммиака, зависит от производительности самой установки (в пересчете на произведенный аммиак) и от состава подачи. В частности, в случаях подачи с высоким содержанием газообразного метана (так называемое "легкое" топливо) количество получаемого CO может быть лимитирующим, по отношению к доступному аммиаку, для производительности установки по производству мочевины. В этих случаях существует в основном два внедренных решения для повышения количества доступного CO:
1. расширение секции получении технологического газа установки по производству аммиака (то есть секции, предназначенной для получения водорода из ископаемого топлива);
2
2
2. улавливание CO из отходящих газов печи риформинга и/или из других дымовых труб (газовые турбины, вспомогательные котлы и т.д.), обычно после промывки амином или другим растворителем и последующей регенерации. Разделение проводится путем физико-химической абсорбции CO, который, чтобы его можно было использовать, должен быть сжат до давлений, подходящих для реакции синтеза мочевины.
Однако эти решения сами могут вызывать дополнительные проблемы.
2
2
В частности, в случае установок по производству аммиака, базирующихся на риформинге или газификации, расширение секции получения технологического газа этой установки по производству аммиака в целях повышения выработки CO влечет соответствующее повышение расхода энергии; с другой стороны, в случае извлечения CO из дымовых труб необходимо учитывать расходы на размещение нового блока и эксплуатационные расходы на регенерацию и повторное использование растворителя.
2
2
2
С другой стороны, в случае установок по производству аммиака, которые базируются на риформинге или газификации углеводородов (например, когда H и N доступны из других источников, внешних по отношению к установкам), превратить полученный аммиак в мочевину невозможно из-за нехватки CO, который должен предоставляться из других источников.
2
Одна известная технология получения CO основана на процессах кислородно-топливного горения.
Вкратце, кислородно-топливное горение представляет собой вид горения, в котором топливо сжигается с использованием кислорода в качестве основного окислителя вместо воздуха.
2
2
2
2
Вообще говоря, поскольку отсутствует азот воздуха, концентрация CO в отходящих газах кислородно-топливного горения повышается. Действительно, при кислородно-топливном горении в основном образуются водяной пар и концентрированный диоксид углерода, что упрощает отделение CO и/или его рециркуляцию. Сбрасываемые отходящие газы имеют значительно более низкое содержание азота по сравнению с тем, что может быть получено в традиционных процессах горения (и, следовательно, также определенно более низкое содержание оксидов азота, которые обычно образуются в традиционных процессах сжигания в воздухе и являются особенно опасными загрязнителями), и содержат в основном CO и водяной пар. Следовательно, благодаря охлаждению отработавших газов с целью конденсации воды, CO извлекают с минимальным расходом энергии. Кроме того, отсутствие азота в процессе горения приводит к улучшению энергоэффективности системы, поскольку не производится нагрев инертных материалов.
2
Один пример применения кислородно-топливного горения для извлечения CO в промышленных процессах/установках по производству аммиака и мочевины описан в заявке US 2015/0183650.
В частности, в US 2015/0183650 описывается объединение секции синтеза аммиака со стандартной системой кислородно-топливного горения. Такая секция синтеза аммиака содержит блок синтеза аммиака, где получают неочищенный аммиак из водорода и азота, и блок разделения, где неочищенный аммиак конденсируют и отделяют от непрореагировавшего азота и водорода, получая поток очищенного аммиака. Реактор кислородно-топливного горения, в котором происходит сжигание топлива в присутствии кислорода, поступающего с блока разделения воздуха, используется для регенерации горячей воды или пара, должен быть объединен по теплу с установкой по производству аммиака, в частности, через термосоединительные линии, которые соединяют реактор кислородно-топливного горения с блоком синтеза аммиака, и/или блок отделения воздуха с блоком отделения аммиака.
2
2
Объединенная установка, описанная в US 2015/0183650, производит аммиак (используя водород, поставляемый из других источников, внешних для установки, и азот, полученный в секции разделения воздуха) и CO, удавливаемый в процессе кислородно-топливного горения. В одном частном приложении предусмотрено также превращение самих продуктов (аммиака и CO) в мочевину в специальной установке по производству мочевины.
В подходе, предложенном в US 2015/0183650, установка по производству аммиака необходима как для очистки отходящих газов, выходящих со стандартной секции кислородно-топливного горения (с высоким содержанием NOx и SOx, если подача содержит азот и серу), и для последующего синтеза мочевины, если таковой проводится.
Однако оказалось, что установки и способы типа, описанного в US 2015/0183650, как и другие, по существу аналогичные, не могут быть полностью удовлетворительными, по меньшей мере для некоторых областей применения.
2
Например, в описанной выше гипотетической установке по производству мочевины, в которой CO оказался лимитирующим в отношении доступного аммиака, подход, предложенный в US 2015/0183650, не применим по следующим причинам:
2
- необходимы дополнительные секции синтеза аммиака и разделения, объединенные по теплу с блоком кислородно-топливного горения. Следовательно, невозможно получать только CO, требующийся для сведения материального баланса, без одновременного получения аммиака;
2
- H необходимо предоставлять из другого блока установки.
Кроме того, обычное кислородно-топливное горение не позволяет подавать несколько видов подач произвольной природы и может быть подвержено типичным проблемам любой камеры горения, связанным с изменениями в потоке топлива.
Описание изобретения
Одной из целей настоящего изобретения является разработать способ и установку получения мочевины, которые позволяют устранить указанные выше недостатки предшествующего уровня техники.
В частности, одна из целей изобретения состоит в повышении эффективности известных способа/установки получения мочевины и в повышении их гибкости в отношении типа и скорости подачи.
Таким образом, настоящее изобретение относится к способу получения и установке для получения мочевины, как определено в пункте 1 и, соответственно, пункте 13 прилагаемой формулы изобретения.
Дополнительные предпочтительные признаки изобретения определены в зависимых пунктах.
Согласно изобретению, часть или весь диоксид углерода, необходимый для синтеза мочевины, производится в процессе кислородно-топливного горения углеродной подачи, осуществляемого в особых режимах: в частности, способ кислородно-топливного горения является способом беспламенного кислородно-топливного горения, предпочтительно под давлением.
Таким образом, процесс кислородно-топливного горения и соответствующий блок кислородно-топливного горения, в котором он проводится, встроены в процесс/установку по производству мочевины более эффективным и более выгодным способом по сравнению с предшествующим уровнем техники, в частности, по сравнению с решением, предложенным в US 2015/0183650, что позволяет управлять подачей углеродной подачи, имеющей разное физическое состояние и разный состав, при переменных потоках внутри одной и той же камеры горения и без наличия отходящих газов с высоким содержанием NOx и Sox, которые требуют очистки.
Кислородно-топливное горение проводится в особом реакторе, предпочтительно реакторе высокого давления, который может быть встроен в уже существующую или новую установку по производству мочевины.
Таким образом, изобретение предоставляет следующие основные преимущества:
2
- улавливание CO значительно упрощается благодаря его высокой концентрации в отходящих газах и низкому содержанию загрязняющих веществ и инертных материалов;
- большая гибкость в отношении углеродного подачи позволяет использовать отходы с соседних установок, которые в противном случае являются сложными для контроля и/или утилизации;
- избыток электрической энергии и/или пара можно отводить на внешнее применение и/или использовать внутри эксплуатируемого комплекса, что повышает его эффективность;
2
2
- при осуществлении беспламенного кислородно-топливного горения под давлением можно улавливать сжатый CO, что снижает расходы на сжатие, необходимые, чтобы довести CO до давления, требуемого в установке по производству мочевины;
- проводя беспламенное кислородно-топливное горение под давлением, можно значительно уменьшить секцию обработки отходящих газов, в которой, в частности, больше не требуется промывка аммиаком;
- можно уменьшить (а в некоторых частных случаях, в зависимости от подаваемой подачи, даже исключить) количество пассивирующего воздуха, возможно требуемого установкой по производству мочевины из-за использования избытка кислорода в отходящих продуктах горения;
2
2
- можно сочетать установку по производству мочевины с установкой по производству аммиака, даже когда аммиак производят по технологиям, отличным от риформинга или газификации углеводородов, например, исходя из чистых H и N.
2
Одним словом, изобретение позволяет повысить производительность существующих установок по производству мочевины, обеспечивая необходимое количество CO относительно доступного аммиака.
2
Кроме того, можно использовать CO, получаемый в процессе/установке кислородно-топливного горения в новой установке по производству мочевины, независимо от способа получения мочевины и возможного наличия аммиака из других источников.
Краткое описание чертежей
Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения выявятся из описания следующих неограничивающих вариантов его осуществления с обращением к прилагаемым чертежам, на которых:
- фигура 1 является блок-схемой, схематически и упрощенно показывающей установку по производству мочевины, оснащенную интегрированным блоком кислородно-топливного горения, согласно изобретению; - фигура 2 схематически показывает вариант установки с фигуры 1, также содержащей аммиачный блок для производства аммиака.
Наилучший способ осуществления изобретения
2
На фигуре 1 установка по производству мочевины, обозначенная как целое позицией 1, содержит мочевинный блок 2 для получения мочевины по реакции аммиака и диоксида углерода, и блок 3 кислородно-топливного горения, в котором получают диоксид углерода (CO), отправляемый на мочевинный блок 2 для подачи на реакцию синтеза мочевины из аммиака и диоксида углерода.
Мочевинный блок 2 (который может также представлять собой существующую установку, "усовершенствованную" путем встраивания блока 3 кислородно-топливного горения), сам по себе хорошо известен и поэтому для простоты не описывается и не иллюстрируется подробно.
Мочевинный блок 2, как и осуществляемый в нем процесс получения мочевины, могут быть различного типа.
TM
Например, но не обязательно, мочевинный блок 2 может быть сконструирован так, чтобы осуществлять традиционный способ производства мочевины по технологии Snamprogetti, но понятно, что изобретение применимо также к другим установкам/способам производства мочевины.
Как правило, мочевинный блок 2 содержит в основном: секцию синтеза мочевины, где протекает реакция синтеза мочевины из аммиака и диоксида углерода; несколько секций извлечения (например, секция извлечения при высоком давлении, секция извлечения при умеренном давлении и секция извлечения при низком давлении), в которых раствор мочевины, полученный в секции синтеза, постепенно концентрируется с удалением из него непрореагировавших аммиака и диоксида углерода, а также воды, и происходит рециркуляция извлеченных компонентов; секцию сгущения под вакуумом, соединенную с секцией обработки технологических конденсатов (в основном воды); секцию отделки/отверждения, содержащую, например, грануляционную установку или грануляционную башню.
2
В мочевинный блок 2 поступает CO (для использования в качестве реагента в реакции синтеза мочевины), полученный в блоке 3 кислородно-топливного горения.
В блок 3 кислородно-топливного горения по линии 4 подачи топлива подается углеродная подача (топливо), а по линии 5 подачи кислорода подается кислородный поток (окислитель).
Подача, подаваемая в блок 3 кислородно-топливного горения, может быть любого типа и может находиться в любом физическом состоянии (например, газ с низкой теплотворной способностью, жидкие или твердые остатки с нефтепереработки, отходы, биомасса, уголь и т.д.). При необходимости, например, в случае угольных электростанций, подача до напрвления в блок 3 кислородно-топливного горения может быть предварительно обработана в блоке 6 предварительной обработки, находящейся на линии 4 подачи топлива.
Кислород, подаваемый в блок 3 кислородно-топливного горения, производится в блоке 7 генерации кислорода, соединенном с блоком 3 кислородно-топливного горения через линию 5 подачи кислорода.
Блок 7 генерации кислорода представляет собой, например, блок разделения воздуха, как таковой известный, предназначенный для разделения воздуха на азот и кислород.
Разделение воздуха может проводиться по любой известной технологии, например, путем дробной перегонки или криогенного фракционирования, мембранного разделения, адсорбции на подходящих материалах (молекулярные сита, цеолиты и т.д.), в частности, методами так называемой короткоцикловой адсорбции (Pressure Swing Adsorption, PSA), или вакуумной короткоцикловой адсорбции (Vacuum Swing Adsorption, VSA), или путем гибридных решений (Vacuum Pressure Swing Adsorption, VPSA).
Следует понимать, что блок 7 генерации кислорода может быть блоком другого типа, например, действующим путем электролиза водных растворов.
Предпочтительно, как показано на фигуре 2, в случае, если установка 1 по производству мочевины включает в себя или находится рядом с аммиачным блоком 8, где производится аммиак, и аммиачный блок 8 базируется на технологии автотермического риформинга (AutoThermal Reforming, ATR), при которой используется блок криогенного разделения воздуха, блок 7 генерации кислорода представляет собой блок разделение воздуха, задаваемый указанным уже существующим блоком криогенного разделения воздуха, что обеспечивает заметное уменьшение инвестиций и эксплуатационных расходов. Таким образом, блок 7 генерации кислорода (то есть блок разделения воздуха) соединен, помимо блока 3 кислородно-топливного горения, также с аммиачным блоком 8 по линии 9 азота и линии 10 кислорода, по которым азот и кислород подаются в аммиачный блок 8.
Количество и чистота кислорода, требуемые для блока 3 кислородно-топливного горения, во всех случаях таковы, чтобы разделение воздуха могло производиться также по технологиям, альтернативным криогенному фракционированию, более удобным в терминах инвестиций, чем уже упоминавшиеся методы адсорбции или мембранного разделения, которые обеспечивают подачу кислорода с содержанием 90-95 об.% или ниже.
Обычно в блок 3 кислородно-топливного горения подается кислородный поток, содержащий по меньшей мере примерно 80 об.%, предпочтительно по меньшей мере 90 об.% кислорода.
Блок 3 кислородно-топливного горения представляет собой, в частности, блок беспламенного кислородно-топливного горения, в частности, блок беспламенного кислородно-топливного горения под давлением, предназначенный для осуществления беспламенного сжигания топлива кислородом, в частности, беспламенного сжигания топлива в присутствии кислорода и под давлением.
В процессе беспламенного кислородно-топливного горения (предпочтительно под давлением), проводимом в блоке 3 кислородно-топливного горения, в частности, в камере горения (топочной камере) блока 3 кислородно-топливного горения, углеродная пождача (топливо) сжигается кислородом в таких рабочих условиях, что горение происходит без образования пламени.
Согласно изобретению, камера горения блока 3 кислородно-топливного горения представляет собой камеру беспламенного горения, предпочтительно она является изотермической и находится под давлением.
Предпочтительно, рабочее давление (избыточное) в камере горения лежит в интервале от 0 до 40 бар.
Предпочтительно, температура горения составляет от примерно 800°C до примерно 1800°C, предпочтительно от примерно 1000°C до примерно 1500°C.
В качестве примера, процесс беспламенного кислородно-топливного горения (предпочтительно под давлением) проводится в режимах и в камере горения, описанных в одном или более из следующих документов: WO2009071230, WO2009071238, WO2009071239, WO2014016235, WO2014016237, WO2015097001.
2
В процессе кислородно-топливного горения образуются отходящие газы, содержащие, в частности CO, которые выходят из блока 3 кислородно-топливного горения по выпускной линии 11, и расплавленные отходы, которые отверждаются и инертизируются, а затем удаляются из блока 3 кислородно-топливного горения по сливной линии 12.
Блок 3 кислородно-топливного горения соединен по выпускной линии 11 с блоком 13 отбора тепла.
Отходящие газы, образованные в процессе кислородно-топливного горения, при температурах ориентировочно 1000°C-1500°C, направляются по выпускной линии 11 в блок 13 отбора тепла, где тепловая энергия преобразуется в пар и/или электроэнергию для поддержки энергопотребления установки 1.
Таким образом, блок 13 отбора тепла предназначен для извлечения тепла из указанных отходящих газов, образованных в блоке 3 кислородно-топливного горения, и производства пара и/или электрической энергии.
Например, блок 13 отбора тепла содержит котел, в который подается вода по водопроводу 14, и который производит пар, использующийся в качестве нагревательной среды для нагрева других технологических потоков в установке 1 и/или для выработки электроэнергии турбиной, соединенной с генератором.
В частности, пар и/или электроэнергия, образованные в блоке 13 отбора тепла, используются, например, в блоке 15 очистки и сжатия (описанном ниже), который питает мочевинный блок 2 диоксидом углерода, или в блоке 7 генерации кислорода.
Возможный избыток пара и/или электроэнергии может использоваться в существующей сети установки 1, тем самым улучшая общую эффективность самой установки, или отправляется на внешнее потребление (то есть поставляется потребителям, внешним по отношению к установке 1).
Пар в блоке 13 отбора тепла можно получать при любом желаемом уровне давления (например, путем извлечения пара с разных ступеней паровой турбины), так что этот блок можно легко встроить в существующую установку.
Таким образом, когда блок 3 кислородно-топливного горения вводится в уже существующую установку 1 по производству мочевины, что приводит к повышению производительности по мочевине, часть пара и/или энергии, произведенных в блоке 13 отбора тепла, можно направить в мочевинный блок 2 для поддержки большего потребления вследствие повышения уровня производства.
2
Другим способом генерирования электроэнергии может быть, например, сверхкритический цикл CO вместо традиционного парового цикла.
Часть отходящих газов, выходящих из блока 13 отбора тепла, рециркулируется по линии 16 рециркуляции отходящих газов, снабженной воздуходувкой 17, в блок 3 кислородно-топливного горения и, возможно, в блок 13 отбора тепла.
В частности, линия 16 рециркуляции отходящих газов сама вводится в линию 15 подачи кислорода посредством первого ответвления 16a и факультативно соединяется, через второе ответвление 16b, с блоком 13 отбора тепла.
2
2
2
Оставшаяся часть отходящих газов, выходящих из блока 13 отбора тепла, обрабатывается в секции 20 извлечения CO, предназначенной для извлечения (выделения) CO из отходящих газов со спецификацией по чистоте CO, подходящей для подачи в реакцию синтеза мочевины, проводимую в мочевинном блоке 2.
2
Блок 13 отбора тепла в таком случае соединен участком 11a выпускной линии 11 с секцией 20 извлечения CO.
2
Например, секция 20 извлечения CO содержит блок 21 обработки отходящих газов, блок 22 конденсации и блок 15 очистки и сжатия, последовательно соединенные с блоком 13 отбора тепла и друг с другом соответствующими участками 11a, 11b, 11c выпускной линии 11.
Обработка отходящих газов требуется в основном для того, чтобы удалить из отходящих газов загрязняющие вещества, возможно присутствующие в углеродной подаче, подаваемой в блок кислородно-топливного горения, такие как сера, хлор и т.д.
Тип обработки отходящих газов зависит от состава углеродной подачи, подаваемой в блок кислородно-топливного горения и, следовательно, от присутствующих в нем загрязняющих веществ.
Например, если подается углеродная подача, имеющая высокое содержание серы, блок 21 обработки отходящих газов должен быть способен удалять серу до спецификаций, требуемых конечным потребителем и/или последующими обработками; среди различных возможностей можно назвать, например, обработку на основе извести. Если в подаваемой подаче присутствует хлор, можно провести обработку на основе каустической соды и т.д.
Конечно, блок 21 обработки отходящих газов может быть выполнен с возможностью осуществления различных других видов обработки, тем не менее, эти обработки в любом случае проще и требуют меньшего потребления энергии по сравнению с осуществляемым ниже по потоку традиционным горением и обычным кислородно-топливным горением.
2
2
В одном варианте осуществления в отходящих газах, образующихся в процессе кислородно-топливного горения, имеется избыток кислорода. Избыток кислорода в отходящих газах полезно поддерживать в потоке CO, подаваемом в мочевинный блок 2, поскольку это позволяет уменьшить количество пассивирующего воздуха, возможно смешанного с CO, чтобы обеспечить пассивацию металлических поверхностей в мочевинном блоке 2, что дополнительно повышает общую эффективность установки 1.
2
2
2
Отходящие газы, обработанные в блоке 21 обработки отходящих газов, направляются затем в конденсационный блок 22, где они подвергаются конденсации для удаления присутствующей воды, которую удаляют по линии 23 извлечения конденсатов; затем в блок 15 очистки и сжатия, где CO отделяется от отходящих газов. Поток CO, отделенный от отходящих газов, подается в мочевинный блок 2 по линии 24 подачи CO, а отходящие газы, содержащие инертные материалоы выпускаются, например в дымовую трубу по линии 25 выпуска отходящих газов.
2
В одном варианте осуществления поток газа, поступающий из блока 3 кислородно-топливного горения и из блока 13 отбора тепла по участку 11a выпускной линии 11, уже имеет спецификации по чистоте, требуемые для мочевинного блока 2, в этом случае целесообразно, чтобы секция 20 извлечения CO содержала только конденсационный блок 22 (поскольку блок 21 обработки отходящих газов не нужен), и блок 15 сводится только к блоку конденсации (без необходимости очистки).
2
2
CO, выходящий из блока 15 очистки и сжатия, направляется в мочевинный блок 2 и вводится в наиболее подходящую часть мочевинного блока 2, предпочтительно уже при требуемом давлении и, возможно, в смеси с потоком CO, уже имеющимся на установке 1.
2
В одном варианте осуществления блок 3 кислородно-топливного горения и последующая секция 20 извлечения CO обеспечивают все количество диоксида углерода, необходимое для мочевинного блока 2.
2
В этом случае поток CO, выходящий из блока 15 очистки и сжатия, подается напрямую в секцию синтеза мочевинного блока при давлении примерно 140-200 бар и при температуре примерно 90°C-150°C.
2
2
В других вариантах осуществления поток CO, поступающий с блока 15 очистки и сжатия, направляется вместо этого на выход (выпуск) компрессора CO мочевинного блока 2 (при избыточном давлении примерно 160 бар или выше), на вход (впуск) того же компрессора (при избыточном давлении от 0 до 2 бар) или на одну из промежуточных стадий (при промежуточном избыточном давлении от 2 до 160 бар).
Наконец, следует понимать, что в описанные выше способ и установку могут быть внесены дальнейшие модификации и изменения, не выходящие за объем приложенной формулы.