СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ С ВЫСОКОЙ СТЕПЕНЬЮ РЕГЕНЕРАЦИИ ЭНЕРГИИ И ПРИМЕНЕНИЕМ ЖИДКОЙ КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩЕЙ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
METHOD FOR PRODUCTION OF NITRIC ACID WITH HIGH DEGREE OF ENERGY REGENERATION AND USE OF LIQUID OXYGEN-CONTAINING FLUID

Область техники настоящего изобретения
Настоящее изобретение относится к области техники химических процессов. В частности, настоящее изобретение относится к способу производства азотной кислоты, в частности, к способу производства азотной кислоты в сочетании с одним или несколькими способами, осуществляемыми выше по потоку и/или ниже по потоку относительно производства азотной кислоты, такими как производство аммиака, в частности, производство аммиака с применением водорода, производимого посредством электролиза воды, и производство удобрений на основе нитратов, соответственно. Настоящее изобретение также относится к системам для осуществления способа производства азотной кислоты согласно настоящему изобретению.
Уровень техники настоящего изобретения
2
Азотную кислоту, как правило, производят многостадийным способом, в котором аммиак окисляют с образованием оксидов азота, которые затем абсорбируют водой с получением азотной кислоты. На первой стадии безводный аммиак окисляют кислородом или воздухом, получая оксид азота (NO) и воду (пар), в присутствии катализатора (например, катализатора на основе платины или родия). Эта стадия сжигания аммиака представляет собой сильно экзотермический процесс, который обычно происходит при температуре, составляющей приблизительно от 700 до 1000°С. На следующей стадии монооксид азота, содержащийся в газе от сжигания аммиака, дополнительно окисляют, получая диоксид азота (NO) (например, в окислительной секции). Наконец, диоксид азота абсорбируют водой (как правило, в выделенном абсорбере) с образованием целевой азотной кислоты. Перед стадией абсорбции воду (водяной пар) в составе газа от сжигания аммиака конденсируют посредством охлаждения газа от сжигания.
Современные установки по производству азотной кислоты эксплуатируют при повышенном давлении, чтобы обеспечить повышенные концентрации кислоты и повышенные скорости окисления NO и уровни эффективности абсорбера. В установках с применением единственного уровня давления сжигание аммиака и абсорбцию оксидов азота осуществляют при умеренных значениях абсолютного давления (приблизительно от 3 бар вплоть до 6 или 7 бар) или при высоком абсолютном давлении (приблизительно от 7 бар до 12 бар, вплоть до 20 бар). В установках с применением двух уровней давления сжигание аммиака происходит при умеренном абсолютном давлении, составляющем приблизительно от 3 до 6 бар, в то время как абсорбция с образованием азотной кислоты происходит при высоком абсолютном давлении, составляющем от 10 до 15 бар. В указанных системах, как правило, присутствует турбодетандер (называется термином «турбина отходящего газа») для регенерации энергии из остаточного газа или отходящего газа перед его выпуском в атмосферу. Кроме того, в целях конденсации газов и водяного пара от устройства для сжигания аммиака или горелки установлены теплообменники между горелкой и абсорбером. Например, в указанных системах, котел-утилизатор отработанных газов, как правило, установлен после каталитической секции в горелке. Хотя современные установки по производству азотной кислоты в результате этого содержат энергорегенерационные системы, как правило, они обладают неудовлетворительной способностью к регенерации этой энергии, в частности, в целях производства электроэнергии, также вследствие большого количества производимого низкосортного тепла (низкосортным теплом называется тепло, имеющее низкое экономическое значение). Современная технология производства азотной кислоты позволяет регенерировать лишь приблизительно от 25 до 30% выделяющейся при сжигании энергии в форме экспортируемого пара, и в случае применения этого пара для производства электроэнергии, получаемый термический коэффициент полезного действия, как правило, составляет менее чем 10%.
3
Когда в производстве аммиака применяют электролиз воды в качестве источника водорода, энергопотребление составляет, как правило, 9,5 МВт на тонну NH, причем приблизительно 90% этой энергии расходуют электролизеры (см. работу Grunt и Christiansen, International Journal of Hydrogen Energy 7 (1982) 247-257)). Кроме того, приблизительно 20% энергии, которая поступает в электролитические установки, высвобождается в форме низкосортного тепла при 90°С.
Таким образом, лишь небольшая доля энергии, которая требуется для производства аммиака, используемого в способе производства азотной кислоты, регенерируется в современном способе производства азотной кислоты.
В последнее время солнечные электростанции и ветровые электростанции начали превосходить традиционные (например, использующие ископаемое топливо) способы производства электроэнергии в отношении экономичности. Согласно всеобщим ожиданиям, ветровая и солнечная энергетика позволит в возрастающей степени вытеснять ископаемое топливо. Эта эволюция открывает возможность производства так называемого «экологичного аммиака» и «экологичных нитратов», где энергопотребление производственного процесса удовлетворяется за счет возобновляемых источников энергии.
Однако важную проблему в этом контексте представляет собой периодичность энергоснабжения из возобновляемых источников. Это не только играет огромную роль в стоимости производства (вследствие работы при пониженной нагрузке или даже полного прекращения работы в течение нескольких часов в сутки), но в способе производства аммиака это периодическое энергоснабжение также производит значительный отрицательный технический эффект. В частности, в отличие от электролизеров, современная технология контура Габера-Боша не позволяет запускать и останавливать реактор множество раз, поскольку в этом способе катализатор и материалы в реакторе являются весьма чувствительными к нагреванию и охлаждению. Таким образом, периодичность энергоснабжения, обеспечиваемого из возобновляемых источников, таких как ветровая или солнечная энергия, может производить неблагоприятное воздействие на эту часть данного способа. Хотя периодичность энергоснабжения может быть преодолена, например, посредством применения аккумуляторов, которые в случае солнечной энергетики запасают энергию в течение дня и высвобождают ее в течение ночи, это приводит к значительными капитальным расходам, включая расходы на аккумуляторы, а также дополнительные солнечные или ветровые энергетические установки, требуемые для зарядки этих аккумуляторов.
Соответственно, существует потребность в способах и системах производства азотной кислоты, которые обладают высокой энергетической эффективностью и/или расходуют меньше энергии, а также способны эффективно превращать возобновляемую электроэнергию в аммиак, азотную кислоту и/или нитраты, чтобы преодолевать по меньшей мере частично вышеупомянутые недостатки применения возобновляемых источников энергии.
Краткое раскрытие настоящего изобретения
Согласно первому аспекту настоящей заявки предложен способ производства азотной кислоты, включающий следующие стадии:
(a) каталитическое сжигание смеси аммиака и кислородсодержащей текучей среды, в частности, воздуха и/или кислорода, в аммиачной горелке, с получением потока от сжигания аммиака;
(b) по меньшей мере частичное окисление оксида азота в потоке от сжигания аммиака, полученном на стадии (а), с образованием диоксида азота;
(c) абсорбция в водном растворе посредством абсорбера диоксида азота, с получением концентрированного водного потока, содержащего азотную кислоту,
при этом кислородсодержащая текучая среда поступает в аммиачную горелку через питающий кислородсодержащей текучей средой трубопровод, причем по меньшей мере в одной секции питающего кислородсодержащей текучей средой трубопровода кислородсодержащая текучая среда представляет собой жидкость;
(d) увеличение давления кислородсодержащей жидкости в питающем кислородсодержащей текучей средой трубопроводе, с получением сжатой кислородсодержащей жидкости, причем сжатая кислородсодержащая жидкость имеет абсолютное давление, составляющее по меньшей мере 10 бар, в частности по меньшей мере 50 бар, более конкретно, по меньшей мере 100 бар или по меньшей мере 150 бар, и еще более конкретно, это абсолютное давление составляет от 150 до 250 бар;
(e) испарение или кипение сжатой кислородсодержащей жидкости, полученной на стадии (d), в частности, посредством тепла, рекуперированного ниже по потоку относительно аммиачной горелки, с получением сжатого кислородсодержащего газа; и
(f) расширение сжатого кислородсодержащего газа в первой турбине (200), которая, в частности, присоединена к генератору (220) для производства электроэнергии.
2
2
2
2
2
2
2
2
Кислородсодержащая текучая среда представляет собой, в частности, воздух, чистый кислород (О) или смесь, содержащую кислород (О). В частности, смесь содержит по меньшей мере 10 мол.% О, более конкретно, по меньшей мере 15 мол.% О, еще более конкретно, по меньшей мере 20 мол.% О, еще более конкретно, по меньшей мере 50 мол.% О, еще более конкретно, по меньшей мере 90 мол.% О и, наиболее конкретно, по меньшей мере 95 мол.% О. В частности, способ дополнительно включает стадию смешивания кислородсодержащей текучей среды с аммиаком перед введением аммиака и кислородсодержащей текучей среды в аммиачную горелку, более конкретно, смешивание происходит в смесительной установке или смесительном трубопроводе. В контексте настоящей заявки, смесительная установка или смесительный трубопровод рассматривается в качестве части питающего кислородсодержащей текучей средой трубопровода.
Электроэнергия может поступать для одного или несколько предварительных процессов, осуществляемых выше по потоку относительно процесса производства азотной кислоты, таких как основанное на электролизе производство газообразного водорода в способе производства аммиака и/или эксплуатация воздухоразделительной установки для производства газообразного азота в целях применения в способе производства аммиака. Преимущественно электроэнергия может поступать для предварительных процессов, осуществляемых выше по потоку, когда прерывается энергоснабжение из возобновляемых источников (например, в ночное время в случае солнечной энергии).
Согласно конкретным вариантам осуществления настоящего изобретения способ производства азотной кислоты дополнительно включает стадию дополнительного нагрева или перегрева сжатого кислородсодержащего газа, полученного на стадии (е), посредством одного или нескольких нагревателей (122), выполненных с возможностью рекуперации тепла ниже по потоку относительно аммиачной горелки (100) перед расширением сжатого кислородсодержащего газа на стадии (f).
2
2
В способе согласно настоящей заявке жидкую кислородсодержащую текучую среду сначала сжимают (причем для этого требуется значительно меньше энергии, чем для сжатия соответствующей текучей среды в газообразной форме), а затем кипятят и, в частности, дополнительно нагревают. Преимущественно испарение и дополнительное нагревание кислородсодержащей текучей среды можно осуществлять с применением низкосортного отбросного тепла, т.е. при температуре на уровне 100°С и ниже. Таким образом, согласно конкретным вариантам осуществления осуществляют дополнительный нагрев или перегрев кислородсодержащей текучей среды, в частности, сжатого кислородсодержащего газа, используя тепло, рекуперированное в абсорбере; тепло, рекуперированное в конденсаторе; и/или тепло, рекуперированное в теплообменнике (охлаждающей установки) ниже по потоку относительно аммиачной горелки. Согласно конкретным вариантам осуществления дополнительный нагрев или перегрев кислородсодержащей текучей среды, в частности, сжатого кислородсодержащего газа, осуществляют постепенным образом, используя сначала низкосортное рекуперированное тепло, такое как тепло, регенерированное из абсорбционных и/или конденсационных установок, а затем используя рекуперированное тепло более высокого сорта, регенерированное посредством теплообменников из содержащего NO или NO потока перед конденсатором и абсорбером. Другими словами, сжатый кислородсодержащий газ сначала нагревают, используя низкосортное тепло, регенерированное из абсорбционных и/или конденсационных установок (которые работают при температурах ниже 100°С), прежде чем осуществляют дополнительный нагрев/перегрев, используя тепло более высокого сорта, регенерированное посредством теплообменников из содержащего NO или NO потока, и после этого поток поступает в конденсатор и абсорбер.
Таким образом, осуществляют стадию перегрева кислородсодержащей текучей среды, в частности, сжатого кислородсодержащего газа, используя последовательно тепло, производимое двумя или большим числом из следующих источников, в такой последовательности: (1) абсорбер; (2) конденсатор; (3) теплообменник, расположенный выше по потоку относительно конденсатора, например, между конденсатором и окислительной установкой; и/или (4) теплообменник, расположенный выше по потоку относительно окислительной установки и ниже по потоку относительно аммиачной горелки.
Способ производства азотной кислоты согласно настоящей заявке, включающий применение жидкой кислородсодержащей текучей среды, может быть объединен с классическими способами или системами производства азотной кислоты, которые упомянуты в разделе «Уровень техники», причем тепло, которое содержит газ от сжигания аммиака (представляющий собой поток, содержащий оксид азота), улавливают посредством одного или нескольких теплообменников или конденсаторов, расположенных ниже по потоку относительно аммиачной горелки и выше по потоку относительно абсорбера, и при этом уловленное тепло может быть использовано для кипячения сжатой кислородсодержащей жидкости и/или в целях нагрева или перегрева сжатого кислородсодержащего газа. Кроме того, способ производства азотной кислоты согласно настоящей заявке также может быть объединен с другими средствами регенерации энергии и производства электроэнергии, которые рассматриваются в настоящей новой концепции способа и системы производства азотной кислоты с высокой эффективностью использования энергии и материалов.
Согласно определенным вариантам осуществления способ производства азотной кислоты дополнительно включает стадию предварительного нагревания горючей смеси, которая образуется в смесительном трубопроводе, в частности, с применением тепла, регенерированного посредством теплообменника, расположенного между окислительной установкой и конденсатором или между окислительной установкой и абсорбером.
2
2
x
Согласно особенно преимущественным вариантам осуществления способ производства азотной кислоты дополнительно включает перед стадией (а) стадию производства аммиака посредством каталитического превращения H и N, при этом аммиак подвергают последующему сжиганию для получения NO, а затем превращению в азотную кислоту. Таким образом, согласно конкретным вариантам осуществления стадия производства аммиак выполнена с возможностью повышения эффективности использования энергии и/или материалов. Согласно конкретным вариантам осуществления способ производства азотной кислоты включает следующие стадии:
(a) каталитическое сжигание аммиака в аммиачной горелке в присутствии кислородсодержащей текучей среды, с получением потока, содержащего оксид азота;
x
(b) по меньшей мере частичное окисление NO в потоке, содержащем оксид азота, с образованием потока, содержащего диоксид азота;
(c) абсорбция диоксида азота в водном растворе посредством абсорбера, с получением водного потока, содержащего азотную кислоту,
при этом кислородсодержащая текучая среда поступает в аммиачную горелку через питающий кислородсодержащей текучей средой трубопровод, причем по меньшей мере в одной секции питающего кислородсодержащей текучей средой трубопровода кислородсодержащая текучая среда представляет собой жидкость;
(d) увеличение давления кислородсодержащей жидкости в питающем кислородсодержащей текучей средой трубопроводе, с получением сжатой кислородсодержащей жидкости, причем сжатая кислородсодержащая жидкость имеет абсолютное давление, составляющее по меньшей мере 10 бар, в частности по меньшей мере 50 бар, более конкретно, по меньшей мере 100 бар или по меньшей мере 150 бар, и, еще более конкретно, она имеет давление, составляющее от 150 до 250 бар;
(e) испарение или кипячение сжатой кислородсодержащей жидкости, в частности, с применением тепла, рекуперированного ниже по потоку относительно аммиачной горелки, с получением сжатого кислородсодержащего газа;
(f) необязательный дополнительный нагрев и/или перегрев сжатого кислородсодержащего газа посредством одного или нескольких нагревателей, выполненных с возможностью рекуперации тепла ниже по потоку относительно аммиачной горелки, и
(g) расширение сжатого кислородсодержащего газа, в частности, перегретого кислородсодержащего газа в первой турбине (200), которая, в частности, присоединена к генератору (220) для производства электроэнергии;
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
и при этом способ дополнительно включает перед стадией (а) стадию производства аммиака посредством каталитического превращения H и N в контуре синтеза Габера-Боша, в частности, в соответствующей конвертерной установке, с получением потока аммиачного продукта, причем азот поступает в конвертер через азотный питающий трубопровод, и при этом по меньшей мере в одной секции азотного питающего трубопровода азот находится в жидком состоянии. Согласно конкретным вариантам осуществления давление жидкого азота увеличивается, в частности, посредством применения криогенного насоса или компрессора, в частности, до абсолютного давления, составляющего по меньшей мере 10 бар, более конкретно, по меньшей мере 50 бар, еще более конкретно, по меньшей мере 100 бар, еще более конкретно, по меньшей мере 150 бар, или до абсолютного давления, составляющего от 150 бар до 250 бар, и, согласно конкретным вариантам осуществления после этого сжатый жидкий N испаряется, и, таким образом, образуется сжатый газообразный N. Сжатый газообразный N смешивается со сжатым H и со сжатым рециркуляционным потоком, содержащим непрореагировавшие N и H, и, таким образом, образуется реакционная смесь, которая поступает в конвертерную установку в контуре Габера-Боша, в частности, после предварительного нагревания, например, с применением тепла, регенерированного ниже по потоку относительно конвертерной установки. Поток аммиачного продукта, который выходит из конвертерной установки, поступает в сепаратор для отделения аммиака, в частности, жидкого аммиака, получаемого посредством охлаждения потока аммиачного продукта, от не прореагировавших H и N.
Согласно конкретным вариантам осуществления отделенный аммиак после этого подвергают испарению и необязательно нагреву или перегреву, используя, в частности, тепло, регенерированное из контура синтеза Габера-Боша и/или в способе производства азотной кислоты. Преимущественно способ дополнительно включает стадию расширения отделенного аммиака, в частности, перегретого аммиака, во второй турбине, в частности, турбине высокого давления, которая находится, в частности, в технологическом соединении с генератором для производства электроэнергии. Согласно следующим преимущественным вариантам осуществления способ дополнительно включает стадию охлаждения и конденсации расширенного аммиака и пропускания сконденсированного аммиака в основанную на аммиачном цикле Ренкина энергорегенерационную систему, причем по меньшей мере часть полученного аммиака используют в качестве рабочей текучей среды перед направлением в аммиачную горелку, и третью турбину используют для получения работы от аммиачной рабочей текучей среды.
Согласно другому аспекту настоящей заявки предложена система производства азотной кислоты, находящаяся в частности, в технологическом соединении с источником возобновляемой энергии и, в частности, выполненная с возможностью реализации способа согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящей заявки, причем система содержит:
- аммиачную горелку, содержащую катализатор и выполненную с возможностью каталитического сжигания горючей смеси, содержащей аммиак и воздух и/или кислород, при повышенном давлении, например, при абсолютном давлении, составляющем приблизительно от 5,0 бар до 20,0 бар, с образованием потока, содержащего оксид азота;
2
- кислородный питающий трубопровод, выполненный с возможностью введения кислородсодержащей текучей среды, такой как О, воздух или обогащенный кислородом воздух, в аммиачную горелку;
- аммиачный питающий трубопровод, выполненный с возможностью введения аммиака в аммиачную горелку;
- выпускной газопровод от сжигания аммиака, выполненный с возможностью удаления потока, содержащего оксид азота, из аммиачной горелки и находящийся в сообщении с возможностью переноса текучей среды с окислительной секцией или окислительной установкой, выполненной с возможностью окисления оксида азота с образованием диоксида азота, причем окислительная секция, в свою очередь, находится в сообщении с возможностью переноса текучей среды с абсорбером, выполненным с возможностью абсорбции диоксида азота в воде, в результате этого чего образуется азотная кислота;
при этом кислородный питающий трубопровод содержит энергорегенерационную систему, причем для последовательного сжатия кислородсодержащей текучей среды в жидком состоянии до абсолютного давления, составляющего по меньшей мере 10 бар, в частности, по меньшей мере 50 бар, более конкретно, по меньшей мере 100 бар, еще более конкретно, по меньшей мере 150 бар, или до абсолютного давления, составляющего от 150 бар до 250 бар, энергорегенерационная система содержит приспособление, такое как криогенный насос, один или несколько нагревателей, выполненных с возможностью испарения и дополнительного нагревания сжатой кислородсодержащей текучей среды, и первую турбину, такую как турбина высокого давления, выполненная с возможностью расширения кислородсодержащей текучей среды (в газообразной форме), в частности, в технологическом соединении с генератором, и при этом выпуск турбины находится в сообщении с возможностью переноса текучей среды с впуском аммиачной горелки. Согласно конкретным вариантам осуществления первый генератор находится в электрическом соединении с электролитической установкой и/или воздухоразделительной установкой и/или воздухосжижающей установкой.
2
2
2
2
2
2
2
Согласно конкретным вариантам осуществления система производства азотной кислоты дополнительно содержит систему производства аммиака, причем система производства аммиака содержит контур синтеза Габера-Боша, при этом контур синтеза Габера-Боша содержит водородный впуск; азотный впуск; конвертерную установку, выполненную с возможностью каталитического превращения H и N в аммиак, в результате чего получается смесь аммиачного продукта, причем конвертерная установка содержит выпуск смеси аммиачного продукта; сепаратор, расположенный ниже по потоку относительно конвертера и выполненный с возможностью разделения смеси аммиачного продукта на аммиачный поток и поток, содержащий непрореагировавшие H и N; приспособление для рециркуляции непрореагировавших Н и N, и аммиачный выпуск; причем аммиачный выпуск находится в сообщении с возможностью переноса текучей среды с аммиачным питающим трубопроводом производства азотной кислоты. Согласно конкретным вариантам осуществления система производства аммиака дополнительно содержит основанную на аммиачном цикле Ренкина энергорегенерационную систему, которая находится в сообщении с возможностью переноса текучей среды с аммиачным выпуском и содержит третью турбину, выполненную с возможностью получения работы от аммиачной рабочей текучей среды; теплообменник, аммиачный конденсатор в термическом соединении с азотным питающим трубопроводом, в частности, в термическом соединении с азотным питающим трубопроводом ниже по потоку относительно приспособления для сжатия жидкого N в азотном питающем трубопроводе; аммиачный циркуляционный насос; и аммиачный выпуск в сообщении с возможностью переноса текучей среды с аммиачным питающим трубопроводом.
Система согласно настоящему изобретению может содержать одну или несколько дополнительных установок.
2
2
Согласно определенным вариантам осуществления система производства азотной кислоты дополнительно содержит электролитическую установку, выполненную с возможностью разложения воды на H и О посредством электрического тока, в частности, из возобновляемых источников, причем электролитическая установка содержит водяной впуск, водородный выпуск и кислородный выпуск; при этом водородный выпуск электролитической установки находится в сообщении с возможностью переноса текучей среды с водородным впуском контура синтеза Габера-Боша.
Согласно определенным вариантам осуществления система производства азотной кислоты дополнительно содержит воздухосжижающую установку, выполненную с возможностью превращения газообразного воздуха в жидкий воздух и находящуюся в сообщении с возможностью переноса текучей среды с кислородным питающим трубопроводом.
2
2
2
2
Согласно определенным вариантам осуществления система производства азотной кислоты дополнительно содержит воздухоразделительную установку, выполненную с возможностью разделения воздуха на О и N, в частности, на жидкий О и жидкий N, причем воздухоразделительная установка содержит кислородный выпуск и азотный выпуск, при этом кислородный выпуск воздухоразделительной установки находится в сообщении с возможностью переноса текучей среды с кислородным питающим трубопроводом, и, в частности, при этом азотный выпуск воздухоразделительной установки находится в сообщении с возможностью переноса текучей среды с азотным впуском контура синтеза Габера-Боша.
Согласно определенным вариантам осуществления система производства азотной кислоты дополнительно содержит один или несколько теплообменников, выполненных с возможностью улавливания отбросного тепла от процесса сжигания аммиака, и конденсатор для конденсации воды в составе газа от сжигания аммиака, причем один или несколько теплообменников и конденсаторов расположены ниже по потоку относительно аммиачной горелки и выше по потоку относительно абсорбционной установки, и при этом один или несколько теплообменников и конденсаторов находятся, в частности, в термическом соединении с нагревателями, расположенными на кислородном питающем трубопроводе.
Согласно определенным вариантам осуществления система производства азотной кислоты дополнительно содержит смесительную установку, находящуюся в сообщении с возможностью переноса текучей среды и связанную с аммиачным питающим трубопроводом и питающим кислородсодержащей текучей средой трубопроводом, причем смесительная установка содержит резервуар, трубопровод или реактор, выполненный с возможностью смешивания кислородсодержащей текучей среды и аммиака с образованием горючей смеси перед введением горючей смеси в аммиачную горелку. Согласно конкретным вариантам осуществления теплообменник находится между смесительной установкой и аммиачной горелкой и выполнен с возможностью нагревания горючей смеси, например, с применением тепла, регенерированного из конденсатора.
2
Согласно определенным вариантам осуществления система производства азотной кислоты дополнительно содержит приспособление для сжатия жидкого N в азотном питающем трубопроводе до абсолютного давления, составляющего по меньшей мере 100 бар, в частности, по меньшей мере 150 бар, более конкретно, до абсолютного давления, составляющего от 150 бар до 250 бар, например, криогенный насос. В частности, система дополнительно содержит приспособление для теплообмена между жидким сжатым азотом и основанной на аммиачном цикле Ренкина энергорегенерационной системе.
Согласно определенным вариантам осуществления система производства азотной кислоты дополнительно содержит вторую турбину, выполненную с возможностью расширения аммиачного потока, отделенного в сепараторе, и находящуюся, в частности, в технологическом соединении с генератором.
Согласно настоящей заявке также предложено применение системы согласно варианту осуществления настоящей заявки для реализации способа согласно варианту осуществления настоящей заявки.
Краткое описание фигур
Следующее описание фигур, иллюстрирующих конкретные варианты осуществления, которые описаны в настоящем документе, представлено исключительно в качестве примера и не предназначено для ограничения настоящего изобретения, его приложения или применения. На фигурах одинаковые или аналогичные детали и признаки обозначены одинаковыми условными номерами.
На фиг. 1А и 1В проиллюстрирована схема технологического процесса согласно варианту осуществления интегрированного производства аммиака и азотной кислоты, представляющая интеграцию материалов и энергии (электроэнергии).
На фиг. 2А представлен вариант осуществления описанного в настоящем документе способа производства азотной кислоты, в котором жидкий воздух/кислород подвергают сжатию, нагреванию/испарению и расширению в турбине перед смешиванием с аммиаком и введением в горелку смеси, содержащей аммиак и воздух/кислород.
На фиг. 2В представлен вариант осуществления описанного в настоящем документе способа производства азотной кислоты, причем дополнительно представлено получение аммиака с применением водорода, полученного в результате электролиза.
2
На фиг. 3 представлен вариант осуществления описанного в настоящем документе способа объединенного производства аммиака и азотной кислоты, в котором поток жидкого сжатого N использован в производстве аммиака.
Для описания и фигур использованы следующие условные номера:
100 Аммиачная горелка
120 Кислородный питающий трубопровод
130 Аммиачный питающий трубопровод
131 Аммиачный буферный резервуар
140 Нагреватель
150 Смесительная установка
160 Выпускной газопровод от сжигания аммиака
161 Теплообменник
162 Конденсатор
200 Первая турбина (турбина сжатой кислородсодержащей текучей среды)
220 Генератор
400 Окислитель
500 Абсорбер
510 Трубопровод для концентрированной азотной кислоты
700 Контур Габера-Боша
710 Водородный впуск
711 Водородный компрессор
720 Азотный впуск
721 Азотный буферный резервуар
722 Криогенный насос
730 Конвертерная установка
740 Сепаратор
750 Аммиачный выпуск
760 Рекомпрессор
770 Вторая турбина (турбина сжатого аммиака)
771 Генератор
780 Энергорегенерационная система на основе аммиачного цикла Ренкина
781 Третья турбина
782 Генератор
783 Аммиачный циркуляционный насос
790 Предварительный нагреватель
791 Теплообменник (в аммиачном бойлере)
792 Теплообменник-утилизатор
793 Теплообменник (в аммиачном перегревателе)
794 Теплообменник-утилизатор
795 Теплообменник с воздушным охлаждением
796 Теплообменник-утилизатор
797 Теплообменник в аммиачном конденсаторе
800 Электролитическая установка
810 Водородный выпуск
900 Воздухоразделительная установка
910 Азотный выпуск
920 Кислородный выпуск
Подробное раскрытие настоящего изобретения
Перед описанием систем и способов согласно настоящему изобретению следует понимать, что оно не ограничено конкретными описанными системами и способами или их сочетаниями, поскольку такие системы и способы и их сочетания, разумеется, могут варьироваться. Кроме того, следует понимать, что терминология, используемая в настоящем документе, не предназначена в качестве ограничительной, поскольку объем настоящего изобретения ограничен только прилагаемой формулой изобретения.
При использовании в настоящем документе грамматические формы единственного числа означают как единственное, так и множественное число, если иное условие не продиктовано контекстом.
Термины «включающий», «включает» и «включенный» при использовании в настоящем документе представляют собой синонимы терминов «содержащий», «содержит» и «содержащийся» и означают включение без ограничения, то есть не исключают неперечисленные дополнительные части, элементы и технологические стадии. Следует понимать, что термины «содержащий», «содержит» и «содержащийся» при использовании в настоящем документе включают термины «состоящий из», «состоит» и «состоит из».
Представление численных диапазонов посредством конечных точек включает все целые и дробные числа, находящиеся в пределах соответствующих диапазонов, а также представленные конечные точки.
Термин «приблизительно» или «примерно» при использовании в настоящем документе в отношении измеряемой величины, такой как параметр, количество, продолжительность времени и так далее, предназначен для распространения на отклонения, составляющие +/-10% или менее, в частности, +/-5% или менее, более конкретно, +/-1% или менее и, еще более конкретно, +/-0,1% или менее относительно указанной величины, при том условии, что такие отклонения соответствуют реализации описанных аспектов и вариантов осуществления. Следует понимать, что сама величина, к которой относится определение «приблизительно» или «примерно», также считается конкретно и специально описанной.
В то время как считаются вполне очевидными термин «один или несколько» или «по меньшей мере один», означающие, например, один или несколько, или по меньшей мере один из элементов группы элементов, посредством представления дополнительных примеров этот термин охватывает, помимо прочего, ссылку на любой один из элементов, или на любые два или большее число элементов, в том числе, например, на любое число элементов, составляющее ≥3, ≥4, ≥5, ≥6 или ≥7 и т.д., из данных элементов, вплоть до всех элементов.
Все документы, процитированные в настоящем описании, во всей своей полноте включены в настоящий документ посредством ссылки. В частности, описания всех документов, определенно процитированных в настоящем описании, считаются включенными в настоящий документ посредством ссылки.
Если не определено другое условие, все термины, используемые в настоящем документе, в том числе технические и научные термины, имеют значения, которые, как правило, понимает обычный специалист в данной области техники. Посредством дополнительного разъяснения определения терминов включены для лучшего понимания описания, которое представлено в настоящем документе.
В следующих разделах различные аспекты определены более подробно. Каждый аспект, определенный таким образом, может быть объединен с любым другим аспектом или аспектами, если четко не указано иное условие. В частности, любой признак, указанный как особенный или преимущественный, может быть объединен с любым другим признаком или признаками, указанными как особенные или преимущественные.
Когда в тексте настоящего описания упоминается «один вариант осуществления» или «вариант осуществления», это означает, что конкретные признаки, структуры или характеристики, которые описаны в сочетании с вариантом осуществления, включены по меньшей мере в один вариант осуществления, который описан в настоящем документе. Таким образом, когда в различных местах текста настоящего описания присутствуют выражения «согласно одному варианту осуществления» или «согласно варианту осуществления», это не относится обязательно к одному и тому же варианту, но может относиться к нему. Кроме того, конкретные признаки, структуры или характеристики могут быть объединены любым подходящим образом, что является очевидным для специалиста в данной области техники из настоящего раскрытия, в одном или нескольких вариантах осуществления. Кроме того, хотя некоторые варианты осуществления, описанные в настоящем документе, включают некоторые, но не все другие признаки, включенные в другие варианты осуществления, сочетания признаков различных вариантов осуществления считаются находящимися в пределах объема настоящего изобретения и образуют различные варианты осуществления, что является понятным для специалистов в данной области техники. Например, в пунктах формулы изобретения и/или в пронумерованных условиях, указанных в настоящем документе, любые из указанных вариантов осуществления могут быть использованы в любом сочетании.
В настоящем описании присутствуют ссылки на сопровождающие фигуры, которые составляют его неотъемлемую часть, и на которых представлены исключительно в качестве иллюстрации конкретные варианты осуществления, согласно которым может быть практически реализовано настоящее изобретение. Заключенные в круглые скобки или выделенные полужирным шрифтом условные номера, присвоенные соответствующим элементам, просто представляют данные элементы в качестве примера, но без намерения ограничения соответствующий элементов. Следует понимать, что могут быть использованы другие варианты осуществления, и могут быть произведены структурные или логические изменения без выхода за пределы объема настоящего изобретения. Таким образом, следующее подробное описание не следует воспринимать в ограничительном смысле, и объем настоящего изобретения должен быть определен прилагаемой формулой изобретения.
Давления, представленные в настоящем документе, выражены как абсолютные давления. Соответственно, когда в настоящем изобретении представлено выраженное в единицах «бар» давление, это означает абсолютное давление. Другими словами, величина абсолютного давления при использовании в настоящем документе означает давление, включающее атмосферное давление.
3
Авторы настоящего изобретения разработали новую концепцию для способа и системы производства азотной кислоты с высокой эффективностью использования энергии и материалов, в частности, для способа и системы производства азотной кислоты с высокой эффективностью использования энергии и материалов, с которыми объединены и интегрированы способ и система производства аммиака с высокой эффективностью использования энергии и материалов, которые по меньшей мере частично преодолевают вышеупомянутые недостатки применения возобновляемых источников энергии. В частности, способ и система производства азотной кислоты, которые подробно описаны в настоящем документе, выполнены с возможностью высокой степени регенерации энергии, выделяющейся при сжигании и окислении аммиака, а также, в частности, при окислении NO, конденсации водяного пара (что соответствует приблизительно одной трети тепла, высвобождающегося при сжигании) и абсорбции HNO, в частности, в форме электроэнергии, причем эта регенерация происходит, например, с термическим коэффициентом полезного действия, составляющим более чем 20%, в том числе более чем 25% или 30%, с сохранением высокой степени извлечения азотной кислоты при превращении аммиака в азотную кислоту. Преимущественно производимая электроэнергия повторно используется в способе и системе производства аммиака, в частности, в производстве аммиака на основе электролиза.
Как правило, новая концепция способа и системы производства азотной кислоты с высокой эффективностью использования энергии и материалов может предусматривать одну или несколько усовершенствованных мер в отношении регенерации энергии и производства электроэнергии, причем эти меры непосредственно связаны с осуществлением мер по регенерации энергии и производству электроэнергии в способе производства азотной кислоты или в объединенном способе интегрированного производства аммиака и азотной кислоты, и/или мер по интеграции электролизеров, контура Габера-Боша/производства аммиака и производства азотной кислоты. Согласно настоящей заявке предусмотрен ряд мер по повышению эффективности регенерации энергии или использования энергии, которые могут быть применены индивидуально или параллельно в целях достижения оптимальной эффективности использования энергии и повышенной степени регенерации энергии, включая повышение эффективности использования и/или регенерации энергии от способа производства аммиака и/или азотной кислоты с применением сжатых сжиженных газов (таких как, например, воздух или азот).
В общем, в настоящем документе описаны способ и система производства азотной кислоты с повышенной степенью регенерации энергии и/или повышенной эффективностью использования энергии, в частности, посредством усовершенствованной интеграции на основе продуктов и энергии предшествующего способа/системы производства аммиака и последующего способа/системы производства азотной кислоты, в том числе посредством обеспечения энергии, в частности, электроэнергии, регенерированной в производстве азотной кислоты, для предшествующих способов/систем и посредством обеспечения продуктов, например, кислорода и аммиака, от предшествующего производства аммиака для производства азотной кислоты, в частности, в сочетании с применением новых технологических условий в способе или системе производства азотной кислоты и/или аммиака, включая, например, обеспечение или превращение потока кислородсодержащей текучей среды и/или азота в жидком состоянии и последующего сжатия жидких потоков, в частности, с последующим дополнительным нагреванием сжатого жидкого потока в целях испарения и перегрева сжатого жидкого потока.
На фиг. 1 представлен вариант осуществления интегрированного производства аммиака и азотной кислоты и проиллюстрирована основная концепция, которая описана в настоящем документе. В отличие от рассматриваемого в настоящем документе способа производства с интегрированным потоком материала и энергии, в известном из современного уровня техники традиционном способе производства азотной кислоты предшествующее производство аммиака, как правило, отделено от последующего производства азотной кислоты с низкой степенью интеграции: оба способа спроектированы и оптимизированы, в основном, для индивидуальной установки и эксплуатации.
Как представлено на фиг. 1А, энергия/электроэнергия из возобновляемых источников поступает в электролитическую установку и воздухоразделительную установку для производства водорода и азота, соответственно. Кроме того, как электролитическая установка, так и воздухоразделительная установка производит кислород. Водород и азот вместе поступают в установку производство аммиака, такую как контур Габера-Боша. Полученный аммиак затем используют в способе производства азотной кислоты, где его сжигают с кислородом и превращают в азотную кислоту.
Этот кислород может быть введен в составе воздуха, но преимущественно используют кислород, производимый электролитической установкой и/или воздухоразделительной установкой, что, таким образом, интенсифицирует производство азотной кислоты. При сжигании аммиака производится огромное количество тепла, которое превращается в электроэнергию на основе способа производства азотной кислоты с усовершенствованными мерами регенерации энергии, которые описаны в настоящем документе. Производимая электроэнергия направляется обратно в потребляющие электроэнергию процессы производства аммиака, в частности, электролиз и разделение воздуха.
Кроме того, эта концепция дополнительно проиллюстрирована на фиг. 1В, где представлен вариант осуществления интегрированного производства аммиака и азотной кислоты согласно настоящей заявке, причем этот вариант осуществления позволяет по меньшей мере частично решать проблемы периодической доступности возобновляемой энергии.
2
2
Энергию/электроэнергию из возобновляемых источников получают электролитическая установка, воздухосжижающая установка и воздухоразделительная установка. Жидкий воздух (или кислород), азот и аммиак можно производить и хранить, в то время как существует избыток возобновляемой энергии. Например, жидкий воздух можно хранить в больших резервуарах при температуре -190°С и давлении около 5 бар, что, таким образом, способствует решению проблем периодической доступности возобновляемой энергии. Жидкий воздух может расходовать воздухоразделительная установка, которая производит жидкий N (для производства аммиака) и О, (например, для сжигания/окисления аммиака в производстве азотной кислоты). Преимущественно можно легко хранить в жидком состоянии как азот, так и кислород. Водород и азот поступают в систему производства аммиака, и производимый аммиак, который также можно хранить, таким образом, выступает в качестве промежуточной среды, аккумулирующей энергию: при сжигании аммиака производится огромное количество тепла, которое может быть превращено в электроэнергию, как описано в настоящем документе. Этот способ оказывается особенно актуальным, когда возобновляемая энергия является недоступной или доступной лишь в ограниченной степени. Как подробно описано далее в настоящем документе, применение жидкого воздуха или жидкого кислорода (в производстве азотной кислоты) и жидкого азота (в производстве аммиака) способствует повышению эффективности использования энергии и регенерации энергии в способе, описанном в настоящей заявке.
Различные варианты осуществления способа и системы производства азотной кислоты, которые описаны в настоящем документе, в частности, объединенные и интегрированные способ и система производства аммиака и азотной кислоты представляют многочисленные преимущества.
В способах и системах, которые представлены в настоящем документе, эффективно использована энергия, которую аккумулирует аммиак. В частности, энергия, регенерированная от сжигания аммиака в производстве азотной кислоты, в частности, в форме электроэнергии, которая возвращается в производство аммиака на основе электролиза (или в другой из последующих способов производства азотной кислоты, например, на сжижение воздуха), способствует решению проблем периодичности в случае применения возобновляемых источников энергии. Согласно некоторым вариантам осуществления аммиак, получаемый в секции производства аммиака объединенного и интегрированного способа производства аммиака и азотной кислоты, можно рассматривать в качестве промежуточной среды, которая аналогично аккумулятору аккумулирует энергию, предназначенную для использования в то время, когда возобновляемая энергия не является доступной в достаточном количестве, чтобы поддерживать надлежащую эксплуатацию электролизера и производящего аммиак контура Габера-Боша. Таким образом, сжигание аммиака обеспечивает электроэнергию для предшествующего производства аммиака, осуществляемого совместно с производством азотной кислоты.
Это позволяет осуществлять маломасштабное производство аммиака, азотной кислоты и/или удобрений на нитратной основе на химических заводах, которые могут быть расположены вблизи места продажи. Таким образом, могут быть устранены высокие транспортные и погрузочные расходы, связанные с крупномасштабным производством, которое, как правило, расположено удаленно от конечных рынков. Электрификация производства водорода с применением электролизеров может способствовать созданию таких маломасштабных универсальных установок посредством упрощения технологии производство аммиака и посредством капитализации периодических возобновляемых источников дешевой энергии.
В настоящей заявке предложены, в общем, способ и система производства азотной кислоты с повышенной эффективностью использования энергии, в частности, способ и система интегрированного и объединенного производства аммиака и азотной кислоты с повышенной эффективностью использования энергии, где предусмотрено применение потоков жидкого воздуха, кислорода, азота и/или аммиака, и где, в частности, жидкие потоки сжимают в жидком состоянии и после этого нагревают для испарения жидкости.
3
Применение сжиженных газов, которое предусмотрено в настоящем документе, различными путями способствует повышению эффективности использования энергии и регенерации энергии в способе производства азотной кислоты. Это приобретает особенное преимущество, когда сжижение газов осуществляется с применением возобновляемой энергии, в частности, когда возобновляемая энергия является широко доступной. Для сжатия или компрессии жидкости требуется значительно меньше энергии, чем для сжатия газа в такой же степени. Таким образом, в частности, применение жидкого кислорода позволяет регенерировать значительное количество энергии (например, приблизительно 2,4 МВт на тонну NH).
Кроме того, сжатая жидкость может быть подвергнута последующему испарению и нагреванию с применением низкосортного отбросного тепла, производимого в способе производства азотной кислоты, такого как тепло, регенерированное в окислительной, конденсационной и абсорбционной секциях способа производства азотной кислоты. Таким образом, получаемый сжатый и нагретый газ может быть подвергнут последующему расширению в турбине, которая находится, в частности, в технологическом соединении с турбиной для производства электроэнергии. В результате этого низкосортное тепло способа производства азотной кислоты может быть превращено в высокосортную электроэнергию.
Согласно первому аспекту настоящей заявки предложен способ производства азотной кислоты, включающий следующие стадии:
2
2
(i) необязательное введение H и N в установку производства аммиака или контур синтеза Габера-Боша и соответствующее производство аммиака;
(ii) введение горючей смеси, содержащей аммиак и кислородсодержащую текучую среду, такую как воздух или кислород, в аммиачную горелку и каталитическое сжигание аммиака в аммиачной горелке, в результате чего получается поток газа от сжигания аммиака, который содержит оксид азота;
(iii) окисление оксида азота в потоке газа от сжигания аммиака, например, в выделенной окислительной установке, в результате чего получается поток, содержащий диоксид азота;
(iv) абсорбция диоксида азота в водном растворе в абсорбер, с получением водного потока, содержащего азотную кислоту;
при этом способ дополнительно включает стадию получения или превращения в жидкое состояние азота и/или кислородсодержащей текучей среды, такой как воздух, обогащенный кислородом воздух или кислород, перед их введением в контур Габера-Боша и аммиачную горелку, соответственно.
Способ согласно настоящей заявке дополнительно включает следующие стадии:
(v) сжатие жидкого азота, полученного на стадии (i), и/или жидкой кислородсодержащей текучей среды, полученной на стадии (ii), в результате чего получаются один или несколько потоков сжатой жидкости; и
(vi) последующее испарение одного или нескольких потоков сжатой жидкости, в результате чего получаются один или несколько испаренных сжатых потоков (т.е. находящихся в газообразном состоянии), и необязательное дополнительное нагревание одного или нескольких испаренных сжатых потоков, в частности, с применением тепла, регенерированного от способа производства аммиака и/или азотной кислоты, например, такой как от процесса сжигания аммиака, окислительной установки и/или абсорбера азотной кислоты посредством одного или нескольких теплообменников;
2
2
(vii) расширение нагретых испаренных сжатых потоков в турбине, которая, в частности, находится в технологическом соединении с генератором для производства электроэнергии. Согласно конкретным вариантам осуществления нагретый испаренный сжатый N и/или кислородсодержащий газ расширяется в турбине, которая, в частности, находится в технологическом соединении с генератором для производства электроэнергии, перед введением N в процесс Габера-Боша или введением воздуха или кислорода в аммиачную горелку. Согласно определенным вариантам осуществления расширение нагретых испаренных сжатых потоков, в частности, расширение нагретого испаренного сжатого кислородсодержащего газа, происходит на двух или большем числе стадий.
2
2
2
Преимущественно в этом способе отбросное тепло, в частности, низкосортное отбросное тепло, производимое в способе производства азотной кислоты (в процессе сжигания аммиака, окисления NO и/или абсорбции NO в воде) и в производстве аммиака (например, отбросное тепло, производимое электролитической установкой), может быть эффективно регенерировано и превращено в электроэнергию вследствие высокой разности температур между (низкосортным) отбросным теплом и сжатыми сжиженными газами. При использовании в настоящем документе термин «низкосортное отбросное тепло» означает тепло при температуре ниже 100°С. Преимущественно производимая электроэнергия может быть, например, по меньшей мере частично использована для эксплуатации электролитической установки и/или воздухоразделительной установки. Сжиженные газы могут быть использованы в производстве азотной кислоты из аммиака и/или в производстве аммиака из Н и N.
Соответственно, предусмотренные в настоящем документе определенные варианты осуществления рассматриваемого аспекта относятся, в общем, к способу или системе производства азотной кислоты, где жидкую кислородсодержащую текучую среду, такую как жидкий воздух или жидкий обогащенный кислородом воздух, используют для повышения эффективности использования энергии и регенерации энергии от производства азотной кислоты. Такой способ производства азотной кислоты включает следующие стадии:
(i) получение жидкой кислородсодержащей текучей среды (представляющей собой сжиженный кислородсодержащий газ), в частности, при атмосферном давлении и последующее сжатие жидкой кислородсодержащей текучей среды до абсолютного давления, составляющего по меньшей мере 50 бар, в том числе по меньшей мере 100 или 150 бар, в частности, до абсолютного давления, составляющего от 150 до 250 бар, в том числе приблизительно 200 бар;
(ii) испарение сжатой жидкой кислородсодержащей текучей среды посредством нагревания сжатой жидкой кислородсодержащей текучей среды с применением низкосортного отбросного тепла, производимого ниже по потоку относительно аммиачной горелки в способе производства азотной кислоты, и дополнительный нагрев/перегрев испаренной сжатой кислородсодержащей текучей среды, в частности, с применением отбросного тепла в способе производства азотной кислоты;
(iii) расширение нагретой сжатой газообразной кислородсодержащей текучей среды в турбине и, таким образом, получение потока охлаждаемой кислородсодержащей текучей среды, имеющей абсолютное давление от 10 до 30 бар и температуру от -180°С до 25°С, и в частности, регенерация энергии, представляющей собой электроэнергию, посредством технологического присоединения турбины к генератору;
(iv) необязательно повторное нагревание потока охлажденной кислородсодержащей текучей среды с применением потоков отбросного тепла до температуры, составляющей от 25°С до 300°С или даже превышающей 300°С, смешивание нагретой кислородсодержащей текучей среды с аммиаком и введение содержащей смесь аммиака и кислорода текучей среды в аммиачную горелку;
(v) каталитическое сжигание содержащей смесь аммиака и кислорода текучей среды в аммиачной горелке, с получением потока, содержащего оксид азота, последующее окисление оксида азота до диоксида азота и абсорбция диоксида азота в воде, с получением азотной кислоты.
Согласно конкретным вариантам осуществления кислородсодержащая текучая среда представляет собой воздух или обогащенный кислородом воздух.
2
Согласно конкретным вариантам осуществления газы от сжигания, выходящие из аммиачной горелки, направляют на одну или несколько стадий охлаждения перед стадиями окисления и/или абсорбции, и тепло, которое высвобождается на указанных стадиях охлаждения перед стадиями окисления и абсорбции, используют для обеспечения нагревания потоков кислородсодержащей текучей среды на стадиях (ii) и/или (iv). Соответственно, согласно конкретным вариантам осуществления стадия (v) дополнительно включает стадию регенерации тепла, производимого посредством сжигания аммиака, окисления NO, абсорбции NO и/или посредством конденсации с применением множества охлаждающих установок (представляющих собой теплообменники, выполненные с возможностью приема тепла потока в способ производства азотной кислоты, такого как поток газа от сжигания аммиака, поток газа, содержащий диоксид азота, и потоки газа на стадии абсорбции, в результате чего происходит охлаждение и/или конденсация потока в способе производства азотной кислоты) и передачи этого тепла потокам кислородсодержащей текучей среды на стадиях (ii) и (iv) для испарения сжатого жидкого кислорода, воздуха или обогащенного кислородом воздуха, а также для нагрева или перегрева испаренного сжатого жидкого кислорода, воздуха или обогащенного кислородом воздуха посредством множества нагревательных установок (представляющих собой теплообменники, выполненные с возможностью передачи тепла потоку воздуха). Следует понимать, что охлаждающая установка в способе производства азотной кислоты, таким образом, находится в термическом соединении с нагревательной установкой в контакте с технологическим потоком кислородсодержащей текучей среды (воздуха). В частности, охлаждающая установка, расположенная в холодной части способа производства азотной кислоты (например, при температуре от 20°С до 100°С, например, на стадии конденсации или абсорбции, или после конденсатора, который производит низкосортное отбросное тепло), находится в термическом соединении с нагревательной установкой в контакте с потоком холодной кислородсодержащей текучей среды (воздуха) (например, для испарения потока сжатого жидкого воздуха); и/или охлаждающая установка, расположенный в горячей части способа производства азотной кислоты (например, после аммиачной горелки или окислительной секции), находится в термическом соединении с нагревательной установкой в контакте с потоком теплой или горячей кислородсодержащей текучей среды (воздуха) (например, для нагрева и перегрева потока испаренного сжатого жидкого воздуха).
Следует понимать, что стадия (v) может соответствовать традиционному технологическому потоку в способе производства азотной кислоты, как указано в разделе «Уровень техники», где содержится расширитель отходящего газа и бойлер для получения тепла для пара, который затем может быть по меньшей мере частично использован для производства электроэнергии в паровом цикле Ренкина.
Согласно следующим вариантам осуществления способ и система производства азотной кислоты, которые предусмотрены в настоящем документе, могут быть интегрированы со способом или системой производства жидкого воздуха в целях уменьшения энергопотребления способа или системы сжижения воздуха.
2
2
Как уже упомянуто выше, регенерация энергии посредством применения сжиженных газов и сжатия жидкой текучей среды может быть реализована также в производстве аммиака из Н и N.
Соответственно, определенные варианты осуществления рассматриваемого аспекта настоящей заявки, в общем, относятся к способу или системе производства аммиака, в частности, к объединенному способу или системе производства аммиака и азотной кислоты, где жидкий азот используют для повышения эффективности использования энергии и регенерации энергии производства аммиака и/или азотной кислоты.
Такой способ производства аммиака и, в частности, азотной кислоты включает следующие стадии:
(i) получение жидкого азота, в частности, при атмосферном давлении, а затем сжатие жидкого азота до абсолютного давления, составляющего по меньшей мере 50 бар, в том числе по меньшей мере 100 или 150 бар, в частности, до абсолютного давления, составляющего от 150 до 250 бар, в том числе приблизительно 200 бар;
(ii) испарение сжатого жидкого азота посредством нагревания сжатого жидкого азота, например, в аммиачном конденсаторе; таким образом, следует понимать, что криогенный азот используют для конденсации и регенерации аммиака, получаемого на последующих технологических стадиях;
(iii) смешивание потока азота, полученного на стадии (ii), с газообразным водородом, который был подвергнут сжатию, и со сжатым рециркуляционным потоком, причем рециркуляционный поток был получен посредством разделительной установки, расположенной после аммиачного конвертерного реактора, в результате чего получается газообразная реакционная смесь; и предварительное нагревание газообразной реакционной смеси;
(iv) введение газообразной реакционной смеси, полученной на стадии (iii), в аммиачный конвертерный реактор, который составляет часть контура синтеза Габера-Боша, и получение потока аммиаксодержащего продукта в аммиачном конвертере;
(v) отвод тепла от потока аммиаксодержащего газа с применением одного или нескольких теплообменников и отделение аммиака от непрореагировавших азота и водорода в разделительной установке, в результате чего получается рециркуляционный поток, содержащий азот и водород, и аммиачный поток, содержащий жидкий аммиак, причем жидкий аммиачный поток используют для регенерации технологического тепла посредством одного или нескольких теплообменников и одной или нескольких турбин, которые, в частности, находятся в технологическом соединении с генератором.
Согласно конкретным вариантам осуществления жидкий аммиачный поток по меньшей мере частично пропускают в аммиачный цикл Ренкина или основанную на аммиачном цикле Ренкина энергорегенерационную систему. Преимущественно основанная на аммиачном цикле Ренкина энергорегенерационная система содержит аммиачный конденсатор, выполненный с возможностью теплообмена с сжатым жидким азотом, как подробно представлено на стадии (ii).
Преимущественно посредством осуществления аммиачного цикла Ренкина в способе производства аммиака он может заменять паровой цикл Ренкина и, таким образом, снижать уровень сложности и стоимости присутствующей дополнительной паровой системы. Кроме того, аммиачный цикл Ренкина с применением аммиака в качестве рабочей текучей среды является более эффективным в улавливании низкосортного тепла с учетом менее высокой температуры кипения аммиака. Следует понимать, что применение аммиачного цикла Ренкина не ограничено способом производства аммиака, но может быть использовано более широко в полном способе. Этот цикл может быть использован для улавливания низкосортного тепла из разнообразных источников в ходе всего способа, включая тепло от электролизеров, остаточное тепло в способе производства азотной кислоты и тепло от компрессоров. Регенерированная здесь энергия может быть использована, например, для энергоснабжения электролизера и/или на расходующих энергию стадиях способа производства аммиака или азотной кислоты.
Согласно следующему аспекту настоящей заявки предложена система производства азотной кислоты, выполненная с возможностью осуществления способа производства азотной кислоты согласно настоящему изобретению, причем система содержит:
- аммиачную горелку, содержащую катализатор и выполненную с возможностью каталитического сжигания горючей смеси, содержащей аммиак и воздух и/или кислород, при повышенном давлении с образованием потока, содержащего оксид азота;
2
- кислородный питающий трубопровод, выполненный с возможностью введения кислородсодержащей текучей среды, такой как О, воздух или обогащенный кислородом воздух, в аммиачную горелку;
- аммиачный питающий трубопровод, выполненный с возможностью введения аммиака в аммиачную горелку;
- выпускной газопровод от сжигания аммиака, выполненный с возможностью удаления содержащего оксид азота потока из аммиачной горелки и находящийся в сообщении с возможностью переноса текучей среды через окислительную секция или окислительную установку, выполненную с возможностью окисления оксида азота до диоксида азота, с абсорбером, выполненным с возможностью абсорбции диоксида азота в воде, с получением азотной кислоты;
при этом кислородный питающий трубопровод содержит энергорегенерационную систему, причем энергорегенерационная система содержит приспособление для последовательного сжатия кислородсодержащей текучей среды в жидком состоянии, такое как криогенный насос; один или несколько нагревателей, выполненных с возможностью испарения и дополнительного нагревания сжатой кислородсодержащей текучей среды, и первую турбину, такую как турбина высокого давления, выполненная с возможностью расширения кислородсодержащей текучей среды (в газообразной форме) и находящаяся, в частности, в технологическом соединении с генератором, при этом выпуск турбины находится в сообщении с возможностью переноса текучей среды с аммиачной горелкой.
2
2
2
2
2
2
2
Согласно конкретным вариантам осуществления система производства азотной кислоты дополнительно содержит систему производства аммиака, причем система производства аммиака содержит контур синтеза Габера-Боша, при этом контур синтеза Габера-Боша содержит водородный впуск; азотный впуск; конвертерную установку, выполненную с возможностью каталитического превращения H и N в аммиак, в результате чего получается смесь аммиачного продукта, причем конвертерная установка содержит выпуск смеси аммиачного продукта; сепаратор, расположенный ниже по потоку относительно конвертера и выполненный с возможностью разделения смеси аммиачного продукта на аммиачный поток и поток, содержащий непрореагировавшие H и N; приспособление для рециркуляции непрореагировавших H и N, а также аммиачный выпуск; при этом аммиачный выпуск находится в сообщении с возможностью переноса текучей среды с аммиачным питающим трубопроводом. Согласно конкретным вариантам осуществления система производства аммиака дополнительно содержит основанную на аммиачном цикле Ренкина энергорегенерационную систему, которая находится в сообщении с возможностью переноса текучей среды с аммиачным выпуском и содержит третью турбину, выполненную с возможностью получения работы от аммиачной рабочей текучей среды; теплообменник, аммиачный конденсатор в термическом соединении с азотным питающим трубопроводом, в частности, в термическом соединении с азотным питающим трубопроводом ниже по потоку относительно приспособления для сжатия жидкого N в азотном питающем трубопроводе; аммиачный циркуляционный насос; и аммиачный выпуск в сообщении с возможностью переноса текучей среды с аммиачным питающим трубопроводом.
2
2
2
2
2
2
2
Система согласно настоящему изобретению может содержать одну или несколько дополнительных установок, таких как электролитическая установка, выполненных с возможностью разложения воды на H и О посредством электрического тока; воздухосжижающая установка, выполненная с возможностью превращения газообразного воздуха в жидкий воздух и находящаяся в сообщении с возможностью переноса текучей среды с кислородным питающим трубопроводом; воздухоразделительная установка, выполненная с возможностью разделения воздуха на О и N, в частности, на жидкий О и жидкий N; один или несколько теплообменников, выполненных с возможностью улавливания отбросного тепла от процесса сжигания аммиака, и конденсатор, предназначенный для конденсации воды в составе газа от сжигания аммиака и необязательно находящийся в термическом соединении с нагревателями, расположенными на кислородном питающем трубопроводе; смесительная установка, находящаяся в сообщении с возможностью переноса текучей среды и связанная с аммиачным питающим трубопроводом и трубопроводом кислородсодержащей текучей среды; приспособление для сжатия жидкого N в азотном питающем трубопроводе и, в частности, приспособление для теплообмена между жидким сжатым азотом и основанной на аммиачном цикле Ренкина энергорегенерационной системе; вторая турбина, выполненная с возможностью расширения аммиачного потока, отделенного в сепараторе, и находящаяся, в частности, в технологическом соединении с генератором.
Согласно некоторым вариантам осуществления аммиачная горелка выполнена с возможностью эксплуатации при абсолютном давлении, составляющим по меньшей мере 1,1 бар, более конкретно, по меньшей мере 1,2 бар, по меньшей мере 1,3 бар, по меньшей мере 1,4 бар, по меньшей мере 1,5 бар, по меньшей мере 2,0 бар, по меньшей мере 2,5 бар, по меньшей мере 3,0 бар, по меньшей мере 4,0 бар, по меньшей мере 5,0 бар.
Системы и способы согласно настоящему аспекту допускают производство азотной кислоты с более высокой эффективностью использования энергии. В частности, можно регенерировать больше энергии, высвобождаемой на разнообразных технологических стадиях, включая сжигание, окисление и абсорбцию. Эта получаемая энергия может быть превращена в электроэнергию с применением генераторов. Электроэнергия может быть использована, например, для энергоснабжения водяных электролизеров в целях производства водорода для применения в производстве аммиака. Кроме того, когда энергия из возобновляемых источников является широко доступной, жидкий воздух, азот и/или аммиак могут быть произведены в избытке и могут быть легко помещены на хранение. Когда энергия из возобновляемых источников является недостаточно доступной, находящиеся на хранении воздух и аммиак могут быть использованы для производства азотной кислоты, в то время как регенерированную энергию, в частности, регенерированную в способе производства азотной кислоты, используют для энергоснабжения осуществляемых выше по потоку способов (например, производства аммиака).
Согласно конкретным вариантам осуществления используют стандартные имеющиеся в продаже турбины. Это допускает стандартизацию и, таким образом, сокращает расходы, связанные с применением компонентов, не имеющих аналогов.
Системы и способы согласно настоящему изобретению являются совместимыми с производством азотной кислоты. Соответственно, сокращение расходов на накопление опыта может быть достигнуто посредством изготовления многочисленных идентичных стандартизированных установок по производству азотной кислоты.
Способ и система производства азотной кислоты, в частности, способ и система объединенного и интегрированного производства аммиака и азотной кислоты, которые предусмотрены в настоящей заявке согласно различным аспектам и вариантам осуществления, описанным в настоящем документе, могут дополнительно включать стадии и/или приспособления/системы для последующей переработки азотной кислоты в продукты, представляющие собой удобрения, такие как продукты, представляющие собой удобрения на основе нитрата аммония или нитрата кальция.
Настоящее изобретение дополнительно представлено в следующих примерах и иллюстративных вариантах осуществления.
Примеры
Пример 1
2
2
На фиг. 2А представлен вариант осуществления способа производства азотной кислоты, который описан в настоящем документе, и проиллюстрирован способ регенерации энергии от сжигания аммиака в производстве азотной кислоты. Аммиак поступает через аммиачный питающий трубопровод (130), где он сначала смешивается с кислородсодержащей текучей средой в смесительной установке (150), прежде чем он поступает через горелку (100), которая содержит катализатор. Газ от сжигания аммиака выходит из горелки (100) через выпускающий продукты сжигания аммиака трубопровод (160). Кислородсодержащая текучая среда, в частности, воздух, обогащенный кислородом воздух или О, поступает через кислородный питающий трубопровод (120) в жидкой форме, представляющей собой в данном случае жидкий кислород (О) или жидкий воздух. Жидкую кислородсодержащую текучую среду подвергают испарению и перегреву, используя один или несколько нагревателей (140) на кислородном питающем трубопроводе (120). Один или несколько нагревателей (140) отбирает тепло от одного или нескольких теплообменников (161) и/или конденсаторов (162) на выпускном трубопроводе (160) от сжигания аммиака. Перегретая кислородсодержащая текучая среда расширяется в первой турбине (200), прежде чем она смешивается с аммиаком и поступает в горелку (100). Первая турбина находится в механическом соединении с генератором (220), который может быть использован для производства электроэнергии (Е), представляющей собой форму регенерированной энергии. Согласно определенным вариантам осуществления расширение перегретой кислородсодержащей текучей среды происходит на двух или большем числе стадий с повторным нагреванием потока кислородсодержащей текучей среды посредством теплообменника между различными стадиями расширения. Согласно другим вариантам осуществления смесь аммиака и воздуха также может быть подвергнута предварительному нагреванию перед поступлением в аммиачную горелку.
2
2
2
2
2
2
На фиг. 2В представлен вариант осуществления способа производства азотной кислоты, который описан в настоящем документе и иллюстрирует такой же принцип регенерации энергии, как на фиг. 2А, но в данном случае осуществлено дополнительное объединение со способом производства аммиака на основе электролиза. В секции производства азотной кислоты газ от сжигания аммиака поступает в окислитель (400) для превращения NO в NO, а затем в абсорбер (500), где NO образует азотную кислоту в результате абсорбции в воде. Азотная кислота может выходить из абсорбера (500) через трубопровод для концентрированной азотной кислоты (510). Поступающий аммиак производят месте установки системы производства азотной кислоты в интегрированном контуре Габера-Боша (700), причем аммиачный выпуск (750) контура Габера-Боша присоединен к аммиачному питающему трубопроводу (130). Водород поступает в контур Габера-Боша (700) через водородный впуск (710) и производится в электролитической установке (800), в которой воду подвергают электролизу с получением H и О, по меньшей мере частично используя возобновляемую энергию и электроэнергию, регенерированную в системе производства азотной кислоты, например, посредством первой турбины (200) и генератора (220). Электролитическая установка (800) интегрирована в систему производства азотной кислоты посредством соединения водородного выпуска (810) электролитической установки (800) с водородным впуском (710) контура Габера-Боша (700). Кислород, образующийся в электролитической установке (800), может быть использован в горелке (100). Воздух разделяют на воздухоразделительной установке (900), получая N, который выходит из воздухоразделительной установки (900) через азотный выпуск (910); и О, который выходит из воздухоразделительной установки (900) через кислородный выпуск (920). Воздухоразделительная установка интегрирована в систему производства азотной кислоты посредством присоединения азотного выпуска (910) воздухоразделительной установки (900) к азотному впуску (720) контура Габера-Боша (700) и посредством присоединения кислородного выпуска (920) воздухоразделительной установки (900) к кислородному питающему трубопроводу (120). Воздухоразделительная установка может получать энергоснабжение по меньшей мере частично за счет возобновляемой (экологичной) энергии или за счет электроэнергии, регенерированной в других частях системы производства азотной кислоты, например, посредством первой турбины (200), которая присоединена к генератору (220).
Аммиак можно хранить в аммиачном питающем трубопроводе, например, в буферном резервуаре. Находящийся на хранении аммиак может быть использован в качестве энергетического резерва, поскольку он может высвобождать большое количество энергии при его сжигании в горелке в способе производства азотной кислоты.
В частности, кислородсодержащая текучая среда в трубопроводе (120) может быть подвергнута перегреву на различных стадиях с последовательным применением множества нагревателей.
Например, первый нагреватель может быть расположен на так называемом «охлаждающем контуре», причем тепло отбирается в абсорбере (500), и после этого данное тепло используют для испарения или дополнительного нагревания сжатой кислородсодержащей текучей среды. Например, второй нагреватель может быть использован для дополнительного нагревания испаренной кислородсодержащей текучей среды с применением тепла, регенерированного в теплообменнике/конденсаторе). Например, третий нагреватель может регенерировать тепло из теплообменника, ближайшего к аммиачной горелке. Как правило, рабочая текучая среда в другом контуре охлаждения/нагревания циркулирует посредством циркуляционного насоса. В качестве рабочей текучей среды, которая используется согласно настоящему изобретению, может присутствовать любой тип рабочей текучей среды, подходящей для этой конкретной цели и выбранной специалистом в данной области техники, например, сжатая вода/бутан. Как правило, рабочую текучую среду выбирают на основании давления и температуры, при которых происходит теплообмен.
Пример 2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
На фиг. 3 представлен вариант осуществления способа объединенного производства аммиака и азотной кислоты, который описан в настоящем документе, и в котором поток жидкого и сжатого N используют в производстве аммиака, а также проиллюстрирован способ регенерации энергии в контуре Габера-Боша (700) на основе жидкого азота. Согласно этому варианту осуществления N поступает в жидкой форме из азотного буферного резервуара (721) или непосредственно из воздухоразделительной установки. Жидкий N сжимают, используя криогенный насос (722), и после этого испаряют в нагревателе/испарителе (797), прежде чем он поступает в контур Габера-Боша (700) через азотный впуск (720). Азот смешивают с водородом, используя водородный впуск (710) (в котором газообразный H сжимают в водородном компрессоре (711)), и с рециркулированными непрореагировавшими N и Н, которые сжимают в компрессоре (760). Смесь, содержащую N и Н, предварительно нагревают в предварительном нагревателе (790), прежде чем она поступает в конвертерную установку (730), где она вступает в экзотермическую реакцию с образованием горячей реакционной смеси аммиака и непрореагировавших Н и N. Реакционную смесь направляют в сепаратор (740), где аммиачный поток отделяют от непрореагировавших Н и N, причем последние подвергают рециркуляции и возвращают в контур Габера-Боша. Тепло отводят от реакционной смеси на различных стадиях. На первой стадии тепло отводят, используя теплообменник (793), который функционирует как перегреватель для отделенного аммиачного потока (газообразного вследствие испарения в теплообменнике 791). На второй стадии тепло отводят в предварительном нагревателе (790), где тепло передается смеси Н и N, прежде чем она поступает в конвертерную установку (730). На третьей стадии тепло отводят в теплообменнике (791), который функционирует как бойлер для отделенного аммиака. На четвертой стадии аммиак в реакционной смеси конденсируется в теплообменнике (792) отбросного тепла, прежде чем он поступает в сепаратор (740), который содержит аммиачный выпуск (750). В сепараторе (740) аммиак отделяется в форме жидкости, которую кипятят в испарителе/теплообменнике (791). Образующийся газообразный аммиак перегревают, используя теплообменник (перегреватель) (793). Перегретый аммиак расширяется в третьей турбине (770), которая находится в механическом соединении с генератором (771), для регенерации энергии. Расширенный аммиак дополнительно охлаждают, используя теплообменник (794) отбросного тепла и охлаждаемый воздухом теплообменник (795). Охлажденный аммиак поступает в основанную на аммиачном цикле Ренкина энергорегенерационную систему (780), где он циркулирует посредством циркуляционного насоса (783) и нагревается посредством теплообменника (796) отбросного тепла, прежде чем он расширяется в четвертой турбине (781), которая находится в механическом соединении с генератором (782), для регенерации энергии. Расширенный аммиак проходят через аммиачный конденсатор (797), в котором тепло передается поступающему азоту. Часть жидкого аммиака выходит из основанной на аммиачном цикле Ренкина энергорегенерационной системе (780) на хранение в аммиачный буферный резервуар (131) или поступает в горелку (100) для каталитического сжигания в производстве азотной кислоты.