ВОССТАНОВЛЕНИЕ И ПОВТОРНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПОНЕНТОВ ИЗ ПОТОКОВ ОТХОДОВ, ОБРАЗУЮЩИХСЯ ПРИ КОНЕЧНОЙ ОБРАБОТКЕ МОЧЕВИНЫ
RECOVERY AND REUSE OF COMPONENTS FROM STREAMS OF WASTES FORMED DURING FINAL TREATMENT OF UREA

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Настоящая заявка испрашивает приоритет по предварительной заявке на патент США № 62/407,618, поданной 13 октября 2016 г., раскрытия которой включены в настоящий документ путем ссылки.
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящий объект изобретения относится по существу к способам восстановления и повторного использования полезных компонентов из потоков отходов, полученных в ходе процессов производства удобрения на основе мочевины.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
2
2
3
Удобрения, например, мочевина (CO(NH)), широко используются для снабжения почвы азотом с целью стимуляции и усиления роста растений. При внесении мочевины в почву она легко подвергается гидролизу (катализируемому уреазой - ферментом, продуцируемым грибами и бактериями в почве) с образованием аммиака и диоксида углерода. Аммиак быстро подвергается ионизации с образованием аммония, который вместе с нитратом аммония (при наличии) быстро окисляется до нитрата (NO) посредством серии реакций бактериального окисления, называемых «нитрификацией». В результате этого большая процентная доля азота в мочевине теряется до того, как его смогут использовать растения.
Следовательно, большая часть используемой мочевины находится в форме так называемой «высокоэффективной» мочевины. «Высокоэффективная» мочевина позволяет решить эти вопросы путем включения специальных добавок, таких как ингибитор (-ы) уреазы и/или ингибиторы нитрификации, микроэлементы, специализированные сельскохозяйственные химические вещества или биологические препараты. Ингибиторы уреазы представляют собой соединения, способные ингибировать каталитическую активность фермента уреазы в отношении мочевины в почве. Примерами ингибиторов уреазы являются триамидные соединения тиофосфорной кислоты, раскрытые в патенте США №4,530,714, включая триамид N-(н-бутил) тиофосфорной кислоты (NBPT), являющийся наиболее изученным представителем данного класса соединений. NBPT доступен в продаже для использования в сельском хозяйстве и присутствует на рынке в составе таких продуктов, как товарная линия стабилизаторов азота AGROTAIN. Ингибиторы нитрификации представляют собой соединения, способные ингибировать бактериальное окисление аммония до нитрата в почве. Примеры ингибиторов нитрификации включают, без ограничений, дициандиамид (DCD). Микроэлементы могут включать цинк, бор и магний. Специализированные сельскохозяйственные химические вещества могут включать пестициды, гербициды, фунгициды, регуляторы роста растений или гормоны растений (например, стригалактоны). Биологические препараты могут включать живые микроорганизмы (например, вида Bacillus или Pseudomonas, грибы), продукты выделения, продуцируемые живыми микроорганизмами (например, липиды), растительные экстракты или фрагменты микроорганизмов. Высокоэффективные удобрения на основе мочевины могут включать различные другие добавки, включая, без ограничений, красители.
Такие добавки, например, ингибиторы уреазы, ингибиторы нитрификации, микроэлементы, специализированные сельскохозяйственные химические вещества, биологические препараты и/или красители, могут быть связаны с мочевиной различными способами. Например, они могут быть нанесены на гранулы удобрения в виде покрытия или смешаны с матрицами удобрения. Обычно такие добавки (в сухой форме или в форме раствора) комбинируют с мочевиной в жидкой/топленой форме в оборудовании для конечной обработки мочевины с получением гомогенной смеси, которую можно впоследствии охладить и перевести в твердую форму на следующем этапе гранулирования. Известен ряд способов гранулирования, включая технологии падающей завесы, гранулирования в барабане для сфероидизации-агломерации, гранулирования путем приллирования и в псевдоожиженном слое.
Такие процессы имеют определенные недостатки, например, наличие (чаще всего) в выпускных газообразных потоках отходов из такого оборудования для производства мочевины пылеобразной мочевины, а также низкие концентрации добавок (например, ингибиторов уреазы и/или ингибиторов нитрификации), которые комбинируют с мочевиной. Следовательно, эти потоки отходов должны быть очищены (например, с использованием технологий водной очистки) перед их высвобождением в окружающую среду. Известны определенные способы очистки этих потоков отходов; тем не менее такие известные способы, как правило, подразумевают введение раствора для водной очистки в более ранних процессах производства мочевины, в результате чего добавки вводятся в оборудование для производства мочевины, где они могут оказывать неблагоприятное воздействие на оборудование, процессы и/или продукты.
Было бы полезно обеспечить дополнительные способы удаления мочевины и добавок из потоков отходов, а также обеспечить способы повторного использования этих компонентов.
ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящая заявка относится к способу восстановления компонентов, присутствующих в потоках отходов установки для конечной обработки мочевины. В частности, такие способы могут обеспечивать восстановление мочевины, ингибиторов уреазы, ингибиторов нитрификации, микроэлементов, специализированных сельскохозяйственных химических веществ, биологических препаратов и/или других компонентов, участвующих в процессе конечной обработки мочевины, что может повышать эффективность производства высокоэффективного удобрения на основе мочевины.
В одном аспекте в настоящем раскрытии предложен способ восстановления и повторного использования соединений из потока отходов оборудования для высокоэффективной конечной обработки мочевины, включающий: сбор потока жидких отходов из скруббера, выполненного с возможностью очистки потоков отработанного воздуха; концентрирование потока жидких отходов с образованием концентрата, содержащего 4% мас. или менее воды; и комбинирование концентрата с необработанной мочевиной с получением смеси. Затем смесь может быть введена в оборудование для высокоэффективной конечной обработки мочевины с целью комбинирования с одной или более повышающими эффективность добавками. В некоторых вариантах осуществления на этапе концентрирования дополнительно образуются продукты испарения, а способ дополнительно включает использование продуктов испарения в качестве жидкости для очистки в скруббере, выполненном с возможностью очистки выходящих потоков отходов в оборудовании для высокоэффективной конечной обработки мочевины.
В дополнительном аспекте раскрытия предложен двухсистемный агрегат для производства высокоэффективной мочевины, содержащая систему для высокоэффективной конечной обработки мочевины, содержащую блок гранулирования и блок скруббера с жидкостью для очистки образующихся в ней выпускных газов, и систему испарения, причем: жидкость из блока скруббера с жидкостью направляется в систему испарения и концентрируется внутри нее с образованием переработанной жидкости и восстановленного материала, содержащего 4% мас. или менее воды; переработанная жидкость направляется обратно в систему для высокоэффективной конечной обработки мочевины; и восстановленный материал комбинируется с мочевиной, а полученная смесь направляется обратно в высокоэффективную систему для конечной обработки мочевины.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Чтобы обеспечить понимание вариантов осуществления изобретения, дана ссылка на прилагаемые рисунки, которые необязательно нарисованы с соблюдением масштаба и в которых номера позиций относятся к компонентам примеров осуществления изобретения. Рисунки показаны только в качестве примера и не должны рассматриваться как ограничивающие изобретение.
На ФИГ. 1-4 представлены схематические изображения определенных вариантов осуществления способов и систем, раскрытых в настоящем документе.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Следует отметить, что в рамках настоящего описания и формулы изобретения использование формы единственного числа включает объекты во множественном числе, если из контекста не следует иное. Все процентные доли, части и соотношения основаны на общей массе композиций настоящего изобретения, если не указано иное. Все такие значения массы, относящиеся к перечисленным ингредиентам, основаны на концентрации активного вещества и, таким образом, не включают растворителей или побочных продуктов, которые могут быть включены в состав доступных в продаже материалов, если не указано иное. В настоящем документе термин «массовый процент» может обозначаться как «мас. %». Если не указано иное, все молекулярные массы, используемые в настоящем документе, представляют собой средневесовые молекулярные массы, выраженные в граммах/моль.
«Конечная обработка мочевины» в настоящем документе относится к способу, в соответствии с которым мочевина образуется в твердой форме, по существу в форме частиц, по существу включающий плавление мочевины и охлаждение расплавленной мочевины в нужную форму частиц (например, путем приллирования, гранулирования или пеллетирования). Таким образом, оборудование для конечной обработки мочевины представляет собой оборудование, в котором выполняют конечную обработку мочевины, например, включающее оборудование для плавления мочевины и охлаждения расплавленной мочевины.
«Высокоэффективная конечная обработка мочевины» включает не только получение мочевины в твердой форме, по существу в форме частиц, но также внедрение одной или более «повышающих эффективность добавок», включая, без ограничений, ингибиторы уреазы, ингибиторы нитрификации, микроэлементы, специализированные сельскохозяйственные химические вещества и биологические препараты, в мочевину (например, путем смешивания таких добавок с расплавленной мочевиной с последующим охлаждением смеси до нужной формы частиц). Полученный продукт называется в настоящем документе «высокоэффективным удобрением на основе мочевины», который содержит мочевину и одну или более повышающих эффективность добавок и который может дополнительно содержать другие добавки, например, красители. Таким образом, оборудование для высокоэффективной конечной обработки мочевины представляет собой оборудование, в котором выполняют высокоэффективную конечную обработку мочевины с получением высокоэффективного удобрения на основе мочевины.
В оборудовании для высокоэффективной конечной обработки мочевины на различных этапах производства высокоэффективного удобрения на основе мочевины образуются выпускные газы, и, следовательно, выпускные газы высвобождаются из различных мест физически внутри оборудования для высокоэффективной конечной обработки мочевины. В некоторых случаях такие выпускные газы высвобождаются в окружающую среду и/или возвращаются обратно в процесс конечной обработки мочевины. Такие выпускные газы могут высвобождаться и/или извлекаться, например, из установок для конечной обработки мочевины по существу и/или более конкретно из башен для гранулирования мочевины или башен для приллирования мочевины. Такие выпускные газы, как правило, могут включать не только газообразные и жидкие компоненты, но также такие компоненты, как мочевина (например, в пылевидной форме) и добавки, используемые в процессе конечной обработки (например, повышающие эффективность добавки).
Перед высвобождением этих выпускных газов в окружающую среду или повторным использованием таких газов в рамках процесса конечной обработки мочевины газы, как правило, очищают, например, посредством очистки в скруббере. Очистка в скруббере представляет собой методику очистки газа, в соответствии с которой подлежащий обработке/очистке газ приводят в контакт с жидкостью, причем по меньшей мере часть материала, присутствующего в газе, переходит в жидкость, а газ таким образом очищается. В скрубберах могут использоваться различные жидкости, например, водные жидкости или органические жидкости, и жидкости могут содержать химические вещества, которые специфически взаимодействуют с материалом, подлежащим удалению из газа. Методики очистки в скруббере и соответствующие скрубберы могут быть выбраны из любых скрубберов мокрого типа, известных в данной отрасли, например, описанных в публикации Chemical Engineers’ Handbook (Perry and Chilton), 5th Ed. pp. 20-94 to 20-103, которая полностью включена в настоящий документ путем ссылки. После контакта со скруббером по существу образуется очищенный газообразный поток с очень разбавленной концентрацией (в жидкости скруббера) компонентов, изначально присутствующих в газообразном потоке (например, мочевины и/или повышающих эффективность добавок, включая, без ограничений, ингибиторы уреазы и/или ингибиторы нитрификации, такие как NBPT и/или DCD, микроэлементы (например, бор, цинк и магний), специализированные сельскохозяйственные химические вещества и биологические препараты). Микроэлементы могут включать цинк, бор и магний. Специализированные сельскохозяйственные химические вещества могут включать пестициды, гербициды, фунгициды, регуляторы роста растений или гормоны растений (например, стригалактоны). Биологические препараты могут включать живые микроорганизмы (например, вида Bacillus или Pseudomonas, грибы), продукты выделения, продуцируемые живыми микроорганизмами (например, липиды), растительные экстракты или фрагменты микроорганизмов.
В соответствии с настоящим раскрытием собирали и концентрировали очищающие и рециркулирующие потоки жидкости из установки для конечной обработки высокоэффективного удобрения на основе мочевины. Преимуществом является то, что этап концентрирования выполняют внутри отдельной системы, которая работает независимо от установки для конечной обработки. Иными словами, установка для конечной обработки удобрения по существу имеет свою собственную систему концентрирования (испаритель), и выходящий из нее продукт (включая верхний конденсат) может направляться в различные места (внутри установки или снаружи установки). Преимуществом является то, что концентрирование очищающих и рециркулирующих потоков жидкости, как раскрыто в настоящем документе, выполняют внутри системы концентрирования (испаритель), отличающейся от системы концентрирования (испаритель) внутри установки для конечной обработки удобрения, таким образом, что функция испарителя (-ей), используемого (-ых) внутри установки для конечной обработки удобрения, не нарушается. Таким образом, описанная в настоящем документе система обеспечивает специальные компоненты для сбора, хранения и концентрирования жидкости скруббера для получения материалов, которые можно повторно использовать в процессе, сводя к минимуму негативное влияние на оборудование, расположенное выше по технологической цепочке, используемое внутри имеющейся установки для конечной обработки удобрения.
Один пример системы проиллюстрирован на ФИГ. 1, в котором внутри установки 10 для конечной обработки удобрения на основе мочевины блок 12 гранулирования производит выпускной поток 14. Блок 12 гранулирования может содержать различное число грануляторов, например, грануляционных барабанов и/или блоков гранулирования в псевдоожиженном слое. Выпускной поток 14, как упомянуто выше в настоящем документе, может включать такие компоненты, как пылевидная мочевина и повышающие эффективность добавки (например, ингибиторы уреазы, ингибиторы нитрификации, микроэлементы, специализированные сельскохозяйственные химические вещества и биологические препараты). Выпускной поток проходит через один или более скрубберов 16 с получением потока очищенного газа, который может быть отведен в атмосферу, и раствора 18 скруббера, который направляется в систему 20 испарения.
В другой системе, проиллюстрированной на ФИГ. 2, раствор 18 скруббера направляется во временную накопительную емкость 26. В определенных вариантах осуществления в эту накопительную емкость 26 могут направляться другие потоки. Например, как показано на ФИГ. 2, в накопительную емкость 26 может направляться промывочный поток 32 из установки. Промывочный поток 32 представляет собой поток, по существу содержащий воду и компоненты из блока 12 гранулирования (например, мочевину), который образуется при очистке/промывке блока гранулирования водой. Как показано, накопительная емкость 26 является необязательной и любой или оба из потоков 18 и 32 могут альтернативно направляться непосредственно в систему 20 испарения. Внутри системы 20 испарения жидкости, например, очищающая жидкость, отделяются от других компонентов, присутствующих в очищающем растворе (т. е. пылевидной мочевины и повышающих эффективность добавок). Система испарения может представлять систему любого типа, способную концентрировать потоки жидкости. Системы испарения могут иметь различное число стадий, например, они могут представлять собой одно- или двухстадийные системы испарения. Системы испарения могут содержать тепловые испарители, вакуумные испарители или их комбинации. Условия, используемые внутри системы испарения, изменяются, например, в зависимости от конкретного очищающего раствора, используемого в скрубберах 16 и испаряемого внутри системы 20 испарения. В определенных вариантах осуществления в системе 20 испарения используется пар для концентрирования материала, присутствующего в очищающем растворе.
По меньшей мере часть испаренного жидкого компонента (очищающая жидкость) конденсируется и удаляется из системы испарения, например, по линии 22 конденсата, которая может возвращать очищающую жидкость для повторного использования, направляя ее обратно в скруббер 16 (или в другие скрубберы внутри установки 10 для конечной обработки удобрения или в другое место). В некоторых вариантах осуществления очищающая жидкость в линии 22 конденсата может быть модифицирована перед повторным использованием внутри установки для конечной обработки, например, путем добавления в нее большего количества растворителя для достижения требуемой концентрации очищающей жидкости. Этот этап рециркуляции очищающей жидкости создает закрытый контур в отношении очищающего раствора, устраняя потенциальное негативное влияние на оборудование, процессы и продукты, расположенные выше по технологической цепочке.
В дополнительной системе, проиллюстрированной на ФИГ. 3 и 4, очищающий раствор 18 сначала проходит через систему 27 фильтрации, а затем входит в систему 20 испарения (ФИГ. 3) или накопительную емкость 26 (ФИГ. 4). Система фильтрации удаляет дополнительный твердый материал из раствора скруббера, который не захватывается в скруббер 16. Это наиболее преимущественно при использовании в качестве повышающих эффективность добавок микроэлементов или биологических препаратов. Типичные системы фильтрации могут включать системы для микрофильтрации с размером пор 0,1-10 мкм (например, половолоконные мембраны от компании Koch Membrane Systems, Inc.), которые являются наиболее преимущественными для микроэлементов, и системы ультрафильтрации с размером пор 0,01-0,1 мкм (например, мембраны серии TARGA™ II или PURPON MP от компании Koch Membrane Systems, Inc), которые являются наиболее преимущественными для биологических препаратов. В некоторых случаях, в которых используются биологические продукты выделения (например, липиды или белки), можно использовать системы нанофильтрации с размером пор 1-10 нм. При использовании системы нанофильтрации может быть полезно сначала выполнить фильтрацию очищающего раствора 18 с помощью мембраны микрофильтрации или ультрафильтрации для предотвращения засорения мембраны нанофильтрации. Дополнительно при использовании высокоэффективного удобрения, содержащего как микроэлементы, так и биологические препараты, в системе фильтрации можно использовать последовательно две или более мембран (например, мембрану микрофильтрации, а затем мембрану ультрафильтрации и/или нанофильтрации). В качестве альтернативной конфигурации система 27 фильтрации может быть встроена в линию 24 (не показана). Повышающие эффективность добавки, захваченные в систему фильтрации, могут быть восстановлены и повторно использованы посредством, например, промывки фильтрующего элемента.
Пылевидная мочевина и повышающие эффективность добавки, полученные в результате концентрирования очищающего раствора 18, по отдельности удаляют из системы 20 испарения по линии 24. Добавки, восстановленные внутри системы испарения, преимущественно восстанавливают в концентрированной форме, т. е. с получением восстановленного материала, содержащего пылевидную мочевину и/или одну или более высокоэффективных добавок и содержащую не более чем 4% мас. воды. В некоторых вариантах осуществления восстановленный материал содержит не более чем 3% мас., не более чем 2% мас. или в некоторых случаях не более чем 1% мас. воды. Восстановленный материал по существу содержит главным образом мочевину, например, приблизительно 95% мас. или более мочевины, приблизительно 96% мас. или более мочевины, приблизительно 97% мас. или более мочевины или приблизительно 98% мас. или более мочевины.
Этот восстановленный материал можно обрабатывать различными способами после извлечения из системы испарения. В некоторых вариантах осуществления восстановленный материал может храниться перед использованием в накопительной емкости 26, как показано на ФИГ. 1, т. е. он напрямую не отправляется обратно в установку 10 для конечной обработки удобрения. В этом контексте оборудование 26 для хранения представляет собой специальное оборудование для хранения, т. е. не используется для других материалов, созданных внутри установки 10 для конечной обработки. В других вариантах осуществления восстановленный материал непосредственно повторно используется внутри установки 10 для конечной обработки удобрения (т. е. направляется в обход оборудования 26 для хранения и вводится непосредственно в содержащий мочевину поток 30).
Следует отметить, что если накопительная емкость 26 внутри раскрытой системы используется для других целей, а не для конкретного хранения восстановленного материала (до или после обработки внутри системы 20 испарения), т. е. также используется для хранения компонентов внутри установки 10 для конечной обработки удобрения, конфигурация, показанная на ФИГ. 1, не является преимущественной, так как установка 10 для конечной обработки мочевины будет подвергаться загрязнению. Таким образом, следует понимать, что на ФИГ. 1 накопительная емкость 26 отделена от любого оборудования для хранения, используемого для компонентов, произведенных или используемых внутри установки 10 для конечной обработки мочевины (т. е. в накопительном оборудовании 26 хранится только поток 24). Аналогичным образом, следует понимать, что на ФИГ. 2 накопительная емкость 26 отделена от любого оборудования для хранения, используемого для компонентов, произведенных или используемых внутри установки 10 для конечной обработки мочевины (т. е. в накопительном оборудовании 26 хранятся только потоки 18 и 32). Как правило, в таких системах будет использоваться отдельная накопительная емкость (например, расположенная выше по технологической цепочке от испарителя внутри установки 10 для конечной обработки мочевины) для компонентов, произведенных или используемых внутри установки.
Материал, восстановленный из испарителя, т. е. потока 24 (с временным хранилищем или без него), преимущественно комбинируют с необработанной мочевиной 28 (например, в расплавленной форме), и эту смесь 30 вводят в установку 10 для конечной обработки мочевины, например, в блок 12 гранулирования. Необработанная мочевина может включать любой тип или типы мочевины, такие как несвязанная мочевина, мочевина-формальдегидные продукты и т. п., и дополнительно может включать различные замещенные мочевины. В определенных вариантах осуществления необработанная мочевина остается основным источником мочевины, который вводят в блок гранулирования (например, с восстановленным материалом, используемым для введения приблизительно 5-20% по массе мочевины, введенной в блок гранулирования, например, приблизительно 7-15% по массе, например, приблизительно 10% по массе мочевины в смеси 30, введенной в блок гранулирования). Количество мочевины в очищающем растворе 18, как правило, измеряют по плотности раствора (на основании калибровочных кривых, периодически проверяемых с помощью, например, способов «мокрой» химии или других способов прямого концентрирования). Аналогично количество мочевины в промывочном потоке 32 можно измерять таким образом. Количество или процентную долю восстановленного материала 24, комбинированного с необработанной мочевиной 28, рассчитывают, как правило, по массе и указывают в виде процентной доли от массы необработанной мочевины. Другие компоненты, например, мочевина-формальдегид (UF), можно необязательно добавлять до или после комбинирования восстановленного материала с необработанной мочевиной. Таким образом, смесь 30, введенная в гранулятор, может содержать смесь необработанной мочевины, восстановленного материала и в некоторых вариантах осуществления UF.
Следует понимать, что на ФИГ. 1-4 представленные системы изображены в упрощенном варианте и они дополнительно включают различные компоненты, включая, без ограничений, насосы, конденсаторы, нагреватели, дополнительные скрубберы, устройства продувки газом и т. п. Также следует отметить, что, хотя раскрытие в настоящем документе и связанная с ним фигура фокусируются на рециркуляции и повторном использовании компонентов, присутствующих в потоке очищающей жидкости, такие компоненты могут присутствовать в других местах внутри установки 10 для конечной обработки мочевины, и способы, раскрытые в настоящем документе, по существу также применимы в этих контекстах.
В раскрытии также предложен двухсистемный агрегат, как по существу описано в настоящем документе, в котором используется система для высокоэффективной конечной обработки мочевины (например, содержащая блок гранулирования и скрубберы для очистки производимых в ней выпускных газов) и система испарения. Преимущественно, как описано в настоящем документе, две системы сообщаются по текучей среде друг с другом так, что жидкость скруббера, которая остается после очистки выпускных газов, образующихся внутри системы для высокоэффективной конечной обработки мочевины, может быть направлена в систему испарения, а затем, после обработки в системе испарения, полученная выпаренная очищающая жидкость возвращается в систему для высокоэффективной конечной обработки мочевины для повторного использования в этом же (или другом) скруббере.
Хотя вышеизложенное изобретение было в некоторой степени подробно описано посредством иллюстрации и примера в целях лучшего понимания, специалисту в данной области будет очевидно, что определенные изменения и модификации могут быть реализованы в рамках объема приложенной формулы изобретения. Кроме того, каждая ссылка, приведенная в настоящем документе, полностью включена в настоящий документ путем ссылки в той же степени, как если бы каждая публикация была по отдельности включена путем ссылки. При возникновении противоречий между настоящей заявкой и приведенной в ней ссылкой преимущество будет иметь настоящая заявка.