生产氨及其衍生物、尤其尿素的工艺制造技术

一种从天然气原料生产氨和氨的衍生物的工艺，包括将天然气转化成补充合成气；合成氨；使用所述氨来生产所述氨的衍生物，其中，天然气原料的一部分被用于给燃气涡轮机供给燃料；通过所述燃气涡轮机产生的能量被传递至所述工艺的至少一个能量使用者，诸如压缩机；从所述燃气涡轮机的废气中回收热量，且至少一部分所述热量作为在不大于200℃的温度下可用的低位热量被回收，以向所述工艺的至少一个热使用者提供工艺加热，热使用者例如是CO2去除单元或者吸收式冷冻机；还公开了相应的成套装置和现代化的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于从天然气生产氨及氨的衍生物、尤其尿素的方法。本专利技术还公开了一种氨-尿素成套装置的现代化的方法。
技术介绍
在肥料行业中已知氨和氨的衍生物的集成化生产。例如，已知氨和尿素的生产。氨生产，通常来自天然气原料的氨生产，包括在前端工段中将天然气转化成合成气以及在合成回路中将所述合成气转化成氨。天然气原料转化成合成气通常涉及两级蒸汽转化(尽管自热转化和部分氧化是可行的选择)，然后包括CO变换成CO2、CO2去除以及可选地甲烷化的净化。所得到的净化气被称为氨合成气。例如在EP2065337中描述了一种用于生产氨合成气的工艺。在所谓的氨-尿素成套装置中，至少一部分的合成的氨与二氧化碳反应以生成尿素。用于生产氨及其衍生物的成套装置还包括复杂的蒸汽系统，其包括蒸汽生产者和蒸汽使用者两者。蒸汽生产者回收来自各种工艺蒸汽的工艺热，多数来自天然气原料转化成粗合成气(通常通过蒸汽转化)以及来自其随后净化的工艺热。蒸汽使用者包括例如一个或多个汽轮机以驱动诸如压缩机和泵的设备。氨-尿素成套装置的主要蒸汽使用者为大型气体压缩机的驱动涡轮，该大型气体压缩机例如是合成气压缩机(其将生成的补充气的压力提升至合成回路的压力)以及用于工艺空气、氨、二氧化碳或天然气的其他压缩机。蒸汽系统通常使用Hirn循环(或者过热蒸汽Rankine循环)以产生能量。然而，如氨成套装置中采用的所述循环是相对低效的，即使对于相对现代化和大型的成套装置也具有小于30％的效率且通常只有26％至27％。因此，用于提升蒸汽/使蒸汽过热的小于30％的热量被转化成机械能，大于70％的热量主要在蒸汽冷凝器中以及其他低效率的空气/水冷却中损失。在蒸汽系统中产生的蒸汽的一部分也用在转化工艺中。该部分的蒸汽被称作工艺蒸汽。转化工艺的相关参数为蒸汽与碳的比率，其为蒸汽和在工艺中引入的碳之间的摩尔比。所述比率通常大约为3。通过工艺热回收所生成的蒸汽一般不足以满足所有的需求，且在现有技术中通过包括燃气辅助锅炉以生成额外的所需的蒸汽来弥补不足。然而，所述锅炉引起天然气的额外消耗，在合成的氨方面对于给定的容量增加整体消耗。所述额外的消耗是一个缺陷，尤其在天然气是昂贵的地方和/或限量使用的地方。在这些高天然气成本的地区中现有成套装置和新的成套装置必须使天然气的消耗最小化以在国际肥料市场上具有竞争性。此外，在肥料生产可用的总天然气有限的情况下，成套装置的特定气体消耗的任何减小能够相应增加肥料生产能力。用于生产氨的衍生物，诸如尿素的复合肥料的主要天然气消费者是氨成套装置。尽管已经进行了许多努力以降低氨成套装置的能量消耗，但是如今可利用的工艺仍不是足够高效的，或在气体成本高的情况下太昂贵而不能操作。甚至目前用于改造现有氨成套装置的方法不具有竞争性，因为它们通常解决用以增加现有的装置的生产力的需求，而不是使气体消耗最小化。最近，已经出现了可用于氨成套装置的天然气的数量的限制。这种受限的可用性可包括由于气田的生产的减少导致的物理气体缺乏，或者可以是由于商业和/或经济的原因，例如用完可用于成套装置的气体的合同份额和/或用于天然气的价格和需求的不同方案。
技术实现思路
本专利技术面对的问题是基于天然气原料而减少上述提到的氨成套装置的能量消耗。尤其，本专利技术的目的是减少在燃气锅炉中所消耗的用于生成能量使用者所需的蒸汽的天然气的量，该能量使用者例如是成套装置的气体压缩机。本专利技术强调的构思是通过燃气涡轮机提供大型能量使用者所需的能量的至少一部分，所述大型能量使用者例如是气体压缩机。通过所述燃气涡轮机生产的能量可以机械形式(直接联接)或者以电形式被传递至使用者，通常为所述压缩机。因此，例如，气体压缩机可机械地联接至所述燃气涡轮机或者使用涡轮机产生的电力由电动机驱动。在所述燃气涡轮机的废气中包含的至少一部分热量作为低位热量被回收用于成套装置的热使用者。因此，上述问题通过根据权利要求1的一种用于从天然气原料生产氨及氨的衍生物的工艺得到解决。所述工艺的特征在于所述天然气原料的一部分用于对燃气涡轮机供给燃料；由所述燃气涡轮机生产的能量被传递到至少一个在所述工艺中涉及的能量使用者；从所述燃气涡轮机的废气中回收热量；至少一部分所述热量作为低位热量被回收以向在所述工艺中涉及的热使用者中的至少一者提供工艺加热。术语低位热量表示在200℃或更低的温度下能够被热使用者利用的热量。根据本专利技术，所述低位热量通过适宜的热交换介质被回收，该热交换介质通过废气被间接地加热至不大于200℃的温度。所述热交换介质可例如为被加热或者被部分或完全蒸发的水。术语燃气涡轮机表示一种根据布雷顿循环(BraytonCycle)运行的内燃机且包括至少一个压缩机、燃烧器和膨胀式涡轮机。术语低位热量表示所述热量被传递至合适的散热器流体，例如沸腾介质，例如所述散热器的温度不大于200℃。本专利技术的优选特征为将前端工段的总蒸汽与碳的比率(SC比率)调节成比常规的总蒸汽与碳的比率更低的值。优选地，所述SC比率被调节至小于2.7的值、且更优选地在2.3至2.6的范围内。尽管降低SC比率对于氨生产工艺具有如下列举的某些优点，但它也具有测定从热回收中可用的蒸汽用于能量生成的数量减少的缺点；然而，在本专利技术中通过提供所述燃气涡轮机弥补了该不足。因此，较低SC的优点能够被充分利用。低SC比率的有益效果包括：减少转化工艺所需的蒸汽；对于给定的氨生产，减少用于预加热和转化混合原料的蒸汽转化炉的热负荷且从而减少转化炉燃料消耗；在从合成气中回收有价值的热量之后，在前端的热回收过程结束时更少的热被丢弃用于冷却水/空气(实际上蒸汽被加入对于转化和CO变换的需求量过量的蒸汽中，且过量的蒸汽在合成之前基本全部被冷凝)；以及在前端的质量流量较低。促进SC比率减小的有效的方式包括提供预转化炉以及在蒸汽转化炉和CO变换反应阶段中使用改进的催化剂。根据本专利技术，从所述燃气涡轮机的废气回收低位热量。所述热量可被用于许多目的，包括但不限于下面的示例：加热例如热水或热油的热传递介质、在CO2去除单元中再生富含CO2的溶液、加热吸收式制冷冷冻机的重沸器、蒸馏富含氨的氨水溶液、和/或初始预加热天然气、工艺空气、助燃空气。根据不同的实施方式，如上限定的所述低位热量仅仅构成能够从燃气涡轮机的废气中回收的总热量的一部分。从较高温度(例如大于约250℃的废气温度)下的燃气涡轮机废气中回收的热量，可被用于例如生成适合于驱动涡轮机的蒸汽或者使适合于驱动涡轮机的蒸汽过热。本专利技术的一个实施方式提供：从所述燃气涡轮机的废气中回收的热量的第一部分被用在热回收蒸汽发生器中以产生过热蒸汽，且所述蒸汽在背压式或抽汽式蒸汽涡轮机中膨胀，进一步产生机械能，从而形成组合循环，以及从所述燃气涡轮机的废气回收的热量的第二部分被用于提供所述低位热量。更优选地，取自所述背压式或抽汽式蒸汽涡轮机的蒸汽流还可被用于向所述热使用者中的至少一者提供加热。如果外部使用者可用的话，则还可输出所产生的蒸汽的一部分。本专利技术尤其与需要低位热量的二氧化碳去除技术具有协同效果。例如，通过化学或化学-物理吸收去除二氧化碳需要用于再生CO2去除溶液的热量输入。所述溶液可包括胺或碳酸钾或类似物。上述提到的氨的衍生物可例如为尿素、磷酸盐或者硝酸中的一者本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于从天然气原料生产氨和氨的衍生物的工艺，所述工艺包括：在前端工段中将天然气转化成合成气；在合成回路中从所述合成气合成氨；使用所述氨的至少一部分来生产所述氨的衍生物，所述工艺通过需要机械能来操作的能量使用者以及需要热量输入来操作的热使用者来实施；所述工艺的特征在于：‑所述天然气原料的一部分用于给燃气涡轮机供给燃料；‑通过所述燃气涡轮机产生的能量用于至少部分地满足所述能量使用者的能量需求；‑从所述燃气涡轮机的废气中回收热量，且至少一部分所述热量作为低位热量被回收，以向所述热使用者中的至少一者提供工艺加热；‑经由热交换介质将所述低位热量从所述废气传递至所述热使用者中的所述至少一者，所述介质通过与所述废气间接热交换而被加热至不大于200℃的温度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.18 EP 14173042.41.一种用于从天然气原料生产氨和氨的衍生物的工艺，所述工艺包括：在前端工段中将天然气转化成合成气；在合成回路中从所述合成气合成氨；使用所述氨的至少一部分来生产所述氨的衍生物，所述工艺通过需要机械能来操作的能量使用者以及需要热量输入来操作的热使用者来实施；所述工艺的特征在于：-所述天然气原料的一部分用于给燃气涡轮机供给燃料；-通过所述燃气涡轮机产生的能量用于至少部分地满足所述能量使用者的能量需求；-从所述燃气涡轮机的废气中回收热量，且至少一部分所述热量作为低位热量被回收，以向所述热使用者中的至少一者提供工艺加热；-经由热交换介质将所述低位热量从所述废气传递至所述热使用者中的所述至少一者，所述介质通过与所述废气间接热交换而被加热至不大于200℃的温度。2.根据权利要求1所述的工艺，将所述能量以机械形式或电形式从所述燃气涡轮机传递至所述能量使用者中的至少一者。3.根据前述权利要求中任一项所述的工艺，其中，在所述前端工段中所述将天然气转化成合成气通过蒸汽转化来实施，其中，总蒸汽与碳的摩尔比率不大于2.7且优选地在2.3至2.6的范围内。4.根据前述权利要求中任一项所述的工艺，其中，从所述燃气涡轮机中回收的所述热量被用于向以下的热使用者中的一者或多者提供热量：-加热热传递介质，所述热传递介质例如是热水或热油；-在CO2去除单元中再生富含CO2的溶液；-向吸收式制冷冷冻机提供能量；-蒸馏富含氨的氨水溶液；-加热天然气或其他燃料；-加热工艺空气；-加热助燃空气。5.根据前述权利要求中任一项所述的工艺，其中：从所述燃气涡轮机的废气中回收的热量的第一部分被用在热回收蒸汽发生器中以产生蒸汽，且所述蒸汽在背压式或抽汽式蒸汽涡轮机中膨胀产生另外的机械能，由此形成组合循环，和从所述燃气涡轮机的废气中回收的热量的第二部分被用于提供所述低位热量。6.根据权利要求5所述的工艺，其中，取自所述背压式或抽汽式蒸汽涡轮机中的蒸汽流被用于向所述热使用者中的至少一者提供加热。7.根据前述权利要求中任一项所述的工艺，其中，所述将天然气转化成合成气包括一段蒸汽转化炉和二段转化炉、或者纯自热式转化炉、或者部分氧化反应器，以获得粗合成气；以及净化所述粗合成气，至少包括变换反应和从变换的气体中去除二氧化碳。8.根据权利要求7所述的工艺，所述变换转化是基于铁催化剂的高温变换HTS或者是基于铜...

【专利技术属性】
技术研发人员：拉法埃莱·奥斯图尼，杰弗里·弗雷德里克·斯金纳，
申请(专利权)人：卡萨尔公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH