用于肥料生产的氨合成制造技术

合成用于农业肥料的氨的方法使用水(H2O)作为氨(NH3)合成中的氢气(H2)的来源，并且收集一氧化碳(CO)作为用于在产生氢气的WGS(水煤气变换)反应中结合的限量试剂。WGS反应使用CO与水来产生二氧化碳(CO2)和H2，从而消耗来自其他工业应用的不需要的CO。该方法的副产物包括对于每摩尔合成的氨产生1.5摩尔CO2。中间步骤对于每摩尔氮气(N2)消耗3摩尔氢气。避免使用甲烷气体，因为该方法使用CO和该WGS反应作为H2的唯一来源而不引入甲烷(CH4)。为了进一步的可持续性，可以通过燃料电池进行氨的下游合成以产生用于氨合成的电力。

Ammonia synthesis for fertilizer production

Synthesis of ammonia for agricultural fertilizers uses water (H2O) as a source of hydrogen (H2) in the synthesis of ammonia (NH3) and collects carbon monoxide (CO) as a limiting reagent for binding in the WGS (water gas shift) reaction that produces hydrogen. The WGS reaction uses CO with water to produce carbon dioxide (CO2) and H2, which consumes unwanted CO from other industrial applications. The by-products of the method include 1.5 mol CO2 for ammonia produced per mole. The intermediate step consumes 3 mole of hydrogen for each molar nitrogen (N2). Avoid using methane gas because the method uses CO and the WGS reaction as the sole source of H2 without introducing methane (CH4). For further sustainability, ammonia can be synthesized downstream through fuel cells to generate electricity for ammonia synthesis.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于肥料生产的氨合成
技术介绍
大规模生产的肥料的发展通过使可以在给定地块上种植的作物产量最大化彻底改革了工业化农业。肥料与灌溉系统一起减轻了对自然降水的依赖，允许从农田获得农业库存的可预测的最佳产量。肥料生产使用大量的氨。在固体或液体状态下，氨盐和氨溶液是农业中使用的大多数合成肥料的活性成分，其消耗了世界上83％的氨，并对氨生产提出了更高要求。氨合成的主要工业方法是由FritzHaber于1905年创立的哈伯博施法(Haber-Boschprocess)，并由CarlBosch于1910年发展用于工业目的。整个过程在高压和高温下通过进料反应物在铁催化剂上从分子氮和氢合成氨，需要庞大的、绝缘性好的反应器来容纳该过程以及大量的天然气。哈伯方法每年合成大约1.5亿吨氨，并且允许地球维持大幅增加的人口。然而，使用天然气作为氢气和从大气中获取氮气所需的能源的来源已经成为环境问题的主题。已知天然气的工业使用和地质开采分别促进了二氧化碳排放和水污染，并且现今估计59％在美国生产的天然气用于氨合成以满足对气态氢气的高需求。现今合成的氨中的大约80％最终转化为尿素肥料，其为在室温下更稳定的浓硝酸盐，使得比氨更易于储存和运输。
技术实现思路
合成用于农业肥料的氨的方法使用水(H2O)作为氨(NH3)合成中氢气(H2)的来源，并且收集一氧化碳(CO)作为用于在产生氢气的WGS(水煤气变换)反应中结合的限量试剂。WGS反应使用CO与水来产生二氧化碳(CO2)和H2，从而消耗来自其他工业应用的不需要的CO。该方法的副产物包括对于每摩尔合成的氨产生1.5摩尔CO2。中间步骤对于每摩尔氮气(N2)消耗3摩尔氢气。避免使用甲烷气体，因为该方法使用CO和WGS反应作为H2的唯一来源而不引入甲烷(CH4)。甲烷生产是昂贵的并且给常规方法带来负担。本文中的配置(部分)基于如下观察：用于尿素和肥料生产的氨合成的常规方法使用氢气H2和一氧化碳(CO)的水煤气变换(WGS)。不幸的是，常规方法的缺点是它们倾向于严重依赖诸如甲烷等天然气作为氢气来源，导致副产物二氧化碳的大量排放。因此，本文的配置通过仅使用水作为氨合成的氢气来源基本上克服了上述缺点。所披露的方法使用WGS反应作为氢气生产步骤，并且需要使用一氧化碳来生产氢气生产如(CO+H2O)→(CO2+H2)所需的原材料。因此，该方法中的限量试剂为CO。不同的来源可以用于CO输入，如碳黑制造、炼钢厂、发电厂或其他工业过程。在常规方法中，合成氨和尿素的方法可以概括为简化的化学计算方程式：氨：N2+3H2←→2NH3然后在另外的工业场所或工厂中：尿素：2NH3+CO2←→(NH2)2CO+H2O或2NH3+1/2O2+CO←→(NH2)2CO+H2O尿素是重要的，因为80％的现今制造的氨成为用于制造尿素(用于肥料的更稳定的硝酸盐)的原料。然而，氨和尿素的现代合成需要几个必要且昂贵的方法和处理以获得最高产量，必须将其考虑以准确评的估它们有效性以及它们对环境和工业的影响。更具体地，所披露的用于合成氨的方法包括从工业方法中接收一氧化碳(CO)，并将接收的一氧化碳提供给氢气分离器，以使一氧化碳与来自用于产生氢气(H2)的水来源的水反应。混合器或其他容器使氢气与来自氮气反应器的氮气结合起来用于合成氨，这样使得氢气仅从提供给氢气分离器的水产生，其避免了氨生产过程中甲烷或其他天然气的消耗。所披露的方法可能需要用于从工业操作的副产物中合成氨的系统，包括用于接收烟道废气的洗涤器和/或膜分离器和/或氨合物吸收，其中该废气包括一氧化碳并且从废气中除去基于硫的化合物。CO混合器将洗涤的一氧化碳与水结合。氢气分离器具有用于分离和传送经纯化的氢气(H2)的膜，并且该氢气混合器使分离的氢气与氮气结合。最后，氨反应器接收氢气和氮气，并在施加的热和压力下使氢气和氮气结合用于合成氨，其中，与常规甲烷相比，氢气仅来源于通过氢气分离器膜的水和来自烟道废气的任何残余碳氢化合物。可以通过考虑使用PBI磷酸燃料电池(该电池使用氨和纯化的一氧化碳作为阳极燃料和来自空气中的氧作为阴极)的下游尿素合成进一步增强该系统；这种燃料电池用来生产尿素、电和水。建议在约180℃和30巴下使用PAFC。在这些条件下，预计燃料电池将具有超过95％的单程产量，并且通过涡轮机循环上升的蒸汽，将具有70％的附属整体效能。这使用了上述第二尿素合成方法中所示的尿素的单级合成。从燃料电池尿素合成和水生产所提高的电力将有助于为氨合成方法提供电力，使其更加可持续并且更少依赖于化石燃料。据建议，通过这种具有最佳CO和水输入的设计，可能具有如下尿素制造设备，该尿素制造设备仅使用来自烟道气的CO、水以及来自空气的氮气和氧气来合成尿素而不需要外部电力或蒸汽或者任何其他原材料。还据建议，使用其他可再生电力来源(如太阳电池板和风车)来提供电力需求而无需外部供电。附图说明从以下对本专利技术的具体实施例的描述中，本专利技术的前述和其他目的、特征和优点将是显而易见的，如在附图中所示的，在附图中，相同的参考符号在不同图中是指相同的部件。附图不一定是按比例的，而是强调示出本专利技术的原理。图1是如本文所述的氨合成顺序的图。图2示出了适合与描绘图1的配置一起使用的工业环境的环境图；图3示出了在图2的环境中图1的氨和尿素合成方法的工艺流程；图3a将图3中描绘的生产流的压力和温度相关联；图4示出了偶合图3的工艺的热需求的替代配置；图5示出了用于如图3中所示的氢气分离膜的替代配置；图6示出了如图1-5中所示的氨合成的流程图；并且图7示出了在为合成工艺供电的燃料电池中的图5的合成氨。具体实施方式用于肥料生产的氨合成具有显著的环境和大气作用。由于氨合成所排放的温室气体中的大部分是通过从原料中制备氢气而释放的。生动的实例就是在中国的氨制造厂，其中的80％用煤作为原料，而不是天然气或石脑油。氢气通过气化(或部分氧化)从煤中产生，其中煤在高温和高压下与氧气和蒸汽反应。该反应产生含有氢气和一氧化碳的合成气体，其后者与过量的氢气反应以形成二氧化碳，然后将其除去。虽然使用煤为原料的工厂占全球工厂中的少数，但中国目前生产的氨比世界上其他任何国家都多。在中国每年生产的7000万吨氨中，估计有80％是用来自煤的氢气合成的-这占世界氨总生产的相当大的比例。对于世界上大多数工厂来说，天然气比煤或重油作为原料实惠得多，并且天然气被认为是这些燃料中最可持续的。然而，使用更清洁的原料并不会使制造商停止释放相同的潜在有害化合物。在使用天然气的催化蒸汽形成的方法(绝大多数现有工厂)中，类似于用于煤气化的方法，将从催化蒸汽转化步骤中形成的一氧化碳与过量的氢气反应形成更容易从系统中去除的一氧化碳。通过洗涤，可以加热任何残留的二氧化碳并从系统中清除，有时通过通风孔将其释放到大气中。工厂已经设计了捕获通过蒸汽形成产生的二氧化碳的方法，防止该气体进入大气并通过将化合物进料到二氧化碳是反应物的另一种方法中来潜在地重新利用该化合物。考虑到大部分氨被转化为尿素然后被用于肥料中，因此，从蒸汽形成中捕获二氧化碳并用作尿素合成中的反应物似乎是切实可行的。然而，许多较小的氨工厂和不依赖于尿素生产运行的工厂简单地将这些烟气排放到大气中，甚至有工厂在二氧化碳气体不易被捕获的合成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于合成氨的方法，该方法包括：从工业工艺中接收一氧化碳(CO)；将该接收的一氧化碳提供给氢气分离器用于使该一氧化碳与来自水来源的水反应来产生氢气(H2)；将该氢气与来自氮气反应器的氮气结合用于合成氨，该氢气仅从提供给该氢气分离器的该水中产生。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.02.26 US 62/121,039;2016.01.11 US 14/992,2041.一种用于合成氨的方法，该方法包括：从工业工艺中接收一氧化碳(CO)；将该接收的一氧化碳提供给氢气分离器用于使该一氧化碳与来自水来源的水反应来产生氢气(H2)；将该氢气与来自氮气反应器的氮气结合用于合成氨，该氢气仅从提供给该氢气分离器的该水中产生。2.如权利要求1所述的方法，其中该氢气分离器是具有钯膜的催化膜反应器，该方法进一步包括使该氢气通过该钯膜。3.如权利要求2所述的方法，其中结合该氢气进一步包括在氨反应器中以3∶1的摩尔比使该氢气与氮气结合，加热和加压该结合的氢气和氮气用于使所得的氨(NH3)通过用于分离氨的膜，并再循环该氢气和氮气以重复通过步骤，每次通过产生分离的氨。4.如权利要求3所述的方法，其中在450℃的温度下，该CO与该水以基本上约2∶1的摩尔比进行反应，并且在450℃和200巴的压力下使该氢气和氮气结合。5.如权利要求2所述的方法，该方法进一步包括使用铁-铬催化剂在氨反应器中使该氢气和氮气反应。6.如权利要求1所述的方法，该方法进一步包括通过捕获来自碳黑精炼的废气气体并将该捕获的废气气体通过用于分离硫化物的洗涤器以及其他来源例如炼钢厂和电厂，从该碳黑精炼操作中接收该CO。7.如权利要求6所述的方法，该方法进一步包括偶合该一氧化碳洗涤器和该氢气分离的热输入用于促进自持续性发电。8.如权利要求2所述的方法，该方法进一步包括将来自该氢气分离器的热量引导到氨反应器中用于合成该氨。9.如权利要求8所述的方法，该方法进一步包括经由热导管从工业燃烧过程提供热量，该热导管响应于作为向该氢气分离器提供热量的工业燃烧过程的副产物排放的热能。10.如权利要求3所述的方法，该方法进一步包括：将该合成的氨接收到模块中，该模块具有电解质、分离器以及在该分离器相对侧上的端子；并且将该接收的氨转化为尿素，该转化产生跨过该分离器的离子流用于在该相对的端子之间产生电压差。11.一种用于从工业操作的副产物中合成氨的系统，该系统包括：用于接收废气并有效地从该废气中除去基于硫的化合物的洗涤器和/或膜，该废气包括一氧化碳；与该洗涤器连通用于使该洗涤的一氧化碳与水结合的CO混合器；用于接收该一氧化碳和水的氢气分离器，该氢气分离器具有用于分离和传送纯化的氢气(H2)的膜；用于使该分离的氢气与氮气结合的氢气混合器；以及氨反应器，该氨反应器用于接收该氢气和氮气，并在施加的热和压力下使该氢气和氮气结...

【专利技术属性】
技术研发人员：哈利德·T·阿尔库萨耶，
申请(专利权)人：利塔基投资，
类型：发明
国别省市：沙特阿拉伯,SA