氨和硫酸一体化生产设备和方法技术

已经开发了用于生产氨和硫酸的一体化设备和相关方法，其包括空气分离和水电解子系统并且出人意料地高效利用来自这些子系统的产物(即来自前者的氧气和氮气以及来自后者的氢气和氧气)。本发明专利技术特别适合作为一体化肥料生产设备的一部分使用。产设备的一部分使用。产设备的一部分使用。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】氨和硫酸一体化生产设备和方法


[0001]本专利技术涉及用于生产氨和硫酸的设备和方法。具体地，本专利技术涉及用于生产这些化学品作为肥料生产设备的原料的设备和方法。

技术介绍

[0002]氨和硫酸是世界上生产最多的商品化学品中的两种并且被广泛用于化学工业和商业产品中。考虑到生产的范围和减少全球碳足迹和能量消耗的需要，正在做出巨大努力来提高这些化学品的生产效率并减少与其生产相关的任何环境影响。
[0003]就氨而言，生产典型地是使用哈伯
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博施(Haber
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Bosch)法完成的，其中供应氮气和氢气一起催化反应形成氨。氮气典型地是通过低温空气分离获得的。氢气通常是通过将烃类(例如天然气)蒸汽重整为气态氢气获得的。为了减少由这些和其他方法产生的碳氧化物(温室气体)，大规模的水电解正越来越多地被用于产生所需的氢气。电解基本上只导致产生氢气和氧气气体并且因此在减少温室气体方面是非常希望的。来自低温空气分离或电解的副产物氧气气体是相对纯的氧气，但典型地作为不经济的副产物排放到大气中。
[0004]就硫酸而言，生产一般涉及将二氧化硫首先转化成三氧化硫，然后将三氧化硫随后转化成硫酸。现今硫酸的供应的大部分是使用接触法生产的，该接触法涉及获得二氧化硫的供应(例如通常通过以环境空气作为氧气源燃烧硫获得)，并且然后在加速反应的催化剂(典型地是五氧化二钒)的存在下用环境空气中的氧气氧化二氧化硫以便产生三氧化硫。该反应是可逆且放热的，并且重要的是适当地控制催化剂上的气体温度以避免损坏催化剂，并且以便在不损坏含有催化剂的接触装置的情况下实现所希望的转化。
[0005]然后将产生的三氧化硫吸收到浓硫酸溶液中以形成更浓的硫酸溶液，然后将其稀释以产生所希望的浓硫酸溶液。这避免了直接将三氧化硫溶解到水中(这是高度放热反应)的后果。三氧化硫的吸收通常在一个或多个吸收塔中进行。
[0006]多年来，已经开发了许多不同的方法和装置用于以改进的方式生产硫酸，并包括对硫的燃烧、由二氧化硫生产三氧化硫、在水中吸收三氧化硫等方面的改进。
[0007]例如，在WO 2008/052649中，披露了一种用于连续催化完全或部分氧化含有按体积计从0.1％至66％的二氧化硫加氧气的起始气体的方法，其中催化剂通过引入或移除能量的伪等温工艺条件保持活性。相关装置的特征是至少一个管接触装置，其是由至少一个双壁管构成的直立热交换器，该双壁管的填充有催化剂的内部管形成反应管，其中热在反应管周围并流传递，并且在管接触装置的下游安装用于分离出SO3的吸收器。催化剂的反应性是通过与惰性材料混合来预设的。该方法和装置以商标CORE
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可商购。与常规的多次通过绝热转化器相比，该方法的优点是紧凑的尺寸并且在单次通过中可以实现高反应速率和高转化率，因为工艺气体在通过催化剂物质时被冷却，导致气体出口温度显著降低，这对SO3平衡是有利的。
[0008]在GB 1504725中，披露了一种用于连续催化氧化含有二氧化硫加氧气的起始气体的方法。相关装置的特征是接触装置，其是包括至少一个单壁管的管式热交换器，该单壁管
的填充有催化剂的内部形成反应管，其特征在于，通过中间回路将能量引入催化剂或从催化剂中移除，以便在反应管的长度上建立温度曲线，在该温度曲线下催化剂保持活性。本领域技术人员将认识到，只要包括适当的预防措施来确保在管外部冷却剂介质的均匀分布，也可以使用逆流和单壁管式热交换器。
[0009]在WO 2011/067042中，披露了用于燃烧至少一种硫化合物的方法和装置。相关装置是用于通过连续方法生产硫酸的分级燃烧装置，该连续方法包括以下步骤：(a)在燃烧单元中使单质硫和/或硫化合物与含氧燃烧气体反应以形成二氧化硫，(b)将来自步骤(a)的二氧化硫催化氧化以形成三氧化硫，(c)将来自步骤(b)的三氧化硫吸收和/或冷凝在硫酸中，其中在步骤(a)中燃烧气体被引导通过燃烧单元，该燃烧单元在燃烧气体的流动方向上具有至少两个连续的燃烧区，其中在每个燃烧区中单质硫和/或硫化合物被注入燃烧气体中，每个燃烧区被冷却，并且在每个燃烧区下游提供热交换器，用该热交换器冷却反应气体，使得每个燃烧区中的最高温度不超过2000℃的值，其特征在于，燃烧区中的最高温度沿主气体流方向降低。该装置包括至少一个用于燃烧单质硫和/或硫化合物的燃烧室、用于将二氧化硫催化氧化为三氧化硫的管接触装置、用于吸收和冷凝三氧化硫的装置、用于废气净化的装置和用于将部分气体流再循环至燃烧室的装置，该气体流在吸收三氧化硫后产生并含有来自将二氧化硫催化氧化为三氧化硫的未反应的量的氧气和二氧化硫，其中该燃烧室具有多个燃烧区，这些燃烧区通过用于除去热量的装置彼此分开，其特征在于，该管接触装置只形成单接触级。
[0010]氨和硫酸二者通常作为原料用于生产国际级颗粒肥料，如磷酸二铵(DAP)和磷酸一铵(MAP)肥料。典型地，硫酸与磷酸盐岩石反应产生磷酸，磷酸本身是重要的商品化学产品。虽然磷酸的主要用途是生产肥料，但磷酸还有许多另外的应用。磷酸通常使用所谓的湿法方法制造。在这种方法中，制备水性混合物，其含有适当的矿石，该矿石包含大量的磷酸三钙岩石(例如通过在水溶液中研磨矿石以产生水性浆料，或仅将所获得的矿石与水结合等)。向其中添加硫酸，其消化岩石并产生包含磷酸和其他物质(取决于矿石中存在的其他矿物)的溶液。还产生硫酸钙沉淀物并且这种沉淀物随后被过滤并与磷酸溶液分离。根据所希望的磷酸等级(纯度)，然后可能需要额外的方法步骤来去除不想要的元素和/或化合物。所产生的磷酸然后与氨反应以在肥料生产设备中生产DAP和/或MAP肥料。虽然各种原料(氨、硫酸、和/或磷酸)可以在场外制备并根据需要运到肥料生产设备，但原料也可以用肥料生产设备现场制备并且因此与其一体化。
[0011]全球对基于磷酸盐的肥料的需求不断增长，导致该行业中出现了几家大型公司。这些公司位于磷酸盐岩石丰富的地区，使他们拥有需要大量硫酸的大量综合型肥料复合物。这导致硫酸设备越来越大，输出量在4000与5000MTPD之间。随着设备变得越来越大，接近经济和技术上的上限，因为所涉及的转化器、吸收塔和气体
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气体交换器变得太大而不能经济地制造。结果是需要多个硫酸设备来满足下游需求。
[0012]商业的硫燃烧硫酸设备基本上一直使用环境空气作为方法中所需要的氧气来源。使用环境空气是廉价的并且以大约12vol％SO2进入转化器操作的常规方法完美平衡了高转化率所需的O2:SO2比率和第一催化剂床的最大允许操作温度。使用空气的明显缺点是，每个所需的氧气分子还伴随着大约四个惰性气体分子(主要是N2和CO2)，它们也必须流动通过设备，因此需要非常大的设备来处理整个气体流。
[0013]长期以来，认为使用氧气作为部分或全部空气的替代物以将硫燃烧成二氧化硫。尽管如此，在常规的商业硫酸设备中使用氧气是没有保证的，因为无法克服以下方法问题：
[0014]1)用氧气或富含氧气的空气燃烧硫产生极高的炉温，其超过可用耐火本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于生产氨和硫酸的一体化设备，其包括：具有用于空气的入口和用于分离的氧气和分离的氮气的出口的空气分离子系统；具有用于水的入口和用于来自电解的氢气和来自电解的氧气的出口的水电解子系统；具有用于氢气和氮气的入口和用于氨的出口的氨生产子系统，其中：该水电解子系统的氢气出口与该氨生产子系统的氢气入口流体连接；并且该空气分离子系统的氮气出口与该氨生产子系统的氮气入口流体连接；以及具有用于硫、水和氧气的入口和用于硫酸的出口的硫酸生产子系统，其中：该空气分离子系统的氧气出口与该硫酸生产子系统的氧气入口流体连接；并且该水电解子系统的氧气出口与该硫酸生产子系统的氧气入口流体连接。2.如权利要求1所述的一体化设备，其中，该空气分离子系统是低温空气分离子系统。3.如权利要求1所述的一体化设备，其中，该硫酸生产子系统是浸没燃烧硫酸生产子系统，其包括：用于将硫燃烧成二氧化硫的浸没燃烧室；用于将残留的硫燃烧成二氧化硫的连接在该浸没燃烧室下游的二次燃烧室；用于将二氧化硫转化成三氧化硫的在该二次燃烧室下游的接触装置；以及用于将三氧化硫吸收在水中的吸收子系统。4.如权利要求3所述的一体化设备，其中，该浸没燃烧硫酸生产子系统是单接触、单吸收硫酸子系统并且没有主鼓风机、干燥塔系统、再热交换器以及二次转化和吸收系统。5.如权利要求4所述的一体化设备，其中，该浸没燃烧硫酸生产子系统中的该接触装置是作为包括至少一个双壁管的直立热交换器的接触装置，该双壁管的填充有催化剂的内部管形成反应管，其特征在于，通过中间回路将能量引入催化剂或从催化剂中移除，以便在反应管的长度上建立温度曲线，在该温度曲线下催化剂保持活性。6.如权利要求4所述的一体化设备，其中，该浸没燃烧硫酸生产子系统中的该接触装置是作为包括至少一个单壁管的管式热交换器的接触装置，该单壁管的填充有催化剂的内部形成反应管，其特征在于，通过中间回路将能量引入催化剂或从催化剂中移除，以便在反应管的长度上建立温度曲线，在该温度曲线下催化剂保持活性。7.如权利要求1所述的一体化设备，其中，该硫酸生产子系统是用于通过连续工艺生产硫酸的分级燃烧装置，该分级燃烧装置包括至少一个用于燃烧单质硫和/或硫化合物的燃烧室、用于将二氧化硫催化氧化为三氧化硫的管接触装置、用于吸收和冷凝三氧化硫的装置、用于废气净化的装置和用于将部分气体流再循环至燃烧室的装置，该气体流在吸收该三氧化硫后产生并含有来自将二氧化硫催化氧化为三氧化硫的未反应的量的氧气和二氧化硫，其中该燃烧室具有多个燃烧区，这些燃烧区通过用于除去热量的装置彼此分开，其特征在于，该管接触装置仅形成单接触级。8.如权利要求1所述的一体化设备，其包括具有用于海水的入口和用于淡水的出口的水脱盐子系统，其中：该水脱盐子系统的淡水出口与该水电解子系统的水入口流体连接；并且该水脱盐子系统的淡水出口与该硫酸生产子系统的水入口流体连接。9.一种一体化肥料生产设备，其包括：如权利要求1所述的用于生产氨和硫酸的一体化设备；
具有用于磷酸盐岩石和硫酸的入口和用于磷酸的出口的磷酸生产子系统，其中：该硫酸生产子系统的硫酸出口与该磷酸生...

【专利技术属性】
技术研发人员：R，
申请(专利权)人：凯密迪公司，
类型：发明
国别省市：