Установка производства аммиака с кислородным сжиганием топлива и улавливанием диоксида углерода Российский патент 2022 года по МПК C01C1/04 C01B3/32 

Изобретение относится к области химической промышленности и может быть использовано при производстве аммиака из углеводородного сырья с малыми выбросами токсичных веществ и парниковых газов.

Известные установки производства аммиака раскрыты в статье (Сосна М., Касым О. Основные тенденции в развитии технологии производства аммиака // Нефтегазохимия. - 2017. - №4. - р. 17-21) и включают установку очистки природного газа от серы, установку первичного риформинга, автотермический риформер, высокотемпературный и низкотемпературный реакторы конверсии, охладитель потока с отводом конденсата, блок очистки газа от СО₂, блок очистки синтез-газа, компрессор синтез-газа, колонну синтеза аммиака и установку сжижения аммиака.

Недостатком данного технического решения является необходимость восполнения потерь абсорбента, поглощающего диоксид углерода, а также наличие выбросов углекислого газа.

Также известна установка для производства аммиака, раскрытая в патенте РФ №2597920, МПК С01С 1/04, опубл. 20.09.2016 и содержащая установку первичного риформинга, автотермический риформер, реакторы конверсии, блок очистки газа от СО₂, реактор метанирования, компрессор синтез-газа, блок очистки синтез-газа, колонну синтеза аммиака и блок извлечения водорода.

Недостатком данного технического решения является необходимость восполнения потерь абсорбента, а также наличие выбросов углекислого газа.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является установка производства аммиака, описанная в статье (Ilg J., Kaedziora B. Linde Ammonia Concept: AMMONIA TECHNICAL MANUAL. Wiesbaden, Germany: Linde AG. - 1997. - p. 12) и содержащая блок очистки природного газа, паровой риформер, изотермический реактор конверсии, короткоцикловой адсорбер, воздухоразделительную установку, колонну синтеза и установку сжижения аммиака.

Недостатком данного технического решения является наличие выбросов углекислого газа.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в снижении выбросов диоксида углерода при производстве аммиака.

Технический результат заключается в снижении углеродного следа при производстве аммиака.

Это достигается тем, что известная установка производства аммиака с кислородным сжиганием топлива и улавливанием диоксида углерода, содержащая блок очистки природного газа, выход которого параллельно соединен с первым входом камеры сгорания и с компрессором, первый поверхностный теплообменник, содержащий горячий газовый и холодный газовый контуры теплоносителя, второй и третий поверхностные теплообменники с собственными горячими газовыми и холодными водяными контурами теплоносителя, причем выход компрессора соединен с входом холодного газового контура теплоносителя первого поверхностного теплообменника, а его выход и выход холодного водяного контура теплоносителя второго поверхностного теплообменника параллельно соединены с входом парового риформера, первый выход которого последовательно соединен с горячими газовыми контурами теплоносителя первого и второго поверхностного теплообменника, охладителем, высокотемпературным реактором конверсии, конденсатором, короткоцикловым адсорбером, первый выход которого соединен с входом установки синтеза аммиака, второй выход которого соединен со вторым входом камеры сгорания, выход которой соединен с другим входом парового риформера, второй выход которого последовательно соединен с горячим газовым контуром теплоносителя третьего поверхностного теплообменника, насос, последовательно соединенный с холодными водяными контурами теплоносителя третьего и второго поверхностного теплообменника, воздушный компрессор, который последовательно соединен с воздухоразделительной установкой, установкой синтеза аммиака и установкой сжижения аммиака, снабжена охладителем-сепаратором, вход которого соединен с выходом горячего газового контура теплоносителя третьего поверхностного теплообменника, многоступенчатым компрессором с промежуточным охлаждением, вход которого соединен с выходом охладителя-сепаратора, причем третий вход камеры сгорания соединен с другим выходом воздухоразделительной установки, а выход охладителя-сепаратора параллельно соединен с четвертым входом камеры сгорания.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена принципиальная схема установки производства аммиака с кислородным сжиганием топлива и улавливанием диоксида углерода.

Установка производства аммиака с кислородным сжиганием топлива и улавливанием диоксида углерода содержит блок очистки природного газа 1, компрессор 2, первый поверхностный теплообменник 3, содержащий горячий газовый контур теплоносителя 4 и холодный газовый контур теплоносителя 5, паровой риформер 6, камеру сгорания 7, воздухоразделительную установку 8, воздушный компрессор 9, второй поверхностный теплообменник 10, содержащий горячий газовый контур теплоносителя 11 и холодный водяной контур теплоносителя 12, третий поверхностный теплообменник 13, содержащий холодный водяной контур теплоносителя 14 и горячий газовый контур теплоносителя 15, насос 16, охладитель-сепаратор 17, многоступенчатый компрессор с промежуточным охлаждением 18, охладитель 19, высокотемпературный реактор конверсии 20, конденсатор 21, короткоцикловой адсорбер 22, установку синтеза аммиака 23, установку сжижения аммиака 24.

Вход блока очистки природного газа 1 выполнен с возможностью подачи природного газа, первый выход соединен с первым входом камеры сгорания 7, а второй выход с компрессором 2, выход которого соединен с входом холодного газового контура теплоносителя 5 первого поверхностного теплообменника 3. Вход насоса 16 выполнен с возможностью подачи воды, а выход соединен с входом холодного водяного контура теплоносителя 14 третьего поверхностного теплообменника 13, выход которого соединен с входом холодного водяного контура теплоносителя 12 второго поверхностного теплообменника 10. Выход холодного газового контура теплоносителя 5 первого поверхностного теплообменника 3 и выход холодного водяного контура теплоносителя 12 второго поверхностного теплообменника 10 параллельно соединены с первым входом парового риформера 6, первый выход которого соединен с горячим газовым контуром теплоносителя 4 первого поверхностного теплообменника 3. Выход горячего газового контура теплоносителя 4 первого поверхностного теплообменника 3 соединен с входом горячего газового контура теплоносителя 11 второго поверхностного теплообменника 10. Выход горячего газового контура теплоносителя 11 второго поверхностного теплообменника 10 соединен с входом охладителя 19. Выход охладителя 19 соединен с входом высокотемпературного реактора конверсии 20, выход которого соединен с входом конденсатора 21. Выход конденсатора 21 соединен с входом короткоциклового адсорбера 22, первый выход которого, выполненный с возможностью отвода произведенного водорода, соединен с входом установки синтеза аммиака 23. Второй выход короткоциклового адсорбера 22 соединен со вторым входом камеры сгорания 7. Вход воздушного компрессора 9 выполнен с возможностью подачи воздуха, а выход соединен с входом воздухоразделительной установки 8, первый выход которой, выполненный с возможностью отвода кислорода, соединен с третьим входом камеры сгорания 7, а второй выход воздухоразделительной установки 8, выполненный с возможностью отвода азота, соединен с входом установки синтеза аммиака 23. Выход камеры сгорания 7 соединен со вторым входом парового риформера 6, второй выход которого соединен с горячим газовым контуром теплоносителя 15 третьего поверхностного теплообменника 13. Выход горячего газового контура теплоносителя 15 третьего поверхностного теплообменника 13 соединен с охладителем-сепаратором 17, первый выход которого выполнен с возможностью отвода воды. Второй выход охладителя-сепаратора 17 параллельно соединен с многоступенчатым компрессором с промежуточным охлаждением 18 и четвертым входом в камеру сгорания 7. Выход установки синтеза аммиака 23 соединен с входом установки сжижения аммиака 24, выход которой выполнен с возможностью отвода жидкого аммиака.

Установка производства аммиака с кислородным сжиганием топлива и улавливанием диоксида углерода работает следующим образом.

На вход блока очистки природного газа 1 подается природный газ, часть которого затем направляется в камеру сгорания 7, а другая часть на вход компрессора 2, в котором после сжатия осуществляется нагрев в холодном газовом контуре теплоносителя 5 первого поверхностного теплообменника 3 за счет физической теплоты синтез-газа, который затем поступает в паровой риформер 6. Параллельно на вход насоса 16 поступает вода для нагнетания необходимого давления. Затем вода поступает в холодный водяной контур теплоносителя 14 третьего поверхностного теплообменника 13, в котором испаряется за счет утилизации теплоты уходящих газов парового риформера 6. Далее пар поступает в холодный контур теплоносителя 12 второго поверхностного теплообменника 10, в котором происходит перегрев пара за счет утилизации физической теплоты синтез-газа. После перегрева пар смешивается с потоком природного газа и поступает в паровой риформер 6, в котором за счет теплоты, выделившейся в камере сгорания 7, протекают химические реакции, в ходе которых происходит образование синтез-газа, состоящего в основном из угарного газа, водорода и углекислого газа. Затем синтез-газ проходит через горячий контур теплоносителя 4 первого поверхностного теплообменника 3 и горячий контур теплоносителя 11 второго поверхностного теплообменника 10 для охлаждения. Далее синтез-газ охлаждается в охладителе 19, после чего поступает в высокотемпературный реактор конверсии 20, где протекает реакция, в ходе которой образуются водород и угарный газ. Затем синтез-газ направляется в конденсатор 21 для удаления оставшихся водяных паров. В короткоцикловом адсорбере 22 осуществляется выделение водорода из газовой смеси, после чего оставшаяся часть синтез-газа подается в камеру сгорания 7 параллельно подаче природного газа. Воздух после сжатия в воздушном компрессоре 9 поступает в воздухоразделительную установку 8, где разделяется на кислород и азот. Азот подается на вход установки синтеза аммиака 23, в то время как кислород направляется в камеру сгорания 7, в которой осуществляется кислородное сжигание смеси природного газа и синтез-газа. Далее выхлопные газы после камеры сгорания 7 поступают в паровой риформер 6. Затем уходящие газы, проходя горячий газовый контур теплоносителя 15 третьего поверхностного теплообменника 13, отдают свою теплоту нагнетаемой воде. Далее газы направляются в охладитель-сепаратор 17 для охлаждения и удаления остатком водяных паров. Избыток углекислого газа, образовавшийся в результате сжигания синтез-газа и метана в кислороде удаляется с помощью многоступенчатого компрессора с промежуточным охлаждением 18. Оставшиеся газы снова направляются в камеру сгорания 7. Полученный в короткоцикловом адсорбере 22 водород поступает на вход установки синтеза аммиака 23, где смешивается с потоком азота из воздухоразделительной установки 8. Далее происходит синтез аммиака из смеси газов в установке синтеза аммиака 23, после чего из потока отделяется аммиак, а водород с азотом снова подаются для синтеза. Полученный в установке синтеза аммиака 23 аммиак подается в установку сжижения аммиака 24, где охлаждается и сжимается до жидкого состояния.

Результаты моделирования работы установки производства аммиака с кислородным сжиганием топлива и улавливанием диоксида углерода показали, что по сравнению с прототипом выбросы углекислого газа снижаются на 0,28-0,36 тонн углекислого газа на тонну производимого аммиака в связи с использованием кислородного сжигания топлива, которое позволяет удалять углекислый газ из основного потока с помощью охладителя-сепаратора и отправлять на захоронение, а также рециркуляции оставшейся части углекислого газа в камеру сгорания.

Использование изобретения позволяет снизить углеродный след при производстве аммиака за счет применения кислородно-топливного сжигания и удаления диоксида углерода с помощью подачи кислорода из воздухоразделительной установки 8 в камеру сгорания 7, рециркуляции потока углекислого газа после охлаждения и отделения воды в охладителе-сепараторе 17 в камеру сгорания 7 и удаления диоксида углерода из процесса многоступенчатым компрессором с промежуточным охлаждением 18.

Изобретение может быть использовано в производстве аммиака из углеводородного сырья. В установке производства аммиака первый выход блока очистки природного газа 1 соединен с первым входом камеры сгорания 7, а второй выход с компрессором 2, выход которого соединен с входом холодного газового контура теплоносителя 5 первого поверхностного теплообменника 3. Выход насоса 16 последовательно соединен с входами холодных водяных контуров теплоносителя 14 и 12 третьего 13 и второго 10 поверхностных теплообменников. Выход холодного газового контура теплоносителя 5 первого поверхностного теплообменника 3 и выход холодного водяного контура теплоносителя 12 второго поверхностного теплообменника 10 параллельно соединены с первым входом парового риформера 6, первый выход которого последовательно соединен с горячими газовым контурами теплоносителя 4 и 11 первого 3 и второго 10 поверхностных теплообменников, охладителем 19, высокотемпературным реактором конверсии 20, конденсатором 21 и короткоцикловым адсорбером 22, первый выход которого соединен с входом установки синтеза аммиака 23, а второй выход соединен со вторым входом камеры сгорания 7. Выход воздушного компрессора 9 соединен с входом воздухоразделительной установки 8, первый выход которой соединен с третьим входом камеры сгорания 7, а второй выход соединен с входом установки синтеза аммиака 23. Выход камеры сгорания 7 соединен со вторым входом парового риформера 6, второй выход которого соединен с горячим газовым контуром теплоносителя 15 третьего поверхностного теплообменника 13, который соединен с охладителем-сепаратором 17, первый выход которого выполнен с возможностью отвода воды. Второй выход охладителя-сепаратора 17 параллельно соединен с многоступенчатым компрессором с промежуточным охлаждением 18 и четвертым входом в камеру сгорания 7. Выход установки синтеза аммиака 23 соединен с входом установки сжижения аммиака 24. Изобретение позволяет снизить выбросы CO₂ и углеродный след при производстве аммиака. 1 ил.

Установка производства аммиака с кислородным сжиганием топлива и улавливанием диоксида углерода, содержащая блок очистки природного газа, выход которого параллельно соединен с первым входом камеры сгорания и с компрессором, первый поверхностный теплообменник, содержащий горячий газовый и холодный газовый контуры теплоносителя, второй и третий поверхностные теплообменники с собственными горячими газовыми и холодными водяными контурами теплоносителя, причем выход компрессора соединен с входом холодного газового контура теплоносителя первого поверхностного теплообменника, а его выход и выход холодного водяного контура теплоносителя второго поверхностного теплообменника параллельно соединены с входом парового риформера, первый выход которого последовательно соединен с горячими газовыми контурами теплоносителя первого и второго поверхностных теплообменников, охладителем, высокотемпературным реактором конверсии, конденсатором, короткоцикловым адсорбером, первый выход которого соединен с входом установки синтеза аммиака, второй выход которого соединен со вторым входом камеры сгорания, выход которой соединен с другим входом парового риформера, второй выход которого последовательно соединен с горячим газовым контуром теплоносителя третьего поверхностного теплообменника, насос, последовательно соединенный с холодными водяными контурами теплоносителя третьего и второго поверхностного теплообменника, воздушный компрессор, который последовательно соединен с воздухоразделительной установкой, установкой синтеза аммиака и установкой сжижения аммиака, отличающаяся тем, что снабжена охладителем-сепаратором, вход которого соединен с выходом горячего газового контура теплоносителя третьего поверхностного теплообменника, многоступенчатым компрессором с промежуточным охлаждением, вход которого соединен с выходом охладителя-сепаратора, причем третий вход камеры сгорания соединен с другим выходом воздухоразделительной установки, а выход охладителя-сепаратора параллельно соединен с четвертым входом камеры сгорания.