Способ получения низкоуглеродного аммиака из природного газа "Аммиак декарбонизированный-3000" Российский патент 2023 года по МПК C01C1/04 C01B3/02 C01B3/36 

Изобретение относится к области технологий синтеза аммиака, которые в качестве сырья используют природный газ.

Способ производства аммиака из природного газа обычного типа включает стадию конверсии природного газа в синтез-газ, содержащий водород и азот, и стадию синтеза аммиака, на которой указанный синтез-газ вступает в реакцию при высоком давлении с образованием аммиака.

На стадии конверсии природный газ направляют на подготовку, где получают газ, очищенный от нежелательных примесей. Далее, подготовленный природный газ направляют на стадию риформинга, где получают конвертированный газ, в основном содержащий азот, водород, монооксид углерода СО и диоксид углерода СО₂. Затем, синтез-газ направляют на стадию конверсии СО, где монооксид углерода окисляется до диоксида углерода СО₂. Из полученной газовой смеси удаляют диоксид углерода СО₂ и направляют синтез-газ на финальную стадию очистки - метанирование.

На стадии синтеза аммиака синтез-газ компримируют и направляют на стадию синтеза, где получают конвертированный синтез-газ, в основном содержащий аммиак, азот и водород. Полученную смесь направляют на стадию выделения аммиака.

При использовании способа производства аммиака из природного газа обычного типа наиболее распространён способ риформинга, который проходит в два этапа: предварительная паровая конверсия (первичный риформинг) и вторичная конверсия образовавшегося газа с добавлением паро-кислородной или паро-воздушно-кислородной смеси (вторичный риформинг). В этом способе тепло, необходимое для реакции первичного риформинга, получают путём сжигания части природного газа в печи риформинга. При этом предусмотрено использование огневого подогревателя для нагрева технологических сред и/или генерации пара высокого давления для собственных нужд установки производства аммиака.

Вышеописанные печи и огневые подогреватели в составе установок производства аммиака из природного газа обычного типа являются источником выбросов углекислого газа (СО₂) в атмосферу из-за использования в качестве топлива природного газа.

Известен способ получения аммиака из природного газа, включающий компримирование, подогрев и очистку природного газа от соединений серы, двухступенчатую каталитическую конверсию метана под давлением, в том числе паровую конверсию в первой ступени и паровоздушную конверсию во второй ступени, с использованием тепла газа, конвертированного во второй ступени, а также дополнительно сжигаемых на горелке части природного газа, продувочных и танковых газов для проведения конверсии в первой ступени процесса конверсии, каталитическую конверсию содержащегося в конвертированном газе оксида углерода с получением азотоводородной смеси, очистку ее от диоксида углерода, очистку от кислородсодержащих соединений путем метанирования, компримирование очищенной азотоводородной смеси, синтез аммиака в замкнутом цикле и выделение полученного аммиака с последующей выдачей его потребителю, а также утилизацию тепла дымовых газов и их выделение в окружающую среду (RU 2445262 C1, опуб. 20.03.2012).

Недостатком способа является использование тепла сжигаемого на горелке природного газа, являющееся причиной выброса углекислого газа в атмосферу.

Наиболее близким к предложенному является способ получения аммиака из природного газа, отличающийся низким уровнем выбросов СО₂ в атмосферу, который заключается в том, что природный газ и пар нагревают в печи (ВСП) и в аппаратах подготовительного (первичного) риформинга (ПДР) и автотермического (вторичного) риформинга (АТР) превращают в синтез-газ, содержащий Н₂, СО и СО₂; АТР работает с использованием потока воздуха, обогащенного кислородом, или кислорода; синтез-газ подвергают конверсии в секции реакции конверсии (РКВ) и затем удаляют СО₂ в секции декарбонизации (ДКБ) с получением обедненного синтез-газа; часть обедненного синтез-газа используют в качестве топлива в печи ВСП; оставшуюся часть обедненного диоксидом углерода синтез-газа обрабатывают в аппарате для метанирования (МЕТ); выходящий из секции разделения воздуха (РВЗ) азот добавляют в выходящий из МЕТ фракции синтез-газа и направляют в секцию синтеза аммиака (СИН), в которой получают аммиак и продувочный газ; из продувочного газа извлекают водород (ИЗВ) и добавляют его в поток азота и синтез-газа перед подачей в СИН; отходящий газ, полученный в ИЗВ, добавляют к части потока обедненного диоксидом углерода синтез-газа, направляемого в качестве топлива в ВСП; в секции РВЗ получают также поток воздуха, обогащенного кислородом, или кислорода, который используют в АТР (RU 2759379 C2, опуб. 12.11.2021).

В этом способе природный газ не используется в качестве топлива, поэтому способ характеризуется низким уровнем выбросов углекислого газа в атмосферу. Однако часть синтез-газа используется в качестве топлива и не используется для синтеза аммиака, что снижает производительность способа.

Технической проблемой, решаемой предлагаемым способом, является производство низкоуглеродного аммиака без снижения производительности технологической линии по аммиаку.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в обеспечении возможности использования всего объема синтез-газа на технологической линии для синтеза аммиака.

Технический результат достигается способом получения аммиак из природного газа, который заключается в том, что на технологической линии природный газ и пар нагревают и подвергают первичному риформингу, полученный конвертированный газ подвергают вторичному риформингу с использованием паро-воздушно-кислородной смеси, после которого полученный конвертированный газ направляют на конверсию оксида углерода, полученный синтез-газ подвергают очистке от диоксида углерода, затем проводят метанирование очищенного синтез-газа, после чего проводят синтез аммиака, а продувочный газ из процесса синтеза аммиака используют в качестве топлива для нагрева природного газа и пара, при этом согласно изобретению, на топливной линии природный газ и пар нагревают и подвергают первичному риформингу, полученный конвертированный газ подвергают вторичному риформингу с использованием паро-воздушно-кислородной смеси, после которого полученный конвертированный газ направляют на конверсию диоксида углерода, полученный синтез-газ подвергают очистке от диоксида углерода, затем снижают давление очищенного синтез-газа и используют часть его в качестве топлива для нагрева природного газа и пара на топливной линии и другую часть его совместно с продувочным газом в качестве топлива для нагрева природного газа и пара на технологической линии.

Кроме того, целесообразно на технологической линии первичный риформинг проводить с использованием тепла конвертированного газа, выходящего после вторичного риформинга.

Также целесообразно на топливной линии первичный риформинг проводить с использованием тепла конвертированного газа, выходящего после вторичного риформинга.

Кроме того, предпочтительно третью часть синтез-газа после снижения давления использовать в качестве топлива для генерации пара, который используют на технологической и на топливной линии.

Таким образом, технический результат достигается за счет того, что весь объем производимого на технологической линии синтез-газа направляется на синтез аммиака, а низкоуглеродное топливо, обеспечивающее снижение выбросов СО₂, производится на отдельной топливной линии.

На чертеже изображена схема осуществления предложенного способа получения низкоуглеродного аммиака.

Способ получения низкоуглеродного аммиака из природного газа, получивший условное наименование «Аммиак Декарбонизированный-3000» («АмДек-3000»), осуществляют следующим образом.

Показанная на чертеже схема представляет собой отдельно технологическую линию для синтеза аммиака и отдельно линию для производства азотоводородной смеси для использования в качестве топлива для подогрева технологических потоков - топливную линию.

Технологическая линия

Сырьевой природный газ 101 поступает на линию очистки от сернистых соединений 1, где получают газ, очищенный от нежелательных примесей. В очищенный природный газ 102 добавляют водяной пар 103 и направляют в огневой подогреватель 2. Нагретая до температуры начала реакции парового риформинга парогазовая смесь 107 поступает в реакционные трубы реактора первичного риформинга 3, где протекает процесс первичного риформинга за счет тепла конвертированного газа 110, выходящего из реактора 4 вторичного риформинга. Далее конвертированный газ 108 поступает в реактор 4 вторичного риформинга.

Атмосферный воздух 106 поступает на линию компримирования технологического воздуха 5, в компримированный воздух добавляют водяной пар 104 и кислород 105 и направляют в огневой подогреватель 2. Нагретая паро-воздушно-кислородная смесь 109 поступает в реактор 4 вторичного риформинга, где получают конвертированный газ, содержащий в основном азот, водород, водяной пар, монооксид углерода и диоксид углерода.

Поток конвертированного газа 111 поступает в линию конверсии оксида углерода 6, где в присутствии водяного пара происходит каталитическая конверсия монооксида углерода в диоксид углерода с образованием водорода. Полученный в результате конверсии синтез-газ 112 содержащий диоксид углерода, направляется на стадию очистки от диоксида углерода 7 методом аминовой очистки. Выделенный из синтез-газа диоксид углерода 113 отправляют на утилизацию.

Обеднённый диоксидом углерода синтез-газ 114 направляют в реактор метанирования 8, где происходит каталитическая конверсия следов углекислого газа, оставшегося после стадии очистки от диоксида углерода 7. Далее поток синтез-газа 115 поступает в линию синтеза аммиака 9, где производят продуктовый аммиак 116. Продувочный газ 117 из стадии синтеза аммиака 9, содержащий в основном азот, водород и аммиак, добавляют в безуглеродное топливо 118 от детандерного блока топливной линии 17. Дымовые газы 119 от огневого подогревателя 2, содержащие в основном азот и водяной пар, направляют в атмосферу.

Топливная линия

Сырьевой природный газ 120 поступает на линию очистки от сернистых соединений 10, где получают газ, очищенный от нежелательных примесей. В очищенный природный газ 121 добавляют водяной пар 122 и направляют в огневой подогреватель 11. Нагретая до температуры начала реакции парового риформинга парогазовая смесь 123 поступает в реакционные трубы реактора первичного риформинга 12, где протекает процесс первичного риформинга за счет тепла конвертированного газа 126, выходящего из реактора вторичного риформинга 13. Далее конвертированный газ 124 поступает в реактор вторичного риформинга 13.

Атмосферный воздух 127 поступает на линию компримирования технологического воздуха 14, в компримированный воздух добавляют водяной пар 128 и кислород 129 и направляют в огневой подогреватель 11. Нагретая паро-воздушно-кислородная смесь 125 поступает в реактор вторичного риформинга 13, где получают конвертированный газ, содержащий в основном азот, водород, водяной пар, монооксид углерода и диоксид углерода.

Поток конвертированного газа 130 поступает в линию конверсии оксида углерода 15, где в присутствии водяного пара происходит каталитическая конверсия монооксида углерода в диоксид углерода с образованием водорода. Полученный в результате конверсии синтез-газ 131 содержащий диоксид углерода направляется на стадию очистки от диоксида углерода 16 методом аминовой очистки. Выделенный из синтез-газа диоксид углерода 132 отправляют на утилизацию.

Обеднённый диоксидом углерода синтез-газ 133, содержащий в основном азот и водород, поступает в узел снижения давления 17, в качестве которого может быть использован дроссель или детандерный блок, где энергию избыточного давления газа используют для генерации холода и электроэнергии. Полученный синтез-газ низкого давления предназначен для использования в качестве топлива. В предложенной схеме топливный синтез газ направляют в огневой подогреватель 2 технологической линии - поток 118, в огневой подогреватель 11 топливной линии - поток 134 и в огневой подогреватель блока генерации пара 18 - поток 135. Дымовые газы 136 от огневого подогревателя 11, содержащие в основном азот и водяной пар, направляют в атмосферу.

Пар от блока генерации пара 18 направляют в технологическую линию - потоки 103, 104; в топливную линию - потоки 122, 128, а также, при необходимости, сторонним потребителям - поток 137. Дымовые газы 138 от огневого подогревателя блока генерации пара 18, содержащие в основном азот и водяной пар, направляют в атмосферу.

Извлечение диоксида углерода 113, 132 для последующей утилизации в совокупности с отсутствием диоксида углерода в дымовых газах обеспечивает низкий уровень выбросов CO₂, составляющий менее 0,2 т/т (количество тонн CO₂ в пересчете на 1 тонну полученного аммиака), что соответствует уровню улавливания СО₂ более 90%.

Настоящий способ производства низкоуглеродного аммиака можно применять в способах и установках, предназначенных для получения водорода, карбамида, сульфата аммония, хлорида аммония, аммиачной селитры, азотной кислоты и прочих производных синтетического аммиака.

Изобретение относится к области технологий синтеза аммиака, которые в качестве сырья используют природный газ. Изобретение касается способа получения аммиака из природного газа, заключается в том, что на технологической линии природный газ и пар нагревают и подвергают первичному риформингу. Полученный конвертированный газ подвергают вторичному риформингу с использованием паро-воздушно-кислородной смеси, после которого полученный конвертированный газ направляют на конверсию диоксида углерода. Полученный синтез-газ подвергают очистке от диоксида углерода, затем проводят метанирование очищенного синтез-газа, после чего проводят синтез аммиака. Продувочный газ из процесса синтеза аммиака используют в качестве топлива для нагрева природного газа и пара. На топливной линии природный газ и пар нагревают и подвергают первичному риформингу. Полученный конвертированный газ подвергают вторичному риформингу с использованием паро-воздушно-кислородной смеси, после которого полученный конвертированный газ направляют на конверсию диоксида углерода. Полученный синтез-газ подвергают очистке от диоксида углерода, затем снижают давление очищенного синтез-газа и используют часть его в качестве топлива для нагрева природного газа и пара на топливной линии и другую часть его совместно с продувочным газом в качестве топлива для нагрева природного газа и пара на технологической линии. Технический результат - обеспечение возможности использования всего объема синтез-газа на технологической линии для синтеза аммиака. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения аммиака из природного газа, заключающийся в том, что на технологической линии природный газ и пар нагревают и подвергают первичному риформингу, полученный конвертированный газ подвергают вторичному риформингу с использованием паро-воздушно-кислородной смеси, после которого полученный конвертированный газ направляют на конверсию диоксида углерода, полученный синтез-газ подвергают очистке от диоксида углерода, затем проводят метанирование очищенного синтез-газа, после чего проводят синтез аммиака, а продувочный газ из процесса синтеза аммиака используют в качестве топлива для нагрева природного газа и пара, отличающийся тем, что на топливной линии природный газ и пар нагревают и подвергают первичному риформингу, полученный конвертированный газ подвергают вторичному риформингу с использованием паро-воздушно-кислородной смеси, после которого полученный конвертированный газ направляют на конверсию диоксида углерода, полученный синтез-газ подвергают очистке от диоксида углерода, затем снижают давление очищенного синтез-газа и используют часть его в качестве топлива для нагрева природного газа и пара на топливной линии и другую часть его совместно с продувочным газом в качестве топлива для нагрева природного газа и пара на технологической линии.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на технологической линии первичный риформинг проводят с использованием тепла конвертированного газа, выходящего после вторичного риформинга.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на топливной линии первичный риформинг проводят с использованием тепла конвертированного газа, выходящего после вторичного риформинга.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после снижения давления очищенного синтез-газа его также используют в качестве топлива для генерации пара, который используют на технологической и на топливной линии.