專利名稱：低溫精餾對生產氨的應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及氨的生產，更具體而言，涉及從鼓風爐生產合成氨氣體和低溫精餾的應用，以便能利用這些合成氣體生產氨。
在鼓風爐運行中，用空氣部分地氧化焦炭，利用得到的還原性氣體還原鐵礦石生產鐵?，F代鼓風爐的運行包括使用富集氧的空氣并加入煤和天然氣之類的其它烴類。鼓風爐的廢氣包含一些發(fā)熱量，一般被用作動力和蒸汽發(fā)電的燃料。在實際應用這些氣體時，特別是從期望降低電網供電成本的觀點，希望更好地利用這種氣體。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種有效地利用鼓風爐廢氣生產氨的方法。
概括地說，本發(fā)明適合將鼓風爐與采用低溫精餾的氨生產設備有效地結合起來實現一體化。低溫精餾能改善鼓風爐的運行并能利用鼓風爐的廢氣生產氨。
本領域的技術人員在閱讀本發(fā)明的公開內容以后，會清楚本發(fā)明的上述目的和其它目的以及優(yōu)點，本發(fā)明的上述目的和其它目的以及優(yōu)點，是由本發(fā)明的一個方面達到的，本發(fā)明的這個方面是一種采用低溫精餾生產氨的方法，其中包括(A)采用低溫精餾在低溫空氣分離設備中分離空氣生產氧；(B)將來自低溫空氣分離設備的氧與空氣混合制成鼓入空氣，其中包含約22％至50％(mol)的氧，其余部分主要由氮組成；(C)將鼓入空氣加入鼓風爐，使鼓入空氣中的氧與鼓風爐中的烴燃燒，生成包含氮、一氧化碳和氫的鼓風爐廢氣；(D)使一氧化碳與蒸汽反應，生產二氧化碳和附加的氫，從鼓風爐廢氣中除去二氧化碳，生成包含氮和氫的強化鼓風廢氣(fortified blast furnace gas)；(E)將強化鼓風爐廢氣加入低溫精餾設備，在其中分離強化鼓風爐廢氣，生成包含氫和氮的合成氨氣體，其比例為3∶1；和(F)將來自低溫精餾設備的合成氨氣體加入氨生產設備，使合成氨氣體中的氫和氮在其中反應生成氨。
本發(fā)明的另一個方面是
生產氨的設備，其中包括(A)低溫空氣分離設備和將進料空氣加入低溫空氣分離設備的裝置；(B)鼓風爐、將來自低溫空氣分離設備的氧加入鼓風爐的裝置和將燃料加入鼓風爐的裝置；(C)水煤氣轉換反應段、將來自鼓風爐的鼓風爐廢氣加入水煤氣轉換反應段的裝置和將蒸汽加入水煤氣轉換反應段的裝置；(D)二氧化碳除去單元和將來自水煤氣轉換反應段的氣體加入二氧化碳除去單元的裝置；(E)低溫精餾設備和將來自二氧化碳除去單元的氣體加入低溫精餾設備的裝置；和(F)氨生產設備、將來自低溫精餾設備的氣體加入氨生產設備的裝置和從氨生產設備回收氨的裝置。
本文所用的術語“鐵礦石”系指一種或多種鐵的氧化物，例如氧化鐵和氧化亞鐵。
本文所用的術語“塔”系指蒸餾或精餾塔或區(qū)，即接觸塔或接觸區(qū)，為了進行流體混合物的分離，其中液相和蒸汽相是逆流接觸的，例如蒸汽相和液相在安裝在塔和/或充填設備例如規(guī)整的或無規(guī)充填的設備內在豎直方向上有一定間隔的一系列塔盤或塔板上接觸。
本文所用的術語“低溫精餾設備”系指一種分離設備，其中設備的至少一部分運行是在開氏溫度(K)最高150度下進行的。
本文所用的術語“低溫空氣分離設備”系指包括至少一個塔的低溫精餾設備，在其中分離進料空氣，生產產品氧和產品氮中的至少一種。


圖1是本發(fā)明方法的一個優(yōu)選實施方案簡化的方框流程示意圖，其中二氧化碳的除去是采用變壓吸附設備進行的。
圖2是本發(fā)明方法的另一個優(yōu)選實施方案簡化的方框流程示意圖，其中二氧化碳的除去是采用熱碳酸鉀系統進行的。
將參照附圖詳細地敘述本發(fā)明。
現在看附圖1，進料空氣1主要由氮和氧以及空氣中含有的其它正常成分例如氬組成，將進料空氣加入低溫空氣分離設備101中，在其中采用低溫精餾分離空氣生產氧。低溫空氣分離設備101可以是任一種有效的低溫空氣分離設備。優(yōu)選的低溫空氣分離設備101是雙塔設備，其中包括一個壓力較高的塔和一個壓力較低的塔，二個塔的關系是進行熱交換，其中進料空氣在壓力較高的塔內通過低溫精餾初步分離成富氧的流體和富氮的流體，然后將這些流體加入壓力較低的塔，它們在其中進行低溫精餾，最后分離成產品氧和產品氮。低溫空氣分離設備也可采用其它的塔，例如氫側臂塔(argon sidearm column)，在其中可生產產品氬。
以氣流4從低溫空氣分離設備101中排出氮，氣流4可全部或部分地回收，或釋放到大氣中。以氣流6從低溫空氣分離設備中排出產品氧，其氧濃度為富氧空氣的氧濃度設至較高的純度，即一般為40％-99.9％(mol)。從低溫空氣分離設備排出的氧與來自氣流7的空氣混合，形成富氧的空氣或鼓入空氣8。鼓入空氣的氧濃度一般為22％-50％(mol)，其余部分主要由氮組成。
鼓入空氣8在爐子103中一般加熱到溫度1500-2200°F，并將得到的熱鼓入空氣10與烴12一起加入鼓風爐104，烴12可以是煤、油或天然氣。還將包括鐵礦石、焦炭和助熔劑的爐料14加入鼓風爐104中。鼓入空氣中的氧與鼓風爐內的烴燃料反應，生成熱和還原性氣體，氣體在爐中向上流動時，還原性氣體將鐵礦石轉化成鐵。熔融的鐵和爐渣以線13從鼓風爐104的底部排出，一般稱作鼓風爐廢氣的氣體，其中包含氮、一氧化碳、二氧化碳和氫，集中在鼓風爐104的上部，以氣流15從鼓風爐104中排出。
本發(fā)明的一個重要方面是，在鼓入空氣的氧含量超過空氣的氧含量時鼓入空氣還包含大量的氮，優(yōu)先至少約50％(mol)。這收到二個有利的效果。使鼓風爐的運行與慣例沒有明顯的區(qū)別，其中的空氣是氧的唯一來源，也是下游生產氨的過程中的用氮的來源。
現在回頭看圖1，將鼓風爐廢氣15的一部分17加入爐子103中，廢氣在其中燃燒，提供熱量加熱鼓入空氣。可利用另一部分19作為其它設備的燃料。將鼓風爐廢氣15的其余部分16加入洗滌塔107的下部。以液流18將水加入洗滌塔107的上部，水沿洗滌塔107向下與向上流動的鼓風爐廢氣相對流動。在此過程中，將鼓風爐廢氣中的顆粒雜質洗入向下流動的水中，鼓風爐廢氣一般被冷卻到溫度40-150°F。以液流20從洗滌塔107中排出洗水。
被冷卻的鼓風爐廢氣，以氣流22從洗滌塔107的上部排出，加入壓縮機110，在其中一般壓縮到壓力為100-500PSia。所得壓縮的鼓風爐廢氣以氣流24與壓力基本相同的蒸汽混合，形成水煤氣轉換反應氣流28。以氣流26將蒸汽加入壓縮的鼓風爐廢氣流24中，其加入速度以使水煤氣轉換反應氣流28中水與一氧化碳的比例為2-5為準。在將它們混合成氣流28之前，優(yōu)選將氣流24和26各乍加熱到約600°F。
將水煤氣轉換反應氣流28加入轉換反應段114，轉換反應段114優(yōu)選包括高溫和較低溫度的轉換反應器，在每個轉換反應器后都與熱交換器串聯。當水煤氣轉換反應混合物流過轉換反應器時，一氧化碳和與蒸汽發(fā)生放熱反應，生成二氧化碳和氫。得到的鼓風爐廢氣包含氮、二氧化碳和氫，然后以氣流30將其從水煤氣轉換反應器114加入高壓吸附系統118，變壓吸附系統包括一個或多個吸附劑顆粒床，優(yōu)選吸附劑顆粒吸附二氧二碳。在這些吸附劑材料中包括活性碳和沸石。
當鼓風爐廢氣通過變壓吸附系統118時，二氧化碳優(yōu)選被吸附到吸附劑上而從鼓風爐廢氣中除去。所得到的強化鼓風爐廢氣包含氮和氫，以氣流32從變壓吸附系統中排出。
氣流32可包含最高達500ppm的二氧化碳，也包含一些水。將氣流32加入甲烷化段120，氣體在其中被預熱，然后加入甲烷轉化器。在甲烷轉化器中，所有殘留的一氧化碳和二氧化碳都與氫反應生成甲烷。以氣流36將來自甲烷化部分120的氣體混合物加入干燥器123中除去水。以氣流40將得到的強化鼓風爐廢氣從干燥器123排出，并與循環(huán)氣流58合并形成氣流42，將其加入低溫精餾設備126。優(yōu)先低溫精餾設備126包括一個熱交換器，進料在其中被部分冷凝，然后進行相分離。然而該設備可將熱交換和相分離與進一步的塔分離結合起來。在低溫精餾設備126中，由低溫精餾設備將進料42分離成包含氫與氮的比例約3∶1的合成氨氣體46以及非常少量的氬和甲烷，剩余的氮43氮濃度為約98％(mol)，其余部分是氬、甲烷和氫，不純的氫48氫濃度一般為10-50％(mol)。
以氣流46將合成氨氣體從低溫精餾設備126加入氨生產設備129。
在氨設備129中，將制備的合成氨氣體和循環(huán)合成氣體壓縮、加熱，然后加入氨轉化器中。在轉化器中氫與氮反應生成氨。由于是放熱反應，有熱量產生。利用這些熱量生產蒸汽。氨的單程轉化率為15-30％。在冷卻轉化器出口氣體時又產生一部分蒸汽。出口氣體通過與轉化器的進料氣體進行熱交換和隨后用冷卻水進一步冷卻。最后再采用冷凍裝置將其冷卻，分離液氨產品。來自這個分離器的氣體包含未轉化的氫、氮和不活潑的氣體(氫和甲烷)。將這種氣體的一小部分從環(huán)路中排出，以防不活潑氣體的積累。本發(fā)明的有利方面之一是，在生產合成氨氣體的設備126中除去大部分不活潑的氣體(95％以上的甲烷和85％以上的氬)。所以，進入合成氨環(huán)路的不活潑氣體量非常少，因而需排出的氣體量也非常少。由于合成氨環(huán)路中不活潑的氣體濃度低，也提高了氨的單程轉化率。剩下的氣體(除去排出的氣體后)被稱作前面所述的循環(huán)合成氣體。將液態(tài)氨產品調節(jié)到較低的壓力，釋放被溶解的氣體。將這些氣體與排出的氣體合并，并通過冷凍從其中除去氨。由干燥器除去這些氣體中的任何水分。這些干燥的氣體構成循環(huán)氣流50，被送往低溫精餾設備126。
將來自設備126的不純氫氣48加入壓縮機134中，將所得的壓縮氣流56與來自設備129的循環(huán)氣流50合并，構成加入低溫精餾設備126的前述循環(huán)氣流58，循環(huán)氣流50包含約60％至90％(mol)的氫。壓力為約250psia。以液流52從設備129中回收產品氨，以氣流54從設備129中排出作為氨生產的副產品生成的蒸汽，氣流54可全部或部分地回收。
剩下的氮以氣流43從低溫精餾設備126中排出。氣流43的主要部分44通過變壓吸附設備118，在其中用于再生被二氧化碳飽和的吸附劑，將二氧化碳從吸附劑上解吸到剩余氮氣流中。氣流43的一小部分45通過干燥器123，在其中用于再生被水飽和的吸附劑，將水從吸附劑上解吸到剩余氮氣流中，然后作為氣流38排出?？蓪⒌玫降膹U氮氣流31從設備118排出，或如圖1所示將其加入催化氧化反應器136中，氣流33中的氧與殘留的一氧化碳在其中反應生成二氧化碳，然后將剩余氮氣流以氣流35排放。
本發(fā)明的一個重要方面是，再生二氧化碳除去系統所用的氮來自于低溫氮-氫分離設備，而不是來自空氣分離設備。要求空氣分離設備的氮純度高于氣流43的純度，換句話說，空氣分離設備的氮能將氧引入二氧化碳除去系統，從而最終引入強化鼓風爐廢氣中，消耗其中用于生產氨的氫。能夠證明這些氧的存在是有害的，本發(fā)明采用二個單獨的低溫精餾設備避免了這些可能的危害。
圖2示出本發(fā)明的另一個實施方案，其中二氧化碳除去系統是吸收劑系統，例如熱碳酸鉀系統而不是變壓吸附系統。對于共同的設備，圖2中的序號與圖1相同，且不再詳細地說明這些共同的設備。
現在來看圖2，將來自水煤氣轉換反應段114的鼓風爐廢氣流30加入酸性氣體除去系統117，該系統包括來自熱碳酸鉀溶液作為溶劑的吸收塔和解吸塔。在吸收塔中該溶劑從氣體混合物30中除去二氧化碳，在解吸塔中該溶劑來用來自氣流44中的蒸汽和剩余氮再生，以氣流34排放所產生的二氧化碳與剩余氮的混合物。氣流32的強化鼓風爐廢氣可包含約500ppm的二氧化碳，將其加入甲烷化段120，氣體在其中被預熱，然后加入甲烷轉化器中。在甲烷轉化器中，所有殘留的一氧化碳和二氧化碳與氫反應生成甲烷。以氣流36將來自甲烷轉化段120的氣體混合物加入干燥器123中，從氣體混合物中除去水，并以氣流40從干燥器123中排出所得到的強化鼓風爐廢氣。干燥器123用剩余氦氣流45再生，以氣流38從干燥器123中排放氦和水的混合物。這個實施方案中的剩余氮包含作為雜質的氫和甲烷。
雖然參照一些優(yōu)選的實施方案詳細地說明了本發(fā)明，但本領域的技術人員會認識到在權利要求的內容和范圍內，本發(fā)明還有其他一些實施方案。例如不需用低溫空氣分離設備為鼓風爐專門供氧，而是把生產的氧通入管道，管道不僅能將氧加入鼓風爐中，而且還能送到其它使用地點。進入低溫空氣分離設備的進料空氣，可從將空氣加入鼓風爐中所用的鼓風機得到。也可從低溫精餾設備回收氬和/或甲烷，或將其加入氨生產設備，由于它們在氨生產過程中是不活潑的氣體，所以可從氨生產設備中回收它們。
權利要求
1.一種采用低溫精餾生產氨的方法，其中包括(A)采用低溫精餾在低溫空氣分離設備中分離空氣生產氧；(B)將來自低溫空氣分離設備的氧與空氣混合制成鼓入空氣，其中包含約22％至50％(mol)的氧，其余部分主要由氮組成；(C)將鼓入空氣加入鼓風爐，使鼓入空氣中的氧與鼓風爐中的烴燃燒，生成包含氮、一氧化碳和氫的鼓風爐廢氣；(D)使一氧化碳與蒸汽反應，生成二氧化碳和附加的氫，從鼓風爐廢氣中除去二氧化碳，生產包含氮和氫的強化鼓風廢氣；(E)將強化鼓風爐廢氣加入低溫精餾設備，在其中分離強化鼓風爐廢氣，生成包含氫和氮的合成氨氣體，其比例為3∶1；和(F)將來自低溫精餾設備的合成氨氣體加入氨生產設備，使合成氨氣體中的氫和氮在其中反應生成氨。
2.權利要求1的方法，其中從鼓風爐廢氣中除去二氧化碳是通過將鼓風爐廢氣中的二氧化碳吸附到吸附劑上進行的。
3.權利要求1的方法，其中從鼓風爐廢氣中除去二氧化碳是通過將鼓風爐廢氣中的二氧化碳吸收到碳酸鉀溶液中進行的。
4.權利要求1的方法，其中從鼓風爐廢氣中除去二氧化碳是通過將二氧化碳加到材料上進行的，其中還包括使來自低溫精餾設備的剩余氮與該材料接觸，使該材料中的二氧化碳進入剩余氮中。
5.權利要求1的方法，還包括將來自氨生產設備的循環(huán)氣流加入低溫精餾設備。
6.生產氨的設備，其中包括(A)低溫空氣分離設備和將進料空氣加入低溫空氣分離設備的裝置；(B)鼓風爐、將來自低溫空氣分離設備的氧加入鼓風爐的裝置和將燃料加入鼓風爐的裝置；(C)水煤氣轉換反應段、將來自鼓風爐的鼓風爐廢氣加入水煤氣轉換反應段的裝置和將蒸汽加入水煤氣轉換反應段的裝置；(D)二氧化碳除去單元和將來自水煤氣轉換反應段的氣體加入二氧化碳除去單元的裝置；(E)低溫精餾設備和將來自二氧化碳除去單元的氣體加入低溫精餾設備的裝置；和(F)氨生產設備、將來自低溫精餾設備的氣體加入氨生產設備的裝置和從氨生產設備回收氨的裝置。
7.權利要求6的設備，其中二氧化碳除去單元是變壓吸附設備，在其中二氧化碳被吸附到吸附劑顆粒上。
8.權利要求6的設備，其中二氧化碳除去單元是熱碳酸鉀系統，在其中二氧化碳被吸收到碳酸鉀溶劑中。
9.權利要求6的設備，還包括將來自低溫精餾設備的氣體加入二氧化碳除去單元。
10.權利要求6的設備，還包括將來自氨生產設備的氣體加入低溫精餾設備。
全文摘要
一個生產氨的系統,該系統使鼓風爐煉鐵與生產氨一體化,其中低溫精餾與二個能由鼓風爐廢氣生產用于生產氨的合成氨氣體的系統連接。
文檔編號C21B7/00GK1265375SQ0010268
公開日2000年9月6日 申請日期2000年2月24日 優(yōu)先權日1999年2月25日
發(fā)明者M·M·沙, R·F·德爾尼維克 申請人:普拉塞爾技術有限公司