本發(fā)明屬于化工技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于水蒸汽電解法聯(lián)合生產(chǎn)氨與硝酸的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
合成氨是化工基礎(chǔ)原料，可用于生產(chǎn)染料、制藥、合成纖維和合成樹(shù)脂等，同時(shí)也是硝酸行業(yè)的原料，硝酸作為重要的化工產(chǎn)品，可用于制造化肥、硝酸鹽、草酸和TNT炸藥等，當(dāng)今我國(guó)合成氨產(chǎn)量和硝酸產(chǎn)量已居世界首位。由于現(xiàn)階段合成氨工藝和制硝酸工藝都比較復(fù)雜，并且兩個(gè)工藝之間缺少關(guān)聯(lián)性，因此各自形成獨(dú)立的合成氨企業(yè)和硝酸企業(yè)，并由合成氨企業(yè)為硝酸企業(yè)提供原料氨。近年來(lái)隨著冶金和醫(yī)藥等下游需求的增長(zhǎng)，我國(guó)硝酸行業(yè)發(fā)展迅速，由于硝酸企業(yè)需要外購(gòu)原料氨，而且原料氨在硝酸生產(chǎn)成本中占有很大的比重，隨著外購(gòu)合成氨價(jià)格及鐵路運(yùn)價(jià)的大幅度上漲，硝酸的生產(chǎn)成本也大幅度上升，這點(diǎn)對(duì)硝酸企業(yè)的未來(lái)發(fā)展產(chǎn)生很大的影響。若能將合成氨工藝與制硝酸工藝耦合起來(lái)，發(fā)展為聯(lián)合生產(chǎn)氨和硝酸的整體工藝，將有利于解決上述的問(wèn)題。目前以化石能源為原料的合成氨技術(shù)本身面臨復(fù)雜的凈化工序，并造成環(huán)境污染問(wèn)題，因此不適合與制硝酸工藝進(jìn)行耦合，而基于水蒸汽電解法的無(wú)碳合成氨技術(shù)是本發(fā)明申請(qǐng)人長(zhǎng)期研究的課題，具有工藝流程簡(jiǎn)單、不污染環(huán)境的特點(diǎn)，其核心內(nèi)容已在此前申請(qǐng)的“利用核能的無(wú)碳合成氨系統(tǒng)及其方法”（申請(qǐng)?zhí)枮?01610287794.3）專(zhuān)利中公開(kāi)，其獨(dú)有的特點(diǎn)為其與制硝酸工藝的耦合創(chuàng)造了條件。
制硝酸工藝流程分為氨氧化、NO氧化、NOX吸收三個(gè)過(guò)程，目前較為先進(jìn)的方法是采用中壓氨氧化--高壓NOX吸收流程，其具有尾氣中NOX含量低的特點(diǎn)。該方法需要兩臺(tái)壓縮機(jī)，分別由尾氣透平和中壓蒸汽透平驅(qū)動(dòng)，中壓蒸汽由布置于氧化爐出口的余熱鍋爐提供，由于氧化爐出口的氣體溫度（約為860~900℃）與余熱鍋爐的蒸汽溫度（約為300~400℃）并不匹配，由此造成氧化爐出口高品位熱能的嚴(yán)重貶值利用，形成較大的能量損失。合成氨工藝的余熱回收系統(tǒng)除滿足自身用熱外可對(duì)外提供剩余蒸汽，因此制硝酸工藝可以不設(shè)置余熱鍋爐，而由合成氨工藝提供其所需的蒸汽。另一方面水蒸汽電解法的操作溫度要求一般在800℃以上，與氧化爐出口的氣體溫度正好相匹配，因此可由氧化爐出口的高溫氣體進(jìn)行加熱從而得到水蒸汽電解法所需的高溫蒸汽，該方法符合按質(zhì)用能、熱盡其用的特點(diǎn)。目前制硝酸工藝以氨-空氣混合氣為原料，工業(yè)生產(chǎn)中為提高生產(chǎn)能力，通常往氨-空氣混合氣中加入純氧配制成氨-富氧空氣混合物，并向吸收塔內(nèi)補(bǔ)充適量氧氣，制硝酸工藝所需的這部分氧氣可由水蒸氣電解法產(chǎn)生的氧氣來(lái)提供。綜上所述分析可知，合成氨工藝不僅可為制硝酸工藝提供原料氨，還可以為其提供多余的工藝蒸汽，制硝酸工藝則可滿足水蒸汽電解法所需的熱源條件，而水蒸汽電解法將為合成氨工藝提供氫氣，并同時(shí)為制硝酸工藝提供氧氣，因此合成氨工藝、制硝酸工藝和水蒸氣電解法三者之間具有很好的技術(shù)耦合點(diǎn)，有利于相互耦合從而發(fā)展成為高效節(jié)能的聯(lián)合生產(chǎn)氨和硝酸的整體工藝。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種生產(chǎn)成本低、低污染、低能耗、高度集成的基于水蒸汽電解法聯(lián)合生產(chǎn)氨與硝酸的系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的是通過(guò)下述的技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn)的：
吸附制氮機(jī)的氮?dú)獬隹谝来闻c氮?dú)鈨艋O(shè)備、第一冷凝器串聯(lián)后接入合成氣混合器，合成氣混合器的出口與合成氣壓縮機(jī)串聯(lián)后接入氨合成塔，氨合成塔的反應(yīng)氣出口依次與余熱鍋爐、氨冷凝器串聯(lián)后接入氨分離器，氨分離器的氣體出口與合成氣壓縮機(jī)的入口連接，氨分離器的液氨出口分為兩路：一路作為產(chǎn)品對(duì)外輸出，另一路依次與氨蒸發(fā)器、氨預(yù)熱器串聯(lián)后進(jìn)入氨-空氣混合器；
空氣壓縮機(jī)的出口接入氨-空氣混合器，氨-空氣混合器的出口依次與氧化爐、蒸汽高溫過(guò)熱器、尾氣加熱器、第二冷凝器、氧化氣壓縮機(jī)串聯(lián)后接入吸收塔；吸收塔頂部設(shè)有尾氣出口和噴水口，側(cè)面設(shè)有氧氣入口，底部設(shè)有硝酸溶液出口；吸收塔的尾氣出口依次與尾氣預(yù)熱器、尾氣加熱器串聯(lián)后進(jìn)入尾氣透平；
余熱鍋爐的蒸汽出口分為兩路：一路與蒸汽過(guò)熱器串聯(lián)后進(jìn)入第一蒸汽透平，另一路與蒸汽低溫過(guò)熱器連接；蒸汽低溫過(guò)熱器的出口分為兩路：一路進(jìn)入第二蒸汽透平，另一路與蒸汽高溫過(guò)熱器串聯(lián)后進(jìn)入固體氧化物電解槽；
固體氧化物電解槽的氫氣管道依次穿過(guò)蒸汽過(guò)熱器、氨預(yù)熱器后分為兩路：一路進(jìn)入氮?dú)鈨艋O(shè)備，另一路進(jìn)入合成氣混合器；固體氧化物電解槽的氧氣管道依次穿過(guò)蒸汽低溫過(guò)熱器、尾氣預(yù)熱器后分為兩路：一路進(jìn)入吸收塔，另一路進(jìn)入氨-空氣混合器。
第一蒸汽透平的輸出端與合成氣壓縮機(jī)連接，并驅(qū)動(dòng)其做功。
第二蒸汽透平的輸出端與空氣壓縮機(jī)連接，并驅(qū)動(dòng)其做功。
尾氣透平的輸出端與氧化氣壓縮機(jī)連接，并驅(qū)動(dòng)其做功。
采用上述方案后，本發(fā)明具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
一、本發(fā)明以空氣和水為原料實(shí)現(xiàn)了氨和硝酸的聯(lián)合生產(chǎn)，無(wú)需外購(gòu)原料和燃料，不受市場(chǎng)價(jià)格影響，生產(chǎn)成本低廉且易于控制。
二、本發(fā)明只有制氮機(jī)和固體氧化物電解槽需要外界提供能量，且其所需僅僅是電能，具有單一方便的特點(diǎn)。
三、本發(fā)明合成氨環(huán)節(jié)幾乎不產(chǎn)生污染，制硝酸過(guò)程采用雙壓法對(duì)環(huán)境污染很小，符合國(guó)際排放標(biāo)準(zhǔn)，因此本發(fā)明能夠進(jìn)行可持續(xù)的清潔生產(chǎn)。
四、本發(fā)明采用合成氨環(huán)節(jié)直接為制硝酸過(guò)程提供原料氨和工藝蒸汽，制硝酸工藝不用外購(gòu)氨，同時(shí)省略了余熱鍋爐，減少了設(shè)備投資。
五、本發(fā)明針對(duì)合成塔反應(yīng)和氧化爐反應(yīng)的溫度參數(shù)，按能量的品質(zhì)合理利用了反應(yīng)熱，為固體氧化物電解槽提供了大約800℃的高溫水蒸汽，使水蒸汽電解法合理嵌入了整體工藝中并用于制取工藝過(guò)程中所需的氫氣和氧氣。
六、本發(fā)明有效利用了系統(tǒng)自身的各項(xiàng)余熱，包括反應(yīng)熱、高溫氣體余熱和尾氣余熱等，用于為整個(gè)系統(tǒng)中所涉及的各類(lèi)壓縮機(jī)提供能量，很大程度上減少了能耗，降低了生產(chǎn)成本。
綜上所述，本發(fā)明將合成氨工藝、制硝酸工藝和水蒸汽電解法相耦合，實(shí)現(xiàn)了氨與硝酸聯(lián)合生產(chǎn)的模式，具有高度集成、生產(chǎn)成本低、用能單一方便、對(duì)環(huán)境污染低、能量回收利用合理等特點(diǎn)，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和良好的應(yīng)用前景。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明所述基于水蒸汽電解法聯(lián)合生產(chǎn)氨與硝酸的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中標(biāo)號(hào)：
1-吸附制氮機(jī)；2-氮?dú)鈨艋O(shè)備；3-第一冷凝器；4-合成氣混合器；5-合成氣壓縮機(jī)；6-氨合成塔；7-余熱鍋爐；8-氨冷凝器；9-氨分離器；10-氨蒸發(fā)器；11-空氣壓縮機(jī)；12-氨-空氣混合器；13-氧化爐；14-蒸汽高溫過(guò)熱器；15-尾氣加熱器；16-第二冷凝器；17-氧化氣壓縮機(jī)；18-吸收塔；19-固體氧化物電解槽；20-蒸汽過(guò)熱器；21-氨預(yù)熱器；22-蒸汽低溫過(guò)熱器；23-尾氣預(yù)熱器；24-第一蒸汽透平；25-第二蒸汽透平；26-尾氣透平
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本發(fā)明是一種基于水蒸汽電解法聯(lián)合生產(chǎn)氨與硝酸的系統(tǒng)，其具體連接方式為：吸附制氮機(jī)1的氮?dú)獬隹谝来闻c氮?dú)鈨艋O(shè)備2、第一冷凝器3串聯(lián)后接入合成氣混合器4，合成氣混合器4的出口與合成氣壓縮機(jī)5串聯(lián)后接入氨合成塔6，氨合成塔6的反應(yīng)氣出口依次與余熱鍋爐7、氨冷凝器8串聯(lián)后接入氨分離器9，氨分離器9的氣體出口與合成氣壓縮機(jī)5的入口連接，氨分離器9的液氨出口分為兩路：一路作為產(chǎn)品對(duì)外輸出，另一路依次與氨蒸發(fā)器10，氨預(yù)熱器21串聯(lián)后進(jìn)入氨-空氣混合器12；
空氣壓縮機(jī)11的出口接入氨-空氣混合器12，氨-空氣混合器12的出口依次與氧化爐13、蒸汽高溫過(guò)熱器14、尾氣加熱器15、第二冷凝器16、氧化氣壓縮機(jī)17串聯(lián)后接入吸收塔18；吸收塔18頂部設(shè)有尾氣出口181和噴水口182，側(cè)面設(shè)有氧氣入口183，底部設(shè)有硝酸溶液出口184；吸收塔18的尾氣出口181依次與尾氣預(yù)熱器23、尾氣加熱器15串聯(lián)后進(jìn)入尾氣透平26；
余熱鍋爐7的蒸汽出口分為兩路：一路與蒸汽過(guò)熱器20串聯(lián)后進(jìn)入第一蒸汽透平24，另一路與蒸汽低溫過(guò)熱器22連接；蒸汽低溫過(guò)熱器22的出口分為兩路：一路進(jìn)入第二蒸汽透平25，另一路與蒸汽高溫過(guò)熱器14串聯(lián)后進(jìn)入固體氧化物電解槽19；
固體氧化物電解槽19的氫氣管道依次穿過(guò)蒸汽過(guò)熱器20、氨預(yù)熱器21后分為兩路：一路進(jìn)入氮?dú)鈨艋O(shè)備2，另一路進(jìn)入合成氣混合器4；固體氧化物電解槽19的氧氣管道依次穿過(guò)蒸汽低溫過(guò)熱器22、尾氣預(yù)熱器23后分為兩路：一路進(jìn)入吸收塔18，另一路進(jìn)入氨-空氣混合器12。
第一蒸汽透平24的輸出端與合成氣壓縮機(jī)5連接，并驅(qū)動(dòng)其做功。
第二蒸汽透平25的輸出端與空氣壓縮機(jī)11連接，并驅(qū)動(dòng)其做功。
尾氣透平26的輸出端與氧化氣壓縮機(jī)17連接，并驅(qū)動(dòng)其做功。
本發(fā)明的工作原理如下：
空氣經(jīng)吸附制氮機(jī)1分離出氮?dú)?，氮?dú)庖来谓?jīng)氮?dú)鈨艋O(shè)備2、第一冷凝器3完成加氫除氧與冷凝除水過(guò)程后進(jìn)入合成氣混合器4與氫氣混合形成合成氣；合成氣經(jīng)合成氣壓縮機(jī)5被壓縮后送入氨合成塔6進(jìn)行催化合成反應(yīng)，氨合成塔6排出的反應(yīng)氣經(jīng)余熱鍋爐7放出熱量后進(jìn)入氨冷凝器8，反應(yīng)氣中的氨氣被冷凝為液氨，液氨和剩余反應(yīng)氣的混合物進(jìn)入氨分離器9；分離后的氣體作為循環(huán)氣引至合成氣壓縮機(jī)5的入口，分離后的液氨分為兩路：一路作為產(chǎn)品輸出，另一路進(jìn)入氨蒸發(fā)器10被蒸發(fā)形成氨氣，氨氣經(jīng)氨預(yù)熱器21加熱升溫后進(jìn)入氨-空氣混合器12。
空氣經(jīng)空氣壓縮機(jī)11被壓縮后送入氨-空氣混合器12與氨氣混合形成混合氣；混合氣進(jìn)入氧化爐13進(jìn)行氨氧化反應(yīng)，氧化爐13排出的高溫氧化氣依次經(jīng)蒸汽高溫過(guò)熱器14、尾氣加熱器15、第二冷凝器16逐漸放熱后形成低溫氧化氣；低溫氧化氣經(jīng)氧化氣壓縮機(jī)17被壓縮后進(jìn)入吸收塔18，在吸收塔18內(nèi)與噴水和補(bǔ)充的氧氣接觸進(jìn)行氮氧化物吸收過(guò)程，并從吸收塔18底部輸出硝酸溶液。吸收塔18排出的尾氣依次經(jīng)尾氣預(yù)熱器23、尾氣加熱器15加熱升溫后送入尾氣透平26做功并帶動(dòng)氧化氣壓縮機(jī)17運(yùn)行。
余熱鍋爐7產(chǎn)生的蒸汽分為兩路：一路經(jīng)蒸汽過(guò)熱器20加熱后送入第一蒸汽透平24做功并帶動(dòng)合成氣壓縮機(jī)5運(yùn)行，另一路經(jīng)蒸汽低溫過(guò)熱器22加熱后再分為兩路：一路送入第二蒸汽透平25做功并帶動(dòng)空氣壓縮機(jī)11運(yùn)行，另一路經(jīng)蒸汽高溫過(guò)熱器14加熱后變?yōu)楦邷卣羝ù蠹s800℃）并送入固體氧化物電解槽19進(jìn)行電解過(guò)程。
固體氧化物電解槽19產(chǎn)生的氫氣經(jīng)蒸汽過(guò)熱器20、氨預(yù)熱器21放熱冷卻后分為兩路：一路進(jìn)入氮?dú)鈨艋O(shè)備2進(jìn)行加氫除氧過(guò)程，另一路進(jìn)入合成氣混合器4與氮?dú)饣旌闲纬珊铣蓺猓还腆w氧化物電解槽19產(chǎn)生的氧氣經(jīng)蒸汽低溫過(guò)熱器22、尾氣預(yù)熱器23放熱冷卻后分為兩路：一路進(jìn)入吸收塔18參加氮氧化物吸收過(guò)程，另一路進(jìn)入氨-空氣混合器12與氮?dú)?、空氣形成?富氧空氣混合氣。
本發(fā)明的核心重點(diǎn)在于：利用氨合成塔6反應(yīng)和氧化爐13反應(yīng)的余熱產(chǎn)生大約800℃的高溫水蒸汽用于水蒸汽電解法，水蒸汽電解法制取氫氣和氧氣作為合成氨環(huán)節(jié)和制硝酸過(guò)程的原料。
以上所述僅是對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施方式而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施方式所做的任何簡(jiǎn)單修改，等同變化與修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。