Способ получения аммиака и предназначенное для этого устройство - RU2460690C2

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу получения аммиака и, в частности, относится к способу и устройству для получения аммиака из угля.

Уровень техники

В последние годы были построены различные установки с целью получения аммиака, из которых типичной является установка, на которой аммиак получают из угля. В прошлом при синтезе аммиака из угля вначале для газификации угля использовался кислород, с помощью которого образуются оксид углерода (СО), газообразный водород и т.п. Далее с помощью реакции сдвига оксид углерода превращается в газообразный водород и диоксид углерода. Наконец, в газообразный водород вводят азот и с помощью способа Хабера-Боша из азота и водорода получают аммиак.

В публикации японской выложенной патентной заявки 60-11587 (патентный документ 1) раскрыт способ газификации, с помощью которого в прошлом получали аммиак. В патентном документе 1 для подачи кислорода в газификационный аппарат во время газификации угля или кокса используется воздушный сепаратор.

Краткое раскрытие изобретения

Однако, если, как указано выше, при проведении газификации угля в традиционном уровне технике используется кислород, концентрация кислорода при частичном окислении угля является высокой, вследствие чего реакция газификации в газификационной печи достигает высокой температуры. Результатом этого является то, что огнеупорный кирпич в газификационной печи преждевременно выходит из строя, что затрудняет непрерывную эксплуатацию газификационной печи в течение длительного периода времени. Кроме того, когда реакция газификации в газификационной печи достигает высокой температуры, зола и т.п., образующиеся при переработке угля, плавятся и прилипают к стенкам газификационной печи, создавая тем самым проблемы и препятствуя работе.

Кроме того, в том случае, когда в процессе газификации угля используется кислород, необходимо иметь оборудование для подачи кислорода в газификационную печь, что выливается в проблему высоких расходов для всего устройства.

Настоящее изобретение выполнено с учетом указанных выше обстоятельств и имеет целью предложить способ получения аммиака и устройство, которое не только можно эксплуатировать в непрерывном режиме в течение длительного периода времени, но которое при этом позволяет снизить расходы.

Для решения проблем в указанном выше традиционном уровне техники в одном из аспектов настоящего изобретения предлагается устройство для получения аммиака, содержащее газификационную печь, в которую вводят уголь и воздух, конструкция которой позволяет осуществлять частичное окисление с целью газификации угля; обессеривающий аппарат, конструкция которого позволяет производить обессеривание газа, генерируемого в газификационной печи; реактор для выполнения реакции сдвига, конструкция которого позволяет превращать оксид углерода, присутствующий в отходящем газе обессеривающего аппарата, в диоксид углерода; углекислотный скруббер, конструкция которого позволяет удалять диоксид углерода, присутствующий в отходящем газе реактора для выполнения реакции сдвига; деазотирующий аппарат, конструкция которого позволяет удалять азот, присутствующий в отходящем газе углекислотного скруббера, причем мольное соотношение между азотом и водородом, присутствующим в газе, доводится до примерно 1:3; и генератор аммиака, в котором получают аммиак в результате реакции между азотом и водородом, содержащимися в отходящем газе деазотирующего аппарата.

При этом согласно другому аспекту настоящего изобретения деазотирующий аппарат сконструирован таким образом, чтобы удалять азот с использованием газосепарирующей мембраны.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения деазотирующий аппарат сконструирован таким образом, чтобы удалять азот с использованием адсорбирующего материала.

С целью решения проблем описанного выше традиционного уровня техники в еще одном аспекте настоящего изобретения предлагается способ получения аммиака, включающий стадию газификации угля путем ввода угля и воздуха и осуществления частичного окисления, стадию обессеривания газа, генерируемого на стадии газификации, стадию конверсии присутствующего в газе оксида углерода в диоксид углерода, стадию удаления присутствующего в газе диоксида углерода, стадию доводки мольного соотношения между содержащимися в газе азотом и водородом до примерно 1:3 путем удаления присутствующего в газе азота и стадию получения аммиака осуществлением реакции между содержащимися в газе азотом и водородом.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения на стадии доводки азот удаляют с использованием газосепарирующей мембраны.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения на стадии доводки азот удаляют с использованием адсорбирующего материала.

Технические результаты

Поскольку устройство для получения аммиака в соответствии с настоящим изобретением содержит газификационную печь, в которую вводят уголь и воздух, конструкция которой позволяет осуществлять частичное окисление с целью газификации угля; обессеривающий аппарат, конструкция которого позволяет осуществлять обессеривание газа, генерируемого в газификационной печи; реактор для проведения реакции сдвига, конструкция которого позволяет превращать оксид углерода, присутствующий в отходящем газе обессеривающего аппарата, в диоксид углерода; углекислотный скруббер, конструкция которого позволяет удалять диоксид углерода, присутствующий в отходящем газе реактора для проведения реакции сдвига; деазотирующий аппарат, конструкция которого позволяет удалять азот, присутствующий в отходящем газе углекислотного скруббера, причем мольное отношение между азотом и водородом, присутствующим в газе, доводится до примерно 1:3; и генератор аммиака, в котором получают аммиак в результате реакции между азотом и водородом, содержащимися в отходящем газе деазотирующего аппарата, концентрация кислорода при сгорании угля снижается и по сравнению со случаем использования для газификации угля кислорода температура реакции газификации в газификационной печи является низкой. В результате этого становится возможным продлить срок службы огнеупорного кирпича внутри газификационной печи. При этом также не происходит плавления золы и т.п., имеющего место при переработке угля, и ее налипания на стенки газификационной печи, благодаря этому работа газификационной печи не встречает препятствий. В результате в соответствии с изобретением становится возможной непрерывная эксплуатация газификационной печи в течение длительного периода времени.

Кроме того, поскольку для газификации угля используется воздух, содержащийся в воздухе азот может использоваться при последующем получении аммиака без ввода в газ азота, как это традиционно делалось до сих пор.

Далее, в то время как в прошлом для газификации угля использовали кислород, подача которого создавала необходимость в оборудовании для генерирующей кислород установки, в случае настоящего изобретения благодаря использованию для газификации угля воздуха необходимость в оборудовании для генерирующей кислород установки отпадает, что создает возможность снижения суммарных затрат на устройство.

Согласно устройству для получения аммиака по настоящему изобретению, поскольку деазотирующий аппарат может быть сконструирован так, чтобы удалять азот с использованием газосепарирующей мембраны, имеется возможность использовать разницу в скорости пропускания газосепарирующей мембраной азота и водорода таким образом, чтобы регулировать мольное соотношение между азотом и водородом. Использование в конструкции мембраны позволяет упростить конструкцию аппарата. При этом, поскольку в этой конструкции имеет место падение давления проходящих через газосепарирующую мембрану азота и водорода, при получении аммиака давление необходимо повышать.

Согласно устройству для получения аммиака по настоящему изобретению, поскольку деазотирующий аппарат может быть сконструирован так, чтобы удалять азот с использованием адсорбирующего материала, имеется возможность регулировать мольное соотношение между азотом и водородом путем удаления из газа азота без снижения давления водорода.

Поскольку способ получения аммиака по настоящему изобретению включает стадию газификации угля путем ввода угля и воздуха и осуществления частичного окисления, стадию обессеривания газа, генерируемого на стадии газификации, стадию превращения присутствующего в газе оксида углерода в диоксид углерода, стадию удаления присутствующего в газе диоксида углерода, стадию доводки мольного отношения содержащимися в газе азотом и водородом до примерно 1:3 путем удаления присутствующего в газе азота и стадию получения аммиака осуществлением реакции между содержащимися в газе азотом и водородом, концентрация кислорода при сгорании угля снижается и по сравнению со случаем использования для газификации угля кислорода температура реакции газификации в газификационной печи является низкой. В результате этого становится возможным продлить срок службы огнеупорного кирпича внутри газификационной печи. При этом не происходит плавления золы и т.п., имеющего место при переработке угля, и ее налипания на стенки газификационной печи, благодаря чему работа газификационной печи не встречает препятствий. В результате этого становится возможной непрерывная эксплуатация газификационной печи в течение длительного периода времени.

Далее, поскольку для газификации угля используют вдувание воздуха, содержащийся в воздухе азот может использоваться для последующего получения аммиака без ввода в газ, как это традиционно делали до сих пор, азота.

Согласно способу получения аммиака по настоящему изобретению, поскольку на стадии доводки для удаления азота может использоваться газосепарирующая мембрана, для разделения азота и водорода с целью доводки мольного соотношения между азотом и водородом можно использовать разницу в скорости пропускания азота и водорода газосепарирующей мембраной. Поскольку же в этом способе имеет место падение давления проходящих через газосепарирующую мембрану азота и водорода, при получении аммиака давление необходимо повышать.

Согласно устройству для получения аммиака по настоящему изобретению, поскольку на стадии доводки для удаления азота может использоваться адсорбирующий материал, регулировать мольное соотношение между азотом и водородом можно путем удаления из газа азота без снижения давления водорода.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - блок-схема, показывающая устройство для получения аммиака согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.

Фиг.2 - таблица, показывающая состав газа после влажной газоочистки и состав газа после реакции сдвига СО.

Фиг.3 - график, показывающий температурную зависимость коэффициента газопроницаемости полиимидной мембраны.

Фиг.4 - график, показывающий температурную зависимость коэффициента газопроницаемости целлюлозно-ацетатной мембраны.

Фиг.5 - график, показывающий равновесие адсорбции между водородом и азотом на активированном древесном угле.

Детальное раскрытие изобретения

Первый вариант осуществления

Ниже описан первый вариант осуществления устройства для получения аммиака согласно изобретению со ссылками на сопровождающие чертежи. Фиг.1 представляет блок-схему, показывающую устройство для получения аммиака согласно этому варианту осуществления настоящего изобретения.

Как следует из фиг.1, устройство для получения аммиака 1 этого варианта осуществления содержит газификационную печь 2, обессеривающий аппарат 3, реактор 4 для выполнения реакции сдвига, углекислотный скруббер 5, деазотирующий аппарат 6 и генератор 7 аммиака.

Газификационная печь 2 относится к воздуходувному типу газификационной печи, которая состоит из камеры сгорания (топки) 2а и камеры газификации (редуктора) 2b. Газификационная печь 2 сконфигурирована таким образом, чтобы сжигать уголь, воздух и древесный уголь (не показан), которые вводятся в камеру сгорания 2а при высокой температуре. Наряду с вводом большего количества угля в камеру газификации 2b в газификационной печи 2 используется высокотемпературный горючий газ из камеры сгорания 2а для газификации угля в камере газификации 2b.

Обессеривающий аппарат 3 состоит из секции 3а влажной газоочистки и секции 3b сухого обессеривания. В секции 3а влажного газогенерирования обессеривающего аппарата 3 происходит удаление сероводорода, содержащегося в газе углегазификации, генерируемом в газификационной печи 2. В способе обессеривания может быть использован способ с использованием в качестве адсорбирующей жидкости метилдиэтаноламина (MDEA). В этом способе вначале сероводород абсорбируется органическим растворителем и при этом сероводород (H₂S) экстрагируется до тех пор, пока концентрация сероводорода в растворе не станет высокой. Концентрированный сероводород окисляется до диоксида серы и с помощью традиционного способа, применяемого на работающих на угле термоэлектрических установках (т.е. способа, в котором сероводород вводится во взаимодействие с суспензией карбоната кальция), отверждается в форме гипса, в результате чего осуществляется обессеривание. Слева на фиг.2 показан состав газа газификации угля после переработки в секции 3а влажной газоочистки.

В секции 3b сухого обессеривания обессеривающего аппарата 3 происходит удаление серы в результате адсорбции сероводорода, содержащегося в газе углегазификации. Методом адсорбционного обессеривания может быть, например, метод сухого обессеривания, состоящий в адсорбции сероводорода микрочастицами оксида цинка (ZnO).

Реактор 4 для проведения реакции сдвига сконструирован таким образом, чтобы осуществлять конверсию оксида углерода, содержащегося в отходящем из обессеривающего аппарата 3 газе углегазификации, в диоксид углерода. Более конкретно, реактор 4 для проведения реакции сдвига сконфигурирован так, чтобы в нем осуществлялась конверсия оксида углерода в диоксид углерода в результате реакции сдвига СО. Упоминаемая в заявке реакция сдвига является реакцией, выражаемой приведенной ниже формулой (1), а реактор 4 для проведения реакции сдвига сконфигурирован так, чтобы в нем осуществлялась реакция газовой смеси оксида углерода и водяного пара при высокой температуре (например, от 350 до 400°С) в присутствии катализатора. Катализатор для реакции сдвига с участием СО может быть оксидом на основе Fe-Cr или оксидом на основе Cu-Zn или им подобным.

На фиг.2 справа показан состав газа после переработки в реакторе 4 для проведения реакции сдвига. Как следует из фиг.2, концентрация оксида углерода (в об.%) в газе после переработки в реакторе 4 для проведения реакции сдвига близка к нулю.

Углекислотный скруббер 5 сконструирован таким образом, чтобы осуществлять удаление диоксида углерода, присутствующего в газе, прошедшем обработку в реакторе 4 для проведения реакции сдвига. Способом удаления диоксида углерода может быть, например, аминный способ. В этом способе в качестве адсорбирующей жидкости используется, например, водный раствор алканоламина и при этом диоксид углерода адсорбируется указанной адсорбирующей жидкостью.

В данном варианте осуществления деазотирующий аппарат 6 сконструирован таким образом, чтобы доводить мольное соотношение между азотом и водородом до примерно 1:3 путем удаления азота из газа, отходящего из углекислотного скруббера 5. Более конкретно, деазотирующий аппарат 6 сконструирован так, чтобы удалять азот с использованием газосепарирующей мембраны. В качестве газосепарирующей мембраны может быть использована полиимидная мембрана или целлюлозно-ацетатная мембрана. В приведенном ниже описании даются примеры использования полиимидной мембраны или целлюлозно-ацетатной мембраны.

Фиг.3 представляет график, показывающий температурную зависимость коэффициента газопроницаемости полиимидной мембраны, который (график) показывает изменение коэффициента газопроницаемости для водорода и азота. Фиг.4 представляет график, показывающий температурную зависимость коэффициента газопроницаемости целлюлозно-ацетатной мембраны, который показывает изменение коэффициента газопроницаемости для водорода и азота.

Как следует из фиг.3 и фиг.4, при сравнении водорода и азота коэффициент газопроницаемости водорода оказывается более высоким. Следовательно, в случае использования полиимидной мембраны или целлюлозно-ацетатной мембраны имеется возможность разделять азот и водород по разнице в скорости пропускания между азотом и водородом. В данном варианте осуществления деазотирующий аппарат 6 сконструирован таким образом, чтобы использовать разницу в скорости пропускания для азота и водорода, как показано на фиг.3 и фиг.4, для доводки мольного соотношения между азотом и водородом в газе до примерно 1:3.

Генератор 7 аммиака сконструирован таким образом, чтобы генерировать (получать) аммиак путем осуществления реакции между азотом и водородом, содержащимися в газе, отходящем из деазотирующего аппарата 6. В качестве способа получения аммиака может быть использован способ Хабера-Боша. В этом процессе азот и водород смешивают в мольном отношении 1:3 и аммиак получают при температуре от 450 до 550°С и давлении от 150 до 1000 атм в присутствии катализатора, в котором к главному компоненту - магнетиту (Fe₃O₄) - добавляют оксид алюминия и т.п., в соответствии со следующей формулой (2):

Далее описывается техническая схема способа получения аммиака согласно данному варианту осуществления с использованием фиг.1.

Вначале в камеру сгорания 2а газификационной печи 2 вводятся уголь (мелкие частицы), воздух и древесный уголь (не показан), и после сгорания этих материалов при высокой температуре в газификационную камеру 2b вводится дополнительное количество угля (мелкие частицы), и для газификации угля в газификационной камере 2b используется высокотемпературный дымовой газ из камеры сгорания 2а. После завершения этой стадии в газификационной печи 2 осуществляется генерирование газа углегазификации, имеющего в качестве главных компонентов водород и оксид углерода. Газ углегазификации из газификационной камеры 2b направляется в секцию 3а влажной газоочистки.

Далее, в секции 3а влажной газоочистки для удаления из газа углегазификации сероводорода в качестве адсорбирующей жидкости используется метилдиэтаноламин (MDEA), после чего газ направляется из секции 3b влажной газоочистки в секцию 3b сухого обессеривания.

Далее, в секции 3b сухого обессеривания сероводород адсорбируется микрочастицами оксида цинка (ZnO), в результате чего сероводород удаляется из газа. После этого газ направляется из секции 3b сухого обессеривания в реактор 4 для проведения реакции сдвига.

В реакторе 4 для проведения реакции сдвига оксид углерода и вода реагируют по реакции сдвига с получением диоксида углерода и водорода. Вслед за тем подвергнутый реакции сдвига газ направляется в углекислотный скруббер 5.

В углекислотном скруббере 5 для проведения адсорбции содержащегося в газе диоксида углерода адсорбирующей жидкостью с целью удаления диоксида углерода используется адсорбирующая жидкость на основе амина. После удаления диоксида углерода газ направляется из углекислотного скруббера 5 в деазотирующий аппарат 6.

В деазотирующем аппарате 6 путем удаления из газа азота с использованием газосепарирующей мембраны мольное соотношение между азотом и водородом в газе доводится до примерно 1:3. После доводки газ направляется из деазотирующего аппарата 6 в генератор 7 аммиака.

В генераторе 7 аммиака для реакции содержащихся в газе азота и кислорода используется способ Хабера-Боша, в результате чего получают аммиак.

С помощью описанных выше операций осуществляется получение аммиака из угля.

Согласно сказанному устройство 1 для получения аммиака согласно данному варианту осуществления имеет газификационную печь 2, в которою вводят уголь и воздух и которая сконструирована таким образом, чтобы газифицировать уголь путем осуществления частичного окисления; обессеривающий аппарат 3, сконструированный таким образом, чтобы обессеривать газ, генерируемый в газификационной печи 2; реактор 4 для проведения реакции сдвига, сконструированный таким образом, чтобы конвертировать оксид углерода, содержащийся в отходящем из обессеривающего аппарата 3 газе, в диоксид углерода; углекислотный скруббер 5, сконструированный таким образом, чтобы удалять диоксид углерода, содержащийся в отходящем из реактора 4 для проведения реакции сдвига; деазотирующий аппарат 6, сконструированный таким образом, чтобы доводить мольное соотношение между азотом и водородом в газе до примерно 1:3 путем удаления азота из газа, отходящего из углекислотного скруббера 5; и генератор 7 аммиака, в котором получают аммиак в результате проведения реакции между азотом и водородом, содержащимися в газе, отходящем из деазотирующего аппарата 6.

Таким образом, согласно устройству 1 для получения аммиака по данному варианту осуществления, поскольку для проведения газификации угля в газификационной печи используется воздух, концентрация кислорода при сгорании угля снижается и по сравнению со случаем использования для газификации угля кислорода температура реакции газификации в газификационной печи 2 остается низкой. Благодаря этому становится возможным продлить срок службы огнеупорного кирпича внутри газификационной печи 2. При этом, поскольку температура внутри газификационной печи 2 низка по сравнению с традиционным уровнем техники, не происходит плавления золы и т.п., происходящего при переработке угля, и ее налипания на стенки газификационной печи 2, благодаря чему работа газификационной печи 2 не встречает препятствий.

Аналогичным образом, согласно устройству 1 для получения аммиака по данному варианту осуществления, поскольку газификация угля проводится путем вдувания воздуха, имеется возможность использовать содержащийся в воздухе азот при последующем получении аммиака без ввода в газ, как это до сих пор традиционно делалось, азота.

Кроме того, в то время как в прошлом для газификации угля использовали кислород, что создавало необходимость в оборудовании для генерирующей кислород установки для подачи кислорода, в случае настоящего изобретения благодаря использованию для газификации угля воздуха необходимость в оборудовании для генерирующей кислород установки отпадает, что создает возможность снижения суммарных затрат на устройство.

Далее, согласно устройству 1 для получения аммиака по данному варианту осуществления, поскольку деазотирующий аппарат 6 сконструирован таким образом, чтобы удалять азот с использованием газосепарирующей мембраны, имеется возможность регулировать мольное соотношение между азотом и водородом путем разделения азота и водорода с использованием разницы между скоростью пропускания газосепарирующей мембраной азота и водорода. При этом, поскольку в конструкции использована мембрана, можно использовать более простую конструкцию для аппарата, причем, поскольку в этой конструкции имеет место падение давления проходящих через газосепарирующую мембрану азота и водорода, при получении аммиака давление необходимо повышать.

Второй вариант осуществления

Ниже описан второй вариант осуществления устройства для получения аммиака согласно настоящему изобретению со ссылками на сопровождающие чертежи. Фиг.5 представляет график, показывающий равновесие адсорбции водорода и азота на активированном древесном угле.

Во втором варианте осуществления деазотирующий аппарат 6 сконструирован таким образом, чтобы удалять азот с использованием адсорбирующего материала. В качестве адсорбирующего материала используют активированный древесный уголь, молекулярное сито MS5A (5 Å), молекулярное сито MS4A (4 Å) или активированный оксид алюминия и т.п.

На фиг.5 показано равновесие адсорбции азота и водорода на активированном древесном угле. Как следует из фиг.5, если сравнивать водород и азот, количество адсорбции азота больше. Следовательно, если в качестве адсорбирующего материала использован активированный древесный уголь, имеется возможность доводить мольное соотношение между азотом и водородом с использованием разницы в количествах адсорбции азота и водорода. В данном варианте осуществления деазотирующий аппарат 6 сконструирован таким образом, чтобы доводить мольное соотношение между азотом и водородом до примерно 1:3 с использованием разницы в количествах адсорбции азота и водорода, как показано на фиг.5.

Поскольку в устройстве 1 для получения аммиака согласно данному варианту осуществления деазотирующий аппарат 6 сконструирован таким образом, чтобы удалять азот с использованием адсорбирующего материала, можно регулировать мольное соотношение между водородом и азотом путем удаления азота из газа, не снижая давления водорода.

Хотя выше приведено описание вариантов осуществления настоящего изобретения, настоящее изобретение не ограничено описанными вариантами осуществления и может быть различным образом модифицировано и принимать разные формы на основе технической концепции настоящего изобретения.

Реферат

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. В газификациионной печи 2, состоящей из топки 2а и газификационной камеры 2b, происходит газифицикация угля путем осуществления частичного окисления. В обессеривающем аппарате 3, включающем секцию влажной очистки 3а и сухой очистки 3b, сероводород удаляется из газа, генерируемого в газификационной печи 2. В реакторе 4 для проведения реакции сдвига оксид углерода, содержащийся в отходящем из обессеривающего аппарата 3 газе, конвертируется в диоксид углерода. Углекислотный скруббер 5 служит для удаления диоксида углерода, содержащегося в газе, отходящем из реактора 4 для проведения реакции сдвига. В деазотирующем аппарате 6 мольное соотношение между азотом и водородом в газе, отходящем из углекислотного скруббера 5, доводится до примерно 1:3 путем удаления азота. В результате проведения реакции в генераторе 7 между азотом и водородом, содержащимися в газе, отходящем из деазотирующего аппарата 6, получают аммиак. В результате осуществления изобретения становится возможной непрерывная эксплуатация газификационной печи в течение длительного периода времени. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

Формула