BR112014032081B1 - Produção por poligeração de energia e fertilizante por meio de captura de emissões - Google Patents

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Abstract

produção por poligeração de energia e fertilizante por meio de captura de emissões. a presente invenção refere-se ao método de produção de amônia, e opcionalmente ureia, a partir de um efluente de gás de combustão advindo de um processo queimado com oxigênio, no qual a produção de amônia e opcionalmente ureia inclui uma produção de energia líquida. também é fornecido um método para realizar resfriamento em um processo queimado com oxigênio com gases de saída da unidade de separação de ar utilizando ciclos de resfriamento fechados ou abertos.

Description

CAMPO DE APLICAÇÃO
[0001] Esta invenção está relacionada a um processo para produção de fertilizantes à base de amônia e/ou nitrogênio. Mais especificamente, a invenção se refere a um processo de poligeração para produção de amônia e/ou ureia a partir de uma corrente de gás de combustão originada por um processo industrial queimado com oxigênio (“oxy-fired”), no qual o processo pode resultar na produção líquida de energia recuperável e vendível.
DESCRIÇÃO DO ESTADO DA TÉCNICA
[0002] O nitrogênio constitui um nutriente importante para o devido desenvolvimento e crescimento da vegetação. A ureia e a amônia são dois compostos comuns que contêm nitrogênio amplamente utilizados na indústria de fertilizantes, além de utilizados como substâncias químicas básicas na produção de vários compostos químicos diferentes.
[0003] A amônia é precursora de muitos compostos que contêm nitrogênio, incluindo ureia, e portanto constitui uma substância química importante na indústria de fertilizantes. Em razão de seus diversos usos, a amônia é um dos compostos inorgânicos mais produzidos, geralmente contando com uma produção mundial superior a 100 milhões de toneladas. Da amônia produzida, aproximadamente 80% ou mais são utilizados na fertilização de lavouras agrícolas.
[0004] A ureia (ou carbamida) é um composto orgânico com a fórmula química NH2CONH2. Mais de 90% da produção mundial de ureia é destinada a fertilizantes visto que a ureia possui o maior teor de nitrogênio entre todos os fertilizantes nitrogenados sólidos comumente usados. Devido ao amplo uso da ureia em fertilizantes como fonte conveniente de nitrogênio, a produção da ureia se faz importante. Ademais, a ureia é uma matéria-prima importante na fabricação de plásticos, resinas, colas e fármacos, e é também importante como produto de alimentação de animais ruminantes.
[0005] De modo geral, as fábricas que produzem ureia e fertilizantes à base de ureia sofrem com os altos custos das matérias-primas, as demandas energéticas excessivas e as altas emissões. Assim, há a necessidade de desenvolver novos métodos para a produção de ureia e fertilizantes à base de nitrogênio que reduzam custos e emissões.
BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO
[0006] De modo geral, a presente invenção provê um método de poligeração para a produção de fertilizantes à base de amônia e/ou nitrogênio, tal como ureia (NH2CONH2) e nitrato de amônio (NH4N02) a partir do gás de combustão para um processo industrial queimado com oxigênio, além da simultânea produção de energia.
[0007] Em um aspecto, a presente invenção propicia um método para produção de ureia a partir de gases de combustão de escape de um processo queimado com oxigênio. O método inclui as etapas de fornecimento de matéria-prima à base de hidrocarboneto ou carbono e oxigênio a um processo queimado com oxigênio para produção de um gás de combustão de escape que inclui dióxido de carbono, monóxido de carbono e hidrogênio. O gás de combustão de escape é então fornecido a um primeiro reator, o dito primeiro reator incluindo um catalisador e sendo configurado para converter no mínimo uma porção do monóxido de carbono em dióxido de carbono e produzir um gás de combustão de escape modificado. O gás de combustão de escape modificado é então fornecido a um segundo reator, o dito segundo reator incluindo um catalisador e sendo configurado para converter o monóxido de carbono restante em dióxido de carbono para produzir um gás de combustão de escape rico em dióxido de carbono. O gás de combustão de escape rico em dióxido de carbono é então fornecido a um primeiro condensador para remover água e produzir uma corrente de gás compreendendo principalmente hidrogênio e dióxido de carbono. A corrente de gás compreendendo principalmente hidrogênio e dióxido de carbono do primeiro condensador é fornecida a um decapante de dióxido de carbono para produzir uma corrente de hidrogênio e uma corrente de dióxido de carbono de alta pureza; tal decapante de dióxido de carbono pode ser um solvente adequadamente carregado para extrair dióxido de carbono, uma membrana de separação mecânica, ou um sistema mecânico de absorção com modulação da pressão/temperatura, e em que a corrente de hidrogênio de saída inclui pequenas quantidades de monóxido de carbono e dióxido de carbono. A corrente de hidrogênio é fornecida a um terceiro reator, o dito terceiro reator incluindo um catalisador e sendo configurado para produção de metano a partir de pequenas quantidades de monóxido de carbono e dióxido de carbono presentes na corrente de hidrogênio, o dito terceiro reator produzindo uma corrente resultante do metano e uma corrente de hidrogênio de alta pureza. A corrente de hidrogênio de alta pureza e gás nitrogênio são fornecidos a um quarto reator, o dito quarto reator incluindo um catalisador e sendo configurado para produzir uma corrente de produto de amônia. A corrente de dióxido de carbono de alta pureza e a amônia são então fornecidos a um quinto reator, o dito quinto reator sendo configurado para produzir uma corrente de produto compreendendo ureia.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[0008] A presente invenção será descrita a seguir com mais detalhes, com referência aos desenhos anexos, no qual: A figura 1 mostra uma concretização de um processo para a produção de amônia e/ou ureia.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
[0009] Embora a seguinte descrição detalhada contenha muitos detalhes específicos para fim de ilustração, fica entendido que um técnico no assunto notará que muitos exemplos, variações e alterações no processo e aparelho aqui descritos se encontram dentro do escopo e espírito da invenção. Assim, os exemplos de concretização da invenção aqui descritos são estabelecidos sem perda alguma da generalidade, e sem a imposição de limites, quanto à invenção reivindicada.
[0010] O processo aqui descrito fornece um processo de poligeração para a produção combinada de ureia e fertilizante à base nitrogênio a partir dos subprodutos da geração de energia queimada com oxigênio ou processo industrial queimado com oxigênio. Como aqui empregado, “poligeração” refere-se a um processo integrado que contem três ou mais saídas, que inclui saída(s) de energia, produzidos a partir de um ou mais recursos de entrada. A geração de energia queimada com oxigênio ou o processo industrial queimado com oxigênio gera uma corrente gasosa quente (ou seja, gás de combustão) consistindo em gases núcleo de monóxido de carbono, dióxido de carbono e hidrogênio, que podem então ser fornecidos às etapas de produção de amônia e/ou fertilizante. Em algumas concretizações, o gás de combustão pode ser complementado com nitrogênio frio, que não foi fornecido ao processo de gás quente, para produzir fertilizante à base de nitrogênio e amônia como subprodutos da geração de energia ou do processo de gás industrial.
[0011] Uma variedade de esquemas conhecidos de geração de energia queimado com oxigênio, emissão zero foram propostos no passado, tais como os ciclos ‘Matiant e Graz’, e podem ser utilizados de maneira vantajosa na presente invenção para prover matéria-prima para a preparação dos compostos de amônia e ureia. Por exemplo, os esquemas propostos em U.S. Pat N°s 5.715.673 e 5.956.937 são baseados em um processo no qual um combustor de alta pressão é queimado com oxigênio, combustível gasoso e água para produzir um gás de acionamento para uma turbina a vapor. A descarga da turbina pode ser reaquecida em um combustor de pressão intermediário queimado com combustível e oxigênio adicionais. A descarga então entra em uma turbina para gerar energia adicional. A descarga pode ser fornecida a um condensador para separar água, e um efluente rico em dióxido de carbono pode então ser purgado, comprimido, tratado e vendido ou entregue a uma unidade de sequestro.
[0012] Outro método de operação de uma caldeira que utiliza oxidantes enriquecidos com oxigênio é apresentado em U.S. Pat N° 6.314.896; que descreve de modo geral um método de operação de uma caldeira na qual o ar enriquecido com oxigênio é introduzido com um combustível no espaço de combustão dentro de uma caldeira geradora de vapor.
[0013] Outro esquema exemplar para geração de energia utilizando turbinas a vapor e a gás que pode ser empregado foi proposto por ‘Bolland e Saether’ (consultar, ENERGY CONVERSION & MANAGEMENT, Vol. 33, Nov. 5-8, 1992, p. 467). O esquema consiste no fornecimento de um combustor com oxigênio de uma unidade de separação de ar (também chamada de “ASU”), reagindo m oxigênio com combustível, acrescentando água ou vapor para controlar a temperatura de saída do combustor, e passando os gases do combustor por uma turbina para gerar energia. Nesse sistema de recuperação de calor, uma corrente de entrada de água é utilizada para resfriar a descarga do compressor principal da unidade de separação de ar.
[0014] Outro esquema que também foi proposto apresenta o uso de combustão queimada com oxigênio combinada com um reciclo de água (consultar, Yantovskii; PROCEEDINGS OF WORLD CLEAN ENERGY CONFERENCE, Geneva, Switzerland, 1991, pp. 571-595). Um combustor de alta pressão recebe oxigênio de uma unidade de separação de ar, combustível hidrocarboneto e água reciclada para produzir um vapor/gás de acionamento de dióxido de carbono que penetre na turbina. Isso é seguido por duas etapas de reaquecimento e expansão. O dióxido de carbono é separado em um condensador, e o condensado é reciclado para o combustor de alta pressão. Os ciclos descritos são supostamente capazes de obter eficiências relativamente maiores, mas isso está condicionado ao desenvolvimento de turbinas a vapor avançadas.
[0015] Em um processo conhecido como ciclo “Matiant”, (consultar, PROCEEDINGS OF THIRD INTERNATIONAL CONFERENCE ON CARBON DIOXIDE REMOVAL (ICCDR-3), Boston, 1996), um gás de acionamento para uma turbina a gás é produzido por combustão com oxigênio e dióxido de carbono reciclado. O gás de acionamento entra em uma turbina operante a pressões e temperaturas características de turbinas a gás. A descarga da turbina entra em um dispositivo de recuperação de calor, tal como um gerador de vapor de recuperação de calor, é resfriada, e a água é separada. Uma parte do efluente rico em dióxido de carbono é reciclada para o combustor e o restante é purgado ou comprimido. Variações desse conceito ainda incorporam técnicas para liquefazer, aquecer e expandir o produto do dióxido de carbono, como disposto, por exemplo, em U.S. Pat N° 5.802.840. Esquemas semelhantes são também descritos em U.S. Pat N°s 3.736.745; 4.434.613; 4.498.289; 5.175.995; 5.247.791; e 5.265.410.
[0016] Embora tais ciclos visem possibilitar uma produção energética mais eficiente, esses dependem do desenvolvimento de cada vez mais turbinas de alta pressão e altas temperaturas que não se encontram disponíveis atualmente.
[0017] Um esquema exemplar para produção de energia é através da “Turbina Isotérmica a Gás Usando Oxidação Parcial Catalítica” na Patente Internacional WO 91/05946, de 2 de maio de 1991 (J.S. Ribesses) e demonstrado pelo ‘Institute of High Temperature’ (IVTAN) na antiga União Soviética no fim da década de 50. Esse esquema demonstrava reatores catalíticos de oxidação parcial e combustão do gás por meio de turbinas a gás de oxidação para gerar energia sem contemplação da produção de fertilizantes. Trabalhos posteriores e atuais do ‘Gás Turbine Institute’ (“GTI”) baseado nesse conceito têm demonstrado potencial para produção de hidrogênio e aplicações de gás a líquidos ‘Fischer- Tropsche’ a partir de uma corrente de deslizamento do gás síntese, mas não contemplava a síntese dos fertilizantes à base de amônia e ureia (Newby, et. al, “An Evaluation of a Partial Oxidation Concept for the Combustion of Turbine Power Systems,” ASME paper 97-AA-24, 1997). O esquema semelhante como descrito em U.S. Pat. N° 8.268.896 foi o trabalho resultante dos conceitos anteriores, mas requer emissões para atmosfera de gases contaminantes como óxidos nitrosos, uso de ar natural ou fluxo de ar emendado com oxigênio, e não provê a captura e o reuso econômicos ou inovadores do dióxido de carbono. Concretizações da presente invenção fornecem aparelhos e processos que operam com uma atmosfera oxigenada para remover gases contaminantes, têm eficiência econômica maior para a produção de gás síntese, usam gás de combustão para a produção de amônia com nitrogênio desviado, e fornecem um meio de capturar e reutilizar dióxido de carbono e nitrogênio na produção de fertilizantes.
[0018] Em contraste com o ciclo Matiant, o “Ciclo Graze” (consultar, ASME paper 95-CTP-79, ASME COGEN-TURBO POWER CONFERENCE, Vienna, Áustria (1995), e também no documento CIMAC G07, CIMAC CONFERENCE, Interlaken, Switzerland (1995)) descreve um combustor de alta pressão queimado com combustível, oxigênio, vapor e vapor de dióxido de carbono reciclado. A corrente que sai do combustor é expandida em uma turbina de alta pressão e entra em um sistema de recuperação de calor para gerar puro vapor, que posteriormente entra em uma turbina a vapor. A descarga da turbina a vapor então penetra no combustor. Após a recuperação de calor, uma parte da descarga da turbina de alta pressão é comprimida e reciclada de volta para o combustor enquanto a parte restante entra em uma turbine de baixa pressão e em um sistema de remoção de água.
[0019] Em um aspecto, é fornecido um método para a produção de amônia e/ou ureia a partir dos gases de exaustão de um processo queimado com oxigênio. No método, uma fonte de combustível hidrocarboneto, tal como metano ou gás de síntese, fornecida via linha 102 e oxigênio fornecido via 104 são combinados no processo industrial queimado com oxigênio 106 para produzir um gás de combustão de escape. O gás de combustão de escape pode ser fornecido via linha 108 a uma turbina de energia 110, que retira uma porção do calor e produz energia com gerador de força 112 conectado a essa. Outros combustíveis hidrocarbonetos e subprodutos tais como alcatrão, betume, carvão, coque de petróleo ou materiais semelhantes que possam ser oxidados em um processo queimado com oxigênio e possam ser submetidos à limpeza ou remoção de contaminantes podem ser usados como matéria-prima, contudo, esses combustíveis alternativos exigem alguns sistemas para remoção dos contaminantes contidos neles. Outros mecanismos de transferência do calor dos combustíveis hidrocarbonetos podem incluir uma caldeira (permutador de calor) com um ciclo de vapor secundário ou turbina de contaminantes altos para transferir a energia do gás de combustão e passar a exaustão via linha 114 para o primeiro permutador de calor 116. Os exemplos de sistemas de remoção de contaminantes podem incluir sistemas de remoção de enxofre, tal como um depurador de gás úmido com reagente calcário, cinza usando uma câmara de filtragem ou precipitador eletrostático, e filtros de vela para a retirada de metais, cada um podendo ser adicionado à corrente de tratamento do gás de combustão. Por exemplo, um depurador úmido de gás de combustão poderia substituir o primeiro condensador para remoção de água e polimento da água antes da reintrodução no ciclo de combustão ou venda. Cada um desses tratamentos de gases de combustão para sistemas que empreguem outros hidrocarbonetos pode ainda criar subprodutos vendíveis para o processo. Por exemplo, sistemas de remoção de gás ácido para enxofre produzirão enxofre elementar, que é benéfico ao tratamento de fertilizante para decomposição da liberação estendida do fertilizante. Os vestígios de nitrogênio podem ser depurados no processo e convertidos em nitrogênio ou amônia.
[0020] Turbina de saída de gases de combustão de escape 110 a alta temperatura, geralmente a uma temperatura superior a aproximadamente 475°C, alternativamente entre aproximadamente 410 e 500°C, alternativamente aproximadamente 495°C, via linha 114, e incluindo uma mistura de monóxido de carbono, hidrogênio, dióxido de carbono, oxigênio, água (por exemplo, como vapor) e gases inertes. Em algumas concretizações, a mistura gasosa poderá incluir entre aproximadamente 55 e 65 % em mol de hidrogênio, 15-25 % em mol de dióxido de carbono e entre 10 e 20 % em mol de monóxido de carbono. Em uma concretização alternativa, a mistura gasosa poderá incluir entre aproximadamente 60 e 65 % em mol de hidrogênio, entre 17 e 23 % em mol de dióxido de carbono e entre 10 e 15 % em mol de monóxido de carbono. A proporção exata do gás de combustão de escape depende da composição exata da fonte do combustível (ou seja, metano, gás síntese ou outra fonte de hidrocarboneto) e do equilíbrio estequiométrico de oxigênio e combustível fornecidos ao processo queimado com oxigênio.
[0021] A conversão do carbono em principalmente monóxido de carbono e dióxido de carbono e hidrogênio ò água é possível em equilíbrio estequiométrico ou ambiente com excesso de oxigênio na linha 114. Em algumas concretizações, uma proporção 3:1 de hidrogênio para dióxido de carbono será alcançada na linha 114. Quando a proporção de hidrogênio para dióxido de carbono for menor que 3:1, como evidenciado por uma falta de hidrogênio livre na linha 114, e também como visto pela quantidade de hidrogênio produzido na linha 168, hidrogênio de renovação adicional pode ser fornecido pelo gerador de hidrogênio 206 via linha 212 ao processo de produção de amônia no reator 214 e oxigênio adicional pode ser fornecido ao processo industrial queimado com oxigênio 106 via linhas 104 e 208. Em certas concretizações, o processo não se limita à proporção de dióxido de carbono: hidrogênio dentro desses limites, mas são preferidos para produção otimizada e eficiência. Nem todas as concretizações exigirão o gerador de hidrogênio como fonte de hidrogênio; a fonte de hidrogênio pode advir de outras fontes industriais quando o fornecimento de hidrogênio não for adequado para uma proporção de 3:1. A adição de hidrogênio de um gerador de hidrogênio pode fornecer hidrogênio adicional, conforme a necessidade para produzir a proporção desejada de dióxido de carbono: hidrogênio entrando no ciclo do processo para produção de amônia. Em certas concretizações, o fluxo de combustível pode controlar a produção de óxidos de carbono entrando no sistema no equilíbrio ou desequilíbrio estequiométrico com oxigênio entrando no processo. Em algumas concretizações, o processo rico em combustível e pobre em oxigênio pode resultar na formação de carbono não combinado. O carbono não combinado pode sujar o sistema como carbono negro ou coque, portanto a proporção de oxigênio e combustível precisa ser controlada para evitar ou minimizar o carbono não combinado. O processo queimado com oxigênio pode ser modificado para otimizar a proporção de gases de combustão visando a maior eficiência e proporções desejadas de gás de combustão. O hidrogênio oxidado do gás de combustão produzirá água, que poderá ser fornecida do condensador ao gerador de hidrogênio para produção de hidrogênio, injetado no quarto reator via linha 212, retornando o equilíbrio químico a uma proporção que dê suporte à produção de amônia.
[0022] Gases de combustão de escape na linha 114 podem ser opcionalmente fornecidos ao primeiro permutador de calor 116 para controlar a temperatura dos gases para processos adicionais. Quando a fonte de combustível for gás síntese fornecido, por exemplo, por um ciclo de gaíificação integrado, o dióxido de carbono produzido do combustível gás síntese como subproduto pode ser injetado no dióxido de carbono linha 194, se o dióxido de carbono for puro, ou na linha 114 se o dióxido de carbono não for puro e tratamento adicional for necessário para limpeza do monóxido de carbono e dióxido de carbono. O primeiro permutador de calor 116 pode ser de qualquer tipo conhecido na arte, tal como um gerador de vapor. O tamanho do primeiro permutador de calor 116 pode ser selecionado com base no resfriamento requerido para reduzir a temperatura dos gases de combustão de escape na linha 114. Os gases de combustão de escape saindo do primeiro permutador de calor 116 fornecidos via linha 118 ao primeiro reator 120, podendo incluir um catalisador de reação de mudança água- gás. Os gases de combustão de escape saem do primeiro permutador de calor via linha 118 a uma temperatura selecionada com base nos requisitos do catalisador do primeiro reator. Por exemplo, em algumas concretizações, o primeiro permutador de calor pode ser configurado para reduzir a temperatura dos gases de combustão de escape na linha 114 para menos que aproximadamente 400°C, alternativamente menos que aproximadamente 375°C, alternativamente entre aproximadamente 355°C e 365°C.
[0023] Por exemplo, em uma concretização do processo Haber-Bosch, o catalisador no primeiro reator poderá incluir Cr/Fe304, exigindo uma temperatura de entrada do gás de combustão de aproximadamente 360°C. Fica entendido que um técnico no assunto pode selecionar catalisadores alternados para os vários reatores aqui descritos, o que poderá exigir uma temperatura de entrada diferente. Em concretizações empregando o processo Haber-Bosch, o catalisador presente no primeiro reator 120 converte monóxido de carbono em dióxido de carbono via uma reação de mudança água-gás: C0+H20 <-» C02+H2.
[0024] Uma corrente de gás saindo do primeiro reator 120 pode ser retirada via linha 122 e fornecida ao segundo permutador de calor 124. A corrente de gás pode incluir monóxido de carbono, água, dióxido de carbono e gases hidrogênio. Em algumas concretizações, o segundo permutador de calor 124 pode reduzir a temperatura dos gases para menos que aproximadamente 250°C, alternativamente menos que aproximadamente 225°C, alternativamente para entre aproximadamente 205°C e 215°C, dependendo das especificações do catalisador no segundo reator 128.
[0025] Vapor ou água quente fornecido via linha 136 do segundo permutador de calor 124 pode ser aquecido no primeiro permutador de calor 116 enquanto reduz a temperatura dos gases de exaustão da turbina saindo da turbina 110 via linha 114. Vapor ou água de reposição pode ser fornecido ao processo via linha 117 e pode ser fornecido de um processo associado. O vapor descarregado do primeiro permutador de calor 116 via linha 142 no terceiro permutador de calor 150 poderá então ser fornecido via linha 152 ao segundo permutador de calor 124 para resfriar gases que entram no segundo reator 128. O excesso de vapor do primeiro permutador de calor 116 pode ser fornecido via linha 140 e utilizado para acionar um gerador de turbina auxiliar 141 e/ou um compressor auxiliar 143. Alternativamente, o excesso de vapor retirado via linha 140 pode ser retirado do sistema para fornecer calor a um processo associado via linha 119.
[0026] Uma turbina auxiliar 141 pode ser acoplada e acionar compressor 143, que pode ser utilizado para as necessárias cargas de compressão de gás. Em algumas concretizações, um motor-gerador pode ser atrelado ao mesmo eixo do compressor e funcionar como um motor para ligar e desligar. O vapor fornecido via linha 140 pode ser usado para converter o motor em gerador conforme a pressão de alimentação superar a carga do compressor, descarregando o motor e eventualmente proporcionando torção suficiente para operar tanto o compressor quanto o motor como compressor e gerador. Em algumas concretizações, o motor-gerador pode incluir anéis deslizantes e escovas ou um gerador magnético permanente para o magnetismo do campo. Em algumas instalações maiores, várias unidades de turbina e motores podem ser utilizados para preencher os requisitos de redundância. Quando os requisitos de redundância tiverem sido preenchidos para confiabilidade de ligamento e desligamento, uma turbina-gerador ou turbina-compressor pode ser acrescentada para propiciar geração de energia ou compressão de gás com excesso de vapor. Como entendido por um técnico no assunto, nem todos os eixos de turbina incluirão acionamentos tipo motor-gerador. O acionamento motor-gerador facilita de maneira vantajosa os processos de ligamento e desligamento e pode reduzir tanto o custo dos equipamentos e o número de eixos necessários por equipamento. Em algumas concretizações, vapor saturado pode ser retirado da turbina auxiliar 141 e fornecido a um condensador ou a o processo associado. O dióxido de carbono pode ser fornecido da linha 134 via linha 123 para compressão via compressor 143 e fornecido para o processo de remoção de dióxido de carbono 144 via linha paralela em 123. Uma válvula de controle de carga entre linhas em 134 e 123 selecionará a carga do compressor se necessário e fazer ciclo do compressor em modo de serviço, modo modular e fora de serviço (sem carga). Algumas concretizações talvez não precisem do compressor se as turbinas de contrapressão e os condensadores forem utilizados em turbina 110 e condensador 132 e se a pressão for adequada para garantir fluxo no processo de remoção de dióxido de carbono 144 via linha 134 diretamente. Opcionalmente, o vapor pode também ser liberado via saída de vapor 121.
[0027] Gases saindo do primeiro reator 120 via linha 122 são fornecidos no segundo permutador de calor 124 para controlar a temperatura dos gases e então fornecidos via linha 126 ao segundo reator 128. Em algumas concretizações, o segundo reator 128 pode incluir uma catalisador operável para buscar o monóxido de carbono restante na mudança água-gás, como pelo processo Haber-Bosch. Em concretizações que apliquem o processo Haber- Bosch, o catalisador no segundo reator 128 pode incluir Cu/ZnO/Cr e pode ser passado para o reator a uma temperatura de aproximadamente 210°C. O processo Haber-Bosch converte qualquer monóxido de carbono restante no gás em dióxido de carbono em uma reação de mudança água-gás, C0+H20 <-*■ C02+H2.
[0028] A mistura gasosa produzida no segundo reator 128 sai via linha 130 e pode ser passada para o condensador 132. Geralmente, os gases que saem do segundo reator 128 serão saturados com vapor de água. O vapor de água condensado no condensador 132, que é resfriado pela água gelada fornecida via linha 198, que em si pode ser resfriado por vários meios como com gases (ex.: nitrogênio) fornecido por unidade de separação de ar 180. Em algumas concretizações, o gás nitrogênio da unidade de separação de ar 180 pode ser passado para o permutador de calor de gás nitrogênio 184 via linha 182, com temperatura entre aproximadamente 4 - 21 °C, ou em algumas concretizações 10 - 40°C, conforme a necessidade para facilitar a condensação da água dos gases produzidos. Água condensada retirada do condensador 132 via linha 200 pode ser passada para o processo queimado com oxigênio 106, para o gerador de hidrogênio 206, para os permutadores de calor, para vendas do excesso de água, ou para um processo associado para produção de ureia, tal como granulação ou perolação. Água do condensador 132 pode também ser alimentada via linha 133 no permutador de calor de gás nitrogênio 184.
[0029] O produto da ureia é concentrado em três métodos diferentes na arte, por concentração de vácuo, cristalização ou evaporação atmosférica. Para perolar, uma solução de ureia concentrada fundida chamada “melt” é admitida em um evaporador para reduzir o nível de umidade. A ureia fundida resultante é bombeada para bocais de pulverização de uma torre e passada no contrafluxo para a corrente de ar. A perolação é formada como gotículas de ureia combinadas que caem pela torre e resfriam. Dois processos primários são atualmente empregados na arte utilizando torres de perolação com leito fluidizado e leito não fluidizado. Para granulação, a ureia fundida é pulverizada em um tambor ou prato com grânulos de semente peneirados a partir do resultado do processo. A rotação do tambor ou a agitação do prato possibilita sobreposição ou revestimento do produto, e a combinação com outros produtos, tais como argila, fosfatos ou enxofre. O subproduto tanto da granulação quanto da perolação é peneirado conforme o tamanho e o produto pequeno é reciclado no processo. Os grânulos do tamanho adequado são coletados para armazenagem e entrega do subproduto.
[0030] Os vapores de gás saindo do condensador 132 via linha 134 através dos defletores de separação de ar incluirão principalmente uma proporção de hidrogênio e dióxido de carbono, possivelmente ainda incluindo pequenas quantidades ou vestígios de monóxido de carbono e gases inertes. Em algumas concretizações do processo Haber-Bosch, a proporção de gás é de aproximadamente 74% de hidrogênio, 24% de dióxido de carbono, 2% de monóxido de carbono e vestígios de gases inertes. Gás fornecido via linha 134 é passado para a unidade de remoção de dióxido de carbono 144. Em algumas concretizações, pode ser necessário ter uma bomba a vácuo ou compressor 143 presente na linha de remoção de dióxido de carbono linha 134 para extrair gases dos defletores do condensador e descarregar no processo de remoção de dióxido de carbono 144 se houver vácuo no condensador 132 devido ao colapso no volume de vapor para água. Nas turbinas tipo contrapressão se selecionado na arte para preencher os parâmetros do desenho da turbina, o fluxo do gás rico em dióxido de carbono não pode exigir que o compressor transfira gás do condensador para a próxima etapa do processo de remoção de dióxido de carbono devido a pressão positiva mantida no condensador. A unidade de remoção de dióxido de carbono 144 remove dióxido de carbono usando um meio de extração fornecido, tal como soluções à base de amina, por exemplo, MDEA (metildietanolamina), MEA (monoetanolamina), Ucarsol™, DGA (diglicolamina) e similares. Em algumas concretizações, o processo de remoção do dióxido de carbono 144 pode aplicar o processo de remoção Rectisol™. Em algumas concretizações, separação mecânica, lavagem com água, ou adsorção com modulação da pressão/temperatura podem ser adotadas para separar as correntes de hidrogênio e dióxido de carbono na unidade 144. O dióxido de carbono é então recuperado na unidade de recuperação de dióxido de carbono 190, que separa o meio de extração à base de amina do dióxido de carbono. O meio de extração à base de amina com pouco dióxido de carbono pode então ser reciclado via linha 146 na unidade de remoção de dióxido de carbono 144, que pode alternar o meio de extração em um ciclo processual rico e pobre. A amina pode ser condensada com água gelada do fluxo do sistema de água gelada fornecido via linha 186, que sai da unidade de recuperação de dióxido de carbono 190 via linha 192. Uma corrente de dióxido de carbono de alta pureza pode então ser fornecida ao quinto reator 196 via linha 194, ou alternativamente, pode ser recuperada ou fornecida em um processo associado alternado (não mostrado). Linha 192 pode ser dividida via um divisor para formar água gelada linha 198, que é alimentada no condensador 132.
[0031] O gás hidrogênio com pureza acima de 95%, preferencialmente no mínimo aproximadamente 99%, incluindo dióxido de carbono e monóxido de carbono não capturados, saindo do decapante de dióxido de carbono 144 é passado via linha 148 para o terceiro permutador de calor 150, em que os gases podem ser aquecidos até a temperatura desejada e fornecidos via linha 154 ao terceiro reator 156, onde o terceiro reator inclui um catalisador adequado à produção de metano (ou seja, metanação). A temperatura na qual os gases são aquecidos ou resfriados é selecionada com base na especificação do catalisador para o catalisado ' presente no terceiro reator 156.
[0032] O terceiro reator 156, que pode incluir um catalisador adequado à conversão de monóxido de carbono em metano, converte os vestígios remanescentes de dióxido de carbono e monóxido de carbono, juntamente com hidrogênio, em metano e vapor de água. No processo Haber- Bosch, o catalisador pode incluir NÍ/AI203 e a temperatura de entrada do gás pode ser de aproximadamente 325°C. A conversão geralmente ocorre em duas reações primárias, CO+3H2 — CH4+H20 e C02+4H2 -► CH4+2H20. Metano e água produzidos pelas reações podem ser retirados por separação de gás (por exemplo, adsorção com modulação da pressão (PSA), condensação, tecnologias de membrana e similares) e retornados via linha 158 à entrada do processo queimado com oxigênio 106 como gás combustível.
[0033] Hidrogênio de alta pureza com pureza de no mínimo aproximadamente 99,9% saindo do terceiro reator 156 via linha 157 com algum excesso de água é fornecido ao condensador 162, onde a água é condensada e retirada via linha 202, e o hidrogênio de alta pureza é fornecido via linha 168 ao quarto reator 214 para a produção de amônia. A água é condensada dos gases fornecidos via linha 157 por condensação com água gelada via linha 192. O gás hidrogênio pode sair pelos defletores de separação de gás para o processo com amônia via linha 168. A água condensada pode ser passada da linha 202 para o gerador de hidrogênio 206, ou passada das linhas 200 e 201 para o processo industrial queimado com oxigênio 106. A água do condensador 162 pode ainda ser alimentada via linha 164 no permutador de calor de gás nitrogênio 184. Em algumas concretizações, o excesso de água pode ser retirado das linhas 200, 201 e/ou 202 (não mostrado), conforme a necessidade. De modo similar, a água de reposição pode ser adicionada ao sistema via linhas 200, 201 e/ou 202 (não mostrado), conforme a necessidade.
[0034] O quarto reator 214 é fornecido com gás hidrogênio via linha 168 e linha 212 se hidrogênio complementar for necessário do gerador de hidrogênio 206 e gás nitrogênio saindo do permutador de calor de gás nitrogênio 184 via 188. O quarto reator 214 inclui um catalisador adequado à produção de amônia. Em algumas concretizações, o catalisador é um catalisador à base de ferro, que pode ser promovido com potássio, cálcio e alumínio (K20, CaO and AI203). Em algumas concretizações, o catalisador pode ser uma matriz à base de fibra de carbono com revestimento em paládio, rutênio, níquel, ródio ou combinações desses. Em algumas concretizações, hidrogênio e nitrogênio são fornecidos ao reator e passados para o catalisador para produzir amônia via a seguinte reação: N2+3H2 <-»• 2NH3. Em algumas concretizações, o gás hidrogênio de reposição pode ser fornecido à linha 168 por outros meios (não mostrados) ou quando o excesso de hidrogênio estiver presente, retirado para venda ou suprimento de um processo associado (não mostrado). Em algumas concretizações, o excesso de nitrogênio pode ser ventilado ou fornecido a um processo alternado (não mostrado) ou em algumas concretizações, nitrogênio adicional pode ser acrescentado ao sistema (não mostrado) conforme a necessidade.
[0035] Amônia do quarto reator 214 é fornecida via linha 216 ao quinto reator 196 para a preparação de ureia, ou extraída para coleta ou suprimento de um processo associado via linha 218.
[0036] O quinto reator 196 combina amônia com pureza de no mínimo aproximadamente 99%, de preferência no mínimo aproximadamente 99,9%, fornecida via linha 216 e dióxido de carbono com pureza de no mínimo aproximadamente 99%, de preferência no mínimo aproximadamente 99,9%, fornecido via linha 194 para produzir ureia por meio da seguinte reação: 2NH3+C02 <-► NH2COONH4 NH2CONH2 + H20. Na reação para produção de ureia, para cada mol de ureia que é formado, um mol de água é também produzido. Essa água produzida como subproduto da síntese da ureia pode ser retirada (não mostrado) e vendida ou fornecida a um processo associado. O produto da ureia pode ser enviado via linha 222 para coleta ou processamento adicional, por exemplo, perolação ou granulação.
[0037] Em algumas concretizações, o nitrogênio pode ser fornecido a partir da unidade de separação de ar, que ainda fornece o oxigênio para o processo queimado com oxigênio. Em algumas concretizações, o gás de combustão resultante do processo queimado com oxigênio pode ter uma proporção de hidrogênio: dióxido de carbono entre aproximadamente 2:1 e 4:1, alternativamente entre aproximadamente 2,5:1 e 3,5:1. Em algumas concretizações a proporção fica entre aproximadamente 2,9:1 e 3,1:1, alternativamente aproximadamente 3:1.
[0038] Em algumas concretizações, uma proporção 3:1 de hidrogênio: dióxido de carbono pode ser desejável para separação adicional de gases elementares para produção de ureia (NH2CONH2). Alguns parâmetros de desenho e combustível da geração ou do processo industrial queimador com oxigênio podem exigir uma proporção estequiométrica equilibrada no gás de combustão e portanto exigir que hidrogênio complementar seja adicionado ao processo de fabricação de amônia, que é precursor da fabricação de fertilizante à base de amônia. Ao controlar a suplementação de alguns componentes do gás de combustão, é possível obtermos a proporção desejável ou necessária de gases. A matéria-prima para a produção de hidrogênio pode incluir água de processo reciclada, água condensada do processo de produção de amônia e fertilizante, água conata, água doce, água salgada, salmoura, água desalinhada, água deionizada ou salmoura deionizada. O processo pode incluir o uso de uma caixa fria de separação de ar para resfriamento dos dissipadores de calor. O resfriamento pode ser fornecido por gases, como o nitrogênio ou o oxigênio que podem resfriar matérias que passam pelo permutador de calor. Subsequentemente, a matéria resfriada pode ser reciclada em ciclo fechado ou aberto para retirar calor dos dissipadores de calor dentro do processo, tais como condensadores e resfriadores de óleo de mancai das turbinas e bombas. A matéria pode ter uma taxa de fluxo que pode ser controlada por meio de outros permutadores de calor para reduzir as temperaturas do processo, como para produzir água condensada ou ajustar a temperatura de um ou mais correntes sendo fornecidos a um reator. A matéria no ciclo do sistema de resfriamento pode ser líquida ou gasosa, como conhecida na arte. Em algumas concretizações, pode ser possível usar o fluxo de gás saindo da parte da caixa fria da unidade de separação de ar como o meio de resfriamento aqui descrito, em vez de utilizar fluido(s) intermediário(s).
[0039] Como observado acima, em algumas concretizações da presente invenção, uma grande vantagem da invenção aqui descrita é a substituição do processo com reforma do vapor para a conversão de metano e de gases de síntese em amônia e/ou nitrogênio e fertilizantes à base de amônia. O uso de geração de energia queimada com oxigênio ou processo industrial de alimentação de oxigênio garante um mecanismo para o seguinte. Em algumas concretizações, o sistema propicia a produção de energia através da geração de energia queimada com oxigênio e gaseificação industrial queimada com oxigênio da matéria-prima a gás de síntese e elimina ou reduz significativamente a produção de óxidos nitrosos antes da produção de fertilizantes à base de nitrogênio e amônia. De maneira vantajosa, a energia produzida pode ser então vendida para compensar o custo da matéria-prima com vendas líquidas de energia. Além disso, o uso de uma unidade de separação de ar vantajosamente permite que o frio saindo dos gases seja usado como díssipador de calor em vários permutadores de calor e condensadores associados enquanto fornece nitrogênio ao processo de amônia e oxigênio ao processo queimado com oxigênio. Adicionalmente, o uso da unidade de separação de ar e vários permutadores de calor garante um método de fornecer resfriamento à planta e a processos industriais associados em ambientes com menor disponibilidade de água de resfriamento ou em climas quentes.
[0040] Exemplos de processo queimados com oxigênio de ciclo combinado de gaseificação integrada (“IGCC”) que dependem da separação de amina de dióxido de carbono e separação mecânica ou solvente de outros componentes do gás de combustão para obter um gás de combustão sem nitrogênio incluem os fornecidos pelos seguintes vendedores: AlterNRG, Shell, GE/Texaco, British Gas/Lurgi, Destec Energy, ABB, Hitachi, VEW Steinmueller, Mitsubishi Heavy Industries (MHI), Prenflo/Uhde/Deutsche- Babcock e Noell/GSP. Esses exemplos de sistemas IGCC empregam gaseificação direta assistida por calor de sólidos para gás síntese seguido por separação de amina e mecânica dos constituintes do gás de combustão de nitrogênio e óxidos sulfúricos e geração de energia em um sistema de vapor separado e combustão secundária de gás síntese através de uma turbina a gás. Essa tecnologia IGCC não consegue alcançar mais que 90% de eficiência na remoção de carbono sem sufocar mecanicamente a turbina a gás. Concretizações da presente invenção fornecidas não reacendem o gás de combustão após o processo queimado com oxigênio e passam todo o dióxido de carbono através do processo. Em algumas concretizações, a operação de uma unidade de gaseificação de combustível sólido em condições estequiométricas ou subestequiométricas poderá fornecer o gás de combustão (gás síntese) necessário ao processo de amônia, mas o excesso de energia da produção de calor e vapor seria exigido para o recipiente da reação de gaseificação e a vantagem da eficiência de concretizações aqui descritas não seria realizado com sistemas de tratamento de gás de combustão adicionais. Exemplos de turbinas queimadas com oxigênio para uso aqui incluem, mas não se limitam a: Pratt & Whitney Rocketdyne; Siemens SGT-900 (formerly Westinghouse W251); Clean Energy Systems J79; GasPlas AS; e os descritos em U.S. Pat N°s 5.715.673 e 5.956.937.
[0041] Em algumas concretizações, o aparelho e processo aqui descritos podem incluir ciclo de poligeração para a produção de energia e calor adicionais. Em algumas concretizações, o processo pode incluir integração com processos conhecidos de produção de amônia e fertilizante para utilizar os subprodutos da geração de energia na produção de valiosos intermediários e produtos químicos, tais como enxofre, amônia, nitrogênio, hidrogênio, gases nobres e raros metais da terra. Em algumas concretizações, a matéria-prima do processo pode ser um combustível fóssil ou gás síntese. Em algumas concretizações, o combustível fóssil ou gás síntese pode ser tratado para retirar vários contaminantes, tais como com equipamento de separação de gás, câmaras de ar, depuradores, reatores catalisadores, processos de tratamento químico e/ou filtros de vela para obter os gases de saída desejados.
[0042] Em algumas concretizações, um reator de oxidação parcial catalisador ou não catalisador que forneça combustível rico, e pouco oxigênio, sob uma reação subestequiométrica e calor poderá fornecer os gases de combustão necessários para acionar um gerador de turbina a gás de oxidação parcial ou gerador de turbina de expansão, cujos gases de combustão ventilam no primeiro permutador de calor 116 e consiste dominantemente em monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrogênio, água e gases inertes.
[0043] Em algumas concretizações, uma caldeira queimada com oxigênio poderá fornecer uma corrente de gás de combustão concentrado de dióxido de carbono e vapor de água que poderá ser condensado para remoção e cujo dióxido de carbono poderá ser reagido com amônia para formação de ureia e/ou usado para fins industriais. Nessa concretização, vapor da caldeira queimada com oxigênio garantiria o calor exigido para um gerador de hidrogênio e a água condensada do gás de combustão forneceria a água de reposição para a produção de hidrogênio. O oxigênio ainda viria da unidade de separação de ar e o nitrogênio se desviaria do processo de combustão e seria injetado no processo de amônia com hidrogênio. Essa concretização encurtaria o processo de amônia Haber-Bosch em uma ou duas etapas dependendo da pureza do dióxido de carbono, em vez de quatro etapas catalisadoras.
[0044] Em algumas concretizações, uma caldeira queimada com oxigênio pode ser operada em condição rica em combustível que produza um gás de combustão consistindo de uma mistura gasosa sintética de dióxido de carbono, monóxido de carbono e hidrogênio quando operada com combustível à base de metano. Esse gás de combustão pode ser diretamente enviado ao primeiro permutador de calor 116 e continuar o processo de amônia Haber Bosch modificado. Outros combustíveis hidrocarbonetos contendo enxofre podem ter dessulfurização do gás de combustão instalada antes do primeiro catalisador. O processo de dessulfurização pode ser calcário seco ou úmido, solvente ou solução de amina ou outros métodos de dessulfurização da arte. Os métodos de dessulfurização promoverão a remoção de condensado antes da mudança gasosa de monóxido de carbono para dióxido de carbono no processo Haber Bosch modificado e poderá exigir correção de temperatura no primeiro permutador de calor 116 para promover a reação de mudança água-gás no catalisador 118.
[0045] Em algumas concretizações, a torrefação ou pirólise de matérias-primas carbonosas em um ambiente com oxigênio pode fornecer calor e gás de combustão semelhantes a uma caldeira queimada com oxigênio ou reator de oxidação parcial. As matérias-primas carbonosas incluem matérias- primas ricas em carbono. Em algumas concretizações, as matérias-primas carbonosas incluem resíduos sólidos, líquidos ou orgânicos tal como Iodos digeridos da produção de biogás. Os constituintes do gás de combustão e calor podem ser ajustados com fluxo de combustível, fluxo de oxigênio e tempo de residência no recipiente para formar os gases sínteses ideais para entrada no primeiro permutador de calor 116 e então seguir os processos descritos restantes para fabricar amônia e ureia. Em algumas concretizações a matéria- prima pode ser resíduos sólidos, líquidos ou orgânicos tal como lodo digerido da produção de biogás. Resíduos sólidos da torrefação e pirólise serão vitrificados ou carbonizados e reutilizados para uso benéfico.
[0046] Em algumas concretizações, o aparelho e processo aqui descritos podem reduzir o tratamento do gás de combustão de óxidos nitrosos empregando uma unidade de separação de ar, que impede o nitrogênio de ser suprido ao processo queimado com oxigênio. O nitrogênio que está entranhado na matéria-prima pode ser retirado por meios conhecidos, tais como redução catalítica, conversão em amônia, remoção de ácido do condensado ou outros processos conhecidos de desnitrogenação. O oxigênio fornecido ao processo queimador com oxigênio pode ter pureza de no mínimo aproximadamente 95%, alternativamente no mínimo aproximadamente 99%, alternativamente no mínimo aproximadamente 99,5%, alternativamente no mínimo aproximadamente 99,9%.
[0047] Em algumas concretizações, o aparelho e processo aqui descritos podem fornecer vapor para compressão da turbina a vapor, dessalinização, geração combinada de calor e energia, resfriamento de absorção e/ou cargas industriais e de geração.
[0048] Em algumas concretizações, o aparelho e processo aqui descritos podem fornecer uma fonte de gás de caixa fria como um dissipador de calor para obter: redução no consumo de água (em comparação ao resfriamento evaporativo); redução nas perdas energéticas devido ao resfriamento do ar no ciclo de resfriamento, aumento na estabilidade do sistema com um dissipador de calor constante e controlável, e melhoria na eficiência do ciclo por meio de depressão mínima de condensados e contrapressão controlada do condensador.
[0049] Em algumas concretizações, o aparelho e processo aqui descritos criam uma usina de energia térmica com emissão de ultrabaixa a zero. Em algumas concretizações, em vez de ventilação com ligamento e desligamento, manutenção, falha ou disparos de equipamentos, o processo aqui descrito não fornece emissões da usina de energia térmica. Em outras palavras, em algumas concretizações, durante a operação contínua o processo atual fornece zero emissão na geração de matéria-prima para produção de energia e fertilizantes.
[0050] Em algumas concretizações, o aparelho e processo aqui descritos reduzem e reutilizam gases industriais e do efeito estufa produzidos como produto da geração de energia em nitrogênio contendo compostos químicos, tal como fertilizante.
[0051] Em algumas concretizações, o aparelho e processo aqui descritos podem ser utilizados para a produção de várias formas de fertilizante que incorporem amônia e nitrogênio. Em algumas concretizações, o aparelho e processo aqui descrito podem ser configurados para produção de ureia em vez de nitrato de amônio, consequentemente reduzindo a incidência de lixiviação de nitratos quando aplicados como fertilizante. Em algumas concretizações, o processo pode incluir uma etapa na qual o perolado é recoberto com enxofre, assim criando um produto com maior tempo de desintegração da ureia e menos lixiviação de nitrato. Em algumas concretizações, o enxofre pode ser retirado da matéria-prima e incorporado para tratamento do enxofre do subproduto da ureia. Alternativamente, em algumas concretizações o enxofre pode ser fornecido para tratamento do enxofre do subproduto da ureia.
[0052] Em algumas concretizações, o vapor e o condensado produzidos nos processos associados, tal como síntese de ureia ou gaseificação industrial da matéria-prima para gás síntese, podem ser empregados para possibilitar aquecimento ou resfriamento ou podem ser empregados com a finalidade de fornecer pressurização. A produção de vapor acima do vapor gerado a partir da matéria-prima para satisfazer as demandas do processo para composição do gás de combustão pode ser direcionada para cargas auxiliares e usada para gerar energia adicional e vendida para aumento líquido nas vendas energéticas, ou pode ser fornecida para alimentar um processo associado. O vapor líquido produzido pelas cargas auxiliares pode ser reciclado no ciclo de vapor ou retornado à fonte do vapor. Em algumas concretizações, o uso de processos de cogeração, tais como a inclusão de calor termossolar, geotérmico, biomassa ou residual pode ser integrado com o fluxo de vapor, assim como na arte. Com o uso de permutadores de calor e fluxos reciclados, o vapor ou a água de baixa temperatura (ou seja, com temperatura dentre aproximadamente 40 e 300°C) pode ser aquecido e/ou pressurizado a patamares benéficos através de calor residual gerado por processos associados. Temperaturas mais altas podem ser direcionadas ao processo de gaseificação para a criação de vapor e então ser enviadas pela turbina para produção de energia, enquanto temperaturas médias e mais baixas podem gerar efeitos de aquecimento ou resfriamento no ciclo termodinâmico. Vapores de alta pressão e alta temperatura produzidos como resultado dos processos aqui descritos podem ser passados através do processo ou da turbina aquecido com oxigênio, e a água e o vapor de baixa temperatura e baixa pressão podem passar por ciclos através dos sistemas de vapor e resfriamento. Em algumas concretizações, cargas resfriadas podem ser tratadas por ciclo do processo entre a usina de energia ou fábrica, processamento de amônia, processamento de fertilizantes e/ou processos de granulação ou perolação.
[0053] A venda do excesso de energia produzido, ou uso interno do excesso de energia produzidos, compensará o custo da energia normalmente atribuído ao processo de produção de fertilizantes e reduzirá efetivamente o custo da matéria-prima e da produção de fertilizantes. Quando a reforma de vapor for usada para produzir a matéria-prima dos fertilizantes à base de amônia, a matéria-prima do gás natural geralmente constitui 70-90% do custo total da produção de fertilizantes.
[0054] Em algumas concretizações, o ar é suprido à unidade de separação de ar e o nitrogênio é separado antes do processo de oxidação, de modo que o oxigênio puro ou quase puro seja fornecido à etapa de oxidação. Como observado anteriormente, o oxigênio fornecido à geração de energia queimada com oxigênio ou ao processo industrial de alimentação de oxigênio pode ter pureza acima de 95%, alternativamente acima de aproximadamente 97%, alternativamente acima de aproximadamente 98%, alternativamente acima de aproximadamente 99%. Em algumas concretizações preferenciais, o oxigênio pode ter pureza acima de aproximadamente 99,99%. Ao retirar nitrogênio do oxigênio antes do processo de oxidação, a quantidade de energia e a escala dos equipamentos do processo necessários para fornecer nitrogênio na produção de amônia são reduzidas quando comparadas à reforma de vapor.
[0055] O calor latente da condensação fornecido por gases da caixa fria de separação de ar reduz os requisitos de consumo de água para resfriamento evaporativo de cargas de calor tais como turbinas de calor e permutadores de calor. A eliminação de condensadores resfriados a ar e torres de resfriamento possibilita a produção de energia como aqui descrito em áreas com pouco recursos hídricos e altas temperaturas ambientes.
[0056] A produção de hidrogênio se requerida para hidrogênio complementar pode ainda reduzir a quantidade de oxigênio exigida do gerador de oxigênio, assim diminuindo o gerador de oxigênio e, portanto, diminuindo a carga elétrica e o custo de capital.
[0057] Processos conhecidos ou partes de processos conhecidos para a produção de amônia, tal como o processo Haber-Bosch, e processos conhecidos para a produção de ureia, tal como o processo Stami ou Uhde, são exemplos de processos que podem ser utilizados na presente invenção, empregando o gás de combustão da geração de energia queimada com oxigênio ou do processo de gaseificação industrial queimada com oxigênio para produzir fertilizantes à base de nitrogênio e amônia. Vários processos para produção de amônia e fertilizantes podem ser utilizados de maneira vantajosa, assim possibilitando o uso de proporções variáveis do gás de combustão na produção de produtos à base de amônia, tais como ureia, nitrato de amônio, sulfato de amônio e fosfato de amônio. Esses conhecidos processos ‘Harber Bosch’ seriam otimizados resultando da retirada de nitrogênio da via de processamento de gás.
[0058] Em algumas concretizações, as especificações do catalisador ditarão ajustes de temperatura, pressão e proporção de gás para satisfazer as condições ideais ao processo de produção de amônia e fertilizante. Por exemplo, os parâmetros do processo serão diferentes para o catalisador à base ferro em comparação aos catalisadores de rutênio e paládio.
[0059] Geradores de vapor para recuperação de calor podem ser utilizados e fornecer o equilíbrio entre temperatura e pressão para os gases do processo, com a taxa de fluxo do gás de combustão sendo selecionado com base nas demandas de energia e vapor. A quantidade de matéria-prima, oxigênio e água fornecidos à zona de reação antes da entrada nos catalisadores e o nível de oxigênio controlarão o equilíbrio estequiométrico. Água, gás e injeção de vapor podem ainda ser aplicados para controlar os balanços de gás e densidade com ciclos controlados de matéria-prima. Os ciclos do processo podem propiciar mecanismos para reciclagem do vapor na forma de calor residual e condensado para a geração de energia ou o processo industrial, e entre o processo de amônia e fertilizantes. Dissipadores e fontes de calor propiciam ciclos de eficiência para condensar água, e resfriar e reaquecer gases antes de passar os gases pelos catalisadores nas zonas de reação. Em algumas concretizações, a água gelada usada para resfriar vários processos, como, por exemplo, a remoção de condensado, pode receber resfriamento primário do gás nitrogênio que sai da caixa fria da unidade de separação de ar. A água gelada pode ser utilizada para todos os requisitos de água gelada, e em algumas concretizações pode ser complementada com tipos adicionais de resfriamento ou tecnologias.
[0060] Em algumas concretizações, amônia pode ser produzida pelo processo Haber-Bosch, em que os gases hidrogênio e nitrogênio são passados por um catalisador de ferro. A separação do hidrogênio do gás de combustão, a concentração do dióxido de carbono, a remoção de condensado e o controle da temperatura e pressão podem ser realizados antes de passar o hidrogênio pelo catalisador de ferro e misturar com nitrogênio para formar amônia. O nitrogênio separado pela unidade de separação de ar que se desvia do processo de combustão pode ser fornecido diretamente à etapa de produção de amônia. Em algumas concretizações, o nitrogênio que sai da unidade de separação de ar pode ser utilizado para resfriar cargas. Em algumas concretizações, o excesso de nitrogênio pode ser separado e vendido. Alternativamente, em algumas concretizações, o excesso de nitrogênio pode ser usado como meio de resfriamento e ventilado.
[0061] Em uma concretização voltada à produção de ureia, dióxido de carbono comprimido é retirado antes da produção de amônia. O dióxido de carbono pode então ser combinado com a amônia para a síntese do carbamato de amônio. O calor pode ser fornecido de um processo associado, tal como ciclo do processo de ureia ou vapor auxiliar, e usado para tirar o excesso de dióxido de carbono e amônia do carbamato de amônio. Dois ciclos de reciclagem separados podem assim ser formados; um primeiro ciclo para a produção de ureia e água, e o segundo ciclo para reciclagem do excesso de gás. O excesso de água pode ser retirado, por exemplo, via evaporação, antes do processo de perolação ou granulação.
[0062] Reações exotérmicas nos processos da ureia aqui descritos, e que produzam vapor e/ou calor, podem ser descarregar o vapor no gerador de vapor de recuperação de calor ou equipamento auxiliar. Vapor de menor pressão e temperatura pode ser retornado para recuperação de calor.
[0063] O resfriamento no processo de produção de amônia e fertilizantes pode ser realizado com ciclos de condensados e água gelada no processo de poligeração.
[0064] Os excessos de gases produzidos como subproduto de várias reações aqui descritas podem ser recuperados e vendidos. Por exemplo, o nitrogênio produzido pela unidade de separação de ar 180, e fornecido ao permutador de calor 184, pode ser usado para resfriamento e para a produção de amônia. O excesso de nitrogênio pode ser vendido ou pode ser purgado. Gases inertes podem ser extraídos por unidade de separação de ar 180, tal como o argônio, podendo ser vendidos ou purgados, se abaixo dos limites de emissão.
[0065] Em algumas concretizações, a água que retorna ao sistema de condensados pode opcionalmente ser desviada para o gerador de hidrogênio 206 via linha 202. O oxigênio produzido pelo gerador de hidrogênio 206 pode ser fornecido ao processo industrial queimado com oxigênio 106 via linha 208. O hidrogênio produzido pelo gerador de hidrogênio pode ser fornecido ao quarto reator 214 para a produção de amônia via linha 212. O excesso de água fornecido ao gerador de hidrogênio 206 pode ser recuperado via linha 210.
[0066] Em um aspecto, a presente invenção utiliza os gases efluentes da caixa fria da unidade de separação de ar como dissipadores de calor para resfriamento dos gases de exaustão efluentes quentes a partir de um processo queimado com oxigênio. Enquanto aqui descrito como um aspecto da invenção utilizando gases de exaustão queimados com oxigênio para a matéria- prima na produção de ureia e outros fertilizantes à base de ureia, fica entendido que o uso de gases da unidade de separação de ar como dissipadores de calor para propiciar o resfriamento pode ser aplicado a qualquer processo que exija resfriamento, e que a produção de ureia aqui descrito é apenas um exemplo. Por exemplo, os gases da unidade de separação de ar podem ainda ser usados para usinas de energia com ciclo combinado de gaseificação integrada que sejam queimadas com oxigênio. O resfriamento do vapor de descarga ou dos permutadores de calor para tratamento de gás pode ser realizado com água gelada ou com gases efluentes da caixa fria da separação de ar passando pelos permutadores de calor, assim eliminando a necessidade de água de resfriamento externa para resfriamento evaporativo ou condensadores resfriados a ar. Em algumas concretizações, qualquer unidade de separação de ar situada próxima a uma usina de energia ou processo de vapor que necessite de resfriamento pode ser utilizada de modo que os gases da caixa fria da unidade de separação de ar forneçam um dissipador de calor, assim evitando o consumo de água que afete o meio-ambiente, ou alternativamente evitando a necessidade de usar energia extra para os permutadores de calor resfriados a ar, e custos de capital e materiais de equipamentos extremamente grandes necessários para possibilitar tal resfriamento alternativo.
[0067] Embora a presente invenção tenha sido descrita em detalhes, deve ficar entendido que várias mudanças, substituições e alterações podem ser feitas sem destoar do princípio e escopo da invenção. Portanto, o escopo da presente invenção deve ser determinado pelas seguintes declarações e seus devidos equivalentes legais.
[0068] As formas no singular "uma", "uma" e "o, a" incluem o plural, a menos que o contexto claramente expresso o contrário.
[0069] Opcional ou opcionalmente significa o evento descrito posteriormente ou circunstâncias que possam ou não ocorrer. A descrição inclui hipóteses em que o evento ou a circunstância ocorrer e hipóteses em que não ocorrer.
[0070] Limites poderão ser aqui expressos a partir de aproximadamente um valor particular e/ou até aproximadamente outro valor particular. Quando tal limite for expresso, fica entendido que outra concretização vai de um valor particular e/ou até outro valor particular, juntamente com todas as combinações dentro do referido limite.
[0071] Em todo este aplicativo, quando patentes ou publicações forem mencionadas, é intenção que as divulgações dessas menções em sua totalidade sejam incorporadas por referência neste aplicativo, para descrever mais plenamente o grau tecnológico ao qual o invento pertença, exceto quando tais referências contradigam as declarações aqui expostas.
[0072] Como aqui empregadas e nas declarações anexas, as palavras "consiste," "tem" e "inclui" e todas as variações gramaticais dessas devem ter um significado aberto e ilimitado que não exclua elementos ou etapas adicionais.
[0073] Como aqui empregados, termos como "primeiro" e "segundo" são atribuídos de maneira arbitrária e visam meramente diferenciar dois ou mais componentes de um aparelho. Fica entendido que as palavras "primeiro" e "segundo" não servem a nenhum outro propósito e não fazem parte do nome ou da descrição do componente, nem necessariamente definem uma localização ou posição relativa do componente. Além disso, deve ficar entendido que o mero uso do termo "primeiro" e "segundo" não exige que haja um "terceiro" componente, embora tal possibilidade seja contemplada no escopo da presente invenção.

Claims (7)

1. “PRODUÇÃO POR POLIGERAÇÃO DE ENERGIA E FERTILIZANTE POR MEIO DE CAPTURA DE EMISSÕES”, um método de produção de amônia a partir de gases de combustão de escape de um processo queimador com oxigênio, o método compreendendo as etapas de: - fornecimento de matéria-prima de hidrocarboneto ou carbonosa e oxigênio a um processo queimado com oxigênio para produzir um gás de combustão de escape, tal gás de combustão de escape compreendendo dióxido de carbono, monóxido de carbono e hidrogênio; - fornecimento do gás de combustão de escape a um primeiro reator, tal primeiro reator compreendendo um catalisador e sendo configurado para converter no mínimo uma porção do monóxido de carbono em dióxido de carbono e produzir um gás de combustão de escape modificado; - fornecimento do gás de combustão de escape modificado a um segundo reator, tal segundo reator compreendendo um catalisador e sendo configurado para converter pelo menos uma porção do monóxido de carbono restante em dióxido de carbono e produzir um gás de combustão de escape em dióxido de carbono; sendo o método caracterizado pelo fato de que compreende também: - fornecimento do gás de combustão em dióxido de carbono do segundo reator para um primeiro condensador para retirar água e produzir uma corrente de gás contendo entre 65-80 % em mol de hidrogênio, entre 20-35 % em mol de dióxido de carbono e entre 0-2 % em mol de monóxido de carbono; - fornecimento da corrente de gás do primeiro condensador para um decapante de dióxido de carbono para produzir uma corrente de hidrogênio e uma corrente de dióxido de carbono de alta pureza, em que o tal decapante de dióxido de carbono é carregado com um solvente adequado à extração de dióxido de carbono, a referida corrente de hidrogênio contém pelo menos 95 % em mol de hidrogênio e a referida corrente de dióxido de carbono de alta pureza contém pelo menos 99 % em mol de dióxido de carbono; - fornecimento da corrente de hidrogênio a um terceiro reator, tal terceiro reator compreendendo um catalisador e sendo configurado para produção de metano a partir das quantidades remanescentes de monóxido de carbono e dióxido de carbono presentes na corrente de hidrogênio, referido terceiro reator produzindo uma corrente do produto metano e uma corrente de hidrogênio de alta pureza contendo pelo menos 99,9 % em mol de hidrogênio; - fornecimento da corrente de hidrogênio de alta pureza a partir do terceiro reator e gás nitrogênio de uma unidade de separação de calor para um quarto reator, tal quarto reator compreendendo um catalisador e sendo configurado para produzir uma corrente do produto amônia; - fornecimento da corrente de dióxido de carbono de alta pureza a partir do decapante de dióxido de carbono e a amônia de um quarto reator para um quinto reator, tal quinto reator sendo configurado para produzir uma corrente de produto contendo ureia.
2. “PRODUÇÃO POR POLIGERAÇÃO DE ENERGIA E FERTILIZANTE POR MEIO DE CAPTURA DE EMISSÕES”, o método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a matéria-prima de hidrocarboneto é selecionada a partir de metano ou gás de síntese.
3. “PRODUÇÃO POR POLIGERAÇÃO DE ENERGIA E FERTILIZANTE POR MEIO DE CAPTURA DE EMISSÕES”, o método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o oxigênio tem pureza de no mínimo 99%.
4. “PRODUÇÃO POR POLIGERAÇÃO DE ENERGIA E FERTILIZANTE POR MEIO DE CAPTURA DE EMISSÕES”, o método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ainda compreende a separação de nitrogênio e oxigênio do ar com uma unidade de separação de ar, e no qual o nitrogênio ser fornecido a um quarto reator e o oxigênio ser fornecido ao processo queimado com oxigênio.
5. “PRODUÇÃO POR POLIGERAÇÃO DE ENERGIA E FERTILIZANTE POR MEIO DE CAPTURA DE EMISSÕES”, o método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ainda compreende o fornecimento de hidrogênio de um gerador de hidrogênio para um processo queimador com oxigênio com a matéria-prima de hidrocarboneto e oxigênio para produzir o gás de combustão de escape.
6. “PRODUÇÃO POR POLIGERAÇÃO DE ENERGIA E FERTILIZANTE POR MEIO DE CAPTURA DE EMISSÕES”, o método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ainda compreende a etapa de fornecimento da corrente de hidrogênio de alta pureza de um terceiro reator para um segundo condensador, referido segundo condensador sendo configurado para remover qualquer vestígio de água presente na corrente de hidrogênio de alta pureza.
7. “PRODUÇÃO POR POLIGERAÇÃO DE ENERGIA E FERTILIZANTE POR MEIO DE CAPTURA DE EMISSÕES”, o método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que ainda compreende a etapa de fornecimento da água recuperada do primeiro e do segundo condensadores ao gerador de hidrogênio como matéria-prima.
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