BR112020008798A2 - processo para produção de um gás de síntese contendo hidrogênio - Google Patents

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Abstract

A presente invenção se refere a um processo incluindo a produção de um gás de síntese contendo hidrogênio por conversão de um estoque de hidrocarboneto, em que referido processo possui uma entrada de calor proporcionada por combustão de uma pluralidade de correntes de combustível de processo e referida pluralidade de correntes de combustível de processo compreende pelo menos uma corrente de combustível de amônia. A combustão de referida pelo menos uma corrente de combustível de amônia é desempenhada não cataliticamente em pelo menos um equipamento de queima.

Description

”PROCESSO PARA PRODUÇÃO DE UM GÁS DE SÍNTESE CONTENDO HIDROGÊNIO“ Campo de aplicação da invenção
[0001] A presente invenção se refere a um processo para produção de um gás de síntese contendo hidrogênio a partir de um estoque de hidrocarboneto. Em particular, a presente invenção se refere a um processo para produção de um gás de síntese contendo hidrogênio com baixas emissões de CO2 na atmosfera. Estado da técnica da invenção
[0002] A produção de um gás de síntese contendo hidrogênio a partir de um estoque de hidrocarboneto usualmente envolve um processo de reforma combinado no qual um reformador primário é alimentado com hidrocarbonetos dessulfurizados e vapor e um reformador secundário recebe o gás parcialmente reformado a partir do reformador primário e um fluxo de um oxidante adequado (por exemplo, ar ou oxigênio). A produção de um gás de síntese contendo hidrogênio a partir de um estoque de hidrocarboneto pode também envolver uma reforma autotérmica [autothermal reforming (ATR)] em um reformador adequado precedido por uma fornalha para aquecimento da carga, isto é, do estoque de hidrocarboneto gasoso.
[0003] O gás reformado é, então, tipicamente tratado em uma série de equipamentos à montante para obter um gás de produto, por exemplo, hidrogênio ou um gás de síntese com uma composição adequada para fabricação de amônia (isto é, compreendendo H2 e N2 em uma relação adequada de cerca de 3:1) ou para fabricar metanol (isto é, compreendendo óxidos de carbono e hidrogênio com um número estequiométrico SN  2, em que SN = (H2 - CO2)/(CO + CO2).
[0004] A produção de gás de síntese contendo hidrogênio requer combustão de pelo menos uma primeira quantidade de um combustível para geração do calor de reforma; uma segunda quantidade de combustível é tipicamente também consumida para produzir vapor e para energizar turbinas de vapor que tracionam máquinas, tais como bombas ou compressores.
[0005] Para este propósito, uma abordagem comum é a de utilizar uma porção do estoque de hidrocarboneto como combustível. Entretanto, ele proporciona significativas emissões de Co2 para a atmosfera. Uma das principais fontes de emissão de CO2 consiste no gás de combustão do reformador primário e outros fornos queimadores, se quaisquer, por exemplo, aquecedores auxiliares.
[0006] Por razões ambientais, é requerido minimizar as emissões de Co2 a partir de referido gás de combustão.
[0007] Em concordância com o presente estado da técnica, métodos para redução das emissões de Co2 incluem processos de pós-combustão os quais capturam Co2 a partir do gás de combustão, por exemplo, por intermédio de uma lavagem com solventes adequados (por exemplo, os solventes KS-1TM produzidos pela Mitsubishi). Entretanto, referidos solventes são dispendiosos e as plantas associadas são custosas e demandantes de energia.
[0008] Emissões de Co2 também constituem um problema durante a iniciação de uma planta química (partida de uma fábrica de produtos químicos), o que pode durar por dias ou semanas e envolver uma emissão considerável de Co2.
[0009] As técnicas conhecidas para captura de Co2 de pós-combustão incluem absorção em um solvente (por exemplo, amina); adsorção por oscilação de temperatura [temperature swing adsorption (TSA)], adsorção por oscilação de pressão [pressure swing adsorption (PSA)], adsorção por oscilação de vácuo [vacuum swing adsorption (VSA)] e separação baseada em membrana. Estas técnicas requerem uma entrada de calor, por exemplo, para regeneração de um sistema de TSA, e/ou entrada de energia mecânica, por exemplo, por compressão do gás de alimentação em um sistema de PSA ou para extração de Co2 sob vácuo em um sistema de VSA. Durante operação normal, esta entrada de calor ou entrada de energia pode ser internamente recuperada, por exemplo, a partir de calor residual. Durante iniciação, entretanto, a recuperação de calor ou energia não está disponível devido para o fato de que a planta não está operacional. A geração da entrada requerida por intermédio de equipamento auxiliar, tal como um boiler de vapor auxiliar de queima de combustível, deveria introduzir emissões de dióxido de carbono. Importação a partir de uma fonte externa, tal como importação de energia elétrica a partir da rede, é geralmente muito dispendiosa.
[0010] Em concordância com isso, a redução de emissões de Co2 durante iniciação de uma planta química, particularmente uma planta para a síntese de amônia, é ainda uma questão aberta. Mais genericamente, o mesmo problema pode emergir durante um transiente quando a recuperação interna do calor e/ou energia requerido/a por um sistema de remoção de Co2 não está disponível.
[0011] O pedido de patente norte americano número
US 2011/0206594 descreve um panorama do estado da técnica de um sistema e método para produção de syngas.
[0012] A patente norte americana número US
4.728.506 apresenta um método de iniciação para plantas de amônia o qual emprega amônia como um meio de iniciação por introdução de amônia para um estágio de reformador para formar gás de síntese de iniciação contendo amônia e aquecimento e ciclagem de referido gás até que a planta venha a ser trazida para temperatura operacional. Entretanto, ela não soluciona o problema de emissões de Co2 a partir de equipamento de queima durante a fase de iniciação.
[0013] A patente norte americana número US
4.668.494 apresenta um método de utilização de energia solar em um processo de síntese química que pode utilizar, como fonte de calor, a oxidação catalítica de amônia em um queimador de amônia não queimada em que amônia é oxidada sobre a gaze catalítica para formar óxidos de nitrogênio para subseqüente síntese de ácido nítrico. Resumo da invenção
[0014] O objetivo da presente invenção é o de proporcionar um processo para produção de um gás de síntese contendo hidrogênio a partir de uma fonte de hidrocarboneto com emissões de Co2 para a atmosfera que são grandemente reduzidas comparadas com o estado da técnica. Uma outra meta da presente invenção é a de reduzir a emissão de Co2 durante transientes, particularmente durante iniciação.
[0015] Este objetivo da presente invenção é conseguido com um processo em concordância com a reivindicação de patente independente 1.
[0016] O processo em concordância com a presente invenção possui uma entrada de calor proporcionada por combustão de uma pluralidade de correntes de combustível de processos e é caracterizado pelo fato de que referida pluralidade compreende pelo menos uma corrente de combustível de amônia e de que a combustão de referida pelo menos uma corrente de combustível de amônia é desempenhada não cataliticamente em pelo menos um equipamento de queima.
[0017] A combustão de referida pelo menos uma corrente de combustível de amônia é desempenhada não cataliticamente (isto é, em ausência de qualquer catalisador para promover oxidação de amônia). O termo de equipamento de queima significa que a combustão é feita com formação de uma chama.
[0018] A combustão de queima não catalítica de amônia converte a amônia para nitrogênio molecular N2 e água, com somente menores quantidades de óxidos de nitrogênio. Em concordância com isso, os produtos da combustão consistem predominantemente de N2 e água. Tipicamente, os óxidos de nitrogênio formados na referida combustão não catalítica de amônia são de menos do que
1.000 ppmv (isto é, sobre base de volume no gás de combustão) e preferivelmente de menos do que 100 ppmv.
[0019] Na medida em que a combustão de queima de amônia produz N2 e H2O, nenhum CO2 é liberado para a atmosfera durante a combustão da corrente de combustível de amônia.
[0020] A corrente de combustível de amônia é também referida como um combustível de amônia.
[0021] O pelo menos um equipamento de queima é,
por exemplo, um aquecedor de queima. Referido pelo menos um equipamento de queima pode pertencer, por exemplo, para uma seção de reforma, uma seção de oxidação parcial ou uma seção de purificação.
[0022] A combustão não catalítica de amônia pode ser afetada em queimadores de gás convencionais que não são especificamente projetados para queimar amônia.
[0023] Referida pelo menos uma corrente de combustível de amônia é preferivelmente uma amônia substancialmente pura. Em algumas concretizações, referida pelo menos uma corrente de combustível de amônia compreende predominantemente amônia. Em concordância com algumas concretizações, referida pelo menos uma corrente de combustível de amônia preferivelmente contém pelo menos 90% de amônia, mais preferivelmente pelo menos 95%.
[0024] Referida corrente de combustível de amônia pode ser queimada diretamente ou depois de misturação com um gás diferente. Em algumas concretizações, uma corrente de combustível de amônia, ou uma pluralidade de correntes de combustível de amônia, são misturadas com um gás diferente para formar um combustível misturado, antes de combustão. Referido gás diferente, por exemplo, é hidrogênio. Algumas concretizações, por exemplo, podem incluir misturação de uma corrente de amônia com uma corrente de hidrogênio para obter uma corrente de combustível incluindo tanto amônia e quanto hidrogênio em uma proporção adequada, por exemplo, de 50% cada.
[0025] Preferivelmente, referido estoque de hidrocarboneto é gás natural. Referência irá ser feita na descrição abaixo para gás natural como um exemplo não limitativo.
[0026] Referida conversão do estoque de hidrocarboneto pode incluir reforma ou oxidação parcial de gás natural para um gás reformado ou gás parcialmente oxidado, respectivamente. Preferivelmente, referida conversão do estoque de hidrocarboneto compreende uma etapa de reforma incluindo pelo menos uma entre: uma reforma primária de queima, uma reforma aquecida por gás [gas heated reforming (GHR)], uma reforma secundária de queima por ar ou por oxigênio e uma reforma autotérmica [autothermal reforming (ATR)].
[0027] A etapa de reforma é realizada em uma seção de reforma. Em concordância com várias concretizações, referida seção de reforma inclui pelo menos um de um reformador de vapor primário de queima e um reformador aquecido por gás [gas heated reformer (GHR)], e opcionalmente um reformador secundário alimentado com ar, oxigênio ou ar enriquecido. Em concordância com outras concretizações, a seção de reforma inclui um reformador autotérmico [autothermal reformer (ATR)]. Um pré-reformador pode também ser incluído em quaisquer das concretizações acima. Adicionalmente, um pré-aquecedor pode também ser disposto para pré-aquecer a alimentação do pré-reformador ou a alimentação do reformador autotérmico.
[0028] Referida entrada de calor pode incluir um calor de processo, por exemplo, do reformador primário ou do pré-aquecedor de carga, e/ou calor para produção de vapor para tracionar turbinas de vapor para compressores, bombas ou os assemelhados.
[0029] Em concordância com isso, referida entrada de calor é suprida para pelo menos um dos seguintes aparelhos: um reformador primário de queima, um pré- aquecedor de alimentação de hidrocarboneto e vapor misturados, um gerador de vapor auxiliar, um pré-aquecedor de dessulfurização, um superaquecedor de vapor, um HRSG (Heat Recovery Steam Generator) (Gerador de Vapor de Recuperação de Calor) resfriando a exaustão de uma turbina de gás, uma turbina de gás (para geração de energia ou para tração de uma máquina, tal como um compressor). Estes aparelhos, os quais operam por intermédio de combustão de um combustível, são identificados pelo termo “aquecedores de queima”.
[0030] Combustão de referida pelo menos uma corrente de combustível de amônia preferivelmente proporciona até 50% da total entrada de calor do processo, preferivelmente até 30%, mais preferivelmente até 15%. Referidas porcentagens podem ser expressas como o produto entre a taxa de fluxo (kg/s ou mol/s) e o valor de calor (J/kg ou J/mol).
[0031] Preferivelmente, referida pelo menos uma corrente de combustível de amônia é suprida como uma corrente gasosa ou de vapor para um ou mais de referidos aquecedores de queima para combustão. Uma vantagem relacionada é a de que queimadores de fase de gás podem ser utilizados; adicionalmente, combustão de combustível gasoso ou de vapor possibilita temperaturas de chama mais altas do que combustão de um combustível líquido.
[0032] Preferivelmente, referida pelo menos uma corrente de combustível de amônia é pré-aquecida antes de ser suprida para referido/s aquecedor/es de queima. Uma vantagem é a de que mais calor pode ser liberado sobre combustão. Adicionalmente, amônia pré-aquecida pode ser vantajosamente suprida como gás para o/s aquecedor/es de queima em uma pressão maior do que 1 atm.
[0033] Em uma concretização preferida, referida pelo menos uma corrente de combustível de amônia é vaporizada antes de ser suprida para referido/s aquecedor/es de queima. Em uma adicional concretização preferida, amônia é vaporizada por resfriamento de uma outra corrente, em conseqüência disso, recuperando frigorias a partir da amônia. Por exemplo, amônia é vaporizada por resfriamento de uma corrente de sucção de estágio de compressor, em conseqüência disso, reduzindo o consumo de energia do compressor em si mesmo.
[0034] Em concordância com uma concretização preferida, a pluralidade anteriormente mencionada de correntes de combustível de processo inclui uma corrente de combustível rico em hidrogênio com um baixo conteúdo de carbono, em adição para referida pelo menos uma corrente de amônia.
[0035] Combustão de referida corrente rica em hidrogênio preferivelmente proporciona pelo menos 50% da total entrada de calor do processo, preferivelmente pelo menos 70%, mais preferivelmente pelo menos 85%. Referidas porcentagens podem ser expressas como o produto entre a taxa de fluxo (kg/s ou mol/s) e o valor de calor (J/kg ou J/mol).
[0036] Amônia pode ter armazenamento em cerca de 0 –33 C em um tanque refrigerado em pressão atmosférica, ou em pressão moderada e temperatura ambiente (por exemplo, 15 bar a 30 C), com alta densidade de energia volumétrica de cerca de 3 Gcal/m3, calculada como o produto de densidade de massa e valor de aquecimento mais baixo [lower heating value (LHV)].
[0037] Em concordância com uma concretização preferida, referida pluralidade de correntes de combustível de processo inclui pelo menos uma corrente de combustível de amônia suprida por um tanque de armazenamento. Se o processo produz amônia, algum do produto de amônia pode ser armazenado em um tanque para utilização como um combustível em concordância com a presente invenção. Em concordância com uma concretização preferida, uma corrente de combustível de amônia a partir de um tanque de armazenamento de amônia é suprida como combustível de equilíbrio (trim fuel) para os aquecedores de queima anteriormente mencionados.
[0038] O termo “combustível de equilíbrio” significa uma alimentação de combustível especificamente para uma rápida regulação de calor, isto é, que possibilita que os aquecedores de queima venham a ser rapidamente controlados e funcionar em eficiência máxima. Preferivelmente, referido combustível de equilíbrio conta para não mais do que 15%, mais preferivelmente não mais do que 10% do total calor de combustão do processo. Referido combustível de equilíbrio pode ser suprido com uma linha de alimentação separada.
[0039] Uma vantagem de suprimento do combustível de equilíbrio a partir de um tanque de armazenamento é a de que referido combustível é independente do processo. Isto é particularmente vantajoso durante transientes, por exemplo,
em iniciação (partida), devido para o fato de que possibilita um mais rápido suprimento de combustível.
[0040] O combustível de equilíbrio de amônia suprido por referido tanque de armazenamento pode ser toda a amônia utilizada como combustível no processo, ou somente uma porção da mesma.
[0041] Suprimento de combustível de equilíbrio de amônia é vantajoso devido para o fato da possibilidade para controlar a taxa (função) de queima dos aquecedores de queima sem emissão de CO2 na atmosfera, independentemente do processo de produção. Isto é de máxima importância, especialmente durante transientes, tal como a iniciação, de maneira tal a alcançar eliminação quase completa de emissões de carbono sem impactação negativamente da operabilidade de planta. Por exemplo, durante operação da planta, taxa de fluxo de combustível de equilíbrio de amônia pode ser ajustada, a saber, aumentada ou diminuída, para compensar variações da taxa de fluxo de uma corrente de combustível rico em hidrogênio.
[0042] Em concordância com uma concretização preferida, combustão de referido combustível de equilíbrio proporciona a total entrada de calor requerida durante transientes, tal como a iniciação.
[0043] Uma porção de amônia de referido combustível de equilíbrio é preferivelmente decomposta ou dividida em seus constituintes, principalmente nitrogênio (N2) e hidrogênio (H2) em concordância com a seguinte reação: 2 NH3 N2 + 3 H2.
[0044] Uma vantagem relacionada é a de uma combustão mais fácil da corrente de combustível de iniciação devido para o fato de que hidrogênio (H2) possui cinéticas de combustão mais rápidas do que amônia e atua como um promotor de combustão para amônia. O depositante descobriu que hidrogênio facilita a combustão da corrente de combustível de amônia e conduz para uma melhor estabilidade de chama.
[0045] Referida reação de decomposição é endotérmica e limitada por equilíbrio e requer altas temperaturas para alcançar uma conversão maior do que 50%. Vantajosamente, a porção de corrente de combustível de amônia sofre referida reação de decomposição é não maior do que 50% da corrente global, mais preferivelmente não maior do que 30%. Como uma conseqüência, uma energia moderada é necessitada para decomposição de tal porção de amônia, a qual pode conseqüentemente ser operada em temperaturas moderadas. A energia para tracionar a decomposição de reação de amônia pode ser importada como eletricidade.
[0046] Armazenamento de amônia é vantajoso comparado com armazenamento de outros combustíveis, por exemplo, hidrogênio. Armazenamento de uma corrente rica em hidrogênio para utilizar como combustível de equilíbrio é impraticável devido para o fato de que hidrogênio é liquefeito em temperatura muito mais baixa (de cerca de – 0 253 C), e liquefação requer alto consumo de energia. Armazenamento de hidrogênio como gás comprimido é também impraticável devido para o fato da alta pressão requerida para alcançar uma alta densidade de energia. Em uma pressão de 200 bar, hidrogênio gasoso possui uma densidade de energia de somente 0,4 Gcal/m3.
[0047] Em uma concretização particular da presente invenção, referida conversão do estoque de hidrocarboneto proporciona um gás de produto bruto contendo hidrogênio, CO e CO2, e referido produto bruto é purificado por remoção de CO2 e obtenção de um gás de síntese esgotado em CO2. Em uma concretização preferida, a remoção de CO2 é desempenhada depois de uma reação de permuta que converte monóxido de carbono (CO) em dióxido de carbono (CO2). Preferivelmente, a anteriormente mencionada corrente de combustível rica em hidrogênio compreende, ou consiste de, uma porção de referido gás de síntese esgotado em CO2, a porção remanescente de gás de síntese esgotado em CO2 sendo direcionada para uma utilização específica, por exemplo, para a síntese de amônia.
[0048] Utilização de pelo menos uma corrente de combustível de amônia juntamente com uma corrente de combustível rica em hidrogênio possui as seguintes vantagens: um mais baixo consumo de amônia e um mais baixo consumo de energia global, enquanto mantendo baixas emissões de CO2 para a atmosfera. Uma adicional vantagem é a de uma combustão mais fácil da corrente de combustível de amônia; isto é devido para o fato de que hidrogênio possui rápidas cinéticas de combustão e atua como promotor de combustão para amônia, que possui mais lentas cinéticas de combustão.
[0049] Uma aplicação preferida da presente invenção inclui um processo para fabricação de amônia. Em concordância com esta aplicação, o gás de síntese contendo hidrogênio compreende hidrogênio (H2) e nitrogênio (N2) em uma proporção molar de cerca de 3:1 e é cataliticamente reagido em um circuito (loop) de síntese de alta pressão para produzir um produto de amônia.
[0050] Preferivelmente, uma porção de referido produto de amônia é reciclada para o processo como uma corrente de combustível de amônia. Mais preferivelmente, uma adicional corrente de combustível de amônia é suprida como combustível de equilíbrio por um tanque de armazenamento. A provisão de referido combustível de equilíbrio possui a vantagem de uma fácil regulação da taxa (função) de queima, sem impactação sobre o processo de produção.
[0051] O produto de amônia é líquido e possui uma alta pressão de cerca de 100 bar até 200 bar. A separação de referida pelo menos uma corrente de combustível de amônia a partir de referido produto de amônia possui algumas vantagens. Primeira de todas, amônia líquida pode ser pré-aquecida por calor residual de recuperação a partir do processo; em concordância com isso, mais calor pode ser liberado sobre combustão. Adicionalmente, referida pelo menos uma corrente de combustível de amônia pode ser expandida para a pressão da combustão em uma máquina, por conseqüência, recuperando energia.
[0052] Em adição para referido produto de amônia, um gás de purga é liberado pelo circuito (loop) de síntese e referido gás de purga é subseqüentemente tratado em uma unidade dedicada para a recuperação de hidrocarboneto contido no mesmo. Referida unidade de recuperação de hidrogênio proporciona uma corrente de gás rico em hidrogênio e um gás de cauda. Em algumas concretizações, referida pluralidade de correntes de combustível de processo adicionalmente inclui quaisquer de: pelo menos uma porção de referido gás de cauda; pelo menos uma porção de referido gás rico em hidrogênio; pelo menos uma porção de referido gás de purga antes da recuperação de hidrogênio. Estas correntes podem ser em adição para referida pelo menos uma corrente de combustível de amônia. Em algumas concretizações, uma adicional corrente de combustível compreende também uma porção do gás esgotado em CO2 acima identificado.
[0053] Uma outra aplicação da presente invenção inclui um processo para fabricação de metanol. Em concordância com esta aplicação, o gás de síntese é uma mistura de óxidos de carbono e hidrogênio, e referido gás de síntese é cataliticamente reagido em um circuito (loop) de síntese para produzir metanol.
[0054] Uma corrente de purga contendo gás de síntese não reagido é também continuamente extraída a partir de um circuito (loop) de síntese de metanol. Em concordância com algumas concretizações da presente invenção, referida corrente de purga pode ser submetida para recuperação de hidrogênio em uma unidade de recuperação de hidrogênio adequada [hydrogen recovery unit (HRU)] produzindo um gás rico em hidrogênio e um gás de cauda. A corrente de purga, e bem como o gás rico em hidrogênio e/ou o gás de cauda a partir de uma HRU, podem proporcionar uma ou mais correntes de combustível em algumas concretizações.
[0055] Preferivelmente, referida pluralidade de correntes de combustível de processo também inclui uma corrente de combustível rica em hidrogênio, e referida corrente de combustível rica em hidrogênio compreende, ou consiste de, pelo menos uma porção de referida corrente de purga. Preferivelmente, referida pelo menos uma porção de corrente de purga foi previamente submetida para remoção de pelo menos parte dos compostos contendo carbono. Referidos compostos contendo carbono podem incluir CO2 e compostos que devessem produzir CO2 sobre combustão, por exemplo, CO, CH4, metanol.
[0056] Em concordância com uma concretização preferida, referida pelo menos uma corrente de combustível de amônia é coproduzida com metanol, de maneira tal a evitar aquisição da corrente de combustível de amônia.
[0057] Uma adicional aplicação da presente invenção inclui um processo para a produção de hidrogênio. Preferivelmente, referida pelo menos uma corrente de combustível de amônia é coproduzida com hidrogênio.
[0058] Entretanto, combustão de amônia gera NOx (por exemplo, NO, NO2), que são poluentes conhecidos e as emissões relacionadas são submetidas para regulamentações restritas. Um gás ventilado para a atmosfera pode ser requerido para satisfazer limites muito baixos de NOx, por exemplo, um conteúdo máximo de 100 ppm ou até mesmo menos.
[0059] O processo em concordância com a presente invenção preferivelmente compreende uma etapa de redução catalítica seletiva [selective catalytic reduction (SCR)] de maneira tal a reduzir emissões de NOx. Preferivelmente, SCR inclui redução catalítica de NOx por intermédio de uma corrente de amônia como agente de redução. Preferivelmente, referida corrente de amônia é separada a partir da pelo menos uma corrente de combustível de amônia. Portanto, não existe nenhuma necessidade para separadamente produzir ou adquirir o agente de redução de amônia.
[0060] Um outro aspecto da presente invenção é o de um método para reformulação de uma planta para a síntese de amônia em concordância com a reivindicação de patente independente anexada. No método da presente invenção, parte da amônia produzida é utilizada para queimar pelo menos um equipamento de queima (por exemplo, um reformador primário) da planta.
[0061] O combustível de amônia pode ser enviado diretamente para referido pelo menos um equipamento de queima ou, mais preferivelmente, armazenado em um tanque de combustível de amônia adequado. O método de reformulação pode, conseqüentemente, incluir a instalação de referido tanque de combustível de amônia.
[0062] Uma planta de amônia pode ser reformulada de maneira tal a aumentar sua capacidade, de maneira tal que a capacidade extra proporciona o combustível de amônia requerido, isto é, a amônia a ser utilizada como combustível no pelo menos um equipamento de queima.
[0063] Ainda um outro aspecto da presente invenção inclui a utilização de referida pelo menos uma corrente de combustível de amônia durante uma fase transiente ou uma fase de iniciação. O termo transiente significa uma condição onde os parâmetros operacionais se desviam a partir da operação padrão e, conseqüentemente, da recuperação interna da entrada de energia para um sistema de captura de carbono (por exemplo, calor de regeneração para um sistema de captura de TSA) que está temporariamente indisponível.
[0064] Combustível de amônia para utilização em uma fase transiente ou fase de iniciação pode ser armazenado em um tanque adequado.
[0065] Um aspecto da presente invenção é o de um método para iniciação de uma planta química (partida de uma fábrica de produtos químicos) incluindo a utilização de amônia como um combustível para pelo menos um equipamento de queima da planta durante uma fase de iniciação da planta.
[0066] O método de iniciação pode ser aplicado para uma planta para a síntese de amônia ou para uma diferente planta química, por exemplo, para uma planta para a síntese de metanol. No caso de uma planta para a síntese de amônia, o combustível de amônia queimado durante iniciação pode ser parte da amônia produzida internamente. O combustível de amônia é preferivelmente armazenado em um tanque de combustível de amônia adequado.
[0067] Em todas as concretizações, o combustível de amônia é queimado não cataliticamente com a formação de uma chama.
[0068] As vantagens da presente invenção irão ser elucidadas com a ajuda da descrição a seguir de concretizações preferidas e não limitativas. Descrição das figuras da invenção
[0069] A Figura 1 mostra uma primeira concretização da presente invenção.
[0070] A Figura 2 mostra uma segunda concretização da presente invenção. Descrição de concretizações preferidas da invenção
[0071] A Figura 1 ilustra um esquema de blocos de uma planta (100) para a síntese de amônia essencialmente compreendendo uma seção de reforma (1), uma seção de purificação (2), um compressor de estágio múltiplo (3), uma seção de síntese (4) e uma unidade de recuperação de hidrogênio (5). A seção de reforma (1) e a seção de purificação (2) são parte de uma seção frontal (secção de extremidade dianteira) (6).
[0072] Uma corrente (10) de gás natural é suprida para a seção de reforma (1), em que ela é reformada na presença de vapor (11) e um oxidante (12) (por exemplo, ar ou ar enriquecido) proporcionando um gás de síntese bruto (13) na maior parte composto de hidrogênio e contendo menores quantidades dos outros componentes incluindo, por exemplo, monóxido de carbono, dióxido de carbono, água, metano.
[0073] Referido gás de síntese bruto (13) é alimentado para a seção de purificação (2), em que monóxido de carbono é convertido para dióxido de carbono para produzir um gás permutado e referido gás permutado é submetido para um processo de remoção de dióxido de carbono, proporcionando um gás purificado (14) essencialmente contendo hidrogênio e um fluxo de gás de cauda contendo CO2 (15). Por exemplo, referido processo de remoção de dióxido de carbono é um processo de adsorção por oscilação de pressão [pressure swing adsorption (PSA)] utilizando peneiras moleculares.
[0074] Se apropriado, referido gás purificado (14) é misturado com nitrogênio (16) a partir de uma seção de separação por ar (não mostrada) para proporcionar um gás de reposição (make-up gas) de amônia (17). O gás de reposição (17) é, então, comprimido para a pressão da seção de síntese (4) dentro do compressor de estágio múltiplo (3).
[0075] O gás de reposição (17), por conseqüência obtido, juntamente com um fluxo de hidrogênio (18) recuperado a partir da unidade de recuperação de hidrogênio (5), alimenta a seção de síntese (4). Referida seção de síntese produz amônia (19) e um fluxo (20) de gás de purga tratado na unidade (5) para recuperação do hidrogênio contido no interior do mesmo.
[0076] A amônia (19) se divide em uma primeira porção (21) e uma segunda porção (22). Referida primeira porção (21) é utilizada, juntamente com um gás de cauda (23) deixando a unidade de recuperação de hidrogênio (5), como combustível em uma ou mais fornalhas da seção de reforma (1), por exemplo, nos queimadores de um reformador primário e/ou em um pré-aquecedor de carga (não mostrado). A segunda porção (22) é exportada. Opcionalmente, uma adequada pequena quantidade de gás natural (24) pode também ser utilizada como combustível na seção de reforma (1); entretanto, é preferivelmente evitada para reduzir emissões de CO2.
[0077] A Figura 2 ilustra um esquema de blocos de uma planta (100) em concordância com uma outra concretização da presente invenção. Neste exemplo, uma porção (14a) do gás purificado essencialmente contendo hidrogênio se mistura com o gás de cauda (23) da unidade de recuperação de hidrogênio (5) e é, por conseqüência, utilizada como combustível na seção de reforma (1).
Exemplo
[0078] A Tabela 1 a seguir se refere para um processo de produção de amônia realizado em uma seção frontal (secção de extremidade dianteira) e em uma seção de síntese. No interior da seção frontal, gás natural é convertido para um gás de síntese e CO2 é separado a partir de referido gás de síntese. A seção de síntese produz um produto de amônia e uma corrente de purga, a última sendo recuperada para utilização como combustível na seção frontal. A seção frontal requer adicional combustível, que vem a partir de diferentes fontes em concordância com os exemplos ilustrados abaixo.
[0079] A Tabela 1 compara o consumo global de gás natural, a quebra de consumo de combustível e a taxa de produção de amônia nos seguintes processos:
1.1: Requerimento de combustível essencialmente proporcionado por gás natural (estado da técnica);
1.2: Requerimento de combustível essencialmente proporcionado por amônia, produzida no processo de produção de amônia (concretização da Figura 1 da presente invenção);
1.3: Requerimento de combustível essencialmente proporcionado por amônia e um syngas esgotado em CO2, ambos produzidos no processo de produção de amônia (concretização da Figura 2 da presente invenção).
Tabela 1
1.1 1.2 1.3 Consumo global de NG Alimentação de NG (como energia de LHV) Gcal/h 460 610 590 Combustível de NG (como energia de LHV) Gcal/h 90 0 0 Consumo de NG total, alimentação + Gcal/h 550 610 590 combustível (como energia de LHV) Quebra de consumo de combustível Combustível de NG (como energia de LHV) Gcal/h 90 0 0 Combustível de purga (como energia de LHV) Gcal/h 15 20 17 Combustível de amônia (como energia de LHV) Gcal/h 0 120 45 Syngas esgotado em CO2 como combustível Gcal/h 0 0 65 (como energia de LHV) Taxa de produção de amônia Produto final de amônia t/h 83 83 83 Consumo de combustível de amônia t/h 0 27 10 Produção total de amônia t/h 83 110 93
[0080] O processo em concordância com concretizações da presente invenção (a saber, 1.2 e 1.3) elimina o consumo de gás natural como combustível. Em concordância com isso, emissões de grande quantidade de CO2 a partir de combustão de combustível de gás natural são eliminadas.
[0081] Todos os processos 1.1, 1.2 e 1.3 possuem a mesma taxa de produto do produto final de amônia, o que significa dizer, 83 t/h. Entretanto, os processos da presente invenção (a saber, 1.2 e 1.3) produzem um excesso de amônia para utilização como combustível. Em particular, o processo 1.2 fabrica cerca de 32% mais amônia do que o processo 1.1, enquanto o processo 1.3 fabrica 12% mais amônia do que o processo 1.1.
[0082] Surpreendentemente, os processos da presente invenção (a saber, 1.2 e 1.3) possuem somente consumo de gás natural moderadamente mais alto do que o estado da técnica, apesar das baixas emissões de grande quantidade de CO2 e capacidade de produção superdimensionada. Em particular, o processo 1.2 possui consumo de +11% e o processo 1.3 possui consumo de +7%.
[0083] A utilização de combustível de amônia em combinação com syngas esgotado em CO2, em concordância com o processo 1.3, é vantajosa tanto como respeito para consumo de gás total e quanto com respeito para produção requerida de amônia total. Em concordância com isso, o processo 1.3 consome menos gás e requer uma planta menor (isto é, custos de planta mais baixos) do que o processo
1.2.

Claims (20)

REIVINDICAÇÕES
1. Processo compreendendo a produção de um gás de síntese contendo hidrogênio por conversão de um estoque de hidrocarboneto (10), referido processo possuindo uma entrada de calor proporcionada por combustão de uma pluralidade de correntes de combustível de processo (21, 23, 24) e sendo, caracterizado pelo fato de que referida pluralidade de correntes de combustível de processo (21, 23, 24) compreende pelo menos uma corrente de combustível de amônia (21) e combustão de referida pelo menos uma corrente de combustível de amônia (21) é desempenhada não cataliticamente em pelo menos um equipamento de queima (1).
2. Processo de acordo com a reivindicação 1, em que combustão de referida pelo menos uma corrente de combustível de amônia (21) proporciona até 50% da entrada de calor total do processo, preferivelmente até 30%, mais preferivelmente até 15%.
3. Processo de acordo com as reivindicações 1 ou 2, em que referida pelo menos uma corrente de combustível de amônia (21) está em estado gasoso ou de vapor.
4. Processo de acordo com quaisquer das reivindicações precedentes, em que referida pluralidade de correntes de combustível de processo (21, 23, 24) compreende pelo menos uma corrente de combustível de amônia (21) que é suprida por um tanque de armazenamento como combustível de equilíbrio do processo, referido combustível de equilíbrio preferivelmente levando contando para mais do que 15% do calor de combustível total do processo,
preferivelmente para mais do que 10%.
5. Processo de acordo com quaisquer das reivindicações precedentes, em que referida pluralidade de correntes de combustível (21, 23, 24) também inclui uma corrente de combustível rico em hidrogênio (14a).
6. Processo de acordo com a reivindicação 5, em que combustão de referida corrente de combustível rico em hidrogênio (14a) proporciona pelo menos 50% da entrada de calor total do processo, preferivelmente pelo menos 70%, mais preferivelmente pelo menos 85%.
7. Processo de acordo com as reivindicações 5 ou 6, em que referida conversão do estoque de hidrocarboneto (10) proporciona um gás de produto bruto (13) contendo hidrogênio, CO e CO2, referido gás de produto bruto (13) sendo purificado por intermédio de pelo menos uma etapa de separação de CO2, opcionalmente depois de uma reação de permuta convertendo CO em CO2, por conseqüência obtendo um gás de síntese esgotado em CO2 (14), e em que referida corrente de combustível rico em hidrogênio (14a) compreende, ou consiste de, uma porção de referido gás de síntese esgotado em CO2 (14).
8. Processo de acordo com quaisquer das reivindicações precedentes, em que referido gás de síntese contendo hidrogênio compreende hidrogênio (H2) e nitrogênio (N2) e é cataliticamente reagido em um circuito (loop) de síntese (4) para produzir amônia (19), e em que referida pluralidade de correntes de combustível de processo (21, 23, 24) compreende uma porção (21) da amônia (19) assim produzida.
9. Processo de acordo com a reivindicação 8, em que referida pluralidade de correntes de combustível de processo (21, 23, 24) adicionalmente compreende pelo menos uma corrente de combustível de amônia (21) que é suprida por um tanque de armazenamento, referido tanque de armazenamento sendo preferivelmente cheio com amônia (19) sintetizada pelo processo.
10. Processo de acordo com as reivindicações 8 ou 9, em que referido circuito (loop) de síntese (4) também libera uma corrente de purga (20) contendo gás de síntese não reagido e referida pluralidade de correntes de combustível de processo (21, 23, 24) adicionalmente incluindo pelo menos um de: referida corrente de purga ou uma porção da mesma; um gás rico em hidrogênio obtido depois de recuperação de hidrogênio a partir de referida corrente de purga; um gás de cauda (23) obtido depois de recuperação de hidrogênio a partir de referida corrente de purga (20).
11. Processo de acordo com quaisquer das reivindicações 1 até 6, em que referido gás de síntese contendo hidrogênio é uma mistura de óxidos de carbono e hidrogênio, e referido gás de síntese contendo hidrogênio é cataliticamente reagido em um circuito (loop) de síntese para produzir metanol.
12. Processo de acordo com a reivindicação 11, em que referido circuito (loop) de síntese também libera uma corrente de purga contendo gás de síntese não reagido e referida pluralidade de correntes de combustível de processo também inclui uma corrente de combustível rico em hidrogênio, referida corrente de combustível rico em hidrogênio compreendendo ou consistindo de pelo menos uma porção de referida corrente de purga, preferivelmente referida pelo menos uma porção de corrente de purga sendo submetida para remoção de pelo menos parte de compostos contendo carbono.
13. Processo de acordo com quaisquer das reivindicações 1 até 7, sendo um processo para a produção de hidrogênio.
14. Processo de acordo com quaisquer das reivindicações precedentes, em que a conversão de referido estoque de hidrocarboneto (10) inclui uma etapa de reforma (1) ou de oxidação parcial, referida etapa de reforma (1) incluindo pelo menos uma das seguintes: uma reforma primária de queima, uma reforma aquecida por gás (GHR), uma reforma secundária de queima por ar ou por oxigênio, uma reforma autotérmica (ATR).
15. Processo de acordo com quaisquer das reivindicações precedentes, em que referido pelo menos um equipamento de queima, onde combustível de amônia é queimado, inclui pelo menos um dos seguintes: um reformador primário, um pré-aquecedor de estoque, um gerador de vapor auxiliar, um pré-aquecedor de dessulfurização, um gerador de vapor de recuperação de calor, uma turbina de gás.
16. Processo de acordo com quaisquer das reivindicações precedentes, em que uma porção de referida pelo menos corrente de combustível de amônia é decomposta para nitrogênio (N2) e hidrogênio (H2), o hidrogênio assim obtido agindo como promotor de combustão para a combustão de amônia.
17. Processo de acordo com a reivindicação 16, em que referida porção decomposta para nitrogênio e hidrogênio não é maior do que 50% da corrente de combustível de amônia global, preferivelmente não maior do que 30%.
18. Processo de acordo com quaisquer das reivindicações precedentes, incluindo a utilização de referida pelo menos uma corrente de combustível de amônia (21), em referido pelo menos um equipamento de queima, durante uma fase transiente ou uma fase de iniciação.
19. Método para reformulação de uma planta para a síntese de amônia a partir de um estoque de hidrocarboneto, a planta compreendendo: uma seção secção de extremidade dianteira (seção frontal) compreendendo uma seção de reforma para conversão de referido estoque de hidrocarboneto para um gás de síntese bruto contendo hidrogênio, CO e CO2, e uma seção de purificação proporcionando um gás de síntese purificado compreendendo hidrogênio e nitrogênio em uma relação adequada de cerca de 3:1; e: uma seção de síntese para conversão de referido gás de síntese purificado para um produto de amônia; o método para reformulação compreendendo as etapas de separação de uma porção do produto de amônia e reciclagem de referida porção de produto de amônia para a seção de extremidade dianteira (seção frontal) para utilização de referida amônia como combustível em pelo menos um equipamento de queima de referida planta, em que referido combustível de amônia é queimado não cataliticamente.
20. Um método para iniciação de uma planta química, para a síntese de amônia, incluindo a combustão não catalítica de amônia em pelo menos um equipamento de queima da planta durante uma fase de iniciação da planta.
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