CN102482100A - 使用无管道系统可利用的天然气用于尿素生产的模块化系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于自无管道系统可利用的天然气生产尿素的模块化系统和方法包括移除外来微粒物质以获得大体上同质的气体。通过控制所述无管道系统可利用的天然气的品质来处理所述气体以维持大体上同质的混合物。进一步清洁生成气流，并将所述生成气流压缩至约3,000psi的高压。在旁路回收利用循环系统中以30％的转换率在约6,000psi至7,000psi的高压下处理所述生成氨流。可将与所述工艺步骤中的每一者相关联的装备出于可携性滑道安装和/或包含于标准48英尺平板式拖车的使用面积内。

Description

使用无管道系统可利用的天然气用于尿素生产的模块化系统和方法

未决申请的交叉引用

本申请主张2009年8月12日申请的美国临时专利申请案第61/233,271号的优先权和权利。

技术领域

本发明一般涉及用于生产肥料和/或混合燃料的系统、方法和设备。更明确地说，本发明涉及使用无管道系统可利用的天然气作为原料来生产诸如尿素的高氮肥料的系统、方法和设备。

背景技术

诸如尿素(尿素含有约46％的氮)的高氮肥料的市场在持续增长。例如，过去六年中，美国国内尿素的消耗量每年为1.2％的增长率。在2008年，北美消耗量超过650万吨，而美国国内产量少于450万吨。因此，必须使用进口产品来补充差额。

对尿素需求的增长源于尿素的多用性、便携性和能力。尿素具有各种用途，包括用作农业肥料、作为用于生产塑料的原材料输入、和表面活化剂工业的使用。此外，尿素与产品的本地和区域性市场相容。另外，尿素也由于每吨产量的制造成本而为有益的。另外，尿素具有优于其它氮肥料的许多优点。例如，尿素的航运和搬运更安全并且对装备的腐蚀性更小。尿素也具有比任何其它干氮肥料更高的分解性。此外，高分解性指每磅氮减少的运输和应用成本。也可用许多不同的方式来应用尿素，从尖端的空中施肥装备至手动的手工散布。尿素也具有高水溶性，因此尿素易于进入至土壤中。另外，尿素可用于几乎所有作物上。另一个好处在于，制造尿素几乎没有对环境释放污染物。也可通过传统系统来存储和分配尿素。

尿素相对于其它肥料的优点有助于使尿素成为国际贸易中交易的主流肥料。在不久的将来，预计尿素在全球贸易中占氮肥料的50％以上。当与其它干肥料相比时，尿素已占领65％以上的全球肥料贸易。

目前，超过90％的所生产的尿素使用天然气作为原料。在过去的几年，天然气成本已显著上升。在一些情况下，已实现50％的增加。在2000年01月的冬季，天然气价格经历了400％的增长。因为天然气价格，美国国内氮肥料产量已下降且进口已上升。

尿素产量为天然气密集的。为了从天然气生产一吨氮肥料需要20,000立方英尺与33,800立方英尺之间的天然气消耗量。使用每吨肥料33,800立方英尺天然气作为实例，并且考虑到每立方英尺的天然气含有1031BTU；由天然气制成的一吨肥料含有超过3480万总BTU的等效物。就汽油等效物而言，这将相当于每吨肥料生产超过300加仑的汽油。因此，从天然气的正常来源(即，有管道系统可利用的来源)生产尿素的提议成本高昂。

只有在可控制输入气体流的品质并且可使用不需要典型天然气流的高BTU含量的低成本小生产设施时，对无管道系统可利用的或废天然气源的使用能成为生产尿素的可行的原料源，其对于石油生产者在经济上是不可行。根据美国能源信息署估计，当前全球天然气储存总数大约6,100万亿立方英尺(trillion cubic feet；tcf)。这些天然气中，大约有一半被认为是“无管道系统可利用的”，即，输送至市场是不经济的。另外，世界银行估计，每年废弃超过1500亿立方米(billion cubic meters；bcm)的无管道系统可利用的天然气。当处理无管道系统可利用的天然气时，石油生产者经常发现能量或BTU含量过低；气体过于不纯而不能使用；或者容量太小而不能保证管道连接至气体基础设施。另外，有时与石油一起生产无管道系统可利用的气体，变成要对环境负责。石油生产的这种非所要的、非商业的副产物已变成油田中的主要问题，在油田中，生产者已被迫提早放弃井场，留下未开发的宝贵的国内石油的储量。

通常，有三种方式来处理无管道系统可利用的气体：(1)排放或燃烧气体，此举导致空气污染而从气体的无法获得任何有益收益；(2)使用电能来重注气体，此举引起显著的额外成本；以及(3)使石油生产停工，此举将宝贵的石油留在地下。

无管道系统可利用的天然气的另一形式为“伴生气”，或在大型油田的开发中发现的气体。虽然可相对轻松地将原油运输至遥远的市场，但是过去做法是在井口处燃烧伴生气。然而，由于环境问题与近年来由于这些储量在能源高价格环境中的增长的经济价值，这种做法不再被接受。石油生产商如今正指望使用技术来捕获伴生气(无管道系统可利用的气体)并将所述伴生气带至消费市场。

发明内容

用于自无管道系统可利用的天然气原料生产肥料或燃料的模块化方法包括以下步骤：

i.捕获天然气原料，所述天然气原料包括来自至少一个无管道系统可利用的天然气源的至少一个无管道系统可利用的天然气原料；

ii.移除所述捕获的天然气原料水分；

iii.移除所述大体上不含水分的天然气原料潜在破坏性无机物和有机物；

iv.再形成所述大体上清洁的天然气原料；

v.自所述再形成的天然气原料复原CO₂流；及

vi.组合所述复原的CO₂流与NH₃流，以形成肥料和燃料中的至少一者。

尽管所述方法主要为低批量生产而设计，但是实施所述方法的所述装备可与实施所述方法的其它组的装备串联或并联地放置，以增加生产量。

为有效率、经济地使用所述无管道系统可利用的气体，并使得每体积原料的肥料或燃料产率比得上依赖更高品质的天然气的大得多的传统装置的产率，品质控制尤其重要。例如，不同于具有相对一致品质的气体原料的传统装置，用于本方法中的所述无管道系统可利用的或废气流在处理特性、压力和体积方面有差异。不是调整工艺参数以适应所述引入的原料，而是混合所述引入的原料以形成大体上同质的混合物(虽然其仍然比传统装置的天然气原料的品质低)。所述同质的混合物可具有例如一致的BTU值或硫含量。类似地，不管所述引入的原料的来源，所述水分移除步骤将水分移除至预定水分含量。另外，将处理温度和压力维持在需要的范围内，而非回应于原料品质而变化。因此，所述再形成步骤的一部分发生在约500℃至800℃的温度范围内，并且将所述生成CO₂流压缩至约3,000psi的压力。

不同于现有技术系统，所述方法包括在极高压(约6,000psi至7,000psi)下以30％转换率运行一旁路循环回收利用系统，其导致几乎100％的转换率。更高压力在产生氨期间考虑到更好的化学分解分离。以当今工业中常用的高容量、低压工艺的相同生产率水平无法达成这种转换性能。这些现有技术工艺在本文所述工艺的大约一半的压力下运行。

使用本方法的无管道系统可利用的和废天然气的处理还可经修改使用，以产生其它可用产品。与设法优化工艺的各自和每一个步骤的现有技术方法不同，本发明的方法包含由美国学者和研究员Dr.W.EdwardsDeming开发的“次优化”系统的概念。次优化的概念说明，整体工艺(系统)可通过优化每个个别子工艺(子系统)来导致次优化的性能。在必要时通过次优化子系统的性能获得真实的系统优化，以实现整体或完整系统的优化。需要额外的工艺内装备、资本支出和处理时间来优化氨/尿素生产的关键工艺，并且藉此将无管道系统可利用的天然气处理可实行为可用且可行的产品。

根据本工艺制得的尿素生产装置优选地包含模块化构造，此为本发明的另一独特特征。所述装置基于五模块配置，所述五模块配置设计用于最小化架起和启动时间/成本。总封装设计提高总可靠性和灵活性。优选地，将与模块中的每一个相关联的所有装备临时地安装在标准平板式卡车拖车的一使用面积内。这种临时安装可在卡车拖车自身上或在大约卡车拖车的尺寸的混凝土垫上进行。不管是将所述装备安装在卡车拖车上(或滑动安装)并移动，还是将其自所述垫拆卸然后移动，将所述装置容易且无困难地自一个场所运输至下一个场所。

模块化构造最小化生产单元的使用面积，同时维持操作和维护的简单性。模块化构造增加简单性，通过所述简单性可执行更新和修改，又允许将单元建造在一集中位置并船运至全世界的任何地方，或通过使用标准化规划和规格在操作的国家中制造所述单元。另外，当这些模块在不影响包含整个系统(装置)的其它模块的条件下有技术进步时，模块化考虑通过替代所述特定模块来升级所述生产装置。这也考虑用于工艺升级和维护的减少的停工期。

附图说明

图1为将无管道系统可利用的/废天然气转换为尿素的尿素生产工艺的工艺流程图。气体在被馈送至气化单元中之前进行清洁。

图2为布置在标准48英尺平板式拖车上的气化系统模块的方块陈列图。

图3为布置在标准48英尺平板式拖车上的尿素转换模块的方块陈列图。

图4为尿素转换模块的二氧化碳压缩组件、冷凝器/反应器和水萃取和干燥组件与气体流之间的相互关系的示意表示图。

图5为尿素转换模块的二氧化碳压缩组件的示意表示图。

图6为尿素转换模块的池式冷凝器/反应器组件的示意表示图。

图7为尿素转换模块的水萃取和干燥组件的示意表示图。

具体实施方式

以下公开内容提供用于实施本发明不同特征的许多不同实施方式或实例。当然，这些实施方式和实例仅为实例且并非旨在使本发明受限于权利要求书中所描述内容。熟知的元件出现而没有对其详细描述，以便不使本发明淹没在不必要细节中。在大多数情况下，已省略对完整理解本发明而言不必要的细节，因为此类细节为在相关技术的技术人员的知识范围内。

用于生产高氮肥料的目前的装置为需若干年修建的大规模、永久设施。为了经济上可行，这些装置和其相关联的处理方法和装备需要足够容积和压力下的商用级天然气。因为无管道系统可利用的天然气的来源在地理上是分散的，气体的品质不良，并且生产的气体的容积和压力相对较低，所以对这些装置而言，所述气体并非可行原料。

不同于传统装置，可在约一半时间中建造根据本发明制得的生产装置。因为装置的成本相对较低，并且因为装置用不同的方式来处理气体原料，所以装置对于生产诸如尿素的高氮肥料和其它混合燃料在经济上是可行的。另外，因为装置为模块化的，所以可将所述装置设置在可移动垫(诸如，平板式拖车)上或临时设置在混凝土垫上，并且然后在几个月左右解构、移动并重建所述装置。装置的模块化设计允许装置去往无管道系统可利用的天然气的来源而非要求这些天然气源来到装置处。这使得该设计理想地适用于具有地理上分散或低生产井场的偏远农村区域，或生产低品质气体或缺乏将大量气体长距离移动至中央位置所必需的基础设施的区域。最后，因为设计的模块性，该装置易于维护、自给自足并且为高度自动化。这使装置自身可很好地在偏远井口位置中操作。

基于使用大约30,000立方英尺的无管道系统可利用的天然气，使用用于生产尿素的无管道系统可利用的天然气来生产一吨氮肥料。基于这种关系，得出以下产量估计：

使用无管道系统可利用的气体原料达成的产率比得上使用更高品质天然气的产率，这是本文公开并主张的方法的独特的和发明的特性的结果。优选地，本发明的实施方式在1.35TPH、2.75TPH和4.16TPH尺寸中可用。

不管TPH尺寸，根据本发明制得的装置可与其它类似制得的装置并联或以串联放置，以生产大量的电功率或生物液体(例如，汽油、柴油、喷气燃料、肥料和其他化学品)。当与传统装置相比时，较小TPH尺寸提供许多优点，包括：提高的可靠性；可定制性；效率；便携性；经济；单元紧凑；环保(满足例如环境保护局规定和德州环境品质委员会规定)和操作简单。

本发明的模块化构造也允许用户基于无管道系统可利用的天然气在特定油田中的可用性来优化产量。模块化结构也考虑到当油田或油井枯竭时所述装置的移动。

I.尿素生产

提纯模块100

参阅图1，现将于以下的段落中描述本发明的系统和工艺。

提纯模块100始于过滤步骤101，以减少无管道系统可利用的天然气流的水分含量并获得化学计量比为1∶3的氮与氢的大体上无水燃料混合物。一旦将水分含量减少至预定水平，则引入高压蒸汽以将燃料混合物加热至大约400℃。使加热的燃料混合物越过催化剂，以自混合物移除潜在破坏性无机物和有机物。催化剂将不起反应的有机硫化合物转换为硫化氢。通过在脱硫步骤102中将混合物越过氧化锌颗粒层来移除硫化氢。氧化锌颗粒吸收硫化氢。然后，提纯的气流随后为重整模块200做好准备。

可通过混合步骤(未图示)来进行过滤步骤101或脱硫步骤102，在所述混合步骤中将更多不同无管道系统可利用的天然气流中的两个混合于一起以形成单一大体上同质的流。当使用生物量来生产尿素时产生同质原料的重要性是在名称为“Modularized System and Method for UreaProduction Using a Biomass Feedstock”(于2010年2月18日公开为WO/2010/019662)的我们较早的国际申请PCT/US2009.053537中论述，所述国际申请的内容在此以引用的方式并入本文。

当使用无管道系统可利用的天然气时，混合所述流以生产单一流很重要，因为不同井场生产的气体可具有不同的处理特性，诸如，水分量、硫或BTU含量。未能向下游模块提供一致品质的气体(不管该品质是相对较高还是较低)则难以控制与那些下游模块相关联的工艺并生产具有一致品质的最终产品。不同于需要天然气的某些品质的现有技术工艺，本文所述的工艺使用任何可用的气体品质。为此，无管道系统可利用的天然气可作为原料接受，并且若有需要，则可将所述无管道系统可利用的天然气与更高品质、商用级天然气流混合于一起并进行处理。

重整模块200

重整模块200始于初级重整步骤201，在初级重整步骤201中来自模块100的提纯的气流流动至间接加热管中，所述间接加热管充满含有重整催化剂的镍。间接加热管使气流的温度上升至约500℃至800℃。在初级重整步骤201中，基于自模块100馈送的甲烷，控制反应以，达成仅大约65％的部分转换。在后续次级重整步骤202中，使部分转换的气流通过具有镍催化剂的耐火材料衬里的反应容器并与受控量的助燃气体混合。部分转换的气流的助燃进一步使温度上升至近似1,200℃。然后，助燃后的气流流过另一个催化剂层，其中出口温度降低至近似1,000℃，并且残留甲烷少于0.5％。被压缩至至少206巴(约3,000psi)的输出重整气流随后为变换转换做好准备。

变换转换模块300

变换转换模块300使用水煤气变换反应。一氧化碳(CO)充当水的还原剂以产出氢(H)和二氧化碳(CO2)。模块300不仅为氨模块400生产更多的H，而且还将CO转换为CO2，CO2将用作尿素生产模块500中的化学成分。

变换转换模块300始于步骤301，高温变换转换，其使用具有额外5％至10％氧化铬的基于铁的催化剂。将蒸汽引入至输入重整气流，并且将反应温度保持为约300℃至500℃的范围内。这是受控工艺并且取决于CO/CO2的比率。

低温变换转换步骤302使用在约320℃至360℃的温度范围处为活性的铁铬和铜锌催化剂。步骤302促进反应并且还工作以吸收残留硫(＜0.1ppm)以防止催化剂中毒。在303、303a除去CO2，将其压缩为大约206巴(约3,000psi)并流至尿素转换模块500。

氨模块400

氨模块400涉及使用初级重整步骤201的简单逆转的提纯工艺来将碳氧化物减至少于10ppm。在甲烷化工艺步骤401中使用控制在约250℃至350℃之间的温度处、在约25巴至35巴(约360psi至510psi)的压力下的镍催化剂。然后，处理后的气体离开步骤401，随后在合成气压缩步骤402中被压缩为大约150巴至175巴(约2,175psi至2,550psi)并且流向氨转换器循环403。氨转换器循环403用来使用H2复原馈送404、404a在铁催化剂上连续地回收利用气体。冷冻循环405用于在气体越过催化剂之后冷却气体，此举考虑到纯氨(NH3)的冷凝。氨转换器循环403为在约410巴至485巴(约6,000psi至7,000psi)之间的高压范围内的旁道回收利用循环，并且导致约30％的转换率。

尿素转换模块500

在我们先前提及的国际申请案中描述了尿素生产模块500。尿素转换模块500接收来自步骤303a的压缩的CO2与来自步骤403的NH3，并且将压缩的CO2和NH3流至池式冷凝器步骤501(参见图4、图5和图6)。由高压氨泵和二氧化碳压缩机将NH3和CO2引入至池式冷凝器501a(参见图6)。CO2和NH3气流彼此对流流动，以改善池式冷凝器501a内的总反应。约三分之二的尿素转换发生在池式冷凝器501a中。在池式冷凝器501a之后，剩余气体和尿素氨基甲酸脂液体进入垂直池式反应器501b，在垂直池式反应器501b中发生最终的尿素形成。可将任何未反应的氨基甲酸脂按路线输送至洗涤器/再循环器501c，用于再引入至垂直池式反应器501b。

将所得尿素浆料或溶液发送至干燥步骤502，在此将水移除(参见图7)。水萃取以真空萃取502a的方式发生。然后，将剩余尿素熔化物送至干燥单元或薄膜干燥器(粒化)502b，其中进一步使用薄膜干燥工艺来干燥剩余尿素熔化物，以导致待存储的最终产品。自真空萃取502a和自薄膜干燥器502b移除的水优选地经由系统回收利用，但是可被处理并排放。

II.模块化布置

现参阅图2和图3(并参阅回图1)，尿素生产工艺可为模块化工艺，包括包含提纯模块100的工艺步骤101至102，包含重整模块200的步骤201至202，包含变换转换模块300的步骤301至303，包含氨模块400的步骤401至405，与包含尿素转换模块500的步骤501至502。在图2和图3中，已将与每一模块相关联的工艺装备的各种零件映射至图1的相应工艺步骤。

可为成套项目操作优选地分别将提纯模块100、重整模块200、变换转换模块300、氨模块400和尿素转换模块500布置在混凝土垫(如果需要半永久性安装)上或在标准48英尺平板式拖车T上。如果使用较小尺寸的平板式拖车，那么可能有必要将模块100、200、300、400或500的个别组件部分划分至两个或两个以上平板式拖车中，并且提供适当的连接。

每一模块100、200、300、400和500优选地滑动安装，以便于卸下至远端地点。可提供便携式发电厂P以向模块100、200、300、400、500中的一或更多个供电。尽管在图2和图3中(和在图4至图7中)并未图示工艺流程和各组件之间的互连，但是所属领域的技术人员将认识到各种工艺组件需要的流程图案和连接类型。

现参阅图6至图7，图示尿素转换模块500的替代优选实施方式，可布置所述替代的优选实施方式以适合于标准48英尺平板式拖车T(或混凝土垫)的使用面积内。类似于以上图2至图5，已将与尿素转换模块500相关联的装备的各种零件映射至图1的相应工艺步骤。

虽然已经以某种具体程度描述了用于尿素生产的模块化系统和方法，但是在不脱离本发明的精神和范围的情况下可对施工图和组件的布置以及步骤进行许多改变。因此，根据本揭示案的系统和方法仅受随附权利要求书的范围的限制，所述随附权利要求书的范围包括权利要求书的每个元件所赋予的等效物的全部范围。

Claims (20)

1.一种用于自无管道系统可利用的天然气原料生产肥料或燃料的方法，所述方法包含以下步骤：

i.捕获天然气原料，所述天然气原料包括来自至少一个无管道系统可利用的天然气源的至少一个无管道系统可利用的天然气原料；

ii.移除所述捕获的天然气原料水分；

iii.移除所述大体上不含水分的天然气原料潜在破坏性无机物和有机物；

iv.再形成所述大体上清洁的天然气原料；

v.自所述再形成的天然气原料复原CO₂流；和

vi.组合所述复原的CO₂流与NH₃流，以形成肥料和燃料中的至少一个。

2.如权利要求1所述的方法，所述方法进一步包含以下步骤：在所述再形成步骤之前混合所述捕获的天然气原料，以形成大体上同质的混合物。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述捕获的天然气原料包括至少两个无管道系统可利用的天然气原料，所述至少两个无管道系统可利用的天然气原料的每一者具有至少一个不同的处理特性。

4.如权利要求2所述的方法，所述方法进一步包含所述混合步骤导致对所述同质混合物的一致BTU值。

5.如权利要求2所述的方法，所述方法进一步包含所述混合步骤导致对于所述同质混合物的一致硫含量。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述水分移除步骤将水分移除至预定水分含量。

7.如权利要求1所述的方法，所述方法进一步包含发生在约500℃至800℃的温度范围内的所述再形成步骤的一部分。

8.如权利要求1所述的方法，所述方法进一步包含所述再形成步骤包括以下子步骤：将所述生成CO₂流压缩至至少约3,000psi的压力。

9.如权利要求1所述的方法，所述方法进一步包含以下步骤：在旁路回收利用循环中处理所述NH₃流。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述旁路回收利用循环在约6,000psi至7,000psi之间的高压范围内操作，并且导致约30％的转换率。

11.如权利要求1所述的方法，其中实施所述方法的装备与实施所述方法的至少一个其它组的装备串联地放置。

12.如权利要求1所述的方法，其中实施所述方法的装备与实施所述方法的至少一个其它组的装备并联地放置。

13.如权利要求1所述的方法，其中与所述步骤(i)至步骤(vi)中的至少一个相关联的所有装备在第一无管道系统可利用的天然气源场与第二无管道系统可利用的天然气源场之间为大体上立即可便携的。

14.如权利要求13所述的方法，其中与步骤(i)至步骤(vi)中的至少一个相关联的所有装备是临时地安装在标准平板式卡车拖车的使用面积内。

15.如权利要求13所述的方法，其中与所述步骤(i)至步骤(vi)中的至少一个相关联的所有装备为滑道安装。

16.如权利要求1所述的方法，其中与所述步骤(i)至步骤(vi)中的至少一个相关联的所有装备是临时地放置在与所述至少一个无管道系统可利用的天然气源流体连通的位置处。

17.一种用于生产肥料或燃料的系统，所述系统包含：

提纯模块；

再形成模块；

变换转换模块；

氨模块；和

尿素转换；

所述模块的至少一个在第一无管道系统可利用的天然气源场与第二无管道系统可利用的天然气源场之间为大体上立即可便携的；

天然气原料包括至少一个无管道系统可利用的天然气原料，所述至少一个无管道系统可利用的天然气原料被输入至所述提纯模块。

18.如权利要求17所述的系统，其中所述提纯模块将两个或两个以上无管道系统可利用的天然气原料的大体上同质混合物提供至所述再形成模块。

19.如权利要求17所述的系统，其中将来自所述再形成模块的生成气流压缩至至少约3,000psi的压力。

20.如权利要求17所述的系统，其中所述氨模块进一步包含旁路回收利用循环，所述旁路回收利用循环在约6,000psi至7,000psi之间的高压范围内操作，并且导致约30％的转换率。

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