CN106185984B - 基于水蒸汽电解法联合生产氨与硝酸的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于化工技术领域，特别是涉及一种基于水蒸汽电解法联合生产氨与硝酸的系统，它由制氮单元、合成氨单元、制硝酸单元、固体氧化物电解槽组成。本发明利用合成氨单元为制硝酸单元提供原料氨和工艺蒸汽，制硝酸单元不用外购氨，同时省略了余热锅炉；本发明利用合成氨单元和制硝酸单元的反应热产生高温水蒸汽应用于固体氧化物电解槽，固体氧化物电解槽产生氢气和氧气应用于合成氨单元和制硝酸单元，从而实现了以空气和水为原料进行氨和硝酸联合生产的模式；本发明无需外购原料和燃料，仅需使用电能，具有高度集成、生产成本低、用能单一方便、能量回收利用合理、对环境污染小、符合国际排放标准等特点，具有很好的经济效益和良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于化工技术领域，特别是涉及一种基于水蒸汽电解法联合生产氨与硝酸的系统。
背景技术
合成氨是化工基础原料，可用于生产染料、制药、合成纤维和合成树脂等，同时也是硝酸行业的原料，硝酸作为重要的化工产品，可用于制造化肥、硝酸盐、草酸和TNT炸药等，当今我国合成氨产量和硝酸产量已居世界首位。由于现阶段合成氨工艺和制硝酸工艺都比较复杂，并且两个工艺之间缺少关联性，因此各自形成独立的合成氨企业和硝酸企业，并由合成氨企业为硝酸企业提供原料氨。近年来随着冶金和医药等下游需求的增长，我国硝酸行业发展迅速，由于硝酸企业需要外购原料氨，而且原料氨在硝酸生产成本中占有很大的比重，随着外购合成氨价格及铁路运价的大幅度上涨，硝酸的生产成本也大幅度上升，这点对硝酸企业的未来发展产生很大的影响。若能将合成氨工艺与制硝酸工艺耦合起来，发展为联合生产氨和硝酸的整体工艺，将有利于解决上述的问题。目前以化石能源为原料的合成氨技术本身面临复杂的净化工序，并造成环境污染问题，因此不适合与制硝酸工艺进行耦合，而基于水蒸汽电解法的无碳合成氨技术是本发明申请人长期研究的课题，具有工艺流程简单、不污染环境的特点，其核心内容已在此前申请的“利用核能的无碳合成氨系统及其方法”（申请号为201610287794.3）专利中公开，其独有的特点为其与制硝酸工艺的耦合创造了条件。
制硝酸工艺流程分为氨氧化、NO氧化、NOX吸收三个过程，目前较为先进的方法是采用中压氨氧化--高压NOX吸收流程，其具有尾气中NOX含量低的特点。该方法需要两台压缩机，分别由尾气透平和中压蒸汽透平驱动，中压蒸汽由布置于氧化炉出口的余热锅炉提供，由于氧化炉出口的气体温度（约为860~900℃）与余热锅炉的蒸汽温度（约为300~400℃）并不匹配，由此造成氧化炉出口高品位热能的严重贬值利用，形成较大的能量损失。合成氨工艺的余热回收系统除满足自身用热外可对外提供剩余蒸汽，因此制硝酸工艺可以不设置余热锅炉，而由合成氨工艺提供其所需的蒸汽。另一方面水蒸汽电解法的操作温度要求一般在800℃以上，与氧化炉出口的气体温度正好相匹配，因此可由氧化炉出口的高温气体进行加热从而得到水蒸汽电解法所需的高温蒸汽，该方法符合按质用能、热尽其用的特点。目前制硝酸工艺以氨-空气混合气为原料，工业生产中为提高生产能力，通常往氨-空气混合气中加入纯氧配制成氨-富氧空气混合物，并向吸收塔内补充适量氧气，制硝酸工艺所需的这部分氧气可由水蒸气电解法产生的氧气来提供。综上所述分析可知，合成氨工艺不仅可为制硝酸工艺提供原料氨，还可以为其提供多余的工艺蒸汽，制硝酸工艺则可满足水蒸汽电解法所需的热源条件，而水蒸汽电解法将为合成氨工艺提供氢气，并同时为制硝酸工艺提供氧气，因此合成氨工艺、制硝酸工艺和水蒸气电解法三者之间具有很好的技术耦合点，有利于相互耦合从而发展成为高效节能的联合生产氨和硝酸的整体工艺。
发明内容
本发明的目的在于提供一种生产成本低、低污染、低能耗、高度集成的基于水蒸汽电解法联合生产氨与硝酸的系统。
本发明的目的是通过下述的技术方案加以实现的：
吸附制氮机的氮气出口依次与氮气净化设备、第一冷凝器串联后接入合成气混合器，合成气混合器的出口与合成气压缩机串联后接入氨合成塔，氨合成塔的反应气出口依次与余热锅炉、氨冷凝器串联后接入氨分离器，氨分离器的气体出口与合成气压缩机的入口连接，氨分离器的液氨出口分为两路：一路作为产品对外输出，另一路依次与氨蒸发器、氨预热器串联后进入氨-空气混合器；
空气压缩机的出口接入氨-空气混合器，氨-空气混合器的出口依次与氧化炉、蒸汽高温过热器、尾气加热器、第二冷凝器、氧化气压缩机串联后接入吸收塔；吸收塔顶部设有尾气出口和喷水口，侧面设有氧气入口，底部设有硝酸溶液出口；吸收塔的尾气出口依次与尾气预热器、尾气加热器串联后进入尾气透平；
余热锅炉的蒸汽出口分为两路：一路与蒸汽过热器串联后进入第一蒸汽透平，另一路与蒸汽低温过热器连接；蒸汽低温过热器的出口分为两路：一路进入第二蒸汽透平，另一路与蒸汽高温过热器串联后进入固体氧化物电解槽；
固体氧化物电解槽的氢气管道依次穿过蒸汽过热器、氨预热器后分为两路：一路进入氮气净化设备，另一路进入合成气混合器；固体氧化物电解槽的氧气管道依次穿过蒸汽低温过热器、尾气预热器后分为两路：一路进入吸收塔，另一路进入氨-空气混合器。
第一蒸汽透平的输出端与合成气压缩机连接，并驱动其做功。
第二蒸汽透平的输出端与空气压缩机连接，并驱动其做功。
尾气透平的输出端与氧化气压缩机连接，并驱动其做功。
采用上述方案后，本发明具有以下几个优点：
一、本发明以空气和水为原料实现了氨和硝酸的联合生产，无需外购原料和燃料，不受市场价格影响，生产成本低廉且易于控制。
二、本发明只有制氮机和固体氧化物电解槽需要外界提供能量，且其所需仅仅是电能，具有单一方便的特点。
三、本发明合成氨环节几乎不产生污染，制硝酸过程采用双压法对环境污染很小，符合国际排放标准，因此本发明能够进行可持续的清洁生产。
四、本发明采用合成氨环节直接为制硝酸过程提供原料氨和工艺蒸汽，制硝酸工艺不用外购氨，同时省略了余热锅炉，减少了设备投资。
五、本发明针对合成塔反应和氧化炉反应的温度参数，按能量的品质合理利用了反应热，为固体氧化物电解槽提供了大约800℃的高温水蒸汽，使水蒸汽电解法合理嵌入了整体工艺中并用于制取工艺过程中所需的氢气和氧气。
六、本发明有效利用了系统自身的各项余热，包括反应热、高温气体余热和尾气余热等，用于为整个系统中所涉及的各类压缩机提供能量，很大程度上减少了能耗，降低了生产成本。
综上所述，本发明将合成氨工艺、制硝酸工艺和水蒸汽电解法相耦合，实现了氨与硝酸联合生产的模式，具有高度集成、生产成本低、用能单一方便、对环境污染低、能量回收利用合理等特点，具有很好的经济效益和良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明所述基于水蒸汽电解法联合生产氨与硝酸的系统结构示意图。
图中标号：
1-吸附制氮机；2-氮气净化设备；3-第一冷凝器；4-合成气混合器；5-合成气压缩机；6-氨合成塔；7-余热锅炉；8-氨冷凝器；9-氨分离器；10-氨蒸发器；11-空气压缩机；12-氨-空气混合器；13-氧化炉；14-蒸汽高温过热器；15-尾气加热器；16-第二冷凝器；17-氧化气压缩机；18-吸收塔；19-固体氧化物电解槽；20-蒸汽过热器；21-氨预热器；22-蒸汽低温过热器；23-尾气预热器；24-第一蒸汽透平；25-第二蒸汽透平；26-尾气透平
具体实施方式
如图1所示，本发明是一种基于水蒸汽电解法联合生产氨与硝酸的系统，其具体连接方式为：吸附制氮机1的氮气出口依次与氮气净化设备2、第一冷凝器3串联后接入合成气混合器4，合成气混合器4的出口与合成气压缩机5串联后接入氨合成塔6，氨合成塔6的反应气出口依次与余热锅炉7、氨冷凝器8串联后接入氨分离器9，氨分离器9的气体出口与合成气压缩机5的入口连接，氨分离器9的液氨出口分为两路：一路作为产品对外输出，另一路依次与氨蒸发器10，氨预热器21串联后进入氨-空气混合器12；
空气压缩机11的出口接入氨-空气混合器12，氨-空气混合器12的出口依次与氧化炉13、蒸汽高温过热器14、尾气加热器15、第二冷凝器16、氧化气压缩机17串联后接入吸收塔18；吸收塔18顶部设有尾气出口181和喷水口182，侧面设有氧气入口183，底部设有硝酸溶液出口184；吸收塔18的尾气出口181依次与尾气预热器23、尾气加热器15串联后进入尾气透平26；
余热锅炉7的蒸汽出口分为两路：一路与蒸汽过热器20串联后进入第一蒸汽透平24，另一路与蒸汽低温过热器22连接；蒸汽低温过热器22的出口分为两路：一路进入第二蒸汽透平25，另一路与蒸汽高温过热器14串联后进入固体氧化物电解槽19；
固体氧化物电解槽19的氢气管道依次穿过蒸汽过热器20、氨预热器21后分为两路：一路进入氮气净化设备2，另一路进入合成气混合器4；固体氧化物电解槽19的氧气管道依次穿过蒸汽低温过热器22、尾气预热器23后分为两路：一路进入吸收塔18，另一路进入氨-空气混合器12。
第一蒸汽透平24的输出端与合成气压缩机5连接，并驱动其做功。
第二蒸汽透平25的输出端与空气压缩机11连接，并驱动其做功。
尾气透平26的输出端与氧化气压缩机17连接，并驱动其做功。
本发明的工作原理如下：
空气经吸附制氮机1分离出氮气，氮气依次经氮气净化设备2、第一冷凝器3完成加氢除氧与冷凝除水过程后进入合成气混合器4与氢气混合形成合成气；合成气经合成气压缩机5被压缩后送入氨合成塔6进行催化合成反应，氨合成塔6排出的反应气经余热锅炉7放出热量后进入氨冷凝器8，反应气中的氨气被冷凝为液氨，液氨和剩余反应气的混合物进入氨分离器9；分离后的气体作为循环气引至合成气压缩机5的入口，分离后的液氨分为两路：一路作为产品输出，另一路进入氨蒸发器10被蒸发形成氨气，氨气经氨预热器21加热升温后进入氨-空气混合器12。
空气经空气压缩机11被压缩后送入氨-空气混合器12与氨气混合形成混合气；混合气进入氧化炉13进行氨氧化反应，氧化炉13排出的高温氧化气依次经蒸汽高温过热器14、尾气加热器15、第二冷凝器16逐渐放热后形成低温氧化气；低温氧化气经氧化气压缩机17被压缩后进入吸收塔18，在吸收塔18内与喷水和补充的氧气接触进行氮氧化物吸收过程，并从吸收塔18底部输出硝酸溶液。吸收塔18排出的尾气依次经尾气预热器23、尾气加热器15加热升温后送入尾气透平26做功并带动氧化气压缩机17运行。
余热锅炉7产生的蒸汽分为两路：一路经蒸汽过热器20加热后送入第一蒸汽透平24做功并带动合成气压缩机5运行，另一路经蒸汽低温过热器22加热后再分为两路：一路送入第二蒸汽透平25做功并带动空气压缩机11运行，另一路经蒸汽高温过热器14加热后变为高温蒸汽（大约800℃）并送入固体氧化物电解槽19进行电解过程。
固体氧化物电解槽19产生的氢气经蒸汽过热器20、氨预热器21放热冷却后分为两路：一路进入氮气净化设备2进行加氢除氧过程，另一路进入合成气混合器4与氮气混合形成合成气；固体氧化物电解槽19产生的氧气经蒸汽低温过热器22、尾气预热器23放热冷却后分为两路：一路进入吸收塔18参加氮氧化物吸收过程，另一路进入氨-空气混合器12与氮气、空气形成氨-富氧空气混合气。
本发明的核心重点在于：利用氨合成塔6反应和氧化炉13反应的余热产生大约800℃的高温水蒸汽用于水蒸汽电解法，水蒸汽电解法制取氢气和氧气作为合成氨环节和制硝酸过程的原料。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (4)
1.一种基于水蒸汽电解法联合生产氨与硝酸的系统，其特征在于：
吸附制氮机（1）的氮气出口依次与氮气净化设备（2）、第一冷凝器（3）串联后接入合成气混合器（4），合成气混合器（4）的出口与合成气压缩机（5）串联后接入氨合成塔（6），氨合成塔（6）的反应气出口依次与余热锅炉（7）、氨冷凝器（8）串联后接入氨分离器（9），氨分离器（9）的气体出口与合成气压缩机（5）的入口连接，氨分离器（9）的液氨出口分为两路：一路作为产品对外输出，另一路依次与氨蒸发器（10），氨预热器（21）串联后进入氨-空气混合器（12）；
空气压缩机（11）的出口接入氨-空气混合器（12），氨-空气混合器（12）的出口依次与氧化炉（13）、蒸汽高温过热器（14）、尾气加热器（15）、第二冷凝器（16）、氧化气压缩机（17）串联后接入吸收塔（18）；吸收塔（18）顶部设有尾气出口和喷水口，侧面设有氧气入口，底部设有硝酸溶液出口；吸收塔（18）的尾气出口依次与尾气预热器（23）、尾气加热器（15）串联后进入尾气透平（26）；
余热锅炉（7）的水蒸汽出口分为两路：一路与蒸汽过热器（20）串联后进入第一蒸汽透平（24），另一路与蒸汽低温过热器（22）连接；蒸汽低温过热器（22）的出口分为两路：一路进入第二蒸汽透平（25），另一路与蒸汽高温过热器（14）串联后进入固体氧化物电解槽（19）；
固体氧化物电解槽（19）的氢气管道依次穿过蒸汽过热器（20）、氨预热器（21）后分为两路：一路进入氮气净化设备（2），另一路进入合成气混合器（4）；固体氧化物电解槽（19）的氧气管道依次穿过蒸汽低温过热器（22）、尾气预热器（23）后分为两路：一路进入吸收塔（18），另一路进入氨-空气混合器（12）。
2.根据权利要求1所述的基于水蒸汽电解法联合生产氨与 硝酸的系统，其特征在于：第一蒸汽透平（24）的输出端与合成气压缩机（5）连接，并驱动其做功。
3.根据权利要求1所述的基于水蒸汽电解法联合生产氨与 硝酸的系统，其特征在于：第二蒸汽透平（25）的输出端与空气压缩机（11）连接，并驱动其做功。
4.根据权利要求1所述的基于水蒸汽电解法联合生产氨与 硝酸的系统，其特征在于：尾气透平（26）的输出端与氧化气压缩机（17）连接，并驱动其做功。
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