CN107001247A - 尿素生产装置 - Google Patents

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Abstract

一种尿素合成装置，包括：合成工段，其包括至少一个反应器；压缩机，其用于将CO2供给至所述合成工段；用于所述CO2压缩机的操作的燃气轮机；和热回收蒸汽发生器，所述热回收蒸汽发生器的热源由所述燃气轮机的排气组成，并且由所述热回收蒸汽发生器产生的至少一个蒸汽流被用作所述尿素装置的至少一个部件的热源。

Description

尿素生产装置
技术领域
本发明涉及用于由氨和二氧化碳合成尿素的装置的领域。
背景技术
在高压下通过氨和二氧化碳(CO2)之间的反应生成尿素。在文献(例如Ullmann'sEncyclopedia of Industrial Chemistry,Wiley-VCH Verlag,第A27卷)中描述了用于尿素合成的已知方法。
尿素合成装置通常包括高压合成工段，所述工段包括反应器、高压汽提器和高压冷凝器。反应器产生包含尿素和未反应的氨基甲酸铵的水溶液，其被供给至汽提器。汽提器产生尿素的溶液和气相(主要含有未反应的氨和CO2)，其被冷凝并被再循环至反应器。汽提过程可以在汽提剂(通常是新鲜的CO2或氨)的存在下进行。使用CO2作为汽提剂的装置被称为CO2汽提装置。
根据装置的类型，二氧化碳在高压下被供给至汽提器和/或反应器。在任何情况下，需要能够将CO2的压力提高到合成工段的水平(通常达100bar之上)的CO2压缩机。所述CO2压缩机构成装置的主要能量使用者之一。
在现有技术中，所述CO2压缩机直接由蒸汽轮机或电动机操作。
实际上，尿素生产装置包括具有多个蒸汽水平的复杂蒸汽系统，包括蒸汽发生器和蒸汽使用者。在取决于可用热量的温度的压力水平下，通常在需要从工艺流体移走热量的阶段期间产生蒸汽；蒸汽可以用于工艺目的以及用于产生用于机器操作的机械作业。
例如，上述合成工段的汽提器是蒸汽使用者，因为汽提过程必须向包含尿素和氨基甲酸盐的溶液提供热量。通常，汽提器是管壳式换热器，其中溶液被供应在管内，并且管束由约20bar的蒸汽外部加热。因此，高压汽提器构成重要的能量使用者(能量以热量形式)。因为冷凝热通常被释放以使水蒸发，因此氨基甲酸盐冷凝器反而产生蒸汽。然而，能够从冷凝器获得的蒸汽的压力通常低(例如3bar)。
为了产生机械作业，使用一个或多个蒸汽轮机。蒸汽轮机可以直接驱动机器(例如压缩机或泵)，或者可以驱动发电机；这样获得的能量能够被装置的机器使用。
在某些情况下，内部产生的蒸汽不足以满足装置的所有需求。例如，通过从外部输入蒸汽或引入辅助蒸汽发生器可以弥补蒸汽不足。然而，外部蒸汽并不总是可用，而辅助蒸汽发生器消耗燃料并增加成本。
鉴于上述情况，可以理解，蒸汽系统的优化及其与装置的其余部分的集成对于降低能耗，即对于增加每单位所用能量的尿素产量特别重要。问题之一在于取决于可用能量水平方便地使用蒸汽。例如，问题之一在于找到对具有低温水平和/或低压的蒸汽的方便使用，因为它可能含有大量的热量，然而这些热量不容易被利用。在现有技术中，正在不断努力以改进尿素装置的这一方面。
发明内容
本发明旨在改善用于由氨和二氧化碳高压合成尿素的装置的能量效率，特别是降低将二氧化碳提高到合成压力所需的压缩机的消耗以及优化工艺和相应的蒸汽系统之间的集成。
这些目的通过根据权利要求的装置得以实现。
根据本发明的尿素合成装置，包括：合成工段，其包括用于合成尿素的至少一个反应器；并且包括用于向所述合成工段供应CO2的CO2压缩机；该装置的特征在于，其包括用于操作所述CO2压缩机的燃气轮机，并且其包括热回收蒸汽发生器，其中所述热回收蒸汽发生器的热源由所述燃气轮机的排气构成并且其中由所述热回收蒸汽发生器产生的蒸汽流用作所述装置中的工艺蒸汽。
优选地，合成工段包括至少一个反应器、汽提器和冷凝器。在这种情况下，合成工段通常被称为“合成回路”。
在从属权利要求中描述了优选特征。
形成本发明基础的构思是使用燃气轮机来操作所述CO2压缩机。所述燃气轮机消耗燃料，但是具有释放能够在热回收蒸汽发生器(HRSG)中利用的热气体的大优点。所述发生器产生能够用于该工艺的蒸汽，更优选地用于向所述装置的高压汽提器供应热。
更有利地，在热回收蒸汽发生器中产生的蒸汽通过蒸发软化水流而获得。软化处理更优选在脱气器中进行，该脱气器使用通过冷却合成工段的氨基甲酸盐冷凝器而供应的蒸汽作为热源。脱气器的所述加热蒸汽通常处于低压，例如小于5bar，通常约3bar。水软化处理例如在约100℃-120℃下进行。
燃气轮机可以直接或间接地操作CO2压缩机。优选地，燃气轮机直接驱动所述压缩机，例如燃气轮机轴机械连接至压缩机轴。
本发明提供了改进工艺与相应的蒸汽系统之间的集成以及有效使用能量的优点。
由燃气轮机产生的构成有价值能量的机械动力直接用于操作压缩机，压缩机形成装置的主要能源消耗者之一。
从燃气轮机的排气回收的热量用于向汽提塔供应热。因此，燃气轮机的燃料基本上被利用了两次。申请人已经发现，传统燃气轮机的排气温度(通常约400℃-500℃)允许在合成回路汽提器的最佳条件下产生蒸汽。因此，本发明的优点之一是燃气轮机的燃料足以满足装置的两个主要能源消耗者(即二氧化碳压缩机(需要机械能)和汽提器(需要热能))的需要。
根据本发明的另一方面，为了产生用于汽提器的蒸汽而供应到回收发生器的水，用低压例如3bar的蒸气进行脱气。该低热蒸汽有利地被氨基甲酸盐冷凝器回收。因此，本发明提供了用于使用由氨基甲酸盐冷凝器供应的低压蒸汽的有效方法。实际上，这种蒸汽用于对热回收蒸汽发生器的水进行脱气，以这种方式这有助于产生较高压力的蒸汽。
根据所附权利要求，本发明还涉及一种用于改造由氨和CO2合成尿素的装置的方法。
改造方法的特征在于，另外安装用于所述CO2压缩机的操作的燃气轮机，以及另外安装热回收蒸汽发生器，其中所述热回收蒸汽发生器的热源由所述燃气轮机的排气构成，并且其中由所述热回收蒸汽发生器产生的至少一个蒸汽流被用作所述装置的至少一个部件(优选合成循环汽提器)的热源。
改造方法特别适用于传统类型的没有汽提器的较旧的尿素装置(例如称为“全再循环”装置的装置)以及对反应器流出物进行汽提的更现代的装置(特别是CO2汽提装置)。
附图说明
从下面参考图1的详细描述中可以清楚这些和其它优点，图1示意性地示出了本发明的优选实施方式。
具体实施方式
图1示意性地示出尿素合成回路1，其包括反应器2、汽提器3、冷凝器4和洗涤器31。合成回路1被供应以氨5和二氧化碳6。
所述回路1是本领域技术人员公知的，不需要详细描述。该实施例涉及二氧化碳汽提装置，其中氨5被供应至冷凝器4并且二氧化碳6被供应至汽提器3；在其它实施方式中，氨和CO2可以被供应至装置的其它点。离开反应器2的含尿素的水溶液20在汽提器3中被浓缩，使用本身已知的技术在回收工段进一步处理离开汽提器的溶液21。
汽提器3由约20bar的蒸汽加热，蒸汽通过管线7进入并通过管线8离开。冷凝器4释放热量，产生低压例如3bar的蒸汽流9。
回路1的部件在预定高压下操作，该预定高压对于反应器2、汽提器3和冷凝器4基本相同。
通过压缩机10将二氧化碳6升高到回路1的所述压力。所述压缩机由燃气轮机单元11机械地驱动，燃气轮机单元11主要包括空气压缩机12、燃烧器13和涡轮机14。例如，优选地，将二氧化碳压缩机10安装在所述涡轮机14的轴上。燃气轮机单元被供给燃料15，例如天然气或合适的合成气。
处于高温的燃气轮机14的排气16被输送到热回收蒸汽发生器(HRSG)17。所述热回收蒸汽发生器17产生用于向汽提器供应热的蒸汽7。特别地，所述蒸汽7是通过对在脱气器19内经预先脱气的供给水30进行加热而获得；所述脱气器19由在回路1的冷凝器4中产生的蒸汽9加热。管线22表示离开发生器17的冷却气体。
通常，冷凝器4中的蒸汽产生超过脱气器19的需求，因此供应脱气器19的蒸汽9可以是实际产生的蒸汽的一部分。蒸汽的剩余部分9'可能被装置的其它使用者使用或被输出。此外，蒸汽7的一部分也可以用于其它装置使用者或被被输出，如线7'所示。
从图中可以看出，以这种方式实现了蒸汽系统和尿素装置之间的高效率和良好的集成。由于在涡轮回收蒸汽发生器组件中的有效使用，燃料15实际上提供了压缩机10的机械作业和汽提器3的热量；本发明还确保了对具有低能量水平的蒸汽9的最佳使用。

Claims (8)

1.一种尿素合成装置，包括：
合成工段(1)，其包括至少一个反应器(2)，
压缩机(10)，其将CO2供给至所述合成工段，
其特征在于，所述装置包括用于所述CO2压缩机(10)的操作的燃气轮机(11)，并且所述装置包括热回收蒸汽发生器(17)，
其中所述热回收蒸汽发生器(17)的热源由所述燃气轮机(11)的排气(16)代表，
并且，其中由所述热回收蒸汽发生器(17)产生的至少一个蒸汽流(7)被用作所述尿素装置的至少一个部件的热源。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述燃气轮机(11)直接驱动所述CO2压缩机(10)。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述合成工段(1)还包括至少一个汽提器(3)和冷凝器(4)，并且其中由所述热回收蒸汽发生器(17)产生的蒸汽流(7)用作所述汽提器(3)的加热流体。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述热回收蒸汽发生器(17)产生在10bar至30bar之间、优选地约20bar的压力的饱和蒸汽(7)流，并且所述饱和蒸汽(7)被作为加热流体供应至高压合成工段的汽提器(3)。
5.根据权利要求3或4所述的装置，其中：
所述装置包括产生软化水(30)流的脱气器(19)
所述脱气器被供应以由所述合成回路的所述冷凝器(4)的冷却获得的蒸汽(9)
所述热回收蒸汽发生器(17)被供应以在所述脱气器(19)中产生的软化水(30)。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，供应所述脱气器(19)的所述蒸汽(9)的压力相对低于6bar，优选相对低于约3bar。
7.一种用于改造由氨和CO2合成尿素的装置的方法，其中：
所述装置包括在预定的合成压力下操作的合成工段(1)，所述合成工段(1)包括至少一个反应器(2)，
所述装置还包括CO2压缩机(10)，所述CO2压缩机(10)用于将CO2供给至所述合成回路的至少一个部件，
所述方法的特征在于，另外安装用于所述CO2压缩机(10)的操作的燃气轮机(11)，
以及另外安装热回收蒸汽发生器(17)，其中所述热回收蒸汽发生器的热源由所述燃气轮机(11)的排气(16)代表，并且其中由所述热回收蒸汽发生器产生的至少一个蒸汽流(7)被用作所述装置的至少一个部件的热源。
8.根据权利要求8所述的方法，其中所述合成工段包括汽提器(3)和冷凝器(4)，并且所述方法设想将由所述热回收蒸汽发生器(17)产生的蒸汽流(17)用作合成工段的汽提器(3)的热源。
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