CN109641812A - 来自尿素加工废物流的组分的回收和重新使用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于从高效尿素加工设施中回收和重新使用化合物的方法。此类方法一般可包括从被设计用于纯化废气流的涤气器收集废液流；浓缩所述废液流以产生包含按重量计4％或更少的水的回收材料；将所述回收材料与原始尿素混合以获得混合物；以及将所述混合物引入所述高效尿素加工设施中，以与一种或多种高效添加剂混合。本文还描述了用于进行此类方法的双系统布置结构。

Description

来自尿素加工废物流的组分的回收和重新使用

相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2016年10月13日提交的美国临时专利申请号62/407,618的优先权，其公开内容以引用方式并入本文。

技术领域

本主题整体涉及用于从尿素基肥料生产过程中产生的废物流中回收和重新使用有用组分的方法。

背景技术

肥料例如尿素(CO(NH₂)₂)广泛用于向土壤提供氮以促进和增强植物生长。当尿素施用于土壤时，其容易经历水解(由脲酶催化，所述脲酶是由土壤中的真菌和细菌产生的酶)以形成氨和二氧化碳。氨迅速经历离子化以形成铵，其连同硝酸铵(如果存在的话)一起容易通过一系列细菌氧化反应(称为“硝化”)氧化成硝酸盐(NO₃))。因此，在植物可使用尿素之前，尿素中的大部分氮损失。

结果，所用尿素中的多数呈所谓的“高效”尿素形式。高效尿素通过包括专用添加剂，诸如脲酶抑制剂和/或硝化抑制剂、微量营养素、专用农业化学品或生物制剂来解决这些问题。脲酶抑制剂是能够抑制土壤中脲酶对尿素的催化活性的化合物。脲酶抑制剂的示例为美国专利4,530,714中公开的硫代磷酸三酰胺化合物，其包括N-(正丁基)硫代磷酸三酰胺(NBPT)，这是这类化合物的最先进代表。NBPT可商购获得以用于农业，并且作为氮稳定剂产品系列等此类产品销售。硝化抑制剂是能够抑制土壤中细菌将铵氧化成硝酸盐的化合物。示例性硝化抑制剂包括但不限于双氰胺(DCD)。微量营养素可包括锌、硼和镁。专用农业化学品可包括杀虫剂、除草剂、杀真菌剂、植物生长调节剂、或植物激素(例如，独脚金萌发素内酯(strigalactone))。生物制剂可包括活微生物(例如芽孢杆菌属(Bacillus)或假单胞菌属(Pseudomonas)、真菌)，由活微生物产生的流出物(例如脂质)、植物提取物或微生物片段。高效尿素基肥料可包括各种其他添加剂，包括但不限于染料。

此类添加剂，例如脲酶抑制剂、硝化抑制剂、微量营养素、专用农业化学品、生物制剂和/或染料可以各种方式与尿素缔合。例如，它们可涂覆在肥料颗粒上或混入肥料基质中。通常，此类添加剂(呈干燥形式或溶液形式)与呈熔融/熔化形式的尿素在尿素加工设施中混合以提供均匀的混合物，其随后可在后续的造粒步骤中冷却并固化。已知许多造粒方法，包括降幕法、球化-团聚转鼓造粒、粒化和流化床造粒技术。

此类方法遭受特定低效率，例如因为来自此类尿素生产设施的废气废物流一般包括尿素粉尘，以及混合在尿素内的低含量添加剂(例如，脲酶抑制剂和/或硝化抑制剂)。因此，这些废物流必须在所述废物流可释放到环境中之前纯化(例如，使用含水洗涤技术)。用于纯化这些废物流的某些方法是已知的；然而，此类已知方法通常在尿素生产设施的上游工艺中引入含水洗涤溶液，并导致将添加剂引入尿素生产设施中，其中它们可对设备、工艺和/或产品具有不利影响。

有利的是提供用于从废物流中去除尿素和添加剂的附加方法，并且进一步提供用于重新使用这些组分的方法。

发明内容

本专利申请涉及一种回收存在于尿素加工工厂废物流中的组分的方法。具体地讲，此类方法可提供对尿素、脲酶抑制剂、硝化抑制剂、微量营养素、专用农业化学品、生物制剂和/或尿素加工工艺中涉及的其他组分的回收，其可提高高效尿素基肥料生产的效率。

在一个方面，本公开提供了一种用于从高效尿素加工设施的废物流中回收和重新使用化合物的方法，所述方法包括：从被设计用于纯化废气流的涤气器中收集废液流；浓缩所述废液流以产生包含按重量计4％或更少的水的浓缩物；以及将浓缩物与原始尿素混合以获得混合物。随后，可将所述混合物引入所述高效尿素加工设施中，以与一种或多种高效添加剂混合。在一些实施方案中，浓缩步骤还产生蒸发物，并且所述方法还包括将蒸发物用作涤气器中的洗涤液，所述涤气器被设计用于纯化高效尿素加工设施中的废气流。

本公开的另一方面提供一种用于生产高效尿素的双系统布置结构，其包括增强的尿素加工系统以及蒸发系统，所述尿素加工系统包括造粒单元和用于纯化由此产生的废气的包含液体的涤气器单元，其中：将来自包含液体的涤气器单元的液体引入所述蒸发系统中，将液体在所述蒸发系统中浓缩以获得再循环液体和回收材料，所述回收材料包含按重量计4％或更少的水；将所述再循环液体引导回增强的尿素加工系统；以及将回收材料与尿素混合并且将所得混合物引导回所述增强的尿素加工系统。

附图说明

为了提供对本发明的实施方案的理解，参考附图，所述附图不一定按比例绘制，并且其中附图标记是指本发明的示例性实施方案的部件。这些附图仅是示例性的，并且不应被理解为限制本发明。

图1-4提供本文所公开的方法和系统的某些实施方案的示意图。

具体实施方式

需注意，如在本说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一个”、“一种”和“所述”包括复数指代，除非上下文明确地另外指出。除非另有说明，否则所有的百分数、份数和比率均基于本发明的组合物的总重量计。除非另有说明，否则涉及所列成分的所有此类重量均基于活性水平，因此不包括可能包含在市售材料中的溶剂或副产物。本文中术语“重量百分比”可表示为“重量％”。除非另有说明，否则本文使用的所有分子量均为重均分子量，以克/摩尔表示。

如本文所用，“尿素加工”是指其中尿素以固体，一般来讲颗粒形式提供的方法，其一般包括将尿素熔融并将熔融尿素冷却至期望的颗粒形式(例如，通过粒化、造粒、或制粒)。因此，尿素加工设施是其中进行尿素加工的设施，例如，包括用于将尿素熔融并且将熔融尿素冷却的设施。

“高效尿素加工”不仅涉及提供呈固体，一般来讲颗粒形式的尿素，而且还在尿素中掺入一种或多种“高效添加剂”，其包括但不限于脲酶抑制剂、硝化抑制剂、微量营养素、专用农业化学品、和生物制剂(例如，通过将此类添加剂与熔融尿素混合，并且然后将混合物冷却至期望的颗粒形式)。所得产物在本文中被称为“高效尿素基肥料”，其包含尿素和一种或多种高效添加剂，并且其还可包含其他添加剂，例如染料。因此，高效尿素加工设施为其中进行高效尿素加工以提供高效尿素基肥料的设施。

在高效尿素加工设施中，在高效尿素基肥料生产的各个步骤中产生废气，从而，废气在高效尿素加工设施内从各个位置物理地释放。在一些情况下，此类废气释放到环境中和/或再循环回尿素加工过程中。此类废气一般来讲可例如从尿素加工工厂释放和/或再循环，和/或更具体地从尿素造粒塔和尿素制粒塔中释放和/或再循环。这些废气通常不仅可包括气体和液体组分，而且还包括组分诸如尿素(例如，呈粉尘形式)和加工过程中所用的添加剂(例如，高效添加剂)。

在将这些废气释放到环境中或在尿素加工过程中重新使用此类气体之前，气体通常例如通过洗涤来纯化。洗涤是用于气体纯化的技术，其中使待处理/洗涤的气体与流体接触，其中存在于气体中的至少一部分材料被移除至流体，从而纯化气体。涤气器可采用多种流体，例如含水流体或有机流体，并且流体可包含与待去除气体的材料特异性相互作用的化学品。洗涤技术和相关涤气器可选自本行业中已知的任何湿式涤气器，例如，如ChemicalEngineers’Handbook(Perry和Chilton)，第5版，第20-94至20-103页中所概述的，其全文以引用方式并入本文。在与涤气器接触之后，通常提供纯化的气流，连同最初存在于气流中的极稀浓度(洗涤流体中)组分(例如，尿素和/或高效添加剂，其包括但不限于，脲酶抑制剂和/或硝化抑制剂，诸如NBPT和/或DCD、微量营养素(例如硼、锌和镁)，专用农业化学品和生物制剂)。微量营养素可包括锌、硼和镁。专用农业化学品可包括杀虫剂、除草剂、杀真菌剂、植物生长调节剂、或植物激素(例如，独脚金萌发素内酯(strigalactone))。生物制剂可包括活微生物(例如芽孢杆菌属(Bacillus)或假单胞菌属(Pseudomonas)、真菌)，由活微生物产生的流出物(例如脂质)、植物提取物或微生物片段。

根据本公开，收集并浓缩高效尿素基肥料加工工厂的洗涤和再循环液体流。所述浓缩步骤有利地在独立的系统内进行，所述系统独立于加工工厂操作。换句话讲，肥料加工工厂一般具有其自己的浓缩系统(蒸发器)，并且其输出(包括塔顶冷凝物)可输送到各个位置(在工厂内或工厂外)。如本文所公开的洗涤和再循环液体流的浓缩有利地在不是肥料加工工厂内的浓缩系统(蒸发器)的浓缩系统(蒸发器)内进行，使得在肥料加工工厂内所用的蒸发器的功能不受影响。因此，目前描述的系统提供了用于收集、储存和浓缩洗涤流体以提供可在该过程中重新使用的材料的专用组件，从而使对现有肥料加工工厂内使用的上游设备的不利影响最小化。

图1中示出了一个示例性系统，其中在尿素基肥料加工工厂10内，造粒单元12产生废气流14。造粒单元12可包括不同数目的造粒机，例如造粒滚筒单元和/或流化床造粒单元。如上文所述，废气流14可包括如尿素粉尘和高效添加剂(例如，脲酶抑制剂、硝化抑制剂、微量营养素、专用农业化学品和生物制剂)这样的组分。废气流通过一个或多个涤气器16以产生可排放到大气的纯化气流，和被引导到蒸发系统20的洗涤溶液18。

在另一个系统中，如图2所示，洗涤溶液18被引导到临时贮槽26。在某些实施方案中，可将其他流引导至该贮槽26。例如，如图2所示，可将来自工厂的冲洗蒸汽32引导至贮槽26。冲洗流32是一般包含水和来自造粒单元12的组分(例如，尿素)的流，其在用水清洁/洗涤造粒单元时产生。如图所示，贮槽26是任选的并且另选地，可将流18和流32中的一者或两者立即引导到蒸发系统20。在蒸发系统20内，液体(例如洗涤液)与存在于洗涤溶液中的其他组分(即，尿素粉尘和高效添加剂)分离。所述蒸发系统可以为能够浓缩液体流的任何类型的系统。蒸发系统可具有不同数目的塔板，例如单塔板蒸发器系统或双塔板蒸发器系统。蒸发系统可包括热蒸发器、真空蒸发器、或它们的组合。蒸发系统内所用的条件将例如根据用于涤气器16中的专用洗涤溶液而变化，并且在蒸发系统20内蒸发。在某些实施方案中，蒸发系统20采用蒸汽以浓缩存在于洗涤溶液中的材料。

将蒸发的液体组分(洗涤液)的至少一部分冷凝并从蒸发系统中去除，例如，通过冷凝管线22，所述冷凝管线可通过将洗涤液体引导回涤气器16(或到肥料加工工厂10内的其他涤气器或其他地方中)将洗涤液再循环以供重新使用。在一些实施方案中，可在重新用于加工工厂之前，将冷凝管线22中的洗涤液进行改性，例如通过向其中添加更多的溶剂来提供期望的洗涤液浓度。这种洗涤液再循环步骤提供关于洗涤溶液的闭合回路，从而消除了对上流设备、工艺和产物的潜在不利影响。

在其他系统中，如图3和图4所示，在进入蒸发系统20(图3)或贮槽26(图4)之前，洗涤溶液18首先穿过过滤系统27。所述过滤系统从洗涤溶液中去除未在涤气器16中捕集的附加固体材料。这在使用微量营养素或生物制剂作为高效添加剂时是最有利的。典型的过滤系统可包括具有0.1μm至10μm孔径的微滤(例如，得自Koch Membrane systems，inc.的中空纤维膜)，这在微量营养物的情况下是最有利的，和具有0.01μm至0.1μm孔径的微滤(例如，得自Koch Membrane systems，Inc.的TARGA^TMII系列或MP膜)，这在生物制剂的情况下是最有利的。在其中使用生物流出物(例如脂质或蛋白质)的一些情况下，然后可使用具有1nm-10nm孔径的纳滤。如果使用纳滤，则可能有利的是首先利用微滤或超滤膜过滤洗涤溶液18以避免污染纳滤膜。此外，如果使用具有微量营养素和生物制剂两者的高效肥料，则可将串联的两种或更多种膜用于过滤系统中(例如，微滤之后超滤和/或纳滤)。作为一种另选的构造，过滤系统27可与管线24(未示出)并列放置。可通过例如过滤介质洗涤来回收并重新使用过滤系统中捕集的高效添加剂。

由洗涤溶液18的浓缩产生的尿素粉尘和高效添加剂分别通过管线24从蒸发系统20中去除。在蒸发系统内回收的添加剂有利地以浓缩形式回收，即，获得包含尿素粉尘和/或一种或多种高效添加剂与按重量计不超过4％水的回收材料。在一些实施方案中，回收材料包含按重量计，不超过3％，不超过2％，或在一些情况下不超过1％的水。回收材料一般主要包含尿素，例如约95重量％或更多的尿素，约96重量％或更多的尿素，约97重量％或更多的尿素，或约98重量％或更多的尿素。

该回收材料可在从蒸发系统去除之后以各种方式加工。在一些实施方案中，回收材料可在使用前储存在贮槽26中，如图1所示，即，其不直接送回肥料加工工厂10。在这种情况下，储存设施26是指定的储存设施，即，不用于在加工工厂10内产生的其他材料。在其他实施方案中，回收材料直接重新用于肥料加工工厂10内(即，绕过储存设施26并直接注入包含尿素的流30中)。

值得注意的是，在本文所公开的系统中的贮槽26用于除了回收材料的特定存储之外的目的(在蒸发系统20内处理之前或之后)，即，也用于储存肥料加工工厂10内的组分的情况下，如图1中所示的构造不被有利地使用，因为尿素加工工厂10将遭受污染。因此，在图中1，贮槽26理解为与用于在尿素加工工厂10内产生或使用的组分的任何储存设施分开(即，储存设施26仅储存流24)。类似地，在图中2，贮槽26理解为与用于在尿素加工工厂10内产生或使用的组分的任何储存设施分开(即，贮槽26仅储存流18和流32)。一般来讲，在此类系统中，独立的贮槽将用于在工厂内产生或使用的组分(例如，位于尿素加工工厂10内的蒸发器上游)。

从蒸发器中回收的材料，即，流24(具有或不具有临时储存)有利地与原始尿素28(例如，呈熔融形式)混合并且将该混合物30引入肥料加工工厂10中，例如，造粒单元12中。原始尿素可包括任一种或多种类型的尿素，诸如游离尿素、尿素-甲醛产物等，并且还可包括各种取代的尿素。在某些实施方案中，原始尿素仍然是添加到造粒单元中的尿素的主要来源(例如，回收材料用于引入约5重量％-20重量％的引入造粒单元中的尿素，例如约7重量％-15重量％，诸如大约10重量％的引入造粒单元中的混合物30中的尿素)。洗涤溶液18中的尿素量通常通过溶液的密度来测量(基于通过例如湿法化学或其他直接浓缩方法定期检查的校准曲线)。类似地，可以以此类方式测量冲洗流32中的尿素量。与原始尿素28混合的回收材料24的量或百分比通常按重量计来计算，其表示为原始尿素的重量百分比。其他组分，例如尿素-甲醛(UF)可任选地在将回收材料和原始尿素混合之前或之后添加。因此，引入到造粒机中的混合物30可包含原始尿素、回收材料并且在一些实施方案中UF的混合物。

应当理解，图1至图4提供了对所示系统的过度简化，其还包括各种组件，包括但不限于泵、冷凝器、加热器、附加洗涤器、气体净化器等。还应当注意，尽管本文的公开内容和相关的附图关注存在于液体洗涤流中的组分的再循环和重新使用，但此类组分可存在于尿素加工工厂10中的其他地方，并且本文所公开的方法一般也适用于那些环境中。

本公开还提供了通常如本文所述的双系统布置结构，其采用增强的尿素加工系统(例如，包括造粒单元和涤气器以洗涤由此产生的废气)和蒸发系统。有利的是，如本文所述，两个系统彼此流体连通，使得在增强的尿素加工系统内产生的废气被洗涤后留下的洗涤流体可被引导到蒸发系统，然后，在蒸发系统中处理之后，所得的蒸发的洗涤液返回到增强的尿素加工系统，以在其中的相同(或不同)洗涤器中重新使用。

虽然出于清楚理解的目的已经通过例证和实施例的方式相当详细地描述了前述发明，但是本领域技术人员将理解，可在所附权利要求的范围内实施某些改变和修改。此外，本文提供的每个参考文献均全文以引用方式并入本文，如同每个参考文献单独以引用方式并入本文那样。在本专利申请与本文提供的参考文献之间存在矛盾的情况下，应当以本专利申请为准。

Claims (18)

1.一种用于从高效尿素加工设施的废气流中回收并重新使用化合物的方法，所述方法包括：

从被设计用于纯化废气流的含液体的涤气器单元收集废液流；

浓缩所述废液流以产生包含按重量计4％或更少的水的回收材料；

将所述回收材料与原始尿素混合以获得混合物；以及

将所述混合物引入所述高效尿素加工设施中以与一种或多种高效添加剂混合。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述回收材料包含一种或多种化合物，所述化合物选自尿素、脲酶抑制剂、硝化抑制剂、以及它们的混合物。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述回收材料包含微量营养素。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述微量营养素选自硼、锌、镁、以及它们的混合物。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述回收材料包含专用农业化学品。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述专用农业化学品选自杀真菌剂、杀虫剂、除草剂、以及它们的混合物。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述回收材料包含生物制剂。

8.根据权利要求2所述的方法，其中所述脲酶抑制剂为N-(正丁基)硫代磷酸三酰胺(NBPT)。

9.根据权利要求2所述的方法，其中所述硝化抑制剂为双氰胺(DCD)。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述高效添加剂选自尿素、脲酶抑制剂、硝化抑制剂、微量营养素、专用农业化学品、生物制剂、以及它们的混合物。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述浓缩步骤在蒸发系统中进行。

12.根据权利要求1所述的方法，其中所述浓缩步骤进一步产生蒸发物，并且其中所述方法还包括：

将所述蒸发物用作包含液体的涤气器单元中的洗涤液，所述涤气器单元被设计用于纯化高效尿素加工设施中的废气流。

13.根据权利要求1所述的方法，其中所述混合物包含至少约5重量％的来自所述回收材料的尿素。

14.根据权利要求1所述的方法，其中所述混合物包含约5重量％至约20重量％的来自所述回收材料的尿素。

15.根据权利要求1所述的方法，其中在混合步骤之前将所述回收材料储存一段时间。

16.根据权利要求1所述的方法，其中所述原始尿素呈熔融形式。

17.根据权利要求1所述的方法，其中所述引入步骤包括将所述混合物直接引入尿素造粒系统中。

18.一种用于生产高效尿素的双系统布置结构，其包括增强的尿素加工系统以及蒸发系统，所述尿素加工系统包括造粒单元和用于纯化由此产生的废气的包含液体的涤气器单元，

其中：

将来自包含液体的涤气器单元的液体引入所述蒸发系统中，

将所述液体在所述蒸发系统内浓缩以获得再循环液体和回收材料，所述回收材料包含按重量计4％或更少的水；

将所述再循环液体引导回增强的尿素加工系统；以及

将所述回收材料与尿素混合并且将所得混合物引导回所述增强的尿素加工系统。