CN109665976A - 一种氨法回收烟道气co2与尿素联合生产的工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氨法回收烟道气CO2与尿素联合生产的工艺，以氨作为CO2的携带剂，即用氨吸收CO2，形成的碳铵液不用再生，直接以液相回到尿素装置，放弃原醇胺吸收工艺，降低醇胺液消耗过大以及再生带来的高消耗以及高成本问题，同时，考虑尿素装置的工艺参数及能力，将吸收后的碳铵液直接送入尿素的低压、中压或高压系统，减少了CO2的解析和压缩环节，降低能耗。

Description

一种氨法回收烟道气CO2与尿素联合生产的工艺
技术领域
本发明公开涉及尿素生产的技术领域，尤其涉及一种氨法回收烟道气CO2与尿素联合生产的工艺。
背景技术
目前，在尿素的生产过程中，主要是以液体氨和气体二氧化碳作为原料进行反应，获得尿素。现有技术中，一方面为了节能，另一方面为了补充尿素生产中二氧化碳的不足，通常会建立一套烟道气CO2回收装置，该烟道气经常压MEA法脱碳装置脱碳后，引入到尿素生产设备进行尿素的生产。将上述MEA法脱碳进行成本考核，具体如下表：
MEA法脱碳考核结果(以每1000Nm3产品CO2计)
项目 单位 单耗实际值 单价(元) 金额(元)
MEA kg 3.2 9.4 30.08
蒸汽(＜0.35Mpa，147℃) t 4.9 100 490.00
循环水 <sup>3</sup> 361* 0.2 72.20
精制水 <sup>3</sup> 0.27* 12.0 3.24
电(380V，50Hz) kwh 88.1 0.5 44.05
变动成本 639.57
考核结果表明，CO2变动成本为639.57元/千标立，折合326元/吨。
由上表可见，由于再生蒸汽消耗，导致MEA法脱碳工艺成本高，采用MEA方法将产品CO2回到尿素装置并不经济。
因此，如何研发一种既能回收CO2回到尿素生产装置中使用，又能低成本的方法，成为人们亟待解决的问题。
发明内容
鉴于此，本发明提供了一种氨法回收烟道气CO2与尿素联合生产的工艺，以至少解决现有技术中采用MEA法脱碳进行尿素生产时存在的成本等问题。
本发明提供的技术方案，具体为，一种氨法回收烟道气CO2与尿素联合生产的工艺，其特征在于，采用氨法吸收烟道气中的二氧化碳，生成碳铵液，将所述碳铵液输送到尿素生产装置中，进行尿素的生产。
优选，将所述碳铵液输送到尿素生产装置中的低压、中压或高压系统中，进行尿素的生产。
进一步优选，所述氨法回收烟道气CO2与尿素联合生产的工艺，具体包括如下步骤：
将烟道气经冷却洗涤塔冷却降温至40℃后，由烟道气风机加压后送入吸收塔下部，与氨含量较高的碳铵液在吸收塔的吸收段内逆流接触，回收所述烟道气中的CO2后，获得氨含量较低的碳铵液；
所述烟道气由所述吸收塔吸收段进行CO2吸收后，与吸收塔洗涤段加入的冷凝液逆流接触，回收其中的氨后，排放到大气；
所述获得的氨含量较低的碳铵液，与所述吸收塔底部加入的氨接触又形成氨含量较高的碳铵液釜液，所述釜液经泵加压后，一部分送往尿素生产装置，另一部分重新返回吸收塔吸收段循环使用。
进一步优选，所述氨含量较高的碳铵液中氨的浓度为30％以上。
进一步优选，在釜液泵出口处设有水冷器，返回吸收塔上部的釜液经过水冷器进行冷却。
本发明提供的氨法回收烟道气CO2与尿素联合生产的工艺，以氨作为CO2的携带剂，即用氨吸收CO2，形成的碳铵液不用再生，直接以液相回到尿素装置，放弃原醇胺吸收工艺，降低醇胺液消耗过大以及再生带来的高消耗以及高成本问题，同时，考虑尿素装置的工艺参数及能力，将吸收后的碳铵液直接送入尿素的低压、中压或高压系统，减少了CO2的解析和压缩环节，降低能耗。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明公开实施例提供的一种氨法回收烟道气CO2与尿素联合生产的工艺流程图；
图2为MEA脱碳联合尿素工况与氨法脱碳联合尿素工况的对比图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
本实施方案提供了一种氨法回收烟道气CO2与尿素联合生产的工艺，该工艺采用氨法吸收烟道气中的二氧化碳，形成碳铵液不用再生，直接以液相输送到尿素装置中，进行尿素的生产，考虑尿素装置的工艺参数及能力，优选，将吸收后形成的碳铵液直接送入尿素的低压、中压或高压系统中，减少CO2的解析和压缩环节，降低能耗。
参见图1为本实施方案提供的一种联合生产的工艺流程，具体为：
将烟道气经冷却洗涤塔1冷却降温至40℃后，由烟道气风机2加压后送入吸收塔3下部，与氨含量较高的碳铵液在吸收塔的吸收段内逆流接触，回收烟道气中的CO2后，获得氨含量较低的碳铵液；
烟道气由吸收塔吸收段进行CO2吸收后，与吸收塔洗涤段加入的冷凝液逆流接触，回收其中的氨后，排放到大气，其中冷凝液可以是来自尿素生产设备也可以是其他的冷凝水，该冷凝水的加入主要目的是捕捉逃逸氨，降低氨损耗；
获得的氨含量较低的碳铵液，与吸收塔底部加入的氨接触又形成氨含量较高的碳铵液釜液，碳铵液釜液经泵加压后，一部分送往尿素生产装置，另一部分重新返回吸收塔吸收段循环使用，以加强CO2的吸收效果。
上述的“较高”和“较低”是碳铵液在反应前和反应后比较氨含量而言的，并没有具体的数据要求，优选，氨含量较高的碳铵液中氨浓度为大于30％，之所以要求高浓度主要目的在于输入到尿素设备中进行尿素生产时能够节约能耗。
参见图1，还可在釜液泵4出口处设有水冷器5，返回吸收塔上部的釜液经过水冷器进行冷却，用以调节吸收塔操作温度。
具体实施例
按照上述联合生产的工艺流程，本实施例具体设计了一套工艺方法，并与现有技术中的MEA法脱碳联合生产方法进行比对。
1、按照本发明提供的工艺流程设计的参数如下：
1.1、回收CO2量按2000Nm3/hr计算，不考虑CO2回收率，因为系统CO2量足够。
1.2、由于本工艺的最终结果是为尿素系统输送所需的碳铵溶液，因此，吸收剂进行CO2吸收后，产生的釜液应首先满足尿素装置要求，釜液组成约为NH331％、CO233％、H2O35％，溶液量11.9t/h。
1.3、采用原风机出口设计的8.8KPa压力操作。
2、将两种CO2回收方式联合尿素生产的经济性进行比较：
以两种工况尿素装置投入的主要原料NH3、CO2量相等，尿素Ur产量相等，按每小时投料量进行计算。
2.1两种工况投入产出图参见图2，图中只列出两种工况可能变化的投入量，分析没有变化的或者变化很小的未列出。
2.2两种工况投入量的讨论
MEA法脱碳联合生产以工况1简称，MEA法脱碳联合生产以工况2简称。
以工况1为基准，CO2回收量以2000Nm3为基准进行讨论，每小时量。
工况2中，氨法脱碳的MEA、蒸汽、精制水消耗将减少到0，循环水和电的消耗变化不大，可以视为不变。
工况2中，尿素装置的NH3、CO2总消耗不变(计算基准)，只不过有3.69t/h的NH3从CO2回收装置加入，对应的尿素一侧少投入3.69t/h的NH3。假设由于工况的变化，尿素装置蒸汽消耗增加ΔW1吨，电耗增加ΔQ1度。
2.3工况2尿素装置物料平衡变化
从图2可以看出，工况2只是使得合成塔的进料比工况1多了4.17t/h的水，从而使进合成塔的水碳比降低，进而使得CO2的转化率下降，系统循环回来的物料增多，会使水碳比进一步提高，如此循环，直至建立新的平衡，必须用迭代法进行计算。但有一条是不变的，即两种工况完成的尿素产量相同，也就是说合成塔出料中尿素的流量是不变的。工况1下，合成塔出料以及系统返回物料汇总组成如表1所示。计算得CO2转化率为65％，水碳比为(2494-1228)/(661+1228)＝0.67，氨碳比为(4156+2*1228)/(661+1228)＝3.5。
表1：合成塔出料以及总返回料组成
第一次迭代。工况2下，合成塔入口多了4.17吨(232kmol)的水，计算得水碳比为(2494-1228+232)/(661+1228)＝0.79。根据库切里亚维公式
x＝34.3a-1.77a2-29.3b+3.7ab+0.913t-0.748at-5.4*10-6t3+0.0234p-112.1
x—转化率，％；a—氨碳比；b—水碳比；t—温度，℃；p—压力，MPa。
假设a、t、p保持不变，根据该公式，转化率将下降2个百分点，即下降到63％。
第二次迭代。根据第一次迭代的结果计算新的水碳比以及转化率。为完成同样的生产任务，推知合成塔总的进料中CO2量为(661+1228)*65％/63％＝1949kmol,即比工况1多1949-(661+1228)＝60kmol，也就是说所有循环回来的CO2比工况1多了60kmol，这60kmol的CO2循环回来又使得入塔水量增加，我们假设循环回来的水量按照表3<系统返回物料汇总>的比例返回，计算得水量增加25.31/13.34*60＝114kmol。水碳比为(2494-1228+232+114)/(661+1228+60)＝0.83，计算得转化率比工况1下降2.6个百分点，达到62.4％。
第三次迭代。根据第二次迭代的结果计算新的水碳比以及转化率。按同样算法，为完成同样的生产任务，推知合成塔总的进料中CO2量为(661+1228)*65％/62.4％＝1968kmol,即比工况1多79kmol，水量增加150kmol。水碳比为(2494-1228+232+150)/(661+1228+79)＝0.837，计算得转化率比工况1下降2.73个百分点，达到62.27％。
依次，将多次迭代的结果列于表2。
表2：合成塔相关数据计算结果
从表2中可以看出，6次迭代后合成塔水碳比为0.84，增加0.170，尿素转化率为62.22％，下降2.78％。下面讨论尿素装置工况变化后蒸汽消耗变化以及电耗变化。
2.4尿素装置蒸汽量的变化
蒸汽消耗的变化分段进行考虑：CO2压缩机的蒸汽量与打气量同比变化；高压、中压、低压系统蒸汽消耗(产生)随进入合成塔的物料流量同比变化，近似认为随转化率反比变化；真空预浓缩以及两段蒸发蒸汽消耗随着所要去除的尿素中的总水量同比变化；水解解析系统的蒸汽消耗随着处理的冷凝液量同比变化。计算时忽略各级蒸汽的差别。
工况1CO2压缩机蒸汽状况如表3，消耗为“+”，抽气(产气)记为“-”，下同。总蒸汽消耗为53.43+15.5-16.43＝52.59t。工况1时打气量为28400NM3，工况2时打气量下降2000NM3，所以工况2时耗气量下降(2000/28400)*52.59＝3.7吨，即增加-3.7吨。表3：压缩机蒸汽消耗
设备名称 高压蒸汽t 低压注汽t 中压抽气t
CO<sub>2</sub>压缩机 53.43 15.5 -16.34
工况1高压、中压、低压系统蒸汽消耗(产出)情况如表4，总耗气量为4.67t，工况2总耗气量变化为(65/62.22)*4.67＝4.87t,工况2耗气量增加0.2t。
表4：高、中、低压消耗蒸汽表
设备名称 蒸汽量t
300E01汽提塔 52.87
300E02A中压加热 8.12
300E02B中压加热 0.78
300E03低压加热 7.17
300E04甲铵冷凝器 -64.27
工况1真空预浓缩、蒸发系统蒸汽消耗如表5，耗气量为16.34t，从尿素中去除的水量为15.183t。工况2去除的水量增加4.17t，故增加耗气量为(4.17/15.183)*16.34＝4.49t。
表5：真空预浓缩、蒸发系统蒸汽消耗表
设备名称 设计蒸汽消耗数据(t)
300E14一段加热器 11.78
300E15二段加热器 4.56
工况1水解解析系统蒸汽消耗见表6，处理水量为46.62t。工况2时增加处理水量为4.17t，故蒸汽消耗增加4.17/46.62*11.35＝1.02t。
表6:水解解析系统蒸汽消耗表
设备名称 蒸汽消耗t
300T02/R02解析、水解塔 11.35
工况2比工况1整个尿素系统蒸汽消耗增加：-3.7+0.2+4.49+1.02＝2.01t。
2.5两种工况功率变化
通过分析，以下机泵功率变化比较明显，具体如表7。
表7：机泵功率变化表
整个系统机泵功率增量为：-61+142+16.7+0.76+2.62+8.49＝110KW
2.6两种工况各种消耗的比较
从图2可以看出，工况2比工况1消耗的增量列于表8。
表8：两种工况消耗变化表
也就是说，两种工况对比，工况2比工况1，MEA减少6.4kg，蒸汽减少7.8吨，精制水减少0.54t，电增加110kwh，回收2000Nm3CO2，成本下降791元，相当于每吨CO2成本下降201元。
因此，氨法回收烟气CO2与尿素生产联合，流程简化，免去再生环节，技术上完全可行。CO2回收工段蒸汽消耗降低明显，尿素工段蒸汽消耗略有上升，电耗略有上升，但回收工段消耗下降得更多，总体消耗还是下降的，总体成本也是下降的，并且下降还比较明显，经济上也是可行的。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述的内容，在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (5)

1.一种氨法回收烟道气CO2与尿素联合生产的工艺，其特征在于，采用氨法吸收烟道气中的二氧化碳，生成碳铵液，将所述碳铵液输送到尿素生产装置中，进行尿素的生产。
2.根据权利要求1所述氨法回收烟道气CO2与尿素联合生产的工艺，其特征在于，将所述碳铵液输送到尿素生产装置中的低压、中压或高压系统中，进行尿素的生产。
3.根据权利要求1所述氨法回收烟道气CO2与尿素联合生产的工艺，其特征在于，具体包括如下步骤：
将烟道气经冷却洗涤塔冷却降温至40℃后，由烟道气风机加压后送入吸收塔下部，与氨含量较高的碳铵液在吸收塔的吸收段内逆流接触，回收所述烟道气中的CO2后，获得氨含量较低的碳铵液；
所述烟道气由所述吸收塔吸收段进行CO2吸收后，与吸收塔洗涤段加入的冷凝液逆流接触，回收其中的氨后，排放到大气；
所述获得的氨含量较低的碳铵液，与所述吸收塔底部加入的氨接触又形成氨含量较高的碳铵液釜液，所述釜液经泵加压后，一部分送往尿素生产装置，另一部分重新返回吸收塔吸收段循环使用。
4.根据权利要求3所述氨法回收烟道气CO2与尿素联合生产的工艺，其特征在于，所述氨含量较高的碳铵液中氨的浓度为30％以上。
5.根据权利要求3所述氨法回收烟道气CO2与尿素联合生产的工艺，其特征在于，在釜液泵出口处设有水冷器，返回吸收塔上部的釜液经过水冷器进行冷却。
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