CN115485460A - 用于操作氨和尿素工厂设备中的气体压缩机的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
用于操作氨和尿素工厂设备中的气体压缩机的方法和系统。本公开提供了一种包括氨生产装置和尿素生产装置的工厂设备。尿素生产装置包括气体压缩机、蒸汽轮机和电动机，蒸汽轮机与氨生产装置流体连接以用于接收由氨生产装置产生的蒸汽，并且与气体压缩机连接以向气体压缩机提供动力，其中电动机连接至气体压缩机并被配置为向气体压缩机提供动力。本公开还提供了一种操作氨和尿素工厂设备的方法，以及一种改造氨和尿素工厂设备的方法。
Description
技术领域
本公开涉及尿素生产领域。具体地，本公开涉及一种工厂设备，该工厂设备包括氨生产装置和尿素生产装置，该尿素生产装置包括气体压缩机、蒸汽轮机和电动机。此外，本公开提供了一种操作在氨和尿素工厂设备中的气体压缩机的方法。
背景技术
尿素是当今工业生产的最重要的化学品之一，全世界每年生产约2亿吨尿素。大部分尿素(占总产量的90％以上)作为氮源用作农业中的化肥。尿素通过以两步工艺反应氨(NH3)和二氧化碳(CO2)来生成：首先，将两个氨分子与一个二氧化碳分子反应生成氨基甲酸铵(H2N-COONH4)；其次，使氨基甲酸铵分解为尿素和水。
在第一步工艺中，气态CO2和氨气流在合成反应器中混合。该反应在高压(100bar以上)下进行，以推动反应并提高生产率。CO2流在被注入合成反应器之前需要在类似压力下进行压缩：该步骤由气体压缩机执行，即CO2压缩机。
气体压缩机需要大量的能量来运行，而这些能量可以由各种装置(诸如汽轮机和电机)提供。
包括尿素生产装置的工厂设备通常也包括氨生产装置，因为尿素合成需要氨。氨生产装置是蒸汽的净出口装置，这意味着它生产的蒸汽比它消耗的蒸汽多，使用该蒸汽的一种方式是安装蒸汽轮机，所述蒸汽轮机为尿素生产装置的CO2压缩机提供动力，并将蒸汽从氨生产装置引至蒸汽轮机，以节省工厂设备成本。
然而，氨生产装置通常不会产生足够的蒸汽来为CO2压缩机提供全部动力。压缩机所需的其余蒸汽可能以不同的方式获得，但通常是通过燃烧可燃物(诸如天然气和煤)，以及利用在所谓的燃气锅炉中的燃烧所释放的能量使水沸腾而产生。锅炉数量取决于场地的复杂性和所需的灵活性。
当今，由于使用不可再生和污染性能源的影响，工业生产场地的环境足迹正在受到审查，因此需要减少包括氨生产装置和尿素生产装置的工厂设备中的天然气消耗。
在本公开中，氨和尿素工厂设备是指包括一个氨生产装置和一个尿素生产装置的工厂设备。
发明内容
已经发现，通过一个或多个电动机，可以替换一个或多个天然气锅炉，或至少降低天然气锅炉的天然气消耗量，所述天然气锅炉用于为连接到气体压缩机(例如，二氧化碳压缩机)的蒸汽轮机产生蒸汽。
在第一方面，本公开提供了一种工厂设备，该工厂设备包括氨生产装置和尿素生产装置，尿素生产装置包括气体压缩机、蒸汽轮机以及电动机，蒸汽轮机与氨生产装置流体连接以用于接收由氨生产装置产生的蒸汽，蒸汽轮机也与气体压缩机连接并且被配置为在尿素生产装置的运行期间向气体压缩机提供动力，其中电动机连接至气体压缩机并且被配置为在尿素生产装置的运行期间向气体压缩机提供动力。
在另一方面，本公开提供了一种操作根据本公开的工厂设备中的气体压缩机的方法，特别是在工厂设备运行期间，该方法包括从电动机向气体压缩机提供动力，特别地同时从蒸汽轮机向气体压缩机提供动力的步骤。
在另一方面，本发明提供了一种降低尿素生产装置的蒸汽消耗的方法，该尿素生产装置包括连接至蒸汽轮机并被配置为从蒸汽轮机接收动力的气体压缩机，该方法包括以下步骤：安装电动机；将电动机连接至气体压缩机；在尿素生产装置的运行期间，从电动机向气体压缩机提供动力；并且同时从蒸汽轮机向气体压缩机提供动力。
附图说明
图1表示根据现有技术的包括蒸汽轮机和CO2气体压缩机的系统。
图2表示根据本公开的包括蒸汽轮机、CO2气体压缩机和电动机的系统。
具体实施方式
除非另有定义，否则在公开本发明时使用的所有术语，包括技术和科学术语，具有本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义。通过进一步的指导，术语定义被包括在内以更好地理解本发明的教导。
本描述中引用的所有参考文献均被视为通过引用的方式全部并入。
如本文所用，以下术语具有以下含义：
除非上下文另有明确规定，否则本文所用的“一”、“一个”和“所述”均指单数和复数。例如，“一个装置”是指一个或多于一个的装置。
本文所用的用于可测量值(诸如参数、量、持续时间等)的“约”意指包括规定值的+/-20％或更少的，特别是+/-10％或更少的，更特别是+/-5％或更少的，甚至更特别地是+/-1％或更少的，以及再特别是+/-0.1％或更少的变化，在这些范围内的这些变化适合在所公开的本发明中执行。然而，应当理解，修饰语“约”所指的值本身也被具体公开。
本文所用的“包括”、“包含”和“具有”以及“由……组成”同义于“含有”、“包罗”、“囊括”或“内含”、“蕴含”、“容纳”，并且其是包含性或开放性术语，指示随后术语的存在(例如部件)，并且包括或不排除本领域已知或公开的其他非列举部件、特征、元件、构件、步骤的存在。
由端点列举的数值范围包括该范围内包含的所有数字和分数，以及列举的端点。
除非另有定义，否则表达式“重量百分比”、“％wt”或“重量％”在此处并且在整个描述中指的是基于制剂总重量的相应组分的相对重量。
本申请公开了一种工厂设备，所述工厂设备包括氨生产装置和尿素生产装置，所述尿素生产装置包括气体压缩机、蒸汽轮机以及电动机，所述蒸汽轮机与氨生产装置流体连接以用于接收由氨生产装置产生的蒸汽，并且与气体压缩机连接以向气体压缩机提供动力，其中，电动机连接至气体压缩机并且被配置为向气体压缩机提供动力。
在第一方面，本公开提供了一种工厂设备，所述工厂设备包括氨生产装置和尿素生产装置，所述尿素生产装置包括气体压缩机、蒸汽轮机以及电动机，所述蒸汽轮机与氨生产装置流体连接以用于接收由氨生产装置产生的蒸汽，蒸汽轮机也与气体压缩机连接并且被配置为在尿素生产装置的运行期间向气体压缩机提供动力，其中电动机连接至气体压缩机并且被配置为在尿素生产装置的运行期间向气体压缩机提供动力。
如本文所用，术语装置或工厂设备(特别是尿素生产装置)的“运行期间”，是指装置或工厂设备生产产品(特别是尿素)的连续运行模式。装置或工厂设备的生产周期包括其中启动不同的过程的启动阶段；连续且基本恒定的阶段或运行模式，其中过程在给定工作负载下运行，所述给定工作负载在生产周期期间通常保持恒定；以及过程被缓慢且安全地停止的关闭阶段。
本发明描述了一种工厂设备和方法，其中在连续运行模式(即如上所述的第二阶段)期间，工厂设备的蒸汽消耗减少。
长期以来，氨和尿素工厂设备都使用消耗天然气的锅炉来提供工厂设备中的不同过程所需的蒸汽。氨的生产需要氢气，氢气通常是通过蒸汽重整来生产的，这是天然气被转化为氢气和二氧化碳的过程。因此，氨和尿素工厂设备需要大量接收和储存天然气的设备，并且在工厂设备中添加额外的锅炉被视为产生额外蒸汽的有成本效益的方式。氨和尿素工厂设备通常位于天然气生产场地，以获得价格具有竞争力的大量天然气供应，并能够使用其中一些天然气来生产蒸汽。
尿素生产装置通常包括三个在不同压力下运行的蒸汽网络：包含在100bar与120bar之间(尤其是110bar)的蒸汽的高压蒸汽网络、包含在30bar与50bar之间(尤其是40bar)的蒸汽的中压蒸汽网络、以及包含在1bar与5bar之间的蒸汽的低压蒸汽网络。
在一个实施例中，与气体压缩机连接的蒸汽轮机使用40bar蒸汽运行。由所述蒸汽轮机接收到的压力和蒸汽量决定了所述蒸汽轮机能够产生的最大动力。
然而，燃烧天然气以生成蒸汽也会产生大量CO2，CO2是该反应的天然产物。当然，二氧化碳具有强大的温室气体效应，并且政治、工业和科学界在减少CO2排放方面达成了广泛共识。
另一个重要的CO2排放源是火力发电站。许多此类发电站使用不可再生热源，诸如天然气和/或煤炭。该行业也在努力减少温室效应，基于可再生能源(诸如风、阳光和瀑布)的发电站的安装也在全球范围内加速。因此，有机会改进氨和尿素工厂设备的能源消耗情况，以减少其CO2排放。
已经发现，通过安装将为气体压缩机提供动力的电动机，可以替换一个或多个用于向与尿素生产装置的气体压缩机连接的蒸汽轮机提供蒸汽的天然气锅炉，或者至少可以减少天然气锅炉的天然气消耗量。蒸汽轮机接收的蒸汽越少，向压缩机输送的动力也越少，但这种动力差由电动机补偿。同时连接到单个机器(CO2气体压缩机)的电动机和蒸汽轮机的存在，增加了工厂设备的复杂性，因为这两个动力源需要不断地平衡，以便为气体压缩机提供稳定的动力供应。因此，这种配置相比于CO2气体压缩机由单个(蒸汽)轮机或单个(电动)电机供应动力的简单配置通常不受欢迎。此外，这种配置可能还需要更多的维护和工厂设备中的空间，这增加了安装和运行工厂设备的成本。
在尿素生产装置的运行期间，电动机和蒸汽轮机同时向气体压缩机提供动力。根据诸如工厂设备中可用的蒸汽、工厂设备中可用的电力、或电力成本的参数，在尿素生产装置的生产过程中，由电动机和蒸汽轮机提供的动力的量可能会不同。
如上所述，使尿素生产装置中具有蒸汽轮机来消耗由其他生产装置(如氨生产装置)生产的蒸汽是令人感兴趣的。此外，尿素工厂设备也在较低压力(例如4bar)下产生蒸汽。这种低压蒸汽被用于尿素生产装置或其他需要蒸汽运行的过程，诸如换热器。多余的蒸汽可以被引入蒸汽轮机，以提供额外的动力。
电动机是一类众所周知的设备，其可以用于为气体压缩机(诸如尿素生产装置中的CO2压缩机)提供动力。电动机可以被从工厂设备所连接到的电网供电，但也可以由位于工厂设备内的发电站供电。例如，可以设想在工厂设备内安装太阳能电池板和/或风力涡轮机，以为电动机供电。众所周知，可再生能源是间歇性的，因此电动机通常被连接到当地电网，以补偿由于可再生能源引起的非规律发电。
在使用非CO2排放源生产大部分电力的国家，为气体压缩机供应动力的电动机尤其有益。诸如风能、阳光和瀑布的可再生能源是非CO2排放源。核电站不是基于可再生能源(铀)；然而，它们并不排放CO2。即使当地电网由使用不可再生能源的发电厂供电，使用电动机也可以节省一些CO2，因为大型发电厂通常比在化肥厂(诸如氨和尿素工厂设备)中安装的小型锅炉效率更高。
如本文所用，电动机是一种能够将电力转换为机械动力的装置。在本公开的背景下，电动机连接到轴，该轴将由电动机产生的动力传递到气体压缩机。本文描述的电动机通常不会将机械动力转换回电力。
电动机的尺寸可以根据压缩机所需的动力和由蒸汽轮机产生的动力的损失来确定，从而移除天然气锅炉或降低锅炉的生产率。
在一个实施例中，电动机被配置为提供气体压缩机所需的动力的20％-80％。在一个实施例中，电动机被配置为提供气体压缩机所需的动力的20％-50％。在一个实施例中，电动机被配置为提供气体压缩机所需的动力的50％-80％。在一个实施例中，电动机被配置为提供气体压缩机所需的动力的30％-70％。待由电动机提供的动力取决于应节省的蒸汽的量。需要从工厂设备消耗中去除的蒸汽越多，电动机需要供应的动力就越多。
在一个实施例中，蒸汽轮机仅接收来自氨生产装置的蒸汽。氨生产装置可以产生足够的蒸汽以提供给蒸汽轮机，并且由所述蒸汽轮机实现所需的发电。在这种情况下，不需要天然气锅炉来产生额外的蒸汽。该工厂设备也可以包括多个(即多于一个)氨生产装置，并且多个氨生产装置都向尿素生产装置的蒸汽轮机提供蒸汽。当工厂设备包括多于一个的氨生产装置时，天然气锅炉更有可能不需要向尿素生产装置的蒸汽轮机提供蒸汽。
在一个实施例中，包括氨生产装置和尿素生产装置的工厂设备还包括另一蒸汽生产装置。化肥厂可以包括其他与化肥生产相关或无关的生产装置。这些装置可以产生不在装置内消耗，并且可以被引导至尿素生产装置中的蒸汽轮机的蒸汽。
在一个实施例中，包括氨生产装置和尿素生产装置的工厂设备还包括硝酸生产装置。硝酸是生产化肥的另一种重要化学品。它与碱(诸如氨或磷矿)反应以生成固态化肥合成物。硝酸的生产需要氨，因此包含氨生产装置的工厂设备也可以包含硝酸生产装置，以利用工厂设备中生产的氨。硝酸生产装置包括多件设备，诸如反应器、热交换器等。硝酸生产装置也是蒸汽的净出口装置，所述蒸汽可以被提供给尿素生产装置的气体压缩机的蒸汽轮机。
在一个实施例中，硝酸生产装置向与根据本公开的氨和尿素工厂设备的气体压缩机连接的蒸汽轮机提供蒸汽。
在一个实施例中，蒸汽轮机仅接收来自氨生产装置和硝酸生产装置的蒸汽。
在一个实施例中，连接到电动机的气体压缩机是二氧化碳压缩机。
本公开还公开了一种操作根据本公开的工厂设备中的气体压缩机的方法，该方法包括以下步骤：从电动机向气体压缩机提供动力。本公开还公开了一种操作根据本公开的工厂设备中的气体压缩机的方法，特别是在根据本公开的工厂设备或尿素生产装置的连续运行期间，该方法包括以下步骤：从电动机向气体压缩机提供动力，并且同时从蒸汽轮机向气体压缩机提供动力。
已经发现，将尿素生产装置的气体压缩机连接到蒸汽轮机和电动机是一种优势。工厂设备中包含的氨生产装置和可选的硝酸生产装置为蒸汽轮机提供蒸汽。天然气锅炉也可以产生蒸汽。
电动机可以由当地发电站(特别是基于可再生能源的发电站)以及由国家电网提供电力。该电机通过向气体压缩机提供动力，使得降低了工厂设备的天然气消耗量。这种方法在使用非CO2排放方法生产大部分电力的国家尤其有利。
本公开的该方面可以表现出与第一方面(即根据本公开的工厂设备)相同或类似的特征和技术效果，反之亦然。
在尿素生产装置连续生产尿素期间，电动机和蒸汽轮机两者连续地且同时地向气体压缩机提供动力。在生产运行期间，由每个装置提供的动力可能会不同。
在另一方面，本发明提供了一种降低尿素生产装置的蒸汽消耗的方法，该尿素生产装置包括连接到蒸汽轮机并被配置为从蒸汽轮机接收动力的气体压缩机，该方法包括以下步骤：安装电动机；将电动机连接至气体压缩机；在尿素生产装置的运行期间，从电动机向气体压缩机提供动力；并且，同时从蒸汽轮机向气体压缩机提供动力。
电动机被安装且连接至气体压缩机。在尿素生产装置的运行期间，电动机被供应有电力，所述电力可以从可再生能源(诸如水力发电、风力、太阳能和潮汐)产生，并且向气体压缩机提供机械动力。因此，现有的蒸汽轮机不需要向气体压缩机提供与现有技术系统(即在没有电动机的情况下)相同的动力，因此可以减少向蒸汽轮机提供的蒸汽量。在这种尿素生产装置中，蒸汽通常通过燃烧天然气并且以所得热量加热水来产生。因此，减少工厂设备或装置所需的蒸汽量，可以减少被燃烧以产生蒸汽的天然气的量，并减少产生蒸汽造成的二氧化碳排放。
气体压缩机可以是合成气压缩机、二氧化碳压缩机或氨压缩机。
在一个实施例中，氨生产装置向尿素生产装置的蒸汽轮机供应蒸汽。
在一个实施例中，工厂设备包括硝酸生产装置，并且硝酸生产装置向尿素生产装置的蒸汽轮机供应蒸汽。
在另一方面，本公开提供了一种改造工厂设备的方法，该工厂设备包括氨生产装置和尿素生产装置，所述尿素生产装置包括气体压缩机和蒸汽轮机以及与蒸汽轮机连接的天然气锅炉，所述蒸汽轮机与氨生产装置流体连接以接收由氨生产装置产生的蒸汽，所述蒸汽轮机与气体压缩机连接以向气体压缩机提供动力。该方法包括以下步骤：安装电动机，该电动机连接至气体压缩机并被配置为向气体压缩机提供动力；并且可选地，将天然气锅炉与蒸汽轮机断开连接。
本公开的该方面可以表现出与第一方面(即根据本公开的工厂设备)相同或类似的特征和技术效果，反之亦然。
这可以适用于现有的氨和尿素工厂设备，在所述氨和尿素工厂设备中，用于尿素生产装置的气体压缩机的蒸汽轮机由一个或多个天然气锅炉提供蒸汽。安装电动机以向气体压缩机提供动力确实是可能的，而且相对容易。电机可以有多种设计、尺寸和性能，因此可以为大多数现有的氨和尿素工厂设备找到合适的电动机。一旦安装了电机，蒸汽轮机对蒸汽的需求就会减少。这种减少可能使得处于一个或多个天然气锅炉根本不再需要运行的状态，并因此可以与蒸汽轮机断开连接。它们可能会被重新分配到工厂设备内的另一任务，或者干脆移除。替换地，如果使用天然气锅炉，所需蒸汽的减少可能只会降低使用率。可以以低于80％的生产能力运行，特别是以低于70％的生产能力运行锅炉，而不是以90％的生产能力运行锅炉，以此延长锅炉的使用寿命和/或便于维护。
在一个实施例中，电动机被安装并连接到尿素生产装置的二氧化碳压缩机。
示例1
在包括氨生产装置、尿素生产装置和硝酸生产装置的工厂设备中，尿素生产装置包括向CO2压缩机(2)提供动力的蒸汽轮机(1)。
图1表示初始系统，即现有技术：蒸汽轮机以215吨/小时(t/h)接收40bar蒸汽(蒸汽(10))，并为CO2压缩机产生19.7MW的动力。在氨生产装置和硝酸生产装置中以215t/h、145t/h产生蒸汽，并且天然气锅炉以70t/h产生蒸汽。此外，在将尿素生产装置中过量的以18t/h产生的4bar蒸汽(蒸汽(11))注入蒸汽轮机时，以138t/h从蒸汽轮机提取20bar蒸汽(蒸汽(12))并且将其用于尿素生产装置。
图2表示根据本公开的系统。电动机(3)被安装并且连接至CO2压缩机(2)。电动机被配置为产生10.2MW的动力，并向CO2压缩机(2)提供该动力。蒸汽轮机(1)只需要产生9.5MW，因此蒸汽供应量减少至175t/h(蒸汽(13)，蒸汽(13)仍然由氨生产装置和硝酸生产装置以145t/h产生。现在，天然气锅炉仅以30t/h而不是70t/h来产生40bar蒸汽，相当于每小时节省5.4吨CO2当量。蒸汽轮机仍然以18t/h接收4bar蒸汽(蒸汽(14))，并且以138t/h从所述蒸汽轮机中提取20bar蒸汽(蒸汽15)。
Claims (9)
1.一种工厂设备，包括：
-氨生产装置；以及
-尿素生产装置，包括：
气体压缩机；
蒸汽轮机，所述蒸汽轮机与所述氨生产装置流体连接以用于接收由所述氨生产装置产生的蒸汽，所述蒸汽轮机与所述气体压缩机连接，并且被配置为在所述尿素生产装置的运行期间向所述气体压缩机提供动力；和
电动机；
其特征在于，所述电动机连接至所述气体压缩机，并且被配置为在所述尿素生产装置的运行期间向所述气体压缩机提供动力。
2.根据权利要求1所述的工厂设备，其中，所述电动机被配置为在所述尿素生产装置的运行期间提供所述气体压缩机所需的动力的20％-80％。
3.根据权利要求1或2所述的工厂设备，其中，所述工厂设备包括硝酸生产装置。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的工厂设备，其中，所述气体压缩机是二氧化碳压缩机。
5.一种操作根据权利要求1至4中任一项所述的工厂设备中的气体压缩机的方法，所述方法包括在尿素生产装置的运行期间从电动机向所述气体压缩机提供动力，并且同时从蒸汽轮机向所述气体压缩机提供动力的步骤。
6.一种降低尿素生产装置的蒸汽消耗的方法，所述尿素生产装置包括气体压缩机，所述气体压缩机连接至蒸汽轮机并被配置为从所述蒸汽轮机接收动力，所述方法包括以下步骤：安装电动机；将所述电动机连接至所述气体压缩机；在所述尿素生产装置的运行期间，从所述电动机向所述气体压缩机提供动力；并且同时从所述蒸汽轮机向所述气体压缩机提供动力。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，氨生产装置向所述尿素生产装置的所述蒸汽轮机提供蒸汽。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其中，工厂设备包括硝酸生产装置，并且所述硝酸生产装置向所述尿素生产装置的所述蒸汽轮机提供蒸汽。
9.一种改造工厂设备的方法，所述工厂设备包括氨生产装置和尿素生产装置，所述尿素生产装置包括气体压缩机和蒸汽轮机以及与所述蒸汽轮机连接的天然气锅炉，所述蒸汽轮机与所述氨生产装置流体连接以接收由所述氨生产装置产生的蒸汽，所述蒸汽轮机与所述气体压缩机连接以向所述气体压缩机提供动力，所述方法包括以下步骤：
-安装电动机，所述电动机连接至所述气体压缩机并被配置为向所述气体压缩机提供动力；并且
-可选地将所述天然气锅炉与所述蒸汽轮机断开连接。
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