CN117460693A - 用于生产硝酸的单压系统及其操作方法 - Google Patents
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Abstract
本公开公开了一种用于以降低的功耗生产硝酸的系统。所述系统包括空气压缩机，从而产生压缩空气流；加压富氧气体源，所述加压富氧气体源的压力高于所述压缩空气流的压力，与所述压缩空气流流体连通，以提供富氧气体/压缩空气流混合物；混合装置，所述混合装置用于将所述富氧气体/压缩空气流混合物与氨气流混合；氨转化器，所述氨转化器用于提供NOx气体/蒸汽混合物；水冷却器/冷凝器，所述水冷却器/冷凝器用于将蒸汽与所述气态NOx气体/蒸汽混合物中的NOx气体分离并冷凝；在所述水冷却器/冷凝器下游的吸收塔，所述吸收塔用于吸收水中的NOx气体，以提供含有残余NOx气体的粗硝酸流和包含NOx气体的尾气。该系统的特征进一步在于，其进一步包括用于将所述尾气分流成被引导至尾气膨胀机的第一尾气流和被引导至用于加压所述尾气流的加压装置的第二尾气流的装置，所述加压装置与所述压缩空气流流体连通；以及用于调节被分流成所述第一尾气流和所述第二尾气流的尾气量的装置。本公开进一步涉及一种在本公开的系统中以降低的功率压缩生产硝酸的方法。本公开进一步涉及本公开的系统用于以降低的功耗生产硝酸的用途。最后，本公开涉及将用于生产硝酸的系统改造成本公开的系统。
Description
技术领域
本公开涉及单压设备中的硝酸生产领域。
介绍
纯硝酸是一种透明无色的液体，有强烈气味。硝酸主要通过氨的催化氧化(奥斯特瓦尔德法(Ostwald process))大量生产。氨经两个阶段转化为硝酸。氨首先在氨燃烧器中在铂丝网(通常称为氨转化器)上被氧化，从而产生氧化氮(在本公开中也称为一氧化氮(NO))和水：
4NH3(g)+5O2(g)→4NO(g)+6H2O(g) (1)
然后来自(1)的反应产物氧化氮在冷却之后在氧化区段中被氧化成二氧化氮(NO2)并被进一步氧化成四氧化二氮N2O4(g)：
2NO(g)+O2(g)→2NO2(g) (2)
2NO2(g)→N2O4(g) (3)
氮氧化物气体的冷却通过以下步骤完成：首先通过使用废热回收系统回收氨转化为氧化氮的热量，然后通过使用冷却器冷凝器，其中冷凝的硝酸与氧化氮、二氧化氮以及四氧化二氮和硝酸气体(统称为NOx气体)分离，并且最后通过加热在吸收塔的出口处释放的尾气，NOx气体在吸收塔中被吸收。
二氧化氮和四氧化二氮通过吸收在水中而被转化为硝酸和氧化氮：
3NO2(g)+H2O(l)→2HNO3(aq)+NO(g) (4)
3N2O4(g)+2H2O(l)→4HNO3(aq)+2NO(g) (5)
获得高达68％的弱硝酸(共沸物)。经由精馏过程，硝酸的浓度可以提高到99％的浓硝酸。总反应由下式给出：
NH3+2O2→HNO3+H2O (6)
硝酸生产设备中的主要工艺单元包括氨转化器(使用氧气经合适的催化剂将氨转化为氧化氮)、氧化区段(将氧化氮转化为二氧化氮和四氧化氮)、吸收器单元(用于将NOx气体吸收到水中)和漂白器单元(从硝酸水溶液中去除未反应的溶解气体，特别是含有NOx和气体的溶解气体，使其呈现典型的褐色)。
硝酸的生产工艺可分为单压(单一压力)和双压(分压)工艺。
在单压工艺中，转化器和吸收器单元在大致相同的工作压力下操作。此类单压工艺通常包括低压(LP，2巴至6巴)工艺；和高压(HP，6巴至16巴，特别是9巴至16巴)工艺。
空气压缩机的驱动力通常源自尾气涡轮机和蒸汽涡轮机或电动机。因此，单压硝酸生产设备的压缩机组通常包括空气压缩机、尾气涡轮机和蒸汽涡轮机或电动机。
更详细地，参考图1，根据现有技术的单压设备和工艺按以下方式工作。任选地在预热器单元(未示出)中被预热的气态氨32在混合装置35中与使用空气压缩机36加压的压缩空气34混合，并且所得的氨/富氧空气混合物14被馈入氨转化器37，在该氨转化器中氨通过合适的催化剂而被氧化，从而获得包含水和氧化氮(NO)的NOx气体/蒸汽混合物15。从氨转化器出来的混合物的热量被回收，之后NOx气体/流混合物随后在水冷却器/冷凝器38中冷却到水冷凝的温度，并且自气态NOx流22中分离出水性稀硝酸混合物17。气态NOx流被进一步氧化以进一步将NO转化为NO2和N2O4，并任选地在冷却器/分离器39中再次冷却以分离出另一水性稀硝酸混合物17，其被引导至吸收塔41，通常称为吸收塔。在另一端，气态NOx流22也被送到吸收器单元41。在吸收器单元41内，NOx气体与水反应以产生尾气5和还含有残余NOx气体的粗硝酸流27，该流被馈入漂白器(未示出)。然后在漂白器单元(未示出)内用气态介质(未示出)(比如含氧气体或空气)汽提出粗硝酸流27中的残余NOx气体；漂白器单元通常在与氨转化器大致相同的压力下操作。空气压缩机36的驱动力源自尾气膨胀机7和蒸汽涡轮机51或电动机(未示出)。在氨转化器37中产生的热量或从气态NOx流15产生的热量可用于产生用于蒸汽涡轮机51的蒸汽。任选地经加热尾气5在尾气膨胀机7中膨胀。
用于氨氧化的空气通常表示为一次空气；在漂白器单元中用作汽提介质的空气通常表示为二次空气。
根据现有技术，改造硝酸生产设备以提高其产能通常是基于增加进入反应器的一次空气的量，这导致生产的硝酸量成比例地增加。
反应器中一次空气的量的增加需要安装新的空气压缩机或改造现有的空气压缩机。这种改造有明显的缺点。首先，它需要增加现有设备(即空气压缩机以及对应的涡轮机和电动机)的修改或更换成本。此外，设备的改造技术要求也高，导致设备停机时间长。
与硝酸生产设备相关的另一个问题是操作空气压缩机需要大量的能量。因此，需要大量的能量来实现目标硝酸生产量。
因此，本发明的目标是提供一种系统和用于操作该系统的方法，其允许减少操作硝酸设备中的空气压缩机所需的功率。
背景技术
在CN110540178A(中国成达工程有限公司，2019)中，公开了一种用于生产硝酸的工艺。一种中压法生产硝酸的方法，其特征在于，氨氧化和吸收压力为0.5Mpa至0.6MPa；离开吸收塔的尾气通过碳分子筛变温吸附(TSA)处理装置，以将尾气中的氮氧化物含量降低至100mg/Nm3以下；空气压缩机的工艺空气作为碳分子筛变温吸附处理装置的再生解吸气体，并且含有氮氧化物的再生解吸气体可返回氨氧化反应器重复使用；在氧化反应器中添加一层N2O分解催化剂，以通过反应将N2O含量降低至50PPM至100PPM；硝酸漂白塔布置在吸收塔的底部，并且两个塔一体化，从而缩短了工艺流程，并且降低了设备投资。然而，就空气压缩机压缩的空气量而言，要压缩与没有TSA单元时相同的空气量：在存在TSA单元的情况下，压缩的空气量最初直接在TSA单元与氨氧化反应器之间分流，并且最后，随着离开TSA单元的压缩空气量也被引导至氨氧化反应器，由空气压缩机压缩的空气总量最终进入氨氧化反应器。
在WO2018/162150A1(Casale SA，2018年9月13日)中，提出了一种解决方案来克服改造缺陷。WO2018162150A1公开了一种用于硝酸生产的双压设备，其包括：提供含有氮氧化物的气态流出物的反应器；其中氮氧化物与水反应从而提供粗硝酸的吸收器单元，并且该吸收器单元在大于该反应器的压力的压力下操作；将反应器流出物的压力升高到吸收器单元压力的压缩机，该设备还包括第一HP漂白器单元和第二LP漂白器单元，该第一HP漂白器单元用空气从吸收器单元的输出流中汽提NOx气体，从而提供部分汽提的硝酸流和载有氮氧化物的空气流，前者被馈入第二LP漂白器单元，而后者被再循环到NOx气体压缩机上游的氧化区段。还提供了另一空气压缩机，其为第一HP漂白器单元提供空气。因此，需要能量以便在高压下操作第一HP漂白器单元，并且然后将NOx气体再循环到NOx气体压缩机的递送侧。
因此，仍然需要一种工艺和对应的设备设置，以使操作空气压缩机所需的能量最小化，从而避免与这些压缩机相关联的硝酸生产量的瓶颈。
发明内容
在本公开的一个方面，公开了一种用于以降低的功耗生产硝酸的系统。该系统包括：
·空气压缩机，该空气压缩机用于将空气压缩至压力P1，包括入口和出口，以提供压缩空气流；
·压力高于P1的加压富氧气体源，比如高压水电解槽，该加压富氧气体源与压缩空气流流体连通，以提供富氧气体/压缩空气流混合物；
·混合装置，该混合装置用于将富氧气体/压缩空气流混合物与氨气流混合，任选地在预热器中预热，以提供氨/富氧空气混合物；
·氨转化器，该氨转化器用于氧化氨/富氧空气混合物中的氨，以提供包含水和氧化氮的NOx气体/蒸汽混合物；
·用于测量氨转化器中的温度的装置；
·用于调节氨转化器中的氨浓度和氧浓度的装置；
·蒸汽涡轮机或电动机以及用于将蒸汽转化为电力、用于将蒸汽转化为动力的装置，该蒸汽涡轮机或电动机以及装置与氨转化器或NOx/气体蒸汽混合物流体连通；
·水冷却器/冷凝器，该水冷却器/冷凝器用于将蒸汽与气态NOx气体/蒸汽混合物中的NOx气体分离并冷凝，从而产生水性稀硝酸混合物和气态NOx流；
·在水冷却器/冷凝器下游的吸收塔，该吸收塔用于从水中的气态NOx流中吸收NOx气体，以提供含有残余NOx气体的粗硝酸流和包含NOx气体的尾气，该吸收塔包括吸收塔尾气出口，用于排出尾气；以及
·尾气膨胀机，该尾气膨胀机用于使吸收塔下游的尾气膨胀，包括与吸收塔尾气出口流体连通的尾气膨胀机入口，以及尾气膨胀机出口。该系统的进一步特征在于，其进一步包括：
·用于将尾气分流成被引导至尾气膨胀机入口的第一尾气流和被引导至用于将尾气流加压至约P1的压力的加压装置的第二尾气流的装置，该加压装置与压缩空气流流体连通，以提供与压缩空气流结合的加压尾气流；以及
·用于调节被分流成被引导至尾气膨胀机入口的第一尾气流和被引导至加压装置的第二尾气流的尾气量的装置。
发明人已经认识到，在空气压缩机下游和氨转化器上游，在大约压缩空气流的压力P1的压力下将尾气中的一部分再循环到压缩空气流中，同时将加压氧气馈入压缩空气流，并将氨转化器中的温度保持在800℃至950℃范围内，并且氨转化器中的氧与氨摩尔比保持在1.3与9之间时，考虑到尾气膨胀机产生的功率减小、尾气压缩至P1以及空气压缩机所需的功率减小，压缩机组的净功耗降低。因此，采用本公开的系统，在减小空气压缩机的尺寸和尾气膨胀机的尺寸的同时，实现了功率减小，从而减少了设备的占地面积并简化了系统。此外，加压氧气或富氧气体的单独供应确保了氨到一氧化氮的最佳转化。
在根据本公开的系统的一个实施例中，该系统进一步包括尾气加热器，该尾气加热器具有与吸收尾气出口流体连通的入口和与尾气膨胀机入口流体连通的出口，该尾气加热器位于水冷却器/冷凝器的上游，用于利用来自氨转化器的NOx气体/蒸汽混合物的热量将来自吸收塔的尾气加热至200℃至650℃之间的温度，并且其中用于分流尾气的装置位于尾气加热器的上游。
在根据本公开的系统的一个实施例中，该系统进一步包括尾气加热器，该尾气加热器具有与吸收尾气出口流体连通的入口和与尾气膨胀机入口流体连通的出口，该尾气加热器位于水冷却器/冷凝器的上游，用于利用来自氨转化器的NOx气体/蒸汽混合物的热量将来自吸收塔的尾气加热至200℃至650℃之间的温度，并且其中用于分流尾气的装置位于尾气加热器的下游。
在根据本公开的系统的一个实施例中，加压富氧气体源由高压水电解槽供应。
在根据本公开的系统的一个实施例中，该系统进一步包括压力至少等于大气压力的富氧气体源，该富氧气体源与空气压缩机的入口流体连通。
在根据本公开的系统的一个实施例中，该系统进一步包括与吸收塔下游和加压装置上游的区域流体连通的附加加压富氧气体源。
在根据本公开的系统的一个实施例中，该系统进一步包括用于漂白含有残余NOx气体的粗硝酸的漂白器，该漂白器包括用于富氧漂白气体的入口、用于硝酸的入口、用于经漂白硝酸的出口和用于漂白气体的出口，其中用于漂白气体的出口与气态NOx流流体连通。
在本公开的另一方面，公开了一种用于以降低的功耗生产硝酸的方法。所述方法包括以下步骤：
a)在空气压缩机中压缩空气，从而产生压力为P1的压缩空气流；
b)将压力高于P1的加压富氧气体与压缩空气流混合，从而得到富氧气体/压缩空气流混合物；
c)在混合装置中将富氧气体/压缩空气流混合物与氨气流混合，从而产生氨/富氧空气混合物，比如以实现在1.3至9范围内的氧与氨摩尔比；
d)在氨转化器中在800℃至950℃范围内的温度氧化氨/富氧空气混合物中的氨，从而产生包含水和氧化氮的气态NOx气体/蒸汽混合物；
e)将在氨转化器中产生或来自气态NOx气体/蒸汽混合物的蒸汽转化为动力；
f)在水冷却器/冷凝器中将蒸汽与气态NOx气体/蒸汽混合物中的NOx气体分离并冷凝，从而产生水性稀硝酸混合物和气态NOx流；
g)在吸收塔中吸收气态NOx流，从而产生含有残余NOx气体的粗硝酸流和包含NOx气体的尾气；以及
h)将尾气在尾气膨胀机中膨胀；
该方法的特征在于，其进一步包括以下步骤：
i)将从步骤g)获得的尾气5的一部分加压至约P1的压力，从而产生加压尾气；
j)将加压尾气与压缩空气流混合；
k)测量氨转化器中的温度；以及
l)如果步骤k)中测得的温度在800℃至950℃范围之外，则调节步骤i)中加压的总气体体积的量，使得氨转化器中的温度保持在800℃至950℃范围内。
在根据本方法的一个实施例中，该方法进一步包括以下步骤：
m)在位于水冷却器/冷凝器上游的尾气加热器中用来自氨转化器的NOx气体/蒸汽混合物的热量将步骤g)中获得的尾气加热至200℃至650℃范围内的温度。
在根据本公开的方法的一个实施例中，该方法进一步包括以下步骤：
m')在位于水冷却器/冷凝器上游的尾气加热器中用来自氨转化器的NOx气体/蒸汽混合物的热量将步骤g)中获得的尾气加热至200℃至650℃范围内的温度；
其中在步骤i)中，对步骤g)或步骤m')中获得的尾气的一部分进行加压。
在根据本公开的方法的一个实施例中，该方法进一步包括以下步骤：
n)操作高压水电解槽以产生在混合步骤b)中使用的氧气或富氧气体。
在根据本公开的方法的一个实施例中，该方法进一步包括以下步骤：
o)将压力至少等于大气压力的富氧气体送到空气压缩机的入口。
在根据本公开的方法的一个实施例中，该方法进一步包括以下步骤：
p)将附加加压富氧气体源馈入吸收塔下游和压缩装置上游。
在根据本公开的方法的一个实施例中，该方法进一步包括以下步骤：q)将富氧漂白气体馈入漂白器以漂白含有残余NOx气体的粗硝酸；r)在漂白器中漂白硝酸，从而产生经漂白硝酸和漂白气体；以及s)将漂白气体与气态NOx流混合。
在本公开的另一方面，公开了本公开的系统用于执行本公开的方法的用途。
在本公开的另一方面，公开了一种改造用于生产硝酸的系统或生产设备的方法，其中现有系统或生产设备包括
·空气压缩机，该空气压缩机用于将空气压缩至压力P1，包括入口和出口，以提供压缩空气流；
·任选地，压力高于压缩空气流的压力的加压富氧气体源，该加压富氧气体源与压缩空气流流体连通，以提供富氧气体/压缩空气流混合物；
·混合装置，该混合装置用于将富氧气体/压缩空气流混合物与氨气流混合，任选地在预热器中预热，以提供氨/富氧空气混合物；
·氨转化器，该氨转化器用于氧化氨/富氧空气混合物中的氨，以提供包含水和氧化氮的NOx气体/蒸汽混合物；用于测量氨转化器中的温度的装置；
·用于调节氨转化器中的氨浓度和氧浓度的装置；
·蒸汽涡轮机或电动机以及用于将蒸汽转化为电力、用于将蒸汽转化为动力的装置，该蒸汽涡轮机或电动机以及装置与氨转化器或NOx/气体蒸汽混合物流体连通；
·水冷却器/冷凝器，该水冷却器/冷凝器用于将蒸汽与气态NOx气体/蒸汽混合物中的NOx气体分离并冷凝，从而产生水性稀硝酸混合物和气态NOx流；
·在水冷却器/冷凝器下游的吸收塔，以提供含有残余NOx气体的粗硝酸流和包含NOx气体的尾气，该吸收塔包括吸收塔尾气出口，用于排出尾气；以及
·尾气膨胀机，该尾气膨胀机用于使吸收塔下游的尾气膨胀，包括与吸收塔尾气出口流体连通的尾气膨胀机入口，以及尾气膨胀机出口；公开了一种将用于生产硝酸的系统或生产设备改造成根据本公开的系统的方法。
所述方法包括以下步骤：
·引入用于将尾气分流成被引导至尾气膨胀机入口的第一尾气流和被引导至用于将第二尾气流加压至约P1的压力的加压装置的第二尾气流的装置，该加压装置与压缩空气流流体连通，以提供与压缩空气流结合的加压尾气流；以及引入用于调节被分流成被引导至尾气膨胀机入口的第一尾气流和被引导至加压装置的第二尾气流的尾气量的装置。
附图说明
图1示意性地示出了根据现有技术的单压硝酸设备。
图2A示意性地示出了根据本公开的单压硝酸设备的实施例。
图2B示意性地示出了根据本公开的单压硝酸设备的实施例。
图3示意性地示出了根据本公开的单压硝酸设备的实施例。
图4示意性地示出了根据本公开的单压硝酸设备的实施例。
数字列表
具体实施方式
贯穿本申请文件的描述和权利要求，词语“包括”及其变型意指“包括但不限于”，并且其不旨在(并且也不)排除其他部分、添加物、部件、整体或步骤。贯穿本公开的描述和权利要求书，除非上下文另有要求，否则所提及的单数包含复数。特别地，在使用不定冠词的情况下，除非上下文另有要求，否则本公开将被理解为考虑复数以及单数。
结合本公开的特定方面、实施例或示例描述一起的特征、整体、特性、化合物、化学部分或组将理解为适用于本文中所述的任何其他方面、实施例或示例，除非与其不相容。本公开(包括描述、权利要求、摘要和附图)中所公开的特征中的所有特征和/或由此公开的任何方法或过程的步骤中的所有步骤可通过任何组合进行组合，除此类特征和/或步骤中的至少一些特征和/或步骤互相排斥的组合外。本公开不限于任何前述实施例的细节。本公开扩展到本公开(包括描述、权利要求、摘要和附图)中所公开特征中的任何新颖特征或任何新颖特征的组合，或者扩展到由此公开的任何方法或过程的步骤中的任何新颖步骤或任何新颖步骤的组合。
借助于附图范围列举的数值包括这些范围内的所有值和分数，以及所引用的端点值。如当提到可测量值(比如参数、量、时间段和类似值)的范围时使用的术语“在...的范围内”和“...至...范围内”，旨在包括与所公开的范围相关的限制。
如本文所定义的，加压富氧气体是压力从9巴至30巴(优选地，15巴至30巴)范围内并且包含超过21vol％的氧气，更特别地超过30vol％、超过40vol％、超过50vol％、超过60vol％、超过70vol％、超过80vol％、超过90vol％、超过95vol％和超过99vol％，更特别地100vol％的氧气的气体。
如本文所定义的，富氧气体是包含超过21vol％的氧气，更特别地超过30vol％、超过40vol％、超过50vol％、超过60vol％、超过70vol％、超过80vol％、超过90vol％、超过95vol％和超过99vol％，更特别地100vol％的氧气的气体。
如本文所定义的，空气是压力为约大气压力的环境空气。
用于生产硝酸的系统
参考图2A和图2B。在本公开的一个方面，公开了一种用于以降低的功耗生产硝酸的系统。该系统包括空气压缩机36，该空气压缩机用于将空气压缩至压力P1，包括入口48和出口49，以提供压缩空气流34；压力高于压力P1的加压富氧气体源50，该加压富氧气体源与压缩空气流34流体连通，以提供富氧气体/压缩空气流混合物56；混合装置35，该混合装置用于将富氧气体/压缩空气流混合物56与氨气流32混合，任选地在预热器中预热，以提供氨/富氧空气混合物14；氨转化器37，该氨转化器用于氧化氨/富氧空气混合物14中的氨，以提供包含水和氧化氮的NOx气体/蒸汽混合物15；用于测量氨转化器37中的温度的装置(未示出)；用于调节氨转化器37中的氨浓度和氧浓度的装置；蒸汽涡轮机51或电动机(未示出)以及用于将蒸汽转化为电力、用于将蒸汽转化为动力的装置(未示出)，该装置与氨转化器37或NOx/气体蒸汽混合物15流体连通；水冷却器/冷凝器38布置结构，该水冷却器/冷凝器布置结构用于将蒸汽与气态NOx气体/蒸汽混合物15中的NOx气体分离并冷凝，从而产生水性稀硝酸混合物17和气态NOx流22；在水冷却器/冷凝器38下游的吸收塔41，该吸收塔用于从水中的气态NOx流22中吸收NOx气体，以提供含有残余NOx气体的粗硝酸流27和包含NOx气体的尾气5，该吸收塔包括吸收塔尾气出口6，用于排出尾气5；以及尾气膨胀机7，该尾气膨胀机用于使吸收塔下游的尾气5膨胀，包括与吸收塔尾气出口6流体连通的尾气膨胀机入口8，以及尾气膨胀机出口9。
该系统的特征进一步在于，其进一步包括用于将尾气5分流成被引导至尾气膨胀机入口8的第一尾气流5和被引导至用于将尾气流10加压至约P1的压力的加压装置53的第二尾气流10的装置55，该加压装置与压缩空气流流体34连通，以提供与压缩空气流34结合的加压尾气流52；以及用于调节被分流成被引导至尾气膨胀机入口8的第一尾气流5和被引导至加压装置53的第二尾气流10的尾气5量的装置。
如本文所定义的，用于调节氨转化器37中的氨浓度和氧浓度的装置是用于根据氧浓度的量度评估引入系统中的氨的量，或者根据氨浓度的量度评估引入系统的氧的量的任何合适的装置，使得氧与氨摩尔比将在1.3至9。氧浓度或氨浓度可以例如通过使用工艺气体分析仪在气相中的测量来确定。氧浓度或氨浓度还可以通过使用引入系统中的氧源或氨源的浓度、源引入系统中的流量以及气体混合的气体的相对流量值的计算来确定。使用氧浓度或氨浓度，依次确定将分别引入系统中的氨或氧的相关流量，并用于控制分别来自预定浓度的氨或氧气体源的氨或氧流量。气态氨或氧的流量的控制可以例如通过流量控制阀来实现。特别地，该装置是集成工艺控制系统，其中分别测量氧浓度或氨浓度，并由此分别确定氨或氧的相关流量，从而分别以预定浓度控制来自氨或氧气体源的氨或氧流量。
如本文所定义的，用于测量温度的装置是适合于测量和指示氨氧化燃烧器中的温度的任何装置。特别地，用于测量温度的装置是适合于测量和指示高达1000℃的温度的热电偶或温度计。更特别地，用于测量温度的装置是用于测量和指示高达1000℃的温度的红外温度计。
如本文所定义的，用于将蒸汽转化为动力的装置是用于从蒸汽获得动力的任何装置。特别地，这些装置是连接到发电机的蒸汽涡轮机。
如本文所定义的，分流装置是适合于分流尾气5的任何装置，比如除了尾气5之外还产生被引导至加压装置53的另一尾气气流10。特别地，分流装置是具有一个入口和两个出口的T形连接件，使得流过T形连接件的入口的气体被分流成化学成分相同的两股气流。
如本文所定义的，压缩装置是用于增加与压缩空气流34流体连通的尾气10的压力的任何合适的装置。特别地，压缩装置是气体压缩机或气体喷射器，动力气体以比尾气10更高的速度流过其中，与压缩空气流34流体连通。
如本文所定义的，用于调节被分流成被引导至尾气膨胀机入口8的第一尾气流5和被引导至加压装置53的第二尾气流10的尾气5量的装置是用于控制分流装置55中的分流的任何装置。特别地，分流装置55是如上所述的T形连接件，并且用于调节的装置是位于T形连接件的出口中的一个或两个出口处的孔口或导向叶片或流量控制阀。甚至更特别地，该装置是集成工艺控制系统，其中氨转化器37中的温度通过用于测量温度的装置来确定。然后，氨转化器37中的温度用于控制分流装置55中的流量控制阀，从而控制尾气5的分流，以使所测量的温度保持在800℃至950℃。
发明人已经认识到，在空气压缩机36下游和氨转化器37上游，在压缩空气流34的压力P1下将尾气5中的一部分再循环到压缩空气流34中，同时将加压氧气50(比如由高压电解槽提供)馈入压缩空气流34，并将氨转化器37中的温度保持在800℃至950℃范围内，并且氨转化器37中的氧与氨摩尔比保持在1.3与9之间时，可以实现压缩机组的功耗净降低。尽管离开吸收塔41的尾气5的压力低于离开空气压缩机36的压缩空气流34，但对应的压降仅占0.5巴至1.5巴。因此，尾气5，无论是在尾气加热器43的上游还是下游，都保持在1巴至16巴范围内的压力。因此，在将尾气10加压至大约压缩空气流34的压力并且将加压尾气52与压缩空气流34混合时，需要较少的功率来向混合装置35提供必要的压缩气体总量。通过确保燃烧器中的温度保持在800℃至950℃，确保尽管对加压装置53有需求并且由于膨胀的尾气尾气5较少而从尾气膨胀机7产生的功率也较少，仍能保持压缩机组功耗的净减少。此外，特别是通过提供高压氧气或富氧气体的单独供应，确保氨转化器37中的氧浓度和氨浓度允许生产商业级硝酸。
除了上述压缩机组的功耗的净节省之外，发明人还发现，尾气5中的一部分的再循环导致氨转化器37的出口处的气态NOx流15的温度使得气态NOx流15与尾气5之间的热交换更有效：因此，在存在尾气加热器并且尾气5被加热的情况下，热交换器43和冷却器38的尺寸可以减小。此外，由于较少的尾气5被引导至尾气膨胀机并最终被引导至大气，因此由尾气产生的NOx排放量减少。
在根据本公开的系统的一个实施例中，该系统进一步包括尾气加热器43，该尾气加热器具有与吸收尾气出口6流体连通的入口46和与尾气膨胀机入口8流体连通的出口47，该尾气加热器位于水冷却器/冷凝器38的上游，用于利用来自氨转化器37的NOx气体/蒸汽混合物15的热量将来自吸收塔41的尾气5加热至200℃至650℃之间的温度，并且其中用于分流尾气5的装置55位于尾气加热器43的上游。
在根据本公开的系统的一个实施例中，该系统进一步包括尾气加热器43，该尾气加热器具有与吸收尾气出口6流体连通的入口46和与尾气膨胀机入口8流体连通的出口47，该尾气加热器位于水冷却器/冷凝器38的上游，用于利用来自氨转化器37的NOx气体/蒸汽混合物15的热量将来自吸收塔41的尾气5加热至200℃至650℃之间的温度，并且其中用于分流尾气5的装置55位于尾气加热器的43下游。
本领域技术人员将理解，这可以压缩与尾部膨胀机入口8流体连通的尾气5或经加热尾气5中的任一者或它们的混合物。
尾气5再循环的点(即尾气加热器43的上游或下游)的选择会影响气体混合物14的温度，并由此影响燃烧器中的燃烧效率。本公开的系统为本领域技术人员选择从何处再循环尾气5提供了必要的灵活性。由此，他/她可以实现气体混合物14的最佳温度，这取决于参数，包括例如流向转化器37的气体体积或该转化器中存在的催化剂，以及气体混合物14中氧与氨之比。
在根据本公开的系统的一个实施例中，加压富氧气体源50由高压水电解槽供应。换句话说，在具体实施例中，本公开的系统包括高压水电解槽，其中高压水电解槽，特别是其阳极，与压缩空气流流体连通，以提供富氧气体/压缩空气流混合物。
水电解槽是一种用于电解水的装置，由于电流通过其中，水会分解成氧气和氢气。这一技术可用于制造氢燃料的主要组分氢气和氧气。合适的高压水电解槽可包括以下：根据以下反应产生氧气的阳极
2OH-＝H2O+1/2O2+2e-；
根据以下反应产生氢气的阴极，
2H2O+2e-＝H2+2OH-；
由碱性溶液(比如氢氧化钾)组成的电解质；以及将阳极和阴极分隔的多孔隔膜，以避免氢气和氧气混合在一起形成爆炸性混合物。替代性地，阳极和阴极可以由固体聚合物电解质(比如含氟聚合物Nafion)隔开，其中电解质提供质子从阳极到阴极的选择性输送，以及阳极和阴极之间的电绝缘，并避免氢气和氧气混合在一起形成爆炸性混合物。阳极和阴极可由镍或钢或其混合物制成。替代性地，为了增强电极反应，阳极和阴极可以含有可分别由铱和铂制成的催化剂。电绝缘材料的隔膜基于例如氧化锆。隔膜具有一孔隙率，使得其形成阻止氢气和氧气气泡输送的屏障，同时含有连续的渗透液体电解质。阳极-隔膜-阴极组合件组成电解池。电解池串联堆叠，构成电解槽的核心。给定堆叠体积的氢气和氧气产量与电流密度成正比，并与堆叠距离成反比。无论堆叠体积如何，氢气和氧气产量都与总电流成正比。除堆叠外，电解槽还包括比如整流器、水软化单元、水泵和冷却系统、氢气净化单元和仪表等辅助设备。
通过在每个电池上施加对应于标准电势加上过电势的电压来操作电解槽。总电压取决于构成电解槽的电池的总数。在阴极处产生的OH-离子通过隔膜中的电解质迁移到阳极，在那里它们被阳极反应消耗掉。电子在外电路中以相反的方向行进。电解槽可在50℃至80℃或60℃至80℃的温度和9巴至30巴、优选15巴至30巴的气压下操作。
因此，高压水电解槽导致在阴极处产生加压氢气并在阳极处产生加压氧气。进行高压电解需要对电解过程中使用的水进行加压。由于加压水比加压气体需要更少的功率，因此高压水电解槽的使用导致以最小化的功耗生产加压富氧气体50。
参照图3。在根据本公开的系统的一个实施例中，该系统进一步包括压力至少等于大气压力的富氧气体源54，该富氧气体源与空气压缩机36的入口48流体连通。
富氧气体源54的存在意味着需要对更少的空气进行加压，以便在空气压缩机36的出口处达到现有技术方法中所达到的氧含量。因此，空气压缩机36的功率需求减少。
参考图2A、图2B和图3。在根据本公开的系统的一个实施例中，该系统进一步包括与吸收塔41下游和加压装置53上游的区域流体连通的附加加压富氧气体源(未示出)。
富氧气体可以在分流装置55的上游或下游馈送。当来自此类附加源的富氧气体在吸收塔41的下游馈送时，需要对更少的空气进行加压，以便在空气压缩机36的出口处达到现有技术方法中所达到的氧含量。因此，空气压缩机36的功率需求减少。此外，额外的功率将通过尾气膨胀机7产生。此外，对加压装置53的功率需求减少，特别是如果来自此类附加源的富氧气体由高压水电解槽提供，则以比通过加压氧气更少的功率产生加压富氧气体，因为对电解槽中电解的水加压比对气体加压消耗的功率更少。
此外，可以在吸收塔的上游供应额外的加压富氧气体，这改善了吸收塔中NOx气体的吸收，这继而又实现了额外的硝酸生产并减少向大气的排放。此外或替代性地，可以减小吸收塔41的尺寸。
参照图4。在根据本公开的系统的一个实施例中，该系统进一步包括用于漂白含有残余NOx气体的粗硝酸的漂白器57，该漂白器包括用于富氧漂白气体60的入口58、用于含有残余NOx气体27的粗硝酸流的入口64、用于经漂白硝酸63的出口59和用于漂白气体61的出口65，其中用于漂白气体61的出口65与气态NOx流22流体连通。
这样，有效利用了富氧漂白气体，增加了吸收塔41中的氧含量，从而增加了NOx气体的吸收并减少了对应的空气排放。特别地，富氧漂白气体60由高压水电解槽66提供：由于对水加压所需的能量比对氧气加压所需的能量少，因此以最小的功耗获得加压氧气。本领域技术人员将理解，漂白气体60的压力必须使得在将漂白气体61再循环至吸收塔41时，吸收塔41中的压力为约氨转化器37中的压力。因此，根据水电解槽66运行的压力，可以利用现有技术中常规的装置(例如，压力调节阀(未示出))相应地调节和降低压力。此外，必须压缩较少的二次空气并且由空气压缩机36供应到漂白器57，从而降低了空气压缩机36的功率需求。有利地，由高压水电解槽66产生的加压富氧气体可以是所有流50、54和66的来源。
用于生产硝酸的方法
在本公开的另一方面，公开了一种用于以降低的功耗生产硝酸的方法。该方法包括以下步骤：a)在空气压缩机36中压缩空气，从而产生压力为P1的压缩空气流34；b)将压力高于P1的加压富氧气体50与压缩空气流34混合，从而得到富氧气体/压缩空气流混合物56；c)在混合装置35中将富氧气体/压缩空气流混合物56与氨气流32混合，从而产生氨/富氧空气混合物14，比如以实现在1.3至9范围内的氧与氨摩尔比；d)在氨转化器37中在800℃至950℃范围内的温度氧化氨/富氧空气混合物14中的氨，从而产生包含水和氧化氮的气态NOx气体/蒸汽混合物15；e)将在氨转化器37中产生或来自气态NOx气体/蒸汽混合物15的蒸汽转化为动力；f)在水冷却器/冷凝器38中将蒸汽与气态NOx气体/蒸汽混合物15中的NOx气体分离并冷凝，从而产生水性稀硝酸混合物17和气态NOx流22；g)在吸收塔41中吸收气态NOx流22，从而产生含有残余NOx气体的粗硝酸流27和包含NOx气体的尾气5；以及h)将尾气5或经加热尾气5在尾气膨胀机7中膨胀；
该方法的特征在于，其进一步包括以下步骤：i)将从组合步骤g)和步骤h)获得的从步骤g)获得的尾气5的一部分加压至约P1的压力，从而产生加压尾气52；j)将加压尾气52与压缩空气流34混合；k)测量氨转化器37中的温度；以及l)如果步骤k)中测得的温度在800℃至950℃范围之外，则调节步骤i)中加压的总气体体积的量，使得氨转化器中的温度保持在800℃至950℃范围内。
发明人已经认识到，在空气压缩机36下游和氨转化器37上游，在压缩空气流34的压力P1下将尾气5的一部分再循环到压缩空气流34中，同时将加压氧气50馈入压缩空气流34，并将氨转化器37中的温度保持在800℃至950℃范围内，并且氨转化器37中的氧与氨摩尔比保持在1.3与9之间时，可以实现压缩机组的功耗净降低。尽管离开吸收塔41的尾气5的压力低于离开空气压缩机36的压缩空气流34，但对应的压降仅占0.5巴至1.5巴。因此，尾气5，无论是在尾气加热器43的上游还是下游，都保持在1巴至16巴范围内的压力。因此，在将尾气10加压至大约P1的压力并且将加压尾气52与压缩空气流34混合时，需要较少的功率来向混合装置35提供必要的压缩气体总量。通过确保燃烧器中的温度保持在800℃至950℃范围内，确保尽管对加压装置53有需求并且由于膨胀的尾气5较少而从尾气膨胀机7产生的功率也较少，仍能保持压缩机组功耗的净减少。此外，确保氨转化器37中的氧浓度和氨浓度允许生产商业级浓酸。
除了上述压缩机组的功耗的净节省之外，发明人还发现，尾气5中的一部分的再循环导致氨转化器37的出口处的气态NOx流15的温度使得气态NOx流15与尾气5之间的热交换更有效：因此，在存在尾气加热器并且尾气5被加热的情况下，热交换器43和冷却器38的尺寸可以减小。此外，由于较少的尾气5被引导至尾气膨胀机并最终被引导至大气，因此由尾气产生的NOx排放量减少。
在根据本公开的方法的一个实施例中，该方法进一步包括以下步骤：m)在位于水冷却器/冷凝器38上游的尾气加热器43中用来自氨转化器37的NOx气体/蒸汽混合物15的热量将步骤g)中获得的尾气5加热至200℃至650℃范围内的温度。
在根据本公开的方法的一个实施例中，该方法进一步包括以下步骤：m')在位于水冷却器/冷凝器38上游的尾气加热器43中用来自氨转化器37的NOx气体/蒸汽混合物15的热量将步骤g)中获得的尾气5加热至200℃至650℃范围内的温度，其中在步骤i)中，步骤g)或步骤m')中获得的尾气5中的一部分被加压。
本领域技术人员将理解，这可以压缩与尾部膨胀机入口8流体连通的尾气5或经加热尾气5中的任一者或它们的混合物。
尾气5再循环的点(即尾气加热器43的上游或下游)的选择会影响气体混合物14的温度，并由此影响燃烧器中的燃烧效率。本公开的系统为本领域技术人员选择从何处再循环尾气5提供了必要的灵活性。由此，他/她可以实现气体混合物14的最佳温度，这取决于参数，包括例如流向转化器37的气体体积或该转化器中存在的催化剂，以及气体混合物14中氧与氨之比。
在根据本公开的方法的一个实施例中，该方法进一步包括以下步骤：n)操作高压水电解槽以产生在混合步骤b)中使用的氧气或富氧气体50。
因此，高压水电解槽导致在阴极处产生加压氢气并在阳极处产生加压氧气。进行高压电解需要对电解过程中使用的水进行加压。由于加压水比加压气体需要更少的功率，因此高压水电解槽的使用导致以最小化的功耗生产加压富氧气体50。因此，混合步骤b)可以包括操作高压水电解槽的步骤，比如在50℃至80℃、或60℃至80℃的温度以及9巴至30巴、优选15巴至30巴的气压下，从而产生压力高于P1的加压氧气或富氧气体50，并将加压氧气或富氧气体50与压缩空气流34混合。
在根据本公开的方法的一个实施例中，该方法进一步包括以下步骤：o)将压力至少等于大气压力的富氧气体54送到空气压缩机36的入口48。
富氧气体源54的存在意味着需要对更少的空气进行加压，以便在空气压缩机36的出口处达到现有技术方法中所达到的氧含量。因此，空气压缩机36的功率需求减少。
在根据本公开的方法的一个实施例中，该方法进一步包括以下步骤：p)将加压富氧气体源馈入吸收塔41下游和压缩装置53上游。特别地，加压氧气或富氧气体可以通过操作高压电解槽来产生。
富氧气体可以在分流装置55的上游或下游馈送。当来自此类附加源的富氧气体在吸收塔41的下游馈送时，需要对更少的空气进行加压，以便在空气压缩机36的出口处达到现有技术方法中所达到的氧含量。因此，空气压缩机36的功率需求减少。此外，额外的功率将通过尾气膨胀机7产生。此外，对加压装置53的功率需求减少，特别是如果来自此类附加源的富氧气体由高压水电解槽提供，则以比通过加压氧气更少的功率产生加压富氧气体，因为对电解槽中电解的水加压比对气体加压消耗的功率更少。
参照图4。在根据本公开的方法的一个实施例中，该方法进一步包括以下步骤：q)将富氧气体作为漂白气体60馈入漂白器57以漂白含有残余NOx气体的粗硝酸流27；r)在漂白器57中漂白硝酸62，从而产生经漂白硝酸63和漂白气体61；以及s)将漂白气体61与气态NOx流22混合。
这样，有效利用了富氧漂白气体，增加了吸收塔41中的氧含量，从而增加了步骤g)中NOx气体的吸收并减少了对应的空气排放。特别地，富氧漂白气体60由高压水电解槽66提供：由于对水加压所需的能量比对氧气加压所需的能量少，因此以最小的功耗获得加压氧气。本领域技术人员将理解，漂白气体60的压力必须使得在将漂白气体61再循环至吸收塔41时，吸收塔41中的压力为约氨转化器37中的压力。因此，根据水电解槽66的操作压力，可以利用现有技术中常规的装置(例如，压力调节阀(未示出))相应地调节和降低压力。此外，必须压缩较少的二次空气并且由空气压缩机36供应到漂白器57，从而降低了空气压缩机36的功率需求。有利地，由高压水电解槽66产生的加压富氧气体可以是所有流50、54和66的来源。
本公开系统的用途
在本公开的另一方面，公开了本公开的系统用于执行本公开的方法的用途。
改造用于生产硝酸的系统的方法
在本公开的另一方面，公开了一种改造用于生产硝酸的系统的方法，该系统包括空气压缩机36，该空气压缩机用于将空气压缩至压力P1，包括入口48和出口49，以提供压缩空气流34；任选地压力高于压缩空气流34的压力的加压富氧气体源50，该加压富氧气体源与压缩空气流34流体连通，以提供富氧气体/压缩空气流混合物56；混合装置35，该混合装置用于将富氧气体/压缩空气流混合物56与氨气流32混合，任选地在预热器中预热，以提供氨/富氧空气混合物14；氨转化器37，该氨转化器用于氧化氨/富氧空气混合物14中的氨，以提供包含水和氧化氮的NOx气体/蒸汽混合物15；用于测量氨转化器37中的温度的装置(未示出)；用于调节氨转化器37中的氨浓度和氧浓度的装置；蒸汽涡轮机51或电动机以及用于将蒸汽转化为电力、用于将蒸汽转化为动力的装置，该装置与氨转化器37或NOx/气体蒸汽混合物15流体连通；水冷却器/冷凝器38，该水冷却器/冷凝器用于将蒸汽与气态NOx气体/蒸汽混合物15中的NOx气体分离并冷凝，从而产生水性稀硝酸混合物17和气态NOx流22；在水冷却器/冷凝器38下游的吸收塔41，该吸收塔用于吸收水中的NOx气体，以提供含有残余NOx气体的粗硝酸流27和包含NOx气体的尾气5，该吸收塔包括吸收塔尾气出口6，用于排出尾气5；以及尾气膨胀机7，该尾气膨胀机用于使吸收塔下游的尾气膨胀，包括与吸收塔尾气出口6流体连通的尾气膨胀机入口8，以及尾气膨胀机出口9；
公开了一种将用于生产硝酸的系统或生产设备改造成根据本公开的系统的方法。
该方法包括引入用于将尾气5分流成被引导至尾气膨胀机入口8的第一尾气流5和被引导至用于将尾气流10加压至约P1的压力的加压装置53的第二尾气流10的装置55，该加压装置与压缩空气流流体34连通，以提供与压缩空气流34结合的加压尾气流52；以及引入用于调节被分流成被引导至尾气膨胀机入口8的第一尾气流5和被引导至加压装置53的第二尾气流10的尾气5量的装置。在某些实施例中，在现有系统不包括加压富氧气体源的情况下，改造方法进一步包括引入加压富氧气体源50(比如高压电解槽)的步骤，所述加压富氧气体的压力高于压缩空气流34的压力，并且将加压富氧气体源与压缩空气流34流体连接，以提供富氧气体/压缩空气流混合物56。
如本文所定义的，用于调节氨转化器37中的氨浓度和氧浓度的装置是用于根据氧浓度的量度评估引入系统中的氨的量，或者根据氨浓度的量度评估引入系统中的氧的量的任何合适的装置，使得氧与氨摩尔比将在1.3至9。氧浓度或氨浓度可以例如通过使用工艺气体分析仪在气相中的测量来确定。氧浓度或氨浓度还可以通过使用引入系统中的氧源或氨源的浓度、源引入系统中的流量以及气体混合的相对流量值的计算来确定。使用氧浓度或氨浓度，依次确定将分别引入系统中的氨或氧的相关流量，并用于控制分别来自预定浓度的氨或氧气体源的氨或氧流量。气态氨或氧的流量的控制可以例如通过流量控制阀来实现。特别地，该装置是集成工艺控制系统，其中分别测量氧浓度或氨浓度，并由此分别确定氨或氧的相关流量，从而分别以预定浓度控制来自氨或氧气体源的氨或氧流量。
如本文所定义的，用于测量温度的装置是适合于测量和指示氨氧化燃烧器中的温度的任何装置。特别地，用于测量温度的装置是热电偶或适合于测量和指示高达1000℃的温度的热电偶或温度计。更特别地，用于测量温度的装置是用于测量和指示高达1000℃的温度的红外温度计。
如本文所定义的，用于将蒸汽转化为动力的装置是用于从蒸汽获得动力的任何装置。特别地，这些装置是连接到发电机的蒸汽涡轮机。
如本文所定义的，分流装置是适合于分流尾气5的任何装置，比如除了尾气5之外还产生被引导至加压装置53的另一尾气气流10。特别地，分流装置是具有一个入口和两个出口的T形连接件，使得流过T形连接件的入口的气体被分流成化学成分相同的两股气流。
如本文所定义的，压缩装置是用于增加与压缩空气流34流体连通的尾气10的压力的任何合适的装置。特别地，压缩装置是气体压缩机或气体喷射器，动力气体以比尾气10更高的速度流过其中。
如本文所定义的，用于调节被分流成被引导至尾气膨胀机入口8的第一尾气流5和被引导至加压装置53的第二尾气流10的尾气5量的装置是用于控制分流装置55中的分流的任何装置。特别地，分流装置55是如上所述的T形连接件，并且用于调节的装置是位于T形连接件的出口中的一个或两个出口处的孔口或导向叶片或流量控制阀。甚至更特别地，该装置是集成工艺控制系统，其中氨转化器37中的温度通过用于测量温度的装置来确定。然后，氨转化器37中的温度用于控制分流装置55中的流量控制阀，从而控制尾气5的分流，以使所测量的温度保持在800℃至950℃范围内。
示例
1.尾气40％再循环
参照图2A。环境空气4在空气压缩机36中被压缩，从而产生压缩空气流34。将压力为8巴的加压富氧气体50与压缩空气流34混合，从而产生富氧气体/压缩空气流混合物56。将氨32与富氧气体/压缩空气流混合物56在混合装置35中混合，以实现在1.3至9范围内的氧与氨摩尔比。将所得氨/富氧空气混合物14馈入氨转化器37，温度在800℃至950℃范围内，并且操作压力为6.2巴。在氨转化器37中，氨在混合的铂/铑催化剂上被氧化，从而获得包含水和一氧化氮(NO)的NOx气体/蒸汽混合物15。从氨转化器出来的混合物的热量使用蒸汽涡轮机51并且还通过加热尾气5来回收，如下文将描述的。NOx气体/流混合物随后在水冷却器/冷凝器38中冷却到水冷凝的温度，并且自气态NOx流18中分离出水性稀硝酸混合物17。因此，气态NOx流被进一步氧化以进一步将NO转化为NO2和N2O4，并在冷却器/分离器39中再次冷却以分离出另一水性稀硝酸混合物17，其被引导至吸收塔41。在另一端，气态NOx流22也被送到吸收器单元6。在吸收器单元6内，NOx气体与水反应以产生尾气5和还含有残余NOx气体的粗硝酸流，该流被馈入漂白器(未示出)。来自气态NOx流15的热量用于将尾气加热器43中的尾气5加热至450℃。经加热尾气流5在T形管上分流，使得40％的经加热尾气5被分流，从而产生经加热尾气10。使用附加气体压缩机53对经加热尾气10进行加压，然后与压缩空气流34混合。测量氨转化器37内部的温度并确定其保持在800℃至950℃范围内。残余60％尾气送至尾气膨胀机7。然后在漂白器单元(未示出)内用气态介质(未示出)(比如含氧气体或空气)汽提出粗硝酸流27中的残余NOx气体；漂白器单元通常在与氨转化器大致相同的压力(6.2巴)下操作。空气压缩机36和气体压缩机53的驱动力源自尾气膨胀机7和蒸汽涡轮机51。与空气压缩机36和53以及尾气膨胀机7和蒸汽涡轮机51相关的净功率为77kW/h/t100％ HNO3。该动力由蒸汽涡轮机51提供。
2.尾气65％再循环并向空气压缩机添加氧气
参照图3。富氧空气54和环境空气32在空气压缩机36中被压缩，从而产生流34。将压力为8巴的加压富氧气体50与压缩空气流34混合，从而产生富氧气体/压缩空气流混合物56。将氨32与富氧气体/压缩空气流混合物56在混合装置35中混合，以实现在1.3至9范围内的氧与氨摩尔比。将所得氨/富氧空气混合物14馈入氨转化器37，温度在800℃至950℃范围内，并且操作压力为6.2巴。在氨转化器37中，氨在混合的铂/铑催化剂上被氧化，从而获得包含水和一氧化氮(NO)的NOx气体/蒸汽混合物15。从氨转化器出来的混合物的热量使用蒸汽涡轮机51并且还通过加热尾气5来回收，如下文将描述的。NOx气体/流混合物随后在水冷却器/冷凝器38中冷却到水冷凝的温度，并且自气态NOx流18中分离出水性稀硝酸混合物17。因此，LP气态NOx流被进一步氧化以进一步将NO转化为NO2和N2O4，并在冷却器/分离器39中再次冷却以分离出另一水性稀硝酸混合物17，其被引导至吸收塔41。在另一端，气态NOx流22也被送到吸收器单元6。在吸收器单元6内，NOx气体与水反应以产生尾气5和还含有残余NOx气体的粗硝酸流，该流被馈入漂白器(未示出)。来自气态NOx流15的热量用于将尾气加热器43中的尾气5加热至450℃。经加热尾气流5在T形管上分流，使得65％的经加热尾气5被分流，从而产生经加热尾气10。使用附加气体压缩机53对经加热尾气10进行加压，然后与压缩空气流34混合。测量氨转化器37内的温度并确定其保持在800℃至950℃范围内。残余35％尾气送至尾气膨胀机7。然后在漂白器单元(未示出)内用气态介质(未示出)(比如含氧气体或空气)汽提出粗硝酸流27中的残余NOx气体，漂白器单元通常在与氨转化器大致相同的压力(6.2巴)下操作。空气压缩机36和气体压缩机53两者的驱动力源自尾气膨胀机7和蒸汽涡轮机51。与空气压缩机36、压缩机53和尾气膨胀机7相关的净功率为68kWh/t 100％HNO3。该动力由蒸汽涡轮机51产生。
3.对比示例：尾气无再循环
参照图1。环境空气4在空气压缩机36中被压缩，从而产生压缩空气流34。将压力为8巴的加压富氧气体50与压缩空气流34混合，从而产生富氧气体/压缩空气流混合物56。将氨32与富氧气体/压缩空气流混合物56在混合装置35中混合，以实现在1.3至9范围内的氧与氨摩尔比。将所得氨/富氧空气混合物14馈入氨转化器37，操作压力为5.2巴。在氨转化器37中，氨在混合的铂/铑催化剂上被氧化，从而获得包含水和一氧化氮(NO)的低压NOx气体/蒸汽混合物15。从氨转化器出来的混合物的热量使用蒸汽涡轮机51并且还通过加热尾气5来回收，如下文将描述的。NOx气体/流混合物随后在水冷却器/冷凝器38中冷却到水冷凝的温度，并且自气态NOx流18中分离出水性稀硝酸混合物17。因此，LP气态NOx流被进一步氧化以进一步将NO转化为NO2和N2O4，并在冷却器/分离器39中再次冷却以分离出另一水性稀硝酸混合物17，其被引导至吸收塔41。在另一端，气态NOx流22也被送到吸收器单元6。在吸收器单元6内，高压NOx气体与水反应以产生尾气5和还含有残余NOx气体的粗硝酸流，该流被馈入漂白器(未示出)。来自气态NOx流15的热量用于将尾气加热器43中的尾气5加热至450℃。全部尾气流5被送至尾气膨胀机7。然后在漂白器单元(未示出)内用气态介质(未示出)(比如含氧气体或空气)汽提出粗硝酸流27中的残余NOx气体；漂白器单元通常在与氨转化器大致相同的压力(5.2巴)下操作。空气压缩机36的驱动力源自尾气膨胀机7和蒸汽涡轮机51。与空气压缩机36和尾气膨胀机7相关的净功率为153kW/h/t100％ HNO3。该动力由蒸汽涡轮机51产生。
因此，与示例1相比，再循环40％的尾气可节省76kWh/t 100％ HNO3(50％)的净功率。
因此，与示例2相比，再循环65％的尾气可节省85kWh/t 100％ HNO3(55％)的净功率。
Claims (16)
1.一种用于以降低的功耗生产硝酸的系统，其包括：
·空气压缩机，所述空气压缩机用于将空气压缩至压力P1，包括入口和出口，以提供压缩空气流；
·压力高于P1的加压富氧气体源，比如高压水电解槽，所述加压富氧气体源与所述压缩空气流流体连通，以提供富氧气体/压缩空气流混合物；
·混合装置，所述混合装置用于将所述富氧气体/压缩空气流混合物与氨气流混合，以提供氨/富氧空气混合物；
·氨转化器，所述氨转化器用于氧化所述氨/富氧空气混合物中的氨，以提供包含水和氧化氮的NOx气体/蒸汽混合物；
·用于测量所述氨转化器中的温度的装置；
·用于调节所述氨转化器中的氨浓度和氧浓度的装置；
·蒸汽涡轮机或电动机以及用于将蒸汽转化为电力、用于将蒸汽转化为动力的装置，所述蒸汽涡轮机或电动机以及装置与所述氨转化器或NOx/气体蒸汽混合物流体连通；
·水冷却器/冷凝器，所述水冷却器/冷凝器用于将蒸汽与气态NOx气体/蒸汽混合物中的NOx气体分离并冷凝，以提供水性稀硝酸混合物和气态NOx流；
·在所述水冷却器/冷凝器下游的吸收塔，所述吸收塔用于从水中的所述气态NOx流中吸收所述NOx气体，以提供含有残余NOx气体的粗硝酸流和包含NOx气体的尾气，所述吸收塔包括吸收塔尾气出口，用于排出所述尾气；以及
尾气膨胀机，所述尾气膨胀机用于使所述吸收塔下游的所述尾气膨胀，包括与所述吸收塔尾气出口流体连通的尾气膨胀机入口，
以及尾气膨胀机出口；
其特征在于，所述系统进一步包括：
·用于将所述尾气分流成被引导至所述尾气膨胀机入口的第一尾气流和被引导至用于将所述尾气流加压至约P1的压力的加压装置的第二尾气流的装置，所述加压装置与所述压缩空气流流体连通，以提供与所述压缩空气流结合的加压尾气流；以及
·用于调节被分流成被引导至所述尾气膨胀机入口的所述尾气流和被引导至加压装置的所述尾气流的尾气量的装置。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统进一步包括尾气加热器，所述尾气加热器具有与吸收尾气出口流体连通的入口和与所述尾气膨胀机入口流体连通的出口，所述尾气加热器位于所述水冷却器/冷凝器的上游，用于利用来自所述氨转化器的所述NOx气体/蒸汽混合物的热量将来自所述吸收塔的所述尾气加热至200℃至650℃之间的温度，并且其中用于分流所述尾气的装置位于所述尾气加热器的上游。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的系统，其中所述系统进一步包括尾气加热器，所述尾气加热器具有与所述吸收尾气出口流体连通的入口和与所述尾气膨胀机入口流体连通的出口，所述尾气加热器位于所述水冷却器/冷凝器的上游，用于利用来自所述氨转化器的所述NOx气体/蒸汽混合物的热量将来自所述吸收塔的所述尾气加热至200℃至650℃之间的温度，并且其中用于分流所述尾气的装置位于所述尾气加热器的下游。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中所述加压富氧气体源由高压水电解槽供应。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其进一步包括压力至少等于大气压力的富氧气体源，所述富氧气体源与所述空气压缩机的所述入口流体连通。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其进一步包括与所述吸收塔下游和所述加压装置上游的区域流体连通的附加加压富氧气体源。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的系统，其进一步包括用于漂白含有残余NOx气体的粗硝酸的漂白器，所述漂白器包括用于富氧漂白气体的入口、用于所述含有残余NOx气体的粗硝酸流的入口、用于经漂白硝酸的出口和用于漂白气体的出口，其中用于所述漂白气体的所述出口与所述气态NOx流流体连通。
8.一种用于以降低的功耗生产硝酸的方法，其包括以下步骤：
a)在空气压缩机中压缩空气，从而产生压力为P1的压缩空气流；
b)将压力高于P1的加压富氧气体与所述压缩空气流混合，从而得到富氧气体/压缩空气流混合物；
c)在混合装置中将所述富氧气体/压缩空气流混合物与氨气流混合，从而产生氨/富氧空气混合物，比如以实现在1.3至9范围内的氧与氨摩尔比；
d)在氨转化器中在800℃至950℃范围内的温度氧化所述氨/富氧空气混合物中的氨，从而产生包含水和氧化氮的气态NOx气体/蒸汽混合物；
e)将在所述氨转化器中产生或来自所述气态NOx气体/蒸汽混合物的所述蒸汽转化为动力；
f)在水冷却器/冷凝器中将蒸汽与所述气态NOx气体/蒸汽混合物中的NOx气体分离并冷凝，从而产生水性稀硝酸混合物和气态NOx流；
g)在吸收塔中吸收所述气态NOx流，从而产生含有残余NOx气体的粗硝酸流和包含NOx气体的尾气；以及
h)将所述尾气或经加热尾气在尾气膨胀机中膨胀；
其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤：
i)将从步骤g)获得的所述尾气的一部分加压至约P1的压力，从而产生加压尾气；
j)将所述加压尾气与所述压缩空气流混合；
k)测量所述氨转化器中的温度；以及
l)如果步骤k)中测得的温度在800℃至950℃的范围之外，则调节步骤i)中加压的气体体积，使得所述氨转化器中的所述温度保持在800℃至950℃的范围内。
9.根据权利要求8所述的方法，其进一步包括以下步骤：
m)在位于所述水冷却器/冷凝器上游的尾气加热器中用来自所述氨转化器的所述NOx气体/蒸汽混合物的热量将步骤g)中获得的所述尾气加热至200℃至650℃范围内的温度。
10.根据权利要求8所述的方法，其进一步包括以下步骤：
m')在位于所述水冷却器/冷凝器上游的尾气加热器中用来自所述氨转化器的所述NOx气体/蒸汽混合物的热量将步骤g)中获得的所述尾气加热至200℃至650℃范围内的温度；
其中在步骤i)中，对步骤g)或步骤m')中获得的所述尾气的一部分进行加压。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其进一步包括以下步骤：
n)操作高压水电解槽以产生在所述混合步骤b)中使用的氧气。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，其进一步包括以下步骤：
o)将压力至少等于大气压力的富氧气体送到所述空气压缩机的所述入口。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的方法，其进一步包括以下步骤：
p)将附加加压富氧气体源馈入所述吸收塔下游和所述加压装置上游。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的方法，其进一步包括以下步骤：
q)将富氧漂白气体馈入漂白器以漂白含有残余NOx气体的粗硝酸；
r)在所述漂白器中漂白所述含有残余NOx气体的粗硝酸流，从而产生经漂白硝酸和漂白气体；以及
s)将所述漂白气体与所述气态NOx流混合。
15.根据权利要求1至7中任一项所述的系统在执行根据权利要求8至14中任一项所述的方法中的用途。
16.一种将用于生产硝酸的系统，其中现有系统包括：
·空气压缩机，所述空气压缩机用于将空气压缩至压力P1，包括入口和出口，以提供压缩空气流；
·任选地，压力高于所述压缩空气流的压力的加压富氧气体源，所述加压富氧气体源与所述压缩空气流流体连通，以提供富氧气体/压缩空气流混合物；
·混合装置，所述混合装置用于将所述富氧气体/压缩空气流混合物与氨气流混合，以提供氨/富氧空气混合物；
·氨转化器，所述氨转化器用于氧化所述氨/富氧空气混合物中的氨，以提供包含水和氧化氮的NOx气体/蒸汽混合物；
·用于测量所述氨转化器中的温度的装置；
·用于调节所述氨转化器中的氨浓度和氧浓度的装置；
·蒸汽涡轮机或电动机以及用于将蒸汽转化为电力、用于将蒸汽转化为动力的装置，所述蒸汽涡轮机或电动机以及装置与所述氨转化器或NOx/气体蒸汽混合物流体连通；
·水冷却器/冷凝器，所述水冷却器/冷凝器将蒸汽与所述气态NOx气体/蒸汽混合物中的NOx气体分离并冷凝，以提供水性稀硝酸混合物和气态NOx流；
·在所述水冷却器/冷凝器下游的吸收塔，所述吸收塔用于吸收水中的NOx气体，以提供含有残余NOx气体的粗硝酸流和包含NOx气体的尾气，所述吸收塔包括吸收塔尾气出口，用于排出所述尾气；以及
·尾气膨胀机，所述尾气膨胀机用于使所述吸收塔下游的所述尾气膨胀，包括与所述吸收塔尾气出口流体连通的尾气膨胀机入口，以及尾气膨胀机出口；
改造成根据权利要求1至6中任一项所述的系统的方法，其包括以下步骤：
·引入用于将所述尾气分流成被引导至所述尾气膨胀机入口的第一尾气流和被引导至用于将所述尾气流加压至约P1的压力的加压装置的第二尾气流的装置，所述加压装置与所述压缩空气流流体连通，以提供与所述压缩空气流结合的加压尾气流；以及
引入用于调节被分流成被引导至所述尾气膨胀机入口的所述第一尾气流和被引导至加压装置的第二尾气流的尾气量的装置；以及
·任选地，引入加压富氧气体源，比如高压电解槽，所述加压富氧气体的压力高于所述压缩空气流的压力，并且将所述加压富氧气体源与所述压缩空气流流体连通，以提供富氧气体/压缩空气流混合物。
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