CN1738998A - 从烟道气中获取能量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及从炉子的烟道气中获取能量的方法，该炉子利用燃料(202)来操作并用在生产蜜胺的工艺中，该方法包括第一热交换步骤(210)，其中烟道气与第一工艺物料流(212、232)热交换，在第二热交换步骤中，烟道气与第二工艺物料流(230、232)热交换。本发明还涉及一种在制备蜜胺的工艺中提供热的装置，以及用于优化现有装置的方法。

Description

从烟道气中获取能量的方法
本发明涉及从炉子烟道气中获取能量的方法，该炉子利用燃料来操作并用在生产蜜胺的工艺中，该方法包括第一热交换步骤，其中烟道气与第一工艺物料流热交换。
这种方法是已知的，并用于生产蜜胺的许多工艺中。在已知的方法中，炉子是盐釜(salt furnace)。新鲜空气和天然气作为燃料被供应到燃烧器中。在天然气与新鲜空气燃烧中，形成烟道气。在第一热交换步骤中，烟道气与第一工艺物料流(即熔融盐)热交换。为了获得更高的能量效率，在已知的方法中通过与新鲜空气热交换来进一步从烟道气中获取能量；经加热的空气随后进料到炉子的燃烧器中。利用所述与新鲜空气的热交换，总能量效率可达到约90％。“能量效率”被定义为燃料燃烧所释出的能量中被特定的一股物料流或多股物料流或总物料流吸收的百分比。
该已知方法具有如下缺点：与新鲜空气没有被预热的炉子相比，经加热的空气进料到炉中导致NOx释放量的增加。对于所有类型的燃烧器，都已发现经加热的新鲜空气导致NOx释放量的增加。这种不希望的NOx释放量的增加无疑可以通过下述方法来限制：分离出烟道气的一部分，将该部分与新鲜空气混合，并加热新鲜空气与再循环烟道气的混合物，然后将它进料到炉的燃烧器中。尽管如此，NOx的释放仍保持不希望的高水平；在已知方法的烟道气中NOx的释放量一般是110mg/Nm3或更高。如已知的，单位Nm3表示在标准的温度和压力条件下气体的体积。这些条件是指273K和0.1013MPa。
本发明的目的是减少上述缺点，并且相对于所述与熔融盐的热交换的能量效率相比，实现更高的能量效率。
所述目的是通过烟道气在第二热交换步骤中与第二工艺物料流热交换实现的。
根据本发明的方法的优点是与已知方法相比较，NOx的释放量降低，同时第一、第二热交换步骤的组合可以允许更有效地从烟道气中获取能量。
这里炉子表示基本上依靠燃烧来加热的炉子；实践中通常使用天然气或油作燃料，但本发明的方法并不限于此。
所述炉子用于蜜胺的生产工艺中。“用于”表示炉子释放出的能量用作工艺用热。工艺用热的应用实例是加热反应器，在该反应器中由尿素通过吸热反应制备蜜胺。
这里生产蜜胺的工艺是指任何可能的工艺。已知的生产蜜胺的工艺实例例如在Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry，Sixth Edition，2001，Chapter“Melamine and Guanamines”，section 4中有描述。
这里“烟道气”表示由燃料(例如天然气或油)的燃烧而产生的燃烧废气。烟道气的温度高，通常在600℃至800℃至1000℃，甚至高达1200℃或更高。
根据本发明在第一或第二热交换步骤中进行热交换的实施方式本身是已知的，例如在热交换器中进行。热交换可以是直接的，也就是烟道气与待加热的工艺物料流经至多一固定的隔板进行热交换。热交换也可以是间接的，也就是烟道气与一种传热介质交换热，然后该传热介质与待加热的工艺物料流在单独的热交换步骤中进行热交换。传热介质的实例是熔融盐、Dowtherm和水蒸气。
这里“工艺物料流”表示在生产蜜胺的工艺中使用的或消耗的物料流。工艺物料流的实施是：进料物料流，例如尿素；辅助物料流，例如气动输送系统中的空气、氨、熔融盐、Dowtherm、水蒸气、锅炉给水；反应器流出物和所有的下游物料流，例如废气、蜜胺浆料、湿的蜜胺晶体；侧线物料流(sidestream)，例如母液。工艺物料流的定义不包括用于炉子燃烧的新鲜空气。本发明方法中的第一、第二工艺物料流通常是两种不同的工艺物料流；但是，它们也可以是同一种物料流。
为了从所述的第一、第二热交换步骤中获得高的能量效率，通常有必要将烟道气冷却到相对低的温度，例如到350℃，到300℃或者更低，也就是到250℃或甚至到200℃或者更低。这可以通过已知的方法来实现。这样的一个实例是连续的热交换步骤的组合，每一相继的热交换步骤将能量传递给更低温度水平的工艺物料流。这种热交换步骤组合的一个实例是：在第一热交换步骤中将熔融盐从约420℃加热到约450℃，然后在第二热交换步骤中将氨从约150℃加热到约400℃。这种第一、第二热交换步骤组合的另一实例是：将熔融盐从约420℃加热到约450℃，然后将Dowtherm从约200℃加热到约350℃。这种第一、第二热交换步骤组合的另一实例是：将氨从约250℃加热到约450℃，然后将尿素从约135℃加热到约250℃。通过选择热交换步骤的恰当组合，同时选择热交换步骤的恰当实施方式，例如以逆流热交换代替并流热交换，烟道气的温度可以降低到这样的程度，使得本发明方法中的能量效率高于85％，优选高于88％，更优选高于90％，更优选高于92％，最优选高于94％。高达99.5％的能量效率是有可能的，尽管这需要相当的努力；因此在实践中达99％或97％或96％的能量效率通常是可接受的。
与已知方法相比，在本发明的方法中NOx的释放量降低；释放量可以降低到低于100mg/Nm3，优选低于95mg/Nm3，更优选低于90mg/Nm3，最优选低于85mg/Nm3，根据”Besluit emissie-eisen stookinstallatiesmilieubeheer A”(Order starting emission requirements for combustioninstallation environmental management A)，也称为BEES(Dutch Bulletin ofActs and Decrees 2000，443，从23-11-2000起有效的版本)的Clause 4测得的。为了达到所述的释放量值，除了实施根据本发明的方法之外，可能有必要以本领域技术人员本身已知的方式对一般的设计，特别是燃烧器进行有关NOx释放方面的优化。
前面提到的释放量的值并不意味着在根据本发明的方法中，如已知方法中实践的那样通过与烟道气热交换来预热新鲜空气是完全不可能的。这是因为除了根据本发明在第一、第二热交换步骤中获取能量之外，如果还有进一步获取能量的其它可能性，则是有利的。因此，根据本发明的方法优选地还包括用于烟道气与新鲜空气的第三热交换步骤；这里烟道气中NOx的释放量优选地低于100mg/Nm3。符合特定的释放量值要求必须以使得所述的释放量值没有被超过的方式来限制用烟道气预热新鲜空气。这可以通过限制新鲜空气的温度增加来实现。这可能导致有必要将由预热新鲜空气得到的能量效率限制在低于15％或10％，优选低于8％或6％，或者低于5％或4％。在这种情况下，以及如果不预热新鲜空气的情况下，以下操作可能额外有利：如已知方法中将烟道气的一部分分离出，并将该部分与新鲜空气混合，从而将新鲜空气与再循环烟道气的混合物进料到燃烧器中。
通过第三热交换步骤用烟道气来预热新鲜空气可以在与第一和第二工艺物料流的第一或第二热交换步骤之前、之中或之后进行。如果新鲜空气在第一或第二热交换步骤之前被预热，那么仔细检验能量效率和NOx的释放量保持在上面所述的范围内就较重要。因此，新鲜空气优选地在第一或第二热交换步骤之中或之后被预热，最优选地在第二热交换步骤之后预热。
炉子优选是盐釜。这里“盐釜”表示这种炉子：其中如果盐熔化还没有完成的话，通过第一热交换步骤熔化并加热盐，然后熔融的盐起向生产蜜胺的工艺中供给工艺用热的作用，因此这里提到间接热交换。这种盐釜本身是已知的。在生产蜜胺的工艺中使用的盐釜中，来自于工艺的熔融盐通常在400℃到440℃之间的温度下进入盐釜，以便被加热到450℃或更高。结果，在与熔融盐热交换之后，烟道气仍然具有约400℃或更高的温度；这个温度就是第二热交换步骤的入口温度。
在优选的实施方式中，根据本发明的方法包括与熔融盐的第一热交换步骤，然后是与基本由氨组成的工艺物料流的第二直接热交换步骤。众所周知，在生产蜜胺的工艺中各种地方都要使用和/或消耗氨。在某些地方，氨有必要具有300℃以上的高温，经常大约350℃至400℃或更高，直至大约450℃。其例子是在生产蜜胺的气相工艺的反应器中，使用氨作为流化气体，或在高压液相工艺的反应器中使用氨。在实践中，与水蒸气的热交换不足以将氨加热到所述温度值，因为通过与工业上可得到的水蒸气进行热交换通常仅能将氨加热到不高于200℃至250℃。这意味着必须用不同的方法进一步加热氨；已知的其它方法实例是对携有待加热的氨的管道进行电加热，或者利用与熔融盐的热交换步骤。所述已知的将氨进一步加热到所述温度值的方法在技术上复杂，且不直接，因此效率相对低。根据本发明的方法的一个优点是：在第二热交换步骤中烟道气与氨之间的热交换可以直接、高效、节能、技术上简单、经济上合算地将氨加热到300℃至400℃或者更高。待加热的氨可以是气态、液态或超临界状态。优选地，待加热的氨为液态或超临界状态，因为相对于热交换到气态介质，热交换到液体或超临界介质在技术上更简单。
在另一优选的实施方式中，根据本发明的方法包括与熔融盐的第一热交换步骤，然后是与基本由尿素组成的工艺物料流的第二直接热交换步骤。从高压蜜胺生产工艺可知：通过将尿素与在尿素生成蜜胺的反应中释放出的气体直接接触可以加热尿素，这些气体通常最后要返回制备尿素的工艺中。但是，除此之外，仍然可能需要额外的加热尿素的方法，例如在装置非稳态运行时(例如开车期间)，而且，已知方法通常不适用于低压生产蜜胺的工艺。因此，在根据本发明的方法中使用尿素作为工艺物料流是有利的。
已发现根据本发明的方法在实践中通用的盐釜中等具有工业实用性。因此本发明也涉及在蜜胺生产工艺中供给工艺用热的装置，包括盐釜，盐釜包括盐在其中被加热的热交换单元；这里是进行第一热交换步骤。根据本发明的装置还包括至少一个附加的热交换单元来直接或间接地加热工艺物料流；这里是进行第二热交换步骤。加热工艺物料流的至少一个附加的热交换单元的存在有助于使能量效率达到85％或更高，而不需要预热新鲜空气。优选地，该附加的热交换单元是直接加热氨或尿素的热交换单元。此外，如前面提到的，应注意NOx的释放量要求优选还给该装置配备一个用于加热新鲜空气的热交换单元；第三热交换步骤在其中进行。
已发现根据本发明的方法还在优化在生产蜜胺的工艺中用于供给工艺用热的现有装置方面具有工业实用性。通过增加至少一个用于直接或间接加热工艺物料流的热交换单元，可以在现有的装置中应用本发明的方法。增加至少一个加热工艺物料流的附加热交换单元有助于使能量效率达到85％或更高，而不必将此依赖于预热新鲜空气。优选地，这个增加的热交换单元用于直接加热基本由氨或尿素组成的工艺物料流。如果现有的装置包括用于预热新鲜空气的热交换单元，该增加的热交换单元优选被定位成使得烟道气在预热新鲜空气之前首先通过该增加的热交换单元。因为新鲜空气获取较少的能量，因此被预热的程度较低，所以现有装置的NOx释放量会降低，最终所能达到的释放量的值依赖于现有装置的具体状况。
在实践中，经常希望同时获得不同温度水平的工艺物料流，例如传热介质或辅助物料流，例如氨。因为与工艺物料流的热交换步骤必须调节(dimension)成向生产蜜胺的工艺提供最高的期望温度，因此需要提供也向生产蜜胺的工艺供给较低温度水平的工艺物料流的可能性。在根据本发明的方法的优选实施方式中，因此采用第四热交换步骤，其中工艺物料流与烟道气热交换，并且供应到第四热交换步骤的工艺物料流的温度比供应到第四热交换步骤的烟道气的温度高。这种第四热交换步骤的实例是：首先分离出供应到第一热交换步骤，或从第一热交换步骤释出的熔融盐物料流的一部分，然后将分离出的熔融盐物料流供应到第四热交换步骤，而由于第二热交换步骤以及可能的第三热交换步骤，烟道气温度降低，以致第四热交换步骤中烟道气被加热而熔融盐被冷却。
导致烟道气在某种程度上被重新加热的第四热交换步骤的优点是：可以防止烟道气最后释出时发生凝结。另一优点是：其中进行该单独的第四热交换步骤的单元的设计比在与烟道气的第一或第二热交换期间必须释出传热介质时要简单。
在根据本发明的方法中，除了上面提及的热交换步骤之外，还有可能引入与工艺物料流的第五或其它热交换步骤。这将取决于具体情况，例如工艺物料流的存在及加热要求。不包括第三热交换步骤的实施方式也是可能的。
下面参照附图来阐述本发明。
图1示出了现有技术的实施方案，其中燃料与新鲜空气供应到燃烧器；烟道气与熔融盐及新鲜空气连续热交换。
图2示出了根据本发明的一个实施方案，其中在与新鲜空气热交换之前，烟道气经过两个与工艺物料流的热交换步骤。
图3示出了根据本发明的一个实施方案，其中在与熔融盐、工艺物料流及新鲜空气热交换之后，通过与部分熔融盐热交换来重新加热烟道气。
附图中标号的第一位数字表示图号。如果不同附图中标号的后两位数字相同，则它们表示相同的部件。
在图1中，天然气通过管线102被供应到燃烧器104，在燃烧器中天然气与通过管线106供应的助燃空气一起燃烧。烟道气在该过程中形成。烟道气经过管路108被送入热交换器110，在其中烟道气与通过管线112供应的熔融盐进行热交换，并且一旦被加热后熔融盐就沿管线114释出。然后烟道气经过管路116被供应到热交换器118，在其中烟道气与新鲜空气进行热交换。新鲜空气经管线120供应，加热后经106排出作为助燃空气进入燃烧器104。烟道气经管路122排放。为了实现烟道气NOx的减少，一部分烟道气经124与通过120供应的新鲜空气混合而再循环。
在图2中，与图1相比较，烟道气与工艺物料流(例如熔融盐)热交换后通过210不是直接与新鲜空气热交换，而是首先经管路226到热交换器228。在228中烟道气再次与经管线230供应的工艺物料流(例如超临界氨)热交换，加热后经管线232释放。然后，烟道气经管路234被供应到热交换器218。
在图3中，与图2相比较，烟道气与新鲜空气在318中热交换后，沿着管路322被供应到热交换器336；在这里烟道气与已经314排放出的一部分工艺物料流热交换；这部分物料流是经管线338供应的。在336中热交换的结果是烟道气在一定程度上被重新加热，工艺物料流在一定程度上被冷却。冷却的工艺物料流经340排放；烟道气经管路342排放。
下面参考实施例和对比实验进一步阐明本发明。
实施例I
其中实施根据本发明方法的、根据图2的装置包括一个盐釜。烟道气与熔融盐的第一热交换步骤在热交换器210中进行；与气态氨的第二热交换步骤在热交换器228中进行；烟道气与新鲜空气的第三热交换步骤在热交换器218中进行。一部分烟道气分离出并经224与新鲜空气混合。
盐釜是这样经燃烧加热的：在燃烧器204中，1625Nm3/h的天然气与总体积为20,850Nm3/h的、约90％体积的新鲜空气和约10％体积的再循环烟道气的混合物进行燃烧。约500m3/h的熔融盐从管线212中的414℃被加热到管线214中的450℃。约22,500kg/h的气态氨从管线230中的210℃被加热到管线232中的250℃。新鲜空气和再循环烟道气的混合物在热交换器218中从32℃被加热到158℃。最后烟道气从222释出，温度为220℃。
总的能量效率为91％；NOx的释放量为80mg/Nm3。
对比实验
根据现有技术的装置(见图1)包括盐釜。烟道气在热交换器110中与熔融盐热交换。这里不进行与工艺物料流的直接或间接的热交换。但是烟道气最后在热交换器118中与新鲜空气热交换。烟道气的一部分分离出并通过124与新鲜空气混合。
盐釜是这样经燃烧加热的：在燃烧器104中，1625Nm3/h的天然气与总体积为20,850Nm3/h的、约90％体积的新鲜空气和约10％体积的再循环烟道气的混合物进行燃烧。约500m3/h的熔融盐从112中的414℃被加热到114中的450℃。新鲜空气和再循环烟道气的混合物从120中的47℃被加热到106中的398℃。最后烟道气从122释出，温度为125℃。
总的能量效率为93％；考虑到在根据现有技术的装置中，没有如在实施例I中一样加热氨物料流；这样在生产蜜胺的工艺中需要单独的热交换步骤，例如借助水蒸气或通过对携有待加热氨的管线进行电加热，而这对这里所给出的效率具有负面影响。另外，在这个实施方式中，烟道气被冷却到更低温度，这也导致更高的效率。NOx的释放量为100mg/Nm3。
从实施例I及对比实验表明的：根据本发明的方法可以同时具有高的能量效率和低的NOx释放量。

Claims (11)

1.一种从炉子的烟道气中获取能量的方法，该炉子利用燃料来操作并用在生产蜜胺的工艺中，该方法包括第一热交换步骤，其中烟道气与第一工艺物料流热交换，其特征在于：烟道气在第二热交换步骤中与第二工艺物料流热交换。
2.如权利要求1所述的方法，还包括第三热交换步骤，其中烟道气与新鲜空气进行热交换。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述炉子是盐釜。
4.如权利要求3所述的方法，其中，在第一热交换步骤中烟道气与熔融盐交换热，在第二热交换步骤中烟道气与基本由氨组成的工艺物料流交换热。
5.如权利要求3所述的方法，其中，在第一热交换步骤中烟道气与熔融盐交换热，在第二热交换步骤中烟道气与基本由尿素组成的工艺物料流交换热。
6.如权利要求1或2所述的方法，包括第四热交换步骤，其中烟道气与工艺物料流进行热交换，并且供应到第四热交换步骤的所述工艺物料流的温度比供应到第四热交换步骤的烟道气的温度要高。
7.用于在生产蜜胺的工艺中供应工艺用热的装置，包括盐釜，所述盐釜包括盐在其中被加热的热交换单元，其特征在于该装置还包括至少一个附加的热交换单元，用于直接或间接地加热工艺物料流。
8.如权利要求6所述的装置，其包括用于直接加热基本由氨或尿素组成的工艺物料流的热交换单元作为附加的热交换单元。
9.如权利要求6或7所述的装置，其还包括用于加热新鲜空气的热交换单元。
10.一种用于优化在生产蜜胺的工艺中由烟道气供应工艺用热的现有装置的方法，其特征在于增加至少一个热交换单元来直接或间接地加热工艺物料流。
11.如权利要求9所述的方法，其中增加的热交换单元用于直接加热基本由氨或尿素组成的工艺物料流。
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