[发明专利]一种含氧含氮煤层气合成尿素的系统和方法

权利要求书

1.一种含氧含氮煤层气合成尿素的系统，包括原料气净化器(1)，其特征在于：原料气净化器(1)入口与含氧含氮煤层气输入管道相连接，原料气净化器(1)出口与配气装置(2)入口相连接，配气装置(2)入口还与空气管道和甲烷气管道相连接，配气装置(2)出口分成两路，分别与甲烷自热重整炉(3)的反应通道入口和加热通道入口相连接，另外，甲烷自热重整炉(3)的反应通道入口还与水蒸气供应管道相连接，甲烷自热重整炉(3)的加热通道出口与废热锅炉(4)的烟气入口相连接，废热锅炉(4)的水蒸汽出口与水蒸气供应管道相连接，甲烷自热重整炉(3)的反应通道出口与气气换热器(5)的热气流入口端相连接，气气换热器(5)的热气流出口端与水煤气变换炉(6)入口相连接，水煤气变换炉(6)入口还与水蒸气管道相连接，水煤气变换炉(6)出口与水冷器(7)入口相连接，水冷器(7)出口与水分离器(8)入口相连接，水分离器(8)气流出口与CO₂分离装置(9)入口相连接，CO₂分离装置(9)的CO₂气流出口与尿素合成塔(14)入口相连接，CO₂分离装置(9)的H₂/N₂气流出口与气气换热器(5)的冷气流入口端相连接，气气换热器(5)的冷气流出口端与甲烷化炉(10)入口相连接，甲烷化炉(10)出口与压缩机(11)入口相连接，压缩机(11)出口与氨合成塔(12)入口相连接，氨合成塔(12)出口与液氨分离器(13)入口相连接，液氨分离器(13)的液氨出口与尿素合成塔(14)入口相连接，液氨分离器(13)的H₂/N₂气流出口与压缩机(11)入口相连接。

2.根据权利要求1所述的一种含氧含氮煤层气合成尿素的系统的合 成方法，包括以下步骤：

煤矿井下排采的含氧含氮煤层气经过管道引入原料气净化器(1)，去除粉尘和H₂S杂质后，进入配气装置(2)，通过补充甲烷气或空气的方式来调节煤层气中甲烷浓度，使得煤层气中甲烷和空气的比例分别为42％和58％，配气装置(2)输出的甲烷和空气混合气一部分作为原料气，与水蒸气按比例混合后送入甲烷自热重整炉(3)的反应通道，在催化剂作用下进行重整反应，主反应方程式如下：

CH₄+1/2O₂→CO+2H₂   (1) 

CH₄+H₂O→CO+3H₂   (2) 

配气装置(2)输出的甲烷和空气混合气的另外一部分作为燃气送入甲烷自热重整炉(3)的加热通道，引入额外所需空气后，通过燃烧对甲烷自热重整炉(3)进行加热，使其温度维持在900～1000℃范围内；

甲烷自热重整炉(3)的加热通道排出的高温烟气进入废热锅炉(4)进行废热回收利用，生成的水蒸气进入蒸汽管道，为甲烷重整和水煤气变换提供部分蒸汽，甲烷自热重整炉(3)的反应通道排出的高温混合气，即N₂、CO、H₂、CO₂、H₂O和少量CH₄进入气气换热器(5)，与经过CO₂分离装置(9)脱除CO₂后的合成气进行换热，通过气气换热器(5)后，高温混合气的温度降至300℃，然后进入水煤气变换炉(6)，补充水蒸气后，在催化剂的作用下进行变换反应，变化反应为放热反应，其主反应如下：

CO+H₂O→CO₂+H₂   (3) 

变换反应后的混合气体经过水冷器(7)冷却至60℃，然后进入水分 离器(8)去除水分，去除水分后的合成气经过CO₂分离装置(9)对CO₂进行脱除，脱除CO₂后的合成气主要成分是H₂和N₂，还有少量的CO，CO₂和CH₄，进行合成氨之前需将合成气中的CO，CO₂含量经过甲烷化后降至10cm³/m³以下，甲烷化的主要反应如下：

CO+3H₂→CH₄+H₂O   (4) 

CO₂+4H₂→CH₄+2H₂O   (5) 

因此，经过CO₂分离装置(9)脱除CO₂后的合成气经过气气换热器(5)加热至300℃以上，然后进入甲烷化炉(10)，在催化剂的作用下进行甲烷化，深度去除CO和CO₂，CO₂分离装置(9)分离出的CO₂则引入尿素合成塔(14)，甲烷化炉(10)排出的合成气经过压缩机(11)压缩至15～30MPa后，进入氨合成塔(12)进行氨的合成，其氨合成反应如下：

N₂+3H₂→2NH₃   (6) 

氨合成塔(12)排出的混合气，即N₂、H₂、NH₃和少量CH₄进入液氨分离器(13)分离出液氨，N₂、H₂和CH₄则通过压缩机(11)压入氨合成塔(12)，循环利用，累积的CH₄和其它杂质气体通过弛放气阀定期排放出氨合成塔(12)，液氨分离器(13)分离出的液氨一部分作为原料进入尿素合成塔(14)，与来自CO₂分离装置(9)的CO₂合成尿素，多余的液氨则作为副产品液氨，合成尿素的化学方程式如下：

2NH₃+CO₂→CO(NH₂)₂+H₂O   (7) 。