[发明专利]生产氨及衍生物、尤其尿素的工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于从天然气生产氨及氨的衍生物、尤其尿素的方法。本发明还公开了一种氨-尿素成套装置的现代化的方法。

背景技术

在肥料行业中已知氨和氨的衍生物的集成化生产。例如，已知氨和尿素的生产。

氨生产，通常来自天然气原料的氨生产，包括在前端工段中将天然气转化成合成气以及在合成回路中将所述合成气转化成氨。天然气原料转化成合成气通常涉及两级蒸汽转化(尽管自热转化和部分氧化是可行的选择)，然后包括CO变换成CO₂、CO₂去除以及可选地甲烷化的净化。所得到的净化气被称为氨合成气。例如在EP 2 065 337中描述了一种用于生产氨合成气的工艺。

在所谓的氨-尿素成套装置中，至少一部分的合成的氨与二氧化碳反应以生成尿素。

用于生产氨及其衍生物的成套装置还包括复杂的蒸汽系统，其包括蒸汽生产者和蒸汽用户两者。蒸汽生产者回收来自各种工艺蒸汽的工艺热，多数来自天然气原料转化成粗合成气(通常通过蒸汽转化)以及来自其随后净化的工艺热。蒸汽用户包括例如一个或多个汽轮机以驱动诸如压缩机的设备。

氨-尿素成套装置的主要蒸汽用户为大型气体压缩机的驱动涡轮，该大型气体压缩机例如是合成气压缩机(其将生成的补充气的压力提升至合成回路的压力)以及用于工艺空气、氨、二氧化碳或天然气的其他压缩机。

蒸汽系统通常使用Hirn循环(或者过热蒸汽Rankine循环)以产生能量。然而，如氨成套装置中采用的所述循环是相对低效的，即使对于相对现代化和大型的成套装置也具有小于30％的效率且通常只有26％至27％。因此，用于提升蒸汽/使蒸汽过热的小于30％的热量被转化成机械能，大于70％的热量主要在蒸汽冷凝器中以及其他低效率的空气/水冷却中损失。

在蒸汽系统中产生的蒸汽的一部分也用在转化工艺中。该部分的蒸汽被称作工艺蒸汽。转化工艺的相关参数为蒸汽与碳的比率，其为蒸汽和在工艺中引入的碳之间的摩尔比。所述比率通常大约为3。

通过工艺热回收所生成的蒸汽一般不足以满足所有的需求，且在现有技术中通过包括燃气辅助锅炉以生成额外的所需的蒸汽来弥补不足。然而，所述锅炉引起天然气的额外消耗，在合成的氨方面对于给定的容量增加整体消耗。所述额外的消耗是一个缺陷，尤其在天然气是昂贵的地方和/或限量使用的地方。

在这些高天然气成本的地区中现有成套装置和新的成套装置必须使天然气的消耗最小化以在国际肥料市场上具有竞争性。此外，在肥料生产可用的总天然气有限的情况下，成套装置的特定气体消耗的任何减小能够相应增加肥料生产能力。

用于生产氨的衍生物，诸如尿素的复合肥料的主要天然气消费者是氨成套装置。尽管已经进行了许多努力以降低氨成套装置的能量消耗，但是如今可利用的工艺仍不是足够高效的，或在气体成本高的情况下太昂贵而不能操作。甚至目前用于改造现有氨成套装置的方法不具有竞争性，因为它们通常解决用以增加现有的装置的生产力的需求，而不是使气体消耗最小化。

最近，已经出现了可用于氨成套装置的天然气的数量的限制。这种受限的可用性可包括由于气田的产量的减少导致的物理气体缺乏，或者可以是由于商业和/或经济的原因，例如用完可用于成套装置的气体的合同份额和/或用于天然气的价格和需求的不同方案。

除上述大型压缩机外，传统的氨或氨-尿素成套装置通常包括数个较小的旋转机械，例如小型压缩机、风扇和泵。历史上，这些较小的机械直接由效率低的蒸汽涡轮机来驱动。在一些现有的氨成套装置中，一些小型蒸汽涡轮机已被电动机替代，以便降低操作成本，而在一些新的成套装置设计中，大多数或全部较小的机械通过电力驱动，必需的能量通过由更加高效的蒸汽涡轮机驱动的中央发电机来提供。然而，即使在那些新的成套装置设计的情况下，用于驱动较小的机械的燃料相对于能量(fuel-to-power)的总体热效率小于30％。

因此，仍需要增加氨成套装置的各种机械(包括较小的压缩机、风扇和泵)的驱动系统的燃料相对于能量的效率。

发明内容

本发明面对的问题是基于天然气原料来解决上述缺点并减少氨成套装置的能量消耗。尤其，本发明的目的是减少在燃气锅炉中所消耗的用于生成成套装置的能量用户所需的蒸汽的天然气的量。

本发明强调的构思是通过往复式燃气发动机提供较小的旋转机械所需的能量的至少一部分，所述较小的旋转机械例如是小型气体压缩机、风扇、泵。