低温精馏对生产氨的应用

本发明一般地涉及氨的生产，更具体而言，涉及从鼓风炉生产合成 氨气体和低温精馏的应用，以便能利用这些合成气体生产氨。

在鼓风炉运行中，用空气部分地氧化焦炭，利用得到的还原性气体 还原铁矿石生产铁。现代鼓风炉的运行包括使用富集氧的空气并加入煤 和天然气之类的其它烃类。鼓风炉的废气包含一些发热量，一般被用作 动力和蒸汽发电的燃料。在实际应用这些气体时，特别是从期望降低电 网供电成本的观点，希望更好地利用这种气体。

因此，本发明的目的是提供一种有效地利用鼓风炉废气生产氨的方 法。

概括地说，本发明适合将鼓风炉与采用低温精馏的氨生产设备有效 地结合起来实现一体化。低温精馏能改善鼓风炉的运行并能利用鼓风炉 的废气生产氨。

本领域的技术人员在阅读本发明的公开内容以后，会清楚本发明的 上述目的和其它目的以及优点，本发明的上述目的和其它目的以及优 点，是由本发明的一个方面达到的，本发明的这个方面是：

一种采用低温精馏生产氨的方法，其中包括：

(A)采用低温精馏在低温空气分离设备中分离空气生产氧；

(B)将来自低温空气分离设备的氧与空气混合制成鼓入空气，其 中包含约22％至50％(mol)的氧，其余部分主要由氮组成；

(C)将鼓入空气加入鼓风炉，使鼓入空气中的氧与鼓风炉中的烃 燃烧，生成包含氮、一氧化碳和氢的鼓风炉废气；

(D)使一氧化碳与蒸汽反应，生产二氧化碳和附加的氢，从鼓风 炉废气中除去二氧化碳，生成包含氮和氢的强化鼓风废气 (fortified blast furnace gas)；

(E)将强化鼓风炉废气加入低温精馏设备，在其中分离强化鼓风 炉废气，生成包含氢和氮的合成氨气体，其比例为3∶1；和

(F)将来自低温精馏设备的合成氨气体加入氨生产设备，使合成 氨气体中的氢和氮在其中反应生成氨。

本发明的另一个方面是：

生产氨的设备，其中包括：

(A)低温空气分离设备和将进料空气加入低温空气分离设备的装 置；

(B)鼓风炉、将来自低温空气分离设备的氧加入鼓风炉的装置和 将燃料加入鼓风炉的装置；

(C)水煤气转换反应段、将来自鼓风炉的鼓风炉废气加入水煤气 转换反应段的装置和将蒸汽加入水煤气转换反应段的装置；

(D)二氧化碳除去单元和将来自水煤气转换反应段的气体加入二 氧化碳除去单元的装置；

(E)低温精馏设备和将来自二氧化碳除去单元的气体加入低温精 馏设备的装置；和

(F)氨生产设备、将来自低温精馏设备的气体加入氨生产设备的 装置和从氨生产设备回收氨的装置。

本文所用的术语“铁矿石”系指一种或多种铁的氧化物，例如氧化 铁和氧化亚铁。

本文所用的术语“塔”系指蒸馏或精馏塔或区，即接触塔或接触区， 为了进行流体混合物的分离，其中液相和蒸汽相是逆流接触的，例如蒸 汽相和液相在安装在塔和/或充填设备例如规整的或无规充填的设备内 在竖直方向上有一定间隔的一系列塔盘或塔板上接触。

本文所用的术语“低温精馏设备”系指一种分离设备，其中设备的 至少一部分运行是在开氏温度(K)最高150度下进行的。

本文所用的术语“低温空气分离设备”系指包括至少一个塔的低温 精馏设备，在其中分离进料空气，生产产品氧和产品氮中的至少一种。

图1是本发明方法的一个优选实施方案简化的方框流程示意图，其 中二氧化碳的除去是采用变压吸附设备进行的。

图2是本发明方法的另一个优选实施方案简化的方框流程示意图， 其中二氧化碳的除去是采用热碳酸钾系统进行的。

将参照附图详细地叙述本发明。

现在看附图1，进料空气1主要由氮和氧以及空气中含有的其它正 常成分例如氩组成，将进料空气加入低温空气分离设备101中，在其中 采用低温精馏分离空气生产氧。低温空气分离设备101可以是任一种有 效的低温空气分离设备。优选的低温空气分离设备101是双塔设备，其 中包括一个压力较高的塔和一个压力较低的塔，二个塔的关系是进行热 交换，其中进料空气在压力较高的塔内通过低温精馏初步分离成富氧的 流体和富氮的流体，然后将这些流体加入压力较低的塔，它们在其中进 行低温精馏，最后分离成产品氧和产品氮。低温空气分离设备也可采用 其它的塔，例如氢侧臂塔(argon sidearm column)，在其中可生产产 品氩。

以气流4从低温空气分离设备101中排出氮，气流4可全部或部分 地回收，或释放到大气中。以气流6从低温空气分离设备中排出产品氧， 其氧浓度为富氧空气的氧浓度设至较高的纯度，即一般为40％-99.9％ (mol)。从低温空气分离设备排出的氧与来自气流7的空气混合，形 成富氧的空气或鼓入空气8。鼓入空气的氧浓度一般为22％-50％ (mol)，其余部分主要由氮组成。

鼓入空气8在炉子103中一般加热到温度1500-2200°F，并将得 到的热鼓入空气10与烃12一起加入鼓风炉104，烃12可以是煤、油或 天然气。还将包括铁矿石、焦炭和助熔剂的炉料14加入鼓风炉104中。 鼓入空气中的氧与鼓风炉内的烃燃料反应，生成热和还原性气体，气体 在炉中向上流动时，还原性气体将铁矿石转化成铁。熔融的铁和炉渣以 线13从鼓风炉104的底部排出，一般称作鼓风炉废气的气体，其中包 含氮、一氧化碳、二氧化碳和氢，集中在鼓风炉104的上部，以气流15 从鼓风炉104中排出。

本发明的一个重要方面是，在鼓入空气的氧含量超过空气的氧含量 时鼓入空气还包含大量的氮，优先至少约50％(mol)。这收到二个有 利的效果。使鼓风炉的运行与惯例没有明显的区别，其中的空气是氧的 唯一来源，也是下游生产氨的过程中的用氮的来源。

现在回头看图1，将鼓风炉废气15的一部分17加入炉子103中， 废气在其中燃烧，提供热量加热鼓入空气。可利用另一部分19作为其 它设备的燃料。将鼓风炉废气15的其余部分16加入洗涤塔107的下部。 以液流18将水加入洗涤塔107的上部，水沿洗涤塔107向下与向上流 动的鼓风炉废气相对流动。在此过程中，将鼓风炉废气中的颗粒杂质洗 入向下流动的水中，鼓风炉废气一般被冷却到温度40-150°F。以液流 20从洗涤塔107中排出洗水。

被冷却的鼓风炉废气，以气流22从洗涤塔107的上部排出，加入 压缩机110，在其中一般压缩到压力为100-500PSia。所得压缩的鼓 风炉废气以气流24与压力基本相同的蒸汽混合，形成水煤气转换反应 气流28。以气流26将蒸汽加入压缩的鼓风炉废气流24中，其加入速度 以使水煤气转换反应气流28中水与一氧化碳的比例为2-5为准。在将 它们混合成气流28之前，优选将气流24和26各乍加热到约600°F。

将水煤气转换反应气流28加入转换反应段114，转换反应段114 优选包括高温和较低温度的转换反应器，在每个转换反应器后都与热交 换器串联。当水煤气转换反应混合物流过转换反应器时，一氧化碳和与 蒸汽发生放热反应，生成二氧化碳和氢。得到的鼓风炉废气包含氮、二 氧化碳和氢，然后以气流30将其从水煤气转换反应器114加入高压吸 附系统118，变压吸附系统包括一个或多个吸附剂颗粒床，优选吸附剂 颗粒吸附二氧二碳。在这些吸附剂材料中包括活性碳和沸石。

当鼓风炉废气通过变压吸附系统118时，二氧化碳优选被吸附到吸 附剂上而从鼓风炉废气中除去。所得到的强化鼓风炉废气包含氮和氢， 以气流32从变压吸附系统中排出。

气流32可包含最高达500ppm的二氧化碳，也包含一些水。将气流 32加入甲烷化段120，气体在其中被预热，然后加入甲烷转化器。在甲 烷转化器中，所有残留的一氧化碳和二氧化碳都与氢反应生成甲烷。以 气流36将来自甲烷化部分120的气体混合物加入干燥器123中除去水。 以气流40将得到的强化鼓风炉废气从干燥器123排出，并与循环气流58 合并形成气流42，将其加入低温精馏设备126。优先低温精馏设备126 包括一个热交换器，进料在其中被部分冷凝，然后进行相分离。然而该 设备可将热交换和相分离与进一步的塔分离结合起来。在低温精馏设备 126中，由低温精馏设备将进料42分离成包含氢与氮的比例约3∶1的 合成氨气体46以及非常少量的氩和甲烷，剩余的氮43氮浓度为约98％ (mol)，其余部分是氩、甲烷和氢，不纯的氢48氢浓度一般为10-50 ％(mol)。

以气流46将合成氨气体从低温精馏设备126加入氨生产设备129。

在氨设备129中，将制备的合成氨气体和循环合成气体压缩、加热， 然后加入氨转化器中。在转化器中氢与氮反应生成氨。由于是放热反应， 有热量产生。利用这些热量生产蒸汽。氨的单程转化率为15-30％。在 冷却转化器出口气体时又产生一部分蒸汽。出口气体通过与转化器的进 料气体进行热交换和随后用冷却水进一步冷却。最后再采用冷冻装置将 其冷却，分离液氨产品。来自这个分离器的气体包含未转化的氢、氮和 不活泼的气体(氢和甲烷)。将这种气体的一小部分从环路中排出，以 防不活泼气体的积累。本发明的有利方面之一是，在生产合成氨气体的 设备126中除去大部分不活泼的气体(95％以上的甲烷和85％以上的 氩)。所以，进入合成氨环路的不活泼气体量非常少，因而需排出的气 体量也非常少。由于合成氨环路中不活泼的气体浓度低，也提高了氨的 单程转化率。剩下的气体(除去排出的气体后)被称作前面所述的循环 合成气体。将液态氨产品调节到较低的压力，释放被溶解的气体。将这 些气体与排出的气体合并，并通过冷冻从其中除去氨。由干燥器除去这 些气体中的任何水分。这些干燥的气体构成循环气流50，被送往低温精 馏设备126。

将来自设备126的不纯氢气48加入压缩机134中，将所得的压缩 气流56与来自设备129的循环气流50合并，构成加入低温精馏设备126 的前述循环气流58，循环气流50包含约60％至90％(mol)的氢。压 力为约250psia。以液流52从设备129中回收产品氨，以气流54从 设备129中排出作为氨生产的副产品生成的蒸汽，气流54可全部或部 分地回收。

剩下的氮以气流43从低温精馏设备126中排出。气流43的主要部 分44通过变压吸附设备118，在其中用于再生被二氧化碳饱和的吸附 剂，将二氧化碳从吸附剂上解吸到剩余氮气流中。气流43的一小部分45 通过干燥器123，在其中用于再生被水饱和的吸附剂，将水从吸附剂上 解吸到剩余氮气流中，然后作为气流38排出。可将得到的废氮气流31 从设备118排出，或如图1所示将其加入催化氧化反应器136中，气流 33中的氧与残留的一氧化碳在其中反应生成二氧化碳，然后将剩余氮气 流以气流35排放。

本发明的一个重要方面是，再生二氧化碳除去系统所用的氮来自于 低温氮-氢分离设备，而不是来自空气分离设备。要求空气分离设备的 氮纯度高于气流43的纯度，换句话说，空气分离设备的氮能将氧引入 二氧化碳除去系统，从而最终引入强化鼓风炉废气中，消耗其中用于生 产氨的氢。能够证明这些氧的存在是有害的，本发明采用二个单独的低 温精馏设备避免了这些可能的危害。

图2示出本发明的另一个实施方案，其中二氧化碳除去系统是吸收 剂系统，例如热碳酸钾系统而不是变压吸附系统。对于共同的设备，图 2中的序号与图1相同，且不再详细地说明这些共同的设备。

现在来看图2，将来自水煤气转换反应段114的鼓风炉废气流30加 入酸性气体除去系统117，该系统包括来自热碳酸钾溶液作为溶剂的吸 收塔和解吸塔。在吸收塔中该溶剂从气体混合物30中除去二氧化碳， 在解吸塔中该溶剂来用来自气流44中的蒸汽和剩余氮再生，以气流34 排放所产生的二氧化碳与剩余氮的混合物。气流32的强化鼓风炉废气 可包含约500ppm的二氧化碳，将其加入甲烷化段120，气体在其中被预 热，然后加入甲烷转化器中。在甲烷转化器中，所有残留的一氧化碳和 二氧化碳与氢反应生成甲烷。以气流36将来自甲烷转化段120的气体 混合物加入干燥器123中，从气体混合物中除去水，并以气流40从干 燥器123中排出所得到的强化鼓风炉废气。干燥器123用剩余氦气流45 再生，以气流38从干燥器123中排放氦和水的混合物。这个实施方案 中的剩余氮包含作为杂质的氢和甲烷。

虽然参照一些优选的实施方案详细地说明了本发明，但本领域的技 术人员会认识到在权利要求的内容和范围内，本发明还有其他一些实施 方案。例如不需用低温空气分离设备为鼓风炉专门供氧，而是把生产的 氧通入管道，管道不仅能将氧加入鼓风炉中，而且还能送到其它使用地 点。进入低温空气分离设备的进料空气，可从将空气加入鼓风炉中所用 的鼓风机得到。也可从低温精馏设备回收氩和/或甲烷，或将其加入氨 生产设备，由于它们在氨生产过程中是不活泼的气体，所以可从氨生产 设备中回收它们。