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用于制备氨 合成气的方法

阅读：802发布：2020-05-12

专利汇可以提供用于制备氨合成气的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及制备氨合成气的方法，其通过ATR或次级重整工艺结合使用来自空气分离装置和水的电解的氧气来生产氨合成气。，下面是用于制备氨合成气的方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.用于制备氨合成气的方法，其包括以下步骤：
(a)提供气态烃原料；
(b)将大气空气分离为单独的含氧流和单独的含氮流；
(c)通过水的电解制备单独的含氢流和单独的含氧流；
(d)用步骤(b)中通过分离大气空气获得的含氧流和步骤(c)中通过水的电解获得的含氧流使至少一部分气态烃原料自热或次级重整为包含氢气、一氧化碳和二氧化碳的工艺气体；
(e)在一个或多个水煤气变换反应中处理取自步骤(d)的自热或次级重整中的工艺气体；
(f)从经水煤气变换处理的工艺气体中除去二氧化碳；
(g)纯化来自步骤(f)的工艺气体以获得经纯化的氢气流；
(h)将步骤(b)中通过分离大气空气而获得的含氮流以提供混合的氢气和氮气流中氢气与氮气的摩尔比为2.7-3.3的量引入到经纯化的氢气流中，从而获得氨合成气。
2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(b)中的大气空气的分离和水的电解由可再生能源提供动力。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中步骤(g)中经纯化的氢气流通过液氮洗涤获得。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中步骤(b)中的大气空气的分离通过低温分离进行。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中在步骤(h)中将来自步骤(c)的至少一部分含氢流添加至所述经纯化的氢气流中。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法用于改进和/或提高现有基于ATR或次级重整的氨合成气装置的产能的用途。

说明书全文

用于制备氨 合成气的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及制备氨合成气。更具体地，本发明在制备含氢和氮的氨合成气中结合了空气分离、水的电解和气态烃原料的部分氧化。

背景技术

[0002] 氨合成气通常通过使天然气或高级烃的烃进料在燃烧的管式蒸汽重整器中通过与蒸汽重整催化剂接触而进行吸热蒸汽重整反应来制备。然后将初级重整气体送入次级绝热重整器中，其中在次级重整催化剂的存在下，使气体中的一部分氢和残留的烃经受空气或富氧空气部分氧化。在次级重整器中，在原料的上述蒸汽重整反应的反应过程中形成含有氢气、氮气、一氧化碳和二氧化碳的粗合成气，且在次级重整步骤中通过向气体添加空气引入氮气。

[0003] 初级和次级重整过程的缺点是用于加热吸热的初级蒸汽重整的烃原料和燃料的消耗较高，因此产生大量的CO2排放。从该过程中捕获的CO2产品可用于下游工艺，例如尿素生产或提高的原油采收率。

[0004] 大型氨合成厂中的初级和次级蒸汽重整可以用自热重整(ATR)代替。

[0005] 但是，初级和次级蒸汽重整在工业中仍然经常使用，特别是在现有的重整工厂中。

[0006] ATR包括在与天然气的反应中使用氧气将其部分氧化为CO、CO2、H2、H2O和烃，然后对烃进行蒸汽重整以形成粗合成气。借助ATR技术，可以略微减少特定烃的消耗以及CO2的排放。

[0007] 在ATR工艺中，空气分离装置(ASU)为ATR提供氧气，也为氨合成提供氮气。

[0008] 在ASU中处理的氮气中，只有不到一半用于氨合成，因为ATR所需的氧气比氮气要多，并且大于大气空气中氧气/氮气比。可将过量的氮认为是ASU的能量损失。

[0009] 近来，至少在专利文献中，已经设想了结合生产氢气的水的电解与生产氮气的空气分离来制备氨合成气。如此产生的氢和氮以化学计量比结合以形成用于氨生产的合成气。然而，电解和空气分离相结合的问题在于，氧气在电解和空气分离中均作为副产物产生，其在氨合成中没有用途，并且可被认为是能量损失。

发明内容

[0010] 本发明基于ATR工艺或次级重整工艺结合使用来自空气分离装置和水的电解的氧气生产氨合成气。

[0011] 因此，本发明是一种制备氨合成气的方法，包括以下步骤：

[0012] (a)提供气态烃原料；

[0013] (b)将大气空气分离为单独的含氧流和单独的含氮流；

[0014] (c)通过水的电解制备单独的含氢流和单独的含氧流；

[0015] (d)用步骤(b)中通过分离大气空气获得的含氧流和步骤(c)中通过水的电解获得的含氧流使至少一部分气态烃原料自热或次级重整为包含氢气、一氧化碳和二氧化碳的工艺气体；

[0016] (e)在一个或多个水煤气变换反应中处理从步骤(d)的自热或次级重整中取出的工艺气体；

[0017] (f)从经水煤气变换处理的工艺气体中除去二氧化碳；

[0018] (g)纯化来自步骤(f)的工艺气体以获得经纯化的氢气流；

[0019] (h)将步骤(b)中通过分离大气空气而获得的含氮流以提供混合的氢气和氮气流中氢气与氮气的摩尔比为2.7-3.3的量引入到经纯化的氢气流中，从而获得氨合成气。

[0020] 在自热重整步骤中获得的工艺气体的纯化可以通过以下方法进行：将气体进行水煤气转化反应，使CO转化为CO2，以产生更多的氢气，并用富含碳酸钾或胺的液体溶剂去除CO2，从而在液体溶剂中选择性地吸收CO2，如本领域中已知的那样。

[0021] 与使用水的电解产生氢和空气分离产生氮的现有技术方法相比，来自水的电解和来自空气分离的氧气产物有利地用于自热重整器或次级重整器中的部分氧化，从而减小了ASU的尺寸，其是一个昂贵且耗能的装置和工艺。为了最大程度地减少ASU的能量损失，可以将ASU的尺寸减小到这样的水平，其使得可以根据氨合成的需要生产足够量的氮气。当在ATR或次级重整和水的电解中产生用于氨合成的化学计量比的氢和氮时，ASU尺寸将达到最小值，因此不会排放任何过量的氮。

[0022] 但是，根据水的电解的可用功率和水的电解的效率，可以改变ASU的设计以提供过量的氧气，以便用水的电解产生的氢代替部分烃原料。

[0023] 本发明的另一个优点是，用于操作电解单元和ASU的能量可以是由风车、太阳能电池、水力能源或其他可再生能源产生的可再生能源。

[0024] 因此，在本发明的优选实施方案中，水的电解和空气的分离由可再生能源提供动力。

[0025] 在根据本发明的方法中使用的用于空气分离的方法优选地是在低温空气分离装置中的分馏，以提供氮气和氧气。或者，可以使用其他方法，例如膜分离、变压吸附(PSA)和真空变压吸附(VPSA)。

[0026] 使用低温空气分离的优点是分离出的一部分氮气为液态。液氮优选用于步骤(g)中的氮气洗涤装置中，以除去来自重整步骤中的甲烷、氩气和一氧化碳副产物。

[0027] 在液氮洗涤之后，氨合成气就基本不含惰性物质并且在氨合成中更有效，因为可以避免吹扫气体。

[0028] 与仅采用电解和空气分离而不进行ATR或次级重整的现有技术方法相比，本发明方法的主要优点之一是，电解装置的效率大大提高了近50％。

[0029] 据报道，水的电解的商业化技术的效率为40％至60％。水的电解的效率定义为所产生的氢气的较低热值(LHV)除以所消耗的电功率。由于产生的氧气没有热力学热值，因此没有给出所产生的氧气的能量值。

[0030] 将水的电解与ATR或次级重整技术相结合以产生氨合成气的协同作用在于，可总体上节约用于部分氧化过程的烃原料和燃料，并由于其尺寸减小而减少了ASU的能耗。

[0031] 在下表1中，给出了2200MTPD氨工厂的关键数据，用于比较具有ASU的ATR和与水的电解结合的具有ASU的ATR的合成气技术。

[0032] 表1

[0033]

[0034] 通过根据本发明的方法，当利用效率为50％的195.3MW的功率进行水的电解时，天然气的节省为129MW(LHV＝39771KJ/Nm3)，用于ASU的功率为12.9MW。然后，水的电解的总效率从50％增加到72.6％。这几乎增加了50％。

[0035] 由于天然气消耗减少了22％，CO2排放也相应减少。

[0036] 当用于改进或提高ATR或基于初级和次级重整的氨合成气厂的产能时，根据本发明的方法提供了进一步的优点，即减少了烃原料的特定消耗并因此减少了CO2的产生。在本领域中已知，在上游工艺中必须通过用胺或碳酸钾溶液进行酸性气体洗涤而从氨合成气中除去CO2。该过程是昂贵的，并且粗氨合成气中CO2的量的减少降低了整个工艺成本。

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