專利名稱：利用冶金廢氣生產(chǎn)合成氨的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及化工，更具體的講涉及一種利用冶金生產(chǎn)中的廢氣生產(chǎn)合成氨的方法。
背景技術(shù)：
目前，大型合成氨生產(chǎn)裝置所用原料天然氣(油田氣)占50％，渣油和石腦油占43％，煤占7％，其下游產(chǎn)品為硝酸磷肥、尿素。70年代引進的大型合成氨裝置均進行了技術(shù)改造，生產(chǎn)能力提高了15％～22％，合成氨噸綜合能耗由41.87GJ降到33.49GJ。中型合成氨生產(chǎn)裝置所用原料以煤、焦為原料的占62％，以渣油為原料的占16％，以氣為原料的占22％，下游產(chǎn)品主要是尿素和硝酸銨。小型合成氨生產(chǎn)裝置所用原料以煤、焦為原料的占96％，以氣為原料的占4％，下游產(chǎn)品主要是碳酸氫銨和尿素。
合成氨所需氫氣和氮氣的主要來源以煤、焦為原料以煤為原料的大型合成氨生產(chǎn)裝置一般采用魯奇粉煤氣化工工藝，通常采用德士古水煤漿氣化工藝，以煤、焦為原料中小型合成氨生產(chǎn)裝置大多采用固定床常壓氣化傳統(tǒng)工藝，現(xiàn)平均噸能耗為68.74GJ。德士古水煤漿氣化技術(shù)成熟，適用煤種較寬，氣化壓力高，能耗低，安全可靠，三廢處理簡單，投資相對其它煤工藝節(jié)省。水煤漿加壓氣化，解決了用煤造氣的技術(shù)難題，使煤制氨技術(shù)提高到新水平。雖然德士古水煤漿氣化理論上適合于很寬范圍的煤種，但不能滿足熱值高(大于20.9kJ/g)、灰熔點低(T3小于1350℃)、灰分少的要求。
以渣油為原料以渣油為原料的合成氨合成工藝很不平衡，以渣油為原料的大型合成氨裝置，平均噸能耗為45.66GJ，最低為40.82GJ。大多數(shù)以渣油為原料的中型合成氨裝置采用60年代比較流行的通用設(shè)計工藝，采用3.0MPa部分氧化法加壓氣化、無毒脫碳、ADA脫硫、3.2MPa 3套管合成技術(shù)，噸能耗在65GJ左右，進行改造的裝置的噸能耗在56GJ左右。
以天然氣、輕油為原料以天然氣、輕油為原料的合成氨裝置主要是大型合成氨裝置，目前已建成的大型合成氨裝置中，采用了凱洛格傳統(tǒng)工藝、凱洛格-TEC工藝、丹麥托普索工藝、節(jié)能型的AMV工藝和美國布朗工藝。以天然氣為原料(傳統(tǒng)工藝)的平均噸能耗為36.66GJ，最低為32.84GJ；以天然氣為原料(節(jié)能型工藝)的平均噸能耗為34.12GJ，最低為31.056J；以石腦油為原料的平均噸能耗為38.68GJ，最低為37.01GJ。
現(xiàn)有冶金企業(yè)在生產(chǎn)過程中排放大量廢氣，如煉焦爐的焦爐氣或荒煤氣、制氧工序的氮氣、石灰窯尾氣、轉(zhuǎn)爐和加熱爐產(chǎn)生的蒸汽等。這些廢棄資源很少得到利用，排放后造成了企業(yè)周圍環(huán)境嚴重污染，生態(tài)環(huán)境也同樣遭到比較嚴重的破壞。合成氨及相關(guān)產(chǎn)品是工業(yè)的重要基礎(chǔ)原料，是農(nóng)、林、牧業(yè)尤其是農(nóng)業(yè)離不開的重要物質(zhì)，與人們的日常生活密切相關(guān)。然而合成氨的生產(chǎn)又需要消耗大量能源，在目前世界能源日趨緊張的情況下，如何在合成氨上降低能耗和成本，長期以來，一直為有關(guān)專家努力探討。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種不但可以節(jié)約大量寶貴的燃料和水資源，降低合成氨生產(chǎn)成本，而且還能減少能源浪費和冶金企業(yè)周圍環(huán)境污染，保護生態(tài)環(huán)境的利用冶金企業(yè)生產(chǎn)中的廢氣生產(chǎn)合成氨的方法。
本發(fā)明的目的可通過如下技術(shù)措施來實現(xiàn)目前，鋼鐵生產(chǎn)過程中排放的廢氣中氫氣----焦爐煤氣中含氫25％(重量比)，目前主要用于冶金設(shè)備的燃燒、加熱；氮氣----制氧過程伴生的副產(chǎn)品，除少部分自用外，大部分放散掉；二氧化碳----石灰窯尾氣中提取，現(xiàn)在全部放掉；低溫余熱蒸汽----轉(zhuǎn)爐水冷煙道產(chǎn)生的飽和蒸汽、加熱爐爐底水管產(chǎn)生的飽和蒸汽，主要用于冬季采暖，非采暖期全部放散。
生產(chǎn)合成氨的方法，包括制備氫氣和氮氣，將氫氣和氮氣送裝有氨合成催化劑的合成塔中在高溫、高壓下生成合成氨，本發(fā)明采用冶金企業(yè)生產(chǎn)中的廢氣為原料制備氫氣和氮氣，包括用焦爐煤氣加蒸汽轉(zhuǎn)化變換制備氫氣、用煉鋼過程中制氧機生產(chǎn)氧氣時伴生的副產(chǎn)氣制備氮氣。
本發(fā)明的目的還可通過如下技術(shù)措施來實現(xiàn)(1).所述的制備氫氣a、從煉焦爐來的荒煤氣先經(jīng)氣液分離器分離脫除氨水和焦油，再經(jīng)15～20℃和25～35℃二段間接水冷冷卻，除去荒煤氣中的萘；b、由a工序來的荒煤氣經(jīng)電捕焦油器除去雜質(zhì)，經(jīng)25-35℃冷卻后用濃度為0.1-0.5％的氨水吸收液脫除煤氣中的硫；c、由b工序來的溫度為55～60℃的煤氣經(jīng)預熱器預熱后，用含有3.5～4.0％的稀硫酸的硫銨母液脫除氨；d、由c工序來的溫度為50～55℃的煤氣經(jīng)用氨濃度為0.1～0.5％的循環(huán)氨水冷卻，然后用溫度為175～185℃的貧油洗出苯，得凈煤氣；e、由d工序來的凈煤氣經(jīng)蒸汽轉(zhuǎn)化變換和脫碳，得氫氣；(2).所述的制備氮氣煉鋼過程中制氧機生產(chǎn)氧氣時伴生的副產(chǎn)氣經(jīng)提純制得氮氣；所述的蒸汽是由轉(zhuǎn)爐水冷煙道和加熱爐爐底水管產(chǎn)生的飽和蒸汽經(jīng)加熱制得。
該方法是利用冶金企業(yè)生產(chǎn)過程中排放的廢氣作為生產(chǎn)合成氨的原料。具體的講就是用焦爐煤氣制取氫氣，氮氣取自煉鋼過程中制氧機生產(chǎn)氧氣時伴生的副產(chǎn)品，所需蒸汽取自轉(zhuǎn)爐水冷煙道和加熱爐爐底水管產(chǎn)生的飽和蒸汽。在冶金企業(yè)利用廢棄資源制備合成氨所需要的氫氣、氮氣和蒸汽原料氣，用石灰窯的窯氣經(jīng)過除塵凈化、壓縮、干燥、活性炭吸附和CO2脫附，制得CO2氣，將該CO2氣和本發(fā)明的方法制備的合成氨進行合成得尿素。本發(fā)明降低了合成氨和其相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，減少能源浪費和鋼鐵廠周圍環(huán)境污染，保護生態(tài)環(huán)境，經(jīng)濟效益和社會效益特別顯著。
具體實施例方式
實施例1氫氣制取氫氣來自于焦炭生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)品焦爐煤氣，目前焦爐煤氣主要用作熱工設(shè)備的燃料，焦爐煤氣中氫氣含量(體積)60％以上。焦炭生產(chǎn)過程中生成的焦爐煤氣由爐頂上升管引導到回收系統(tǒng)。
從回收系統(tǒng)來的含有氨水、焦油的荒煤氣，經(jīng)初冷器前的氣液分離器去除氨水、焦油，荒煤氣去橫管式間接初冷器，液體流入機械化澄清槽。在初冷器內(nèi)，煤氣自上而下從管間流過初冷器，冷卻水自下而上經(jīng)過冷卻水管內(nèi)。橫管初冷器分兩段冷卻，一段采用15℃低溫水，二段采用35℃循環(huán)水，同時混合液(輕質(zhì)焦油)在初冷器內(nèi)分兩段噴灑，除去荒煤氣中的萘，煤氣萘含量≤0.5g/Nm3，除萘效率≥95％。
自初冷器來的荒煤氣先進入電捕焦油器下部，被捕去雜質(zhì)后的煤氣從頂部出來進入電動離心鼓風機，然后進入煤氣預冷器及脫硫工序。電捕焦油器為蜂窩式。強直流電在集電極(負極)和沉淀(正極)之間形成不均勻的40kv高壓電場，當煤氣通過此高壓電場時，夾帶于煤氣中的焦油霧和灰塵顆粒被荷化，并沉淀于正極上(沉淀極)由電捕焦油器底部流出，經(jīng)水封槽流到鼓風地下池并送往冷凝。當電極需要清洗時，可用80℃的熱氨水或蒸汽清掃。當安裝在煤氣管道上的氧分析儀檢測出的氧含量超過1.0％(體積)時，電捕焦油器會自動斷電，電源恢復手動進行。電捕前煤氣含焦油霧≤10g/Nm3，電捕后煤氣含焦油霧≤0.05g/m3，效率≥99％。電動離心鼓風機(122400m3/h，轉(zhuǎn)速為5506轉(zhuǎn)/分鐘)輸送介質(zhì)為煤氣，在輸送過程中，煤氣中的部分焦油、水被冷凝下來。并通過風機排液系統(tǒng)排出。
焦爐煤氣氨法催化脫硫是根據(jù)煤氣中同時存在NH3、H2S、HCN的情況下，使三組分在溶液中相互作用，用濃度為0.1％的氨水吸收液脫除煤氣中的H2S、HCN，并在H.P.F(醌鈷鐵類)復合型催化劑作用下，H2S、HCN先在氨介質(zhì)存在下溶解、吸收，然后在催化劑作用下銨硫化合物等被濕式氧化形成元素硫、硫氰酸鹽等，催化劑則在空氣氧化過程中再生。最終，H2S以元素硫形成，HCN以硫氰酸鹽形式被除去。
在鼓風冷凝送來的煤氣首先進入直冷式預冷塔，用循環(huán)水冷卻到35℃后，進入脫硫塔，預冷塔用15℃冷卻水制成循環(huán)系統(tǒng)，從塔底排出的25℃的熱水經(jīng)泵送冷卻器，用15℃的低溫水換熱后進入預冷塔頂部，用于冷卻煤氣，預冷循環(huán)水定期排污，或送冷凝工序，同時往循環(huán)系統(tǒng)中加入氨水予以補充(循環(huán)水中的氨濃度為0.5％)。從預冷塔來的煤氣進入脫硫塔，與塔頂噴淋的脫硫液逆向接觸，脫除H2S、HCN后由塔機排出，去硫銨工序。脫硫塔前煤氣含H2S含量≤6g/m3，脫硫塔后煤氣含H2S含量≤0.5g/m3，懸浮硫含量≤1.5g/l，脫硫效率≥85％。
由脫硫裝置來的溫度為55℃的煤氣首先進入煤氣預熱器預熱，煤氣走管程，蒸汽走殼程，然后進入噴淋式飽和器，用含有4.0％的稀硫酸的硫銨母液所吸收，生成硫酸銨。脫除氨后的煤氣沿切線方向進入飽和器內(nèi)旋風除酸器，除去煤氣中所夾帶的酸霧后，送至終冷洗苯工序。煤氣中氨≤0.05g/m3，脫氨效率≥99％。
從硫銨工序來的溫度為50℃的煤氣，首先從底部進入煤氣終冷塔，終冷塔前煤氣進行冷卻，終冷塔為直冷式，用氨濃度0.5％的循環(huán)氨水冷卻后進入洗苯塔。終冷塔用冷卻水自成循環(huán)系統(tǒng)，分上、下兩段，從塔底排了出的熱水經(jīng)泵送板式冷卻器，用循環(huán)水換熱后進行入終冷卻塔中部，作為下段煤氣冷卻；從塔中部排出的熱水經(jīng)泵送板式冷卻器，用低溫水換熱后進入終冷塔頂部，作為上段煤氣冷卻，終冷循環(huán)水連續(xù)排污，送酚氰廢水處理。
從終冷塔頂部了出來的煤氣從底部進行洗苯塔，自下面上與塔頂噴入溫度為175℃的貧油(貧油含苯≤0.5％)逆向接觸洗出煤氣中苯類，塔底富油(富油含苯2.5％)用富油泵送至粗苯蒸餾進行脫苯操作，得含苯≤4g/Nm3的凈煤氣，脫苯效率≥85％。
凈煤氣加蒸汽轉(zhuǎn)化變換和脫碳，得氫氣和二氧化碳氣；根據(jù)焦爐煤氣成份計算，氫含量達25％(重量比)，提取價值極高。
氮氣制取鋼鐵企業(yè)在煉鋼過程中使用純氧，利用制氧機生產(chǎn)氧氣，氧氣純度達到99.6％。在生產(chǎn)氧氣的過程伴生氮氣，純氮用于工業(yè)生產(chǎn)，污氮被放散。經(jīng)過提純氮氣純度可達99.9％?？蓾M足合成氨工藝對氮氣品質(zhì)的要求。
二氧化碳制取來自石灰窯的窯氣經(jīng)過除塵系統(tǒng)凈化，進入空壓機壓縮，經(jīng)氣水分離器脫除油及夾帶水，在進入原料干燥系統(tǒng)，進一步去除窯氣中的飽和水蒸汽，然后在0.4MPa壓力下經(jīng)過吸附塔(內(nèi)裝有煤基活性炭吸附劑)時，其中的CO2被吸附，吸附劑被CO2飽和后，再進行CO2脫附、收集和壓縮、脫水、干燥、降溫液化得液體CO2。
蒸汽制取轉(zhuǎn)爐、加熱爐汽化冷卻蒸汽為飽和蒸汽，壓力為0.6MPa，溫度為120℃。
實施例2其他同實施例1，所不同的是氫氣制取橫管初冷器分兩段冷卻，一段采用20℃低溫水，二段采用25℃循環(huán)水；強直流電在集電極(負極)和沉淀(正極)之間形成不均勻的49kv高壓電場；當電極需要清洗時，可用75℃的熱氨水或蒸汽清掃；用濃度為0.5％的氨水吸收液脫除煤氣中的H2S、HCN；
用循環(huán)水冷卻到25℃后，進入脫硫塔，預冷塔用20℃冷卻水制成循環(huán)系統(tǒng)，從塔底排出的15℃的熱水經(jīng)泵送冷卻器，用20℃的低溫水換熱后進入預冷塔頂部，用于冷卻煤氣，預冷循環(huán)水定期排污，或送冷凝工序，同時往循環(huán)系統(tǒng)中加入氨水予以補充(循環(huán)水中的氨濃度為0.1％)。
由脫硫裝置來的溫度為60℃的煤氣首先進入煤氣預熱器預熱，煤氣走管程，蒸汽走殼程，然后進入噴淋式飽和器，用含有3.5％的稀硫酸的硫銨母液所吸收，生成硫酸銨。
從硫銨工序來的溫度為55℃的煤氣，首先從底部進入煤氣終冷塔，終冷塔前煤氣進行冷卻，終冷塔為直冷式，用氨濃度0.1％的循環(huán)氨水冷卻后進入洗苯塔。
從終冷塔頂部了出來的煤氣從底部進行洗苯塔，自下面上與塔頂噴入溫度為185℃的貧油(貧油含苯≤0.5％)逆向接觸洗出煤氣中苯類，塔底富油(富油含苯1.6％)用富油泵送至粗苯蒸餾進行脫苯操作；二氧化碳制取進一步去除窯氣中的飽和水蒸汽，然后在1.0MPa壓力下經(jīng)過吸附塔(內(nèi)裝有煤基活性炭吸附劑)時。
實施例3其他同實施例2，所不同的是氫氣制取橫管初冷器分兩段冷卻，一段采用15℃低溫水，二段采用25℃循環(huán)水；實施例4其他同實施例1，所不同的是氫氣制取橫管初冷器分兩段冷卻，一段采用20℃低溫水，二段采用35℃循環(huán)水；實施例5其他同實施例1，所不同的是氫氣制取橫管初冷器分兩段冷卻，一段采用18℃低溫水，二段采用30℃循環(huán)水；強直流電在集電極(負極)和沉淀(正極)之間形成不均勻的45kv高壓電場；當電極需要清洗時，可用78℃的熱氨水或蒸汽清掃；
用濃度為0.3％的氨水吸收液脫除煤氣中的H2S、HCN；用循環(huán)水冷卻到30℃后，進入脫硫塔，預冷塔用17℃冷卻水制成循環(huán)系統(tǒng)，從塔底排出的20℃的熱水經(jīng)泵送冷卻器，用17℃的低溫水換熱后進入預冷塔頂部，用于冷卻煤氣，預冷循環(huán)水定期排污，或送冷凝工序，同時往循環(huán)系統(tǒng)中加入氨水予以補充(循環(huán)水中的氨濃度為0.3％)。
由脫硫裝置來的溫度為57℃的煤氣首先進入煤氣預熱器預熱，煤氣走管程，蒸汽走殼程，然后進入噴淋式飽和器，用含有3.7％的稀硫酸的硫銨母液所吸收，生成硫酸銨。
從硫銨工序來的溫度為52℃的煤氣，首先從底部進入煤氣終冷塔，終冷塔前煤氣進行冷卻，終冷塔為直冷式，用氨濃度0.3％的循環(huán)氨水冷卻后進入洗苯塔。
從終冷塔頂部了出來的煤氣從底部進行洗苯塔，自下面上與塔頂噴入溫度為180℃的貧油(貧油含苯≤0.5％)逆向接觸洗出煤氣中苯類，塔底富油(富油含苯2.0％)用富油泵送至粗苯蒸餾進行脫苯操作；二氧化碳制取進一步去除窯氣中的飽和水蒸汽，然后在0.6MPa壓力下經(jīng)過吸附塔(內(nèi)裝有煤基活性炭吸附劑)時。
權(quán)利要求
1.利用冶金廢氣生產(chǎn)合成氨的方法，包括制備氫氣和氮氣，將氫氣和氮氣送裝有氨合成催化劑的合成塔中在高溫、高壓下生成合成氨，其特征在于所述的制備氫氣和氮氣是以冶金生產(chǎn)中的廢氣為原料，包括用焦爐煤氣加蒸汽轉(zhuǎn)化變換制備氫氣、用制氧機生產(chǎn)氧氣時伴生的副產(chǎn)氣制備氮氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)合成氨的方法，其特征在于(1).所述的制備氫氣a、從煉焦爐來的荒煤氣先經(jīng)氣液分離器分離脫除氨水和焦油，再經(jīng)15～20℃和25～35℃二段間接水冷冷卻，除去荒煤氣中的萘；b、由a工序來的荒煤氣經(jīng)電捕焦油器除去雜質(zhì)，經(jīng)25-35℃冷卻后用濃度為0.1-0.5％的氨水吸收液脫除煤氣中的硫；c、由b工序來的溫度為55～60℃的煤氣經(jīng)預熱器預熱后，用含有3.5～4.0％的稀硫酸的硫銨母液脫除氨；d、由c工序來的溫度為50～55℃的煤氣經(jīng)用氨濃度為0.1～0.5％的循環(huán)氨水冷卻，然后用溫度為175～185℃的貧油洗出苯，得凈煤氣；e、由d工序來的凈煤氣經(jīng)蒸汽轉(zhuǎn)化變換和脫碳，得氫氣；(2).所述的制備氮氣煉鋼過程中制氧機生產(chǎn)氧氣時伴生的副產(chǎn)氣經(jīng)提純制得氮氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)合成氨的方法，其特征在于所述的蒸汽是由轉(zhuǎn)爐水冷煙道和加熱爐爐底水管產(chǎn)生的飽和蒸汽經(jīng)加熱制得。
全文摘要
本發(fā)明提供一種利用冶金廢氣生產(chǎn)合成氨的方法，該方法所述的制備氫氣和氮氣是以冶金生產(chǎn)中的廢氣為原料，包括用焦爐煤氣加蒸汽轉(zhuǎn)化變換制備氫氣、用煉鋼過程中制氧機生產(chǎn)氧氣時伴生的副產(chǎn)氣制備氮氣。在冶金生產(chǎn)中利用廢棄資源制備生產(chǎn)合成氨所需要的氫氣、氮氣和蒸汽原料氣，降低了合成氨的生產(chǎn)成本，減少能源浪費和鋼鐵廠周圍環(huán)境污染，保護生態(tài)環(huán)境，經(jīng)濟效益和社會效益特別顯著。
文檔編號C01B21/04GK1789128SQ20051004535
公開日2006年6月21日 申請日期2005年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月14日
發(fā)明者梁凱麗, 陳力軍 申請人:萊蕪鋼鐵集團有限公司