RU2828012C2 - Применение возобновляемой энергии в синтезе аммиака - Google Patents
Применение возобновляемой энергии в синтезе аммиака Download PDFInfo
- Publication number
- RU2828012C2 RU2828012C2 RU2021123901A RU2021123901A RU2828012C2 RU 2828012 C2 RU2828012 C2 RU 2828012C2 RU 2021123901 A RU2021123901 A RU 2021123901A RU 2021123901 A RU2021123901 A RU 2021123901A RU 2828012 C2 RU2828012 C2 RU 2828012C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- energy
- ammonia
- ammonia synthesis
- gas
- section
- Prior art date
Links
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 1232
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 604
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 title claims abstract description 554
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 title claims abstract description 549
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 418
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 386
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 324
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 288
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 285
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 195
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 187
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 187
- 238000002407 reforming Methods 0.000 claims abstract description 183
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 177
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 162
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 146
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 116
- 229910001868 water Inorganic materials 0.000 claims abstract description 113
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 112
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 82
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 claims abstract description 78
- 238000000746 purification Methods 0.000 claims abstract description 63
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 claims abstract description 47
- ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N Propane Chemical compound CCC ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 28
- -1 naphtha Substances 0.000 claims abstract description 19
- 239000001273 butane Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000003915 liquefied petroleum gas Substances 0.000 claims abstract description 14
- IJDNQMDRQITEOD-UHFFFAOYSA-N n-butane Chemical compound CCCC IJDNQMDRQITEOD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N n-pentane Natural products CCCCC OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- 239000002006 petroleum coke Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000001294 propane Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000003245 coal Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims abstract 2
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 283
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 claims description 209
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 201
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 188
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims description 128
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims description 95
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 88
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 87
- 239000003546 flue gas Substances 0.000 claims description 79
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 67
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 claims description 55
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 40
- 150000001412 amines Chemical class 0.000 claims description 38
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 claims description 33
- 238000002453 autothermal reforming Methods 0.000 claims description 27
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 27
- 238000001991 steam methane reforming Methods 0.000 claims description 25
- 238000000629 steam reforming Methods 0.000 claims description 25
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 claims description 18
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 17
- 238000011084 recovery Methods 0.000 claims description 17
- 238000002203 pretreatment Methods 0.000 claims description 15
- 238000009833 condensation Methods 0.000 claims description 12
- 230000005494 condensation Effects 0.000 claims description 12
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 12
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 12
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 claims description 11
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 10
- 238000010795 Steam Flooding Methods 0.000 claims description 9
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 claims description 9
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 claims description 5
- 238000007664 blowing Methods 0.000 claims description 4
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 claims description 4
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 41
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 14
- 239000000047 product Substances 0.000 description 176
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 143
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 87
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 49
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 49
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 36
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 35
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 29
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 29
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 27
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 23
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 20
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 17
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- 230000008929 regeneration Effects 0.000 description 15
- 238000011069 regeneration method Methods 0.000 description 15
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 15
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 15
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 13
- 238000001311 chemical methods and process Methods 0.000 description 13
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 13
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 208000012839 conversion disease Diseases 0.000 description 12
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 12
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 12
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 12
- 239000012264 purified product Substances 0.000 description 12
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 11
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 11
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 11
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 10
- 239000000112 cooling gas Substances 0.000 description 10
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 10
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 10
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 10
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000005431 greenhouse gas Substances 0.000 description 9
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 9
- 230000037361 pathway Effects 0.000 description 9
- 238000010926 purge Methods 0.000 description 9
- 238000013461 design Methods 0.000 description 8
- 239000003085 diluting agent Substances 0.000 description 8
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 7
- 229910000069 nitrogen hydride Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 7
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000004821 distillation Methods 0.000 description 6
- 239000013529 heat transfer fluid Substances 0.000 description 6
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 6
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 6
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 5
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 5
- 239000011335 coal coke Substances 0.000 description 5
- 238000005485 electric heating Methods 0.000 description 5
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 5
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 5
- 230000007257 malfunction Effects 0.000 description 5
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 5
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 5
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 150000001336 alkenes Chemical class 0.000 description 4
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 4
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 4
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 4
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 4
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 4
- URGAHOPLAPQHLN-UHFFFAOYSA-N sodium aluminosilicate Chemical compound [Na+].[Al+3].[O-][Si]([O-])=O.[O-][Si]([O-])=O URGAHOPLAPQHLN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 4
- RWSOTUBLDIXVET-UHFFFAOYSA-N Dihydrogen sulfide Chemical compound S RWSOTUBLDIXVET-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 3
- 238000010327 methods by industry Methods 0.000 description 3
- 239000002808 molecular sieve Substances 0.000 description 3
- JRZJOMJEPLMPRA-UHFFFAOYSA-N olefin Natural products CCCCCCCC=C JRZJOMJEPLMPRA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000011112 process operation Methods 0.000 description 3
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 2
- BZLVMXJERCGZMT-UHFFFAOYSA-N Methyl tert-butyl ether Chemical compound COC(C)(C)C BZLVMXJERCGZMT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241000183024 Populus tremula Species 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 239000002551 biofuel Substances 0.000 description 2
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 2
- 229910002090 carbon oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 2
- 239000000567 combustion gas Substances 0.000 description 2
- 238000005194 fractionation Methods 0.000 description 2
- 239000008236 heating water Substances 0.000 description 2
- 229910000037 hydrogen sulfide Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 2
- SZVJSHCCFOBDDC-UHFFFAOYSA-N iron(II,III) oxide Inorganic materials O=[Fe]O[Fe]O[Fe]=O SZVJSHCCFOBDDC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003134 recirculating effect Effects 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 238000005201 scrubbing Methods 0.000 description 2
- 150000003464 sulfur compounds Chemical class 0.000 description 2
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 description 2
- 229910052984 zinc sulfide Inorganic materials 0.000 description 2
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N Urea Chemical compound NC(N)=O XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005083 Zinc sulfide Substances 0.000 description 1
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 239000002154 agricultural waste Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 239000004202 carbamide Substances 0.000 description 1
- 238000009903 catalytic hydrogenation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001193 catalytic steam reforming Methods 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 238000003843 chloralkali process Methods 0.000 description 1
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 239000003034 coal gas Substances 0.000 description 1
- 239000000571 coke Substances 0.000 description 1
- 230000001010 compromised effect Effects 0.000 description 1
- 238000012790 confirmation Methods 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 239000002274 desiccant Substances 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 1
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005674 electromagnetic induction Effects 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000004992 fission Effects 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 238000002309 gasification Methods 0.000 description 1
- 150000002334 glycols Chemical class 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000006317 isomerization reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 239000002574 poison Substances 0.000 description 1
- 231100000614 poison Toxicity 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 238000005381 potential energy Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 description 1
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 1
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 1
- 238000006057 reforming reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001172 regenerating effect Effects 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 239000012855 volatile organic compound Substances 0.000 description 1
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
- DRDVZXDWVBGGMH-UHFFFAOYSA-N zinc;sulfide Chemical compound [S-2].[Zn+2] DRDVZXDWVBGGMH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Abstract
Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Предложена установка синтеза аммиака, включающая секцию предварительной обработки сырья, выполненную с возможностью удаления нежелательных компонентов из потока сырья, содержащего природный газ, метан, пропан, бутан, СНГ, нафту, уголь, нефтяной кокс или их комбинацию, путем регулирования температуры и/или давления предварительной обработки; секцию получения сингаза, выполненную с возможностью осуществления риформинга сырьевого потока для получения потока продуктов реактора риформинга. Установка также включает секцию превращения по реакции сдвига, выполненную с возможностью осуществления реакции сдвига водяного газа в потоке продуктов реактора риформинга для получения подвергнутого реакции сдвига газового потока, содержащего больше водорода, чем газовый поток реактора риформинга; секцию очистки, выполненную с возможностью удаления, по меньшей мере, одного компонента из подвергнутого реакции сдвига газового потока и получения сырьевого потока синтеза аммиака, содержащего водород и азот; секцию синтеза аммиака, включающую один или несколько реакторов синтеза аммиака. Установка синтеза аммиака сконфигурирована с возможностью потребления 25 МВт или больше электрической энергии, причём количество CO2, образующегося на тонну аммиака, составляет 1,6 тонны CO2 или меньше на тонну полученного аммиака, а удельный расход энергии составляет 12 ГДж или меньше на тонну полученного аммиака. Установка синтеза аммиака сконфигурирована таким образом, что более 50% полезной энергии, потребляемой секцией предварительной обработки сырья, секцией выработки синтез-газа, секцией превращения по реакции сдвига, секцией очистки и секцией синтеза аммиака, обеспечивается за счет электроэнергии. Предложен также способ получения аммиака. Группа изобретений позволяет повысить энергоэффективность процесса синтеза аммиака при одновременном уменьшении выбросов диоксида углерода в окружающую среду. 2 н. и 23 з.п. ф-лы, 14 ил., 3 табл., 10 пр.
Description
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее раскрытие относится к применению возобновляемой энергии в синтезе аммиака; более конкретно настоящее раскрытие относится к электрификации установки синтеза аммиака; еще конкретнее настоящее раскрытие относится к снижению выбросов в окружающую среду, как например, диоксида углерода, за счет уменьшения сжигания углеводородов (например, природного газа/ископаемых топлив) в качестве топлива на установке синтеза аммиака.
Предшествующий уровень техники
Установки химического синтеза используют для получения разнообразных химических продуктов. Часто специально предназначенное для этого топливо сжигают или «подвергают сгоранию» с целью получения теплоты реакции для химического синтеза, энергии для нагревания одного или нескольких технологических потоков, энергии для испарения жидкостей (например, кипящей воды, используемой в качестве разбавителя), энергии для совершения работы (например, приведения в действие компрессора или насоса), или энергии для других технологических операций на всей установке химического синтеза. Такое сжигание или сгорание топлив приводит к образованию топочных газов, которые могут быть вредными для окружающей среды, а также к потере энергоэффективности процесса. Аналогичным образом, часто традиционно используют пар в качестве текучей среды для передачи тепла и/или энергии во всем объеме установок химического синтеза. Пар, используемый для переноса тепла и/или энергии, часто производят за счет сгорания топлива, что приводит к образованию добавочного топочного газа и дополнительным потерям энергоэффективности в ходе химического синтеза. К тому же, применение материала, который в ином случае можно было бы использовать как реагент, для сгорания в качестве топлива также уменьшает количество желаемого химического продукта, производимого на установке химического синтеза из данного количества материала. Соответственно, существует потребность в усовершенствованных системах и способах химического синтеза, в результате применения которых уменьшается или исключается определенное количество топлив, особенно ископаемых топлив, сжигаемых для получения энергии. Желательно, чтобы такие системы и способы обеспечивали также повышение энергоэффективности и/или уменьшение выбросов, таких как выбросы парниковых газов (GHG), производимых установкой химического синтеза.
Сущность изобретения
В настоящем документе раскрыта установка синтеза аммиака, включающая в себя секцию предварительной обработки сырья, выполненную с возможностью осуществления предварительной обработки сырьевого потока, содержащего природный газ, метан, пропан, бутан, СНГ, нафту, уголь, нефтяной кокс или их сочетание; секцию получения сингаза, включающую один или несколько реакторов риформинга, выполненную с возможностью осуществления риформинга сырьевого потока для получения потока продуктов реактора риформинга, содержащего монооксид углерода и водород; секцию превращения по реакции сдвига, включающую один или несколько реакторов сдвига, выполненную с возможностью осуществления реакции сдвига водяного газа в потоке продуктов реактора риформинга для получения подвергнутого реакции сдвига газового потока, содержащего больше водорода, чем газовый поток реактора риформинга; секцию очистки, выполненную с возможностью удаления, по меньшей мере, одного компонента из подвергнутого реакции сдвига газового потока и получения сырьевого потока синтеза аммиака, содержащего водород и азот; и/или секцию синтеза аммиака, включающую один или несколько реакторов синтеза аммиака, выполненную с возможностью получения аммиака из сырьевого потока синтеза аммиака, при этом установка синтеза аммиака выполнена таким образом, что, в сопоставлении с традиционной установкой синтеза аммиака, большее количество энергии, требуемой для установки синтеза аммиака, секции предварительной обработки сырья, секции получения сингаза, секции превращения по реакции сдвига, секции очистки, секции синтеза аммиака или их сочетания, обеспечивается за счет источника неуглеродной энергии, источника возобновляемой энергии и/или электрической энергии.
В настоящем документе также раскрыта установка синтеза аммиака, включающая в себя секцию предварительной обработки сырья, выполненную с возможностью осуществления предварительной обработки сырьевого потока, имеющего в своем составе углеродсодержащий материал, такой как природный газ, метан, пропан, бутан, СНГ, нафта, уголь и/или нефтяной кокс; секцию получения сингаза, включающую один или несколько реакторов риформинга, выполненную с возможностью осуществления риформинга предварительно обработанного сырьевого потока для получения газового потока реактора риформинга, содержащего монооксид углерода и водород; секцию превращения по реакции сдвига, включающую, по меньшей мере, один реактор сдвига, выполненную с возможностью осуществления реакции сдвига водяного газа в газовом потоке реактора риформинга для получения подвергнутого реакции сдвига газового потока, содержащего больше водорода, чем газовый поток реактора риформинга; секцию очистки, выполненную с возможностью удаления, по меньшей мере, одного компонента из подвергнутого реакции сдвига газового потока и получения сырьевого потока синтеза аммиака, содержащего водород и азот; и/или секцию синтеза аммиака, включающую, по меньшей мере, один реактор синтеза аммиака, выполненную с возможностью получения аммиака из сырьевого потока синтеза аммиака, при этом установка синтеза аммиака выполнена таким образом, что большую часть полезной внешней энергии, требуемой для секции предварительной обработки сырья, секции получения сингаза, секции превращения по реакции сдвига, секции очистки, секции синтеза аммиака или их сочетания, подают в виде электрической энергии.
В настоящем документе далее раскрывается установка синтеза аммиака, включающая в себя секцию предварительной обработки сырья, выполненную с возможностью осуществления предварительной обработки сырьевого потока; секцию получения сингаза, включающую один или несколько реакторов риформинга, выполненную с возможностью осуществления риформинга метана для получения газового потока реактора риформинга, содержащего монооксид углерода и водород; секцию превращения по реакции сдвига, включающую один или несколько реакторов сдвига, выполненную с возможностью осуществления реакции сдвига водяного газа в газовом потоке реактора риформинга для получения подвергнутого реакции сдвига газового потока, содержащего больше водорода, чем газовый поток реактора риформинга; секцию, выполненную с возможностью удаления, по меньшей мере, одного компонента из подвергнутого реакции сдвига газового потока и получения сырьевого потока синтеза аммиака, содержащего водород и азот; и/или секцию синтеза аммиака, включающую один или несколько реакторов синтеза аммиака, выполненную с возможностью получения аммиака из сырьевого потока синтеза аммиака, при этом установка синтеза аммиака выполнена таким образом, что пар не используется для совершения механической работы.
В настоящем документе также раскрывается установка синтеза аммиака, включающая в себя секцию предварительной обработки сырья, выполненную с возможностью осуществления предварительной обработки сырьевого потока; секцию получения сингаза, включающую один или несколько реакторов риформинга, выполненную с возможностью осуществления риформинга метана для получения газового потока реактора риформинга, содержащего монооксид углерода и водород; секцию превращения по реакции сдвига, включающую один или несколько реакторов сдвига, выполненную с осуществления реакции сдвига водяного газа в газовом потоке реактора риформинга для получения подвергнутого реакции сдвига газового потока, содержащего больше водорода, чем газовый поток реактора риформинга; секцию, выполненную с возможностью удаления, по меньшей мере, одного компонента из подвергнутого реакции сдвига газового потока и получения сырьевого потока синтеза аммиака, содержащего водород и азот; и/или секцию синтеза аммиака, включающую один или несколько реакторов синтеза аммиака, выполненную с возможностью получения аммиака из сырьевого потока синтеза аммиака, при этом установка синтеза аммиака выполнена таким образом, что не образуется никакого топочного газа.
Далее в настоящем документе раскрывается установка синтеза аммиака, включающая в себя секцию предварительной обработки сырья, выполненную с возможностью осуществления предварительной обработки сырьевого потока; секцию получения сингаза, включающую один или несколько реакторов риформинга, выполненную с возможностью осуществления риформинга метана для получения газового потока реактора риформинга, содержащего монооксид углерода и водород; секцию превращения по реакции сдвига, включающую один или несколько реакторов сдвига, выполненную с возможностью осуществления реакции сдвига водяного газа в газовом потоке реактора риформинга для получения подвергнутого реакции сдвига газового потока, содержащего больше водорода, чем газовый поток реактора риформинга; секцию очистки, выполненную с возможностью удаления, по меньшей мере, одного компонента из подвергнутого реакции сдвига газового потока и получения сырьевого потока синтеза аммиака, содержащего водород и азот; и/или секцию синтеза аммиака, включающую один или несколько реакторов синтеза аммиака, выполненную с возможностью получения аммиака из сырьевого потока синтеза аммиака, при этом установка синтеза аммиака выполнена с возможностью исключения сгорания, кроме, необязательно, сгорания в реакторе автотермического риформинга (АТР) секции получения сингаза.
В настоящем документе также раскрывается установка синтеза аммиака, включающая в себя нагреваемый с использованием электричества реактор парового риформинга, выполненный с возможностью получения водорода, и питаемый электроэнергией узел разделения воздуха (ASU), выполненный с возможностью получения азота для синтеза аммиака. Далее в настоящем документе раскрывается установка синтеза аммиака, включающая в себя секцию очистки, выполненную с возможностью приема водородного потока и потока азота, причем поток азота, необязательно, поступает из источника, отличного от источника водородного потока, необязательно, удаления, по меньшей мере, одного компонента из водородного и/или азотного потока и получения сырьевого потока синтеза аммиака, содержащего водород и азот; и секцию синтеза аммиака, включающую один или несколько реакторов синтеза аммиака, выполненных с возможностью получения аммиака из сырьевого потока синтеза аммиака, при этом установка синтеза аммиака выполнена таким образом, что большая часть полезной внешней энергии, подаваемой для сжатия и нагревания в секцию очистки, секцию синтеза аммиака или в целом на установку синтеза аммиака, подается из источника неуглеродной энергии, источника возобновляемой энергии, в виде электрической энергии и/или возобновляемой электрической энергии.
Краткое описание чертежей
Для более полного понимания настоящего раскрытия и его преимуществ здесь приводится отсылка к следующему далее краткому изложению, приведенному в связи с сопроводительными чертежами и подробным описанием, в которых аналогичные номера позиций представляют аналогичные части.
На фиг. 1 показана концептуальная схема типичного процесса предшествующего уровня техники;
на фиг. 2 показана концептуальная схема химического процесса, питаемого возобновляемой энергией, соответствующего вариантам осуществления данного раскрытия;
на фиг. 3 представлена блок-схема обобщенной установки синтеза аммиака или процесса I согласно вариантам осуществления данного раскрытия;
на фиг. 4 показана блок-схема приведенной в качестве примера установки синтеза аммиака или процесса II согласно вариантам осуществления данного раскрытия;
на фиг. 5 приведена блок-схема традиционной установки синтеза аммиака или процесса III, обсуждаемого в сравнительном примере 1 настоящего раскрытия;
на фиг. 6 представлена блок-схема приведенной в качестве примера частично электрифицированной установки синтеза аммиака или процесса IV, включающего в себя электрические компрессоры, в соответствии с вариантом осуществления примера 1 данного раскрытия;
на фиг. 7 показана блок-схема приведенной в качестве примера частично электрифицированной установки синтеза аммиака или процесса V, включающего в себя электрические компрессоры и электропечь, соответствующего варианту осуществления примера 2 данного раскрытия;
на фиг. 8 показана блок-схема приведенной в качестве примера частично электрифицированной установки синтеза аммиака или процесса VI, включающего в себя электрические компрессоры и электропечь, соответствующего варианту осуществления примера 3 настоящего раскрытия;
на фиг. 9 приведена блок-схема почти полностью электрифицированной установки синтеза аммиака или процесса VII, включающего в себя электрические компрессоры, электрический реактор риформинга и электрический котел, в соответствии с вариантом осуществления примера 4 данного раскрытия;
на фиг. 10 приведена блок-схема традиционной установки синтеза аммиака или процесса VIII, обсуждаемого в сравнительном примере 2 данного раскрытия;
на фиг. 11 представлена блок-схема приведенной в качестве примера частично электрифицированной установки синтеза аммиака или процесса IX, электрические компрессоры, в соответствии с вариантом осуществления примера 5 данного раскрытия;
на фиг. 12 представлена блок-схема приведенной в качестве примера частично электрифицированной установки синтеза аммиака или процесса X, включающего в себя электрические компрессоры и электрический реактор риформинга, в соответствии с вариантом осуществления примера 6 данного раскрытия;
на фиг. 13 приведена блок-схема приведенной в качестве примера частично электрифицированной установки синтеза аммиака или процесса XI, включающего в себя электрические компрессоры и электрический котел, в соответствии с вариантом осуществления примера 7 данного раскрытия;
на фиг. 14 приведена блок-схема почти полностью электрифицированной установки синтеза аммиака или процесса XII, включающего в себя электрические компрессоры, электрический реактор риформинга и электрический котел, в соответствии с вариантом осуществления примера 8 данного раскрытия.
Подробное описание
В качестве отправной точки следует понимать, что, хотя ниже представлено иллюстративное выполнение одного или нескольких вариантов осуществления, раскрытые составы, способы и/или продукты можно воплощать с использованием любого числа методов, известных в настоящее время или еще не существующих. Данное раскрытие никоим образом не должно ограничиваться иллюстративными воплощениями, чертежами и методами, отображенными ниже в настоящем документе, включая приведенные в качестве примеров конструктивные выполнения и варианты воплощения, проиллюстрированные и описанные в настоящем документе, но его можно модифицировать в пределах объема прилагаемой формулы изобретения вместе с ее полным объемом эквивалентов.
Хотя подразумевается, что следующие ниже термины хорошо понятны специалисту обычной квалификации в данной области техники, следующие далее определения излагаются для упрощения объяснения раскрываемого настоящим объекта изобретения. Если не указано иного, все технические и научные термины, употребляемые в настоящем документе, имеют то же значение, что и обычно понимаемое специалистом обычной квалификации в данной области техники, к которой относится раскрываемый настоящим объект изобретения.
Употребляемый в настоящем документе термин «непостоянный источник энергии» или «IES» представляет собой любой источник энергии, который не является постоянно доступным для преобразования в электричество и для внешнего прямого контроля, поскольку потребляемая энергия не может храниться или является экономически нежелательной. Доступность непостоянного источника энергии может быть предсказуемой или непредсказуемой. Непостоянный источник возобновляемой энергии представляет собой непостоянный источник энергии, который является также источником возобновляемой энергии, как описано ниже в настоящем документе. Термин «непостоянная электрическая энергия» относится к электрической энергии, получаемой из IES.
Употребляемый в настоящем документе термин «возобновляемая энергия» и «энергия неископаемого топлива (ENF)» включает в себя энергию, полученную из устойчивого источника энергии, который быстро пополняется за счет непрерывного природного процесса и ядерной энергии. Соответственно, термины «возобновляемая энергия» и «энергия неископаемого топлива (ENF)» относятся к энергии, полученной из источника энергии на основе неископаемых топлив (например, энергии, производимой не за счет сгорания ископаемого топлива, такого как уголь или природный газ), тогда как «невозобновляемая энергия» или «энергия ископаемого топлива (EF)» является энергией, получаемой из источника энергии на основе ископаемого топлива (например, энергии, производимой за счет сгорания ископаемого топлива). Ископаемые топлива представляют собой природные топлива, такие как уголь или газ, образовавшиеся в геологическом прошлом из остатков живых организмов. Соответственно, употребляемые в настоящем документе термины «возобновляемая энергия» и «энергия неископаемого топлива (ENF)» включают в себя, без ограничения, энергию ветра, солнечную энергию, энергию движения потока воды или биомассу, которая не исчерпывается при использовании, в противоположность «невозобновляемой» энергии из такого источника, как ископаемые топлива, который истощается при использовании. Таким образом, возобновляемая энергия исключает энергию ископаемого топлива (EF) и включает в себя биотоплива.
Употребляемый в настоящем документе термин «неуглеродная энергия (ENC)» представляет энергию, полученную из источника неуглеродной энергии» (например, энергию, производимую не за счет сгорания углеродного топлива, такого как углеводород), тогда как углеродная энергия (EC) является энергией из углеродного источника энергии (например, энергией, производимой посредством сгорания углеродного топлива, такого как углеводород). Ядерная энергия считается в настоящем документе возобновляемой энергией неископаемого топлива (ENF) и неуглеродной энергией (ENC). Таким образом, углеродная энергия (EC) может быть возобновляемой (например, на основе неископаемого топлива) или невозобновляемой (например, на основе ископаемого топлива). Например, разнообразные углеродные биотоплива считаются в настоящем документе источниками возобновляемой углеродной энергии.
Употребляемый в настоящем документе термин «возобновляемая электрическая энергия» указывает на электрическую энергию, получаемую из источника возобновляемой энергии, тогда как «невозобновляемая электрическая энергия» является электрической энергией, получаемой из источника невозобновляемой энергии. Употребляемый в настоящем документе термин «неуглеродная электроэнергия» указывает на электрическую энергию, получаемую из источника неуглеродной энергии, тогда как «углеродная электроэнергия» является электрической энергией, получаемой из углеродного источника энергии.
Например, в вариантах осуществления возобновляемую электрическую энергию и/или тепло во всей раскрытой в настоящем документе установке синтеза аммиака можно получать за счет сгорания возобновляемых углеводородов, которые поступают из возобновляемых (например, биологических) источников. Например, в вариантах осуществления возобновляемую электрическую энергию можно получать посредством сжигания источника энергии ENF/EC, содержащего метан, полученный в реакторе расщепления, питаемом сельскохозяйственными отходами. Аналогичным образом, в вариантах осуществления в качестве топлива можно использовать источник энергии ENF/EC, содержащий синтез-газ, полученный при использовании углеродсодержащих отходов с коротким циклом обработки (например, сожженных для получения возобновляемой электрической энергии и/или тепла). Желательно, чтобы диоксид углерода, образующийся в результате такого сгорания, снова улавливался (например, посредством выращивания новой культуры).
Употребляемый в настоящем документе термин «внешнее» сгорание топлива относится к сгоранию топлива вне реактора, например, в печи. Сгорание как часть первичной реакции (например, сгорание, которое имеет место наряду с риформингом в ходе автотермического риформинга (АТР)) не будет считаться «внешним» сгоранием. Используемое в настоящем документе «специально предназначенное» топливо является топливом или частью сырьевого потока, вводимыми только для привнесения энергетического потенциала (например, теплоты сгорания) и не превращается в продукт.
Употребляемый в настоящем документе термин «пар-теплоноситель (SHT)» указывает на пар, производимый исключительно или главным образом как среда для переноса энергии или тепла (например, пар, не используемый в качестве разбавителя и/или реагента).
Употребляемый в настоящем документе термин» подвод или отвод «полезного» тепла относится к подводу или отводу тепла, которые в результате образуют основной расход энергии, например, к подводу или отводу тепла, подаваемого не из другой секции или потока установки, например, подаваемого не путем теплообмена с другим технологическим потоком. Аналогичным образом, термин «полезная» энергия относится к энергии, которая в результате образует основной расход энергии, например, к энергии, подаваемой не из другой секции или потока установки, например, тепловой энергии, подаваемой не путем теплообмена с другим технологическим потоком.
Употребляемый в настоящем документе термин «питание энергией» указывает на снабжение механической и/или электрической энергией.
Употребляемый в настоящем документе термин «нагревание» указывает на снабжение тепловой энергией. Употребляемый в настоящем документе термин «охлаждение» указывает на отвод тепловой энергии от элемента. Употребляемый в настоящем документе термин «прямое» нагревание или охлаждение относится к нагреванию или охлаждению без использования теплоносной среды/текучей среды; «непрямое» нагревание или охлаждение относится к нагреванию или охлаждению через посредство теплоносной среды/текучей среды.
Употребляемый в настоящем документе термин «наибольшая часть» или «большинство» указывает на количество больше 50% или больше половины.
Употребляемый в настоящем документе термин «желаемый» параметр (например, желаемая температура) может относиться к заданному или целевому значению параметра, например, такому заданному значению, как установленное значение, используемое для контроля процесса.
Количество потребляемой электрической энергии: ссылки на расход электрической энергии могут относиться к скорости, с которой потребляется электрическая энергия (например, в МВт), измеренной в конкретном местоположении. Например, скорость можно рассчитывать на границе каждой электрифицированной печи или на общей границе с установкой синтеза олефинов. Указанный расчет может учитывать всю электрическую энергию, потребляемую в пределах данного местоположения.
Топочный газ: смесь газов, которая может образовываться в результате сжигания топлива или других материалов на электростанции и/или промышленной установке, где смесь газов можно извлекать посредством трубопроводов.
Рекуперация тепла топочного газа: рекуперация тепла топочного газа может относиться к извлечению полезной тепловой энергии из горячих топочных газов, например, путем пропускания упомянутого горячего топочного газа через один или несколько теплообменников для повышения температуры технологической текучей среды холодильника и/или изменения фазы указанной текучей среды (например, кипения воды для возникновения пара). Любую энергию, остающуюся в топочном газе после какого-либо извлечения тепла топочного газа, можно называть потерей (энергии) с топочным газом. Секция извлечения тепла топочного газа может представлять оборудование и соответствующее местоположение указанного оборудования, используемого для извлечения тепла топочного газа. Отсутствие секции извлечения тепла топочного газа может означать, что не имеется оборудования или зоны, где извлекается тепло из горячих топочных газов.
Конвекционная секция: конвекционная секция может представлять собой часть печи (например, печи парового крекинга или печи риформинга), где тепло извлекается из горячих топочных газов путем конвективной теплопередачи. Отсутствие конвекционной секции может означать, что не имеется оборудования или зоны, где тепло извлекается из горячих топочных газов путем конвективной теплопередачи.
«Без использования пара» или «по существу без использования пара»: термин «без использования пара» может относиться к процессу, в котором пар не используется для переноса энергии от одной технологической операции к другой или для привнесения энергии в процесс извне. Термин «по существу без использования пара» может означать, что применение пара для переноса энергии от одной технологической операции к другой или для привнесения энергии в процесс извне сведено к минимуму таким образом, что сумма всех переносов энергии с использованием пара достигает приблизительно менее 10%, приблизительно 20% или приблизительно 30% от количества подаваемой полезной энергии. Пар, используемый в качестве реагента, разбавителя, получаемый как продукт или непосредственно смешиваемый с технологическим потоком, можно называть «технологическим паром», и он не включается в данное определение.
Основная среда для переноса энергии: основная среда для переноса энергии может представлять собой вещество, которое используют для перемещения энергии в форме тепловой энергии от одной технологической операции к другой или для привнесения энергии в процесс. Отметим, что вещество может служить в процессе для нескольких целей, как например, действуя в качестве реагента или разбавителя реакции, при этом действуя и как среда для переноса тепла от одной технологической операции к другой. В таких случаях использование пара как реагента или разбавителя можно считать первичным, а эффект перенесения также и тепла можно считать вторичным.
Резистивный нагрев: резистивный нагрев может являться нагреванием посредством пропускания электрического тока через резистивные блоки.
Индуктивный нагрев: индукционный нагрев может представлять собой процесс нагревания электропроводного объекта (обычно металла) посредством электромагнитной индукции.
Радиантный нагрев: радиантный нагрев может представлять собой процесс нагревания объекта при помощи излучения от одного или нескольких более горячих объектов.
Внешнее сгорание: внешнее сгорание может означать сжигание топлива для выделения тепла и передачи указанного тепла к технологической текучей среде через поверхность (например, стенку трубы) таким образом, что продукты сгорания не смешиваются с технологической текучей средой.
Термоэлектрическое устройство: термоэлектрическое устройство может представлять собой устройство для прямого преобразования разностей температур в электрическое напряжение (или наоборот) посредством термопары.
Изотермическая операция: изотермические операции могут быть операциями при постоянной температуре. Изотермическая операция может поддерживать температуру в пределах от 0,5%; 1%, 2%, 3%, 4%, 5% до 10% от заданной температуры операции.
Конвективная теплопередача: конвективная теплопередача может представлять собой перемещение тепла из одного места в другое путем перемещения текучей среды или текучих сред.
Хотя большинство приведенных выше определений по существу понятно специалистам в данной области техники, одно или несколько из представленных выше определений могут быть изложены выше в настоящем документе образом, отличающимся от значения, обычно воспринимаемого специалистами в данной области техники, что обусловлено конкретным описанием раскрываемого настоящим объекта изобретения в данном документе.
На фиг. 1 показана концептуальная схема типичного традиционного химического процесса. Целью данного процесса является превращение сырья A в продукт B, хотя часто образуются также и некоторые побочные продукты (указанные как поток C).
Элементарные операции, используемые для осуществления указанного превращения, требуют значительных количеств энергии. Обычно указанная энергия подается, прежде всего, за счет сжигания топлива, часто природного газа, с целью выделения тепла, обозначенного на фиг. 1 как ΔHc (например, теплоты сгорания). Это приводит к нежелательному образованию и выбросу диоксида углерода (CO2). Дополнительная энергия может подаваться за счет теплоты реакции, ΔHr, если реакция является экзотермической; если реакция является эндотермической, потребуется добавить дополнительное количество энергии, равное ΔHr. На общий энергетический баланс также можно оказывать влияние в случае, если некоторые побочные продукты сжигают для производства энергии, указанной как ΔHbp. Однако многие химические процессы, даже включающие в себя экзотермические реакции, являются потребителями полезной энергии и, таким образом, требуют внешнего источника энергии (как правило, привносимого углеводородным топливом (топливами)) для обеспечения полезной энергии процесса.
Электрическая энергия обычно представляет собой лишь небольшую подводимую внешнюю мощность в большинстве химических производственных процессов. Внутренние потребности в электричестве, как например, для освещения или контроля, обычно так малы, что являются незначительными, и в упомянутых нескольких процессах, которые требуют больших количеств электрической энергии, например, в электрохимических реакторах (например, в хлорно-щелочном процессе получения хлора (Cl2) и гидроксида натрия (NaOH)), указанная электрическая энергия обычно генерируется в границах установки за счет сгорания углеводородов, и, даже в случае, когда она не вырабатывается в пределах границ установки, если электрическую энергию получают за счет сгорания углеводородов, а не возобновляемым путем, такое использование электрической энергии по показателям энергоэффективности и выбросов CO2 эквивалентно производству электрической энергии на месте через посредство сгорания углеводородов.
В рамках большинства процессов химического производства потребление энергии можно удобно разделить на три основные категории. В первой такой широкой категории, называемой в настоящем документе первой категорией C1, тепло подают непосредственно в виде тепловой энергии, полученной в результате сгорания топлива (например, природного газа/ископаемых топлив) в печи (Употребляемый в настоящем документе термин «непосредственно» указывает на отсутствие промежуточной теплоносной среды, такой как пар). Упомянутые печи часто работают при высокой температуре и требуют значительных тепловых потоков. Энергоэффективность таких печей ограничивается потерями тепла с печным топочным газом. Даже там, где указанные потери тепла сведены к минимуму путем охлаждения топочного газа для рекуперации энергии, например, с целью выработки пара или обеспечения технологического нагревания, степень превращения химической энергии, содержащейся в топливе, в применимую тепловую энергию, как правило, не превышает величины от 85 до 90%, даже при существенных капиталовложениях, а также ухудшении схемного решения и эксплуатационной гибкости.
Вторая широкая категория потребления энергии в химических процессах, называемая в настоящем документе второй категорией C2, включает в себя нагревание различных химических потоков, прежде всего, либо для повышения их температуры до желаемой температуры реакции, либо с целью подачи энергии для осуществления операций разделения, чаще всего, дистилляции. Хотя некоторая часть упомянутого тепла может быть получена путем обмена с другими химическими потоками, чаще всего его подают либо при помощи пара, вырабатываемого непосредственно за счет сгорания углеводородных топлив (например, природного газа/ископаемых топлив), либо путем теплопереноса от топочного газа, выходящего из высокотемпературных печей (например, из категории C1). Наиболее современные химические процессы включают в себя относительно сложную паровую систему (или другую систему для теплоносной текучей среды, которая в общем случае для простоты будет называться в настоящем документе паровой теплоносной системой) для перемещения энергии с того места, где она находится в избытке, к тому, где она требуется. Указанная паровая система может заключать в себе множественные уровни давления пара для подачи тепла при различных температурах, а также систему извлечения пара и конденсата, и она подвергается коррозии, загрязнению и другим эксплуатационным осложнениям, в том числе водной обработке и отведению загрязненного конденсата. Доля энергии, содержащейся в паре, которую можно использовать для нагрева технологических потоков, как правило, ограничена величиной от 90 до 95% сдерживающими факторами практического характера по теплопереносу, конденсации пара и циркуляции воды в котлах. Если пар выработан специально предназначенным для этого внешним котлом, по большей мере, от 80 до 85% химической энергии, содержащейся в топливе, будет использовано в форме тепла в химическом процессе, поскольку дополняющие 10-15% или больше будут потеряны с топочным газом, как в первой категории C1.
Третья основная категория потребления энергии в химических процессах, называемая в настоящем документе третьей категорией C3, представляет энергию, используемую для выполнения механической работы. Указанная работа используется, прежде всего, для создания давления и перемещения текучих сред из одного места в другое, а также для приведения в движение вращательного оборудования, такого как насосы, компрессоры и вентиляторы. Упомянутая третья категория C3 также включает в себя холодильное оборудование, поскольку его приводят в действие, главным образом, за счет сжатия. В большинстве химических мощностей энергия для совершения указанной работы поставляется посредством пара, полученного либо в результате переноса тепла горячими технологическими потоками, переноса тепла частично охлажденными потоками топочных газов, выходящих из печи (например, в конвекционной секции), в категории C1, либо непосредственно в результате сгорания углеводородов (например, природного газа/ископаемых топлив) в специально предназначенном для этого внешнем котле. Вследствие ограничений по превращению тепловой энергии в механическую работу, энергоэффективность указанных вариантов применения относительно химической энергии, содержащейся в углеводородах, используемых в качестве топлива, является низкой, как правило, лишь только от 25 до 40%.
Неожиданно было обнаружено, что использование электрической энергии (например, возобновляемой и/или невозобновляемой электрической энергии) для замены энергии, получаемой из углеводородного топлива в химическом процессе, может усовершенствовать процесс за счет повышения общей энергоэффективности при одновременном уменьшении выбросов диоксида углерода. В некоторых случаях использование электрической энергии (например, возобновляемой и/или невозобновляемой электрической энергии) для замены энергии, получаемой из углеводородного топлива в химическом процессе, также может улучшать надежность и работоспособность, уменьшать выбросы, например, NOx, SOx, CO и/или летучих органических соединений, и/или снижать производственные затраты (например, если доступна дешевая электрическая энергия).
Согласно вариантам осуществления данного раскрытия тепло, обычно подаваемое в форме тепловой энергии, выделяющейся в результате сгорания топлива (например, природного газа/ископаемых топлив) в печи и/или другого нагревания в первой категории C1, заменено электрическим нагреванием. Электронагрев, электрическое нагревание, генерирование тепла при помощи электричества, электрическое нагревательное устройство и тому подобное относится к превращению электрической энергии в тепловую энергию, доступную для применения в отношении текучей среды. Такое электрическое нагревание включает в себя, без ограничения, нагревание при помощи полного сопротивления (например, там, где электрическая энергия протекает по трубопроводу, несущему в себе текучую среду, подлежащую нагреванию), нагревание при помощи омического нагрева, плазмы, электрической дуги, радиочастоты (РЧ), инфракрасных (ИК), УФ и/или микроволн, нагревание в результате прохождения через резистивно нагреваемый элемент, нагревание за счет излучения от электрообогреваемого элемента, нагревание за счет индукции (например, колебательного магнитного поля), нагревание механическим устройством (например, при помощи сжатия), приводимым в действие электрической энергией, нагревание при помощи теплового насоса, нагревание путем пропускания относительно горячего инертного газа или другой среды по трубам, включающим текучую среду, подлежащую нагреванию, при этом горячий инертный газ или другая среда нагреваются с использованием электрической энергии, или нагревание под действием определенного сочетания указанных способов, либо тому подобное.
Согласно вариантам осуществления данного раскрытия использование пара (или другой теплоносной текучей среды), находящееся во второй категории C2, исключается и/или любой пар (или другая текучая среда), используемый только как промежуточная теплоносная среда, производят или нагревают при помощи электричества (например, путем электронагрева воды).
Согласно вариантам осуществления данного раскрытия традиционное вращательное оборудование (например, паровые турбины), используемое в третьей категории C3, заменено устройством с электрическим приводом. Согласно вариантам осуществления данного раскрытия отвод тепла в третьей категории C3 заменен отводом тепла с использованием электрического питания, например, охлаждением и/или остужением. Электрическое охлаждение, электрические холодильники, отведение тепла при помощи электричества, устройство для электрического охлаждения или остужения и тому подобное относится к отводу тепловой энергии от текучей среды. Такое электрическое охлаждение включает в себя, без ограничения, охлаждение при помощи устройства с электропитанием. Например, и без ограничения, электрическое охлаждение можно обеспечивать путем снабжения холодильного цикла электрической энергией, при этом хладагент подвергают сжатию при помощи компрессора с электропитанием. В качестве другого примера, электрическое охлаждение можно обеспечивать путем подачи питания на охлаждающий вентилятор, который продувает воздух, при этом воздух охлаждает технологическую текучую среду или элемент. В вариантах осуществления электрическое нагревание и охлаждение можно выполнять при помощи любого источника электрической энергии.
Фиг. 2 является схемой химического процесса, питаемого возобновляемой энергией, согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия. Как показано на фиг. 2, процесс, приводимый в действие возобновляемой энергией, в вариантах осуществления может оказываться аналогичным традиционному химическому процессу. Однако часть, большую часть или в некоторых случаях по существу весь объем поступления энергии, подаваемой за счет топлива, можно заменять возобновляемой энергией и/или возобновляемой электрической энергией. Такая замена подачи топлива неуглеродной энергией, возобновляемой энергией и/или возобновляемой электрической энергией в вариантах осуществления позволит значительно уменьшить выбросы CO2. В вариантах осуществления можно использовать любую доступную форму возобновляемой энергии. Однако наибольшие выигрыши могут достигаться при использовании возобновляемой электрической энергии. Возобновляемую энергию можно получать, например и без ограничения, из солнечной энергии, энергии ветра или гидроэлектрической энергии. На химических установках, соответствующих вариантам осуществления данного раскрытия, также можно применять и другие типы возобновляемой энергии. Например, в вариантах осуществления можно использовать концентрированную солнечную энергию, геотермальную энергию и/или применение прямого солнечного нагревания для подачи тепловой энергии и уменьшения выбросов CO2.
Одним из главных преимуществ подачи требуемой энергии в виде (например, возобновляемой) электрической энергии может являться повышение энергоэффективности процесса. В таблице 1 показана энергоэффективность элементарных операций, представляющих собой примеры трех категорий использования энергии на химической установке, описанных выше как C1, C2 и C3. Из таблицы 1 можно видеть, что эффективность каждой из трех категорий потребления энергии выше при использовании электрической энергии. Выигрыш может быть наибольшим в том случае, когда паровые приводы вращательного оборудования заменяют, согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия, электрическими двигателями (как в третьей категории C3, обсуждаемой выше в настоящем документе), которые могут работать не менее, чем с тройной энергоэффективностью паровых приводов. Указанные приращения реализуются только тогда, когда электрическая энергия получена из возобновляемых неуглеродных источников, поскольку выработка электрической энергии в результате сгорания углеродного топлива является энергоэффективной только на 30-45%. Приросты энергоэффективности при использовании возобновляемой электрической энергии для нагревательных вариантов применения (как в первой категории C1 и второй категории C2, обсуждаемых выше в настоящем документе) являются меньшими, но все же значительными. Полезный результат заключается в том, что будет потребляться меньшее количество суммарной энергии в случае использования возобновляемой энергии вместо углеродных топлив (например, природного газа или других углеводородов).
| Таблица 1. Энергоэффективность элементарных операций | ||
| Потребление | Эффективность сгорания углеводородов | Эффективность электрической энергии согласно настоящему раскрытию |
| C1. Прямой нагрев | До 80-90% | 95+% |
| C2. Нагрев паром | До 80-95% | 95+% |
| C3. Вращательное оборудование | 25-40% | 90-95% |
Согласно настоящему раскрытию, можно использовать неуглеродную энергию, возобновляемую энергию и/или электрическую энергию (например, из возобновляемых и/или невозобновляемых источников), а не традиционные источники энергии, имеющиеся в категориях C1, C2 и/или C3, описанные выше в настоящем документе. В вариантах осуществления для большинства или по существу для всех средств обеспечения энергией используют электрификацию. В вариантах осуществления электрификацию используют для большинства или по существу для всех элементарных операций. В вариантах осуществления электрификацию используют для большинства или по существу для всех средств обеспечения энергией и элементарных операций. В вариантах осуществления электрификацию используют для большинства или по существу для всех технологических приложений, двигателей, для охлаждения и/или нагревания (например, для тепловых насосов с электрическим приводом, остужения, электрического нагревания), излучения, для систем хранения или их сочетания.
В вариантах осуществления источник неуглеродной и/или возобновляемой энергии заключает в себе энергию ветра, солнечную, геотермальную, гидроэлектрическую, ядерную, приливную, волновую энергию, энергию температурного градиента океана, ограниченный давлением осмос или их сочетание. В вариантах осуществления источник неуглеродной энергии содержит водород. В вариантах осуществления электрическая энергия для электрификации, как описано в настоящем документе, произведена из такого источника возобновляемой и/или неуглеродной энергии. В вариантах осуществления некоторая часть или вся электрическая энергия поступает из невозобновляемого и/или углеродного источника, такого как, без ограничения, сгорание углеводородов (например, возобновляемых или невозобновляемых углеводородов), угля или водорода, полученного из углеводородов (например, возобновляемых или невозобновляемых углеводородов).
Основная часть CO2, выбрасываемого из большинства химических установок, является результатом сгорания ископаемых топлив с целью получения энергии для установки. Дополнительный полезный эффект от использования возобновляемой энергии в химическом синтезе в соответствии с вариантами осуществления настоящего раскрытия состоит в том, что количество выбрасываемых парниковых газов значительно (например, по меньшей мере, на 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 или 100% или больше) уменьшится, по отношению к эквивалентной традиционной установке химического синтеза или способу, в котором могут сжигаться углеводороды и/или ископаемое топливо (топлива). Сжигание углеводородов (например, природного газа, метана) для выработки энергии приводит к образованию диоксида углерода (CO2); его образование можно уменьшить или исключить путем использования возобновляемой энергии согласно вариантам осуществления данного раскрытия. В вариантах осуществления настоящего раскрытия количество CO2, получаемого на тонну произведенного продукта, снижается до величины, равной примерно 1,6; 1,5; 1,4; 1,3; 1,2; 1,1; 1,0; 0,75; 0,50; 0,30; 0,25; 0,20; 0,10; 0,05 или 0 тонн CO2 или меньше на тонну химического продукта (например, аммиака). Кроме того, в вариантах осуществления данного раскрытия применение возобновляемой энергии высвобождает указанные углеводороды (например, природный газ, метан), обычно сжигаeмые как топливо, для использования в качестве источника химического сырья (например, для получения аммиака), который имеет более высокую потребительскую стоимость.
Применение возобновляемой электрической энергии в производстве химических продуктов также может приводить к эксплуатационным преимуществам. Например, в вариантах осуществления электрическую энергию можно использовать для обеспечения более точного и настраиваемого подвода тепла, например, для контролирования температурного профиля вдоль реактора или изменения температуры конкретных тарелок в дистилляционной колонне. В вариантах осуществления применение электрического нагревания в реакционной секции (например, в реакционной секции пиролиза) приводит к более эффективно контролируемому и/или более быстрому удалению кокса. Без ограничения, другие примеры включают в себя использование холодильных установок с электропитанием для повышения эффективности операций разделения и замену неэффективных резервных котлов газопламенного нагрева быстродействующими электронагревателями и парогенераторами по требованию, а также для других вспомогательных вариантов применения. Использование электрической энергии также может создавать возможность достижения значительных эксплуатационных преимуществ при запуске и остановке работы или формировании отклика на изменчивость процесса. В общем случае электрическую энергию как источник энергии можно применять в конкретных местоположениях, а также в точных и настраиваемых количествах с быстрым откликом на технологические изменения, что приводит к получению разнообразных преимуществ по сравнению с использованием тепловой энергии/энергии сгорания.
Применение возобновляемой электрической энергии в соответствии с вариантами осуществления настоящего раскрытия также может повышать энергоэффективность вспомогательных систем, которые поставляют энергию на несколько химических установок (например, установку синтеза аммиака и расположенную рядом установку синтеза метанола или установку синтеза аммиака и расположенную рядом установку синтеза олефинов). Например, если компрессоры в узле разделения воздуха, который подает кислород и азот в несколько различных производственных мощностей, питаются возобновляемой электрической энергией, могут достигаться значительные выигрыши в энергии по отношению к подаче указанной энергии с паром, получаемым в результате сгорания природного газа.
В вариантах осуществления можно выполнять извлечение энергии через посредство высокотемпературных тепловых насосов или повторного сжатия паров. Установка может дополнительно включать в себя емкость для хранения тепла и/или энергии, например, с целью использования в случае применения непостоянного источника энергии (IES). В вариантах осуществления можно наращивать ресурс отходящего тепла до применимых уровней температур при помощи тепловых насосов с электрическим приводом. В других вариантах осуществления энергию можно извлекать в виде электрической энергии при снижении давлений технологических потоков путем использования энергетической турбины вместо контрольного клапана. В других вариантах осуществления энергию можно извлекать в виде электрической энергии с использованием термоэлектрических устройств.
В соответствии с вариантами осуществления настоящего раскрытия, применение возобновляемой электрической энергии для замены природного газа или других углеводородов в качестве источника энергии можно воплощать как часть усовершенствования существующих химических процессов (например, существующей установки синтеза аммиака) или как составной компонент конструкции новой химической установки (например, новой установки синтеза аммиака). При усовершенствовании возможности применения возобновляемой энергии могут зависеть от элементов существующей конструкции, таких как паровая система; в ходе усовершенствования потребуется тщательная проверка всего энергетического баланса и паровой системы, так как электрифицирование отдельных частей оборудования без учета упомянутых соображений может приводить к неэффективным вариантам использования энергии. В вариантах осуществления, показанных в таблице 1, наиболее высокие приращения эффективности достигаются путем замены паровых приводов вращательного оборудования (например, в третьей категории C3) электрическими двигателями. Однако различающиеся цели могут приводить к различным вариантам выбора частичной электрификации; в вариантах осуществления в некоторых случаях более значительные снижения объемов CO2 за счет меньших показателей повышения энергоэффективности иногда можно реализовать путем первоначальной замены пламенных печей на углеводородном топливе (например, в первой категории C1). В вариантах осуществления, если тепловую энергию и/или пар получают из нескольких источников углеводородов, наиболее предпочтительный режим работы может достигаться, прежде всего, при исключении наиболее дорогостоящих и/или загрязняющих источников топлив. То, какое количество возобновляемой энергии можно включать и до какой степени можно снижать существующий расход топлива и выбросы диоксида углерода (CO2), может изменяться в зависимости от применения и будет находиться в пределах квалификации специалистов в данной области техники по прочтении данного раскрытия.
В вариантах осуществления планирование использования возобновляемой энергии в конструкции вновь возводимой химической мощности (например, вновь сооружаемой установки синтеза аммиака) может предусматривать более значительные возможности для улучшения энергоэффективности и снижения выбросов CO2. Для реализации больших приращений энергоэффективности в вариантах осуществления используют питание всего вращательного оборудования (например, в третьей категории C3) электрической энергией. В вариантах осуществления по существу полностью (или по большей части, или более, чем на 40, 50, 60, 70, 80 или 90%) используют электрическое нагревание (например, в первой категории C1 и/или второй категории C2), и проявления неэффективности, обусловленные потерей тепла с топочным газом, по существу снижаются или даже исключаются. В вариантах осуществления можно сводить к минимуму или всецело исключать использование пара, вырабатываемого за счет сгорания ископаемого топлива (например, во второй категории C2). Для обеспечения возможности выделения меньшего количества тепла в реакторе и/или образования меньшего количества побочных продуктов, подвергаемых сжиганию, в вариантах осуществления используют изменения в катализаторе и/или модификацию рабочих условий реактора. В вариантах осуществления установка (например, установка синтеза аммиака), спроектированная на основе применения возобновляемой электрической энергии, позволяет достигать повышенной оптимизации операций разделения, поскольку при использовании возобновляемой электрической энергии согласно настоящему раскрытию изменяются относительные затраты на сжатие и остужение. В вариантах осуществления такие улучшенные операции разделения также могут позволять дополнительно улавливать побочные продукты, имеющиеся в малом количестве, из отдуваемых потоков, высвобождая указанные второстепенные продукты для дальнейшего использования в качестве источников сырья или продуктов. Кроме того, применение недорогой электрической энергии в соответствии с вариантами осуществления данного раскрытия может создавать возможность для введения новых технологий, таких как, без ограничения, технологии с применением гибридных газово-электрических нагревателей, приводов компрессоров с переменной скоростью вращения, распределенного охлаждения, тепловых насосов, усовершенствованных дистилляционных колонн, пассивного солнечного нагрева текучих сред, точного контроля температурных профилей реактора, новых материалов конструкции и закалки или охлаждения с использованием разбавителей, охлажденных при помощи электричества. Если стоимость электрической энергии является достаточно низкой, применение такой электрической энергии, как указано в настоящем документе, может благоприятствовать вводу новых электрохимических процессов. В случае новой конструкции, она может быть менее капиталоемкой для запуска процессов на основе электроэнергии, например, вследствие отсутствия (например, на всей установке) системы распределения пара.
Согласно вариантам осуществления данного раскрытия неуглеродную энергию, возобновляемую энергию и/или электрическую энергию (возобновляемую, невозобновляемую, углеродную и/или неуглеродную электрическую энергию) можно использовать при получении практически каждого химического продукта, включая метанол, аммиак, олефины (например, этилен, пропилен), ароматические соединения, гликоли и полимеры, но не ограничиваясь ими. В вариантах осуществления неуглеродную энергию, возобновляемую энергию и/или электрическую энергию также можно использовать при подготовке источников сырья для получения химических продуктов и производства топлив, как например, в синтезе метил-трет-бутилового эфира (МТБЭ), крекинге, изомеризации и риформинге. В таких вариантах осуществления определенную часть нагревания (например, по меньшей мере, около 10, 20, 30, 40 или 50%), большую его часть (например, по меньшей мере, около 50, 60, 70, 80, 90 или 95%) или все (например, около 100%) нагревание в масштабе всей установки/процесса или ее секции можно обеспечивать путем электрического нагрева и/или определенную часть охлаждения (например, по меньшей мере, около 10, 20, 30, 40 или 50%), большую его часть (например, по меньшей мере, около 50, 60, 70, 80, 90 или 95%) или все (например, около 100%) охлаждение в масштабе всей установки/процесса или ее секции можно обеспечивать путем электрического охлаждения, как описано выше в настоящем документе. Ниже в настоящем документе раскрывается применение возобновляемой энергии, неуглеродной энергии и/или электрической энергии применительно к синтезу аммиака.
Раскрытия предварительных заявок на патент США №№ 62/792612 и 62/792615, имеющих название Use of Renewable Energy in Olefin Synthesis, предварительных заявок на патент США №№ 62/792617 и 62/792619, имеющих название Use of Renewable Energy in Ammonia Synthesis, предварительных заявок на патент США №№ 62/792622 и 62/792627, имеющих название Use of Renewable Energy in Methanol Synthesis, и предварительных заявок на патент США №№ 62/792631, 62/792632, 62/792633, 62/792634 и 62/792635, имеющих название Use of Renewable Energy in the Production of Chemicals, поданных 15 января 2019 г., настоящим включаются в данный документ в целях, не противоречащих настоящему раскрытию.
В данном раскрытии описана установка синтеза аммиака для получения аммиака, выполненная с такой возможностью, что большая часть полезной энергии, требуемой для одной или нескольких секций, узлов, групп аналогичных узлов или элементарных операций установки синтеза аммиака обеспечивается за счет неуглеродной энергии (ENC) из источника неуглеродной энергии (например, полученной не в результате сгорания углеродного топлива, такого как углеводород), на основе возобновляемой энергии (например, энергии (ENF), полученной из неископаемого топлива) и/или электрической энергии. В вариантах осуществления источник ENC или ENF может включать в себя, главным образом включать в себя, по существу состоять из электрической энергии или состоять из нее. В вариантах осуществления источник ENC или ENF может включать в себя, главным образом включать в себя, по существу состоять из возобновляемой электрической энергии или состоять из нее. В вариантах осуществления часть (например, равная приблизительно 5, 10, 20, 30, 40, 50 или больше), большая часть (например, равная приблизительно 50, 60, 70, 80, 90 или 95% или больше) или вся (например, около 100%) полезная энергия, требуемая для всей установки синтеза аммиака, секции установки (например, секции предварительной обработки сырья, секции получения сингаза, общеизвестной и иногда называемой в настоящем документе также секцией риформинга, секции превращения по реакции сдвига, секции очистки водорода и азота (иногда называемой в настоящем документе просто «секцией очистки водорода» или просто «секцией очистки») и/или секции синтеза и/или выделения аммиака (иногда называемой просто «секцией синтеза аммиака»)), узла или группы аналогичных узлов (например, компрессоров, узлов подачи энергии, кипятильников, нагревательных блоков, охлаждающих блоков, охладительных узлов, сепараторов, дистилляционных/фракционирующих колонн, реакторов риформинга, реакторов сдвига) или элементарных операций (например, сжатия, подачи питания, осуществления реакции (например, риформинга), операций разделения, нагревания, охлаждения) установки или их сочетания, обеспечивается за счет электрической энергии, возобновляемой энергии (например, энергии, полученной из неископаемого топлива, (ENF)) и/или неуглеродной энергии (ENC). В вариантах осуществления электрическую энергию подают из источника возобновляемой энергии, такой как, без ограничения, энергия ветра (например, при помощи ветровых турбин), солнечная (например, фотовольтаические (ФВ) панели или солнечные тепловые), гидроэлектрическая, волновая, геотермальная, ядерная, приливная энергия, энергия сгорания биомассы со связывающим улавливанием CO2 в замещенных культурах или их сочетание. В вариантах осуществления часть (например, равную приблизительно 5, 10, 20, 30, 40, 50 или больше), большую часть (например, равную приблизительно 50, 60, 70, 80, 90 или 95% или больше) или всю (например, около 100%) электрическую энергию, возобновляемую энергию (например, энергию, полученную из неископаемого топлива (ENF) или неуглеродную энергию (ENC), требуемую для всей установки синтеза аммиака, секции установки (например, секции предварительной обработки сырья, секции получения сингаза, секции превращения по реакции сдвига, секции очистки водорода и азота и/или секции синтеза аммиака и/или секции выделения аммиака), узла или группы аналогичных узлов (например, компрессоров, узлов подачи энергии, нагревательных блоков, кипятильников, охлаждающих блоков, охладительных узлов, сепараторов, дистилляционных/фракционирующих колонн, реакторов, реакторов сдвига) или элементарных операций (например, сжатия, подачи питания, осуществления реакции, разделения, нагревания, охлаждения) установки синтеза аммиака или их сочетания, и обычно получаемую на аналогичной установке синтеза аммиака через посредство сгорания топлива, углеродного топлива и/или ископаемого топлива и/или использования пара (например, который сам образуется за счет сгорания такого топлива) в качестве промежуточной теплоносной (и/или энергопередаточной) текучей среды, получают без сжигания топлива, углеродного топлива и/или ископаемого топлива и/или без использования пара, вырабатываемого в результате сгорания такого топлива, как промежуточной теплоносной (и/или энергопередаточной) текучей среды. В вариантах осуществления полезную энергию для всей установки, либо для одной или нескольких секций, узлов или групп аналогичных узлов данной установки обеспечивают за счет электрической энергии из источника возобновляемой энергии. Например, в вариантах воплощения нагревание обеспечивают при помощи электричества путем резистивного нагрева или иного превращения электрической энергии в тепловую и/или механическую энергию.
В вариантах осуществления установка синтеза аммиака настоящего раскрытия выполнена с такой возможностью, что большая часть (например, больше 50, 60, 70, 80 или 90%) полезной энергии, требуемой для подачи питания, нагревания, охлаждения, сжатия или их сочетания, используемой через посредство системы предварительной обработки сырья, одного или нескольких генераторов сингаза (например, реакторов парового риформинга), системы превращения по реакции сдвига, системы очистки водорода, системы синтеза аммиака или их сочетания, как описано ниже в настоящем документе, обеспечивается за счет электрической энергии.
В вариантах осуществления установка синтеза аммиака согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия представляет собой крупную установку, характеризующуюся производственной мощностью по аммиаку, равной примерно 100 000 тонн в год, 500 000 тонн в год или 2 500 000 тонн в год или больше. При более крупных размерах, предусматриваемых в данном раскрытии, количество энергии, подаваемой из источника неуглеродной энергии, источника возобновляемой энергии и/или электрической энергии, будет соразмерно большим. В вариантах осуществления частично или полностью электрифицированная установка, соответствующая способам настоящего раскрытия, будет потреблять, по меньшей мере, 25, 50, 100, 150, 200, 300, 400 или 500 МВт электрической энергии.
Хотя для описания электрификации установки синтеза аммиака, раскрытой в настоящем документе, будет использоваться конкретный вариант воплощения установки синтеза аммиака, следует понимать, что можно электрифицировать многочисленные конфигурации узлов и различные технологические решения синтеза аммиака согласно настоящему раскрытию, как будет очевидно специалистам в данной области техники по прочтении описания в настоящем документе.
Со ссылкой на фиг. 3, которая является блок-схемой обобщенной установки I синтеза аммиака, можно полагать, что установка синтеза аммиака включает в себя одну или несколько из следующих технологических секций для превращения сырьевого потока 5, включающего углеродсодержащий материал (например, природный газ, нафту или уголь) и, необязательно, потока 6, включающего азотсодержащий материал (обычно воздух), в поток 55 аммиачного продукта (и, необязательно, в один или несколько потоков 41 побочных продуктов): секцию 10 предварительной обработки сырья, секцию 20 риформинга или получения сингаза, секцию 30 превращения по реакции сдвига, секцию 40 очистки водорода, секцию 50 синтеза аммиака или их сочетание. Такие секции будут кратко описаны в нескольких следующих далее абзацах, а более подробно ниже в настоящем документе.
Как показано на блок-схеме процесса синтеза аммиака фиг. 3, секция 10 предварительной обработки сырья установки синтеза аммиака выполнена с возможностью подготовки (например, удаления нежелательных компонентов (например, серы) из сырья при регулировании температуры и/или давления) углеродсодержащего сырья 5, чаще всего, природного газа, для получения сингаза, обеспечивая получение предварительно обработанного сырья 15. В вариантах применения установка синтеза аммиака настоящего раскрытия не включает в себя секцию предварительной обработки сырья. Секция получения сингаза, состоящая из секции 20 парового риформинга, выполнена с возможностью осуществления получения сингаза паровым риформингом сырья (например, сырья 5 или предварительно обработанного сырья 15) для производства сингаза 25, содержащего монооксид углерода (CO) и водород (H2). В вариантах осуществления в реактор автотермического риформинга секции 20 получения сингаза можно вводить воздух 6. Вовлечение кислорода упомянутого воздуха в процесс сгорания привносит определенное количество энергии, требуемое для нагревания указанных реакторов и подачи тепла реакции; азот упомянутого воздуха переносится через данный процесс для превращения в аммиак. Секция 30 превращения по реакции сдвига или «осуществления реакции сдвига» выполнена с возможностью осуществления сдвига водяного газа в сингазе 25 для получения дополнительного водорода по реакции сдвига водяного газа (WGS) уравнения (1):
H2O + CO → H2 + CO2 (1),
и получения подвергнутого реакции сдвига продукта 35 реактора риформинга. Секция 40 очистки водорода и азота выполнена с возможностью получения сырьевого потока 45 синтеза аммиака (называемого также в настоящем документе очищенным продуктом реактора риформинга), содержащего очищенный водород и азот. Секция 50 синтеза аммиака выполнена с возможностью получения аммиака из сырья 45 синтеза аммиака и получения таким образом аммиачного продукта 55. В вариантах осуществления в секцию 50/150 синтеза аммиака непосредственно перед введением сырья синтеза аммиака вводят практически чистый азот. Следует понимать, что в таких вариантах осуществления газ, очищенный в секции 40/140 очистки водорода и азота, не содержит азота.
Как упомянуто выше и изображено на фиг. 3 и упомянуто выше, подвод энергии (E) к установке или внутрь установки синтеза аммиака, либо одной или нескольких секций или групп узлов или для элементарных операций в них (что обычно можно обеспечивать за счет углеродной энергии (EC) 2A из источника углеродной энергии; энергии (EF) 3A, полученной из ископаемого топлива, поступающего из источника энергии на основе ископаемого топлива, или путем применения пара (например, пара, выработанного для указанной цели с использованием энергии, полученной из источника углеродной энергии или источника энергии ископаемого топлива) исключительно или главным образом в виде теплоносной или энергопередаточной среды (SHT) 1), можно частично или полностью заменять энергией на основе неуглеродной энергии (ENC) 2B из источника неуглеродной энергии, возобновляемой энергией/энергией неископаемого топлива (ENF) 3B из источника возобновляемой энергии и/или электрической энергией (например, электрической энергией и/или возобновляемой электрической энергией). Углеродную энергию (EC) 2A, энергию (EF) 3A, полученную из ископаемого топлива, или обе из них можно частично или полностью заменять электрической энергией. В вариантах осуществления электрическую энергию можно получать из неуглеродного топлива, возобновляемого топлива, источника возобновляемой энергии или их сочетания. Положительный эффект, получаемый при помощи раскрытых в настоящем документе системы и способа, может заключаться в уменьшении выбросов 4 парникового газа (ПГ) с установки или из процесса синтеза аммиака. В вариантах осуществления энергоэффективность повышается в результате исключения топочного газа, поскольку исключается потеря тепла, содержащегося в топочном газе, в атмосферу. Исключение или сокращение паровой системы может приводить также к снижению капитальных и эксплуатационных затрат.
Согласно настоящему раскрытию, при охлаждении технологических потоков следует использовать как можно больше тепла для нагрева других технологических потоков. Однако ниже определенной температуры дальнейшая теплопередача уже не эффективна или неприменима и используются воздуходувки, охлаждающая вода и/или остужение (которые требуют подвода энергии для отвода тепла). В таких вариантах осуществления, например, в случае теплообменников, холодильных установок или их сочетания, для изменения температуры технологических потоков можно подавать электрическое питание. В вариантах осуществления пар не применяют исключительно в качестве промежуточного теплоносного и/или энергопередаточного потока, а установка или ее секция (секции) не включают в себя такую сложную паровую систему, как традиционно используемая для передачи энергии. В вариантах осуществления пар используют в качестве теплоносной текучей среды и не используют для совершения механической работы, например, для приведения в действие насоса или компрессора. В вариантах осуществления нагревание выполняют путем резистивного нагрева. В вариантах осуществления нагревание выполняют путем индуктивного нагрева.
Несмотря на отсутствие стремления ограничивать описание некоторых способов примерами, приведенными в настоящем документе, далее будет представлена установка синтеза аммиака, которую можно электрифицировать в соответствии с вариантами осуществления настоящего раскрытия, со ссылкой на приведенную в виде примера блок-схему синтеза аммиака на установке II синтеза аммиака, показанную на фиг. 4. Описанные стадии, секции, группы узлов или элементарные операции могут присутствовать или выполняться в любом подходящем порядке; одна или несколько стадий, секций, узлов или элементарных операций могут отсутствовать, дублироваться, заменяться другой стадией, секцией, узлом или элементарной операцией, и в различных вариантах осуществления можно использовать дополнительные стадии, секции, узлы или элементарные операции, не описанные в настоящем документе. В дополнение к этому, хотя стадия (например, нагревание B2) отмечена как существующая в конкретной секции (например, в секции 40/140 очистки водорода и азота), данную стадию также можно будет рассматривать как часть другой секции (например, секции 50/150 синтеза аммиака).
Как отмечено выше в настоящем документе со ссылкой на вариант осуществления фиг. 3, в вариантах осуществления установка синтеза аммиака включает в себя секцию 10/110 предварительной обработки сырья. Такая секция 10/110 предварительной обработки сырья может быть выполнена с возможностью удаления одного или нескольких компонентов, без ограничения, таких как сера, из углеродсодержащего сырья для получения предварительно обработанного сырья 15/115. Если углеродсодержащее сырье содержит серу, сернистые соединения можно удалять, поскольку сера дезактивирует катализатор(ы), используемые на последующих стадиях. С целью удаления серы можно использовать каталитическое гидрирование для превращения сернистых соединений, имеющихся в источниках сырья, в газообразный сероводород по уравнению (2):
H2 + RSH → RH + H2S (газ) (2).
Затем газообразный сероводород можно адсорбировать и удалять путем пропускания его, например, через слои оксида цинка, где он превращается в твердый сульфид цинка по уравнению (3):
H2S + ZnO → ZnS + H2O (3).
Устройство для очистки сырья, используемое в секции 10 предварительной обработки сырья, может быть любым подходящим устройством для удаления загрязнителей/ядов, известным специалистам в данной области техники. В вариантах осуществления секция 10/110 предварительной обработки выполнена с возможностью получения сырья при желаемой рабочей температуре и/или давлении для следующей далее секции 20/120 получения сингаза или риформинга.
Согласно вариантам воплощения настоящего раскрытия, предварительную обработку сырья можно осуществлять при пониженном потреблении неуглеродной энергии, использовании возобновляемой энергии и/или использовании электрической энергии (например, электрической энергии из возобновляемого и/или невозобновляемого источника (источников)). Например, компрессоры секции предварительной обработки можно приводить в действие электродвигателями, а не турбинами с газовым или паровым приводом; подвод или отвод тепла, требуемый в ходе предварительной обработки, можно обеспечивать с использованием электроэнергии, либо можно их сочетать. В вариантах осуществления для выработки электрической энергии используют понижение давления. В вариантах осуществления катализаторы предварительной обработки сырья регенерируют с использованием электронагрева и/или газа, нагретого при помощи электричества.
Установка синтеза аммиака согласно настоящему раскрытию включает в себя секцию получения сингаза, выполненную с возможностью осуществления риформинга углеродсодержащего сырья для получения водорода и монооксида углерода. Секция получения сингаза может включать в себя паровой риформинг метана, автотермический риформинг или оба из них. В вариантах осуществления секция 120 получения сингаза заключает в себе реактор или слой парового риформинга метана, реактор или слой автотермического риформинга и адиабатический реактор или слой парового риформинга метана.
Секция 20/120 получения сингаза может быть выполнена с возможностью осуществления каталитического парового риформинга (например, не содержащего серы) метанового сырья с образованием водорода плюс монооксид углерода в соответствии с обратимым и ограниченным равновесием уравнением (4):
CH4 + H2O CO + 3H2 (4).
Секция 120 получения сингаза варианта осуществления фиг. 4 заключает в себе паровой риформинг метана в 120A, на основании чего объединяют метан в сырье 105 в виде природного газа и пар в линии 111, а затем подают в печь парового риформинга метана, где метан частично превращается в монооксид углерода и водород по уравнению (4). В вариантах осуществления реакция парового риформинга метана протекает в широком диапазоне температур примерно от 350°C до 850°C и при давлении примерно от 25 бар до 50 бар. Реакция парового риформинга метана является эндотермической, и тепло реакции обычно привносится за счет сжигания метана в горелках печи для обеспечения подвода тепла, показанного как Q1. Как дополнительно описано ниже в настоящем документе, согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия, подвод Q1 тепла обеспечивается при помощи источника возобновляемой энергии, источника неуглеродной энергии и/или электрической энергии. Источник возобновляемой энергии может включать в себя электрическую энергию из источника возобновляемой энергии (такой как энергия ветра или солнечная энергия).
При автотермическом риформинге 120B воздух 106 добавляют (например, при помощи компрессора или секции C1 сжатия) к частично превращенному потоку, указанному в 121, и кислород воздуха вовлекается в процесс сгорания вместе с метаном с образованием оксидов углерода, воды и выделением тепла. Температура на выходе из реактора автотермического риформинга в 120B может составлять около 1000°C, хотя в реакторе могут существовать некоторые более горячие и более холодные зоны. В варианте осуществления фиг. 4 добавление воздуха на данной стадии предусматривает введение азота. В вариантах осуществления, если автотермический риформинг воплощают таким образом, что на данной стадии подают количество азота, меньше необходимого (например, если вместо воздуха добавляют очищенный кислород), или если реактор автотермического риформинга не присутствует, потребуется добавлять азот на последующей стадии процесса; например, в сухой газовый поток 144 можно будет вводить азот, полученный из узла разделения воздуха (ASU). В варианте осуществления фиг. 4 азот воздуха, вводимого в 106, остается в потоке и становится сырьем для секции 150 синтеза аммиака данного процесса. Примеси, такие как аргон, которые вводятся в реактор автотермического риформинга с воздухом, также переносятся через процесс и в вариантах осуществления могут удаляться путем отдува.
В варианте осуществления фиг. 4 конечная стадия секции 120 получения сингаза представляет собой необязательный адиабатический слой 120C парового риформинга метана, для которого тепло сгорания обеспечивает тепло для протекания реакции. Продукт автотермического риформинга, указанный в 122, подвергают адиабатическому паровому риформингу метана, указанному в 120C.
Обычно для получения тепла Q1, требуемого для достижения желаемой температуры риформинга, сжигают топливо (например, природный газ, метан, отдувочный газ из секции синтеза аммиака). В вариантах осуществления настоящего раскрытия желаемая температура парового риформинга достигается без сжигания топлива. В вариантах осуществления настоящего раскрытия желаемая температура парового риформинга достигается без сжигания углеродного топлива. Желательно, чтобы природный газ или метан не сжигались в качестве топлива, как таковые природный газ или метан, обычно сжигаемые в качестве топлива, затем можно использовать как сырье для получения дополнительного аммиачного продукта согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия.
В вариантах осуществления паровой риформинг можно реализовать при пониженном потреблении неуглеродной энергии, использовании возобновляемой энергии и/или электрической энергии (например, электрической энергии из возобновляемого и/или невозобновляемого источника (источников)). Например, компрессоры секции риформинга (такие как компрессор C1) можно приводить в действие электродвигателями, турбиной с электрическим приводом и/или турбиной, приводимой в движение паром, произведенным с использованием электричества, а не турбиной с газовым или паровым приводом или турбиной, приводимой в движение паром, произведенным за счет сгорания топлива; подвод Q1 тепла, требуемый для достижения и поддержания желаемой температуры риформинга и обеспечения эндотермического тепла реакции (в реакторе 120A парового риформинга метана и/или адиабатическом реакторе 120C парового риформинга метана), можно обеспечивать в виде электроэнергии или сочетания энергий. В вариантах осуществления реактор(ы) парового риформинга нагревают путем резистивного или индуктивного нагрева. В вариантах осуществления реактор(ы) парового риформинга нагревают через посредство радиационных панелей, которые нагреваются при помощи электричества (например, путем резистивного нагрева, индуктивного нагрева, омического нагрева или тому подобного).
В вариантах осуществления пар для реакции риформинга можно генерировать при помощи электронагрева. В вариантах осуществления пар вырабатывают с использованием электродного котла или резистивного погружного нагревателя. В вариантах осуществления предварительное нагревание сырья выполняют путем впрыскивания пара, который находится при более высокой температуре, чем сырьевой поток, подлежащий нагреванию. В вариантах осуществления указанный пар перегревают при помощи электричества. Воздух 106, вводимый в реактор автотермического риформинга, можно нагревать при помощи электричества. В вариантах осуществления реактор парового риформинга метана в 120A нагревают при помощи электричества для сообщения такого контролируемого температурного профиля, чтобы увеличивалась глубина протекания реакции. В вариантах осуществления указанный контролируемый профиль плотнее приближается к изотермическому режиму работы. В вариантах осуществления сырье, подаваемое в реактор автотермического риформинга, содержит кислород, а не воздух, и азот вводят в данном процессе позже, например, между стадиями C2 и B2. В вариантах осуществления упомянутые кислород и азот получают из узла разделения воздуха (ASU). В вариантах осуществления узел разделения воздуха работает с использованием возобновляемой электрической энергии. В вариантах осуществления секция 20/120 получения сингаза не заключает в себе реактора автотермического риформинга, и азот вводят в виде потока чистого азота, полученного в питаемом электроэнергией узле разделения воздуха. В вариантах осуществления сингаз, выходящий из реактора первичного риформинга, можно нагревать (например, с использованием электронагрева) до температуры, при которой его можно дополнительно превращать в адиабатическом реакторе парового риформинга. Азот (например, из питаемого электроэнергией узла ASU) можно вводить либо до, либо после адиабатического реактора риформинга. В вариантах осуществления, в которых азот вводят перед адиабатическим реактором парового риформинга, указанный поток азота можно предварительно нагревать (например, при помощи электричества) с целью подачи определенной части или всего дополнительного тепла, требуемого для повышения температуры сингаза на входе в адиабатический реактор риформинга.
Как отмечено выше, установка синтеза аммиака настоящего раскрытия может включать в себя секцию 30/130 превращения по реакции сдвига или «осуществления реакции сдвига». Секция 30/130 превращения по реакции сдвига может заключать в себе реактор высокотемпературного сдвига, реактор низкотемпературного сдвига, первый реактор сдвига, конечный реактор сдвига или их сочетание. Секция превращения по реакции сдвига может включать в себя охлаждение до и/или после реактора высокотемпературного сдвига, реактора низкотемпературного сдвига или их обоих, при этом отводимое тепло может передаваться другому технологическому потоку либо прямым, либо непрямым путем.
По завершении образования сингаза осуществляют реакцию сдвига водяного газа потока 125 продуктов сингаза в секции 30/130 превращения по реакции сдвига для получения дополнительного водорода по реакции сдвига водяного газа (WGS) в соответствии с уравнением (1), приведенным выше. В вариантах осуществления реакцию сдвига можно воплощать любыми подходящими способами, известными в данной области техники, если только энергия для установки I/II синтеза аммиака или секции 30/130 осуществления реакции сдвига подается, как изложено подробно в настоящем документе. Например, воплощение сдвига может заключать в себе высокотемпературный сдвиг, низкотемпературный сдвиг или оба из них, как в варианте осуществления фиг. 4. В варианте осуществления фиг. 4 сингазовый продукт в потоке 125 сингазового продукта частично охлаждают на первой ступени или в первом узле (узлах) A1 охлаждения (с отводом тепла, указанным как Q2) для получения охлажденного продукта реактора риформинга, указанного как поток 131. Охлажденный поток 131 сингаза вводят в реактор (реакторы) высокотемпературного сдвига в 130A, где образуется дополнительный водород (H2) в результате протекания сдвига воды и монооксида углерода с образованием диоксида углерода и дополнительного водорода по реакции сдвига водяного газа (WGS) уравнения (1), приведенного выше, для получения потока 132, подвергнутого высокотемпературному сдвигу. В вариантах осуществления высокотемпературный сдвиг можно проводить при температуре примерно от 300 до 450°C и давлении примерно от 25 до 50 бар.
Секция 130 осуществления реакции сдвига может дополнительно включать в себя охлаждение подвергнутого высокотемпературному сдвигу потока 132 на второй ступени или во втором узле (узлах) A2 охлаждения (с отводом тепла, указанным как Q3), в результате чего поток охлаждается с образованием охлажденного подвергнутого высокотемпературному сдвигу потока 133.
Секция 130 осуществления реакции сдвига варианта осуществления фиг. 4 далее включает в себя дополнительное завершение реакции сдвига в реакторе низкотемпературного сдвига, указанного на ступени или узле (узлах) 130B. Охлажденный, подвергнутый высокотемпературному сдвигу поток 133 можно вводить в реактор низкотемпературного сдвига в 130B. В вариантах осуществления стадию низкотемпературного сдвига в 130B можно выполнять при температуре примерно от 200 до 300°C и/или давлении примерно от 25 до 50 бар для получения подвергнутого низкотемпературному сдвигу потока 134. Без ограничения, установка синтеза аммиака настоящего раскрытия может включать в себя и высокотемпературный сдвиг 130A, и низкотемпературный сдвиг 130B, поскольку для приближения реакции к завершению требуется низкая температура, но указанная реакция протекает быстрее при высокой температуре.
Третью стадию A3 охлаждения (с отводом тепла, указанным как Q4) можно использовать для снижения температуры подвергнутого низкотемпературному сдвигу продукта 134 реактора риформинга и получения потока 135 охлажденного, подвергнутого реакции сдвига продукта реактора риформинга. В вариантах осуществления поток 135 охлажденного, подвергнутого реакции сдвига продукта реактора риформинга имеет температуру, подходящую для подачи в секцию 40/140 очистки водорода и азота. Такая температура может находиться в диапазоне от температуры окружающей среды до 100°C.
Согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия реакцию сдвига можно воплощать при пониженном потреблении неуглеродной энергии, использовании возобновляемой энергии и/или электрической энергии (например, электрической энергии из возобновляемого и/или невозобновляемого источника (источников)). Например, отвод тепла (такой как отвод Q2 тепла для охлаждения A1 до выполнения сдвига, отвод Q3 тепла для охлаждения A2 между высокотемпературным сдвигом 130A и низкотемпературным сдвигом 130B, отвод Q4 тепла для охлаждения A3 после низкотемпературного сдвига 130B), требуемый для достижения желаемой температуры сдвига, можно обеспечивать в виде электроэнергии или сочетания энергий. В вариантах осуществления отвод тепла согласован с подводами тепла, так что извлекаемую тепловую энергию используют для нагревания других технологических потоков. В вариантах осуществления Q2, Q3 и Q4 используют для подачи тепловой энергии в Q1, Q5 и/или Q7, а остальную энергию подают в виде электроэнергии. В вариантах осуществления реакторы (в случае одной или нескольких стадий, иногда включая риформинг) могут иметь температурный профиль, сообщаемый путем электронагрева. В вариантах осуществления термоэлектрические устройства и/или тепловые насосы используют для перемещения энергии из Q2, Q3 и/или Q4 в другие места возможного применения энергии.
Как отмечено выше, установка синтеза аммиака настоящего раскрытия может включать в себя секцию 40/140 очистки водорода и азота. Секция 40/140 очистки водорода и азота может быть выполнена с возможностью удаления одного или нескольких компонентов (например, диоксида углерода, воды, монооксида углерода или их сочетания) из подвергнутого реакции сдвига сингазового продукта в виде потока 35/135. Секция 40/140 очистки водорода и азота может включать в себя устройство для удаления диоксида углерода, устройство для метанирования, устройство для конденсирования/охлаждения воды, нагревательное устройство, устройство для сжатия или их сочетание, как описано далее ниже в настоящем документе.
Как отмечено выше, секция 40/140 очистки водорода и азота может включать в себя устройство для удаления диоксида углерода. Как отмечено выше, в вариантах осуществления после воплощения реакции сдвига поток подвергнутого реакции сдвига продукта реактора риформинга охлаждают и конденсируют значительную часть пара, присутствующего в данном потоке. В варианте осуществления фиг. 4 поток 135 подвергнутого реакции сдвига продукта реактора риформинга подают в устройство 140A для удаления диоксида углерода с целью получения потока 141 с пониженным содержанием диоксида углерода. В вариантах осуществления в устройстве для удаления диоксида углерода используют подходящий растворитель (обычно раствор амина или соли в форме бикарбоната) для абсорбирования диоксида углерода. Абсорбированный диоксид углерода высвобождают в отпаривателе CO2 устройства для удаления диоксида углерода и регенерируют растворитель с целью возвращения в абсорбер. В вариантах осуществления регенерацию растворителя выполняют при помощи электронагрева (например, с использованием электрического котла). В вариантах осуществления указанный электронагрев выполняют при помощи погружного нагревателя. В вариантах осуществления CO2 можно отпаривать из растворителя путем впрыскивания пара низкого давления, причем указанный пар производят путем теплообмена с другим технологическим потоком и/или путем электронагрева воды. В вариантах осуществления растворителем является раствор амина.
Как отмечено выше, секция 40/140 очистки водорода и азота может включать в себя устройство для метанирования. Вследствие определенной природы катализатора (обычно мультипромотированного магнетита), используемого в реакции синтеза аммиака секции 50/150 синтеза аммиака, описываемой ниже, в потоке (потоках) сырьевого газа синтеза аммиака или очищенном продукте реактора риформинга в виде потока 45/145 (например, в смеси водорода и азота) могут допускаться только очень низкие концентрации кислородсодержащих соединений (особенно CO, CO2 и H2O). В вариантах осуществления после удаления 140A диоксида углерода поток 141 с пониженным содержанием диоксида углерода можно нагревать, как упомянуто далее ниже в настоящем документе и показано в B1 (с подводом тепла, указанным в Q5) перед метанированием 140B в метанаторе. Метанирование выполнено с возможностью удаления остаточного монооксида углерода и диоксида углерода по реакции с водородом для образования метана и воды в соответствии с уравнениями (5) и (6):
CO + 3H2 → CH4 + H2O (5)
CO2 + 4H2 → CH4 +2H2O (6).
Альтернативой использованию метанатора является превращение следовых концентраций CO в CO2 при добавлении стехиометрического количества кислорода из кислородсодержащего потока и пропускании указанного смешанного потока через слой катализатора селективного окисления CO (например, высокодисперсного золота). Таким путем можно осуществлять реакцию CO с O2 по уравнению (7):
CO + 1/2 O2 → CO2 (7).
В случае использования указанного альтернативного процесса удаления CO его следует проводить до стадии удаления CO2. Преимущество данного альтернативного процесса заключается в том, что, в отличие от метанирования, не расходуется водород. Подходящие кислородсодержащие потоки включают в себя воздух, обогащенный кислородом воздух, получаемый на установке разделения воздуха, и чистый кислород, получаемый на установке разделения воздуха (которая в вариантах осуществления может быть снабжена электропитанием).
Как отмечено выше, секция 40/140 очистки водорода и азота может включать в себя устройство для удаления воды или «конденсирования воды». В варианте осуществления фиг. 4 поток 143 продукта метанирования охлаждают и отделяют воду 147 путем конденсации (с отводом тепла, указанным в Q6) в ходе конденсирования A4 воды для получения сухого газового потока 144. В вариантах осуществления упомянутую стадию удаления воды можно выполнять с использованием слоев осушителя или молекулярного сита (например, молекулярного сита 3A), через которые пропускают поток охлажденного продукта метанатора с образованием сухого газового потока, до момента насыщения слоя молекулярного сита, после чего упомянутый поток переключают на альтернативный слой молекулярного сита, а насыщенный на данный момент слой молекулярного сита сушат путем пропускания через него нагретого потока сухого газа (например, регенерационного газа). В вариантах осуществления упомянутый поток сухого газа может содержать азот или топливный газ и его можно нагревать до требуемой температуры (например, приблизительно до 220°C) с использованием электрической энергии.
Как отмечено выше, секция 40/140 очистки водорода и азота может включать в себя сжатие C2. Например, в варианте осуществления фиг. 4 сухой газовый поток 144 вводят в секцию 150 синтеза аммиака посредством сжатия C2 одним или несколькими компрессорами. В вариантах осуществления сжатие C2 может повышать давление до величины примерно от 60 до 250 бар.
Как отмечено выше, секция 40/140 очистки водорода и азота может включать в себя нагревательное устройство. Нагревание можно выполнять до метанирования, после сжатия и перед подачей в секцию 150 синтеза аммиака или в обоих случаях. Например, после удаления 140A диоксида углерода поток 141 с пониженным содержанием диоксида углерода можно нагревать, как упомянуто далее ниже в настоящем документе и показано в B1 (с подводом тепла, указанным в Q5), перед метанированием 140B в метанаторе. Сжатый сухой газ в потоке 145 очищенного продукта реактора риформинга можно нагревать в B2 (с подводом тепла, указанным в Q7) после сжатия C2 и перед синтезом аммиака в секции 150 синтеза аммиака. Очищенный продукт реактора риформинга в сжатом, сухом газовом потоке 145 можно нагревать, например, до температуры в диапазоне от значения около 100°C примерно до 350°C (в потоке 146) перед синтезом аммиака.
Согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия очистку водорода и азота можно реализовать при пониженном потреблении неуглеродной энергии, использовании возобновляемой энергии и/или электрической энергии (например, электрической энергии из возобновляемого и/или невозобновляемого источника (источников)). Например, можно электрифицировать удаление 140A диоксида углерода при помощи снабжения электричеством регенерации растворителя. Можно электрифицировать метанирование 140B, например, при помощи снабжения электричеством нагревания газа 141 в B1 и/или путем электронагрева реактора метанирования в 140B. Можно электрифицировать сушку водорода и азота (например, в A4), например, путем электронагрева потока газа регенерации. В вариантах осуществления подвод Q5 тепла, требуемый для достижения желаемой температуры метанирования, путем нагревания B1 можно обеспечивать за счет электроэнергии; отвод Q6 тепла, требуемый для осуществления конденсирования A4 воды, можно обеспечивать за счет электроэнергии; выполнение сжатия, используемое в C2, можно реализовать при помощи электродвигателя, турбины с электрическим приводом и/или турбины, приводимой в действие паром, полученным с использованием электричества, а не турбины с газовым приводом и/или паровой турбины, приводимой в действие паром, полученным за счет сгорания топлива; подвод Q7 тепла, необходимый для достижения желаемой температуры синтеза аммиака при нагревании B2, можно обеспечивать при помощи электроэнергии или обеспечивать их сочетание. В вариантах осуществления отвод тепла согласован с подводами тепла, так что извлекаемая тепловая энергия используется для нагревания других технологических потоков. В вариантах осуществления энергию, извлекаемую в Q6, применяют для подвода Q5 энергии, а остальное подают в виде электричества. В вариантах осуществления в процесс добавляют водород, полученный из другого источника, в секции 40/140 очистки водорода. В вариантах осуществления указанный водород получают из процесса, в котором используется возобновляемая электрическая энергия. В вариантах осуществления определенную часть или весь азот, требуемый для синтеза аммиака, добавляют вблизи конца секции 40/140 очистки водорода (например, по азотной линии 266, изображенной на фиг. 10-14 и описанной в сравнительном примере 2 и примерах 5-8 ниже в настоящем документе). В вариантах осуществления водород или азот сжимают и/или нагревают при помощи электроэнергии перед добавлением в секцию 40/140 очистки водорода.
В вариантах осуществления достаточное количество водорода доступно из внешних источников (например, из реактора парового крекинга, из источников нефтепереработки и/или в результате электролиза воды), так что секции риформинга и превращения по реакции сдвига больше не нужны. Затем перед сжатием C2 к указанному водороду добавляют азот надлежащей чистоты из других источников (например, из узла разделения воздуха). После этого проводят нагревание B2, синтез 150A аммиака, охлаждение A5/A6 и разделение, как описано ниже. В вариантах осуществления весь водород получают с использованием источника неуглеродной энергии, источника возобновляемой энергии, электрической энергии и/или возобновляемой электрической энергии. В вариантах осуществления азот получают из узла разделения воздуха, питаемого в основном или полностью электрической энергией. В вариантах осуществления компрессор сжатия C2, циркуляционный компрессор C3 и/или компрессор(ы), используемые для остужения A6, снабжены электроприводом. В вариантах осуществления большую часть, 60%, 70%, 80%, 90% или всю внешнюю энергию для нагревания B2, синтеза 150A аммиака, охлаждения A5/A6 и разделения подают с использованием источника неуглеродной энергии, источника возобновляемой энергии, электрической энергии и/или возобновляемой электрической энергии.
В вариантах осуществления поток водорода и азота, из которого удален диоксид углерода (например, поток 144), можно дополнительно очищать для уменьшения или исключения загрязнения метаном, например, с использованием системы на основе адсорбции при переменном давлении (PSA), формируя очищенный поток водорода и азота с низким содержанием метана и отдельный поток метана. В вариантах осуществления упомянутый отдельный поток метана можно возвращать в секцию 20/120 получения сингаза, тогда как очищенный поток водорода и азота с низким содержанием метана можно подавать в петлю синтеза аммиака. В вариантах осуществления указанный подход может приводить к снижению потребности в отдуве из петли и повышению общей эффективности данного процесса.
В вариантах осуществления систему типа PSA можно использовать для удаления метана, CO и CO2 из потока водорода и азота перед петлей синтеза аммиака секции 50/150 синтеза аммиака или, необязательно, перед метанатором 140B. В таких вариантах осуществления поток водорода и азота можно подавать в петлю синтеза, тогда как смешанный поток оксидов углерода и метана можно дополнительно обрабатывать для получения относительно чистых потоков CO2 и метана. В вариантах осуществления относительно чистые потоки CO2 и метана можно подавать на установку получения мочевины и возвращать в секции получения синтез-газа установки синтеза аммиака, соответственно.
Как отмечено выше, установка синтеза аммиака настоящего раскрытия может включать в себя секцию 50/150 синтеза аммиака. Секция 50/150 синтеза аммиака может заключать в себе один или несколько реакторов синтеза аммиака или слоев катализатора для осуществления синтеза аммиака 150A; охлаждающее устройство A5/A6, выполненное с возможностью отвода тепла после каждого из отдельных или нескольких реакторов или слоев катализатора синтеза аммиака; устройство для сжатия (также называемое в настоящем документе циркуляционным компрессором) C3, выполненное с возможностью возврата азота и водорода в один или несколько реакторов синтеза аммиака; систему 150B отдува газа, выполненную с возможностью отдува газа (например, метана, аргона, азота и/или CO2) из секции 50/150 синтеза аммиака или их сочетание, как описано дополнительно ниже в настоящем документе.
В секции 50/150 синтеза аммиака азот (N2) и водород (H2) реагируют с образованием аммиака (NH3). В вариантах осуществления, для получения желаемого конечного продукта, аммиака, очищенный водород подвергают каталитическому взаимодействию с азотом с образованием аммиака по уравнению (8), ограниченному равновесием:
3H2 + N2 2NH3 (8).
Азот для реакции синтеза аммиака уже может иметься в потоке 45/145 очищенного продукта секции получения сингаза (например, полученный из технологического воздуха в 106, как в варианте осуществления фиг. 4) или его можно добавлять в поток очищенного водорода в альтернативных вариантах осуществления. Как отмечено выше, вследствие определенной природы катализатора (обычно мультипромотированного магнетита), используемого в реакции синтеза аммиака, в синтез-газе (например, смеси водорода и азота) могут допускаться только очень низкие концентрации кислородсодержащих соединений (особенно CO, CO2 и H2O). В только что упомянутых вариантах осуществления, в которых азот добавляют после очистки 40/140 водорода, относительно чистый азот можно получать путем разделения воздуха. В вариантах осуществления может требоваться дополнительное удаление кислорода. Одно из преимуществ подачи чистого азота, полученного с использованием процесса разделения воздуха заключается в том, что из азота также можно удалять аргон и другие примеси, и, следовательно, сырьевой поток водорода и азота в секцию 50/150 синтеза аммиака может содержать пониженное или по существу нулевое количество таких инертных материалов. Это может уменьшать необходимость в выполнении отдува из петли синтеза, обычно требуемую для предотвращения накопления нереакционноспособных газов, и повышать общую эффективность процесса.
Как отмечено выше, секция 50/150 синтеза аммиака может заключать в себе один или несколько реакторов и/или слоев катализатора синтеза аммиака. Реакцию синтеза аммиака можно осуществлять в одном или нескольких реакторах и/или слоях катализатора синтеза аммиака секции 50/150 синтеза аммиака. Реакция синтеза аммиака по уравнению (8) является экзотермической, и конверсия ограничена равновесием. В вариантах осуществления реакцию синтеза аммиака проводят при температуре примерно от 200 до 500°C. В вариантах осуществления реакцию воплощают в последовательно соединенных (например, трех) слоях катализатора/реакторах, а тепло отводят в промежутке между слоями (отвод тепла из секции 50/150 синтеза аммиака между реакторами/слоями катализатора синтеза аммиака и/или после реактора (реакторов)/слоя (слоев), указанный в Q8 на фиг. 4). Вне желания ограничиваться теорией, отметим, что отвод тепла можно использовать для ограничения роста температуры и увеличения таким образом глубины протекания реакции.
Как отмечено выше, в вариантах осуществления секция 50/150 синтеза аммиака заключает в себе охлаждающее устройство, выполненное с возможностью отвода тепла после каждого из отдельных или нескольких реакторов или слоев катализатора синтеза аммиака и обеспечения условий для выделения аммиака из выходящего газового потока, полученного из реактора (реакторов) синтеза аммиака. Указанное охлаждение может протекать в одну или несколько ступеней. В вариантах осуществления охлаждение после синтеза аммиака включает в себя две ступени: первую ступень, включающую термическое охлаждение (где можно извлекать тепло), и вторую ступень, которая требует подвода энергии (главным образом, остужения). При первом охлаждении после синтеза аммиака, как показано в A5 (с отводом энергии, показанным в Q8), охлаждение выполняют для извлечения тепла и/или энергии из аммиака в линии 151, которые можно использовать в другом месте процесса (например, путем теплообмена). При втором охлаждении после синтеза аммиака, как показано в 6, требуется подвод энергии (например, работа для приведения в действие компрессора) для дальнейшего охлаждения потока 151' продуктов, выходящего со ступени первого охлаждения A5 такой, что аммиак конденсируется и выводится из потока 155 аммиачного продукта. В ходе упомянутого второго охлаждения поток продукта можно охлаждать, а затем остужать до температур в диапазоне от значения около -10 примерно до 5°C при высоком давлении (например, близком к давлению в петле синтеза аммиака) так, чтобы аммиак конденсировался и выводился в виде жидкости. Остающиеся пары, содержащие большую часть непрореагировавшего водорода и азота и меньшую часть аммиака, возвращают по линии 152 и при помощи циркуляционного компрессора C3 в петлю синтеза аммиака (например, в виде рециркуляционного потока 153), тогда как жидкий поток (например, поток 155 аммиака), содержащий большую часть аммиака и меньшую часть непрореагировавшего водорода и азота, можно дополнительно остужать и сбрасывать давление для его дальнейшей очистки, при желании, а аммиачный продукт можно хранить, продавать или т.д.
Как отмечено выше, в вариантах осуществления секция 50/150 синтеза аммиака заключает в себе устройство для сжатия (также называемое в настоящем документе циркуляционным компрессором) C3, выполненным с возможностью возврата азота и водорода в один или несколько реакторов синтеза аммиака. В варианте осуществления фиг. 4 непрореагировавшие азот и водород сжимают циркуляционным компрессором C3 и возвращают обратно в синтез 150A аммиака в виде рециркуляционного потока 153. В вариантах осуществления сжатие C2 высушенного газового потока 144 и сжатие C3 рециркуляционного потока 153 может быть объединено в одном компрессоре на одной или нескольких ступенях.
Как отмечено выше, в вариантах осуществления секция 50/150 синтеза аммиака заключает в себе систему отдува газа, выполненную с возможностью отдува газа (например, метана, азота (N2), водорода (H2), аргона (Ar) и/или примесей) из секции 50/150 синтеза аммиака. В вариантах осуществления для управления накоплением остаточного метана и инертов в рециркуляционном газе рециркуляционного потока 153, метан и инерты отдувают из рециркуляционного газа через систему 150B отдува газа. В варианте осуществления фиг. 4 отдувочный газ входит по линии 154 в систему 150B отдува газа и отводится с установки синтеза аммиака по линии 105' отдува. Отдув метана можно вводить в секцию 10/110 предварительной обработки сырья и/или секцию 20/120 получения сингаза как компонент сырья реактора риформинга. Система 150B отдува газа может включать в себя отвод тепла, как показано в Q9. В вариантах осуществления указанный отдувочный газ можно перерабатывать, например, с использованием PSA, для разделения его на два или больше различных потоков, содержащих конкретные соединения или группы соединений. В вариантах осуществления метан и/или инертные газы (например, Ar) выделяют из отдувочного газа, так что метан можно вводить как сырье в секцию 20/120 получения сингаза, тогда как некоторую или большую часть инертных газов (например, Ar), присутствующих в потоке отдувочного газа, можно исключать из процесса. В вариантах осуществления указанный отдувочный газ можно перерабатывать, например, с использованием PSA, для выделения потока очищенного водорода. В вариантах осуществления указанный поток водорода можно возвращать в реакторы синтеза аммиака, сжигать с целью получения горячего пара для парового риформинга метана, поставлять за пределы установки как ценный побочный продукт и/или использовать для генерирования электрической энергии. В вариантах осуществления отделенный водород можно хранить, когда электрическая энергия легко доступна, и использовать, когда электрическая энергия не находится в легкой доступности и/или недоступны по желательной цене. В вариантах осуществления азот, выделенный из отдувочного газа, возвращают (например, добавляют в сухой газовый поток 144) для превращения в аммиак.
Согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия, синтез 150 аммиака можно воплощать при пониженном потреблении неуглеродной энергии, использовании возобновляемой энергии и/или электрической энергии (например, электрической энергии из возобновляемого и/или невозобновляемого источника (источников)). В вариантах осуществления отвод Q8 тепла, требуемый для достижения желаемой температуры синтеза аммиака в одном или нескольких реакторах синтеза аммиака или после них, (например, путем охлаждения A5) передается другим потокам путем теплообмена, либо указанная энергия используется иным способом путем превращения в электрическую энергию; сжатие, используемое в циркуляционном компрессоре C3, можно выполнять при помощи электродвигателя, турбины с электрическим приводом и/или турбины, приводимой в действие паром, полученным с использованием электричества, а не турбины с газовым приводом и/или и/или турбины, приводимой в действие паром, полученным за счет сгорания топлива; отвод Q9 тепла, необходимый для системы 150B отдува газа, можно обеспечивать при помощи электроэнергии или обеспечивать их сочетание. В вариантах осуществления охладительная/холодильная система для получения товарного аммиака (A6) действует так, что подвод энергии обеспечивается в виде электрической энергии. В вариантах осуществления более высокая эффективность компрессоров с электрическим приводом, используемых в C2 и C3, экономически позволяет достигать более высокого, чем обычно, давления в реакторе синтеза аммиака в 150A и приводит к более высокому выходу аммиака за проход. В вариантах осуществления указанное более высокое давление позволяет понижать температуру реактора и приводит к более высокому выходу аммиака за проход. В вариантах осуществления более высокая эффективность компрессоров с электрическим приводом холодильной системы в A6 позволяет реализовать экономичное выделение аммиака при более низкой температуре, обеспечивая возможность более полного выделения. В вариантах осуществления сочетание более высокого давления, более низкой температуры и/или более высокого выхода позволяет конденсировать аммиак при охлаждении водой, а не более холодным хладагентом в A6.
В вариантах осуществления большая часть, больше 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 или 90%, либо по существу весь подвод или отвод полезного тепла (Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7, Q8, и/или Q9), необходимый на установке синтеза аммиака, обеспечивается на основе источника неуглеродной энергии, источника возобновляемой энергии, такой как возобновляемая электрическая энергия, и/или на основе электрической энергии (например, электрической энергии из возобновляемого и/или невозобновляемого источника (источников)).
В вариантах осуществления большая часть, больше 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 или 90%, или по существу вся энергия, необходимая для сжатия (например, в компрессоре C1 воздуха, сжатия C2 сухого газового потока и/или в циркуляционном компрессоре C3) на установке синтеза аммиака, обеспечивается за счет источника неуглеродной энергии, источника возобновляемой энергии, такой как возобновляемая электрическая энергия, и/или электрической энергии (например, электрической энергии из возобновляемого и/или невозобновляемого источника (источников)). Например, для выполнения сжатия на всей установке синтеза аммиака или в одной или нескольких ее секциях можно использовать электродвигатель, турбину с электрическим приводом и/или турбину, приводимую в действие паром, полученным с использованием электричества. В вариантах осуществления большая часть, больше 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 или 90%, или по существу все компрессоры заменены электродвигателем, турбиной с электрическим приводом и/или турбиной, приводимой в действие паром, полученным с применением электричества, или используют их.
В вариантах осуществления электрическую энергию используют для получения немного более холодной (например, на 2, 5, 10 или 15°C холоднее) охлаждающей воды, чем обычная. В вариантах осуществления электрическую энергию используют для подачи энергии, требуемой для холодильной системы.
В вариантах осуществления электрическую энергию можно использовать для сообщения движущей силы текучим средам. Например, электрическую энергию можно использовать для подачи питания в насосы с целью перемещения жидкостей и/или нагнетания в них давления, и/или подачи питания в воздуходувки и/или вентиляторы. В вариантах осуществления определенная доля, большинство или все (например, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 или 100%) количество насосов, используемых на установке синтеза аммиака, электрифицировано.
Как отмечено выше, при использовании электрической энергии из возобновляемого источника, который характеризуется потенциальной или известной непостоянной подачей (например, непостоянный источник энергии или IES), для поддержания работы установки синтеза аммиака в соответствии с вариантами осуществления настоящего раскрытия можно отбирать различные стадии. Подобное обращение с источником IES может являться таким, как описано в предварительных заявках на патент США №№ 62/792636 и 62/792637, имеющих название Use of Intermittent Energy in the Production of Chemicals, поданных 15 января 2019 г., раскрытие каждой из которых настоящим включается в данный документ в целях, не противоречащих настоящему раскрытию. Например, в вариантах осуществления, с учетом непостоянной подачи электричества, хранят сжатый водород. В качестве альтернативы или дополнительно, извлеченный водород, выделенный из отдувочного газа, можно нагнетать при повышенном давлении и хранить тогда, когда электроэнергия доступна, и использовать для генерирования электроэнергии с использованием топливного элемента в периоды времени слабого снабжения электричеством. В качестве альтернативы или дополнительно, для режима непостоянной подачи электричества можно хранить одну или несколько криогенных жидкостей. В качестве альтернативы или дополнительно, для режима непостоянной подачи электричества можно хранить тепло.
В вариантах осуществления, при использовании реактора парового риформинга метана в секции 20/120 получения сингаза, тепло можно хранить в изолирующем материале, служащем для футеровки внутренних частей печи риформинга, увеличивая посредством этого тепловую емкость печи, так что временные потери электроэнергии в нагревательных элементах внутри нее будут приводить лишь к небольшому падению температуры в трубах риформинга, которые в значительной мере нагреваются посредством излучения от поверхности окружающего изолирующего материала. В качестве альтернативы или дополнительно, для режима непостоянной подачи электричества можно иметь в распоряжении батареи. Можно предусматривать резервное питание для ключевых компонентов; для режима непостоянной подачи возобновляемой электрической энергии можно использовать невозобновляемую электрическую энергию как резервную. Например, такое резервное питание можно вырабатывать при помощи устройства, приводимого в действие сжатым газом или маховиком. В качестве альтернативы или дополнительно, для режима непостоянной подачи электрической энергии можно хранить сырье в виде природного газа, водород или азот. В качестве альтернативы или дополнительно, хранимые сжатые газы можно использовать для генерирования электрической энергии по мере сбрасывания давления. В качестве альтернативы или дополнительно, для режима непостоянной подачи электричества можно хранить охлажденный аммиачный продукт для применения в качестве хладагента.
Питание электричеством установки синтеза аммиака настоящего раскрытия можно обеспечивать путем снабжения электрической энергией, которая может быть высоковольтной или низковольтной. Электрические устройства могут быть выполнены с возможностью функционирования или работать на переменном (однофазном или многофазном) или постоянном токе.
В вариантах осуществления не используется пар, генерируемый за счет сгорания топлив или производимый исключительно для передачи тепла и/или энергии, в системе и способе синтеза аммиака настоящего раскрытия (например, в секции 10/110 предварительной обработки, секции 20/120 получения сингаза/риформинга, секции 30/130 превращения по реакции сдвига, секции 40/140 очистки водорода и/или азота и/или секции 50/150 очистки продукта). Таким образом, в вариантах осуществления установка синтеза аммиака, соответствующая настоящему раскрытию, может работать без сложной паровой системы для передачи тепла и/или энергии (которая традиционно может использоваться на установке синтеза аммиака). В некоторых вариантах применения, например, если пар используют внутри реактора как компонент сырья и/или разбавитель, такой пар можно получать за счет теплопередачи от технологического потока в пределах установки синтеза аммиака и/или можно производить с использованием электричества. В вариантах осуществления пар, генерируемый за счет теплопередачи от технологического потока, можно перегревать с использованием электричества. В вариантах осуществления пар не используется в качестве сырьевого или энергетического ресурса на всей установке синтеза аммиака. В вариантах осуществления установка синтеза аммиака настоящего раскрытия по существу не заключает в себе пара или на ней используют по существу меньше пара (например, используют, по меньшей мере, на 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 или 100 объемных процентов (об.%) меньше пара), чем на традиционной установке получения аммиака. Например, на традиционной установке получения аммиака может использоваться производство пара для кипятильников дистилляционных колонн секции 10/110 предварительной обработки сырья и/или секции 40/140 очистки водорода и/или азота, может использоваться производство пара для приведения в движение паровых турбин с целью сжатия технологических и/или рециркуляционных потоков, либо может использоваться производство пара для приведения в движение паровых турбин с целью остужения. В вариантах осуществления пар не производят для указанных операций на аммиачной установке, соответствующей настоящему раскрытию, или производят по существу меньше пара (например, по меньшей мере, на 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 или 100 объемных процентов (об.%) пара меньше). В вариантах осуществления пар используют как теплоносную текучую среду, но не применяют для совершения механической работы (например, для приведения в действие компрессора или насоса). В вариантах осуществления пар, генерируемый для указанных операций, главным образом (например, наибольшую долю из общего количества используемого пара производят с использованием электроэнергии), в основном (например, больше 50% пара производят с использованием электроэнергии) или по существу полностью производят с использованием электроэнергии. В вариантах осуществления пар, используемый в качестве реагента или разбавителя, главным образом (например, наибольшую долю из общего количества используемого пара производят с использованием электроэнергии), в основном (например, больше 50% пара производят с использованием электроэнергии) или по существу полностью производят с использованием электроэнергии.
В вариантах осуществления на установке или в процессе синтеза аммиака настоящего раскрытия, большую часть энергии потребляют непосредственно «как есть», например, используя тепло, поступающее от горячего выходящего потока продуктов, для нагревания потока сырья, а не подвергая его преобразованию, например, путем генерирования пара и превращения тепловой энергии в механическую энергию при помощи паровой турбины. Согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия непосредственное использование энергии может повышать энергоэффективность установки синтеза аммиака, например, за счет снижения потерь энергоэффективности, которые имеют место в случае превращения тепла в механическую энергию.
Поскольку потребление энергии представляет собой большую долю эксплуатационных затрат традиционной установки синтеза аммиака, повышение энергоэффективности (например, путем электрификации) согласно настоящему раскрытию и/или использование природного газа, обычно сжигаемого с целью подачи тепла для получения сингаза (например, риформингом) и/или сжигаемого для сжатия (например, сжигаемого с целью производства пара для паровой турбины или сжигаемого для газовой турбины), для получения дополнительного количества аммиака может обеспечивать экономические преимущества по сравнению с традиционной установкой синтеза аммиака. Сопутствующим образом, уменьшение сжигания ископаемых топлив (например, природного газа, метана) в качестве топлива, предусматриваемое настоящим раскрытием, обеспечивает возможность снижения выбросов парниковых газов (GHG) по отношению к традиционной установке синтеза аммиака, на которой углеводороды сжигают в качестве топлива. В вариантах осуществления выбросы GHG, образующиеся в результате снабжения процесса энергией (например, выбросы диоксида углерода), снижаются, по меньшей мере, на 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 или 100% по отношению к традиционной установке синтеза аммиака, на которой углеводороды сжигают в качестве топлива. В вариантах осуществления настоящего раскрытия количество CO2, образующегося на тонну полученного аммиака, снижается до величины меньше 1,6; 1,5; 1,4; 1,3; 1,2; 1,1 или 1,0 тонны CO2 на тонну аммиака. В вариантах осуществления аспекты настоящего раскрытия могут приводить к повышению эффективности процесса по углероду, т.е. увеличению доли углерода, расходуемого в процессе, который снова появляется в виде применимого продукта, и/или к снижению удельного расхода энергии (например, энергии, используемой для осуществления синтеза определенного количества химического продукта).
Традиционно энергию, требуемую для элементарных операций в химических процессах, как правило, обеспечивают за счет сжигания ископаемых топлив, особенно часто природного газа. В вариантах осуществления настоящего документа раскрыты системы и способы, посредством которых указанный подвод энергии можно уменьшать или заменять неуглеродной энергией, возобновляемой энергией, такой как возобновляемая электрическая энергия, и/или электрической энергией из любого источника (например, возобновляемого и/или невозобновляемого) с повышением энергоэффективности (например, уменьшаются потери энергии). В вариантах осуществления энергоэффективность (например, пониженные потери энергии) увеличивается за счет уменьшения или исключения использования пара для совершения механической работы. В вариантах осуществления энергоэффективность процесса повышается так, что удельный расход энергии (суммарный подвод полезной энергии в процесс, включающий в себя топливо и электрическую энергию, но без учета какого-либо вклада тепла реакции, сырья или побочных продуктов, деленный на производительность) составляет меньше 12, 11, 10, 9, 8 или 7 ГДж т полученного аммиака, при этом удельный расход энергии вычислен с использованием высшей теплотворной способности топлива. В вариантах осуществления общее количество метана и/или природного газа, используемого в качестве сырья и топлива, составляет меньше 0,65; 0,60; 0,55; 0,50; 0,45 или 0,40 тонн на тонну полученного аммиака. В вариантах осуществления общее количество метана и/или природного газа, используемого в качестве топлива, составляет меньше 0,20; 0,15; 0,10; 0,05 или 0 тонн на тонну полученного аммиака. Раскрытое в настоящем документе применение неуглеродной энергии, возобновляемой энергии и/или электрической энергии в производстве химических продуктов, таком как получение аммиака через паровой риформинг метана, повышает энергоэффективность процесса синтеза аммиака и/или уменьшает и/или исключает выбросы диоксида углерода и расход ископаемого топлива в данном процессе.
ПРИМЕРЫ
Хотя варианты осуществления уже изложены в общем виде, следующие ниже примеры приведены как конкретные варианты осуществления настоящего раскрытия, а также для демонстрирования его практического воплощения и преимуществ. Очевидно, что данные примеры представлены в форме иллюстрации и не предназначены для ограничения описания или формулы изобретения никоим образом.
Сравнительный пример 1. Традиционный синтез аммиака с первичным и вторичным (автотермическим) риформингом
С целью определения тепловых и массовых потоков для типичного процесса III получения аммиака осуществляли моделирование процесса. Моделирование процесса, использованное в данном сравнительном примере 1, выполняли с применением программы Aspen Plus®. При моделировании не представлена конкретная рабочая установка, но оно является характерным для типичной установки, описанной ниже в настоящем документе со ссылкой на фиг. 5; параметры конструкции взяты из сведений о конкретных установках, а также литературной информации по типичным операциям процесса. Хотя для специалиста в данной области техники будут очевидны изменения, в данном сравнительном примере 1 представлен типичный процесс, который можно использовать как основу для сравнения эффектов модифицирования путем электрификации согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия.
В процессе III сравнительного примера 1 используется первичный и вторичный (автотермический) риформинг (т.е. АТР), и процесс выполнен с возможностью получения 125 тонн аммиака в час. При времени работы 8000 часов в год это будет приводить к получению одного миллиона тонн аммиака, хотя изменения в периодах времени простоя вследствие неполадок и эксплуатационного обслуживания смогут увеличивать или уменьшать указанный выпуск продукции. Указанный объем является типичным для крупных аммиачных установок, сооружаемых в настоящее время.
Как показано на фиг. 5 (которая упрощена для того, чтобы показать только существенные признаки процесса упомянутого сравнительного примера 1), в процесс подают 59 тонн в час (т/ч) сырья 205 в виде чистого метана; предварительная обработка указанного метанового сырья для удаления серы и других вредных компонентов не включена в модель и не показана на фиг. 5. Воду 211 в количестве 194 т/ч испаряют и смешивают с метановым сырьем. Образующееся сырье 215 далее предварительно нагревают и подают в реактор 220A первичного риформинга при температуре приблизительно 620°C и давлении 690 фунт/кв. дюйм абс., где образуются CO, CO2 и H2. В реактор 220A первичного риформинга подают энергию Q1 при помощи пламенной печи, работающей на природном газе, которая подает тепло для протекания реакции и дополнительно нагревает газы; горение пламени в данной печи в результате также формирует подвод Q2 энергии, который передается в конвекционную секцию для предварительного нагрева сырьевой смеси 215 вода/метан, и потерю Q5 энергии, которая является энергией, теряемой с топочным газом. Продукт 221 из реактора 220A первичного риформинга объединяют со 149 т/ч предварительного нагретого сырья 206 в виде воздуха и подают в реактор 220B вторичного автотермического риформинга, где реакция протекает далее с образованием большего количества CO, CO2 и H2. Энергия для реактора 220B вторичного риформинга подается за счет окисления метана, CO и H2, которое само протекает в реакторе вторичного риформинга. Продукт 222 из реактора 220B вторичного риформинга охлаждают (например, в ходе охлаждения A1) приблизительно до 320°C и пропускают через два реактора 230 сдвига водяного газа, где образуются дополнительные количества H2 и CO2. Поток 234 продуктов из реакторов 230 сдвига водяного газа дополнительно охлаждают (например, в ходе охлаждения A2/A3; употребляемое в настоящем документе обозначение A2/A3 подразумевает «A2 и/или A3»), а затем очищают в секции 240A удаления CO2, где удаляется 154 т/ч CO2 путем абсорбции амином. Для высвобождения абсорбированного CO2 и регенерации раствора амина требуется значительное количество энергии. Определенную долю упомянутой энергии получают путем теплообмена с охлаждающимися газовыми потоками из реактора 220B вторичного риформинга и реакторов 230 сдвига водяного газа, но необходимо подавать дополнительную энергию Q3; указанную энергию получают из вспомогательного котла 260 посредством производства пара 262 среднего давления из воды 261 для питания котлов (BFW) и его использования. Очищенный поток 241 продуктов из секции 240A удаления CO2 нагревают приблизительно до 290°C и подают в узел 240B метанирования, где удаляются остающиеся CO (~ 0,4 мол.%) и CO2 (~0,1 мол.%). Образующийся газовый поток 243 охлаждают и сушат в A4, а затем полученный поток 244 объединяют с рециркуляционным газом 253 и сжимают в компрессоре (компрессорах) C2/C3 петли синтеза (которые в вариантах осуществления могут представлять собой единый компрессор; употребляемое в настоящем документе обозначение C2/C3 подразумевает «C2 и/или C3») до 3095 фунт/кв. дюйм абс.; энергию W2 для данного сжатия подают в виде пара 263 высокого давления, получаемого из вспомогательного котла 260. Объединенный и сжатый газовый поток 245 предварительно нагревают приблизительно до 450°C и направляют в ряд из трех реакторов 250A синтеза аммиака с межступенчатым охлаждением, соединенных последовательно; конверсия азота за проход составляет 30%. Содержащий аммиак поток 251 продуктов сначала охлаждают в A5, что позволяет извлекать тепло для использования при нагревании других технологических потоков, затем снова охлаждают воздухом и охлаждающей водой, и в конечном итоге охлаждают до -34°C с использованием холодильной системы в A6, так что можно извлекать 125 т/ч жидкого аммиачного продукта 255. Энергию (например, для выполнения работы W3) для холодильной секции в A6 подают в виде пара 263 высокого давления, получаемого из вспомогательного котла 260. После извлечения аммиака из остающихся газов отбирают 17 т/ч отдува 205' для обеспечения возможности удаления примесей; состав указанного отдувочного потока заключает в себе приблизительно 12 массовых % CH4, 11 массовых % H2, 75 массовых % N2 и 2% массовых % NH3. Затем остаток газового потока 253 возвращают обратно в компрессор (компрессоры) C2/C3 петли синтеза.
В традиционном процессе III данного сравнительного примера 1 имеются четыре основные статьи потребления энергии: (1) регенерация раствора амина при удалении 240A CO2, (2) мощность (например, для выполнения работы W1, W2, W3) для приведения в действие трех крупных компрессоров через посредство турбин 265 компрессоров, в том числе компрессора C1 воздуха, компрессора (компрессоров) C2/C3 петли синтеза и компрессора холодильной системы в A6, (3) нагревание с целью повышения температуры сырьевых газов и обеспечения тепла реакции для реактора 220A первичного риформинга и (4) предварительный нагрев сырья (например, при нагревании B2) перед первым реактором 250A синтеза аммиака. Как обычно, расходуется очень маленькое количество электрической энергии, главным образом, для некоторых более мелких насосов. Определенное количество энергии, требуемой для указанных операций, можно получать путем теплообмена с потоками при их охлаждении (например, значительную часть тепла, требуемого для предварительного нагрева сырья реактора метанирования (например, при нагревании B1), можно получать за счет тепла, отводимого из того же реактора при охлаждении в A4 газов 243 продуктов), а остальное необходимо подавать извне, и его традиционно вырабатывают в результате сжигания топлива. В сравнительном примере 1 внешнюю энергию подают в двух местах: в печи реактора первичного риформинга 220A и вспомогательном котле 260. Печь реактора первичного риформинга потребляет 7,3 т/ч природного газа с заключенной в нем химической энергией (высшей теплотворной способностью или HHV), равной 111 МВт. Вспомогательный котел 260 расходует 40,5 т/ч природного газа с заключенной в нем химической энергией, равной 617 МВт. В дополнение к этому, хотя некоторые реакции являются эндотермическими (например, паровой риформинг), суммарный набор реакций сравнительного примера 1 имеет результирующий экзотермический эффект и приводит к выделению приблизительно 70 МВт энергии, которую можно использовать в другом месте. То, как наиболее продуктивно распределять упомянутую энергию по различным потребителям энергии в рамках процесса с наивысшей эффективностью, представляет собой технологическую задачу, которая может быть решена специалистом в данной области техники по прочтении настоящего раскрытия путем тщательного согласования температур, типов энергии и энергосодержания. Энергию можно передавать непосредственно путем теплообмена или ее можно превращать в пар, который можно либо использовать для теплообмена, либо для совершения механической работы, такой как приведение в действие компрессора. В сравнительном примере 1 использовали стратегию, которая доводит до максимума теплообмен между различными технологическими потоками, основываясь на предположении, что доступное тепло можно эффективно перемещать оттуда, где оно доступно, туда, где оно требуется при соответствующей температуре. Это представляет собой стратегию максимальной тепловой интеграции и сводит к минимуму подводы внешней энергии, но возможны и другие схемы, как будет очевидно для специалиста в данной области техники. Применение сгорания для обеспечения некоторой доли подвода внешней энергии, требуемого для данного процесса, сопряжено с сопутствующим недостатком: дымовой или топочный газ из указанных печей и котлов заключает в себе энергию, которую невозможно эффективно рекуперировать вследствие его низкой температуры и трудностей при конденсировании воды. Например, в процессе сравнительного примера 1 количество упомянутой неизвлеченной энергии составляет 147 МВТ. Энергия также теряется на нескольких стадиях процесса, там, где потоки охлаждаются, но тепло невозможно полезно извлекать, например, при конечном охлаждении потока продуктов из реактора синтеза аммиака в 250A.
В таблице 2 представлены величины потребления энергии для процесса сравнительного примера 1. Как видно в таблице 2, количество энергии, равное 728 МВт, подается за счет сгорания природного газа в печи реактора 220A первичного риформинга и вспомогательном котле 260. Дополнительные 70 МВт привносятся в виде результирующего экзотермического тепла реакции. Общий подвод полезной энергии в процесс составляет 798 МВт, несмотря на то, что значительное количество (> 400 МВт) энергии передается также внутри процесса со стадии охлаждения горячих потоков продуктов на стадию нагревания сырьевых потоков. Из 111 МВт, расходуемых в печи реактора первичного риформинга в 220A, радиантная секция используется для обеспечения 57 МВт с целью дополнительного нагрева газов и подачи тепла для проведения реакции; дополнительные 31 МВт передаются в конвекционную секцию для предварительного нагрева сырьевой смеси 215 вода/метан. Остальные 23 МВт теряются в атмосферу с топочным газом. Во вспомогательный котел 260 подается количество энергии, равное 617 МВт, из которых 68 МВт используются для подачи тепла с целью удаления CO2 в 240A, а 424 МВт обеспечивают подачу питания для трех крупных компрессоров, компрессора C1 воздуха, компрессора (компрессоров) C2/C3 петли синтеза и компрессора холодильной системы в A6; 124 МВт теряются в атмосферу с топочным газом. В итоге 147 МВт, или 18% подаваемой полезной внешней энергии теряется с топочным газом, выходящим из печи реактора 220A первичного риформинга и вспомогательного котла 260.
Как еще видно по данным таблицы 2, общий расход топливного газа составляет 382 000 тонны в год. Сгорание указанного топлива приводит к образованию атмосферных выбросов 1,05 миллиона тонн CO2 ежегодно. Дополнительные 1,23 миллиона тонн CO2 испускаются, исходя из самой химии процесса, что приводит к суммарным выбросам CO2, составляющим 2,28 миллиона тонн в год. Удельный расход энергии, включая топливо и тепло реакции, составляет 22,9 ГДж на тонну полученного аммиака; удельный расход энергии в расчете только на поступления топлива составляет 20,9 ГДж на тонну полученного аммиака. 40% суммарной подаваемой энергии (318 МВт из 798 МВт) теряется вследствие неэффективности путей превращения пара в механическую работу; другие 18% (147 МВт) суммарной подаваемой энергии теряются в атмосферу с дымовым газом.
Пример 1. Первичный и вторичный риформинг с использованием электрических компрессоров
В примере 1 представлен процесс IV с частичной электрификацией, включающий в себя соответствующую варианту осуществления настоящего раскрытия частичную электрификацию процесса синтеза аммиака, описанного в сравнительном примере 1. В процессе IV частичная электрификация обеспечивается при помощи электрических компрессоров. Ключевые элементы упомянутой электрифицированной установки или процесса IV показаны на фиг. 6; за исключением подачи энергии, данный процесс по существу является тем же, что и в сравнительном примере 1. В процесс подают метановое сырье 205 в количестве 59 тонн в час (т/ч); предварительная обработка указанного метанового сырья для удаления серы и других вредных компонентов не включена в модель и не показана на фиг. 6. Воду 211 в количестве 194 т/ч испаряют и смешивают с метановым сырьем. Образующееся сырье 215 далее предварительно нагревают и подают в реактор 220A первичного риформинга при температуре приблизительно 620°C и давлении 690 фунт/кв. дюйм абс., где образуются CO, CO2 и H2. В реактор 220A первичного риформинга подают энергию Q1 при помощи пламенной печи, работающей на природном газе, которая подает тепло для протекания реакции и дополнительно нагревает газы; горение пламени в данной печи в результате также формирует подвод Q2 энергии, который передается в конвекционную секцию для предварительного нагрева сырьевой смеси 215 вода/метан, и потерю Q5 энергии, которая является энергией, теряемой с топочным газом. Продукт 221 из реактора 220A первичного риформинга объединяют со 149 т/ч предварительного нагретого сырья 206 в виде воздуха и подают в реактор 220B вторичного автотермического риформинга, где реакция протекает далее с образованием большего количества CO, CO2 и H2. Энергия для вторичного реактора 220B риформинга подается за счет окисления метана, CO и H2, которое имеет место в реакторе риформинга. Продукт 222 из реактора 220B вторичного риформинга охлаждают (например, в ходе охлаждения A1) приблизительно до 320°C и пропускают через два реактора 230 сдвига водяного газа, где образуются дополнительные количества H2 и CO2. Поток 234 продуктов из реакторов 230 сдвига водяного газа дополнительно охлаждают (например, в ходе охлаждения A2/A3), а затем очищают в секции 240A удаления CO2, где удаляется 154 т/ч CO2 путем абсорбции амином. Для высвобождения абсорбированного CO2 и регенерации раствора амина требуется значительное количество энергии. Определенную долю упомянутой энергии получают путем теплообмена с охлаждающимися газовыми потоками из реактора 220B вторичного риформинга и реакторов 230 сдвига водяного газа, но необходимо подавать дополнительную энергию Q3; указанную энергию получают из вспомогательного котла 260 посредством производства пара 262 среднего давления из BFW воды 261 и его использования. Очищенный поток продуктов из секции 240A удаления CO2 нагревают приблизительно до 290°C и подают в узел 240B метанирования, где удаляются остающиеся CO (~ 0,4 мол.%) и CO2 (~0,1 мол.%). После дополнительного охлаждения и сушки продукта 243 метанирования в A4 полученный газовый поток 244 объединяют с рециркуляционным газом 253 и сжимают в компрессоре (компрессорах) C2/C3 петли синтеза до 3095 фунт/кв. дюйм абс.; энергию (например, для выполнения работы W2) для данного сжатия подают в виде электрической энергии. Объединенный и сжатый газовый поток 245 предварительно нагревают приблизительно до 450°C и направляют в ряд из трех реакторов 250A синтеза аммиака с межступенчатым охлаждением, соединенных последовательно; конверсия азота за проход составляет 30%. Содержащий аммиак поток 251 продуктов сначала охлаждают в A5, что позволяет извлекать тепло для использования при нагревании других технологических потоков, затем снова охлаждают воздухом и охлаждающей водой, и в конечном итоге охлаждают до -34°C с использованием холодильной системы в A6, так что можно извлекать 125 т/ч жидкого аммиачного продукта 255. Энергию (например, для совершения работы W3) для холодильной секции в A6 подают в виде возобновляемой электрической энергии. После извлечения аммиака из остающихся газов отбирают 17 т/ч отдува 205' для обеспечения возможности удаления примесей; состав указанного отдувочного потока заключает в себе приблизительно 12 массовых % CH4, 11 массовых % H2, 75 массовых % N2 и 2% массовых % NH3. Затем остаток газового потока 253 возвращают обратно в компрессор (компрессоры) C2/C3 петли синтеза.
В частично электрифицированном процессе IV данного примера 1 имеются четыре основные статьи потребления энергии: (1) регенерация раствора амина при удалении 240A CO2, (2) мощность (например, для выполнения работы W1, W2, W3) для приведения в действие трех крупных компрессоров: компрессора C1 воздуха, компрессора (компрессоров) C2/C3 петли синтеза и компрессора холодильной системы в A6, (3) нагревание с целью повышения температуры сырьевых газов (например, в 110) и обеспечения тепла реакции для реактора 220A первичного риформинга и (4) предварительный нагрев сырья (например, при нагревании B2) перед первым реактором синтеза аммиака в 250A. Меньшие количества энергии потребляются для разных других целей. Определенное количество энергии, требуемой для указанных операций, можно получать путем теплообмена с потоками при их охлаждении (например, значительную часть тепла, требуемого для предварительного нагрева сырья реактора метанирования (например, при нагревании B1), можно получать за счет тепла, отводимого из того же реактора при охлаждении в A4 газов 243 продуктов), а остальное необходимо подавать извне. В примере 1 внешнюю энергию подают в трех местах: в печи реактора первичного риформинга в 220A, вспомогательном котле 260 и в виде возобновляемой электрической энергии, используемой для питания трех крупных компрессоров (например, C1, C2/C3 и компрессора холодильной системы в A6). Печь реактора первичного риформинга в 220A потребляет 7,3 т/ч природного газа с заключенной в нем химической энергией (высшей теплотворной способностью или HHV), равной 111 МВт. Вспомогательный котел 260 расходует 5,6 т/ч природного газа с заключенной в нем химической энергией, равной 85 МВт. Электрическая энергия в количестве 114 МВт подается трем крупным компрессорам; при эффективности 93% она выполняет ту же работу, что и требуемые 424 МВт в виде пара 263 высокого давления в сравнительном примере 1. В дополнение к этому, хотя некоторые реакции являются эндотермическими (например, паровой риформинг), суммарный набор реакций для примера 1 имеет результирующий экзотермический эффект и приводит к выделению приблизительно 70 МВт энергии, которую можно использовать в другом месте. То, как наиболее продуктивно распределять упомянутую энергию по различным потребителям энергии в рамках процесса с наивысшей эффективностью, представляет собой технологическую задачу, которая может быть решена специалистом в данной области техники по прочтении настоящего раскрытия путем тщательного согласования температур, типов энергии и энергосодержания. Энергию можно передавать непосредственно путем теплообмена или ее можно превращать в пар, который можно либо использовать для теплообмена, либо для совершения механической работы, такой как приведение в действие компрессора. В примере 1 использовали стратегию, которая доводит до максимума теплообмен между различными технологическими потоками, основываясь на предположении, что доступное тепло можно эффективно перемещать оттуда, где оно доступно, туда, где оно требуется при соответствующей температуре. Это представляет собой стратегию максимальной тепловой интеграции и сводит к минимуму подводы внешней энергии, но возможны и другие схемы, как будет очевидно для специалиста в данной области техники. Применение сгорания для обеспечения некоторой доли подвода внешней энергии, требуемого для данного процесса, сопряжено с сопутствующим недостатком: дымовой или топочный газ из указанных печей и котлов заключает в себе энергию, которую невозможно эффективно рекуперировать вследствие его низкой температуры и трудностей при конденсировании воды. В процессе примера 1 количество упомянутой неизвлеченной энергии составляет лишь 40 МВт, при этом снижение составляет 73% по отношению к сравнительному примеру 1. Энергия также теряется на нескольких стадиях процесса, там, где потоки охлаждаются, но тепло невозможно извлекать полезным образом, например, при конечном охлаждении потока продуктов из реактора синтеза аммиака в 250A.
В таблице 2 представлены величины потребления энергии для процесса примера 1. Как видно в таблице 2, количество энергии, равное 196 МВт, подается за счет сгорания природного газа в печи реактора 220A первичного риформинга и вспомогательном котле 260, при этом снижение составляет 73% по отношению к сравнительному примеру 1. Подается возобновляемая электрическая энергия в количестве 114 МВт и привносятся дополнительные 70 МВт в виде результирующего экзотермического тепла реакции. Общий подвод полезной энергии в процесс составляет 380 МВт, несмотря на то, что значительное количество (> 400 МВт) энергии передается также внутри процесса со стадии охлаждения горячих потоков продуктов на стадию нагревания сырьевых потоков. Из 111 МВт, расходуемых в печи реактора первичного риформинга в 220A, радиантная секция используется для обеспечения 57 МВт с целью дополнительного нагрева газов и подачи тепла для проведения реакции; дополнительные 31 МВт передаются в конвекционную секцию для предварительного нагрева сырьевой смеси 215 вода/метан. Остальные 23 МВт теряются в атмосферу с топочным газом. Во вспомогательный котел 260 подается количество энергии, равное 85 МВт, из которых 68 МВт используются для подачи тепла с целью удаления CO2 в 240A, а 17 МВт теряются в атмосферу с топочным газом. В итоге 40 МВт, или 10,5% подаваемой полезной внешней энергии (например, энергии, обычно обеспечиваемой посредством сгорания топлива) теряется с топочным газом, выходящим из печи реактора первичного риформинга в 220A и вспомогательного котла 260.
Как еще видно по данным таблицы 2, общий расход топливного газа составляет 103 000 тонны в год. Сгорание указанного топлива приводит к образованию атмосферных выбросов 0,28 миллиона тонн CO2 ежегодно. Дополнительные 1,23 миллиона тонн CO2 испускаются, исходя из самой химии процесса, что приводит к суммарным выбросам CO2, составляющим 1,51 миллиона тонн в год, при этом снижение составляет 33% по отношению к сравнительному примеру 1. Удельный расход энергии, включая топливо, электроэнергию и тепло реакции, составляет 10,9 ГДж на тонну полученного аммиака; удельный расход энергии в расчете только на поступления топлива и электроэнергии составляет 8,9 ГДж на тонну полученного аммиака. 10,5% суммарной подаваемой энергии теряются с дымовым газом и нисколько энергии не теряется вследствие неэффективности путей превращения пара в механическую работу, в отличие от сравнительного примера 1, где 18% и 40% энергии, соответственно, терялись такими путями.
Пример 2. Первичный и вторичный риформинг с электрическими компрессорами и электропечью
В примере 2 представлен процесс V с дополнительной частичной электрификацией, соответствующий варианту осуществления настоящего раскрытия процесса синтеза аммиака, описанного в сравнительном примере 1. В процессе V частичная электрификация обеспечивается при помощи электропечи, в дополнение к электрическим компрессорам примера 1. Ключевые элементы упомянутой электрифицированной установки/ процесса V показаны на фиг. 7; за исключением подачи энергии, данный процесс по существу является тем же, что и в сравнительном примере 1. В процесс подают метановое сырье 205 в количестве 59 тонн в час (т/ч); предварительная обработка указанного метанового сырья для удаления серы и других вредных компонентов не включена в модель и не показана на фиг. 7. Воду 211 в количестве 194 т/ч испаряют и смешивают с метановым сырьем. Образующееся сырье 215 далее предварительно нагревают и подают в реактор 220A первичного риформинга при температуре приблизительно 620°C и давлении 690 фунт/кв. дюйм абс., где образуются CO, CO2 и H2. В реактор 220A первичного риформинга подают энергию Q1 путем электронагрева, который обеспечивает тепло для протекания реакции и дополнительный нагрев газов. Продукт 221 из реактора 220A первичного риформинга объединяют со 149 т/ч предварительного нагретого сырья 206 в виде воздуха и подают в реактор 220B вторичного автотермического риформинга, где реакция протекает далее с образованием большего количества CO, CO2 и H2. Энергия для реактора 220B вторичного риформинга подается за счет окисления метана, CO и H2, которое имеет место в реакторе 220B вторичного риформинга. Продукт из реактора 220B вторичного риформинга охлаждают (например, в ходе охлаждения A1) приблизительно до 320°C и пропускают через два реактора 230 сдвига водяного газа, где образуются дополнительные количества H2 и CO2. Поток 234 продуктов из реакторов 230 сдвига водяного газа дополнительно охлаждают (например, в ходе охлаждения A3), а затем очищают в секции 240A удаления CO2, где удаляется 154 т/ч CO2 путем абсорбции амином. Для высвобождения абсорбированного CO2 и регенерации раствора амина требуется значительное количество энергии. Определенную долю упомянутой энергии получают путем теплообмена с охлаждающимися газовыми потоками из реактора 220B вторичного риформинга и реакторов 230 сдвига водяного газа, но необходимо подавать дополнительную энергию Q3; указанную энергию получают из вспомогательного котла 260 посредством производства пара 262 среднего давления и его использования. Очищенный поток 241продуктов из секции 240A удаления CO2 нагревают приблизительно до 290°C и подают в узел 240B метанирования, где удаляются остающиеся CO (~ 0,4 мол.%) и CO2 (~0,1 мол.%). После дополнительного охлаждения и сушки продукта 243 метанирования в A4 полученный газовый поток 244 объединяют с рециркуляционным газом 253 и сжимают в компрессоре (компрессорах) C2/C3 петли синтеза до 3095 фунт/кв. дюйм абс.; энергию (например, для выполнения работы W2) для данного сжатия подают в виде электрической. Объединенный и сжатый газовый поток 245 предварительно нагревают приблизительно до 450°C и направляют в ряд из трех реакторов 250A синтеза аммиака с межступенчатым охлаждением, соединенных последовательно; конверсия азота за проход составляет 30%. Содержащий аммиак поток 251 продуктов сначала охлаждают в A5, что позволяет извлекать тепло для использования при нагревании других технологических потоков, затем снова охлаждают воздухом и охлаждающей водой, и в конечном итоге охлаждают до -34°C с использованием холодильной системы в A6, так что можно извлекать 125 т/ч жидкого аммиачного продукта 255. Энергию (например, W3) для холодильной секции в A6 подают в виде возобновляемой электрической энергии. После извлечения аммиака из остающихся газов отбирают 17 т/ч отдува 205' для обеспечения возможности удаления примесей; состав указанного отдувочного потока заключает в себе приблизительно 12 массовых % CH4, 11 массовых % H2, 75 массовых % N2 и 2% массовых % NH3. Затем остаток газового потока 253 возвращают обратно в компрессор (компрессоры) C2/C3 петли синтеза.
В частично электрифицированном процессе V данного примера 1 имеются четыре основные статьи потребления энергии: (1) регенерация раствора амина при удалении 240A CO2, (2) мощность (например, W1, W2, W3) для приведения в действие трех крупных компрессоров: компрессора C1 воздуха, компрессора (компрессоров) C2/C3 петли синтеза и компрессора холодильной системы в A6, (3) нагревание с целью повышения температуры сырьевых газов (например, в ходе предварительной обработки 110 сырья) и обеспечения тепла реакции для реактора 220A первичного риформинга и (4) предварительный нагрев сырья (например, при нагревании B2) перед первым реактором синтеза аммиака в 250A. Меньшие количества энергии потребляются для разных других целей. Определенное количество энергии, требуемой для указанных операций, можно получать путем теплообмена с потоками при их охлаждении (например, значительную часть тепла, требуемого для предварительного нагрева сырья реактора метанирования (например, при нагревании B1), можно получать за счет тепла, отводимого из того же реактора при охлаждении газов продуктов (например, в A4)), а остальное необходимо подавать извне. В примере 2 внешнюю энергию подают в трех местах: в реакторе 220A первичного риформинга, вспомогательном котле 260 и в виде мощности для питания трех крупных компрессоров (например, C1, C2/C3 и компрессора холодильной системы в A6). Реактор 220A первичного риформинга нагревается при помощи электричества; 72 МВт возобновляемой электрической энергии используется для генерирования 68 МВт тепла. В отличие от сравнительного примера 1, в печи реактора первичного риформинга не имеется конвекционной секции и отсутствуют потери с топочным газом в результате указанного нагревания. Вспомогательный котел 260 расходует 7,0 т/ч природного газа с заключенной в нем химической энергией, равной 107 МВт. Электрическая энергия в количестве 114 МВт подается трем крупным компрессорам; при эффективности 93% она выполняет ту же работу, что и требуемые 424 МВт в виде пара 263 высокого давления в сравнительном примере 1. В дополнение к этому, хотя некоторые реакции являются эндотермическими (например, паровой риформинг в 220A), суммарный набор реакций для примера 2 имеет результирующий экзотермический эффект и приводит к выделению приблизительно 70 МВт энергии, которую можно использовать в другом месте. То, как наиболее продуктивно распределять упомянутую энергию по различным потребителям энергии в рамках процесса с наивысшей эффективностью, представляет собой технологическую задачу, которая может быть решена специалистом в данной области техники по прочтении настоящего раскрытия путем тщательного согласования температур, типов энергии и энергосодержания. Энергию можно передавать непосредственно путем теплообмена или ее можно превращать в пар, который можно либо использовать для теплообмена, либо для совершения механической работы, такой как приведение в действие компрессора. В примере 2 использовали стратегию, которая доводит до максимума теплообмен между различными технологическими потоками, основываясь на предположении, что доступное тепло можно эффективно перемещать оттуда, где оно доступно, туда, где оно требуется при соответствующей температуре. Это представляет собой стратегию максимальной тепловой интеграции и сводит к минимуму подводы внешней энергии, но возможны и другие схемы, как будет очевидно для специалиста в данной области техники. Применение сгорания для обеспечения некоторой доли подвода внешней энергии, требуемого для данного процесса, сопряжено с сопутствующим недостатком: дымовой или топочный газ из указанного котла заключает в себе энергию, которую невозможно эффективно рекуперировать вследствие его низкой температуры и трудностей при конденсировании воды. В процессе примера 2 количество упомянутой неизвлеченной энергии составляет лишь 22 МВт, при этом снижение составляет 84% по отношению к сравнительному примеру 1. Энергия также теряется на нескольких стадиях процесса, там, где потоки охлаждаются, но тепло невозможно полезно извлекать, например, при конечном охлаждении потока продуктов из реактора синтеза аммиака в 250A.
В таблице 2 представлены величины потребления энергии для процесса примера 2. Как видно в таблице 2, количество энергии, равное 107 МВт, подается за счет сгорания природного газа во вспомогательном котле 260, при этом снижение составляет 84% по отношению к сравнительному примеру 1. Подается возобновляемая электрическая энергия в количестве 186 МВт и привносятся дополнительные 70 МВт в виде результирующего экзотермического тепла реакции. Общий подвод полезной энергии в процесс V составляет 363 МВт, несмотря на то, что значительное количество (> 400 МВт) энергии передается также внутри процесса со стадии охлаждения горячих потоков продуктов на стадию нагревания сырьевых потоков. Из 72 МВт, подаваемых в реактор первичного риформинга в 220A, все подается в данный реактор; в указанном варианте осуществления не имеется конвекционной секции в печи реактора первичного риформинга и топочного газа. Во вспомогательный котел 260 подается количество энергии, равное 107 МВт, из которых 86 МВт используются для подачи тепла с целью удаления 240A CO2, а 21 МВт теряется в атмосферу с топочным газом. В итоге 22 МВт, или 6,1% подаваемой полезной внешней энергии теряется с топочным газом из вспомогательного котла 260. Дополнительные 12 МВт или 3,3% подаваемой полезной внешней энергии теряется вследствие неэффективности путей использования электрической энергии.
Как еще видно по данным таблицы 2, общий расход топливного газа составляет 56 000 тонн в год. Сгорание указанного топлива приводит к образованию атмосферных выбросов 0,155 миллиона тонн CO2 ежегодно. Дополнительные 1,23 миллиона тонн CO2 испускаются, исходя из самой химии процесса, что приводит к суммарным выбросам CO2, составляющим 1,38 миллиона тонн в год, при этом снижение составляет 39% по отношению к сравнительному примеру 1. Удельный расход энергии, включая топливо, электроэнергию и тепло реакции, составляет 10,5 ГДж на тонну полученного аммиака; удельный расход энергии в расчете только на поступления топлива и электроэнергии составляет 8,4 ГДж на тонну полученного аммиака. 9,4% суммарной подаваемой энергии теряется с дымовым газом и вследствие неэффективности путей использования электричества; в данном варианте осуществления нисколько энергии не теряется вследствие неэффективности путей превращения пара в механическую работу.
Пример 3. Первичный и вторичный риформинг с электрическими компрессорами и электрическим котлом
В примере 3 представлен процесс VI с другой частичной электрификацией, соответствующий варианту осуществления настоящего раскрытия процесса синтеза аммиака, описанного в сравнительном примере 1. В процессе VI частичная электрификация обеспечивается при помощи электрического котла (для удаления 240A CO2), в дополнение к электрическим компрессорам примера 1. Ключевые элементы упомянутой электрифицированной установки VI показаны на фиг. 8; за исключением подачи энергии, данный процесс по существу является тем же, что и в сравнительном примере 1. В процесс подают метановое сырье 205 в количестве 59 тонн в час (т/ч); предварительная обработка указанного метанового сырья для удаления серы и других вредных компонентов не включена в модель и не показана на фиг. 8. Воду 211 в количестве 194 т/ч испаряют и смешивают с метановым сырьем. Образующееся сырье 215 далее предварительно нагревают и подают в реактор 220A первичного риформинга при температуре приблизительно 620°C и давлении 690 фунт/кв. дюйм абс., где образуются CO, CO2 и H2. В реактор 220A первичного риформинга подают энергию Q1 при помощи пламенной печи, работающей на природном газе, которая подает тепло для протекания реакции и дополнительно нагревает газы; горение пламени в данной печи в результате также формирует подвод Q2 энергии, который передается в конвекционную секцию для предварительного нагрева сырьевой смеси 215 вода/метан, и потерю Q5 энергии, которая является энергией, теряемой с топочным газом. Продукт 221 реактора 220A первичного риформинга объединяют со 149 т/ч предварительного нагретого сырья 206 в виде воздуха и подают в реактор 220B вторичного автотермического риформинга, где реакция протекает далее с образованием большего количества CO, CO2 и H2. Энергия для реактора 220B вторичного риформинга привносится за счет окисления метана, CO и H2, которое протекает само в реакторе вторичного риформинга. Продукт 222 из реактора 220B вторичного риформинга охлаждают (например, в ходе охлаждения A1) приблизительно до 320°C и пропускают через два реактора 230 сдвига водяного газа, где образуются дополнительные количества H2 и CO2. Поток 234 продуктов из реакторов 230 сдвига водяного газа дополнительно охлаждают (например, в A3), а затем очищают в секции 240A удаления CO2, где удаляется 154 т/ч CO2 путем абсорбции амином. Для высвобождения абсорбированного CO2 и регенерации раствора амина требуется значительное количество энергии. Определенную долю упомянутой энергии получают путем теплообмена с охлаждающимися газовыми потоками из реактора 220B вторичного риформинга и реакторов 230 сдвига водяного газа, но необходимо подавать дополнительную энергию Q3; в примере 3 указанную энергию получают в результате электронагрева (например, с использованием электрического котла). Очищенный поток 241 продуктов из секции 240A удаления CO2 нагревают приблизительно до 290°C и подают в узел 240B метанирования, где удаляются остающиеся CO (~ 0,4 мол.%) и CO2 (~0,1 мол.%). После дополнительного охлаждения и сушки продукта 243 метанирования в A4 полученный газовый поток 244 объединяют с рециркуляционным газом 253 и сжимают в компрессоре (компрессорах) C2/C3 петли синтеза до 3095 фунт/кв. дюйм абс.; в данном варианте осуществления энергию для указанного сжатия (например, для выполнения работы W2) подают в виде электрической энергии. Объединенный и сжатый газовый поток 245 предварительно нагревают (например, в ходе нагревания B2) приблизительно до 450°C и направляют в ряд из трех реакторов 250A синтеза аммиака с межступенчатым охлаждением, соединенных последовательно; конверсия азота за проход составляет 30%. Содержащий аммиак поток 251 продуктов сначала охлаждают в A5, что позволяет извлекать тепло для использования при нагревании других технологических потоков, затем снова охлаждают воздухом и охлаждающей водой, и в конечном итоге охлаждают до -34°C с использованием холодильной системы в A6, так что можно извлекать 125 т/ч жидкого аммиачного продукта 255. Энергию (например, для совершения работы W3) для холодильной секции в A6 подают в виде возобновляемой электрической энергии. После извлечения аммиака из остающихся газов отбирают 17 т/ч отдува 205' для обеспечения возможности удаления примесей; состав указанного отдувочного потока заключает в себе приблизительно 12 массовых % CH4, 11 массовых % H2, 75 массовых % N2 и 2% массовых % NH3. Затем остаток газового потока 253 возвращают обратно в компрессор (компрессоры) C2/C3 петли синтеза.
В частично электрифицированном процессе VI данного примера 3 имеются четыре основные статьи потребления энергии: (1) регенерация раствора амина при удалении 240A CO2, (2) мощность (например, для выполнения работы W1, W2, W3) для приведения в действие трех крупных компрессоров: компрессора C1 воздуха, компрессора (компрессоров) C2/C3 петли синтеза и компрессора холодильной системы в A6, (3) нагревание с целью повышения температуры сырьевых газов (например, в ходе предварительной обработки 110 сырья) и обеспечения тепла реакции для реактора 220A первичного риформинга и (4) предварительный нагрев сырья (например, при нагревании B2) перед первым реактором 250A синтеза аммиака. Меньшие количества энергии потребляются для разных других целей. Определенное количество энергии, требуемой для указанных операций, можно получать путем теплообмена с потоками при их охлаждении (например, значительную часть тепла, требуемого для предварительного нагрева сырья реактора метанирования (например, при нагревании B1) можно получать за счет тепла, отводимого из того же реактора при охлаждении (например, в A4) газов 243 продуктов), а остальное необходимо подавать извне. В примере 3 внешнюю энергию подают в трех местах: в реакторе 220A первичного риформинга, при электронагреве для регенерации очищающего раствора амина в системе удаления CO2 в 240A и при подаче мощности для питания трех крупных компрессоров. Печь реактора 220A первичного риформинга потребляет 7,3 т/ч природного газа с заключенной в нем химической энергией (высшей теплотворной способностью или HHV), равной 111 МВт. Электрическая энергия в количестве 72 МВт подается в систему 240A удаления CO2 с выделением 68 МВт тепла при эффективности 95%. Электрическая энергия в количестве 114 МВт подается трем крупным компрессорам; при эффективности 93% она выполняет ту же работу, что и требуемые 424 МВт в виде пара 263 высокого давления в сравнительном примере 1. В дополнение к этому, хотя некоторые реакции являются эндотермическими (например, паровой риформинг в 220A), суммарный набор реакций для примера 3 имеет результирующий экзотермический эффект и приводит к выделению приблизительно 70 МВт энергии, которую можно использовать в другом месте. То, как наиболее продуктивно распределять упомянутую энергию по различным потребителям энергии в рамках процесса с наивысшей эффективностью, представляет собой технологическую задачу, которая может быть решена специалистом в данной области техники по прочтении настоящего раскрытия путем тщательного согласования температур, типов энергии и энергосодержания. Энергию можно передавать непосредственно путем теплообмена или ее можно превращать в пар, который можно либо использовать для теплообмена, либо для совершения механической работы, такой как приведение в действие компрессора. В примере 3 использовали стратегию, которая доводит до максимума теплообмен между различными технологическими потоками, основываясь на предположении, что доступное тепло можно эффективно перемещать оттуда, где оно доступно, туда, где оно требуется при соответствующей температуре. Это представляет собой стратегию максимальной тепловой интеграции и сводит к минимуму подводы внешней энергии, но возможны и другие схемы, как будет очевидно для специалиста в данной области техники. Применение сгорания для обеспечения некоторой доли подвода внешней энергии, требуемого для данного процесса, сопряжено с сопутствующим недостатком: дымовой или топочный газ из указанной печи заключает в себе энергию, которую невозможно эффективно рекуперировать вследствие его низкой температуры и трудностей при конденсировании воды. В процессе примера 3 количество упомянутой неизвлеченной энергии составляет лишь 23 МВт, при этом снижение составляет 84% по отношению к сравнительному примеру 1. Энергия также теряется на нескольких стадиях процесса, там, где потоки охлаждаются, но тепло невозможно извлекать полезным образом, например, при конечном охлаждении потока продуктов из реактора синтеза аммиака в 250A.
В таблице 2 представлены величины потребления энергии для процесса примера 3. Как видно в таблице 2, количество энергии, равное 111 МВт, подается за счет сгорания природного газа в печи реактора вторичного риформинга в 220A, но никакая энергия не подается через вспомогательный котел. Подается возобновляемая электрическая энергия в количестве 186 МВт. Дополнительные 70 МВт привносятся в виде результирующего экзотермического тепла реакции. Общий подвод полезной энергии в процесс составляет 367 МВт, несмотря на то, что значительное количество (> 400 МВт) энергии передается также внутри процесса со стадии охлаждения горячих потоков продуктов на стадию нагревания сырьевых потоков. В итоге, 23 МВт, или 6,3% подаваемой полезной внешней энергии теряется с топочным газом (например, выходящим из печи реактора риформинга в 220A). Дополнительные 12 МВт или 3,3% подаваемой полезной внешней энергии теряется вследствие неэффективности путей использования электрической энергии.
Как еще видно по данным таблицы 2, общий расход топливного газа составляет 58 000 тонн в год. Сгорание указанного топлива приводит к образованию атмосферных выбросов 0,160 миллиона тонн CO2 ежегодно. Дополнительные 1,23 миллиона тонн CO2 испускаются, исходя из самой химии процесса, что приводит к суммарным выбросам CO2, составляющим 1,39 миллиона тонн в год, при этом снижение равно 39% по отношению к сравнительному примеру 1. Удельный расход энергии, включая топливо, электроэнергию и тепло реакции, составляет 10,6 ГДж на тонну полученного аммиака; удельный расход энергии в расчете только на поступления топлива и электроэнергии составляет 8,6 ГДж на тонну полученного аммиака. 9,5% суммарной подаваемой энергии теряется с дымовым газом и вследствие неэффективности путей использования электричества; в данном варианте осуществления нисколько энергии не теряется вследствие неэффективности путей превращения пара в механическую работу.
Пример 4. Первичный и вторичный риформинг - все электрическое
В примере 4 представлен процесс VII с почти полной электрификацией, соответствующий варианту осуществления настоящего раскрытия процесса синтеза аммиака, описанного в сравнительном примере; никакая внешняя энергия не подается за счет сгорания, хотя внутри процесса по-прежнему существует определенное сгорание вследствие окисления метана, монооксида углерода и водорода в реакторе вторичного автотермического риформинга в 220B. В процессе VII почти полная электрификация обеспечивается электрическими компрессорами (как в примерах 1-3), электропечью в реакторе 220A первичного риформинга (как в примере 2) и электрическим котлом (как в примере 3). Ключевые элементы упомянутой электрифицированной установки или процесса VII показаны на фиг. 9; за исключением подачи энергии, данный процесс по существу является тем же, что и в сравнительном примере 1. В процесс подают метановое сырье 205 в количестве 59 тонн в час (т/ч); предварительная обработка указанного метанового сырья для удаления серы и других вредных компонентов не включена в модель и не показана на фиг. 8. Воду 211 в количестве 194 т/ч испаряют и смешивают с метановым сырьем. Образующееся сырье 215 далее предварительно нагревают (например, в ходе предварительной обработки 110 сырья) и подают в реактор 220A первичного риформинга при температуре приблизительно 620°C и давлении 690 фунт/кв. дюйм абс., где образуются CO, CO2 и H2. В реактор 220A первичного риформинга подают энергию Q1 путем электронагрева, который обеспечивает тепло для протекания реакции и дополнительно нагревает газы. Продукт 221 реактора первичного риформинга объединяют со 149 т/ч предварительного нагретого сырья 206 в виде воздуха и подают в реактор 220B вторичного автотермического риформинга, где реакция протекает далее с образованием большего количества CO, CO2 и H2. Энергия для реактора 220B вторичного риформинга привносится за счет окисления метана, CO и H2, которое протекает в реакторе 220B вторичного риформинга. Продукт 222 из реактора 220B вторичного риформинга охлаждают (например, в ходе охлаждения A1) приблизительно до 320°C и пропускают через два реактора 230 сдвига водяного газа, где образуются дополнительные количества H2 и CO2. Поток 234 продуктов из реакторов 230 сдвига водяного газа дополнительно охлаждают (например, в ходе охлаждения A1/A2), а затем очищают в секции 240A удаления CO2, где удаляется 154 т/ч CO2 путем абсорбции амином. Для высвобождения абсорбированного CO2 и регенерации раствора амина требуется значительное количество энергии. Определенную долю упомянутой энергии получают путем теплообмена с охлаждающимися газовыми потоками из реактора 220B вторичного риформинга и реакторов 230 сдвига водяного газа, но необходимо подавать дополнительную энергию Q3; в примере 4 указанную энергию получают в результате электронагрева. Очищенный поток 241 продуктов из секции 240A удаления CO2 нагревают приблизительно до 290°C и подают в узел 240B метанирования, где удаляются остающиеся CO (~ 0,4 мол.%) и CO2 (~0,1 мол.%). После дополнительного охлаждения и сушки продукта 243 метанирования в A4 полученный газовый поток 244 объединяют с рециркуляционным газом 253 и сжимают в компрессоре (компрессорах) C2/C3 петли синтеза до 3095 фунт/кв. дюйм абс.; в данном варианте осуществления энергию для указанного сжатия подают в виде электрической энергии. Объединенный и сжатый газовый поток 245 предварительно нагревают (например, в ходе нагревания B2) приблизительно до 450°C и направляют в ряд из трех реакторов 250A синтеза аммиака с межступенчатым охлаждением, соединенных последовательно; конверсия азота за проход составляет 30%. Содержащий аммиак поток 251 продуктов сначала охлаждают в A5, что позволяет извлекать тепло для использования при нагревании других технологических потоков, затем снова охлаждают воздухом и охлаждающей водой, и в конечном итоге охлаждают до -34°C с использованием холодильной системы в A6, так что можно извлекать 125 т/ч жидкого аммиачного продукта 255. В данном варианте осуществления энергию для холодильной секции A6 подают в виде возобновляемой электрической энергии. После извлечения аммиака из остающихся газов отбирают 17 т/ч отдува 205' для обеспечения возможности удаления примесей; состав указанного отдувочного потока заключает в себе приблизительно 12 массовых % CH4, 11 массовых % H2, 75 массовых % N2 и 2% массовых % NH3. Затем остаток газового потока 253 возвращают обратно в компрессор (компрессоры) C2/C3 петли синтеза.
В электрифицированном процессе данного примера 4 имеются четыре основные статьи потребления энергии: (1) регенерация раствора амина при удалении 240A CO2, (2) мощность (например, W1, W2, W3) для приведения в действие трех крупных компрессоров: компрессора C1 воздуха, компрессора (компрессоров) C2/C3 петли синтеза и компрессора холодильной системы в A6, (3) нагревание (например, в ходе предварительной обработки 110 сырья) для повышения температуры сырьевых газов и обеспечения тепла реакции для реактора 220A первичного риформинга и (4) предварительный нагрев сырья (например, при нагревании B2) перед первым реактором синтеза аммиака в 250A. Меньшие количества энергии потребляются для разных других целей. Определенное количество энергии, требуемой для указанных операций, можно получать путем теплообмена с потоками при их охлаждении (например, значительную часть тепла, требуемого для предварительного нагрева сырья реактора метанирования (например, при нагревании B1) можно получать за счет тепла, отводимого из того же реактора при охлаждении газов продуктов (например, в A4)), а остальное необходимо подавать извне. В примере 4 внешнюю энергию подают в трех местах: в реакторе первичного риформинга в 220A, при нагревании для регенерации очищающего раствора амина в системе удаления CO2 в 240A и при подаче мощности для питания трех крупных компрессоров. В примере 4 вся упомянутая энергия подается в форме электричества. Реактор первичного риформинга в 220A нагревается с использованием электричества; для выработки 68 МВт тепла используется 72 МВт возобновляемой электрической энергии. В отличие от сравнительного примера 1, в печи реактора первичного риформинга не имеется конвекционной секции и отсутствуют потери с топочным газом в результате указанного нагревания. Электрическая энергия в количестве 72 МВт подается в систему 240A удаления CO2 с выделением 68 МВт тепла при эффективности 95%. Электрическая энергия в количестве 114 МВт подается трем крупным компрессорам; при эффективности 93% она выполняет ту же работу, что и требуемые 424 МВт в виде пара 263 высокого давления в сравнительном примере 1. В дополнение к этому, хотя некоторые реакции являются эндотермическими (например, паровой риформинг в 220A), суммарный набор реакций для примера 4 имеет результирующий экзотермический эффект и приводит к выделению приблизительно 70 МВт энергии, которую можно использовать в другом месте. То, как наиболее продуктивно распределять упомянутую энергию по различным потребителям энергии в рамках процесса с наивысшей эффективностью, представляет собой технологическую задачу, которая может быть решена специалистом в данной области техники по прочтении настоящего раскрытия путем тщательного согласования температур, типов энергии и энергосодержания. Энергию можно передавать непосредственно путем теплообмена или ее можно превращать в пар, который можно либо использовать для теплообмена, либо для совершения механической работы, такой как приведение в действие компрессора. В примере 4 использовали стратегию, которая доводит до максимума теплообмен между различными технологическими потоками, основываясь на предположении, что доступное тепло можно эффективно перемещать оттуда, где оно доступно, туда, где оно требуется при соответствующей температуре. Это представляет собой стратегию максимальной тепловой интеграции и сводит к минимуму подводы внешней энергии, но возможны и другие схемы, как будет очевидно для специалиста в данной области техники. Применение сгорания для обеспечения некоторой доли подвода внешней энергии, требуемого для данного процесса, сопряжено с сопутствующим недостатком: дымовой или топочный газ из печей и котлов заключает в себе энергию, которую невозможно эффективно рекуперировать вследствие его низкой температуры и трудностей при конденсировании воды. В процессе примера 4 не имеется никаких потерь с топочным газом, при этом снижение составляет 100% по отношению к сравнительному примеру 1. Энергия также теряется на нескольких стадиях процесса, там, где потоки охлаждаются, но тепло невозможно извлекать полезным образом, например, при конечном охлаждении потока продуктов из реактора 250A синтеза аммиака.
В таблице 2 представлены величины потребления энергии для процесса VII примера 4. Как видно в таблице 2, подают 276 МВт возобновляемой электрической энергии. Дополнительные 70 МВт привносятся в виде результирующего экзотермического тепла реакции. Общий подвод полезной энергии в процесс составляет 347 МВт, несмотря на то, что значительное количество (> 400 МВт) энергии передается также внутри процесса со стадии охлаждения горячих потоков продуктов на стадию нагревания сырьевых потоков. Только 16 МВт, или 4,6% подаваемой полезной внешней энергии теряется вследствие неэффективности путей использования электрической энергии.
Как еще видно по данным таблицы 2, в примере 4 не расходуется никакой топливный газ. Вследствие этого, единственный испускаемый CO2 представляет собой 1,23 миллиона тонн CO2, образующегося в силу самой химии процесса; это отображает снижение на 46% по отношению к сравнительному примеру 1. Удельный расход энергии, включая электроэнергию и тепло реакции, составляет 10,0 ГДж на тонну полученного аммиака; удельный расход энергии в расчете только на поступления электроэнергии составляет 8,0 ГДж на тонну полученного аммиака. Количество энергии, теряемой вследствие неэффективности путей использования энергии, 16 МВт, составляет лишь около одной тридцатой доли энергии, теряемой с топочным газом и в результате превращения пара в механическую энергию в сравнительном примере 1.
Сравнительный пример 2. Традиционный синтез аммиака только через первичный (ПРМ) риформинг
С целью определения тепловых и массовых потоков для процесса VIII получения аммиака осуществляли моделирование процесса. Моделирование процесса, использованное в данном сравнительном примере 2, выполняли с применением программы Aspen Plus®. Процесс сравнительного примера 2, показанного на фиг. 10, иллюстрирует альтернативное схемное решение для синтеза аммиака, в котором не используется реактор автотермического риформинга, в отличие от сравнительного примера 1 и примеров 1-4, приведенных выше, где в реакторе автотермического риформинга выделяется тепло внутри процесса за счет сгорания метана, CO и водорода процесса. Параметры конструкции взяты из сведений о конкретных установках, а также литературной информации по типичным операциям процесса. Хотя для специалиста в данной области техники будут очевидны изменения, в данном сравнительном примере 2 представлен процесс, который можно использовать как основу для сравнения эффектов модифицирования путем электрификации согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия. Хотя процессы фиг. 10-14 заключают в себе единственную секцию риформинга, далее в настоящем документе указанная секция риформинга будет упоминаться как секция первичного риформинга.
Процесс VIII сравнительного примера 2 выполнен с возможностью получения 125 тонн аммиака в час. При времени работы в течение типичных 8000 часов в год это будет приводить к получению одного миллиона тонн аммиака, хотя изменения в периодах времени простоя вследствие неполадок и эксплуатационного обслуживания смогут увеличивать или уменьшать указанный выпуск продукции. Указанный объем является типичным для крупных аммиачных установок, сооружаемых в настоящее время.
Как показано на фиг. 10 (которая упрощена для того, чтобы показать только существенные признаки процесса упомянутого сравнительного примера 2), в процесс подают 53 тонны в час (т/ч) сырья 205 в виде чистого метана; предварительная обработка указанного метанового сырья для удаления серы и других вредных компонентов не включена в модель и не показана на фиг. 10. Воду 211 в количестве 176 т/ч испаряют и смешивают с метановым сырьем. Образующееся сырье 215 далее предварительно нагревают (например, в ходе предварительной обработки 110 сырья) и подают в реактор 220A первичного риформинга (который может являться единственным реактором риформинга или секцией реактора риформинга) при давлении приблизительно 690 фунт/кв. дюйм абс., где образуются CO, CO2 и H2. В реактор 220A первичного риформинга подают энергию Q1 при помощи пламенной печи, работающей на природном газе, которая подает тепло для протекания реакции и дополнительно нагревает газы. Продукт 221 из реактора 220A первичного риформинга охлаждают (например, в ходе охлаждения A1) приблизительно до 320°C и пропускают через два реактора 230 сдвига водяного газа, где образуются дополнительные количества H2 и CO2. Поток 234 продуктов из реакторов 230 сдвига водяного газа дополнительно охлаждают (например, в ходе охлаждения A2 и/или A3), а затем очищают в секции 240A удаления CO2, где удаляются 129 т/ч CO2 путем абсорбции амином. Для высвобождения CO2 абсорбированного CO2 и регенерации раствора амина требуется значительное количество энергии. Определенную долю упомянутой энергии получают путем теплообмена с охлаждающимися газовыми потоками из реактора 220A первичного риформинга и реакторов 230 сдвига водяного газа, но необходимо подавать дополнительную энергию Q3; указанную энергию получают из вспомогательного котла 260 посредством производства пара 262 среднего давления из воды BFW 261 и его использования. Очищенный поток 241 продуктов из секции 240A удаления CO2 нагревают (например, при нагревании B1) приблизительно до 290°C и подают в узел 240B метанирования, где удаляются остающиеся CO (~ 0,4 мол.%) и CO2 (~0,1 мол.%). После дальнейшего охлаждения и сушки продукта 243 метанирования в A4 добавляют азот 266 в количестве 109 т/ч и объединяют полученный газовый поток 244 с рециркуляционным газом 253 и сжимают в компрессоре (компрессорах) C2 и/или C3 петли синтеза до 3095 фунт/кв. дюйм абс.; энергию для данного сжатия (например, для выполнения работы W2) подают в виде пара высокого давления, получаемого из вспомогательного котла 260. Объединенный и сжатый газовый поток 245 предварительно нагревают приблизительно до 450°C (например, при нагревании B2) и направляют в ряд из трех реакторов 250A синтеза аммиака с межступенчатым охлаждением, соединенных последовательно; конверсия азота за проход составляет 33%. Содержащий аммиак поток 251 продуктов сначала охлаждают в A5, что позволяет извлекать тепло для использования при нагревании других технологических потоков, затем снова охлаждают воздухом и охлаждающей водой, и в конечном итоге охлаждают до -34°C с использованием холодильной системы в A6, так что можно извлекать 125 т/ч жидкого аммиачного продукта 255. Энергию для холодильной секции A6 (например, для выполнения работы W3) подают в виде пара 263 высокого давления, получаемого из вспомогательного котла 260. После извлечения аммиака из остающихся газов отбирают 17 т/ч отдува 205' для обеспечения возможности удаления примесей; состав указанного отдувочного потока заключает в себе приблизительно 25 массовых % CH4, 11 массовых % H2, 62 массовых % N2 и 2% массовых % NH3. Затем остаток газового потока 253 возвращают обратно в компрессор (компрессоры) C2 и/или C3 петли синтеза.
В традиционном процессе VIII данного сравнительного примера 2 имеются четыре основные статьи потребления энергии: (1) регенерация раствора амина при удалении 240A CO2, (2) питание для приведения в действие двух крупных компрессоров через посредство турбин 265 компрессоров: компрессора (компрессоров) C2/C3 петли синтеза и компрессора холодильной системы в A6, (3) нагревание (например, в ходе предварительной обработки 110 сырья) с целью повышения температуры сырьевых газов и обеспечения тепла реакции для реактора 220A первичного риформинга и (4) предварительный нагрев сырья (например, при нагревании B2) перед первым реактором 250A синтеза аммиака. Как обычно, расходуется очень маленькое количество электрической энергии, главным образом, для некоторых более мелких насосов. Определенное количество энергии, требуемой для указанных операций, можно получать путем теплообмена с потоками при их охлаждении (например, значительную часть тепла, требуемого для предварительного нагрева сырья реактора метанирования (например, при нагревании B1), можно получать за счет тепла, отводимого из того же реактора при охлаждении (например, в A4) газов продуктов), а остальное необходимо подавать извне, и его традиционно вырабатывают в результате сжигания топлива. В сравнительном примере 2 внешнюю энергию подают в двух местах: в печи реактора 220A первичного риформинга и вспомогательном котле 260. Печь реактора 220A первичного риформинга потребляет 21,1 т/ч природного газа с заключенной в нем химической энергией (высшей теплотворной способностью или HHV), равной 322 МВт. Вспомогательный котел 260 расходует 29,9 т/ч природного газа с заключенной в нем химической энергией, равной 455 МВт. В дополнение к этому, хотя некоторые реакции являются экзотермическими (например, синтез аммиака в 250A), суммарный набор реакций сравнительного примера 2 имеет результирующий эндотермический эффект и требует подачи приблизительно 67 МВт энергии. (В отличие от этого, суммарный набор реакций сравнительного примера 1 имеет экзотермический эффект.) То, как наиболее продуктивно распределять доступную энергию по различным потребителям энергии в рамках процесса с наивысшей эффективностью, представляет собой технологическую задачу, которая может быть решена специалистом в данной области техники по прочтении настоящего раскрытия путем тщательного согласования температур, типов энергии и энергосодержания. Энергию можно передавать непосредственно путем теплообмена или ее можно превращать в пар, который можно либо использовать для теплообмена, либо для совершения механической работы, такой как приведение в действие компрессора. В сравнительном примере 2 использовали стратегию, которая доводит до максимума теплообмен между различными технологическими потоками, основываясь на предположении, что доступное тепло можно эффективно перемещать оттуда, где оно доступно, туда, где оно требуется при соответствующей температуре. Это представляет собой стратегию максимальной тепловой интеграции и сводит к минимуму подводы внешней энергии, но возможны и другие схемы, как будет очевидно для специалиста в данной области техники. Применение сгорания для обеспечения некоторой доли подвода внешней энергии, требуемого для данного процесса, сопряжено с сопутствующим недостатком: дымовой или топочный газ из указанных печей и котлов заключает в себе энергию, которую невозможно эффективно рекуперировать вследствие его низкой температуры и трудностей при конденсировании воды. Например, в процессе сравнительного примера 2 количество упомянутой неизвлеченной энергии составляет 155 МВт. Энергия также теряется на нескольких стадиях процесса, там, где потоки охлаждаются, но тепло невозможно полезно извлекать, например, при конечном охлаждении потока продуктов из реактора 250A синтеза аммиака.
В таблице 3 представлены величины потребления энергии для процесса VIII сравнительного примера 2. Как видно в таблице 3, количество энергии, равное 777 МВт, подается за счет сгорания природного газа в печи реактора 220A первичного риформинга и вспомогательном котле 260. Из указанного количества энергии, 67 МВт требуются для привнесения результирующего эндотермического тепла реакции. После его вычитания доступный подвод полезной энергии в процесс для других статей потребления составляет 710 МВт, несмотря на то, что значительное количество (> 400 МВт) энергии передается также внутри процесса со стадии охлаждения горячих потоков продуктов на стадию нагревания сырьевых потоков. Из 322 МВт, расходуемых в печи реактора первичного риформинга, радиантная секция используется для обеспечения 168 МВт с целью дополнительного нагрева газов и подачи тепла для проведения реакции; дополнительные 90 МВт передаются в конвекционную секцию для обеспечения подачи технологического тепла. Остальные 64 МВт теряются в атмосферу с топочным газом. Во вспомогательный котел 260 подается количество энергии, равное 455 МВт, из которых 15 МВт используются для подачи тепла с целью удаления 240A CO2, а 349 МВт обеспечивают подачу питания для двух крупных компрессоров, компрессора (компрессоров) C2/C3 петли синтеза и компрессора холодильной системы в A6; 91 МВт теряется в атмосферу с топочным газом. В итоге 155 МВт, или 22% подаваемой полезной доступной энергии теряется с топочным газом, выходящим из печи реактора 220A первичного риформинга и вспомогательного котла 260.
Как еще видно по данным таблицы 3, общий расход топливного газа составляет 448 000 тонн в год. Сгорание указанного топлива приводит к образованию атмосферных выбросов 1,23 миллиона тонн CO2 ежегодно. Дополнительные 1,1 миллиона тонн CO2 испускаются, исходя из самой химии процесса, что приводит к суммарным выбросам CO2, составляющим 2,33 миллиона тонн в год. Удельный расход энергии, после вычитания тепла реакции из поступлений топлива, составляет 19,2 ГДж на тонну полученного аммиака; удельный расход энергии в расчете только на поступления топлива составляет 21,0 ГДж на тонну полученного аммиака. 37% доступной полезной энергии (262 МВт из 710 МВт) теряется вследствие неэффективности путей превращения пара в механическую работу; другие 22% (155 МВт) суммарной подаваемой энергии теряются в атмосферу с дымовым газом.
Пример 5. Только первичный (SMR) риформинг с электрическими компрессорами
В примере 5 представлен процесс IX с частичной электрификацией согласно варианту осуществления настоящего раскрытия процесса синтеза аммиака, описанного в сравнительном примере 2. В процессе IX частичная электрификация обеспечивается при помощи электрических компрессоров. Ключевые элементы упомянутой электрифицированной установки IX показаны на фиг. 11; за исключением подачи энергии, данный процесс по существу является тем же, что и в сравнительном примере 2. Процесс примера 5 выполнен с возможностью получения 125 тонн аммиака в час. При времени работы в течение типичных 8 000 часов в год это будет приводить к получению одного миллиона тонн аммиака, хотя изменения в периодах времени простоя вследствие неполадок и эксплуатационного обслуживания смогут увеличивать или уменьшать указанный выпуск продукции. Указанный объем является типичным для крупных аммиачных установок, сооружаемых в настоящее время.
Как показано на фиг. 11 (которая упрощена для того, чтобы показать только существенные признаки процесса упомянутого примера 5), в процесс подают 53 тонны в час (т/ч) метанового сырья 205; предварительная обработка указанного метанового сырья для удаления серы и других вредных компонентов не включена в модель и не показана на фиг. 11. Воду 211 в количестве 176 т/ч испаряют и смешивают с метановым сырьем. Образующееся сырье 215 далее предварительно нагревают (например, в ходе предварительной обработки 110 сырья) и подают в реактор 220A первичного риформинга при давлении приблизительно 690 фунт/кв. дюйм абс., где образуются CO, CO2 и H2. В реактор 220A первичного риформинга подают энергию Q1 при помощи пламенной печи, работающей на природном газе, которая привносит тепло для протекания реакции и дополнительно нагревает газы. Продукт 221 из реактора 220A первичного риформинга охлаждают (например, в ходе охлаждения A1) приблизительно до 320°C и пропускают через два реактора 230 сдвига водяного газа, где образуются дополнительные количества H2 и CO2. Поток 234 продуктов из реакторов 230 сдвига водяного газа дополнительно охлаждают (например, в ходе охлаждения A2 и/или A3), а затем очищают в секции 240A удаления CO2, где удаляются 129 т/ч CO2 путем абсорбции амином. Для высвобождения абсорбированного CO2 и регенерации раствора амина требуется значительное количество энергии. Определенную долю упомянутой энергии получают путем теплообмена с охлаждающимися газовыми потоками из реактора 220A первичного риформинга и реакторов 230 сдвига водяного газа, но необходимо подавать дополнительную энергию Q3; указанную энергию получают из вспомогательного котла 260 посредством производства пара 262 среднего давления из воды BFW 261 и его использования. Очищенный поток 241 продуктов из секции 240A удаления CO2 нагревают (например, при нагревании B1) приблизительно до 290°C и подают в узел 240B метанирования, где удаляются остающиеся CO (~ 0,4 мол.%) и CO2 (~0,1 мол.%). После дальнейшего охлаждения и сушки продукта 243 метанирования в A4, добавляют 109 т/ч азота 266 и объединяют полученный газовый поток 244 с рециркуляционным газом 253 и сжимают в компрессоре (компрессорах) C2/C3 петли синтеза до 3095 фунт/кв. дюйм абс.; в данном варианте осуществления энергию для указанного сжатия (например, для выполнения работы W2) подают в виде возобновляемой электрической энергии. Объединенный и сжатый газовый поток 245 предварительно нагревают (например, при нагревании B2) приблизительно до 450°C и направляют в ряд из трех реакторов 250A синтеза аммиака с межступенчатым охлаждением, соединенных последовательно; конверсия азота за проход составляет 33%. Содержащий аммиак поток 251 продуктов сначала охлаждают в A5, что позволяет извлекать тепло для использования при нагревании других технологических потоков, затем снова охлаждают воздухом и охлаждающей водой, и в конечном итоге охлаждают до -34°C с использованием холодильной системы при втором охлаждении A6, так что можно извлекать 125 т/ч жидкого аммиачного продукта 255. В данном варианте осуществления энергию для холодильной секции A6 (например, для выполнения работы W3) подают в виде возобновляемой электрической энергии. После извлечения аммиака из остающихся газов отбирают 17 т/ч отдува 205' для обеспечения возможности удаления примесей; состав указанного отдувочного потока заключает в себе приблизительно 25 массовых % CH4, 11 массовых % H2, 62 массовых % N2 и 2% массовых % NH3. Затем остаток газового потока 253 возвращают обратно в компрессор (компрессоры) C2/C3 петли синтеза.
В традиционном процессе IX данного примера 5 имеются четыре основные статьи потребления энергии: (1) регенерация раствора амина при удалении CO2 в 240A, (2) питание для приведения в действие двух крупных компрессоров, компрессора (компрессоров) C2/C3 петли синтеза и компрессора холодильной системы в A6, (3) нагревание (например, в ходе предварительной обработки 110 сырья) с целью повышения температуры сырьевых газов и обеспечения тепла реакции для реактора 220A первичного риформинга и (4) предварительный нагрев сырья (например, при нагревании B2) перед первым реактором 250A синтеза аммиака. Меньшие количества энергии потребляются для разных других целей. Определенное количество энергии, требуемой для указанных операций, можно получать путем теплообмена с потоками при их охлаждении (например, значительную часть тепла, требуемого для предварительного нагрева сырья реактора метанирования (например, при нагревании B1), можно получать за счет тепла, отводимого из того же реактора при охлаждении (например, в A4) газов 243 продуктов), а остальное необходимо подавать извне. В примере 5 внешнюю энергию подают в трех местах: в печи реактора 220A первичного риформинга, вспомогательном котле 260 и в виде возобновляемой электрической энергии, используемой для питания крупных компрессоров. Печь реактора первичного риформинга потребляет 21,1 т/ч природного газа с заключенной в нем химической энергией (высшей теплотворной способностью или HHV), равной 322 МВт. Вспомогательный котел 260 расходует 1,2 т/ч природного газа с заключенной в нем химической энергией, равной 18 МВт. Двум крупным компрессорам подается электрическая энергия в количестве 94 МВт; при эффективности 93% она выполняет ту же работу, что и требуемые 349 МВт в виде пара 263 высокого давления в сравнительном примере 2. В дополнение к этому, хотя некоторые реакции являются экзотермическими (например, синтез аммиака в 250A), суммарный набор реакций для примера 5 имеет результирующий эндотермический эффект и требует подачи приблизительно 67 МВт энергии. То, как наиболее продуктивно распределять доступную энергию по различным потребителям энергии в рамках процесса с наивысшей эффективностью, представляет собой технологическую задачу, которая может быть решена специалистом в данной области техники по прочтении настоящего раскрытия, путем тщательного согласования температур, типов энергии и энергосодержания. Энергию можно передавать непосредственно путем теплообмена или ее можно превращать в пар, который можно либо использовать для теплообмена, либо для совершения механической работы, такой как приведение в действие компрессора. В примере 5 использовали стратегию, которая доводит до максимума теплообмен между различными технологическими потоками, основываясь на предположении, что доступное тепло можно эффективно перемещать оттуда, где оно доступно, туда, где оно требуется при соответствующей температуре. Это представляет собой стратегию максимальной тепловой интеграции и сводит к минимуму подводы внешней энергии, но возможны и другие схемы, как будет очевидно для специалиста в данной области техники. Применение сгорания для обеспечения некоторой доли подвода внешней энергии, требуемого для данного процесса, сопряжено с сопутствующим недостатком: дымовой или топочный газ из указанных печей и котлов заключает в себе энергию, которую невозможно эффективно рекуперировать вследствие его низкой температуры и трудностей при конденсировании воды. Например, в процессе примера 5 количество упомянутой неизвлеченной энергии составляет 68 МВт, при этом снижение равно 56% по отношению к сравнительному примеру 2. Энергия также теряется на нескольких стадиях процесса, там, где потоки охлаждаются, но тепло невозможно извлекать полезным образом, например, при конечном, охлаждении потока продуктов из реактора синтеза аммиака в 250A.
В таблице 3 представлены величины потребления энергии для процесса IX примера 5. Как видно в таблице 3, количество энергии, равное 340 МВт, подается за счет сгорания природного газа в печи реактора 220A первичного риформинга и вспомогательном котле 260, при этом снижение составляет 56% по отношению к сравнительному примеру 2. Дополнительные 94 МВт энергии подаются в виде электрической энергии. Из общей энергии, 67 МВт требуются для привнесения результирующего эндотермического тепла реакции. После его вычитания доступный подвод полезной энергии в процесс для других статей потребления составляет 367 МВт, несмотря на то, что значительное количество (> 400 МВт) энергии передается также внутри процесса со стадии охлаждения горячих потоков продуктов на стадию нагревания сырьевых потоков. Из 322 МВт, расходуемых в печи реактора первичного риформинга, радиантная секция используется для обеспечения 168 МВт с целью дополнительного нагрева газов и подачи тепла для проведения реакции; дополнительные 90 МВт передаются в конвекционную секцию для обеспечения подачи технологического тепла. Остальные 64 МВт теряются в атмосферу с топочным газом. Во вспомогательный котел 260 подается количество энергии, равное 18 МВт, из которых 15 МВт используются для подачи тепла с целью удаления 240A CO2; 91 МВт теряется в атмосферу с топочным газом. В итоге 68 МВт, или 19% подаваемой полезной доступной энергии теряется с топочным газом, выходящим из печи реактора 220A первичного риформинга и вспомогательного котла 260.
Как еще видно по данным таблицы 3, общий расход топливного газа процесса IX составляет 179 000 тонн в год. Сгорание указанного топлива приводит к образованию атмосферных выбросов, составляющих 0,49 миллиона тонн CO2 ежегодно. Дополнительные 1,1 миллиона тонн CO2 испускаются, исходя из самой химии процесса, что приводит к суммарным выбросам CO2, составляющим 1,59 миллиона тонн в год, при этом снижение равно 32% по отношению к сравнительному примеру 2. Удельный расход энергии, после вычитания тепла реакции из поступлений топлива и электроэнергии составляет 9,9 ГДж на тонну полученного аммиака; удельный расход энергии в расчете только на поступления топлива и электроэнергии составляет 11,8 ГДж на тонну полученного аммиака. 19% суммарной доступной энергии теряются в атмосферу с дымовым газом, но нисколько энергии не теряется вследствие неэффективности путей превращения пара в механическую работу, в отличие от сравнительного примера 2, где 22% и 37% энергии, соответственно, теряются указанными путями.
Пример 6. Только первичный (SMR) риформинг с электрическими компрессорами и электрическим реактором риформинга
В примере 6 представлен процесс X с частичной электрификацией согласно варианту осуществления настоящего раскрытия процесса синтеза аммиака, описанного в сравнительном примере 2. В процессе X частичная электрификация обеспечивается при помощи электропечи реактора 220A первичного риформинга, в дополнение к электрическим компрессорам примера 5. Ключевые элементы упомянутой электрифицированной установки X показаны на фиг. 12; за исключением подачи энергии, данный процесс по существу является тем же, что и в сравнительном примере 2. Процесс примера 6 выполнен с возможностью получения 125 тонн аммиака в час. При времени работы в течение типичных 8 000 часов в год это будет приводить к получению одного миллиона тонн аммиака, хотя изменения в периодах времени простоя вследствие неполадок и эксплуатационного обслуживания смогут увеличивать или уменьшать указанный выпуск продукции. Указанный объем является типичным для крупных аммиачных установок, сооружаемых в настоящее время.
Как показано на фиг. 12 (которая упрощена для того, чтобы показать только существенные признаки процесса упомянутого примера 6), в процесс подают 53 тонны в час (т/ч) метанового сырья 205; предварительная обработка указанного метанового сырья для удаления серы и других вредных компонентов не включена в модель и не показана на фиг. 12. Воду 211 в количестве 176 т/ч испаряют и смешивают с метановым сырьем. Образующееся сырье 215 далее предварительно нагревают (например, в ходе предварительной обработки 110 сырья) и подают в реактор 220A первичного риформинга при давлении приблизительно 690 фунт/кв. дюйм абс., где образуются CO, CO2 и H2. В реактор 220A первичного риформинга подают энергию Q1 путем электронагрева, которая привносит тепло для протекания реакции и дополнительно нагревает газы. Продукт 221 из реактора 220A первичного риформинга охлаждают (например, в ходе охлаждения A1) приблизительно до 320°C и пропускают через два реактора 230 сдвига водяного газа, где образуются дополнительные количества H2 и CO2. Поток 234 продуктов из реакторов 230 сдвига водяного газа дополнительно охлаждают (например, в ходе охлаждения A2 и/или A3), а затем очищают в секции 240A удаления CO2, где удаляются 129 т/ч CO2 путем абсорбции амином. Для высвобождения CO2 абсорбированного CO2 и регенерации раствора амина требуется значительное количество энергии. Определенную долю упомянутой энергии получают путем теплообмена с охлаждающимися газовыми потоками из реактора 220A первичного риформинга и реакторов 230 сдвига водяного газа, но необходимо подавать дополнительную энергию Q3; указанную энергию получают из вспомогательного котла 260 посредством производства пара 262 среднего давления из воды BFW 261 и его использования. Очищенный поток 241 продуктов из секции 240A удаления CO2 нагревают (например, при нагревании B1) приблизительно до 290°C и подают в узел 240B метанирования, где удаляются остающиеся CO (~ 0,4 мол.%) и CO2 (~0,1 мол.%). После дальнейшего охлаждения и сушки продукта 243 метанирования в A4, добавляют 109 т/ч азота 266 и объединяют полученный газовый поток 244 с рециркуляционным газом 253 и сжимают в компрессоре (компрессорах) C2/C3 петли синтеза до 3095 фунт/кв. дюйм абс.; в данном варианте осуществления энергию для данного сжатия (например, для выполнения работы W2) подают в виде электрической энергии. Объединенный и сжатый газовый поток 245 предварительно нагревают (например, при нагревании B2) приблизительно до 450°C и направляют в ряд из трех реакторов 250A синтеза аммиака с межступенчатым охлаждением, соединенных последовательно; конверсия азота за проход составляет 33%. Содержащий аммиак поток 251 продуктов сначала охлаждают в A5, что позволяет извлекать тепло для использования при нагревании других технологических потоков, затем снова охлаждают воздухом и охлаждающей водой, и в конечном итоге охлаждают до -34°C с использованием холодильной системы в A6, так что можно извлекать 125 т/ч жидкого аммиачного продукта 255. В данном варианте осуществления энергию для холодильной секции в A6 (например, для выполнения работы W3) подают в виде возобновляемой электрической энергии. После извлечения аммиака из остающихся газов отбирают 17 т/ч отдува 205' для обеспечения возможности удаления примесей; состав указанного отдувочного потока заключает в себе приблизительно 25 массовых % CH4, 11 массовых % H2, 62 массовых % N2 и 2 массовых % NH3. Затем остаток газового потока 253 возвращают обратно в компрессор (компрессоры) C2/C3 петли синтеза.
В процессе X данного примера 6 имеются четыре основные статьи потребления энергии: (1) регенерация раствора амина при удалении 240A CO2, (2) питание для приведения в действие двух крупных компрессоров, например, с целью совершения работы W2 и W3, требуемой для компрессора (компрессоров) C2/C3 петли синтеза и компрессора холодильной системы в A6, соответственно, (3) нагревание (например, в ходе предварительной обработки 110 сырья) с целью повышения температуры сырьевых газов и обеспечения тепла реакции для реактора 220A первичного риформинга и (4) предварительный нагрев сырья (например, при нагревании B2) перед первым реактором 250A синтеза аммиака. Меньшие количества энергии потребляются для разных других целей. Определенное количество энергии, требуемой для указанных операций, можно получать путем теплообмена с потоками при их охлаждении (например, значительную часть тепла, требуемого для предварительного нагрева сырья реактора метанирования (например, при нагревании B1), можно получать за счет тепла, отводимого из того же реактора при охлаждении (например, в A4) газов продуктов), а остальное необходимо подавать извне. В примере 6 внешнюю энергию подают в три места: в печь реактора 220A первичного риформинга, вспомогательный котлел 260 и в виде возобновляемой электрической энергии, используемой для питания двух крупных компрессоров. В данном варианте осуществления реактор 220A первичного риформинга нагревают с использованием электричества; для выработки 200 МВт тепла используется 210 МВт возобновляемой электрической энергии. В отличие от сравнительного примера 2, в данном случае не имеется конвекционной секции в печи реактора первичного риформинга и потерь с топочным газом в результате указанного нагревания. Вспомогательный котел 260 расходует 5,5 т/ч природного газа с заключенной в нем химической энергией, равной 84 МВт. Двум крупным компрессорам подается электрическая энергия в количестве 94 МВт; при эффективности 93% она выполняет ту же работу, что и требуемые 349 МВт в виде пара 263 высокого давления в сравнительном примере 2. В дополнение к этому, хотя некоторые реакции являются экзотермическими (например, синтез аммиака в 250A), суммарный набор реакций для примера 6 имеет результирующий эндотермический эффект и требует подачи приблизительно 67 МВт энергии. То, как наиболее продуктивно распределять доступную энергию по различным потребителям энергии в рамках процесса с наивысшей эффективностью, представляет собой технологическую задачу, которая может быть решена специалистом в данной области техники по прочтении настоящего раскрытия, путем тщательного согласования температур, типов энергии и энергосодержания. Энергию можно передавать непосредственно путем теплообмена или ее можно превращать в пар, который можно использовать либо для теплообмена, либо для совершения механической работы, такой как приведение в действие компрессора. В примере 6 использовали стратегию, которая доводит до максимума теплообмен между различными технологическими потоками, основываясь на предположении, что доступное тепло можно эффективно перемещать оттуда, где оно доступно, туда, где оно требуется при соответствующей температуре. Это представляет собой стратегию максимальной тепловой интеграции и сводит к минимуму подводы внешней энергии, но возможны и другие схемы, как будет очевидно для специалиста в данной области техники. Применение сгорания для обеспечения некоторой доли подвода внешней энергии, требуемого для данного процесса, сопряжено с сопутствующим недостатком: дымовой или топочный газ из указанных печей и котлов заключает в себе энергию, которую невозможно рекуперировать полезным образом вследствие его низкой температуры и трудностей при конденсировании воды. Например, в процессе примера 6 количество упомянутой неизвлеченной энергии составляет 17 МВт, при этом снижение равно 89% по отношению к сравнительному примеру 2. Энергия теряется также на нескольких стадиях процесса, там, где потоки охлаждаются, но тепло невозможно извлекать полезным образом, например, при конечном охлаждении потока продуктов из реактора синтеза аммиака в 250A.
В таблице 3 представлены величины потребления энергии для процесса примера 6. Как видно в таблице 3, количество энергии, равное 84 МВт, подается за счет сгорания природного газа во вспомогательном котле 260, при этом снижение по расходу топлива составляет 89% в сопоставлении со сравнительным примером 2. Дополнительные 304 МВт энергии подаются в виде электрической энергии. Из общего количества энергии, 67 МВт требуются для привнесения результирующего эндотермического тепла реакции. После его вычитания доступный подвод полезной энергии в процесс для других статей потребления составляет 321 МВт, несмотря на то, что значительное количество (> 400 МВт) энергии передается также внутри процесса со стадии охлаждения горячих потоков продуктов на стадию нагревания сырьевых потоков. Из 72 МВт возобновляемой электрической энергии, подаваемой в реактор 220A первичного риформинга, все подается в реактор; в реакторе первичного риформинга 220A данного варианта осуществления не имеется конвекционной секции и образующегося топочного газа. Во вспомогательный котел 260 подается количество энергии, равное 84 МВт, из которых 67 МВт используются для подачи тепла с целью удаления 240A CO2; 17 МВт, или 5,3% доступной полезной внешней энергии теряются в атмосферу с топочным газом. Дополнительные 17 МВт, или 5,3% доступной полезной внешней энергии теряются вследствие неэффективности путей использования электрической энергии.
Как еще видно по данным таблицы 3, общий расход топливного газа составляет 44 000 тонн в год. Сгорание указанного топлива приводит к образованию атмосферных выбросов 0,12 миллиона тонн CO2 ежегодно. Дополнительные 1,1 миллиона тонн CO2 испускаются, исходя из самой химии процесса, что приводит к суммарным выбросам CO2, составляющим 1,22 миллиона тонн в год, при этом снижение равно 48% по отношению к сравнительному примеру 2. Удельный расход энергии, после вычитания тепла реакции из поступлений топлива и электроэнергии, составляет 8,7 ГДж на тонну полученного аммиака; удельный расход энергии в расчете только на поступления топлива и электроэнергии составляет 10,5 ГДж на тонну полученного аммиака. Лишь 5% суммарной доступной энергии теряются в атмосферу с дымовым газом, но нисколько энергии не теряется вследствие неэффективности путей превращения пара в механическую работу, в отличие от сравнительного примера 2, где 22% и 37% энергии, соответственно, теряются указанными путями.
Пример 7. Только первичный (SMR) риформинг с электрическими компрессорами и электрическим котлом
В примере 7 представлен процесс XI с частичной электрификацией согласно варианту осуществления настоящего раскрытия процесса синтеза аммиака, описанного в сравнительном примере 2. В процессе XI частичная электрификация обеспечивается при помощи электрического котла (как в примере 3), в дополнение к электрическим компрессорам примера 5. Ключевые элементы упомянутой электрифицированной установки XI показаны на фиг. 13; за исключением подачи энергии, данный процесс по существу является тем же, что и в сравнительном примере 2. Процесс примера 7 выполнен с возможностью получения 125 тонн аммиака в час. При времени работы в течение типичных 8 000 часов в год это будет приводить к получению одного миллиона тонн аммиака, хотя изменения в периодах времени простоя вследствие неполадок и эксплуатационного обслуживания смогут увеличивать или уменьшать указанный выпуск продукции. Указанный объем является типичным для крупных аммиачных установок, сооружаемых в настоящее время.
Как показано на фиг. 13 (которая упрощена для того, чтобы показать только существенные признаки процесса данного примера 7), в процесс подают 53 тонны в час (т/ч) метанового сырья 205; предварительная обработка указанного метанового сырья для удаления серы и других вредных компонентов не включена в модель и не показана на фиг. 13. Воду 211 в количестве 176 т/ч испаряют и смешивают с метановым сырьем. Образующееся сырье 215 далее предварительно нагревают (например, в ходе предварительной обработки 110 сырья) и подают в реактор 220A первичного риформинга при давлении приблизительно 690 фунт/кв. дюйм абс., где образуются CO, CO2 и H2. В реактор 220A первичного риформинга подают при помощи пламенной печи, работающей на природном газе, энергию Q1, которая привносит тепло для протекания реакции и дополнительно нагревает газы. Продукт 221 из реактора 220A первичного риформинга охлаждают (например, в ходе охлаждения A1) приблизительно до 320°C и пропускают через два реактора 230 сдвига водяного газа, где образуются дополнительные количества H2 и CO2. Поток продуктов из реакторов 230 сдвига водяного газа дополнительно охлаждают (например, в ходе охлаждения A2/A3; употребляемое в настоящем документе обозначение A2/A3 подразумевает «A2 и/или A3»), а затем очищают в секции 240A удаления CO2, где удаляются 129 т/ч CO2 путем абсорбции амином. Для высвобождения абсорбированного CO2 и регенерации раствора амина требуется значительное количество энергии. Определенную долю упомянутой энергии получают путем теплообмена с охлаждающимися газовыми потоками из реактора 220A первичного риформинга и реакторов 230 сдвига водяного газа, но необходимо подавать дополнительную энергию Q3; в примере 7 указанную энергию получают, нагревая с использованием возобновляемой электрической энергии. Очищенный поток 241 продуктов из секции 240A удаления CO2 нагревают приблизительно до 290°C и подают в узел 240B метанирования, где удаляются остающиеся CO (~ 0,4 мол.%) и CO2 (~0,1 мол.%). После дальнейшего охлаждения и сушки продукта 243 метанирования в A4, добавляют 109 т/ч азота 266, объединяют полученный газовый поток 244 с рециркуляционным газом 253 и сжимают в компрессоре (компрессорах) C2/C3 петли синтеза до 3095 фунт/кв. дюйм абс.; в данном варианте осуществления энергию для указанного сжатия (например, для выполнения работы W2) подают в виде возобновляемой электрической энергии. Объединенный и сжатый газовый поток 245 предварительно нагревают (например, при нагревании B2) приблизительно до 450°C и направляют в ряд из трех реакторов 250A синтеза аммиака с межступенчатым охлаждением, соединенных последовательно; конверсия азота за проход составляет 33%. Содержащий аммиак поток 251 продуктов сначала охлаждают в A5, что позволяет извлекать тепло для использования при нагревании других технологических потоков, затем снова охлаждают воздухом и охлаждающей водой, и в конечном итоге охлаждают до -34°C с использованием холодильной системы в A6, так что можно извлекать 125 т/ч жидкого аммиачного продукта 255. В данном варианте осуществления энергию для холодильной секции в A6 (например, для выполнения работы W3) подают в виде возобновляемой электрической энергии. После извлечения аммиака из остающихся газов отбирают 17 т/ч отдува 205' для обеспечения возможности удаления примесей; состав указанного отдувочного потока заключает в себе приблизительно 25 массовых % CH4, 11 массовых % H2, 62 массовых % N2 и 2 массовых % NH3. Затем остаток газового потока 253 возвращают обратно в компрессор (компрессоры) C2/C3 петли синтеза.
В процессе XI данного примера 7 имеются четыре основные статьи потребления энергии: (1) регенерация раствора амина при удалении 240A CO2, (2) питание для приведения в действие двух крупных компрессоров, например, с целью совершения работы W2 и W3, требуемой для компрессора (компрессоров) C2/C3 петли синтеза и компрессора холодильной системы в A6, соответственно, (3) нагревание (например, в ходе предварительной обработки 110 сырья) с целью повышения температуры сырьевых газов и обеспечения тепла реакции для реактора первичного риформинга в 220 и (4) предварительный нагрев сырья (например, при нагревании B2) перед первым реактором 250A синтеза аммиака. Меньшие количества энергии потребляются для разных других целей. Определенное количество энергии, требуемой для указанных операций, можно получать путем теплообмена с потоками при их охлаждении (например, значительную часть тепла, требуемого для предварительного нагрева сырья реактора метанирования (например, при нагревании B1), можно получать за счет тепла, отводимого из того же реактора при охлаждении (например, в A4) газов 243 продуктов), а остальное необходимо подавать извне. В примере 7 внешнюю энергию подают в три места: в печь реактора 220A первичного риформинга при осуществлении первичного риформинга 220A, электронагреватель системы удаления CO2 в 240A и в виде возобновляемой электрической энергии, используемой для питания двух крупных компрессоров. Печь реактора первичного риформинга потребляет 21,1 т/ч природного газа с заключенной в нем химической энергией (высшей теплотворной способностью, или HHV), равной 322 МВт. 16 МВт электрической энергии подают в систему 240A удаления CO2 с выделением 15 МВт тепла при эффективности 95%. Крупным компрессорам подается электрическая энергия в количестве 94 МВт; при эффективности 93% она выполняет ту же работу, что и требуемые 349 МВт в виде пара 263 высокого давления в сравнительном примере 2. В дополнение к этому, хотя некоторые реакции являются экзотермическими (например, синтез аммиака в 250A), суммарный набор реакций для примера 7 имеет результирующий эндотермический эффект и требует подачи приблизительно 67 МВт энергии. То, как наиболее продуктивно распределять доступную энергию по различным потребителям энергии в рамках процесса с наивысшей эффективностью, представляет собой технологическую задачу, которая может быть решена специалистом в данной области техники по прочтении настоящего раскрытия, путем тщательного согласования температур, типов энергии и энергосодержания. Энергию можно передавать непосредственно путем теплообмена или ее можно превращать в пар, который можно либо использовать для теплообмена, либо для совершения механической работы, такой как приведение в действие компрессора. В примере 7 использовали стратегию, которая доводит до максимума теплообмен между различными технологическими потоками, основываясь на предположении, что доступное тепло можно эффективно перемещать оттуда, где оно доступно, туда, где оно требуется при соответствующей температуре. Это представляет собой стратегию максимальной тепловой интеграции и сводит к минимуму подводы внешней энергии, но возможны и другие схемы, как будет очевидно для специалиста в данной области техники. Применение сгорания для обеспечения некоторой доли подвода внешней энергии, требуемого для данного процесса, сопряжено с сопутствующим недостатком: дымовой или топочный газ из указанных печей и котлов заключает в себе энергию, которую невозможно эффективно рекуперировать вследствие его низкой температуры и трудностей при конденсировании воды. Например, в процессе примера 7 количество упомянутой неизвлеченной энергии составляет 64 МВт, при этом снижение равно 59% по отношению к сравнительному примеру 2. Энергия теряется также на нескольких стадиях процесса, там, где потоки охлаждаются, но тепло невозможно извлекать полезным образом, например, при конечном, охлаждении потока продуктов из реактора синтеза аммиака в 250A.
В таблице 3 представлены величины потребления энергии для процесса XI примера 7. Как видно в таблице 3, количество энергии, равное 322 МВт, подается за счет сгорания природного газа в печи реактора 220A первичного риформинга; в отличие от сравнительного примера 2, в данном случае не имеется вспомогательного котла. Дополнительные 110 МВт энергии подаются в виде электрической энергии. Из общего количества энергии, 67 МВт требуются для привнесения результирующего эндотермического тепла реакции. После его вычитания доступный подвод полезной энергии в процесс для других статей потребления составляет 365 МВт, несмотря на то, что значительное количество (> 400 МВт) энергии передается также внутри процесса со стадии охлаждения горячих потоков продуктов на стадию нагревания сырьевых потоков. Из 322 МВт, расходуемых в печи реактора первичного риформинга, радиантная секция используется для обеспечения 168 МВт с целью дополнительного нагрева газов и подачи тепла для проведения реакции; дополнительные 90 МВт передаются в конвекционную секцию для обеспечения подачи технологического тепла. Остальные 64 МВт теряются в атмосферу с топочным газом; это представляет собой 18% от общего количества полезной доступной энергии. Дополнительные 7 МВт, или 1,9% доступной полезной внешней энергии теряются вследствие неэффективности путей использования электрической энергии.
Как еще видно по данным таблицы 3, общий расход топливного газа составляет 169 000 тонн в год. Сгорание указанного топлива приводит к образованию атмосферных выбросов 0,47 миллиона тонн CO2 ежегодно. Дополнительные 1,1 миллиона тонн CO2 испускаются, исходя из самой химии процесса, что приводит к суммарным выбросам CO2, составляющим 1,57 миллиона тонн в год, при этом снижение равно 33% по отношению к сравнительному примеру 2. Удельный расход энергии, после вычитания тепла реакции из поступлений топлива и электроэнергии, составляет 9,9 ГДж на тонну полученного аммиака; удельный расход энергии в расчете только на поступления топлива и электроэнергии составляет 11,7 ГДж на тонну полученного аммиака. 18% суммарной доступной энергии теряются в атмосферу с дымовым газом, но нисколько энергии не теряется вследствие неэффективности путей превращения пара в механическую работу, в отличие от сравнительного примера 2, где 22% и 37% энергии, соответственно, теряются указанными путями.
Пример 8. Только первичный (SMR) риформинг- все электрическое
В примере 8 представлен процесс XII с почти полной электрификацией согласно варианту осуществления настоящего раскрытия процесса синтеза аммиака, описанного в сравнительном примере 2. В процессе XII почти полная электрификация обеспечивается при помощи электрических компрессоров (как в примерах 5-7), электропечи в реакторе 220A первичного риформинга (как в примере 6) и электрического котла (как в примере 7). Ключевые элементы упомянутой электрифицированной установки XII показаны на фиг. 14; за исключением подачи энергии, данный процесс по существу является тем же, что и в сравнительном примере 2. Процесс примера 8 выполнен с возможностью получения 125 тонн аммиака в час. При времени работы в течение типичных 8 000 часов в год это будет приводить к получению одного миллиона тонн аммиака, хотя изменения в периодах времени простоя вследствие неполадок и эксплуатационного обслуживания смогут увеличивать или уменьшать указанный выпуск продукции. Указанный объем является типичным для крупных аммиачных установок, сооружаемых в настоящее время.
Как показано на фиг. 14 (которая упрощена для того, чтобы показать только существенные признаки процесса данного примера 8), в процесс подают 53 тонны в час (т/ч) метанового сырья 205; предварительная обработка указанного метанового сырья для удаления серы и других вредных компонентов не включена в модель и не показана на фиг. 14. Воду 211 в количестве 176 т/ч испаряют и смешивают с метановым сырьем. Образующееся сырье 215 далее предварительно нагревают (например, в ходе предварительной обработки 110 сырья) и подают в реактор 220A первичного риформинга при давлении приблизительно 690 фунт/кв. дюйм абс., где образуются CO, CO2 и H2. В реактор 220A первичного риформинга подают путем электронагрева энергию Q1, которая привносит тепло для протекания реакции и дополнительно нагревает газы. Продукт 221 из реактора 220A первичного риформинга охлаждают (например, в ходе охлаждения A1) приблизительно до 320°C и пропускают через два реактора 230 сдвига водяного газа, где образуются дополнительные количества H2 и CO2. Поток продуктов из реакторов 230 сдвига водяного газа дополнительно охлаждают (например, в ходе охлаждения A2/A3), а затем очищают в секции 240A удаления CO2, где удаляются 129 т/ч CO2 путем абсорбции амином. Для высвобождения абсорбированного CO2 и регенерации раствора амина требуется значительное количество энергии. Определенную долю упомянутой энергии получают путем теплообмена с охлаждающимися газовыми потоками из реактора 220A первичного риформинга и реакторов 230 сдвига водяного газа, но необходимо подавать дополнительную энергию Q3; в примере 8 указанную энергию получают, нагревая с использованием возобновляемой электрической энергии. Очищенный поток 241 продуктов из секции 240A удаления CO2 нагревают приблизительно до 290°C и подают в узел 240B метанирования, где удаляются остающиеся CO (~ 0,4 мол.%) и CO2 (~0,1 мол.%). После дальнейшего охлаждения и сушки продукта 243 метанирования в A4, добавляют 109 т/ч азота 266, объединяют полученный газовый поток 244 с рециркуляционным газом 253 и сжимают в компрессоре (компрессорах) C2/C3 петли синтеза до 3095 фунт/кв. дюйм абс.; в данном варианте осуществления энергию для указанного сжатия (например, для выполнения работы W2) подают в виде возобновляемой электрической. Объединенный и сжатый газовый поток 245 предварительно нагревают (например, при нагревании B2) приблизительно до 450°C и направляют в ряд из трех реакторов 250A синтеза аммиака с межступенчатым охлаждением, соединенных последовательно; конверсия азота за проход составляет 33%. Содержащий аммиак поток 251 продуктов сначала охлаждают в A5, что позволяет извлекать тепло для использования при нагревании других технологических потоков, затем снова охлаждают воздухом и охлаждающей водой, и в конечном итоге охлаждают до -34°C с использованием холодильной системы в A6, так что можно извлекать 125 т/ч жидкого аммиачного продукта 255. В данном варианте осуществления энергию для холодильной секции в A6 (например, для выполнения работы W3) подают в виде возобновляемой электрической энергии. После извлечения аммиака из остающихся газов отбирают 17 т/ч отдува 205' для обеспечения возможности удаления примесей; состав указанного отдувочного потока заключает в себе приблизительно 25 массовых % CH4, 11 массовых % H2, 62 массовых % N2 и 2 массовых % NH3. Затем остаток газового потока 253 возвращают обратно в компрессор (компрессоры) C2/C3 петли синтеза.
В процессе XII данного примера 8 имеются четыре основные статьи потребления энергии: (1) регенерация раствора амина при удалении 240A CO2, (2) питание для приведения в действие двух крупных компрессоров, например, с целью совершения работы W2 и W3, требуемой для компрессора (компрессоров) C2/C3 петли синтеза и компрессора холодильной системы в A6, соответственно, (3) нагревание (например, в ходе предварительной обработки 110 сырья) с целью повышения температуры сырьевых газов и обеспечения тепла реакции для реактора первичного риформинга в 220A и (4) предварительный нагрев сырья (например, при нагревании B2) перед первым реактором 250A синтеза аммиака. Меньшие количества энергии потребляются для разных других целей. Определенное количество энергии, требуемой для указанных операций, можно получать путем теплообмена с потоками при их охлаждении (например, значительную часть тепла, требуемого для предварительного нагрева сырья реактора метанирования (например, при нагревании B1), можно получать за счет тепла, отводимого из того же реактора при охлаждении (например, в A4) газов 243 продуктов), а остальное необходимо подавать извне. В примере 8 внешнюю энергию подают в три места: при электронагреве реактора первичного риформинга в 220A, в электронагреватель системы удаления CO2 в 240A и в виде возобновляемой электрической энергии, используемой для питания двух крупных компрессоров; в данном варианте осуществления всю указанную внешнюю энергию подают в виде возобновляемой электрической энергии. Реактор 220A первичного риформинга нагревают с использованием электричества; для выработки 200 МВт тепла используется 210 МВт возобновляемой электрической энергии. В отличие от сравнительного примера 2, в данном случае не имеется конвекционной секции в печи реактора первичного риформинга и потерь с топочным газом в результате указанного нагревания. В примере 8 в систему 240A удаления CO2 подается 71 МВт электроэнергии с выделением 67 МВт тепла при эффективности 95%. Электрическая энергия в количестве 94 МВт подается двум крупным компрессорам; при эффективности 93% она выполняет ту же работу, что и требуемые 349 МВт в виде пара 263 высокого давления в сравнительном примере 2. В дополнение к этому, хотя некоторые реакции являются экзотермическими (например, синтез аммиака в 250A), суммарный набор реакций для примера 8 имеет результирующий эндотермический эффект и требует подачи приблизительно 67 МВт энергии. То, как наиболее продуктивно распределять доступную энергию по различным потребителям энергии в рамках процесса с наивысшей эффективностью, представляет собой технологическую задачу, которая может быть решена специалистом в данной области техники по прочтении настоящего раскрытия, путем тщательного согласования температур, типов энергии и энергосодержания. Энергию можно передавать непосредственно путем теплообмена или ее можно превращать в пар, который можно использовать либо для теплообмена, либо для совершения механической работы, такой как приведение в действие компрессора. В примере 8 использовали стратегию, которая доводит до максимума теплообмен между различными технологическими потоками, основываясь на предположении, что доступное тепло можно эффективно перемещать оттуда, где оно доступно, туда, где оно требуется при соответствующей температуре. Это представляет собой стратегию максимальной тепловой интеграции и сводит к минимуму подводы внешней энергии, но возможны и другие схемы, как будет очевидно для специалиста в данной области техники. Применение сгорания для обеспечения некоторой доли подвода внешней энергии, требуемого для данного процесса, сопряжено с сопутствующим недостатком: дымовой или топочный газ из указанных печей и котлов заключает в себе энергию, которую невозможно рекуперировать полезным образом вследствие его низкой температуры и трудностей при конденсировании воды. Однако в процессе примера 8 никакая энергия не теряется с топочным газом. Энергия теряется также на нескольких стадиях процесса, там, где потоки охлаждаются, но тепло невозможно извлекать полезным образом, например, при конечном, охлаждении потока продуктов из реактора 250A синтеза аммиака.
В таблице 3 представлены величины потребления энергии для процесса XII примера 8. Как видно в таблице 3, количество энергии, равное 375 МВт, подается в виде электрической энергии. Из общего количества энергии, 67 МВт требуются для привнесения результирующего эндотермического тепла реакции. После его вычитания доступный подвод полезной энергии в процесс для других статей потребления составляет 308 МВт, несмотря на то, что значительное количество (> 400 МВт) энергии передается также внутри процесса со стадии охлаждения горячих потоков продуктов на стадию нагревания сырьевых потоков. В отличие от сравнительного примера 2, в примере 8 никакая энергия не теряется в ходе превращения пара в механическую работу или не теряется в атмосферу с топочным газом. 21 МВт, или 6,8% доступной полезной внешней энергии теряется вследствие неэффективности путей использования электрической энергии.
Как еще видно по данным таблицы 3, в процессе XII примера 8 не существует никакого расхода топливного газа. По этой причине, к образованию атмосферных выбросов CO2 не приводит сгорание топлива. 1,1 миллиона тонн CO2 испускаются, исходя из самой химии процесса, что приводит к суммарным выбросам CO2, составляющим 1,1 миллиона тонн в год, при этом снижение равно 53% по отношению к сравнительному примеру 2. Удельный расход энергии, после вычитания тепла реакции из поступлений электроэнергии составляет 8,3 ГДж на тонну полученного аммиака; удельный расход энергии в расчете только на поступления электроэнергии составляет 10,2 ГДж на тонну полученного аммиака. В отличие от сравнительного примера 2, никакая энергия не теряется в атмосферу с дымовым газом, и никакая энергия не теряется в ходе превращения пара в механическую работу.
Пример 9. Только первичный (SMR) риформинг - все электрическое плюс PSA
Как изображено пунктирными линиями на фиг. 14, в процесс, описанный в примере 8, дополнительно добавлен узел 267 разделения газов на основе адсорбции при переменном давлении (PSA) для очистки потока 205' отдувочного газа. При скорости протекания 16,7 т/ч указанный поток 205' отдувочного газа содержит 11 массовых % водорода. В узле 267 разделения газов потребляется 2 МВт электрической энергии и образуется поток 268 продукта, состоящий по существу из чистого водорода. Полученные 1,84 т/ч очищенного водорода подают в топливный элемент 270, где водород превращается в воду 271 и электрическую энергию 272 с эффективностью по электроэнергии, равной 45%, что приводит к непрерывной выработке 33 МВт электрической энергии. Полезную электрическую энергию (31 МВт) используют для подачи 8,3% из 375 МВт электроэнергии, требуемой для процесса XII (см. таблицу 3).
Пример 10. Только первичный (SMR) риформинг - все электрическое плюс PSA и сжатие/хранение H2
В процесс XII, описанный в примере 8, авторы изобретения дополнительно добавили узел 267 разделения газов на основе адсорбции при переменном давлении (PSA) для очистки потока 205' отдувочного газа. При скорости протекания 16,7 т/ч указанный поток 205' отдувочного газа содержит 11 массовых % водорода. В узле 267 разделения газов потребляется 2 МВт электрической энергии и образуется поток 268 продукта, состоящий по существу из чистого водорода. Полученные 1,84 т/ч очищенного водорода сжимают компрессором C4 и хранят в сосуде 280 для хранения с целью использования в том случае, когда доступность возобновляемой электрической энергии становится ниже или когда она является более дорогостоящей. При необходимости хранимый водород, находящийся в сосуде 280 для хранения, объединяют с водородом потока 268, получаемым в это время в рамках процесса, и оба их преобразуют в электрическую энергию 272 с использованием топливного элемента 270. То, когда использовать хранимый водород для производства электроэнергии, будет определяться разнообразными факторами. Как одна из возможностей, если днем доступно определенное количество возобновляемой электрической энергии, 22,1 тонны водорода можно будет собирать и хранить в течение двенадцатичасового периода. При его высвобождении в течение следующих двенадцати часов и объединении с 1,84 т/ч водорода в линии 268, по-прежнему получаемого в процессе, приблизительно 64 МВт электроэнергии 272 будут постоянно доступны в течение двенадцати часов. Это сможет обеспечивать 17% из 375 МВт электроэнергии, требуемой для функционирования процесса XII.
Это сможет обеспечивать 17% из 375 МВт электроэнергии, требуемой для функционирования процесса XII.
| Таблица 2. Результаты сравнительного примера 1 и примеров 1-4 | |||||
| Сравнительн. пример 1 | Пример 1 | Пример 2 | Пример 3 | Пример 4 | |
| Подвод внешней энергии | (Значения в МВт, если не указано) | (Значения в МВт, если не указано) | (Значения в МВт, если не указано) | (Значения в МВт, если не указано) | (Значения в МВт, если не указано) |
| Топливо в печь реактора первичного риформинга в 220A | 111 | 111 | 0 | 111 | 0 |
| Топливо во вспомогательный котел 260 | 617 | 85 | 107 | 0 | 0 |
| Результирующее экзотермическое тепло реакции | 70 | 70 | 70 | 70 | 70 |
| Возобновляемая электрическая энергия в компрессоры | 0 | 114 | 114 | 114 | 114 |
| Возобновляемая электрическая энергия в печь риформинга в 220A | 0 | 0 | 72 | 0 | 72 |
| Возобновляемая электрическая энергия в систему 240A удаления CO2 | 0 | 0 | 0 | 72 | 90 |
| Итоговый подвод внешней энергии | 798 | 380 | 363 | 367 | 347 |
| Потери с топочным газом | 147 | 40 | 22 | 23 | 0 |
| Потери вследствие неэффективности использования пара | 318 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Потери вследствие неэффективности использования электричества | 0 | 8 | 12 | 12 | 16 |
| Общий расход природного газа | 854 000 т/год | 575 000 т/год | 529 000 т/год | 531 000 т/год | 472 000 т/год |
| Расход природного газа для топлива | 382 000 т/год | 103 000 т/год | 56 000 т/год | 58 000 т/год | 0 т/год |
| Удельный расход энергии, включая тепло реакции | 22,9 ГДж/т | 10,9 ГДж/т | 10,5 ГДж/т | 10,6 ГДж/т | 10,0 ГДж/т |
| Удельный расход энергии без включения тепла реакции | 20,9 ГДж/т | 8,9 ГДж/т | 8,4 ГДж/т | 8,6 ГДж/т | 8,0 ГДж/т |
| Общие выбросы CO2 | 2 280 000 т/год | 1 520 000 т/год | 1 380 000 т/год | 1 390 000 т/год | 1 230 000 т/год |
| Выбросы CO2 из средств обеспечения энергией | 1 050 000 т/год | 283 000 т/год | 155 000 т/год | 160 000 т/год | 0 т/год |
| Таблица 3. Результаты сравнительного примера 2 и примеров 5-8 | |||||
| Сравнительн.пример 2 | Пример 5 | Пример 6 | Пример 7 | Пример 8 | |
| Подвод внешней энергии | (Значения в МВт, если не указано) | (Значения в МВт, если не указано) | (Значения в МВт, если не указано) | (Значения в МВт, если не указано) | (Значения в МВт, если не указано) |
| Топливо в печь реактора первичного риформинга в 220A | 322 | 322 | 0 | 322 | 0 |
| Топливо во вспомогательный котел 260 | 455 | 18 | 84 | 0 | 0 |
| Результирующее эндотермическое тепло реакции | 67 | 67 | 67 | 67 | 67 |
| Возобновляемая электрическая энергия в компрессоры | 0 | 94 | 94 | 94 | 94 |
| Возобновляемая электрическая энергия в печь риформинга в 220A | 0 | 0 | 210 | 0 | 210 |
| Возобновляемая электрическая энергия в систему 240A удаления CO2 | 0 | 0 | 0 | 16 | 71 |
| Суммарная полезная доступная энергия | 710 | 367 | 321 | 365 | 308 |
| Потери с топочным газом | 155 | 68 | 17 | 64 | 0 |
| Потери вследствие неэффективности использования пара | 262 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Потери вследствие неэффективности использования электричества | 0 | 7 | 17 | 7 | 21 |
| Общий расход природного газа | 876 000 т/год | 607 000 т/год | 472 000 т/год | 597 000 т/год | 428 000 т/год |
| Расход природного газа для топлива | 448 000 т/год | 179 000 т/год | 44 000 т/год | 169 000 т/год | 0 т/год |
| Удельный расход энергии, включая тепло реакции | 19,2 ГДж/т | 9,9 ГДж/т | 8,7 ГДж/т | 9,9 ГДж/т | 8,3 ГДж/т |
| Удельный расход энергии без включения тепла реакции | 21,0 ГДж/т | 11,8 ГДж/т | 10,5 ГДж/т | 11,7 ГДж/т | 10,2 ГДж/т |
| Общие выбросы CO2 | 2 330 000 т/год | 1 590 000 т/год | 1 220 000 т/год | 1 570 000 т/год | 1 110 000 т/год |
| Выбросы CO2 из средств обеспечения энергией | 1 230 000 т/год | 490 000 т/год | 120 000 т/год | 470 000 т/год | 1 т/год |
Несмотря на то, что показаны и описаны разнообразные варианты осуществления, специалистом в данной области техники могут быть воплощены их модифицированные варианты без отступления от существа и указаний настоящего раскрытия, Варианты осуществления, изложенные в настоящем документе, приведены лишь в качестве примеров и не подразумеваются как ограничивающие. Возможны многие изменения и модификации объекта изобретения, раскрытого в данном документе, и они находятся в пределах объема настоящего раскрытия. Следует понимать, что там, где числовые диапазоны или ограничения указаны в явном виде, такие выраженные явным образом диапазоны или ограничения включают в себя итерационные диапазоны или ограничения подобной величины, попадающей в пределы указанных в явном виде диапазонов или ограничений (например, диапазон от значения около 1 примерно до 10 включает в себя 2, 3, 4 и т.д.; диапазон значений больше 0,10 включает в себя 0,11; 0,12; 0,13 и т.д.). Например, в любом случае, когда раскрывается числовой диапазон с нижним пределом RL и верхним пределом RU, конкретно раскрывается любое число, попадающее в пределы данного диапазона. В частности, в пределах данного диапазона определенно раскрываются следующие числа: R=RL+k*(RU-RL), где k является переменной, находящейся в диапазоне от 1 процента до 100 процентов с шагом в 1 процент, т.е. k равно 1 проценту, 2 процентам, 3 процентам, 4 процентам, 5 процентам, ... 50 процентам, 51 проценту, 52 процентам, ... , 95 процентам, 96 процентам, 97 процентам, 98 процентам, 99 процентам или 100 процентам. Более того, любой числовой диапазон, определяемый двумя числами R, описанными выше, также определенно раскрывается. Подразумевается, что употребление термина «необязательно» по отношению к любому элементу пункта формулы изобретения означает, что упомянутый элемент объекта изобретения требуется или, в качестве альтернативы, не требуется. Подразумевается, что обе альтернативы находятся в пределах объема пункта формулы изобретения. Употребление более широких терминов, таких как «содержит, включает в себя, имеющийся» и т.д. следует понимать, как обеспечение подтверждения более узких терминов, таких как «состоящий из, состоящий по существу из, составленный по существу из» и т.д.
Соответственно, объем защиты не ограничивается описанием, изложенным выше, а ограничивается только формулой изобретения, следующей ниже, при этом упомянутый объем включает в себя все эквиваленты объекта изобретения, указанные в формуле изобретения. Всякий и каждый пункт формулы изобретения включен в описание как вариант осуществления настоящего раскрытия. Таким образом, формула изобретения представляет собой дополнительное описание и является дополнением к вариантам осуществления настоящего раскрытия. Обсуждение ссылки не является признанием того, что она представляет предшествующий уровень техники для настоящего раскрытия, в особенности какая-либо ссылка, которая может иметь дату публикации после даты приоритета настоящей заявки. Раскрытия всех патентов, заявок на патенты и публикаций, цитированных в данном документе, включены настоящим путем ссылки в той степени, в какой они привносят типовые, процедурные или другие подробности, дополняющие те, что изложены в настоящем документе.
ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ РАСКРЫТИЕ. ЧАСТЬ I
Конкретные варианты осуществления, раскрытые выше, являются лишь иллюстративными, поскольку настоящее раскрытие можно модифицировать и воплощать на практике различными, но эквивалентными способами, очевидными для специалистов в данной области техники, в которых проявляется положительный эффект при использовании сведений, сообщаемых в настоящем документе. Кроме того, не подразумевается никаких ограничений в отношении подробностей конструкции или схемы, показанных в настоящем документе, отличных от описанных ниже в формуле изобретения. С учетом вышесказанного очевидно, что конкретные иллюстративные варианты осуществления, раскрытые выше, можно изменять или модифицировать, и все такие варианты полагаются находящимися в пределах объема и существа настоящего раскрытия. Альтернативные варианты осуществления, которые появляются в результате сочетания, объединения и/или исключения признаков варианта (вариантов) осуществления также находятся в пределах объема данного раскрытия. Хотя составы и способы описаны в более широких терминах: «имеющий», «содержащий», «включающий» или «включающий в себя» различные компоненты или стадии, составы и способы также могут «состоять по существу из» или «состоять из» различных компонентов или стадий. Употребление термина «необязательно» по отношению к любому признаку пункта формулы изобретения означает, что упомянутый признак необходим или, в качестве альтернативы, он не является необходимым, при этом обе альтернативы находятся в пределах объема пункта формулы изобретения.
Числа и диапазоны, раскрытые выше, могут в некоторой степени изменяться. В любом случае, когда раскрывается числовой диапазон с нижним пределом и верхним пределом, конкретно раскрываются любое число и любой включенный в него диапазон, попадающие в пределы данного диапазона. В частности, следует понимать, что каждый диапазон значений (формата «от значения около a примерно до b», или эквивалентно «приблизительно от a до b», или эквивалентно «приблизительно a-b»), раскрытый в настоящем документе, описывает каждое число и диапазон, охватываемые пределами более широкого диапазона значений. К тому же, термины, употребляемые в формуле изобретения, имеют свое общепринятое, обычное значение, если только патентообладателем явно и отчетливо не определено иного. Кроме того, в настоящем документе предполагается, что один или любой, употребляемые в формуле изобретения, обозначают один или нескольких признаков, которые они вводят. Если в данном описании и одном или нескольких патентах или других документах, имеется какое-либо противоречие в вариантах употребления слова или термина, следует принимать определения, которые согласуются с данным описанием.
Варианты осуществления, раскрытые в настоящем документе, включают в себя следующее:
A. Установка синтеза аммиака, включающая в себя секцию предварительной обработки сырья, выполненную с возможностью осуществления предварительной обработки сырьевого потока, содержащего природный газ, метан, пропан, бутан, СНГ, нафту, уголь, нефтяной кокс или их сочетание; секцию получения сингаза, включающую один или несколько реакторов риформинга, выполненную с возможностью осуществления риформинга сырьевого потока для получения потока продуктов реактора риформинга, содержащего монооксид углерода и водород; секцию превращения по реакции сдвига, включающую один или несколько реакторов сдвига, выполненную с возможностью осуществления реакции сдвига водяного газа в потоке продуктов реактора риформинга для получения подвергнутого реакции сдвига газового потока, содержащего больше водорода, чем газовый поток реактора риформинга; секцию очистки, выполненную с возможностью удаления, по меньшей мере, одного компонента из подвергнутого реакции сдвига газового потока и получения сырьевого потока синтеза аммиака, содержащего водород и азот; и/или секцию синтеза аммиака, включающую один или несколько реакторов синтеза аммиака, выполненную с возможностью получения аммиака из сырьевого потока синтеза аммиака, при этом установка синтеза аммиака выполнена таким образом, что, в сопоставлении с традиционной установкой синтеза аммиака, большее количество энергии, требуемой для установки синтеза аммиака, секции предварительной обработки сырья, секции получения сингаза, секции превращения по реакции сдвига, секции очистки, секции синтеза аммиака или их сочетания, обеспечивается за счет источника неуглеродной энергии, источника возобновляемой энергии и/или электрической энергии.
B: установка синтеза аммиака, включающая в себя секцию предварительной обработки сырья, выполненную с возможностью осуществления предварительной обработки сырьевого потока, имеющего в своем составе углеродсодержащий материал, такой как природный газ, метан, пропан, бутан, СНГ, нафта, уголь и/или нефтяной кокс; секцию получения сингаза, включающую один или несколько реакторов риформинга, выполненную с возможностью осуществления риформинга предварительно обработанного сырьевого потока для получения газового потока реактора риформинга, содержащего монооксид углерода и водород; секцию превращения по реакции сдвига, включающую, по меньшей мере, один реактор сдвига, выполненную с возможностью осуществления реакции сдвига водяного газа в газовом потоке реактора риформинга для получения подвергнутого реакции сдвига газового потока, содержащего больше водорода, чем газовый поток реактора риформинга; секцию очистки, выполненную с возможностью удаления, по меньшей мере, одного компонента из подвергнутого реакции сдвига газового потока и получения сырьевого потока синтеза аммиака, содержащего водород и азот; и/или секцию синтеза аммиака, включающую, по меньшей мере, один реактор синтеза аммиака, выполненную с возможностью получения аммиака из сырьевого потока синтеза аммиака, при этом установка синтеза аммиака выполнена таким образом, что большая часть полезной внешней энергии, требуемой для секции предварительной обработки сырья, секции получения сингаза, секции превращения по реакции сдвига, секции очистки, секции, секции синтеза аммиака или их сочетания, обеспечивается в виде электрической энергии.
C. Установка синтеза аммиака, включающая в себя секцию предварительной обработки сырья, выполненную с возможностью осуществления предварительной обработки сырьевого потока; секцию получения сингаза, включающую один или несколько реакторов риформинга, выполненную с возможностью осуществления риформинга метана для получения газового потока реактора риформинга, содержащего монооксид углерода и водород; секцию превращения по реакции сдвига, включающую один или несколько реакторов сдвига, выполненную с возможностью осуществления реакции сдвига водяного газа в газовом потоке реактора риформинга для получения подвергнутого реакции сдвига газового потока, содержащего больше водорода, чем газовый поток реактора риформинга; секцию, выполненную с возможностью удаления, по меньшей мере, одного компонента из подвергнутого реакции сдвига газового потока и получения сырьевого потока синтеза аммиака, содержащего водород и азот; и/или секцию синтеза аммиака, включающую один или несколько реакторов синтеза аммиака, выполненную с возможностью получения аммиака из сырьевого потока синтеза аммиака, при этом установка синтеза аммиака выполнена таким образом, что пар не используется для совершения механической работы.
D. Установка синтеза аммиака, включающая в себя секцию предварительной обработки сырья, выполненную с возможностью осуществления предварительной обработки сырьевого потока; секцию получения сингаза, включающую один или несколько реакторов риформинга, выполненную с возможностью осуществления риформинга метана для получения газового потока реактора риформинга, содержащего монооксид углерода и водород; секцию превращения по реакции сдвига, включающую один или несколько реакторов сдвига, выполненную с возможностью осуществления реакции сдвига водяного газа в газовом потоке реактора риформинга для получения подвергнутого реакции сдвига газового потока, содержащего больше водорода, чем газовый поток реактора риформинга; секцию, выполненную с возможностью удаления, по меньшей мере, одного компонента из подвергнутого реакции сдвига газового потока и получения сырьевого потока синтеза аммиака, содержащего водород и азот; и/или секцию синтеза аммиака, включающую один или несколько реакторов синтеза аммиака, выполненную с возможностью получения аммиака из сырьевого потока синтеза аммиака, при этом установка синтеза аммиака выполнена таким образом, что не образуется никакого топочного газа.
E. Установка синтеза аммиака, включающая в себя секцию предварительной обработки сырья, выполненную с возможностью осуществления предварительной обработки сырьевого потока; секцию получения сингаза, включающую один или несколько реакторов риформинга, выполненную с возможностью осуществления риформинга метана для получения газового потока реактора риформинга, содержащего монооксид углерода и водород; секцию превращения по реакции сдвига, включающую один или несколько реакторов сдвига, выполненную с возможностью осуществления реакции сдвига водяного газа в газовом потоке реактора риформинга для получения подвергнутого реакции сдвига газового потока, содержащего больше водорода, чем газовый поток реактора риформинга; секцию очистки, выполненную с возможностью удаления, по меньшей мере, одного компонента из подвергнутого реакции сдвига газового потока и получения сырьевого потока синтеза аммиака, содержащего водород и азот; и/или секцию синтеза аммиака, включающую один или несколько реакторов синтеза аммиака, выполненную с возможностью получения аммиака из сырьевого потока синтеза аммиака, при этом установка синтеза аммиака выполнена с возможностью исключения сгорания, кроме, необязательно, сгорания в реакторе автотермического риформинга (АТР) секции получения сингаза.
F. Установка синтеза аммиака, включающая в себя электрообогреваемый реактор парового риформинга, выполненный с возможностью получения водорода, и питаемый электроэнергией узел разделения воздуха (ASU), выполненный с возможностью получения азота для синтеза аммиака.
G. Установка синтеза аммиака, включающая в себя секцию очистки, выполненную с возможностью приема водородного потока и потока азота, причем поток азота, необязательно, поступает из источника, отличного от источника водородного потока, необязательно, удаления, по меньшей мере, одного компонента из водородного и/или азотного потока и получения сырьевого потока синтеза аммиака, содержащего водород и азот; и секцию синтеза аммиака, включающую один или несколько реакторов синтеза аммиака, выполненную с возможностью получения аммиака из сырьевого потока синтеза аммиака, при этом установка синтеза аммиака выполнена таким образом, что большая часть полезной внешней энергии, подаваемой для сжатия и нагревания в секцию очистки, секцию синтеза аммиака или в целом на установку синтеза аммиака, подается из источника неуглеродной энергии, источника возобновляемой энергии, в виде электрической энергии и/или возобновляемой электрической энергии.
Каждый из вариантов осуществления, A, B, C, D, E, F и G, может иметь один или несколько следующих дополнительных элементов: элемент 1, в котором источник неуглеродной энергии заключает в себе электрическую энергию; элемент 2, в котором электрическую энергию получают из источника возобновляемой энергии; элемент 3, в котором источник возобновляемой энергии заключает в себе энергию ветра, солнечную, геотермальную, гидроэлектрическую, ядерную, приливную, волновую энергию или их сочетание; элемент 4, в котором желаемая температура риформинга, по меньшей мере, в одном из отдельных или нескольких реакторов риформинга может достигаться без внешнего (например, в печи) сгорания топлива или углеродного топлива; элемент 5, в котором один или несколько реакторов риформинга нагревают до желаемой температуры риформинга путем нагревания с использованием электрической энергии или возобновляемой электрической энергии и включая связанный с этим конвективный, радиантный или другой способ теплопередачи; элемент 6, в котором один или несколько реакторов нагревают резистивным или индуктивным способом; элемент 7, в котором, за исключением получения пара для использования в реакторе парового риформинга метана и/или реакторе предварительного риформинга, пар не используют в качестве главной энергопередаточной среды и/или в котором пар не применяют для выполнения механической работы; элемент 8, в котором большую часть, определенную часть или весь пар, используемый в реакторе парового риформинга метана, реакторе предварительного риформинга или их сочетании, производят при помощи электричества; элемент 9, дополнительно включающий электродный котел и/или погружной нагреватель для производства пара; элемент 10, в котором секция предварительной обработки, секция получения сингаза, секция превращения по реакции сдвига, секция очистки, секция синтеза аммиака или их сочетание заключает в себе один или несколько компрессоров и в котором, по меньшей мере, половина или большинство из отдельных или нескольких компрессоров выполнены с возможностью работы не с газовом приводом и/или не с паровым приводом и/или выполнены с возможностью работы через посредство пара, полученного без сжигания топлива или углеродного топлива; элемент 11, в котором, по меньшей мере, один из отдельных или нескольких компрессоров выполнен с возможностью бифункциональной работы посредством функционирования и с приводом от электродвигателя, и с газовым приводом, либо и с приводом от электродвигателя и с паровым приводом, и/или в котором компрессоры заключают в себе, по меньшей мере, один компрессор с приводом от электродвигателя и, по меньшей мере, один компрессор с газовым приводом или компрессор с паровым приводом; элемент 12, включающий двойные компрессоры на одной или нескольких ступенях сжатия секции предварительной обработки сырья, секции получения сингаза, секции превращения по реакции сдвига, секции очистки водорода, секции синтеза аммиака или их сочетания, так что стадию сжатия можно осуществлять при помощи первого из двойных компрессоров, который включен, тогда, когда второй из двойных компрессоров выключен, и наоборот, при этом первый из двойных компрессоров приводится в действие электродвигателем, а второй из двойных компрессоров приводится в действие паром или за счет сгорания топлива; элемент 13, в котором конфигурация установки обеспечивает возможность осуществления одной или нескольких ступеней сжатия при помощи возобновляемой электрической энергии, при ее доступности, и работы с использованием пара или сгорания, когда возобновляемая электрическая энергия недоступна; элемент 14, в котором возобновляемая электрическая энергия обеспечивается за счет энергии ветра, солнечной, геотермальной, гидроэлектрической, ядерной, приливной, волновой энергии или их сочетания; элемент 15, включающий устройство для охлаждения или нагревания технологического потока, при этом часть или большинство нагревательных устройств, охлаждающих устройств или их обоих обеспечивает нагревание или охлаждение с применением электричества; элемент 16, в котором часть или большинство охлаждающих устройств включает в себя охлаждающее устройство после каждого из отдельных или нескольких реакторов риформинга, охлаждающее устройство после конечного из отдельных или нескольких реакторов риформинга, охлаждающее устройство после реактора высокотемпературного сдвига, реактора низкотемпературного сдвига или их обоих; охлаждающее устройство после метанатора и выполненное с возможностью выделения воды из потока продуктов метанатора путем конденсации; охлаждающее устройство после одного или нескольких отдельных или нескольких реакторов синтеза аммиака или их сочетание; элемент 17, в котором часть или большинство нагревательных устройств включает в себя нагревательное устройство перед одним или несколькими реакторами риформинга, между устройством для удаления диоксида углерода и метанатором секции очистки; нагревательное устройство перед одним или несколькими реакторами синтеза аммиака или оба устройства; элемент 18, в котором хранится энергия с использованием сжатого водорода, сжатого сырья в виде природного газа, криогенных жидкостей, тепловых батарей (в том числе материала футеровки печи с высоким тепловым содержанием), электрических батарей или их сочетания, так что хранимую энергию на основе водорода, природного газа, криогенных жидкостей, тепловых батарей и/или электроэнергию можно использовать, когда возобновляемая электрическая энергия недоступна; элемент 19, дополнительно включающий в себя устройство для получения электрической энергии, выполненное с возможностью выработки электроэнергии за счет давления или тепла на установке синтеза аммиака; элемент 20, в котором в котором устройство для получения электрической энергии заключает в себе детандр, термоэлектрическое устройство или их сочетание; элемент 21, в котором секция получения сингаза заключает в себе реактор парового риформинга метана выше по ходу потока от реактора автотермического риформинга, при этом используют компрессор для сжатия воздуха с целью ввода в реактор автотермического риформинга; секция превращения по реакции сдвига заключает в себе реактор высокотемпературного сдвига выше по ходу потока от реактора низкотемпературного сдвига, с охлаждающим устройством до и после реактора высокотемпературного сдвига и после реактора низкотемпературного сдвига; секция очистки водорода заключает в себе устройство для удаления диоксида углерода до метанатора и выделения из данного устройства при помощи нагревательного устройства, а также устройство для конденсирования воды, один или несколько компрессоров и нагревательное устройство после метанатора; секция синтеза аммиака заключает в себе один или несколько реакторов синтеза аммиака с устройством для отвода тепла, циркуляционный компрессор после последнего из отдельных или нескольких реакторов синтеза аммиака и систему отдува газа, причем отдув отбирают до циркуляционного компрессора, при этом большая часть подвода полезного тепла, требующегося для реактора парового риформинга метана, подвода полезного тепла, обеспечиваемого нагревательным устройством, отвода полезного тепла, выполняемого охлаждающим устройством, устройством для конденсирования воды и/или системой отдува газа или их сочетания, обеспечивается за счет электрической энергии; и/или при этом большинство компрессоров, выбранных из компрессора, используемого для сжатия воздуха, одного или нескольких компрессоров, размещенных после метанатора, и циркуляционного компрессора, приводятся в действие электродвигателем и/или паром, полученным с использованием электричества; элемент 22, не включающий в себя АТР и дополнительно включающий впускную линию для азота после одного или нескольких реакторов риформинга секции получения сингаза; элемент 23, не включающий реактор автотермического риформинга (АТР); элемент 24, дополнительно включающий в себя впускную линию азота, соединяющую по текучей среде узел ASU с одним или несколькими реакторами синтеза аммиака, в результате чего азот из узла ASU можно вводить в один или несколько реакторов синтеза аммиака как компонент сырья; элемент 25, в котором секция очистки дополнительно включает в себя метанатор, при этом впускная линия азота размещена по ходу потока после метанатора; элемент 26, в котором петля синтеза аммиака установки синтеза аммиака выполнена с возможностью отбора меньшего количества отдува, чем традиционная установка синтеза аммиака.
ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ РАСКРЫТИЕ. ЧАСТЬ II
Ниже следуют неограничивающие, конкретные варианты осуществления в соответствии с настоящим раскрытием:
Первый вариант осуществления, который представляет установку синтеза аммиака, включающую в себя секцию предварительной обработки сырья, выполненную с возможностью осуществления предварительной обработки сырьевого потока, содержащего природный газ, метан, пропан, бутан, СНГ, нафту, уголь, нефтяной кокс или их сочетание; секцию получения сингаза, включающую один или несколько реакторов риформинга, выполненную с возможностью осуществления риформинга сырьевого потока для получения потока продуктов реактора риформинга, содержащего монооксид углерода и водород; секцию превращения по реакции сдвига, включающую один или несколько реакторов сдвига, выполненную с возможностью осуществления реакции сдвига водяного газа в потоке продуктов реактора риформинга для получения подвергнутого реакции сдвига газового потока, содержащего больше водорода, чем газовый поток реактора риформинга; секцию очистки, выполненную с возможностью удаления, по меньшей мере, одного компонента из подвергнутого реакции сдвига газового потока и получения сырьевого потока синтеза аммиака, содержащего водород и азот; и/или секцию синтеза аммиака, включающую один или несколько реакторов синтеза аммиака, выполненную с возможностью получения аммиака из сырьевого потока синтеза аммиака, при этом установка синтеза аммиака выполнена таким образом, что, в сопоставлении с традиционной установкой синтеза аммиака, большее количество энергии, требуемой для установки синтеза аммиака, секции предварительной обработки сырья, секции получения сингаза, секции превращения по реакции сдвига, секции очистки, секции синтеза аммиака или их сочетания, обеспечивается за счет источника неуглеродной энергии, источника возобновляемой энергии и/или электрической энергии.
Второй вариант осуществления, который представляет установку синтеза аммиака первого варианта осуществления, в которой источник неуглеродной энергии заключает в себе электрическую энергию.
Третий вариант осуществления, который представляет установку синтеза аммиака, включающую в себя секцию предварительной обработки сырья, выполненную с возможностью осуществления предварительной обработки сырьевого потока, имеющего в своем составе углеродсодержащий материал, такой как природный газ, метан, пропан, бутан, СНГ, нафта, уголь и/или нефтяной кокс; секцию получения сингаза, включающую один или несколько реакторов риформинга, выполненную с возможностью осуществления риформинга предварительно обработанного сырьевого потока для получения газового потока реактора риформинга, содержащего монооксид углерода и водород; секцию превращения по реакции сдвига, включающую, по меньшей мере, один реактор сдвига, выполненную с возможностью осуществления реакции сдвига водяного газа в газовом потоке реактора риформинга для получения подвергнутого реакции сдвига газового потока, содержащего больше водорода, чем газовый поток реактора риформинга; секцию очистки, выполненную с возможностью удаления, по меньшей мере, одного компонента из подвергнутого реакции сдвига газового потока и получения сырьевого потока синтеза аммиака, содержащего водород и азот; и/или секцию синтеза аммиака, включающую, по меньшей мере, один реактор синтеза аммиака, выполненную с возможностью получения аммиака из сырьевого потока синтеза аммиака, при этом установка синтеза аммиака выполнена таким образом, что большая часть полезной внешней энергии, требуемой для секции предварительной обработки сырья, секции получения сингаза, секции превращения по реакции сдвига, секции очистки, секции синтеза аммиака или их сочетания, обеспечивается в виде электрической энергии.
Четвертый вариант осуществления, представляющий установку синтеза аммиака второго или третьего варианта осуществления, в которой электрическую энергию получают из источника возобновляемой энергии.
Пятый вариант осуществления, представляющий установку синтеза аммиака четвертого варианта осуществления, в которой источник возобновляемой энергии заключает в себе энергию ветра, солнечную, геотермальную, гидроэлектрическую, ядерную, приливную, волновую энергию или их сочетание.
Шестой вариант осуществления, представляющий установку синтеза аммиака второго или третьего варианта осуществления, в которой желаемая температура риформинга, по меньшей мере, в одном из отдельных или нескольких реакторов риформинга может достигаться без внешнего (например, в печи) сгорания топлива или углеродного топлива.
Седьмой вариант осуществления, представляющий установку синтеза аммиака шестого варианта осуществления, в которой один или несколько реакторов риформинга нагревают до желаемой температуры риформинга путем нагревания на основе электрической энергии или возобновляемой электрической энергии и включая связанный с этим конвективный, радиантный или другой способ теплопередачи.
Восьмой вариант осуществления, представляющий установку синтеза аммиака седьмого варианта осуществления, в которой один или несколько реакторов нагревают резистивным или индуктивным способом.
Девятый вариант осуществления, представляющий установку синтеза аммиака второго или третьего варианта осуществления, в которой, за исключением получения пара для использования в реакторе парового риформинга метана и/или реакторе предварительного риформинга, пар не используют в качестве главной энергопередаточной среды и/или в которой пар не применяют для выполнения механической работы.
Десятый вариант осуществления, представляющий установку синтеза аммиака второго или третьего варианта осуществления, в которой большую часть, определенную часть или весь пар, используемый в реакторе парового риформинга метана, реакторе предварительного риформинга или их сочетании, производят при помощи электричества.
Одиннадцатый вариант осуществления, представляющий установку синтеза аммиака десятого варианта осуществления, дополнительно включающую электродный котел и/или погружной нагреватель для производства пара.
Двенадцатый вариант осуществления, представляющий установку синтеза аммиака второго или третьего варианта осуществления, в которой секция предварительной обработки, секция получения сингаза, секция превращения по реакции сдвига, секция очистки, секция синтеза аммиака или их сочетание заключает в себе один или несколько компрессоров и в котором, по меньшей мере, половина или большинство из отдельных или нескольких компрессоров выполнены с возможностью работы не с газовом приводом и/или не с паровым приводом и/или выполнены с возможностью работы через посредство пара, полученного без сжигания топлива или углеродного топлива.
Тринадцатый вариант осуществления, который представляет установку синтеза аммиака двенадцатого варианта осуществления, в которой, по меньшей мере, один из отдельных или нескольких компрессоров выполнен с возможностью бифункциональной работы посредством функционирования и с приводом от электродвигателя, и с газовым приводом, либо и с приводом от электродвигателя и с паровым приводом, и/или компрессоры заключают в себе, по меньшей мере, один компрессор с приводом от электродвигателя и, по меньшей мере, один компрессор с газовым или паровым приводом.
Четырнадцатый вариант осуществления, который представляет установку синтеза аммиака двенадцатого варианта осуществления, включающую двойные компрессоры на одной или нескольких ступенях сжатия секции предварительной обработки сырья, секции получения сингаза, секции превращения по реакции сдвига, секции очистки водорода, секции синтеза аммиака или их сочетания, так что стадию сжатия можно осуществлять при помощи первого из двойных компрессоров, который включен, тогда, когда второй из двойных компрессоров выключен, и наоборот, при этом первый из двойных компрессоров приводится в действие электродвигателем, а второй из двойных компрессоров приводится в действие паром или за счет сгорания топлива.
Пятнадцатый вариант осуществления, который представляет установку синтеза аммиака двенадцатого, тринадцатого или четырнадцатого варианта осуществления, в котором конфигурация установки обеспечивает возможность осуществления одной или нескольких ступеней сжатия при помощи возобновляемой электрической энергии, при ее доступности, и работы с использованием пара или сгорания, когда возобновляемая электрическая энергия недоступна.
Шестнадцатый вариант осуществления, представляющий установку синтеза аммиака пятнадцатого варианта осуществления, в которой возобновляемая электрическая энергия обеспечивается за счет энергии ветра, солнечной, геотермальной, гидроэлектрической, ядерной, приливной, волновой энергии или их сочетания.
Семнадцатый вариант осуществления, который представляет установку синтеза аммиака второго или третьего варианта осуществления, включающую устройство для охлаждения или нагревания технологического потока, при этом часть или большинство нагревательных устройств, охлаждающих устройств или обоих из них обеспечивает нагревание или охлаждение с применением электричества.
Восемнадцатый вариант осуществления, представляющий установку синтеза аммиака семнадцатого варианта осуществления, в которой часть или большинство охлаждающих устройств включает в себя охлаждающее устройство после каждого из отдельных или нескольких реакторов риформинга, охлаждающее устройство после конечного из отдельных или нескольких реакторов риформинга, охлаждающее устройство после реактора высокотемпературного сдвига, реактора низкотемпературного сдвига или их обоих; охлаждающее устройство после метанатора и выполненное с возможностью выделения воды из потока продуктов метанатора путем конденсации; охлаждающее устройство после одного или нескольких отдельных или нескольких реакторов синтеза аммиака или их сочетание.
Девятнадцатый вариант осуществления, представляющий установку синтеза аммиака семнадцатoго варианта осуществления, в которой часть или большинство нагревательных устройств включает в себя нагревательное устройство перед одним или несколькими реакторами риформинга, между устройством для удаления диоксида углерода и метанатором секции очистки; нагревательное устройство перед одним или несколькими реакторами синтеза аммиака или оба устройства.
Двадцатый вариант осуществления, который представляет установку синтеза аммиака второго или третьего варианта осуществления, в которой хранится энергия с использованием сжатого водорода, сжатого сырья в виде природного газа, криогенных жидкостей, тепловых батарей (в том числе материала футеровки печи с высоким тепловым содержанием), электрических батарей или их сочетания, так что хранимую энергию на основе водорода, природного газа, криогенных жидкостей, тепловых батарей и/или электроэнергию можно использовать, когда возобновляемая электрическая энергия недоступна.
Двадцать первый вариант осуществления, представляющий установку синтеза аммиака второго или третьего варианта осуществления, дополнительно включающую в себя устройство для получения электрической энергии, выполненное с возможностью выработки электроэнергии за счет давления или тепла на установке синтеза аммиака.
Двадцать второй вариант осуществления, который представляет установку синтеза аммиака двадцать первого варианта осуществления, в которой устройство для производства электрической энергии заключает в себе детандер, термоэлектрическое устройство или их сочетание.
Двадцать третий вариант осуществления, который представляет установку синтеза аммиака второго или третьего варианта осуществления, в которой секция получения сингаза заключает в себе реактор парового риформинга метана выше по ходу потока от реактора автотермического риформинга, при этом используют компрессор для сжатия воздуха с целью ввода в реактор автотермического риформинга; секция превращения по реакции сдвига заключает в себе реактор высокотемпературного сдвига выше по ходу потока от реактора низкотемпературного сдвига, с охлаждающим устройством до и после реактора высокотемпературного сдвига и после реактора низкотемпературного сдвига; секция очистки водорода заключает в себе устройство для удаления диоксида углерода до метанатора и выделения из данного устройства при помощи нагревательного устройства, а также устройство для конденсирования воды, один или несколько компрессоров и нагревательное устройство после метанатора; секция синтеза аммиака заключает в себе один или несколько реакторов синтеза аммиака с устройством для отвода тепла, циркуляционный компрессор после последнего из отдельных или нескольких реакторов синтеза аммиака и систему отдува газа, причем отдув отбирают до циркуляционного компрессора, при этом большая часть подвода полезного тепла, требующегося для реактора парового риформинга метана, подвода полезного тепла, обеспечиваемого нагревательным устройством, отвода полезного тепла, выполняемого охлаждающим устройством, устройством для конденсирования воды и/или системой отдува газа, или их сочетания, обеспечивается за счет электрической энергии; и/или при этом большинство компрессоров, выбранных из компрессора, используемого для сжатия воздуха, одного или нескольких компрессоров, размещенных после метанатора, и циркуляционного компрессора, приводятся в действие электродвигателем и/или паром, полученным с использованием электричества.
Двадцать четвертый вариант осуществления, который представляет установку синтеза аммиака, включающую в себя секцию предварительной обработки сырья, выполненную с возможностью осуществления предварительной обработки сырьевого потока, секцию получения сингаза, включающую один или несколько реакторов риформинга, выполненную с возможностью осуществления риформинга метана для получения газового потока реактора риформинга, содержащего монооксид углерода и водород; секцию превращения по реакции сдвига, включающую один или несколько реакторов сдвига, выполненную с возможностью осуществления реакции сдвига водяного газа в газовом потоке реактора риформинга для получения подвергнутого реакции сдвига газового потока, содержащего больше водорода, чем газовый поток реактора риформинга; секцию, выполненную с возможностью удаления, по меньшей мере, одного компонента из подвергнутого реакции сдвига газового потока и получения сырьевого потока синтеза аммиака, содержащего водород и азот; и/или секцию синтеза аммиака, включающую один или несколько реакторов синтеза аммиака, выполненную с возможностью получения аммиака из сырьевого потока синтеза аммиака, при этом установка синтеза аммиака выполнена таким образом, что никакой пар не используют для совершения механической работы.
Двадцать пятый вариант осуществления, представляющий установку синтеза аммиака, включающую в себя секцию предварительной обработки сырья, выполненную с возможностью осуществления предварительной обработки сырьевого потока; секцию получения сингаза, включающую один или несколько реакторов риформинга, выполненную с возможностью осуществления риформинга метана для получения газового потока реактора риформинга, содержащего монооксид углерода и водород; секцию превращения по реакции сдвига, включающую один или несколько реакторов сдвига, выполненную с возможностью осуществления реакции сдвига водяного газа в газовом потоке реактора риформинга для получения подвергнутого реакции сдвига газового потока, содержащего больше водорода, чем газовый поток реактора риформинга; секцию, выполненную с возможностью удаления, по меньшей мере, одного компонента из подвергнутого реакции сдвига газового потока и получения сырьевого потока синтеза аммиака, содержащего водород и азот; и/или секцию синтеза аммиака, включающую один или несколько реакторов синтеза аммиака, выполненную с возможностью получения аммиака из сырьевого потока синтеза аммиака, при этом установка синтеза аммиака выполнена таким образом, что не образуется никакой топочный газ.
Двадцать шестой вариант осуществления, который представляет установку синтеза аммиака, включающую в себя секцию предварительной обработки сырья, выполненную с возможностью осуществления предварительной обработки сырьевого потока; секцию получения сингаза, включающую один или несколько реакторов риформинга, выполненную с возможностью осуществления риформинга метана для получения газового потока реактора риформинга, содержащего монооксид углерода и водород; секцию превращения по реакции сдвига, включающую один или несколько реакторов сдвига, выполненную с возможностью осуществления реакции сдвига водяного газа в газовом потоке реактора риформинга для получения подвергнутого реакции сдвига газового потока, содержащего больше водорода, чем газовый поток реактора риформинга; секцию очистки, выполненную с возможностью удаления, по меньшей мере, одного компонента из подвергнутого реакции сдвига газового потока и получения сырьевого потока синтеза аммиака, содержащего водород и азот; и/или секцию синтеза аммиака, включающую один или несколько реакторов синтеза аммиака, выполненную с возможностью получения аммиака из сырьевого потока синтеза аммиака, при этом установка синтеза аммиака выполнена с возможностью исключения сгорания, отличного от сгорания, необязательно, в реакторе автотермического риформинга (АТР) секции получения сингаза.
Двадцать седьмой вариант осуществления, который представляет установку синтеза аммиака двадцать шестого варианта осуществления, не включающую в себя АТР и дополнительно включающую впускную линию для азота после одного или нескольких реакторов риформинга секции получения сингаза.
Двадцать восьмой вариант осуществления, который представляет установку синтеза аммиака, включающую в себя нагреваемый при помощи электричества реактор парового риформинга, выполненный с возможностью получения водорода, и питаемый электроэнергией узел разделения воздуха (ASU), выполненный с возможностью получения азота для синтеза аммиака.
Двадцать девятый вариант осуществления, который представляет установку синтеза аммиака двадцать восьмого варианта осуществления, не включающую в себя реактор автотермического риформинга (АТР).
Тридцатый вариант осуществления, который представляет установку синтеза аммиака двадцать девятого варианта осуществления, дополнительно включающую впускную азотную линию, соединяющую по текучей среде узел ASU с одним или несколькими реакторами синтеза аммиака, в результате чего азот из узла ASU можно вводить в один или несколько реакторов синтеза аммиака как компонент сырья.
Тридцать первый вариант осуществления, который представляет установку синтеза аммиака тридцатого варианта осуществления, в которой секция очистки дополнительно включает в себя метанатор, при этом впускная азотная линия размещена по ходу потока после метанатора.
Тридцать второй вариант осуществления, который представляет установку синтеза аммиака двадцать восьмого варианта осуществления, в которой петля синтеза аммиака установки синтеза аммиака выполнена с возможностью отбора меньшего количества отдува, чем традиционная установка синтеза аммиака.
Тридцать третий вариант осуществления, который представляет установку синтеза аммиака, включающую в себя секцию очистки, выполненную с возможностью приема водородного потока и потока азота, причем поток азота, необязательно, поступает из источника, отличного от источника водородного потока, необязательно, удаления, по меньшей мере, одного компонента из водородного и/или азотного потока и получения сырьевого потока синтеза аммиака, содержащего водород и азот; и секцию синтеза аммиака, включающую один или несколько реакторов синтеза аммиака, выполненную с возможностью получения аммиака из сырьевого потока синтеза аммиака, при этом установка синтеза аммиака выполнена таким образом, что большая часть полезной внешней энергии, подаваемой для сжатия и нагревания в секцию очистки, секцию синтеза аммиака или в целом на установку синтеза аммиака, подается из источника неуглеродной энергии, источника возобновляемой энергии, в виде электрической энергии и/или возобновляемой электрической энергии.
Тридцать четвертый вариант осуществления, который представляет устройство и/или способ получения аммиака при помощи устройства, описанного в настоящем документе и изложенного в любом из вариантов осуществления, с первого по тридцать третий, или любом из вариантов осуществления, описанных в настоящем раскрытии.
ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ РАСКРЫТИЕ. ЧАСТЬ III
Ниже следуют неограничивающие, конкретные варианты осуществления в соответствии с настоящим раскрытием:
Варианты осуществления, раскрытые в настоящем документе, включают в себя:
A. Способ получения аммиака, включающий в себя: (a) введение сырья, имеющего в своем составе углеродсодержащий материал, выбранный из природного газа, метана, пропана, бутана, СНГ, нафты, угля, нефтяного кокса или их сочетаний, в секцию получения синтез-газа, как например, паровым риформингом или парциальным окислением, для получения продукта, синтез-газа, содержащего водород и монооксид углерода, при этом энергию, требуемую для секции получения синтез-газа, подают в виде подвода Q1 тепла; (b) охлаждение продукта реактора риформинга для получения охлажденного синтез-газа путем осуществления отвода Q2 тепла; (c) проведение реакции сдвига охлажденного синтез-газа для получения подвергнутого реакции сдвига синтез-газового продукта; (d) охлаждение подвергнутого реакции сдвига синтез-газа путем осуществления отвода Q3 тепла для получения охлажденного, подвергнутого реакции сдвига синтез-газа; (e) очистку охлажденного, подвергнутого реакции сдвига синтез-газа путем удаления диоксида углерода из охлажденного, подвергнутого реакции сдвига синтез-газа; путем нагревания при подводе Q4 тепла для получения нагретого газа с пониженным содержанием диоксида углерода; путем метанирования нагретого газа с пониженным содержанием диоксида углерода для получения продукта метанатора; и путем охлаждения и выделения воды из продукта метанатора в результате конденсации при отводе Q5 тепла для получения очищенного газа; (f) сжатие очищенного газа; (g) нагревание сжатого, очищенного газа путем подвода Q6 тепла для получения нагретого газа; (h) получение сырья синтеза аммиака, содержащего нагретый газ, при этом сырье синтеза аммиака содержит водород и азот, причем азот присутствует в синтез-газе или добавляется к нему впоследствии; (i) получение продукта, содержащего аммиак, из сырья синтеза аммиака; (j) охлаждение продукта, содержащего аммиак, путем отвода Q7 тепла для выделения аммиака из продукта, содержащего аммиак, и получения потока рециркуляционного газа, содержащего азот и водород; (k) сжатие газового потока, содержащего азот и водород, циркуляционным компрессором; и/или (l) отдув через систему отдува газа, в котором выполняют дополнительное охлаждение путем отвода Q8 тепла, при этом, по отношению к традиционному способу получения аммиака, большее количество полезной энергии, требуемой для воплощения данного способа или на стадии (a), (b), (c), (d), (e), (f), (g), (h), (i), (j), (k), (l) или их сочетании, (например, полезной тепловой энергии, требуемой, например, для выполнения операций (Q1 + Q4 + Q6 - Q2 - Q3 - Q5 - Q7 - Q8), и/или полезной энергии, требуемой для совершения механической работы) обеспечивается за счет источника неуглеродной энергии, источника возобновляемой энергии и/или электрической энергии.
B. Способ получения аммиака, включающий в себя: (a) осуществление риформинга сырья, имеющего в своем составе углеродсодержащий материал, выбранный из природного газа, метана, пропана, бутана, СНГ, нафты, угля, нефтяного кокса или их сочетаний, в реакторе риформинга секции получения синтез-газа для получения продукта реактора риформинга, включающего синтез-газ, содержащий водород и монооксид углерода, при этом температуру риформинга поддерживают путем подвода Q1 тепла; (b) охлаждение продукта реактора риформинга для получения охлажденного продукта реактора риформинга путем выполнения отвода Q2 тепла; (c) проведение реакции сдвига продукта реактора риформинга для получения подвергнутого реакции сдвига синтез-газа; (d) охлаждение подвергнутого реакции сдвига синтез-газа путем выполнения отвода Q3 тепла; (e) очистка охлажденного, подвергнутого реакции сдвига синтез-газа путем удаления диоксида углерода из охлажденного, подвергнутого реакции сдвига синтез-газа; путем нагревания при подводе Q4 тепла для получения нагретого газа с пониженным содержанием диоксида углерода; путем метанирования нагретого газа с пониженным содержанием диоксида углерода для получения продукта метанатора; и путем охлаждения и выделения воды из продукта метанатора в результате конденсации при отводе Q5 тепла для получения очищенного газа; (f) ) сжатие очищенного газа; (g) нагревание сжатого, очищенного газа путем подвода Q6 тепла для получения нагретого газа; (h) получение сырья синтеза аммиака, содержащего нагретый газ, при этом сырье синтеза аммиака содержит водород и азот; (i) получение продукта, содержащего аммиак, из сырья синтеза аммиака; (j) охлаждение продукта, содержащего аммиак, путем отвода Q7 тепла для выделения аммиака из продукта, содержащего аммиак, и получения потока рециркуляционного газа, содержащего азот и водород; (k) сжатие газового потока, содержащего азот и водород; и/или (l) отдув через систему отдува газа, который осуществляют при отводе Q8 тепла, при этом большая часть полезной тепловой и/или механической энергии, требуемой для воплощения способа, либо одной или нескольких стадий (a)-(l), обеспечивается за счет источника неуглеродной энергии, источника возобновляемой энергии и/или электрической энергии.
C. Способ получения аммиака, включающий в себя: (a) осуществление реакции (например, путем воплощения таких процессов, как паровой риформинг, парциальное окисление и газификация) углеродсодержащего материала, такого как природный газ, метан, пропан, бутан, СНГ, нафта, уголь или нефтяной кокс, для получения синтез-газа, содержащего монооксид углерода и водород; (b) проведение реакции сдвига синтез-газа для получения подвергнутого реакции сдвига продукта, содержащего повышенное количество водорода; (c) очистка подвергнутого реакции сдвига продукта для получения очищенного газа, содержащего меньшее количество неводородных компонентов; и (d) осуществление синтеза аммиака из очищенного газа и, необязательно, дополнительного азота для получения аммиачного продукта, при этом большая часть, либо около 40, 50, 60, 70, 80 или 90% или больше полезной энергии, требуемой на стадиях (a), (b), (c), (d) или их сочетании, обеспечивается за счет источника неуглеродной энергии, источника возобновляемой энергии, электрической энергии или их сочетания.
D. Способ получения аммиака, включающий в себя: введение сырья, имеющего в своем составе углеродсодержащий материал, такой как природный газ, метан, пропан, бутан, СНГ, нафта, уголь или нефтяной кокс, в секцию получения синтез-газа, как например, секцию парового риформинга или парциального окисления, для получения продукта, синтез-газа, содержащего водород и монооксид углерода, при этом энергию, требуемую для секции получения синтез-газа, подают в виде подвода Q1 тепла; охлаждение продукта, синтез-газа, для получения охлажденного синтез-газа путем осуществления отвода Q2 тепла; проведение реакции сдвига охлажденного синтез-газа для получения подвергнутого реакции сдвига синтез-газового продукта; охлаждение подвергнутого реакции сдвига синтез-газового продукта путем осуществления отвода Q3 тепла для получения охлажденного, подвергнутого реакции сдвига синтез-газа; очистку охлажденного, подвергнутого реакции сдвига синтез-газа путем удаления диоксида углерода из охлажденного, подвергнутого реакции сдвига синтез-газа; путем нагревания при подводе Q4 тепла для получения нагретого газа с пониженным содержанием диоксида углерода; путем метанирования нагретого газа с пониженным содержанием диоксида углерода для получения продукта метанатора; и путем охлаждения и выделения воды из продукта метанатора в результате конденсации при отводе Q5 тепла для получения очищенного газа; сжатие очищенного газа; нагревание сжатого, очищенного газа путем подвода Q6 тепла для получения нагретого газа; получение сырья синтеза аммиака, содержащего нагретый газ и, необязательно, добавленный азот; получение продукта, содержащего аммиак, из сырья синтеза аммиака; охлаждение продукта, содержащего аммиак, путем отвода Q7 тепла для выделения аммиака из продукта, содержащего аммиак, и получения потока рециркуляционного газа, содержащего азот и водород; сжатие газового потока, содержащего азот и водород циркуляционным компрессором; и/или отдув через систему отдува газа, в котором осуществляют дополнительное охлаждение путем отвода Q8 тепла, при этом большую часть или по существу все тепло, отводимое при охлаждении и конденсации воды (например, Q2, Q3, Q5, Q7 и/или Q8) используют только для нагревания других потоков (например, Q1, Q4 и/или Q7) и/или преобразуют в электрическую энергию.
Каждый из вариантов осуществления, A, B, C и D, может иметь один или несколько из следующих дополнительных элементов: элемент 1, в котором источник неуглеродной энергии заключает в себе электрическую энергию; элемент 2, в котором электрическую энергию получают из источника возобновляемой энергии; элемент 3, в котором источник возобновляемой энергии заключает в себе энергию ветра, солнечную, геотермальную, гидроэлектрическую, ядерную, приливную, волновую энергию или их сочетание; элемент 4, в котором энергию, требуемую для секции получения синтез-газа, подают без сжигания топлива или углеродного топлива; элемент 5, в котором источник неуглеродной энергии заключает в себе непостоянный источник энергии (IES) или при его помощи производится электрическая энергия, дополнительно включающий в себя поддержание температуры одного или нескольких реакторов в секции получения синтез-газа без сжигания топлива или углеродного топлива, когда источник IES доступен, и поддержание температуры одного или нескольких реакторов в секции получения синтез-газа путем подачи сохраненной энергии из IES, либо за счет сгорания топлива или углеродного топлива, когда источник IES недоступен; элемент 6, в котором получение синтез-газа осуществляют в одном или нескольких реакторах парового риформинга, а необходимую энергию подают путем индуктивного или резистивного нагрева на основе электрической энергии или возобновляемой электрической энергии и включая связанный с этим конвективный, радиантный или другой способ теплопередачи; элемент 7, в котором, за исключением необязательного производства пара для использования в секции получения синтез-газа, пар не используют в качестве главной энергопередаточной среды; и/или пар не используют для совершения механической работы; элемент 8, в котором большую часть, определенную часть или весь пар, используемый в секции получения синтез-газа, одной или нескольких, большинстве или всех паровых турбинах установки или их сочетании, производят с использованием электричества; элемент 9, в котором выполнение отвода тепла не включает в себя производство пара с целью использования для совершения механической работы; элемент 10, в котором сжатие очищенного газа, сжатие газового потока, содержащего азот и водород, сжатие воздуха для ввода в процесс или их сочетание заключает в себе сжатие компрессором, приводимым в действие электродвигателем, турбиной с электрическим приводом или турбиной, приводимой в действие паром, полученным с использованием электричества, по меньшей мере, в одном, большинстве или всех используемых компрессорах; элемент 11, дополнительно включающий в себя использование термоэлектрического устройства для преобразования некоторого количества тепла, отводимого в виде Q2, Q3, Q5, Q7 и/или Q8, в электрическую энергию; элемент 12, дополнительно включающий в себя использование электронагрева для контролирования температурного профиля любого или всех из числа реакторов секции получения синтез-газа, реакторов сдвига, используемых для осуществления реакции сдвига, реакторов метанирования, используемых для превращения в метан, и реакторов синтеза аммиака, используемых для получения продукта, содержащего аммиак из сырья синтеза аммиака; элемент 13, в котором, по меньшей мере, один из числа реакторов секции получения синтез-газа выполнен с возможностью, по меньшей мере, приближения к изотермическому режиму работы; элемент 14, в котором система для удаления диоксида углерода включает в себя извлечение амина и в котором извлечение амина осуществляют при помощи электронагрева; элемент 15, в котором электронагрев выполняют посредством погружного нагревателя; элемент 16, дополнительно включающий в себя обеспечение некоторой части или всего тепла Q1, требующегося для достижения температуры реакции на стадии (a), путем подачи пара в один или несколько реакторов секции получения синтез-газа, при этом пар перегревают с использованием электричества; элемент 17, дополнительно включающий в себя обеспечение наличия азота в сырье синтеза аммиака при помощи узла разделения воздуха (ASU), питаемого возобновляемой электрической энергией, в силу чего сырье синтеза аммиака содержит пониженное количество аргона и/или другого инертного вещества, по сравнению с традиционной операцией; элемент 18, в котором пониженное количество аргона и/или других инертных веществ сокращает отдув из петли синтеза аммиака, по отношению к традиционному синтезу аммиака; элемент 19, дополнительно включающий в себя обеспечение наличия азота в сырье синтеза аммиака путем введения азота из питаемого возобновляемой электрической энергией узла ASU в ходе очистки охлажденного, подвергнутого реакции сдвига синтез-газа или после нее; элемент 20, дополнительно включающий в себя удаление метана из очищенного газа перед сжатием очищенного газа, при этом удаление метана из очищенного газа сокращает объем отдува на стадии (l) из петли синтеза аммиака, используемого для получения продукта, содержащего аммиак, из сырья синтеза аммиака; элемент 21, дополнительно включающий в себя удаление метана из очищенного газа посредством процесса удаления метана, питаемого возобновляемой электрической энергией; элемент 22, в котором процесс удаления метана, питаемый возобновляемой электрической энергией, заключает в себе адсорбцию при переменном давлении (PSA); элемент 23, дополнительно включающий в себя хранение природного газа в случае, когда электрическая энергия доступна и/или ниже пороговой цены, и использование хранимого природного газа в качестве компонента сырья и/или для генерирования электроэнергии, когда электрическая энергия недоступна или выше пороговой цены; элемент 24, дополнительно включающий в себя хранение хладагента, когда электрическая энергия доступна и/или ниже пороговой цены, и использование данного хладагента для охлаждения с целью обеспечения отвода Q2, Q3, Q5, Q7 и/или Q8 тепла, когда электрическая энергия недоступна или выше пороговой цены; элемент 25, в котором хладагент заключает в себе аммиак; элемент 26, дополнительно включающий выделение водорода из потока отдувочного газа и сжигание, по меньшей мере, части выделенного водорода для обеспечения тепла, высокотемпературного пара для использования в качестве реагента при образовании сингаза или в обоих случаях; элемент 27, дополнительно включающий в себя выделение водорода из потока отдувочного газа и, необязательно, хранение, по меньшей мере, части выделенного водорода и преобразование хранимой, по меньшей мере, части водорода в электрическую энергию, когда другие источники электроэнергии не находятся в легкой доступности и/или недоступны по желательной цене; элемент 28, в котором для преобразования водорода в электрическую энергию используют один или несколько топливных элементов; элемент 29, в котором количество потребляемой электрической энергии равно примерно 25 МВт или больше; элемент 30, в котором количество CO2, образующегося на тонну аммиака, равно примерно 1,6 тонны CO2 или меньше, на тонну полученного аммиака; элемент 31, в котором удельный расход энергии равен примерно 12 ГДж или меньше, на тонну полученного аммиака; элемент 32, в котором общий расход метана и/или природного газа и на сырье, и на топливо равен примерно 0,65 тонны или меньше, на тонну полученного аммиака; элемент 33, в котором общий расход метана и/или природного газа на топливо равен примерно 0,20 тонны или меньше, на тонну полученного аммиака; элемент 34, в котором большая часть, либо около 40, 50, 60, 70, 80 или 90% или больше полезной энергии, требуемой для отвода тепла, подвода тепла, сжатия или их сочетания на стадиях (a), (b), (c), (d) или их сочетании, обеспечивается за счет источника неуглеродной энергии, источника возобновляемой энергии, электроэнергии или их сочетания; элемент 35, в котором стадию (a) получения синтез-газа осуществляют без сжигания топлива и/или углеродного топлива; элемент 36, в котором использование источника неуглеродной энергии, источника возобновляемой энергии, электрической энергии или их сочетания для обеспечения большей части, либо около 40, 50, 60, 70, 80 или 90% или больше полезной энергии, требуемой на стадиях (a), (b), (c), (d) или их сочетании, приводит к снижению выбросов парникового газа, по меньшей мере, на 5, 10, 20, 30 или 40%, по отношению к традиционному способу получения аммиака.
ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ РАСКРЫТИЕ. ЧАСТЬ IV
Ниже следуют неограничивающие, конкретные варианты осуществления в соответствии с настоящим раскрытием:
Первый вариант осуществления, который представляет собой способ получения аммиака, включающий в себя: (a) введение сырья, имеющего в своем составе углеродсодержащий материал, выбранный из природного газа, метана, пропана, бутана, СНГ, нафты, угля, нефтяного кокса или их сочетаний, в секцию получения синтез-газа, как например, паровым риформингом или парциальным окислением, для получения продукта, синтез-газа, содержащего водород и монооксид углерода, при этом энергию, требуемую для секции получения синтез-газа, подают в виде подвода Q1 тепла; (b) охлаждение продукта реактора риформинга для получения охлажденного синтез-газа путем осуществления отвода Q2 тепла; (c) проведение реакции сдвига охлажденного синтез-газа для получения подвергнутого реакции сдвига синтез-газового продукта; (d) охлаждение подвергнутого реакции сдвига синтез-газа путем осуществления отвода Q3 тепла для получения охлажденного, подвергнутого реакции сдвига синтез-газа; (e) очистка охлажденного, подвергнутого реакции сдвига синтез-газа путем удаления диоксида углерода из охлажденного, подвергнутого реакции сдвига синтез-газа; путем нагревания при подводе Q4 тепла для получения нагретого газа с пониженным содержанием диоксида углерода; путем метанирования нагретого газа с пониженным содержанием диоксида углерода для получения продукта метанатора; и путем охлаждения и выделения воды из продукта метанатора в результате конденсации при отводе Q5 тепла для получения очищенного газа; (f) сжатие очищенного газа; (g) нагревание сжатого, очищенного газа путем подвода Q6 тепла для получения нагретого газа; (h) получение сырья синтеза аммиака, содержащего нагретый газ, при этом сырье синтеза аммиака содержит водород и азот, причем азот присутствует в синтез- газе или впоследствии добавляется к нему; (i) получение продукта, содержащего аммиак, из сырья синтеза аммиака; (j) охлаждение продукта, содержащего аммиак, путем отвода Q7 тепла для выделения аммиака из продукта, содержащего аммиак, и получения потока рециркуляционного газа, содержащего азот и водород; (k) сжатие газового потока, содержащего азот и водород, циркуляционным компрессором; и/или (l) отдув через систему отдува газа, в котором выполняют дополнительное охлаждение путем отвода Q8 тепла, при этом, по отношению к традиционному способу получения аммиака, большее количество полезной энергии, требуемой для воплощения данного способа или на стадии (a), (b), (c), (d), (e), (f), (g), (h), (i), (j), (k), (l) или их сочетании, (например, полезной тепловой энергии, требуемой, например, для выполнения операций (Q1 + Q4 + Q6 - Q2 - Q3 - Q5 - Q7 - Q8), и/или полезной энергии, требуемой для совершения механической работы) обеспечивается за счет источника неуглеродной энергии, источника возобновляемой энергии и/или электрической энергии.
Второй вариант осуществления, представляющий способ первого варианта осуществления, в котором источник неуглеродной энергии заключает в себе электрическую энергию.
Третий вариант осуществления, который представляет способ получения аммиака, включающий в себя: (a) осуществление риформинга сырья, имеющего в своем составе углеродсодержащий материал, выбранный из природного газа, метана, пропана, бутана, СНГ, нафты, угля, нефтяного кокса или их сочетаний, в реакторе риформинга секции получения синтез-газа для получения продукта реактора риформинга, включающий синтез-газ, содержащий водород и монооксид углерода, при этом температуру риформинга поддерживают путем подвода Q1 тепла; (b) охлаждение продукта реактора риформинга для получения охлажденного продукта реактора риформинга путем выполнения отвода Q2 тепла; (c) проведение реакции сдвига продукта реактора риформинга для получения подвергнутого реакции сдвига синтез-газа; (d) охлаждение подвергнутого реакции сдвига синтез-газа путем выполнения отвода Q3 тепла; (e) очистка охлажденного, подвергнутого реакции сдвига синтез-газа путем удаления диоксида углерода из охлажденного, подвергнутого реакции сдвига синтез-газа; путем нагревания при подводе Q4 тепла для получения нагретого газа с пониженным содержанием диоксида углерода; путем метанирования нагретого газа с пониженным содержанием диоксида углерода для получения продукта метанатора; и путем охлаждения и выделения воды из продукта метанатора в результате конденсации при отводе Q5 тепла для получения очищенного газа; (f) сжатие очищенного газа; (g) нагревание сжатого, очищенного газа путем подвода Q6 тепла для получения нагретого газа; (h) получение сырья синтеза аммиака, содержащего нагретый газ, при этом сырье синтеза аммиака содержит водород и азот; (i) получение продукта, содержащего аммиак, из сырья синтеза аммиака; (j) охлаждение продукта, содержащего аммиак, путем отвода Q7 тепла для выделения аммиака из продукта, содержащего аммиак, и получения потока рециркуляционного газа, содержащего азот и водород; (k) сжатие газового потока, содержащего азот и водород; и/или (l) отдув через систему отдува газа, который осуществляют при отводе Q8 тепла, при этом большая часть полезной тепловой и/или механической энергии, требуемой для воплощения способа, либо одной или нескольких стадий (a)-(l), обеспечивается за счет источника неуглеродной энергии, источника возобновляемой энергии и/или электрической энергии.
Четвертый вариант осуществления, представляющий способ второго или третьего варианта осуществления, в котором электрическую энергию получают из источника возобновляемой энергии.
Пятый вариант осуществления, представляющий способ четвертого варианта осуществления, в котором источник возобновляемой энергии заключает в себе энергию ветра, солнечную, геотермальную, гидроэлектрическую, ядерную, приливную, волновую энергию или их сочетание.
Шестой вариант осуществления, представляющий способ второго или третьего варианта осуществления, в котором энергию, требуемую для секции получения синтез-газа, подают без сжигания топлива или углеродного топлива.
Седьмой вариант осуществления, представляющий способ шестого варианта осуществления, в котором источник неуглеродной энергии включает непостоянный источник энергии (IES) или при его помощи производится электрическая энергия, дополнительно включающий в себя поддержание температуры одного или нескольких реакторов в секции получения синтез-газа без сжигания топлива или углеродного топлива, когда источник IES доступен, и поддержание температуры одного или нескольких реакторов в секции получения синтез-газа путем подачи сохраненной энергии из IES, либо за счет сгорания топлива или углеродного топлива, когда источник IES недоступен.
Восьмой вариант осуществления, представляющий способ второго или третьего варианта осуществления, в котором получение синтез-газа осуществляют в одном или нескольких реакторах парового риформинга, а необходимую энергию подают путем индуктивного или резистивного нагрева на основе электрической энергии, или возобновляемой электрической энергии и включая связанный с этим конвективный, радиантный или другой способ теплопередачи.
Девятый вариант осуществления, представляющий способ второго или третьего варианта осуществления, в котором, за исключением необязательного производства пара для использования в секции получения синтез-газа, пар не используют в качестве главной энергопередаточной среды; и/или пар не используют для совершения механической работы.
Десятый вариант осуществления, представляющий способ второго или третьего варианта осуществления, в котором большую часть, определенную часть или весь пар, используемый в секции получения синтез-газа, одной или нескольких, большинстве или всех паровых турбинах установки, или их сочетании, производят с использованием электричества.
Одиннадцатый вариант осуществления, представляющий способ второго или третьего варианта осуществления, в котором выполнение отвода тепла не включает в себя производство пара с целью использования для совершения механической работы.
Двенадцатый вариант осуществления, представляющий способ второго или третьего варианта осуществления, в котором сжатие очищенного газа, сжатие газового потока, содержащего азот и водород, сжатие воздуха для ввода в процесс или их сочетание заключает в себе сжатие компрессором, приводимым в действие электродвигателем, турбиной с электрическим приводом или турбиной, приводимой в действие паром, полученным с использованием электричества, по меньшей мере, в одном, большинстве или всех используемых компрессорах.
Тринадцатый вариант осуществления, представляющий способ второго или третьего варианта осуществления, дополнительно включающий в себя использование термоэлектрического устройства для преобразования некоторого количества тепла, отводимого в виде Q2, Q3, Q5, Q7 и/или Q8, в электрическую энергию.
Четырнадцатый вариант осуществления, представляющий способ второго или третьего варианта осуществления, дополнительно включающий в себя использование электронагрева для контролирования температурного профиля любого или всех из числа реакторов секции получения синтез-газа, реакторов сдвига, используемых для осуществления реакции сдвига, реакторов метанирования, используемых для превращения в метан, и реакторов синтеза аммиака, используемых для получения продукта, содержащего аммиак, из сырья синтеза аммиака.
Пятнадцатый вариант осуществления, представляющий способ второго или третьего варианта осуществления, в котором, по меньшей мере, один из числа реакторов секции получения синтез-газа работает, по меньшей мере, в приближенном изотермическом режиме.
Шестнадцатый вариант осуществления, представляющий способ второго или третьего варианта осуществления, в котором система для удаления диоксида углерода включает в себя извлечение амина и в котором извлечение амина осуществляют при помощи электронагрева.
Семнадцатый вариант осуществления, представляющий способ шестнадцатого варианта осуществления, в котором электронагрев выполняют посредством погружного нагревателя.
Восемнадцатый вариант осуществления, представляющий способ второго или третьего варианта осуществления, дополнительно включающий в себя обеспечение некоторой части или всего тепла Q1, требующегося для достижения температуры реакции на стадии (a), путем подачи пара в один или несколько реакторов секции получения синтез-газа, при этом пар перегревают с использованием электричества.
Девятнадцатый вариант осуществления, представляющий способ второго или третьего варианта осуществления, дополнительно включающий в себя обеспечение наличия азота в сырье синтеза аммиака при помощи узла разделения воздуха (ASU), питаемого возобновляемой электрической энергией, в силу чего сырье синтеза аммиака содержит пониженное количество аргона и/или другого инертного вещества, по сравнению с традиционной операцией.
Двадцатый вариант осуществления, представляющий способ девятнадцатого варианта осуществления, в котором пониженное количество аргона и/или других инертных веществ сокращает отдув из петли синтеза аммиака, по отношению к традиционному синтезу аммиака.
Двадцать первый вариант осуществления, представляющий способ двадцатого варианта осуществления, дополнительно включающий в себя обеспечение наличия азота в сырье синтеза аммиака путем введения азота из питаемого возобновляемой электрической энергией узла ASU в ходе очистки охлажденного, подвергнутого реакции сдвига синтез-газа или после нее.
Двадцать второй вариант осуществления, представляющий способ второго или третьего варианта осуществления, дополнительно включающий в себя удаление метана из очищенного газа перед сжатием очищенного газа, при этом удаление метана из очищенного газа сокращает объем отдува на стадии (l) из петли синтеза аммиака, используемого для получения продукта, содержащего аммиак, из сырья синтеза аммиака.
Двадцать третий вариант осуществления, представляющий способ двадцать второго варианта осуществления, дополнительно включающий в себя удаление метана из очищенного газа посредством процесса удаления метана, питаемого возобновляемой электрической энергией.
Двадцать четвертый вариант осуществления, представляющий способ двадцать третьего варианта осуществления, в котором процесс удаления метана, питаемый возобновляемой электрической энергией, заключает в себе адсорбцию при переменном давлении (PSA).
Двадцать пятый вариант осуществления, представляющий способ второго или третьего варианта осуществления, дополнительно включающий в себя хранение природного газа в случае, когда электрическая энергия доступна и/или ниже пороговой цены, и использование хранимого природного газа в качестве компонента сырья и/или для генерирования электроэнергии, когда электрическая энергия недоступна или выше пороговой цены.
Двадцать шестой вариант осуществления, представляющий способ второго или третьего варианта осуществления, дополнительно включающий в себя хранение хладагента, когда электрическая энергия доступна или ниже пороговой цены, и использование данного хладагента для охлаждения с целью обеспечения отвода Q2, Q3, Q5, Q7 и/или Q8 тепла, когда электрическая энергия недоступна или выше пороговой цены.
Двадцать седьмой вариант осуществления, представляющий способ двадцать шестого варианта осуществления, в котором хладагент заключает в себе аммиак.
Двадцать восьмой вариант осуществления, представляющий способ второго или третьего варианта осуществления, дополнительно включающий выделение водорода из потока отдувочного газа и сжигание, по меньшей мере, части выделенного водорода для обеспечения тепла, высокотемпературного пара для использования в качестве реагента при образовании сингаза или в обоих случаях.
Двадцать девятый вариант осуществления, представляющий способ второго или третьего варианта осуществления, дополнительно включающий в себя выделение водорода из потока отдувочного газа, необязательно, хранение, по меньшей мере, части выделенного водорода, и преобразование хранимой, по меньшей мере, части водорода в электрическую энергию, когда другие источники электроэнергии не находятся в легкой доступности и/или недоступны по желательной цене.
Тридцатый вариант осуществления, представляющий способ двадцать девятого варианта осуществления, в котором для преобразования водорода в электрическую энергию используют один или несколько топливных элементов.
Тридцать первый вариант осуществления, представляющий способ второго или третьего варианта осуществления, в котором количество потребляемой электрической энергии равно примерно 25 МВт или больше.
Тридцать второй вариант осуществления, представляющий способ первого, второго или третьего варианта осуществления, в котором количество CO2, образующегося на тонну аммиака, равно примерно 1,6 тонны CO2 или меньше, на тонну полученного аммиака.
Тридцать третий вариант осуществления, представляющий способ первого, второго или третьего варианта осуществления, в котором удельный расход энергии равен примерно 12 ГДж или меньше, на тонну полученного аммиака.
Тридцать четвертый вариант осуществления, представляющий способ первого, второго или третьего варианта осуществления, в котором общий расход метана и/или природного газа и на сырье, и на топливо равен примерно 0,65 тонны или меньше, на тонну полученного аммиака.
Тридцать пятый вариант осуществления, представляющий способ первого, второго или третьего варианта осуществления, в котором общий расход метана и/или природного газа на топливо равен примерно 0,20 тонны или меньше, на тонну полученного аммиака.
Тридцать шестой вариант осуществления, представляющий способ получения аммиака, включающий в себя: (a) осуществление реакции (например, путем воплощения таких процессов, как паровой риформинг, парциальное окисление и газификация) углеродсодержащего материала, такого как природный газ, метан, пропан, бутан, СНГ, нафта, уголь или нефтяной кокс, для получения синтез-газа, содержащего монооксид углерода и водород, (b) проведение реакции сдвига синтез-газа для получения подвергнутого реакции сдвига продукта, содержащего повышенное количество водорода, (c) очистка подвергнутого реакции сдвига продукта для получения очищенного газа, содержащего меньшее количество неводородных компонентов и (d) осуществление синтеза аммиака из очищенного газа и, необязательно, дополнительного азота для получения аммиачного продукта, при этом большая часть, либо около 40, 50, 60, 70, 80 или 90% или больше полезной энергии, требуемой на стадиях (a), (b), (c), (d) или их сочетании, обеспечивается за счет источника неуглеродной энергии, источника возобновляемой энергии, электрической энергии или их сочетания.
Тридцать седьмой вариант осуществления, представляющий способ тридцать шестого варианта осуществления, в котором большая часть, либо около 40, 50, 60, 70, 80 или 90% или больше полезной энергии, требуемой для отвода тепла, подвода тепла, сжатия или их сочетания на стадиях (a), (b), (c), (d) или их сочетании, обеспечивается за счет источника неуглеродной энергии, источника возобновляемой энергии, электроэнергии или их сочетания.
Тридцать восьмой вариант осуществления, представляющий способ тридцать шестого варианта осуществления, в котором стадию (a) получения синтез-газа осуществляют без сжигания топлива и/или углеродного топлива.
Тридцать девятый вариант осуществления, представляющий способ тридцать шестого варианта осуществления, в котором использование источника неуглеродной энергии, источника возобновляемой энергии, электрической энергии или их сочетания для обеспечения большей части, либо около 40, 50, 60, 70, 80 или 90% или больше полезной энергии, требуемой на стадиях (a), (b), (c), (d) или их сочетании, приводит к снижению выбросов парникового газа, по меньшей мере, на 5, 10, 20, 30 или 40%, по отношению к традиционному способу получения аммиака.
Сороковой вариант осуществления, представляющий способ получения аммиака, включающий в себя введение сырья, имеющего в своем составе углеродсодержащий материал, такой как природный газ, метан, пропан, бутан, СНГ, нафта, уголь или нефтяной кокс, в секцию получения синтез-газа, как например, секцию парового риформинга или парциального окисления, для получения продукта, синтез-газа, содержащего водород и монооксид углерода, при этом энергию, требуемую для секции получения синтез-газа, подают в виде подвода Q1 тепла; охлаждение продукта, синтез-газа, для получения охлажденного синтез-газа путем осуществления отвода Q2 тепла; проведение реакции сдвига охлажденного синтез-газа для получения подвергнутого реакции сдвига синтез-газового продукта; охлаждение подвергнутого реакции сдвига синтез-газового продукта путем осуществления отвода Q3 тепла для получения охлажденного, подвергнутого реакции сдвига синтез-газа; очистку охлажденного, подвергнутого реакции сдвига синтез-газа путем удаления диоксида углерода из охлажденного, подвергнутого реакции сдвига синтез-газа; путем нагревания при подводе Q4 тепла для получения нагретого газа с пониженным содержанием диоксида углерода; путем метанирования нагретого газа с пониженным содержанием диоксида углерода для получения продукта метанатора; и путем охлаждения и выделения воды из продукта метанатора в результате конденсации при отводе Q5 тепла для получения очищенного газа; сжатие очищенного газа; нагревание сжатого, очищенного газа путем подвода Q6 тепла для получения нагретого газа; получение сырья синтеза аммиака, содержащего нагретый газ и, необязательно, добавленный азот; получение продукта, содержащего аммиак, из сырья синтеза аммиака; охлаждение продукта, содержащего аммиак, путем отвода Q7 тепла для выделения аммиака из продукта, содержащего аммиак, и получения потока рециркуляционного газа, содержащего азот и водород; сжатие газового потока, содержащего азот и водород циркуляционным компрессором, и/или отдув через систему отдува газа, в котором осуществляют дополнительное охлаждение путем отвода Q8 тепла, при этом большую часть или по существу все тепло, отводимое при охлаждении и конденсации воды (например, Q2, Q3, Q5, Q7 и/или Q8) используют только для нагревания других потоков (например, Q1, Q4 и/или Q7) и/или преобразуют в электрическую энергию.
ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ РАСКРЫТИЕ. ЧАСТЬ V
Ниже следуют неограничивающие, конкретные варианты осуществления в соответствии с настоящим раскрытием:
Первый вариант осуществления, который представляет установку синтеза аммиака, включающую в себя секцию предварительной обработки сырья, выполненную с возможностью осуществления предварительной обработки сырьевого потока, содержащего природный газ, метан, пропан, бутан, СНГ, нафту, уголь, нефтяной кокс или их сочетание; секцию получения сингаза, включающую один или несколько реакторов риформинга, выполненную с возможностью осуществления риформинга сырьевого потока для получения потока продуктов реактора риформинга, содержащего монооксид углерода и водород; секцию превращения по реакции сдвига, включающую один или несколько реакторов сдвига, выполненную с возможностью осуществления реакции сдвига водяного газа в потоке продуктов реактора риформинга для получения подвергнутого реакции сдвига газового потока, содержащего больше водорода, чем газовый поток реактора риформинга; секцию очистки, выполненную с возможностью удаления, по меньшей мере, одного компонента из подвергнутого реакции сдвига газового потока и получения сырьевого потока синтеза аммиака, содержащего водород и азот; и секцию синтеза аммиака, включающую один или несколько реакторов синтеза аммиака, выполненную с возможностью получения аммиака из сырьевого потока синтеза аммиака, при этом установка синтеза аммиака потребляет около 25 МВт или больше электроэнергии, при этом количество CO2, образующегося на тонну аммиака, равно примерно 1,6 тонны CO2 или меньше, на тонну полученного аммиака и притом удельный расход энергии равен примерно 12 ГДж или меньше, на тонну полученного аммиака.
Второй вариант осуществления, представляющий установку синтеза аммиака по первому варианту осуществления, в котором установка синтеза аммиака не имеет секции рекуперации тепла топочного газа.
Третий вариант осуществления, представляющий установку синтеза аммиака по первому или второму варианту осуществления, в которой заданная температура риформинга, по меньшей мере, в одном из отдельных или нескольких реакторах риформинга может достигаться без внешнего сгорания топлива или углеродного топлива и в которой один или несколько реакторов риформинга нагревают до заданной температуры риформинга путем нагревания на основе электрической энергии и включая связанный с этим конвективный, радиантный или другой способ теплопередачи.
Четвертый вариант осуществления, представляющий установку синтеза аммиака по любому из вариантов осуществления, от первого до третьего, в которой один или несколько реакторов нагревают индуктивным способом.
Пятый вариант осуществления, представляющий установку синтеза аммиака по любому из вариантов осуществления, от первого до четвертого, в которой за исключением получения пара для использования в реакторе парового риформинга метана или реакторе предварительного риформинга, пар не используют в качестве основной энергопередаточной среды.
Шестой вариант осуществления, представляющий установку синтеза аммиака по любому из вариантов осуществления, от первого до пятого, в которой, по меньшей мере, 25% механической работы, совершаемой на установке синтеза аммиака, выполняют без использования пара. В одном из аспектов, представляющем установку синтеза аммиака по шестому варианту осуществления, по меньшей мере, 25, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 99 или 100% механической работы, выполняемой на установке синтеза аммиака, воплощают без использования пара, например, при помощи одного или нескольких электрифицированных компрессоров. В определенном аспекте, представляющем установку синтеза аммиака по шестому варианту осуществления, по меньшей мере, 50, 60, 70, 80, 90, 99 или 100% механической работы, выполняемой на установке синтеза аммиака, воплощают без использования пара, например, при помощи двух или больше электрифицированных компрессоров. В одном из аспектов, представляющем установку синтеза аммиака по шестому варианту осуществления, по меньшей мере, 50, 60, 70, 80, 90, 99 или 100% механической работы, выполняемой на установке синтеза аммиака, воплощают без применения пара, например, при помощи трех или больше электрифицированных компрессоров, с использованием около 100, 110 или 120 МВт электрической энергии или больше.
Седьмой вариант осуществления, представляющий установку синтеза аммиака по любому из вариантов осуществления, с первого по шестой, в которой, по меньшей мере, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 99 или 100% пара, используемого в реакторе парового риформинга метана, реакторе предварительного риформинга или их сочетании, производят при помощи электронагрева.
Восьмой вариант осуществления, представляющий установку синтеза аммиака по любому из вариантов осуществления, с первого по седьмой, в которой секция предварительной обработки, секция получения сингаза, секция превращения по реакции сдвига, секция очистки, секция синтеза аммиака или их сочетание заключает в себе один или несколько компрессоров и в которой, по меньшей мере, половина из отдельных или нескольких компрессоров выполнены с возможностью работы не с газовым или не с паровым приводом, либо выполнены с возможностью работы при помощи пара, полученного без сжигания топлива.
Девятый вариант осуществления, представляющий установку синтеза аммиака по любому из вариантов осуществления, с первого по восьмой, в которой энергию хранят с использованием сжатого водорода, сжатого сырья в виде природного газа, криогенных жидкостей, тепловых батарей, материала футеровки печи с высоким тепловым содержанием, электрических батарей или их сочетания, так что хранимую энергию на основе водорода, природного газа, криогенных жидкостей, тепловых батарей и электроэнергию можно использовать на установке синтеза аммиака, когда возобновляемая электрическая энергия недоступна.
Десятый вариант осуществления, представляющий установку синтеза аммиака по любому из вариантов осуществления, с первого по девятый, дополнительно включающую в себя устройство для получения электрической энергии, выполненное с возможностью выработки электроэнергии за счет давления или тепла внутри установки синтеза аммиака и в которой устройство для получения электрической энергии заключает в себе детандер, термоэлектрическое устройство или их сочетание.
Одиннадцатый вариант осуществления, представляющий установку синтеза аммиака по любому из вариантов осуществления, с первого по десятый, включающую в себя (a) нагреваемый с использованием электричества реактор парового риформинга, выполненный с возможностью получения водорода, и питаемый электроэнергией узел разделения воздуха (ASU), выполненный с возможностью получения азота для синтеза аммиака, (b) отсутствие реактора автотермического риформинга (АТР) и (c) впускную линию азота, соединяющую по текучей среде узел ASU с одним или несколькими реакторами синтеза аммиака, в результате чего азот из узла ASU можно вводить в один или несколько реакторов синтеза аммиака как компонент сырья.
Двенадцатый вариант осуществления, представляющий способ получения аммиака, включающий в себя (a) введение сырья, имеющего в своем составе углеродсодержащий материал, выбранный из природного газа, метана, пропана, бутана, СНГ, нафты, угля, нефтяного кокса или их сочетаний, в секцию получения синтез-газа, как например, паровым риформингом или парциальным окислением, для получения продукта, синтез-газа, содержащего водород и монооксид углерода, при этом энергию, требуемую для секции получения синтез-газа, подают в виде подвода Q1 тепла, (b) охлаждение продукта реактора риформинга для получения охлажденного синтез-газа путем осуществления отвода Q2 тепла, (c) проведение реакции сдвига охлажденного синтез-газа для получения подвергнутого реакции сдвига синтез-газового продукта, (d) охлаждение подвергнутого реакции сдвига синтез-газа путем осуществления отвода Q3 тепла для получения охлажденного, подвергнутого реакции сдвига синтез-газа, (e) очистку охлажденного, подвергнутого реакции сдвига синтез-газа путем удаления диоксида углерода из охлажденного, подвергнутого реакции сдвига синтез-газа; путем нагревания при подводе Q4 тепла для получения нагретого газа с пониженным содержанием диоксида углерода; путем метанирования нагретого газа с пониженным содержанием диоксида углерода для получения продукта метанатора; и путем охлаждения и выделения воды из продукта метанатора в результате конденсации при отводе Q5 тепла для получения очищенного газа, (f) сжатие очищенного газа, (g) нагревание сжатого, очищенного газа путем подвода Q6 тепла для получения нагретого газа, (h) получение сырья синтеза аммиака, содержащего нагретый газ, при этом сырье синтеза аммиака содержит водород и азот, причем азот присутствует в синтез- газе или добавляется к нему впоследствии, (i) получение продукта, содержащего аммиак, из сырья синтеза аммиака, (j) охлаждение продукта, содержащего аммиак, путем отвода Q7 тепла для выделения аммиака из продукта, содержащего аммиак, и получения потока рециркуляционного газа, содержащего азот и водород, (k) сжатие газового потока, содержащего азот и водород, циркуляционным компрессором; и (l) отдув через систему отдува газа, в котором выполняют дополнительное охлаждение путем отвода Q8 тепла, при этом в данном способе потребляется около 25 МВт или больше электрической энергии в день, при этом количество CO2, образующегося на тонну аммиака, равно примерно 1,6 тонны CO2 или меньше, на тонну полученного аммиака и притом удельный расход энергии равен примерно 12 ГДж или меньше, на тонну полученного аммиака.
Тринадцатый вариант осуществления, представляющий способ по двенадцатому варианту осуществления, в котором общий расход метана и природного газа, как на сырье, так и на топливо равен примерно 0,65 тонны или меньше, на тонну полученного аммиака.
Четырнадцатый вариант осуществления, представляющий способ по двенадцатому или тринадцатому варианту осуществления, в котором общий расход метана и природного газа на топливо равен примерно 0,20 тонны или меньше, на тонну полученного аммиака.
Пятнадцатый вариант осуществления, представляющий способ по любому из вариантов осуществления, с двенадцатого по четырнадцатый, в котором энергию, требуемую для секции получения синтез-газа, подают без сжигания топлива.
Шестнадцатый вариант осуществления, представляющий способ по любому из вариантов осуществления, с двенадцатого по пятнадцатый, в котором источник неуглеродной энергии заключает в себе непостоянный источник энергии (IES) или при его помощи производится электрическая энергия, дополнительно включающий в себя поддержание температуры одного или нескольких реакторов в секции получения синтез-газа без сжигания топлива или углеродного топлива, когда источник IES доступен, и поддержание температуры одного или нескольких реакторов в секции получения синтез-газа путем подачи сохраненной энергии из IES, либо за счет сгорания топлива или углеродного топлива, когда источник IES недоступен.
Семнадцатый вариант осуществления, представляющий способ по любому из вариантов осуществления, с двенадцатого по шестнадцатый, дополнительно включающий в себя использование электронагрева для контролирования температурного профиля, по меньшей мере, одного из реакторов секции получения синтез-газа, реакторов сдвига, используемых для осуществления реакции сдвига, реакторов метанирования, используемых для превращения в метан, и реакторов синтеза аммиака, используемых для получения продукта, содержащего аммиак из сырья синтеза аммиака.
Восемнадцатый вариант осуществления, представляющий способ по семнадцатому варианту осуществления, в котором, по меньшей мере, один из реакторов секции получения синтез-газа работает, по меньшей мере, в приближенном изотермическом режиме.
Девятнадцатый вариант осуществления, представляющий способ по любому из вариантов осуществления, с двенадцатого по восемнадцатый, дополнительно включающий в себя обеспечение некоторой части или всего тепла Q1, требующегося для достижения температуры реакции на стадии (a), путем подачи пара в один или несколько реакторов секции получения синтез-газа, при этом пар перегревают с использованием электричества.
Двадцатый вариант осуществления, представляющий способ по любому из вариантов осуществления, с двенадцатого по девятнадцатый, дополнительно включающий в себя удаление метана из очищенного газа перед сжатием очищенного газа, при этом удаление метана из очищенного газа сокращает объем отдува на стадии (l) из петли синтеза аммиака, используемого для получения продукта, содержащего аммиак, из сырья синтеза аммиака, причем удаление метана из очищенного газа осуществляют посредством процесса удаления метана, питаемого возобновляемой электрической энергией, и при этом процесс удаления метана, питаемый возобновляемой электрической энергией, заключает в себе адсорбцию при переменном давлении (PSA).
Двадцать первый вариант осуществления, представляющий способ по любому из вариантов осуществления, с двенадцатого по двадцатый, дополнительно включающий в себя хранение природного газа в случае, когда электрическая энергия доступна и ниже пороговой цены, и использование хранимого природного газа в качестве компонента сырья и/или для генерирования электроэнергии, когда электрическая энергия недоступна или выше пороговой цены.
Двадцать второй вариант осуществления, представляющий способ по любому из вариантов осуществления, с двенадцатого по двадцать первый, дополнительно включающий в себя хранение хладагента, когда электрическая энергия доступна или ниже пороговой цены, и использование данного хладагента для охлаждения с целью обеспечения отвода Q2, Q3, Q5, Q7 и Q8 тепла, когда электрическая энергия недоступна или выше пороговой цены, и при этом хладагент заключает в себе аммиак.
Двадцать третий вариант осуществления, представляющий способ по любому из вариантов осуществления, с двенадцатого по двадцать второй, дополнительно включающий в себя выделение водорода из потока отдувочного газа, хранение, по меньшей мере, части выделенного водорода, и преобразование хранимой, по меньшей мере, части водорода в электрическую энергию, когда другие источники электроэнергии не находятся в легкой доступности или недоступны по желательной цене, при этом для преобразования водорода в электрическую энергию используют один или несколько топливных элементов.
Двадцать четвертый вариант осуществления, представляющий способ по любому из вариантов осуществления, с двенадцатого по двадцать третий, в котором система для удаления диоксида углерода включает в себя извлечение амина и в котором извлечение амина осуществляют при помощи электронагрева.
Несмотря на то, что показаны и описаны предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, его модифицированные варианты могут быть выполнены специалистом в данной области техники без отступления от указаний данного раскрытия. Варианты осуществления, описанные в настоящем документе, приведены лишь в качестве примеров и не предназначены для ограничения. Многие варианты и модификации настоящего изобретения, раскрытого в данном документе, являются возможными и находятся в пределах объема настоящего изобретения.
Другие многочисленные модификации, эквиваленты и альтернативы станут очевидны специалистам в данной области техники сразу после полного восприятия вышеизложенного раскрытия. Предполагается, что следующая ниже формула изобретения истолковывается как охватывающая все такие модификации, эквиваленты и альтернативы там, где они применимы. Соответственно, объем защиты не ограничивается описанием, изложенным выше, а ограничивается только формулой изобретения, которая следует ниже, при этом указанный объем включает в себя все эквиваленты объекта формулы изобретения. Всякий и каждый пункт формулы изобретения включен в описание как вариант осуществления настоящего изобретения. Таким образом, формула изобретения является добавочным описанием и дополнением к подробному описанию настоящего изобретения. Раскрытия всех патентов, заявок на патенты и публикаций, цитированных в настоящем документе, настоящим включены в виде ссылки.
Claims (52)
1. Установка синтеза аммиака, включающая в себя
секцию предварительной обработки сырья, выполненную с возможностью удаления нежелательных компонентов из потока сырья, содержащего природный газ, метан, пропан, бутан, СНГ, нафту, уголь, нефтяной кокс или их комбинацию, путем регулирования температуры и/или давления предварительной обработки;
секцию получения сингаза, включающую один или несколько реакторов риформинга, выполненную с возможностью осуществления риформинга сырьевого потока для получения потока продуктов реактора риформинга, содержащего монооксид углерода и водород;
секцию превращения по реакции сдвига, включающую один или несколько реакторов сдвига, выполненную с возможностью осуществления реакции сдвига водяного газа в потоке продуктов реактора риформинга для получения подвергнутого реакции сдвига газового потока, содержащего больше водорода, чем газовый поток реактора риформинга;
секцию очистки, выполненную с возможностью удаления по меньшей мере одного компонента из подвергнутого реакции сдвига газового потока и получения сырьевого потока синтеза аммиака, содержащего водород и азот; и
секцию синтеза аммиака, включающую один или несколько реакторов синтеза аммиака, выполненную с возможностью получения аммиака из сырьевого потока синтеза аммиака,
при этом установка синтеза аммиака сконфигурирована с возможностью потребления 25 МВт или больше электрической энергии,
причём количество CO2, образующегося на тонну аммиака, составляет 1,6 тонны CO2 или меньше на тонну полученного аммиака, и
притом удельный расход энергии составляет 12 ГДж или меньше на тонну полученного аммиака, и
установка синтеза аммиака сконфигурирована таким образом, что более 50% полезной энергии, потребляемой секцией предварительной обработки сырья, секцией выработки синтез-газа, секцией превращения по реакции сдвига, секцией очистки и секцией синтеза аммиака, обеспечивается за счет электроэнергии.
2. Установка синтеза аммиака по п. 1, не имеющая секции рекуперации тепла топочного газа.
3. Установка синтеза аммиака по п. 1, в которой заданная температура риформинга по меньшей мере в одном из отдельных или нескольких реакторах риформинга может достигаться без внешнего сгорания топлива или углеродного топлива и в которой один из одного или несколько реакторов риформинга нагревают до заданной температуры риформинга путём нагревания на основе электрической энергии и включая связанный с этим конвективный, радиантный или другой способ теплопередачи.
4. Установка синтеза аммиака по п. 1, в которой один или несколько реакторов содержат устройство для отвода тепла, приводимое в действие электрической энергией.
5. Установка синтеза аммиака по п. 1, в которой за исключением получения пара для использования в реакторе парового риформинга метана или реакторе предварительного риформинга, пар не используют в качестве основной энергопередаточной среды.
6. Установка синтеза аммиака по п. 1, которая сконфигурирована таким образом, что по меньшей мере 25% механической работы, совершаемой на установке синтеза аммиака, выполняют без использования пара.
7. Установка синтеза аммиака по п. 1, которая сконфигурирована таким образом, что по меньшей мере 50% пара, используемого в реакторе парового риформинга метана, реакторе предварительного риформинга или их комбинации, производят при помощи электронагрева.
8. Установка синтеза аммиака по п. 1, в которой секция предварительной обработки, секция получения сингаза, секция превращения по реакции сдвига, секция очистки, секция синтеза аммиака или их комбинации включают один или несколько компрессоров и в которой по меньшей мере половина из отдельных или нескольких компрессоров выполнены с возможностью работы не с газовым или не с паровым приводом, либо выполнены с возможностью работы при помощи пара, полученного без сжигания топлива.
9. Установка синтеза аммиака по п. 1, в которой подаваемая электроэнергия является возобновляемой, и установка синтеза аммиака дополнительно содержит сохраненную энергию, выбранную из группы сжатого водорода, сжатого сырья в виде природного газа, криогенных жидкостей, тепловых батарей, материала футеровки печи с высоким тепловым содержанием, электрических батарей или их комбинации, причем сохраненная энергия предназначена для использования на установке синтеза аммиака, когда возобновляемая электрическая энергия недоступна.
10. Установка синтеза аммиака по п. 1, дополнительно включающая устройство для получения электрической энергии, выполненное с возможностью выработки электроэнергии за счёт давления или тепла внутри установки синтеза аммиака и в которой устройство для получения электрической энергии включает детандер, термоэлектрическое устройство или их сочетание.
11. Установка синтеза аммиака по п. 1, включающая (a) нагреваемый с использованием электричества реактор парового риформинга, выполненный с возможностью получения водорода, и питаемый электроэнергией узел разделения воздуха (ASU), выполненный с возможностью получения азота для синтеза аммиака, (b) отсутствие реактора автотермического риформинга (АТР), и (c) впускную линию азота, соединяющую по текучей среде узел ASU с одним или несколькими реакторами синтеза аммиака, в результате чего азот из узла ASU можно вводить в один или несколько реакторов синтеза аммиака как компонент сырья.
12. Способ получения аммиака, содержащий стадии, на которых
(a) вводят сырьё, имеющее в своём составе углеродсодержащий материал, выбранный из природного газа, метана, пропана, бутана, СНГ, нафты, угля, нефтяного кокса или их комбинаций, в секцию получения синтез-газа для получения синтез-газа, содержащего водород и монооксид углерода, при этом энергию, требуемую для секции получения синтез-газа, подают в виде подвода Q1 тепла;
(b) охлаждают продукт реактора риформинга для получения охлаждённого синтез-газа путём осуществления отвода Q2 тепла;
(c) осуществляют реакцию сдвига охлаждённого синтез-газа для получения подвергнутого реакции сдвига синтез-газа;
(d) охлаждают подвергнутый реакции сдвига синтез-газ путём осуществления отвода Q3 тепла для получения охлаждённого, подвергнутого реакции сдвига синтез-газа;
(e) очищают охлаждённый, подвергнутый реакции сдвига синтез-газ следующим образом:
удаляют диоксид углерода из охлаждённого, подвергнутого реакции сдвига синтез-газа;
нагревают путём подвода Q4 тепла для получения нагретого газа с пониженным содержанием диоксида углерода;
осуществляют реакцию метанирования нагретого газа с пониженным содержанием диоксида углерода для получения продукта метанатора; и
охлаждают и выделяют воду из продукта метанатора в результате конденсации при отводе Q5 тепла для получения очищенного газа;
(f) сжимают очищенный газ;
(g) нагревают сжатый, очищенный газ путём подвода Q6 тепла для получения нагретого газа;
(h) получают сырьё синтеза аммиака, содержащее нагретый газ, причем сырьё синтеза аммиака содержит водород и азот, при этом азот присутствует в синтез-газе или добавляется к нему впоследствии;
(i) получают продукт, содержащий аммиак, из сырья синтеза аммиака;
(j) охлаждают продукт, содержащий аммиак, путём отвода Q7 тепла для выделения аммиака из продукта, содержащего аммиак, и получения потока рециркуляционного газа, содержащего азот и водород;
(k) сжимают газовый поток, содержащий азот и водород, циркуляционным компрессором; и
(l) осуществляют отдув через систему отдува газа, в ходе которого выполняют дополнительное охлаждение путём отвода Q8 тепла,
при этом в данном способе потребляется 25 МВт или больше электрической энергии в день,
при этом количество CO2, образующегося на тонну аммиака, равно 1,6 тонны CO2 или меньше на тонну полученного аммиака, а удельный расход энергии равен 12 ГДж или меньше на тонну полученного аммиака.
13. Способ по п. 12, в котором общий расход метана и природного газа, как на сырьё, так и на топливо, равен 0,65 тонны или меньше на тонну полученного аммиака.
14. Способ по п. 12, в котором общий расход метана и природного газа на топливо равен 0,20 тонны или меньше на тонну полученного аммиака.
15. Способ по п. 12, в котором энергию, требуемую для секции получения синтез-газа, подают без сжигания топлива.
16. Способ по п. 12, в котором источник неуглеродной энергии включает непостоянный источник энергии (IES) или с помощью IES производят электрическую энергию, и дополнительно включает поддержание температуры одного или нескольких реакторов в секции получения синтез-газа без сжигания топлива или углеродного топлива, когда источник IES доступен, и поддержание температуры одного или нескольких реакторов в секции получения синтез-газа путём подачи сохранённой энергии из IES, либо за счёт сгорания топлива или углеродного топлива, когда источник IES недоступен.
17. Способ по п. 12, дополнительно включающий использование электронагрева для контролирования температурного профиля по меньшей мере одного из реакторов секции получения синтез-газа, реакторов сдвига, используемых для осуществления сдвига, реакторов метанирования, используемых для осуществления реакции метанирования, и реакторов синтеза аммиака, используемых для получения продукта, содержащего аммиак из сырья синтеза аммиака.
18. Способ по п. 17, в котором по меньшей мере один из реакторов секции получения синтез-газа работает по меньшей мере в изотермическом режиме.
19. Способ по п.12, дополнительно включающий обеспечение некоторой части или всего тепла Q1, требующегося для достижения температуры реакции на стадии (a), путём подачи пара в один или несколько реакторов секции получения синтез-газа, при этом пар перегревают с использованием электричества.
20. Способ по п.12, дополнительно включающий удаление метана из очищенного газа перед сжатием очищенного газа, при этом удаление метана из очищенного газа сокращает объём отдува на стадии (l) из петли синтеза аммиака, используемого для получения продукта, содержащего аммиак, из сырья синтеза аммиака, причём удаление метана из очищенного газа осуществляют посредством процесса удаления метана, питаемого возобновляемой электрической энергией, и при этом процесс удаления метана, питаемый возобновляемой электрической энергией, включает адсорбцию при переменном давлении (PSA).
21. Способ по п. 12, дополнительно включающий хранение природного газа в случае, когда электрическая энергия доступна и ниже пороговой цены, и использование хранимого природного газа в качестве компонента сырья или для генерирования электроэнергии, когда электрическая энергия недоступна или выше пороговой цены.
22. Способ по п. 12, дополнительно включающий хранение хладагента, когда электрическая энергия доступна или ниже пороговой цены, и использование данного хладагента для охлаждения с целью обеспечения отвода Q2, Q3, Q5, Q7 и Q8 тепла, когда электрическая энергия недоступна или выше пороговой цены, и при этом хладагент включает аммиак.
23. Способ по п. 12, дополнительно включающий выделение водорода из потока отдувочного газа, хранение по меньшей мере части выделенного водорода, и преобразование хранимой по меньшей мере части водорода в электрическую энергию, когда другие источники электроэнергии не являются легкодоступными или недоступны по желательной цене, при этом для преобразования водорода в электрическую энергию используют один или несколько топливных элементов.
24. Способ по п. 12, в котором система для удаления диоксида углерода включает извлечение амина и в котором извлечение амина осуществляют при помощи электронагрева.
25. Способ по п. 12, в котором в секции получения синтез-газа синтез-газ получают путем парового риформинга или парциального окисления.
Applications Claiming Priority (13)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US62/792,622 | 2019-01-15 | ||
| US62/792,635 | 2019-01-15 | ||
| US62/792,627 | 2019-01-15 | ||
| US62/792,615 | 2019-01-15 | ||
| US62/792,637 | 2019-01-15 | ||
| US62/792,633 | 2019-01-15 | ||
| US62/792,634 | 2019-01-15 | ||
| US62/792,632 | 2019-01-15 | ||
| US62/792,636 | 2019-01-15 | ||
| US62/792,617 | 2019-01-15 | ||
| US62/792,612 | 2019-01-15 | ||
| US62/792,631 | 2019-01-15 | ||
| US62/792,619 | 2019-01-15 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2021123901A RU2021123901A (ru) | 2023-02-16 |
| RU2828012C2 true RU2828012C2 (ru) | 2024-10-07 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5122299A (en) * | 1989-12-11 | 1992-06-16 | The M. W. Kellogg Company | Autothermal steam reforming process |
| US5180570A (en) * | 1992-01-23 | 1993-01-19 | Lee Jing M | Integrated process for making methanol and ammonia |
| RU2534092C2 (ru) * | 2008-11-28 | 2014-11-27 | Хальдор Топсеэ А/С | Способ совместного производства метанола и аммиака из исходного углеводородного сырья |
| RU2570659C2 (ru) * | 2010-05-26 | 2015-12-10 | ДжиТиЭлПЕТРОЛ ЭлЭлСи | Производство аммиака с использованием ультрачистого водорода высокого давления |
| RU2617772C2 (ru) * | 2012-02-24 | 2017-04-26 | Касале Са | Способ получения синтез-газа для синтеза аммиака и соответствующая внешняя секция установки для получения аммиака |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5122299A (en) * | 1989-12-11 | 1992-06-16 | The M. W. Kellogg Company | Autothermal steam reforming process |
| US5180570A (en) * | 1992-01-23 | 1993-01-19 | Lee Jing M | Integrated process for making methanol and ammonia |
| RU2534092C2 (ru) * | 2008-11-28 | 2014-11-27 | Хальдор Топсеэ А/С | Способ совместного производства метанола и аммиака из исходного углеводородного сырья |
| RU2570659C2 (ru) * | 2010-05-26 | 2015-12-10 | ДжиТиЭлПЕТРОЛ ЭлЭлСи | Производство аммиака с использованием ультрачистого водорода высокого давления |
| RU2617772C2 (ru) * | 2012-02-24 | 2017-04-26 | Касале Са | Способ получения синтез-газа для синтеза аммиака и соответствующая внешняя секция установки для получения аммиака |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN113993816B (zh) | 可再生能量在氨合成中的使用 | |
| EP3730456A1 (en) | Use of renewable energy in ammonia synthesis | |
| CN114538376B (zh) | 用于生产和分离氢气和二氧化碳的系统和方法 | |
| EP3725865A1 (en) | Use of renewable energy in olefin synthesis | |
| KR102292411B1 (ko) | 수소생산을 위한 석유코크스 합성가스화 공정 중 수성가스전환반응을 통한 고순도 수소생산 시스템 | |
| EP3730592A1 (en) | Use of renewable energy in olefin synthesis | |
| US20220348461A1 (en) | Process for the conversion of carbon dioxide | |
| EP3730473A1 (en) | Use of renewable energy in methanol synthesis | |
| AU2021286875B2 (en) | Method for the production of hydrogen | |
| EP3730474A1 (en) | Use of renewable energy in methanol synthesis | |
| WO2015160609A1 (en) | Method and system for oxygen transport membrane enhanced integrated gasifier combined cycle (igcc) | |
| RU2828012C2 (ru) | Применение возобновляемой энергии в синтезе аммиака | |
| RU2827015C2 (ru) | Установка и способ для синтеза метанола с применением возобновляемой энергии | |
| EP3730457A1 (en) | Use of renewable energy in ammonia synthesis | |
| EP3725400A1 (en) | Use of intermittent energy in the production of chemicals | |
| RU2826998C2 (ru) | Применение возобновляемой энергии в синтезе олефинов | |
| Morico et al. | Molten Salt Solar Steam Reforming: Process Schemes Analysis | |
| RU2431208C1 (ru) | Способ хемотермической передачи тепловой энергии | |
| EP3725399A1 (en) | Use of intermittent energy in the production of chemicals | |
| CN116018331A (zh) | 具有涡轮增压器的甲烷化 |