CN103987443B - 改进的硝酸生产 - Google Patents
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Abstract
一种用于通过向硝酸生产过程的吸收柱加入臭氧来降低该生产过程的尾气中的氮氧化物水平的方法。通过向吸收柱加入二次空气和氧气的混合物还增强了硝酸的形成。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2011年8月22日提交的美国临时申请号61/525,899的优先权。
发明背景
本发明提供为硝酸生产过程中的尾气流提供更低的氮氧化物排放物,由此改进硝酸的制造。
硝酸一般通过在贵金属催化剂和空气下氨的高温氧化进行制造的。随着热回收设备中过程气流的冷却,氨的氧化主要导致NO一氧化氮的形成。在冷却过程中,大量的NO在过程气流中所存在的氧中氧化成NO2,同时一些水蒸气也发生冷凝。在吸收设备的多个级中,该包含气流的NO和NO2以逆流的方式接触水介质,以形成硝酸水溶液。在气相和液相以及在有关设备中的冷却、冷凝和吸收过程中出现许多反应。硝酸吸收是最为复杂的工业实施吸收***。随着过程气流流过气液接触的多个级,氮氧化物(NOx)浓度逐渐耗尽。在末级中,过程气流中的NOx浓度非常低,其体积通常小于0.5%,洗涤介质是过程水(水性馈送流)。
温度、压力和气液速度是一些重要参数,通常这些参数对吸收和过程产生影响,从而影响所生成的硝酸溶液的浓度和可以获得的尾气中的氮氧化物的最终浓度。加热在高于环境的压力工作的发电站的吸收过程产生的尾气,在排放至大气之前在涡轮膨胀器中回收加压气流的能量。
通常,在更高吸收压力工作的发电站倾向于具有低排放物。随着环境问题的日益严重和更严格规定日益增加,当前建造工厂倾向于在13巴较高压力工作的额定值,而旧式发电站,尤其是那些几十年前建造的发电站,设计为在接近大气压力工作。在工业发达的国家中,在大气压力工作的大多数硝酸生产设备已经削减,因为固有的更高氮氧化物排放物。
通常,尾气中可允许NOx排放物的极限限定为所产生的每吨硝酸中NOx排放物的磅数。尽管具有更低压力的一些旧式发电站具有更高的NOx排放物,但是他们通常不需要满足新近发电站所需的较新和更严格的标准。
存在许多技术和工业实施来降低尾气中NOx排放物。更广泛的建议是选择性催化还原(SCR)、选择性非催化还原(SNCR)、非选择性非催化还原法、用碱性溶液洗涤,以形成硝酸盐和亚硝酸盐,并延长在吸收柱中大约4℃低温下水洗。NOx排放物控制方法的选择和实践将取决于硝酸生产过程的工作参数、法规要求及经济吸引力变化。
近年来,在高压工作的现代硝酸生产工厂具有吸收设备中的低温延长吸收部件,以降低氮氧化物排放物。在设备的尾气部件中吸收工艺的温度降低。在延长吸收部件中,与吸收设备的剩余部分相比较,尾气长时间保持在低温状态,且具有远低于历史实践的排放物。该方法在利用中压和低压工艺充分降低排放物方面并不是很有效。
因此,低压和中压工艺倾向于基于实现更低排放物的还原过程选择技术。这些基于还原的技术(SCR、SNCR等)需要在吸收工艺下游增加设备。还原过程需要更高的工作温度,因此必须在还原过程设备的上游加热尾气流。硝酸生产是严格加热集成的,例如需要冷却的气流为需要加热的气流提供热量,并且过量的热用于产生可以输出的气流。
适应和使还原过程包括在新发电站的硝酸生产的加热外壳内较容易,但是当改装已经用于生产的现有安装设备则成本较高。各种挑战包括再设计热回收和变换工艺过程设计、在现有布局中适应额外的设备、创建用于工作的新过程参数、在改装和启动以及处理过程干扰的期间的生产损耗。在正常工作期间,尤其是在启动和干扰监控期间,排气管中的还原剂的二次排放物是额外承担发电站工作。改装氮氧化物还原过程的费用负担对于低压小型发电站更加明显。
为了实现非常低的NOx排放物,臭氧处理尾气的NOx氧化是一种可选方法。美国专利号5,206,002讲授,为了有效地消除氮氧化物,向为尾气流中喷射臭氧,并通过足够将大量NO转化成N2O5的充足滞留时间和在水介质中吸收,允许臭氧与尾气流混合和反应。该专利中描述的工艺可以应用于在排放至大气之前离开涡轮膨胀器的排气流。然而,这需要在大量资本投资情况下提供独立的工艺设备,并将导致洗涤器净化流和湿反应堆。
硝酸是工业使用的基本低价化学商品之一,主要用于生产化肥。对化肥的需求是周期性的,对于较小型的发电站,通过富集二次空气和氧气增加硝酸的生产有时在经济上有吸引力。在某些工业发达国家,增加硝酸生产量,即使通过氧气富集,会引发环境再允许问题,这需要实施最先进的氮氧化物还原技术或处于使总氮氧化物排放物保持在允许限额内的最低限度。
本发明中的方法是将基于臭氧氧化集成在硝酸吸收***中,其不仅在不会显著改变或修改设备的情况下在降低氮氧化物排放物方面提供弹性,而且还允许硝酸生产集中于利用或不利于氧气富集最大化产量。与此相反,所有基于还原的氮氧化物控制技术需要将影响硝酸生产的加热外壳或热输入改变与主要过程改进。
发明概述
因此,本发明揭示了一种用于消除硝酸生产过程的尾气流中的污染物的方法,其中从吸收柱回收硝酸包括向吸收柱中加入臭氧。
在另一个实施例中,揭示了一种用于消除硝酸生产过程的尾气流中的污染物的方法,其中从吸收柱中回收硝酸包括向吸收柱馈送过程气流和氧含量提高的气流,同时向吸收柱中加入臭氧。
在又一个实施例中,揭示了一种用于生产硝酸的方法,包括下列步骤:
a)使氨在氨转化器中起反应;
b)向废热回收单元馈送来自步骤a)的反应产物;
c)向热交换器馈送来自步骤b)的反应产物,由此加热反应产物;
d)向冷却冷凝器馈送来自步骤c)的反应产物,由此冷却反应产物;
e)向吸收柱馈送来自步骤d)的经冷却反应产物,其中硝酸从尾气中分离;以及
f)向吸收柱馈送臭氧,以与尾气中的污染物起反应。
通过本发明的方法处理的污染物通常是氮氧化物。吸收柱通常是还可以是具有大约20到大约70个板的板式柱的多级吸收柱。臭氧将接触位于板之间的氮氧化物。在压力提高到大约与吸收柱的压力相同之后,臭氧可以加入到吸收柱的末级中。通过向吸收柱引入氧气还可以实现氧气富集。
因此,本发明通过降低硝酸生产过程中的尾气流中的氮氧化物排放物同时增强硝酸生产来解决以上这些问题。
本发明提供硝酸生产设施的优势。对硝酸生产过程本身不需要改进,并且对硝酸生产期间使用的设备也不需要改进。对加热回收方案和相关设备无需改进。不仅控制氮氧化物排放物而且转化,以递增地增加硝酸的生产。任何安装都是相对简单且可控的。
氮氧化物排放物比通过其它已知技术产生的量要少。通过如法规允许的增加所加入的臭氧量可以递增地降低尾气中的氮氧化物排放物。最后,通过臭氧的发明使用没有二次排放物。
通过在最后的吸收级加入臭氧降低离开吸收设备的尾气中的氮氧化物浓度,其中尾气从硝酸吸收设备中排出。同样地,非常少的额外处理设备和吸收设备的最少改进能够将尾气中的氮氧化物浓度还原为低于当前环境法规。
臭氧将吸收设备末级的氮氧化物氧化为N2O5。利用臭氧氧化氮氧化物比利用氧气氧化快几个数量级。板或末级之间的空间为NO理想地转化成N2O5提供充足的空间。N2O5溶解度较高,导致完全溶解在末级水介质。N2O5的吸收或溶解形成硝酸盐。在未形成亚硝酸盐时,末级不出现分解反应,因此不解吸NO。吸收的氮氧化物保留在末级作为稳定的硝酸。
附图简介
图1是典型的硝酸生产过程的示意图。
图2是集成有臭氧氧化***的硝酸生产过程的示意图。
图3是集成有臭氧氧化和氧气富集的硝酸生产过程的示意图。
图4是描绘出了氧化、吸收、和解吸所有出现在给定级的示意图。
图5是描绘出了在末级的氧化和吸收的示意图(尾气部分)。
发明详述
转向图1,示出了硝酸生产过程的示意图。空气通过线路1馈送至压缩机A,该压缩机将压缩空气通过线路2馈送给氨转化器B。氨通过线路4馈送至具有空气的预混合料,并且氨经受以存在于氨转化器B中的贵金属催化剂表面上的高温氧化。该氧化反应是高度放热的,并将氨转化成氮氧化物。通过线路5离开氨转化器B的过程气流主要由氮和剩余氧气、处于蒸气形式的水和氮氧化物(尤其是NO)构成。在废热回收单元C中回收废热中的来自离开氨转化器的过程气流的热,以形成在线路6中的高压气流,在热交换器D中加热尾气,并在冷却冷凝器E中进一步消除。此时,作为线路6中的气流回收的高温热可以输出,从而产生功率或用于该过程的其它部分。
通过线路7经热交换器D馈送的过程气流接着穿过线路8,在冷却器/冷凝器E中进一步冷却,因通过线路9馈送至E的水出现在过程气流中的水蒸气的一部分冷凝。在热回收和冷却部件D和E中,过程气体中主要是二价形式的氮氧化物(主要是NO)氧化成四价形式(NO2)。形成NO2引起过程气流中形成各种其它氧化物,例如N2O4、N2O3和含氧酸(HNO2和HNO3)。水和含氧酸在冷却冷凝器E中冷凝,某些氮氧化物在冷凝物中溶解形成含氧酸。采集由弱硝酸和亚硝酸构成的冷凝气流,并通过线路12馈送至吸收设备柱F中合适的级。
在低压、中压或高压硝酸生产过程中,离开冷却器的过程气体通过线路10引入到多级吸收设备中,例如板式柱,在板式柱中大气压力法使多个填充柱串联为吸收***。
典型的板式柱具有超过20和多达70个板,作为气液接触级。补充的空气通过线路11加入线路10,然后至冷却的过程气流,以便提供将NO(二价氧化氮)氧化成NO2(四价氧化氮)所需的额外氧气。还通过在维持产品酸性的吸收柱F底部的漂白剂(bleacher)部分使部分补充空气18沸腾。过程气流引入在底部的吸收柱F中,并通过接触级逐渐向上升起,同时在柱顶部引入过程水的水蒸气,以向下流动。因吸收NOx在水相形成硝酸。板之间的空间提供将NO气相氧化成NO2的氧化反应时间,而气液接触级(板)提供气体吸收至水相必需的表面积。
产品硝酸是通过线路13从吸收柱F回收的,在线路13指向用于进一步处理或存储的设备。通过线路10进入吸收柱F的过程气流会经历以下所述的吸收和氧化反应,最终导致尾气流。尾气离开吸收柱F通过顶部通过线路15到达热交换器D。通过热交换和通过线路7进入的过程气流间接加热尾气流。加热的尾气流17馈送至涡轮膨胀器G,在涡轮膨胀器G中来自尾气流的压力能量回收,然后通过排气管排放气流3。
在气相和液相期间同时进行许多反应。请参考Suchak等人的出版物(1991,1994)。为了简短起见,我们已经如下简化氧化反应和吸收反应:
存在氧气时冷却NO导致在气相氧化NO
6NO+3O2→6NO2……………..(1)
NO2二聚成N2O4
6NO2→3N2O4……………..(2)
当该气体与水性液体介质接触时,N2O4的吸收和与水的反应形成水性液相的HNO3和HNO2
3N2O4+3H2O→3HNO3+3HNO2……..(3)
HNO2在水性液相中是不稳定的,会分解成NO和硝酸。具有极差溶解性的NO将释放回气相。
3HNO2→HNO3+2NO+H2O…………..(4)
因此,使反应1-4相加,我们得出
6NO+3O2+3H2O→4HNO3+2NO+H2O……..(5)
至于反应5,每摩尔NO的氧化和吸收再次会生成三分之一摩尔的NO,并在气相释放。
因此,当以逆流方式接触气体和液体时,因分解反应离开的气流携带从液体释放的NO。因此,在多级吸收设备中,诸如板式柱,在两级之间的气相氧化NO,和在液相分解HNO2。当气体液体开始接触板时,同时进行N2O4的吸收和NO的解吸。
图4示出了在给定级出现的所有氧化、吸收和分解。
接触级(板)的一部分具有冷却性能,以便消除在吸收期间释放的过量的热量,并进一步促进板之间的气相氧化NO。
随着过程气流接近吸收柱的末级,将显著消耗NOx的浓度,由过程气体中存在的氧气氧化低浓度NO不够快,在板式柱之间的空间无法有效地将二价氮氧化物转化成四价形式。NO2二聚成N2O4还限制在低浓度,以在水相中有效地吸收。
根据动力学数据还可知,通过降低气相的温度可以增强NO的氧化。因此,NO氧化可以通过当其接近低浓度时降低吸收级的温度实现,和通过增加氧气的分压实现。
过程气体中的氧气浓度由总吸收压力和计量的过量空气表示。对于中、低和环境压力吸收过程,末级的氧气浓度或分压力较低,且氧化过程缓慢。通过增加过量空气,氧气浓度增加,但是还导致总气流增加,这将降低用于在两板之间氧化NO的滞留时间。另一方面,通过利用气态氧代替某些二次空气可以由氧气富集提高氧气浓度。通过提高氧气浓度降低尾气中的氮氧化物代价高昂,仅仅因为生成氧气的成本过高,除非连同生产集约化。
在高压过程中,氧气的分压力远远高于中压或低压过程,在末吸收级将温度降低至4°C可以延长吸收,和进一步降低尾气中的氮氧化物水平。
图2示出了利用臭氧氧化改装的硝酸生产过程。图1中的编号编排到臭氧的增加点。空气通过线路1馈送至压缩机A,该压缩机A将压缩空气通过线路2馈送至氨转化器B。氨通过线路4馈送至含有空气的预混合料,并且氨经受以存在于氨转化器B中的贵金属催化剂表面上的高温氧化。该氧化反应是高度放热的,并将氨转化成氮氧化物。通过线路5离开氨转化器B的过程气流主要由氮和剩余氧气、处于蒸气形式的水和氮氧化物(尤其是NO)构成。在废热回收单元C中回收来自离开氨转化器的过程气流的热,以形成在线路6中的高压气流,并且在热交换器D中加热尾气和在冷却冷凝器E中加热锅炉给水。此时,可以输出回收的作为线路6中流的高温热,以生成功率或用于过程内的其它地方。
通过线路7通过热交换器D馈送的过程气体然后穿过线路8进入冷却/冷凝器E,其中因冷却水通过线路9馈送至E,过程气流中存在的水蒸气的一部分冷凝。在热回收和冷却部件D和E中,过程气流中主要是二价形式的氮氧化物(NO)氧化成四价形式(NO2)。形成NO2引起在过程气流中形成各种其它氧化物,如N2O4、N2O3和含氧酸(HNO2和HNO3)。水和含氧酸在冷却冷凝器E中冷凝,某些氮氧化物溶解在冷凝物中,形成含氧酸。采集由弱硝酸和亚硝酸构成的冷凝流,并通过线路12馈送至吸收设备柱F中合适的级。
在低压、中压或高压硝酸生产过程中,离开冷却器的过程气体通过线路10引入到多级吸收设备中,例如板式柱,在板式柱中大气压力法使多个填充柱串联为吸收***。
典型的板式柱具有超过20和多达70个板,作为气液接触级。补充空气通过线路11加入线路10,然后至冷却的过程气流,以便提供将NO(二价氧化氮)氧化成NO2(四价氧化氮)所需的额外氧气。还通过在维持产品酸性的吸收柱F底部的漂白剂部分使部分补充空气18沸腾。过程气流引入在底部的吸收柱F中,并通过接触级逐渐向上升起,同时在柱顶部引入过程水的水蒸气,以向下流动。因吸收NOx在水相形成硝酸。板之间的空间提供将NO气相氧化成NO2的氧化反应时间,而气液接触级(板)提供气体吸收至水相必需的表面积。
产品硝酸是通过线路13从吸收柱F回收的,在线路13指向用于进一步处理或存储的设备。通过线路10进入吸收柱F的过程气流会经历以上概述的吸收和氧化反应,直到将通过线路16引入臭氧的末吸收级。尾气离开吸收柱F通过顶部通过线路15到达热交换器D。通过热交换和通过线路7进入的过程气流间接加热尾气流。加热的尾气流17馈送至涡轮膨胀器G,在涡轮膨胀器G中来自尾气流的压力能量回收,然后通过排气管排放气流3。
臭氧是根据典型的臭氧生产单元(未示出)的氧气生成,如果必要,通过压缩机将含有氧气的臭氧压力升高至吸收设备的压力。含有气流的臭氧通过线路16进入吸收柱F的末吸收级。
利用臭氧氧化氮氧化物比利用氧气氧化快几个数量级。吸收设备的末级中的板之间的空间为NO理想地转化成N2O5(五价形式)提供充足的空间。由于五价形式是高度水溶性的,所以几乎立即溶解在末级水介质。五价形式在水介质中选择性地形成硝酸。由于氮氧化物的吸收是通过五价形式进行的,所以在吸收末级完全抑制通过吸收四价NOx和分解成NO在液相形成HNO2,使得吸收在降低离开尾气部件的氮氧化物方面极其有效。在臭氧从顶部引入第二板下方的情况中,臭氧氧化过程将在第二和第三板与第一和第二板之间的空间进行,而吸收氮氧化物形成五价氧化物将在第二和第一板上进行。与美国专利号5,206,002中讲授的技术不同,所有的氮氧化物的氧化不需要立刻在气相进行,但是在吸收级之间的多个气体空间进行。
该解决方案还不需要对HN O3酸吸收设备作出任何改进,除了臭氧通过线路16引入蒸汽空间之外。臭氧还可以通过使线路16浸入板(未示出)上的液体池或通过环路周围的泵(未示出)从板消除液体引入水介质中,所以操作人员可以选择装置将臭氧输入吸收柱的末级。
该解决方案对于较小型低压、中压和大气压硝酸生产设施而言是理想的,因为可以提高生产量同时尾气氮氧化物排放物维持在环境极限内。
利用臭氧氧化氮氧化物遵循一些反应途径以得到N2O5
2NO+2O3→2NO2+2O2……………..(6)
NO2+O3→NO3+O2……………..(7)
NO2+NO3→N2O5……………..(8)
在水相吸收N2O5将导致形成硝酸:
N2O5+H2O→2HNO3……………..(9)
求和方程式(5)到(9)
2NO+3O3+H2O→2HNO3+3O2……………..(10)
降低来自尾气的氮氧化物水平将导致逐渐增加水流中的酸量。
如其它地方所述,与利用O2氧化相比较,利用臭氧氧化不会再水相形成HNO2,因此不会出现NO解吸。
图5示出了在末级(尾气部件)的氧化和吸收。
还已知二次排放物,因为当在进入膨胀器G之前加热尾气时在水相吸收或消除过量臭氧。
在本发明不同的实施例中,可以提高硝酸生产同时继续抑制氮氧化物排放物。通过利用氧气带起一部分或多达所有二次空气可以实现。通常,氧气富集提供所需的氧气以将NO大量转化成HNO3;然而,导致尾气中的氮氧化物排放物过高。组合吸收单元的尾气部件中的臭氧馈送和二次空气馈送的氧气富集能够增强硝酸生产,而不会增加氮氧化物排放物。
如图3所示,利用二次空气线路和氧气馈送附接代替二次空气线路11,允许馈送二次空气和氧气的混合,从而馈送高达百分之百的氧气含量。其余编号与图1中所使用的相同。
在本发明的另一个实施例中,在接近环境压力硝酸过程中可以降低尾气中的NOx排放物,在填充柱中净化该过程气体。当气流流过填充柱时,逐渐弱势地接触水性硝酸溶液。从第一填充柱的储槽中提取产品酸,来自第二填充柱的水性较弱硝酸补充第一柱的储槽中的置换体积。通过第三柱的储槽中的水性硝酸流补充第二柱的储槽。利用过程水馈送补充末填充柱的储槽。末填充柱中加入臭氧,以如方程式(6)到(10)中消除NOx。离开末填充柱的气流指向排气管,因为在大气压力柱中不需要恢复压力能量。氧气富集通过将氧气馈送至供应第一填充柱的二次空气实现。
在本发明的又一个实施例中,从工业过程而不是硝酸生产出现含有气流的NOx,如硝酸氧化有机材料或利用硝酸或加工材料处理物质,其中在过程中形成NOx。利用气态氧有效地回收硝酸从而在填充柱中氧化可以降低来自过程流的NOx排放物。气流与计量的过量氧气量混合。当气流流过填充柱时,逐渐弱势地接触水性硝酸溶液。回收的硝酸是从第一填充柱的储槽中提取的,来自第二填充柱的水弱性硝酸补充第一填充柱的储槽中的置换体积。第二填充柱中的储槽是由第三柱的储槽中的水性硝酸补充的。末填充柱的储槽是利用过程水馈送补充的。向末填充柱中加入臭氧,以如方程式(6)到(10)中所述消除NOx。离开末填充柱的气流指向排气管,其中大量降低NOx的水平,大多数以回收的硝酸形式存在。串联的填充柱的数量可以是优选地2到6个。为了简易的溢流填充柱可以堆叠在一起。代替填充柱,还可以使用任何其他气液接触装置。
尽管已经参考本发明的特定实施例描述本发明,但是本领域的技术人员可以理解,可以存在许多其他形式和对本发明做出改进。本发明的相关权利要求一般应当解释为涵盖在本发明的真实精神和保护范围内的所有明显形式和改进。
Claims (17)
1.一种用于消除硝酸生产过程的尾气流中的污染物的方法,其特征在于:从吸收柱中回收硝酸包括将过程气流和含氧量增加的气流馈送至吸收柱,并向所述吸收柱加入臭氧;其中,所述吸收柱是多级吸收柱,所述臭氧引入到所述吸收柱的末级中,且氮氧化物氧化为N2O5。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述污染物是从由氮氧化物构成的组中选择的。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述吸收柱是具有20到70个板的板式柱。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于:所述臭氧接触位于所述板之间的所述氮氧化物。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:进一步包括将氧气引入到所述吸收柱中。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述臭氧升高至所述吸收柱的压力。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于:所述吸收柱是串联的填充吸收柱。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于:所述臭氧加入在所述串联的填充吸收柱中的末填充吸收柱。
9.一种用于消除工业过程的尾气流中的污染物的方法,包括下列步骤:
a)使所述气流与计量的过量氧气混合;
b)将气流混合物馈送至第一填充柱;
c)使所述气流混合物与水性硝酸溶液接触;
d)将步骤c)的气流混合物馈送至第二填充柱,并与水性硝酸溶液接触;
e)使所述第二填充柱中的所述气流混合物与臭氧接触;以及
f)回收所述气流。
10.根据权利要求9所述的方法,其特征在于:所述工业过程选自硝酸氧化有机材料和利用硝酸处理物质。
11.根据权利要求9所述的方法,其特征在于:所述污染物是从由氮氧化物构成的组中选择的。
12.根据权利要求9所述的方法,其特征在于:所述第二填充柱中的所述硝酸的浓度低于所述第一填充柱中的所述硝酸的浓度。
13.根据权利要求9所述的方法,其特征在于:采用两到六个填充柱。
14.根据权利要求9所述的方法,其特征在于:利用来自所述第二填充柱的水性硝酸补充所述第一填充柱中的储槽。
15.根据权利要求9所述的方法,其特征在于:利用过程馈送水补充所述第二填充柱中的储槽。
16.根据权利要求9所述的方法,其特征在于:所述填充柱串联在一起。
17.根据权利要求16所述的方法,其特征在于:所述填充柱垂直堆叠在一起。
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