CN208430065U - 基于化学链反应利用高炉煤气合成氨或尿素的*** - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及清洁能源和节能减排领域，提供了一种基于化学链反应的利用高炉煤气合成氨或尿素的***，高炉煤气在燃料反应器与氧化态的载氧体发生还原反应；水蒸气在制氢反应器与还原态的载氧体发生氧化反应；载氧体在燃料反应器、制氢反应器之间循环利用；燃料反应器出口气体经换热器和CO2分离器得到纯CO2；制氢反应器出口气体经过换热器和冷凝器得到纯H2；空分设备制取纯N2与纯H2合成氨；与纯CO2合成尿素。本实用新型有效利用低热值燃料高炉煤气制取氢气，并利用氢气和过剩氮气合成氨，而燃料反应器的产物分离后所得二氧化碳，又可以用于合成尿素，不但有利于节能减排，而且实现了高炉煤气和过剩氮气的资源化利用。

Description

基于化学链反应利用高炉煤气合成氨或尿素的***
技术领域
本实用新型涉及清洁能源利用和节能减排技术领域，特别涉及一种基于化学链反应的利用高炉煤气合成氨或尿素的***。
背景技术
高炉煤气是高炉炼铁生产过程中副产的可燃气体。它的大致成分为二氧化碳6-15%、一氧化碳25-33%、氢气1-4%、氮气55-60%、烃类0.2-0.5%及少量的二氧化硫。热值仅为3500KJ/m3;左右。高炉煤气的成分和热值与高炉所用的燃料、所炼生铁的品种及冶炼工艺有关，现代的炼铁生产普遍采用大容积、高风温、高冶炼强度、高喷煤粉量的生产工艺，采用这些先进的生产工艺提高了劳动生产率并降低能耗，但所产的高炉煤气热值更低，增加了利用难度。
高炉煤气的理论燃烧温度偏低，高炉煤气的着火点并不高，不存在着火的障碍，但在实际燃烧过程中，由于其热值较低，燃烧速度慢，燃烧不稳定。高炉煤气中存在大量的CO2、N2，燃烧过程中基本不参与化学反应，几乎等量转移到燃烧产生的烟气中，燃高炉煤气产生的烟气量远多于燃煤。
低热值高炉煤气的特点是可燃成分低，燃烧不稳定，燃烧温度低，烟气量大。火焰稳定直接关系到燃烧的安全性，对低热值煤气一般都采用稳定强化燃烧的措施，如采用高温蓄热式燃烧技术对高炉煤气和助燃空气双预热等。另外一种方法就是提高热值，将其与焦炉煤气掺混形成“混合煤气”，用于冶金企业的自用燃气，如加热热轧的钢锭、预热钢水包等。也有部分钢铁企业除了用作高炉热风炉的燃料,绝大部分高炉煤气都以“点天灯”的形式放散掉了。
对于钢铁企业来说，焦炉煤气是一种优质燃料，将其与高炉煤气混合实际上降低了其品质，而高温蓄热式燃烧技术也由于成本原因并没有广泛应用，高炉煤气直接放散不但浪费能源而且有排放污染，因此有必要寻求更加高效利用高炉煤气的技术手段。
另一方面，在钢铁企业一般设有空分装置用来制氧，为转炉炼钢提供纯氧，而空分的另一产品即高纯度的氮气，除了可在市场上销售液氮和高纯氮气外，很大部分氮气相对过剩，也需要合理的方式进行有效利用。
化学链燃烧( Chemical Looping Combustion, CLC)作为一种新型燃烧方式，具有优越的CO2分离特性，其基本原理是借助于氧载体（oxygen carrier）的作用将燃烧过程分解为2个气-固反应，利用两个反应器通过载氧体将空气中的氧传递给燃料，进行燃料的无火焰燃烧，如图1所示。CLC不仅能够避免燃料常规燃烧时NOx的产生、提高燃料的燃烧效率，且燃料完全转化时的反应产物仅包含CO2和水蒸气，无需额外的分离装置和措施，经过简单的冷凝处理就可以得到高纯的CO2， 便于后续存贮处理。
基于CLC的CO2内分离特点，应用CLC制氢成为当前的一个研究热点。化学链制氢过程(CLH)以水蒸气代替空气作为氧化剂引入空气反应器来完成氧载体的再生，同时水蒸汽被还原产生氢气，如图2所示。通过合成气的水汽转化反应（WGS）制氢是氢气生产的主要途径之一，但是由于合成气生产过程的限制，通过该方法生产的H2与CO2分离比较困难，而且水汽转化反应过程的能耗和成本较高，而CLH则能更好的解决这一问题。
实用新型内容
本实用新型的目的就是克服现有技术的不足，提供了一种基于化学链反应的利用高炉煤气合成氨或尿素的***，有效利用钢铁企业里的高炉煤气和过剩氮气，不但有利于节能减排，而且实现了高炉煤气和过剩氮气的资源化利用。
本实用新型的技术方案如下：
一种基于化学链反应的利用高炉煤气合成氨或尿素的***，包括燃料反应器、制氢反应器、CO2分离器、空分设备、氨合成反应器、尿素合成反应器；
输送高炉煤气的第一管线与所述燃料反应器底部连接，用于输送所述燃料反应器出口气体的第二管线经过换热器后与所述CO2分离器的入口连接，所述CO2分离器的出口与所述尿素合成反应器管线连接；
水蒸气进入管线与所述制氢反应器底部连接，用于输送所述制氢反应器出口气体的第三管线依次经换热器、冷凝器后与所述氨合成反应器的入口连接，所述氨合成反应器的出口与所述尿素合成反应器管线连接；
所述燃料反应器、制氢反应器之间设置有双向连通的载氧体循环通道。
所述燃料反应器、制氢反应器共同形成化学链燃烧；高炉煤气自下部进入所述燃料反应器，与氧化态的载氧体发生还原反应，载氧体被还原，转化为还原态载氧体；所述燃料反应器出口气体成分为氮气、CO2和H2O；水蒸气从所述制氢反应器下部通入，与还原态的载氧体发生氧化反应，载氧体被氧化，转化为氧化态载氧体；所述制氢反应器出口气体为H2和水蒸气的混合物；载氧体在所述燃料反应器、制氢反应器之间实现循环利用；
所述燃料反应器出口气体经换热器和CO2分离器，得到纯CO2；所述制氢反应器出口气体经过换热器和冷凝器，得到纯H2；
所述空分设备制取的纯N2与所述纯H2在所述氨合成反应器中混合后加压升温，发生合成氨反应，生成氨；
所述氨与所述纯CO2在所述尿素合成反应器中混合升温升压，合成尿素。
进一步的，所述燃料反应器、制氢反应器分别为固定床、流化床或移动床的任一种。
进一步的，所述载氧体为金属氧化物载氧体或硫酸盐非金属载氧体。
进一步的，所述金属氧化物载氧体为铁矿石或以铁矿石为原料制备的载氧体。
进一步的，所述CO2分离器采用溶液吸收方式、变压吸附方式或降温分离方式。
进一步的，所述氨合成器在高温高压和催化剂存在的条件下发生合成氨反应，催化剂为铁。
进一步的，所述换热器回收燃料反应器、制氢反应器的出口气体的高温热量，用于加热或预热。
本实用新型还提供了一种基于化学链反应的利用高炉煤气合成氨或尿素的方法，包括：
高炉煤气自下部进入燃料反应器，与氧化态的载氧体发生还原反应，载氧体被还原，转化为还原态载氧体；所述燃料反应器出口气体成分为氮气、CO2和H2O；水蒸气从制氢反应器下部通入，与还原态的载氧体发生氧化反应，载氧体被氧化，转化为氧化态载氧体；所述制氢反应器出口气体为H2和水蒸气的混合物；载氧体在所述燃料反应器、制氢反应器之间实现循环利用；所述燃料反应器、制氢反应器共同形成化学链燃烧；
所述燃料反应器出口气体经换热器和CO2分离器，得到纯CO2；所述制氢反应器出口气体经过换热器和冷凝器，得到纯H2；
所述空分设备制取的纯N2与所述纯H2在所述氨合成反应器中混合后加压升温，发生合成氨反应，生成氨；
所述氨与所述纯CO2在所述尿素合成反应器中混合升温升压，合成尿素。
本实用新型的有益效果为：与原有的高炉煤气利用方式相比，有效利用了高炉煤气蕴含的能量，减少了采用高温空气燃烧技术所带来的大量烟气的排放，避免了掺混焦炉煤气使用所引起的焦炉煤气的品质降低；同时，利用制取的氢气与钢铁企业副产的过剩氮气合成氨，而采用化学链反应的产物实现了CO2的富集，分离提纯后可以用作合成尿素的原料，因此实现了节能减排和高炉煤气的资源化综合利用。
附图说明
图1所示为化学链燃烧原理示意图。
图2所示为本实用新型中所采用的化学链燃烧原理示意图。
图3所示为本实用新型实施例一种基于化学链反应的利用高炉煤气合成氨或尿素的***的结构示意图。
图中：1-燃料反应器；2-氧化态载氧体(MexOy)；3-制氢反应器；4-还原态载氧体(MexOy-1)；5-第一管线；6-第二管线；7-水蒸气进入管线；8-第三管线；9-换热器；10-CO2分离器；11-冷凝器；12-空分装置；13-氨合成反应器；14-催化剂；15-尿素合成反应器。
具体实施方式
下文将结合具体附图详细描述本实用新型具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
如图3所示，本实用新型实施例一种基于化学链反应的利用高炉煤气合成氨或尿素的***，包括燃料反应器1、制氢反应器3、CO2分离器10、空分设备12、氨合成反应器13、尿素合成反应器15；所述燃料反应器1、制氢反应器3共同形成化学链燃烧；高炉煤气自下部通过第一管线5进入所述燃料反应器1，与氧化态的载氧体2(MexOy)发生还原反应，载氧体被还原，转化为还原态载氧体4(MexOy-1)；所述燃料反应器1出口气体成分为氮气、CO2和H2O；水蒸气通过水蒸气进入管线7从所述制氢反应器3下部通入，与还原态的载氧体4发生氧化反应，载氧体被氧化，转化为氧化态载氧体2；所述制氢反应器3出口气体为H2和水蒸气的混合物；载氧体在所述燃料反应器1、制氢反应器3之间实现循环利用；载氧体在反应器之间传输的同时也实现了热量的传递。载氧体为金属氧化物载氧体或硫酸盐非金属载氧体，金属氧化物载氧体优先选择铁矿石或以铁矿石为原料制备的载氧体。
所述燃料反应器1出口气体（氮气、CO2和H2O）通过第二管线6经换热器9和CO2分离器10，得到纯CO2；所述制氢反应器3出口气体（H2和水蒸气的混合物）经过换热器9和冷凝器11将水蒸气冷凝后，得到纯H2；所述换热器9回收燃料反应器1、制氢反应器3的出口气体的高温热量，用于加热或预热。
所述空分设备12制取的纯N2与制氢反应器3获得的纯H2在所述氨合成反应器13中混合后加压升温，发生合成氨反应，生成氨；优选的，所述氨合成器在高温高压和催化剂存在的条件下发生合成氨反应，催化剂为铁；氨与所述CO2分离器10获得的纯CO2在所述尿素合成反应器15中混合升温升压，合成尿素。
优选的，所述燃料反应器1、制氢反应器3可以分别为固定床、流化床或移动床的任一种或组合。
优选的，所述CO2分离器10采用溶液吸收方式、变压吸附方式或降温分离方式。
一种基于化学链反应的利用高炉煤气合成氨或尿素的方法，包括：
高炉煤气自下部进入燃料反应器1，与氧化态的载氧体2发生还原反应，载氧体被还原，转化为还原态载氧体4；所述燃料反应器1出口气体成分为氮气、CO2和H2O；水蒸气从制氢反应器3下部通入，与还原态的载氧体4发生氧化反应，载氧体被氧化，转化为氧化态载氧体2；所述制氢反应器3出口气体为H2和水蒸气的混合物；载氧体在所述燃料反应器1、制氢反应器3之间实现循环利用；所述燃料反应器1、制氢反应器3基于化学链反应原理；
所述燃料反应器1出口气体经换热器9和CO2分离器10，得到纯CO2；所述制氢反应器3出口气体经过换热器9和冷凝器11，得到纯H2；
所述空分设备12制取的纯N2与所述纯H2在所述氨合成反应器13中混合后加压升温，发生合成氨反应，生成氨；
所述氨与所述纯CO2在所述尿素合成反应器15中混合升温升压，合成尿素。
本实用新型旨在有效利用钢铁企业里的高炉煤气和过剩氮气，提供一种能实现高炉煤气化学链制氢并利用过剩氮气合成氨或尿素的新工艺；其优点在于有效利用低热值燃料高炉煤气制取氢气，并利用氢气和过剩氮气合成氨，而燃料反应器的产物分离后所得二氧化碳，又可以用于合成尿素，不但有利于节能减排，而且实现了高炉煤气和过剩氮气的资源化利用。
本文虽然已经给出了本实用新型的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本实用新型精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本实用新型权利范围的限定。

Claims (6)

1.一种基于化学链反应的利用高炉煤气合成氨或尿素的***，其特征在于，包括燃料反应器、制氢反应器、CO2分离器、空分设备、氨合成反应器、尿素合成反应器；
输送高炉煤气的第一管线与所述燃料反应器底部连接，用于输送所述燃料反应器出口气体的第二管线经过换热器后与所述CO2分离器的入口连接，所述CO2分离器的出口与所述尿素合成反应器管道连接；
水蒸气进入管线与所述制氢反应器底部连接，用于输送所述制氢反应器出口气体的第三管线依次经换热器、冷凝器后与所述氨合成反应器的入口连接，所述氨合成反应器的出口与所述尿素合成反应器管道连接；
所述燃料反应器、制氢反应器之间设置有双向连通的载氧体循环通道。
2.如权利要求1所述的基于化学链反应的利用高炉煤气合成氨或尿素的***，其特征在于，所述燃料反应器、制氢反应器分别为固定床、流化床或移动床的任一种。
3.如权利要求1所述的基于化学链反应的利用高炉煤气合成氨或尿素的***，其特征在于，所述载氧体为金属氧化物载氧体或硫酸盐非金属载氧体。
4.如权利要求3所述的基于化学链反应的利用高炉煤气合成氨或尿素的***，其特征在于，所述金属氧化物载氧体为铁矿石或以铁矿石为原料制备的载氧体。
5.如权利要求1所述的基于化学链反应的利用高炉煤气合成氨或尿素的***，其特征在于，所述CO2分离器采用溶液吸收方式、变压吸附方式或降温分离方式。
6.如权利要求1所述的基于化学链反应的利用高炉煤气合成氨或尿素的***，其特征在于，所述氨合成器在高温高压和催化剂存在的条件下发生合成氨反应，催化剂为铁。
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