Способ утилизации тепла в процессе производства азотной кислоты

 

Изобретение относится к способу утилизации тепла нитрозных и хвостовых газов в установках по производству азотной кислоты. Способ утилизации тепла в процессе производства азотной кислоты под давлением включает сжатие воздуха, окисление аммиака воздухом при температуре 850-930^oС, охлаждение полученных нитрозных газов с получением водяного пара, абсорбцию оксидов азота, расширение хвостовых газов, нагретых до 500-800^oС, в газовой турбине от 0,5-0,8 МПа до давления, близкого к атмосферному, охлаждение расширенных газов от 270-430^oС до 150-180^oС перед сбросом в атмосферу, при этом нитрозные газы охлаждают от 850-930^oС до 280-350^oС с передачей тепла через стенку, получают при этом водяной пар с давлением до 6 МПа и температурой до 450^oС, а расширенные хвостовые газы охлаждают, нагревая все количество или часть деаэрированной питательной воды под давлением до 6 МПа до кипения с частичным испарением, а пароводяную смесь объединяют с пароводяной смесью, полученной при охлаждении нитрозных газов, в едином циркуляционном контуре, возможно часть питательной воды нагревают под давлением до 6 МПа окисленными нитрозными газами и/или горячим сжатым воздухом с последующим объединением полученной пароводяной смеси с пароводяными смесями, полученными при утилизации тепла нитрозных и хвостовых газов. Способ позволяет максимально эффективно утилизировать тепло в процессе производства азотной кислоты для получения высокопотенциального пара, который может быть использован не только как источник тепла, но и для получения механической энергии для сжатия воздуха и нитрозного газа, а избыток пара - для выработки электроэнергии. 1 з. п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к способу утилизации тепла нитрозных и хвостовых газов в установках по производству неконцентрированной азотной кислоты под повышенным давлением и рекуперацией энергии отработанных, нагретых до температуры 500-800^oС хвостовых газов в газовой турбине, которая служит одним из приводов компрессоров для сжатия воздуха в установках под единым давлением и также нитрозных газов в установках с разным давлением на стадиях конверсии аммиака и абсорбции оксидов азота.

Окисление аммиака воздухом в зависимости от давления производят преимущественно при температуре 850-920^oС и получают нитрозные газы с такой начальной температурой. Кроме того, в процессе производства имеются и другие источники тепла, например тепло химических реакций окисления NO в NO₂ при температурах до 300^oС и выше, которое также может также утилизироваться для выработки пара [1, стр.46, 87].

В современных агрегатах хвостовые газы перед расширением в газовой турбине для рекуперации энергии давления с более высоким КПД подогреваются до 300-500^oС теплом нитрозных газов и с привлечением постороннего источника тепла (сжигания природного газа в камерах сгорания турбины) - до 700-760^oС и выше [2,3].

Полученный в агрегатах пар, обычно под давлением 1,6-4,0 МПа, используется в паровых турбинах для привода собственного компрессора сжатия воздуха, а в комбинированных схемах (с разными давлениями на стадиях окисления аммиака и абсорбции оксидов азота) - и для сжатия нитрозных газов.

Избыток пара выдается на сторону в качестве побочного продукта. Наибольшее количество пара вырабатывается и выдается в качестве побочного продукта, естественно, в агрегатах с использованием природного газа для каталитической очистки хвостовых газов от остатков оксидов азота и одновременно нагрева хвостовых газов до высокой температуры перед расширением в турбине.

Такие агрегаты, получившие название энерготехнологических, построены в большом количестве в странах бывшего СССР - крупнотоннажные агрегаты АК-72 ("Азотная кислота, разработка 1972 г.") по комбинированной схеме и УКЛ-7 ("Унифицированная комплектная линия под давлением 7 атмосфер") - по схеме с одним давлением.

В этих агрегатах весь вырабатываемый пар выдается на сторону, так как высокотемпературные газовые турбины обеспечивают сжатие воздуха и нитрозных газов.

В агрегатах АК-72 вырабатывают пар с параметрами Р=4,0 МПа, t=44010^oC, в агрегатах УКЛ-7 - пар с давлением 1,6 МПа, t=230-250^oC. При этом в агрегатах АК-72 пар вырабатывают только из тепла нитрозных газов, а тепло хвостовых газов после их расширения утилизируют для регенеративного подогрева сжатых хвостовых газов; в агрегатах одного давления УКЛ-7 тепло расширенных хвостовых газов с температурой 405^oС используют для получения пара Р=1,6 МПа, t= 230^oC. В этом же агрегате тепло горячих нитрозных газов (t=900^oC) утилизируется для получения пара тех же параметров: Р=1,6 МПа, t=230-250^oC, причем раздельно с получением пара на тепле хвостовых газов [2,3].

В современных условиях, когда цена энергоресурсов (природного газа, электроэнергии) резко возрастает, производство пара с высокими параметрами в агрегатах азотной кислоты, которые позволяют дополнительно получать энергию для сжатия воздуха (и нитрозных газов) и экономить в энерготехнологических агрегатах типа УКЛ-7 природный газ, становится актуальной задачей.

Целью настоящего предлагаемого изобретения являются технические решения, позволяющие получать высокопотенциальный пар с давлением номинально 4,0-6,0 МПа как из высокотемпературных нитрозных газов (t_нач=850-900^oС), так и из тепла среднетемпературных, расширенных в газовой турбине хвостовых газов (в частности, в агрегатах УКЛ-7). Задачей изобретения является также получение пара с тем же давлением из тепла окисления нитрозных газов до абсорбции оксидов азота, в отдельных случаях - из тепла сжатого воздуха с температурой до 300^oС при его сжатии в полнонапорных осевых компрессорах с высоким КПД.

Давление 4,0 МПа обычно принимается как номинальное для продуцируемого в агрегате азотной кислоты пара из всех возможных источников тепла (не только высокотемпературных).

Известно, что повышение давления пара повышает КПД генераторов энергии, поэтому изобретением предусматривается получение пара с давлением и выше 4,0 МПа.

Температура нитрозных газов непосредственно после окисления аммиака в контактных аппаратах 850-930^oС позволяет получать пар с давлением вплоть до 10 МПа.

Однако по ряду соображений в производстве азотной кислоты получать пар с таким давлением экономически нецелесообразно. Это обусловлено особенностями процесса получения азотной кислоты.

Первая особенность заключается в том, что с ростом температуры нитрозного газа в зоне теплопередачи при повышении температуры кипения воды уменьшается выделение тепла от окисления NO в NO₂ и соответственно снижается выработка пара.

Масса вырабатываемого пара уменьшается также пропорционально увеличению его теплосодержания. Соответственно уменьшается масса питательной воды и степень утилизации низкопотенциального тепла нитрозных газов на подогрев питательной воды от 30^oС до температуры деаэрации ~104^oС.

Повышение давления пара до 10 МПа связано с ростом капиталовложений во все аппараты, трубопроводы (часть из них изготавливается из нержавеющей стали), связанные с получением и транспортировкой пара, также удорожается стоимость водоподготовки питательной воды, т.к. котлы в этом случае необходимо питать глубокообессоленной водой.

Из-за многообразия факторов точный расчет экономически целесообразного верхнего предела давления пара, вырабатываемого при утилизации тепла в производстве азотной кислоты, крайне сложен. Приближенные расчеты показывают, что получать пар с давлением выше 6,0 МПа в агрегатах азотной кислоты нецелесообразно.

Аналогами предлагаемого способа могут служить известные технологические схемы, осуществленные в многочисленных агрегатах по производству азотной кислоты в разных странах. Но наиболее близким аналогом является агрегат УКЛ-7, который и выбран в качестве прототипа предлагаемого изобретения, так как параметры процесса и технологическая схема производства азотной кислоты, осуществленные в действующих агрегатах УКЛ-7, наиболее близки к предлагаемому способу [2, стр.94-98].

В способе, принятом в агрегате УКЛ-7, процесс производства азотной кислоты осуществляется под давлением ~0,716 МПа; окисление аммиака кислородом воздуха производится при температуре 850-930^oС, преимущественно 890-910^oС. Полученные нитрозные газы охлаждаются в котле-утилизаторе до 250-270^oС с производством водяного пара с давлением 1,5-1,6 МПа t=230-250^oС.

Нитрозные газы далее охлаждаются в холодильнике-конденсаторе и поступают в абсорбционную колонну, в которой оксиды азота абсорбируются с получением азотной кислоты. Хвостовые газы после абсорбции подогреваются до 500-800^oС, преимущественно ~700^oС, с использованием природного газа, затем расширяются в газовой турбине от 0,5-0,8 МПа до давления, близкого к атмосферному, охлаждаясь при этом до 270-430^oС, преимущественно 390-430^oС. Расширенные хвостовые газы поступают в котел-утилизатор, в котором продуцируется водяной пар с давлением ~1,5 МПа, t=230-250^oC.

Питательная деаэрированная вода подогревается в экономайзерах котла-утилизатора на хвостовых газах.

По изложенному способу утилизируется: - тепло нитрозных газов, получаемых при окислении аммиака воздухом при 890-930^oС; при этом их охлаждают до ~250^oС в котле-утилизаторе с получением пара до Р=1,6 МПа, t=230-250^oC; - тепло хвостовых газов после расширения в турбине; в котле-утилизаторе они охлаждаются от 400-410^oС до 150-180^oС с получением пара до Р=1,6 МПа, t= 230-250^oС.

Недостатками изложенного способа являются: - получение низкопотенциального пара 1,5 МПа, t=230-250^oС; - утилизация тепла нитрозных и хвостовых газов в раздельных котлах, что увеличивает капиталовложения; - низкая степень утилизации тепла окисления оксида азота (NO) в диоксид азота (NO₂).

В настоящем изобретении эти недостатки устраняются следующими техническими решениями: - охлаждением нитрозных газов от 850-930^oС (преимущественно 890-910^oС) до 280-350^oС с передачей тепла через стенку (в пароперегревателе и испарителе) с получением при этом пароводяной смеси с давлением до 6,0 МПа, а расширенные хвостовые газы охлаждают от 270-430^oС (преимущественно 390-410^oС) до 130-180^oС (преимущественно 150-180^oС), нагревая через стенку (в экономайзере) все количество или часть деаэрированной питательной воды под давлением до 6 МПа до кипения с частичным испарением; полученную при этом пароводяную смесь объединяют с пароводяной смесью после охлаждения нитрозных газов в едином циркуляционном контуре, отделяют насыщенный водяной пар с давлением до 6 МПа, направляют его на перегрев и далее выдают потребителю; - тепло горячих нитрозных газов после окисления аммиака и тепло расширенных хвостовых газов в процессе производства азотной кислоты могут быть не единственными источниками получения продукционного пара.

Современное компрессоростроение позволяет применять сжатие воздуха в осевых компрессорах в одну ступень до нужного в производстве азотной кислоты давления, вплоть до 1,0 МПа, что упрощает эту стадию процесса. Если это применить для агрегата по прототипу (со сжатием воздуха до 0,71-0,76 МПа), то сжатый воздух будет иметь температуру 290-310^oС (зимой 270-290^oС). Для процесса окисления аммиака под указанным давлением оптимальная температура составляет 900-920^oС, соответственно оптимальная температура воздуха 200-220^oС. Сжатый воздух подлежит охлаждению. Согласно настоящему способу охлаждение осуществляется частью питательной воды, предназначенной для получения пара с давлением до 6,0 МПа.

При этом воздух охлаждается до 200-220^oС, а питательная вода нагревается до кипения с частичным испарением.

- Для получения пара может быть утилизировано и тепло нитрозных газов, которые на определенной стадии процесса за счет реакции окисления NO в NO₂ специально разогреваются до температуры 280-320^oС и их тепло может быть отведено частью питательной воды, предназначенной для получения продукционного пара.

- Питательная вода, нагретая за счет указанных источников тепла до кипения с частичным испарением и получением пароводяной эмульсии, объединяется с пароводяной смесью, полученной в испарителях за счет тепла нитрозных и хвостовых газов.

Согласно изобретению питательная вода разделяется на параллельные потоки, которые поступают на отвод тепла хвостовых газов, окисленных нитрозных газов (280-320^oС), сжатого воздуха (если такой источник имеется), причем в такой пропорции, что достигается испарение части питательной воды в каждом из перечисленных узлов отвода тепла; ограничением при этом служит доля испаряемой воды, которая не должна превышать 25% - обычного ограничения для кипящих экономайзеров.

Утилизация тепла процесса с получением высокопотенциального пара за счет примененного способа повышается вследствие того, что испарение воды идет при постоянной температуре; это позволяет отводить больше тепла при фиксированной начальной температуре питательной воды после деаэрации 102-105^oС и фиксированной температуре газов, например, 270-430^oС - для хвостовых газов, 280-320^oС - для окисленного нитрозного газа.

Способ применим и для процессов производства азотной кислоты без использования природного газа и нагрева хвостовых газов нитрозными до температуры 500^oС. Предпочтительно применение этого способа в технологических установках, если после расширения в газовой турбине температура хвостовых газов будет не ниже 270^oС, т.к. температура кипения питательной воды под давлением 4,4 МПа (нужное давление на этой стадии получения продукционного пара с давлением 4,0 МПа) составляет около 255^oС.

При давлении хвостовых газов перед турбиной не ниже 0,5 МПа после расширения в турбине до давления, близкого к атмосферному, температура 270^oС может быть получена, если перед турбиной температура хвостовых газов не ниже 500^oС.

Верхний предел температуры газов перед турбиной в 800^oС по настоящему способу определен исходя из расширения хвостовых газов от 0,9-1,2 МПа до давления, близкого к атмосферному, и получения температуры расширенных газов не выше 430^oС. Возможность нагрева хвостовых газов до 800^oС и выше обеспечивается современной техникой изготовления газовых турбин. Для производства азотной кислоты нагрев выше 800^oС нецелесообразен из-за снижения ресурса газовых турбин при повышении температуры, что для агрегатов азотной кислоты без резервной машины неприемлемо.

Указанные выше параметры хвостовых газов наиболее характерны для современных установок по производству азотной кислоты.

Температура нитрозных газов 330-350^oС после отвода тепла на получение пара обусловлена по предлагаемому способу целесообразностью нагрева нитрозным газом хвостовых газов после абсорбции до 260-280^oС - оптимальной для селективной очистки от NO_x при помощи аммиака.

Новизна и технический уровень предлагаемого изобретения по отношению к известным способам по литературным источникам и патентам определяется применением изложенных в описании приемов, причем главным приемом является отвод тепла хвостовых газов питательной (деаэрированной) водой под давлением до 6,0 МПа, равным давлению на стадии отвода тепла нитрозных газов после окисления аммиака, с получением пароводяной смеси и объединением ее с пароводяной смесью, полученной при охлаждении нитрозных газов.

Это позволяет утилизировать для получения высокопотенциального пара не только тепло высокотемпературных нитрозных газов, но и тепло хвостовых газов перед сбросом их в атмосферу; в сочетании с использованием тепла и других источников в процессе производства азотной кислоты для этой же цели обеспечивается максимальная выработка высокопотенциального пара на 1 т HNO₃ и снижение ее себестоимости при прочих равных условиях, что предопределяет полезность предлагаемого способа, особенно для реконструкции действующих агрегатов азотной кислоты типа УКЛ-7.

Ниже излагаются примеры осуществления способа по основной формуле изобретения и дополнительному пункту формулы.

Пример 1, фиг. 1 Относится к осуществлению способа согласно основной формуле изобретения.

Для иллюстрации осуществления способа приняты параметры технологического режима, часовая производительность и технологическая схема агрегата УКЛ-7 - прототипа настоящего предлагаемого изобретения [1, стр.94-213] В аппарате 1 получают смесь аммиака и сжатого воздуха под давлением ~ 0,73 МПа, содержание аммиака в смеси 8,5-9,0 об.%, температура смеси на входе в аппарат окисления аммиака 200-210^oС.

Процесс окисления аммиака осуществляется в контактном аппарате 2 при температуре 890-910^oС. При окислении получают 50-60 тыс. нм³ в час нитрозных газов. Тепло нитрозных газов последовательно отводится в пароперегревателе 4, в котором 23-26 т/ч насыщенного пара с давлением 4,2-4,3 МПа нагреваются от ~ 254^oС до 400-450^oС. Нитрозные газы при этом охлаждаются до 750-770^oС. Далее они охлаждаются до 330-350^oС в испарителе 5, и пароводяная смесь из испарителя 5 поступает в пароотделитель 3, в котором она сепарируется; отделенный насыщенный пар подается на перегрев, а вода циркулирует в контуре "испаритель 5 - пароотделитель 3". В испарителе 5, кроме физического тепла нитрозных газов, отводится и небольшое количество тепла окисления NO в NO₂. В целом в испарителе отводится ~8,8-9,0 млн.ккал/ч тепла.

Нитрозные газы с температурой 330-350^oС отводятся в блок технологических аппаратов для получения азотной кислоты и нагрева хвостовых газов до 500-700^oС.

Нагретые хвостовые газы с давлением 0,55-0,6 МПа поступают на расширение в газовую турбину 9, в которой расширяются до давления, близкого к атмосферному; при расширении в турбине они охлаждаются до 410^oС.

Из турбины хвостовые газы поступают в экономайзер 8, в который противотоком насосом 7 под давлением ~4,5-5,0 МПа подается питательная вода с температурой 102-105^oС, прошедшая деаэрацию в аппарате 6, в количестве до 26-29 т/ч.

В экономайзере 8 хвостовые газы в количестве 66-70 тыс. нм³/ч охлаждаются до температуры 130-180^oС, передавая питательной воде 5120-5900 тыс. ккал/ч тепла. Из этого количества тепла 3,9-4,35 млн. ккал/ч расходуется на нагрев 26-29 т/ч питательной воды до температуры кипения ~255^oС, а остальные 1,22-1,55 млн. ккал/ч расходуются на испарение воды в количестве 3-3,9 т/ч.

Доля пара по отношению к питательной воде составляет 11,5-15%.

Пароводяная смесь под давлением порядка 4,4-4,5 МПа поступает в пароотделитель 3, в котором смешивается с пароводяной смесью из испарителя 5.

Отделенный насыщенный пар с давлением 4,4 МПа и температурой ~255^oС направляется на перегрев до 400-450^oС в пароперегреватель 4.

Продукционный пар в количестве 25-28 т/ч после дросселирования в регуляторе давления направляется в общезаводской коллектор пара 4,0 МПа.

При получении пара с другими параметрами количество вырабатываемого пара в "т/ч" изменяется, но в пересчете на "Гкал" остается без изменения. Например, при получении пара с давлением 6,0 МПа и температурой 440^oС выработка пара составит 25,2-28,25 т/ч. При температуре хвостовых газов до газовой турбины ~500^oС и, соответственно, после турбины 270^oС выработка пара снижается до 21,5-24,5 т/ч с одновременным сокращением расхода природного газа на 35% (нa ~500 м³/ч).

Пример 2, фиг. 2
Относится к осуществлению способа согласно основной формуле и дополнительному пункту 1 формулы изобретения.

Отличается от примера 1 тем, что для получения дополнительного количества пара 4,0 МПа утилизируется и низкопотенциальное тепло других источников, например тепло окисления нитрозного газа в процессе подготовки нитрозных газов к абсорбции оксидов азота в абсорбционной колонне.

Охлаждение нитрозных газов от 330-350^oС с передачей тепла для нагрева хвостовых газов до 260-280^oС - температуры процесса каталитической очистки хвостовых газов от остатков оксидов азота не позволяет снизить температуру нитрозных газов с учетом тепла окисления NO в NO₂ ниже 180-200^oС.

Согласно изобретению в специально созданном объеме для окисления NO в NO₂ повышают температуру нитрозных газов до 270-300^oС и отводят тепло в подогревателе 10 частью питательной воды, разделив питательную воду на два потока: через экономайзер на хвостовых газах 8 и через подогреватель 10.

В экономайзер из общего количества питательной воды подается примерно 20-25 т/ч, на подогрев которых расходуется 3,0-3,75 млн. ккал/ч, а на парообразование 2,12-2,15 млн. ккал/ч; в экономайзере образуется 5 т/ч пара (25% от расхода воды). Тогда в подогреватель 10 можно подать примерно 10 т/ч питательной воды, из которой испаряют ~1,5 т/ч (15-20% общего количества). Общее увеличение выработки пара составит в экономайзере ~1 т/ч, всего в системе при прочих равных условиях на 2,5 т/ч, а общая выработка пара составит ~28,5 т/ч, расход питательной воды ~30 т/ч.

Нитрозные газы при этом охладятся на ~120^o и после подогревателя их температура составит 150-180^oС, что соответственно уменьшит тепловую нагрузку на холодильники-конденсаторы и расход оборотной воды.

Если воздух сжимать до 0,73 МПа в осевом компрессоре в одну ступень (что является прогрессивным решением), то температура сжатого воздуха составит 290^oС. Часть воздуха номинально ~53 тыс. нм/ч охлаждают до 210-220^oС и направляют на получение азотной кислоты. Отводится тепла при охлаждении на 80^o номинально ~1,35 млн. ккал/ч.

Если одновременно отводить тепло окисления нитрозных газов, как описано выше, то согласно тепловым расчетам в агрегате можно выработать ~29,3 т/ч пара, питательной воды потребуется ~30,5-30,8 т/ч, которая распределяется следующим образом:
- в экономайзер 8 на хвостовых газах - 20 т/ч; в экономайзере образуется 5 т/ч пара (25% кипения);
- в подогреватель нитрозных газов 10 - 5-5,5 т/ч; в нем образуется 1,2 т/ч пара (24% кипения), отводится ~1,23 млн. ккал/ч; нитрозные газы охлаждаются на ~70^o;
- в охладитель воздуха 12 подается 5,5 т/ч питательной воды, образуется 1,3 т/ч пара (23,6% кипения).

Таким образом, по сравнению с примером 1 в примере 2 количество высокопотенциального пара 4,0 МПа в номинальном режиме (выработка 14,8 т/ч НNО₃) увеличено с 26 до 28,5-29,3 т/ч в зависимости от способа сжатия воздуха, организации отвода тепла окисления NO в NO₂.

Пример 2 иллюстрирует возможности увеличения выработки высокопотенциального пара в агрегате азотной кислоты при применении предложенного способа утилизации тепла.

В агрегате УКЛ-7 при номинальной выработке азотной кислоты 14,8 т/ч вырабатывается по расчету 2,0 Гкал пара с давлением 1,6 МПа и t=230-250^oC, в то время как по примеру 2 может быть выработано не менее 2,33 Гкал/ч высокопотенциального пара 4,0 МПа, t=400-450^oC.

Литература
1. В.И. Атрощенко, С.И. Каргин "Технология азотной кислоты", М., Химия, 1970 г.

2. "Производство азотной кислоты в агрегатах большой мощности", под ред. В.М. Олевского, М., Химия, 1985 г.

3. Справочник азотчика, 2-ое издание, М., Химия, 1987 г.

Формула изобретения

1. Способ утилизации тепла в процессе производства азотной кислоты под давлением, включающий окисление аммиака сжатым воздухом при температуре 850-930°С, охлаждение полученных нитрозных газов с производством водяного пара, абсорбцию оксидов азота, расширение хвостовых газов, нагретых до 500-800°С, в газовой турбине от 0,5-0,8 МПа до давления, близкого к атмосферному, охлаждение расширенных газов от 270-430 до 150-180°С перед сбросом в атмосферу, нагрев деаэрированной питательной воды, отличающийся тем, что нитрозные газы охлаждают от 850-930 до 280-350°С с передачей тепла через стенку с получением при этом пароводяной смеси с давлением до 6 МПа, расширенные хвостовые газы охлаждают, нагревая все количество или часть деаэрированной питательной воды под давлением до 6 МПа до кипения с частичным испарением, и полученную при этом пароводяную смесь объединяют с пароводяной смесью после охлаждения нитрозных газов в едином циркуляционном контуре, отделяют насыщенный водяной пар с давлением до 6 МПа, направляют его на перегрев и после перегрева в общий коллектор перегретого водяного пара с давлением до 6 МПа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что часть питательной воды нагревают под давлением до 6 МПа окисленными нитрозными газами и/или горячим сжатым воздухом, а полученную пароводяную смесь объединяют с пароводяными смесями, полученными при утилизации тепла нитрозных и хвостовых газов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2