阅读说明：本技术 制备氨合成气的方法 (Process for producing ammonia synthesis gas ) 是由 P·A·汉 A·E·克勒尔延森 于 2018-07-11 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于自热重整和水的电解的组合来制备氨合成气的方法。(The present invention relates to a process for the preparation of ammonia synthesis gas based on a combination of autothermal reforming and electrolysis of water.)

制备氨合成气的方法

发明领域

本发明涉及氨合成气的制备。更特别地，本发明在含氢和氮的氨合成气的制备中组合使用了水的电解和气态烃原料的自热重整。

发明背景

氨合成气通常通过使天然气或高级烃的烃进料在燃烧管式蒸汽重整器中通过与蒸汽重整催化剂接触而进行吸热蒸汽重整反应来制备。然后将初级重整气体送入次级绝热重整器，其中在次级重整催化剂存在下，用空气或富氧空气来部分氧化气体中的一部分氢气和残余量的烃。在次级重整器中，在上述蒸汽重整反应的原料反应过程中形成包含氢气、氮气、一氧化碳和二氧化碳的粗合成气，且在次级重整步骤中通过加入空气而向气体中引入氮气。

初级和次级重整工艺的缺点是用于加热燃烧的初级蒸汽重整器的燃料消耗相对高和因此大的CO₂排放。从该工艺中捕获的CO₂产物可用于下游工艺，例如尿素生产或三次采油。

在大规模氨合成设备中，初级和次级蒸汽重整可以被自热重整(ATR)代替。

ATR包括在反应中使用氧气使天然气部分氧化为CO、CO₂、H₂、H₂O和烃，随后使烃进行蒸汽重整以形成粗合成气。采用ATR技术，特别是可以稍微降低烃的消耗以及CO₂排放。

在常规的ATR工艺中，空气分离单元(ASU)为ATR提供氧气，也为氨合成提供氮气。

在ASU中处理的不到一半的氮将用于氨合成，因为ATR需要比大气空气中的氧和氮之间的比率相对更多的氧/氮。过量的氮可被认为是ASU的能量损失。

最近，至少在专利文献中，已经设想了用生产氢气的水电解与生产氮气的空气分离的组合来制备氨合成气。由此产生的氢气和氮气以化学计量比组合以形成用于氨生产的合成气。然而，电解和空气分离的组合的问题在于，在电解和空气分离两者中都产生了作为副产物的氧气，其在氨合成中没有用处，并且可被认为是能量损失。

本发明基于这样的ATR工艺的组合：其在ATR工艺中在烃原料的部分氧化中使用来自水的电解的氧。来自电解的氢气可用于将氨合成气中的氢气/氮气摩尔比调节至大约为制备氨以及制备另外的合成气所需的化学计量比。

与使用水电解制备氢和空气分离制备氮的现有技术的方法相比，在根据本发明的方法中，来自水电解的氧产物有利地用于自热重整器中的部分氧化，使得避免了昂贵且能量密集的ASU。

因此，本发明涉及一种制备氨合成气的方法，其包括以下步骤：

(a)提供烃原料；

(b)通过水的电解制备单独的氢气流和单独的氧气流；

(c)通过用来自步骤(b)的氧气流使大气空气富集，以提供用于自热重整的工艺空气；

(d)用富氧的工艺空气将至少一部分烃原料自热重整为包含氢气、氮气、一氧化碳和二氧化碳的工艺气体流；

(e)在一个或多个水煤气变换反应中处理从自热重整步骤(d)中取出的工艺气体流；

(f)从经水煤气变换处理的工艺气体流中除去二氧化碳；以及

(g)纯化来自步骤(f)的工艺气体流；以及

(h)获得氨合成气。

工艺气体流在950-1100℃的高温下离开自热重整步骤。工艺气体的高温可以有利地用于热交换重整器中一部分烃原料的蒸汽重整。在这种方法的一种类型中，烃原料被分成两个子流，其中一个子流被引入自热重整步骤，另一个子流被引入热交换重整器，并通过与离开自热重整步骤的热工艺流进行间接传热而被蒸汽重整。在水煤气变换反应中处理混合的工艺气体流之前，将来自热交换重整的经蒸汽重整的工艺气体与来自自热重整的工艺气体流混合。

因此，在本发明的一个实施方案中，该方法包括以下另外的步骤：以与离开自热重整步骤(d)的工艺流为间接传热关系的方式对一部分烃原料进行蒸汽重整，且在步骤(e)上游将经热交换蒸汽重整的工艺气体流与经自热重整的工艺气体流混合。

在这种方法的另一类型中，热交换蒸汽重整与自热重整步骤串联进行。在串联的热交换蒸汽重整工艺中，所有烃原料通过热交换重整器，其在那里被加热和部分转化。然后将部分转化的原料进料至自热重整器，其在那里发生最终转化。来自自热重整器的热工艺流以与烃原料为间接热交换关系的方式通过热交换重整器，并为吸热的蒸汽重整反应提供必要的热量。

因此，在本发明的另一个实施方案中，该方法包括以下另外的步骤：以与离开自热重整步骤(d)的工艺流为间接传热关系的方式对烃原料进行热交换蒸汽重整，并将经热交换蒸汽重整的烃原料送到步骤(d)。

氨合成气中的氮气来自于引入至ATR工艺的大气。因为ATR需要比大气中的氧/氮的摩尔比相对更多的氧/氮，所以在根据本发明的方法中使用的大气富含来自水电解的氧，以提供氧含量在22和45摩尔％之间、优选37摩尔％的工艺空气，其中可获得低的来自ATR的甲烷逸出。

氨合成气中氢气与氮气的摩尔比要求在2.7-3.3之间。所需的摩尔比通常通过调节引入至自热重整工艺的工艺空气的量来获得。

调节氨合成气中氢气与氮气的摩尔比的另一种方法或补充方法是将水电解中得到的氢气流引入纯化的工艺气体中。

然后优选在用于氨回路的合成气压缩机的吸入口附近将氢气流引入到纯化的工艺气体中。

因此，在本发明的一个实施方案中，在步骤(g)之后，将至少一部分在步骤(b)中获得的氢气流加入到工艺气体流中，其量使得氨合成气中的氢气与氮气的摩尔比为2.7-3.3。

当使用来自水电解的氢气流调节氨合成气时，水的电解优选在对应于工艺气体压力而言升高的压力下进行，这节省了压缩能量。

优选通过使工艺气体经历一个或多个CO到CO₂的水煤气变换反应以实现更多的氢气产生和CO₂的去除，同时通过本领域已知的CO₂的化学和/或物理吸收，来进行自热重整步骤和任选地在热交换蒸汽重整步骤中获得的工艺气体的纯化。

当在氨合成气制备中不包括ASU时，液氮不可用于通过液氮洗涤从工艺气体中除去杂质，并且在纯化步骤中使用液氮是较不可行的。

在根据本发明的方法中，纯化步骤中的氮洗涤可以优选地被甲烷化代替，以除去工艺气体中的痕量碳氧化物。

纯化步骤也可基于低温方法，如所谓的冷箱法，其也可用于通过除去过量的N₂来调节N₂/H₂摩尔比。

本发明的方法很大程度上基于水的电解，因为在该方法中使用了两种电解产物。

本发明的优点在于，用于操作水的电解的能量可以是由风车、太阳能电池、液压能或其它可再生能源产生的可再生能源。

因此，在本发明的优选实施方案中，水的电解由可再生能源提供动力。

本发明的方法还可以有利地用于改造和/或提高现有的基于ATR的氨合成气设备的产能。

本发明的方法的主要优点之一在于，与仅使用电解和空气分离而不使用ATR或次级重整的现有技术方法的效率相比，电解装置的效率显著提高了近30％。

已报道的商业化的水电解技术的效率在40％至60％之间。水电解的效率定义为产生的氢气的低热值(LHV)除以消耗的电功率。由于没有热力学热值，因此不能给出所产生的氧气的能量值。

将水电解与ATR或次级重整技术组合用于氨合成气生产的协同作用导致用于部分氧化工艺的烃原料和燃料以及对于ASU的功率需求的总体节省，因为在本发明的方法中不存在ASU。

在下表1中，给出了2200MTPD氨装置的关键参数，以比较具有ASU的ATR和与水电解结合且不具有ASU的ATR的合成气技术。

表1

与使用ATR和ASU的方法相比，当将205.7MW的功率用于效率为60％的水电解时，根据本发明的方法节省的天然气为129MW(LHV＝39771KJ/Nm³)并且ASU为30.3MW功率。然后，水电解的总效率从60％增加到77.4％。这增加了几乎30％。此外，节省了ASU的资本支出。因为天然气消耗降低22％，CO₂排放相应减少。

本发明的具体实施方案将参照附图更详细地公开，其中

图1是根据本发明的方法制备氨合成气的简化流程图，其中利用了水电解并结合了ATR和并联的热交换蒸汽重整。

在图1所示的简化框图中，该方法通过在自热重整器(ATR)6和热交换重整器(HTER)8中使与蒸汽流4混合的烃原料例如天然气(NG)的流2进行自热重整来进行。HTER 8与ATR 6并联操作，并且流2的一部分以流3b的形式绕过ATR 6并引入HTER 8中。

ATR 6用富氧空气操作。用于富集空气的氧气通过水电解槽(WE)10中的水电解产生，并且将WE10中产生的氧气流7以一定量混合到空气5中以产生具有37摩尔％的氧含量的工艺空气9。在ATR 6中，将一部分天然气4引入流3a中，并通过已知的自热重整工艺进行自热重整。取自ATR 6的温度约为1000℃的热的经自热重整的流出物11以与管线3b中供给HTER 8的天然气进行间接热交换的方式通过HTER 8，并为HTER 8中的蒸汽重整反应提供热量。含有氢气、氮气、一氧化碳和二氧化碳的经蒸汽重整和自热重整的工艺气体流13全部被送到水煤气变换(WGS)装置12，流13中的大部分碳氧化物通过已知的WGS反应转化为二氧化碳。

如本领域已知的，通过在N-甲基二乙醇胺(MDEA)中的吸收，在气液接触器14中从经水煤气变换处理的工艺气体流15中除去由WGS反应和蒸汽重整反应形成的二氧化碳。

从气-液接触器14中取出的工艺气体流17的最终纯化是在甲烷转化器16中通过使残余量的一氧化碳发生甲烷化(一氧化碳到甲烷的反应)来进行的。

通过将WE 10中形成的适量氢气通过流21引入流19中，将来自甲烷转化器16的经纯化的工艺气体流19中的氮气/氢气摩尔比调节至约3。

将这样制备的氨合成气通过管线23引入补充气体压缩机(未示出)并被送入氨合成回路(未示出)。