[发明专利]使用液态含氧流体的高能量回收硝酸工艺

说明书

提供了一种用于高效利用能量和材料的硝酸生产工艺和系统的新颖构思，其中，特别为与氨气生产工艺和系统一体化的硝酸生产工艺和系统被配置为从正在消耗的氨气中回收特别为电能形式的大量能量，同时在氨气转化为硝酸时保持较高硝酸回收率。能量回收和发电工艺包括对液态气体(诸如，空气、氧气和/或Nsubgt;2/subgt;)进行加压，随后特别使用在硝酸和/或氨气的生产中所生成的低等级的废热，使加压的液态气体蒸发并对其进行加热，并且随后使蒸发的加压的液态气体在涡轮机上膨胀。特别地，所产生的电能至少部分地用于向电解器供能以生成用于氨气的生产所需的氢气。本申请中所提出的新颖构思在基于可再生能源的硝酸生产中尤其有用。

技术领域

本发明涉及化学处理的技术领域。特别地，本发明总体上涉及硝酸生产工艺，特别为与位于硝酸生产的上游和/或下游的一个或多个工艺(诸如，分别是氨气生产，特别为使用通过电解水而生成的氢气的氨气生产，以及基于硝酸盐的肥料生产)相结合的硝酸生产工艺。本发明还涉及用于执行根据本发明的硝酸生产工艺的系统。

背景技术

通常通过多步工艺来生产硝酸，其中，氨气被氧化为氮氧化物，该氮氧化物然后被水吸收以生产硝酸。在第一步骤中，在存在催化剂(例如，基于铂或铑的催化剂)的情况下，无水氨气通过氧气或空气被氧化为一氧化氮(NO)和水(蒸汽)。该氨气燃烧步骤是放出大量热量的工艺，通常发生在约700–1000℃的温度。在下一步骤中，包含在氨气燃烧气体中的一氧化氮被进一步氧化为二氧化氮(NO₂)(例如，在氧化器部分中)。最后，二氧化氮在水中(通常在专用吸收器中)被吸收以产出所需的硝酸。在吸收步骤之前，通过冷却燃烧气体来冷凝包含在氨气燃烧气体中的水蒸气(蒸汽)。

现代硝酸工厂在压力下运作，以便实现更高的酸浓度和更高的NO氧化速率以及吸收器中的效率。在单压力工厂中，氨气燃烧和氮氧化物吸收均在中压(从3bara到约6或7bara)或高压(约7bara至12bara之间，最高达20bara)下执行。在双压力工厂中，氨气燃烧发生在约3至6bara的中压下，而用于产出硝酸的吸收发生在10至15bara的高压下。这些系统通常包括膨胀涡轮机(被称为尾气涡轮机)，以在将残气或尾气释放到大气中之前从其中回收能量。另外，为了冷凝来自氨气燃烧器或燃烧器的气体和水蒸气，在燃烧器与吸收器之间应用热交换器。例如，通常在这些系统中，将废热锅炉安装在燃烧器中的催化剂部分之后。尽管现代硝酸工厂因此包括能量回收系统，但是还由于产生的大量低等级的热量(低等级的热量被称为低经济价值的热量)，它们通常回收这种能量的能力很差。生产硝酸的当前技术仅可回收约25-30％的燃烧能量作为可输出流，并且当使用这种流来产生电力时，通常获得的热效率小于10％。

在使用水电解作为氢来源来生产氨气时，该工艺通常需要9.5MWh/t_NH3，其中，约90％被电解器使用(参见GruntChristiansen,International Journal of HydrogenEnergy 7(1982)247-257)。另外，投入电解单元的能量的约20％作为低等级的热量在90℃被释放。

因此，在当前的硝酸工艺中仅回收了硝酸生产工艺中所消耗的氨气的生产所需的能量的一小部分。

近来，就成本而言，太阳能光伏(PV)和风能已开始优于常规的(例如，基于化石燃料的)电能生产方法。普遍期望在越来越多的情况下风能和太阳能将能够击败化石燃料。这种发展为生产所谓的“绿色氨气”和“绿色硝酸盐”提供了可能性，其中，可再生能源满足了生产工艺的能源需求。