本發(fā)明提供了一種可廣泛用于煤化工及煉鋼行業(yè)的高爐氣綜合利用生產(chǎn)合成氨尿素的裝置及方法。具體就是根據(jù)高爐氣的組成，通過合理而有效的分級(jí)提氫、提氮?dú)?、提二氧化碳，制得氨合成及尿素合成的原料氣，再?jīng)氨合成及尿素裝置獲得液氨或尿素產(chǎn)品。
背景技術(shù)：
鋼鐵企業(yè)的煤氣分為焦?fàn)t煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣和高爐氣，俗稱“三氣”。其中焦?fàn)t氣和轉(zhuǎn)爐氣由于有效成分較高，在化工行業(yè)已有較成熟的應(yīng)用案例，高爐氣中的有效成分較低，目前大多用于發(fā)電和燃料，沒用很好的技術(shù)能實(shí)現(xiàn)高爐氣的經(jīng)濟(jì)性效用。
高爐氣組成co含量約20～25mol％，h2含量約1.5～3.0mol％，o2含量約0.5～1.0mol％，co2含量約20mol％，n2含量約50mol％。具有有效組分低、熱值低和壓力低的“三低”特征，在綜合利用方面存在較大困難，傳統(tǒng)方式僅將其作為伴燒燃料或利用特殊改進(jìn)的爐子進(jìn)行燃燒回收熱量。隨著尾氣分離技術(shù)的進(jìn)步，高爐氣回收利用的新工藝主要集中在尾氣分級(jí)提純?yōu)榛ぎa(chǎn)品的原料，非常適用于高爐氣存在放散情況的鋼鐵企業(yè)，也適合天然氣、液化氣等資源緊張地區(qū)的鋼鐵企業(yè)，在幫助企業(yè)回收高爐煤氣中的有效成分，大幅度的增加高爐氣附加值同時(shí)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、低碳煉鐵。目前提純后的高爐氣主要用于以下幾方面：
1)提純后作為高熱值燃料
根據(jù)需要，將高爐煤氣提純后，將產(chǎn)品氣中co純度控制在40％～90％間的任意純度，則得到熱值區(qū)間在5000～11500kj/m3的混合氣體，該混合氣可直接用于燃燒，也可與天然氣、液化氣、焦?fàn)t煤氣摻混作為燃?xì)馐褂?，減少高爐氣的放散同時(shí)降低高熱值氣體天然氣、液化氣、焦?fàn)t煤氣的用量。
2)提純后做化工原料
高爐煤氣中co經(jīng)提純后純度可達(dá)99％以上，產(chǎn)品完全滿足做為羰基合成原料或加工其它化工產(chǎn)品的要求。化工企業(yè)可以用較低的成本獲得co原料氣，降低生產(chǎn)成本，增加企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力；鋼鐵企業(yè)實(shí)現(xiàn)了變廢為寶，在節(jié)能減排的同時(shí)又可以為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
3)作為高爐噴吹還原性氣體
將高爐煤氣中的還原氣體(主要是co)通過變壓吸附的方式提純(富化)后，作為還原介質(zhì)通過爐身某個(gè)合適的部位噴吹入高爐內(nèi)，參與爐內(nèi)鐵氧化物的還原反應(yīng)，減少焦炭等還原劑的消耗，通過改善高爐能量利用效率來達(dá)到系統(tǒng)節(jié)能的目的。
高爐氣的組成對(duì)合成氨裝置工藝路線的選擇有很大影響，高爐氣制合成氨尿素，需要解決三種氣體的來源。
(1)h2來源
高爐氣本身含有h2，但含量少，只有約1.5～3.0mol％，主要h2還需經(jīng)co變換反應(yīng)獲得，來滿足氨合成原料h2的需要。
變換反應(yīng)為co和h2o生成h2和co2的過程。根據(jù)流程的不同co變換有兩種方案，一種是變換后co干基含量為～0.4％，co脫除主要靠醇烴化或psa，這種方案蒸汽消耗高；另一種是變換后co干基含量控制在1.5～2.0％，剩余co的脫除主要靠psa+甲烷化來實(shí)現(xiàn)，這種方案蒸汽消耗小。
(2)n2來源
高爐氣中含有的n2，這些n2可以作為合成氨的原料氣加以利用。同時(shí)，由于n2含量高達(dá)～50mol％，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于合成氨尤其氫氮比約3:1的要求，所以工藝路線選擇時(shí)就存在脫n2和提co兩種方案。
脫n2工藝：由于h2和n2比較好分離，所以脫n2一般放在變換、脫碳之后。
提co工藝：采用專用吸附劑，co回收率可在94％以上。psa制備的co，配入高爐氣或富氮?dú)饨鉀Qn2來源，經(jīng)加壓、變換、脫碳等，生產(chǎn)合成氨。
(3)co2來源
co2的來源主要有兩個(gè)，一個(gè)是高爐氣里本身含有的co2(約20mol％)，最主要的是變換反應(yīng)生成的co2。
此外，高爐氣中含有10mg/nm3的總硫，需要在變換前脫除；含有0.5～1.0mol％的o2，在進(jìn)變換前需要降低至0.2mol％以下。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)上述實(shí)際情況，本發(fā)明的目的是提供一種高爐氣綜合利用生產(chǎn)合成氨尿素的裝置及方法。本發(fā)明具有流程配置合理，氫氣回收率高，惰性富氮?dú)饣厥绽?，無外界引入原料氣，投資少、能耗低、裝置運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種高爐氣綜合利用生產(chǎn)合成氨尿素的方法，其特征在于高爐氣經(jīng)原料氣壓縮單元增壓后，進(jìn)入干法脫硫單元，脫除h2s、cos和硫醇至合適指標(biāo)后，進(jìn)入脫氧單元中脫除所含氧氣，再進(jìn)入等溫變換單元中，co經(jīng)變換反應(yīng)變?yōu)閔2變換氣進(jìn)入psa-co2單元中，提純的富co2氣進(jìn)入二氧化碳?jí)嚎s單元，經(jīng)psa-co2單元的脫碳凈化氣進(jìn)入psa-n2單元中，再送入甲烷精制單元進(jìn)行氣體精制，富含n2的解吸氣經(jīng)解吸富氮?dú)鈮嚎s單元增壓后送界外，經(jīng)甲烷精制單元精制后得到的氫氣送入氨合成單元制得液氨，液氨與來自二氧化碳?jí)嚎s單元的富co2氣體進(jìn)入尿素單元制得尿素產(chǎn)品。
其具體工藝過程如下：
從上游裝置來的高爐氣經(jīng)原料氣壓縮單元的原料氣壓縮機(jī)增壓至1.0～2.0mpag，進(jìn)入干法脫硫單元，脫硫劑采用活性炭型吸收轉(zhuǎn)化脫硫劑，可一步法同時(shí)脫除h2s、cos和硫醇，脫硫后的合成氣中總硫≤0.1mg/nm3。經(jīng)過脫硫后的凈化氣送至脫氧單元，利用活性非均布抗毒脫氧劑將高爐氣中氧含量由～1.0mol％脫至10ppm以下。
經(jīng)過脫硫脫氧的凈化氣送等溫變換單元，進(jìn)變換的高爐氣經(jīng)過原料氣預(yù)熱器預(yù)熱至250～280℃與2.5mpag中壓過熱蒸汽一起進(jìn)入等溫中溫變換爐，經(jīng)過等溫變換反應(yīng)后的變換氣中co干基含量約2.0～3.0mol％，變換爐副產(chǎn)2.5mpag飽和蒸汽。出變換爐變換氣經(jīng)過原料氣預(yù)熱器后溫度降為230～260℃，經(jīng)過低壓蒸汽發(fā)生器副產(chǎn)0.5mpag飽和蒸汽，變換氣溫度降為180～220℃進(jìn)入低溫變換爐，經(jīng)過低溫變換爐的變換氣溫度升到200～240℃，變換氣中co干基含量約為1.5mol％，經(jīng)低壓蒸汽發(fā)生器副產(chǎn)0.5mpag飽和蒸汽，再經(jīng)過脫鹽水預(yù)熱器、水冷卻器后，合成氣溫度降為40℃，送psa-co2單元進(jìn)行脫碳。
經(jīng)過psa-co2單元的脫碳凈化氣中co2含量降至50～100ppmv送psa-n2單元，脫碳解吸氣制得純度為95～99％的co2產(chǎn)品氣，經(jīng)過壓縮機(jī)增壓后送尿素裝置。
經(jīng)過psa-n2單元的脫氮凈化氣中氫氮比調(diào)節(jié)至約3:1，送甲烷精制單元進(jìn)行氣體精制，將氨合成原料氣中的co+co2含量降至10ppmv。解吸氣為含氮量90～95％的富氮?dú)猱a(chǎn)品送界外用于鋼鐵公司的噴煤輸送介質(zhì)。
經(jīng)過甲烷精制單元的凈化氨合成原料氣經(jīng)合成氣壓縮機(jī)增壓后，在氨合成單元中于約15mpag壓力下進(jìn)行氨合成，氨合成所需冷量由氨壓縮制冷提供。氨合成的液氨與經(jīng)二氧化碳?jí)嚎s單元增壓后的co2氣體在尿素裝置合成尿素產(chǎn)品。
本發(fā)明有以下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：
(1)實(shí)現(xiàn)高爐氣附加值的提升，節(jié)能減排，低碳煉鐵。
(2)通過變換反應(yīng)將低氫高爐氣中的co轉(zhuǎn)換為富h2，有效氣回收率高。
(3)富n2經(jīng)加壓后用于鋼鐵公司的噴煤輸送介質(zhì)，提高惰性氣利用率。
(4)僅采用高爐氣制取液氨或尿素產(chǎn)品，無外界補(bǔ)充其它原料氣。
(5)變換單元出口控制co干基含量控制在1.5～2.0％，剩余co的脫除主要靠psa+甲烷化來實(shí)現(xiàn)，蒸汽消耗小。
(6)變換過程副產(chǎn)co2，故psa-co2工藝位于變換單元之后，可實(shí)現(xiàn)一步脫碳和co2提純的目的。
(7)采用psa-n2工藝，在脫出多余氮?dú)獾耐瑫r(shí)調(diào)整工藝氣中的氫氮比約為3:1，從而省去單獨(dú)的配氮裝置。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的工藝流程圖。
圖中：1原料氣壓縮單元；2干法脫硫單元；3脫氧單元；4等溫變換單元；5psa-co2單元；6psa-n2單元；7甲烷精制單元；8氨合成單元；9尿素單元；10二氧化碳?jí)嚎s單元；11解吸富氮?dú)鈮嚎s單元。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖1，以18萬噸/年合成氨，30萬噸/年尿素裝置為例，年操作時(shí)間按8000小時(shí)計(jì)。詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式。18萬噸/年合成氨，30萬噸/年尿素裝置對(duì)應(yīng)的h2為44350nm3/h，n2為14780nm3/h，co2為27180nm3/h。
(1)原料氣壓縮單元
從上游裝置來的高爐氣溫度為70℃、壓力為0.2mpag，流量為205915nm3/h，經(jīng)原料氣壓縮機(jī)增壓至1.0～2.0mpag后送干法脫硫單元。
(2)干法脫硫單元
自原料氣壓縮單元來的原料氣，采用干法脫硫法，可同時(shí)脫除h2s、cos和硫醇，脫硫后的合成氣中總硫≤0.1mg/nm3，送脫氧單元。這種脫硫劑可實(shí)現(xiàn)一步法脫硫，不需要像傳統(tǒng)脫硫劑水解和脫硫兩步脫硫。
(3)脫氧單元
經(jīng)過脫硫后的凈化氣，利用活性非均布抗毒脫氧劑將高爐氣中氧含量由～1.0mol％脫至10ppm以下。脫氧劑的操作溫度為120℃。
(4)等溫變換單元
自脫氧單元來的凈化氣經(jīng)過原料氣預(yù)熱器預(yù)熱至272℃與47.5t/h的中壓過熱蒸汽(2.5mpag、240℃)一起進(jìn)入等溫中溫變換爐，變換爐反應(yīng)溫度控制在280℃、壓力為0.9mpag，經(jīng)過等溫變換反應(yīng)后的變換氣中co干基含量小于2.7mol％，變換爐副產(chǎn)29.3t/h的2.5mpag飽和蒸汽。出變換爐變換氣經(jīng)過原料氣預(yù)熱器后溫度降為246℃，經(jīng)過低壓蒸汽發(fā)生器副產(chǎn)7.96t/h的0.5mpag飽和蒸汽，變換氣溫度降為204℃進(jìn)入低溫變換爐，經(jīng)過低溫變換爐的變換氣溫度升到216.5℃，變換氣中co干基含量～1.5mol％，經(jīng)低壓蒸汽發(fā)生器副產(chǎn)8.72t/h的0.5mpag飽和蒸汽溫度降為170℃，經(jīng)過脫鹽水預(yù)熱器、水冷卻器后，合成氣溫度降為40℃，送psa-co2單元進(jìn)行脫碳。
(5)psa-co2單元
經(jīng)過psa-co2單元的脫碳凈化氣中co2含量降至80ppmv送psa-n2單元，脫碳解吸氣制得純度為98.5％的co2產(chǎn)品氣27594nm3/h，經(jīng)過二氧化碳?jí)嚎s機(jī)增壓后送尿素裝置。
(6)psa-n2單元
經(jīng)過psa-n2單元的脫氮凈化氣中氫氮比調(diào)節(jié)至約3:1，送甲烷化單元進(jìn)行氣體精制，解吸氣為含氮量93.5％的富氮?dú)猱a(chǎn)品送界外用于鋼鐵公司的噴煤輸送介質(zhì)。
(7)甲烷精制單元
脫氮凈化氣進(jìn)一步經(jīng)甲烷化反應(yīng)凈化氣中的中的co+co2含量降至10ppmv后送至下游氨合成單元。
(8)氨合成單元
自甲烷精制單元來凈化氣經(jīng)氨合成單元制得液氨產(chǎn)品，流量為22.5t/h。
(9)尿素單元
自氨合成單元來液氨與二氧化碳增壓?jiǎn)卧獊砀籧o2氣體進(jìn)入尿素單元，制得尿素產(chǎn)品，流量為39.5t/h。
(10)二氧化碳?jí)嚎s單元
自psa-co2單元來富co2氣體經(jīng)經(jīng)二氧化碳?jí)嚎s機(jī)增壓至～15mpag后送入尿素單元。
(11)解吸富氮?dú)鈮嚎s單元
自psa-n2來富n2解吸氣經(jīng)解吸富氮?dú)鈮嚎s機(jī)增壓至0.15mpag后送出界外，作為鋼鐵公司的噴煤輸送介質(zhì)。
本發(fā)明以高爐氣為原料，通過一系列凈化和分離過程后制得氨合成原料氫氮?dú)夂湍蛩睾铣稍蠚飧籧o2氣體，然后再經(jīng)氨合成得到液氨產(chǎn)品，經(jīng)尿素合成裝置制得尿素產(chǎn)品。