專利名稱：從煙道氣中獲取能量的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及從爐子煙道氣中獲取能量的方法，該爐子利用燃料來操作并用在生產(chǎn)蜜胺的工藝中，該方法包括第一熱交換步驟，其中煙道氣與第一工藝物料流熱交換。
這種方法是已知的，并用于生產(chǎn)蜜胺的許多工藝中。在已知的方法中，爐子是鹽釜(salt furnace)。新鮮空氣和天然氣作為燃料被供應到燃燒器中。在天然氣與新鮮空氣燃燒中，形成煙道氣。在第一熱交換步驟中，煙道氣與第一工藝物料流(即熔融鹽)熱交換。為了獲得更高的能量效率，在已知的方法中通過與新鮮空氣熱交換來進一步從煙道氣中獲取能量；經(jīng)加熱的空氣隨后進料到爐子的燃燒器中。利用所述與新鮮空氣的熱交換，總能量效率可達到約90％。“能量效率”被定義為燃料燃燒所釋出的能量中被特定的一股物料流或多股物料流或總物料流吸收的百分比。
該已知方法具有如下缺點與新鮮空氣沒有被預熱的爐子相比，經(jīng)加熱的空氣進料到爐中導致NOx釋放量的增加。對于所有類型的燃燒器，都已發(fā)現(xiàn)經(jīng)加熱的新鮮空氣導致NOx釋放量的增加。這種不希望的NOx釋放量的增加無疑可以通過下述方法來限制分離出煙道氣的一部分，將該部分與新鮮空氣混合，并加熱新鮮空氣與再循環(huán)煙道氣的混合物，然后將它進料到爐的燃燒器中。盡管如此，NOx的釋放仍保持不希望的高水平；在已知方法的煙道氣中NOx的釋放量一般是110mg/Nm3或更高。如已知的，單位Nm3表示在標準的溫度和壓力條件下氣體的體積。這些條件是指273K和0.1013MPa。
本發(fā)明的目的是減少上述缺點，并且相對于所述與熔融鹽的熱交換的能量效率相比，實現(xiàn)更高的能量效率。
所述目的是通過煙道氣在第二熱交換步驟中與第二工藝物料流熱交換實現(xiàn)的。
根據(jù)本發(fā)明的方法的優(yōu)點是與已知方法相比較，NOx的釋放量降低，同時第一、第二熱交換步驟的組合可以允許更有效地從煙道氣中獲取能量。
這里爐子表示基本上依靠燃燒來加熱的爐子；實踐中通常使用天然氣或油作燃料，但本發(fā)明的方法并不限于此。
所述爐子用于蜜胺的生產(chǎn)工藝中?！坝糜凇北硎緺t子釋放出的能量用作工藝用熱。工藝用熱的應用實例是加熱反應器，在該反應器中由尿素通過吸熱反應制備蜜胺。
這里生產(chǎn)蜜胺的工藝是指任何可能的工藝。已知的生產(chǎn)蜜胺的工藝實例例如在Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry，Sixth Edition，2001，Chapter“Melamine and Guanamines”，section 4中有描述。
這里“煙道氣”表示由燃料(例如天然氣或油)的燃燒而產(chǎn)生的燃燒廢氣。煙道氣的溫度高，通常在600℃至800℃至1000℃，甚至高達1200℃或更高。
根據(jù)本發(fā)明在第一或第二熱交換步驟中進行熱交換的實施方式本身是已知的，例如在熱交換器中進行。熱交換可以是直接的，也就是煙道氣與待加熱的工藝物料流經(jīng)至多一固定的隔板進行熱交換。熱交換也可以是間接的，也就是煙道氣與一種傳熱介質交換熱，然后該傳熱介質與待加熱的工藝物料流在單獨的熱交換步驟中進行熱交換。傳熱介質的實例是熔融鹽、Dowtherm和水蒸氣。
這里“工藝物料流”表示在生產(chǎn)蜜胺的工藝中使用的或消耗的物料流。工藝物料流的實施是進料物料流，例如尿素；輔助物料流，例如氣動輸送系統(tǒng)中的空氣、氨、熔融鹽、Dowtherm、水蒸氣、鍋爐給水；反應器流出物和所有的下游物料流，例如廢氣、蜜胺漿料、濕的蜜胺晶體；側線物料流(sidestream)，例如母液。工藝物料流的定義不包括用于爐子燃燒的新鮮空氣。本發(fā)明方法中的第一、第二工藝物料流通常是兩種不同的工藝物料流；但是，它們也可以是同一種物料流。
為了從所述的第一、第二熱交換步驟中獲得高的能量效率，通常有必要將煙道氣冷卻到相對低的溫度，例如到350℃，到300℃或者更低，也就是到250℃或甚至到200℃或者更低。這可以通過已知的方法來實現(xiàn)。這樣的一個實例是連續(xù)的熱交換步驟的組合，每一相繼的熱交換步驟將能量傳遞給更低溫度水平的工藝物料流。這種熱交換步驟組合的一個實例是在第一熱交換步驟中將熔融鹽從約420℃加熱到約450℃，然后在第二熱交換步驟中將氨從約150℃加熱到約400℃。這種第一、第二熱交換步驟組合的另一實例是將熔融鹽從約420℃加熱到約450℃，然后將Dowtherm從約200℃加熱到約350℃。這種第一、第二熱交換步驟組合的另一實例是將氨從約250℃加熱到約450℃，然后將尿素從約135℃加熱到約250℃。通過選擇熱交換步驟的恰當組合，同時選擇熱交換步驟的恰當實施方式，例如以逆流熱交換代替并流熱交換，煙道氣的溫度可以降低到這樣的程度，使得本發(fā)明方法中的能量效率高于85％，優(yōu)選高于88％，更優(yōu)選高于90％，更優(yōu)選高于92％，最優(yōu)選高于94％。高達99.5％的能量效率是有可能的，盡管這需要相當?shù)呐Γ灰虼嗽趯嵺`中達99％或97％或96％的能量效率通常是可接受的。
與已知方法相比，在本發(fā)明的方法中NOx的釋放量降低；釋放量可以降低到低于100mg/Nm3，優(yōu)選低于95mg/Nm3，更優(yōu)選低于90mg/Nm3，最優(yōu)選低于85mg/Nm3，根據(jù)”Besluit emissie-eisen stookinstallatiesmilieubeheer A”(Order starting emission requirements for combustioninstallation environmental management A)，也稱為BEES(Dutch Bulletin ofActs and Decrees 2000，443，從23-11-2000起有效的版本)的Clause 4測得的。為了達到所述的釋放量值，除了實施根據(jù)本發(fā)明的方法之外，可能有必要以本領域技術人員本身已知的方式對一般的設計，特別是燃燒器進行有關NOx釋放方面的優(yōu)化。
前面提到的釋放量的值并不意味著在根據(jù)本發(fā)明的方法中，如已知方法中實踐的那樣通過與煙道氣熱交換來預熱新鮮空氣是完全不可能的。這是因為除了根據(jù)本發(fā)明在第一、第二熱交換步驟中獲取能量之外，如果還有進一步獲取能量的其它可能性，則是有利的。因此，根據(jù)本發(fā)明的方法優(yōu)選地還包括用于煙道氣與新鮮空氣的第三熱交換步驟；這里煙道氣中NOx的釋放量優(yōu)選地低于100mg/Nm3。符合特定的釋放量值要求必須以使得所述的釋放量值沒有被超過的方式來限制用煙道氣預熱新鮮空氣。這可以通過限制新鮮空氣的溫度增加來實現(xiàn)。這可能導致有必要將由預熱新鮮空氣得到的能量效率限制在低于15％或10％，優(yōu)選低于8％或6％，或者低于5％或4％。在這種情況下，以及如果不預熱新鮮空氣的情況下，以下操作可能額外有利如已知方法中將煙道氣的一部分分離出，并將該部分與新鮮空氣混合，從而將新鮮空氣與再循環(huán)煙道氣的混合物進料到燃燒器中。
通過第三熱交換步驟用煙道氣來預熱新鮮空氣可以在與第一和第二工藝物料流的第一或第二熱交換步驟之前、之中或之后進行。如果新鮮空氣在第一或第二熱交換步驟之前被預熱，那么仔細檢驗能量效率和NOx的釋放量保持在上面所述的范圍內(nèi)就較重要。因此，新鮮空氣優(yōu)選地在第一或第二熱交換步驟之中或之后被預熱，最優(yōu)選地在第二熱交換步驟之后預熱。
爐子優(yōu)選是鹽釜。這里“鹽釜”表示這種爐子其中如果鹽熔化還沒有完成的話，通過第一熱交換步驟熔化并加熱鹽，然后熔融的鹽起向生產(chǎn)蜜胺的工藝中供給工藝用熱的作用，因此這里提到間接熱交換。這種鹽釜本身是已知的。在生產(chǎn)蜜胺的工藝中使用的鹽釜中，來自于工藝的熔融鹽通常在400℃到440℃之間的溫度下進入鹽釜，以便被加熱到450℃或更高。結果，在與熔融鹽熱交換之后，煙道氣仍然具有約400℃或更高的溫度；這個溫度就是第二熱交換步驟的入口溫度。
在優(yōu)選的實施方式中，根據(jù)本發(fā)明的方法包括與熔融鹽的第一熱交換步驟，然后是與基本由氨組成的工藝物料流的第二直接熱交換步驟。眾所周知，在生產(chǎn)蜜胺的工藝中各種地方都要使用和/或消耗氨。在某些地方，氨有必要具有300℃以上的高溫，經(jīng)常大約350℃至400℃或更高，直至大約450℃。其例子是在生產(chǎn)蜜胺的氣相工藝的反應器中，使用氨作為流化氣體，或在高壓液相工藝的反應器中使用氨。在實踐中，與水蒸氣的熱交換不足以將氨加熱到所述溫度值，因為通過與工業(yè)上可得到的水蒸氣進行熱交換通常僅能將氨加熱到不高于200℃至250℃。這意味著必須用不同的方法進一步加熱氨；已知的其它方法實例是對攜有待加熱的氨的管道進行電加熱，或者利用與熔融鹽的熱交換步驟。所述已知的將氨進一步加熱到所述溫度值的方法在技術上復雜，且不直接，因此效率相對低。根據(jù)本發(fā)明的方法的一個優(yōu)點是在第二熱交換步驟中煙道氣與氨之間的熱交換可以直接、高效、節(jié)能、技術上簡單、經(jīng)濟上合算地將氨加熱到300℃至400℃或者更高。待加熱的氨可以是氣態(tài)、液態(tài)或超臨界狀態(tài)。優(yōu)選地，待加熱的氨為液態(tài)或超臨界狀態(tài)，因為相對于熱交換到氣態(tài)介質，熱交換到液體或超臨界介質在技術上更簡單。
在另一優(yōu)選的實施方式中，根據(jù)本發(fā)明的方法包括與熔融鹽的第一熱交換步驟，然后是與基本由尿素組成的工藝物料流的第二直接熱交換步驟。從高壓蜜胺生產(chǎn)工藝可知通過將尿素與在尿素生成蜜胺的反應中釋放出的氣體直接接觸可以加熱尿素，這些氣體通常最后要返回制備尿素的工藝中。但是，除此之外，仍然可能需要額外的加熱尿素的方法，例如在裝置非穩(wěn)態(tài)運行時(例如開車期間)，而且，已知方法通常不適用于低壓生產(chǎn)蜜胺的工藝。因此，在根據(jù)本發(fā)明的方法中使用尿素作為工藝物料流是有利的。
已發(fā)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的方法在實踐中通用的鹽釜中等具有工業(yè)實用性。因此本發(fā)明也涉及在蜜胺生產(chǎn)工藝中供給工藝用熱的裝置，包括鹽釜，鹽釜包括鹽在其中被加熱的熱交換單元；這里是進行第一熱交換步驟。根據(jù)本發(fā)明的裝置還包括至少一個附加的熱交換單元來直接或間接地加熱工藝物料流；這里是進行第二熱交換步驟。加熱工藝物料流的至少一個附加的熱交換單元的存在有助于使能量效率達到85％或更高，而不需要預熱新鮮空氣。優(yōu)選地，該附加的熱交換單元是直接加熱氨或尿素的熱交換單元。此外，如前面提到的，應注意NOx的釋放量要求優(yōu)選還給該裝置配備一個用于加熱新鮮空氣的熱交換單元；第三熱交換步驟在其中進行。
已發(fā)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的方法還在優(yōu)化在生產(chǎn)蜜胺的工藝中用于供給工藝用熱的現(xiàn)有裝置方面具有工業(yè)實用性。通過增加至少一個用于直接或間接加熱工藝物料流的熱交換單元，可以在現(xiàn)有的裝置中應用本發(fā)明的方法。增加至少一個加熱工藝物料流的附加熱交換單元有助于使能量效率達到85％或更高，而不必將此依賴于預熱新鮮空氣。優(yōu)選地，這個增加的熱交換單元用于直接加熱基本由氨或尿素組成的工藝物料流。如果現(xiàn)有的裝置包括用于預熱新鮮空氣的熱交換單元，該增加的熱交換單元優(yōu)選被定位成使得煙道氣在預熱新鮮空氣之前首先通過該增加的熱交換單元。因為新鮮空氣獲取較少的能量，因此被預熱的程度較低，所以現(xiàn)有裝置的NOx釋放量會降低，最終所能達到的釋放量的值依賴于現(xiàn)有裝置的具體狀況。
在實踐中，經(jīng)常希望同時獲得不同溫度水平的工藝物料流，例如傳熱介質或輔助物料流，例如氨。因為與工藝物料流的熱交換步驟必須調節(jié)(dimension)成向生產(chǎn)蜜胺的工藝提供最高的期望溫度，因此需要提供也向生產(chǎn)蜜胺的工藝供給較低溫度水平的工藝物料流的可能性。在根據(jù)本發(fā)明的方法的優(yōu)選實施方式中，因此采用第四熱交換步驟，其中工藝物料流與煙道氣熱交換，并且供應到第四熱交換步驟的工藝物料流的溫度比供應到第四熱交換步驟的煙道氣的溫度高。這種第四熱交換步驟的實例是首先分離出供應到第一熱交換步驟，或從第一熱交換步驟釋出的熔融鹽物料流的一部分，然后將分離出的熔融鹽物料流供應到第四熱交換步驟，而由于第二熱交換步驟以及可能的第三熱交換步驟，煙道氣溫度降低，以致第四熱交換步驟中煙道氣被加熱而熔融鹽被冷卻。
導致煙道氣在某種程度上被重新加熱的第四熱交換步驟的優(yōu)點是可以防止煙道氣最后釋出時發(fā)生凝結。另一優(yōu)點是其中進行該單獨的第四熱交換步驟的單元的設計比在與煙道氣的第一或第二熱交換期間必須釋出傳熱介質時要簡單。
在根據(jù)本發(fā)明的方法中，除了上面提及的熱交換步驟之外，還有可能引入與工藝物料流的第五或其它熱交換步驟。這將取決于具體情況，例如工藝物料流的存在及加熱要求。不包括第三熱交換步驟的實施方式也是可能的。
下面參照附圖來闡述本發(fā)明。


圖1示出了現(xiàn)有技術的實施方案，其中燃料與新鮮空氣供應到燃燒器；煙道氣與熔融鹽及新鮮空氣連續(xù)熱交換。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，其中在與新鮮空氣熱交換之前，煙道氣經(jīng)過兩個與工藝物料流的熱交換步驟。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，其中在與熔融鹽、工藝物料流及新鮮空氣熱交換之后，通過與部分熔融鹽熱交換來重新加熱煙道氣。
附圖中標號的第一位數(shù)字表示圖號。如果不同附圖中標號的后兩位數(shù)字相同，則它們表示相同的部件。
在圖1中，天然氣通過管線102被供應到燃燒器104，在燃燒器中天然氣與通過管線106供應的助燃空氣一起燃燒。煙道氣在該過程中形成。煙道氣經(jīng)過管路108被送入熱交換器110，在其中煙道氣與通過管線112供應的熔融鹽進行熱交換，并且一旦被加熱后熔融鹽就沿管線114釋出。然后煙道氣經(jīng)過管路116被供應到熱交換器118，在其中煙道氣與新鮮空氣進行熱交換。新鮮空氣經(jīng)管線120供應，加熱后經(jīng)106排出作為助燃空氣進入燃燒器104。煙道氣經(jīng)管路122排放。為了實現(xiàn)煙道氣NOx的減少，一部分煙道氣經(jīng)124與通過120供應的新鮮空氣混合而再循環(huán)。
在圖2中，與圖1相比較，煙道氣與工藝物料流(例如熔融鹽)熱交換后通過210不是直接與新鮮空氣熱交換，而是首先經(jīng)管路226到熱交換器228。在228中煙道氣再次與經(jīng)管線230供應的工藝物料流(例如超臨界氨)熱交換，加熱后經(jīng)管線232釋放。然后，煙道氣經(jīng)管路234被供應到熱交換器218。
在圖3中，與圖2相比較，煙道氣與新鮮空氣在318中熱交換后，沿著管路322被供應到熱交換器336；在這里煙道氣與已經(jīng)314排放出的一部分工藝物料流熱交換；這部分物料流是經(jīng)管線338供應的。在336中熱交換的結果是煙道氣在一定程度上被重新加熱，工藝物料流在一定程度上被冷卻。冷卻的工藝物料流經(jīng)340排放；煙道氣經(jīng)管路342排放。
下面參考實施例和對比實驗進一步闡明本發(fā)明。
實施例I其中實施根據(jù)本發(fā)明方法的、根據(jù)圖2的裝置包括一個鹽釜。煙道氣與熔融鹽的第一熱交換步驟在熱交換器210中進行；與氣態(tài)氨的第二熱交換步驟在熱交換器228中進行；煙道氣與新鮮空氣的第三熱交換步驟在熱交換器218中進行。一部分煙道氣分離出并經(jīng)224與新鮮空氣混合。
鹽釜是這樣經(jīng)燃燒加熱的在燃燒器204中，1625Nm3/h的天然氣與總體積為20,850Nm3/h的、約90％體積的新鮮空氣和約10％體積的再循環(huán)煙道氣的混合物進行燃燒。約500m3/h的熔融鹽從管線212中的414℃被加熱到管線214中的450℃。約22,500kg/h的氣態(tài)氨從管線230中的210℃被加熱到管線232中的250℃。新鮮空氣和再循環(huán)煙道氣的混合物在熱交換器218中從32℃被加熱到158℃。最后煙道氣從222釋出，溫度為220℃。
總的能量效率為91％；NOx的釋放量為80mg/Nm3。
對比實驗根據(jù)現(xiàn)有技術的裝置(見圖1)包括鹽釜。煙道氣在熱交換器110中與熔融鹽熱交換。這里不進行與工藝物料流的直接或間接的熱交換。但是煙道氣最后在熱交換器118中與新鮮空氣熱交換。煙道氣的一部分分離出并通過124與新鮮空氣混合。
鹽釜是這樣經(jīng)燃燒加熱的在燃燒器104中，1625Nm3/h的天然氣與總體積為20,850Nm3/h的、約90％體積的新鮮空氣和約10％體積的再循環(huán)煙道氣的混合物進行燃燒。約500m3/h的熔融鹽從112中的414℃被加熱到114中的450℃。新鮮空氣和再循環(huán)煙道氣的混合物從120中的47℃被加熱到106中的398℃。最后煙道氣從122釋出，溫度為125℃。
總的能量效率為93％；考慮到在根據(jù)現(xiàn)有技術的裝置中，沒有如在實施例I中一樣加熱氨物料流；這樣在生產(chǎn)蜜胺的工藝中需要單獨的熱交換步驟，例如借助水蒸氣或通過對攜有待加熱氨的管線進行電加熱，而這對這里所給出的效率具有負面影響。另外，在這個實施方式中，煙道氣被冷卻到更低溫度，這也導致更高的效率。NOx的釋放量為100mg/Nm3。
從實施例I及對比實驗表明的根據(jù)本發(fā)明的方法可以同時具有高的能量效率和低的NOx釋放量。
權利要求
1.一種從爐子的煙道氣中獲取能量的方法，該爐子利用燃料來操作并用在生產(chǎn)蜜胺的工藝中，該方法包括第一熱交換步驟，其中煙道氣與第一工藝物料流熱交換，其特征在于煙道氣在第二熱交換步驟中與第二工藝物料流熱交換。
2.如權利要求1所述的方法，還包括第三熱交換步驟，其中煙道氣與新鮮空氣進行熱交換。
3.如權利要求1或2所述的方法，其中，所述爐子是鹽釜。
4.如權利要求3所述的方法，其中，在第一熱交換步驟中煙道氣與熔融鹽交換熱，在第二熱交換步驟中煙道氣與基本由氨組成的工藝物料流交換熱。
5.如權利要求3所述的方法，其中，在第一熱交換步驟中煙道氣與熔融鹽交換熱，在第二熱交換步驟中煙道氣與基本由尿素組成的工藝物料流交換熱。
6.如權利要求1或2所述的方法，包括第四熱交換步驟，其中煙道氣與工藝物料流進行熱交換，并且供應到第四熱交換步驟的所述工藝物料流的溫度比供應到第四熱交換步驟的煙道氣的溫度要高。
7.用于在生產(chǎn)蜜胺的工藝中供應工藝用熱的裝置，包括鹽釜，所述鹽釜包括鹽在其中被加熱的熱交換單元，其特征在于該裝置還包括至少一個附加的熱交換單元，用于直接或間接地加熱工藝物料流。
8.如權利要求6所述的裝置，其包括用于直接加熱基本由氨或尿素組成的工藝物料流的熱交換單元作為附加的熱交換單元。
9.如權利要求6或7所述的裝置，其還包括用于加熱新鮮空氣的熱交換單元。
10.一種用于優(yōu)化在生產(chǎn)蜜胺的工藝中由煙道氣供應工藝用熱的現(xiàn)有裝置的方法，其特征在于增加至少一個熱交換單元來直接或間接地加熱工藝物料流。
11.如權利要求9所述的方法，其中增加的熱交換單元用于直接加熱基本由氨或尿素組成的工藝物料流。
全文摘要
本發(fā)明涉及從爐子的煙道氣中獲取能量的方法，該爐子利用燃料(202)來操作并用在生產(chǎn)蜜胺的工藝中，該方法包括第一熱交換步驟(210)，其中煙道氣與第一工藝物料流(212、232)熱交換，在第二熱交換步驟中，煙道氣與第二工藝物料流(230、232)熱交換。本發(fā)明還涉及一種在制備蜜胺的工藝中提供熱的裝置，以及用于優(yōu)化現(xiàn)有裝置的方法。
文檔編號C07D251/56GK1738998SQ200380108918
公開日2006年2月22日 申請日期2003年12月17日 優(yōu)先權日2003年1月17日
發(fā)明者丹尼斯·瑪瑞恩·巴克爾, 伯納德·格特·馬里·克耶沃克司, 弗拉其蘇斯·約瑟夫斯·穆恩 申請人:帝斯曼知識產(chǎn)權資產(chǎn)管理有限公司