способ производства азотной кислоты и агрегат для производства азотной кислоты

Формула изобретения

1. Способ производства азотной кислоты из аммиака путем окисления аммиака кислородом воздуха и поглощением оксидов азота водой в агрегате с единым давлением на стадиях окисления аммиака и поглощения оксидов азота с использованием сжимаемого в процессе производства воздуха и продуктов сгорания топлива, получаемых в камере сгорания, связанной с рекуперационной турбиной, отличающийся тем, что сжатие воздуха до единого конечного давления осуществляют непрерывно за одну ступень сжатия, после чего сжатый и тем самым нагретый воздух делят на два потока, один из которых, предназначенный для получения азотной кислоты, направляют на охлаждение и далее смешивают с аммиаком, а другой подают непосредственно в камеру сгорания, связанную с рекуперационной турбиной.

2. Агрегат для производства азотной кислоты из аммиака путем окисления аммиака кислородом воздуха и поглощением оксидов азота водой в агрегате с единым давлением на стадиях окисления аммиака и поглощения оксидов азота, содержащий аппараты окисления аммиака воздухом, поглощения оксидов азота, газотурбинную установку, включающую компрессор для сжатия воздуха и рекуперационную турбину для расширения хвостовых газов, нагретых газами из камеры сгорания топлива, а также смеситель аммиака и его подогреватель, линию питательной воды для котла-утилизатора, имеющего паросборник, и продувочную колонну азотной кислоты, отличающийся тем, что в газотурбинной установке в качестве компрессора для сжатия воздуха используют осевой компрессор, установленный непосредственно на одном валу с рекуперационной турбиной и у которого на выходе из компрессора линия потока сжатого воздуха разделена на две части, одна из которых предназначенная для получения азотной кислоты, связана сначала с охладителем сжатого воздуха и затем со смесителем аммиака, а вторая, предназначенная для сжигания топлива, непосредственно с камерой сгорания рекуперативной турбины.

3. Агрегат для производства азотной кислоты из аммиака по п.2, отличающийся тем, что в качестве охладителя сжатого воздуха используют "кипящий" экономайзер, соединяемый с линией питательной воды для котла-утилизатора и с паросборником котла-утилизатора линией пароводяной эмульсии.

4. Агрегат для производства азотной кислоты из аммиака по п.2, отличающийся тем, что линия воздуха, предназначенная для получения азотной кислоты, соединена с продувочной колонной азотной кислоты через подогреватель аммиака.

Описание изобретения к патенту

Изобретения относятся к производству азотной кислоты, получаемой окислением аммиака кислородом воздуха и поглощением (абсорбцией) оксидов азота водой в агрегатах с единым давлением на стадиях окисления аммиака и поглощения оксидов азота. Область применения изобретения - агрегаты с единым давлением 0,7-1,0 МПа и сжатием воздуха в компрессоре, входящем в состав газотурбинной установки. В газотурбинной установке двигателем воздушного компрессора служит рекуперационная газовая турбина, в которой расширяются нагретые до высокой температуры отработанные хвостовые газы после стадии поглощения, причем нагрев осуществляется за счет сжигания топлива, преимущественно природного газа, в камере сгорания турбины путем смешения хвостовых газов с дымовыми газами из камеры сгорания турбины.

Известен способ производства азотной кислоты под единым давлением (см., например, монографию “Производство азотной кислоты в агрегатах большой мощности” под ред. В.М.Олевского, М.: Химия, 1985 г., стр.94-208), в которой атмосферный воздух сжимают до конечного давления 0,716 МПа в две ступени сжатия. Атмосферный воздух на первой ступени сжатия сжимают в осевом компрессоре до давления 0,343 МПа и температуры 174°, затем охлаждают до 42° в водяном теплообменнике, после чего он поступает на 2 ступень сжатия в центробежный компрессор, где сжимается до 0,716 МПа, нагреваясь при этом до 135°. Сжатый воздух разделяют на два потока: основной - на производство азотной кислоты, не основной - на собственные нужды.

Большую часть основного потока воздуха направляют на смешение с газообразным аммиаком, другую, меньшую часть используют для продувки азотной кислоты и в качестве дополнительного воздуха на поглощение. В соответствии с балансом воздуха основного потока для поддержания на стадии окисления аммиака оптимальной температуры (900°С), воздух перед смешением с аммиаком подогревают от 135 до 180-230°С нитрозными газами. Воздух в пусковую камеру сгорания турбины поступает с температурой 135°С.

Прототипом предлагаемого способа производства азотной кислоты, получаемой окислением аммиака кислородом воздуха и поглощением оксидов азота водой в агрегатах с единым давлением на стадиях окисления аммиака и поглощения оксидов азота, является способ, изложенный в “Справочнике азотчика”, изд. 2-е, книга 2-я, М.: Химия, 1987 г., стр.66-73.

К недостаткам известных способов можно отнести наличие двух ступеней сжатия воздуха, вследствие чего необходимо дополнительное оборудование для осуществления второй ступени сжатия и промежуточного охлаждения.

В тех же источниках информации (см. “Производство азотной кислоты в агрегатах большой мощности” под ред. В.М.Олевского, М.: Химия, 1985 г., стр.94-208 и “Справочник азотчика”, изд. 2-е, книга 2-я, М.: Химия, 1987 г., стр.66-73) описаны агрегаты для производства азотной кислоты, получаемой окислением аммиака кислородом воздуха и поглощением оксидов азота водой в агрегатах с единым давлением на стадиях окисления аммиака и поглощения оксидов азота, включающие газотурбинную установку с осевым воздушным компрессором и с газовой турбиной на одном валу, воздухоохладитель, центробежный нагнетатель воздуха, пусковой мотор-генератор и многоступенчатый редуктор, передающий энергию от газовой турбины для вращения центробежного нагнетателя и энергию от мотор-генератора мощностью 800 кВт при пуске и к мотор-генератору в стационарном режиме.

Сложная конструкция газотурбинной установки резко осложняет эксплуатацию агрегата особенно из-за частого выхода из строя воздухоохладителя, редуктора. Кроме того, повышается себестоимость получаемой азотной кислоты вследствие затрат на ремонт и запасные части и длительный период пуска газотурбинной установки приводит к перерасходу топлива - природного газа.

Предлагаемыми изобретениями решается задача значительного упрощения получаемого сжатого воздуха до требуемого давления благодаря исключению воздухоохладителя, центробежного компрессора, многоступенчатого редуктора, а тем самым упрощения в целом способа и установки производства азотной кислоты, снижения капиталовложений, повышения надежности оборудования, кроме того, снижения расхода охлаждающей воды и, как следствие, водооборотного цикла, а также снижения удельного расхода топлива.

Для решения указанной задачи и получения такого технического результата в предлагаемом способе производства азотной кислоты, получаемой окислением аммиака кислородом воздуха и поглощением оксидов азота водой в агрегатах с единым давлением на стадиях окисления аммиака и поглощения оксидов азота сжатие воздуха до единого конечного давления осуществляют непрерывно за одну ступень без промежуточного охлаждения, после чего сжатый и тем самым нагретый воздух делят на два потока, один из которых, предназначенный для получения азотной кислоты, направляют на охлаждение и далее смешивают с аммиаком, а другой - подают непосредственно в камеру сгорания топлива, связанную с рекуперационной турбиной.

Отличительные признаки предлагаемого способа заключаются в осуществлении сжатия воздуха в одну ступень без промежуточного охлаждения и в последующем разделении сжатого воздуха на два потока, один из которых, предназначенный для получения азотной кислоты, направляют на охлаждение и далее смешивают с аммиаком, а другой - подают непосредственно в камеру сгорания топлива, связанную с рекуперационной турбиной.

Заявляемые существенные признаки способа позволяют значительно упростить процесс получения сжатого воздуха, а последующее охлаждение основного потока сжатого воздуха расширяет возможности подачи воздуха на смешение с аммиаком с оптимальной температурой (выше 180-230°С), особенно при давлении 0,8-1,0 МПа с меньшими капитальными затратами и с лучшими показателями по удельной выработке пара.

Для решения указанной задачи и достижения названного технического результата предлагается конструктивное решение агрегата, имеющего аппараты окисления аммиака воздухом, поглощения оксидов азота, газотурбинную установку, включающую компрессор для сжатия воздуха и рекуперационную турбину для расширения хвостовых газов, нагретых газами из камеры сгорания топлива, а также подогреватель и смеситель аммиака, линию питательной воды для котла-утилизатора, имеющего паросборник, и продувочную колонну азотной кислоты, в котором в газотурбинной установке в качестве компрессора для сжатия воздуха использован осевой компрессор, установленный непосредственно на одном валу с рекуперационной турбиной, и у которого на выходе из компрессора линия потока сжатого воздуха разделена на две части, одна из которых, предназначенная для получения азотной кислоты, связана сначала с охладителем сжатого воздуха и затем со смесителем аммиака с воздухом, а вторая - предназначенная для сжигания топлива, непосредственно с камерой сгорания рекуперационной турбины. Кроме того, в качестве охладителя сжатого воздуха использован “кипящий” экономайзер, соединяемый с линией питательной воды для котла-утилизатора и с паросборником котла-утилизатора линией пароводяной смеси, а также линия воздуха, предназначенная для получения азотной кислоты, соединена с продувочной колонной азотной кислоты через подогреватель аммиака.

В отличие от известных конструктивных решений заявляемое предлагает в качестве компрессора для сжатия воздуха использовать осевой компрессор, установленный непосредственно на одном валу с рекуперационной турбиной, у которого на выходе из компрессора линия потока сжатого воздуха разделена на две части, одна из которых, предназначенная для получения азотной кислоты, связана сначала с охладителем сжатого воздуха и затем со смесителем аммиака с воздухом, а вторая - предназначенная для сжигания топлива, непосредственно с камерой сгорания рекуперативной турбины. Кроме того, в качестве охладителя сжатого воздуха предлагается использовать “кипящий” экономайзер, соединяемый с линией питательной воды для котла-утилизатора и с паросборником котла-утилизатора линией пароводяной смеси, а также линию, предназначенную для получения азотной кислоты, соединить с продувочной колонной азотной кислоты через подогреватель аммиака. В качестве “кипящего” экономайзера может быть использован водяной экономайзер, приведенный в издании, например, “Новый политехнический словарь”, под ред. Ю.А.Ишлинского, М., 2000 г., стр.80.

Заявляемые существенные признаки конструктивного решения агрегата позволяют существенно упростить конструкцию. Применение “кипящего” экономайзера позволяет утилизировать низкопотенциальное тепло горячего воздуха в агрегате азотной кислоты с наибольшей эффективностью, так как обеспечивает увеличение выработки пара.

Таким образом, технические решения по изобретениям позволяют не только компенсировать увеличение расхода энергии на сжатие воздуха в одну ступень, но и получить некоторое снижение расхода условного топлива на одну тонну азотной кислоты, учитывая также исключение расхода охлаждающей воды на охлаждение воздуха между ступенями.

Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежом, где схематично показан агрегат производства азотной кислоты.

Агрегат для производства азотной кислоты включает фильтр атмосферного воздуха 1, осевой воздушный компрессор 2, “кипящий” экономайзер 3, смеситель 4, контактный аппарат 5, котел-утилизатор 6, имеющий паросборник 7, камеру сгорания топлива 8, связанную с рекуперационной турбиной 9, подогреватель хвостовых газов 10, реактор каталитической очистки 11, холодильник-конденсатор 12, абсорбционную колонну 13, продувочную колонну 14, подогреватель газообразного аммиака 15, стартер 16 для запуска рекуперационной турбины 9.

Предлагаемый способ осуществляют в следующей последовательности: воздух, например атмосферный, проходя через фильтр 1, поступает на всасывание осевого воздушного компрессора 2, где его сжимают, причем сжатие до конечного единого давления осуществляют непрерывно в одну ступень сжатия, после чего сжатый и тем самым нагретый воздух делят на два потока, один из которых, предназначенный, для получения азотной кислоты, направляют на охлаждение, например, в “кипящий” экономайзер 3 и далее смешивают с аммиаком в смесителе 4, а другой - подают непосредственно в камеру сгорания топлива 8, связанную с рекуперационной турбиной 9.

При этом агрегат с единым давлением на стадиях окисления аммиака и поглощения оксидов азота для производства азотной кислоты, получаемой окислением аммиака кислородом воздуха и поглощением (абсорбцией) оксидов азота водой, работает следующим образом. Атмосферный воздух, проходя через фильтр 1, поступает на всасывание воздушного компрессора 2, где происходит процесс сжатия. Сжатый до конечного единого давления 0,7-1,0 МПа воздух, нагретый при сжатии до 280-360°С, разделяют на два потока: основной поток, предназначенный для получения азотной кислоты поступает в “кипящий” экономайзер 3, в котором охлаждается до 200-240°С питательной водой с начальной температурой 104°С, она нагревается до температуры кипения, соответствующей давлению пара, получаемого в котле-утилизаторе 6, и вскипает содержание пара в пароводяной эмульсии, отводимой в паросборник 7 котла-утилизатора 6 не выше 25%. Второй поток (до 15% от общего) без охлаждения поступает в камеру сгорания 8, в которой хвостовые газы нагреваются до 500-750°С за счет тепла сжигания природного газа и поступают в рекуперационную турбину 9. Основной поток воздуха после охлаждения поступает в смеситель 4, куда подается и подогретый в подогревателе 15 аммиак, аммиачно-воздушная смесь - в контактный аппарат 5, где при температуре 900-930°С аммиак окисляется до окислов азота. Нитрозные газы охлаждаются в котле-утилизаторе 6 до 390-350°С и поступают в подогреватель хвостовых газов 10, которые нагреты до 260-280°С, и далее - в реактор каталитической очистки 11; очищенные от окислов азота хвостовые газы поступают в рекуперационную турбину 9, предварительно нагретые в камере сгорания топлива 8. Нитрозные газы, охлажденные до 150-180°С, поступают в холодильник-конденсатор 12 и далее в абсорбционную колонну 13. Продукционная азотная кислота отдувается от растворенных оксидов азота в продувочной колонне 14, в которую подается воздух, охлажденный от 200-230°С до 130-160°С в подогревателе газообразного аммиака 15. Для запуска газотурбинной установки предназначен стартер 16.