Изобретение относится к химической технологии, а именно к способам газификации угля для получения газов, и может быть использовано в производствах аммиака и карбамида.
Известен способ получения получения азото-водородной смеси для получения аммиака, включающеся очистку природного газа от серосодержащих соединений, паро-воздушную каталитическую конверсию природного газа при температурах до 850оС-950оС и каталитическую водяную конверсию оксида углерода при температурах до 380оС- 450о С, очистку конвертированного газа от оксида углерода медноаммиачным раствором, моноэтаноламиновую абсорбцию диоксида углерода из конвертированного газа, компромирования азото-водородной смеси, получения аммиака, десорбция диоксида углерода из раствора моноэтаноламина и получения карбамида из аммиака и диоксида углерода [1].
Способ реализуется в использовании природного газа в качестве исходного сырья, являющийся многостадийным с отделениями очистки сырья от серосодержащих соединений, разделение воздуха для получения азота и кислорода, каталитических производств конверсии метана и оксида углерода, компромирования азотоводородной смеси перед синтезом аммиака. Недостатком способа является отсутствия природного газа в качестве сырья, его многостадийность и многозатратность производства.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ получения газообразного аммиака и СО2 для синтеза мочевины (карбамида), в котором из металлургического газа, состоящего из газовой смеси, образованной из доменного газа и конверторного газа, получают технологический газ, содержащий в качестве основных компонентов N2, H2 и CO2. Газовую смесь разделяют с получением потока, содержащего СО2, и газовой смеси, состоящей из N2 и H2. Из газовой смеси N2 и H2 получают NH3, который далее с СО2 используют для получения мочевины СО(NH2)2 [2].
Данное изобретение можно осуществить при производстве металлургического производства, где образуются доменные и конверторные газы.
Целью изобретения является осуществление безотходной технологии газификации угля для получения газов в производствах синтеза аммиака и карбамида.
Поставленная цель достигается тем, что в способе газификации угля для получения азото-водородной смеси и диоксида углерода,
· азото-водородную смесь (АВС) и диоксид углерода (СО2) получают при температурах от 950оС до 1000оС водяно-воздушной газификацией углерода, полученного из угля после очищения его состава от летучих и смолистых веществ при температурах от 550оС до 600оС ;
· количественные составы водяно-воздушной смеси для газификации углерода выбирают таким образом, чтобы в составе генераторного газа мольное соотношение водорода к азоту (Н2:N2) было (3,0 - 3,1):1;
· теплом горячего генераторного газа, состоящего из смеси азота, водорода и диоксида углерода, нагревают до температуры 550-600оС для выделения летучих и смолистых веществ его состава и получения углерода, далее нагревают азото-водородную смесь (АВС), используемой для получения аммиака, остаточным теплом генераторного газа, производят водяной пар, используемый для газификации углерода;
· из состава охлаждённого генераторного газа, содержащего азото-водородную смесь с диоксидом углерода, выделяют диоксид углерода и его используют в производстве карбамида;
· нагретую теплом генераторного газа азото-водородную смесь (АВС) используют для получения аммиака, горячий аммиак смешивают с диоксидом углерода и смесь используют для получения карбамида.
Предложенный способ газификации угля для получения газов в производствах аммиака и карбамида осуществляют согласно технологической схеме, приведённой на Фиг.
Технологическая схема способа получения газов в производствах аммиака и карбамида: 1-реактор нагрева угля и получения пластифицированного углерода; 2-газогенератор углерода; 3-теплобменник охлаждение генераторного газа и нагрева АВС; 4-котёль-утилизатор тепла; 5-абсорбер СО2; 6-десорбер СО2; 7-реактор синтеза NН3; 8-реактор синтеза СО(NН2)2.
В реакторе 1 уголь нагревают при температурах 550оС-600оС, где при температурах 320-350оС из его состава выделяют летучих веществ, а при температурах до 550оС - всех смолистых компонентов, при нагреве температуры до 600оС оставшийся углерод в смеси с золой угля пластифицируется. В составах летучих и смолистых веществ входят фенолы фракции до 300оС и 300–360оС, пиридиновые соединения (фракции 300 и 300–360оС), высокомолекулярные масла, сырой бензол, состоящий из фракции бензола, толуола, ксилола и других компонентов данного семейства [3].
При температуре от 550оС до 600оС пластифицированный углерод с золой подают в газогенератор 2, куда также пропорционально количеству углерода подают смесь воздуха с водяным паром для получения генераторного газа определённого состава. Соотношение водяного пара и воздуха регулируют таким образом, чтобы в составе генераторного газа мольное соотношение водорода и азота (Н2:N2) было в пределах 3,0...3,1, но не меньше 3,0. Газификацию углерода смесью ( водяной пар: воздух) осуществляют при температурах от 950оС до 1000оС, при которых протекают следующие характеристические реакции (1):
С + О2 = СО2 + 393,6 кДж/моль (1)
С + ½ О2 = СО + 110,6 кДж/моль (2)
СО + ½ О2 = СО2 + 283,0 кДж/моль (3)
С + Н2О = СО + Н2 – 131,5 кДж/моль (4)
С + СО2 = 2СО – 172,5 кДж/моль (5)
СО + Н2О = СО2 + Н2+ 41,0 кДж/моль (6).
Чтобы ввести в состав генераторного газа азот,окисление углерода С и оксида углерода СО по реакциям (1) –(3) осуществляют кислородом воздуха.
Из газогенератора 2 золу выводят и после охлаждения используют по функциональному назначению. Генераторный газ состоит из азота N2, водорода Н2, диоксида углерода СО2 и незначительной примеси аргона Ar, т.е. генераторный газ представляет собой смесь азота и водорода с диоксидом углерода при незначительной примеси аргона. Горячий генераторный газ с температурой от 950оС до 1000оС из газогенератора 2 подают в реактор 1, где его теплом через стенку реактора нагревают уголь до температурах от 550оС до 600оС. Далее избыточное тепло генераторного газа тратять в теплообменнике 3 для нагрева азото-водородной смеси (Н2 +N2), используемой для получения аммиака. После теплообменника 3 генераторный газ подают в котёль-утилизатор тепла 4, где за счёт его остаточного тепла получают водяной пар (горячая вода), используемый для газификации углерода в газогенераторе 2.
Охлаждённый до нормальных температур генераторный газ подают в реактор-разделитель газов. Для разделения смеси газов используют любой приемлемый способ: а) абсорбции СО2 растворами щелочей; б) мембранного разделение смеси газов с проницаемых мембранах для отдельных газов и др. На технологической схеме условно показано разделение газов с использованием способа поглощения СО2 раствором щелочи в абсорбере 5 и разделения раствора щелочи и СО2 в десорбере 6.
Из абсорбера 5, после поглащения раствором щелочи СО2 из состава генераторного газа, остаток генераторного газа, состоящего из азото-водородной смеси, подают в теплообменник 3, где её перед использованием для получения аммиака нагревают теплом горячего генераторного газа, т.е. азотоводородной смеси с диоксидом углерода. Нагретую азото-водородную смесь используют в реакторе 7 для каталитического синтеза аммиака по реакции
3Н2 + N2 = 2 NН3 + 48 кДж (7).
Реакция (7) экзотермичная, образующий аммиак имеет повышенную температуру. Горячий аммиак смешивают с диоксидом углерода, вытекающего из десорбера 6 с нормальной температурой, в результате температура смеси (2NН3+СО2) повышается, смесь (2NН3+СО2) направляют в реактор 8 для получения карбамида по реакции
2 NН3 + СО2 = СО(NН2)2 + Н2О + 110,1 кДж (8).
Пример Проведена газификации угля 100 кг Фон-Ягнобского месторожения следующего состава, мас.%: влажность -4,3; С- 80,5;Н2 -4,9; N2-1,7;О2- 2,2; S-1,3; зола-5,1. Осуществляется паро-воздушная газификация углерода состава угля с получением СО2 и Н2. При расчёте количества окислителей углерода: водяного пара и воздуха, в качестве характеристических приняты реакции (1), (4) и (6). При нагреве угля при температурах от 550оС до 600оС из его состава выделяются все летучие и смолистые вещества, их удаляют для охлаждения и дальнейшего использования. Газифицируется золасодержащий пластифицированный углерод .
Чтобы получить генераторный газ, пригодный для получения водорода и азота в производстве аммиака и ещё СО2 для получения карбамида, соотношение воздуха и водяного пара надо выбрать таким образом, чтобы в составе генераторного газа отношение содержания водорода к содержанию азота было Н2 / N2 ≥ 3. В данном примере это соотношение 3,04, оно выполняется при соотношении расхода водяного пара к расходу воздуха (водяной пар:воздух =1, 264 или 6,016 кмоль Н2О на 4,76 кмоль воздуха.
В Таблице приведены результаты материального баланса газификации 100 кг угля вышеприведённого состава. Количества аммиака и карбамида рассчитаны по реакциям (7) и (8).
В предложенном способе газификации угля отходов и выбросов не имеются, все получаемые вещества используются согласно их составам. Также тепло горячих стадий способа используется для нагрева потоков веществ, участвующих в процессах при высоких температурах (нагрев угля, газификация углерода, синтез аммиака и карбамида).
Таким образом, в способе из-за упрощения технологических процессов получения аммиака NН3 и карбамида СО(NН2)2. материально-энергетические затраты будут значительно меньше, чем в известных способах получения NН3 и СО(NН2)2. Для реализации способа используется уголь, сравнительно дешёвое и распространённое сырьё, чем дефицитный природный газ. Способ можно реализовать в местах нахождения месторождения угля.
