Способ извлечения энергии из дымовых газов

007943 Изобретение относится к способу извлечения энергии из дымовых газов печи, работающей на топливе и использующейся в процессе для получения меламина, включающий первую ступень теплообмена,в которой дымовые газы обмениваются теплом с первым потоком в процессе. Такой способ известен и применяется во многих процессах для получения меламина. В известном способе печью является соляная печь. Наружный воздух и природный газ в качестве топлива подводятся к горелкам. При сжигании природного газа с наружным воздухом образуются дымовые газы. В первой ступени теплообмена дымовые газы обмениваются теплом с первым потоком в процессе, т.е. с расплавленной солью. Для достижения более высокого энергетического выхода энергию дополнительно извлекают известным способом из дымовых газов посредством теплообмена с наружным воздухом, нагретый воздух затем подводится к горелкам печи. Благодаря указанному теплообмену с наружным воздухом общий энергетический выход повышается приблизительно до 90%. Энергетическая эффективность определяется как процент энергии, освобождаемой при сжигании топлива, который поглощается определенным потоком, или потоками, или всеми потоками. Известный способ имеет тот недостаток, что нагретый воздух, подаваемый в печь, приводит к увеличению выделения NOx по сравнению с печью, в которой наружный воздух предварительно не нагревается. Увеличение выделения NOx в результате нагревания наружного воздуха наблюдается во всех типах горелок. Нежелательное увеличение выделения NOx может быть в допустимой степени ограничено отделением части дымовых газов, смешением этой части с наружным воздухом и, тем самым, нагреванием смеси свежего воздуха и рециркулированных дымовых газов и подачей ее к горелкам печи. Тем не менее выделение NOx остается нежелательно высоким; выделение NOx в дымовые газы известного способа составляет обычно 110 мг/Нм 3 или выше. Как известно, единица Нм 3 обозначает объем газа при стандартных условиях давления и температуры. Этими условиями являются 273 K и 0,1013 МПа. Целью настоящего изобретения является уменьшение указанного недостатка с одновременным достижением более высокого энергетического выхода, чем энергетический выход указанного теплообмена с расплавленной солью. Указанная цель достигается теплообменом дымовых газов на второй ступени теплообмена со вторым потоком в процессе. Преимущество способа в соответствии с изобретением состоит в том, что выделение NOx уменьшается по сравнению с известным способом, а объединение первой ступени теплообмена со второй ступенью теплообмена позволяет эффективно извлекать энергию из дымовых газов. Под печью здесь следует понимать печь, которая нагревается с помощью сжигания топлива; топливом на практике обычно является природный газ или нефть, хотя способ по изобретению не ограничивается только упомянутыми. Печь, используемая в способе, предназначена для получения меламина. "Используется" означает,что энергия, освобождаемая в печи, используется в качестве тепла для процесса. Примером использования тепла для процесса является нагревание реактора, в котором получают меламин из мочевины по эндотермической реакции. Процесс для получения меламина здесь относится к любому возможному процессу. Примеры известных процессов получения меламина описаны, например, в энциклопедии промышленной химии Ульмана, 6 издание, 2001, глава Меламин и гуанамины, раздел 4. Дымовые газы здесь относятся к газам, получаемым при сжигании топлива, например, такого как природный газ или нефть. Дымовые газы имеют высокую температуру, обычно от 600 до 800, 1000 или даже до 1200 С или выше. Вариант реализации теплообмена, осуществляемый в первой или второй ступени теплообмена в соответствии с изобретением, известен, например, такой как в теплообменнике. Теплообмен может быть прямым; это означает, что дымовые газы обмениваются теплом с потоком в процессе, который нужно нагреть, в большинстве случаев посредством фиксированной перегородки. Теплообмен может быть также косвенным, это означает, что дымовые газы обмениваются теплом с теплопередающей средой, после чего теплопередающая среда обменивается теплом с потоком процесса, который требуется нагреть в отдельной ступени теплообмена. Примерами теплопередающей среды являются расплавленная соль, Dowtherm и пар. Поток процесса здесь означает поток, который используется или расходуется в процессе получения меламина. Примерами потока процесса являются поток сырья, такого как мочевина, вспомогательные потоки,такие как аммиак, воздух в пневматической транспортной системе, расплавленная соль, Dowtherm, пар, питающая вода для котлов, вытекающий поток из реактора и все исходящие потоки, например, газообразные отходы, меламиновый шлам, жидкие меламиновые кристаллы, побочные потоки, такие как маточный раствор. Наружный воздух для сжигания топлива в печи не подпадает под определение потока процесса. Первый и второй потоки процесса, как упомянуто в способе по изобретению, вообще являются двумя различными потоками процесса, однако, они могут быть одним и тем же потоком. Для достижения высокого энергетического выхода с первой и второй ступеней теплообмена обычно требуется охлаждать дымовые газы до сравнительно низкой температуры, например до 350-300 С или ниже, скажем, до 250 или даже до 200 С и ниже. Это можно осуществлять посредством уже известных-1 007943 способов. Примером является комбинация последовательных ступеней теплообмена, когда с каждой последующей ступенью теплообмена подача энергии в поток в процессе происходит при более низком уровне температуры. Например, такой комбинацией ступеней теплообмена является нагревание в первой ступени теплообмена расплавленной соли от приблизительно 420 до приблизительно 450 С, после чего на второй ступени теплообмена происходит нагревание аммиака от приблизительно 150 до приблизительно 400 С. Другим примером такого сочетания первой и второй ступеней теплообмена является нагревание расплавленной соли от приблизительно 420 до приблизительно 450 С, затем следует нагревание Dowtherm от 200 до 350 С. Еще одним примером такого сочетания первой и второй ступеней теплообмена является нагревание аммиака от приблизительно 250 до приблизительно 450 С, после чего проводят нагревание мочевины от приблизительно 135 до приблизительно 250 С. Выбором правильного сочетания ступеней теплообмена вместе с выбором правильных вариантов осуществления ступеней теплообмена, например, посредством противоточного теплообмена вместо прямоточного теплообмена, температура дымовых газов может быть снижена до такой степени, что энергетический выход в способе по изобретению станет выше 85%, предпочтительно выше 88%, более предпочтительно выше 90%, еще более предпочтительно выше 92%, наиболее предпочтительно выше 94%. Возможен энергетический выход до 99,5%, хотя это требует значительных усилий, на практике поэтому часто является приемлемым выход до 99, или 97, или 96%. Выделение NOx в способе по изобретению уменьшается по сравнению с выделением NOx в известном способе; это выделение можно уменьшить до менее 100 мг/Нм 3, предпочтительно до менее 95 мг/Нм 3, более предпочтительно до менее 90 мг/Нм 3, наиболее предпочтительно до менее 85 мг/Нм 3, измеренные в соответствии с п.4 "Besluit emissie-eisen stookinstallities milieubeheer A" (Order stating emissionrequirements for combustion installations environmental management A), также известным как BEES (versionvalid from 23-11-2000, Dutch Bulletin of Acts and Decrees 2000, 443). Для достижения таких величин выделений может быть необходимо помимо реализации способа в соответствии с изобретением, оптимизировать относительно NOx вообще всю конструкцию и горелок в частности так, как известно специалистам в данной области. Упомянутые количества выделений NOx не означают, что предварительный нагрев наружного воздуха посредством теплообмена с дымовыми газами, как практикуется в известном способе, полностью невозможен в способе по изобретению. Потому что это выгодно, если помимо извлечения энергии в первой и второй ступенях теплообмена в соответствии с изобретением имеется еще и другая возможность дополнительного извлечения энергии. Поэтому способ в соответствии с изобретением предпочтительно также содержит и третью ступень теплообмена дымовых газов с наружным воздухом; здесь выделениеNOx в дымовые газы предпочтительно меньше 100 мг/Нм 3. Согласие с установленными величинами выделения NOx не значит, что предварительный подогрев наружного воздуха с помощью дымовых газов должен быть ограничен для того, чтобы не превышались указанные величины выделений. Это может быть осуществлено ограничением повышения температуры наружного воздуха. Это может привести к ситуации, когда нужно будет ограничивать энергетический выход, получаемый в результате предварительного нагревания наружного воздуха, до менее 15 или 10%, предпочтительно до менее 8 или 6%, или до менее 5 или 4%. В этом случае, но также в случае, если предварительный подогрев наружного воздуха не применяется, может быть также выгодно, как в известном способе, отделить часть дымовых газов,чтобы смешать ее с наружным воздухом и таким образом подавать к горелкам смесь наружного воздуха и рециркулированных дымовых газов. Предварительное нагревание наружного воздуха дымовыми газами посредством третьей ступени теплообмена может быть осуществлено перед первой или второй ступенью теплообмена с первым или вторым потоками процесса, во время этого теплообмена или после него. Если наружный воздух предварительно нагревается перед первой или второй ступенью теплообмена, то важно тщательно проверить,чтобы энергетический выход и выделение NOx оставались в пределах, указанных выше. Поэтому наружный воздух предпочтительно предварительно нагревают во время или после первой или второй ступеней теплообмена, наиболее предпочтительно после второй ступени теплообмена. Печью предпочтительно является соляная печь. Соляная печь означает здесь печь, в которой расплавляется соль посредством первой ступени теплообмена, если это уже не было выполнено, и нагревается, после чего расплавленная соль служит для ввода тепла в процесс для получения меламина, как здесь было упомянуто, путем косвенного теплообмена. Такие соляные печи известны. В соляных печах,используемых в процессе получения меламина, расплавленная соль из процесса обычно поступает в печь при температуре между 400 и 440 С для ее нагревания до 450 С или выше. В результате после теплообмена с расплавленной солью дымовые газы обычно имеют температуру приблизительно 400 С или выше; эта температура затем является входной температурой для второй ступени теплообмена. В предпочтительном варианте реализации способ в соответствии с изобретением включает первую ступень теплообмена с расплавленной солью, за которой следует вторая ступень прямого теплообмена с потоком процесса, состоящим, по существу, из аммиака. Как известно, аммиак используется и/или потребляется в различных местах в процессах получения меламина. В некоторых из этих мест аммиак должен иметь высокую температуру, превышающую 300 С, часто приблизительно от 350 до 400 С или вы-2 007943 ше, приблизительно до 450 С. Примерами являются использование аммиака при ожижении газа в реакторе газофазного процесса для получения меламина, или использование аммиака в реакторе жидкофазного процесса высокого давления. На практике теплообмен с паром не подходит для нагревания аммиака до указанных температур, так как аммиак в результате теплообмена с промышленно доступным паром вообще может быть нагрет до температуры не выше 200-250 С. Это значит, что аммиак должен нагреваться дальше другим способом; примерами известных других способов являются электрический нагрев трубопроводов, переносящих аммиак для его нагрева, или использование ступени теплообмена с расплавленной солью. Указанные известные способы нагревания аммиака до указанных температур являются технически сложными и косвенными и поэтому имеют сравнительно низкую эффективность. Преимуществом способа в соответствии с изобретением является то, что теплообмен между дымовыми газами и аммиаком во второй ступени теплообмена делает возможным прямое и эффективное, энергосберегающее, технически простое и экономически выгодное повышение температуры аммиака до 300-400 С или выше. Аммиак для нагревания может быть газообразным, жидким или находится в сверхкритическом состоянии. Предпочтительно аммиак для нагревания является жидкостью или находится в сверхкритическом состоянии, потому что теплообмен с жидкостью или с суперкритической средой технически проще для осуществления, чем теплообмен с газообразной средой. В другом предпочтительном варианте реализации способ в соответствии с изобретением включает первую ступень теплообмена с расплавленной солью, за которой следует вторая ступень теплообмена с потоком процесса, который состоит, по существу, из мочевины. Известно из практики процессов получения меламина при высоком давлении, что мочевина может быть нагрета путем приведения ее в прямой контакт с газами, образующимися при реакции мочевины с образованием меламина, и указанные газы обычно в конце концов возвращаются в процесс для приготовления мочевины. Однако помимо этого все же может быть потребность в дополнительном способе нагревания мочевины, например, в неустановившемся состоянии установки, как при ее запуске; известный способ также обычно не применяется в процессах низкого давления для получения меламина. Поэтому выгодно использовать мочевину в качестве потока процесса в способе по изобретению. Промышленное применение способа в соответствии с изобретением помимо всего прочего может быть найдено в соляных печах, обычно используемых на практике. Изобретение поэтому также относится к устройству для подачи тепла в процесс получения меламина, содержащему соляную печь с теплообменной установкой, в которой нагревается соль. В этом устройстве осуществляется первая ступень теплообмена. Устройство в соответствии с изобретением содержит по меньшей мере одну дополнительную теплообменную установку, которая прямо или косвенно нагревает поток процесса. В этом устройстве осуществляется вторая ступень теплообмена. Наличие по меньшей мере одной дополнительной теплообменной установки, которая нагревает поток процесса, способствует достижению энергетического выхода 85% или больше без необходимости предварительного нагрева наружного воздуха. Предпочтительно дополнительная теплообменная установка является теплообменной установкой для прямого нагревания аммиака или мочевины. Кроме того это предпочтительно с точки зрения требований к выделениюNOx, как было указано выше, обеспечить устройство также теплообменной установкой для нагревания наружного воздуха. Это осуществляется на третьей ступени теплообмена. Промышленное применение способа в соответствии с изобретением также может быть найдено в оптимизации существующего устройства для подачи тепла в процесс получения меламина. Применение способа в соответствии с изобретением может быть осуществлено в существующем устройстве путем использования по меньшей мере одной дополнительной теплообменной установки для прямого или косвенного нагревания потока в процессе. Использование по меньшей мере еще одной дополнительной теплообменной установки, которая нагревает поток в процессе, способствует достижению энергетического выхода 85% или больше без необходимости прибегать для этого к предварительному нагреванию наружного воздуха. Предпочтительно дополнительная теплообменная установка затем используется для прямого нагревания потока в процессе, который состоит, по существу, из аммиака или мочевины. Если существующее устройство включает теплообменную установку для предварительного нагревания наружного воздуха, то дополнительную теплообменную установку предпочтительно размещают таким образом, чтобы дымовые газы сначала проходили через дополнительную теплообменную установку, перед тем как дымовые газы предварительно нагреют наружный воздух. В связи с тем, что наружный воздух извлекает меньше энергии и таким образом предварительно нагревается в меньшей степени, выделениеNOx будет уменьшаться, при этом достигнутая в конечном счете величина выделения NOx будет зависеть от конкретных условий в существующем устройстве. На практике часто желательно, чтобы поток процесса, такой как теплопередающая среда, или вспомогательный поток, такой как аммиак, был в одно и то же время доступен при различных уровнях температуры. Так как ступени теплообмена с потоком процесса должны быть соразмерны для обеспечения процесса получения меламина самым высоким требуемым уровнем температур, то имеется таким образом потребность, чтобы обеспечивалась возможность ввода потока в процесс получения меламина также при более низких уровнях температур. В предпочтительном варианте реализации способа в соответствии с изобретением поэтому используется четвертая ступень теплообмена, в которой поток в процессе обме-3 007943 нивается теплом с дымовыми газами, при этом поток в процессе, подаваемый на четвертую ступень теплообмена, имеет более высокую температуру, чем у дымовых газов, вводимых в четвертую ступень теплообмена. Примером такой четвертой ступени теплообмена является первоначальное отделение части потока расплавленной соли, который подается на первую ступень теплообмена или выводится из нее,после чего отделенный поток расплавленной соли подается на четвертую ступень теплообмена с дымовыми газами из-за того, что температура во второй и возможно в третьей ступени теплообмена снизилась, и поэтому дымовые газы в четвертой ступени теплообмена нагреваются, а расплавленная соль охлаждается. Преимуществом этой четвертой ступени теплообмена, которая приводит к некоторому нагреванию дымовых газов, является то, что может быть предотвращена их конденсация при конечном выводе дымовых газов. Другим преимуществом является то, что конструкция установки, в которой проводится эта отдельная четвертая ступень теплообмена, является более простой, чем тогда, когда теплопередающая среда должна выводится во время первой или второй ступени теплообмена с дымовыми газами. В способе в соответствии с изобретением вполне возможно введение помимо вышеупомянутых ступеней теплообмена, пятой или других ступеней теплообмена с потоком в процессе. Это будет зависеть от конкретных обстоятельств случая, таких как, например, наличие потоков и требования по нагреванию потоков в процессе. Также возможен вариант реализации способа, который не включает третью ступень теплообмена. Изобретение объясняется со ссылками на чертежи, описанные ниже. Фиг. 1 изображает вариант реализации известного способа, в котором топливо и наружный воздух подаются в горелку, дымовые газы последовательно обмениваются теплом с расплавленной солью и с наружным воздухом; фиг. 2 показывает вариант реализации способа в соответствии с изобретением, в котором дымовые газы проходят через две ступени теплообмена с потоками в процессе перед тем, как происходит теплообмен с наружным воздухом; фиг. 3 показывает вариант реализации способа в соответствии с изобретением, в котором дымовые газы после теплообмена с расплавленной солью, с потоком в процессе и с наружным воздухом повторно нагреваются благодаря теплообмену с частью расплавленной соли. Первая цифра в числах на фигурах является такой же, как и номер фигуры. Там, где последние две цифры на различных фигурах одинаковы, они относятся к одинаковым компонентам. На фиг. 1 природный газ подается по линии 102 в горелку 104, где он сжигается с помощью воздуха, вводимого по линии 106. В результате этого процесса образуются дымовые газы. Дымовые газы переносятся по трубопроводу 108 в теплообменник 110, где они обмениваются теплом с расплавленной солью, подаваемой по линии 112 и после нагревания выводимой через линию 114. Дымовые газы затем подаются по трубопроводу 116 в теплообменник 118, где они обмениваются теплом с наружным воздухом. Наружный воздух подается по линии 120 и после нагревания выводится по линии 106 на горелку 104 для сжигания природного газа. Дымовые газы выводятся через трубопровод 122. Для снижения NOx в дымовых газах часть дымовых газов рециркулируют по линии 124 в виде смеси с наружным воздухом,подаваемым по линии 120. На фиг. 2 по сравнению с фиг. 1 дымовые газы после теплообмена с потоком в процессе (таким как расплавленная соль) пропускаются через средство 210 не прямо на ступень теплообмена вместе с наружным воздухом, а сначала по трубопроводу 226 вводятся в теплообменник 228. В теплообменнике 228 дымовые газы снова обмениваются теплом с потоком в процессе (например, с аммиаком в сверхкритичном состоянии), подаваемым по линии 230 и после нагревания выводимым по линии 232. Затем дымовые газы подаются по трубопроводу 234 в теплообменник 218. На фиг. 3 по сравнению с фиг. 2 дымовые газы после теплообмена с наружным воздухом в средстве 318, подаются по трубопроводу 322 в теплообменник 336, где дымовые газы обмениваются теплом с частью потока в процессе, которая выводился по линии 314. Этот частичный поток подается по линии 338. В результате теплообмена в теплообменнике 336 дымовые газы немного нагреваются, а поток в процессе немного охлаждаются. Охлажденный поток в процессе отводится по линии 340, дымовые газы отводятся по трубопроводу 342. Изобретение также объясняется со ссылкой на пример и на сравнительный эксперимент. Пример 1. Устройство, показанное на фиг. 2, в котором применяется способ в соответствии с изобретением,содержит соляную печь. Первая ступень теплообмена дымовых газов проводится с расплавленной солью в теплообменнике 210, вторая ступень теплообмена с газообразным аммиаком проводится в теплообменнике 228, третья ступень теплообмена дымовых газов с наружным воздухом проводится в теплообменнике 218. Часть дымовых газов отделяется и смешивается с наружным воздухом в линии 224. Соляная печь нагревается посредством сжигания в горелке 204 1625 Нм 3/ч природного газа в смеси приблизительно с 90% объемных наружного воздуха и приблизительно с 10% объемных рециркулированных дымовых газов при их общем объемном расходе 20850 Нм 3/ч. Расплавленная соль, приблизительно 500 м 3/ч, нагревается от 414 С в линии 212 до 450 С в линии 214. Газообразный аммиак, прибли-4 007943 зительно 22500 кг/ч, нагревается от 210 С в линии 230 до 250 С в линии 232. Смесь наружного воздуха и рециркулированных дымовых газов нагревается в теплообменнике 218 от 32 до 158 С. Дымовые газы в конце, отводимые через линию 222, имеют температуру 220 С. Общий энергетический выход составляет 91%, выделение NOx составляет 80 мг/Нм 3. Сравнительный эксперимент. Известное устройство, показанное на фиг. 1, содержит соляную печь. Дымовые газы обмениваются теплом с расплавленной солью в теплообменнике 110. Не имеется никакого дополнительного прямого или косвенного обмена теплом с потоком в процессе. Но дымовые газы в конечном счете обмениваются теплом с наружным воздухом в теплообменнике 118. Часть дымовых газов отделяется и смешивается с наружным воздухом в линии 124. Соляная печь нагревается посредством сжигания в горелке 104 1625 Нм 3/ч природного газа в смеси приблизительно с 90% объемных наружного воздуха и приблизительно с 10% объемных рециркулированных дымовых газов при их общем объемном расходе 20850 Нм 3/ч. Расплавленная соль, приблизительно 500 м 3/ч, нагревается от 414 С в линии 112 до 450 С в линии 114. Смесь наружного воздуха и рециркулированных дымовых газов нагревается от 47 С в 120 до 398 С в 106. Дымовые газы, которые в конечном счете выводятся через линию 122, имеют температуру 125 С. Общий энергетический выход составляет 93%. Следует допустить тот факт, что в известном устройстве в примере 1 никакой поток аммиака не нагревается, для этого требуется отдельная ступень теплообмена в процессе получения меламина, например, посредством пара или электронагревания линии подачи аммиака для его нагревания, что отрицательно сказывается на приведенном здесь энергетическом выходе. Также в этом варианте реализации дымовые газы охлаждаются до более низкой температуры,что также приводит к более высокому выходу. Выделение NOx составляет 100 мг/Нм 3. Как видно из примера 1 и сравнительного эксперимента, в способе по изобретению высокий энергетический выход может сочетаться с низким выделением NOx. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ извлечения энергии из дымовых газов печи, работающей на топливе и используемой в процессе получения меламина, включающий первую ступень теплообмена, на которой дымовые газы обмениваются теплом с первым потоком процесса, отличающийся тем, что включает вторую ступень теплообмена, на которой дымовые газы обмениваются теплом со вторым потоком процесса. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно включает третью ступень теплообмена, на которой дымовые газы обмениваются теплом с наружным воздухом. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве печи используют соляную печь. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что на первой ступени теплообмена дымовые газы обмениваются теплом с расплавленной солью, и на второй ступени теплообмена дымовые газы обмениваются теплом с потоком процесса, состоящим, по существу, из аммиака. 5. Способ по п.3, отличающийся тем, что на первой ступени теплообмена дымовые газы обмениваются теплом с расплавленной солью, и на второй ступени теплообмена дымовые газы обмениваются теплом с потоком процесса, состоящим, по существу, из мочевины. 6. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что дополнительно включает четвертую ступень теплообмена, на которой поток процесса обменивается теплом с дымовыми газами, при этом поток процесса,который подается на четвертую ступень теплообмена, имеет более высокую температуру, чем дымовые газы, которые подаются на четвертую ступень теплообмена. 7. Устройство для подачи тепла в процесс для получения меламина, содержащее соляную печь,имеющую теплообменную установку для нагрева соли, отличающееся тем, что включает по меньшей мере одну дополнительную теплообменную установку для прямого или косвенного нагревания потока процесса. 8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что дополнительной теплообменной установкой является теплообменная установка для прямого нагревания потока процесса, состоящего, по существу, из аммиака или мочевины. 9. Устройство по п.6 или 7, отличающееся тем, что дополнительно содержит теплообменную установку для нагревания наружного воздуха. 10. Способ оптимизации существующего устройства для подачи тепла дымовых газов в процесс для получения меламина, отличающийся тем, что по меньшей мере одна дополнительная теплообменная установка используется для прямого или косвенного нагревания потока процесса. 11. Способ по п.9, отличающийся тем, что дополнительная теплообменная установка используется для прямого нагревания потока процесса, состоящего, по существу, из аммиака или мочевины.