一种可实现尾气压力能回收利用的硝酸生产装置及处理方法
【专利摘要】本发明公开了一种可实现尾气压力能回收利用的硝酸生产装置及其处理方法，采用在现有硝酸吸收塔下游的压力能回收压缩机后面再设置压力能回收利用塔的方法回收尾气中的压力能，使其通过能量转换转变为冷媒（低温水），并将获得的低温水作为冷媒送入硝酸吸收塔的热交换器中，以移走硝酸吸收塔中氮氧化物吸收反应放出的热量，进而达到控制吸收液温度的目的。经换热后温度上升的冷却液送回压力能回收塔，实现循环连续操作。本发明将硝酸吸收塔、压力能回收压缩机和压力能回收塔三者有机结合，实现了能量之间的有效转换，且几乎没有机械摩擦损失，所以能量转换效率高，利用充分，可以直接给现有硝酸生产装置降低能耗，提高吸收效率和增加经济效益。
【专利说明】一种可实现尾气压力能回收利用的硝酸生产装置及处理方 法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种压力能的回收利用方法，特别涉及一种可实现尾气压力能回收利 用的硝酸生产装置及处理方法。
【背景技术】
[0002] 近年来我国硝酸工业快速发展，稀硝酸生产能力从2000年的430万t/a (折100% 硝酸，下同）增加到2010年的933万t/a，产能增加了 1.2倍，年增长率近16%。2010年我 国已成为世界硝酸生产第一大国。目前，我国现有的稀硝酸生产方法有5种，即常压法，中 压法（0. 25?0. 50MPa)，高压法（0. 7?1. 2MPa)，综合法（氧化为常压，吸收为加压）和 双加压法（氧化压力〇· 45MPa,吸收压力1. IMpa)。常压法、中压法氧化和吸收所需压力不 高，设备投资低和动力消耗小，但制得的硝酸浓度不高，仅为45%?52%，硝酸吸收塔排出的 尾气中，氮氧化物NOx (NO, N02及其他氮化物的总称）含量高，污染严重，今后4?5年间常 压法将会被淘汰。高压法和双加压法的氧化和吸收过程都在加压下进行，设备投资和动力 消耗大，但制得的酸浓度高，可达65?72%，尾气中NOx的含量比较低，容易处理达标排放， 所以硝酸工业中高压法和双加压法将会成为主流工艺。双加压法和高压法由于尾气压力较 大，故多采用尾气透平膨胀机回收压力能。由于受透平膨胀机效率和回收成本等多种因素 的影响，并不能回收所有压力能。对于压力低于2atm尾气的压力能一般不回收，但由于尾 气流量很大，故这种能量的浪费非常严重。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于开发一种可实现尾气压力能回收利用的硝酸生产装置，以及利 用所述装置能够实现尾气压力能回收的方法来全面回收硝酸吸收塔排出尾气的压力能，以 促进硝酸工业的节能减排。
[0004] 具体而言，本发明依据热力学原理，使带压的尾气膨胀做功直接制取冷源，实现能 量转换，并用于硝酸吸收塔中吸收液的冷却降温的冷媒，提高吸收塔吸收效率，进一步减少 吸收塔出口尾气中NOx的残留，同时还可以降低尾气排放噪声，一举两得。
[0005] 本发明一方面提供了一种可实现尾气压力能回收利用的硝酸生产装置，所述装置 包括依次连接的硝酸吸收塔、尾气透平装置及压力能回收塔； 所述硝酸吸收塔顶部设有吸收液入口及尾气排放管道，底部设有氮氧化物气体入口及 硝酸排放管道；所述尾气排放管道与尾气透平装置相连，所述硝酸吸收塔塔身设有至少一 个热交换器，所述热交换器包括冷媒入口及冷媒出口，所述冷媒出口经由管道连接至压力 能回收塔的顶部； 所述尾气透平装置经由管道连接至压力能回收塔的底部，所述压力能回收塔的顶部设 有尾气排放管道，底部设有换热介质排放管道，所述换热介质排放管道经由循环泵连接至 所述热交换器的冷媒入口。
[0006] 其中，所述的压力能回收塔为填料塔，塔内设有用于气液直接接触换热的传热传 质内构件，优选所述填料为高度l-20m的塑料填料，更优选5-10米。
[0007] 其中，所述压力能回收塔上侧部还设有换热介质补给管道，以调整压力能回收塔 内换热介质平衡。
[0008] 所述压力能回收塔底部还设有液位计，以更方便地监视液位。
[0009] 在实际操作过程中，由于压力能回收塔出口尾气升温会带走部分水量，因此压力 能回收塔中的换热介质平衡可通过塔顶的换热介质供给管道加以补充，补充量可通过压力 能回收塔塔底的液位计进行调节和控制。
[0010] 其中，所述热交换器为相互串联的两个，以获得更充分的热交换效果。进一步地， 所述热交换器上还设有进一步补充冷媒的制冷机，当压力能回收塔底部排除的换热介质作 为热交换器的冷媒无法满足热交换需要时，可启动制冷剂进一步补充冷媒。
[0011] 本发明的另一方面在于提供了一种利用上述装置进行尾气压力能回收利用的方 法，包括以下步骤： (1) 来自氨氧化单元的氮氧化物气体经管道输送至硝酸吸收塔底部，在硝酸吸收塔内 自下而上流动，与从顶部吸收液入口进入且自上而下的吸收液逆向流动，接触反应生成硝 酸，同时放出热量并被热交换器吸收，所得硝酸从底部的硝酸排放管道排出，高压尾气自尾 气排放管道排至尾气透平装置； (2) 所述热交换器中冷媒经升温后排入压力能回收塔作为压力能回收塔的换热介质， 高压尾气经尾气透平装置回收部分能量后排至压力能回收塔，压力能回收塔内，上升的低 温尾气与塔顶喷淋而下换热介质接触进行直接换热，尾气在压力能回收塔中迅速膨胀吸热 后自顶部的尾气排放管道排出； (3) 在压力能回收塔中降温之后的换热介质下降至塔底，由循环泵通过管道输送至吸 收塔换热器作为冷媒，以带走硝酸吸收塔中反应吸收放出的反应热。
[0012] 其中，所述方法还包括依据压力能回收塔底部的液位计控制换热介质补给管道以 调整换热介质的平衡。
[0013] 其中，压力能回收利用塔的操作压力为微正压，优选为0· 005-0. 02MPa。
[0014] 其中，所述压力能回收塔中的换热介质及所述冷媒可采用多种可用介质，优选均 为水。
[0015] 本发明所述的方法，其中，硝酸吸收塔高压法的吸收压力一般为〇· 7?0· 8 MPa， 双压法为1. 1 MPa。
[0016] 自硝酸吸收塔排除的尾气含氮气、氧气和少量氮氧化物，其压力与硝酸吸收塔相 近，它被送去尾气透平装置回收压力能，尾气压力将下降至〇· 15?0· 25MPa。之后再经管道 通入压力能回收塔，压力能回收塔的操作压力略高于常压，一般为〇· 005-0. 02MPa。压力 为0· 15?0· 25MPa的尾气，在压力能回收塔中迅速膨胀吸热，造成压力能回收塔内温度急 剧下降。上升的低温尾气与塔顶喷淋而下换热介质(水)接触进行直接换热。当上升的低温 尾气达到塔顶时，尾气的温度基本与换热介质(水）的温度达到平衡，这是由于尾气膨胀而 所需的热量在理论上等于换热介质(水）提供的热量，换热介质(水）温度将因此下降，一般 为5?15°C，依据换热介质(水）喷淋量的大小而不同。经过换热之后，从压力能回收塔顶 部排出的尾气温度要高于换热之前的温度。
[0017] 在压力能回收塔中降温之后的换热介质(水）下降至塔底，在压力能回收塔中降温 之后的换热介质(水）通过循环泵经由管道输送至硝酸吸收塔上热交换器作为冷媒，以带走 硝酸吸收塔中反应吸收放出的反应热，以减少热交换器冷媒消耗量，实现节能之目的。从吸 收塔换热器换热之后得到升温的冷媒再经通过管道送至压力能回收塔的顶部，进入塔内进 行下一次循环换热。
[0018] 为实现更好的控制，本发明优选所述压力能回收塔进气压力大于〇· 15Mpa，压力能 回收塔排出冷媒温度低于10°c，使得本发明所述方法能够更充分地回收压力能。
[0019] 本发明将硝酸吸收塔、压力能回收压缩机和压力能回收塔三者有机结合，实现了 能量之间的有效转换。由于是直接将压力能转变为热能，其中几乎没有机械摩擦损失，所以 能量转换效率高，且利用充分，可以直接给现有硝酸生产装置降低能耗，提高吸收效率和增 加经济效益。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 图1为本发明所述硝酸生产装置的结构示意图，其中：T1硝酸吸收塔；T2为压力 能回收塔；1为氮氧化物气体入口；2为管道；3为硝酸排放管道；4为尾气排放管道；5为气 体管道；6为液体管道；7为液体管道；8为尾气排放管道；9为吸收液入口； 10为换热介质 补给管道；F1为尾气透平装置；Q1、Q2为热交换器；P1为循环泵。
【具体实施方式】
[0021] 以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0022] 实施例1 如图1所示的可实现尾气压力能回收利用的硝酸生产装置，包括依次连接的硝酸吸收 塔T1、尾气透平装置F1及压力能回收塔T2 ; 其中，硝酸吸收塔T1顶部设有吸收液入口 9及尾气排放管道4,底部设有氮氧化物气体 入口 1及硝酸排放管道3 ;尾气排放管道4与尾气透平装置F1相连，硝酸吸收塔T1塔身设 有两个相互串联的热交换器Q1和Q2,热交换器Q1上设有冷媒入口及冷媒出口（未标示)，该 冷媒出口经由管道7连接至压力能回收塔T2的顶部； 尾气透平装置F1经由管道5连接至压力能回收塔T2的底部，压力能回收塔T2的顶部 设有尾气排放管道8,底部设有换热介质排放管道，该换热介质排放管道经由循环泵P1连 接至热交换器Q1的冷媒入口。
[0023] 实施例2 与实施例1相比，区别点仅在于：本实施例中，压力能回收塔为填料塔，塔内设有用于 气液直接接触换热的传热传质内构件，所述填料为高度l-20m的塑料填料，更优选5-10米。
[0024] 实施例3 与实施例1或2相比，区别点仅在于，本实施例在压力能回收塔T2顶部还设有换热介 质补给管道10,底部还设有液位计。
[0025] 实施例4 与实施例1-3任一项相比，区别点仅在于：本实施例在热交换器Q1或Q2上还设有进一 步补充冷媒的制冷机。
[0026] 实施例5 某厂5万吨/年高压法硝酸生产装置（实施例1-4任一所示)，它主要由吸收单元和 压力能回收单元组成，利用该装置进行尾气压力能回收利用的主要步骤和参数如下：约 22000Nm3/h氮氧化物气体通过氮氧化物气体入口 1输送至硝酸吸收塔T1底部，硝酸吸收塔 T1由前后两座塔串联组成，塔径均为Φ 2600。硝酸吸收塔T1的吸收液为水，通过顶部的吸 收液入口 9进入塔内，与上升的氮氧化物气体逆流接触反应吸收并放热，硝酸吸收塔T1的 压力为0.7 MPa，反应吸收后所得硝酸由硝酸排放管道3输出送去浓缩。吸收后的尾气则 通过尾气排放管道4排出。尾气排放管道4的尾气压力为0. 61MPa，进入压力能回收压缩 机F1回收压力能后，尾气压力降为0· 186MPa，尾气再通过气体管道5直接送入压力能回收 塔T2。经上述步骤操作后，在T2塔底得到的换热介质(水）的温度为4. 2°C，能量回收后的 气体从尾气排放管道8排出。经过上述压力能回收和循环换热操作，在硝酸吸收塔T1的其 它操作参数不变情况下，其操作温度平均下降至5. 3°C。由于吸收温度的下降，硝酸吸收塔 T1每小时可多生产100%的硝酸23kg，相当于尾气中向大气减排NOx约100t / a，同时可 为企业增加直接经济效益50万元左右。
[0027] 实施例6 某厂8万吨/年高压法硝酸生产装置（实施例1-4任一所示)，它主要由吸收单元和 压力能回收单元组成，利用该装置进行尾气压力能回收利用的主要步骤和参数如下：约 33000Nm3/h氮氧化物气体通过氮氧化物气体入口 1输送至硝酸吸收塔T1底部，硝酸吸收塔 T1由前后两座塔串联组成，塔径均为Φ 3400。硝酸吸收塔T1的吸收液为水通过顶部的吸 收液入口 9进入塔内，与上升的氮氧化物气体逆流接触反应吸收并放热，硝酸吸收塔T1的 压力为0.75 MPa，反应吸收后所得硝酸由硝酸排放管道3输出送去浓缩。吸收后的尾气则 通过尾气排放管道4排出。尾气排放管道4的尾气压力为0· 69MPa，进入压力能回收压缩 机F1回收压力能后，尾气压力降为0· 17MPa，尾气再通过气体管道5直接送入压力能回收 塔T2。经上述步骤操作后，在T2塔底得到的换热介质(水）的温度为4. 4°C，能量回收后的 气体从尾气排放管道8排出。经过上述压力能回收和循环换热操作，在硝酸吸收塔T1的其 它操作参数不变情况下，其操作温度平均下降至5. 1°C。由于吸收温度的下降，硝酸吸收塔 T1每小时可多生产100%的硝酸35kg，相当于尾气中向大气减排NOx约155t / a，同时可 为企业增加直接经济效益70万元左右。
[0028] 实施例7 某厂15万吨/年双加压法硝酸生产装置（实施例1-4任一所示)，它主要由吸收单元 和压力能回收单元组成，利用该装置进行尾气压力能回收利用的主要步骤和参数如下：约 62000Nm3/h氮氧化物气体通过氮氧化物气体入口 1输送至硝酸吸收塔T1底部，硝酸吸收塔 T1由前后两座塔串联组成，塔径均为Φ 4400。硝酸吸收塔T1的吸收液为水，通过顶部的吸 收液入口 9进入塔内，与上升的氮氧化物气体逆流接触反应吸收并放热，硝酸吸收塔T1的 压力为0.95 MPa，反应吸收后所得硝酸由硝酸排放管道3输出送去浓缩。吸收后的尾气则 通过尾气排放管道4排出。尾气排放管道4的尾气压力为0. 84MPa，进入压力能回收压缩 机F1回收压力能后，尾气压力降为0· 22MPa，尾气再通过气体管道5直接送入压力能回收 塔T2。经上述步骤操作后，在T2塔底得到的换热介质(水）的温度为4. 4°C，能量回收后的 气体从尾气排放管道8排出。经过上述压力能回收和循环换热操作，在硝酸吸收塔T1的其 它操作参数不变情况下，其操作温度平均下降至6. 4°C。由于吸收温度的下降，硝酸吸收塔 T1每小时可多生产100%的硝酸52kg，相当于尾气中向大气减排NOx约260t / a，同时可 为企业增加直接经济效益104万元左右。
[0029] 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术 人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本 发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变 化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其 等效物界定。
【权利要求】
1. 一种可实现尾气压力能回收利用的硝酸生产装置，其特征在于：包括依次连接的硝 酸吸收塔、尾气透平装置及压力能回收塔； 所述硝酸吸收塔顶部设有吸收液入口及尾气排放管道，底部设有氮氧化物气体入口及 硝酸排放管道；所述尾气排放管道与尾气透平装置相连，所述硝酸吸收塔塔身设有至少一 个热交换器，所述热交换器包括冷媒入口及冷媒出口，所述冷媒出口经由管道连接至压力 能回收塔的顶部； 所述尾气透平装置经由管道连接至压力能回收塔的底部，所述压力能回收塔的顶部设 有尾气排放管道，底部设有换热介质排放管道，所述换热介质排放管道经由循环泵连接至 所述热交换器的冷媒入口。
2. 根据权利要求1所述的硝酸生产装置，其特征在于：所述的压力能回收塔为填料塔， 塔内设有用于气液直接接触换热的传热传质内构件，优选所述填料为高度l-2〇m的塑料填 料，更优选5-10米。
3. 根据权利要求1或2所述的硝酸生产装置，其特征在于：所述压力能回收塔上侧部 还设有换热介质补给管道。
4. 根据权利要求4所述的硝酸生产装置，其特征在于：所述压力能回收塔底部还设有 液位计。
5. 根据权利要求1所述的硝酸生产装置，其特征在于：所述热交换器为相互串联的两 个。
6. 根据权利要求1或5所述的硝酸生产装置，其特征在于：所述热交换器上还设有进 一步补充冷媒的制冷机。
7. 利用权利要求1-6任一项所述硝酸生产装置进行尾气压力能回收利用的方法，包括 以下步骤： (1) 来自氨氧化单元的氮氧化物气体经管道输送至硝酸吸收塔底部，在硝酸吸收塔内 自下而上流动，与从顶部吸收液入口进入且自上而下的吸收液逆向流动，接触反应生成硝 酸，同时放出热量并被热交换器吸收，所得硝酸从底部的硝酸排放管道排出，高压尾气自尾 气排放管道排至尾气透平装置； (2) 所述热交换器中冷媒经升温后排入压力能回收塔作为压力能回收塔的换热介质， 高压尾气经尾气透平装置回收部分能量后排至压力能回收塔，压力能回收塔内，上升的低 温尾气与塔顶喷淋而下换热介质接触进行直接换热，尾气在压力能回收塔中迅速膨胀吸热 后自顶部的尾气排放管道排出； (3) 在压力能回收塔中降温之后的换热介质下降至塔底，由循环泵通过管道输送至吸 收塔换热器作为冷媒，以带走硝酸吸收塔中反应吸收放出的反应热。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括依据压力能回收塔底部 的液位计控制换热介质补给管道以调整换热介质的平衡。
9. 根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于：压力能回收利用塔的操作压力为微 正压，优选为〇. 005-0. 02MPa。
10. 根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于：所述压力能回收塔进气压力大于 0. 15Mpa，压力能回收塔排出冷媒温度低于10°C。
【文档编号】C01B21/40GK104150450SQ201410415642
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月22日 优先权日:2014年8月22日
【发明者】张志炳, 张锋, 罗华勋, 孟为民, 周政, 巫先坤 申请人:南京大学