和温度范围内运行。通常，高压气化器具有2.2至8.4MPa的压力工作范围。气化器出口处的温度通常在约900°C至1700°C的范围内，并且更通常在约1100°C至约1500°C的范围内。
[0137]取决于所述气化器中使用的含碳原料以及用于生成气态一氧化碳、二氧化碳和氢气的气化器类型，原料的制备可以包括研磨、以及将磨碎的原料干燥、在合适的流体(例如水、有机液体、超临界或液态二氧化碳)中制浆的一种或多种单元操作。含碳燃料与反应性富氧气体例如具有大于约90摩尔％氧的基本上纯的氧反应。
[0138]所述系统包括变换反应器30，其操作地布置以接受来自气化器20的至少一部分合成气体23。所述至少一部分合成气体中的CO与H2O在变换反应器30中于变换催化剂存在下反应，以在所述至少一部分合成气体23中产生额外的HjP CO 2。与CO反应的H2O可以存在于所述至少一部分合成气体中并任选在补充蒸汽流31中提供。“CO变换”反应也称为“水煤气变换”反应。
[0139]所述方法包括使来自气化器20的至少一部分合成气体23中的CO与H2O在变换催化剂的存在下反应，以在所述至少一部分合成气体23中产生额外的4和C02。
[0140]变换反应器30可以包括一个或多个加工单元，例如反应器、冷凝器、换热器等等。在变换反应器30中与CO反应的H2O可以通过之前引入整合于所述气化器或在所述气化器下游和变换反应器30上游的其他设备例如骤冷器和涤气器中而已经存在于合成气体23中。或者，水或蒸汽可以通过单独的流31引入。所述合成气体中的CO与水(通常作为蒸汽)在合适的催化剂存在下反应，以通过CO变换反应将CO和H2O转化成0)2和额外的H 2。来自变换反应器30的合成气体23可以含有4至50摩尔％的CO2，其需要与合成气体23中的H2分离。
[0141]所述CO变换反应可以通过本领域已知的方法利用已知的变换催化剂在催化剂上完成。因为除了某些气态原料之外在来自大多数含碳材料的合成气体中存在硫化合物，可以使用“耐硫”或“耐硫变换(sour shift)”催化剂。耐硫变换催化剂的一个例子是在合适的载体上作为活性材料的钴-钼硫化物。这些催化剂是商业的和众所周知的。在其中硫化合物浓度足够低的情况下(例如将是用天然气原料或在气化之前脱硫的原料的情况)，可以使用“脱硫(sweet) ”变换催化剂例如铁-铬催化剂。
[0142]因为所述CO变换反应的高度放热性质，蒸汽可以通过从离开变换反应器30的合成气体23回收热量而产生。所述CO变换反应可以在本领域已知用于控制放热反应的放热的任何反应器形式中进行。合适的反应器形式的例子是单级绝热固定床反应器，具有级间冷却、蒸汽发生或射冷(coldshotting)的多级绝热固定床反应器，具有蒸汽发生或冷却的管式固定床反应器，或流化床。
[0143]变换反应器30可生成各种压力和和过热程度的高压蒸汽。术语“高压”，在本文中使用时，要理解为是指约2.2MPa或更高的压力。可由变换反应区段30产生的饱和蒸汽压的例子是约2.2MPa至约6.3MPa。例如，可从CO变换区段30产生4.2MPa饱和蒸汽。这种4.2MPa饱和蒸汽提供了灵活性并有效整合到所述氨蒸汽系统中。
[0144]所述系统还包括操作地布置以接受来自变换反应器30的至少一部分合成气体23的分离器50。分离所述至少一部分合成气体23以形成氢气产物51以及含有至少0)2和H2O和取决于原料的H2S的副产物53。
[0145]所述方法包括分离来自变换反应器30的至少部分合成气体23，以形成氢气产物51以及包含至少0)2和H2O和取决于原料的H2S的副产物53。
[0146]所述二氧化碳可以通过本领域已知用于从气态流除去二氧化碳的许多方法中的任一种，在预期用于所述方法的任何压力下，从合成气体23中除去。例如，二氧化碳可以通过化学吸收方法除去，以利用苛性钠、碳酸钾或其他无机碱的水溶液或烷醇胺为例。这些方法可以将合成气体23与液体吸收介质在本领域已知的任何合适的液-气接触器、例如包含塔盘或填料的塔中进行接触而进行。用于本发明的合适的烷醇胺的例子包括含有总共最多10个碳原子并具有低于约250°C的标准沸点的伯和仲氨基醇。具体的例子在US2006/0228284 Al 中列举。
[0147]或者，合成气体23中的二氧化碳可以通过物理吸收方法在分离器50中除去。合适的物理吸收剂溶剂的例子是甲醇("Rectisol?")和其他烷醇，碳酸丙烯酯和其他碳酸烷基酯，二至十二个二醇单元的聚乙二醇的二甲醚及其混合物，通常以商品名Selexol?溶剂为人所知，η-甲基吡咯烷酮("Purisol?")和环丁砜("Sulfinor?")。物理和化学吸收方法可以组合使用，如以利用环丁砜和烷醇胺作为吸收剂的Sulfinol?方法、或利用单乙醇胺和甲醇的混合物作为吸收剂的Amisol?方法为例。已建立的二氧化碳清除方法的其他例子包括"Amine Guard?"、"Benfield?"、"Benfield-DEA?"、"Vetrocoke?"和"Catacarb?"。
[0148]除了二氧化碳之外，所述合成气中存在的硫(通常以含硫化合物例如硫化氢的形式)以及其他酸性气体也可以通过本领域公知的方法和系统在分离器50中除去。例如，含硫化合物可以通过化学吸收方法在除硫区中从所述合成气回收，以利用苛性钠、碳酸钾或其他无机碱、或烷醇胺为例。用于本发明的合适的烷醇胺的例子包括含有总共最多10个碳原子并具有低于约250°C的标准沸点的伯和仲氨基醇。具体的例子包括伯氨基醇，例如单乙醇胺(MEA)，和在US 2006/0228284 Al中列举的其他。
[0149]或者，含硫化合物可以通过物理吸收系统和方法在分离器50中除去。合适的物理吸收剂溶剂的例子是甲醇和其他烷醇，碳酸丙烯酯和其他碳酸烷基酯，二至十二个二醇单元的聚乙二醇的二甲醚及其混合物，通常以商品名Selexol?溶剂为人所知，η-甲基吡咯烷酮和环丁砜。物理和化学吸收方法可以组合使用，以利用环丁砜和烷醇胺作为吸收剂的Sulfinol?方法、或利用单乙醇胺和甲醇的混合物作为吸收剂的Amisol ?方法为例。通常，所述合成气体在气-液接触器中与所述溶剂接触，所述接触器可以是本领域已知的任何类型，包括填充的塔或具有塔盘的塔。这样的酸清除接触器的操作是本领域已知的。
[0150]合成气23中的含硫化合物也可以通过固体吸附方法，利用以钛酸锌、铁酸锌、氧化锡、氧化锌、氧化铁、氧化铜、氧化铈或其混合物为例的固体的固定、流化或移动床在分离器50中除去。所述除硫设备之前可以是一个或多个气体冷却步骤，以根据在其中利用的具体除硫技术的需要降低所述合成气的温度。来自所述合成气的显热能量可以在冷却系中用本领域已知的手段通过蒸汽发生回收。所述进料气中通常至少90 %、更通常至少98 %的硫可通过上文描述的除硫系统和方法除去。
[0151]上面描述的基于溶剂的酸性气体清除系统很好地从所述合成气基本上除去全部的含硫化合物和C02。其他手段可能需要用于除去残留量的C02、C0和H2O,因为这些氧合物将毒害氨合成催化剂。除去COjPCO的一种经典方法是甲烷化。在这种情况下，所述合成气体被加热到约300°C并通入甲烷化反应器中。所述甲烷化反应器是填充了富Ni甲烷化催化剂的反应器。CO和0)2与过量的H2反应以产生CH 4和H 20。所述水通过冷凝除去，且所述合成气体在干燥剂充填的干燥器中干燥。来自可以是分离器50的最下游部件的干燥器的流出物51主要是H2与少量CH4、队和Ar。CH 4不毒害NH 3合成催化剂。
[0152]分离器50可以包含一个或多个吸附器。所述吸附器可充填选择性吸附污染物H20(假定干燥器的功能)、C0(假定CO清除而不是甲烷化反应器的功能)、co2(假定0)2清除而不是甲烷化反应器和溶剂基系统的功能)和H2S(假定酸性气清除系统的功能)中的一种或多种的各种吸附剂。这些吸附剂可以是合成的或天然存在的沸石、氧化铝和活性碳中的一种或多种，它们是众所周知的。
[0153]由分离器50形成的副产物53还可以包含CO。
[0154]所述系统还包括氨合成单元60，其操作地布置以接受来自分离器50的至少一部分氢气产物51并操作地布置以接受来自离子转运膜组件70的至少一部分氮气产物73。所述至少一部分氢气产物51与所述至少一部分氮气产物73在所述氨合成单元60中反应以产生氨产物63。
[0155]所述方法包括使至少一部分氢气产物51与来自离子转运膜组件70的至少一部分氮气产物73在足以产生氨产物63的反应条件下反应。所述足以产生氨产物63的反应条件包括从1.5MPa至35MPa的压力和从300°C至550°C的温度。
[0156]氨合成单元60包括氨合成反应器和用于纯化氨的相关组分分离器。
[0157]氢气产物51从分离器50作为进料通往氨合成单元60用于制造氨63。通常，所述氢气产物51是压力约2至7MPa的高压气体流。
[0158]所述至少一部分氮气产物73和所述至少一部分氢气产物51可以通常通过氨补充进料(MUF)压缩器引入氨合成单元60。氨合成单元在升高的压力下运行。如果所述至少一部分氮气产物73和所述至少一部分氢气产物51是大致相同的压力，在压缩之前合并两个流可能是有利的。或者，它们可以分别压缩。在另一种替代方案中，它们中的一种可以在第一级压缩中压缩，然后与另一个流合并用于组合压缩。所述氢气和氮气反应物以约2.7:1至约3.2:1之间的摩尔比提供，更通常在约2.8:1至约3.1:1之间，并最通常在约2.9:1至约3.0:1之间。
[0159]通常，在常规氨设备中，使用在约1.5MPa和约34.6MPa之间的压力。更通常，所述压力在约4.2MPa和约34.6MPa之间，并且最通常在约5.6MPa和约16.7MPa之间。所述氨合成原料气体在催化氮气氢化成氨的氨合成催化剂上通过。所述催化剂可包含在一个或多个管式或床反应器中，并且这些反应器可以设置为一个或多个反应器的系列。在这样的情况下，可以提供在氨合成单元之间的气体冷却。所述氨合成催化剂可以是所述行业中已知用于合成氨的任何类型，例如，如美国专利N0.5，846，507中所述的。
[0160]氨产物63从氨合成单元60回收。来自氨合成反应器的未反应的比和N2被压缩并再循环回到所述氨合成反应器。氨产物63的回收通常是通过冷凝，然而本领域已知的任何方法，包括水或溶剂洗涤，都可以使用。冷凝可以通过膨胀所述气体、或通过用来自低温空气分离单元10的制冷、冷却水或液氮冷却来辅助。
[0161]将NH3 (由此形成氨产物63)与未反应的NjPH2分离以形成重循环流的常见技术是使用在闭合或开放回路中利用NH3作为制冷剂的制冷循环。所述制冷循环利用众所周知的操作:压缩，冷却-冷凝，膨胀阀和蒸发。
[0162]清除流(purge stream)65可以取自未反应的HjP N 2的再循环流。少量清除(purge)对于控制可能在氨合成回路中积聚的Ar和014水平是必要的。H 2和1通过氨反应器、回收氨产物和未反应的HjP N2再循环在本文中称为氨合成回路。
[0163]清除流65可以任选地通往低温洗涤单元90 (在下面论述)以除去和降低所述氨合成气体回路中非反应性物质例如氩气和/或甲烷的浓度。任选地，一部分清除流65可以用于给燃烧器100供燃料。任选地，一部分清除流65可用作燃料以直接或间接加热供应给离子转运膜组件70的氧化剂进料。
[0164]来自氨合成单元60的氨产物63可以通过例如闪蒸(flash)到连续降低的压力进行进一步提纯以除去少量溶解的N2、H2或氩。氨产物63在储存或运输之前可以进一步冷冻。通过利用一部分产生的NH3作为闭合或开放制冷回路中的工作流体，可以将制冷整合到氨合成单元60的NH3纯化区段中。
[0165]在生产氨的常规方法中，用于生产氨的N2反应物的唯一来源是低温空气分离单元(ASU)。在本发明中，至少基本上所有的N2反应物由离子转运膜组件7