由具有任何组成的废弃物,优选家庭废弃物,制备尿素的方法

摘要

本发明涉及一种由具有任何组成的废弃物，优选家庭废弃物，制备尿素作为富含氮的合成肥料的方法。有机废弃物组分首先在含氧气(O2)的高温反应器中被转化为气体，所述氧气是在冷冻空气分离车间中获得的。产生的合成气主要包括一氧化碳(CO)、氢气(H2)和二氧化碳(CO2)。包含在合成气中的一氧化碳随后连同水蒸汽被转化为氢气(H2)和二氧化碳(CO2)，氢气随后被分离并与初级氮(N2)一起用于氨合成，其中氮气在冷冻空气分离中作为副产物生成。在最后一个工序中，由氨(NH3)和其他合成气组分二氧化碳(CO2)制备尿素(CO(NH2)2)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种由具有任何组成的废弃物，优选家庭废弃物，制备尿素 作为富含氮的合成肥料的方法。有机废弃物组分首先在含氧气(O₂)的高温反 应器中被转化为气体，所述氧气是在冷冻空气分离车间中获得的。产生的合 成气主要包括一氧化碳(CO)、氢气(H₂)和二氧化碳(CO₂)。包含在合成气中的 一氧化碳随后连同水蒸汽被转化为氢气(H₂)和二氧化碳(CO₂)。氢气随后被分 离并与初级氮(N₂)一起用于氨合成，其中初级氮(N₂)作为在冷冻空气分离中的 副产物生成。在最后一个工序中，由氨(NH₃)和其他合成气组分二氧化碳(CO₂) 制得尿素(CO(NH₂)₂)。

背景技术

世界人口从1960年的30亿增长到2011年的超过70亿。可以预期在未 来的几十年世界人口不成比例的高增长，目前人口增长的主要部分发生在发 展中国家或者世界上的欠发达和较穷的地区。

由于农业用地面积是有限的，并且额外的可用面积只有少量被开发，所 以世界人口的吃饭问题表现为一个日趋严重的问题。只有当显著增加可用面 积的单位产量成为可能时，才会有可能在未来解决世界人口的吃饭问题。通 过增加肥料的使用来增加可用面积的单位产量是可行的。

氮含量为46.62%的尿素是世界上最重要的氮肥。大规模的尿素是由天然 气获得的。为此使用大型化学车间，通过氢气制备，氨制备和尿素合成步骤， 由天然气、空气和水生产尿素。

在2009年，全世界大约生产了1.3亿吨（t）尿素。尿素的价格已经涨到 每吨€350，在过去三年内增长了80%左右。增长的天然气价格和增加的尿素 需求会导致尿素的价格在未来也会不成比例地增长。

为了满足尿素作为含氮合成肥料增长的需求，需要寻求手段和方法来显 著提高尿素的年产量。

随着人口的增长和财富的增加，废弃物的数量也在不成比例地增长，寻 找一种更加环境友好的解决废弃物问题的解决方案变得越来越重要。

一种以可持续的方式使用热废弃物利用技术的尝试已经成功用来解决废 弃物问题。在这些热处理工艺中，“热选工艺”占据了卓越地位。在“热选 工艺”中，在温度高达2000℃的高温反应器中，多种不同组成和稠度的废弃 物使用纯的氧气被气化。在这一过程中，产生主要包括氢气(H₂)、一氧化碳 (CO)和二氧化碳(CO₂)的合成气。

所述用于气化有机垃圾废弃物组分的氧气是通过与现有技术一致的 冷冻空气分离过程分离工艺获得的。初级氮作为这一过程的副产物生成， 并被预先排入大气。所述“热选工艺”在EP0790291B1和EP0726307B1 中描述。

发明内容

本发明的目的是由低价的产品和副产品廉价地制备尿素，所述低价的产 品和副产品是按照“热选工艺”气化废弃物生成的，且这种方法没有污染空 气的例如CO₂气体的排放。

上述目的如权利要求中所限定的按照本发明的方法来实现。

本发明的方法包括以下步骤：

在第一步中，主要包括一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO₂)和氢气(H₂)的合成 气按照“热选工艺”使用纯氧通过高温气化废弃物制备。重要的是此处所需 氧气通过冷冻空气分离工艺获得的。初级氮在这一过程中作为副产物生成。

在第二阶段，包含在合成气中的一氧化碳(CO)借助水蒸汽被转化为二氧 化碳(CO₂)和氢气(H₂)。在这一工序中，优选使用在高温反应器中气化废弃物 所产生的水蒸汽。

在氢气(H₂)与二氧化碳（CO₂）分离后，氢气(H₂)与初级氮(N₂)一起被转 化为氨(NH₃)，所述初级氮(N₂)在空气分离过程中作为副产物生成。

在最后一步中，由氨(NH₃)和来自合成气的二氧化碳(CO₂)制备尿素 (CO(NH₂)₂)。

本发明的方法的主要优势为，

-按照“热选工艺”通过使用氧气将具有多种不同组成的废弃物气化以完 全转化成有用的产品，且不会污染环境。然而，在所有其他已知的热处理工 艺中，环境被必须进行处理的高毒性残留物和例如CO₂的气体排放所污染；

-作为副产物在空气分离过程中生成的初级氮与含在变换的合成气中的 氢气一起使用用于氨合成；

-作为中间产物获得的氨与含在变换的合成气中的二氧化碳一起用于尿 素生产；以及

-根据本发明的方法，没有例如污染环境的CO₂气体的排放。如果变换的 合成气中包含比氨合成所需更多的CO₂，可以引入氨以利用多余的CO₂用于 尿素合成。

当使用本文提供的方法时，例如可以由尿素获得合成肥料，每吨废弃物 可以产生600kg左右的富含氮的合成肥料。这种肥料的现行市价为每吨€350 左右。

通过销售富含氮的合成肥料，回收本文所述工艺的包括所有投资成本在 内的全部成本是没有问题的，并可实现确定的每吨€200左右的结余。投入资 本的超过平均水平的回报是可以确保的，并与记载的用于处理废弃物的费用 多少无关。

附图说明

图1是本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面将参照一般流程图（图1）详细解释本发明。

在本工艺中，具有任何所需组成的废弃物使用O₂在温度至少为1000℃ 到2000℃高温反应器中气化以形成合成气，所述温度优选为1500℃左右。 合成气在反应器中的存留时间总计为1.0秒至5.0秒，优选2.0秒左右。为了 防止合成气组分重组为有毒产物，对合成气实施骤冷（淬灭）。

在下一步中，由上述高温处理形成的合成气首先优选被压缩至10至80 巴，优选50巴左右。

为了尽可能有效地利用合成气获得富含氮的合成肥料，合成气中的氢气 比例应当尽可能的高。反应借助于现有技术中所谓的变换反应，通过计量的 水蒸汽，根据式CO+H₂O＝CO₂+H₂，优选在具有催化固定床的冷却反应器 中进行。由于放热反应会产生热量，用水将反应器冷却至催化剂的理想温度 300℃。

在下一步中，优选含有氢气和二氧化碳的变换的合成气(shifted synthesis gas)被分离，这同样与现有技术一致，其中氢气被分离。残余气体几乎只含有 二氧化碳。

在合成反应器中，与来自空气分离车间的氮气一起，氢气被催化用于获 得氨。

在下一步中，进行尿素合成，氨和来自残余气体中的二氧化碳被催化地 用于获得作为富含氮的合成肥料的尿素。如果CO₂的量比用于合成尿素所需 的CO₂量大，可以引入NH₃以利用剩余的CO₂合成尿素。

所述废弃物的利用不会导致任何气体排放是本文所述方法最重要的优 势。产生的所有物质都能被工业化利用。来自根据“热选工艺”进行的有机 废弃物组分的气化的物质，例如氢气和二氧化碳，仅被用于获得富含氮的合 成肥料。氨合成所需的初级氮在空气分离车间作为副产物产生。

在本方法的一个变化例中，本方法所需的能量还可以由可再生能源获得， 例如来自太阳能光伏。