CN101735859A - 用于除去酸性气体的方法、装置和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于在燃烧之前从合成气体中吸收酸性气体的方法和装置。在一个实施例中，提供了用于接受合成气体和物理性溶剂的容器(12)。该容器(12)包括一个或多个膜接触器(72)，该膜接触器提供了用于将一种或多种酸性气体从合成气体中物理吸收到物理性溶剂中的界面。

Description

用于除去酸性气体的方法、装置和系统

技术领域

本文所公开的内容涉及从合成气体(合成气)中除去酸性气体，更具体地说，涉及使用膜接触器来除去酸性气体。

背景技术

通过诸如煤的进料的气化可以产生合成气，并可将其用作联合循环发电厂的燃料。该合成气通常可包括一氧化碳、氢以及少量的氯化氢、氟化氢、氨和其它气体的气态混合物。根据进料的有机质含量，合成气可能还包括不定量的酸性气体，例如硫化氢和二氧化碳。为了减少空气污染和环境费用，合成气需要进行清洁或“脱硫”，从而在联合循环发电厂内进行燃烧之前除去酸性气体。

发明内容

在一个实施例中，一种装置包括配置成接受合成气体和物理性溶剂的容器。该装置还包括设置在容器中的一个或多个膜接触器，该膜接触器配置成提供用于将一种或多种酸性气体从合成气体中物理吸收到物理性溶剂中的界面。

在另一实施例中，一种方法包括在燃烧该合成气体之前，在一个单元运行中将两种或多种酸性气体从合成气体中吸收到物理性溶剂中。该吸收包括通过设置在合成气体和溶剂之间的一个或多个膜接触器来吸收酸性气体。

附图说明

当参照附图并阅读以下详细的描述时，将更好地理解本发明的这些以及其它特征、方面和优点，在所有附图中，相似的标号代表相似的部件，其中：

图1是联合循环发电系统的一个实施例的流程示意图，该联合循环发电系统具有供应合成气的预燃烧系统、燃气涡轮、蒸汽涡轮以及热回收蒸汽产生系统；

图2是详细地描述图1的预燃烧系统的一个实施例的流程示意图；

图3是详细地描述溶剂再生系统的一个实施例的流程示意图，该溶剂再生系统可在图2中所示的联合循环发电系统中被采用；以及

图4是可在图1中所示的预燃烧系统中使用的吸收单元的一个实施例的横截面图。

具体实施方式

以下将描述本发明的一个或多个具体实施例。为了致力于提供这些实施例的简明描述，在说明书中可能没有描述实际实施的所有特征。应该领会，在任何这种实际实施的研究中，如同在任何工程或设计项目中一样，必须做出许多具体实施的决定，以实现研究者的具体目的，例如与涉及系统和涉及商业的约束的适应性，这些目的可能从一个实施变化为另一个。此外，应该领会，这种研究工作可能复杂且耗时，但对于那些受益于本公开的普通技术人员而言，仍然是设计、构造和制造的日常任务。

当介绍本发明的各种实施例的要素时，冠词“一”、“一个”、“这个”和“所述”旨在表示其中一个或多个要素。术语“包括”、“包含”和“具有”旨在包含并意味着除了列出的要素之外，还可以具有其它要素。

本公开致力于在燃烧之前从合成气中除去酸性气体的技术。根据某些实施例，可引导合成气穿过具有膜接触器的吸收单元，该膜接触器为物理性溶剂提供了表面区域，以在单个单元运行中从合成气中物理吸收酸性气体，从而产生脱硫的合成气。如本文中使用的那样，术语“酸性气体”包括硫化氢、二氧化碳以及其它含硫化合物等。术语“物理吸收”应该是指通过溶剂进行吸收，该溶剂通过物理性质而不是化学反应来从合成气流中吸收所选成分。由于燃烧前存在的相对较高的压力，因而物理吸收可能特别适合于除去预燃烧的酸性气体。例如，进料的气化可能发生在高压和高温下。因此，通过气化过程产生的合成气可能存在于高压下，例如大于或等于大约8巴的压力。其它高压的示例包括但不限于大约8巴至31巴的范围内的压力。在高压下，物理性溶剂的吸收容量能够增加，因而物理吸收可提高预燃烧应用的效率。此外，膜接触器的使用可增加用于吸收的表面积，这又可以减小吸收单元的尺寸和物理性溶剂的量。

图1是联合循环发电系统2的一个实施例的流程示意图，其包括一种用于除去酸性气体的独特的预燃烧系统4。如以下进一步所述，预燃烧系统4可包括用于在将合成气应用于燃气涡轮6之前从合成气中除去酸性气体的一个或多个膜接触器。在燃气涡轮6中，可以燃烧脱硫的合成气，以在“置顶循环”或布雷顿(Brayton)循环内产生动力。来自燃气涡轮6的排气可被供应至后燃烧系统8，以在“置底循环”或兰金(Rankine)循环内产生蒸汽。在某些实施例中，预燃烧系统4、燃气涡轮6以及后燃烧系统8可以作为一体式气化联合循环(IGCC)发电厂而一起运行。

预燃烧系统4包括产生合成气的气化器10和从合成气中除去酸性气体的吸收单元12。气化器10可以是任何合适类型的气化器，例如固定床(fixed bed)、流化床(fluidized bed)或曳流气化器(entrained flowgasifier)。如以下参照图4进一步所述，吸收单元12可包括一个或多个膜接触器，该膜接触器用于将酸性气体从合成气中物理吸收到物理性溶剂中。当然，预燃烧系统4还可以包括另外的设备，例如过滤器、洗气器、热交换器、反应器等。此外，预燃烧系统4可包括用于气化过程的设备或材料，例如管道、一个或多个气化器、进料、箱、燃烧器、焦炭、锅炉、洗气器、磨碎机、冷却器、澄清器及其它相关设备和材料。

然后，来自预燃烧系统4的合成气可被应用于燃气涡轮6，以使用涡轮16来驱动第一负荷14。第一负荷14可以是例如用于产生电力的发电机。燃气涡轮6可包括涡轮16、燃烧器或燃烧室18以及压缩机20。来自燃气涡轮6的排气可被供给至后燃烧系统8，在该后燃烧系统中，可使用热回收蒸汽产生(HRSG)系统来回收排气，并应用于用于驱动第二负荷24的蒸汽涡轮22。第二负荷24也可以是用于产生电力的发电机。然而，第一负荷14和第二负荷24可以是其它类型的能够被燃气涡轮6和蒸汽涡轮22驱动的负荷。另外，虽然如所图示的实施例中所示，燃气涡轮6和蒸汽涡轮22可驱动分离的负荷14和24，但也可以将燃气涡轮6和蒸汽涡轮22串联利用，以经由单个轴来驱动单个负荷。在所图示的实施例中，蒸汽涡轮22可包括低压区段26(LPST)、中压区段28(IP ST)和高压区段30(HP ST)。然而，蒸汽涡轮22以及燃气涡轮6的具体构成可根据具体情况实施，并可以包括任何区段的组合。

后燃烧系统8还可包括多级HRSG 32。在所图示的实施例中，HRSG 32的构件是HRSG 32的简化描述，而不旨在限制。相反，所图示的HRSG 32是为了表达这种HRSG系统的通常的运行而显示的。来自燃气涡轮6的热的排气34可被输送到HRSG 32中，并被用来加热蒸汽，该蒸汽用于向蒸汽涡轮22提供动力。来自蒸汽涡轮22的低压区段26的排气可被引导至冷凝器36中。借助冷凝泵38，还可以将来自冷凝器36的冷凝物引导至HRSG 32的低压区段中。

然后，冷凝物可流过低压节能器40(LPECON)，并在此处被加热。在某些实施例中，低压节能器40可以是配置成用气体加热给水(feedwater)的装置。冷凝物可以从低压节能器40被引导至低压蒸发器42(LPEVAP)中，或者被导向中压节能器44(IPECON)。来自低压蒸发器42的蒸汽可返回到蒸汽涡轮22的低压区段26。同样地，冷凝物可以从中压节能器44被引导至中压蒸发器46(IPEVAP)中，或者被导向高压节能器48(HPECON)。另外，来自中压节能器44的蒸汽可被发送至燃料气体加热器(未显示)，在该燃料气体加热器中，可使用蒸汽来加热在燃气涡轮6的燃烧室18中使用的燃料气体。来自中压蒸发器46的蒸汽可被发送至蒸汽涡轮22的中压区段28。同样，节能器、蒸发器以及蒸汽涡轮22之间的连接可在实施中变化，因为所图示的实施例仅仅是可采用本实施例的独特方面的通常的发电系统的举例说明。

最后，来自高压节能器48的冷凝物可被引导至高压蒸发器50(HPEVAP)中。离开高压蒸发器50的蒸汽可被引导至初级高压过热器52和终级高压过热器54中，在过热器中，使蒸汽过热，并最终被发送至蒸汽涡轮22的高压区段30。来自蒸汽涡轮22的高压区段30的排气又可被引导至蒸汽涡轮22的中压区段28中，并且，来自蒸汽涡轮22的中压区段28的排气可被引导至蒸汽涡轮22的低压区段26中。

级间调温器56可位于初级高压过热器52和终级高压过热器54之间。该级间调温器56可允许对来自终级高压过热器54的蒸汽的排气温度进行更强力的控制。具体地说，该级间调温器56可配置成只要离开终级高压过热器54的蒸汽的排气温度超过预定值时，就可通过将较冷的给水喷雾注入到终级高压过热器54上游的过热蒸汽中而控制离开终级高压过热器54的蒸汽的温度。

另外，来自蒸汽涡轮22的高压区段30的排气可以被引导至初级再加热器58和次级再加热器60中，在再加热器中，该排气可以被再加热，然后被引导至蒸汽涡轮22的中压区段28中。初级再加热器58和次级再加热器60还可以与用于控制来自再加热器的排出蒸汽的温度的级间调温器62相关联。具体地说，该级间调温器62可配置成只要离开次级再加热器60的蒸汽的排气温度超过预定值时，就可通过将较冷的给水喷雾注入到次级再加热器60上游的过热蒸汽中而控制离开次级再加热器60的蒸汽的温度。

在诸如系统2的联合循环系统中，热的排气可从燃气涡轮6流出且穿过HRSG 32，并可以用于产生高压高温蒸汽。由HRSG 32产生的蒸汽然后可穿过蒸汽涡轮22，以产生电力。另外，所产生的蒸汽还可以被供应至任何其它可使用过热蒸汽的过程。例如，在某些实施例中，其中一些或所有的蒸汽可被供应至预燃烧系统4，以再生用于吸收单元12的物理性溶剂。燃气涡轮6的发电循环经常被认为是“置顶循环”，而蒸汽涡轮22的发电循环经常被认为是“置底循环”。通过如图1中所示地组合这两个循环，联合循环发电系统2可在这两个循环中产生更高的效率。具体地说，可以俘获来自置顶循环的废热，并用来产生用于置底循环的蒸汽。当然，联合循环发电系统2只是作为示例而提供的，而不旨在限制。预燃烧酸性气体除去技术可被用来提供用于任何合适应用的脱硫的合成气。例如，该预燃烧系统4可以被用来将脱硫的合成气供应至不具有HRSG系统的燃气涡轮。

图2是联合循环系统2的流程示意图，图示了预燃烧系统4的一个实施例。如以上参照图1所述，预燃烧系统4包括气化器10，该气化器将诸如煤的含碳材料转化成主要由一氧化碳和氢组成的合成气。来自气化器10的合成气可被供应至反应器64，该反应器可用于进行水煤气变换反应，以将合成气中的一氧化碳转化成二氧化碳。在某些实施例中，可使用催化剂来降低反应温度。此外，在预燃烧系统4中可包括另外的反应器，以进行另外的提纯步骤，例如将硫化羰水解成二氧化碳和硫化氢。离开反应器64的气体可包括二氧化碳、氢和硫化氢的气体混合物以及痕量的其它气体、夹带的煤烟和灰烬。在某些实施例中，在预燃烧系统4中可包括一个或多个过滤器，以除去夹带的煤烟、灰烬及其它痕量气体成分。

合成气可从反应器64进入吸收单元12，在吸收单元中通过除去酸性气体，例如二氧化碳和硫化氢，从而可以使合成气脱硫。具体地说，吸收单元12内的溶剂可有选择地从合成气中吸收酸性气体。该溶剂可以是任何有选择地针对酸性气体的物理性溶剂。例如，该溶剂可以是聚乙二醇的二甲醚的混合物，例如聚乙二醇二甲醚(Selexol，商业上可从美国密歇根州米德兰市的陶氏化学公司得到)。在某些实施例中，合成气和/或溶剂可在吸收单元12内被保持在高压下。例如，该溶剂可具有在大约20巴至大约140巴的范围内以及其间的所有子范围内的压力。合成气可具有从大约8巴至大约100巴，具体地说，从大约10巴至大约85巴，或更具体地说，从大约10巴至大约20巴的范围内的压力，以及大约8巴和大约100巴之间的所有子范围内的压力。包含酸性气体的溶剂被称为富溶剂，可进入溶剂再生系统66，在该溶剂再生系统可从溶剂中解吸出酸性气体，并储存在接收器68和70中。具体地说，可使二氧化碳从溶剂分离并传送到接收器68中，在此二氧化碳可经历后续的回收过程。例如，可回收二氧化碳并用于增强油回收或用于尿素生产。硫化氢可被导向接收器70，在此硫化氢可经历进一步的处理。例如，可回收硫化氢并用于石膏的生产。

溶剂再生系统66可采用温度或压力的梯度以从溶剂中解吸出酸性气体。例如，溶剂再生系统66可以采用汽提器，该汽提器使用通过使用来自后燃烧系统8的蒸汽而产生的热。在另一个示例中，溶剂再生系统66可在闪蒸操作(flash operation)中采用压力梯度，以从溶剂中分离出酸性气体。在已经解吸出酸性气体之后，溶剂可相对地不含有酸性气体，并可以作为贫溶剂而返回吸收单元12，以准备从合成气中吸收酸性气体。

总的说来，吸收单元12可在单个单元运行中有利于诸如硫化氢和二氧化碳的酸性气体的除去。吸收单元12可包括一个或多个膜接触器72，该膜接触器提供了合成气和溶剂之间的界面。在某些实施例中，合成气中的酸性气体可流过膜接触器72并被吸收到溶剂中。内部容积74可以保留合成气且内部容积76可以保留溶剂。膜接触器72可设在两个容积74和76之间，以提供用于吸收的界面。在某些实施例中，保留溶剂的容积76可被保持在比保留合成气的容积74更高的压力下。该压力差可以足够小，以允许合成气渗透膜接触器72，但也足够大，以阻止来自合成气容积74的合成气流入溶剂容积76中。在某些实施例中，在吸收单元12内可包括压力调节器，以监测压力差。合成气中的酸性气体可穿过膜接触器72并被吸收到容积76内的溶剂中，而合成气仍保留在容积74中。通过这种方式，膜接触器72可提供用于吸收的表面区域以及合成气和溶剂之间的屏障。此外，膜接触器可提供用于吸收的增加的表面积，这又可以容许减小设备尺寸、投资费用以及溶剂量。如以上所述，脱硫的合成气可离开吸收单元12并可被供应至涡轮6，而富含所吸收的酸性气体的溶剂可被提供至溶剂再生系统66。

离开吸收单元12的脱硫的合成气可主要由氢组成，并可被供应至燃气涡轮6，以驱动一个或多个负荷。如以上参照图1所述，来自燃气涡轮6的排气可应用于后燃烧系统8，排气在该后燃烧系统可被回收并用于提供蒸汽，该蒸汽通过蒸汽涡轮向另一个负荷提供动力。此外，在后燃烧系统8中产生的蒸汽可被供应至溶剂再生系统66，以提供用于从溶剂中解吸出酸性气体的热。

图3是溶剂再生系统66的一个实施例的示意图。该系统66可包括热交换器78，该热交换器接受来自吸收单元12的富含酸性气体的溶剂。当富溶剂流过热交换器78时，富溶剂可吸收来自返回到吸收单元12的贫溶剂的热。然后，富溶剂离开热交换器78，并在高压闪蒸箱80中被闪蒸，以从富溶剂中除去二氧化碳。被除去的二氧化碳可被储存在接收器82内，在此可一直被保持到进一步的处理。该溶剂然后可进入中压闪蒸箱84并被闪蒸，以从溶剂中除去二氧化碳和硫化氢。被除去的二氧化碳和硫化氢的混合物可被储存在接收器86内，以用于进一步的处理。然后，溶剂可被引导至低压闪蒸箱88并被闪蒸，以从溶剂中除去硫化氢。被除去的硫化氢可被储存在接收器90内。然后，溶剂可作为相对地不含酸性气体的贫溶剂而离开闪蒸箱88。贫溶剂可流过热交换器78并将热传送至来自吸收单元12并流过热交换器的富溶剂。在离开热交换器78之后，贫溶剂可再次进入吸收单元12，在此可再次吸收酸性气体。

当然，溶剂再生系统66只是作为示例而提供的，并不旨在限制。例如，可包括和配置任何数量的闪蒸箱和接收器，以在各种压力下运行。在一个示例中，高压闪蒸箱80可运行在大约10巴下，中压闪蒸箱84可运行在大约5巴下，低压闪蒸箱可运行在大约1巴下。应该领会，闪蒸箱的压力可根据各种因素而变化，这些因素包括但不限于闪蒸箱的温度、级数以及要求的纯度。在其它实施例中，可去除接收器82、86和90，以容许解吸出的酸性气体直接流向后续的处理操作。此外，在其它实施例中，溶剂再生系统66可采用汽提器，该汽提器使用热而不是压力梯度以从溶剂中解吸出酸性气体。

图4是可用于有选择地从合成气中除去酸性气体的示范性的物理吸收单元12的横截面图。该物理吸收单元12可被容纳在容器91中，容器91可由金属、固态聚合物、或其它合适的惰性材料构成。容器91可包括间隔物92和94，该间隔物将容器91的内部分隔成三个内部容积96、98和100。膜接触器102可穿过内部容积98，以流通地将内部容积96和100连接。

膜接触器102可包括围绕支撑件106而设置的膜104。在某些实施例中，支撑件106可包括直径相对较小的聚合物或丝网管，其具有用于将合成气从内部容积96输送至容积100的内部流通道。然而，在其它的实施例中，支撑件106可包括具有不同几何形状的内部流通道的结构。例如，支撑件106可具有长方形、椭圆形、圆形、星形或梯形的横截面。膜104可包括围绕支撑件106的外表面而设置的膨体聚四氟乙烯(expanded ePTFE)膜。然而，在其它的实施例中，膜104可由诸如热塑性聚合物的聚合多孔材料或任何其它合适的多孔材料构成。在某些实施例中，膜104可具有大约0.1微米至大约2毫米的范围内以及其间的所有子范围内的壁厚。更具体地说，膜104可具有从大约0.5微米至1.5微米，或进一步更具体地说，从大约0.8微米至1.2微米的范围内的壁厚。此外，在其它实施例中，膜104可具有比大约2毫米大的壁厚。

在运行中，来自气化单元的合成气(箭头108)可通过入口110而进入容器91，并流入内部容积96。来自内部容积96的合成气108可在膜接触器102内流动而穿过内部容积98。当合成气108流过膜接触器102时，通过支撑件106和膜104可将合成气内的酸性气体吸收到在内部容积98内流动的溶剂中。然后，合成气可作为脱硫的合成气(箭头112)而离开膜接触器102，并流入内部容积100。来自内部容积100的脱硫的合成气112可通过出口114而离开，并被引导至以上参照图1所描述的燃气涡轮。

溶剂(箭头116)可通过入口118而进入内部容积98。在进入内部容积98之后，溶剂(箭头120)可在内部容积98内流动并接触膜104。当溶剂接触膜104时，溶剂120可从流过膜接触器102的合成气中吸收酸性气体。然后，溶剂可作为包含所吸收的酸性气体的富溶剂(箭头124)而通过出口122离开。如上所述，膜104可在流动于膜接触器102内的合成气108和绕着膜接触器102流动的溶剂120之间提供表面积和界面。在某些实施例中，膜接触器102可被布置成最大限度地增加合成气108和溶剂120之间的界面的表面积。此外，挡板126可设在内部容积98中，以引导溶剂120在容积98内的流动。例如，挡板126可被布置成使溶剂绕着膜接触器102按规定路线折返，从而增加接触表面积，这又可提高吸收单元12的效率。

应该领会，图4中所示的吸收单元12的构成是仅作为示例而提供的，而不旨在限制。例如，容器91，容积96、98和100，支撑件106以及膜接触器102的数量、相对形状和尺寸可以变化。此外，任何数量的挡板及/或内部容积可设在容器91内。此外，多个吸收单元12可在预燃烧系统4中串联及/或并联地运行。

本发明的技术效果包括提供可在燃烧之前有选择地从合成气中除去酸性气体的单个运行。此外，膜接触器可提供用于合成气和溶剂之间的接触的增大的表面积，这可减少设备尺寸，因而需要较少的溶剂并降低了运行成本。

本文使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并还可使本领域的技术人员实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，并进行任何所结合的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并包括本领域中的技术人员能够想到的其它示例。如果这些其它示例具有并非不同于权利要求的语言的结构要素，或者如果这些其它示例包括与权利要求的语言无实质差异的等同的结构要素，那么，这些其它示例均在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种装置，包括：

容器(12)，配置成接受合成气体和物理性溶剂；以及

一个或多个膜接触器(72，102)，设置在所述容器(12)中并配置成提供用于将一种或多种酸性气体从所述合成气体中物理吸收到所述物理性溶剂中的界面。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述一种或多种酸性气体包括二氧化碳和硫化氢。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述一种或多种酸性气体包括二氧化碳或硫化氢中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述物理性溶剂包括聚乙二醇的二甲醚的混合物。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述一个或多个膜接触器(72，102)包括热塑性聚合物。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述一个或多个膜接触器(72，102)各包括围绕多孔管状支撑件(106)而设置的膜(104)，该膜配置成接受所述支撑件(106)内的合成气体(108)的流和所述膜(104)上的溶剂(116)的流。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述膜(104)包括膨体聚四氟乙烯，并且，所述多孔管状支撑件(106)包括中空的丝网管。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，包括间隔物(92，94)，该间隔物配置成将所述容器分隔成接受所述合成气体(108)的第一容积(96)、接受所述溶剂(116)的第二容积(98)以及接受所述合成气体(108)的第三容积(100)，其中，所述一个或多个膜接触器(72，102)配置成均提供用于使所述合成气体(108)从所述第一容积(96)穿过所述第二容积(98)而流向所述第三容积(100)的通道。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，包括挡板(126)，该挡板设置在所述第二容积(98)内，以引导所述溶剂(116)在所述第二容积(98)内的非线性路径中流动。

10.一种系统，包括：

吸收单元(12)，配置成从合成气体中有选择地除去酸性气体；

一个或多个膜接触器(72，102)，设置在所述吸收单元(12)内，以在所述合成气体和溶剂之间提供吸收界面，所述溶剂配置成从所述合成气体中吸收所述酸性气体；以及

燃气涡轮(6)，配置成在吸收所述酸性气体之后燃烧所述合成气体。

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