CN102753250A - 用co2捕集和封存从气体流去除酸性气体 - Google Patents
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Abstract
提供用于处理烃气体流的气体处理设备。烃气体流包含含硫成分和二氧化碳。气体处理设备包括酸性气体去除设备，用于将烃气体流分成(i)脱硫气体流，和(ii)酸性气体流，其主要由硫化氢和二氧化碳组成。气体处理设备也包括产生尾气的克劳斯硫回收单元和用于接收尾气的尾气处理单元。在各种实施方式中，气体处理设备捕集来自尾气的CO2并将其在压力下注入到地下储层中。还提供处理烃气体流的方法，以便额外的CO2被捕集并注入到地下储层。
Description
相关申请的交叉参考
本申请要求2010年1月22日提交的、名称为“REMOVAL OF ACID GASES FROM A GAS STREAM,WITH CO2 CAPTURE AND SEQUESTRATION(用CO2捕集和封存(sequestration)从气体流去除酸性气体)”的美国临时专利申请61/297,529的权益，其整体通过引用被并入本文。
发明背景
该节目的在于介绍可与本公开示例性实施方式相关的本领域各方面。该讨论据认为有助于提供框架从而促进更好地理解本公开的具体方面。因此，应当理解应该以这个角度阅读本节，而不必作为对现有技术的承认。
发明领域
本发明涉及流体分离领域。更具体而言，本发明涉及从烃流体流去除含硫成分，以及涉及回收与烃流体流有关的二氧化碳。
技术讨论
从储层中采收原天然气时常与它一起携带有非烃气体的附带采收。这样的气体可能包括微量氦气或氮气。这样的气体也可以包括污染物，如二氧化碳(CO2)或各种含硫化合物。含硫化合物可能包括硫化氢(H2S)、氧硫化碳(COS)、二硫化碳(CS2)、硫醇、有机硫化物和噻吩。
在H2S和CO2作为烃气体流(例如甲烷或乙烷)的一部分产生时，该气流有时称为“酸气”。在酸气向下游发送以便进一步处理或销售之前，其通常被处理以去除CO2、H2S和其它污染物。酸性气体的去除产生“脱硫”烃气体流。然后，脱硫气体流可用作环境可接受燃料，或者其可以被冷却成液化天然气、或LNG，用于运输和之后的工业或住宅应用。
已经设计若干方法，以从烃气体流去除污染物。一种通常使用的、用于处理原天然气的方法涉及使用物理溶剂。物理溶剂的实例是 是DowChemical公司的子公司Union Carbide的气体处理产品的商品名称。SelexolTM溶剂是聚乙二醇的二甲醚的混合物。一个这种成分的实例是二甲氧基四甘醇(dimethoxy tetraethylene glycol)。如果SelexolTM溶剂被冷却，然后以CO2预饱和，则SelexolTM溶剂将对H2S具有选择性。
用于处理原天然气的另一种方法涉及使用化学溶剂。化学溶剂的实例是H2S-选择性胺。H2S-选择性胺包括甲基二乙醇胺(MDEA)和 
族胺。 胺是用于从含CO2气体流选择性去除H2S的优选化学溶剂。 
胺利用与CO2吸收相比的相对快速的H2S吸收速度的优势。位阻胺分子帮助防止氨基甲酸酯的形成。
基于胺的溶剂依赖于与烃气体流中酸性气体成分的化学反应。该反应过程有时称为“气体脱硫”。这样的化学反应通常比物理基溶剂更有效，尤其是在原料气压低于约300psia(2.07MPa)。在这方面，基于胺的H2S去除可以在低压下进行。
混合溶剂也已被用于除去酸性成分。混合溶剂应用物理溶剂和化学溶剂的混合物。混合溶剂的实例是 
以上溶剂的使用涉及任选地冷却原天然气，然后，将其与“贫”溶剂在接触器容器中混合。当溶剂包括化学溶剂时，接触器容器可以被称作吸收器容器或接触塔。在这种情况下，化学溶剂吸收酸性成分。例如，利用选择性胺去除硫化氢可以通过使任选地脱水的原天然气体流和任选地冷却的原天然气体流与化学溶剂在吸收器容器中接触而完成。
传统地，使用化学溶剂去除酸性气体包括使原天然气流与溶剂逆流(counter-currently)接触。原气体流被引入接触塔的底部部分。同时，溶剂溶液被导向塔的顶部部分。塔具有塔盘、填料(packings)或其它“内部构件”。随着液体溶剂通过内含物泻下，其吸收不期望的酸性气体组分，携带其通过接触塔的底部而离开，成为“富”溶剂溶液的一部分。同时，基本脱除了H2S和/或CO2的气态流体在塔的顶部流出。
在以上方法中，脱硫气体流主要含有甲烷，同时含有较少量的二氧化碳。该“脱硫”气体从接触器或吸收器的顶部流出。处理的“脱硫”气体可以进一步被处理，如用于液体回收，或如果CO2浓度小于例如按体积计约2%，脱硫气体可以被销售进入管道。另外，脱硫气体流可以被用作气变液过程(gas-to-liquids process)的原料，然后最终用于制造蜡、丁烷、润滑剂、乙二醇和其它石油基产品。
如所述，溶剂方法也产生“富”溶剂流，其含有溶剂和酸性成分。富溶剂可以通过去除酸性成分使其再次变贫而产生，以便可以重复利用溶剂。再生过程有时也称作“解吸”，其被用于从吸收性液体的活性溶剂中分离酸性气体。剩下的是浓缩的酸性杂质流，其包含含硫化合物和一些二氧化碳。
将溶剂用于气体分离方法产生了关于处置分离的含硫污染物的问题。如果可评估量的硫化合物存在于酸性气体中，其一定以某些方式进行反应，从而产生无害的副产物，如元素硫，或者其一定以某些方式被捕获。在一些情况下，浓缩的 酸性气体(主要由H2S和一些CO2组成)被送到硫回收单元(“SRU”)。SRU将H2S转化为良性的元素硫。存在一些现存的装置，其中H2S被转化成硫并储存。
虽然硫被储存在陆地上，但二氧化碳气体常常地从吸收器容器中被排至大气中。但是，排放CO2的实施有时是不期望的。最小化CO2排放的一项建议是被称为酸性气体注入(“AGI”)的方法。AGI意指在酸性气体去除后不需要的酸气在压力下立即被重新注入至地下地层(subterranean formation)。
酸性气体注入是相对新的技术，其仅在有限数量的油田中以大规模实施。AGI要求能够得到合适的地下储层结合明显的压缩。CO2和H2S可以任选地被一起注入和封存。
在一些情况下，注入的酸性气体被用于产生人工储层压力，用于强化采油操作。这意味着酸性成分被用作易混的强化采油(EOR)剂以采出额外的油。在酸性气体主要由二氧化碳组成时，这尤其具有吸引力。如果H2S的体积和/或浓度对于候选的注入储层太高，则大量的H2S将再次需要在AGI之前被转化成元素硫。
在任何情况下，将H2S转化成元素硫的已知类型的硫回收方法是克劳斯法。在克劳斯法中，三分之一的硫化氢(和其它含硫成分)与空气在反应炉中燃烧，形成SO2(和一些元素硫)。这是根据以下反应进行的氧化过程：
H2S+3/2O2—>SO2+H2O
或
2H2S+3O2—>2SO2+2H2O
这是强放热的反应，其产生二氧化硫。充分量的氮气可以在该点进入该过程，但并不参与化学反应。随后的反应通过加热和氧化来发生，被称为克劳斯反应：
2H2S+SO2<—>3S+2H2O
可见，硫和水在该反应中形成。硫和水被输送到冷凝器。元素硫作为熔融的液体从冷凝器中释放。熔融的含硫液体然后可以被冷冻成许多形式。
克劳斯反应是平衡限制的，也就是说，该反应通常并不进行到底，尽管高的转化，即大于95%，是可能的。酸性气体流中初始H2S浓度越高，克劳斯硫去除方法越有效。在任何情况下，保留一些量的未反应H2S和SO2。这些气体被重新加热和进入含有氧化铝或氧化钛催化剂的催化反应器。催化剂有助于H2S和SO2之间的进一步反应，以形成更多的元素硫。冷凝硫、重新加热气体和使其进入催化反应器的顺序可以被再重复一次或两次，以达到期望水平的硫回收。
用于克劳斯硫回收操作的一般方法图示于图1中。图1显示已知的硫回收装置100。硫回收装置100运行，以转化硫化氢和其它含硫成分为元素硫。元素硫被显示从装置100在管线150′、150″、150″′处被递增沉积。
为了进行克劳斯法，含H2S的酸性气体流被引导进入装置100。酸性气体流被显示在管线110处。酸性气体流110与空气流115一起被引入反应炉120。在反应炉120中，根据上面提出的第一反应，三分之一的硫化氢(和其它含硫成分)与空气 115一起燃烧，形成SO2(和一些元素硫)。反应炉120在约10到15psig的压力下和通常高于850℃的温度下运行。
反应炉120与废热锅炉125一起起作用，作为克劳斯法的“热段”的一部分。废热锅炉125从反应器120回收热，以便产生流。根据上面的第二反应产生硫和水蒸汽。
在图1中，硫和水的组合被显示在管线122处离开废热锅炉125。管线122中的硫和水然后被引导进入第一冷凝器130'。在冷凝器130'中，元素硫从气相被冷凝。硫在第一硫管线150'中从第一冷凝器130'中释放。硫管线150'中的硫最初处于熔融的液相，但在下游过程中的冷却期间被转化成固相。
在经验中，克劳斯反应并不转化所有的H2S和SO2为元素硫。这意味着残存未反应的H2S和SO2。为了获得进一步的转化，未反应的H2S和SO2(与CO2、N2和H2O蒸汽一起)从第一冷凝器130'通过顶部管线132'被释放。在顶部管线132'中的释放的气体在再热器140'中在硫露点以上被加热。加热的H2S、SO2和其它气体流从再热器140'中通过管线142'被释放。在管线142'中的加热的H2S和其它气体流被引入含氧化铝或氧化钛催化剂的转化器或“反应器”144'中。催化剂有助于H2S和SO2之间的进一步反应，以形成更多的元素硫。
元素硫经过管线146'进入第二冷凝器130"。元素硫从管线146'的气相中被冷凝，并通过第二硫管线150"作为熔融的液体被释放。冷凝硫、再加热气体和使其经过催化反应器的该顺序可以任选地被再重复一次或两次，以达到期望水平的硫回收。在图1中，第二再热器在140"处可见，加热的H2S和SO2的第二流在142"处可见，第二反应器在144"处可见，和第三冷凝器在130″′处可见。第三冷凝器130″′冷凝出第三硫管线150″′。
甚至在经过催化阶段之后，还可能有非常多的未反应的H2S和SO2。典型地，按体积计1到3%的这些气体将残留。该百分比通常被认为对于焚化和释放到大气中太高。该残留的含硫的气体流被称为“尾气”。尾气将不仅含有未反应的H2S和SO2，而且还可含有来自燃烧空气的CO2和N2。尾气被显示在管线160处从第三冷凝器130″′中出来。当然，如果不使用第二再热器140"、第二反应器144"和第三冷凝器130"，尾气160可以是管线132"。
一些政府机构要求97%或98%以上的硫回收效率。为了达到该硫去除水平，必需处理尾气160。这是在尾气处理单元或“TGTU”中进行的。已经针对TGTU设计了一些“尾气”处理方案。
图2在示意性的布置中显示已知的气体处理和硫回收设备200。设备200包括酸性气体去除设备220，接下来是克劳斯硫回收单元230。设备200也包括尾气处理单元240。
在图2中，原气体流210被显示首先进入酸性气体去除设备220中。气体流210可以是，例如来自烃回收操作的原天然气。对于天然气处理应用，优选气体流 210的压力至少为100psig，更优选至少500psig。虽然通常考虑至少部分气压是由于气体流210从地下储层进入气体处理设备200的压力，但也应该认识到，利用一个或多个压缩机(未显示)可以增加压力。
还应该理解，原天然气体流210在进入酸性气体去除设备220之前通常进行脱水。这可以通过使用乙二醇来进行。同样期望保持气体流210清洁，以便防止液体溶剂在酸性气体去除系统220中在酸性气体处理过程中发泡。因此，原天然气体流210通常经过入口分离器和聚结器(未显示)，以过滤出杂质，如盐水和钻井液。分离器和聚结器将去除任何冷凝的烃。也可以产生一些颗粒滤出物。
气体流210含有至少一种烃气体成分，主要为甲烷。另外，气体流210含有至少一种酸性气体。酸性气体的实例是硫化氢和二氧化碳。在尤其“酸的”油田中的天然气体流可以具有，例如10到40%H2S和/或5到10%CO2以及甲烷和可能更重的烃成分，如乙烷或丙烷。
酸性气体去除设备220运行，以从烃气体中分离出酸性气体成分。这可以，例如通过以上讨论的各种溶剂反应方法来进行。可选地，可以使用低温分离方法，如使用控制冻结区TM(CFZ)方法——由ExxonMobil Upstream Research公司创造和应用。CFZTM方法利用二氧化碳形成固体颗粒的倾向，通过使冷冻的CO2和H2S颗粒在蒸馏塔的开口部分内形成，并且然后在融化塔盘中捕获该颗粒。结果，在塔顶端产生洁净的甲烷流(连同在原料气体中存在的任意氮气或氦气)，同时在塔底产生冷却液体CO2/H2S流。CFZTM方法和相关装置的某些方面描述在美国专利号4,533,372；美国专利号4,923,493；美国专利号5,062,270；美国专利号5,120,338；和美国专利号6,053,007中。
在图2中，可以看见脱硫气体流从酸性气体去除设备220顶部出来。这显示在管线222处。另外，可以看见酸性气体流作为底部流从酸性气体去除设备220出来。这显示在管线224处。管线224中的酸性气体流主要含有二氧化碳和硫化氢。酸性气体流进入克劳斯硫回收设备230。克劳斯硫回收设备230用作SRU。
如上结合图1所讨论的，克劳斯硫回收设备230运行，以将酸性气体流中的含硫成分分裂成元素硫。在图2中，元素硫流被显示在232处从克劳斯SRU230中出来。尾气流也通过管线234从克劳斯SRU230出来。
尾气流234被导入到TGTU。TGTU显示在240处。在TGTU中，尾气流234被“清洁”。在图2的布置中，硫化氢从TGTU240中被导出并再循环回克劳斯硫回收单元230的前端。这在管线242处可见。剩余产物——主要由氮气和二氧化碳组成——通过管线244被导入到焚化炉250。微量H2S被燃烧并通过排出管线252与氮气和二氧化碳一起排放到大气中。
如所述，针对TGTU已经设计了不同的尾气处理方案。例如，Shell应用Shell克劳斯废气处理(SCOT)方法。其中，尾气被氢化，以转化尾气流中的SO2和硫醇 为H2S。这是通过使用还原气发生器(RGG)和随后的钴-钼(Co-Mo)催化剂床来进行的。该方法结合图3A在下面被显示和进一步详细地描述。
SCOT方法的产出为H2S和一些量的CO2，其被再循环回克劳斯硫回收单元230。然而，在SCOT方法中，大部分CO2必要地通过TGTU240传送并传递到焚化炉250，而且与N2一起被排放到大气中。排出管线再次显示在252处。
期望提供改进的尾气处理单元，其减少或最小化排放到大气中的CO2量。还期望通过从尾气处理单元捕集增高水平的CO2和将其注入到储层中来大大减少来自尾气处理单元的CO2排放，任选地用于强化采油操作。
发明内容
首先提供用于处理烃气体流的气体处理设备。烃气体流包含含硫成分和二氧化碳。在各种实施方式中，气体处理设备捕集CO2和对其施压，以注入到地下储层中。
气体处理设备包括酸性气体去除设备。酸性气体去除设备将烃气体流分成(i)脱硫气体流，和(ii)第一酸性气体流，主要由硫化氢和二氧化碳组成。
气体处理设备也包括克劳斯硫回收单元。克劳斯硫回收单元接收酸性气体流，并将第一酸性气体流分成(i)元素硫的液体流，和(ii)包含酸性气体杂质的尾气。
气体处理设备还包括尾气处理单元。尾气处理单元接收尾气，并将尾气分成(i)来自吸收器容器的顶部副产物，和(ii)来自再生器容器的第二酸性气体流。优选地，吸收器容器利用同时吸收二氧化碳和含硫成分的胺。以这种方式，进入尾气处理单元的大部分硫化氢和二氧化碳在吸收器容器中被吸收，并从吸收器容器释放到再生器容器，作为富溶剂流。
在一个方面中，胺包含二乙醇胺(DEA)、二异丙醇胺(DIPA)、单乙醇(MEA)或其组合。在另一方面，胺包含甲基二乙醇胺(MDEA)。MDEA被活化，以促进CO2吸收。例如，胺可以用哌嗪活化，以降低H2S水平，同时仍释放CO2。
气体处理设备还可以包括焚化炉。焚化炉接收来自吸收器容器的顶部副产物流，以进行燃烧和排放。理想地，顶部副产物流包含非常少的CO2。
另外，气体处理设备包括压缩机站。压缩机站接收来自再生器容器的第二酸性气体流，并提供压力给第二酸性气体流，以注入到地下储层中。在一个方面中，提供多个酸性气体注入井，以将第二酸性气体流从压缩机站运输到地下储层中。在一个实例中，顶部气体流被用于强化采油操作。
在气体处理设备的一个实施方式中，来自酸性气体去除设备的部分第一酸性气体流也被带到到压缩机站并被置于压力下。部分酸性气体流然后与来自再生器容器的第二酸性气体流一起被注入到地下储层中。
优选地，气体处理设备也包括酸性气体富集设备。酸性气体富集设备接收来自酸性气体去除设备的酸性气体流，并将酸性气体流分成(i)顶部富CO2流，和(ii) 富H2S酸性气体流。在这种情况下，由克劳斯硫回收单元接收的酸性气体流是富H2S酸性气体流。此外，顶部富CO2流从酸性气体富集设备被导向压缩机站，并被置于压力下，以与来自所述再生器容器的所述第二酸性气体流一起注入到所述地下储层中。
也提供处理烃气体流的方法。该方法允许捕集额外的CO2。然后，CO2被注入到地下储层中。该方法在气体处理设备中进行。
该方法首先包括在酸性气体去除设备中分离烃气体流。烃气体流包含含硫成分和二氧化碳。烃气体流被分成(i)脱硫气体流，和(ii)第一酸性气体流，主要由硫化氢和二氧化碳组成。
该方法也包括在克劳斯硫回收单元接收酸性气体流。酸性气体流被分成(i)元素硫的液体流，和(ii)包含酸性气体杂质的尾气。
该方法还包括在尾气处理单元接收尾气。尾气被分成(i)来自吸收器容器的顶部副产物流，和(ii)来自再生器容器的第二酸性气体流。优选地，吸收器容器利用同时吸收二氧化碳和含硫成分的胺，以便进入所述尾气处理单元的大部分二氧化碳在所述吸收器容器中被吸收，并与含硫成分一起从所述吸收器容器释放到所述再生器容器，作为富溶剂流。
该方法接下来包括在压缩机站提供压力给来自所述再生器容器的所述第二酸性气体流。然后，该方法使第二酸性气体流注入到地下储层中。
在一个方面中，来自酸性气体去除设备的部分酸性气体流被带到压缩机站并被置于压力下，以注入到地下储层中。该部分第一酸性气体流与来自所述再生器容器的所述第二酸性气体流一起被注入。
任选地，该方法也包括提供多个酸性气体注入井。多个酸性气体注入井将酸性气体流从尾气处理单元中的再生器容器运输到地下储层中。这可用于封存或用于在地下储层中强化采油操作。
在一个实施方式中，该方法也包括在其进入所述再生器容器之前，使所述富溶剂流在热交换器中升温，和将升温的富溶剂流导入到再生器容器。
在另一实施方式中，方法还包括将在冷凝器容器中使残留的胺和冷凝的水与酸性气体流中的二氧化碳和含硫成分分离。残留的胺和冷凝的水被导回到再生器容器中。在该实施方式中，来自所述再生器容器的所述第二酸性气体流通过冷凝器容器在CO2和H2S被运输到压缩机站之前被获取。
优选地，该方法还包括焚化来自吸收器容器的顶部副产物流。该方法然后包括排放焚化的副产物流到大气中。理想地，副产物流包含很少的CO2，以便与已知方法相比较少的CO2被排放到大气中。应该理解，焚化炉也产生CO2。
在一种布置中，气体处理设备还包括酸性气体富集设备，用于接收来自所述酸性气体去除设备的所述第一酸性气体流，和将所述酸性气体流分成(i)顶部富CO2流，和(ii)富H2S酸性气体流。在该布置中，方法还可以包括：
在克劳斯硫回收单元处接收富H2S酸性气体流，作为酸性气体流；
将顶部富CO2流运输到压缩机站；
在压缩机站提供压力给顶部富CO2流；和
将顶部富CO2流与来自尾气处理单元的再生器容器的所述第二酸性气体流一起注入到地下储层。
附图简介
为了本发明可以被更好地理解的方式，在此附上一些图解说明和/或流程图。但应当注意，附图仅阐述本发明选择的实施方式，因此不被考虑为限制了范围，因为本发明可容许其它等同有效的实施方式和应用。
图1是用于根据克劳斯反应进行硫去除方法的气体处理设备的示意图。这样的设备在流体成分分离的领域中是已知的。
图2是用于从原天然气体流中去除酸性气体成分的已知气体处理设备的示意图。设备包括酸性气体去除设备、克劳斯硫回收设备、尾气处理单元和焚化炉。
图3A是在气体处理工业中已知的尾气处理单元的示意图。
图3B是在一个实施方式中本发明的改进的尾气处理单元的示意图。
图4是在一个实施方式中本发明的气体处理设备的示意图。其中，从酸性气体去除设备去除的部分酸性气体被直接送到压缩机站，以进行酸性气体注入。
图5A是用于去除酸性气体的已知气体处理设备的示意图。其中，酸性气体富集在H2S传递到克劳斯硫回收单元之前被提供，同时二氧化碳绕过克劳斯硫回收单元转向并被导入焚化炉中。
图5B是在改进的实施方式中用于去除酸性气体的气体处理设备的示意图。其中，酸性气体富集在H2S传递到克劳斯硫回收单元之前被再次提供，但二氧化碳现在被送入到压缩机站，以进行酸性气体注入。
图6提供流程图，显示在一个实施方式中实施用于处理烃气体流的方法的步骤。烃气体流包含含硫成分和二氧化碳，并且该方法在气体处理设备，如图4或图5B的设备中实施。
某些实施方式的详细描述
定义
如本文所用，术语“天然气”是指从原油井(伴生气体)或从地下含气层(非伴生气体)获得的多组分气体。天然气的组成和压力可以显著地不同。典型的天然气体流包括甲烷(C1)作为主要组分。天然气体流也可以包含乙烷(C2)、较高分子量的烃和一种或多种酸性气体。天然气也可以包含少量的污染物如水、氮气、硫化铁和蜡。
如本文所用，术语“酸性气体”意指溶于水产生酸性溶液的任何气体。酸性气体的非限制性实例包括硫化氢(H2S)、二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)、二硫化碳(CS2)、氧硫化碳(COS)、硫醇或其混合物。
“烟道气”意指作为烃燃烧的副产物产生的任何气体流。
“压缩机”是指用于压缩气态流体——包括气体-蒸汽混合物或废气——的装置，其包括泵、压缩机涡轮机、往复式压缩机、活塞式压缩机、旋转叶片(rotary vane)或螺杆压缩机和能够压缩气体的设备及组合。
“增强的采油”或“EOR”是指用于增强从地下储层回收烃的方法。通过将驱替流体或气体引入到注入井中来驱使烃经过储层到达生产井中，用于提高置换效率或波及效率的技术可用于开采油田或气田。
如本文所用，术语“催化的”或“催化剂”涉及在某些温度和/或压力条件下提高特定化学反应的速率或充当原料流特定成分的化学吸附剂的物质。
如本文所用，术语“流体”是指气体、液体和气体与液体的组合以及气体和固体的组合和液体与固体的组合。
“闪蒸(Flashing)”意为通过膨胀设备或容器使液体减压，同时转化部分液体为气相。
如本文所用，对于从气体流中用吸收液体除去选择的气体成分，“贫”和“富”是相对的，仅分别意味着较少或较大程度或范围的装载的或含有的所选择的气体成分，并不必然分别说明或要求吸收性液体完全不含所选择的气态成分，或者其不能吸收更多的所选气体成分。事实上，如在下文中明显可见的，优选的是，在接触器中产生的所谓的“富”吸收性液体保留残余吸收能力。相反，“贫”吸收性液体将被理解为能够另外吸收并可以保留较小浓度的被除去气体成分。
“酸气”意为含有不期望量的酸性气体，例如按体积计的百万分之55(ppmv)份或更多、或500ppmv、或按体积计5%或更多、或按体积计15%或更多的气体。“酸气”的至少一个实例是具有按体积计约2%或更多到按体积计约7%或更多的酸性气体的气体。
术语“工业工厂”指产生含有至少一种烃或酸性气体的气体流的任何工厂。一个非限制性实例是煤发电厂。另一实例是低压下放出CO2的水泥厂。
术语“液体溶剂”意指基本上为液相的流体，其优先吸收酸性气体，因而从气体流除去或“净化掉”酸性气体成分的至少一部分。气体流可以是烃气体流或其它气体流，如具有硫化氢的气体流。
“脱硫气体流”指基本上为气相的流体流，其至少一部分酸性气体成分已被除去。
如本文所用，术语“烃”指这样的有机化合物，其主要——如果不是仅仅——包括元素氢和碳。烃一般分为两类：脂肪烃或直链烃，以及环状或闭环的烃， 包括环萜。含烃物质的实例包括可用作燃料或可升级为燃料的任何形式的天然气、油、煤和沥青。
如本文所用，术语“烃流体”是指为气体或液体的烃或烃的混合物。例如，烃流体可以包括在地层条件、在处理条件或在周围条件(15℃和1atm压强)下为气体或液体的烃或烃的混合物。烃流体可以包括，例如油、天然气、煤床甲烷、页岩油、裂解油、裂解气、煤的裂解产物和其它气态或液体烃。
如本文所用，术语“地下”是指在土地表面下面出现的地质层。
具体实施方式的描述
图3A提供在气体处理工业中已知的尾气处理单元300A的示意图。尾气处理单元(TGTU)300A 一般根据上述Shell克劳斯废气处理(SCOT)方法。TGTU 300A接收尾气流310。TGTU 300A也通过管线312接收燃料气和通过管线314接收亚化学计量空气流。
尾气流310、燃料气312和空气流314被引入到还原气发生器(RGG)320中。RGG 320通常对燃料气进行亚化学计量燃烧，以产生将SO2和硫醇还原为H2S所需的氢。RGG 320部分地氧化燃料气的烃成分，以产生一氧化碳和氢。硫化氢和一氧化碳通过管线322从RGG 320出来，并通过催化床被引导。优选地，催化床330是钴-钼(Co-Mo)催化床。催化床330有助于氢化反应。RGG 320和催化床330一起氢化尾气体流310中的尾气，以将尾气流310中的SO2和硫醇转化为H2S。
注意到，RGG 320引入更多的氮气、CO2和水蒸气到方法中。另外，一氧化碳在RGG 320中产生。一氧化碳与H2O在硫化Co-Mo催化床330上反应，以通过已知的水-气变换反应产生更多的氢气和CO2。水-气变换反应如下：
CO+H2O—>CO2+H2
额外的氢气的存在有助于转化SO2为H2S和水蒸气。
含H2S气态流通过管线332从催化剂床330释放。H2S流优选通过热交换器334冷却。冷却的含H2S含水流作为流336离开热交换器334。冷却的含H2S含水流336然后进入骤冷塔340。
骤冷塔340主要运行来去除由克劳斯反应产生的水。很多过量的水蒸气被冷凝，并通过管线344作为骤冷水被除去。骤冷水经过泵346，接下来经过热交换器348。热交换器348用于冷却骤冷水。现在冷却的来自管线344的部分骤冷水在接近塔340的顶部附近被再引入到骤冷塔340。来自管线344的剩余的水通过排放管线347被去除。过量的酸性水可以通过管线排放管线347被去除，并在尾气处理单元300A的别处被使用，用于冷却，或者理想地，用于农业目的。
骤冷塔340释放冷却的尾气流。这显示在管线342处。其中，尾气流342包含H2S、N2、CO2、CO和水蒸汽。为去除H2S，管线342中冷却的尾气流然后与胺在吸收器350中接触。
吸收器350利用H2S-选择性胺。胺通常为甲基二乙醇胺(MDEA)或上述 
胺家族的胺。胺捕集大部分的H2S和一些水平的CO2。胺来源于接近吸收器350的溶剂罐(未显示)。借助于泵使胺移动到吸收器350中，该泵使胺在适当的压力下移动到吸收器350中。泵可以，例如，使胺增压至1,000psig或更高。
吸收器350基于逆流流动方案运行。在这方面，酸性气体在一个方向从管线342被引导并通过吸收器350，而化学溶剂在相反方向被引导通过吸收器350。化学溶剂通过管线359被引入吸收器350。当两种流体物质相互作用时，向下流动的溶剂吸收来自向上流动的酸气的H2S，产生“富”溶剂“，即，具有吸收的H2S和一些附带的CO2的胺。富溶剂经过底部管线354。
底部管线354中的富溶剂优选通过增压泵356被获取。然后，富溶剂通过热交换器380被热交换。用来自再生器容器360的再生溶剂管线364进行热交换。这允许富溶剂被预加热。然后，富溶剂通过管线357向前移动进入再生器容器360中。
在再生器容器360中，再生胺。这意味着胺与硫化氢在管线357中分离，用于重新使用。再生器容器360是大直径容器，其在约15到25psig的压力下运行。再生器容器360限定了汽提塔部件，其通常包括再沸器上方的塔盘、填料或其它内部构件(未显示)。热源368被提供给再沸器，以在再生器容器360内产生蒸汽流动。再沸器通常使用蒸汽作为其热源以从胺蒸沸掉水和H2S。
再生器容器360允许富溶剂从管线357向下泻下经过塔盘或其它内部构件。部分再生胺通过底部管线367被获取。从那里，再生胺经过小的热交换器作为热源368用于再加热，然后被再引入到再生器容器360。
然而，大部分溶剂通过底部胺管线364滴下。底部胺管线364含有贫溶剂流，其温度约265°F。底部胺管线364运载贫胺经过增压泵366。从那里，温的胺经过上述热交换器380，其中它使来自管线354的富溶剂升温。同时，与来自管线354的富溶剂热接触用于部分地冷却底部胺管线364中的贫胺。冷却的胺可以通过热交换器358再加热。冷却的胺然后通过管线359被运载到吸收器容器350的顶部。
吸收器容器350释放顶部副产物管线352。顶部副产物管线352中的气体再次包含N2、水蒸汽和一些CO2。管线352中的这些顶部副产物被运输到释放管线390。释放管线390将顶部副产物带到焚化炉。因此，管线390类似图2的管线244，其显示气体从尾气处理单元240被释放，并被导向到焚化炉250中。阀392可用于控制气体向焚化炉250的流动。
注意到，管线352中的副产物可以并几乎一定将含有一些H2S。免于由吸收器容器350提供的吸收步骤的H2S通常与CO2和其它气体一起进入焚化炉，并最终不利于允许的SO2排放限值。(本领域的普通技术人员将知道燃烧H2S产生SO2)。然而，尤其在触发(startup)和催化剂硫化程序中绕过焚化炉是任选的，以及使管线352中的气体回到RGG 320中也是任选的，如由虚线管线394所指示的。提供阀 396以控制经过管线394的旁路流动。当阀396打开时，来自吸收器容器350的副产物(来自管线352，然后管线394)与尾气流310合并。
返回到再生器容器360，再生器容器360也具有顶部管线362。顶部管线362释放从再生器容器360中的胺中闪蒸的硫化氢(和附带的CO2)。管线362中的酸气将不可避免地包含微量胺和水。因此，富H2S酸气优选通过顶部管线362运载到其中其被冷却的热交换器363中，然后，滴入到小的冷凝容器370中。热交换器363用于冷凝顶部管线362中的富H2S酸气。热交换器363可以是风扇冷却器或者可以是使用淡水或海水的热交换器。冷却管线362中的富H2S酸气用于分离(knock out)水。这有助于最小化所需的水补充。倘若存在酸性气体和游离水，这部分系统通常覆盖以高合金金属。
冷凝容器370产生富H2S酸性气体。富H2S酸性气体从冷凝容器370经过顶部管线372而释放。在已知的TGTU 300A中，富H2S酸性气体被再循环回克劳斯硫回收单元的前面。这在图2的管线242处被更充分地表示，其中富H2S酸性气体被运输回克劳斯SRU230。
水和胺从冷凝容器370通过底部管线374滴下。水和胺一起通过增压器376被获取。水和胺被再引入到再生器容器360的顶部。一些水被再蒸发，但大部分水和贫胺一起向下传送到再生器容器360，因此被再循环。
如上所述，尾气处理单元，如图3的单元300A可以释放大量CO2。CO2通过顶部副产物管线352从吸收器容器350释放。较少量的CO2与顶部管线372中富H2S酸性气体流一起释放。期望减少来自尾气处理单元，如单元300A的CO2排放。然而，在焚化之前从处理的尾气流390捕集二氧化碳将是昂贵的，因为它通常包括第二溶剂基捕集系统，其包括至少一个接触器容器和再生器塔。
为了解决技术中的该缺点，在本文中提议在TGTU，如TGTU 300A中应用更具反应性的溶剂。如上所述，用于TGTU的现有程序通常应用甲基二乙醇胺(MDEA)或来自上述化学溶剂的 
家族的胺。这些胺是强H2S选择性的。这种胺捕集大部分H2S但仅少量的CO2。因此，在本文中提议H2S选择性溶剂用更具反应性的溶剂替换。更具反应性的溶剂不仅将吸收H2S分子，而且也将捕集大百分比的二氧化碳。
更具反应性的溶剂包括：
-二乙醇胺(DEA)；
-二异丙醇胺(DIP A)；和
-单乙醇(MEA)。
这些是被考虑的伯胺或仲胺。
可以有效捕获CO2与H2S分子的另一种胺是活化的MDEA。这意味着相对少量的活化剂被加入到MDEA吸收器中，以帮助CO2吸收。这种活化剂可以是，例如哌嗪。哌嗪是一种类型的胺，如果被加入到MDEA中，其促进对CO2的提取。
任何这些化学溶剂均能够提取大部分CO2与事实上所有的H2S，同时使氮气和任何未反应的氢气脱移至焚化炉。任何这些溶剂也将允许吸收器(如，图3A中的吸收器350)中的水蒸汽运输到焚化炉。最重要地，少量的——如果存在——CO2从吸收器容器350传递到顶部副产物管线352。
在同时吸收H2S和CO2之后，富溶剂流354然后被再生。这产生酸性气体，其由溶剂和H2S和CO2组成，但基本上不含氮气和其它轻气体。氮气和其它轻气体(如，氦气)的缺少使得稍后的酸性气体注入(AGI)操作更容易，因为更容易将酸性气体冷凝成致密相，即基本上液体相。冷凝酸性气体的静水压头现在基本上处于液相，其可有利地用于井身中，以帮助将其推到储层中。被注入到储层中的酸性气体流适合用于增强的采油，因为它不含通常要求更高的压力以与储层油混容的轻气体和氮气。
从顶部副产物管线352去除二氧化碳不仅提供流体源给EOR运行，而且不仅减少CO2向大气的排放，而且还减少焚化炉250上的负载。这意味着焚化炉250消耗较少的燃料气，这反过来减少焚化炉250通过燃烧产生的CO2的量。
作为捕集CO2以避免向大气排放CO2的可选手段和作为对尾气处理单元300A的进一步改进，焚化炉250可使用催化焚化方法。这是与燃料气燃烧方法相对的。催化焚化方法要求较低的温度来燃烧H2S和任何残留的烃，如来自酸性气体富集单元的烃。对顶部副产物流244进行一些预热，加入空气，并且混合物流到催化剂床。催化剂有助于将烃氧化为CO2，和将水蒸汽和H2S氧化为SO2。本领域的普通技术人员将理解，催化焚化系统优选被设计成处理来自可以导致流到其的H2S水平临时升高的TGTU的“干扰(upset)”。
以上对尾气处理单元的设计变化可以在新气体处理设备的设计阶段进行实施。但有利地是，以上设计变化可以通过改型现有的设备而实施。例如，现有克劳斯尾气处理单元可通过改变传统(legacy)溶剂或通过将活化剂加入到传统溶剂中而被改进。在这种情况下，顶部酸气管线372现在同时含有H2S和CO2气体。如结合以下图4所进一步论述的，这些气体然后可以被冷凝、压缩并注入到地下储层中。
另外的装置对于补充溶剂系统的再生能力也可能是必要的。这是因为另外的热和可能的更高的溶剂循环速率对在运载另外CO2(与基线H2S一起)的管线357中再生溶剂可能是必要的。趋于与CO2更具反应性的溶剂通常将具有更高的反应热量，这意味着富胺溶液(管线354)中的温度现在被提高。吸收器容器350的顶部中的温度通常约为100°F。在逆流混合已在吸收器容器350中结束时，在吸收器容器350的底部的富胺溶液的温度上至约160°F。该另外的反应热量也必需被加回到再生过程中。
图3B呈现了在一个实施方式中本发明修改的尾气处理单元300B的示意图。TGTU 300B类似于图3A的TGTU 300A。在这方面，图3B的尾气处理单元300B 也具有还原气发生器(RGG)320和催化床330。RGG 320和催化床330一起氢化尾气流310中的尾气，以促进转化尾气流310中的SO2和硫醇为H2S的氢化反应。尾气处理单元300B也具有吸收器容器340和溶剂再生器容器350。然而，更具CO2-选择性的胺溶剂被用于吸收器容器340中，并且，另外的装置被加入。
可见，在热交换器380之后沿着富溶剂管线357提供专用加热器302。专用加热器302在富溶剂进入所述再生器容器360之前预热管线357中的富溶剂。预热富溶剂使得至少部分H2S和CO2能够进入气相。预热的富溶剂然后通过管线304传递。管线304中的预热的富溶剂被引导到再生器360的顶部。
最后，来自顶部管线362的酸性气体成分从冷凝容器370释放到顶部气体管线372中。然后，酸性气体经过压缩机站并注入到地下储层中。
应该理解，在该改进的酸性气体处理装置300B中，将需要另外的装置来将CO2和H2S一起压缩和注入。另外，可能需要缓蚀剂以阻止CO2与钢在溶剂接触过程中反应。
图3B改进的尾气处理单元300B充分减少从烃气体处理设备排放到大气的二氧化碳的量。在这方面，CO2基本上不再通过顶部副产物管线352释放或基本上不再通过管线390运输到焚化炉250；相反地，CO2主要与顶部酸气流372一起释放并被捕获。这在图4中说明。
图4显示在一个实施方式中本发明的气体处理设备400的示意图。设备400基本为图2的气体处理设备200。但是，顶部酸气流现在被引导到压缩机站以进行加压和酸性气体注入。另外，从酸性气体去除设备220去除的部分酸性气体现在被直接送到压缩机站，用于酸性气体注入。
在图4中，显示原气体流410进入酸性气体去除设备420。气体流410可以是，例如来自烃回收操作的原天然气。然而，它可以可选地是来自工业电厂或其它工厂的烟道气体流。
在油和气操作的背景下，气体流410含有至少一种烃气体成分，主要为甲烷。另外，气体流410含有二氧化碳、硫化氢，并且可能含有其它酸性气体成分。酸性气体去除设备420运行，以将酸性气体成分从烃气体中分离出来。这可以，例如通过上述各种溶剂反应方法进行。可选地，可以应用低温分离方法，如使用控制冻结区TM(CFZ)方法——由ExxonMobil Upstream Research公司创造。
在图4中，可见脱硫气体流从酸性气体去除设备420顶部出来。这显示在管线422处。另外，可见酸性气体流作为底部流从酸性气体去除设备420出来。这显示在管线424处。酸性气体流424主要含有二氧化碳和硫化氢，其进入克劳斯反应器设备430。克劳斯反应器设备430用作硫回收单元。这可以与结合以上图1显示和描述的硫回收单元100一致。
在图4中，显示元素硫流从克劳斯反应器设备430中出来。这在432处可见。元素硫通常从冷凝器作为熔融的液体释放，然后，随其冻结而变硬。
尾气流也从克劳斯反应器设备430通过管线434出来。尾气流434被引导到TGTU中。TGTU显示在440处。在TGTU 440中，尾气流434被“清洁”。TGTU440可以与结合图3B显示和描述的尾气处理设备300B一致。在图4的装置中，硫化氢和二氧化碳被引导从TGTU 440经过酸性气体管线442。这与图3B的管线362和372一致。
管线442中的酸性气体被引导到压缩机站460中。从那里，压缩的酸性气体被引导经过管线462，然后注入到储层中。储层被示意性地描述在框465处。来自管线462的酸性气体因此在地下位置被封存，而不是被排放或循环回硫回收单元430，如在图2的管线242处所示。
剩余产物——主要由氮气、水蒸汽、少量二氧化碳和微量氢气组成——被引导到焚化炉450中。这些副产物通过管线444从尾气处理单元440出来。这与图3B中所示管线352和390一致。这些副产物被燃烧和通过排出管线452排放到大气中。
通过图4也注意到，来自管线424的部分酸性气体绕过硫回收单元430。这显示在管线426中。管线426中的酸性气体被引导到压缩机站460，并与离开尾气处理单元440的酸性气体流442合并。来自管线426和442的酸性气体然后被压缩，并送到注入管线462。因此，排放到大气中的总体酸性气体被减少。
通过举例说明，如果油田每天产生十亿立方英尺的原料气——含有5%CO2含量，则每年90%的回收率会捕获接近100万吨的CO2。考虑到具有至少一定水平的CO2的、大量现有克劳斯单元处理气体，这会累计每年捕集好几百万吨的另外的CO2。
本文公开的减少CO2排放的另一种方法涉及酸性气体富集(AGE)方法。在一些气体处理应用中，最初酸性气体(图4中来自管线424的底部酸性气体流)的H2S含量太低而不能使常规克劳斯SRU适当发挥作用。对于“直接通过(straight through)”型克劳斯设计，克劳斯炉120通常要求至少40%的含硫成分含量，更优选大于50%H2S。在这些情况下，就H2S而言，通过从管线424中酸性气体流中去除CO2和将富CO2流直接输送到焚化炉450中来“富集”酸性气体是已知的。在一个或多个实施方式中，酸性气体管线442被引导到酸性气体富集设备中，从而产生“更清洁的”CO2。
图5A提供用于处理从酸性气体去除系统捕集的酸性气体的已知气体处理设备500A的示意图。在图5A中，显示原气体流510进入酸性气体去除设备520。气体流510优选包含来自烃回收操作的原天然气。任选地，原天然气体流510进行脱水，如通过使用乙二醇。此外，原天然气体流510优选经过入口分离器(未显示)，以滤出杂质，如盐水和钻井液。
气体流510含有至少一种烃气体成分，主要为甲烷。另外，气体流510含有酸性气体。酸性气体去除设备520运行，以从烃气体分离出酸性气体成分。这可 以，例如通过上述各种溶剂反应方法来进行。可选地，可以使用低温分离方法，如使用控制冻结区TM(CFZ)方法。
在图5A中，可见脱硫气体流从酸性气体去除设备520顶部出来。这显示在管线522处。另外，可见酸性气体流作为第一酸性气体流从酸性气体去除设备520出来。这显示在管线524处。酸性气体流524主要含有二氧化碳和硫化氢，并进入克劳斯反应器530。克劳斯反应器530用作SRU。
如上结合图1所讨论的，克劳斯硫回收设备530运行，以将酸性气体流中的含硫成分降解为元素硫。在图5A中，显示元素硫流从克劳斯硫回收设备530出来。这在532处可见。尾气流经过管线534也从克劳斯硫回收设备530出来。
尾气流534被引导到TGTU。TGTU显示在540处。在TGTU 540中，尾气流534被“清洁”。在图5A的装置中，硫化氢从TGTU 540被引导，并根据已知程序循环回克劳斯硫回收设备530的前端。这在管线542处可见。可选地，硫化氢从TGTU 540被引导，并循环回酸性气体富集设备570，从而产生“更清洁的”CO2。剩余TGTU产物——主要由二氧化碳以及水蒸汽和氮气组成——通过管线544被引导到焚化炉550。这些副产物被燃烧并通过排出管线558排放到大气中。
为了提高克劳斯硫回收设备530的效率，管线524中的酸性气体流经过酸性气体富集(AGE)设备。这在框570处以虚线形式(phantom)显示。AGE设备570通过顶部管线572A释放酸性气体流524中的部分二氧化碳。CO2的释放通常通过在化学溶剂方法中使用H2S选择性胺来进行。该方法可以利用H2S-选择性胺，例如空间位阻胺，如MDEA或 
允许二氧化碳作为顶部气体流向上传递。任选地，空间位阻胺可用哌嗪活化，以降低H2S水平同时仍释放CO2。管线572A也可以含有一些水蒸汽、H2S和烃气体，但仍代表富CO2气体流。管线572A中的富CO2气体流绕过克劳斯SRU 530和TGTU 540被带到焚化炉550。
在操作中，管线572A中的二氧化碳和其它气体与在管线544中释放的、TGTU540的非含硫副产物合并。图5A的管线544可相当于图3A的管线352，其主要由氮气、水蒸汽、氦气和二氧化碳组成。来自管线572A(或管线544)的CO2和其它成分被引导到焚化炉550的加热区域552中，然后传递到烟道(stack)556。CO2和其它副产物被一起燃烧，并通过排出管线558排放到大气中。
AGE设备570也传递酸性气体——主要由H2S以及较少量的二氧化碳组成。富H2S的酸性气体通过管线574释放，其中其进入克劳斯SRU 530。H2S被基本上转化成元素硫并通过管线532沉积，作为熔融的液体。这代表硫回收的标准实施。
利用AGE设备570的副作用是烃，尤其是解吸到酸性气体流524中的任何重烃，漏失到顶部气体管线572A中而不是克劳斯硫回收单元530中。这提高克劳斯SRU 530的性能，并降低对通过空气管线314的空气的需求。
作为图5A中显示的气体处理系统500A的可选项，本文提议将顶部气体管线572A中的富CO2气体运输到压缩机站。然后，CO2可以被压缩并注入到储层中而不是被排放到大气中。
图5B代表在改进的实施方式中用于去除酸性气体的气体处理设备500B的示意图。气体处理设备500B类似于气体处理设备500A。在这方面，气体处理设备500B接收原天然气体流510。天然气体流510被引导进入酸性气体去除系统520。酸性气体去除系统520释放脱硫顶部气体流572和酸性气体流524。气体处理设备500B也包括酸性气体富集(AGE)设备570。AGE设备570接收酸性气体流524，然后释放富CO2顶部气体流572和富H2S酸性气体流574。
气体处理设备500B也包括克劳斯反应器530。克劳斯反应器530用作硫回收单元。克劳斯反应器530通过管线524接收来自酸性气体去除系统520的富H2S酸性气体流574，并通过氧化方法沉积元素硫532，所述氧化方法如上面结合图1所讨论的方法。克劳斯反应器530也通过管线534释放尾气流。
管线534中的尾气流被引导到尾气处理单元540。TGTU 540“清洁”管线534中的尾气，如以上结合图3B所论述的。TGTU 540释放来自吸收器容器350的顶部副产物气体流554(可相当于图3B中的管线352)。TGTU 540也释放酸气流542(可相当于图3B中的管线362B和372)。副产物气体流554进入焚化炉550，其中水蒸汽、氢气、氮气和H2S成分被燃烧并排放到大气中。同时，酸气流542(可相当于图3B中的酸性气体顶部管线372)被带到压缩机站560(可相当于图4中的压缩机站460)。可选地，酸气流542可以再循环到AGE设备。
为了提高克劳斯反应器设备530的效率，气体处理设备500B也包括酸性气体富集设备570。AGE设备570接收管线524中的酸性气体流。AGE设备570去除酸性气体流524中的部分二氧化碳，并将其作为富CO2气体通过顶部管线572B释放。剩余的富H2S酸性气体经过管线574到达克劳斯硫回收设备530。因此，酸性气体富集发生在酸性气体去除系统520和克劳斯硫回收设备530之间。
二氧化碳可以利用胺溶剂与AGE设备570中的含硫成分分离，如上所述。结合用于去除CO2的化学溶剂方法，使用吸收器容器和再生器容器。来自吸收器容器的富胺溶液可任选地在闪蒸容器中被“闪蒸”，然后其达到再生器容器。
富CO2气体从酸性气体富集设备570中通过顶部管线572B释放。图5B中的管线572B不同于图5A中的管线572A。管线572B将富CO2气体引导到压缩机站560。因此，不是如图5A中进行的焚化和排放富CO2气体，而是将CO2捕集并封存在地下储层565中。这也显示在图4的管线442处，其中气体处理设备400包括压缩机站460。
因为管线572B中的顶部气体流主要由CO2组成并通常含有浓度非常小的轻气体成分，如氮气和甲烷，因此气体非常容易压缩和冷凝。该富CO2气体流的注入容易地减少气体处理设备500B的“CO2占地面积(footprint)”。该操作也提高设备 500B的硫回收效率，因为富CO2顶部气体管线572B中残留的硫不被焚化和释放到大气中或循环回克劳斯SRU 530。
在气体处理设备500B的另一方面，单阶段并流接触器可用作尾气处理单元540的一部分。并流接触器可以是，例如，ProsCon接触器——由ProsCon of Cork,Ireland制造。接触器利用喷射器，接下来利用离心聚结器。离心聚结器引起大的离心力以将液体溶剂再次整合成小的体积。
将并流接触器放入到吸收器的上游的尾气处理单元540中。接触器接收来自酸性气体富集设备570的新鲜的胺。因为在并流接触器中的接触时间不短，优选从尾气吸收H2S(如，图5B的管线534中的尾气)。
富H2S胺溶液从并流接触器释放。该富H2S胺溶液被送到酸性气体富集设备570的再生器。在那里，富胺与来自酸性气体富集设备570的富胺结合，并且H2S与胺成分分离，产生再生的胺流。
从富H2S胺溶液驱出的H2S传递到克劳斯硫回收单元530。在那里，H2S被转化为元素硫，并与液体硫流532一起释放。同时，经过单阶段并流接触器的气体被运输到尾气处理单元540的吸收器(如，图3B的吸收器350)。在那里，CO2和任何剩余的H2S将被吸收并通过管线354释放。结果是，顶部酸气流(来自图3B的管线372或来自图5的管线542)将含有较少的H2S，并将更适合在注入到地下储层565中后用于强化采油操作。
在该实施方式中，气体处理设备500B因此包含设置在克劳斯硫回收单元和尾气处理单元的吸收器容器之间的单阶段并流接触器，以(i)在其运输到吸收器容器之前，从尾气至少部分地去除H2S，和(ii)将富CO2流释放到尾气处理单元的吸收器容器中。
应该理解，图3A、3B、4、5A和5B代表高度示意性的图示，其意图仅使本文公开的气体处理方法的选择方面清楚。气体处理设备将包括许多细节组件，如激冷器、热交换器、冷凝器、流体泵、气体压缩机、鼓风机、其它类型的分离和/或分馏装置、阀、开关、控制器、和压力、温度、水平和流量测量设备。
作为本文公开内容的一部分，用于处理烃气体流的方法也提供在本文中。该方法允许捕集另外的CO2，并允许将捕集的CO2封存在地下储层中。
图6提供流程图，显示在一个实施方式中实施用于处理烃气体流的方法600的步骤。烃气体流包含含硫成分和二氧化碳。方法600在气体处理设备中进行。
方法600首先包括在酸性气体去除设备中分离烃气体流。这显示在框610处。烃气体流被分成(i)脱硫气体流，和(ii)第一酸性气体流，主要由硫化氢和二氧化碳组成。
方法600也包括在克劳斯硫回收单元中接收酸性气体流。这显示在框620处。酸性气体流被分成(i)元素硫的液体流，和(ii)包含酸性气体杂质的尾气。
方法600还包括在尾气处理单元中接收尾气。这显示在框630处。尾气被分成(i)来自吸收器容器的顶部副产物流，和(ii)来自再生器容器的第二酸性气体流。优选地，吸收器容器利用同时吸收二氧化碳和含硫成分的胺，以便进入尾气处理单元的大部分CO2和H2S在吸收器容器中被吸收并从所述吸收器容器释放到所述再生器容器，作为富溶剂流。二氧化碳和含硫成分作为尾气处理单元再生的顶部气体流稍后均从再生器容器释放。
方法600接下来包括运输来自所述再生器容器的所述第二酸性气体流到压缩机站。这显示在框640中。在压缩机站，压力被提供给第二酸性气体流。然后，方法600使第二酸性气体流注入到地下储层中。这表示在框650中。
在一个方面中，来自所述酸性气体去除设备的部分所述第一酸性气体流被带到压缩机站并被置于压力下，以注入到地下储层中。这提供在框660中。该部分酸性气体流与来自所述再生器容器的所述第二酸性气体流被一起被注入。
方法600也包括提供一个和任选地多个酸性气体注入井。这在框670处可见。多个酸性气体注入井将顶部酸性气体流从尾气处理单元传输到地下储层，用于封存或用于强化采油操作。
在一个实施方式中，方法600也包括在其进入所述再生器容器之前，使所述富溶剂流在热交换器中升温，和任选地在富溶剂流进入再生器容器之前引导所述升温的富溶剂流到闪蒸容器中。闪蒸容器释放至少一些烃以及硫化氢和二氧化碳，作为顶部酸气流。根据闪蒸容器的条件和胺的类型，可能部分地相对于H2S或CO2富集闪蒸的顶部气体。该富集的气体然后可以与再生器顶部气体隔离，并被引导到例如单独的储层。
在另一实施方式中，方法600还包括将残留的胺和冷凝的水与冷凝器容器中酸气流中的二氧化碳和含硫成分分离。残留的胺和冷凝的水被引导回再生器容器。在该实施方式中，来自再生器容器的酸气流通过冷凝器容器被获取，然后其被运输到压缩机站，用于增压和封存。
优选地，方法600还包括焚化来自吸收器容器的顶部副产物流。这显示在框680中。该方法然后包括排放焚化的副产物流到大气中。这在框690可见。
在一种布置中，气体处理设备还包括酸性气体富集设备，其用于接收来自酸性气体去除设备的第一酸性气体流和将酸性气体流分成(i)顶部富CO2流，和(ii)富H2S酸性气体流。在该布置中，方法还包括：
在克劳斯硫回收单元中接收富H2S酸性气体流作为酸性气体流；
输送顶部富CO2流到压缩机站；
在压缩机站提供压力给顶部富CO2流；和
将顶部富CO2流与来自再生器容器的酸气流一起注入地下储层。
虽然显而易见的是，本文描述的发明被很好地计划以实现上述益处和优势，但应该理解，本发明容易被修饰、变化和改变而不背离其精神。例如，在本文中 已经结合对烃回收操作附带的气体流的处理描述各个发明。然而，气体处理设备和方法可以应用于回收和封存其它应用中的二氧化碳和硫化氢。
例如，气体处理设备和方法可用于回收和封存来自发电厂的烟道气体流的二氧化碳和二氧化硫。可选地，气体流可以是从气体处理设备本身中的闪蒸桶获取的闪蒸气体流。可选地，气体流可以是合成气体流(所谓的“合成气”)。注意到，当使用合成气时，气体需要被冷却并在引入设备400或500B之前进行固体过滤。仍然可选地，气体流可以是来自水泥厂或其它工业工厂的CO2排放。在这种情况下，可以从多余的空气或从含氮烟道气吸收CO2。
提供进一步的实施方式A-Z：
实施方式A：气体处理设备，其用于处理包含含硫成分和二氧化碳的烃气体流，所述气体处理设备包括：
酸性气体去除设备，用于将烃气体流分成(i)脱硫气体流，和(ii)第一酸性气体流，其主要由硫化氢和二氧化碳组成；
克劳斯硫回收单元，用于接收酸性气体流，和将所述第一酸性气体流分成(i)元素硫的液体流，和(ii)包含酸性气体杂质的尾气；
尾气处理单元，用于接收尾气，并将尾气分成(i)来自吸收器容器的顶部副产物流和(ii)来自再生器容器的第二酸性气体流，所述第二酸性气体流包含尾气中的大部分硫化氢和二氧化碳；和
压缩机站，用于接收来自所述再生器容器的所述第二酸性气体流，并提供压力给所述第二酸性气体流，用于注入到地下储层中。
实施方式B：实施方式A的气体处理设备，其中尾气处理单元还原氧化的硫种类为H2S。
实施方式C：实施方式A或B的气体处理设备，其中吸收器容器利用同时吸收二氧化碳和含硫成分的胺，以便进入尾气处理单元的大部分二氧化碳在所述吸收器容器中被吸收，并从所述吸收器容器释放到所述再生器容器，作为富溶剂流。
实施方式D：实施方式C的任意之一的气体处理设备，其中胺包含二乙醇胺(DEA)、二异丙醇胺(DIPA)、单乙醇(MEA)或其组合。
实施方式E：实施方式D的任意之一的气体处理设备，其中：
胺包含甲基二乙醇胺(MDEA)；和
MDEA被活化以促进CO2吸收。
实施方式F：实施方式E的气体处理设备，其中MDEA用哌嗪活化。
实施方式G：实施方式A-F任意之一的气体处理设备，还包括：多个酸性气体注入井，用于传输来自压缩机站的第二酸性气体流到地下储层。
实施方式H：实施方式A-G任意之一的气体处理设备，其中，顶部气体流被用于在地下储层中进行强化采油操作。
实施方式I：实施方式A-H任意之一的气体处理设备，还包括：热交换器，用于在其进入所述再生器容器之前，使所述富溶剂流升温。
实施方式J：实施方式A-I任意之一的气体处理设备，其中来自所述酸性气体去除设备的部分第一酸性气体流被带到压缩机站并被置于压力下，以与来自再生器容器的第二酸性气体流一起注入到地下储层中。
实施方式K：实施方式C-J任意之一的气体处理设备，还包括：
冷凝器容器，用于将残留的胺和冷凝的水与第二酸性气体流中的二氧化碳和含硫成分分离；和
管线，用于引导残留的胺和冷凝的水回到再生器容器；
并且，其中来自所述再生器容器的第二酸性气体流通过冷凝器容器被获取，以在其运输到压缩机站之前去除残留的胺。
实施方式L：实施方式C-K任意之一的气体处理设备，还包括：
酸性气体富集设备，用于接收来自酸性气体去除设备的第一酸性气体流和将所述酸性气体流分成(i)顶部富CO2流，和(ii)富H2S酸性气体流；和
其中：
由克劳斯硫回收单元接收的第一酸性气体流是富H2S酸性气体流，和
顶部富CO2流从酸性气体富集设备被引导到压缩机站并被置于压力下，以与来自尾气处理单元的再生器容器的第二酸性气体流一起注入到地下储层中。
实施方式M：实施方式L的气体处理设备，还包括：
布置在骤冷塔和尾气处理单元的吸收器容器之间的单阶段、并流接触器，用于(i)在其运输到吸收器容器之前，从尾气至少部分地去除H2S，和(ii)释放富CO2流到尾气处理单元中的吸收器容器。
实施方式N：实施方式A-M任意之一的气体处理设备，还包括：
焚化炉，用于接收来自吸收器容器的顶部副产物流，用于焚化。
实施方式O：要求保护的实施方式N的气体处理设备，其中焚化炉或者通过燃料气燃烧方法焚化或者通过催化焚化方法焚化。
实施方式P：实施方式A-O任意之一的气体处理设备，其中烃气体流包含来自烃生产操作的原天然气、来自工业电厂的烟道气体流或来自水泥厂的CO2排放。
实施方式Q：处理气体处理设备中的烃气体流的方法，该烃气体流包含含硫成分和二氧化碳，该方法包括：
在酸性气体去除设备中将烃气体流分成(i)脱硫气体流，和(ii)第一酸性气体流，其主要由硫化氢和二氧化碳组成；
在克劳斯硫回收单元接收酸性气体流和将所述酸性气体流分成(i)元素硫的液体流，和(ii)包含酸性气体杂质的尾气；
在尾气处理单元接收尾气，并将尾气分成(i)来自吸收器容器的顶部副产物流和(ii)来自再生器容器的第二酸性气体流，所述第二酸性气体流包含所述尾气中的大部分所述二氧化碳；
运输来自再生器容器的第二酸性气体流到压缩机站；
在压缩机站提供压力给来自再生器容器的第二酸性气体流；和
将第二酸性气体流注入到地下储层中。
实施方式R：实施方式Q的方法，其中，吸收器容器利用同时吸收二氧化碳和含硫成分的胺，以便进入尾气处理单元的大部分二氧化碳在吸收器容器中被吸收，并与含硫成分一起从吸收器容器释放到再生器容器，作为富溶剂流。
实施方式S：实施方式R的方法，其中，胺包含二乙醇胺(DEA)、二异丙醇胺(DIPA)、单乙醇(MEA)或其组合。
实施方式T：实施方式S的方法，其中：
胺包含甲基二乙醇胺(MDEA)；和
MDEA被活化以促进CO2吸收。
实施方式U：实施方式T的方法，其中，MDEA用哌嗪活化。
实施方式V：实施方式Q-U任意之一的方法，还包括：
提供多个酸性气体注入井，用于传输来自尾气处理单元的再生器容器的第二酸性气体流到地下储层中，用于强化采油操作。
实施方式W：实施方式Q-V任意之一的方法，其中，来自酸性气体去除设备的部分第一酸性气体流被带到压缩机站并被置于压力下，以与来自尾气处理单元的再生器容器的第二酸性气体流一起注入到地下储层中。
实施方式X：实施方式R-W任意之一的方法，还包括：
在冷凝器容器中分离残留的胺和冷凝的水与第二酸性气体流中的二氧化碳和含硫成分；和
引导残留的胺和冷凝的水回到再生器容器；
其中，来自再生器容器的第二酸性气体流通过冷凝器容器获取，以在其被运输到压缩机站之前去除残留的胺。
实施方式Y：实施方式Q-X任意之一的方法，其中：
气体处理设备还包括酸性气体富集设备，用于接收来自酸性气体去除设备的第一酸性气体流和将酸性气体流分成(i)顶部富CO2流，和(ii)富H2S酸性气体流；和该方法还包括：
在克劳斯硫回收单元接收富H2S酸性气体流作为酸性气体流；
运输顶部富CO2流到压缩机站；
在压缩机站提供压力给顶部富CO2流；和
将顶部富CO2流与来自尾气处理单元的再生器容器的所述第二酸性气体流一起注入到地下储层中。
实施方式Z：实施方式Q-Y任意之一的方法，还包括：
焚化来自吸收器容器的顶部副产物流；和
将焚化的副产物流排放到大气中。
Claims (26)
1.气体处理设备，其用于处理包含含硫成分和二氧化碳的烃气体流，所述气体处理设备包括：
酸性气体去除设备，用于将所述烃气体流分成(i)脱硫气体流，和(ii)第一酸性气体流，主要由硫化氢和二氧化碳组成；
克劳斯硫回收单元，用于接收酸性气体流，和将所述第一酸性气体流分成(i)元素硫的液体流，和(ii)包含酸性气体杂质的尾气；
尾气处理单元，用于接收尾气，并将所述尾气分成(i)来自吸收器容器的顶部副产物流，和(ii)来自再生器容器的第二酸性气体流，所述第二酸性气体流包含所述尾气中的大部分硫化氢和二氧化碳；和
压缩机站，用于接收来自所述再生器容器的所述第二酸性气体流并提供压力给所述第二酸性气体流，用于注入到地下储层中。
2.权利要求1所述的气体处理设备，其中所述尾气处理单元也用于还原氧化的硫种类为H2S。
3.权利要求1所述的气体处理设备，其中所述吸收器容器利用同时吸收二氧化碳和含硫成分的胺，以便进入所述尾气处理单元的大部分二氧化碳被吸收在所述吸收器容器中，并从所述吸收器容器释放到所述再生器容器，作为富溶剂流。
4.权利要求3所述的气体处理设备，其中所述胺包含二乙醇胺(DEA)、二异丙醇胺(DIPA)、单乙醇(MEA)或其组合。
5.权利要求3所述的气体处理设备，其中：
所述胺包含甲基二乙醇胺(MDEA)；和
所述MDEA被活化以促进CO2吸收。
6.权利要求5所述的气体处理设备，其中所述MDEA用哌嗪活化。
7.权利要求1所述的气体处理设备，还包括：
多个酸性气体注入井，用于输送来自所述压缩机站的所述第二酸性气体流到所述地下储层中。
8.权利要求7所述的气体处理设备，其中所述顶部气体流被用于在所述地下储层中进行强化采油操作。
9.权利要求3所述的气体处理设备，还包括：
热交换器，用于在其进入所述再生器容器之前，使所述富溶剂流升温。
10.权利要求3所述的气体处理设备，其中，来自所述酸性气体去除设备的部分所述第一酸性气体流被带到所述压缩机站并被置于压力下，以与来自所述再生器容器的所述第二酸性气体流一起注入到所述地下储层中。
11.权利要求3所述的气体处理设备，还包括：
冷凝器容器，用于将残留的胺和冷凝的水与所述第二酸性气体流中的二氧化碳和含硫成分分离；和
管线，用于引导所述残留的胺和冷凝的水回到所述再生器容器；
并且其中来自所述再生器容器的所述第二酸性气体流通过所述冷凝器容器被获取，以在其被运输到所述压缩机站之前去除残留的胺。
12.权利要求3所述的气体处理设备，还包括：
酸性气体富集设备，用于接收来自所述酸性气体去除设备的所述第一酸性气体流和将所述酸性气体流分成(i)顶部富CO2流，和(ii)富H2S酸性气体流；和
其中：
由所述克劳斯硫回收单元接收的所述第一酸性气体流是富H2S酸性气体流，和
所述顶部富CO2流从所述酸性气体富集设备被引导到所述压缩机站并被置于压力下，以与来自所述尾气处理单元的所述再生器容器的所述第二酸性气体流一起被注入到所述地下储层中。
13.权利要求12所述的气体处理设备，还包括：
布置在骤冷塔和所述尾气处理单元的所述吸收器容器之间的单阶段、并流接触器用于(i)在其运输到吸收器容器之前，从所述尾气至少部分地去除H2S，和(ii)释放富CO2流到所述尾气处理单元的所述吸收器容器。
14.权利要求3所述的气体处理设备，还包括：
焚化炉，用于接收来自所述吸收器容器的所述顶部副产物流，以进行焚化。
15.权利要求14所述的气体处理设备，其中所述焚化炉或者通过燃料气燃烧方法进行焚化或者通过催化焚化方法进行焚化。
16.权利要求1所述的气体处理设备，其中所述烃气体流包含来自烃生产操作的原天然气、来自工业电厂的烟道气体流或来自水泥厂的CO2排放。
17.在气体处理设备中处理烃气体流的方法，所述烃气体流包含含硫成分和二氧化碳，所述方法包括：
在酸性气体去除设备中将所述烃气体流分成(i)脱硫气体流，和(ii)第一酸性气体流，主要由硫化氢和二氧化碳组成；
在克劳斯硫回收单元接收所述酸性气体流并将所述酸性气体流分成(i)元素硫的液体流，和(ii)包含酸性气体杂质的尾气；
在尾气处理单元接收所述尾气，并将尾气分成(i)来自吸收器容器的顶部副产物流和(ii)来自再生器容器的第二酸性气体流，所述第二酸性气体流包含所述尾气中的大部分二氧化碳；
运输来自所述再生器容器的所述第二酸性气体流到压缩机站；
在压缩机站提供压力给来自所述再生器容器的所述第二酸性气体流；和
将所述第二酸性气体流注入到地下储层中。
18.权利要求17所述的方法，其中所述吸收器容器利用同时吸收二氧化碳和含硫成分的胺，以便进入所述尾气处理单元的大部分二氧化碳被吸收在所述吸收器容器中，并与含硫成分一起从所述吸收器容器释放到所述再生器容器，作为富溶剂流。
19.权利要求18所述的方法，其中所述胺包含二乙醇胺(DEA)、二异丙醇胺(DIPA)、单乙醇(MEA)或其组合。
20.权利要求18所述的方法，其中：
所述胺包含甲基二乙醇胺(MDEA)；和
所述MDEA被活化以促进CO2吸收。
21.权利要求20所述的方法，其中所述MDEA用哌嗪活化。
22.权利要求17所述的方法，还包括：
提供多个酸性气体注入井，用于输送来自所述尾气处理单元的所述再生器容器的所述第二酸性气体流到所述地下储层以进行强化采油操作。
23.权利要求17所述的方法，其中，来自所述酸性气体去除设备的部分所述第一酸性气体流被带到所述压缩机站并被置于压力下，以与来自所述尾气处理单元的所述再生器容器的所述第二酸性气体流一起注入到所述地下储层中。
24.权利要求18所述的方法，还包括：
在冷凝器容器中将残留的胺和冷凝的水与所述第二酸性气体流中的二氧化碳和含硫成分分离；和
引导所述残留的胺和冷凝的水回到所述再生器容器；
其中，来自所述再生器容器的所述第二酸性气体流通过所述冷凝器容器被获取，以在其被运输到所述压缩机站之前去除残留的胺。
25.权利要求17所述的方法，其中：
所述气体处理设备还包括酸性气体富集设备，用于接收来自所述酸性气体去除设备的所述第一酸性气体流和将所述酸性气体流分成(i)顶部富CO2流，和(ii)富H2S酸性气体流；和所述方法还包括：
在所述克劳斯硫回收单元接收所述富H2S酸性气体流作为所述酸性气体流；
输送所述顶部富CO2流到所述压缩机站；
在所述压缩机站提供压力给所述顶部富CO2流；和
将所述顶部富CO2流与来自所述尾气处理单元的所述再生器容器的所述第二酸性气体流注入到所述地下储层中。
26.权利要求17所述的方法，还包括：
焚化来自所述吸收器容器的所述顶部副产物流；和
排放所述焚化的副产物流到大气中。
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