CN102985355B - 使合成气和合成气衍生产物的产率最大化的气化系统和工艺 - Google Patents

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Abstract

气化系统和方法。该系统可包括气化器和流体偶联到气化器的净化单元，该净化单元接收来自气化器的粗合成气并产生废气和合成气产物。该系统还可包括流体偶联到净化单元的第一重整器，该第一重整器接收所述废气的第一部分并产生重整烃。该系统可进一步包括第二重整器，其具有流体偶联到净化单元的第一入口、流体偶联到第一重整器的第二入口和流体偶联到净化单元的出口。该第二入口从第一重整器接收重整烃，该第一入口接收来自净化单元的所述废气的第二部分。第二重整器可产生导入净化单元的回收粗合成气。

Description

使合成气和合成气衍生产物的产率最大化的气化系统和工艺
相关申请的交叉参考
本申请要求享有2010年5月18日申请的具有序列号12/782,346的美国专利申请的优先权权益，通过引用将其并入本文。
发明背景
发明领域。
本发明的实施方案一般来讲涉及用于使烃气化的系统、设备和工艺。更特别地，本发明的实施方案涉及回收和加工气化系统和/或工艺中的废气。
相关技术的描述
使用各种气化工艺由含碳原料产生电力、合成气、氨、尿素和/或其他产品是已知的。通常，将含碳原料供给气化器，该原料可以是天然气、煤、生物质、有机废物和/或类似物。在气化器中，烃能够热解产生碳质焦。然后氧气和/或蒸汽可引入高温下的气化器中，并且可与其中的碳质焦反应产生粗合成气（raw syngas）。该粗合成气可包含各种比例的氢气和一氧化碳，以及甲烷、二氧化碳、水蒸气和其他组分，例如氨气、氮气、氰化氢等。
通常对气化器中产生的粗合成气作进一步加工和净化以产生可用的合成气产物。常规的加工和净化可包括合成气变换以将一氧化碳转化为氢气、除去二氧化碳和/或硫、和/或净化以从粗合成气中除去其他不期望的组分。净化会产生废气，该废气可包含有价值的烃，其通常作为燃料燃烧以帮助驱动气化工艺。需要的是作为将废气用作燃料的替代或者补充，用于有效回收废气中舍弃的组分并将其重整为额外的合成气的设备、系统和方法。
附图简述
为了能够详细理解本发明的所述特征，可以参照实施方案对本发明进行更具体的描述，一些实施方案示例于附图中。然而应当指出附图仅示例了本发明的典型的实施方案，因此不应视为对本发明范围的限制，因为本发明可涵盖其他同样有效的实施方案。
图1描绘了依照所述的一种或多种实施方案的示例性合成气处理系统。
图2描绘了依照所述的一种或多种实施方案的示例性气化系统。
图3描绘了依照所述的一种或多种实施方案的另一示例性气化系统。
图4描绘了依照所述的一种或多种实施方案的气化器。
发明详述
现在将提供详细描述。后附的权利要求各自限定了单独的发明，为了防止侵权的目的其应当视为包括了权利要求中限定的各种要素和限制条件的等同方式。取决于上下文，下文所有提及“(本)发明”之处在一些情形中可能仅表示某些具体实施方案。在其他情形中应当认为提及“(本)发明”时是表示在一个或多个（但不必是全部的）权利要求中记载的主题。现在下文将更详细地描述各项发明，包括具体实施方案、变型和实施例，但本发明并不限于这些实施方案、变型或实施例，包括这些是为了使本领域普通技术人员在将本专利中的信息与公众可获取的信息和技术结合时能够制造和使用本发明。
图1描绘了依照一种或多种实施方案的示例性合成气处理系统5。合成气处理系统5通常可包括酸性气体去除单元（“AGRU”）14和净化单元16，两者经由管线18流体偶联（couple）在一起。在一种或多种实施方案中，合成气处理系统5，特别是AGRU 14，可经由管线17偶联到气化器12。尽管未示出，在一种或多种实施方案中，如果需要，另外的组件如热交换器、汞去除单元、变换转化器和/或类似物可插入到气化器12、AGRU 14和/或净化单元16之间，或者被包括作为它们的一部分。
气化器12可接收取道管线13的烃，且可产生取道管线17的粗合成气，其随后可由AGRU 14接收。AGRU 14可从粗合成气中除去二氧化碳和/或硫部分，剩余的粗合成气可取道管线18离开AGRU 14。取道管线18的粗合成气可引入净化单元16。净化单元16可将取道管线18的粗合成气分离成取道管线20的废气和取道管线22的合成气产物。取道管线20的废气可包含在使用合成气的下游工艺中通常为惰性的元素和化合物。这种惰性元素和化合物可包括但不限于：氩气、氮气和/或烃，例如甲烷、丙烷、丁烷和其他。取道管线22的合成气产品可从合成气处理系统5输送到使用合成气的任意下游工艺，例如氨气或尿素制备、费托加工等。
合成气处理系统5可进一步包括鼓风机或压缩机24、第一重整器26和第二重整器28。压缩机24可接受取道管线20的废气，且可将其压缩为取道管线30的压缩废气。取道管线30的压缩废气可分割为分别取道管线32和管线34的第一部分和第二部分。取道管线32的第一部分压缩废气可在第一重整器26中重整以产生取道管线36的第一重整烃。第一重整器26可以是本领域已知的，例如自热重整器（“ATR”）。因此，第一重整器26可包括一个或多个催化剂床37，它能够在其内促进和/或实现重整反应。在一种或多种实施方案中，可将取道管线39A的蒸汽和/或取道管线38A的氧气、富氧空气、空气或另外的氧化剂引入第一重整器26。
可将取道管线34的第二部分压缩废气引入第二重整器28。也可将取道管线34的第二部分压缩废气与取道管线39B的蒸汽混合，或者可将该蒸汽引入第二重整器28内。第二重整器28可以是壳管式重整器，其可包括一个或多个填充有催化剂的管41。所述一个或多个填充有催化剂的管41可包括设置在其外表面和/或内表面上的：一个或多个翅片、静态混合器、膛线、导热填料、湍流引发突出件或它们的任意组合，但不限于此。所述一个或多个填充有催化剂的管41可以是各种类型的，例如直管、卡口管、U形管、盘管或它们的任意组合。在一种或多种实施方案中，一些、所有或没有任何填充有催化剂的管41具有相同的形状、长度、直径和/或横截面积。所述一个或多个填充有催化剂的管41可竖直、水平或以任意其他角度设置在第二重整器28中。
在一种或多种实施方案中，填充有催化剂的管41可由一个或多个管板43支撑。所述一个或多个管板43可将第二重整器28的壳程与其管程分隔开。如此，取道管线34的第二部分压缩废气可进入第二重整器28的管程，并且可前行通过填充有催化剂的管41。管线36中的第一重整烃可处于高温和/或高压，并且可为第二重整器28提供反应热。因此，管线36中的第一重整烃可进入第二重整器28的壳程。使用取道管线36的第一重整烃提供的热量，第二重整器28可使取道管线34的第二部分压缩废气重整以产生第二重整烃，其可与经由管线36自第一重整器26接收的第一重整烃合并以产生取道管线42的回收粗合成气。
在一种或多种实施方案中，合成气处理系统5可进一步包括变换转化器40，其可流体偶联到第二重整器28以接收取道管线42的回收粗合成气。变换转化器40可通过将水引入取道管线42的回收粗合成气中，例如在催化剂存在下，而使氢气和一氧化碳的比例改变或“变换”。因此，可经由管线44将水引入变换转化器40中。经由管线44引入的水可具有为实现所期望的氢气：一氧化碳比例所需的任意温度和/或流量。由此变换转化器40可使管线42中的回收粗合成气变换，然后它可经由管线46输送到AGRU 14中。
在一种或多种实施方案中，可将取道管线42的回收粗合成气与AGRU 14中的或者其后的管线18中的粗合成气再次合并。在一种或多种其他实施方案中，取道管线42的回收的粗合成气可替代地，或者它的一部分可额外地，输送到管线17中以与其内的粗合成气混合（未示出）然后引入AGRU 14中。在一种或多种其他实施方案中，取道管线46的回收粗合成气可引入一个或多个单独的和/或专用的AGRU（未示出）中，然后引入净化单元16，或者引入单独的净化单元（未示出）、引入存储容器（未示出）或引入任意其他适合的装置或结构。
因此，在一种或多种实施方案中，可将由废气得到的取道管线42的回收粗合成气经由AGRU 14再循环到净化单元16，由此增加经由管线17引入的粗合成气，并最终增加取道管线22的合成气产物。这样可提高采用合成气处理系统5的气化系统的合成气生产效率，因为更高百分比的引入到气化器12中的烃可被加工为取道管线22的合成气产物。
再次参考变换转化器40，其中的水煤气变换反应可使经由管线42引入的回收粗合成气中的至少一部分一氧化碳在催化剂存在下和/或高温下与水反应产生氢气和二氧化碳。变换转化器40可包括但不限于：单级、绝热的、固定床反应器；具有级间冷却、蒸汽发生和/或冷淬（cold quench）反应器的多级、绝热的、固定床反应器；具有蒸汽发生和/或冷却的管状、固定床反应器；流化床反应器或它们的任意组合。可使用吸附增强的水煤气变换（“SEWGS”）工艺，其采用具有多个填充有变换催化剂和高温（例如约475℃）二氧化碳吸附剂的固定床反应器的变压吸附单元。各种变换催化剂都可使用。可将一氧化碳从管线42中的回收粗合成气中分离出来并用于制备化学物质，例如乙酸、光气/异氰酸酯、甲酸和丙酸。
在一种或多种实施方案中，变换转化器40可包括两个串联设置的反应器。例如，第一反应器可在约350℃至约400℃的高温操作，以使用可以为但并不限于氧化铁、铁酸锌、磁铁矿、铬氧化物、它们的衍生物或它们的任意组合的催化剂，将经由管线42引入的回收粗合成气中存在的大部分CO以较高的反应物速率转化为CO2。第二反应器可在约150℃至约200℃的较低温度操作以使用氧化铜与氧化锌的混合物来完成CO到CO2的转化。第二反应器可使用如下催化剂，该催化剂包括但不限于铜、锌、铜促进的铬（copper promoted chromium）、它们的衍生物或它们的任意组合。
从变换转化器40回收的二氧化碳可用于燃料回收工艺中以提高油气回收率。在示例的采油工艺中，可将二氧化碳注入和冲入存在“滞留”油的现有井下方的区域内。然后可将与原油一起采出的水和二氧化碳分离并回收。
再次参照AGRU 14，在一种或多种实施方案中，AGRU 14可包括一个或多个构造为从管线17以及管线46中的粗合成气中除去酸性气体的气体净化系统、工艺和/或装置，下文将更详细描述。在一种或多种实施方案中，例如，如本领域中已知的那样，可使用胺处理来除去硫化氢和二氧化碳。在一种或多种实施方案中，如本领域中已知的那样，可使用聚合物膜来分离二氧化碳和硫化氢。示例性的酸性气体可包括二氧化碳、硫化氢、其他含硫化合物、硫醇和/或类似物。在一种或多种实施方案中，AGRU 14可包括但不限于：使用钛酸锌、铁酸锌、氧化锡、氧化锌、氧化铁、氧化铜、氧化铈或它们的混合物的催化气体净化系统。AGRU 14可替代地或者另外包括，但不限于，基于工艺的气体净化系统，例如SelexolTM工艺、RECTISOL®工艺、CRYSTASULF®工艺和SULFINOL®气体处理工艺。
再次参照净化单元16，在一种或多种实施方案中，净化单元16可使用变压吸附、氮气清洗单元、低温蒸馏、半渗透膜、它们的组合和/或其他净化工艺。在适用时，净化单元16中所用的吸收剂可包括苛性钠、碳酸钾或其他无机碱，和/或烷醇胺（alanolamine）。其他工艺条件和其他细节可见于美国专利号7,090,816和美国专利申请号11/472,590中，两者都通过引用整体并入本文，并入程度不与本公开内容相抵触。
图2描绘了依照一种或多种实施方案的示例性气化系统10。在一种或多种实施方案中，气化系统10可包括以上参照图1描述的合成气处理系统5。因此，气化系统10可包括与气化器12偶联的AGRU 14、净化单元16、压缩机24、第一和第二重整器26、28，和气体变换单元40。
在一种或多种实施方案中，气化系统10还可包括烃制备单元48。烃制备单元48可接收取道管线50的烃。管线50中的烃可包含碳质材料，无论是固态、液态、气态或它们的组合。该碳质材料可包括但不限于：生物质（例如植物和/或动物物质或植物和/或动物的衍生物质）；煤（高钠和低钠褐煤、褐煤、次烟煤和/或无烟煤）；油页岩；焦炭；焦油；沥青烯；低灰或无灰聚合物；基于烃的聚合材料；生物质衍生材料；或源自制造操作的副产物。基于烃的聚合材料可包括例如：热塑性塑料、弹性体、橡胶，包括聚丙烯类、聚乙烯类、聚苯乙烯类，包括其他聚烯烃、均聚物、共聚物、嵌段共聚物及它们的混合物；PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）、聚合物混合物、其他聚烯烃、含氧的聚烃；来自石油炼厂和石化厂的重烃污泥和塔底产物例如烃蜡；它们的混合物、衍生物或它们的组合。
管线50中的烃可包括两种或更多种碳质材料的混合物或组合。例如，该烃可包括两种或更多种低灰或无灰聚合物、生物质衍生材料或源自制造操作的副产物的混合物或组合。该烃可包括一种或多种碳质材料与一种或多种丢弃的消费品的组合，该丢弃的消费品例如地毯和/或塑料汽车部件/组件，包括保险杠和挡泥板。可将这种丢弃的消费品的尺寸降低以容纳到气化器12中。所述原料可包括一种或多种再生塑料，例如聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、它们的衍生物、它们的混合物或它们的任意组合。因此，该工艺可用于顺应针对适当处理之前制造的材料的法令。
在一种或多种实施方案中，取决于管线50中的烃和管线22中的所需合成气产物，烃制备单元48可以是本领域已知的任意制备单元。在一种或多种实施方案中，烃制备单元48可从管线50中的烃中除去污染物，例如通过洗掉污物或其他不期望的部分。在一种或多种实施方案中，取道管线50的烃可以是干进料或者可以浆料或悬浮液形式输送到烃制备单元48。在一种或多种实施方案中，可将取道管线50的烃干燥到例如约18%的水分，然后通过研磨单元（未示出）例如烃制备单元48中的一个或多个并联的球磨机粉碎。取道管线50的烃可具有从约50微米、从约150微米或从约250微米到约400微米或到约500微米或更大的平均颗粒直径尺寸。
由此烃制备单元48可产生取道管线49的所制备的烃。取道管线49的所制备的烃可引入气化器12进行气化。在一种或多种实施方案中，还可将一种或多种吸附剂添加到气化器12中。所述一种或多种吸附剂可添加用来从粗合成气中捕获污染物，例如在气化器12内的气相中的钠蒸汽。所述一种或多种吸附剂可添加用来以一定的速率和程度清除氧气，该速率和程度足以延缓或阻止氧气达到可与气化器12内的原料中的氢气发生不期望的副反应（例如水）的浓度。所述一种或多种吸附剂可与所述一种或多种烃混合或者添加到所述烃中。所述一种或多种吸附剂可用于撒在或覆盖在气化器12中的烃原料颗粒上以降低所述颗粒的聚结趋势。所述一种或多种吸附剂可磨碎到约5微米至约100微米、或约10微米至约75微米的平均颗粒尺寸。示例的吸附剂可包括但不限于：富碳灰分、石灰石、白云石和焦屑。可通过进料中的原生钙（native calcium）或通过基于钙的吸附剂来捕获原料中释放出的残余的硫以形成硫化钙。
在一种或多种实施方案中，气化器12可以是逆流固定床气化器、并流固定床气化器、流化床反应器、气流床气化器或任意其他类型的气化器。气化器12可产生取道管线62的粗合成气，而来自气化器12的废物如灰分可经由管线60除去。取道管线60的废物可弃置或用于其他应用中。在一种或多种实施方案中，取道管线51的蒸汽可引入气化器12以支持气化工艺。然而，在一种或多种实施方案中，气化器12可能不需要经由管线51的直接蒸汽引入。
在一种或多种实施方案中，来自气体分离单元（“ASU”）56的纯氧气、接近纯的氧气、基本纯的氧气或富氧空气可提供取道管线54的贫氮富氧气体（后文称作“氧化剂”）。ASU 56可以是本领域已知的任意空气分离单元，例如高压低温型分离器。ASU 56可从经由空气吸入口59接收的空气中至少除去取道管线61的氮气组分。自ASU 56分离出的取道管线61的氮气可添加到燃气轮机中（未示出）和/或可用于制备氨气、尿素、其他氨气衍生产物或用于其他应用中。
取道管线54的氧化剂可分割并导流通过管线38B和管线55。管线55可偶联到气化器12，从而为其提供至少一部分的氧化剂。使用纯的或接近纯的氧气作为取道管线55的氧化剂能使气化器12产生取道管线62的粗合成气，其可基本上不含氮气，例如包含少于约0.5%的氮气和/或氩气。管线38B可偶联到管线38A，从而经由管线38B和38A为第一重整器26提供氧化剂，尽管这种偶联并未在图2中示出。因此，在至少一种具体实施方案中，单一的ASU 56可为第一重整器26和气化器12两者提供氧化剂。在一种或多种实施方案中，ASU 56可提供供给到气化器12的总氧化剂的从约10%、约30%、约50%、约70%、约90%或约100%。在一种或多种实施方案中，ASU 56可提供经由管线38A和38B供给到第一重整器26的总氧化剂的从约10%、约30%、约50%、约70%、约90%或约100%。
在一种或多种其他实施方案中，可以使用多个ASU，例如一个ASU专门用于气化器12，一个专门用于第一重整器26。在一种或多种实施方案中，ASU 56可以省去并且可用例如空气压缩机或鼓风机56代替。进一步地，在省去了ASU 56的一种或多种实施方案中，环境空气或者经处理如压缩的空气可为气化器12提供氧化剂，例如如美国专利序列号11/751,242中所述的那样，其全部内容通过引用并入本文，并入程度不与本公开内容相抵触。在一种或多种实施方案中，ASU 56可以省去，因为气化器12的氧化剂需求可由经由管线51提供的蒸汽满足。在一种或多种实施方案中，可将取道管线51的蒸汽与取道管线54、55、38A和/或38B的氧化剂混合。
在一种或多种实施方案中，取道管线62的粗合成气可引入冷却单元64。冷却单元64可包括一个、两个、三个或更多个以串联或并联或它们的组合方式布置的热交换器或热交换区（未示出）。在一种或多种实施方案中，取道管线62的粗合成气可通过在第一热交换器中的间接热交换冷却到约260℃至约820℃的温度。离开第一热交换器的粗合成气可进一步通过在第二热交换器中的间接热交换冷却到约260℃至约704℃的温度。离开第二热交换器的粗合成气可通过在第三热交换器中的间接热交换进一步冷却到约260℃至约427℃的温度。在一种或多种实施方案中，冷却单元64可包括水淬塔（未示出），在其中离开气化器12的粗合成气可通过与水直接接触来例如替代热交换器进行冷却。
取道管线63A的传热介质可引入冷却单元64。取道管线63A的传热介质可以是工艺水、锅炉进水、制冷剂等。来自取道管线62的粗合成气的热量可间接传递给取道管线63A的传热介质以提供过热或高压过热蒸汽，其可经由管线63B回收。在一种或多种实施方案中，取道管线63B的过热或高压过热蒸汽可用于驱动一个或多个蒸汽轮机（未示出）。在一种或多种实施方案中，取道管线63B的过热或高压过热蒸汽可导入管线39A和/或管线39B以为第一和/或第二重整器26、28提供蒸汽和/或导入管线51以为气化器12提供蒸汽。
在一种或多种实施方案中，来自冷却单元64的取道管线63B的过热或高压过热蒸汽可具有约400℃或更高、约425℃或更高、约450℃或更高、约475℃或更高、约500℃或更高或约550℃或更高的温度。取道管线63B的过热或高压过热蒸汽可具有约25巴或更高、约50巴或更高、约75巴或更高、约100巴或更高、约125巴或更高、约200巴或更高、约250巴或更高或约300巴或更高的压力。
在冷却单元64中冷却的粗合成气可经由管线66引入一个或多个变换转化器68。在一种或多种实施方案中，变换转化器68可以是与变换转化器40相同的单元。在一种或多种实施方案中，变换转化器40和68可以是不同的变换转化器和/或可各自代表多个变换转化器。在变换转化器40、64是分开的单元的一种或多种实施方案中，变换转化器64可以基本上类似于上述的变换转化器40的一种或多种实施方案。在其他实施方案中，变换转化器64可以是任意类型的变换转化器，包括耐硫变换（sour shift）和无硫变换（sweet shift），并且可以包括任意数量的本领域已知的高温、低温或中温变换转化器，在适用的情形下，具有任意数量的任意构造的具有任意类型的适合催化剂的反应器。
已在变换转化器68中变换的粗合成气可经由管线70引入汞去除单元72。汞去除单元72可以是本领域已知的任意汞去除单元，其可从取道管线70的粗合成气中除去汞并将其安全处置或将其提供用于其他应用中。例如，汞去除单元72可包括活性炭的床层或任意其他构造或结构，其可从管线70中的粗合成气中吸附汞。替代地或额外地，汞去除单元72可包括本领域已知的用于除去汞的分子筛。
粗合成气可经由管线17离开汞去除单元72，并且可导向合成气处理系统5，更特别地导向AGRU 14。如上文参照图1描述的那样，AGRU 14可从取道管线17和/或46的粗合成气中除去硫和二氧化碳。因此，可经由管线76除去二氧化碳部分。
取道管线76的二氧化碳部分可引入CO2压缩机78。CO2压缩机78可以是任意适合的压缩机，或者可包括多个任意适合类型的压缩机的任意构造。适合的压缩机可包括但不限于离心压缩机、轴流压缩机、往复式压缩机、它们的组合、它们的长列（train）和/或类似物。CO2压缩机78可产生取道管线80的压缩二氧化碳，其可被送往储存待用于强化采油工艺，或输送到气化系统10之外用于其他应用。
取道管线46和/或17的粗合成气中的含硫组分可通过AGRU 14经由管线82除去。取道管线82的含硫组分可在硫回收单元84中回收。硫回收单元84可以是本领域已知的任意硫回收单元84。例如，硫回收单元84可包括实施Claus工艺或其他工艺的装置。在一种或多种实施方案中，硫回收单元84可包括一个或多个加热器、冷凝器和/或催化剂床。硫回收单元84可产生回收的硫86，其可以是待用于各种应用例如制备硫酸、肥料和/或其他产品的元素硫。
在一种或多种实施方案中，粗合成气可经由管线18离开AGRU 14。取道管线18的粗合成气可引入净化单元16。如上文参照图1所述的那样，净化单元16可将粗合成气分离成取道管线20的废气和取道管线22的合成气产品。在一种或多种实施方案中，如上文参照图1所述的那样，取道管线20回收废气可在合成气处理系统5中压缩、重整和/或变换以产生取道管线46的回收粗合成气。
在一种或多种实施方案中，取道管线22的合成气产物可偶联到气体转化器（未示出）以制备合成气衍生产物。例如，管线22中的合成气产物可用于制备一种或多种费托（“F-T”）产物，包括炼厂/石化原料、运输燃料、合成原油、液体燃料、润滑剂、α-烯烃、蜡等。该反应可在任意类型的反应器中，例如固定床、移动床、流化床、浆态床、鼓泡床等中，使用基于铜、钌、铁或钴的催化剂或它们的组合，在约190℃至约450℃的条件下进行，该条件取决于反应器的构造。其他反应和催化剂细节可见于美国专利申请序列号11/109,122和美国专利号5,621,155、6,682,711、6,331,575、6,313,062、6,284,807、6,136,868、4,568,663、4,663,305、5,348,982、6,319,960、6,124,367、6,087,405、5,945,459、4,992,406、6,117,814、5,545,674和6,300,268中，它们各自的全部内容通过引用并入本文，并入程度不与本公开内容相抵触。
F-T产物是液态的，其可输送到炼厂位置用于进一步化学反应和升级为各种产物。某些产物，例如C4-C5烃，可以是高质量的链烷烃溶剂，如果需要它可以经过加氢处理以除去烯烃杂质，或者在不经加氢处理的情况下用于生产各种蜡产物。C16+的液态烃产物可通过各种加氢转化反应，例如加氢裂化、加氢异构化、催化脱蜡、异构脱蜡等或它们的组合，升级以产生中间馏分、柴油和喷气燃料如低凝固点喷气燃料、高十六烷值喷气燃料等、异链烷烃溶剂、润滑油例如适用于运输车辆的润滑油调配组分和润滑油基油、适合用在钻探泥浆中的无毒钻探油、工业级和药用级的白油、化学原料和各种专业产品。
在一种或多种实施方案中，气体转化器可用于制备甲醇、甲酸烷基酯、二甲醚、氨气、乙酸酐、乙酸、乙酸甲酯、乙酸酯、乙酸乙烯酯和聚合物、烯酮、甲醛、二甲醚、烯烃、它们的衍生物和/或它们的组合。对于甲醇制备，可使用例如液相甲醇工艺（LPMEOHTM）。在该工艺中，可使用浆态床鼓泡反应器和位于惰性烃油反应介质中的催化剂来将取道管线22的合成气产物中的一氧化碳直接转化为甲醇，该惰性烃油反应介质可以在于非峰值期间空转的同时长时间储藏反应热同时保持良好的催化剂活性。其他细节可见于美国专利申请号11/311,766和Heydorn, E. C., Street, B. T.和Kornosky, R. M., "Liquid Phase Methanol (LPMEOHTM) Project Operational Experience," (在1998年10月4-7日于旧金山召开的Gasification Technology Council Meeting上发表)中，两者都通过引用整体并入本文，并入程度不与本公开内容相抵触。还可以使用用于制备甲醇的气相工艺。例如，可使用采用铜基催化剂的已知工艺：Imperial Chemical Industries工艺、Lurgi工艺和Mitsubishi工艺。
对于氨气的制备，气体转化器可适于操作LeBanc等在"Ammonia," Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 第2卷，第3版，1978，第494-500页中描述的Haber-Bosch工艺，其全部内容通过引用并入本文，并入程度不与本公开内容相抵触。对于甲酸烷基酯的制备，例如甲酸甲酯，可使用几种工艺的任意工艺，在这些工艺中一氧化碳和甲醇在液相或气相中在碱性催化剂或者碱金属或碱土金属的甲醇盐催化剂存在下反应。其他细节可见于美国专利号3,716,619、3,816,513和4,216,339中，它们各自通过引用整体并入本文，并入程度不与本公开内容相抵触。
图3描绘了示例性的气化系统100的示意图，其采用合成气处理系统5，并且在一种或多种实施方案中可适用于氨气和氨气衍生产物的制备。气化系统100可包括如上文参照图1和2所述的气化器12、AGRU 14、净化单元16、压缩机24、第一和第二重整器26、28、变换转化器40、烃制备单元48、ASU 56、冷却单元64和变换转化器58。
取道管线102的烃可引入烃制备单元48。管线102中的烃可以从约100,000 kg/hr、从130,000 kg/hr或从约160,000 kg/hr到约170,000 kg/hr、到约200,000 kg/hr或到约230 kg/hr的速率引入。管线102中的烃可具有从约25℃、从约30℃或从约35℃到约40℃、到约45℃或到约50℃的温度。管线102中的烃可具有从约35巴、从约40巴或从约45巴到约50巴、到约55巴或到约60巴的压力。
制得的烃可经由管线103离开烃制备单元48，并且可引入气化器12。气化器12可以是已知适用于将碳质烃进料气化为例如具有高氮气浓度的粗合成气的任意气化器12。在一种或多种实施方案中，气化器12可与美国专利申请序列号11/781,328中所述的类似，其全部内容通过引用并入本文，并入程度不与本公开内容相抵触。在一种或多种实施方案中，气化器12可以是可自Kellogg Brown & Root, LLC.购得的TRIGTM气化器。
取道管线105A的氧化剂可由ASU 56制备，其可经由管线107吸入空气并且例如经由管线113从其中除去氮气（N2）。可将取道管线105A的氧化剂分割开使得第一部分导向管线105B，第二部分导向管线109。尽管未示出，管线109可经由管线38A偶联到第一重整器26，从而使得ASU 56能够为第一重整器26提供氧化剂。尽管未示出，取道管线105A、105B、109和/或39A的氧化剂也可分别使用一个或多个压缩机和/或加热元件或交换器来压缩和/或加热，它们各自可以是任意适合的类型。如下所述，取道管线113的氮气可引入氨合成单元178。取道管线113的氮气的一部分可以另外地或替代地以高压或低压输出用于其他应用中。
在一种或多种实施方案中，取道管线105A的氧化剂可具有从约0.10mol%、从约0.12mol%或从约0.14mol%到约0.16mol%、到约0.18mol%或到约0.20mol%的氮气（N2）浓度。取道管线105A的氧化剂可具有从约0.22mol%、从约0.27mol%或从约0.32mol%到约0.37mol%、到约0.42mol%或到约0.47mol%的氩气浓度。取道管线105A的氧化剂可具有约90mol%或更高、约95mol%或更高、约99mol%或更高、约99.5mol%或更高或者约99.68mol%或更高的氧气（O2）浓度。取道管线105A的氧化剂可具有从约20℃、从约23℃或从约26℃到约29℃、到约32℃或到约35℃的温度。取道管线105A的氧化剂可具有从约35巴、从约40巴或从约45巴到约50巴、到约55巴或到约60巴的压力。取道管线105A的氧化剂可具有从约60,000kg/hr、从约70,000kg/hr或从约80,000kg/hr到约85,000kg/hr、到约95,000kg/hr或到约105,000kg/hr的质量流量。
在一种或多种实施方案中，取道管线38A的氧化剂可具有从约4,000kg/hr、从约5,000kg/hr或从约6,000kg/hr到约7,000kg/hr、到约8,000kg/hr或到约9,000kg/hr的质量流量。同样地，取道管线105B的氧化剂的质量流量可与取道管线105A的氧化剂减去取道管线38A的氧化剂的质量流量成正比。取道管线38A的氧化剂可具有从约125℃、从约135℃、从约145℃到约155℃、到约165℃或到约175℃的温度。取道管线38A的氧化剂可具有从约25巴、从约30巴、从约35巴到约40巴、到约45巴、到约50巴的压力。
再次参照气化器12，气化器12可接收取道管线103的所制得的烃、取道管线105B的氧化剂和/或取道管线58的蒸汽，并且可产生取道管线106的粗合成气和取道管线108的废物，例如灰分。取道管线106的粗合成气可引入冷却单元64。取道管线108的废物可引入灰分去除、储存和装载（loading）设施110。
冷却单元64可经由管线112接收来自任意水源的锅炉给水（“BFW”）。取道管线112的BFW可间接冷却冷却单元64经由管线106接收的粗合成气。取道管线112的BFW因此可气化为例如取道管线114的高压蒸汽。该高压蒸汽可经由管线114从气化系统110中输出用于其他应用或销售给蒸汽用户。在一种或多种实施方案中，取道管线114的高压蒸汽可分别经由管线38A和/或管线39A引入第一和/或第二重整器26、28，并且可以提供第一和第二重整器26、28的蒸汽需求的部分或全部。
粗合成气可取道管线116离开冷却单元64并且可引入本领域已知的分离单元118，例如使用金属（例如Fe-Al）或陶瓷滤烛的热气体过滤器。分离单元118可利用任意适合的过滤工艺和/或装置，例如设置在膜、网或其他类型的过滤器中的金属、陶瓷、聚合物或其他材料。分离单元118可从粗合成气中分离出取道管线120的废物，剩余的粗合成气可取道管线122离开分离单元118。
在一种或多种实施方案中，取道管线120的废物可包括相比可包括在取道管线108的废物中的灰分更为微细的灰分。取道管线120的废物可引入灰分去除、储存和装载设施110，并且可与取道管线108的废物合并或与其保持隔离。灰分去除、储存和装载设施110可经由管线124输出废物产物用于处置，或者可将取道管线124的废物产物再循环并用于任意工艺中。取道管线124的废物产物可具有从约30,000kg/hr、从约35,000kg/hr或从约40,000kg/hr到约45,000kg/hr、到约50,000kg/hr或到约55,000kg/hr的质量流量。取道管线124的废物产物可具有从约10℃、从约15℃或从约20℃到约25℃、到约30℃或到约35℃的温度。取道管线124的废物产物可具有从约0.7巴、从约0.8巴或从约0.9巴到约1.1巴、到约1.2巴或到约1.3巴的压力。
在一种或多种实施方案中，在离开分离单元118之后，取道管线122的粗合成气中的氨可在氨回收工艺或系统中回收。因此，管线122中的粗合成气的一部分可经由管线126引入或“吹扫（purge）”入热回收单元124。来自管线126中的粗合成气的热量可在热回收单元124中传递给传热介质，例如水、致冷剂等。该热量然后可经由该传热介质传递用于其他工艺中或为第一和/或第二重整器26、28、气化器12提供反应热，或加热蒸汽以驱动涡轮机（未示出）等。热回收单元124可产生取道管线128的贫氨（ammonia-depleted）合成气和取道管线134的富氨冷凝物。取道管线128的贫氨合成气可引入压缩机130，其可以是任意适合的压缩机，例如离心压缩机、往复式压缩机、它们的组合等。贫氨合成气的第一压缩部分可取道管线132离开压缩机130并且可再次引入气化器12。贫氨合成气的第二部分可取道管线133离开压缩机130并可被再次引入分离单元118。
取道管线134的富氨冷凝物可引入预处理单元136。取道管线134的富氨冷凝物可包含与氨一起的二氧化碳、水蒸气和/或其他元素。预处理单元136可包括一个或多个热交换器（例如水加热器）、冷凝器、闪蒸单元等（未示出），其可从富氨冷凝物中分离出取道管线138的氨气，留下取道管线139的第二冷凝物。取道管线139的第二冷凝物可引入饱和单元143。取道管线138的氨气可引入氨净化单元140。
氨净化单元140可根据需要包括任意冷凝器、过滤器、溶剂等以从取道管线138的富氨冷凝物中除去任何杂质。在一种或多种实施方案中，氨净化单元140可除去和/或再循环取道管线138的富氨物流中的任何未反应的氢气、氮气、氩气、二氧化碳、一氧化碳、甲烷、水或任意其他非氨组分的至少一部分。氨气可取道管线142离开氨净化单元140，并且可从气化系统100中输出用以进一步加工和/或用于需要氨气的应用中。尽管并未示出此偶联，但在一种或多种实施方案中，管线142可将氨净化单元140与氨衍生产物设备144偶联，其可制备例如尿素，在下文将更详细地描述。
返回参考取道管线122的粗合成气，其未经由管线126吹扫的那部分可引入饱和单元143。饱和单元143可以是适于使用管线139中的冷凝物来提高管线122内的粗合成气中的水含量的任意装置和工艺。在一种或多种实施方案中，饱和单元143可包括具有填料以增强气液接触的水塔。在一种或多种实施方案中，饱和单元143还可以包括一个或多个热交换器以饱和和/或汽化水并将其以气态形式添加到取道管线144离开饱和单元143的粗合成气中。取道管线144的粗合成气可引入变换转化器68。冷凝物也可取道管线145离开饱和单元143并且可从气化系统100输出到本领域已知的含硫污水汽提塔。
变换转化器68可以是本领域已知的“耐硫变换转化器”。在一种或多种实施方案中，变换转化器68可再次加热粗合成气并且将其引入使用硫耐受的催化剂的变换反应器中。该催化剂可使硫化羰水解为硫化氢。进一步地，如上文参照图2所述的那样，变换转化器68可改变粗合成气中氢气与一氧化碳之比（H2:CO）。粗合成气可取道管线146离开变换转化器68并且可导入热回收单元148。热回收单元148可以与热回收单元124类似的方式操作，并且可冷却取道管线146的粗合成气以产生管线152中的粗合成气并除去管线150中的可包含氨气和硫化氢的冷凝物。取道管线150的冷凝物可与取道管线134的冷凝物合并并导入氨净化单元140、饱和单元143、从系统100中除去或它们的任意组合。
取道管线152的粗合成气可引入汞去除单元72，如上所述它可除去并安全处置取道管线152的粗合成气中的汞污染物。在一种或多种实施方案中，汞去除单元72可包括设置在装置如过滤器中的可吸收汞以供处置的分子筛和/或活性炭。
粗合成气可取道管线17离开汞去除单元72并且可引入合成气处理系统5，例如AGRU 14。取道管线17的粗合成气可具有从约0mol%、从约1 mol%、从约2 mol%或从约3mol%到约4 mol%、到约5 mol%或到约6 mol%的甲烷浓度。取道管线17的粗合成气可具有从约1mol%、从约5 mol%、从约30 mol%、从约35mol%或从约40mol%到约45 mol%、到约50 mol%或到约55 mol%的二氧化碳浓度。取道管线17的粗合成气可具有从约1mol%、从约1.5 mol%或从约2 mol%到约3 mol%、到约4 mol%、到约5mol%或到约30 mol%或更高的一氧化碳浓度。取道管线17的粗合成气可具有从约40mol%、从约45 mol%或从约50mol%到约55mol%、到约60 mol%或到约65 mol%的双原子氢气浓度。取道管线17的粗合成气可具有从约0.05mol%、从约0.075 mol%或从约0.10mol%到约0.125 mol%、到约0.15 mol%或到约0.175 mol%的双原子氮气浓度。取道管线17的粗合成气可具有从约0.015mol%、从约0.02mol%或从约0.025mol%到约0.035mol%、到约0.04 mol%或到约0.045mol%的氰化氢浓度。取道管线17的粗合成气可具有从约0.05mol%、从约0.10mol%或从约0.13mol%到约0.15mol%、到约0.175mol%或到约0.20mol%的硫化氢浓度。取道管线17的粗合成气可具有从约0.04mol%、从约0.05mol%或从约0.06mol%到约0.08mol%、到约0.09 mol%或到约0.10mol%的氩气浓度。取道管线17的粗合成气可具有从约100,000kg/hr、从约150,000kg/hr或从约200,000kg/hr到约250,000kg/hr、到约300,000kg/hr或到约350,000kg/hr的流量。取道管线17的粗合成气可具有从约55℃、从约60℃或从约65℃到约70℃、到约75℃或到约80℃的温度。取道管线17的粗合成气可具有从约25巴、从约30巴或从约35巴到约40巴、到约45巴或到约50巴的压力。
AGRU 14可从粗合成气中分离出取道管线154的一种或多种酸性气体，包括二氧化碳和硫化氢。经由管线154除去的酸性气体可引入CO2压缩机157，其可以是一个或多个所需的任意压缩机。压缩酸性气体可取道管线159离开压缩机157并且可输送到气化系统100之外、用于其他应用，例如后续用于强化采油工艺中。
在一种或多种实施方案中，经由管线154除去的酸性气体可具有从约0.6mol%、从约0.7mol%或从约0.8mol%到约0.9mol%、到约1.0mol%或到约1.1mol%的甲烷浓度。经由管线154除去的酸性气体可具有从约70mol%、从约75mol%或从约80mol%到约85mol%、到约90mol%或到约95mol%的二氧化碳浓度。经由管线154除去的酸性气体可具有从约0.2mol%、从约0.3mol%或从约0.4mol%到约0.6mol%、到约0.7mol%或到约0.8mol%的一氧化碳浓度。经由管线154除去的酸性气体可具有从约2.5mol%、从约3.0mol%或从约3.5mol%到约4.0mol%、到约4.5mol%或到约5.0mol%的氢气（H2）浓度。经由管线154除去的酸性气体可具有从约4mol%、从约5mol%或从约6mol%到约8mol%、到约9mol%或到约10mol%的水浓度。经由管线154除去的酸性气体可具有从约0.3mol%、从约0.4mol%或从约0.5mol%到约0.7mol%、到约0.8mol%或到约0.9mol%的氮气（N2）浓度。经由管线154除去的酸性气体可具有从约1.0mol%、从约1.5mol%或从约2.0mol%到约3.0mol%、到约3.5mol%或到约4.0mol%的氨气浓度。经由管线154除去的酸性气体可具有从约0.05mol%、从约0.075mol%或从约0.10mol%到约0.125mol%、到约0.15mol%或到约0.175mol%的氰化氢浓度。经由管线154除去的酸性气体可具有从约0.30mol%、从约0.35mol%或从约0.40mol%到约0.45mol%、到约0.50mol%或到约0.55mol%的硫化氢浓度。经由管线154除去的酸性气体可具有从约0.6mol%、从约0.7mol%或从约0.8mol%到约1.0mol%、到约1.1mol%或到约1.2mol%的氩气浓度。经由管线154除去的酸性气体可具有从约90,000kg/hr、从约100,000kg/hr或从约120,000kg/hr到约140,000kg/hr、到约150,000kg/hr或到约160,000kg/hr的质量流量。经由管线154除去的酸性气体可具有从约20℃、从约22.5℃或从约25℃到约27.5℃、到约30℃或到约32.5℃的温度。经由管线154除去的酸性气体可具有从约0.8巴、从约0.9巴或从约1.0巴到约1.2巴、到约1.3巴或到约1.4巴的压力。
再次参照AGRU 14，还可经由管线156除去取道管线17的粗合成气的主要为CO2的第二部分。该第二部分可引入压缩和清洁单元158。在一种或多种实施方案中，压缩和清洁单元158可与CO2压缩机157集成或可分开。在任一示例的情形中，压缩和清洁单元158可包括任何适用的压缩机和/或过滤装置。第二部分可取道管线160离开压缩和清洁单元158。
在一种或多种实施方案中，取道管线160的第二部分可具有从约0.08mol%、从约0.10mol%或从约0.12mol%到约0.14mol%、到约0.16mol%或到约0.18mol%的甲烷浓度。取道管线160的第二部分可具有约90mol%或更高、约95mol%或更高、约97mol%或更高、约99mol%或更高、或约99.5mol%或更高的二氧化碳浓度。取道管线160的第二部分可具有从约0.03mol%、从约0.04mol%或从约0.05mol%到约0.07mol%、到约0.08mol%或到约0.09mol%的一氧化碳浓度。取道管线160的第二部分可具有从约0.15mol%、从约0.17mol%或从约0.19mol%到约0.21mol%、到约0.23mol%或到约0.25mol%的氢气（H2）浓度。取道管线160的第二部分可具有从约85,000kg/hr、从约90,000kg/hr或从约95,000kg/hr到约105,000kg/hr、到约110,000kg/hr或到约115,000kg/hr的质量流量。取道管线160的第二部分可具有从约1.0℃、从约1.3℃或从约1.6℃到约1.9℃、到约2.2℃或到约2.5℃的温度。
粗合成气可取道管线18离开AGRU 14，管线18可连接到净化单元16。取道管线18的粗合成气可具有从约3.25mol%、从约3.5mol%、从约3.75mol%到约4.0mol%、到约4.25mol%、到约4.5mol%或更高的甲烷浓度。取道管线18的粗合成气可具有从约1.2mol%、从约1.7mol%或从约2.2mol%到约2.7mol%、到约3.2mol%、到约3.7mol%或更高的二氧化碳浓度。取道管线18的粗合成气可具有从约3.0mol%、从约3.5mol%或从约4.0mol%到约4.5mol%、到约5.0mol%或到约5.5mol%或更高的一氧化碳浓度。取道管线18的粗合成气可具有从约75mol%、从约80mol%或从约85mol%到约90mol%、到约95mol%或到约99mol%的氢气（H2）浓度。取道管线18的粗合成气可具有从约0.2mol%、从约1.1mol%、从约1.3mol%或从约1.5mol%到约1.7mol%、到约1.9mol%或到约2.1mol%的氮气（N2）浓度。取道管线18的粗合成气可具有从约0.2mol%、从约0.3mol%、或从约0.4mol%到约0.5mol%、到约0.6mol%或到约0.7mol%的氩气浓度。取道管线18的粗合成气可具有从约30,000kg/hr、从约35,000kg/hr或从约40,000kg/hr到约50,000kg/hr、到约55,000kg/hr或到约60,000kg/hr的质量流量。取道管线18的粗合成气可具有从约22.5℃、从约25℃或从约27.5℃到约30℃、到约32.5℃或到约35℃的温度。取道管线18的粗合成气可具有从约27.5巴、从约30巴或从约32.5巴到约37.5巴、到约40巴或到约42.5巴的压力。
净化单元16可通过除去取道管线20的废气产生取道管线22的合成气产物。在一种或多种实施方案中，管线20中的废气可具有从约35mol%、从约40mol%或从约45mol%到约46mol%、到约50mol%或到约55mol%的氢气（H2）浓度。在一种或多种实施方案中，管线20中的废气可具有从约4mol%、从约5mol%或从约6mol%到约7mol%、到约8mol%或到约9mol%的氮气（N2）浓度。在一种或多种实施方案中，管线20中的废气可具有从约10mol%、从约13mol%或从约16mol%到约17mol%、到约20mol%或到约23mol%的甲烷浓度。在一种或多种实施方案中，管线20中的废气可具有从约0.5mol%、从约1.0mol%或从约1.5mol%到约1.7mol%、到约2.2mol%或到约2.7mol%的氩气浓度。在一种或多种实施方案中，管线20中的废气可具有从约10mol%、从约13mol%或从约16mol%到约19mol%、到约22mol%或到约25mol%的一氧化碳浓度。在一种或多种实施方案中，管线20中的废气可具有从约6mol%、从约8mol%或从约10mol%到约12mol%、到约14mol%或到约16mol%的二氧化碳浓度。在一种或多种实施方案中，管线20中的废气可具有从约20,000kg/hr、从约25,000kg/hr或从约30,000kg/hr到约35,000kg/hr、到约40,000kg/hr或到约45,000kg/hr的质量流量。
如上文参照图1所述，取道管线20的废气可经压缩、重整、变换和/或以其他方式加工成取道管线46的回收粗合成气。取道管线46的回收粗合成气可直接供给到AGRU 14，或者可以与取道管线17的粗合成气合并然后引入AGRU 14。在一种或多种实施方案中，气化系统100中可包括第二AGRU（未示出），使得AGRU 14专用于管线17中的粗合成气，而第二AGRU专用于管线174中的回收粗合成气。
合成气产物可取道管线22离开净化单元16。在一种或多种实施方案中，取道管线22的合成气产物可引入一个或多个氨合成单元178中。在一种或多种实施方案中，可将氮气（N2）经由管线180引入氨合成单元178中。在一种或多种实施方案中，尽管未示出，管线180可偶联到管线113，使得ASU 56提供引入所述一个或多个氨合成单元178的氮气的至少一部分。在所述一个或多个氨合成单元178中，取道管线22的合成气产物中存在的至少一部分氢气与取道管线180的氮气可化合以提供取道管线182的氨产物。在一种或多种实施方案中，未反应的氢气和/或氮气可存在于管线182中。在一种或多种实施方案中，所述一个或多个氨合成单元178可以是使用一种或多种磁铁矿催化剂的常规的单程或多程转化器。在一种或多种实施方案中，所述一个或多个氨合成单元178可以是使用一种或多种贵金属催化剂或一种或多种基于钌的催化剂，例如可获自Kellogg Brown & Root的钌基KAAP催化剂，的常规的单程或多程转化器。一种或多种更高活性的贵金属催化剂的使用使得能够在氨合成回路中使用较低的压力，从而允许使用单筒式氨压缩机（未示出）。
在一种或多种实施方案中，所述一个或多个氨合成单元178可包括一个或多个用于在升高的压力和/或温度下操作以将包含氮气和氢气的进料气体的至少一部分转化为氨气的任意反应器。在一种或多种实施方案中，所述一个或多个氨合成单元178可包括一个或多个美国专利号7,081,230中描述的“Split-Flow Ammonia Converters（分流式氨转化器）”，通过引用将其全部内容并入本文，并入程度不与本公开内容相抵触。在一种或多种实施方案中，所述一个或多个氨合成单元178可包括一个或多个美国专利号6,171,570中所述的“Isothermal Ammonia Converters（等温氨转化器）”，通过引用将其全部内容并入本文，并入程度不与本公开内容相抵触。在一种或多种实施方案中，所述一个或多个氨合成单元178可包括一个或多个美国专利号6,132,687中所述的“Horizontal Ammonia Converter Adapted for High Activity Catalyst（适于高活性催化剂的卧式氨转化器）”，通过引用将其全部内容并入本文，并入程度不与本公开内容相抵触。在一种或多种实施方案中，所述一个或多个氨合成单元178可包括一个或多个美国专利申请序列号12/107,506中所述的氨转化器，通过引用将其全部内容并入本文，并入程度不与本公开内容相抵触。
在一种或多种实施方案中，氨合成单元178可包括一个或多个氨冷凝器（未示出）。在一种或多种实施方案中，所述一个或多个氨冷凝器可包括能够选择性地将氨气与至少包含氢气和氮气的气体混合物分离的任何机械或化学系统。在一种或多种实施方案中，所述一个或多个氨冷凝器可包括一个或多个低温净化器，该低温净化器包括一个或多个制冷交换器和一个或多个制冷压缩机。在所述一个或多个氨冷凝器中，可使氨气冷凝和浓缩以提供取道管线182的氨气产物。在一种或多种实施方案中，管线182中的氨产物的氨浓度可为约85mol%、约90 mol%、约95 mol%、约99.9 mol%或更高。在一种或多种实施方案中，管线182中的氨产物包含最大值为约15mol%、约10 mol%、约5 mol%或约0.1 mol%或更少的氢气和氮气总浓度。管线182中的氨产物可具有从约60,000kg/hr、从约65,000kg/hr或从约70,000kg/hr到约75,000kg/hr、到约80,000kg/hr或到约85,000kg/hr的质量流量。取道管线182的氨气可具有从约42℃、从约45℃或从约47.5℃到约52.5℃、到约55℃或到约57.5℃的温度。
取道管线184的弛放气（purge gas）可离开氨气装置178并可导入分离单元186。可使用分离单元186回收弛放气的氨气和/或氢气部分。分离单元186可以是或包括例如：过滤器、变压吸附单元、冷凝器、闪蒸单元或可操作来从弛放气中除去至少氢气和/或氨气以形成回收的弛放气并留下废弃气体的任意其他装置。回收的弛放气可经由经管线188再次引入氨合成单元178用于进一步处理和/或可与取道管线22的合成气产物合并。取道管线190的废弃气体可离开气化系统100。
在一种或多种实施方案中，取道管线190的废弃气体可具有从约5mol%、从约6mol%或从约7mol%到约8mol%、到约9mol%或到约10mol%的甲烷浓度。取道管线190的废弃气体可具有从约20mol%、从约22mol%或从24mol%到约26mol%、到约28mol%或到约30mol%的双原子氢气浓度。取道管线190的废弃气体可具有从约55mol%、从约60mol%或从约65mol%到约70mol%、到约75mol%或到约85mol%的双分子氮气浓度。取道管线190的废弃气体可具有少于约0.05mol%、少于约0.04mol%、少于约0.03mol%或少于约0.02mol%的氨气浓度。取道管线190的废弃气体可具有从约2mol%、从约3mol%或从约4mol%到约5mol%、到约6mol%或到约7mol%的氩气浓度。取道管线190的废弃气体可具有从约2,250kg/hr、从约2,500kg/hr或从约2,750kg/hr到约3,000kg/hr、到约3,250kg/hr或到约3,500kg/hr的质量流量。取道管线190的废弃气体可具有从约40℃、从约45℃或从约50℃到约60℃、到约65℃或到约70℃的温度。取道管线190的废弃气体可具有从约1巴、从约2巴或从约2.5巴到约3.5巴、到约4巴或到约5巴的压力。
在一种或多种实施方案中，可将取道管线182的氨气引入氨衍生产物设备144。尽管未示出，在至少一种具体实施方案中取道管线182的氨气可另外或替代地与上述氨回收系统中产生的取道管线142的氨气合并。氨衍生产物设备144可采用任何适合的工艺、系统和装置来制备氨衍生产物，例如取道管线192的尿素产物。在一种或多种实施方案中，取道管线192的尿素产物可以是基本上纯的尿素。例如，取道管线192的尿素产物可具有约95mol%或更高、约99mol%或更高、约99.9mol%或更高、约99.99mol%或更高、约99.999mol%或更高的尿素浓度。
图4描绘了依照一种或多种实施方案的示例性的气化器12。气化器12可包括单一的反应器列（reactor train）或者两个或更多个串联或并联设置的反应器列。各反应器列可包括一个或多个混合区215、上升管（riser）220和分离装置230、240。各反应器列可互相独立地配置或者配置成共享所述一个或多个混合区215、上升管220和分离装置230、240中的任意部件。为了简化和易于描述，本文将参照单一的反应器列来描述气化器12的实施方案；然而，应当理解在可添加任意数量的反应器列而不脱离本公开内容的范围。
在一种或多种实施方案中，取道管线210的烃原料和取道管线205的一种或多种氧化剂可在混合区215中合并以提供气体悬浮物。在一种或多种实施方案中，原料和氧化剂可如图所示分别注入混合区215中或者在注入混合区中之前混合（未示出）。在一种或多种实施方案中，烃原料和氧化剂可依次注入气化器12中。在一种或多种实施方案中，烃原料和氧化剂可同时注入气化器12中。取决于所需的产物类型和等级，气化器12的供料方式（即原料和氧化剂的引入）可以是连续的、依次的或间歇的。
所述气体悬浮物可向上移动通过混合区215到达上升管220，在此处额外的停留时间使得能够发生焦炭气化、甲烷/蒸汽重整、焦油裂化和/或水煤气变换反应。上升管220可以在比混合区215更高的温度下操作，并且可具有比混合区215更小的直径。在一种或多种实施方案中，上升管220中的表观气速可在约10ft/s至约90ft/s、约20ft/s至约80ft/s、约30ft/s至约70ft/s、约30ft/s至约40ft/s或约35ft/s至约60ft/s的范围内。上升管220中的温度可在从约315℃、从约415℃或从约515℃到约900℃、到约1000℃或到约1100℃的范围内。
气体混合物可离开上升管220并进入分离装置230、240，在其中可将较大的颗粒物与气体分离并经由一个或多个管道再循环回到混合区215，这类管道包括但不限于竖管250和/或j-料腿255。j-料腿255可包括非机械的“j-阀”以提高有效的固体停留时间、提高碳转化率并使将固体再循环到混合区215所需的充气需求最小化。在一种或多种实施方案中，分离装置230、240可以是旋风分离器。在一种或多种实施方案中，一个或多个颗粒转移装置245，例如一个或多个回送装置（loop seal），可安置在分离装置230、240的下游以收集分离出的微粒。气化器12产生的取道管线280的粗合成气流中的任何夹带或残余的颗粒物可使用一个或多个颗粒去除系统来去除（未示出）。
在一种或多种实施方案中，烃原料的平均颗粒直径尺寸可用作优化经由竖管250再循环到混合区中的固体的颗粒密度的控制变量。在一种或多种实施方案中，可改变烃原料的颗粒尺寸来优化颗粒质量循环率并改善混合区215和上升管220内气体混合物的流动特性。
也可将一种或多种吸附剂添加到气化器12中。在一种或多种实施方案中，该吸附剂可添加用来从粗合成气中捕获污染物，例如气化器12内的气相中的钠蒸汽。在一种或多种实施方案中，该吸附剂可添加用来以一定的速率和程度清除氧气，该速率和程度足以延缓或阻止氧气达到可与来自混合区215内的原料的氢气发生不期望的副反应（例如水）的浓度。在一种或多种实施方案中，该吸附剂可用于撒在或覆盖在气化器内的原料颗粒上以降低该颗粒团聚的趋势。在一种或多种实施方案中，可将所述一种或多种氧化剂在混合区215的底部引入以通过燃烧再循环颗粒中所含的任何碳至形成灰分（“焦炭”）来提高混合区215和上升管220内的温度。在一种或多种实施方案中，可将吸附剂磨碎到约5微米至约100微米或约10微米至约75微米的平均颗粒尺寸。示例性的吸附剂可包括但不限于：富碳灰分、石灰石、白云石和焦屑。原料释放出的残余硫可通过进料中的原生钙或通过钙基吸附剂来捕获以形成硫化钙。
在一种或多种实施方案中，可将所述一种或多种氧化剂以适于控制混合区215的温度的速率引入混合区215中。在一种或多种实施方案中，所述一种或多种氧化剂可包括过量的空气。在一种或多种实施方案中，所述一种或多种氧化剂可以是低于化学计量的空气，其中氧气与碳的摩尔比可保持在低于化学计量的浓度以有利于在混合区215中产生一氧化碳而非二氧化碳。在一种或多种实施方案中，经由氧化剂供给到混合区215的氧气可低于供给到混合区215的所有碳完全燃烧时所需氧气的化学计量量的5%。在运行期间和进料中断期间（如果有的话），空气中过量的氧气和蒸汽可被循环的固体消耗掉从而稳定反应器温度。
气化器12中的停留时间和温度可足以使水煤气变换反应达到平衡。在一种或多种实施方案中，原料在混合区215中的停留时间可大于约2秒。在一种或多种实施方案中，原料在混合区215中的停留时间可大于约5秒。在一种或多种实施方案中，原料在混合区215中的停留时间可大于约10秒。在一种或多种实施方案中，气化器12的操作温度可在从约260℃、从约400℃或从约540℃到约650℃、到约815℃或到约1000℃的范围内。在一种或多种实施方案中，气化器12的操作温度可在约370℃至约995℃的范围内。在一种或多种实施方案中，气化器12的操作温度可在约480℃至约875℃的范围内。在一种或多种实施方案中，气化器12的操作温度可在约650℃至约875℃的范围内。
在一种或多种实施方案中，气化器12可在能够避免灰分熔化的温度范围内操作，例如约560℃至约1040℃，或约835℃至约935℃。可通过在循环固体接触供入的原料之前，在混合区215的下部燃烧循环固体中的碳来供给热量。在一种或多种实施方案中，可通过使混合区215达到约510℃至约650℃的温度，并且任选地通过向混合区215进料焦屑或等同物来将混合区215的温度进一步提高到约900℃来启动开车（start-up）。
在一种或多种实施方案中，气化器12的操作温度可通过以下来控制：固体在上升管220内的循环率和停留时间；在再循环到混合区215中之前降低灰分的温度；向混合区215中添加蒸汽；和/或向混合区215中添加氧化剂。循环的固体也可起到快速加热输入的烃原料的作用，这也可使焦炭生成最小化。
在一种或多种实施方案中，混合区215可在约0psig至约650psig的压力下操作以提高反应器单位截面积的热输出，并提高任意后续动力循环中的能量输出。在一种或多种实施方案中，混合区215可以在约100psig至约550psig的压力下操作。在一种或多种实施方案中，混合区215可以在约100psig至约450psig的压力下操作。在一种或多种实施方案中，混合区215可以在约100psig至约350psig的压力下操作。
在一种或多种实施方案中，气化器12中产生的取道管线280的粗合成气可包括一氧化碳、氢气、氧气、烃、硫、固体、它们的混合物、它们的衍生物或它们的组合。在一种或多种实施方案中，气化器12中产生的粗合成气可基本上不含氮气。在一种或多种实施方案中，所述工艺将至少约85%、或90%、或95%、或98%、或99%的来自烃原料的碳转化为粗合成气。
在一种或多种实施方案中，气化器12中产生的取道管线280的粗合成气可包含从约5vol%、从约15vol%或从约20vol%到约30vol%、到约40vol%或到约50vol%的一氧化碳。所述粗合成气可包含从约5vol%或从约10vol%到约20vol%或到约25vol%的氢气。所述粗合成气可包含从约0.5vol%到约2.0vol%或到约3.0vol%的氮气。所述粗合成气可包含从约1vol%或从约5vol%到约10vol%、到约15vol%或到约20vol%的甲烷。所述粗合成气可包含少于约30vol%、少于约25vol%、少于约20vol%、少于约15vol%或少于约10vol%的二氧化碳。在一种或多种实施方案中，离开气化器12的合成气体可具有从约50Btu/scf的低值到约75Btu/scf、约100Btu/scf、约110Btu/scf、约140Btu/scf、约180Btu/scf、约200Btu/scf、约250Btu/scf、约275Btu/scf或更高的高值的热值，修正了热损耗和稀释效应。
可将蒸汽供给到气化器12以控制气化器12中的氢气与一氧化碳的比例（H2:CO）。因为气化器12的出口温度可成比例地低于至少一些其他气化器（例如熔渣型（slag-type）），所以取道管线280的粗合成气中的热能热相对于化学热的量在气化器12中可同等地较小。因此，与在至少一些以较高温度操作的其他气流床气化器中相比，可以更小的能量损耗使用蒸汽来通过变换调节H2:CO比例。由于气化器内操作温度的降低（例如低于约1600℃），因此可消耗较少的能量来控制和优化H2:CO比例。因此，可以提高氢气的产量而无需同等地提高气化器12内的蒸汽需求。例如，离开气化器12的取道管线280的粗合成气可具有至少约0.2或至少约0.5的H2:CO比。在一种或多种实施方案中，H2:CO比可为约0.25至约2.5、约0.4至约2.0、约0.5至约1.5或约0.8至约1.0。
实施例：
参照以下非限制实施例可进一步描述之前的论述。在一个实施例中，合成气处理系统5（图1）可在气化系统100（图3）中实施，而该气化系统可设计用来制备氨和氨衍生产物。气化系统100可经由管线104进料煤，该煤大致具有以下的重量组成：41.59wt%碳、2.34wt%氢、1.05wt%氮、0.32%硫、20.00wt%H2O、25.00wt%灰分，具有约16.2MJ/kg的较高的热值，不过可以理解可使用各种各样的取道管线104的煤原料而不会脱离本公开内容的范围。气化系统100可大致具有表2中包含的模拟值，其各自键入到图3中所示以及上文参照图3所述的附图标记下。
已经使用上限数值组和下限数值组描述了某些实施方案和特征。应当理解除非另外表示，从任何下限到任何上限的范围都已预期。某些下限、上限和范围呈现在下面的一个或多个权利要求中。所有数值都是所给值的“大约”或“近似”值，且考虑了实验误差和本领域普通技术人员可以预料到的变化。
上文已经定义了各种术语。在权利要求中所用的术语在上文没有定义的情形下，应当赋予它在至少一份印刷出版物或授权专利中反映出的相关领域人员给予该术语的最宽泛的定义。进一步地，本申请中引用的所有专利、技术规程和其他文献都通过引用以这种公开不与本申请相抵触的程度完全并入本文用于所有允许这种并入的权限。
虽然前文涉及本发明的多个实施方案，但是在不偏离本发明的基本范围的前提下可以想到其它的和更多的技术方案，并且本发明的范围由后附的权利要求来限定。

Claims (20)

1.气化系统，包括：
产生粗合成气的气化器；
流体偶联到气化器的净化单元，其中该净化单元接收来自气化器的粗合成气并产生废气和合成气产物；
流体偶联到净化单元的第一重整器，其中该第一重整器接收所述废气的第一部分并产生重整烃；和
第二重整器，其具有流体偶联到净化单元的第一入口、流体偶联到第一重整器的第二入口和流体偶联到净化单元的出口，其中所述第二入口接收来自第一重整器的重整烃，所述第一入口接收来自净化单元的所述废气的第二部分，并且该第二重整器产生回收粗合成气，其经由所述出口导入净化单元。
2.权利要求1的气化系统，进一步包括偶联到所述净化单元并偶联到所述第一和第二重整器中的至少一个的压缩机，其中该压缩机接收来自净化单元的废气并将该废气的第一和第二部分中的至少一个分别提供给第一和第二重整器中的至少一个。
3.权利要求1的气化系统，其中所述第一重整器是自热重整器，而所述第二重整器是壳管式重整器。
4.权利要求1的气化系统，其中所述废气具有35mol％至55mol％的氢气浓度、4mol％至9mol％的氮气浓度、10mol％至23mol％的甲烷浓度、0.5mol％至2.7mol％的氩气浓度、10mol％至25mol％的一氧化碳浓度和6mol％至16mol％的二氧化碳浓度。
5.权利要求1的气化系统，进一步包括流体偶联到所述气化器的空气压缩机，其中该空气压缩机为气化器提供空气。
6.权利要求1的气化系统，进一步包括流体偶联到所述气化器并具有空气吸入口的空气分离单元，其中该空气分离单元从经由空气吸入口接收的空气中除去氮气部分以产生氧化剂，其中该氧化剂的至少一部分引入气化器。
7.权利要求6的气化系统，其中空气分离单元流体偶联到第一重整器并将所述氧化剂的第二部分提供给第一重整器。
8.权利要求7的气化系统，其中所述氧化剂具有0.10mol％至0.20mol％的氮气浓度、0.20mol％至0.40mol％的氩气浓度和90mol％至99.7mol％的氧气浓度。
9.权利要求6的气化系统，进一步包括流体偶联到所述净化单元和空气分离单元的氨合成单元，其中该氨合成单元接收来自净化单元的合成气产物的至少氢气部分和来自气体分离单元的氮气部分的至少一部分，其中该氨合成单元配置为产生氨产物。
10.权利要求9的气化系统，进一步包括氨回收系统，其包括流体偶联到所述气化器的冷凝器，其中该冷凝器接收来自气化器的粗合成气的一部分并从其中去除氨气部分以产生贫氨合成气，该贫氨合成气被引入气化器。
11.合成气产物的制备方法，包括：
在气化器中使烃气化以产生粗合成气；
在净化单元中净化该粗合成气以产生合成气产物和废气；
在第一重整器中使所述废气的第一部分重整以产生第一重整烃；
将该第一重整烃引入第二重整器的壳程以向该第二重整器提供热量；
在第二重整器的管程中使所述废气的第二部分重整以形成第二重整烃；
将来自第二重整器壳程的第一重整烃和来自第二重整器管程的第二重整烃混合以形成回收粗合成气；和
将该回收粗合成气引入所述净化单元。
12.权利要求11的方法，进一步包括将所述合成气产物引入氨合成单元以产生氨产物。
13.权利要求12的方法，进一步包括：
自氨合成单元排出弛放气；
过滤该弛放气以产生该弛放气的回收部分和该弛放气的废弃部分；和
将该回收部分引入氨合成单元。
14.权利要求12的方法，进一步包括：
将所述氨产物引入氨衍生产物设备；
从所述粗合成气中除去第一二氧化碳部分和硫部分；和
净化该第一二氧化碳部分；和
将该净化的第一二氧化碳部分引入氨衍生产物设备。
15.权利要求14的方法，进一步包括：
从所述回收粗合成气中去除第二二氧化碳部分；和
将所述第一二氧化碳部分和第二二氧化碳部分合并。
16.权利要求15的方法，其中在除去所述第一二氧化碳部分和第二二氧化碳部分和硫部分之后，所述粗合成气与所述回收粗合成气合并，其具有3.25mol％至4.5mol％的甲烷浓度、1.2mol％至3.7mol％的二氧化碳浓度、3.0mol％至5.5mol％的一氧化碳浓度、75mol％至95mol％的氢气浓度、1.1mol％至2.1mol％范围内的氮气浓度和0.2mol％至0.5mol％的氩气浓度。
17.权利要求14的方法，进一步包括：
将空气分离为至少氮气部分和氧化剂部分；
将该氧化剂部分的至少一部分引入第一重整器；和
将该氮气部分引入氨合成单元。
18.权利要求14的方法，进一步包括：
将来自所述气化器的粗合成气的一部分引入氨回收系统；
在该氨回收系统中使粗合成气冷凝以除去氨气部分并产生贫氨合成气；
压缩该贫氨合成气以产生压缩的贫氨合成气；和
将该压缩的贫氨合成气引入气化器。
19.烃气化系统，包括：
接收烃并产生粗合成气的气化器；
流体偶联到所述气化器的酸性气体去除单元，其中该酸性气体去除单元接收来自气化器的粗合成气；
流体偶联到所述酸性气体去除单元的净化单元，其中该净化单元接收来自酸性气体去除单元的粗合成气并产生废气和合成气产物；
流体偶联到所述净化单元的压缩机，其中该压缩机接收来自净化单元的所述废气并产生压缩废气；
流体偶联到所述压缩机的自热重整器，其中该自热重整器接收所述压缩废气的第一部分和来自空气分离单元的氧化剂的至少一部分并产生重整烃；和
流体偶联到所述压缩机、自热重整器和酸性气体去除单元的壳管式重整器，其中该壳管式重整器接收来自该自热重整器的烃和来自所述压缩机的所述压缩废气的第二部分并产生回收粗合成气，其被导入所述酸性气体去除单元。
20.权利要求19的系统，进一步包括：
流体偶联到所述气化器、自热重整器或两者的空气分离单元，用以向所述气化器、自热重整器或两者提供氧化剂；
流体偶联到所述净化单元和空气分离单元的氨合成单元，其中该氨合成单元接收来自净化单元的合成气产物和来自空气分离单元的氮气并产生氨产物；
流体偶联到氨合成单元的分离单元，其中该分离单元接收来自氨合成单元的弛放气并将该弛放气分离成废弃气体和回收弛放气，其中该回收弛放气包含氢气和氨气并且被导回氨合成单元；和
氨回收系统，其包括流体偶联到所述气化器的冷凝器，其中该冷凝器接收来自气化器的粗合成气的一部分并除去该粗合成气中的氨气部分以产生贫氨合成气，其中将氨气部分的至少一部分与来自所述氨合成单元的氨产物的至少一部分混合，并且将所述贫氨合成气通入气化器。
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