CN103316567B - 用于从气流回收酸气的系统 - Google Patents
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Abstract
在一个实施方案中，提供一种气体纯化系统。该系统包括具有第一溶剂路径和第一气体路径的第一部分。配置第一气体路径以使汽提气流动，以在第一容器中从第一溶剂路径去除硫化氢（H2S）和二氧化碳（CO2）而产生第一气体混合物。该系统还包括具有第二溶剂路径的第二部分。配置第二溶剂路径以使第二溶剂混合物流动，以在第二容器内从第一气体混合物去除H2S并从第二溶剂混合物去除CO2。第二溶剂混合物具有在第一压力下CO2饱和的溶剂，第二容器在第二压力下操作，且第一压力和第二压力在彼此的约20%以内。
Description
发明背景
本文公开的主题涉及用于合成气生产厂中气体处理的系统和方法。
气化技术可通过在气化器中与氧和蒸汽反应，将烃原料（例如煤、生物质和其它含碳进料源）转化为一氧化碳（CO）和氢（H2）的气态混合物，即合成气。这些气体可经处理并用作燃料、作为更复杂的化学品的起始材料的来源、用于代用天然气的生产或它们的组合。在整体气化联合循环（IGCC）发电厂中，合成气可用于燃烧以产生能量。例如，可将合成气进料至IGCC发电厂的气体涡轮的燃烧室，并点燃以驱动气体涡轮用于发电。气化器中产生的未经处理的气体混合物可含有除合成气外的多种材料。例如，未经处理的气体混合物可包括含硫气体例如硫化氢（H2S）、含碳气体例如二氧化碳（CO2）、水及其它。在未经处理的气体混合物中的这些其它材料可影响用于从合成气产生能量的气体涡轮的性能，以及可用于生产精细化学品的起始材料的品质。
发明简述
以下概述与初始请求保护的本发明范围相称的某些实施方案。这些实施方案不旨在限制本公开的范围，而是这些实施方案旨在仅提供可能的实施形式的简明摘要。当然，本发明的方法可包括可能类似于或不同于以下阐述的实施方案的多种形式。
在第一个实施方案中，气体纯化系统包括第一部分，所述第一部分具有硫化氢（H2S）浓缩器、H2S再吸收器、经过H2S浓缩器的第一溶剂路径和经过H2S浓缩器和H2S再吸收器的第一气体路径。气体纯化系统还包括第二部分，所述第二部分具有二氧化碳（CO2）吸收器、第一闪蒸容器和经过CO2吸收器和第一闪蒸容器的第二溶剂路径，其中第二溶剂路径连接第一闪蒸容器与H2S再吸收器。
在第二个实施方案中，气体纯化系统包括具有第一溶剂路径和第一气体路径的第一部分，其中配置第一气体路径以使汽提气流动，以在第一容器中从第一溶剂路径去除硫化氢（H2S）和二氧化碳（CO2）而产生第一气体混合物。气体纯化系统还包括具有第二溶剂路径的第二部分，其中配置第二溶剂路径以使第二溶剂混合物流动，以在第二容器内从第一气体混合物去除H2S并从第二溶剂混合物去除CO2。第二溶剂混合物包括在第一压力下CO2饱和的溶剂，第二容器在第二压力下操作，且第一压力和第二压力在彼此的约20%以内。
在第三个实施方案中，气体纯化系统包括经配置以产生酸气的第一部分，其具有硫化氢（H2S）浓缩器、H2S再吸收器、经过H2S浓缩器的第一溶剂路径、顺序经过H2S浓缩器和H2S再吸收器的第一气体路径，其中配置第一气体路径以将第一气体混合物递送至H2S再吸收器，且第一气体混合物包括汽提气、二氧化碳（CO2）和H2S。气体纯化系统还包括第二溶剂路径，配置所述第二溶剂路径以使在第一压力下CO2饱和的第一溶剂混合物从闪蒸容器流动至H2S再吸收器，以从第一气体混合物去除H2S。
本发明请求保护：
1. 一种气体纯化系统，其包含：
第一部分，所述第一部分包含：
硫化氢（H2S）浓缩器；
H2S再吸收器；
经过所述H2S浓缩器的第一溶剂路径；
经过所述H2S浓缩器和所述H2S再吸收器的第一气体路径；和
第二部分，所述第二部分包含：
二氧化碳（CO2）吸收器；
第一闪蒸容器；
经过所述CO2吸收器和所述第一闪蒸容器的第二溶剂路径，其中所述第二溶剂路径连接所述第一闪蒸容器与所述H2S再吸收器，以允许在所述H2S再吸收器内将H2S吸收进入所述第二溶剂路径。
2. 项目1的系统，其中配置所述第一溶剂路径以使第一溶剂混合物流动至所述H2S浓缩器，并配置所述气体路径以使汽提气流动至所述H2S浓缩器，以从所述第一溶剂混合物去除H2S和CO2而产生包含所述汽提气、H2S和CO2的第一气体混合物。
3. 项目2的系统，其包含经配置以使第一合成气混合物流动至所述CO2吸收器的第二气体路径，其中配置所述第二溶剂路径以使基本无CO2和H2S的溶剂流经所述CO2吸收器，以从所述第一合成气混合物去除CO2而产生第二溶剂混合物，其中所述第二溶剂混合物基本无H2S且为CO2饱和。
4. 项目3的系统，其中配置所述第一气体路径以使所述第一气体混合物流动至所述H2S再吸收器，配置所述第二溶剂路径以使所述第二溶剂混合物流动至所述H2S再吸收器，以产生第三溶剂混合物和包含CO2和所述汽提气的第二气体混合物，且所述第一气体混合物的H2S在所述H2S再吸收器内将所述CO2驱除出所述第二溶剂混合物，以使所述第三溶剂混合物为H2S饱和且基本无CO2。
5. 项目4的系统，其中配置所述第一闪蒸容器以将所述第二溶剂混合物的第一压力降低至第二压力，然后把所述第二溶剂混合物提供到所述H2S再吸收器。
6. 项目4的系统，其中所述第一部分包含溶剂汽提器，该溶剂汽提器沿所述H2S浓缩器下游的第一溶剂路径布置，并沿所述H2S再吸收器下游的第二溶剂路径布置，其中配置所述溶剂汽提器以接收来自所述H2S再吸收器的第三溶剂混合物和来自所述H2S浓缩器的溶剂排出。
7. 项目4的系统，其中所述第二部分包含CO2压缩器，所述第一气体路径连接所述H2S再吸收器与所述CO2压缩器，且配置所述第一气体路径以将所述第二气体混合物递送至所述CO2压缩器。
8. 项目1的系统，其中所述第一闪蒸容器为配置在约4-21bar的闪蒸压力下操作的中压闪蒸容器。
9. 项目1的系统，其中所述第一闪蒸容器和所述H2S再吸收器在基本相同的压力下操作。
10. 项目1的系统，其中所述第一闪蒸容器和所述H2S再吸收器分别在第一压力和第二压力下操作，且所述第一压力和第二压力在彼此的约10%以内。
11. 项目1的系统，其中配置所述气体纯化系统以纯化来自气化器的合成气。
12. 一种气体纯化系统，其包含：
包含第一溶剂路径和第一气体路径的第一部分，其中配置所述第一气体路径以使汽提气流动，以在第一容器中从所述第一溶剂路径去除硫化氢（H2S）和二氧化碳（CO2）而产生第一气体混合物；
包含第二溶剂路径的第二部分，其中配置所述第二溶剂路径以使第一溶剂混合物流动，以在第二容器内从所述第一气体混合物去除H2S并从所述第二溶剂混合物去除CO2，所述第二溶剂混合物包含在第一压力下CO2饱和的溶剂，所述第二容器在第二压力下操作，且所述第一压力和第二压力在彼此的约20%以内。
13. 项目12的系统，其中所述第一部分包含所述第二容器。
14. 项目12的系统，其中所述第二部分包含所述第二容器。
15. 项目12的系统，其中所述第一部分和第二部分通过所述第一气体路径、第二溶剂路径或它们的组合而连接在一起。
16. 项目12的系统，其中所述第二部分包含第三容器和第四容器，配置所述第三容器以使用所述溶剂从合成气流去除CO2，以产生包含在第三压力下CO2饱和的所述溶剂的第二溶剂混合物，配置所述第四容器以从所述第二溶剂混合物产生所述第一溶剂混合物，且其中所述第三压力高于所述第一压力。
17. 一种气体纯化系统，其包含：
经配置以产生酸气的第一部分，所述第一部分包含：
硫化氢（H2S）浓缩器；
H2S再吸收器；
经过所述H2S浓缩器的第一溶剂路径；
顺序经过所述H2S浓缩器和所述H2S再吸收器的第一气体路径，其中配置所述第一气体路径以将第一气体混合物递送至所述H2S再吸收器，且所述第一气体混合物包含汽提气、二氧化碳（CO2）和H2S；和
第二溶剂路径，配置所述第二溶剂路径以使在第一压力下CO2饱和的第一溶剂混合物从闪蒸容器流动到所述H2S再吸收器，以从所述第一气体混合物去除H2S。
18. 项目17的系统，其中配置所述H2S再吸收器以将包含CO2的第二气体混合物输出至第二部分的CO2压缩器，并将包含溶剂的第二溶剂混合物输出至所述第一部分的溶剂汽提器，所述溶剂在第一压力下为H2S饱和且基本无CO2。
19. 项目17的系统，其包含具有所述闪蒸容器的第二部分，其中所述闪蒸容器为在4-21bar操作的中压闪蒸容器，且所述H2S再吸收器在和所述中压闪蒸容器基本相同的压力下操作。
20. 项目17的系统，其中配置所述第一溶剂路径以使包含H2S和CO2饱和的溶剂的第二溶剂混合物流动至所述H2S浓缩器，并配置所述第一气体路径以使汽提气流经所述H2S浓缩器，以从所述第二溶剂混合物去除H2S和CO2而产生所述第一气体混合物。
附图简述
当参照附图阅读以下详述时，本发明的方法的这些和其它特征、方面和优势将变得更好理解，附图中相同字符表示遍及附图的相同部件，其中：
图1为整体气化联合循环（IGCC）发电厂的实施方案的示意图，该发电厂具有经配置以使用富碳溶剂回收硫的气体处理单元。
图2为图1的气体处理单元的实施方案的框图。
图3为图2的气体处理单元的实施方案的示意图，其说明图2中说明的H2S吸收部分和CO2吸收部分的结合；且
图4为图2中说明的CO2吸收部分的配置的实施方案的示意图；且
图5为图2中说明的H2S回收和溶剂汽提部分的配置的实施方案的示意图。
发明详述
本公开的一个或多个具体实施方案将在以下描述。为了提供这些实施方案的简明描述，可能不在说明书中描述实际实施的所有特征。应理解在任何这种实际实施的开发中（如在任何工程或设计项目中），必须作出许多对于实施特定的决定以实现开发者的特定目标，例如遵从系统相关和商业相关的约束，所述约束可从一个实施到另一个变化。此外，应理解这种开发工作可能是复杂和耗时的，但对于受益于本公开的普通技术人员，不过是设计、制备和制造的常规工作。
当引入不同实施方案的要素时，冠词“一个”、“该”和“所述”旨在表示有一个或多个该要素。术语“包含”、“包括”和“具有”旨在是包含性的并表示可能有不同于列举的要素的额外要素。
如上文所示，合成气生产系统，例如气化和/或IGCC系统，一般产生粗的或未经处理的合成气混合物。除合成气的组成气体（即H2和CO）外，粗的或未经处理的合成气混合物可包括（除其它气体外）H2S和CO2。可配置某些工厂实施方案以分离这些气体，作为非限制性的实例，使用一种或多种溶剂（例如物理和/或化学溶剂）从合成气选择性地溶解出这些气体。因为这些气体可能是有用的化学前体和/或有用材料（例如元素硫）的来源，这种分离可能期望使用例如气体纯化系统。例如，在气体纯化系统分离后，可将H2S送到Claus反应器以产生硫，所述的硫可用作催化剂、用作硫的稳定的来源等。可将CO2经管线送到化学厂用于更复杂的有机起始材料（例如醋酸、碳酸或其它化合物）的生产。额外地或替代地，可将CO2的至少一些再循环到用于产生粗的或未经处理的合成气混合物的气化器。因此，可能期望在合成气处理期间在气体纯化系统内使H2S和CO2的回收最大化。
遗憾的是，可能难以从CO2分离H2S，因为这些组分一般在相同气态流中，一般在相似的压力下，且对于某些溶剂可能具有相似的溶解度曲线。因此，对于气体纯化系统，可能难以既满足用于硫处理的高H2S回收要求，又满足用于管线/再循环目的的高CO2回收要求。
这两种气态组分各自的压力和各自的溶解度可至少部分地影响每一种进入给定溶剂的传递。因此，本发明的实施方案涉及的系统用于从CO2分离H2S，并通过在一定温度和压力下将H2S选择性吸收进入溶剂混合物而调整捕获的CO2和H2S的量。具体地，在一个实施方案中，气体纯化系统可利用在第一压力下CO2饱和且基本无H2S的溶剂流，以从在第二压力下具有CO2和H2S两者的气体混合物选择性地去除H2S，所述第一压力和第二压力在彼此的一定容差以内。例如，第一压力和第二压力可能在彼此的约20%、15%、10%或5%以内，或第一压力和第二压力可能基本相同（例如小于约5%差异）。在这样一个实施方案中，H2S可将CO2驱除出溶剂流并进入蒸气相，产生富H2S溶剂流和富CO2气体混合物。可将富H2S溶剂流送到溶剂汽提器用于H2S去除，且可将富CO2气体混合物送到工厂的CO2去除部分。因此，这种配置允许提高提供至硫处理部分的H2S浓度，同时伴随地保持相对高的碳捕获水平。
在一个非限制性实例中，气体混合物可产生于气体纯化系统的H2S浓缩和溶剂汽提部分（例如第一部分）的H2S浓缩器内。此外，基本无H2S且CO2饱和的溶剂流可通过气体纯化系统的CO2吸收部分（例如第二部分）的闪蒸容器（例如，低、中或高压闪蒸容器）产生。因此，在一般意义上，气体路径、溶剂路径或两者可连接气体纯化系统的第一和第二部分。以下讨论结合这种气体纯化系统的IGCC工厂的实施方案。
应注意到虽然本公开中参考IGCC工厂，但本发明的方法可应用于许多实施方案，例如气化厂或代用天然气（SNG）生产厂。当然，包括气体处理和碳捕获部分的任何设备可受益于本文公开的实施方案。现转至附图并首先参考图1，说明的是可通过合成气体（即合成气）驱动的整体气化联合循环（IGCC）系统100的实施方案的图解。IGCC系统100的要素可包括可用作IGCC能量来源的燃料源102，例如固体进料。燃料源102可包括煤（包括低硫含量煤）、石油焦炭、生物质、木基材料、农业废物、焦油、焦炉气和沥青，或其它含碳物品。
可将燃料源102的固体燃料传送到原料制备单元104。原料制备单元104可例如使燃料源102改变大小或改变形状以产生原料。另外，可将水或其它合适液体添加到原料制备单元104中的燃料源102以产生浆料原料。在其它实施方案中，没有液体被添加到燃料源，因此产出干原料。
可将原料从原料制备单元104传送到气化器106。气化器106可将原料转化为合成气，例如一氧化碳（CO）和氢（H2）及其它组分（例如残余气体和固体副产物）的组合。当然，未经处理的合成气混合物109产生于气化器106。作为非限制性的实例，气体混合物可包括合成气，以及CH4、HCl、HF、COS、NH3、HCN和H2S。可认为气体混合物是未经处理的、粗的或酸的合成气，且可包括最多约20体积% H2S。例如，未经处理的合成气可包括约1、5、10、15或20体积% H2S，取决于原料的硫含量。对于一些煤，例如Powder River Basin（PRB）煤（例如次烟煤），可产生相对低H2S水平。如将在下文更详细地讨论，这些低的水平对于可利用富H2S流分离元素硫的硫处理可能是有问题的。
除气态混合物外，气化器106可产生炉渣（slag）107，其可能是湿的灰材料。炉渣107可从气化器106去除并用作路基或用作另外的建筑材料。然后将未经处理的合成气混合物109传送到气体处理单元（GPU）108（例如气体纯化系统）以去除上述各种非合成气组分。总的来说，GPU 108可接收未经处理的合成气混合物109并从未经处理的合成气混合物109去除多种气体，包括HCl、HF、COS、HCN、和H2S。根据某些实施方案，气体处理单元108可利用过程（例如H2S吸收、H2S浓缩、CO2吸收、CO2捕获、CO2脱水等）的组合。此外，GPU 108可将富H2S气体传输到硫处理器110，例如Claus反应器。当然，根据本发明的实施方案，GPU 108可包括一个或多个容器、溶剂路径和气体路径，以将CO2和H2S从合成气分离和隔离并从彼此分离和隔离，以允许高的碳捕获和硫处理水平（即使在次烟（即低硫）煤用于气化的情况下）。H2S气体可通过硫处理器110处理以产生硫111用于输出。可通过水处理单元112将盐113从未经处理的合成气混合物109分离，水处理单元112利用水纯化技术从未经处理的合成气产生可用的盐113。
如所提及，可配置GPU 108以进行二氧化碳（CO2）捕获。使用一种或多种溶剂（例如物理和/或化学溶剂），将CO2 114从合成气去除并传输到例如管线，用于外部传输或用于发电过程。
在上述一些过程之后和/或基本同时，可认为退出GPU 108的气体是经处理的、脱硫的和/或纯化的合成气115。即经处理的合成气115可基本无硫以及基本无残余气体组分。退出GPU 108的经处理的合成气可具有充足的纯度用作燃料。作为非限制性的实例，退出GPU 108的经处理的合成气115可包括小于约25ppmv H2S，例如1-25ppmv。在一个实施方案中，经处理的合成气115可包括小于约1ppmv H2S。可将该经处理的合成气115作为可燃燃料传输至气体涡轮发动机118，例如传输至发动机118的燃烧室120。
IGCC系统100还可包括空气分离单元（ASU）122。ASU 122可通过例如蒸馏技术操作而将空气分离为组分气体。ASU 122可将氧从补充空气压缩器123提供的空气分离。然后ASU122可将经分离的氧转移到气化器106。另外，ASU 122可将经分离的氮气传输至稀释氮气（DGAN）压缩器124。
DGAN压缩器124可将从ASU 122接收的氮气压缩到至少等于燃烧室120中的那些的压力水平，以不妨碍合成气的燃烧。因此，一旦DGAN压缩器124将氮气充分压缩至合适水平，DGAN压缩器124可将压缩的氮气传输至气体涡轮发动机118的燃烧室120。
气体涡轮发动机118可包括涡轮130、驱动轴131和压缩器132，以及燃烧室120。燃烧室120可接收燃料，例如经处理的合成气，其可在压力下从燃料喷嘴注入。可将该燃料与压缩空气以及来自DGAN压缩器124的压缩氮气混合，并在燃烧室120内燃烧。该燃烧可产生热的加压废气。
燃烧室120可将废气导向涡轮130的排气出口。当来自燃烧室120的废气经过涡轮130时，废气可迫使涡轮130中的涡轮叶片沿气体涡轮发动机118的轴转动驱动轴131。如所说明，驱动轴131与气体涡轮发动机118的不同组件（包括压缩器132）连接。
驱动轴131可将涡轮130连接到压缩器132以形成转子。压缩器132可包括连接到驱动轴131的叶片。因此，涡轮130中涡轮叶片的旋转可使驱动轴131（其将涡轮130连接到压缩器132）转动压缩器132内的叶片。这导致压缩器132压缩经压缩器132中的空气入口接收的空气。然后可将压缩空气进料到燃烧室120。驱动轴131还可连接到负载134，其可能是固定负载，例如用于（例如在电厂中）产生电力的发电机。当然，负载134可能是通过气体涡轮发动机118的旋转输出而驱动的任何合适装置。
IGCC系统100还可包括蒸汽涡轮发动机136和热量回收蒸汽发生（HRSG）系统138。蒸汽涡轮发动机136可驱动器第二负载140。第二负载140也可以是用于产生电力的发电机。然而，第一负载134和第二负载140两者可以是能由气体涡轮发动机118和蒸汽涡轮发动机136驱动的其它类型负载。此外，虽然气体涡轮发动机118和蒸汽涡轮发动机136可驱动单独的负载134和140，如所说明的实施方案所显示，但气体涡轮发动机118和蒸汽涡轮发动机136还可用于通过单个轴而协力驱动单个负载。蒸汽涡轮发动机136以及气体涡轮发动机118的具体配置可能对于实施是特定的，且可包括部分的任何组合。
可将来自气体涡轮发动机118的经加热的废气运输至HRSG 138中并用于加热水和产生用于驱动蒸汽涡轮发动机136的蒸汽。可将来自例如蒸汽涡轮发动机136的低压部分的排气引导至冷凝器142中。冷凝器142可利用冷却塔144交换经加热的水和冷却水，其可辅助冷凝从蒸汽涡轮发动机136传输到冷凝器142的蒸汽。接着可将来自冷凝器142的冷凝物引导到HRSG 138中。还可再次将来自气体涡轮发动机118的排气引导到HRSG 138中以加热来自冷凝器142的水并产生蒸汽。
在联合循环系统例如IGCC系统100中，热排气可从气体涡轮发动机118流动并传送到HRSG 138，其中所述热排气可用于产生高压、高温蒸汽。由HRSG 138产生的蒸汽然后可经过蒸汽涡轮发动机136用于发电。此外，产生的蒸汽还可提供至其中可能使用蒸汽的任何其它过程，例如提供至气化器106。气体涡轮发动机118发生循环通常称为“顶循环”，而蒸汽涡轮发动机136发生循环通常称为“底循环”。通过如图1中所说明组合这两个循环，IGCC系统100可导致两个循环中更高的效率。特别地，可捕获来自顶循环的废热并用于产生蒸汽供底循环使用。
如所提及，本文公开的实施方案总的涉及使用在GPU 108的CO2吸收部分产生的溶剂混合物，以从在GPU 108的H2S回收部分产生的气态流去除H2S。根据一定的方法，溶剂混合物在第一压力下为CO2饱和并为贫H2S，其允许从气态流去除H2S。这种配置总的描绘于图2的框图，其说明具有H2S吸收部分150、CO2吸收部分152和H2S回收和溶剂汽提部分154的GPU108的实施方案。
如所说明，H2S吸收部分150把第一气态流156提供至CO2吸收部分152并从CO2吸收部分152接收第一溶剂流158。气态流156包括在其相应的压力下贫H2S和富CO2的合成气流。基本地，第一气态流156是从产生于气化器（例如图1的气化器106）内的粗的或未经处理的合成气109去除H2S的产物。CO2吸收部分152利用溶剂160，例如物理或化学溶剂（例如聚乙二醇的甲基·叔丁基醚（MTBPG）、聚乙二醇的甲基·异丙基醚（MIPG）、聚乙二醇的甲基·乙基醚（MEPG）或聚乙二醇的二甲醚（DEPG））或它们的组合，以去除第一气态流156内含有的CO2的大部分（例如至少约50、60、70、80或90%去除）而产生第一溶剂流158和经处理的合成气115。因此，第一溶剂流158含有大量CO2，且在一些实施方案中可在其相应的压力下为CO2饱和。一般地，可认为第一溶剂流158为贫H2S和富CO2。如下文关于图3更详细地讨论，第一溶剂流158可用于在H2S吸收部分150中从粗的或未经处理的合成气109去除H2S。使用第一溶剂流158，H2S吸收部分150因此产生第二溶剂流162，其富含H2S和CO2两者。正是该溶剂流经操作（使用CO2吸收部分152和H2S回收和溶剂汽提部分154两者）来解决回收的CO2 114和用于硫处理的回收的H2S 164（例如酸气流）的不同的期望规格。
例如，回收的CO2 114可包括用于碳捕获的CO2流166和用于再循环至气化器（例如图1的气化器106）的CO2流168。这些的每一个的规格可能基本相同，或它们可能不同，取决于过程要求。例如，对用于碳捕获的CO2流166，可能期望大于约90体积% CO2，乃至大于约95体积% CO2。类似地，用于硫处理的回收的H2S 164的规格，可能要求最低限度的H2S水平，以使回收的H2S流164为至少约20%、25%或至少约30% H2S（按体积计）。
为使GPU 108能满足这些规格，H2S回收和溶剂汽提部分154使用汽提气170，例如相对非反应性气体（例如N2、Ar、He），以从第二溶剂流162中的溶剂分离CO2和H2S。因此，H2S回收和溶剂汽提部分154内部产生具有汽提气、CO2和H2S的气态混合物。该气态混合物与来自CO2吸收部分152的第三溶剂流172逆向流动。第三溶剂流172在其相应的压力下为富CO2和贫H2S。当流172与气态混合物逆向流动时，流172能从气态混合物去除H2S。此外，如下文关于图5所详细讨论，根据一个实施方案，第三溶剂流172和气态混合物在混合容器内压力匹配，以使气态混合物的H2S将第三溶剂流172的CO2取代到蒸气相内。因此，富CO2且基本无H2S的第二气态流174得以产生，并贡献于总体回收的CO2 114。即回收的CO2的总量可提高。
富含从气态混合物去除的H2S的溶剂混合物也在H2S回收和溶剂汽提部分154内内部产生。该溶剂混合物经进一步处理（例如闪蒸）以产生再循环溶剂176和H2S流164。根据所公开的实施方案，该回收方法提高回收的H2S的总量和浓度。
现转至图3，提供的示意图说明GPU 108的一部分的实施方案，其中H2S吸收部分150的H2S吸收器190连接到CO2吸收部分152的CO2吸收器192。如本文定义，H2S吸收器（例如H2S吸收器190）旨在表示以下的任何容器：其中H2S从具有H2S的气态混合物或另一个溶剂流被吸收或者带入溶剂（例如物理或化学溶剂）。例如，在一个实施方案中，H2S吸收器可从气态混合物吸收仅一些H2S或全部H2S。类似地，CO2吸收器，如本文定义，旨在表示以下的任何容器：其中CO2从具有CO2的气态混合物或另一个溶剂流被吸收或者带入溶剂（例如物理或化学溶剂）。因此，在一些实施方案中，CO2吸收器可从气态混合物吸收仅一些CO2或全部CO2。因此，在本发明的实施方案中，第一溶剂流158用于（在H2S吸收器190内）从未经处理的合成气109（其沿气化器106和GPU 108之间的路径流动）去除H2S的大部分。具体地，当未经处理的合成气109经过该路径时，它进入H2S吸收器190，在其中它与第一溶剂流158混合。
H2S吸收器190可以是容器，例如柱或伸长的罐，其经配置以允许将未经处理的合成气109与第一溶剂流158混合。在所说明的实施方案中，未经处理的合成气109在H2S吸收器190的下部区域处进入H2S吸收器190。相反地，第一溶剂流158在上部区域处进入到H2S吸收器190。由于该配置，允许未经处理的合成气109通过逆流作用有效率地与第一溶剂流158混合。当第一溶剂流158与未经处理的合成气109混合时，其从未经处理的合成气109去除H2S的大部分连同一些CO2。因此，脱硫合成气流（基本去除H2S）退出H2S吸收器190作为第一气态流156，而将富H2S的第二溶剂流162提供到H2S回收和溶剂汽提部分154。
在降低的温度和提高的压力下（例如高于标准温度和压力），H2S在某些溶剂（例如物理溶剂）内的溶解度可大于其它气态组分（例如合成气、CO2）的溶解度。因此，在某些实施方案中，换热器196（例如冷冻器）和泵198可沿溶剂路径200而布置，以分别使第一溶剂流158冷却和流动，以允许H2S进入溶剂的吸收增强。例如，流158可加压至约27-42bar并冷却至约0-20℃。即流入H2S吸收器190的溶剂流158可处于约30-40bar、32-38bar或34-36bar的压力下。与在标准压力和温度下的溶剂相比，通过加压和冷却流158，流158的溶剂溶解硫气体（即H2S）的能力可提高。当然，在一些实施方案中，流经气体路径204至CO2吸收器192的第一气态流156可具有最多约5-55ppmv的H2S（例如约5、10、15、20、25、30、35、40、45、50或55ppmv）。
在操作期间，可将溶剂160（例如再循环溶剂）经路径202引导至CO2吸收器192。在CO2吸收器192中，流经气体路径204的第一气态流156进入CO2吸收器192的底部部分。由往下流的溶剂流160和往上升的第一气态流156之间的逆流产生的混合导致CO2饱和的溶剂流206经路径208（其为二分叉）退出CO2吸收器192。具体地，路径208二分叉为溶剂路径200和另外的溶剂路径210（其通向CO2回收部分212）。泵198可至少部分地推动第一溶剂流158经过路径200，而其提供推动力的水平可至少部分地影响CO2饱和的溶剂206送到路径200对比于送到路径210的量。
根据本发明的实施方案，回收的CO2的量和在酸气中回收的H2S的浓度（即图2的流164中H2S的浓度）可能受CO2饱和的溶剂206提供至路径200对比提供至路径210的比例的影响。一般地，增加沿路径210发送的CO2饱和的溶剂206的分数导致更高的通过GPU 108的CO2回收和H2S浓度。作为非限制性的实例，在其中未经处理的合成气109为低H2S（即燃料源102为低硫）的实施方案中，分开CO2饱和的溶剂206以使路径208中CO2饱和的溶剂206的大于约90%被送往路径210，导致在H2S回收和溶剂汽提部分154处回收的酸气中H2S浓度提高。即在某些情况下，燃料源102可相对地低硫。在这些情况下，可获得用于合成气的目标量，但回收的硫的量可能不满足用于硫回收的适当水平。图5中说明的配置，其中将CO2饱和的溶剂206的大部分（例如约90%）提供至路径210，这提高回收的酸气流中硫的浓度。此外，在换热器196处将CO2饱和的溶剂206的温度降低到约0-20℃（例如15、10、5或0℃）可利于这种提高的浓度。
说明CO2吸收部分152的实施方案的示意图说明于图4。具体地，图4的CO2吸收部分152包括CO2吸收器192和配置用于CO2回收的各种闪蒸容器。如上讨论，配置CO2吸收器192以洗涤贫H2S和富CO2的第一气态流156，以去除CO2的大部分而产生经处理的合成气115和CO2饱和的溶剂流206。再次将流206的一部分沿路径200送往H2S吸收器180（图3），而将流206的另一部分沿溶剂路径210发送作为第一溶剂混合物A 218用于CO2回收。
具体地，溶剂路径210通往包括高压（HP）闪蒸容器220、中压（MP）闪蒸容器222和低压（LP）闪蒸容器224的一系列闪蒸容器。应注意到虽然下文提供实例压力以便于本发明的实施方案的讨论，词组“高压”、“中压”和“低压”旨在表示闪蒸容器之间的相对压力。此外，应注意到介绍三个闪蒸容器的使用也是为了便于讨论。因此，通过本文介绍的方式连接CO2吸收和H2S回收部分并具有任何数量的闪蒸容器（例如一个或多个）的配置是本发明所预期的。此外，术语“闪蒸”，如本公开中定义，旨在表示闪蒸蒸发。因此，当容器将溶剂混合物“闪蒸”时，所述容器进行所述溶剂混合物的闪蒸蒸发，所述溶剂的至少一部分经历迅速挥发。
一般地，配置闪蒸容器以顺序地降低第一溶剂混合物A 218的压力，这产生蒸气相的CO2用于CO2捕获和/或再循环。溶剂路径210首先通向HP闪蒸容器220，其将第一溶剂混合物A 218闪蒸以产生相应的第一压力下的第一CO2流226。作为非限制性实例，HP闪蒸容器220可在约6-27bar（例如约8、10、12、14、16、18、20、22、24或26bar）的压力下操作，第一CO2流226具有基本相同的压力。将第一CO2流226送到再循环压缩器228，其产生CO2流168。再循环CO2 168可用作再循环流而通往气化器（例如图1的气化器106）、通往H2S吸收器190、通往图1的系统100在气化器106和H2S吸收器190之间的区域或系统100中任何合适的部分。
HP闪蒸容器220还产生第一溶剂混合物B 230，其包括在基本等于HP闪蒸容器220的相应压力下CO2饱和且贫H2S（例如基本无H2S）的溶剂。第一溶剂混合物B 230沿溶剂路径210流动至MP闪蒸容器222。配置MP闪蒸容器222以在其操作压力（其低于HP闪蒸容器220的压力）下将第一溶剂混合物B 230闪蒸。作为非限制性实例且相对于上文列出的HP闪蒸容器220的范围，MP闪蒸容器222的操作压力可为约4-21bar，例如约6-20bar、8-18bar、10-16bar或约12-14bar。
MP闪蒸容器222产生第二CO2流232，其分为通向再循环压缩器228的第一CO2路径234和通向碳捕获压缩器238的第二CO2路径236，配置压缩器238以产生CO2流166（图2）。如以上关于图2所示，将CO2流166送到各种工厂设施用于碳捕获，例如碳捕获岛239。除第二CO2流232外，MP闪蒸容器222还产生第一溶剂混合物C 240，其在其相应的压力（例如与MP闪蒸容器222基本相同）下为富CO2和贫H2S。
如所说明的，将第一溶剂混合物B 230分开：沿主要溶剂路径210提供到LP闪蒸容器224的第一部分，即第一溶剂混合物C 240，和分成分叉的溶剂路径242的第二部分。具体地，第一溶剂混合物B 230的第二部分为第三溶剂流172，其用于H2S回收和溶剂汽提部分154。如下文关于图4更详细地讨论，富CO2和贫H2S的第三溶剂流172用于从CO2和产生于H2S回收和溶剂汽提部分154内的H2S的气态混合物去除H2S。当然，由于该处理，富CO2和基本无H2S的第二气态流174得以产生并提供至碳捕获压缩器238。
回到第一溶剂混合物B 230，将所述第一部分提供至LP闪蒸容器224，其在低于MP闪蒸容器222的压力的相应压力下操作。作为非限制性实例，LP闪蒸容器224的压力可为约1-6bar，例如约1-5或2-4bar。再一次，低于MP闪蒸容器220和HP闪蒸容器224的压力的任何压力是本发明所预期的。LP闪蒸容器224将第一溶剂混合物C 240闪蒸以产生提供到碳捕获压缩器238的第三CO2流244。LP闪蒸容器224还产生第四溶剂混合物246，其在基本等于LP闪蒸容器224的压力的压力下为CO2饱和且贫H2S。如所说明，第四溶剂混合物246作为再循环溶剂的来源提供至CO2吸收器192。然而，除CO2吸收器192外或代替CO2吸收器192，第四溶剂混合物246可送至系统的其它区域，例如至极低压闪蒸容器（LLP）闪蒸容器、储罐（例如溶剂储罐）、换热器或工厂的类似区域。
如以上关于图2所示，配置H2S回收和溶剂汽提部分154以使用富CO2、贫H2S的溶剂流以从H2S/CO2气体混合物去除H2S。在进行该去除中，部分154提高回收的H2S，同时允许提高的CO2回收。H2S回收和溶剂汽提部分154的一个实施方案示意性地描绘于图5。如所说明，H2S回收和溶剂汽提部分154包括H2S浓缩器250、H2S再吸收器252和溶剂汽提器254。
配置H2S浓缩器250以沿第一溶剂路径256从H2S吸收部分150接收第二溶剂流162（其富含H2S和CO2两者）。在一个实施方案中，如说明于图3和图5，H2S浓缩器250从H2S吸收器190接收第二溶剂流162。H2S浓缩器250还从气体路径258接收汽提气170。汽提气170可包括如上所示的任何基本惰性的气体，并在H2S浓缩器250内逆向第二溶剂流162而流动。这使汽提气170能从第二溶剂流162去除H2S和CO2的大部分以产生包括至少H2S、CO2和汽提气170的第一气态混合物260。当然，H2S浓缩器，如本文定义，旨在表示在其中H2S浓缩成溶剂混合物或气体混合物的任何容器。因此，通过使用汽提气170从溶液去除H2S，H2S在H2S浓缩器250内变得浓缩而成为第一气态混合物260。
第一气态混合物260沿气体路径258流动到H2S再吸收器252。如下文将详细讨论，H2S再吸收器252还沿分叉的溶剂路径242而布置，路径242在MP闪蒸容器222处从主溶剂路径210分叉，如说明于图4。此外，H2S再吸收器，如本文定义，旨在表示以下的任何容器：在其中H2S从具有H2S（其首先在单独的容器中从溶剂混合物去除）的气态混合物被吸收或者带入溶剂。因此，如下文更详细地讨论，H2S再吸收器252从具有H2S（其首先在H2S浓缩器250内被去除）的气态混合物260再吸收H2S。
配置第一溶剂路径256以使第一溶剂混合物262（其可包括一些CO2和一些H2S）从H2S浓缩器250流动到溶剂汽提器254。因此，在所说明的实施方案中，第一溶剂路径256将H2S浓缩器250连接到溶剂汽提器254。此外，在某些实施方案中，还可将不同的换热器和/或泵布置于H2S浓缩器250和溶剂汽提器254之间，以满足在溶剂汽提器254处理第一溶剂混合物262的特定规格。下文更详细地讨论这种处理。
回到在H2S浓缩器250产生的第一气态混合物260，在H2S再吸收器252内将第一气态混合物260与在CO2吸收部分152内产生的第三溶剂流172混合。如以上关于图4所述，第三溶剂流172产生于MP闪蒸容器222，以使第三溶剂流172包括在中压下CO2饱和的溶剂。然而，应注意到第三溶剂流172的其它压力也是本发明所预期的。因此，本发明预期除MP闪蒸容器222外或代替使用MP闪蒸容器222，可使用HP闪蒸容器220和/或LP闪蒸容器224产生第三溶剂流172。因此，第三溶剂流172在高压、中压或低压下可为CO2饱和。然而，根据所说明的实施方案，第三溶剂流172在中压下为CO2饱和。这种压力可能对于匹配（例如，基本等于）第一气态混合物260的压力是期望的。然而，一般地，用于产生第三溶剂流172的H2S再吸收器252和闪蒸容器可在各自的压力下操作，所述各自的压力在彼此的约20%以内、在彼此的约10%以内、在彼此的约5%以内或在约相同的压力下。这些相对压力水平可使第一气态混合物260的H2S能取代第三溶剂流172的CO2。
第一气态混合物260在H2S再吸收器252内与第三溶剂流172逆向流动，以使第一气态混合物260内的H2S被吸收到第三溶剂流172的溶剂中。此外，第一气态混合物260中的H2S还可取代第三溶剂流172内包含的CO2的一些或基本全部（由于H2S在溶剂中相对于CO2的提高的溶解度），以产生第二气态流174（其富CO2且基本无H2S）作为塔顶气。第二气态流174还可包括汽提气。
H2S再吸收器252可包括用于增强液体-蒸汽接触和混合的特征的任何一种或组合。因此，H2S再吸收器可包括一个或多个浮阀塔板、具有球形或圆形元件以提高表面积的填充塔、Raschig环或它们的任何组合。由于该混合，可从第一气态混合物260去除H2S的约20-100%。例如可从第一气态混合物260去除H2S的约40-100%、60-100%、80-100%、90-99%或约92-98%。此外，在第三溶剂流172内的CO2的至少约10%可被第一气态混合物260的H2S取代而进入蒸气相。例如，CO2的约10-100%可被取代而进入蒸气相，例如约20-100%、30-100%、40-100%、50-99%或约60-90%。在某些实施方案中，CO2的至少约60%、至少约75%或至少约85%可被取代。
因此，H2S再吸收器252产生第二气态流174（其富CO2且基本无H2S）和第三溶剂混合物270（其富H2S且贫CO2）。在一个实施方案中，第三溶剂混合物270基本无CO2。第三溶剂混合物270沿分叉的溶剂路径242流动到溶剂汽提器254。因此，第三溶剂混合物270的溶剂可与第一溶剂混合物262组合。
溶剂汽提器254可将第一溶剂混合物262和第三溶剂混合物270闪蒸以产生回收的H2S流164作为塔顶酸气和再循环溶剂176。特别地，在所说明的实施方案中，再循环溶剂176可通过溶剂汽提器254与再沸器274组合而产生。配置再沸器274以将经汽提的溶剂混合物276（由溶剂汽提器254输出）加热至沸点，而且在某些实施方案中还可使汽提气（例如汽提气170的一部分）逆向经沸腾汽提的溶剂混合物276而流动。汽提气170因此将一些蒸发的溶剂、一些CO2和一些H2S作为经再沸的气态混合物278再循环到溶剂汽提器254。
如以上关于图2所示，可将回收的H2S流164提供至硫回收部分272内的硫处理器（例如Claus反应器）用于分离元素硫。因此，由GPU 108回收的硫的量可能至少部分地取决于第三溶剂流172的H2S浓度。再一次，本发明的实施方案通过使用第三溶剂流172从第一气态混合物260分离H2S而提供该浓度的提高。
本书面说明使用实例以公开本发明的实施方案（包括最佳方式），还使本领域任何技术人员能实施本发明（包括制造和使用任何装置或系统和进行任何结合的方法）。本发明的可专利范围由权利要求限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果它们具有的结构要素与权利要求的字面用语没有差异，或如果它们包括的等价结构要素具有与权利要求的字面用语非实质的差异，则这些其它实例预期在权利要求的范围内。
Claims (15)
1.一种气体纯化系统，其包含：
第一部分，所述第一部分包含：
硫化氢（H2S）浓缩器；
H2S再吸收器；
经过所述H2S浓缩器的第一溶剂路径；
经过所述H2S浓缩器和所述H2S再吸收器的第一气体路径；和
第二部分，所述第二部分包含：
二氧化碳（CO2）吸收器；
第一闪蒸容器；
经过所述CO2吸收器和所述第一闪蒸容器的第二溶剂路径，其中所述第二溶剂路径连接所述第一闪蒸容器与所述H2S再吸收器，以允许在所述H2S再吸收器内将H2S吸收进入所述第二溶剂路径；
其中所述第一闪蒸容器和所述H2S再吸收器分别在第一压力和第二压力下操作，且所述第一压力和所述第二压力在彼此的20%以内；
其中，所述第一溶剂路径配置为以使第二溶剂流流动至所述H2S浓缩器，并且所述第一气体路径配置为以使汽提气流动至所述H2S浓缩器，以从所述第二溶剂流去除H2S和CO2而产生包含所述汽提气、H2S和CO2的第一气体混合物；
所述气体纯化系统还包括：
第二气体路径，所述第二气体路径配置为以使第一合成气混合物流动至所述CO2吸收器，其中所述第二溶剂路径还配置为以使基本无CO2和H2S的溶剂流经所述CO2吸收器，以从所述第一合成气混合物去除CO2而产生第三溶剂流，其中所述第三溶剂流基本无H2S且为CO2饱和；
其中，所述第一气体路径配置为以使第一气体混合物流动至所述H2S再吸收器，所述第二溶剂路径配置为以使所述第三溶剂流流动至所述H2S再吸收器，以产生第三溶剂混合物和包含CO2和所述汽提气的第二气体混合物，且所述第一气体混合物的H2S在所述H2S再吸收器内将所述CO2驱除出所述第三溶剂流，以使所述第三溶剂混合物为H2S饱和且基本无CO2。
2.权利要求1的系统，其中配置所述第一闪蒸容器以将所述第三溶剂流的第一压力降低至第二压力，然后把所述第三溶剂流提供到所述H2S再吸收器。
3.权利要求1的系统，其中所述第一部分包含溶剂汽提器，该溶剂汽提器沿所述H2S浓缩器下游的第一溶剂路径布置，并沿所述H2S再吸收器下游的第二溶剂路径布置，其中配置所述溶剂汽提器以接收来自所述H2S再吸收器的第三溶剂混合物和来自所述H2S浓缩器的溶剂排出。
4.权利要求1的系统，其中所述第二部分包含CO2压缩器，所述第一气体路径连接所述H2S再吸收器与所述CO2压缩器，且配置所述第一气体路径以将所述第二气体混合物递送至所述CO2压缩器。
5.权利要求1的系统，其中所述第一闪蒸容器为配置在4-21bar的闪蒸压力下操作的中压闪蒸容器。
6.权利要求1的系统，其中所述第一闪蒸容器和所述H2S再吸收器在相同的压力下操作。
7.权利要求1的系统，其中所述第一压力和所述第二压力在彼此的10%以内。
8.权利要求1的系统，其中配置所述气体纯化系统以纯化来自气化器的合成气。
9.一种气体纯化方法，其包含：
提供第一溶剂路径和第一气体路径的第一部分，其中配置所述第一气体路径以使汽提气流动，以在第一容器中从所述第一溶剂路径去除硫化氢（H2S）和二氧化碳（CO2）而产生第一气体混合物；
提供第二溶剂路径的第二部分，其中配置所述第二溶剂路径以使第三溶剂流流动，以在第二容器内从所述第一气体混合物去除H2S并从所述第三溶剂流去除CO2，所述第三溶剂流包含在第一压力下CO2饱和的溶剂，所述第二容器在第二压力下操作，且所述第一压力和第二压力在彼此的20%以内。
10.权利要求9的方法，其中所述第一部分包含所述第二容器。
11.权利要求9的方法，其中所述第二部分包含所述第二容器。
12.权利要求9的方法，其中所述第一部分和第二部分通过所述第一气体路径、第二溶剂路径或它们的组合而连接在一起。
13.一种气体纯化方法，其包含：
提供经配置以产生酸气的第一部分，所述第一部分包含：
硫化氢（H2S）浓缩器；
H2S再吸收器；
经过所述H2S浓缩器的第一溶剂路径；
顺序经过所述H2S浓缩器和所述H2S再吸收器的第一气体路径，其中配置所述第一气体路径以将第一气体混合物递送至所述H2S再吸收器，且所述第一气体混合物包含汽提气、二氧化碳（CO2）和H2S；和
第二溶剂路径，配置所述第二溶剂路径以使在第一压力下CO2饱和的第三溶剂流从闪蒸容器流动到所述H2S再吸收器，以从所述第一气体混合物去除H2S并从所述第三溶剂流去除CO2；
其中所述闪蒸容器和所述H2S再吸收器分别在第一压力和第二压力下操作，且所述第一压力和所述第二压力在彼此的20%以内。
14.权利要求13的方法，其包含具有所述闪蒸容器的第二部分，其中所述闪蒸容器为在4-21bar操作的中压闪蒸容器，且所述H2S再吸收器在和所述中压闪蒸容器相同的压力下操作。
15.权利要求13方法，其中配置所述第一溶剂路径以使包含H2S和CO2饱和的溶剂的第二溶剂流流动至所述H2S浓缩器，并配置所述第一气体路径以使汽提气流经所述H2S浓缩器，以从所述第二溶剂流去除H2S和CO2而产生所述第一气体混合物。
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