CN104995131A - 用于从废气中隔离二氧化碳的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

用于从废气中隔离二氧化碳并将回收的气体直接重新使用而没有排放忧虑的方法和装置，其包括：给出被分成工艺气和废气的气源：将该工艺气与烃混合并将所得的进料气进料至重整器来将进料气重整并形成还原气；并将该废气的至少一部分进料至二氧化碳洗涤器来从废气中除去二氧化碳的至少一部分并形成与该还原气混合的贫二氧化碳气。

Description

用于从废气中隔离二氧化碳的方法和装置
相关申请的交叉引用
本专利申请/专利是在2010年4月19日提交的题为“用于从废气中隔离二氧化碳的方法和装置(Method and Apparatus for Sequestering CarbonDioxide From a Spent Gas)”的同时待审的美国专利申请号12/762,618的申请的部分继续，该美国专利申请要求了在2009年4月20日提交的题为“用于从炉顶煤气燃料中隔离二氧化碳的方法和装置(Method and Apparatusfor Sequestering Carbon Dioxide From a Top Gas Fuel)”的美国临时专利申请号61/170,999的的优先权，这两个申请的全部内容通过引入结合在此。
发明领域
本发明一般涉及用于将铁氧化物直接还原成金属铁等工艺的方法和装置。更具体地，本发明涉及用于从与这类工艺相关的废气中隔离二氧化碳的方法和装置。
发明背景
在许多工业过程中需要在直接还原工艺中从诸如炉顶煤气燃料源的二次燃料源中除去二氧化碳的有效和高效的方法。换句话说，在许多工业过程中需要用于从另外的废燃料源中除去二氧化碳的有效和高效的方法，使其可以用作一次燃料源而没有排放忧虑。在一些情况下，政府的政策要求这种二氧化碳的除去，并且二氧化碳排放控制的需要在将来只会增加。直接还原包括将铁氧化物矿石还原成金属铁粒料、块料或粉粒，其中铁氧化物被含氢气和/或一氧化碳的气体还原，产生二氧化碳副产物。
发明简述
在本发明的一个示例性实施方案中，用于从炉顶煤气燃料中隔离二氧化碳的方法，其包括：给出被分成工艺气和炉顶煤气燃料的炉顶煤气：将工艺气与烃混合并将所得的重整器进料气进料至二氧化碳和蒸汽重整器来将重整器进料气重整并形成还原气；以及将炉顶煤气燃料进料至二氧化碳洗涤器来从该炉顶煤气燃料中除去至少一些二氧化碳并在加入烃之后形成进料至该二氧化碳和蒸汽重整器的重整器燃料气。本方法也包括压缩工艺气和炉顶煤气燃料。本方法还包括从炉顶煤气产生蒸汽。本方法还进一步包括洗涤炉顶煤气以除去灰尘。任选地，该炉顶煤气是从还原炉获得的。任选地，本方法还进一步包括将还原气与氧和烃混合以形成环风管(bustle)气并将该环风管气进料至还原炉。二氧化碳洗涤器也产生贫二氧化碳气。本方法还进一步包括将贫二氧化碳气与还原气混合。任选地，本方法还进一步包括在将贫二氧化碳气与还原气混合或者将其用作燃料之前将贫二氧化碳气预热。二氧化碳和蒸汽重整器也产生烟道气。本方法还进一步包括从烟道气中产生蒸汽。任选地，本方法还进一步包括使用烟道气预热另一种气体。任选地，炉顶煤气和环风管气与用于将铁氧化物转化为金属铁的直接还原工艺相关。
在本发明的另一个示例性实施方案中，用于从炉顶煤气燃料中隔离二氧化碳的装置包括：用于将炉顶煤气分成工艺气和炉顶煤气燃料的一个或多个导管；用于将工艺气与烃混合并将所得的重整器进料气进料至二氧化碳和蒸汽重整器来将重整器进料气重整并形成还原气的一个或多个导管；和用于将炉顶煤气燃料进料至二氧化碳洗涤器来从该炉顶煤气燃料中除去至少一些二氧化碳并在加入烃之后形成进料至该二氧化碳和蒸汽重整器的重整器燃料气的一个或多个导管。本装置还包括一个或多个气体压缩机，用于压缩工艺气和炉顶煤气燃料。本装置还包括低压蒸汽锅炉，用于从炉顶煤气产生蒸汽。本装置还进一步包括湿式洗涤器，用于洗涤炉顶煤气以除去灰尘。任选地，该炉顶煤气是从还原炉获得的。任选地，本装置还进一步包括的用于将还原气与氧和烃混合以形成环风管气并将该环风管气进料至还原炉一个或多个导管。二氧化碳洗涤器也产生贫二氧化碳气。本装置还进一步包括用于将贫二氧化碳气与还原气混合的一个或多个导管。任选地，本装置还进一步包括预热器，用于在将贫二氧化碳气与还原气混合或者将其用作燃料之前将贫二氧化碳气预热。二氧化碳和蒸汽重整器也产生烟道气。本装置还进一步包括低压蒸汽锅炉，用于从烟道气产生蒸汽。任选地，本装置还进一步包括用于使用烟道气来预热另一种气体的一个或多个导管。任选地，炉顶煤气和环风管气与将铁氧化物转化为金属铁的直接还原工艺相关。
在本发明的进一步示例性的实施方案中，用于从废气中隔离二氧化碳并将其作为再循环的气体重新使用而没有排放忧虑的方法包括：给出被分成工艺气和废气的气源：将工艺气与烃混合并将所得的进料气进料至重整器来将进料气重整并形成还原气；并且将废气的至少一部分进料至二氧化碳洗涤器来从废气中除去至少一些二氧化碳并形成与还原气混合的贫二氧化碳气。任选地，本方法还包括将废气的至少一部分进料至二氧化碳洗涤器来从废气中除去至少一些二氧化碳并在加入烃之后形成进料至重整器的燃料气。
本发明的二氧化碳隔离方法提供了高效循环，通过其可以重新捕获在初级过程中未被使用并被排出的一氧化碳和氢气，从而最小化不期望的排放。
附图的简要说明
通过参照各附图，本文示出并描述了本发明，其中，适当时，类似的附图标记用于表示类似的方法步骤/装置部件，并且其中：
图1是本发明的用于从炉顶煤气燃料中隔离二氧化碳的方法/装置的流程图/示意图；并且
图2是本发明的直接还原工艺的流程图/示意图。
发明详述
参照图1，在本发明的一个示例性实施方案中，用于从炉顶煤气燃料10中隔离二氧化碳的装置固有地包含竖炉还原炉12等。在本实施例中，还原炉12包括加料漏斗(未示出)，铁氧化物粒料、块料或粉粒以预定速率进料至其中。铁氧化物粒料、块料或粉粒从加料漏斗通过也用作气体密封管的进料管(未示出)通过重力下降入还原炉12。在还原炉12的底部是一个也用作气体密封管的排出管(未示出)。出料加料器(discharge feeder)(未示出)，如电振动加料器等，布置在排出管下面，并接收金属铁粒料、块料或粉粒，由此建立了用于通过还原炉12的炉料的重力下降系统。
在还原炉12的接近中点处是环风管和风口系统(未示出)，通过环风管和风口系统，在约700摄氏度至约1050摄氏度之间的温度下引入热还原气。热还原气向上流过还原炉12的还原区，与粒料、块料或粉粒的流相反，并通过设在还原炉12顶部的气体排出管(未示出)离开还原炉12。进料管在气体排出管之下延伸，这样的空间排布形成废气脱离通风，其允许废气从输料管线中脱离并自由流动至气体排出管。该热还原气，从环风管和风口系统流向气体排出管，用来加热铁氧化物粒料、块料或粉粒并且将其还原为金属铁粒料、块料或粉粒(即经由直接还原)。该热还原气含有氢、氮、一氧化碳、二氧化碳、甲烷和水蒸气，它们还原铁氧化物粒料、块料或粉粒并产生含有二氧化碳和水蒸汽的废气或炉顶煤气。
参照图2，这里所使用的直接还原工艺，通过调节在之前加入还原气中的贫二氧化碳气、天然气和氧气，在环风管气进入还原炉12的位点处控制还原条件、温度和化学。这些直接还原工艺的一般性描述在题为“将铁氧化物还原成金属铁的方法(Method of Reducing Iron Oxide to MetallicIron)”的美国专利号3,748,120，题为“在气态还原过程中还原铁氧化物的方法(Method for Reducing Iron Oxides in a Gaseous Reduction Process)”的美国专利号3,749,386，题为“用于将铁氧化物还原成金属铁的设备(Apparatusfor Reducing Iron Oxide to Metallic Iron)”的美国专利号3,764,123，题为“用于在气态过程中还原铁氧化物的方法(Method for Reducing Iron Oxides in aGaseous Reduction Process)”的美国专利号3,816,101，题为“用于制备金属铁粒子的方法(Method for Producing Metallic Iron Particles)”的美国专利号4,046,557，和题为“在竖炉中的碳化铁制备(Iron Carbide Production inShaft Furnace)”的美国专利号5,437,708中，所有这些文献的全部内容通过引用结合在此。
还原炉的炉料充当大的绝热反应器，并促进在环风管气喷射的区域的平衡反应。随着环风管气进入还原炉12并穿过炉料，该气体反应至其平衡组成和温度，所述温度在该还原炉12的上部的炉料热电偶处观察到。
该渗碳反应受以下还原气流因素的影响：
1.初始还原气氢气∶一氧化碳比；
2.初始还原气甲烷含量；
3.初始还原气温度；
4.向还原气的天然气添加；
5.向还原气的氧气添加；
6.向还原气的贫二氧化碳气添加；
7.最终环风管气还原剂∶氧化剂比；以及
8.最终环风管气压力
在正常工作条件下，初始还原气质量受到严密地控制，并成为直接还原工艺中的主要稳定性因素。随着还原气流向还原炉12，基于最终环风管气的甲烷含量分析加入天然气。这提供了对初始还原气甲烷含量任何变化的稳定化调节，并影响最终环风管气的渗碳潜力。将氧气加入还原气以增加最终环风管气的温度并提高铁矿石还原过程的动力学。
任选地，所使用的操作条件包括：预热天然气添加物，还原气甲烷含量等于或小于约12％，以及氧气添加流量/吨等于或小于约30Nm3/t。
在直接还原工艺的装置使用过程中，气体离开还原气源40并且第一传感器进行气体分析并测量该气体的温度。随后在天然气入口处将天然气与该气体混合。随后在氧气入口处将氧气与该气体和天然气的混合物混合，由此形成环风管气。第二传感器进行气体分析并测量在环风管气进入还原炉12之前环风管气的温度。
再次参照图1，按照本发明，来自还原炉12的气体排出管的炉顶煤气经过另一个管道(未示出)流向低压蒸汽锅炉14。这允许有效地产生在工艺中其它地方(如在下文中更详细地描述的二氧化碳除去步骤中)使用的蒸汽。将锅炉进料水进料至低压蒸汽锅炉14，并且如本文以上间接提到的，所产生的蒸汽通过该工艺再循环或在其它地方使用。
然后将炉顶煤气导入用于冷却炉顶煤气并除去灰尘的具有出水口的湿式洗涤器20。湿式洗涤器20可以是本领域普通技术人员已知的任意常规类型，如具有填充塔(未示出)的文丘里，其中炉顶煤气向下流动通过文丘里并且随后向上通过填料与冷却水逆流。
通过阀(未示出)的影响，炉顶煤气以两股气流离开湿式洗涤器20。第一股气流表示工艺气且第二股气体表示炉顶煤气燃料(即废气)。这些气流的比率由在与第一股气流相连的二氧化碳和蒸汽重整器24中可用的热量限定，其通常是恒定的，得到示例性比率1∶1(使用再循环的贫二氧化碳气)、2∶1(不使用再循环的贫二氧化碳气)等。
将来自湿式洗涤器20的工艺气输送到压缩机22并压缩到所需的压力，然后进料至混合器(未示出)，在那里该工艺气与天然气混合。随后将该重整器进料气进料至二氧化碳和蒸汽重整器24。二氧化碳和蒸汽重整器24包括燃烧燃料型燃烧器(未示出)，经由燃烧产生含有氮气、二氧化碳和水的加热的烟道气，并包括多个催化重整器管道(未示出)，其中的后者利用重整器进料气和来自燃烧的热来形成还原气，所述还原气在引入氧气、天然气和贫二氧化碳气得到环风管气之后进料回还原炉12。
在引入二氧化碳洗涤器28之前，也将来自湿式洗涤器20的炉顶煤气燃料进料至压缩机26并压缩到所需的压力。二氧化碳洗涤器28具有低压蒸汽的输入，其任选获得自用于从炉顶煤气燃料10中隔离二氧化碳的装置的任何低压蒸汽锅炉14、32，并且具有锅炉进料水、硫和二氧化碳的输出。可以将锅炉进料水输入到用于从炉顶煤气燃料10中隔离二氧化碳的装置的任何低压蒸汽锅炉14、32中。二氧化碳洗涤器28的另一种输出是贫二氧化碳气，其中，当与天然气混合时其部分地变成进料至二氧化碳和蒸汽重整器24的重整器燃料气。
二氧化碳洗涤器28可以包括本领域普通技术人员已知的任何类型的链烷醇胺(如MEA、MDEA等)洗涤系统，或任何类型的热钾洗涤系统。低压蒸汽用于再生在二氧化碳洗涤器28中使用的溶液，并作为锅炉进料水离开。在二氧化碳洗涤过程中，硫和二氧化碳从炉顶煤气燃料中隔离。减去了硫和二氧化碳的炉顶煤气燃料作为贫二氧化碳气离开二氧化碳洗涤器28。再次，贫二氧化碳气的一部分与天然气混合以形成重整器燃料气，并经由燃烧燃料型燃烧器引入至二氧化碳和蒸汽重整器24。将贫二氧化碳气的剩余部分回收并与还原气混合，其在引入氧和天然气之后进料回还原炉12，由此形成环风管气。任选地，在与现有的还原气混合或者将其用作燃料之前，将贫二氧化碳气的后一部分或整个气流引入预热器30。
在本发明的示例性实施方案中，该贫二氧化碳气/还原气流最终表示提供给还原炉12的环风管气的约20％，而二氧化碳和蒸汽重整器还原气流最终表示提供给还原炉12的环风管气的约80％，尽管本文也考虑其它百分比。
烟道气排出管(未示出)设置在二氧化碳和蒸汽重整器24上，用于除去燃烧后含有氮气、二氧化碳和水的烟道气。烟道气流过一个或几个热交换器，包括低压蒸汽锅炉32。再次，这允许高效地产生在工艺中其它地方(如在下文中更详细地描述的二氧化碳除去步骤中)使用的蒸汽。将锅炉进料水，任选地从二氧化碳洗涤器28，进料至低压蒸汽锅炉32，并且如本文以上间接提到的，所产生的蒸汽通过该工艺再循环或在其它地方使用。因此低压蒸汽锅炉32可以与任选的预热器30相连。
在不脱离本发明的基本构思的情况下，也可以实现上述方法和装置的变体。例如，所用的二氧化碳洗涤器28可以视情况决定是变压吸附(PSA)单元、真空变压吸附(VPSA)单元或膜分离器。MDEA单元可以在没有蒸汽的情况下使用，并且可以直接使用天然气和/或出口燃料燃烧，提供利用炉顶煤气和/或烟道气的直接热交换MDEA。所捕获的二氧化碳可用于增强的采油，增强的用于生物燃料生产的生物生长，碳酸铁/硅酸铁结构砖(铁细粉+CO2+细磨炼钢炉渣)的制备等。也可以将所捕获的二氧化碳重整并且将所获得的重整气体用于直接还原工艺。可以使用氧气燃烧型重整器/加热器浓缩烟道气二氧化碳。可以使用变换反应器将一氧化碳和水转化成二氧化碳和H2，然后重整器可以用H2燃烧以生成水。可以从浓缩的烟道气捕获烟道气二氧化碳。可以从烟道气捕获水用在干旱地区。最后，可以使用直燃式加热器将贫(汽提)炉顶煤气燃料和/或工艺气再加热。
尽管本发明已经参照优选的实施方案及其具体实施例示出并描述，但是对于本领域的普通技术人员将已经是显而易见的是，其它实施方案和实施例可以表现类似的功能和/或获得相似结果。所有这些等效实施方案和实施例均在本发明的精神和范围内，因此得到考虑，并意在被包括在以下权利要求中。在这方面，本发明的上述详述应当被认为是非限制性的，并且在最大程度上包括所有可能的情况。

Claims (26)

1.一种用于从炉顶煤气燃料中隔离二氧化碳的方法，其包括：
给出被分成工艺气和炉顶煤气燃料的炉顶煤气：
将所述工艺气与烃混合并将所得的重整器进料气进料至重整器来将所述重整器进料气重整并形成还原气；以及
将所述炉顶煤气燃料的至少一部分进料至二氧化碳洗涤器来从所述炉顶煤气燃料中除去至少一些二氧化碳并形成与所述还原气选择性混合的贫二氧化碳气；
其中所述工艺气与所述炉顶煤气燃料的比例响应于在所述重整器进料气向其进料的所述重整器中可用的热量；并且
其中当将所述贫二氧化碳气完全用于与所述还原气混合时，所述工艺气与所述炉顶煤气燃料的比例是第一相对较低的比率；并且当不将所述贫二氧化碳气用于与所述还原气混合时，所述工艺气与所述炉顶煤气燃料的比例是第二相对较高的比率。
2.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括：将所述炉顶煤气燃料的至少一部分进料至所述二氧化碳洗涤器来从所述炉顶煤气燃料中除去至少一些二氧化碳并在加入烃之后形成进料至所述重整器的重整器燃料气。
3.如权利要求2所述的方法，所述方法还包括：压缩所述工艺气和所述炉顶煤气燃料。
4.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括：从所述炉顶煤气产生蒸汽。
5.如权利要求4所述的方法，所述方法还包括：洗涤所述炉顶煤气以除去灰尘。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述炉顶煤气是从还原炉获得的。
7.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括：将所述还原气与氧气和烃混合以形成环风管气并将所述环风管气进料至还原炉。
8.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括：在将所述贫二氧化碳气与所述还原气混合之前将所述贫二氧化碳气预热。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述二氧化碳和蒸汽重整器还产生烟道气。
10.如权利要求9所述的方法，所述方法还包括：从所述烟道气产生蒸汽。
11.如权利要求10所述的方法，所述方法还包括：使用所述烟道气预热另一种气体。
12.如权利要求1所述的方法，其中所述炉顶煤气和所述还原气与用于将铁氧化物转化为金属铁的直接还原工艺有关。
13.一种用于从炉顶煤气燃料中隔离二氧化碳的装置，所述装置包括：
用于将炉顶煤气分成工艺气和炉顶煤气燃料的一个或多个导管；
用于将所述工艺气与烃混合并将所得的重整器进料气进料至重整器来将所述重整器进料气重整并形成还原气的一个或多个导管；和
用于将所述炉顶煤气燃料的至少一部分进料至二氧化碳洗涤器来从所述炉顶煤气燃料中除去至少一些二氧化碳并形成与所述还原气混和的贫二氧化碳气的一个或多个导管；
其中所述工艺气与所述炉顶煤气燃料的比例响应于在所述重整器进料气向其进料的所述重整器中可用的热量；并且
其中当将所述贫二氧化碳气完全用于与所述还原气混合时，所述工艺气与所述炉顶煤气燃料的比例是第一相对较低的比率；并且当不将所述贫二氧化碳气用于与所述还原气混合时，所述工艺气与所述炉顶煤气燃料的比例是第二相对较高的比率。
14.如权利要求13所述的装置，所述装置还包括：用于将所述炉顶煤气燃料的至少一部分进料至所述二氧化碳洗涤器来从所述炉顶煤气燃料中除去至少一些二氧化碳并在加入烃之后形成进料至所述重整器的重整器燃料气的一个或多个导管。
15.如权利要求14所述的装置，所述装置还包括：一个或多个气体压缩机，用于压缩所述工艺气和所述炉顶煤气燃料。
16.如权利要求13所述的装置，所述装置还包括：低压蒸汽锅炉，用于从所述炉顶煤气产生蒸汽。
17.如权利要求16所述的装置，所述装置还包括：湿式洗涤器，用于洗涤所述炉顶煤气以除去灰尘。
18.如权利要求13所述的装置，其中所述炉顶煤气是从还原炉获得的。
19.如权利要求13所述的装置，所述装置还包括：用于将所述还原气与氧和烃混合以形成环风管气并将所述环风管气进料至还原炉的一个或多个导管。
20.如权利要求13所述的装置，所述装置还包括：预热器，用于在将所述贫二氧化碳气与所述还原气混合和将所述贫二氧化碳气用作燃料其中之一之前将所述贫二氧化碳气预热。
21.如权利要求13所述的装置，其中所述二氧化碳和蒸汽重整器还产生烟道气。
22.如权利要求21所述的装置，所述装置还包括：低压蒸汽锅炉，用于从所述烟道气产生蒸汽。
23.如权利要求22所述的装置，所述装置还包括：用于使用所述烟道气预热另一种气体的一个或多个导管。
24.如权利要求13所述的装置，其中所述炉顶煤气和所述还原气与用于将铁氧化物转化为金属铁的直接还原工艺有关。
25.一种用于从废气中隔离二氧化碳并将其作为再循环的气体重新使用而没有排放忧虑的方法，所述方法包括：
给出被分成工艺气和废气的气源：
将所述工艺气与烃混合并将所得的进料气进料至重整器来将所述进料气重整并形成还原气；以及
将所述废气的至少一部分进料至二氧化碳洗涤器来从所述废气中除去至少一些二氧化碳并形成与所述还原气选择性混合的贫二氧化碳气；
其中所述工艺气与所述废气的比例响应于在所述进料气向其进料的所述重整器中可用的热量；并且
其中当将所述贫二氧化碳气完全用于与所述还原气混合时，所述工艺气与所述废气的比例是第一相对较低的比率；并且当不将所述贫二氧化碳气用于与所述还原气混合时，所述工艺气与所述废气的比例是第二相对较高的比率。
26.如权利要求25所述的方法，所述方法还包括：将所述废气的至少一部分进料至所述二氧化碳洗涤器来从所述废气中除去至少一些二氧化碳并在加入烃之后形成进料至所述重整器的燃料气。
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