CN107913575B - 用于气体纯化系统的低压蒸汽预热器和使用方法 - Google Patents

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Abstract

用于使吸收剂溶液再生的系统包括由锅炉产生的蒸汽、流体连接到所述锅炉以便接收所述蒸汽的压力涡轮机组，其中所述压力涡轮机组包括高压涡轮机、中压涡轮机和低压涡轮机；和再生系统，所述再生系统包括与再沸器流体连通的用于使富化和/或半富化吸收剂溶液再生以形成贫化吸收剂溶液的再生器，所述再生系统流体连接到所述压力涡轮机组，其中来自所述低压涡轮机的蒸汽提供用于预热进料到所述再生器的所述富化或半富化吸收剂溶液的热源。本发明还公开了使用方法。

Description

用于气体纯化系统的低压蒸汽预热器和使用方法
本申请是以下申请的分案申请：申请日：2012年6月26日；申请号：2012800322127(PCT/US2012/044138)；发明名称：“用于气体纯化系统的低压蒸汽预热器和使用方法”。
技术领域
概括地讲，本发明涉及气体纯化系统及使用方法，其中夹带在例如烟气中的酸性组分通过湿式化学吸收分离。具体地讲，本发明涉及构造成使用低压蒸汽作为热源的系统和方法。
背景技术
在用于气体纯化的常规工业技术中，诸如H2S、CO2和/或COS的杂质通过吸收在液体溶液中、例如在包含氨和/或一种或多种胺化合物的液体溶液中而从诸如烟气、天然气、合成气或其他气流的气流中除去。
用过的液体溶液随后通常通过与蒸汽逆流接触在再生器塔中再生以释放包含在该溶液中的杂质。再生所需要的蒸汽通常由发电站涡轮系统产生。另外，可提供与再生塔流体连通的再沸器以进一步释放包含在液体溶液中的杂质。
在如上所述的常规吸收-再生方法中，再生并再沸的液体溶液通常在另一吸收循环中再次使用。然而，再沸的溶液可具有100-150℃的温度。为了能够有效吸收，液体吸收剂溶液通常需要在送到另一轮吸收中之前冷却。常规上通过与来自吸收的用过的液体溶液热交换来完成冷却。
通常，常规气体纯化方法的能量需求具有三种类型：结合能、汽提能和可感热。断裂杂质与液体溶液之间形成的化学键需要结合能，而从液体溶液释放杂质需要汽提能。在再生之前加热液体溶液又需要可感热。
在常规吸收-再生系统和方法中，已经表明，氨有效地从烟气流中除去CO2以及其他污染物。在一个特定的应用中，用氨从烟气流中吸收和除去CO2在例如0-20℃的低温下进行。在常称为基于冷冻氨的系统的这些类型的系统中，对于溶剂再生所需热量的需求通常由在再沸器的蒸汽侧上冷凝的蒸汽所完成。该蒸汽通常取自发电站的水/蒸汽循环。然而，蒸汽大多从中压(IP)涡轮机的出口与低压(LP)涡轮机的入口之间的中压/低压交叉管线中提取。一个原因在于在IP/LP交叉管线中存在的压力水平适用于溶剂再生。然而，从发电站内的这些位置提取IP蒸汽给电力生产造成负担。
发明内容
本文公开了用于使在气体纯化系统和诸如冷冻氨法的方法中使用的吸收剂溶液再生的系统和方法。
使吸收剂溶液再生的系统包括由锅炉产生的蒸汽；流体连接到所述锅炉以便接收所述蒸汽的压力涡轮机组，其中所述压力涡轮机组包括高压涡轮机、中压涡轮机和低压涡轮机；和与所述压力涡轮机组流体连接的再生系统，其中所述再生系统包括用于使富化和/或半富化吸收剂溶液再生以形成贫化吸收剂溶液的再生器，和再沸器，其中来自所述低压涡轮机或所述中压涡轮机的蒸汽提供用于加热进料到所述再生器的所述富化或半富化吸收剂溶液的热源。
在一个实施方案中，将由锅炉产生的至少一部分蒸汽提供到再生系统的方法包括在锅炉中通过燃烧燃料源产生蒸汽；将所述蒸汽的至少一部分提供到流体连接到所述锅炉的压力涡轮机组，所述压力涡轮机组包括高压涡轮机、中压涡轮机和低压涡轮机；从所述低压涡轮机中提取至少一部分低压蒸汽；和利用所述提取部分的低压蒸汽作为供流体连接到所述低压涡轮机的再生系统用的热源。
本发明可通过参考本发明的各种特点的以下详述及其中所包括的实施例来更容易地理解。
附图概述
现在参考附图，其中相同的元件编号相同：
图1示意性示出了根据本发明的一个实施方案的气体纯化系统；及
图2示意性示出了根据本发明的另一实施方案的气体纯化系统。
具体实施方式
本文公开了用于纯化诸如烟气的气流的系统和方法。更具体地讲，所述系统和方法构造成使与使用来自发电站的中压和高压蒸汽来使诸如氨的溶剂再生相关的能量负担最小化，所述溶剂再生通常在碳捕集系统(“CCS”)的现有冷冻氨法(“CAP”)中发生。作为替代，如将在下文更详细地论述，将来自低压涡轮机的至少一部分蒸汽用作预热介质。
现在参考图1，示意性示出了根据一个实施方案用于从工艺物流102中吸收酸性组分的净化系统100。工艺物流102可为诸如天然气流、合成气流、炼厂气或自诸如煤炭、天然气或其他燃料的燃烧产生的气流的任何流体流。工艺物流102的一个实例为通过诸如煤炭的燃料的燃烧产生并在化石燃料燃烧锅炉的燃烧室的出口处提供的烟气流。其他燃料的实例包括但不限于天然气、合成气(synthetic gas)(合成气(syngas))和炼油厂气。根据所述工艺物流的类型或来源，所述酸性组分可以气态、液态或颗粒形式。为了便于理解，在本文中仅提到烟气流。
在一个实施方案中，烟气流102含有包括但不限于二氧化碳的多种酸性组分。在烟气流102进入吸收器104时，烟气流102可能已经经历了除去颗粒物质(例如，飞灰)以及硫氧化物(SOx)和氮氧化物(NOx)的处理。然而，方法可能在随系统不同而不同，且因此这种处理可在烟气流102穿过吸收器104之后发生或者根本不发生。
吸收器104采用促进从烟气流102中吸收和去除气态组分的吸收剂溶液(布置在其中)。在一个实施方案中，所述吸收剂溶液包含化学溶剂和水，其中所述化学溶剂例如含有基于氮的溶剂且尤其是氨；伯、仲和叔烷醇胺；伯胺和仲胺；空间位阻的胺；和严重空间位阻的仲氨基醚醇。常用的化学溶剂的实例包括但不限于：单乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)、二异丙醇胺(DIPA)、N-甲基乙醇胺、三乙醇胺(TEA)、N-甲基二乙醇胺(MDEA)、哌嗪、N-甲基哌嗪(MP)、N-羟基乙基哌嗪(HEP)、2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP)、2-(2-氨基乙氧基)乙醇(也称作二乙二醇胺或DEGA)、2-(2-叔丁基氨基丙氧基)乙醇、2-(2-叔丁基氨基乙氧基)乙醇(TBEE)、2-(2-叔戊基氨基乙氧基)乙醇、2-(2-异丙基氨基丙氧基)乙醇、2-(2-(1-甲基-1-乙基丙基氨基)乙氧基)乙醇等。上述化学溶剂可单独或组合使用且在有或没有其他助溶剂、添加剂(诸如防沫剂)、促进剂(诸如酶、缓冲剂、金属盐等)以及防腐剂的情况下进行。
在一个实施方案中，在吸收器104中存在的吸收剂溶液称为“贫化”吸收剂溶液和/或“半贫化”吸收剂溶液106。该贫化和半贫化吸收剂溶液能够从工艺物流102中吸收酸性组分，例如这些吸收剂溶液没有完全饱和或没有处于完全吸收能力下。如本文所述，该贫化吸收剂溶液是比该半贫化吸收剂溶液好的吸收剂。在一个实施方案中，如下所述，贫化和/或半贫化吸收剂溶液106由系统100提供。在一个实施方案中，将补给吸收剂溶液(未示出)提供到吸收器104以补给系统贫化和/或半贫化吸收剂溶液102。
在一个实施方案中，在吸收器104中的吸收剂溶液为包含氨的溶液或浆液。该氨可以铵离子NH4 +形式或以溶解的分子NH3形式。当吸收器104在大气压力下且在例如0-20摄氏度(0-30℃)的低温下操作时，实现在烟气流102中存在的酸性组分的吸收。在另一实施例中，当吸收器104在大气压力下且在0-10摄氏度(0-10℃)的温度下操作时实现酸性组分从烟气流102的吸收。
从烟气流102中吸收酸性组分通过在贫化和/或半贫化吸收剂溶液106和烟气流102之间的接触来发生。如应了解，在烟气流102和贫化和/或半贫化吸收剂溶液106之间的接触可在吸收器104中以任何方式发生。在一个实施例中，烟气流102如所示进入吸收器104的下部且向上行进穿过吸收器104的长度，同时贫化和/或半贫化吸收剂溶液106(例如，氨溶液或浆液)在高于烟气流102进入吸收器104的位置处进入吸收器104，且贫化和/或半贫化吸收剂溶液106在烟气流102的逆流方向上流动。在吸收器104内在烟气流102和贫化和/或半贫化吸收剂溶液106之间的接触生成含有来自贫化或半贫化吸收剂溶液106的酸性气体组分的富化吸收剂溶液108。在一个实施例中，富化吸收剂溶液108下落到吸收器104的下部，在此将其除去以便进一步加工，而具有减少量的酸性组分的烟气流102向上行进穿过吸收器104的长度且可作为清洁的物流110从吸收器104的顶部释放，或如果需要的话，可进一步处理。
富化吸收剂溶液108在底部离开吸收器104且提供到通常在112处示出的再生系统。富化吸收剂溶液108可经处理列(treatment train)行进到再生系统112，如将在下文描述，该处理列包括但不限于闪蒸冷却器、各种泵和换热器。在一个实施例中，在提供到再生系统112之前，富化吸收剂溶液108的压力可通过一个或多个泵升高到30-435每平方英寸(30-435psi)的范围。
再生系统112包括例如包括但不限于再生器118和再沸器120的多个装置和区段。再生器118通过将富化吸收剂溶液108加热到约50-约200摄氏度(约50-约200℃)的温度范围使富化吸收剂溶液108再生，由此生成再生的贫化和/或半贫化吸收剂溶液106以及酸性组分流122。酸性组分流122可转移到压缩系统(未示出)，其冷凝且在一些实施方案中压缩该酸性组分以便储存和进一步使用。为了在吸收器104中再次使用，再生的贫化和/或半贫化吸收剂106'经处理列(包括泵、换热器116等)冷却，送到吸收器104以便从烟气流102中进一步吸收酸性组分。本文公开的再沸器和/或换热器并非用以指任何类型。示例性再沸器和换热器可包括而不限于釜型、壳管型或板框型。
如在图1中所示，再沸器120提供加热的贫化吸收剂溶液124到再生器118的下部，其将该富化吸收剂溶液加热到从该溶液中有效除去酸性组分如二氧化碳气体的温度，由此生成再生的贫化和/或半贫化吸收剂溶液106'，接着将其在处理列中经由热交换冷却，之后再次引入吸收器104中。在该再沸器中，蒸汽在该再沸器的一侧冷凝且该富化吸收剂溶液在该再沸器的另一侧沸腾。沸腾的蒸气从再生器118的底部区段行进到顶部区段，同时从该富化吸收剂溶液中汽提酸性组分。酸性蒸气通过使用富化溶液108的冷滑流在该再生器的顶部冷却。再生的贫化和/或半贫化吸收剂溶液106'可穿过一系列换热器116，之后再次引入吸收器单元104中。可将来自发电站的蒸汽用作热源以降低再生所需的能量。例如，蒸汽142可在锅炉140中通过诸如化石燃料的燃料燃烧而产生。在一个实施例中，蒸汽142从锅炉140经压力涡轮机组转移。该涡轮机组使蒸汽在供应到再生系统112之前饱和。换句话说，这些涡轮机提供处于沸点温度的纯蒸汽，其对应于其压力且保持所有水分以蒸气形式且不含任何液滴。
该压力涡轮机组例如可包括高压(HP)涡轮机144、中压(IP)涡轮机146和低压(LP)涡轮机148。任选地还可包括背压涡轮机(未示出)。使用在这些涡轮机中通过蒸汽生成的机械能来为发生器G提供动力以便进一步使用，诸如用于生成电力。蒸汽142离开该压力涡轮机组且前进到冷凝器147，其随后经泵149提供到锅炉140。如将在下文更详细地论述，将来自LP涡轮机148的一部分蒸汽用作热源以有效地降低对于在该再沸器中使用的IP蒸汽所需的量，还有其他优点。加热的LP流通常为饱和蒸汽。
如所示，来自吸收单元104的富化吸收剂溶液108由从再生器118流出的再生的贫化溶液106'经换热器116预热。在本发明中，如在图1中所示，中压蒸汽的提取通过利用低压蒸汽150以经换热器130预热该富化吸收剂溶液的滑流108'的至少一部分以提供增加的预热和操作效率而减少。使用低压蒸汽150使得在现有技术系统和方法中在电力产生中由中压蒸汽的提取引起的负担最小化，因为富化吸收剂溶液将被预热到比先前可实现的温度高的温度且因此需要较低量的中压和/或高压蒸汽进料到再沸器120以实现富化吸收剂溶液的再生。该方法降低系统的能量损耗且相应地降低工艺的附加负载。
或者，代替使用低压蒸汽150预热所述滑流的一部分，可以此方式预热富化吸收剂溶液108的总流量，由此使通常在再生再沸器120中使用的中压和高压蒸汽需求进一步最小化。
任选地随后可将来自换热器130的低压蒸汽冷凝物150'与来自再沸器120的蒸汽冷凝物162混合并进料到换热器160以提供用于预热富化吸收剂溶液108'的滑流的另外手段。
该低压蒸汽可从发电站在该低压涡轮机中提取或由为供应处于适用压力等级的蒸汽的用途而安装的背压涡轮机提供。
如应了解，该压力涡轮机组的构造可随系统不同而不同，其中各种压力涡轮机彼此、与锅炉140和再生系统112流体连接。术语“流体连接”通常是指组分经管道、导管、输送器、泵等与另一组分直接或间接地流体连通或者经管道、导管、输送器、泵等直接或间接地连接到另一组分。
现在参考图2，示出了一个供选的实施方案，其中使用低压蒸汽来预热来自反馈回路的半富化吸收剂溶液，该半富化吸收剂溶液从再生器118的上部排出且在下游位置再次引入再生器118中。如所示，半富化吸收剂溶液208从再生器118的上部提取且使用来自低压涡轮机148的低压蒸汽170经换热器210预热，之后返回再生器118。除了关于图1公开的实施方案之外，半富化吸收剂溶液的处理可以此方式进行或者其可根据所要的系统设计单独地进行。
任选地随后可将来自换热器210的低压蒸汽冷凝物与来自再沸器120和/或汽提器174的蒸汽冷凝物162混合并进料到换热器160以提供用于预热该滑流的另外手段。来自该汽提器的蒸汽冷凝物处于低压且如在图2中清楚地显示其与再生器再沸器蒸汽冷凝物组合以预热富化溶液的一部分。有利地，以此方式使用汽提器冷凝物使再生器中的中压蒸汽需求进一步最小化，且因此将进一步降低该系统和方法的总附加负载。
本文中的术语“第一”、“第二”等不表示任何顺序、数量或重要性，而是用以区别一种要素与另外的要素。术语“一个/种”在本文中不表示数量的限制，而是表示存在所提及项目中的至少一个/种。
虽然已参考许多例示性实施方案描述了本发明，但本领域的技术人员应当理解的是在不偏离本发明的范围的情况下可进行多种改变且可用等效物替代其要素。另外，可在不脱离本发明的必要范围的情况下进行许多修改以使特定的情形或材料适应本发明的教导。因此，并非想要将本发明限制于作为针对实施本发明当前预期的最佳模式公开的特定实施方案，而本发明将包括属于附加权利要求书范围内的所有实施方案。

Claims (4)

1.将由锅炉(140)产生的至少一部分蒸汽提供到再生系统(112)的方法，所述再生系统(112)包括再生器(118)、再沸器(120)、第一换热器(130)和第二换热器(160)，所述方法包括：
在锅炉(140)中通过燃烧燃料源产生蒸汽(142)；
将所述蒸汽(142)的至少一部分提供到流体连接到所述锅炉(140)的压力涡轮机组，所述压力涡轮机组包括高压涡轮机(144)、中压涡轮机(146)和低压涡轮机(148)；
从所述低压涡轮机(148)中提取至少一部分低压蒸汽(150)，并且利用所述低压蒸汽(150)的提取部分作为与所述低压涡轮机(148)流体连接的所述再生系统(112)的热源，其特征在于；
利用所述低压蒸汽(150)的提取部分作为热源包括，使所述低压蒸汽(150)在第一换热器(130)中与富化吸收剂溶液(108)的滑流(108')的至少一部分换热；
将所述滑流(108')进料到所述再生系统(112)的所述再生器(118)，并且
混合来自所述第一换热器(130)的低压蒸汽冷凝物(150')和来自所述再沸器(120)的蒸汽冷凝物(162)，以用于加热在所述第二换热器(160)中的待进料到所述再生器(118)中的富化吸收剂溶液(108)的另一滑流(108')。
2.将由锅炉(140)产生的至少一部分蒸汽提供到再生系统(112)的方法，所述再生系统(112)包括再生器(118)、再沸器(120)、第二换热器(160)和第三换热器(210)，所述方法包括：
在锅炉(140)中通过燃烧燃料源产生蒸汽；
将所述蒸汽(142)的至少一部分提供到流体连接到所述锅炉(140)的压力涡轮机组，所述压力涡轮机组包括高压涡轮机(144)、中压涡轮机(146)和低压涡轮机(148)；
从所述低压涡轮机(148)中提取至少一部分低压蒸汽(170)，并且利用所述低压蒸汽(170)的提取部分作为与所述低压涡轮机(148)流体连接的所述再生系统(112)的热源，其中；
利用所述低压蒸汽(170)的提取部分作为热源包括，在将提取自所述再生器(118)的上部的半富化吸收剂溶液(208)返回所述再生器(118)中的下游位置之前，使所述低压蒸汽(170)在第三换热器(210)中与所述半富化吸收剂溶液(208)换热；特征在于其进一步包括：
混合来自所述第三换热器(210)的低压蒸汽冷凝物(172')和来自所述再沸器(120)的中压或高压蒸汽冷凝物(162)，以用于加热在所述第二换热器(160)中的待进料到所述再生器(118)中的富化吸收剂溶液(108)的滑流(108')。
3.权利要求1或2的方法，所述方法进一步包括由为供应处于适用压力等级的蒸汽的用途而安装的背压涡轮机提供所述低压蒸汽。
4.权利要求2的方法，所述方法进一步包括利用来自汽提器(174)的低压蒸汽冷凝物，并且将所述低压蒸汽冷凝物与所述再生器的再沸器(120)的蒸汽冷凝物(162)，以及来自第三换热器(210)的低压蒸汽冷凝物混合，以作为用于在所述第二换热器(160)中加热待进料到所述再生器(118)中的富化吸收剂溶液(108)的滑流(108')的另外热源。
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