CN108290109A - 减少工业过程中的co2排放的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于减少工业过程中的CO2排放的方法和集成系统。所述方法和集成系统(100)使用化学吸收剂从第一气体流(104)捕获二氧化碳(CO2)气体以产生与第一气体流相比具有较高浓度的一氧化碳(CO)气体和较低浓度的CO2气体的第二气体流(106)。所述第二气体流中的所述CO气体用于在与氢气(H2)(138)的放热反应(108)中产生C5到C20烃。使用在所述放热反应中产生的热量的至少一部分，通过释放从所述第一气体流捕获的所述CO2气体(128)来再生所述化学吸收剂。在所述放热反应期间捕获的热量可以任选地首先用于发电，其中在发电之后剩余的热量用于热再生所述化学吸收剂。

Description

减少工业过程中的CO2排放的方法和系统
技术领域
本公开一般涉及工业过程，并且更尤其涉及减少来自工业过程的排出气体的CO2气体排放。
背景技术
各种工业过程产生含有二氧化碳(CO2)和其它含碳产物(如一氧化碳(CO))的排出气体。这类排出气体的实例包括来自钢铁制造业的那些(例如高炉煤气、氧气转炉煤气或焦炉煤气)。这些排出气体具有在约10到50体积百分比(体积％)范围内的CO2气体浓度和约10到80vol.％范围内的CO气体浓度。排出气体还可以含有如氢气的其它气体、烃和/或如氮气的惰性气体，其量可达约50体积％。烟气是排放气体的一个实例。
在排放到大气中之前，由于其毒性，废气中的CO气体需要转化为CO2气体。可以使用燃烧过程产生CO2气体以及可用于各种过程的热量。然而，高浓度CO2气体和氮气显着降低排出气体中存在的CO气体的卡路里浓度，导致使用废气的积极性下降。尽管如此，有毒/有害的CO气体在排放之前必须转化为CO2气体。因此，经常排出气体燃烧以将CO气体转化成另外的CO2气体，而不尝试回收电力生产中产生的热量。
无论采用何种工艺，燃烧排出气体或在能源生产过程中使用排出气体都会产生额外的CO2气体，并将其排放到大气中。在一些地区，例如欧洲，排放大量CO2气体的工业根据其使用生产CO2气体的原料征税和/或被要求购买CO2交易权，往往使这种能源生产过程不经济。
为了尽量减少释放，可以捕获CO2气体并存储或用于一个或多个工业过程。举例来说，存在将CO2气体用作原料的工业过程。但是，这些应用通常需要浓缩和高纯度的CO2气体。这些工业过程的实例包括水泥业，饮料业(例如在碳酸饮料的生产中)，用于通过所谓的干重整工艺或与水蒸汽重整相结合的合成气生成，或与蒸汽重整和通过所谓的三重整部分氧化或用于通过用H2化学转化来生产甲醇。然而，在燃烧过程中产生的CO2气体的浓度和/或纯度通常不足以以用作这类应用中的原料。
隔离排出气体中的CO2气体的过程通常也需要一定程度的能量输入，从而产生比所捕获的更多的CO2。换句话说，CO2转化和/或隔离过程往往是热力学不利的，这需要额外的CO2形成的能量输入。举例来说，已知通过基于胺的溶液吸收CO2对于吸收CO2气体是非常有效和选择性的。然而，从这类溶液中回收CO2也称为再生步骤，是高度吸热的。因此，这种再生过程需要能量，从而导致额外的能量消耗并因此增加CO2气体的排放。
因此，需要改进减少含CO和CO2气体的排出中的CO2排放。
发明内容
本公开提供有助于减少工业过程中产生的排出气体的CO2排放同时还产生有价值的烃原料的方法和集成系统。所述方法包括：用化学吸收剂从第一气体流捕获二氧化碳(CO2)气体，其中第一气体流包括一氧化碳(CO)气和CO2气体，以产生与第一气体流相比具有较高浓度的CO气体和较低浓度的CO2气体的第二气体流；用氢气(H2)和第二气体流中的CO气体从费-托反应(Fischer-Tropsch reaction)产生烃，其中费-托反应产生热量；以及使用费-托反应中产生的至少一部分热量通过释放从第一气体流捕获的CO2气体来再生化学吸收剂。
第一气体流的CO气体与CO2气体的摩尔比(CO气体的摩尔数:CO2气体的摩尔数)是0.5:1到10:1，其中第一气体流也可以具有CO气体与CO2气体(CO气体的摩尔数:CO2气体的摩尔数)是0.5:1到2.5:1。从费-托反应产生烃包括产生C5到C20烃，其中来自H2气体源的H2气体和用于从费-托反应产生C5到C20烃的第二气体流中的CO气和H2气体以1:1到3:1范围内的H2气体与CO气体(H2气体的摩尔数:CO气体的摩尔数)的摩尔比反应。如上所述，费-托反应产生热量，所述热量的一部分可用于通过释放从第一气体流中捕获的CO2气体来再生化学吸收剂。费-托反应期间产生的热量也可用于发电，其中发电的废热用作费-托反应期间产生的热量的部分以再生化学吸收剂。
尤其是，本公开的集成系统包括：CO2吸收系统，所述CO2吸收系统具有用于至少具有CO气体和CO2气体的第一气体流的入口，其中所述CO2吸收系统利用化学吸收剂从第一气体流捕获CO2气体，以产生与第一气体流相比具有较高浓度的CO气体和较低浓度的CO2气体的第二气体流；连接到氢气(H2)源并连接到CO2吸收系统以接收第二气体流的费-托反应器，其中所述费-托反应器用于催化产生来自费-托反应的烃与来自所述H2气体源和来自所述第二气体流的CO气体和H2气体，其中所述费-托反应产生热量；连接到费-托反应器以捕获费-托反应期间产生的热量的热交换器；以及连接到CO2吸收系统和热交换器的CO2解吸系统，其中由连接到费-托反应器的热交换器捕获的热量的至少一部分热再生CO2解吸系统中的化学吸收剂以释放捕获的CO2气体。费-托反应器可以在200℃到260℃范围内的温度和0.5Mpa到5MPa范围内的压力下与钴催化剂一起操作。在另一实施例中，由费-托反应器的热交换器捕获的热量首先用于发电，其中在发电之后剩余的废热用于热再生CO2解吸系统中的化学吸收剂。
附图说明
图1提供根据本公开的集成系统的图示。
图2提供根据本公开的集成系统的图示。
具体实施方式
对导致有害气候变化的温室气体人为排放的关注正在增加。二氧化碳(CO2)已被确定为主要温室气体之一，并且例如在工业过程的排出气体中释放。这类工业过程包括但不限于化石燃料能源设施、炼钢设施、生物质能源设施、天然气处理设施、合成燃料电厂、炼油厂、石化生产工厂以及化石燃料制氢工厂。在某些情况下，这些废气也含有CO，例如在钢铁工业的废气中就是这种情况。在排放到大气中之前，由于其毒性，废气中的CO气体需要转化为CO2气体。燃烧过程可用于产生CO2气体以及可用于各种过程的热量。
为了防止释放CO2气体，已经提出了各种捕获技术。在这些捕获技术中，认为化学吸收最适合从这些工业过程的排出气体中捕获CO2气体的。然而，化学吸收需要能量来再生富含CO2的化学吸收剂。通常，再生化学吸收剂所需的能量也会产生CO2气体，这会降低捕获CO2气体的整体效率和有效性。
为了解决这个问题，本公开提供方法和集成系统，所述方法和集成系统有助于减少工业过程中产生的排出气体的CO2排放，同时还产生可以从化石来源替代碳基产品(即石油或天然气)的有价值烃产物。本文讨论的方法和集成系统利用化学吸收剂从第一气体流捕获CO2气体，以产生与第一气体流相比具有较高浓度的CO气体和较低浓度的CO2气体的第二气体流。第二气体流中的CO气体与氢气(H2)一起用于在费-托反应中生产烃。烃形成本质上节省了CO2气体的排放，因为CO气体转化为有价值的产物，而不是经历燃烧产生更多的CO2气体。在费-托反应中产生的至少一部分热量用于利用释放从第一气体流捕获的CO2气体再生富含CO2的化学吸收剂。在费-托反应期间捕获的热量也可以任选地首先用于发电，其中发电后剩余的热量然后用于热再生富含CO2的化学吸收剂。因此，本公开出人意料地提供了从一般将浪费的含CO的废物流产生有价值的烃，同时在低净能量输入下捕获CO2气体。
如本文所用，术语“排出气体(effluent gas/effluent gases)”是指任何至少包含CO2气体和CO气体的后处理气体。一种或多种排出气体的实例包括烟气、废气、排放气体和/或来自工业过程的过程气体，如本文所述的那些。
如本文所使用，与集成系统相关联的“管线”表示具有足够尺寸的管道或导管，并且具有用于输送指示在管线内移动的流体(例如液体或气体)的适当材料。应理解，用于移动流体的一个或多个泵和/或压缩机或其它已知装置也与本文所讨论的集成系统的管线和组件相关联。然而，这类设备未示出，以允许图示更好地展示本公开。显示在集成系统的图中“线”上的箭头表示流体流动的方向。
如本文所使用，“一(a/an)”、“所述”、“至少一个/种”和“一个或多个/一种或多种”可互换使用。术语“包含”、“包括”和其变体在其出现在说明书和权利要求书中的情况下都不具有限制性意义。术语“和/或”是指所列元件中的一个、超过一个或全部。如本文所使用，术语“约”可以不限于指定的精确值。在至少一个实例中，可以参考测量仪器的精确度来确定术语“约”所表示的方差。另外在本文中，通过端点对数值范围的叙述包括所述范围中所包含的所有数字(例如1到5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4、5等)。
在本公开的以下详细描述中，参考形成其一部分的附图，并且在附图中通过图示的方式展示可如何实践本公开的一个或多个实施例。足够详细地描述这些实施例以使本领域的普通技术人员能够实践本公开的实施例，并且应该理解，可以利用其它实施例，并且可以在偏离本公开的范围的情况下进行工艺、化学和/或结构改变。
本文中的附图遵循编号惯例，其中第一位数字对应于附图编号，并且其余数字标识附图中的元件或组件。不同图示之间的相似元件或组件可以通过使用相似的数字来识别。举例来说，110可以参考图1中的元件“10”，并且类似的元件可以参考图2中的210。如将理解，可以添加、交换和/或消除本文中各种实施例中展示的元件，以便提供本公开的多个额外实施例。另外，如将理解，附图中提供的元件的比例和相对比例意欲说明本发明的实施例，并且不应被视为具有限制意义。
现在参考图1，说明根据本公开的集成系统100的实施例。集成系统100包括两个主要过程，所述主要过程如以下方式集成：既使用化学吸收剂捕获CO2气体又使用在放热过程(例如费托反应)中捕获的热量热再生化学吸收剂，所述放热过程将CO气体和H2气体转化为烃。如图1中所示，集成系统100包括CO2吸收系统102，所述CO2吸收系统102使用化学吸收剂操作以吸收来自第一气体流104的CO2气体，由此产生与第一气体流104相比具有较高浓度的CO气体和较低浓度的CO2气体的第二气体流106。如本文将更充分讨论的，第二气体流106用于费-托反应器108中，其中第二气体流106中的CO气体与来自第二气体流106和物流138两者的H2气体反应以产生来自放热费-托反应的烃和热量。如本文将描述的，在费-托反应器108中产生的热量用于再生CO2解吸系统110中的化学吸收剂。
存在多种可用于CO2吸收系统102和CO2解吸系统110的CO2气体捕获技术。这类CO2气体捕获技术可以包括物理吸附、物理吸附、膜技术和/或化学吸收以捕获来自第一气体流104的CO2气体。在这些技术中，优选使用化学吸收剂进行化学吸收，因为它最适用于本文描述的工业过程的废气中存在的CO2气体的体积、压力和温度。然而，如上所述，使用化学吸收剂带来一些缺点，最显着的是其在CO2解吸系统中的再生中的高能量消耗。本公开使用费-托反应器108来提供至少必要的能量以再生CO2解吸系统110中的化学吸收剂。
如图1中所示，CO2吸收系统102包括用于利用化学吸收剂从第一气体流104捕获CO2气体的吸收塔112(也称为洗涤器或吸收器)。图1还说明CO2解吸系统110，其具有用于再生化学吸收剂并释放从第一气体流104捕获的CO2气体的解吸塔114(也称为汽提塔)。CO2吸收系统102和CO2解吸系统110用于利用吸收塔112中的化学吸收剂从第一气体流104捕获CO2气体，从而产生与第一气体流104相比具有较高浓度的CO气体和较低浓度的CO2气体的第二气体流106。
多种化合物及其溶液可用于化学吸收剂。举例来说，化学吸收剂可以是基于胺的化合物。这类基于胺的化合物的具体实例可以包括但不限于胺、链烷醇胺、离子液体和/或哌嗪。优选地，链烷醇胺可以包括但不限于含有至少一个OH和胺基的伯、仲和/或三元胺。这类链烷醇胺的实例包括选自由以下组成的群组：单乙醇胺(MEA)、2-二丙醇胺(DIPA)、二乙醇胺(DEA)、三乙醇胺(TEA)、N-甲基二乙醇胺(MDEA)、二甘醇胺(DGA)、2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP)以及其组合。
优选地，使用链烷醇胺水溶液作为CO2吸收系统102中的化学吸收剂。链烷醇胺水溶液包括一种或多种本文提供的链烷醇胺和水的溶液。优选地，以链烷醇胺水溶液的总重量计，CO2吸收系统102中所用的链烷醇胺水溶液具有20重量％(wt.％)到55wt.％的浓度。最后，由于本文提供的各种化学吸收剂的各种特性和优点，也可以使用两种或更多种化学吸收剂的混合物增强吸收塔112中的CO2气体捕获效率。
如本领域技术人员所理解，第一气体流104的体积、组成、CO2浓度、温度以及其它参数有助于确定吸收塔112和解吸柱114中的每一个的功能、配置、数量、尺寸和操作参数。一般来说，吸收塔112可以在约100kPa的压力和40℃到60℃的范围内的温度下操作。或者，吸收塔112可以在5kPa到8400kPa范围内的压力下操作，温度范围为15℃到65℃。吸收塔112的具体实例操作压力还可以包括500kPa到4000kPa，温度范围为25℃到50℃。操作吸收塔112的确切压力和温度可以取决于所使用的化学吸收剂的确切组成。解吸塔114可以在约100kPa的压力和在90℃到135℃的范围内的温度下操作。或者，解吸塔114可以在100kPa到250kPa范围内的压力下操作，温度范围为90℃到110℃。解吸塔114的具体实例操作压力还可以包括40kPa到170kPa，温度范围为90℃到110℃。类似地，用于操作解吸塔114的确切压力和温度可以再次取决于所使用的化学吸收剂的确切组成、化学吸收剂的热稳定性以及溶剂的富载量。应理解，取决于需要处理的气体的体积流量等，吸收塔112和/或解吸塔114中的每一个中的两个或更多个可以用于CO2吸收系统102中。
吸收塔112的实例可以包括组态为板式塔、填充床、喷雾塔、鼓泡塔或喷射塔的那些。为了在液相和气相之间交换CO2气体，吸收塔112可以相对于第一气体流104和化学吸收剂以同时或优选逆流方式操作。因此，例如，如图所示，第一气体流104可以通过管线118在入口116处进入吸收塔112的底部，并与化学吸收剂逆流接触。在吸收塔112内部，第一气体流104中的CO2气体从气相转移到化学吸收剂液相。从气相转移到化学吸收液相的CO2气体的量是吸收塔112中的塔盘数量或可用填充物高度的函数，对于给定情况其大小和配置在本领域技术范围内。从气相转移到化学吸收液相的CO2气体的量也是吸收剂浓度、液气比和操作温度与压力的函数。
富含CO2的化学吸收剂在吸收塔112的下部通过管线120取出并送至CO2解吸系统110的解吸塔114进行再生。解吸塔114的实例可包括配置为填充床塔、板式塔、喷雾塔或鼓泡塔的那些。富含CO2的化学吸收剂经由管线122进入解吸塔114的顶部附近。如图所示，CO2解吸系统110包括用于将热量引入解吸塔114的再沸器124。再沸器124有助于加热富含CO2的化学吸收剂以释放吸收的CO2气体，从而使化学吸收剂在其通过解吸塔114的途径上再生。
释放的CO2气体形成气泡，当所述气泡上升到解吸塔114的顶部时，所述气泡与化学吸收剂逆向运动。释放的CO2气体可以通过冷凝器126，其有助于在CO2气体作为回收的CO2气体流128离开CO2解吸系统110之前去除水和其它化合物。回收的CO2气体流128含有相对高浓度的CO2气体。举例来说，以回收的CO2气体流128的总体积计，回收的CO2气体流128可以含有至少95体积％的CO2气体。回收的CO2气体流128可以用于一种或多种工业过程或存储。
再生的化学吸收剂经由管线130从解吸塔114的下部移除。管线130中的化学吸收剂随后可以穿过热交换器132。热交换器132允许管线130中的化学吸收剂中的热量传递到富含CO2的化学吸收剂，所述富含CO2的化学吸收剂在其被输送到CO2解吸系统110的解吸塔114之前经由管线120在吸收塔112的下部取出。在热交换器132中冷却的管线130中的化学吸收剂然后通过管线134再次引入吸收塔112的上部，以作为化学吸收剂在新的循环中使用。通常，在进入吸收塔112之前，流134首先使用贫胺冷却器进一步冷却。
再次参考CO2吸收系统102，第一气体流104在入口116处进入CO2吸收系统102的吸收塔112。取决于其组成，第一气体流104可以从其来源直接使用(即，直接来自工业过程的排出气体)。或者，第一气体蒸汽104来源于经过排出气体处理过程136的排出气体，所述气体处理过程136包括一系列化学过程和/或洗涤器中的一个或多个，以去除或减少排出气体的一种或多种组分的体积百分比。举例来说，第一气体流104可以包括固体颗粒(例如灰尘颗粒和/或烟灰颗粒)，其中排出气体处理过程136可以包括静电除尘器、旋风分离器和/或织物过滤器，以去除在从CO2吸收系统102中的第一气体流104捕获CO2气体之前，来自第一气体流104的至少一部分固体颗粒。
另外，在CO2吸收系统102中捕获CO2气体之前，可操作排出气体处理过程136以从第一气体流104捕获呈气相的至少一种额外物质。这类额外物质的实例包括具有选自胺、硫化合物、磷酸盐和氰化物群组的部分的那些物质。因此，例如，废气处理过程136可以包括排出气体脱硫以捕获和去除SOx气体(例如，SO2气体和SO3气体)。排出气体中的氮氧化物(如果存在的话)可以在排出气体处理过程136中通过高温或与氨或脲的催化反应来处理，以将NOx气体转化为N2气体。如所已知，硫化氢(如果存在的话)可以使用胺或苛性碱洗涤过程来去除。氰化物可以通过水解转化成胺(NH3)，随后在吸收步骤中去除。苛性碱溶液(例如氢氧化钠溶液)也可用于帮助从第一气体流104中去除氰化物。在排出气体处理过程136期间，排出气体的其它组分，如汞、砷或其它金属(如果存在的话)可以例如通过吸收剂的吸收或通过捕获在惰性固体中作为排出气体脱硫产物来从排出气体中去除。如本文所讨论，在排出气体处理过程136中包括的过程的选择可以至少部分基于从工业过程接收的排出气体的类型和组成以及基于第一气体流104的期望组成。对于排出气体中的特定其它化合物，通过将排出气体暴露于吸收器系统中存在的化学品也可以实现去除。然而，这些吸收可能影响吸收系统的运行效率。
优选地，以第一气体流104的总体积百分比计，第一气体流104具有至少20体积百分比(体积％)CO气体和CO2气体的组合量。关于各个组分，第一气体流104包括5到80体积百分比(体积％)的氮气(N2)、15到80体积％CO气体、5到40体积％CO2气体和1到60体积％氢气(H2)。优选地，第一气体流104包括5到60体积％N2气体、15到50体积％CO气体、5到35体积％CO2气体和1到35体积％H2气体。最优选地，第一气体流104包括5到50体积％N2气体、15到35体积％CO气体、5到25体积％CO2气体和1到10体积％H2气体。给定体积百分数值第一气体流104以第一气体流的总体积计，其中第一气体流104的体积百分比总是总计为100体积％。本文讨论的第一气体物流还可以包括其它组分，其中第一气体物流104的体积百分比总是总计为100体积％。其它组分的实例可以包括但不限于气态甲烷、氧气和氩气以及在大气中发现的其它气体。
除了上述体积百分比之外，令人意外地发现，CO气体与CO2气体的某些摩尔比允许在费-托反应器108中产生的能量与操作CO2解吸系统110所需能量之间达到至少最小的能量平衡。举例来说，通过仔细平衡费-托反应器108中产生的能量与操作CO2解吸系统110所需的能量，当CO气体与CO2气体摩尔比至少为0.5:1时，可以从第一气体流104获得能量中性或较低能量密集型工艺。优选地，第一气体蒸汽104的组成具有0.5:1到10:1的CO气体与CO2气体的摩尔比(CO气体的摩尔数:CO2气体的摩尔数)。更优选地，第一气体流104可以具有0.5:1到5:1的CO气体与CO2气体的摩尔比。最优选地，第一气体流104可以具有0.5:1到2.5:1的CO气体与CO2气体的摩尔比。
进入CO2吸收系统102的第一气体流104可具有5℃到100℃范围内的温度。优选地，第一气体流的温度在15℃到65℃的范围内。更优选地，第一气体流的温度在25℃到50℃的范围内。进入CO2吸收系统102的第一气体流104可具有在5kPa到8400kPa范围内的压力。优选地，第一气体流104具有在500kPa到5000kPa范围内的压力。更优选地，第一气体流104具有1500kPa到3000kPa范围内的压力。
如图1所示，CO2解吸系统110连接到CO2吸收系统102和费-托反应器108两者。费-托反应器108也经由管线138连接到氢气(H2)源，并且连接到CO2吸收系统102以在入口140处接收第二气体流106。如本文所讨论，费-托反应器108用于用来自H2气体源的H2气体(物流138)和第二气体流106中的CO气和H2气体通过费-托反应催化产生烃，其中费托反应产生烃和热(即放热)。优选地，如本文所讨论，从费-托反应产生烃包括产生C5到C20烃。
一般来说，费-托反应器108用于允许来自第二气体流106的CO气体和H2气体以及来自H2气体源(物流138)的H2气体进行费-托反应以在一系列放热反应中产生烃。如本领域技术人员所理解，费-托反应是一系列反应，给定选定的反应器设计、操作条件(例如CO:H2气体比率、流速、反应温度和压力)，包括载体材料和一种或多种促进剂的催化剂，以及其它因素，其产生烃的混合物。在一优选的实施例中，在适当选择费-托催化剂和工艺条件下，有可能产生烃，所述烃包含至少50重量％的碳链长度在5或更高与20或更低之间的烃，其中碳范围为21或更高的烃的分数小于10重量％，优选小于5重量％。这些烃产物优选地是直链烃，如正烷烃和/或正烯烃。如本领域技术人员所理解，可以使用催化剂和工艺条件的选择来优化和/或调整所需产物，例如以最小化甲烷的产量并使C5到C20烃馏分的产量最大化，和/或使线性/分支比率最大化。
第一气体流中的氢摩尔浓度通常低于这一相同流中的CO摩尔浓度，导致H2摩尔与CO摩尔比低于1:1。本领域技术人员已知增加H2摩尔与CO摩尔比的方法。举例来说，可以使用水煤气转换反应器将CO和H2O转化成CO2和H2，从而增加H2摩尔与CO摩尔比。然而，优选选择地氢源以最大限度地使用CO来生产有用的化学品。这种额外的H2气体可以作为物流138供给费-托反应器108，以将H2:CO比率增加到费-托反应的期望比率。
费-托反应器108的设计可以从若干反应器设计中选择，所述反应器设计包括多管式固定床反应器、流化床反应器、浆料反应器和流化床和循环催化剂反应器。取决于反应器设计，费-托反应器108可以在150℃到500℃范围内的温度下操作。优选地，费-托反应器108的操作温度可以在150℃到300℃的范围内。费-托反应器108的操作压力可以为100kPa到10000kPa。优选地，费-托反应器108的操作压力可以在1000kPa到5000kPa的范围内。各种催化剂可用于费-托过程。合适的催化剂的实例包括但不限于钴、铁和/或钌。优选使用钴催化剂。举例来说，用于选择性形成C5到C20烃馏分的合适的钴基催化剂和加工条件可以发现于2015年9月21日提交的《形成正烷烃(Forming Normal Alkanes)》(国际申请号PCT/US15/51189)和2015年9月21日提交的《形成轻质烃(Forming Light Hydrocarbons)》(国际申请号PCT/US15/51234)，这两个申请的全部内容通过引用并入本文。
催化剂还可以包括载体，如二氧化硅、氧化铝、二氧化钛和/或沸石。促进剂也可以与催化剂一起使用，其中促进剂的实例包括但不限于钾和铜化合物，如本领域已知。促进剂的选择可取决于所选择的催化剂和待产生的烃。另外，费-托反应的操作温度和压力的选择取决于各种因素，包括反应器设计、待生产的烃、催化剂和在费-托反应中使用的催化剂和催化剂负载值。
如本文所讨论，CO2吸收系统102用于使用化学吸收剂从第一气体流104吸收CO2气体，由此产生与第一气体流104相比具有更高浓度的CO气体和更低浓度的CO2气体的第二气体流106。优选地，CO2吸收系统102用于回收第一气体流104中存在的至少90体积百分比(体积％)到95体积％的CO2气体。换句话说，可以选择CO2吸收系统102的一种或多种化学吸收剂、操作温度和/或操作压力的选择，以便通过从第一气体流104去除至少90体积％到95体积％的CO2气体来形成第二气体流106。从第一气体流104中去除大于95体积％的CO2气体也是可能的。
鉴于在生产第二气体流106时从第一气体流104中去除至少90体积％到95体积％的CO2气体，第二气体流106中的CO气体与CO2气体的摩尔比将大于第一气体流104。举例来说，第二气体流106中的CO气体与CO2气体的摩尔比可以是5:1到200:1(CO气体的摩尔数:CO2气体的摩尔数)。优选地，第二气体流106中的CO气体与CO2气体的摩尔比可以是10:1到100:1(CO气体的摩尔数:CO2气体的摩尔数)。
使用通过管线138和第二气体流106供应的H2气体，费-托过程可在费-托反应器108中以0.1:1到10:1的H2气体的摩尔数:CO气体的摩尔数比进行。优选地，用于在费-托反应中产生烃的H2气和CO气体106以1:1到3:1范围内的H2气体与CO气体(H2气体的摩尔数:CO气体的摩尔数)的摩尔比反应。H2气体和CO气体在给定摩尔比下的气体时空速度可以在100hr-1到10000hr-1范围内。在一特别优选的实例中，费-托反应器与钴催化剂一起在200℃到260℃范围内的温度和1000kPa到5000kPa范围内的压力下操作，其中H2气体和CO气的H2气体与CO气体的摩尔比(H2气体的摩尔数:CO气体的摩尔数)为1:1到3:1。这一特别优选的实例允许H2气和CO气体从费-托反应产生C5到C20烃。
供应到第二气体流106中的费托反应器108的H2气体来自存在于第一气体流104中的H2气体。通过管线138供应到费-托反应器108的H2气体可以来自任何数量的氢气生产工艺。H2气体源的实例可以包括来自钢铁制造厂的焦炉气、来自脱氢装置的氢副产物流、蒸汽裂化工艺、炼油工艺或来自蒸汽重整工艺或电解工艺。如本领域已知的，集成系统100可以进一步包括H2气体清洁工艺142，其选择取决于H2气体源。H2气体清洁工艺142中的步骤的示例可以包括但不限于一系列化学工艺和/或洗涤器中的一个或多个以去除或减少H2气体的一种或多种组分的体积百分比。举例来说，可以使用静电除尘器、旋风分离器和/或织物过滤器来去除存在于H2气体流138中的任何固体颗粒的至少一部分。其它技术，如变压吸附，可以根据需要用于清洁H2气体流138。因此，例如，H2气体处理工艺142可以包括排出气体脱硫以捕获和去除含S污染物。如已知，硫化氢(如果存在的话)可以使用胺或苛性碱洗涤过程来去除。氨(NH3)可以通过洗涤过程或吸收过程去除。氰化物可以通过水解转化成胺(NH3)，随后在吸收步骤中去除。苛性碱溶液(例如氢氧化钠溶液)也可用于帮助从第一气体流104中去除氰化物。在排出气体处理过程142期间，排出气体的其它组分如金属(如果存在的话)可以例如通过在吸附剂上吸附或通过在惰性固体中捕获作为排出气体脱硫产物的一部分从排出气体中去除。如本文所讨论，包括在排出气体处理过程142中的过程的选择可至少部分基于从工业过程接收的排出气体的类型和组成以及第一气体流104的期望组成。在一具体实施例中，额外的H2源气体可以与第一气体流104共同进料至净化部分136并且经由CO2吸收系统102进料至费-托反应器108。来自另一来源的额外的H2气体仍然可能需要作为流138进料到费-托反应器108以实现期望的H2:CO气体比率以进行费-托反应。
费-托反应器108的输出物被输送到分离单元144，在分离单元144中从费-托反应产生的烃与CO气体、H2气体、CO2气体和水蒸气等气体中分离。除了其它选择之外，分离单元144可以是传统的气液分离器，所述气液分离器应用冷凝原理以在降低的温度下将冷凝产物与气态产物分离。
在一具体实施例中，如果需要，来自分离单元144的液体产物可以进一步处理以使产品适合期望的规格。如果需要，这类单元操作可以包括催化转化如(水)裂解和/或加氢脱氧以裂化和/或异构化产物并去除有时在费-托反应中形成的含氧化合物。
任选地，来自费-托反应器108并在分离单元144中分离的含CO2的气体可通过管线146供应到CO2吸收系统102的入口116以用化学吸收剂捕获。另外，管线147可用于将费-托反应后剩余的至少一部分CO气体和H2气体返回费-托反应器108。如图所示，管线147可以在进入费-托反应器108之前加入第二气体流106。
费-托反应器108可以进一步包括热交换器148以捕获费-托反应过程中产生的至少一部分热量。除其它设计之外，热交换器148可以包括配置在费-托反应器108的设计中的壳管式热交换器。通过热交换器148的冷却流体吸收费-托反应期间产生的热量，以帮助保持费-托反应器108内的反应条件。在热交换器148中使用的冷却流体可以包括水以及其它已知的冷却流体。
如图1所示，CO2解吸系统110连接到热交换器148。具体来说，CO2解吸系统110的再沸器124通过管线150连接到热交换器148。在热交换器148中使用的冷却流体吸收在费-托反应期间产生的热量，其中所述冷却流体然后通过管线150供应到CO2解吸系统110的再沸器124，使得在费-托反应中产生并且由热交换器148捕获的的热量的至少一部分然后可以用于使解吸系统110中的化学吸收剂热再生以释放从第一气体流捕获的CO2气体。
如图1所示，在吸收费-托反应期间产生的热量之后来自热交换器148的冷却流体在入口152处进入再沸器124，在入口152处再沸器124将来自热量交换器148的冷却流体中的此热量输送到解吸塔114中的富含CO2的化学吸收剂。如本文所述，热量然后允许从富含CO2的化学吸收剂中释放吸收的CO2气体，从而使化学吸收剂在通过解吸柱114的途径中再生。
现在参考图2，展示根据本公开的集成系统200的另一实施例。如图所示，集成系统200包括前文结合图1讨论的两个主要过程，其中两个主要过程以如下方式集成：既使用化学吸收剂捕获CO2气体又使用在放热过程(例如费-托反应)中捕获的热量使化学吸收剂热再生，所述放热过程将CO气体和H2气体转化为烃。为简洁起见，图1中所示组件的讨论在此不再重复，而是在图2中示出并且在此结合到以下图2的讨论中。
图2示出了其中在三个主要过程之间发生能量“转移”的本公开的实施例。如前所述，这两个主要过程以如下方式集成：既使用化学吸收剂捕获CO2气体又使用在放热过程中捕获的热量(例如费托反应)热再生化学吸收剂，所述放热过程将CO气体和H2气体转化为烃。图2现在集成电能产生过程(例如，基于蒸汽的电能发电设备)，其优选利用来自费-托反应的热量以首先将锅炉给水预热到电能产生过程。这允许电能产生过程在保持相同的电能输出的同时减少其燃料使用量。
如图2所示，集成系统200包括电能产生过程254。各种电能产生过程是已知的，以下仅是其一个实例。应了解，可以在不改变本公开内容的通常理解的情况下将其它已知组件取代和/或添加到电能产生过程254。
除本领域中已知的其它以外，电能产生过程254包括：汽轮机256、经由轴260机械地联接到汽轮机256的发电机258，以允许来自汽轮机256的机械能转化为电能，其可以通过电线262输送到外部电路。炉264加热锅炉给水以产生为汽轮机256供能的高压蒸汽。炉264可以使用通过管线266输送的燃料如煤、燃料油、天然气或页岩油来操作。将由炉264产生的高压蒸汽在入口268处提供给汽轮机256，在所述汽轮机256中高压蒸汽提供使轴260旋转的功。
为将所述第三过程连接到前文讨论的两个过程，与费-托反应器208相关联的热交换器248与电能产生过程254连接。具体来说，电能产生过程254的炉264通过管线250连接到热交换器248。管线250中的热交换流体(例如热水冷凝物)在热交换器248中加热之后被泵送到炉264的入口270。在此，热交换流体可以作为锅炉给水的一部分进入炉264。或者，可使用热交换器将来自与费-托反应器208相关联的热交换器248的热交换流体的热量传递到首先预热锅炉给水。由炉256产生的排出气体282可以再循环返回以加入CO2吸收系统202的第一气体流204。
因此，在费-托反应期间由费-托反应器208中的热交换器248产生并捕获的热量首先用于发电。这允许来自费-托反应器208的热交换器248的热交换流体首先在电能产生过程254中以高能量势使用。如本文所讨论，发电之后剩余的废热随后将用作在费-托反应过程中产生的热量的一部分以热再生集成系统200的CO2解吸系统210中的化学吸收剂。在此过程中，计算出电能产生过程的效率可以从约40％增加到约50％，伴随每1MW功率的1.1kT/y/或3.7T CO2/T产生的产物的相关CO2减少。
如图所示，汽轮机256具有用于蒸汽的出口，其中出口的位置被配置用于特定目的。如图所示，排气蒸汽出口272离开汽轮机256，以将管线274中的排气蒸汽提供给冷凝器276，所述冷凝器276冷凝并经管线278将冷凝物返回到炉264的入口270，以再生成高压蒸汽。汽轮机256还配备有侧抽出口280，所述抽出口280提供适用于解吸塔214的再沸器224的温度和压力下的蒸汽以加热富含CO2的化学吸收剂从而释放吸收的CO2气体，由此在通过解吸柱214的途径上再生化学吸收剂。然后可以将来自再沸器224的冷凝物返回到热交换器248的入口252。如本文所讨论，这允许通常会变成汽轮机256的废热的热量现在用于再生成用于捕获CO2气体的化学吸收剂，所述热量会以其它方式进入大气。因此，这种配置提供了改进的能量使用分层结构，其中不仅费托反应器208中产生的热量首先用于帮助发电，还用于再生用于捕获CO2气体的化学吸收剂。这有效地使使用加倍，并因此使费-托反应器208中产生的热量值增加一倍。因此，节约了能源(专用能源生产是CO2排放的另一个来源)并捕获了CO2气体。
本文讨论的集成系统100和/或200的过程可以分批过程、半连续过程或连续过程操作来操作。优选地，本文讨论的集成系统100和/或200的过程以连续过程操作来操作。

Claims (20)

1.一种方法，包含：
用化学吸收剂从第一气体流捕获二氧化碳(CO2)气体，其中所述第一气体流包括一氧化碳(CO)气体和CO2气体，以产生与第一气体流相比具有较高浓度的CO气体和较低浓度的CO2气体的第二气体流；
用氢气(H2)和所述第二气体流中的所述CO气体从费-托反应(Fischer-Tropschreaction)产生烃，其中所述费-托反应产生热量；以及
使用所述费-托反应中产生的所述热量的至少一部分，通过释放从所述第一气体流捕获的所述CO2气体来再生所述化学吸收剂。
2.根据权利要求1所述的方法，其中以所述第一气体流的总体积百分比计，所述第一气体流具有至少20体积百分比(体积％)的CO气体和CO2气体的组合量。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一气体流的所述CO气体与所述CO2气体的摩尔比(CO气体的摩尔数:CO2气体的摩尔数)为0.5:1到10:1。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述第一气体流的所述CO气体与所述CO2气体的摩尔比(CO气体的摩尔数:CO2气体的摩尔数)为0.5:1到2.5:1。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中从所述第一气体流捕获CO2气体进一步包括捕获气相中的至少一种其它物质，其中所述物质具有选自胺、硫、磷酸盐和氰化物的群组的部分。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中从所述费-托反应产生烃包括产生C5到C20烃。
7.根据权利要求6所述的方法，其中用于从所述费-托反应产生所述C5到C20烃的所述H2气体和所述第二气体流中的所述CO气体以1:1到3:1的范围内的H2气体与CO气体的摩尔比(H2气体的摩尔数:CO气体的摩尔数)反应。
8.根据权利要求6到7中任一项所述的方法，进一步包括将所述费-托反应之后剩余的CO气体和H2气体的至少一部分返回到所述第二气体流。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括利用在所述费-托反应期间产生的所述热量发电，其中发电过程中的废热作为所述费-托反应中产生的所述热量的所述部分用于再生所述化学吸收剂。
10.一种集成系统，包含：
CO2吸收系统，具有用于第一气体流的入口，所述第一气体流至少具有CO气体和CO2气体，其中所述CO2吸收系统利用化学吸收剂从所述第一气体流捕获CO2气体以产生与第一气体流相比具有较高浓度的CO气体和较低浓度的CO2气体的第二气体流；
费-托反应器，所述费-托反应器连接到氢气(H2)源并连接到所述CO2吸收系统以接收所述第二气体流，其中所述费-托反应器用于从与所述H2气体和来自所述第二气体流的所述CO气体的费-托反应催化产生烃；其中所述费-托反应产生热量；
热交换器，所述热交换器连接到所述费-托反应器以捕获所述费-托反应期间产生的热量；以及
CO2解吸系统，所述CO2解吸系统连接到所述CO2吸收系统和所述热交换器两者，其中由连接到所述费-托反应器的所述热交换器捕获的所述热量的至少一部分在所述CO2解吸系统中热再生所述化学吸收剂以释放所捕获的CO2气体。
11.根据权利要求10所述的集成系统，其中以所述第一气体流的总体积百分比计，所述第一气体流具有至少20体积百分比(体积％)的CO气体和CO2气体的组合量。
12.根据权利要求10到11中任一项所述的集成系统，其中所述第一气体流包括5体积百分比(体积％)到60体积％的氮气、15体积％到50体积％CO气体、5体积％到35体积％CO2气体和1体积％到35体积％氢气。
13.根据权利要求10到12中任一项所述的集成系统，其中所述第一气体流的所述CO气体与所述CO2气体的摩尔比(CO气体的摩尔数:CO2气体的摩尔数)为0.5:1到10:1。
14.根据权利要求13所述的集成系统，其中所述第一气体流的所述CO气体与所述CO2气体的摩尔比(CO气体的摩尔数:CO2气体的摩尔数)为0.5:1到2.5:1。
15.根据权利要求10到14中任一项所述的集成系统，其中用于在所述费-托反应中产生所述烃的所述H2气体和所述第二气体流中的所述CO气体以在1:1到3:1的范围内的H2气体与CO气体的摩尔比(H2气体的摩尔数：CO气体的摩尔数)反应。
16.根据权利要求10到15中任一项所述的集成系统，其中所述费-托反应器在200℃到260℃范围内的温度和在1000kPa到5000kPa范围内的压力下用钴催化剂操作。
17.根据权利要求10到16中任一项所述的集成系统，其中所述费-托反应产生C5到C20烃。
18.根据权利要求11到17中任一项所述的集成系统，其中来自所述费-托反应器的CO2气体被供应至所述CO2吸收系统的所述入口。
19.根据权利要求11到18中任一项所述的集成系统，其中来自所述费-托反应器的所述CO气体和H2气体的至少一部分返回所述费-托反应器。
20.根据权利要求11到19中任一项所述的集成系统，其中由所述费-托反应器的所述热交换器捕获的所述热量首先用于发电，其中在所述发电之后剩余的废热用于在所述CO2解吸系统中热再生所述化学吸收剂。
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