CN115724486A - 集成式热交换器和酸性水汽提塔 - Google Patents

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Abstract

一种组合容器，其包含用于从酸性水流中去除酸性气体的汽提段和用于加热灰水流的直接接触式热交换器段，以改善用于气化工艺的水流处理和再循环中的传热和传质。

Description

集成式热交换器和酸性水汽提塔
背景技术
以下发明涉及对来自部分燃烧或气化工艺的水和/或冷凝物流进行下游处理的工艺。上游气化工艺可以是产生酸性水流(通常为冷凝物流)和灰水流(通常来自曝气器)的任何工艺。实现这两种的最常见的气化工艺是供给固体碳质燃料的含水淤浆的淤浆进料气化器，以及用水骤冷热合成气产品的底部骤冷气化器。
本文使用的术语“固体碳质燃料”旨在包括各种携带气体的可燃材料及其混合物，并且可以选自煤、煤焦炭、煤液化残渣、石油焦炭、煤烟、生物质和源自油页岩、焦油砂和沥青的颗粒固体的群组。煤可以是任何类型，包括褐煤、次烟煤、烟煤和无烟煤。固体碳质燃料可以作为流体诸如载气中的悬浮物输送到燃烧器，也称为干进料，或液体淤浆。
固体碳质燃料诸如煤的部分燃烧或气化产生气体，该气体具有作为住宅和工业燃料、作为合成化学品和燃料的起始材料、以及作为发电能源的价值，这在全世界范围内早已获得认可并在不同的规模上进行了实践。
当诸如硫化氢、二氧化碳和氨等杂质积聚在液体流(通常为冷凝物流)中时，需要酸性水汽提塔。为了循环酸性水，必须在酸性水汽提塔中除去一种或多种杂质。在这些杂质中，氨通常最难除去。灰水是指来自曝气器、沉淀池或其他化学处理的低固体含量水流，并且其通常具有小于100mg/m3的精细固体浓度。这与来自气化器骤冷或来自任何除去合成气中灰分、炉渣和/或煤烟的系统的黑水流形成对比，黑水流通常具有远高于1g/m3的精细固体浓度。当灰水在再循环之前被加热时，气化工艺的总效率得到提高，这可以通过与工艺流和/或蒸汽的间接热交换或者通过直接热交换，例如与高压蒸汽流的直接热交换来实现。
Bao等人(CN 205948388U)教导了一种用于气化岛上黑水和灰水处理系统中的集成式高压闪蒸和直接接触式热交换器。黑水进入高压闪蒸段，蒸汽向上流动通过直接接触式热交换器段，以加热向下流动的灰水。
Wang等人(CN 106587233A)教导了一种水和/或冷凝物处理系统，该系统具有用于酸性水汽提塔和直接接触式热交换器的独立容器。黑水在高压下闪蒸，高压蒸汽在直接接触式热交换器中加热灰水流。然后用清水清洗所述高压蒸汽，在一个或多个热交换器中进一步将其冷却，然后在蒸汽作为热源使用的酸性水汽提塔中用作汽提气。
历史上，酸性水汽提塔和灰水加热器位于气化厂的不同区块或岛上，该厂可能由不同的许可方设计，由不同的运营商运营。两个岛的独立设计和运行导致缺乏对集成酸性水汽提塔和灰水加热器的考虑。需要流线型的水和/或冷凝物处理系统来降低成本、节约能源和提高可靠性。
发明内容
本发明涉及将酸性水汽提塔和直接接触式热交换器集成到组合容器中。容器顶部的汽提段可以使用不同于下方的直接接触式热交换器段的内件。冷凝物流从容器顶部进入。灰水流可从容器顶部或直接接触式热交换器段上方进入。来自高压黑水闪蒸的蒸汽进入直接接触式热交换器段的底部，以加热灰水流并为汽提段提供汽提气。在某些实施例中，高压闪蒸可以集成到单个容器中。蒸汽流离开汽提段的顶部，并可以用内部或外部冷凝器进行冷凝。经处理水流离开直接接触式热交换器段的底部，并可以再循环到气化器中。
方面1：一种用于改善多股流之间的传质和传热的设备，所述设备包含组合容器，所述组合容器包含汽提段和直接接触式热交换器段；其中所述汽提段被配置为使第一酸性水流与汽提气流接触，以产生富含酸性气体的塔顶流和酸性气体耗尽的底部流；并且其中所述热交换段被配置为使高压蒸汽流与灰水流和所述酸性气体耗尽的底部流接触，以产生所述汽提气流和经处理灰水流。
方面2：根据方面1所述的设备，其中所述组合容器进一步包含闪蒸段；其中所述闪蒸段被配置为分离黑水流以产生所述高压蒸汽流和黑水底部流。
方面3：根据方面1或方面2所述的设备，其进一步包含冷凝器，所述冷凝器被配置为通过间接热交换将所述富含酸性气体的塔顶流部分冷凝成第二酸性水流，以产生部分冷凝的塔顶流和所述第一酸性水流；以及冷凝器分离器，所述冷凝器分离器被配置为分离所述部分冷凝的塔顶流以产生酸性气流和塔顶冷凝物流。
方面4：根据方面3所述的设备，其中所述组合容器包含所述冷凝器和所述冷凝器分离器。
方面5：一种用于改善多股流之间的传质和传热的设备，所述设备包含组合容器，所述组合容器包含汽提段、直接接触式热交换器段和垂直分隔壁；其中所述汽提段被配置为使酸性水流与汽提气流接触，以产生第一富含酸性气体的塔顶流和酸性气体耗尽的底部流；其中所述热交换段被配置为使高压蒸汽流与灰水流接触，以产生第二富含酸性气体的塔顶流和经处理灰水流；并且其中所述汽提段和所述热交换段被所述分隔壁分开。
方面6：一种用于改善多股流之间的传质和传热的工艺，所述工艺包含使第一酸性水流与汽提气流接触，以产生富含酸性气体的塔顶流和酸性气体耗尽的底部流；以及使高压蒸汽流与灰水流和所述酸性气体耗尽的底部流接触，以产生所述汽提气流和经处理灰水流；其中所述汽提气流在接触所述第一酸性水流之前不被冷却。
方面7：根据方面6所述的的工艺，其进一步包含分离黑水流以产生所述高压蒸汽流和黑水底部流；其中使所述第一酸性水流与所述汽提气流接触以产生所述富含酸性气体的塔顶流和所述酸性气体耗尽的底部流、使所述高压蒸汽流与所述灰水流和所述酸性气体耗尽的底部流接触以产生所述汽提气流和所述经处理灰水流、以及分离所述黑水流以产生所述高压蒸汽流和所述黑水底部流均在组合容器中进行。
方面8：根据方面6或方面7所述的工艺，其进一步包含通过与第二酸性水流间接热交换来冷凝所述富含酸性气体的塔顶流，以产生部分冷凝的塔顶流和所述第一酸性水流；以及分离所述部分冷凝的塔顶流，以产生酸性气流和塔顶冷凝物流。
方面9：根据方面8所述的工艺，其中所述富含酸性气体的塔顶流在所述组合容器中冷凝；并且其中所述部分冷凝的塔顶流在所述组合容器中分离。
方面10：根据方面6至9中任一方面所述的工艺，其中所述经处理灰水流的温度比饱和温度低0.1至10℃。
方面11：一种用于改善多股流之间的传质和传热的工艺，所述工艺包含使第一酸性水流与第一汽提气流接触，以产生第一富含酸性气体的塔顶流和第一酸性气体耗尽的底部流；以及使灰水流与第二汽提气流接触，以产生第二富含酸性气体的塔顶流和第二酸性气体耗尽的底部流；其中使所述第一酸性水流与所述第一汽提气流接触以产生所述第一富含酸性气体的塔顶流和所述第一酸性气体耗尽的底部流、以及使所述灰水流与所述第二汽提气流接触以产生所述第二富含酸性气体的塔顶流和所述第二酸性气体耗尽的底部流均在组合容器中进行。
方面12：根据方面11所述的工艺，其进一步包含分离黑水流以产生高压蒸汽流和黑水底部流；其中所述第二汽提气包含至少一部分所述高压蒸汽流。
方面13：根据方面12所述的工艺，其中所述第一汽提气包含至少一部分所述高压蒸汽流。
方面14：根据方面11至13中任一方面所述的工艺，其中所述第一汽提气包含蒸汽。
方面15：根据方面11至14中任一方面所述的工艺，其中以质量计，所述第一酸性气体耗尽的底部流的固体含量低于所述第二酸性气体耗尽的底部流的固体含量。
附图说明
下文将结合以下附图来描述本发明，其中类似的数字表示类似元件：
图1是描绘根据本发明的组合酸性水汽提塔和直接接触式热交换器的流程图。
图2是描绘图1中实施例的改进的流程图，其中塔顶冷凝器与组合容器集成。
图3是描绘图1中实施例的改进的流程图，其中高压分离器与组合容器集成。
图4是描绘图1中实施例的改进的流程图，其中组合容器是分隔壁塔。
具体实施方式
随后的详细描述仅提供了优选的示例性实施例，并不旨在限制本发明的范围、适用性或配置。相反，随后对优选示例性实施例的详细描述将为本领域技术人员提供实现本发明的优选示例性实施例的使能描述。在不脱离如所附权利要求中阐述的本发明的精神和范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。
当应用于说明书和权利要求中描述的本发明实施例的任何特征时，本文使用的冠词“一个”意指一个或多个。“一个”的使用并不将含义限制到单个特征，除非特别声明了这种限制。单数或复数名词或名词短语前面的冠词“所述”表示特定的一个或多个指定特征，并且根据使用其的上下文，可以具有单数或复数含义。
第一实体和第二实体之间的术语“和/或”包括以下含义中的任一种：(1)仅第一实体，(2)仅第二实体，或(3)第一实体和第二实体。置于3个或更多个实体的列表的最后两个实体之间的术语“和/或”指该列表中的实体的至少一个包括该列表
中实体的任何特定组合。例如，“A、B和/或C”具有与“A和/或B和/或C”相同的
含义，并且包含A、B和C的以下组合：(1)仅A，(2)仅B，(3)仅C，(4)A和
B但不包含C，(5)A和C但不包含B，(6)B和C但不包含A，以及(7)A和B和C。
术语“多个”意指“两个或两个以上”。
形容词“任何”意指任意一个、一些或全部的数量。
短语“至少一部分”意指“一部分或全部”。“流的至少一部分”的组成与它所衍生自的流相同，每种物质的浓度相同。
如本文所使用的，“第一”、“第二”、“第三”等用于区分多个步骤和/或特征，并不表示总数，或时间和/或空间上的相对位置，除非明确声明。
术语“耗尽”或“贫乏”意指所指组分的摩尔百分比浓度比形成该组分的原始流的摩尔百分比浓度低。“耗尽”和“贫乏”并不意指该流完全缺乏指定组分。
术语“丰富”或“富含”意指所指组分的摩尔百分比浓度比形成该组分的原始流的摩尔百分比浓度高。
图1示出了用于处理气化工艺中的水和/或冷凝物的工艺1。包含一种或多种选自由硫化氢、二氧化碳和氨组成的群组的杂质的酸性水流102在作为酸性水流104进入组合容器100之前可以在冷凝器140中加热，然后。另选地，酸性水流102可直接进入组合容器100的顶部，冷凝器140的冷却负荷可由传热介质诸如冷却水输送。酸性水流102可由离开酸性变换区的冷凝物和/或来自氨洗涤器的液体排放物形成。酸性变换区是在存在含硫化合物(如H2S)的情况下，利用水气变换反应将CO转化为H2的区域，因此离开酸性变换区的冷凝物将含有H2S。氨洗涤器用水将氨从合成气中洗出，产生包含氨和酸性气体(如H2S和CO2)的水流。
组合容器100包含位于直接接触式热交换器段120上方的汽提段110。汽提段110和直接接触式热交换器段120都可以包含塔内件，诸如填料和/或塔盘，以分别改善传质和传热。由于两段中液体的流速不同，塔直径也可以不同，通常在直接接触式热交换器段120中具有较大直径。与间接热交换器相比，直接接触式热交换器段降低了结垢和堵塞的风险。
灰水流118的固体含量对直接接触式热交换器段120的塔盘设计产生了限制。因为汽提段110中的塔盘暴露的唯一液体是不含固体的酸性水流104，所以汽提段可以包含促进气-液接触的任何塔内件，诸如浮阀塔盘、固定阀塔盘、随机填料或规整填料。然而，灰水流118中的固体有在直接接触式热交换器段120中结垢的风险，因此需要能够处理液体中含悬浮固体的塔内件，诸如固定阀塔盘、条形阀塔盘、网格塔盘和双流塔盘。
高压蒸汽流106对来自酸性水流104的酸性气体进行汽提，并进入直接接触式热交换器段120底部附近的组合容器，并向上流动通过组合容器100进入汽提段110。酸性气体耗尽的底部流离开汽提段110，并进入直接接触式热交换器段120。高压蒸汽流106通过在高压分离器130中分离来自气化器工艺的黑水流108而产生，还会产生高压液体流112，又将该高压液体流送去进一步处理以进一步从液体中分离固体，诸如在低压和/或真空、和/或沉降罐(未示出)中的一个或多个闪蒸分离阶段。高压分离器130可以是任何气液分离器，包括闪蒸容器或塔中多级分离。黑水流108是指可由气化工艺产生的任何高固体含量水流(高于1g/m3)，诸如骤冷工艺或从合成气中去除固体(如灰分、炉渣和/或烟灰)的其它系统。如果需要额外热量输入以从酸性水流104中去除酸性气体，则蒸汽114可通过间接热交换来提供该热量。蒸汽114也可以在进入组合容器100之前与高压蒸汽流106相混合。所得冷凝物流116可送至湿式洗涤器。
灰水流118可以在直接接触式热交换器段120、汽提段110中进料到组合容器100中，或者与酸性水流102相混合。灰水流118是指可由气化工艺(例如曝气器)产生的任何低固体含量的水流。可根据灰水流118和酸性水流102的组成来决定将灰水流118进料到何处。例如，如果酸性水流102的氨含量较低，则混合酸性水流102和灰水流118的结垢风险较小，并且两者可以混合并进料至汽提段110。在图1所示实施例中，灰水流118进入直接接触式热交换器段120，在其中通过与高压蒸汽流106的直接热交换而加热。离开直接接触式热交换器段120顶部的蒸汽流进入汽提段110，而没有进行任何热交换或压力或组成方面的其它变化，在该汽提段中，其作为汽提气体从酸性水流104中去除杂质。使用来自高压蒸汽流106的高质量热量来汽提酸性水流104允许去除氨，而对蒸汽114的需求较少或可能为零。现有技术通常在专用容器中用蒸汽加热来去除氨，与其相比，本发明取消了专用容器，并在组合容器中执行功能。
已加热至低于饱和温度0.1至10℃或1至5℃的经处理灰水流122离开组合容器100的底部。由于经处理灰水流122的典型压力范围在5至11bara之间，经处理灰水流122的典型温度将在150至185℃之间。经处理灰水流的硫含量按重量计通常低于100ppm。经处理灰水流122然后可以再循环以供应气化工艺(例如湿式洗涤器和/或骤冷容器(未示出))中所需的工艺用水。通过提高离开湿式洗涤器的合成气温度，最大化用于湿式洗涤器的经处理灰水流122的温度提高了气化工艺的总热量回收，导致在酸性变换区中回收更大量和更高质量的热量。与现有技术中经单独处理的灰水和经处理酸性水流相比，必须再循环的单一经处理灰水流也将省去多余的泵。
包含汽提酸性气体的富含酸性气体的塔顶流124离开组合容器100的顶部，并在冷凝器140中相对于酸性水流102部分冷凝。所得部分冷凝的塔顶流126在冷凝器分离器150中分离成酸性气流128和塔顶冷凝物流132，该酸性气流可送至硫回收装置，并且该塔顶冷凝物流可以再循环以供应气化工艺(例如湿式洗涤器和/或骤冷容器)中所需的工艺用水。塔顶冷凝物流132也可以返回到汽提段110。除了或替代来自酸性水流102的冷却负荷，冷却水可用于部分冷凝富含酸性气体的塔顶流124。
图2示出了用于处理来自气化工艺的水和/或冷凝物的工艺2的实施例，其将冷凝器和冷凝器分离器集成到组合容器中，并且还显示了一些控制特征。与图1相反，冷凝器140和冷凝器分离器150与组合容器100分离，在图2中，组合容器200包含执行间接热交换和汽液分离两种功能的冷凝器260。组合容器200还包含冷凝器260下方的汽提段210和汽提段210下方的直接接触式热交换器段220。如图1所示，汽提段210和直接接触式热交换器段220均可以包含填料和/或塔盘，以分别改善传质和传热。当组合容器的一个或多个进料流包含高固体含量时，可以使用塔盘，如固定阀塔盘。
包含含硫气体(诸如硫化氢)的酸性水流102在作为酸性水流204进入组合容器200之前在冷凝器260中加热。如图1所示，传热介质(诸如冷却水)可为冷凝器260提供冷却负荷，并且酸性水流202可直接进入组合容器200。酸性水流202可由离开气化工艺变换区的冷凝物形成。酸性水流204在汽提段210上方进入组合容器200。
高压蒸汽流206对来自酸性水流204的酸性气体进行汽提，并进入直接接触式热交换器段220底部附近的组合容器，并向上流动通过组合容器200进入汽提段210。蒸汽214可以在进入热交换器段220之前与高压蒸汽流206相混合，并且也可以直接添加到热交换器段220中。酸性气体耗尽的底部流离开汽提段210，并进入直接接触式热交换器段220。
灰水流118可以在直接接触式热交换器段220、汽提段210中进料到组合容器200中，或者与酸性水流202相混合。在图2所示实施例中，灰水流118进入直接接触式热交换器段220，在其中通过与高压蒸汽流206的直接热交换而加热。灰水流118是指可由气化工艺(例如曝气器)产生的任何低固体含量的水流。
已加热至低于饱和温度0.1至10℃或1至5℃的经处理灰水流222离开组合容器200的底部。由于经处理灰水流222的典型压力范围在5至11bara之间，经处理灰水流222的典型温度将在150至185℃之间。经处理灰水流的硫含量按重量计通常低于100ppm。经处理灰水流222可以任选地在泵225中泵送，以作为泵送的经处理灰水流234进行再循环，或者如果不需要更高压力，可以作为经处理灰水流222进行再循环。示出的液位控制器与控制阀235连接，以将直接接触式热交换器段220底部的液位保持在恒定高度。
富含酸性气体的塔顶流离开汽提段210的顶部，并在冷凝器260中相对于酸性水流202部分冷凝和分离，产生酸性气流228和塔顶冷凝物流，该酸性气流可送至硫回收装置，该塔顶冷凝物流再次进入汽提段210。组合容器200顶部的压力控制器控制阀215，以将组合容器的压力保持恒定。
如图3所示，组合容器可以进一步包含高压分离器。在此，工艺3基本上类似于工艺1。组合容器300包含接受酸性水流104的汽提段310、接受灰水流118的直接接触式热交换器段和接受黑水流108的高压分离器段330。高压蒸汽流离开高压分离器段330进入直接接触式热交换器系统，与灰水流118和酸性水流104接触。
富含酸性气体的塔顶流124离开组合容器顶部并部分冷凝，如图1所述。如图1所示，高压液体流312离开高压分离器段330的底部，然后被送去进一步处理，以进一步从液体中分离固体，诸如在低压和/或真空、和/或沉降罐中的一个或多个闪蒸分离阶段。经处理灰水流322离开直接接触式热交换器段320的底部，已经被加热到低于饱和温度0.1至10℃或1至5℃。图3显示了离开组合容器300的任选侧取料口，其中将冷凝物流316取出并用作低固体含量的工艺水流，以骤冷热流，从气流、和/或冲洗设备中洗涤杂质和/或固体。可通过添加来自在较高温度冷却合成气的变换冷凝物342来增加冷凝物流316，预计包含较低浓度的杂质。
除了将组合容器分割成垂直堆叠段，也可以使用如图4所示的分隔壁塔来实现，其中工艺4使用组合容器400，其中分隔壁460将其分成汽提段410和直接接触式热交换器段420。酸性水流104进入汽提段410的顶部，并与进入汽提段410底部附近的蒸汽414和/或部分高压蒸汽流106A接触。经处理冷凝物流416离开汽提段410的底部，并可用作低固体含量的工艺水流来骤冷热流，且从气流、和/或冲洗设备中洗涤杂质和/或固体。灰水流118进入直接接触式热交换器段420，并与高压蒸汽流106接触。经处理灰水流422离开直接接触式热交换器段420的底部，并可以用于湿式洗涤器。高压蒸汽流106和蒸汽414在组合容器的顶部混合，并作为富含酸性气体的塔顶流124离开顶部。此布置允许从酸性水流104中去除杂质，而不会增加来自灰水流118的固体，并提供两种工艺水流：以质量计具有低固体含量的经处理灰水流422，和以质量计具有基本上零固体含量的经处理冷凝物流416。与图1的垂直集成相比，两段的水平集成节省了高度。
实例
在Aspen Plus中进行每天消耗3000吨煤的干进料气化工艺的计算机模拟，AspenPlus是可从阿斯彭科技公司(Aspen Technology,Inc.)获得的商业工艺模拟软件包。对于使用图1组合容器的系统和使用单独容器用于酸性水汽提和灰水加热的系统，比较用于再循环黑水、灰水和酸性水的低压蒸汽消耗率。与单独容器每天3000吨的基线消耗率相比，组合容器每天可减少400吨的低压蒸汽消耗。除了省去多余设备(如用于具有两个单独循环水系统的泵)之外，还显著节省了公用设施的消耗。
在其他条件下也发现到类似的蒸汽节约，例如在组合容器中使用淤浆进料时，每天3000吨的基线低压蒸汽消耗率每天减少了300吨。
虽然上面已经结合优选实施例描述了本发明的原理，但是应清楚地理解，此描述仅仅是示例性的，而不是对本发明范围的限制。

Claims (9)

1.一种用于改善多股流之间传质和传热的设备，所述设备包括：
组合容器，所述组合容器包括汽提段和直接接触式热交换器段；
其中所述汽提段配置为使第一酸性水流与汽提气流接触，以产生富含酸性气体的塔顶流和酸性气体耗尽的底部流；并且
其中所述热交换器段配置为使高压蒸汽流与灰水流和所述酸性气体耗尽的底部流接触，以产生所述汽提气流和经处理的灰水流。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述组合容器进一步包括闪蒸段；
其中所述闪蒸段配置为分离黑水流以产生所述高压蒸汽流和黑水底部流。
3. 根据权利要求1所述的设备，进一步包括：
冷凝器，所述冷凝器配置为通过间接热交换将所述富含酸性气体的塔顶流部分冷凝成第二酸性水流，以产生部分冷凝的塔顶流和所述第一酸性水流；和
冷凝器分离器，所述冷凝器分离器配置为分离所述部分冷凝的塔顶流以产生酸性气流和塔顶冷凝物流。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述组合容器包括所述冷凝器和所述冷凝器分离器。
5. 一种用于改善多股流之间传质和传热的工艺，所述工艺包括：
使第一酸性水流与汽提气流接触，以产生富含酸性气体的塔顶流和酸性气体耗尽的底部流；以及
使高压蒸汽流与灰水流和所述酸性气体耗尽的底部流接触，以产生所述汽提气流和经处理的灰水流；
其中所述汽提气流在接触所述第一酸性水流之前不冷却。
6.根据权利要求5所述的工艺，进一步包括：
分离黑水流以产生所述高压蒸汽流和黑水底部流；
其中使所述第一酸性水流与所述汽提气流接触以产生所述富含酸性气体的塔顶流和所述酸性气体耗尽的底部流、使所述高压蒸汽流与所述灰水流和所述酸性气体耗尽的底部流接触以产生所述汽提气流和所述经处理的灰水流、以及分离所述黑水流以产生所述高压蒸汽流和所述黑水底部流均在组合容器中进行。
7. 根据权利要求5所述的工艺，进一步包括：
通过与第二酸性水流间接热交换来冷凝所述富含酸性气体的塔顶流，以产生部分冷凝的塔顶流和所述第一酸性水流；以及
分离所述部分冷凝的塔顶流以产生酸性气流和塔顶冷凝物流。
8.根据权利要求7所述的工艺，其中所述富含酸性气体的塔顶流在所述组合容器中冷凝；并且
其中所述部分冷凝的塔顶流在所述组合容器中分离。
9.根据权利要求5所述的工艺，其中所述经处理的灰水流的温度在饱和温度以下0.1℃与10℃之间。
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