DE112010001543B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Zurückführen von Restgas - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Zurückführen eines Restgases, wobei das Verfahren umfasst:Umwandeln von in einem Säuregasstrom vorhandenem Schwefel in elementaren Schwefel unter Erzeugen eines Restgases undZurückführen eines ersten Stroms des Restgases zu einem Vergasungsreaktor (208) und eines zweiten Stroms des Restgases zu einem Gasentfernungs-Untersystem (300), wobei weder der Säuregasstrom noch das Restgas behandelt wird, um Schwefelwasserstoff aus dem Säuregasstrom und dem Restgas abzutrennen, bevor sie zurückgeführt werden.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Vergasungssysteme und spezieller auf Verfahren und Vorrichtung zum Zurückführen von Restgas zum Erleichtern der Förderung der Synthesegas-Produktion mit einem Vergasungssystem durch Säuregas-Entfernung.
  • Zumindest einige bekannte Vergasungsanlagen weisen ein Vergasungssystem auf, das in mindestens ein Energie erzeugendes Turbinensystem eingebunden ist, wodurch eine integrierte Vergasungs-Energieerzeugungsanlage mit kombiniertem Zyklus (TGCC) gebildet ist. So wandeln z.B. bekannte Vergasungssysteme eine Mischung von Brennstoff, Luft oder Sauerstoff, Dampf und/oder CO2 in ein Synthesegas oder „Syngas“ um. Das Syngas wird dem Brenner einer Gasturbine zugeführt, die einen Generator antreibt, der elektrische Energie an ein elektrisches Leistungsnetz liefert. Abgas mindestens einiger bekannter Gasturbinen-Triebwerke wird einem Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator (HRSG) zugeführt, der Dampf zum Antreiben einer Dampfturbine erzeugt. Durch die Dampfturbine erzeugte Energie treibt ebenfalls einen elektrischen Generator an, der elektrische Energie an das elektrische Leistungsnetz liefert.
  • Zumindest einige bekannte Vergasungssysteme, die mit IGCC-Anlagen verbunden sind, erzeugen anfänglich einen „rohen“ Synthesegas-Brennstoff, der Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H2), Kohlendioxid (CO2), Carbonylsulfid (COS) und Schwefelwasserstoff (H2S) einschließt. CO2, COS und H2S werden typischerweise als saure Gase bezeichnet. Saures Gas wird im Allgemeinen aus dem rohen Synthesegas-Brennstoff entfernt, um einen „sauberen“ Synthesegas-Brennstoff zur Verbrennung in der Gasturbine zu erzeugen.
  • Typischerweise werden in bekannten IGCC-Anlagen zugeführte kohlenwasserstoffartige Materialien mit hochreinem Sauerstoff (typischerweise 95% Sauerstoffreinheit) umgesetzt, um Syngas in einem Temperaturbereich von 2200°F bis zu 2700°F zu erzeugen. Das erzeugte Syngas wird dann abgekühlt und gewaschen, um rohes Syngas zu erzeugen, das geeignet ist zum Einführen in ein Untersystem zum Entfernen von Säuregas (AGR). Die Säuregasentfernung wird mit dem Säuregasentfernungs-Untersystem ausgeführt, das typischerweise mindestens einen Hauptabsorber einschließt, um einen großen Teil von H2S und COS zu entfernen. Das Säuregasentfernungs-Untersystem absorbiert den größten Teil des (in Form von H2S und COS) vorhandenen Schwefels ebenso wie einen Teil des vorhandenen CO2. Dies erzeugt einen reinen Syngasstrom und einen Säuregasstrom, der hauptsächlich aus dem absorbierten H2S, COS und CO2 besteht.
  • Der Säuregasstrom wird in einem Untersystem zum Verringern von Schwefel behandelt, um vorhandenen Schwefel durch die Claus-Reaktion in elementaren Schwefel umzuwandeln. Diese Stufe besteht darin, dass man zuerst einen Teil des vorhandenen Schwefelwasserstoffes unter Bildung von Schwefeldioxid oxidiert und dann durch die folgende Reaktion elementaren Schwefel bildet: 2H2 + O2 → 3 + 2H2O
  • Diese Umsetzung tritt in mehreren Reaktoren nacheinander auf. Nach jedem Reaktor wird Schwefel als ein flüssiges Produkt entfernt. Das aus dem Schwefelverminderungs-Untersystem herausfließende Material besteht in erster Linie aus Kohlendioxid, Stickstoff und Wasserdampf zusammen mit unumgesetztem Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid. Dieses herausfließende Material wird Claus-Restgas genannt.
  • Claus-Restgas erfordert üblicherweise ein weiteres Behandeln zum Entfernen von Schwefel, bevor es freigesetzt wird. Diese Stufe wird Restgas-Behandlung genannt. Das üblichste Verfahren wird SCOT (Shell-Claus-Abgasbehandlung) genannt. Ein SCOT-Verfahren besteht zuerst im Hydrieren des Claus-Restgases zum Umwandeln von Schwefeldioxid in Schwefelwasserstoff. Dieses hydrierte Gas wird dann abgekühlt, um die Entfernung des Wasserdampfes als Kondensat zu ermöglichen. Ein Amin-Lösungsmittel wird eingesetzt, um den Schwefelwasserstoff abzufangen. Schließlich wird das Lösungsmittel zur Erzeugung eines Schwefelwasserstoff enthaltenden Stromes zum Zurückführen zur Schwefel-Rückgewinnungseinheit regeneriert. Das nicht absorbierte Abgas wird zu einer thermischen Oxidationsvorrichtung geschickt und emittiert.
  • US 2008/0060521 A1 beschreibt ein Kombikraftwerk mit integrierter Vergasung (IGCC) mit einem Vergasungsstrang, der ein emissionsreiches Synthesegas zu einem Säuregasentferungs (AGR)-Untersystem leitet. Das AGR-Untersystem enthält einen Stripper, mehrere Absorber, einen Absorber mit veränderlichem Druck und einen Niederdruck-Reabsorber. Der Stripper empfängt ein emissionsreiches Lösungsmittel von dem Absorber mit veränderlichem Druck und erzeugt sowohl ein emissionsarmes Lösungsmittel als auch Säuregas. Das emissionsreiche Gas wird zu dem Reabsorber geleitet und mit einem emissionsarmen Lösungsmittel vermischt, um ein Entfernen von Emission zu ermöglichen. Der Reabsorber entfernt Emissionen unter Verwendung eines Lösungsmittels, wie etwa Methyldiethanolamin (MDEA). Der saubere Synthesegasstrom wird zu der Verbrennungsturbine geleitet, und der Säuregasstrom wird zu einer Schwefelwiedergewinnungseinheit (SRU) geleitet. In der SRU wird Schwefel durch eine Claus-Reaktion wiedergewonnen, und das restliche ausströmende Claus-Restgas wird zu einer Restgasbehandlungseinheit (TGTU) geliefert. Das aus der TGTU ausgegebene behandelte Restgas wird entweder zu den Vergasungssträngen zurückgeführt oder wieder absorbiert.
  • Es wurde nun festgestellt, dass es möglich ist, die Einheit zum Behandeln des Restgases dadurch zu beseitigen, dass man das Claus-Restgas zum Vergasungsreaktor zurückgeführt. Ein solches Verfahren erleichtert die Eliminierung der Kosten und Komplikationen der Behandlung des Claus-Restgases. Zusätzlich kann eine Claus-Einheit verringerter Kosten zusammen mit einer geringeren Rückgewinnung oder, z.B., weniger Stufen der Rückgewinnung benutzt werden, da das Restgas zum Vergasungsreaktor zurückgeführt wird. Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Behandeln von Gas bereit, das in einem Vergasungsreaktor erzeugt wird, z.B. einem. IGCC-System, umfassend das Zurückführen von Gas, das einer Säuregasentfernung und Schwefelverringerung unterworfen ist, zur Vergasungseinheit des Systems ohne Zwischenhydrierung.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • In einem Aspekt wird ein Verfahren zum Zurückführen eines Restgases bereitgestellt. Das Verfahren schließt das Umwandeln des in einem Säuregasstrom vorhandenen Schwefels in elementaren Schwefel ein, um ein Restgas zu erzeugen, und Zurückführen eines ersten Stroms des Restgases zu einem Vergasungsreaktor und eines zweiten Stroms des Restgases zu einem Gasentfernungs-Untersystem. Dabei wird weder der Säuregasstrom noch das Restgas behandelt, um Schwefelwasserstoff aus dem Säuregasstrom und dem Restgas abzutrennen, bevor sie zurückgeführt werden.
  • In einem anderen Aspekt schließt ein Verfahren zum Zurückführen von Restgas, das durch einen Vergasungsreaktor erzeugt worden ist, das Dirigieren des durch den Vergasungsreaktor erzeugten Rohgases in ein Gasentfernungs-Untersystem ein. Komponenten werden aus dem Rohgas entfernt, um einen Säuregasstrom und einen sauberen Gasstrom zu erzeugen. Der erzeugte Säuregasstrom wird in ein Schwefelverminderungs-Untersystem dirigiert, um in dem Säuregasstrom vorhandenen Schwefel in elementaren Schwefel umzuwandeln und ein Restgas zu erzeugen. Das Restgas wird zu dem Vergasungsreaktor und dem Gasentfernungs-Untersystem über gesonderte Ströme zurückgeführt, wobei weder der Säuregasstrom noch das Restgas behandelt wird, um Schwefelwasserstoff aus dem Säuregasstrom und dem Restgas abzutrennen, bevor sie zu dem Vergasungsreaktor und/oder dem Gasentfernungs-Untersystem zurückgeführt werden.
  • In einem weiteren Aspekt wird eine integrierte Vergasungs-Energieerzeugungsanlage mit kombinierten Zyklus (IGCC) bereitgestellt. Die IGCC-Energieerzeugungsanlage schließt mindestens einen Vergasungsreaktor ein, der konfiguriert ist, um einen Rohgasstrom zu erzeugen, der Säuregas umfasst. Mindestens ein Gasentfernungs-Untersystem ist in Strömungsverbindung mit dem mindestens einen Vergasungsreaktor gekoppelt. Das mindestens eine Gasentfernungs-Untersystem ist konfiguriert, um mindestens einen Teil des Säuregases aus dem Rohgasstrom zu entfernen. Mindestens ein Schwefelverminderungs-Untersystem ist in Strömungsverbindung mit dem mindestens einen Gasentfernungs-Untersystem gekoppelt. Das Schwefelverminderungs-Untersystem ermöglicht das Vermindern einer Schwefelkonzentration innerhalb des Säuregases, um ein Restgas zu erzeugen, und ferner mit dem mindestens einen Vergasungsreaktor und dem mindestens einen Gasentfernungs-Untersystem in Strömungsverbindung gekoppelt ist, um das Restgas über gesonderte Ströme zu dem mindestens einen Vergasungsreaktor und/oder dem mindestens einen Gasentfernungs-Untersystem zurückzuführen, wobei weder der Säuregasstrom noch das Restgas behandelt wird, um Schwefelwasserstoff aus dem Säuregas und dem Restgas abzutrennen, bevor sie zu dem mindestens einen Vergasungsreaktor und dem mindestens einen Gasentfernungs-Untersystem zurückgeführt werden.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein schematisches Diagramm einer beispielhaften integrierten Vergasungs-Energieerzeugungsanlage mit kombinierten Zyklus (IGCC);
    • 2 ist ein schematisches Diagramm einer konventionellen Vergasungseinheit und eines Verfahrens zum Behandeln von Gas, das durch die Vergasungseinheit produziert ist, und
    • 3 ist ein schematisches Diagramm einer beispielhaften Vergasungseinheit und eines Verfahrens zum Behandeln von Gas, das durch die Vergasungseinheit produziert ist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 1 ist ein schematisches Diagramm einer beispielhaften integrierten Vergasungs-Energieerzeugungsanlage 100 mit kombiniertem Zyklus (IGCC). In der beispielhaften Ausführungsform weist die IGCC-Energieerzeugungsanlage 100 eine Gasturbine 110 auf. Die Gasturbine 110 schließt eine Turbine 114 ein, die über einen ersten Rotor 120 rotierbar mit einem ersten elektrischen Generator 118 gekoppelt ist. Die Turbine 114 ist in Strömungsverbindung mit mindestens einer Brennstoffquelle und mindestens einer Luftquelle (die beide detaillierter unten beschrieben werden) gekoppelt und konfiguriert, den Brennstoff und die Luft von der Brennstoffquelle bzw. der Luftquelle aufzunehmen. Die Turbine 114 ist konfiguriert, Luft und Brennstoff zu vermischen, (nicht gezeigte) heiße Verbrennungsgase zu erzeugen und die Wärmeenergie innerhalb der Gase in Rotationsenergie umzuwandeln. Die Rotationsenergie wird mittels des Rotors 120 an den Generator 118 übertragen, wobei der Generator 118 dazu eingerichtet ist, die Rotationsenergie in (nicht gezeigte) elektrische Energie zur Übertragung an mindestens eine Last, einschließlich, darauf aber nicht beschränkt, ein (nicht gezeigtes) elektrisches Leistungsnetz umzuwandeln.
  • Die IGCC-Energieerzeugungsanlage 100 umfasst auch eine Dampfturbinenanlage 130. In der beispielhaften Ausführungsform beinhaltet die Anlage 130 eine Dampfturbine 132, die durch einen zweiten Rotor 136 mit einem zweiten elektrischen Generator 134 gekoppelt ist.
  • Die IGCC-Energieerzeugungsanlage 100 enthält weiter ein Dampferzeugungssystem 140. In der beispielhaften Ausführungsform schließt das System 140 mindestens einen Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator (HRSG) 142 ein, der in Strömungsverbindung mit mindestens einer Wärmeübertragungs-Vorrichtung 144 mittels mindestens einer Kesselspeisewasserleitung 146 gekoppelt ist. Der HRSG 142 empfängt (nicht gezeigtes) Kesselspeisewasser von Vorrichtung 144 durch die Leitung 146 zum Erhitzen des Kesselspeisewassers zu Dampf. Der HRSG 142 empfängt auch (nicht gezeigte) Abgase der Turbine 114 durch eine (nicht gezeigte) Abgasleitung, um das Kesselspeisewasser weiter zu Dampf zu erhitzen. Der HRSG 142 ist mittels einer Dampfleitung 150 in Strömungsverbindung mit der Turbine 132 gekoppelt. Abgase und Dampf werden von dem HRSG 142 über die Schornstein-Gasleitung 152 an die Atmosphäre abgegeben.
  • Die Leitung 150 leitet (nicht gezeigten) Dampf von dem HRSG 142 zu der Turbine 132. Die Turbine 132 empfängt den Dampf von dem HRSG 142 und wandelt die thermische Energie des Dampfs in Rotationsenergie um. Die Rotationsenergie wird mittels des Rotors 136 an den Generator 134 übertragen, wobei der Generator 134 die Rotationsenergie in (nicht gezeigte) elektrische Energie zur Übertragung an mindestens eine Last, einschließlich, darauf jedoch nicht beschränkt, das elektrische Leistungsnetz umwandelt. Der Dampf wird kondensiert und als Kesselspeisewasser über eine (nicht gezeigte) Kondensatleitung zurückgeführt.
  • Die IGCC-Energieerzeugungsanlage 100 schließt auch ein Vergasungssystem 200 ein. In der beispielhaften Ausführungsform weist das System 200 mindestens eine Lufttrenneinheit 202 auf, die mittels einer Luftleitung 204 mit einer Luftquelle in Strömungsverbindung steht. Solche Lüftquellen können, ohne darauf beschränkt zu sein, (nicht gezeigte) zur Verfügung gestellte Luftkompressoren und Speichereinheiten für komprimierte Luft einschließen. Die Einheit 202 trennt Luft in Sauerstoff (O2), Stickstoff (N2) und andere Komponenten (von denen keine gezeigt ist), die durch einen (nicht gezeigten) Auslass freigesetzt werden. Der Stickstoff wird durch eine N2-Leitung zu der Gasturbine 114 geleitet, um die Verbrennung zu erleichtern.
  • Das System 200 schließt einen Vergasungsreaktor 208 ein, der in Strömungsverbindung mit der Einheit 202 gekoppelt ist, um den Sauerstoff zu empfangen, der durch eine O2-Leitung 210 von der Einheit 202 geliefert wird. Das System 200 schließt auch eine Einheit 211 zum Mahlen und Verschlämmen von Kohle ein. Die Einheit 211 steht durch eine Kohle-Zufuhrleitung 212 bzw. eine Wasser-Zufuhrleitung 213 in Strömungsverbindung mit einer Kohlequelle und einer Wasserquelle (keine davon gezeigt). Die Einheit 211 vermischt die Kohle und das Wasser zur Bildung eines (nicht gezeigten) Kohle-Aufschlämmungsstromes, der durch eine Kohle-Aufschlämmungsleitung 214 zu dem Reaktor 208 geleitet wird.
  • Der Reaktor 208 empfängt den Kohle-Aufschlämmungsstrom und einen O2-Strom durch Leitungen 214 bzw. 210. Der Reaktor 208 erzeugt einen (nicht gezeigten) heißen rohen Synthesegas (Syngas)-Strom, der Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H2), Kohlendioxid (CO2), Carbonylsulfid (COS) und Schwefelwasserstoff (H2S) enthalt. Während CO2, COS und H2S typischerweise gemeinsam als saure Gase oder Säuregas-Komponenten des rohen Synthesegases bezeichnet werden, wird CO2 separat von den übrigen Säuregas-Komponenten diskutiert. Der Reaktor 208 erzeugt darüber hinaus auch einen (nicht gezeigten) heißen Schlackestrom als ein Nebenprodukt der Syngas-Produktion. Der Schlackestrom wird durch eine Heißschlacken-Leitung 216 zu einer Schlackenhandhabungs-Einheit 215 übertragen. Die Einheit 215 zerquetscht und zerbricht die Schlacke in kleinere Schlackenstücke, wobei ein Schlacken-Entfernungsstrom erzeugt und durch die Leitung 217 geleitet wird.
  • Der Reaktor 208 steht durch eine Heißsyngas-Leitung 218 in Strömungsverbindung mit der Wärmeübertragungs-Vorrichtung 144. Die Vorrichtung 144 empfängt den heißen rohen Syngasstrom und überträgt mindestens einen Teil der Wärme über die Leitung 146 zu dem HRSG 142. Danach erzeugt die Vorrichtung 144 einen (nicht gezeigten) gekühlten rohen Syngasstrom, der durch eine Syngasleitung 219 zu einem Wäscher und einer Niedertemperatur-Gaskühl (LTGC) -Einheit 221 kanalisiert wird. Die Einheit 221 entfernt im rohen Syngasstrom enthaltenes teilchenförmiges Material und gibt das entfernte Material durch eine Flugasche-Leitung 222 ab. Die Einheit 221 erleichtert das Kühlen des rohen Syngasstromes und wandelt mindestens einen Teil des COS im rohen Syngasstrom durch Hydrolyse in H2S und CO2 um.
  • Das System 200 schließt auch ein Untersystem 300 zum Entfernen von Säuregas ein, das in Strömungsverbindung mit Einheit 221 gekoppelt ist und den gekühlten rohen Syngasstrom durch eine Rohsyngas-Leitung 220 empfängt. Das Untersystem 300 entfernt mindestens einen Teil von (nicht gezeigten) Säurekomponenten aus dem rohen Syngasstrom, wie weiter unten diskutiert wird. Solche Säuregas-Komponenten, können, ohne darauf beschränkt zu sein, CO2, COS und H2S einschließen. Das Untersystem 300 trennt auch mindestens einige der Säuregas-Komponenten in Komponenten, die CO2, COS und H2S enthalten, darauf jedoch nicht beschränkt sind. Weiter steht das Untersystem 300 durch eine Leitung 223 zum Vermindern von Schwefel in Strömungsverbindung mit einem Untersystem 400. Das Untersystem 400 empfängt und trennt mindestens einige der Säuregas-Komponenten in Komponenten, die CO2, COS und H2S einschließen, darauf jedoch nicht beschränkt sind. Weiter kanalisiert das Untersystem 400 einen (nicht gezeigten) endgültigen integrierten Gasstrom über das Untersystem 300 und eine Leitung 224 für den endgültigen integrierten Gasstrom zu dem Reaktor 208. Der endgültige integrierte Gasstrom schließt vorbestimmte Konzentrationen von CO2, COS und H2S ein, die sich aus (nicht gezeigten) früheren integrierten Gasströmen ergeben, wie weiter unten erläutert wird.
  • Das Untersystem 300 steht über die Leitung 224, in welcher der endgültige integrierte Gasstrom zu vorbestimmten Teilen von dem Reaktor 208 kanalisiert wird, in Strömungsverbindung mit dem Reaktor 208. Die Trennung und Entfernung von CO2, COS und H2S durch die Untersysteme 300 und 400 erleichtert das Produzieren eines (nicht gezeigten) sauberen Syngasstromes, der durch eine Leitung 228 für sauberes Syngas zu der Gasturbine 114 kanalisiert wird.
  • Im Betrieb empfängt die Lufttrenn-Einheit 202 Luft durch die Leitung 204. Die Luft wird in O2, N2 und andere Komponenten getrennt. Die anderen Komponenten werden durch eine entsprechende Leitung entlüftet, das N2 wird durch die Leitung 206 zu der Turbine 114 kanalisiert und der O2 wird durch die Leitung 210 zu dem Vergasungsreaktor 208 kanalisiert. Im Betrieb empfängt die Einheit 211 zum Kohlemahlen und -verschlämmen Kohle und Wasser durch Leitungen 212 bzw. 213, bildet einen Kohle-Aufschlämmungsstrom und kanalisiert den Kohle-Aufschlämmungsstrom durch die Leitung 214 zu dem Reaktor 208.
  • Der Reaktor 208 empfängt O2 durch die Leitung 210, Kohle durch die Leitung 214 und den endgültigen integrierten Gasstrom von dem Untersystem 300 durch die Leitung 224. Der Reaktor 208 erzeugt einen heißen rohen Syngasstrom, der durch die Leitung 218 zu der Vorrichtung 144 kanalisiert wird. Das in dem Reaktor 208 gebildete Schlacke-Nebenprodukt wird durch die Schlacke-Handhabungseinheit 215 und die Leitungen 216 und 217 entfernt. Die Vorrichtung 144 erleichtert das Kühlen des heißen rohen Syngasstromes zum Erzeugen eines gekühlten rohen Syngasstromes, der durch die Leitung 219 zum Wäscher und zur LTGC-Einheit 221 katalysiert wird, in der teilchenförmiges Material durch Flugasche-Leitung 222 aus dem Syngas entfernt wird, das Syngas wird weiter abgekühlt und mindestens ein Teil von COS wird durch Hydrolyse zu H2S und CO2 umgewandelt. Der gekühlte rohe Syngasstrom wird zu dem Untersystem 300 zur Säuregas-Entfernung kanalisiert, in dem Säuregas-Komponenten im Wesentlichen derart, entfernt werden, dass ein sauberer Syngasstrom gebildet und durch die Leitung 228 zu der Turbine 114 kanalisiert wird.
  • Während des Betriebes wird mindestens ein Teil der aus dem Syngasstrom entfernten Säurekomponenten durch die Leitung 223 zu dem Untersystem 400 kanalisiert, in dem Säurekomponenten entfernt und derart getrennt werden, dass der endgültige integrierte Gasstrom durch das Untersystem 300 und die Leitung 224 zu dem Reaktor 208 kanalisiert wird. Zusätzlich empfängt die Gasturbine 110 N2 und sauberes Syngas durch die Leitungen 206 bzw. 228. Die Gasturbine 110 verbrennt den Syngasbrennstoff, erzeugt heiße Verbrennungsgase und kanalisiert die heißen Verbrennungsgase stromabwärts, um die Rotation der Turbine 114 zu induzieren, die schließlich über den Rotor 120 den ersten Generator 118 drehend antreibt.
  • Mindestens ein Teil der aus dem heißen Syngas durch Warmeübertragungs-Vorrichtung 144 entfernten Wärme wird durch die Leitung 146 zu dem HRSG 142 kanalisiert, in dem die Wärme zum Kochen von Wasser zum Bilden von Dampf benutzt wird. Der Dampf wird durch die Leitung 150 zu der Dampfturbine 132 kanalisiert und induziert die Rotation der Turbine 132. Die Turbine 132 lässt über den zweiten Rotor 136 den zweiten Generator 134 rotieren.
  • 2 ist ein schematisches Diagramm eines konventionellen Vergasungsreaktors und eines Verfahrens zum Behandeln von Gasen, die durch den Vergasungsreaktor 208 eines Vergasungssystems produziert wurden, z.B. einer (in 1 gezeigten) IGCC-Energieerzeugungsanlage 100. Konventionell wird in einem Vergasungsreaktor 208 erzeugtes Syngas gekühlt und in einer (nicht gezeigten) konventionellen Wascheinheit gewaschen, um rohes Syngas zu produzieren, was einem Untersystem 300 zur Säuregasentfernung (AGR) zugeführt wird. Das AGR-Untersystem 300 absorbiert Schwefel in Form von Schwefelwasserstoff und COS zusammen mit einer Menge Kohlendioxid, zum Erzeugen sauberen Syngases durch die Leitung 228 und Säuregasstrom durch die Leitung 223, der primär aus dem absorbierten Schwefelwasserstoff, COS und Kohlendioxid besteht. Säuregas wird zu dem Schwefelverminderungs-Untersystem 400 kanalisiert zum Einsatz beim Umwandeln vom vorhandenen Schwefel in elementaren Schwefel durch eine Claus-Reaktion. In einer Claus-Reaktion wird anfänglich etwas von dem vorhandenen Schwefelwasserstoff zur Bildung von Schwefeldioxid oxidiert. Elementarer Schwefel wird auch gebildet, der in einer Ausbeute von etwa 95% bis 99% gewonnen werden kann. Die Claus-Reaktion tritt in mehreren Reaktoren nacheinander auf, z.B. drei hintereinander geschalteten Reaktoren. In jedem Reaktor in der Reihe wird Schwefel als ein flüssiges Produkt entfernt. Das herausfließende Material 412, das aus dem Schwefelverminderungs-Untersystem abgelassen wird, besteht hauptsächlich aus Kohlendioxid, Stickstoff und Wasserdampf zusammen mit unumgesetzten Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid. Das herausfließende Material 412, Claus-Restgas genannt, erfordert üblicherweise ein zusätzliches Behandeln, um Schwefel zu entfernen. Dieses Verfahren wird Restgas-Behandeln genannt und das am üblichsten eingesetzte Verfahren ist als SCOT (Shell-Claus-Abgasbehandlung) bekannt. In einem solchen Verfahren wird das herausfließende Material 412 zur Hydrierungseinheit 414 kanalisiert, in der das Claus-Restgas 412 hydriert wird, um Schwefeldioxid in Schwefelwasserstoff umzuwandeln. Das hydrierte Gas wird dann in der Kühleinheit 416 gekühlt, um das Entfernen das Wasserdampfes als Kondensat 418 zu gestatten, und das gekühlte Gas wird zur Amin-Kontakteinheit 420 kanalisiert, in der Schwefelwasserstoff abgefangen wird. Das Lösungsmittel wird regeneriert, um einen Schwefelwasserstoff enthaltenden Strom 422 zu produzieren, der zu dem Schwefelreduktions-Untersystem 400 zurückgeführt wird. Irgendwelche nicht absorbierten Abgase werden zur thermischen Oxidationsvorrichtung 424 geschickt.
  • 3 veranschaulicht eine beispielhafte Vergasungseinheit 205 und ein Verfahren zum Behandeln von Gasen, die durch eine Vergasungseinheit 205 erzeugt wurden, wie (in 1 gezeigte) Einheit 200. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Hydrierungseinheit 414 wahlweise (wie durch den gestrichelten Kasten gezeigt) und die Amin-Kontakteinheit 420 (wie in 2 gezeigt) ist weggelassen und das Claus- Restgas 412 wird zu mindestens einem von Vergasungsreaktor 208 und Untersystem 300 zur Säuregasentfernung zurückgeführt.
  • In der beispielhaften Ausführungsform wird im Vergasungsreaktor 208 erzeugtes Syngas gekühlt und gewaschen, um rohes Syngas zu erzeugen, das zum Untersystem 300 zur Säuregasentfernung kanalisiert wird. Gasentfernungs-Untersystem 300 absorbiert Schwefel als Schwefelwasserstoff und COS zusammen mit einer Menge von Kohlendioxid. Ein sauberer Syngasstrom wird via Leitung 228 erzeugt und ein Säuregasstrom wird via Leitung 223 erzeugt. Der Säuregasstrom schließt primär absorbierten Schwefelwasserstoff, COS und Kohlendioxid ein. Saure Gase werden durch die Leitung 223 zum Schwefelverminderungs-Untersystem 400 geleitet, das vorhandenen Schwefel mittels einer Claus-Reaktion in elementaren Schwefel umwandelt, wie detaillierter oben beschrieben wurde. Es können z.B. ein, zwei oder drei Reihenreaktoren für diese Reaktion benutzt werden. Nach jedem Reaktor wird Schwefel als ein flüssiges Produkt entfernt. Das herausfließende Claus-Restgas 412, das aus dem Schwefelverminderungs-Untersystem 400 abgelassen wird, besteht primär aus Kohlendioxid, Stickstoff und Wasserdampf zusammen mit unumgesetztem Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid. In einer Ausführungsform wird herausfließendes Restgas 412 dann direkt zur Kühleinheit 416 geleitet oder dirigiert, ohne einen dazwischen geschalteten Hydrierungsprozess und ohne Kontakt mit Amin. In einer alternativen Ausführungsform wird herausfließendes Restgas 412 zur Hydrierungseinheit 414 dirigiert, in der das Restgas zum Umwandeln von Schwefeldioxid in Schwefelwasserstoff hydriert wird, ohne dass ein Kontakt mit Amin stattfindet, und dann zur Kühleinheit 416 dirigiert. In Kühleinheit 416 wird das Gas abgekühlt, um wirksam Wasserdampf als Kondensat 418 zu entfernen.
  • Das gekühlte Restgas wird dann der Gas-Trockeneinheit 430, z.B. einer Glykol- oder Methanol-Kontaktvorrichtung, zugeführt, um die Entfernung verbliebener Restmengen von Wasser zu erleichtern und so die korrosive Wirkung des Restgases zu minimieren. Nach dem Trocknen in der Gas-Trockeneinheit 430 wird das Restgas zum Kompressor 426 geführt und komprimiert, bevor es zu mindestens einem von Vergasungsreaktor 208 und Untersystem 300 zur Säuregasentfernung zurückgeführt wird.
  • In einer Ausführungsform wird das gesamte zurückgeführte Gas zum Vergasungsreaktor 208 dirigiert. In einer anderen Ausführungsform wird das gesamte zurückgeführte Gas in dem Untersystem 300 zur Säuregasentfernung dirigiert. In einer weiteren Ausführungsform wird ein Teil des rückgeführten Gases zum Vergasungsreaktor 208 und ein entsprechender Teil des zurückgeführten Gases zum Untersystem 300 zur Säuregasentfernung dirigiert. Wenn z.B. 25% des zurückgeführten Gases zum Vergasungsreaktor 208 dirigiert werden, werden entsprechende 75% des zurückgeführten Gases zum Untersystem 300 zur Säuregasentfernung dirigiert.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform wird ein Verfahren zum Zurückführen eines erzeugten Restgases bereitgesteilt. In dem Verfahren kann in einem Säuregasstrom vorhandener Schwefel ohne Zwischenhydrierung in elementaren Schwefel umgewandelt werden, um ein Restgas zu produzieren, das zu mindestens einem von Vergasungsreaktor 208 und Säuregas-Untersystem 300 zurückgeführt wird. Ein durch den Vergasungsreaktor 208 erzeugtes Rohgas wird in das Gasentfernungs-Untersystem 300 dirigiert und ein Teil der Komponenten aus dem Rohgas wird entfernt, um den Säuregasstrom und einen sauberen Gasstrom zu produzieren. Der Säuregasstrom wird in ein Schwefelverminderungs-Untersystem 400 geleitet und in dem Säuregasstrom vorhandener Schwefel wird unter Produktion eines Restgases in elementaren Schwefel umgewandelt. In einer Ausführungsform wird das Restgas in die Kühleinheit 416 dirigiert, um das Vermindern einer Betriebstemperatur des Restgases zu erleichtern. In einer alternativen Ausführungsform wird herausfließendes Restgas 412 in die Hydrierungseinheit 414 dirigiert, in der das Restgas hydriert wird, um Schwefeldioxid, ohne Kontakt mit Amin, in Schwefelwasserstoff umzuwandeln, und dann in Kühleinheit 416 dirigiert. In der Kühleinheit 416 wird das Restgas gekühlt, um wirksam Wasserdampf als Kondensat 418 zu entfernen. Das gekühlte Restgas wird von der Kühleinheit 416 in die Gastrocken-Einheit 430 geleitet, um das Trocknen des Restgases zu erleichtern.
  • In einer anderen beispielhaften Ausführungsform schließt das Verfahren das Dirigieren des Restgases vom Schwefelverminderungs-Untersystem 400 zum Kompressor 426 ein. Der Kompressor 426 komprimiert das Restgas, bevor das Gas zu mindestens einem von Vergasungsreaktor 208 und Gasentfernungs-Untersystem 300 zurückgeführt wird.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform kann zurückgeführtes Kohlendioxid 428 vom Gasentfernungs-Untersystem 300 wahlweise zum Kompressor 426 geleitet und mit dem Restgas komprimiert werden, bevor solche Gase zu mindestens einem von Vergasungsreaktor 208 und Gasentfernungs-Untersystem 300 zurückgeführt werden. Alternativ kann das Restgas ohne Kontakt mit Amin vor dem Eintreten in mindestens einen von Vergasungsreaktor 208 und Gasentfernungs-Untersystem 300 zurückgeführt werden.
  • In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann, da eine geringe Menge von Schwefeldioxid im Restgas unumgesetzt oder unumgewandelt bleiben mag, ein COS-Hydrolysekatalysator hinzugefügt werden, um sicherzustellen, dass der gesamte Schwefel unter Bildung von Schwefelwasserstoff umgesetzt oder umgewandelt ist.
  • Das Zurückführen des Restgasstromes zu mindestens einem von Vergasungsreaktor 208 und Gasentfernungs-Untersystem 300, wie hierin beschrieben, erleichtert das Eliminieren der Kosten und Komplikationen des Behandelns von Claus-Restgas in einer Hydrierungseinheit und in einer Amin-Kontakteinheit, wie sie üblicherweise in konventionellen Anlagen benutzt werden. Eine Claus-Reaktion zu verminderten Kosten kann mit einer geringeren Rückgewinnung oder z.B. weniger Rückgewinnungsstufen, benutzt werden, da das Restgas zu mindestens einem von Vergasungsreaktor 208 und Gasentfernungs-Untersystem 300 zurückgeführt wird. Kosten werden auch, mit minimalen Stufen, durch Anwenden einer voll mit Sauerstoff geblasenen Claus-Reaktion statt des Einsatzes einer angereicherten Luft reduziert, um, z.B., eine Ausbeute von etwa 90-95% Schwefel-Rückgewinnung zu erzielen.
  • Die mit der wahlweisen Restgas-Hydrierungseinheit und der Eliminierung, falls erwünscht, der Amin-Kontakteinheit verbundenen Ersparnisse werden größer als die Zusatzkosten beim Ausführen des Gastrocknens und der Gaskompression und irgendwelche Kosten im Zusammenhang mit der Zugabe eines Hydrierungs-Katalysators zur existierenden COS-Einheit projiziert. Zusätzlich sollte die Kompression von trockenem Restgas eine hohe Zuverlässigkeit haben und die Eliminierung der thermischen Oxidationsvorrichtung 424 zusammen mit seinen Emissionen und normalen Brennstoffgas-Energieverbrauch ermöglichen. Darüber hinaus erleichtern die Zugabe von Kohlendioxid aus der Säuregasentfernungs-Einheit zum Restgas und das Zurückführen eines Restgases mit hohem Kohlendioxidgehalt zu mindestens einer von der Vergasungseinheit und dem Gasentfernungs-Untersystem das Erhöhen der Kohlenstoffumwandlung und CO-Produktion, was zu weiteren Zunahmen in der Gesamteffizienz des IGCC führt.
  • Das Verfahren und die Vorrichtung für die Synthesegas- oder Syngas-Produktion, wie hierin beschrieben, erleichtert den Betrieb von integrierten Vergasungs-Energieerzeugungsanlagen mit kombiniertem Zyklus (IGCC) und spezifisch von Syngas-Produktionssystemen. Spezifisch erhöht die größere Schwefelwasserstoff (H2S) - und Carbonylsulfid (COS)-Entfernung aus Strömungsmittelströmen der Syngasproduktion die Effizienz der Syngasproduktion. Spezifischer erleichtert die Verminderung der Konzentration von H2S und COS in einem Kohlendioxid (CO2)-Zuführungsstrom zu einem Vergasungsreaktor das Vermindern der Konzentration von Verunreinigungen in dem sauberen Syngas, das zur Gasturbine geführt wird. Darüber hinaus erleichtert das Konfigurieren eines integralen Absorbers zum Entfernen von H2S und COS auf einer im Wesentlichen kontinuierlichen Basis, wie hierin beschrieben, das optimale Betreiben des Syngas-Herstellungsverfahrens, um das Verbessern der Effizienz der IGCC-Anlagenproduktion zu erleichtern, wodurch eine Verringerung der Betriebskosten erleichtert wird. Weiter erleichtert ein solches Verfahren das Vermeiden der Freisetzung unangemessener Emissionen, da die verminderten Konzentrationen von H2S und COS erhöhte Betriebsgrenzen zu den hinsichtlich der Umwelt geforderten Grenzen dieser Verbindungen erleichtern. Ohne Ablassen von Restgas in die Umgebung wird im Wesentlichen das gesamte Gas zu mindestens einem von Vergasungsreaktor und Gasentfernungs-Untersystem zurückgeführt. Das Verfahren und die Ausrüstung zum Erzeugen solchen Syngases, wie hierin beschrieben, erleichtert das Vermindern von Kapitalkosten, die mit dem Herstellen einer solchen IGCC-Anlage verbunden sind.
  • Beispielhafte Ausführungsformen der Syngas-Herstellung, wie sie mit IGCC-Anlagen verbunden sind, sind oben detailliert beschrieben. Die Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sind nicht auf die hierin beschriebenen spezifischen Ausführungsformen oder die spezifisch dargestellten IGCC-Anlagen beschränkt. Darüber hinaus sind solche Verfahren, Vorrichtungen und Systeme nicht auf IGCC-Anlagen beschränkt und können in Einrichtungen eingebettet werden, die, ohne darauf beschränkt zu sein, Wasserstoff-Produktion, Fischer-Tropsch-Brennstoffproduktions-Verfahren ebenso wie Vergasungssysteme und Gasreinigungssysteme allgemein einschließen.
  • Während die Erfindung in Form verschiedener spezifischer Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass die Erfindung mit Modifikation innerhalb des Geistes und Umfanges der Ansprüche ausgeführt werden kann.
  • Diese Beschreibung benutzt Beispiele zum Offenbaren der Erfindung, einschließlich der besten Art und auch, um es irgendeinen Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung auszuführen, einschließlich des Herstellens und Benutzens irgendwelcher Vorrichtungen oder Systeme und des Ausführens irgendwelcher inkorporierter Verfahren. Der patentfähige Umfang der Erfindung wird durch die Ansprüche definiert und er kann andere Beispiele einschließen, die sich dem Fachmann ergeben. Solche anderen Beispiele sollen in den Umfang der Ansprüche fallen, wenn sie Strukturelemente aufweisen, die sich vom Wortlaut der Ansprüche nicht unterscheiden oder wenn sie äquivalente Strukturelemente mit unwesentlichen Unterschieden zum Wortlaut der Ansprüche einschließen.

Claims (20)

  1. Verfahren zum Zurückführen eines Restgases, wobei das Verfahren umfasst: Umwandeln von in einem Säuregasstrom vorhandenem Schwefel in elementaren Schwefel unter Erzeugen eines Restgases und Zurückführen eines ersten Stroms des Restgases zu einem Vergasungsreaktor (208) und eines zweiten Stroms des Restgases zu einem Gasentfernungs-Untersystem (300), wobei weder der Säuregasstrom noch das Restgas behandelt wird, um Schwefelwasserstoff aus dem Säuregasstrom und dem Restgas abzutrennen, bevor sie zurückgeführt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend: Dirigieren des durch den Vergasungsreaktor (208) produzierten Rohgases in das Gasentfernungs-Untersystem (300) und Entfernen von Säuregaskomponenten aus dem durch den Vergasungsreaktor (208) produzierten Rohgas zum Herstellen das Säuregasstromes und eines reinen Gasstromes.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend das Dirigieren des Restgases in eine Kühleinheit (416), um das Verringern einer Betriebstemperatur des Restgases zu erleichtern.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, weiter umfassend das Dirigieren des Restgases von der Kühleinheit (416) in eine Trockeneinheit (430), um das Trocknen des Restgases zu erleichtern.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend das Dirigieren des Restgases aus einem Schwefelverminderungs-Untersystem (400) zu einem Kompressor (426).
  6. Verfahren nach Anspruch 5, worin das Restgas vor dem Rückführen des Restgases komprimiert wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, worin das Restgas mit Kohlendioxid aus dem Gasentfernungs-Untersystem (300) vor dem Zurückführen des Restgases komprimiert wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Restgas vor dem Zurückführen nicht mit Amin in Kontakt kommt.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, worin in dem Säuregasstrom vorhandener Schwefel ohne eine Zwischenhydrierung in elementaren Schwefel umgewandelt wird, um das Restgas zu produzieren.
  10. Verfahren zum Zurückführen von durch einen Vergasungsreaktor (208) produziertem Restgas, wobei das Verfahren umfasst: Dirigieren eines durch den Vergasungsreaktor (208) produzierten Rohgases in ein Gasentfernungs-Untersystem; Entfernen von Komponenten aus dem Rohgas, um einen Säuregasstrom und einen sauberen Gasstrom zu produzieren; Dirigieren des produzierten Säuregasstromes in ein Schwefelverminderungs-Untersystem (400), um in dem Säuregasstrom vorhandenen Schwefel in elementaren Schwefel umzuwandeln, um ein Restgas zu produzieren, und Zurückführen des Restgases zu dem Vergasungsreaktor (208) und zu dem Gasentfernungs-Untersystem (300) über gesonderte Ströme, wobei weder der Säuregasstrom noch das Restgas behandelt wird, um Schwefelwasserstoff aus dem Säuregasstrom um dem Restgas abzutrennen, bevor sie zu dem Vergasungsreaktor (208) und/oder dem Gasentfernungs-Untersystem (300) zurückgeführt werden.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, weiter umfassend: Dirigieren des Restgases in eine Kühleinheit (416), um das Verringern einer Betriebstemperatur des Restgases zu erleichtern.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, weiter umfassend: Dirigieren des gekühlten Restgases von der Kühleinheit (416) in eine Trockeneinheit (430), um das Trocknen des Restgases zu erleichtern.
  13. Verfahren nach Anspruch 10, worin das Restgas vor dem Zurückführen zu dem Vergasungsreaktor (208) und/oder dem Gasentfernungs-Untersystem (300) nicht mit Amin in Kontakt kommt.
  14. Verfahren nach Anspruch 10, worin das Restgas vor dem Zurückführen des Restgases zu dem Vergasungsreaktor (208) und/oder dem Gasentfernungs-Untersystem (300) komprimiert wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 10, worin das Restgas ohne eine Zwischenhydrierung zu dem Vergasungsreaktor (208) und/oder dem Gasentfernungs-Untersystem (300) zurückgeführt wird.
  16. Integrierte Vergasungs-Energieerzeugungsanlage mit kombiniertem Zyklus (IGCC), umfassend: mindestens einen Vergasungsreaktor (208), der konfiguriert ist, um einen Säuregas umfassenden Rohgasstrom zu erzeugen; mindestens ein Gasentfernungs-Untersystem (300), das in Strömungsverbindung mit dem mindestens einen Vergasungsreaktor (208) gekoppelt ist, wobei das mindestens eine Gasentfernungs-Untersystem (300) konfiguriert ist, um mindestens einen Teil des Säuregases aus dem Rohgasstrom zu entfernen, und mindestens ein Schwefelverminderungs-Untersystem (400), das in Strömungsverbindung mit dem mindestens einen Gasentfernungs-Untersystem (300) gekoppelt ist, um das Säuregas zu empfangen, wobei das mindestens eine Schwefelverminderungs-Untersystem (400) das Vermindern einer Schwefelkonzentration innerhalb des Säuregases ermöglicht, um ein Restgas zu erzeugen, und ferner mit dem mindestens einen Vergasungsreaktor (208) und dem mindestens einen Gasentfernungs-Untersystem (300) in Strömungsverbindung gekoppelt ist, um das Restgas über gesonderte Ströme zu dem mindestens einen Vergasungsreaktor (208) und/oder dem mindestens einen Gasentfernungs-Untersystem (300) zurückzuführen, wobei weder der Säuregasstrom noch das Restgas behandelt wird, um Schwefelwasserstoff aus dem Säuregas und dem Restgas abzutrennen, bevor sie zu dem mindestens einen Vergasungsreaktor (208) und dem mindestens einen Gasentfernungs-Untersystem (300) zurückgeführt werden.
  17. IGCC-Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 16, worin das mindestens eine Gasentfernungs-Untersystem (300) und das mindestens eine Schwefelverminderungs-Untersystem (400) das Restgas zu mindestens einem des mindestens einen Vergasungsreaktors (208) und des mindestens einen Gasentfernungs-Untersystems (300) zurückführt, ohne das Restgas in eine Hydrierungseinheit (414) zu dirigieren.
  18. IGCC-Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 16, worin das mindestens eine Gasentfernungs-Untersystem (300) und das mindestens eine Schwefelverminderungs-Untersystem (400) das Restgas zu mindestens einem des mindestens einen Vergasungsreaktors (208) und des mindestens einen Gasentfernungs-Untersystems (300) zurückführen, ohne dass das Restgas vor dem Zurückführen mit Amin in Kontakt kommt.
  19. IGCC-Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 16, worin das mindestens eine Gasentfernungs-Untersystem (300) und das mindestens eine Schwefelverminderungs-Untersystem (400) das Restgas zurückführen, ohne das Restgas in eine Amin-Kontakteinheit (420) zu dirigieren.
  20. IGCC-Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 16, weiter umfassend einen Kompressor (426) der mit dem Gasentfernungs-Untersystem (300) gekoppelt ist.
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US12/417,763 US8551199B2 (en) 2009-04-03 2009-04-03 Method and apparatus to recycle tail gas
US12/417,763 2009-04-03
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