TW201315529A - 在吸收與解吸方法中之熱回收 - Google Patents

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Abstract

本發明關於一種方法，其使用液態吸收劑藉由吸收與解吸方法以移除能由工業級氣體分離出之組分，其中裝設至少一個吸收裝置(20)及解吸裝置(22)，在被加熱並供至該熱轉移段(22a)頂部之前分出至少一部分離開該吸收裝置(20)之滿載溶液，並藉由在該熱轉移段(22a)中之熱交換由該解吸裝置(22b)底部升起之蒸氣來加熱此滿載之部分流，並藉由釋壓閥(25)及經由該熱交換器(21)使離開該吸收裝置(20)之冷滿載溶液(5a)的剩餘流驟沸至閃蒸容器(26)中，所以使離開該熱交換器(21)之流被分成液體和氣相，該閃蒸容器(26)中之壓力係降至使該吸附和解吸方法之總能量需求降低的程度。

Description

在吸收與解吸方法中之熱回收
本發明關於能自吸收與解吸方法中之工業級氣體分離多種組分之經濟方法。
這樣之工業級氣體大都是天然氣體或合成氣體，此合成氣體係由化石原料如原油或煤和由生物原料產生。天然氣體和合成氣體含有有用之有價值氣體，還有干擾組分，如硫化合物(特別是二氧化硫)、二氧化碳和其他能被分離出之組分如氰化氫和水蒸氣。除天然氣體或合成氣體之外，經除去干擾組分(例如，二氧化碳)之工業級氣體群組也包括來自化石燃料焚燒之煙道氣。能被分離之組分也可能是為了指定用途所分離之有用氣體。
物理和化學吸收劑二者均可用於吸附。化學作用型吸收劑是，例如，胺水溶液、鹼金屬鹽溶液等等，Selexol、碳酸丙二酯、N-甲基-吡咯酮、morphysorb、甲醇等等是物理吸收劑。
從先前技藝知道如何除去藉由吸收與解吸方法自迴路中之工業級氣體分離的組分。能被分離之組分被液態吸收劑吸收於吸收裝置中。不溶於溶劑之氣體於頂部離開該吸收裝置，而能被分離之組分以溶解態留於該液態吸收劑中並於底部離開該吸收裝置。在此滿載溶液供至該解吸裝置頂部以供解吸之前，此滿載溶液通常藉由與熱再生溶液之 熱交換預熱，藉以回收該解吸裝置中之解吸所需的部分能量。
藉由加熱劑，於該解吸裝置底部之再沸器藉由該解吸裝置內側底部處之溶劑的部分汽化產生蒸氣。在此，產生之蒸氣作為除去能由該滿載溶液分離出之組分的汽提劑。此滿載溶液係藉由汽提劑以逆流脫離能被分離之吸收組分。能被分離之汽提組分於頂部離開該解吸裝置，且該汽提劑之蒸氣部分於頂冷凝器中凝結並返回該解吸裝置。已經脫離能被分離之組分的再生溶液於底部離開該解吸裝置，且此溶液通常在進行熱交換之後冷卻並返回該吸收裝置頂部。這樣結束該吸收與解吸方法之迴路。
吸收時，大部分案例係於1至100巴之工作壓力進行，據證實20℃至至高70℃之吸收溫度能有益於自工業級氣體除去能分離之組分。
滿載能被分離之組分的溶液可藉由驟沸成較低壓力及/或汽提再生，能被分離之組分再釋出及/或藉由蒸氣汽提。等再生程序完成之後該吸收劑可視需要冷卻並再使用。
解吸裝置解吸所需之溫度比藉由吸收裝置中的吸收劑吸收之溫度高。此解吸裝置通常於80℃至140℃之溫度及0.2至至高3巴之絕對壓力操作。
在吸收與解吸方法中，熱回收可於熱交換器中藉由能被加熱之吸收溶液與能被冷卻之吸收溶液之間的熱交換達成。此熱交換一方面用以所欲方式預熱能被加熱之流體， 另一方面能被冷卻之流體以同樣的所欲方式冷卻，使得再生所需與外部來源供應之能量顯著降低。
即使是在理想熱交換之案例中，其中熱再生溶液與經加熱之滿載溶液之間的溫度逼近近乎0，吸收與解吸方法為了再生溶劑仍舊需要許多外部能量。由於經濟的緣故，熱交換器通常設計成用於再生溶液與經加熱之滿載溶液之間大約10度K的最小溫度逼近。這造成外部來源得符合之再生能量要求提高。
EP 1 606 041 B1揭示自天然氣或合成氣體選擇性除去酸氣組分之方法，且藉由使滿載溶液於閃蒸容器中分兩階段驟沸至選定壓力並接著將要解吸之滿載溶液引進該解吸裝置而於兩個吸收階段內選擇性除去酸氣組分。
DE 10 2005 030 028 A1中揭示另一個自天然氣除去酸氣之方法，其中吸收塔與汽提塔之間的滿載溶液壓力係以能確保需要之外部能量儘可能少的方式分段控制。
WO 2010/086039 A1描述自火力發電廠之排氣分離二氧化碳之方法與裝置。連接至該電廠之吸收與解吸方法結合“分次供入”和“貧溶劑驟沸”操作模式，其中如果兩個處理階段合併才能達成此電廠處理更有利之總體廠效率。根據WO 2010/086039 A1之方法的應用涉及比先前技藝高相當多之設備要求，因為在此可能必須同時設置真空壓縮段及另一個壓縮段。
EP 1 736 231 A1揭示用於除去二氧化碳之方法與裝置，且呈現數個以改良能量效率為目標之變化例。然而， 基於所述之熱連結，僅可回收一部分供應至再生裝置之能量，因為仍舊含於來自此揭示內容所述之閃蒸容器的排放蒸氣中之大部分能量並未再循環至再生裝置而是被外部冷卻器除去，因此無法用於該系統。為了確保熱以適當方式轉移來去該閃蒸容器之濃縮溶液，對於呈附加熱交換器、冷卻器等等之形式的設備有相當高之要求。此吸收器中之必要中間進料，例如，增加此吸收器需要之總體高度且因此成本亦同。
基於對於資源之要求越來越高，在所有領域中之經濟操作模式長久以來已經變成進一步發展之重要基礎。因此目的在於提供使整個廠之能量需求降低的有效率節省成本方法。
因此本發明之目的在於提供一種藉由吸收與解吸方法移除能自工業級氣體分離之組分之經濟改良方法，特別是為了進一步降低外部能量之需求。
此目的係藉由一種用於除去能自工業級氣體分離之組分之方法達成，且此方法係使用液態吸收劑藉由吸收與解吸方法實施，其中裝設至少一個吸收裝置(20)，其包括至少一個質量轉移段，其中由該液態吸收劑吸收能被分離之組分，及裝設至少一個解吸裝置(22)，且該解吸裝置(22)包含至少一個熱轉移段(22a)、汽提段(stripping section)(22b)和於底部之再沸器(23)， 且該熱轉移段(22a)位於該汽提段(22b)上方，及該解吸裝置(22)中之溫度係高於該吸收裝置(20)之溫度。
在將此溶液供至該解吸裝置(22)之前藉由熱交換器來加熱離開該吸收裝置(29)並滿載能被分離之組分的溶液。藉由該解吸裝置(22)底部之再沸器(23)供應該解吸作用所需的其餘能量。已經被汽提劑抽取之能被分離之組分呈排氣流離開該汽提段(22b)頂部，及接著將該排氣流引進該熱轉移段(22a)，視需要冷卻並於頂部離開該解吸裝置(22)。在解吸之後不含能被分離之組分的溶液於底部離開該解吸裝置(22)，與該熱交換器(21)中之濃縮溶液進行熱交換，接著冷卻並返回該吸收裝置(20)。
在被加熱並供至該熱轉移段(22a)頂部之前分出至少一部分離開該吸收裝置(20)之滿載溶液。藉由在該熱轉移段(22a)中之熱交換由該解吸裝置(22b)底部升起之蒸氣來加熱此滿載之部分流。藉由釋壓閥(25)及經由該熱交換器(21)使離開該吸收裝置(20)之冷滿載溶液(5a)的剩餘流驟沸至閃蒸容器(26)中，所以使離開該熱交換器(21)之流被分成液體和氣相，該閃蒸容器(26)中之壓力係降至使該吸附和解吸方法之總能量需求降低的程度。
在該熱交換器(21)中熱自該再生溶液轉移至濃縮溶液。為求經濟的緣故，熱再生溶液與經加熱之滿載溶液之間以及經冷卻再生之溶液與能被加熱之冷滿載溶液之間的 溫度差正常應不得小於10度K。在此事件中只有該冷滿載溶液之一部分流能用於該再生溶液之大質量流，所得之溫度差必然大於10度K，因為該濃縮溶液之質量流小於該再生溶液之質量。儘管如此為了儘可能利用該再生溶液之熱且也為了將該冷再生溶液與能被加熱之冷滿載溶液之間的溫度差降至大約10度K，依照本發明藉由該熱交換器(21)中之釋壓閥(25)降低該濃縮溶液流側之壓力，以致於藉由所引起之滿載溶液部分汽化使更多熱自該熱再生溶液被轉移至冷滿載溶液。依此方式，使存在於該迴路和該解吸裝置中之熱被有效利用，造成該煮沸器(23)所需之外部能量減少。能量增益起因於實際上根據具體實現本發明之方法，儘管質量流較小，該熱交換器卻轉移與根據此技藝現況相同量之熱，並使濃縮溶液之整體質量流通過該熱交換器及，此外，回收自熱轉移段(22a)中之汽提蒸氣轉移至濃縮溶液之部分流的能量。這降低吸收與解吸方法之總體能量需求。
於該解吸裝置(22)底部之再沸器一般確使需要之熱的連續供應，其中藉由該再沸器將汽提劑加熱成汽提蒸氣。此汽提蒸氣自液態溶劑汽提能被分離之組分。將藉由該閃蒸容器(26)之減壓釋出的蒸氣自該閃蒸容器(26)頂部抽走並在該熱轉移段(22a)下方供入，利用此蒸氣將其熱轉移至該能被加熱之溶液並視需要冷卻。此經冷卻分離之組分於頂部離開該解吸裝置且備用於下游處理，且不需要冷凝器或只需要相當小之冷凝器來冷卻被分離之組 分。
已知透過該熱交換器輸送該溶液及其後輸送至該解吸裝置之頂部需要一定的壓力。因此，根據此技藝之現況，該熱交換器(21)之下游需要大約5至6巴的壓力。此輸入壓力必需克服該解吸裝置之最小高度，補償管路阻力並配置該解吸裝置之釋放控制閥中的充分控制裕量(control reserves)。為了達成該解吸裝置之正常工作壓力需要另外輸入壓力。基於高輸入壓力，在該熱交換器(21)中加熱之後該滿載溶液中之蒸氣比例相對較低。現在在該熱交換器中之壓力可降至允許該熱交換器中有顯著較大量部分汽化之壓力。根據本發明該閃蒸容器(26)中之壓力係降至比該解吸裝置(22)頂部之壓力最多大1.5巴的壓力。結果，經驟沸之氣相可被供至該解吸裝置(22)而沒有其他紛擾。
依據溶劑，此壓力可降至比該解吸裝置(22)頂部之壓力高至少1或甚至0.1巴。如果此壓力降至比該解吸裝置(22)頂部之壓力高至少0.1巴，蒸氣比例將會提高。此壓力可-如果有益的話-降至低於該解吸裝置(22)頂部之壓力；在此案例中為了將該氣相輸送至該解吸裝置頂部需要氣體壓縮器。
壓降也可於數個串聯連結之閃蒸容器中實施。這在意欲將驟沸壓力降至低於該解吸裝置中之壓力的案例中具有益處，因為在那樣之案例中只有必須被壓縮之蒸氣部分於其後供至該解吸裝置。
將由該閃蒸容器(26)中之壓降釋出的蒸氣自該閃蒸容器(26)頂部抽出並供至該解吸裝置(22)之汽提段(22b)上方。
將由該閃蒸容器(26)中之壓降釋出的液態部分自該閃蒸容器(26)底部抽出並供至該解吸裝置(22)之汽提段(22b)以汽提自溶劑分離出之剩餘組分。
在該熱轉移段(22a)中加熱可藉由直接或間接熱轉移實施。由該汽提段(22b)升起之排放流將其熱轉移給能被加熱之滿載溶液。在直接熱轉移之案例中，為該熱轉移段(22a)裝設質量轉移段，該質量轉移段在實施直接熱轉移之處裝配質量轉移元件，其中用於熱交換和質量交換之塔的所有內部零件(如填充材料、結構化填料、盤體(球體、閥、篩板)等等)均可作為質量轉移元件。向下細流之滿載溶液吸收來自上升之排放蒸氣的熱，同時該排放蒸氣因此被冷卻。在間接熱轉移之案例中，該熱轉移段(22a)可以實施間接熱交換之熱交換器的形式裝設。此加工容器一方面視需要冷卻該上升之排放蒸氣且另一方面依所需加熱該能被加熱之滿載溶液。
該釋壓閥(25)、熱交換器(21)及閃蒸容器(26)一般設置於底板上。加工容器之有益配置可，例如，供該釋壓閥(25)、熱交換器(21)及閃蒸容器(26)位於該汽提段(22b)位準以上。以此方式，不需要額外之泵自該閃蒸容器(26)輸送該溶液並輸送至該解吸裝置頂部。然而，此裝置可以任何想要之方式設置來執行具體實現本 發明之方法。
在該熱轉移段(22a)中加熱之部分流係供至該汽提段(22b)。
此方法可以物理或化學作用型吸收劑執行。此方法可用於特別是自工業級氣體除去酸氣組分。
從大約13體積% CO2之原煤氣起，此原煤氣所含之大約90%的CO2將被移除，且原煤氣之量為150,000 Nm3/h。能被分離之CO2組分將藉由MDEA水溶液作為吸收劑以大約1100 t/h之溶劑再循環速率予以移除。應用過程模擬方法產生以下結果：
根據具體實現本發明之方法將離開該吸收裝置之滿載溶液分成二流，剩餘流(5a,5b)之份額總計為總再循環溶劑流之大約(1169-248)/1169=79%。即使只有該總再循環溶劑流之大約79%可用，卻有將近根據先前技藝之相同能量可藉由熱交換器轉移至解吸裝置。
在第3圖中使該滿載溶液通過熱交換器而不會降低壓 力。在此公認有明顯較少之熱(79.1 MW)被轉移至該解吸裝置，所以最後所欲移除之CO2需要甚至再多大約(34.5-31)/31=11%之外部能量。這意指適於此溶劑要求之壓降是根據本發明之操作模式必需的。
然而，根據本發明之操作模式能在該解吸裝置中配合相當少外部能量操作。在此實施例中，此溶液之再生能節省該再沸器中需要之外部能量的至多(31-23)/31=26%。
此表也顯示根據本發明之操作模式中的6%蒸氣部分比根據此技藝現況達成者高相當多。
1‧‧‧進料氣體
2‧‧‧產物氣體
3‧‧‧滿載溶液流
4‧‧‧滿載部分流
5a‧‧‧該釋壓閥上游之滿載剩餘流
5b‧‧‧該釋壓閥下游之滿載剩餘流
6‧‧‧預熱流
6a‧‧‧預熱流
6b‧‧‧驟沸溶液之蒸氣相
6c‧‧‧驟沸溶液之蒸氣相
7a‧‧‧驟沸溶液之液態部分
7b‧‧‧驟沸溶液之液態部分
8‧‧‧經再生之溶劑流
9‧‧‧經再生之溶劑流
10‧‧‧經再生之溶劑流
11‧‧‧熱交換之後的溶劑流
12‧‧‧經冷卻再生之溶液
13‧‧‧經分離之組分
14‧‧‧經冷卻分離之組分
15‧‧‧回流泵
16‧‧‧泵
17‧‧‧熱交換器
18‧‧‧熱交換器
19‧‧‧回流槽
20‧‧‧吸收裝置
21‧‧‧熱交換器
22‧‧‧解吸裝置
22a‧‧‧熱轉移段
22b‧‧‧汽提段
23‧‧‧熱交換器
24‧‧‧分路
25‧‧‧釋壓閥
26‧‧‧閃蒸容器
27‧‧‧泵
28‧‧‧壓縮器
具體實現本發明之方法係藉由圖式及表參照實施例說明於下文。
第1圖表示此技藝之現況。
第2圖表示具體實現本發明之方法。
第3圖表示此技藝之替代狀況。
1‧‧‧進料氣體
2‧‧‧產物氣體
3‧‧‧滿載溶液流
4‧‧‧滿載部分流
5a‧‧‧該釋壓閥上游之滿載剩餘流
5b‧‧‧該釋壓閥下游之滿載剩餘流
6a‧‧‧預熱流
6b‧‧‧驟沸溶液之蒸氣相
6c‧‧‧驟沸溶液之蒸氣相
7a‧‧‧驟沸溶液之液態部分
7b‧‧‧驟沸溶液之液態部分
8‧‧‧經再生之溶劑流
9‧‧‧經再生之溶劑流
10‧‧‧經再生之溶劑流
11‧‧‧熱交換之後的溶劑流
12‧‧‧經冷卻再生之溶液
13‧‧‧經分離之組分
16‧‧‧泵
17‧‧‧熱交換器
20‧‧‧吸收裝置
21‧‧‧熱交換器
22‧‧‧解吸裝置
22a‧‧‧熱轉移段
22b‧‧‧汽提段
23‧‧‧熱交換器
24‧‧‧分路
25‧‧‧釋壓閥
26‧‧‧閃蒸容器
27‧‧‧泵
28‧‧‧壓縮器

Claims (11)

  1. 一種使用液態吸收劑藉由吸收與解吸方法移除能自工業級氣體分離之組分之方法，其中˙裝設至少一個吸收裝置(20)，其包括至少一個質量轉移段，其中由該液態吸收劑吸收能被分離之組分，及˙裝設至少一個解吸裝置(22)，且該解吸裝置(22)包含至少一個熱轉移段(22a)、汽提段(stripping section)(22b)和於底部之再沸器(23)，且該熱轉移段(22a)位於該汽提段(22b)上方，及˙該解吸裝置(22)中之溫度係高於該吸收裝置(20)之溫度，及˙在將此溶液供至該解吸裝置(22)之前藉由熱交換器來加熱滿載能被分離之組分的溶液，及藉由該解吸裝置(22)底部之再沸器(23)供應該解吸作用所需的其餘能量，及˙已經被汽提劑汽提出之能被分離之組分呈排氣流離開該汽提段(22b)頂部，及˙接著將該排氣流引進該熱轉移段(22a)，視需要冷卻並於頂部離開該解吸裝置(22)，及˙在解吸之後不含能被分離之組分的溶液於底部離開該解吸裝置(22)，冷卻並返回該吸收裝置(20)頂部， 其特徵在於˙在被加熱並供至該熱轉移段(22a)頂部之前分出至少一部分離開該吸收裝置(20)之滿載溶液(4)，及˙藉由在該熱轉移段(22a)中之熱交換由該解吸裝置(22b)底部升起之蒸氣來加熱此滿載之部分流，及˙藉由釋壓閥(25)及經由該熱交換器(21)使離開該吸收裝置(20)之冷滿載溶液(5a)的剩餘流驟沸至閃蒸容器(26)中，所以使離開該熱交換器(21)之流被分成液體和氣相，˙該閃蒸容器(26)中之壓力係降至使該吸附和解吸方法之總能量需求降低的程度。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該閃蒸容器(26)中之壓力係降至比該解吸裝置(22)之頂部壓力大最多1.5巴的壓力。
  3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該壓力係於數個串聯連結之閃蒸容器中降低。
  4. 如申請專利範圍第2或3項之方法，其中藉由該閃蒸容器(26)中之壓降釋出的蒸氣係自該閃蒸容器(26)頂部抽出並供至該解吸裝置(22)之汽提段(22b)上方。
  5. 如申請專利範圍第2或3項之方法，其中藉由該蒸容器(26)中之壓降釋出的液體餾分係自該閃蒸容器 (26)底部抽出並供至該解吸裝置(22)之汽提段(22b)。
  6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該熱轉移段(22a)係裝設質量轉移段，該質量轉移段裝有能實施直接熱轉移之質量轉移元件。
  7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該熱轉移段(22a)係呈能實施直接熱轉移之熱交換器的形式提供。
  8. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在該熱轉移段(22a)中加熱之部分流係供至該解吸裝置(22)之汽提段(22b)。
  9. 如申請專利範圍第1項之方法，其中係使用物理作用型吸收劑。
  10. 如申請專利範圍第1項之方法，其中係使用化學作用型吸收劑。
  11. 一種如申請專利範圍第1至10項中任一項之方法之用途，該方法係用於自工業級氣體移除酸氣(sour-gas)組分。
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