TW201434743A - 從廢氣中隔離二氧化碳的方法及裝置 - Google Patents

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Abstract

從廢氣中隔離二氧化碳並且再利用成為不須排放之循環氣的方法及裝置，其包括：將氣體源分隔為製程氣和廢氣：將製程氣與烴混合並且將所得的進料氣送至重組器以重組進料氣，並且形成還原氣；以及將至少一部分廢氣進料至二氧化碳洗滌器中，以由廢氣中至少移除一些二氧化碳並且形成與還原氣混合的二氧化碳貧氣。選擇性地，該方法還包括將至少一部分廢氣進料至二氧化碳洗滌器中，以由廢氣中至少移除一些二氧化碳並且在添加了進料至重組器中的烴之後形成燃料氣。選擇性地，將氣體源和還原氣與直接還原製程結合，選擇性地經過一些修改之後，利用還原氣使氧化鐵在還原爐中轉化成金屬鐵，並且產生氣體源。

Description

從廢氣中隔離二氧化碳的方法及裝置 [相關申請案的交互參照]
本專利申請案/專利為2010年4月19日遞件之共同申請的美國專利申請號12/762,618之部分延續案，名稱為”從廢氣中隔離二氧化碳的方法及裝置“，其主張2009年4月20日遞件之美國臨時專利申請號61/170,999之優先權，名稱為”從頂部氣體燃料隔離二氧化碳的方法及裝置“，兩者的內容皆經由引用完整併入本文。
在其它製程中，本發明主要係關於將氧化鐵直接還原為金屬鐵的方法及裝置。具體而言，本發明係關於從廢氣中隔離二氧化碳及連結此製程的方法及裝置。
在許多產業製程中，需要一種有效益且有效能的方法，在直接還原製程中，從次要燃料源(例如頂部氣體燃料源)去除二氧化碳。換言之，在許多產業製程中，存在了從其它廢燃料源去除二氧化碳之有效益且有 效能方法的需求，將其作為主要的燃料源，而沒有排放問題。在某些情況下，政府的政策需要去除這種二氧化碳，並且對於二氧化碳排放控制的需求在未來只會增加。直接還原係涉及氧化鐵礦還原成金屬化鐵丸粒、團塊，或壓製品，其中氧化鐵係被含有氫和/或一氧化碳的氣體還原，而形成二氧化碳副產物。
在本發明的一個示例性實施實例中，一種從頂部氣體燃料隔離二氧化碳的方法，其包括：將頂部氣體分隔為製程氣和頂部氣體燃料：將製程氣與烴混合並且將所得的重組器進料氣送至二氧化碳和蒸汽的重組器中，以重組重組器進料氣，並且形成還原氣；以及將頂部氣體燃料進料至二氧化碳洗滌器中，以由頂部氣體燃料中至少移除一些二氧化碳，並且在添加了進料至二氧化碳和蒸汽重組器中的烴之後形成一種重組器燃料氣。此方法還包括壓縮製程氣和頂部氣體燃料。此方法還包括由頂部氣體產生蒸汽。本方法仍然還包括洗滌頂部氣體以去除灰塵。選擇性地，頂部氣體係獲自還原爐。選擇性地，該方法還包括將還原氣體與氧及烴混合，以形成環管(bustle)氣體並且將環管氣體進料至還原爐。二氧化碳洗滌器也會產生二氧化碳貧氣。該方法還進一步包括將二氧化碳貧氣與還原氣混合。選擇性地，該方法還進一步包括在使二氧化碳貧氣與還原氣混合或者將其用來做為燃料之前，將其予以預熱。二氧化碳和蒸汽重組器也可產生煙道氣。該方法還進一步包括由煙道氣產生 蒸汽。選擇性地，該方法還進一步包括使用煙道氣預熱另一種氣體。選擇性地，頂部氣體和環管氣體與直接還原製程結合，以使得氧化鐵轉化成金屬鐵。
在本發明的另一個示例性實施實例中，一種從頂部氣體燃料隔離二氧化碳之裝置，包括：一或多個用於將頂部氣體分隔為製程氣和頂部氣體燃料的導管；一或多個用於將製程氣與烴混合並且將所得的重組器進料氣送至二氧化碳和蒸汽之重組器中以重組重組器進料氣並且形成還原氣的導管；以及一或多個用於將頂部氣體燃料進料至二氧化碳洗滌器中，以由頂部氣體燃料中至少移除一些二氧化碳並且在添加了進料至二氧化碳和蒸汽重組器中的烴之後形成重組器燃料氣的導管。此裝置還包括一或多個用於壓縮製程氣和頂部氣體燃料之氣體壓縮機。此裝置還進一步包括一個用於由頂部氣體產生蒸汽之低壓蒸汽鍋爐。此裝置還進一步包括一個用於洗滌頂部氣體以去除灰塵的濕式洗滌器。選擇性地，頂部氣體係獲自還原爐。選擇性地，此裝置還進一步包括一或多個用於使還原氣體與氧和烴混合以形成環管氣體並且將環管氣體進料至還原爐的導管。二氧化碳洗滌器也會產生二氧化碳貧氣。此裝置還進一步包括一或多個用於使二氧化碳貧氣與還原氣混合之導管。選擇性地，此裝置還進一步包括在使二氧化碳貧氣與還原氣混合或將其用來做為燃料之前，將其預熱的預熱器。二氧化碳和蒸汽重組器也會產生煙道氣。此裝置還進一步包括用於由煙道氣產生蒸汽之低壓蒸汽鍋爐。選擇性地，此裝 置還進一步包括一或多個利用煙道氣預熱另一種氣體的導管。選擇性地，頂部氣體和環管氣體與直接還原製程結合，以使得氧化鐵轉化成金屬鐵。
在本發明另一個示例性實施實例中，一種從廢氣中隔離二氧化碳並且再利用成為不須排放之循環氣的方法，包括：將氣體源分隔為製程氣和廢氣：將製程氣與烴混合並且將所得的進料氣送至重組器以重組進料氣，並且形成還原氣；以及將至少一部分廢氣進料至二氧化碳洗滌器中，以由廢氣中至少移除一些二氧化碳並且形成與還原氣混合的二氧化碳貧氣。選擇性地，該方法還包括將至少一部分廢氣進料至二氧化碳洗滌器中，以由廢氣中至少移除一些二氧化碳並且在添加了進料至重組器中的烴之後形成燃料氣。
本發明之二氧化碳隔離製程提供了一種有效的迴路，其中在主要製程中未使用一氧化碳和氫，並且排出的廢氣可以被重新捕獲，同時能使不必要的排放降至最低。
10‧‧‧頂部氣體燃料
12‧‧‧還原爐
14‧‧‧低壓蒸汽鍋爐
20‧‧‧濕式洗滌器
22‧‧‧壓縮機
24‧‧‧二氧化碳及蒸汽重組器
26‧‧‧壓縮機
28‧‧‧二氧化碳洗滌器
30‧‧‧選用的預熱器
32‧‧‧低壓蒸汽鍋爐
40‧‧‧還原氣體源
本文中對於本發明之描述及說明將參考各種附圖，在適當的情況下，其中相同標號係用來標示相同的方法步驟/裝置、組件，並且其中：第1圖為本發明之從頂部氣體燃料中隔離二氧化碳之方法/裝置的製程/示意圖；以及第2圖為本發明之直接還原製程的製程/示意圖。
參考第1圖，在本發明的一個示例性實施實例中，用於從頂部氣體燃料10隔離二氧化碳之裝置在本質上包括一個豎井式還原爐12或類似裝置。在這個例子中，還原爐12包括一個進料斗(圖中未顯示)，氧化鐵丸粒、團塊或壓製品係以既定的速率饋入。這些氧化鐵丸粒、團塊或壓製品受到重力的影響，從進料斗經過進料管(圖中未顯示)下降落入還原爐12中，該進料管也可做為氣封管。還原爐12的底部為排料管(圖中未顯示)，其可進一步做為氣封管。排出進料器(圖中未顯示)，例如電振動進料器等，係配置於排料管下方，並且接收金屬的鐵丸粒、團塊或壓製品，因而建立一個經由還原爐12進行爐料重力落下的系統。
在還原爐12大約中點的位置為環管及風口系統(圖中未顯示)，熱還原氣係經由它而在約700℃和約1050℃之間的溫度下被導入。熱還原氣向上流經還原爐12的還原區域，與丸粒、團塊或壓製品的流動方向相反，並且經由位於還原爐12頂部的排氣管(圖中未顯示)離開還原爐12。進料管在排氣管下方延伸，這樣的幾何配置可創造出廢氣釋放空間，使得廢氣能夠由爐料線脫離並且自由流至排氣管。熱還原氣，由環管和風口系統流至排氣管，用來加熱氧化鐵丸粒、團塊或壓製品，並且將其環原成金屬鐵丸粒、團塊或壓製品(亦即經由直接還原)。該熱還原氣包含氫、氮、一氧化碳、二氧化碳、甲烷和水蒸氣，其可還原氧化鐵丸粒、團塊或壓製品，並 產生包含二氧化碳和水蒸氣的廢氣，或頂部氣體。
參考第2圖，本文所使用的直接還原製程係藉由調整先前添加至還原氣中的二氧化碳貧氣、天然氣和氧，而在環管氣體進入還原爐12的位置來控制還原條件、溫度和化學行為。這些直接還原製程可參考標題為”氧化鐵還原成金屬鐵的方法”的美國專利3,748,120號、標題為”在氣相還原製程中還原氧化鐵的方法”的美國專利3,749,386號、標題為”氧化鐵還原成金屬鐵的裝置”的美國專利3,764,123號、標題為”在氣相還原製程中還原氧化鐵的方法”的美國專利3,816,101號、標題為”製造金屬鐵粒子的方法”的美國專利4,046,557號、標題為”在豎爐中製造碳化鐵”的美國專利5,437,708號，所有的這些內容皆經由引用完全併入本文參考。
還原爐料係做為一個大的絕熱反應器，並且促進環管氣體注入區域中的平衡反應。當環管氣體進入還原爐12並且通過爐料時，氣體進行反應以達平衡組成和溫度，而溫度是由位於還原爐12上半部的爐料熱電偶來觀測。
滲碳反應將受到下列還原氣流因素的影響：1.初始還原氣中的氫：一氧化碳比例；2.初始還原氣的甲烷含量；3.初始還原氣的溫度；4.添加至還原氣中的天然氣；5.添加至還原氣中的氧；6.添加至還原氣中的二氧化碳貧氣； 7.最終的環管氣體中的還原劑：氧化劑比例；以及8.最終的環管氣體壓力
在正常操作條件下，初始還原氣的品質被嚴密地控制，並成為直接還原製程的主要穩定因素。當還原氣向還原爐12流動時，將以最終環管氣體的甲烷含量分析為基準來添加天然氣。這提供了初始還原氣甲烷含量之任何變化的穩定性調整，並且影響到最終環管氣體的滲碳能力。將氧氣添加到還原氣中，以提高最終環管氣體的溫度，並且改善鐵礦還原製程的動力學。
選擇性地，所用的操作條件包括預熱添加的天然氣，還原氣甲烷含量等於或小於約12%，以及每噸的氧添加流量等於或小於約30標準立方米/噸。
在使用直接還原裝置的期間，氣體離開還原氣體源40並且以第一感測器進行氣體分析，同時測量氣體溫度。接著使天然氣與該氣體在天然氣入口處混合。接著使氧與該氣體和天然氣的混合物在氧氣入口處混合，因而形成環管氣體。在環管氣體進入還原爐12之前，以第二感測器進行氣體分析並量測環管氣體的溫度。
再次參考第1圖，依照本發明，來自還原爐12排氣管的頂部氣體經由另一個管線(圖中未顯示)流至低壓蒸汽鍋爐14。這將使得蒸汽能夠有效的產生，以用於製程的其它地方，例如下文中將更詳細描述的二氧化碳去除步驟。鍋爐進料水被送到低壓蒸汽鍋爐14中，並且正如本文先前所述，產生的蒸汽會經由製程再循環，或用於其它地方。
接著將頂部氣體導入濕式洗滌器20中，其係用來冷卻頂部氣體及去除灰塵。濕式洗滌器20可以是習於本技術領域者所知的任何一種傳統型態，例如具有填充塔的文氏洗滌器(venturi，圖中未顯示)，頂部氣體向下流過文氏洗滌器並且接著向上流經填充床，與冷卻水為逆向流動。
藉由閥(圖中未顯示)的影響將頂部氣體以兩條氣流排出濕式洗滌器20。第一氣流代表製程氣，而第二氣流則代表頂部氣體燃料(亦即廢氣)。這些氣流的比例是由與第一氣流連接之二氧化碳和蒸汽重組器24中可利用的熱量來決定，它通常是固定的，其示範性的實例為1：1(使用回收的二氧化碳貧氣)，2：1(未使用回收的二氧化碳貧氣)等。
來自濕式洗滌器20的製程氣被送至壓縮機22中，並且壓縮到所需的壓力，然後送入混合機(圖中未顯示)，製程氣與天然氣係在該處混合。接著將重組器進料氣體送入二氧化碳和蒸汽重組器24中。二氧化碳和蒸汽重組器24包括燃燒燃料的燃燒器(圖中未顯示)，以經由燃燒產生含有氮、二氧化碳和水的加熱煙道氣，以及數個催化重組管(圖中未顯示)，此催化重組管將利用重組器進料氣及來自燃燒的熱量形成還原氣，在氧氣、天然氣和二氧化碳貧氣導入還原爐12之後，這些還原氣將被送回還原爐12，結果生成了環管氣體。
在送入二氧化碳洗滌器28之前，來自濕式洗滌器20的頂部氣體燃料也被送至壓縮機26中，並且壓 縮到所需的壓力。二氧化碳洗滌器28具有低壓蒸汽的輸入，其係選擇性獲自用於從頂部氣體燃料10隔離二氧化碳之裝置的任何一個低壓蒸汽鍋爐14、32，以及鍋爐進料水、硫和二氧化碳的輸出。鍋爐進料水可以輸入至用於從頂部氣體燃料10隔離二氧化碳之裝置的任何一個低壓蒸汽鍋爐14、32。二氧化碳洗滌器28另一項輸出為二氧化碳貧氣，當其與天然氣混合時，有部分會變成重組器燃料氣體，而進料至二氧化碳和蒸汽重組器24中。
二氧化碳洗滌器28可包括任何類型的烷醇胺，如MEA、MDEA等，或習於本技術領域者所知任何類型的熱鉀洗滌系統。低壓蒸汽被用於再生二氧化碳洗滌器28中所使用的溶液，並成為鍋爐進料水排出。在二氧化碳洗滌過程中，從頂部氣體燃料隔離出硫和二氧化碳。扣除硫和二氧化碳後的頂部氣體燃料將成為二氧化碳貧氣由二氧化碳洗滌器28排出。再次，將一部分的二氧化碳貧氣與天然氣混合以形成重組器燃料氣體，並且經由燃燒燃料的燃燒器引入二氧化碳和蒸汽重組器24中。將剩餘的二氧化碳貧氣回收，並且與還原氣混合，並且在氧氣和天然氣導入還原爐12之後，將其送回還原爐12，因而形成了環管氣體。選擇性地，在與既有的還原氣混合或是將其用來做為燃料之前，可將二氧化碳貧氣的後半部或整個氣流送入預熱器30中。
在本發明的一個示例性實施實例中，二氧化碳貧氣/還原氣流最後約佔供給到還原爐12之環管氣體 的20%，而二氧化碳和蒸汽重組器還原氣流最後則是約佔供給到還原爐12之環管氣體的80%，雖然其它百分比也有納入考量。
煙道氣排出管(圖中未顯示)被設置於二氧化碳和蒸汽重組器24，以在燃燒之後去除含有氮、二氧化碳和水的煙道氣。煙道氣會流經一或數個熱交換器，包括低壓蒸汽鍋爐32。同樣的，這將使得蒸汽能夠有效的產生，以用於製程的其它地方，例如下文中將更詳細描述的二氧化碳去除步驟。鍋爐進料水被送到低壓蒸汽鍋爐32中，其係選擇性地來自二氧化碳洗滌器28，並且正如本文先前所述，產生的蒸汽會經由製程再循環，或用於其它地方。因此，低壓蒸汽鍋爐32可與選用的預熱器30連接。
上述製程和裝置也可以有所變化而被實施，而不會偏離本發明的基本概念。例如，所使用的二氧化碳洗滌器28可能是壓變吸附(PSA)單元、真空壓變吸附(VPSA)單元、或是膜分離器，視情況需要。也可以使用沒有蒸汽的MDEA單元，並且使用天然氣和/或出口燃料直接點燃，提供MDEA與頂部氣體和/或煙道氣的直接熱交換。所捕捉的二氧化碳可用來提高油的回收、增進生質燃料生產的生物成長、碳酸/矽酸鐵結構磚(鐵粉+CO2+地面煉鋼爐渣)的生產等。所捕捉的二氧化碳也可以被重組，並且所得的重組氣體用於直接還原製程中。可使用燃氧式重組器/加熱器來濃縮煙道氣二氧化碳。可使用變換反應器將一氧化碳和水轉化成二氧化碳和氫，然後可 以燃燒H2加熱重組器以產生水。可以從濃縮的煙道氣中捕捉煙道氣二氧化碳。可以從煙道氣中捕獲水，以用於乾燥區域。最後，可使用直燃式加熱器再加熱貧乏的(洗滌過的)頂部氣體燃料和/或製程氣。
雖然本發明已參考較佳實施實例及其特殊實例做了說明及描述，對於在本技術領域具有一般技藝者而言，將很容易了解其它實施實例和實施例也可以執行類似的功能和/或實現類似的結果。所有此類的等效實施實例和實施例均屬於本發明的精神和範疇而被考量，因此皆視為亦意圖包含在以下的專利申請範圍內。依此，上述對於本發明的詳細描述應被視為非限制性且盡可能的將最大的可能性包含在內。
10‧‧‧頂部氣體燃料
12‧‧‧還原爐
14‧‧‧低壓蒸汽鍋爐
20‧‧‧濕式洗滌器
22‧‧‧壓縮機
24‧‧‧二氧化碳及蒸汽重組器
26‧‧‧壓縮機
28‧‧‧二氧化碳洗滌器
30‧‧‧選用的預熱器
32‧‧‧低壓蒸汽鍋爐

Claims (26)

  1. 一種從頂部氣體燃料隔離二氧化碳之方法，包括：將頂部氣體分隔為製程氣和頂部氣體燃料：以烴與該製程氣混合並且將所得的重組器進料氣送至重組器中，以重組重組器進料氣，並且形成還原氣；以及將至少一部分的該頂部氣體燃料進料至二氧化碳洗滌器中，以由該頂部氣體燃料中至少移除一些二氧化碳，並且形成可選擇性地與還原氣混合之二氧化碳貧氣；其中該製程氣相對於該頂部氣體燃料之比例係回應該重組器進料氣所進料之該重組器中所可取得的熱量；並且其中，當該二氧化碳貧氣被完全用來與該還原氣混合時，該製程氣相對於該頂部氣體燃料之比例為第一相對較低比例，並且當該二氧化碳貧氣未被用來與該還原氣混合時，該製程氣相對於該頂部氣體燃料之比例為第二相對較高比例。
  2. 如請求項1之方法，還進一步包括將至少一部分該頂部氣體燃料進料至該二氧化碳洗滌器中，以由該頂部氣體燃料中至少移除一些二氧化碳並且在添加了進料至重組器中的烴之後形成重組器燃料氣。
  3. 如請求項2之方法，還進一步包括壓縮該製程氣和該頂部氣體燃料。
  4. 如請求項1之方法，還進一步包括由該頂部氣體產生 蒸汽。
  5. 如請求項4之方法，還進一步包括洗滌該頂部氣體以去除灰塵。
  6. 如請求項1之方法，其中該頂部氣體係獲自還原爐。
  7. 如請求項1之方法，還進一步包括將該還原氣體與氧和烴混合以形成環管(bustle)氣體，並且將該環管氣體進料至還原爐。
  8. 如請求項1之方法，還進一步包括在使該二氧化碳貧氣與該還原氣混合之前，將其預熱。
  9. 如請求項1之方法，其中該二氧化碳和蒸汽重組器也會產生煙道氣。
  10. 如請求項9之方法，還進一步包括由該煙道氣產生蒸汽。
  11. 如請求項10之方法，還進一步包括使用該煙道氣預熱另一種氣體。
  12. 如請求項1之方法，其中該頂部氣體和該還原氣與直接還原製程結合，以使得氧化鐵轉化成金屬鐵。
  13. 一種從頂部氣體燃料隔離二氧化碳之裝置，包括：一或多個用於將頂部氣體分隔為製程氣和頂部氣體燃料的導管；一或多個用於將該製程氣與烴混合並且將所得的重組器進料氣送至重組器中以重組該重組器進料氣並且形成還原氣的導管；以及一或多個用於將至少一部分的該頂部氣體燃料進料至二氧化碳洗滌器中，以由該頂部氣體燃料中至 少移除一些二氧化碳，並且形成與該還原氣混合之二氧化碳貧氣的導管；其中該製程氣相對於該頂部氣體燃料之比例係回應該重組器進料氣所進料之該重組器中所可取得的熱量；並且其中，當該二氧化碳貧氣被完全用來與該還原氣混合時，該製程氣相對於該頂部氣體燃料之比例為第一相對較低比例，並且當該二氧化碳貧氣未被用來與該還原氣混合時，該製程氣相對於該頂部氣體燃料之比例為第二相對較高比例。
  14. 如請求項13之裝置，還進一步包括一或多個用於將至少一部分該頂部氣體燃料進料至該二氧化碳洗滌器中，以由該頂部氣體燃料中至少移除一些二氧化碳並且在添加了進料至該重組器中的烴之後形成重組器燃料氣的導管。
  15. 如請求項14之裝置，還進一步包括一或多個用於壓縮該製程氣和該頂部氣體燃料之氣體壓縮機。
  16. 如請求項13之裝置，還進一步包括一個用於由該頂部氣體產生蒸汽之低壓蒸汽鍋爐。
  17. 如請求項16之裝置，還進一步包括一個用於洗滌該頂部氣體以去除灰塵的濕式洗滌器。
  18. 如請求項13之裝置，其中該頂部氣體係獲自還原爐。
  19. 如請求項13之裝置，還進一步包括一或多個用於使該還原氣體與氧和烴混合以形成環管氣體並且將該環管氣體進料至還原爐的導管。
  20. 如請求項13之裝置，還進一步包括在使該二氧化碳貧氣與該還原氣混合並且將其用來做為燃料之前，將其預熱的預熱器。
  21. 如請求項13之裝置，其中該二氧化碳和蒸汽重組器也會產生煙道氣。
  22. 如請求項21之裝置，還進一步包括用於由該煙道氣產生蒸汽之低壓蒸汽鍋爐。
  23. 如請求項22之裝置，還進一步包括一或多個利用該煙道氣預熱另一種氣體的導管。
  24. 如請求項13之裝置，其中該頂部氣體和該還原氣與直接還原製程結合，以使得氧化鐵轉化成金屬鐵。
  25. 一種從廢氣中隔離二氧化碳並且再利用成為不須排放之循環氣的方法，包括：將氣體源分隔為製程氣和廢氣：將該製程氣與烴混合並且將所得的進料氣送至重組器以重組該進料氣，並且形成還原氣；以及將至少一部分該廢氣進料至二氧化碳洗滌器中，以由該廢氣中至少移除一些二氧化碳並且形成選擇性與該還原氣混合的二氧化碳貧氣；其中該製程氣相對於該廢氣之比例係回應該進料氣所進料之該重組器中所可取得的熱量；並且其中，當該二氧化碳貧氣被完全用來與該還原氣混合時，該製程氣相對於該廢氣之比例為第一相對較低比例，並且當該二氧化碳貧氣未被用來與該還原氣混合時，該製程氣相對於該廢氣之比例為第二相對較 高比例。
  26. 如請求項25之方法，還進一步包括將至少一部分該廢氣進料至該二氧化碳洗滌器中，以由該廢氣中至少移除一些二氧化碳並且在添加了進料至該重組器中的烴之後形成燃料氣。
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