TWI380849B - 使用液壓渦輪增壓器於氣化作用及天然氣應用中自高壓溶劑回收能量 - Google Patents

使用液壓渦輪增壓器於氣化作用及天然氣應用中自高壓溶劑回收能量 Download PDF

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Description

使用液壓渦輪增壓器於氣化作用及天然氣應用中自高壓溶劑回收能量
本發明係關於自進料氣體中去除酸性氣體。更具體而言，本發明係關於自具有高含量二氧化碳及硫化氫之進料氣體中去除酸性氣體。本發明提供在再生用於去除酸性氣體之溶劑時可降低能量需求之方法。
吸收系統通常用於自天然氣或合成氣體中去除CO2 。可使用諸如聚乙二醇二甲醚(DMPEG)等物理溶劑來洗掉二氧化碳及其他酸性氣體，例如硫化氫及羰基硫化物。DMPEG溶劑係以商標SelexolTM 用於由UOP LLC特許之系統中。彼等熟習此項技術者亦已知低溫甲醇系統可用於此用途，包含當前由Lurgi AG特許之RectisolTM 方法。其他可用之物理溶劑包含N-甲醯基與N-乙醯基嗎啉之混合物、N-甲基-2-吡咯啶酮及環丁碸。
藉由物理溶劑吸收二氧化碳及/或硫化氫及/或羰基硫化物後，對溶液實施再生以去除所吸收之氣體。然後可循環所再生之物理溶劑以進一步用於吸收。吸收及再生通常在含有填料或泡罩板之不同塔或汽桶中實施以達成有效作業。再生通常經兩階段達成。首先，降低一或多個閃蒸容器中之吸收劑溶液之壓力以便自溶液中蒸發出所吸收之二氧化碳，閃蒸容器之末端有時具有真空閃蒸汽桶。接下來，若需要熱再生，則在汽提再生塔中使用蒸汽汽提經閃蒸之吸收劑以去除所吸收之殘餘二氧化碳。需要二氧化碳處於較低含量以達成經處理氣體所需之二氧化碳要求。
先前技術之方法具有較大的動力要求。溶劑方法所使用之壓力介於2758-7584kPa(400-1100psia)之間且溶劑流速介於3000-20000gpm之間。在壓力下降期間可經由渦輪自溶劑回收部分能量。然而，已發現習用渦輪不可靠且成本過高。釋放相對大量與高流速溶劑混合之蒸氣通常意味著需要兩個或更多個習用渦輪來充分地回收幫浦能量。然而，與多個渦輪相關之資金成本通常使得該選擇在經濟上沒有吸引力。
現已發現，與渦輪相比，可以相對低成本使用液壓渦輪增壓器來回收能量。
本發明涉及使用溶劑流作為典型方法之高壓運動流體，此可消除先前再生溶劑流所遇到之高成本。所用之運動流體端視系統之構造可為來自二氧化碳吸收器單元之底部流或來自循環閃蒸汽桶之液體。循環閃蒸汽桶之壓力可根據需要有所變化，且在某些情況下若需要額外能量則可移去汽桶。二氧化碳吸收器之操作壓力介於2758-6550kPa(400-950psia)之間以便可自離開吸收器之流體轉移足夠的能量來增加另一溶劑流的壓力。本發明可用於其中閃蒸或熱再生溶劑與高壓吸收器聯用之任一方法中。
本發明包括處理含有二氧化碳之氣體的方法，其包括將含有二氧化碳之進料氣體輸送通過二氧化碳吸收器單元，且使其與貧溶劑接觸以產生含有大部分來自該進料氣體之該二氧化碳的負荷溶劑及經處理之氣體，在二氧化碳去除系統中再生負荷溶劑，且經由使用一或多個液壓渦輪增壓器自至少一種溶劑流中回收能量用於增加至少另一種溶劑流的壓力。有許多不同構造可使用屬於本發明範圍內之液壓渦輪增壓器。可使用液壓渦輪增壓器自離開二氧化碳吸收器單元之半貧溶劑流中回收能量並轉移該能量以抽吸貧溶劑流。或者，可使用液壓渦輪增壓器自離開二氧化碳吸收器單元之半貧溶劑流中回收能量並轉移該能量以自二氧化碳去除系統中抽吸半貧溶劑流。同樣，可使用另一液壓渦輪增壓器自硫化氫吸收器單元中回收能量並轉移該能量以抽吸貧溶劑流。可代之以使用另一液壓渦輪增壓器自硫化氫濃縮器溶劑流中回收能量以用於抽吸貧溶劑流。本發明亦涉及用於自含有二氧化碳之溶劑中去除二氧化碳之系統，其包括二氧化碳吸收器、循環汽桶、真空閃蒸汽桶、噴射器及二氧化碳排放裝置。本發明亦包括設計用於實施上述方法之系統。
本發明通常適用於適宜對溶劑流使用閃蒸或熱再生來產生幾乎不含酸性氣體之溶劑流之物理溶劑。尤其可用之物理溶劑係聚乙二醇二甲醚(DMPEG)、甲醇、N-甲醯基與N-乙醯基嗎啉之混合物、N-甲基-2-吡咯啶酮及環丁碸。聚乙二醇二甲醚係用於本發明之較佳溶劑。
本發明至少包含一個液壓渦輪增壓器以自溶劑流中回收能量，且將該能量轉移至溶劑方法中之另一溶劑流中以自氣化作用合成氣體或天然氣中去除雜質。去除之主要雜質為硫化氫、二氧化碳及羰基硫化物。液壓渦輪增壓器之低成本源自渦輪側與幫浦側偶聯於單一組件內。無需外部設備將能量自渦輪轉移至幫浦，且無需外部軸封來防止該過程至大氣之洩漏。單級渦輪較佳位於渦輪增壓器之渦輪側，此乃因與習用動力回收通常所需之多級渦輪相比，單級渦輪更能夠處理常見於氣體處理中之較大蒸發速率。
在本發明中，使用液壓渦輪增壓器增加過程溶劑流中所需之壓力。在一些方法中，通常存在貧及半貧溶劑流二者，必須將其壓力自接近環境壓力升至高於7500kPa或升至吸收器之操作壓力。可使用二氧化碳吸收區段中之最高壓力流二氧化碳吸收器底部流來增加貧流或半貧流之壓力。在本發明一實施例中，當二氧化碳吸收器底部流之壓力在液壓渦輪增壓器中下降時，使用來自該流之能量來增加貧溶液壓力。在本發明另一實施例中，可使用自二氧化碳吸收器底部流之壓力下降產生之能量來增加半貧溶液之壓力。本發明之其他實施例在過程中有利於自一種溶劑流回收能量之不同位置使用液壓渦輪增壓器並使用該能量來增加另一溶劑流的壓力。
先前技術之系統示於圖1中，其中進料氣體2與來自硫化氫濃縮器之循環氣體4在管線6中合併後進入硫化氫吸收器8中。負荷溶劑62亦進入硫化氫吸收器8中。富溶劑流10離開硫化氫吸收器8之底部且含有二氧化碳之氣體流離開硫化氫吸收器之頂部進入管線12。管線12中之氣體流進入二氧化碳吸收器14中，在此其與經過管線42進入之半貧溶劑以及由冷卻器66冷卻且經由管線68進入二氧化碳吸收器14中之貧溶劑流64接觸。在二氧化碳吸收器中處理氣體流且經處理之氣體離開後進入管線70。含有二氧化碳之負荷溶劑離開二氧化碳吸收器進入管線16。該負荷溶劑之一部分經過管線54到達負荷溶劑幫浦56、管線58、負荷溶劑冷卻器60及管線62並返回上述硫化氫吸收器8。其他部分之負荷溶劑經過管線18到達循環閃蒸汽桶20中，在此處部分二氧化碳經過管線44到達循環壓縮器46並經過管線48到達循環冷卻器50、管線52且然後進入二氧化碳吸收器中。溶劑流經由管線22離開循環閃蒸汽桶並經過二氧化碳排放汽桶24，多數二氧化碳自此處經由管線26排出。然後溶劑流經過管線28到達二氧化碳真空汽桶30，大部分殘留二氧化碳自此經管線32排出，如圖所示。此時所得溶劑為半貧溶劑且經過管線34到達半貧溶劑幫浦36、然後到達管線38、半貧溶劑冷卻器40且然後到達管線42並進入二氧化碳吸收器中。
在圖2中，展示使用液壓渦輪增壓器自半貧溶劑流中回收能量以用於抽吸貧溶劑之氣體處理方法。進料氣體102進入二氧化碳吸收器114中，在此其與經過管線142進入之半貧溶劑以及由冷卻器166冷卻且經由管線168進入二氧化碳吸收器114中之貧溶劑流167接觸。在二氧化碳吸收器中處理氣體流且經處理之氣體離開後進入管線170。含有二氧化碳之負荷溶劑離開二氧化碳吸收器進入管線116。經由管線162將該負荷溶劑之一部分輸送至另一吸收器中或進行再生。另一部分負荷溶劑經過管線117到達液壓渦輪增壓器165。管線164中之貧溶劑流亦進入液壓渦輪增壓器。貧溶劑流離開後進入管線167，且含有二氧化碳之溶劑流離開液壓渦輪增壓器進入管線118且然後進入循環閃蒸汽桶120中，在此處部分二氧化碳經過管線144到達循環壓縮器146並經過管線148到達循環冷卻器150、管線152且然後進入二氧化碳吸收器中。溶劑流離開循環閃蒸汽桶經由管線122到達二氧化碳排放汽桶124，多數二氧化碳自此處經由管線126排出。溶劑流然後經過管線128到達二氧化碳真空汽桶130，大部分殘留二氧化碳自此處經管線132排出，如圖所示。此時，所得溶劑為半貧溶劑且經過管線134到達半貧溶劑幫浦136、然後到達管線138、半貧溶劑冷卻器140且然後到達管線142並進入二氧化碳吸收器中。
在圖3中，展示使用液壓渦輪增壓器自半貧溶劑流中回收能量以用於抽吸半貧溶劑之氣體處理方法。進料氣體202進入二氧化碳吸收器214中，在此處其與經過管線267進入之半貧溶劑以及由冷卻器266冷卻且經由管線268進入二氧化碳吸收器214中之貧溶劑流264接觸。在二氧化碳吸收器中處理氣體流且經處理之氣體離開後進入管線270。含有二氧化碳之負荷溶劑離開二氧化碳吸收器進入管線216。經由管線262將該負荷溶劑之一部分輸送至另一吸收器中或進行再生。另一部分負荷溶劑經過管線217到達液壓渦輪增壓器265。管線242中之半貧溶劑流亦進入液壓渦輪增壓器中。溶劑流離開後進入管線267並返回二氧化碳吸收器中，且含有二氧化碳之溶劑流離開液壓渦輪增壓器進入管線218且然後進入循環閃蒸汽桶220中，在此處部分二氧化碳經過管線244到達循環壓縮器246並經過管線248到達循環冷卻器250、管線252且然後進入二氧化碳吸收器中。溶劑流離開循環閃蒸汽桶經由管線222到達二氧化碳排放汽桶224，多數二氧化碳自此處經由管線226排出。溶劑流然後經過管線228到達二氧化碳真空汽桶230，大部分殘留二氧化碳自此處經管線232排出，如圖所示。此時，所得溶劑為半貧溶劑且經過管線234到達半貧溶劑幫浦236、然後到達管線238、半貧溶劑冷卻器240且然後到達管線242並進入液壓渦輪增壓器中。
在圖4中，展示使用第一液壓渦輪增壓器自半貧溶劑中回收能量以用於抽吸半貧溶劑且使用第二液壓渦輪增壓器自硫化氫吸收器中回收能量以用於抽吸貧溶劑之氣體處理方法。進料氣體302與來自硫化氫濃縮器之循環氣體304在管線306中合併後進入硫化氫吸收器308中。負荷溶劑362亦進入硫化氫吸收器308中。富溶劑流310離開硫化氫吸收器308之底部且含有二氧化碳之氣體流離開硫化氫吸收器之頂部進入管線312。管線312中之氣體流進入二氧化碳吸收器314中，在此處其與經過管線367進入之半貧溶劑以及由冷卻器366冷卻且經由管線368進入二氧化碳吸收器314中之貧溶劑流364接觸。在二氧化碳吸收器中處理氣體流且經處理之氣體離開後進入管線370。含有二氧化碳之負荷溶劑離開二氧化碳吸收器進入管線316。該負荷溶劑之一部分經過管線354到達負荷溶劑幫浦356、管線358、負荷溶劑冷卻器360及管線362並返回上述硫化氫吸收器308中。另一部分負荷溶劑經過管線317到達第一液壓渦輪增壓器365。溶劑流經過管線323到達循環閃蒸汽桶320，在此處部分二氧化碳經過管線344到達循環壓縮器346並經由管線348到達循環冷卻器350、管線352且然後進入二氧化碳吸收器中。溶劑流離開循環閃蒸汽桶經由管線322到達二氧化碳排放汽桶324，多數二氧化碳自此處經由管線326排出。溶劑流然後經過管線328到達二氧化碳真空汽桶330，大部分殘留二氧化碳自此處經管線332排出，如圖所示。此時，所得溶劑為半貧溶劑且經過管線334到達半貧溶劑幫浦336、然後到達管線338、半貧溶劑冷卻器340且然後到達管線342並進入液壓渦輪增壓器365中，在此將溶劑壓力增加到足以使其經由管線367進入二氧化碳吸收器314中。此外，來自硫化氫吸收器308之底部流310亦經過第二液壓渦輪增壓器319。貧溶劑流315亦進入該第二液壓渦輪增壓器且所展示之離開該第二液壓渦輪增壓器者為富溶劑流313及貧溶劑流364。
在圖5中，展示使用第一液壓渦輪增壓器自離開二氧化碳吸收器之底部流中回收能量以用於抽吸半貧溶劑且使用第二液壓渦輪增壓器自硫化氫濃縮器中回收能量以用於抽吸貧溶劑之氣體處理方法。進料氣體402與來自硫化氫濃縮器之循環氣體404在管線406中合併後進入硫化氫吸收器408中。負荷溶劑462亦進入硫化氫吸收器408中。富溶劑流413離開硫化氫吸收器408之底部且含有二氧化碳之氣體流離開硫化氫吸收器頂部進入管線412。管線412中之氣體流進入二氧化碳吸收器414中，在此處其與經過管線467進入之半貧溶劑以及由冷卻器464冷卻且經由管線468進入二氧化碳吸收器414中之貧溶劑流464接觸。在二氧化碳吸收器中處理氣體流且經處理之氣體離開後進入管線470。含有二氧化碳之負荷溶劑離開二氧化碳吸收器進入管線416。該負荷溶劑之一部分經過管線454到達負荷溶劑幫浦456、管線458、負荷溶劑冷卻器460及管線462並返回上述硫化氫吸收器408中。另一部分負荷溶劑經過管線417到達液壓渦輪增壓器465。溶劑流經過管線423到達循環閃蒸汽桶420，在此處部分二氧化碳經過管線444到達循環壓縮器446並經由管線448到達循環冷卻器450、管線452且然後進入二氧化碳吸收器中。溶劑流離開循環閃蒸汽桶420經由管線422到達二氧化碳排放汽桶424，多數二氧化碳自此處經由管線426排出。溶劑流然後經過管線428到達二氧化碳真空汽桶430，大部分殘留二氧化碳自此處經管線432排出，如圖所示。此時，所得溶劑為半貧溶劑且經過管線434到達半貧溶劑幫浦436、然後到達管線438、半貧溶劑冷卻器440且然後到達管線442並進入液壓渦輪增壓器465，在此將溶劑之壓力增加到足以經由管線467使其進入二氧化碳吸收器414中。此外，來自硫化氫濃縮器之底部流425亦經過第二液壓渦輪增壓器419。貧溶劑流415亦進入該第二液壓渦輪增壓器且所展示之離開該第二液壓渦輪增壓器者為富溶劑流421及貧溶劑流464。
可採用使用本發明基本原理之其他實施例。
2．．．進料氣體
4．．．循環氣體
6．．．管線
8．．．硫化氫吸收器
10．．．富溶劑流
12．．．管線
14．．．二氧化碳吸收器
16．．．管線
18．．．管線
20．．．循環閃蒸汽桶
22．．．管線
24．．．二氧化碳排放汽桶
26．．．管線
28．．．管線
30．．．二氧化碳真空汽桶
32．．．管線
34．．．管線
36．．．半貧溶劑幫浦
38．．．管線
40．．．半貧溶劑冷卻器
42．．．管線
44．．．管線
46．．．循環壓縮器
48．．．管線
50．．．循環冷卻器
52．．．管線
54．．．管線
56．．．負荷溶劑幫浦
58．．．管線
60．．．負荷溶劑冷卻器
62．．．負荷溶劑/管線
64．．．貧溶劑流
66．．．冷卻器
68．．．管線
70．．．管線
102．．．進料氣體
114．．．二氧化碳吸收器
116．．．管線
117．．．管線
118．．．管線
120．．．循環閃蒸汽桶
122．．．管線
124．．．二氧化碳排放汽桶
126．．．管線
128．．．管線
130．．．二氧化碳真空汽桶
132．．．管線
134．．．管線
136．．．半貧溶劑幫浦
138．．．管線
140．．．半貧溶劑冷卻器
142．．．管線
144．．．管線
146．．．循環壓縮器
148．．．管線
150．．．循環冷卻器
152．．．管線
162．．．管線
164．．．管線
165．．．液壓渦輪增壓器
166．．．冷卻器
167．．．貧溶劑流/管線
168．．．管線
170．．．管線
202．．．進料氣體
214．．．二氧化碳吸收器
216．．．管線
217．．．管線
218．．．管線
220．．．循環閃蒸汽桶
222．．．管線
224．．．二氧化碳排放汽桶
226．．．管線
228．．．管線
230．．．二氧化碳真空汽桶
232．．．管線
234．．．管線
236．．．半貧溶劑幫浦
238．．．管線
240．．．半貧溶劑冷卻器
242．．．管線
244．．．管線
246．．．循環壓縮器
248．．．管線
250．．．循環冷卻器
252．．．管線
262．．．管線
264．．．貧溶劑流
265．．．液壓渦輪增壓器
266．．．冷卻器
267．．．管線
268．．．管線
270．．．管線
302．．．進料氣體
304．．．循環氣體
306．．．管線
308．．．硫化氫吸收器
310．．．富溶劑流/底部流
312．．．管線
313．．．富溶劑流
314．．．二氧化碳吸收器
315．．．貧溶劑流
316．．．管線
317．．．管線
319．．．第二液壓渦輪增壓器
320．．．循環閃蒸汽桶
322．．．管線
323．．．管線
324．．．二氧化碳排放汽桶
326．．．管線
328．．．管線
330．．．二氧化碳真空汽桶
332．．．管線
334．．．管線
336．．．半貧溶劑幫浦
338．．．管線
340．．．半貧溶劑冷卻器
342．．．管線
344．．．管線
346．．．循環壓縮器
348．．．管線
350．．．循環冷卻器
352．．．管線
354．．．管線
356．．．負荷溶劑幫浦
358．．．管線
360．．．負荷溶劑冷卻器
362．．．負荷溶劑/管線
364．．．貧溶劑流
365．．．第一液壓渦輪增壓器
366．．．冷卻器
367．．．管線
368．．．管線
370．．．管線
402．．．進料氣體
404．．．循環氣體
406．．．管線
408．．．硫化氫吸收器
412．．．管線
413．．．富溶劑流
414．．．二氧化碳吸收器
415．．．貧溶劑流
416．．．管線
417．．．管線
419．．．第二液壓渦輪增壓器
420．．．循環閃蒸汽桶
421．．．富溶劑流
422．．．管線
423．．．管線
424．．．二氧化碳排放汽桶
425．．．底部流
426．．．管線
428．．．管線
430．．．二氧化碳真空汽桶
432．．．管線
434．．．管線
436．．．半貧溶劑幫浦
438．．．管線
440．．．半貧溶劑冷卻器
442．．．管線
444．．．管線
446．．．循環壓縮器
450．．．循環冷卻器
454．．．管線
456．．．負荷溶劑幫浦
458．．．管線
460．．．負荷溶劑冷卻器
462．．．負荷溶劑/管線
464．．．貧溶劑流
465．．．液壓渦輪增壓器
466．．．冷卻器
467．．．管線
468．．．管線
470．．．管線
圖1展示不使用任何渦輪進行動力回收之先前技術方法。
圖2展示使用液壓渦輪增壓器自半貧溶劑流中回收能量以用於抽吸貧溶劑流之流程圖。
圖3展示使用液壓渦輪增壓器自半貧溶劑流中回收能量以用於抽吸半貧溶劑流之流程圖。
圖4展示使用液壓渦輪增壓器自半貧溶劑流中回收能量以用於抽吸半貧溶劑流且自硫化氫吸收器底部回收能量以用於抽吸貧溶劑之流程圖。
圖5展示使用液壓渦輪增壓器自二氧化碳吸收器底部回收能量以用於抽吸半貧溶劑流且自硫化氫吸收器底部回收能量以用於抽吸貧溶劑之流程圖。
102．．．進料氣體
114．．．二氧化碳吸收器
116．．．管線
117．．．管線
118．．．管線
120．．．循環閃蒸汽桶
122．．．管線
124．．．二氧化碳排放汽桶
126．．．管線
128．．．管線
130．．．二氧化碳真空汽桶
132．．．管線
134．．．管線
136．．．半貧溶劑幫浦
138．．．管線
140．．．半貧溶劑冷卻器
142．．．管線
144．．．管線
146．．．循環壓縮器
148．．．管線
150．．．循環冷卻器
152．．．管線
162．．．管線
164．．．管線
165．．．液壓渦輪增壓器
166．．．冷卻器
167．．．貧溶劑流/管線
168．．．管線
170．．．管線

Claims (3)

  1. 一種處理含有二氧化碳及/或硫化氫之氣體的方法，其包括：a)將含有二氧化碳及硫化氫之進料氣體輸送到二氧化碳吸收器單元或硫化氫吸收器單元，或輸送到二氧化碳吸收器單元及硫化氫吸收器單元，其中該二氧化碳吸收器單元及該硫化氫吸收器單元含有貧溶劑，以產生含有大部分來自該進料氣體之該二氧化碳及/或硫化氫之負荷溶劑及經處理之氣體；b)在二氧化碳及/或硫化氫去除系統中再生該負荷溶劑；c)自至少一種溶劑流中回收能量以增加至少另一種溶劑流之壓力，其中使用至少一個液壓渦輪增壓器自離開該二氧化碳及/或硫化氫吸收器單元之溶劑流中回收該能量，並轉移該能量以自該二氧化碳去除系統中抽吸半貧溶劑流；d)以一第二液壓渦輪增壓器自硫化氫濃縮器溶劑流中回收能量以用於抽吸貧溶劑流。
  2. 一種處理含二氧化碳氣體之系統，其包括二氧化碳吸收器單元，該二氧化碳吸收器單元含有貧溶劑以產生含有大部分來自含二氧化碳氣體之該二氧化碳的負荷溶劑及經處理之氣體；二氧化碳去除系統及至少一個液壓渦輪增壓器，該液壓渦輪增壓器係用於自至少一種溶劑流中回收能量並將該能量轉移至第二溶劑流中，其中使用液壓渦輪增壓器自離開該二氧化碳吸收器單元之半貧溶劑 流中回收能量，並轉移該能量以自該二氧化碳去除系統中抽吸半貧溶劑流，其中使用一第二液壓渦輪增壓器以自硫化氫濃縮器溶劑流中回收能量以用於抽吸貧溶劑流。
  3. 如請求項2之系統，其中該溶劑係選自由以下物質組成之群：聚乙二醇二甲醚、甲醇、N-甲醯基與N-乙醯基嗎啉之混合物、N-甲基-2-吡咯啶酮及環丁碸。
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