專利名稱：從合成氣或煙道氣中分離CO₂的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及從合成氣物流或煙道氣物流中分離至少(X)2的方法和系統(tǒng)。
背景技術：
煙道氣包含如N2、CO2和其它燃燒產物。合成氣物流為主要包含一氧化碳和氫的氣態(tài)物流。合成氣物流例如通過部分氧化或蒸汽重整包括天然氣、煤層甲烷、餾分油和渣油的烴以及氣化固體化石燃料如煤或焦炭來生產。有關合成氣制備的一般描述可以參考Maarten van der Burgt等人的〃 The Shell Middle Distillate Synthesis, Petroleum Review Apr. 1990 pp. 204—209"。有多種固體或非常重(粘)的化石燃料可以用作產生合成氣的原料，包括固體燃料如無煙煤、褐煤、煙煤、亞煙煤、褐煤、石油焦、泥煤等，和重渣油，如由焦油砂提取的烴、直接源自石油或油轉化過程如熱裂化、催化裂化、加氫裂化等的煉廠渣油，如沸點高于360°C 的渣油餾分。所有這些類型的燃料均具有不同的碳氫比例以及不同的被認為是雜質的物質。取決于用于產生合成氣的原料，合成氣可能含有雜質如二氧化碳(CO2)、硫化氫、 羰基硫和羰基二硫，同時還含有氮、含氮組分(如HCN和NH3)、金屬、羰基金屬(特別是羰基鎳和羰基鐵)、蒸汽和在某些情況下的硫醇?？梢蕴幚砗铣蓺馕锪饕悦摮s質和/或調節(jié)吐/CO比。例如W0-2008/068305描述了使部分含雜質的合成氣物流經歷水煤氣變換反應，和組合應用脫除大部分雜質和隨后精制脫除雜質至預定水平。W0-2008/153379提供了一種從煙道氣或合成氣混合物中分離(X)2的方法。所述方法包括在換熱器中冷卻所述氣體混合物，和隨后使所述氣體混合物絕熱膨脹，以將所述氣體冷卻至混合物中的(X)2至少部分為液相的溫度和壓力。在冷卻混合物前，可以將所述氣體混合物加壓，以提高膨脹過程中的溫降。隨后從所述冷卻和膨脹后的混合物中分離出包含(X)2的液體餾分。本發(fā)明的目的是提供從氣體物流中分離(X)2的改進方法和系統(tǒng)。

發(fā)明內容
因此本發(fā)明提供一種從合成氣物流或煙道氣物流中分離(X)2的方法，所述方法包括如下步驟-提供處于初始壓力和初始溫度下的氣體物流；-壓縮所述氣體物流；-冷卻壓縮后的氣體物流，其中所述壓縮和冷卻后的氣體物流具有升高的壓力和降低的溫度，此時氣體物流中的(X)2至少部分轉化成了液相；和-從壓縮和冷卻后的氣體物流中分離出液相，以在出口壓力下提供液相物流和氣相物流，其中液相物流的出口壓力相對于氣體物流的初始壓力提高。
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通過絕熱膨脹氣體進行冷卻似乎合理，因為所需要的設備和操作成本相對較低。 但本發(fā)明教導的是首先壓縮氣體物流，從而能夠在相對于輸入氣體物流升高的壓力下提供產品物流。由于產品物流的壓力相對于初始壓力提高，因此可以直接提供產品物流用于進一步的處理。一種產品物流的壓力例如可能適合于在地下貯層中注入co2。另外，與現(xiàn)有技術的方法相比，本發(fā)明方法將在單個工藝步驟中脫除更多的CO2，使得所述方法更有效。在一個實施方案中，初始壓力為20-6^ar，優(yōu)選為約35_60bar。因此所述方法適合于直接處理來自裝置的合成氣。合成氣可以具有變化或預定的組成。合成氣的吐/co比可以通過在本發(fā)明方法中包括水煤氣變換反應來確定。在另一個實施方案中，液相的出口壓力高于75bar，或優(yōu)選為100_200bar。可以直接處理液相物流，因此不再需要泵或另外處理產品物流。所述液相物流例如可以直接注入地下貯層中。因此，整個過程是相對有效的。如果液相出口壓力不足以直接注入貯層，則可以向系統(tǒng)中增加泵以提高液相物流的壓力，使其足以直接注入貯層。在優(yōu)選的實施方案中，所述出口壓力為140-160bar。該壓力決定于氣體物流的壓縮，在該壓力下，CO2脫除方法的效率相對較高。例如捕集率高于85%或為90%的數(shù)量級。在另一個實施方案中，氣體物流為合成氣物流，該物流經歷水煤氣轉化反應，以提供具有提高的壓和(X)2含量的變換后合成氣物流。通過提高壓和(X)2含量，所述方法的效率提高。變換后的合成氣物流主要包含H2和0)2。在這里“主要”指例如大于40-50mol% 的吐和大于40mOl%的C02?？梢詫O2捕集并貯存在貯層中。富含H2的氣體物流可以用作幾種用途的燃料，例如用于發(fā)電的發(fā)電機燃料。在另外一個實施方案中，氣相的出口壓力與液相的出口壓力基本類似。經過壓縮的富H2的氣相例如可以用作發(fā)電機燃料。按照另一個方面，本發(fā)明提供一種用于從含CO2的氣體物流中分離CO2的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括-壓縮機，用于壓縮具有初始壓力和初始溫度的氣體物流；-至少一個冷卻裝置，用于冷卻壓縮后的氣體物流，其中所述壓縮和冷卻后的氣體物流的壓力和溫度使得此時氣體物流中的(X)2至少部分轉化成了液相；和-分離器，用于在出口壓力下將壓縮和冷卻后的合成氣物流分離為液相物流和氣相物流，其中液相物流的出口壓力高于氣體物流的初始壓力。


下面參考實施方案和附圖通過實施例更詳細地描述本發(fā)明，其中圖1示意性給出了本發(fā)明系統(tǒng)的一個實施方案；圖2示意性給出了本發(fā)明系統(tǒng)的另一個實施方案；圖3示意性給出了本發(fā)明系統(tǒng)的另一個實施方案；圖4示意性給出了本發(fā)明系統(tǒng)的另一個實施方案；圖5示意性給出了圖4所示系統(tǒng)的替代設計；和圖6給出了含(X)2的氣體物流的示例性相圖。向本發(fā)明的系統(tǒng)102(圖1-3)提供原料氣物流100。系統(tǒng)102包括壓縮機104，用來壓縮氣體物流并提供壓縮后的氣體物流106。壓縮機104還可以另外包括后冷卻器，以將壓縮后的氣體物流106預冷。系統(tǒng)102包括一個或多個例如三個換熱器108、110、112，用來冷卻壓縮后的氣體物流。將冷卻和壓縮后的氣體物流114引導至分離器116。分離器提供氣態(tài)物流118和液相物流120?？梢匀芜x地將氣態(tài)物流118引導至第一換熱器108 (圖1)或第二換熱器(圖2)， 用來冷卻壓縮后的氣體物流。可以任選地將液相物流120引導至第二換熱器110(圖1)或第一換熱器(圖2)， 用來進一步冷卻壓縮后的氣體物流。在另一個實施方案中，第一換熱器108可以用空氣或(海)水122預冷壓縮后的氣體物流106(圖3)。在另一個實施方案(圖4)中，可以應用多物流換熱器109替代換熱器108和110。各換熱器提供相對于物流118、120而言溫度升高的氣相物流IM和/或液相物流 126。經換熱器后的壓降例如為0. 5-10bar的數(shù)量級，通常為l-5bar的數(shù)量級。(變換后)合成氣物流的H2和CO與(X)2和可能的其它雜質如H2S的分離通過相變來實現(xiàn)。合成氣物流的組成可以應用變換反應進行調節(jié)，從而使合成氣物流具有預定的H2/ CO比。然后可以壓縮合成氣至將CO2注入貯層所需要的壓力。所述貯層例如為地下貯層， 如(部分貧化的)氣田和/或海底貯層。合成氣含有例如約25_35mol%的H2、60-70mol%的CO、一些0)2和雜質。部分CO 變換成為包含50-60mol%的H2、35-50mol% CO2和例如一些CO和的氣體混合物。通常在25_60bar、例如約35_40bar或約60bar的壓力下提供合成氣。將初始壓力升高至約100-200bar或優(yōu)選約140_160bar。經過每個換熱器后的壓降相對較小，為約 0.5_5bar。合成氣壓縮后，通過將壓縮后的合成氣冷卻至(X)2至少部分轉換為液相的溫度而脫除CO2 (和任選的其它雜質)?？梢栽谝粋€或多個步驟中實施所述冷卻，例如在圖1-3中所示的三個步驟中。可以將產品物流分別引導至第一和第二換熱器(圖1和幻，以冷卻壓縮后的氣體物流。為了達到用于分離(X)2的預定目標溫度，可以包括應用附加冷量的第三換熱器。第三換熱器可以應用例如乙烷和/或丙烷作為致冷劑。通過應用產品物流的潛冷冷卻壓縮后的氣體可以將所需要的來自第三換熱器的冷量減少例如約40-60%。圖4給出了替代實施方案，其中向壓縮機104提供原料氣體物流100。但在附圖4 所示的實施方案中，應用多物流換熱器109來實現(xiàn)換熱器108和110的功能。換熱器109 也可以應用來自外部冷卻系統(tǒng)的附加丙烷作為致冷劑，以減小換熱器112的尺寸。替代地，如圖5所示，還向壓縮機104提供原料氣物流100 ；但將壓縮后的氣體物流106分割成至少二股單獨物流106A和106B。在該實施方案中，換熱器108和110并聯(lián)排列，物流106A和106B分別進料入換熱器108和110。然后將冷卻和壓縮后的輸出物流重新組合，和經換熱器112引導至分離器116。分離器116提供氣體物流118和液體流流120。 雖然在圖5中示出兩股物流106A和106B，但如果需要，壓縮后的氣體物流106可以分割成兩股以上物流，并分別進料至相應數(shù)目的換熱器中。圖4中的氣體物流118可以任選地引導至多物流交換器109，或者在圖5的實施方案中，引導至第一換熱器108或第二換熱器110，用來冷卻壓縮后的氣體物流；類似地，在圖5的實施方案的情況下，液相物流120可以任選地引導至第二換熱器110或第一換熱器 108，或者在圖4的實施方案的情況下引導至多物流換熱器109，用來進一步冷卻壓縮后的氣體物流。圖4和5所示實施方案可以使換熱器112造得更小，從而節(jié)約投資成本和能量應用。圖4所示實施方案是優(yōu)選的。圖1-5所示系統(tǒng)從原料氣物流100中脫除了 75-80%的C02。如果需要甚至更高程度的(X)2脫除，可以進一步處理氣相物流124，例如應用可商購的(X)2脫除方法，如應用物理溶劑或胺溶劑的吸收方法、或應用變壓或變溫再生的吸附方法。這種進一步的處理導致從原料氣體物流中脫除高達100%的C02。另外，如圖4和5所示，可以應用膨脹機125來提供功率回收并進一步冷卻氣相物流124，如果需要，所述氣相物流IM可以用于換熱器109 (圖 4)或換熱器110(圖幻中進一步冷卻物流106。圖6給出了具有一定組成的合成氣的示例性相圖。X軸指溫度T(°C )和Y軸指壓力P (bar)。單獨的相用液相L、蒸氣V、氣體G、固體S和它們的混合物O^L、VL、GS、VS)表示。線400、402表示這些相混合物的邊界。在這里應用的氣相指氣體和蒸氣。如箭頭406、408所示，將氣體物流例如冷卻至約_30至_60°C的溫度，以獲得部分由氣體或蒸氣組成和部分由液體組成的混合物。在優(yōu)選的實施方案中，將氣體冷卻至約-55 °C。本發(fā)明的方法和系統(tǒng)可以在單個工藝步驟中捕集較大百分比的C02。這一點可以用如下非限定性實施例確認。三相點例如將為約Mbar的壓力和_55°C的溫度。氣體的組分i的分壓Pi與總壓P、摩爾百分比y”體積百分比Xi、和體積百分比的壓力P/按下式相關Pi = YiP = XiPiV (1)因此在下游端的ω2捕集率na2可以按下式計算
c。2 y^li-y^) y^P)< j其中“下”和“上”分別指系統(tǒng)下游側和上游側的值。在例如150bar的操作壓力P下，(X)2的捕集可以為90mol %的數(shù)量級(按理想氣體處理)
1- 10x(1-0產〉、=0.9⑶
_5] 0.35,150^(1-^1]因為巧0下2= yj02 X P ( Xcm ι,和 Wo2 0.07).將氣體物流壓縮至100-200bar數(shù)量級的壓力可提供優(yōu)選的結果，其以相對有限的總成本在液相產品物流中組合了相對高的C02mol%。例如優(yōu)選在應用水煤氣變換反應變換氣體后提供原料合成氣。變換后的合成氣主要包含H2和CO2,例如數(shù)量級為40-45mol %的C02、50-55mol %的H2。另外，變換后的合成氣包含約2mol %的CO和/或Imol %的&S。提供給本發(fā)明方法的合成氣例如具有45_55°C 的初始溫度和/或數(shù)量級為35-40bar的初始壓力。
氣態(tài)產品物流可以包括例如8-14mol%的C02、2_5mol%的C0、85_95mol%的H2和 /或< 0. 5mol%&H2S。液相產品物流可以包括約90_98mol %的C02、< 5mol %的H2、和/或< Imol %的 CO。在實際的實施方案中，建議如圖1-5所示在兩或三級中冷卻合成氣?？梢栽谝患壔蚨嗉壷邪ɡ鐟靡彝楹?或丙烷作為工作流體的致冷設備。如果例如在最后步驟中應用致冷設備，則最終的冷卻設備可以在例如0. 25MW/kgC02下操作。在這里，kgO)2指在液相物流中的1千克C02。冷的富含吐的氣相物流和/或富含(X)2的液相物流可以引導至一個換熱器中，例如第一和/或第二交換器中，以提供另一部分所需負荷，例如約0. 21MW/kgC02。壓縮后的氣體物流106因此可以在隨后的步驟中冷卻，例如在第一換熱器108之后冷卻至1-10°C，在第二換熱器110之后冷卻至-15到-25°C，和/或在第三換熱器112之后冷卻至-55到_30°C。所應用的分離技術對本發(fā)明的方法來說不是很關鍵，并且很方便地已證實的氣/ 液分離技術均可用來捕集(X)2液滴。這種技術例如包括在壓縮機級間冷卻器中應用的除霧器墊或葉片墊、渦流管或旋風分離器。產品物流的供應壓力和溫度適合于進一步的實際應用，可能不需要進一步的處理。總體而言，本發(fā)明的方法和設備對從氣體物流脫除(X)2提供了有效且經濟合算的改進。 另外，包含相對較高m0l% H2、例如約90mOl%或更高H2的氣態(tài)產品物流可以即時用于后續(xù)的工藝步驟中。這些工藝步驟包括例如用作發(fā)電的發(fā)電機燃料。富含H2的物流也可以引導至煉廠，為加氫處理器或加氫裂化器或用來降低烴鏈長度的類似裝置中引入物流。本發(fā)明的方法和系統(tǒng)特別適合于從合成氣物流或煙道氣物流中捕集C02。所述方法似乎不適合處理天然氣，因為在氣體的壓縮和冷卻時大量甲烷會與CO2 —起冷凝。合成氣或煙道氣缺少甲烷但分別包含吐或隊。后者在本發(fā)明方法所涉及的壓力和溫度下不會冷凝。另外，與通過膨脹進行冷卻相比，按照本發(fā)明方法冷卻合成氣或煙道氣是更有效的。相反，天然氣可以通過膨脹更有效地冷卻至低于的相對低壓。上面的壓力以單位bar表示。Bar在這里指絕壓巴。本發(fā)明的上述實施方案是非限定性的。在所附權利要求的范圍內可以設想許多調離
iF. ο
權利要求
1.一種從合成氣物流或煙道氣物流中分離(X)2的方法，所述方法包括如下步驟-提供處于初始壓力和初始溫度下的氣體物流；-壓縮所述氣體物流；-冷卻壓縮后的氣體物流，其中所述壓縮和冷卻后的氣體物流具有升高的壓力和降低的溫度，此時氣體物流中的(X)2至少部分轉化成了液相；和-從壓縮和冷卻后的氣體物流中分離出液相，以在出口壓力下提供液相物流和氣相物流，其中液相物流的出口壓力高于氣體物流的初始壓力。
2.權利要求1的方法，其中所述初始壓力為20-6^ar，優(yōu)選為35_60bar。
3.權利要求1或2的方法，其中所述液相物流的出口壓力高于7^ar。
4.權利要求1或2的方法，其中所述液相物流的出口壓力為100-200bar。
5.權利要求4的方法，其中所述出口壓力為約140-160bar。
6.前述權利要求任一項的方法，包括如下步驟-將所述液相物流和/或氣相物流引導至一個或多個換熱器中，用來冷卻壓縮后的氣體物流。
7.前述權利要求任一項的方法，其中提供氣體物流的步驟包括-提供合成氣物流；和-使所述合成氣物流經歷水煤氣變換反應，以提供具有增加的H2和/或(X)2含量的處理后合成氣物流。
8.前述權利要求任一項的方法，其中所述氣相的出口壓力基本上等于所述液相的出口壓力。
9.前述權利要求任一項的方法，其中所述壓縮后的氣體物流的冷卻至少部分在多物流換熱器中實施。
10.權利要求1-8任一項的方法，其中將所述壓縮后的氣體物流分割為至少兩股物流， 和每股分割后的壓縮氣體物流的冷卻至少部分在單獨的并聯(lián)排列的換熱器中實施。
11.用于從含(X)2的氣體物流中分離(X)2的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括-壓縮機，用于壓縮具有初始壓力和初始溫度的氣體物流；-至少一個冷卻裝置，用于冷卻壓縮后的氣體物流，其中所述壓縮和冷卻后的氣體物流的壓力和溫度使得此時氣體物流中的(X)2至少部分轉化成了液相；和-分離器，用于在出口壓力下將壓縮和冷卻后的合成氣物流分離為液相物流和氣相物流，其中液相物流的出口壓力高于氣體物流的初始壓力。
12.權利要求11的系統(tǒng)，包括第一換熱器，其中將所述液相物流引導至第一個換熱器， 用來冷卻壓縮后的氣體物流。
13.權利要求11或12的系統(tǒng)，包括第二換熱器，其中將所述氣相物流引導至第二換熱器，用來冷卻壓縮后的氣體物流。
14.權利要求11-13任一項的系統(tǒng)，其中所述分離器包括旋風分離器、渦流管和/或除霧器墊。
全文摘要
本發(fā)明提供用于從含CO2的氣體物流中分離CO2的方法和系統(tǒng)。將具有初始壓力的氣體物流壓縮并隨后冷卻。壓縮和冷卻后的氣體物流具有升高的壓力和降低的溫度，此時氣體物流中的CO2至少部分轉化成了液相。從壓縮和冷卻后的氣體物流中分離出液相，以提供液相物流和氣相物流，其中液相物流的出口壓力高于氣體物流的初始壓力。
文檔編號B01D53/00GK102427868SQ201080021143
公開日2012年4月25日 申請日期2010年5月12日 優(yōu)先權日2009年5月15日
發(fā)明者E·M·范多斯特, E·威斯科, G·德納扎爾, H·J·范德普勒格, R·范德瓦爾特 申請人:國際殼牌研究有限公司