用于酸氣去除中h2s濃縮的方法和構(gòu)造的制作方法
【專利摘要】以具有兩個物理溶劑閃蒸步驟的結(jié)構(gòu)來構(gòu)造合成氣處理裝置，根據(jù)需要由Claus裝置將酸氣富集達到至少40mol%或更高的H2S，以及將CO2閃蒸并再循環(huán)回到合成氣進料中，從合成氣中去除含硫化合物。預(yù)期的方法和構(gòu)造有利地將硫去除至低于10ppmv，同時在高壓操作下增加H2S選擇性，由此允許制造適合作為Claus裝置進料氣的H2S料流。
【專利說明】用于酸氣去除中H2S濃縮的方法和構(gòu)造
[0001]本申請要求2011年8月8日提交的申請序列號為61/521216的美國臨時專利的優(yōu)先權(quán)。
發(fā)明領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明的領(lǐng)域為從含H2S和C02的高壓合成氣中選擇性去除酸氣H2S。
[0003]發(fā)明背景
氣化器合成氣的化學(xué)組成主要取決于特定的氣化技術(shù)和原料特性。例如，吹氧氣化器能產(chǎn)生主要含有H2和CO的濃縮合成氣，而吹空氣氣化器能產(chǎn)生富氮氣合成氣。當(dāng)氣化原料為石油焦、減壓渣油或焦油時，合成氣典型地將具有相對高的H2S含量。另一方面，當(dāng)氣化原料為煤炭時，合成氣中的硫含量可能顯著變化，因為褐煤和棕煤通常將產(chǎn)生低硫合成氣，浙青煤典型地將產(chǎn)生高硫合成氣。
[0004]不考慮特殊原料，氣化裝置合成氣通常將主要含有H2，接下來是C02、CO和H2S。當(dāng)需要碳捕獲時，可以提供一個或多個CO轉(zhuǎn)換反應(yīng)器，以將CO轉(zhuǎn)化為H2和C02，由此產(chǎn)生C02含量相對高，典型地大于40 mol%的合成氣。在大多數(shù)情況下，合成氣中的H2S含量為
0.05至超過0.1 mol% (取決于原料)。因此，合成氣中的C02對H2S摩爾比率非常高(例如大于100)，這具有相當(dāng)大的脫硫問題，其依賴于下游Claus裝置。例如，甚至當(dāng)酸氣去除設(shè)備使用H2S選擇性溶劑時，該溶劑將共吸收相當(dāng)大量的C02，和因此在幾乎所有情況下都不能產(chǎn)生適用于Claus裝置的富H2S酸氣。
[0005]因為Claus裝置為燃燒設(shè)備，進料至Claus裝置的酸氣必須具有至少25 mol%的H2S濃度，以及用于硫轉(zhuǎn)化反應(yīng)的充足熱值。當(dāng)酸氣還含有氨和BTEX (苯，甲苯和二甲苯)組分時，需要甚至更高的H2S濃度。因此，對于集成有Claus裝置的大多數(shù)IGCC發(fā)電廠而言，酸氣中的H2S含量必須為至少40 mol%，以保證氨的完全消除。如果酸氣中的H2S含量過低，則需要額外的處理步驟，例如補充燃料氣體燃燒，預(yù)熱酸氣，以及燃燒空氣和富氧。這些額外的處理步驟成本高，并且可能很少是合乎情理的。另外，酸氣可以在某些裝置構(gòu)造中借助于可以集成至酸氣去除裝置的富集工藝濃縮。這種富集裝置的實例在Mak等人的美國專利N0.7，635，408中示出。這里，使用若干分餾塔，以及再循環(huán)酸氣產(chǎn)物以提高酸氣含量。雖然這些工藝在低壓(例如10 psig)操作下是非常有選擇性的，但是它們通常不能在例如氣化裝置中遇到的那些高壓下產(chǎn)生富H2S酸氣。將本文討論的這種和所有其它外部材料全部引入作為參考。當(dāng)所引入的參考文獻中的術(shù)語的定義或用途與本文提供的術(shù)語的定義不一致或相反時，采用本文提供的術(shù)語的定義，不采用參考文獻中術(shù)語的定義。
[0006]最典型地，合成氣在400至900 psig的壓力下產(chǎn)生。在這些條件下，與C02相t:匕，對于H2S而言，H2S選擇性溶劑，例如DMEPG (聚乙二醇二甲醚(dimethyl ethylenepolyglycol))提供高出約6至8倍的溶解度。但是，這種低選擇性幾乎總是完全不足以產(chǎn)生適用于Claus裝置的酸氣產(chǎn)物，特別是當(dāng)合成氣具有高C02對H2S比率時，因為滿足硫處理規(guī)范所需的溶劑循環(huán)必須足夠高，這傾向于共吸收大量的C02,隨后稀釋到達Claus硫處理裝置的酸氣中的H2S含量。[0007]因此，盡管本領(lǐng)域中已知許多用于從合成氣中去除酸氣的構(gòu)造和方法，但是其所有或幾乎所有都受各種缺點困擾。因此，仍然需要提供用于酸氣去除，特別是用于處理合成氣以產(chǎn)生適合作為Claus裝置進料的濃縮酸氣料流的方法和構(gòu)造。
[0008]發(fā)明概述
本發(fā)明的主題涉及合成氣處理的各種裝置、構(gòu)造和方法，以產(chǎn)生處理過的合成氣和適合作為Claus裝置進料的酸氣料流。
[0009]在本發(fā)明主題的一個方面，用于從合成氣源的含H2S和C02合成氣中選擇性去除H2S的合成氣處理裝置將包括吸收塔，其接收合成氣和貧溶劑，以及產(chǎn)生處理過的(典型地含C02)合成氣和包含H2S和C02的富溶劑。閃蒸器與吸收塔連接(coupled)，接收富溶劑，以及產(chǎn)生富集C02的閃蒸氣體和包含H2S的閃蒸過的富溶劑。在特別優(yōu)選的裝置中，富集C02的閃蒸氣體經(jīng)由管路輸送至吸收塔和/或含H2S和C02合成氣。再生器然后用來接收閃蒸過的液體，以及從閃蒸過的富溶劑中產(chǎn)生貧溶劑和富H2S酸氣料流。此外通常優(yōu)選的是第一熱交換器使用來自貧溶劑的熱量加熱富溶劑。
[0010]當(dāng)需要時，可以使用第二熱交換器，其使用來自貧溶劑的熱量加熱閃蒸過的富溶齊U。預(yù)期的裝置還將典型地包括壓縮機，其接收并壓縮富集C02的閃蒸氣體直至吸收塔壓力(典型地為400 psig至900 psig)。更進一步預(yù)期的是該裝置可以包括額外的閃蒸步驟，以增加富溶劑中的H2S對C02比率。
[0011]因此，以及從不同的觀點考慮，處理(轉(zhuǎn)換或未轉(zhuǎn)換)的含H2S和C02合成氣的方法將包括使用貧物理溶劑在合成氣壓力下在吸收塔中吸收來自合成氣的H2S和C02的步驟，以形成處理過的(典型地含C02)合成氣和包含H2S和C02的富溶劑。在另一個步驟中，富溶劑在至少一個閃蒸步驟中被加熱和閃蒸，產(chǎn)生富集C02的閃蒸氣體和包含H2S的閃蒸過的富溶劑。富集C02的閃蒸氣體優(yōu)選再循環(huán)至合成氣或吸收塔，包含H2S的閃蒸過的富溶劑被再生，以形成貧物理溶劑和富H2S酸氣料流。最優(yōu)選，富H2S酸氣料流將具有適用于Claus裝置或其它硫回收裝置的組成。
[0012]在特別優(yōu)選的方面,吸收步驟在400psig至900 psig的壓力下進行,和/或加熱步驟在使用來自貧溶劑的熱量的熱交換器中進行。另外，應(yīng)理解富溶劑可以被進一步閃蒸，產(chǎn)生額外的富集C02的閃蒸氣體。如上所述，同樣預(yù)期再循環(huán)步驟可以包括壓縮富集C02的閃蒸氣體的步驟。
[0013]更進一步通常優(yōu)選的是含H2S和C02的合成氣具有至少10:1的C02對H2S摩爾比率，處理過的含C02的合成氣具有等于或低于10 ppmv的H2S濃度，和/或處理過的含C02的合成氣具有相對于含H2S和C02合成氣降低的C02含量。最典型地，富H2S酸氣料流具有至少40 mol%的H2S含量，和/或相對于C02，含有更高的H2S摩爾分數(shù)。關(guān)于閃蒸過的富溶劑，預(yù)期當(dāng)含H2S和C02合成氣為轉(zhuǎn)換合成氣(shifted syngas)時,該閃蒸過的富溶劑具有等于或低于1.0的C02對H2S摩爾比率，以及當(dāng)含H2S和C02的合成氣為未轉(zhuǎn)換合成氣時，該包含H2S的閃蒸過的富溶劑具有等于或低于0.6的C02對H2S摩爾比率。同樣，預(yù)期當(dāng)含H2S和C02的合成氣為轉(zhuǎn)換合成氣時，包含H2S的富溶劑具有等于或低于5.0的C02對H2S摩爾比率，以及當(dāng)含H2S和C02的合成氣為未轉(zhuǎn)換合成氣時，該包含H2S的富溶劑具有等于或低于2.0的C02對H2S摩爾比率。
[0014]從以下優(yōu)選實施方案的詳細說明連同附圖，本發(fā)明主題的各種目的、特征、方面和優(yōu)點將變得更加顯而易見，在附圖中類似數(shù)字表示類似組件。
[0015]附圖簡述
圖1為根據(jù)本發(fā)明主題的一個示例性裝置構(gòu)造的示意圖。
[0016]圖2為如圖1描述的裝置的替代裝置構(gòu)造的示意圖。
[0017]詳細描述
本發(fā)明主題涉及從合成氣中高選擇性去除H2S的各種裝置構(gòu)造和方法。在本發(fā)明主題的特別優(yōu)選的方面，H2S選擇性溶劑用來從合成氣中吸收H2S和共吸收C02以形成富溶劑，然后優(yōu)選在使用來自H2S汽提塔的熱量加熱之后在至少兩個步驟中從富溶劑中將C02閃蒸。如此閃蒸過的C02然后再循環(huán)至未處理的合成氣和/或吸收塔，來自H2S汽提塔的富H2S料流進料至Claus裝置。使用本文預(yù)期的方法和構(gòu)造，可以獲得具有大于40 mol%的H2S的酸氣，同時處理過的合成氣具有低于10 ppmv的總硫含量。
[0018]在進一步特別優(yōu)選的方面，熱交換器設(shè)計為具有非常接近溫度(例如20 T或更低)，以增加C02的閃蒸和將汽提塔中的熱需求最小化。另外，通常優(yōu)選的是分離器液體與富溶劑進行熱交換，導(dǎo)致富溶劑溫度升高，冷卻再生的貧溶劑的負荷降低。在本發(fā)明的另一個方面，最典型地使用具有再沸器和冷凝器的汽提塔使來自最后閃蒸階段的富溶劑再生，以產(chǎn)生到達吸收塔的貧溶劑和適用于在Claus裝置中直接使用的酸氣。關(guān)于汽提塔，應(yīng)理解所有已知的汽提塔/再生器被認為適用于本文。在其它再生器中，合適的再生器包括蒸汽汽提塔，具有蒸汽再沸器的再生器塔，使用惰性汽提氣或者處理過的進料氣作為汽提介質(zhì)的汽提塔等等。但是，特別優(yōu)選的汽提塔為使用蒸汽作為抽提介質(zhì)和/或使用蒸汽重沸器以在再生器中產(chǎn)生蒸汽的再生器。
[0019]最優(yōu)選，合成氣處于250 psig至約1200 psig,更典型地約400 psig至約900psig的壓力下。因此，離開吸收塔的富溶劑將處于高壓(基本與吸收塔壓力相同的壓力)，隨后壓力下降，并優(yōu)選在兩個步驟中被加熱至約230 T至約280 °F的溫度，產(chǎn)生具有高C02含量的閃蒸氣體，其再循環(huán)至未處理的合成氣和/或吸收塔，而閃蒸過的富溶劑中的H2S含量被富集(相對于C02含量)。閃蒸過的富溶劑然后在汽提塔中再生，產(chǎn)生具有大于40%，優(yōu)選大于50%，最優(yōu)選大于60%的H2S的酸氣，以及用于H2S吸收的貧溶劑。除非上下文相反指示，否則本文闡述的所有范圍都應(yīng)解釋為包含其端點，并且開放范圍應(yīng)解釋為包括商業(yè)上實用的值。類似地，所有數(shù)值列表應(yīng)被認為是包含中間值，除非上下文相反指示。
[0020]圖1中描述根據(jù)本發(fā)明主題的酸氣去除裝置的一個示例性構(gòu)造。這里，來自氣化裝置的合成氣料流I含有約19 mol%的C02和1.5 mol%的H2S，在約800 psig下工作，與再循環(huán)氣體料流2混合并進料至吸收塔51中，在其中H2S和C02在約32 °F下被貧溶劑吸收。需要約2800 GPM的貧溶劑來處理330 MMscfd的合成氣，產(chǎn)生具有低于10 ppmv總硫量的處理過的氣體料流3和富溶劑塔底料流4。酸氣吸收的熱量使塔底溫度升高至約65 0F。如本文使用的，當(dāng)和數(shù)值一起使用時，術(shù)語“約”表示小于或等于數(shù)值的10%的絕對偏差，除非另有說明。因此，例如，術(shù)語“約10 mol%”包括9 mol% (包括該值)至11 mol% (包括該值)。
[0021]料流4在JT閥52中壓力下降至約600 psig，形成料流5，料流5在交換器53中通過貧溶劑27被加熱至約240 成料流6，以及被閃蒸至中壓分離器54，產(chǎn)生閃蒸過的氣體料流9和閃蒸過的液體料流8。約240 T下的閃蒸過的氣體9與來自LP壓縮機72的料流31合并形成料流32，其由交換器55冷卻并在分離器56中分離，產(chǎn)生閃蒸過的蒸汽料流10和冷凝料流11。冷凝料流在JT閥59中壓力下降，與來自低壓分離器63的冷凝料流18混合形成最終進料至汽提塔64的合并料流19。
[0022]閃蒸過的液體料流8經(jīng)由JT閥57壓力下降至約60至120 psig,形成料流12,料流12在交換器58中通過貧溶劑25被加熱至約240 T至270 °F，形成料流13并被閃蒸至低壓分離器60，產(chǎn)生閃蒸過的氣體料流15和閃蒸過的液體料流16。約240 T至270 T的閃蒸過的氣體15由交換器62冷卻并在分離器63中分離，產(chǎn)生閃蒸過的蒸汽料流17和冷凝料流18。冷凝料流18與中壓冷凝液合并到達汽提塔，同時閃蒸過的蒸汽由壓縮機72壓縮，形成料流31并與閃蒸過的蒸汽料流9合并，最終由壓縮機73壓縮，由冷卻器75冷卻，并作為再循環(huán)料流2再循環(huán)回到進料區(qū)。
[0023]閃蒸過的液體料流16經(jīng)由JT閥61壓力下降至約40 psig,形成料流20并進料至汽提塔64的上部區(qū)。汽提塔產(chǎn)生塔頂料流21，其在冷卻器65中冷卻并在回流罐66中分離，產(chǎn)生具有Claus裝置所需的最低40 mol%的H2S含量的酸氣22，以及由泵67以回流形式泵送至汽提塔的水冷凝料流23。溶劑由汽提塔再沸器68加熱，產(chǎn)生約270 T至310 T的貧溶劑24，以及由泵69泵送至約100 psig到達交換器58。冷卻的溶劑料流26進一步由泵70泵送形成料流27，其由交換器53冷卻形成料流28，在交換器71中由冷凍機進一步冷卻至約32 °F形成再循環(huán)至吸收塔51的料流29。
[0024]表1中示出未轉(zhuǎn)換合成氣操作的整體質(zhì)量平衡,表2中示出進料氣、吸收塔塔底、中壓閃蒸罐和低壓閃蒸罐中的C02對H2S摩爾比率。為了捕獲碳，合成氣中的CO內(nèi)容物可以轉(zhuǎn)換為H2，產(chǎn)生具有約43 mol%的C02含量的合成氣，其然后在預(yù)期的構(gòu)造中處理，隨后由額外的C02去除裝置處理。在該操作中，必須提高溶劑要求、再生負荷和氣體再循環(huán)，以適應(yīng)高C02含量合成氣。轉(zhuǎn)換合成氣操作的整體質(zhì)量平衡在表3中示出。C02對H2S摩爾比率顯著高于未轉(zhuǎn)換的情況。表4顯示進料氣、吸收塔塔底、中壓閃蒸罐和低壓閃蒸罐的C02對H2S摩爾比率。
[0025]表1
【權(quán)利要求】
1.一種從合成氣源的含H2S和C02合成氣中選擇性去除H2S的合成氣處理裝置，其包括: 吸收塔，構(gòu)造成接收含H2S和C02合成氣和貧溶劑，以及產(chǎn)生處理過的含C02合成氣和包含H2S和C02的富溶劑； 與吸收塔連接的閃蒸器，構(gòu)造成接收富溶劑，以及進一步構(gòu)造成產(chǎn)生富集C02的閃蒸氣體和包含H2S的閃蒸過的富溶劑； 與閃蒸器流體連接的管路，構(gòu)造成將富集C02的閃蒸氣體輸送至吸收塔或含H2S和C02合成氣； 其中再生器與閃蒸器流體連接，構(gòu)造成接收閃蒸過的液體以及產(chǎn)生貧溶劑和富H2S酸氣料流；和 第一熱交換器，構(gòu)造成允許使用來自貧溶劑的熱量加熱富溶劑。
2.權(quán)利要求1的合成氣處理裝置，進一步包括第二熱交換器，構(gòu)造成允許使用來自貧溶劑的熱量加熱閃蒸過的富溶劑。
3.權(quán)利要求1的合成氣處理裝置，進一步包括在閃蒸器和吸收塔之間流體連接的壓縮機，其中該壓縮機構(gòu)造成接收并壓縮富集C02的閃蒸氣體。
4.權(quán)利要求1的合成氣處理裝置，進一步包括在閃蒸器和再生器之間流體連接的第二閃蒸器。
5.權(quán)利要求1的合成氣處理裝置，其中吸收塔構(gòu)造成在400psig至900 psig的壓力下運行。
6.一種處理含H2S和C02的合成氣的方法，其包括: 使用貧物理溶劑，在合成氣壓力下在吸收塔中吸收來自含H2S和C02的合成氣的H2S和C02，形成處理過的含C02合成氣和包含H2S和C02的富溶劑； 在至少一個閃蒸步驟中加熱和閃蒸包含H2S和C02的富溶劑，產(chǎn)生富集C02的閃蒸氣體和包含H2S的閃蒸過的富溶劑； 將富集C02的閃蒸氣體再循環(huán)至合成氣或吸收塔；和 使包含H2S的閃蒸過的富溶劑再生，形成貧物理溶劑和富H2S酸氣料流。
7.權(quán)利要求6的方法,其中吸收步驟在400psig至900 psig的壓力下進行。
8.權(quán)利要求6的方法，其中加熱步驟使用來自貧溶劑的熱量在熱交換器中進行。
9.權(quán)利要求6的方法，進一步包括進一步閃蒸包含H2S的閃蒸過的富溶劑的步驟，以產(chǎn)生另外的富集C02的閃蒸氣體。
10.權(quán)利要求6的方法，其中再循環(huán)步驟進一步包括壓縮富集C02的閃蒸氣體的步驟。
11.權(quán)利要求6的方法，其中含H2S和C02的合成氣為轉(zhuǎn)換合成氣。
12.權(quán)利要求6的方法，其中含H2S和C02的合成氣具有至少10:1的C02對H2S的摩爾比率。
13.權(quán)利要求6的方法，其中處理過的含C02的合成氣具有等于或低于10ppmv的H2S濃度。
14.權(quán)利要求6的方法，其中處理過的含C02的合成氣具有相對于含H2S和C02的合成氣而言降低的C02含量。
15.權(quán)利要求6的方法，其中富H2S酸氣料流具有至少40mol%的H2S含量。
16.權(quán)利要求6的方法，其中富H2S酸氣料流含有相對于C02而言更高的H2S摩爾分數(shù)。
17.權(quán)利要求6的方法，其中包含H2S的閃蒸過的富溶劑具有等于或低于1.0的C02對H2S摩爾比率，其中含H2S和C02的合成氣為轉(zhuǎn)換合成氣。
18.權(quán)利要求6的方法，其中包含H2S的閃蒸過的富溶劑具有等于或低于0.6的C02對H2S摩爾比率，其中含H2S和C02的合成氣為未轉(zhuǎn)換合成氣。
19.權(quán)利要求6的方法，其中包含H2S的富溶劑具有等于或低于5.0的C02對H2S摩爾比率，其中含H2S和C02的合成氣為轉(zhuǎn)換合成氣。
20.權(quán)利要求6的方法，其中包含H2S的富溶劑具有等于或低于2.0的C02對H2S摩爾比率，其中含H2S和C02 的合成氣為未轉(zhuǎn)換合成氣。
【文檔編號】C10K1/08GK103889546SQ201280038211
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年8月7日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月8日
【發(fā)明者】J.馬克 申請人:氟石科技公司