用于合成气处理的方法和系统的制作方法

专利名称：用于合成气处理的方法和系统的制作方法
用于合成气处理的方法和系统本申请要求2010年5月24日提交的美国临时申请号61/347496的权益。该申请的公开内容通过引用结合到本文中。
背景技术：
本公开涉及一种用于产生和处理合成气的方法和系统。具体地，本公开涉及一种用于处理由废物(包括市政固体废物(MSW))的等离子体气化产生的粗合成气流的方法和系统。废物的有效处理和利用为全球问题。如由管理部门例如美国环境保护署(EPA)提出的当前的废物处理技术包括首先减少来源，第二，再循环和堆肥，最后，在垃圾填埋场或废物燃烧器中处理。处理废物的其它技术包括将废物转化成能量，涉及例如焚烧和热解过程。存在许多类型的废物，包括市政固体废物、商业和工业废物、垃圾衍生的燃料(RDF)、建 筑和拆除废物、电子废物、医疗废物、核废物和危险废物。市政固体废物(MSW)(也称为城市固体废物、废弃物、废物或垃圾)主要包含家用/家庭废物。MSW通常为固体/半固体形式，并且包括纸和卡、塑料、纺织品、玻璃、金属、生物可降解废物(例如，厨房废物、庭院成堆垃圾/修剪物、木材废物)、惰性废物(例如，灰尘、岩石)，并且可包括少量的混杂材料例如电池、灯泡、药物、化学品、肥料等其它材料。通常发现MSW主要为纸/卡和厨房废物，但是精确的组成可能在一个区域到另一个区域不同(例如，取决于在该区域进行的再循环的水平)。RDF是指已事先分类的MSW和/或商业和/或工业废物，通常用于除去可再循环的材料。废物处理的另一种形式包括气化。气化为一种用于将碳质原料(例如煤、石油、生物燃料、生物质、市政固体废物(MSW)和其它废物)转化为可燃气体(例如合成气)的方法。合成气体，通常称为合成气，为不同量的一氧化碳和氢气的混合物(CO + H2),并且具有多种应用。通过进料至燃料室中在燃气轮机、锅炉或往复式发动机中直接燃烧，合成气可用于发电，和/或废物热量可用于产生蒸汽，蒸汽可通过蒸汽轮机提供另外的电力。合成气还可用于生产氢或液体燃料或化学品、气态燃料、合成的天然气和/或一氧化碳，其中的一些可用作制造其它化学品(例如塑料)的原材料。因此，气化为一种用于由有机材料生产增值产品和/或能量的方法。气化的一种具体形式包括等离子体气化。等离子体气化为使用电能和等离子体电弧产生的高温在称为等离子体气化反应器的容器中使废物分解成为含有合成气的气态产品和熔融的玻璃样副产物(渣)的废物处理技术。等离子体为部分电离并且由气体离子、原子和电子组成的高温发光气体。渣由通常在废物中含有的无机矿物物质(例如玻璃和金属)的玻璃化产生。取决于用作原料的废物的组成和采用的气化方法，含有合成气的气态产品可包含CO、H2、H20、HCN、CO2, N2, 02、CH4、H2S、COS、NH3、HCl、Ar、Hg、CxHy 和其它较重的烃(焦油)、颗粒(包含木炭、灰和/或未转化的燃料)。重质烃、较重的烃化合物或焦油是指可为饱和、不饱和或部分饱和的烃以及可包括其它原子(例如但不限于氧、氮或硫)的烃。进行废物等离子体气化方法的挑战之一在于，废物的宽泛变化的性质可导致从气化器出来的宽泛变化的气体和烃组成以及颗粒量和尺寸，本文中将其定义为“粗合成气流”。如果整个方法的最终产品为电力，尤其是使用燃气轮机、往复式发动机或内燃机产生的电力，该宽泛变化的粗合成气流的净化特别具有挑战。在所有这些发电过程中，期望将颗粒减少至50 ppm或更少，与在粗合成气流中的颗粒的宽泛变化的量无关。尽管烃组成和/或焦油可能有宽泛的变化，24/7发电设备的冷却系统承担不了由于在该过程中不期望的位置形成焦油所引起的污染问题而关闭。因此，相对于固体和液体化石燃料(例如煤、石油焦炭(pet coke)、浙青质)的那些和许多生物质气化净化系统，由废物发电需要不同的和独特的合成气净化系统。美国专利公开号2009/0133407 Al公开了一种使用等离子体气化器由废物生产和处理合成气的系统，其通过引用全文 结合到本文中。美国专利公开号2009/0133407 Al总的涉及气体净化顺序，然后将合成气转化为能源，但是未公开共同洗涤HCl和NH3。美国专利公开号2009/0133407 Al公开了颗粒去除系统，但是未解决由废物形成的合成气典型的高颗粒载荷。此外，在美国专利公开号2009/0133407 Al中公开的系统公开了一种用于H2S去除的生物反应器，并且涉及与紧接着气化器下游的合成气冷却器偶联的热量回收蒸汽发生器，以提供热能输入返回至等离子体化铁炉或将热量提供给集成发电循环。美国专利公开号2009/0133407 Al的热量回收系统不太合乎需要并且对于废物气化不太稳健，因为其可能不太耐受存在于离开气化器的流中的宽范围的金属、颗粒和可冷凝的副产物，它们可导致焦油形成。美国专利公开号2008/210089 Al (其通过引用全文结合到本文中)公开了一种用于处理来自气化系统的输入气体的气体调节系统。美国专利公开号2008/210089 Al未公开共同洗涤HCl和NH3并且未公开COS水解用于硫去除。该专利方法的限制在于，其不能容许完全硫去除，特别是COS形式。在美国专利公开号2008/210089 Al中单独去除HCl和NH3需要更多的单元操作来除去HCl和NH3至期望的水平，这需要更多的设备，更多的能源和较低效率处理。需要用于处理含高颗粒和宽泛变化的粗合成气流的气体处理方法和系统来有效处理由废物流(包括但不限于市政固体废物)的等离子体气化形成的合成气流。已清洁的合成气组成根据是否旨在使其适于发电、燃料或化学制造、氢生产或利用CO和/或4的其它应用而变。发明概述
通过提供用于处理粗合成气流的方法和系统，本发明解决与常规方法关联的问题。本公开的一方面包括一种用于净化具有宽泛变化的组成和颗粒载荷的粗合成气流的方法。所述方法包括使用液体流淬灭粗合成气流，以冷却合成气流(例如，使用包含水的液体流，以将粗合成气流冷却至低于约212 T (IOO0C )的温度)，和除去颗粒、焦油和其它较重的烃化合物。所述方法还包括共同洗涤合成气流，以从合成气流除去HCl和NH3 二者，从合成气流除去颗粒物质，任选从合成气流除去萊，和从合成气流除去硫。所述方法还可包括经由酸或碱的任选的pH调节。本公开的另一方面包括一种用于净化起源于废物气化的具有宽泛变化的组成和颗粒载荷的粗合成气流的方法。所述方法包括由等离子体气化器提供粗合成气流和使用液体流淬灭粗合成气流，以冷却合成气流和除去颗粒、焦油和其它较重的烃化合物。所述方法还包括共同洗涤合成气流，以从合成气流除去HCl和NH3 二者，从合成气流除去另外的颗粒物质，任选从合成气流除去汞，和从合成气流除去硫。“另外的颗粒物质”是指未在淬灭或共同洗涤过程期间事先除去的颗粒物质。所述方法还可包括经由酸或碱的任选的pH调节。本公开的另一方面包括合成气处理系统。所述系统包含用于淬灭粗合成气流的粗合成气流淬灭子系统，用于从合成气除去HCl和NH3的共同洗涤子系统，用于从合成气除去颗粒的另外的颗粒去除子系统，任选的汞去除系统，和用于从合成气除去硫的硫去除系统。所述系统还可包含使用酸或碱的任选的PH调节子系统。粗合成气流淬灭子系统、共同洗涤子系统、另外的颗粒去除子系统、硫去除子系统可操作地排列，以从粗合成气流除去HC1、NH3、颗粒和硫，以形成清洁的合成气流。本公开的系统和方法包括能调节、处理和另外加工这样的粗合成气流的高颗粒含量和以实质类似的浓度存在的HCl和NH3,以允许共同洗涤和有效硫去除。所述气体处理系统适用于宽范围的系统，包括其中废物与煤和/或冶金焦炭和/或石油焦炭和/或备选碳源共同燃烧的那些。本公开提供了一种用于有效清洁、纯化或调节通过废物的等离子体气化产生的高度非均相气体流的系统和方法，废物包括但不限于MSW、商业、RFD和/或工业废物。结合附图
，由以下某些实施方案的更详细的描述，本发明的其它特征和优点将显而易见，附图通过举例的方式说明本发明的原理。附图简述
图I显示一种根据本公开的一个实施方案的示例性等离子体气化系统。图2显不一种根据本公开的一个实施方案的不例性气体处理系统。图3显不一种根据本公开的一个实施方案的备选的不例性气体处理系统。图4显不一种根据本公开的一个实施方案的备选的不例性气体处理系统。
图5显示一种根据本公开的一个实施方案的备选的示例性气体处理系统。图6显示一种根据本公开的一个实施方案的示例性硫去除子系统。图7显示一种根据本公开的一个实施方案的备选的示例性硫去除子系统。图8显示一种根据本公开的一个实施方案的备选的示例性硫去除子系统。发明详述
本公开提供用于处理含有高颗粒的合成气流的气体处理方法和系统，其有效处理由废物流的等离子体气化典型形成的合成气流，以提供适于发电、液体燃料或化学制造、氢生产或利用CO和/或H2的其它应用的清洁的合成气。图I显示本公开的一个实施方案，其中处理系统100包括一系列系统用于废物的气化、杂质的去除和发电。所述系统包括等离子体气化器103、气体处理系统105和发电系统107。如图I所示，等离子体气化器103接受和处理废物进料111。用于废物的等离子体气化的条件包括高温、加压/非加压反应容器和氧化剂进料113，例如空气和/或氧气(例如，约1200-约3000F的温度)。当废物用作进料流时，在气化之前废物可事先分类或者可未事先分类，以除去可回收材料，例如玻璃、塑料和金属，并且如果期望的话可与高含碳原料115 (例如煤和/或冶金焦炭和/或石油焦炭和/或备选的碳来源)共同燃烧。可顺应气体处理方法的废物的类型为MSW、商业废物、工业废物、建筑和拆除废物、危险废物、RFD或它们的组合。由等离子体气化器的一部分，所述方法产生具有熔融金属/无机物的渣流117,由等离子体气化器的另一部分，产生粗合成气流119。“粗合成气流”是指合成气流为废物气化方法(例如等离子体气化)的流出物，并且可包含C0、H2、H20、HCN、C02、N2、02、CH4、H2S, COS、NH3, HC1、Ar、Hg、CxHy和较重的烃化合物，例如并包括焦油、包含木炭、灰和/或未转化的燃料的颗粒。粗合成气流包括从气化器出来的宽泛变化的气体和烃化合物组合物以及颗粒量和尺寸，它们根据被气化的废物而变。为了提供废物的支撑床和能使渣流动和输送气体，可采用任选的高含碳原料115，例如焦炭或煤或备选的碳来源。可任选加入蒸汽109，以调节合成气的组成或缓和合成气的温度。如图I所示，将粗合成气流119进料至气体处理系统105，其中从合成气除去杂质，例如颗粒、较重的烃化合物、焦油、HCl、順3、水、汞、H2S、COS、惰性物质、烃和其它杂质，以形成清洁的合成气流121。“清洁的合成气流”是指合成气足够不含杂质用于发电燃烧、用于液体燃料或化学制造、用于氢生产、CO生产和/或用于利用CO和/或H2的应用。具体地，清洁的合成气流121的颗粒含量低于约30 mg/Nm3，或者如果进料至用于发电的燃气轮机， 在约1-30 mg/Nm3之间。清洁的合成气的总硫含量也应低于约lOOppm，或者如果用于发电，低于约lOppm，或者如果用于下游催化过程，低于约I ppm。清洁的合成气流121可为用于发电的清洁的合成气流，将其进料至发电系统107，其中合成气燃烧或另外用于发电。在其它实施方案中，发电系统107可用化学或液体燃料制造方法代替,例如Fischer-Tropsch方法，氢分离单元或一系列单元以生产清洁的氢，CO分离单元或一系列单元以生产CO，或者将合成气用于化学合成的其它单元或装置或利用CO和/或比的其它方法。图2显示用于从粗合成气流119除去杂质的气体处理系统105的示意图。将来自等离子体气化器103的装载颗粒的粗合成气流119在淬灭子系统201中冷却。在高温(例如1500-2200 °F )下将热的合成气提供给淬灭子系统，并在较低的温度下与水接触，例如在环境温度和在大气压下与水接触。粗合成气流119包括高颗粒载荷。特别是，由废物的等离子体气化形成的粗合成气流119可含有至多约50，000 mg/Nm3或约10，000-50, 000 mg/Nm3颗粒或约10,000 mg/Nm3-30, 000 mg/Nm3。在淬灭子系统中可进行干或湿淬灭。如图2所示，通过使粗合成气流119与淬灭液体流203接触，完成湿淬灭，淬灭液体流203可包括水，但是也可使用其它溶剂。在环境温度和大气压下淬灭液体流203可包括水。在任何适当的洗涤设备中可进行该过程，并且取决于淬灭液体流203输入的量，可显著降低气体温度。例如，进入淬灭子系统201的粗合成气流119可在约1500-2200 0F (816-1204°C )温度。经淬灭的合成气流207可在低于约212 0F (100°C )或约 150 0F (660C )_ 约 200 0F (93°C )或约 170 0F (77°C )-约 200 0F (93°C )温度。一部分较重的烃化合物和/或焦油、颗粒(包含木炭、灰和/或未转化的燃料)，如果存在于气体流中，也以固态/液态在淬灭流出物流205中被除去。淬灭流出物流205可再循环至淬灭液体流203和/或可使用过量的水冲洗和处置。合成气离开淬灭步骤的温度取决于淬灭方法和操作条件。输出温度可在100 0F (380C )-212 0F (100°C )之间。在本公开的一个实施方案中，使用高体积的水进行湿淬灭(例如4-7 m3/h，相对于1000 NmVh的合成气)以允许快速冷却。当过程温度在约250°C (482 °F )-约350°C (662 °F )范围时，在氧存在下，当碳为颗粒形式，并且当所有这些以提供足以产生二噁英和/或呋喃的条件的足够的停留时间下存在时，可发生二噁英和呋喃形成。在受控温度(例如低于250°C (482 T )的温度)下，在防止二噁英/呋喃形成的停留时间和受控氧含量下，可进行湿淬灭。在本公开的另一个实施方案中，干淬灭代替或补充湿淬灭方法。通过在受控温度下水的蒸发冷却，可进行干淬灭。在本公开的另一个实施方案中，经淬灭的合成气流207可再循环，以与粗合成气流119热交换，以降低合成气流119的气体温度。在另一实施方案中，可将蒸汽与粗合成气流119混合，以降低合成气流的气体温度。在涉及利用活性炭床/催化剂的进一步过程之前，期望除去HCl和NH3，因为HCl和NH3可引起碳床和/或催化剂的污染。如图2所示，将经淬灭的合成气流207提供给共同洗涤子系统209，以同时去除或共同洗涤HCl和NH3。经淬灭的合成气流207含有约1000-约3000 ppm 或约 1000-5000 ppm HCl 和约 1000-约 3000 ppm 或约 1000-5000 ppm NH3,这些量高于在合成气中通常观察到的。在一些实施方案中，可加入酸性(例如HCl)或碱性(例如NaOH)溶液，以洗涤液体211来控制pH。在一些实施方案中，在该步 骤中，来自下游冷却器的冷凝物的过程水可用作至少一部分洗涤液体211。根据本公开的实施方案的粗合成气流119可包括NH3和HC1，其浓度可同时除去。在不存在任何外部酸或碱添加下，NH3去除的量强烈取决于HCl与NH3的比率。在不存在NH3下可发生HCl去除，而完全NH3去除需要HCl的存在。在一个实施方案中，HCl和NH3的浓度以类似或实质类似的浓度存在。共同洗涤子系统209同时从经淬灭的合成气流207除去HCl和NH3。在已知用于提供洗涤的洗涤设备中进行共同洗涤，例如文丘里洗涤器、喷嘴、填充柱或其它合适的容器。洗涤液体211在环境条件下进入洗涤器，例如在顶部，并与经淬灭的合成气流 207 在约 100 0F (380C )-约 212 0F (100°C )或 170 0F (77°C )-约 200 0F (93°C )温度下混合。接触导致去除HCl和NH3作为离子进入溶液，如以下方程式1-2所示，并且作为洗涤器流出物213除去。一部分洗涤器流出物213可再循环，与洗涤液体211合并，并返回加入到共同洗涤子系统。还可发生导致其它离子物类的最小浓度的副反应。关注的副反应为形成氯化铵盐，如在方程式3中所述。NH3 (g) + H2O(I) 4—NH4+(aq) + OH (aq)方程式 I HCl (g) + H2O(I) 4,~￥ 2H+ (aq) + Cl (aq) + OH (aq) 方程式 2 NH4+(aq) + Cl (aq) 4—NH4Cl (s) 方程式 3。使用本公开的一个实施方案,NHjPHCl以可比的浓度共存允许完全或接近完全去除NH3,因此，在这种情况下，预期约95-99%去除HCl和至多约90%去除NH3。由于NH4Cl颗粒通常小且难以滤除，还期望提供使产生的NH4Cl的量最小化的工艺条件。例如，淬灭后粗合成气流207温度为约100 0F (380C )-约200 0F (93°C )，添加过量的新鲜水，例如每1000NmVh合成气约4-约7 m3/hr水，将方程式3的该反应相关的平衡转移至左边，导致很少或不形成NH4Cl。然而，任何剩余的NH4Cl，如果有的话，将在颗粒去除子系统除去，例如下游的湿ESP单元。在一个实施方案中，在共同洗涤子系统209中共同洗涤NH3和HCl之后，可包括任选的直接接触冷却器217，用于进一步去除NH3、HC1和颗粒。使用洗涤后水流219或其它液体(例如但不限于溶剂)可完成该冷却，并且形成可包括在共同洗涤后可剩余的NH3、HC1和颗粒的洗涤后流出物221。一部分流出物221可再循环，与液体流219合并，并返回加入到直接接触冷却器。
在另一个实施方案中，共同洗涤子系统209或直接接触冷却器217可将经洗涤的合成气流215提供给任选的碱性洗涤子系统。在碱性洗涤子系统中，碱性材料(例如NaOH或其它碱性试剂)与经洗涤的合成气流215接触，以调节系统的pH。酸也可用于清洁过程以调节pH。经洗涤的合成气流215离开共同洗涤子系统209、直接接触冷却器217或碱性洗涤子系统，在约70°F (21°C)_约150°F (66 °C )温度下，实质不含氨和HCl (例如，包含低于约500 ppm氨和/或HCl)。然而，经洗涤的合成气流215含有显著浓度的颗粒。经洗涤的合成气流215的颗粒含量取决于所用的淬灭和洗涤方法和操作条件。输入粗合成气流207的粒径分布也是在经洗涤的合成气流215中的颗粒浓度的一个因素。例如，在向另外的颗粒去除子系统225的输入中，约500-2000 mg/Nm3的颗粒可存在于经洗涤的合成气流215中。将经洗涤的合成气流215提供给流体移动装置223 (例如鼓风机)，其中将经洗涤的合成气流215提供给另外的颗粒去除子系统225 (参见图2)。颗粒物质可通过若干方法除去，包括依赖静电力的那些。一种方法包括使用静电沉淀器的湿静电沉淀，其使用静电电荷的力来除去颗粒。另外的颗粒去除子系统225可包括使用任选的另外的颗粒去除的颗粒·湿静电去除，例如下游集尘室、过滤器和/或湿或干洗涤组件。在一个实施方案中，经洗涤的合成气流215稍微加压超过大气条件(例如，约2-3 psig的压力)，使用流体移动装置223，并且送至湿静电沉淀器(WESP或湿ESP)，用于进一步去除颗粒物质。在一个实施方案中，湿ESP使用具有位于中心的电极的垂直圆柱管，所述电极具有水喷雾以从收集表面清洁已收集的颗粒，收集表面可包括板或管。已收集的水和颗粒形成湿膜-浆料227，可对其进行处置。在一个实施方案中，在流体移动装置223之前和之后二者，可发生经由静电力去除颗粒。在粗合成气流119中具有低颗粒含量的某些情况下，另外的颗粒去除子系统225可先于氨-HCl去除步骤，如图5所示。将在湿ESP的出口处的降低的流229稍微加压，并且可具有低于约50 mg/Nm3或低于约25 mg/Nm3或低于约10 mg/Nm3或低于约3 mg/Nm3的颗粒含量。在其中将清洁的合成气流121进料至用于发电的燃气轮机的某些实施方案中，输出颗粒含量优选为1-30 mg/Nm3，或更优选为1_3 mg/Nm3。颗粒降低的流229可含有汞和COS和H2S形式的硫作为需要去除的杂质。将颗粒降低的流229提供给任选的汞去除子系统231 (参见图2)。在一个实施方案中，汞去除子系统231包括活性炭床。在另一个实施方案中，汞去除子系统231包括具有粒状活性炭的活性炭床，其可被化合物(例如但不限于与汞起化学反应的硫)浸溃。在某些实施方案中，通常将碳床加压，以提高容量。可将床加压至约110-150 psig或约110-250 psig或至多约350 psig。在另一个实施方案中，在低于约158 °F的温度和低于约60%的相对湿度下进行汞吸附，以进一步提高容量。通过条件翻转，可进行碳床的再生。由于硫在汞降低的流233中，硫主要以H2S和COS的形式存在于颗粒降低的流229中。例如，一种示例性汞降低的流233可含有约500-2000 ppm的提供给硫去除子系统235的硫。在一个实施方案中，汞降低的流233可包括约I-约20%以COS的形式存在的硫，而余量的流作为H2S存在。将汞降低的流233提供给硫去除子系统235 (参见图2)。在硫去除子系统235中提供的一种示例性硫去除方法包括将COS水解为H2S和H2S去除。COS水解反应示于以下方程式4。该反应可在水解催化剂(例如活化氧化铝)的表面上发生。在一些情况下，COS水解优先于氯化物保护床，例如填充的碳床，以降低或防止水解催化剂的污染。COS (g) + H2O (g) ^ CO2 (g) + H2S (g)方程式 4。第二步骤包括通过铁螯合物方法去除H2S,其中使用多种气体-液体接触器(例如喷嘴、填充床洗涤器或用于气体-液体接触的其它已知的容器装置)，使携带H2S的气体流(即，在图2中汞降低的流233)与乙二胺四乙酸的稀释的、水性、温和碱性、反应性铁螯合物溶液(EDTA螯合物)接触。H2S氧化为元素硫，其沉淀并连续除去。得自氧化还原反应的亚铁螯合物同时通过氧化而再生。该反应示于方程式5-6，而再生反应示于方程式7-8。H2S (g) 4,~ H2S (aq)方程式 5
H2S (aq) +2Fe3+ 螯合物 — S (s) +2H+ +2Fe2+ 螯合物方程式 6
O2 (g) 4-> O2 (aq)方程式 7
O2 (aq) + 4Fe + 螯合物 +2H20 — 4Fe3+螯合物 + 40H方程式 8。图6-8显示根据本公开的实施方案的硫去除子系统的各种实施方案。图6显示硫去除子系统235，其中COS水解先于H2S去除，以在H2S去除之前，将大多数或所有的COS转化为H2S。如图6所示，将汞降低的合成气流233提供给氯化物保护床501。氯化物保护床501除去存在于合成气中的剩余的氯化物。氯化物保护床501可为活性炭床。将来自氯化物保护床的合成气提供给COS水解反应器503，其中将COS转化为H2S。随后将来自COS水解反应器503的合成气提供给H2S去除反应器505。通过提供铁螯合物507，H2S去除反应器505从合成气除去H2S,所述铁螯合物507根据以上显示的方程式6与合成气中的H2S接触并反应。来自H2S去除反应器505的流出物509可包括硫和亚铁螯合物。可将离开H2S去除反应器505的合成气提供给H2S吸着剂床(例如铜或锌氧化物或氢氧化物)。可使用含有与H2S吸着剂串联的水解催化剂的合并的填充床。离开H2S吸着剂床的合成气为适于发电、燃料或化学制造、氢生产或利用CO和/或H2的其它应用的清洁的合成气流121。图7显示硫去除子系统235，其中在COS水解之前进行H2S去除。使用铁螯合物方法完成COS水解和去除其中产生的H2S。如图6所示，将汞降低的合成气流233提供给H2S去除反应器505。通过提供铁螯合物507，H2S去除反应器505从合成气除去H2S,所述铁螯合物507根据以上显示的方程式6与合成气中的H2S接触并反应。来自H2S去除反应器505的流出物509可包括硫和亚铁螯合物。可将离开H2S去除反应器505的合成气提供给氯化物保护床501。将来自氯化物保护床501的合成气提供给COS水解反应器503，其中将COS转化为H2S。随后将来自COS水解反应器503的合成气提供给H2S吸着剂床，以吸收在合成气中剩余的H2S。离开H2S吸着剂床601的合成气为适于发电、燃料或化学制造、氢生产或利用CO和/或H2的其它应用的清洁的合成气流121。该实施方案的一个优点在于其能够更好地将COS转化为H2S,因此能够更好地去除硫。图8显示硫去除子系统235，其中在COS水解之前进行H2S去除。在含有H2S吸着剂和COS水解催化剂的混合填充床中完成COS水解和去除其中产生的H2S。如图8所示，将汞降低的合成气流233提供给H2S去除反应器505。通过提供铁螯合物507，H2S去除反应器505从合成气除去H2S,所述铁螯合物507根据以上显示的方程式6与合成气中的H2S接触并反应。来自H2S去除反应器505的流出物509可包括硫和亚铁螯合物。可将离开H2S去除反应器505的合成气提供给氯化物保护床501。将来自氯化物保护床501的合成气提供给含有H2S吸着剂和COS水解催化剂的混合填充床601。混合填充床601进行COS水解为H2S并除去H2S。离开混合填充床601的合成气为适于发电、燃料或化学制造、氢生产或利用CO和/或H2的其它应用的清洁的合成气流121。该系统的一个优点在于其能够减少单元操作，从而潜在地降低成本。如图2所示，将所得到的清洁的合成气流121提供给发电系统107以发电。虽然任何合适的淬灭设备可在粗合成气流淬灭子系统201中用于淬灭，示于图3的一个实施方案包括其中单一子系统301 (例如双文丘里洗涤器容器)用于该系统和方法的实施方案。当双文丘里洗涤器容器为单一子系统301时，在第一文丘里洗涤器中进行淬灭步骤，同时进一步冷却，共同去除氨和HCl (这一点以上更详细地描述)，以及进一步去除颗粒在第二文丘里洗涤器中进行。在该实施方案中，将粗合成气流119通过文丘里洗涤器，其中存在单一过程，其包括使淬灭水203与粗合成气流119接触以冷却粗合成气流119，从粗合成气流119除去颗粒和从粗合成气流119同时除去氨和HCl以形成流出物205。通过使用单一子系统301，提高从粗合成气流119的焦油去除。通过使用单一子系统301，提供充分的焦油去除，使得用于淬灭、共同洗涤和/或颗粒去除的容器由于焦油形成造成的阻塞降低或消除。经洗涤的合成气流215离开单一子系统301，并且具有至多约10，000 mg/Nm3或500-10，000 mg/Nm3或500-2000 mg/Nm3的颗粒含量。在一个实施方案中，在NH3和HCl共同洗涤之后，可包括任选的直接接触冷却器217，用于进一步去除NH3、HCl和颗粒。可使·用洗涤后水流219或其它液体(例如但不限于溶剂)完成该冷却，并形成可包括在共同洗涤后可剩余的NH3、HC1和颗粒的洗涤后流出物221。如图3所示，将经洗涤的合成气流215提供给流体移动装置223，其中将流体加压，随后提供给另外的颗粒去除子系统225。另外的颗粒去除子系统225包括如上关于图2所述的组件并按其所述的方式操作。将颗粒降低的流229提供给其中除去汞的汞去除子系统231。汞去除子系统231包括如上关于图2所述的组件并按其所述的方式操作。如图3所示，将来自汞去除子系统231的汞降低的合成气233提供给硫去除子系统235，其中将硫除去以形成清洁的合成气流121。硫去除子系统235包括如上关于图2所述的组件并按其所述的方式操作。如图3所示，将所得到的清洁的合成气流121提供给发电系统107以发电。现在参考图4，图4说明另一个实施方案，其中使用另外的沉淀子系统，经由静电沉淀，进行从经洗涤的合成气流215的颗粒去除，进一步处理颗粒降低的流229的顺序改变，以提供最优汞和硫去除。图4包括其中单一子系统301 (例如双文丘里洗涤器容器)用于该系统和方法的实施方案。当双文丘里洗漆器容器为单一子系统301时,在第一文丘洗涤器里中进行淬灭步骤，同时进一步冷却，共同去除氨和HCl (这一点以上更详细地描述)以及进一步去除颗粒在第二文丘里洗涤器中进行。在该实施方案中，将粗合成气流119通过文丘里洗涤器，其中存在单一过程，其包括使淬灭水203与粗合成气流119接触以冷却粗合成气流119，从粗合成气流119除去颗粒和从粗合成气流119同时除去氨和HCl以形成流出物205。通过使用单一子系统301，提高从粗合成气流119的焦油去除。通过使用单一子系统301，提供充分的焦油去除，使得用于淬灭、共同洗涤和/或颗粒去除的容器由于焦油形成造成的阻塞降低或消除。经洗涤的合成气流215离开单一子系统301，并且具有至多约 10，000 mg/Nm3 或 500-10，000 mg/Nm3 或 500-2000 mg/Nm3 的颗粒含量。在一个实施方案中，在NH3和HCl共同洗涤之后，可包括任选的直接接触冷却器217，用于进一步去除NH3、HCl和颗粒。可使用洗涤后水流219或其它液体(例如但不限于溶剂)完成该冷却，并形成可包括在共同洗涤后可剩余的NH3、HC1和颗粒的洗涤后流出物221。如图4所示，将经洗涤的合成气流215提供给流体移动装置223，其中将流体加压，随后提供给另外的颗粒去除子系统225。颗粒去除子系统225包括如上关于图3所述的组件并按其所述的方式操作，并且可为任何静电沉淀装置。将颗粒降低的流229提供给羰基硫化物(COS)水解反应器503，以得到水解的合成气流141。随后将该水解的流141提供给汞去除系统231，以得到降低汞的合成气流131。随后将该降低的汞合成气流131提供给硫去除系统505，以得到所得到的清洁的合成气流121。如图4所示，将所得到的清洁的合成气流提供给发电系统107以发电。在其中粗合成气流包括较低颗粒含量的另一个实施方案中，在另外的颗粒去除子系统225之后，可进行氨-HCl共同洗涤，以允许上游去除颗粒，以能够更好地处理气体流。该实施方案已示于图5。该系统在氨和HCl共同去除之后可包括精制过滤器，以消除存在的 任何痕量的氯化铵。示于图5的气体处理系统105包括和图2相同的等离子体气化器系统103和淬灭子系统201的排列。将经淬灭的合成气流207提供给流体移动装置223，其中将流体加压，随后提供给另外的颗粒去除子系统225。另外的颗粒去除子系统225包括如上关于图2所述的组件并按其所述的方式操作。将颗粒降低的流229提供给共同洗涤子系统209。共同洗涤子系统209包括如上关于图2所述的组件并按其所述的方式操作。将经洗涤的合成气流215提供给过滤器401，以除去颗粒403，包括但不限于NH4Cl。将来自过滤器401的经洗涤的合成气流215提供给任选的洗涤后直接子系统217。洗涤后子系统217包括如上关于图2所述的组件并按其所述的方式操作。如图5所示，将来自任选的直接接触冷却器洗涤后子系统217的合成气提供给其中除去汞的任选的汞去除子系统231。任选的汞去除子系统231包括如上关于图2所述的组件并按其所述的方式操作。如图5所示，将来自汞去除子系统231的汞降低的合成气233提供给其中除去硫的硫去除子系统235，以形成清洁的合成气流121。硫去除子系统235包括如上关于图2所述的组件并按其所述的方式操作。如图5所示，将所得到的清洁的合成气流121提供给发电系统107以发电。虽然任何合适的装置和设备可用于进行本发明的方法或构建本发明的系统，前述实施例包括市售可得的组件。这些组件的具体实施例包括由TurboSonic或Lundberg提供的湿静电沉淀器以及得自Calgon的用于汞去除的活性炭。提供以下实施例来说明本发明的某些实施方案，但不限制其所附权利要求的范围。
实施例实施例I
在1800 °F (982°C)温度和O psig压力下，将具有40，000 mg/Nm3的颗粒的粗合成气流以65，000 NmVhr输入至合成气净化顺序中。将粗合成气流进料至双文丘里洗涤器，其中使用290-445 τα/hr的水将气体冷却至150-200 0F (66-93°C )。同时将显著部分的颗粒、NH3和HCl除去。通过在双文丘里洗涤器中以快的淬灭速率使用大量的水，增强焦油去除。
在双文丘里洗涤器中的颗粒去除可为50-90%，这取决于粒径分布。在该实施例中，经淬灭的合成气流的颗粒浓度为约10,000 mg/Nm3O气体通过直接接触冷却器，其中将气体进一步冷却至约110 T (430C )，除去颗粒，并且进一步除去HCl和順3。由通过双文丘里洗涤器和直接接触冷却器，除去90-99%的输入3000 ppm NH3和95-99%的输入3000 ppm HCl。湿ESP或另外的颗粒去除子系统从合成气除去剩余的颗粒，并且离开的合成气具有约1-30mg/Nm3颗粒。在浸溃硫的活性炭床上实质除去汞，接着是COS水解反应器(其中将90-95%的COS水解为H2S)和H2S去除系统(其中通过铁螯合物方法将95-99%的H2S除去)。随后将清洁的合成气流在燃气轮机中燃烧，接着是与HRSG偶联的蒸汽轮机(联合循环操作)。清洁的合成气流含有低于50 mg/Nm3或1-30 mg/Nm3或1-3 mg/Nm3颗粒,30-150 ppm HCl,30-300 ppm NH3, 50-250 ppm H2S, 25-50 ppm COS 和 0-10 ppm 萊。实施例2在1800 °F (982°C)温度和O psig压力下，将具有40，000 mg/Nm3的颗粒的粗合成气流以65，000 NmVhr输入至合成气净化顺序中。将粗合成气进料至双文丘里洗涤器，其中使用290-445 m3/hr的水将气体冷却至150-200 0F (66-93°C )。同时将显著部分的颗粒、NH3和HCl除去。通过在文丘里洗涤器中以快的淬灭速率使用大量的水，增强焦油去除。在双文丘里洗涤器中的颗粒去除可为50-90%，这取决于粒径分布。在该实施例中，经淬灭的合成气流的颗粒浓度为约10,000 mg/Nm3O气体通过直接接触冷却器，其中将气体进一步冷却至约110 T (430C )，除去颗粒，并且进一步除去HCl和順3。由通过双文丘里洗涤器和直接接触冷却器，除去90%的输入1000 ppm NH3和95-99%的输入3000 ppm HCl。湿ESP从合成气除去剩余的颗粒,并且离开的合成气具有约1-30 mg/Nm3颗粒。在浸溃硫的活性炭床上实质除去汞，接着是COS水解反应器(其中将90-95%的COS水解为H2S)和H2S去除系统(其中通过铁螯合物方法将95-99%的H2S除去)。随后将清洁的合成气流在燃气轮机中燃烧，接着是与HRSG偶联的蒸汽轮机(联合循环操作)。清洁的合成气流含有低于50mg/Nm3 或 1-30 mg/Nm3 或 1-3 mg/Nm3 颗粒，30-150 ppm HCl, 100 ppm NH3, 50-250 ppm H2S,25-50 ppm COS 和 0-10 ppm 汞。比较实施例
在1800 °F温度和O psig压力下，将具有40，000 mg/Nm3的颗粒的粗合成气流以65，000NmVhr输入至合成气净化顺序中。将粗合成气进料至双文丘里洗涤器，其中使用290-445m3/hr的水将气体冷却至150-200 0F (66-93°C )。同时将显著部分的颗粒、NH3和HCl除去。通过在文丘里洗涤器中以快的淬灭速率使用大量的水，增强焦油去除。在双文丘里洗涤器中的颗粒去除可为50-90%，这取决于粒径分布。在该实施例中，经淬灭的合成气流的颗粒浓度为约10,000 mg/Nm3O气体通过直接接触冷却器，其中将气体进一步冷却至约110 T (430C )，除去颗粒，并且进一步除去HCl和順3。由通过双文丘里洗涤器和直接接触冷却器，除去50%的输入3000 ppm NH3和95-99%的输入1000 ppm HCl。湿ESP从合成气除去剩余的颗粒,并且离开的合成气具有约1-30 mg/Nm3颗粒。在浸溃硫的活性炭床上实质除去汞，接着是COS水解反应器(其中将90-95%的COS水解为H2S)和H2S去除系统(其中通过铁螯合物方法将95-99%的H2S除去)。随后将清洁的合成气流在燃气轮机中燃烧，接着是与HRSG偶联的蒸汽轮机(联合循环操作)。清洁的合成气流含有低于50mg/Nm3 或 1-30 mg/Nm3 或 1-3 mg/Nm3 颗粒，30-150 ppm HCl, 150 ppm NH3, 50-250 ppm H2S,25-50 ppm COS 和 0-10 ppm 汞。实施例3
在1800 °F (982°C)温度和O psig压力下，将具有25，000 mg/Nm3的颗粒的粗合成气流以65，000 NmVhr输入至合成气净化顺序中。将粗合成气流进料至双文丘里洗涤器，其中使用290-445 τα/hr的水将气体冷却至150-200 0F (66-93°C )。同时将显著部分的颗粒、NH3和HCl除去。通过在双文丘里洗涤器中以快的淬灭速率使用大量的水，增强焦油去除。在双文丘里洗涤器中的颗粒去除可为50-90%，这取决于粒径分布。在该实施例中，经淬灭的合成气流的颗粒浓度为约2,000 mg/Nm3ο气体通过直接接触冷却器，其中将气体进一步冷却至约110 T (43°C)，除去颗粒，并且进一步除去HCl和順3。由通过双文丘里洗涤器和直接接触冷却器，除去90-99%的输入3000 ppm NH3和95-99%的输入3000 ppm HCl。湿ESP从合成气除去剩余的颗粒,并且离开的合成气具有约1-30 mg/Nm3颗粒。在浸溃硫的 活性炭床上实质除去汞，接着是COS水解反应器(其中将90-95%的COS水解为H2S)和H2S去除系统(其中通过铁螯合物方法将95-99%的H2S除去)。随后将清洁的合成气流在燃气轮机中燃烧，接着是与HRSG偶联的蒸汽轮机(联合循环操作)。清洁的合成气流含有低于50mg/Nm3 或 1-30 mg/Nm3 或 1-3 mg/Nm3 颗粒，30-150 ppm HCl, 30-300 ppm NH3, 50-250 ppmH2S, 25-50 ppm COS 和 0-10 ppm 汞。虽然已参考某些方面或实施方案描述了本发明，但是本领域技术人员将理解的是，在不偏离本发明的范围的情况下，可进行各种变化，并且等价物可替代其要素。此外，在不偏离本发明的基本范围的情况下，可进行许多修改，以使具体的情况或材料适应本发明的教导。因此，旨在本发明不局限于作为实施本发明预期的最佳方式而公开的具体的实施方案，而是本发明包括落入所附权利要求范围内的所有实施方案。
权利要求
1.一种用于处理合成气流的方法，所述方法包括 使用液体流淬灭粗合成气流，以冷却合成气流和除去至少一种选自颗粒、焦油、其它重质烃化合物和它们的组合的成员； 共同洗涤合成气流，以从合成气流除去HCl和NH3 二者； 从合成气流除去另外的颗粒物质；和 从合成气流除去硫，以形成清洁的合成气流。
2.权利要求I的方法，所述方法还包括将清洁的合成气流提供给至少一种选自以下的系统发电系统、液体燃料或化学制造系统、氢生产系统和它们的组合。
3.权利要求I的方法，其中所述清洁的合成气流为用于电力的清洁的合成气流。
4.权利要求I的方法，其中所述粗合成气流为含有包含至少一种选自以下的成员的废物的气化的废物MSW、商业和工业废物、垃圾衍生的燃料(RDF)、建筑和拆除废物、危险废物、油废物、污水废物和它们的组合。
5.权利要求I的方法，其中所述共同洗涤包括使合成气流与水接触。
6.权利要求I的方法，其中单一过程包括使水与粗合成气流接触，以冷却粗合成气流，从粗合成气流除去颗粒和从粗合成气流同时除去氨和HC1。
7.权利要求I的方法，其中除去硫包括使合成气流中的COS反应，以将COS转化为H2S。
8.权利要求I的方法，其中除去硫包括使合成气流中的H2S与铁螯合物反应。
9.权利要求I的方法，其中除去硫包括使合成气与COS水解催化剂和H2S吸着剂接触。
10.权利要求I的方法，其中所述除去另外的颗粒物质包括依赖静电力。
11.权利要求I的方法，所述方法还包括在除去颗粒物质之后从合成气流除去汞。
12.一种用于净化起源于废物气化的具有宽泛变化的组成和颗粒载荷的粗合成气流的方法，所述方法包括 提供来自废物气化系统的粗合成气流； 使用液体流淬灭粗合成气流，以冷却合成气流和除去至少一种选自颗粒、焦油、其它重质烃化合物和它们的组合的成员； 共同洗涤合成气流，以从合成气流除去HCl和NH3 二者； 从合成气流除去另外的颗粒物质；和 从合成气流除去硫，以形成清洁的合成气流。
13.权利要求12的方法，所述方法还包括将清洁的合成气流提供给选自以下的系统发电系统、液体燃料或化学制造系统、氢生产系统、CO生产系统、气态燃料生产系统、替代NG生产系统、燃料电池系统和它们的组合。
14.权利要求12的方法，其中所述粗合成气流为含有选自以下的废物的气化的废物M SW、商业和工业废物、垃圾衍生的燃料(RDF)、建筑和拆除废物、危险废物、油废物、污水废物和它们的组合。
15.权利要求12的方法，其中所述共同洗涤包括使合成气流与水接触，水可经pH调节。
16.权利要求12的方法，其中除去硫包括使合成气流中的COS反应，以将COS转化为H2S。
17.权利要求12的方法，其中除去硫包括使合成气流中的H2S与铁螯合物反应。
18.权利要求12的方法，其中除去硫包括使合成气与COS水解催化剂和H2S吸收剂接触。
19.权利要求12的方法，其中所述除去另外的颗粒物质包括依赖静电力的方法。
20.权利要求12的方法，所述方法还包括在除去颗粒物质之后从合成气流除去汞。
21.权利要求12的方法，其中淬灭粗合成气流、共同洗涤合成气流和从合成气流除去颗粒为单一过程。
22.—种合成气流处理系统，所述系统包含 用于淬灭合成气流合成气的合成气流淬灭子系统； 用于从合成气除去HCl和NH3的共同洗涤子系统； 用于从合成气除去颗粒的颗粒去除子系统； 用于从合成气除去硫的硫去除子系统；和 其中所述合成气流淬灭子系统、共同洗涤子系统、颗粒去除子系统、硫去除子系统和任选的汞去除系统可操作地排列以从粗合成气流除去HC1、NH3、颗粒、硫和汞，以形成清洁的合成气流。
23.权利要求22的系统，所述系统还包含选自以下的合成气-进料系统发电系统、液体燃料或化学制造系统、氢生产系统、CO生产和它们的组合。
24.权利要求22的系统，其中所述粗合成气流为含有选自以下的废物的气化的废物MSW、商业和工业废物、垃圾衍生的燃料(RDF)、建筑和拆除废物、危险废物、油废物、污水废物和它们的组合。
25.权利要求22的系统，其中所述共同洗涤子系统包括用于使合成气与水接触的容器，水可经pH调节。
26.权利要求22的系统，其中所述硫去除系统包括COS水解反应器。
27.权利要求22的系统，其中所述硫去除系统包括设置用于使合成气流与铁螯合物接触的H2S反应器。
28.权利要求22的系统，其中所述另外的颗粒去除子系统包括依赖静电力的系统。
29.权利要求22的系统，其中所述粗合成气流淬灭子系统、共同洗涤子系统和颗粒去除子系统为单一组件。
全文摘要
一种用于净化具有宽泛变化的组成和颗粒载荷的粗合成气流的方法。所述方法包括使用液体流淬灭粗合成气流，以冷却合成气流和除去颗粒、焦油和较重的烃化合物。所述方法还包括共同洗涤合成气流，以从合成气流除去HCl和NH3二者，从合成气流除去颗粒物质以及从合成气流除去硫。还公开了一种合成气处理系统。
文档编号B01D53/02GK102892480SQ201180025720
公开日2013年1月23日 申请日期2011年5月24日 优先权日2010年5月24日
发明者G.克里什纳墨菲, C.R.希顿三世, C.P.克雷茨, C.R.加格利亚迪, K.M.杜菲, K-K.苏 申请人:气体产品与化学公司