用于酸气去除中h2s浓缩的方法和构造的制作方法

用于酸气去除中h2s浓缩的方法和构造的制作方法
【专利摘要】以具有两个物理溶剂闪蒸步骤的结构来构造合成气处理装置，根据需要由Claus装置将酸气富集达到至少40mol%或更高的H2S，以及将CO2闪蒸并再循环回到合成气进料中，从合成气中去除含硫化合物。预期的方法和构造有利地将硫去除至低于10ppmv，同时在高压操作下增加H2S选择性，由此允许制造适合作为Claus装置进料气的H2S料流。
【专利说明】用于酸气去除中H2S浓缩的方法和构造
[0001]本申请要求2011年8月8日提交的申请序列号为61/521216的美国临时专利的优先权。
发明领域
[0002]本发明的领域为从含H2S和C02的高压合成气中选择性去除酸气H2S。
[0003]发明背景
气化器合成气的化学组成主要取决于特定的气化技术和原料特性。例如，吹氧气化器能产生主要含有H2和CO的浓缩合成气，而吹空气气化器能产生富氮气合成气。当气化原料为石油焦、减压渣油或焦油时，合成气典型地将具有相对高的H2S含量。另一方面，当气化原料为煤炭时，合成气中的硫含量可能显著变化，因为褐煤和棕煤通常将产生低硫合成气，浙青煤典型地将产生高硫合成气。
[0004]不考虑特殊原料，气化装置合成气通常将主要含有H2，接下来是C02、CO和H2S。当需要碳捕获时，可以提供一个或多个CO转换反应器，以将CO转化为H2和C02，由此产生C02含量相对高，典型地大于40 mol%的合成气。在大多数情况下，合成气中的H2S含量为
0.05至超过0.1 mol% (取决于原料)。因此，合成气中的C02对H2S摩尔比率非常高(例如大于100)，这具有相当大的脱硫问题，其依赖于下游Claus装置。例如，甚至当酸气去除设备使用H2S选择性溶剂时，该溶剂将共吸收相当大量的C02，和因此在几乎所有情况下都不能产生适用于Claus装置的富H2S酸气。
[0005]因为Claus装置为燃烧设备，进料至Claus装置的酸气必须具有至少25 mol%的H2S浓度，以及用于硫转化反应的充足热值。当酸气还含有氨和BTEX (苯，甲苯和二甲苯)组分时，需要甚至更高的H2S浓度。因此，对于集成有Claus装置的大多数IGCC发电厂而言，酸气中的H2S含量必须为至少40 mol%，以保证氨的完全消除。如果酸气中的H2S含量过低，则需要额外的处理步骤，例如补充燃料气体燃烧，预热酸气，以及燃烧空气和富氧。这些额外的处理步骤成本高，并且可能很少是合乎情理的。另外，酸气可以在某些装置构造中借助于可以集成至酸气去除装置的富集工艺浓缩。这种富集装置的实例在Mak等人的美国专利N0.7，635，408中示出。这里，使用若干分馏塔，以及再循环酸气产物以提高酸气含量。虽然这些工艺在低压(例如10 psig)操作下是非常有选择性的，但是它们通常不能在例如气化装置中遇到的那些高压下产生富H2S酸气。将本文讨论的这种和所有其它外部材料全部引入作为参考。当所引入的参考文献中的术语的定义或用途与本文提供的术语的定义不一致或相反时，采用本文提供的术语的定义，不采用参考文献中术语的定义。
[0006]最典型地，合成气在400至900 psig的压力下产生。在这些条件下，与C02相t:匕，对于H2S而言，H2S选择性溶剂，例如DMEPG (聚乙二醇二甲醚(dimethyl ethylenepolyglycol))提供高出约6至8倍的溶解度。但是，这种低选择性几乎总是完全不足以产生适用于Claus装置的酸气产物，特别是当合成气具有高C02对H2S比率时，因为满足硫处理规范所需的溶剂循环必须足够高，这倾向于共吸收大量的C02,随后稀释到达Claus硫处理装置的酸气中的H2S含量。[0007]因此，尽管本领域中已知许多用于从合成气中去除酸气的构造和方法，但是其所有或几乎所有都受各种缺点困扰。因此，仍然需要提供用于酸气去除，特别是用于处理合成气以产生适合作为Claus装置进料的浓缩酸气料流的方法和构造。
[0008]发明概述
本发明的主题涉及合成气处理的各种装置、构造和方法，以产生处理过的合成气和适合作为Claus装置进料的酸气料流。
[0009]在本发明主题的一个方面，用于从合成气源的含H2S和C02合成气中选择性去除H2S的合成气处理装置将包括吸收塔，其接收合成气和贫溶剂，以及产生处理过的(典型地含C02)合成气和包含H2S和C02的富溶剂。闪蒸器与吸收塔连接(coupled)，接收富溶剂，以及产生富集C02的闪蒸气体和包含H2S的闪蒸过的富溶剂。在特别优选的装置中，富集C02的闪蒸气体经由管路输送至吸收塔和/或含H2S和C02合成气。再生器然后用来接收闪蒸过的液体，以及从闪蒸过的富溶剂中产生贫溶剂和富H2S酸气料流。此外通常优选的是第一热交换器使用来自贫溶剂的热量加热富溶剂。
[0010]当需要时，可以使用第二热交换器，其使用来自贫溶剂的热量加热闪蒸过的富溶齐U。预期的装置还将典型地包括压缩机，其接收并压缩富集C02的闪蒸气体直至吸收塔压力(典型地为400 psig至900 psig)。更进一步预期的是该装置可以包括额外的闪蒸步骤，以增加富溶剂中的H2S对C02比率。
[0011]因此，以及从不同的观点考虑，处理(转换或未转换)的含H2S和C02合成气的方法将包括使用贫物理溶剂在合成气压力下在吸收塔中吸收来自合成气的H2S和C02的步骤，以形成处理过的(典型地含C02)合成气和包含H2S和C02的富溶剂。在另一个步骤中，富溶剂在至少一个闪蒸步骤中被加热和闪蒸，产生富集C02的闪蒸气体和包含H2S的闪蒸过的富溶剂。富集C02的闪蒸气体优选再循环至合成气或吸收塔，包含H2S的闪蒸过的富溶剂被再生，以形成贫物理溶剂和富H2S酸气料流。最优选，富H2S酸气料流将具有适用于Claus装置或其它硫回收装置的组成。
[0012]在特别优选的方面,吸收步骤在400psig至900 psig的压力下进行,和/或加热步骤在使用来自贫溶剂的热量的热交换器中进行。另外，应理解富溶剂可以被进一步闪蒸，产生额外的富集C02的闪蒸气体。如上所述，同样预期再循环步骤可以包括压缩富集C02的闪蒸气体的步骤。
[0013]更进一步通常优选的是含H2S和C02的合成气具有至少10:1的C02对H2S摩尔比率，处理过的含C02的合成气具有等于或低于10 ppmv的H2S浓度，和/或处理过的含C02的合成气具有相对于含H2S和C02合成气降低的C02含量。最典型地，富H2S酸气料流具有至少40 mol%的H2S含量，和/或相对于C02，含有更高的H2S摩尔分数。关于闪蒸过的富溶剂，预期当含H2S和C02合成气为转换合成气(shifted syngas)时,该闪蒸过的富溶剂具有等于或低于1.0的C02对H2S摩尔比率，以及当含H2S和C02的合成气为未转换合成气时，该包含H2S的闪蒸过的富溶剂具有等于或低于0.6的C02对H2S摩尔比率。同样，预期当含H2S和C02的合成气为转换合成气时，包含H2S的富溶剂具有等于或低于5.0的C02对H2S摩尔比率，以及当含H2S和C02的合成气为未转换合成气时，该包含H2S的富溶剂具有等于或低于2.0的C02对H2S摩尔比率。
[0014]从以下优选实施方案的详细说明连同附图，本发明主题的各种目的、特征、方面和优点将变得更加显而易见，在附图中类似数字表示类似组件。
[0015]附图简述
图1为根据本发明主题的一个示例性装置构造的示意图。
[0016]图2为如图1描述的装置的替代装置构造的示意图。
[0017]详细描述
本发明主题涉及从合成气中高选择性去除H2S的各种装置构造和方法。在本发明主题的特别优选的方面，H2S选择性溶剂用来从合成气中吸收H2S和共吸收C02以形成富溶剂，然后优选在使用来自H2S汽提塔的热量加热之后在至少两个步骤中从富溶剂中将C02闪蒸。如此闪蒸过的C02然后再循环至未处理的合成气和/或吸收塔，来自H2S汽提塔的富H2S料流进料至Claus装置。使用本文预期的方法和构造，可以获得具有大于40 mol%的H2S的酸气，同时处理过的合成气具有低于10 ppmv的总硫含量。
[0018]在进一步特别优选的方面，热交换器设计为具有非常接近温度(例如20 T或更低)，以增加C02的闪蒸和将汽提塔中的热需求最小化。另外，通常优选的是分离器液体与富溶剂进行热交换，导致富溶剂温度升高，冷却再生的贫溶剂的负荷降低。在本发明的另一个方面，最典型地使用具有再沸器和冷凝器的汽提塔使来自最后闪蒸阶段的富溶剂再生，以产生到达吸收塔的贫溶剂和适用于在Claus装置中直接使用的酸气。关于汽提塔，应理解所有已知的汽提塔/再生器被认为适用于本文。在其它再生器中，合适的再生器包括蒸汽汽提塔，具有蒸汽再沸器的再生器塔，使用惰性汽提气或者处理过的进料气作为汽提介质的汽提塔等等。但是，特别优选的汽提塔为使用蒸汽作为抽提介质和/或使用蒸汽重沸器以在再生器中产生蒸汽的再生器。
[0019]最优选，合成气处于250 psig至约1200 psig,更典型地约400 psig至约900psig的压力下。因此，离开吸收塔的富溶剂将处于高压(基本与吸收塔压力相同的压力)，随后压力下降，并优选在两个步骤中被加热至约230 T至约280 °F的温度，产生具有高C02含量的闪蒸气体，其再循环至未处理的合成气和/或吸收塔，而闪蒸过的富溶剂中的H2S含量被富集(相对于C02含量)。闪蒸过的富溶剂然后在汽提塔中再生，产生具有大于40%，优选大于50%，最优选大于60%的H2S的酸气，以及用于H2S吸收的贫溶剂。除非上下文相反指示，否则本文阐述的所有范围都应解释为包含其端点，并且开放范围应解释为包括商业上实用的值。类似地，所有数值列表应被认为是包含中间值，除非上下文相反指示。
[0020]图1中描述根据本发明主题的酸气去除装置的一个示例性构造。这里，来自气化装置的合成气料流I含有约19 mol%的C02和1.5 mol%的H2S，在约800 psig下工作，与再循环气体料流2混合并进料至吸收塔51中，在其中H2S和C02在约32 °F下被贫溶剂吸收。需要约2800 GPM的贫溶剂来处理330 MMscfd的合成气，产生具有低于10 ppmv总硫量的处理过的气体料流3和富溶剂塔底料流4。酸气吸收的热量使塔底温度升高至约65 0F。如本文使用的，当和数值一起使用时，术语“约”表示小于或等于数值的10%的绝对偏差，除非另有说明。因此，例如，术语“约10 mol%”包括9 mol% (包括该值)至11 mol% (包括该值)。
[0021]料流4在JT阀52中压力下降至约600 psig，形成料流5，料流5在交换器53中通过贫溶剂27被加热至约240 成料流6，以及被闪蒸至中压分离器54，产生闪蒸过的气体料流9和闪蒸过的液体料流8。约240 T下的闪蒸过的气体9与来自LP压缩机72的料流31合并形成料流32，其由交换器55冷却并在分离器56中分离，产生闪蒸过的蒸汽料流10和冷凝料流11。冷凝料流在JT阀59中压力下降，与来自低压分离器63的冷凝料流18混合形成最终进料至汽提塔64的合并料流19。
[0022]闪蒸过的液体料流8经由JT阀57压力下降至约60至120 psig,形成料流12,料流12在交换器58中通过贫溶剂25被加热至约240 T至270 °F，形成料流13并被闪蒸至低压分离器60，产生闪蒸过的气体料流15和闪蒸过的液体料流16。约240 T至270 T的闪蒸过的气体15由交换器62冷却并在分离器63中分离，产生闪蒸过的蒸汽料流17和冷凝料流18。冷凝料流18与中压冷凝液合并到达汽提塔，同时闪蒸过的蒸汽由压缩机72压缩，形成料流31并与闪蒸过的蒸汽料流9合并，最终由压缩机73压缩，由冷却器75冷却，并作为再循环料流2再循环回到进料区。
[0023]闪蒸过的液体料流16经由JT阀61压力下降至约40 psig,形成料流20并进料至汽提塔64的上部区。汽提塔产生塔顶料流21，其在冷却器65中冷却并在回流罐66中分离，产生具有Claus装置所需的最低40 mol%的H2S含量的酸气22，以及由泵67以回流形式泵送至汽提塔的水冷凝料流23。溶剂由汽提塔再沸器68加热，产生约270 T至310 T的贫溶剂24，以及由泵69泵送至约100 psig到达交换器58。冷却的溶剂料流26进一步由泵70泵送形成料流27，其由交换器53冷却形成料流28，在交换器71中由冷冻机进一步冷却至约32 °F形成再循环至吸收塔51的料流29。
[0024]表1中示出未转换合成气操作的整体质量平衡,表2中示出进料气、吸收塔塔底、中压闪蒸罐和低压闪蒸罐中的C02对H2S摩尔比率。为了捕获碳，合成气中的CO内容物可以转换为H2，产生具有约43 mol%的C02含量的合成气，其然后在预期的构造中处理，随后由额外的C02去除装置处理。在该操作中，必须提高溶剂要求、再生负荷和气体再循环，以适应高C02含量合成气。转换合成气操作的整体质量平衡在表3中示出。C02对H2S摩尔比率显著高于未转换的情况。表4显示进料气、吸收塔塔底、中压闪蒸罐和低压闪蒸罐的C02对H2S摩尔比率。
[0025]表1
【权利要求】
1.一种从合成气源的含H2S和C02合成气中选择性去除H2S的合成气处理装置，其包括:吸收塔，构造成接收含H2S和C02合成气和贫溶剂，以及产生处理过的含C02合成气和包含H2S和C02的富溶剂；与吸收塔连接的闪蒸器，构造成接收富溶剂，以及进一步构造成产生富集C02的闪蒸气体和包含H2S的闪蒸过的富溶剂；与闪蒸器流体连接的管路，构造成将富集C02的闪蒸气体输送至吸收塔或含H2S和C02合成气；其中再生器与闪蒸器流体连接，构造成接收闪蒸过的液体以及产生贫溶剂和富H2S酸气料流；和第一热交换器，构造成允许使用来自贫溶剂的热量加热富溶剂。
2.权利要求1的合成气处理装置，进一步包括第二热交换器，构造成允许使用来自贫溶剂的热量加热闪蒸过的富溶剂。
3.权利要求1的合成气处理装置，进一步包括在闪蒸器和吸收塔之间流体连接的压缩机，其中该压缩机构造成接收并压缩富集C02的闪蒸气体。
4.权利要求1的合成气处理装置，进一步包括在闪蒸器和再生器之间流体连接的第二闪蒸器。
5.权利要求1的合成气处理装置，其中吸收塔构造成在400psig至900 psig的压力下运行。
6.一种处理含H2S和C02的合成气的方法，其包括:使用贫物理溶剂，在合成气压力下在吸收塔中吸收来自含H2S和C02的合成气的H2S和C02，形成处理过的含C02合成气和包含H2S和C02的富溶剂；在至少一个闪蒸步骤中加热和闪蒸包含H2S和C02的富溶剂，产生富集C02的闪蒸气体和包含H2S的闪蒸过的富溶剂；将富集C02的闪蒸气体再循环至合成气或吸收塔；和使包含H2S的闪蒸过的富溶剂再生，形成贫物理溶剂和富H2S酸气料流。
7.权利要求6的方法,其中吸收步骤在400psig至900 psig的压力下进行。
8.权利要求6的方法，其中加热步骤使用来自贫溶剂的热量在热交换器中进行。
9.权利要求6的方法，进一步包括进一步闪蒸包含H2S的闪蒸过的富溶剂的步骤，以产生另外的富集C02的闪蒸气体。
10.权利要求6的方法，其中再循环步骤进一步包括压缩富集C02的闪蒸气体的步骤。
11.权利要求6的方法，其中含H2S和C02的合成气为转换合成气。
12.权利要求6的方法，其中含H2S和C02的合成气具有至少10:1的C02对H2S的摩尔比率。
13.权利要求6的方法，其中处理过的含C02的合成气具有等于或低于10ppmv的H2S浓度。
14.权利要求6的方法，其中处理过的含C02的合成气具有相对于含H2S和C02的合成气而言降低的C02含量。
15.权利要求6的方法，其中富H2S酸气料流具有至少40mol%的H2S含量。
16.权利要求6的方法，其中富H2S酸气料流含有相对于C02而言更高的H2S摩尔分数。
17.权利要求6的方法，其中包含H2S的闪蒸过的富溶剂具有等于或低于1.0的C02对H2S摩尔比率，其中含H2S和C02的合成气为转换合成气。
18.权利要求6的方法，其中包含H2S的闪蒸过的富溶剂具有等于或低于0.6的C02对H2S摩尔比率，其中含H2S和C02的合成气为未转换合成气。
19.权利要求6的方法，其中包含H2S的富溶剂具有等于或低于5.0的C02对H2S摩尔比率，其中含H2S和C02的合成气为转换合成气。
20.权利要求6的方法，其中包含H2S的富溶剂具有等于或低于2.0的C02对H2S摩尔比率，其中含H2S和C02 的合成气为未转换合成气。
【文档编号】C10K1/08GK103889546SQ201280038211
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2012年8月7日 优先权日:2011年8月8日
【发明者】J.马克 申请人:氟石科技公司