用於去除燃料氣流中多種汙染物的流化床系統的製作方法

2023-10-11 12:54:24 1

專利名稱：用於去除燃料氣流中多種汙染物的流化床系統的製作方法
用於去除燃料氣流中多種汙染物的流化床系統背景本發明主要涉及吸附系統，更具體地，涉及用於在單一裝置中從燃料氣流(例如， 從煤和生物質氣化器中產生的用於整體氣化聯合循環(IGCC)工廠的合成氣流)中去除多種汙染物的吸附器。眾所周知，從煤或石油中產生的工業燃料氣體含有多種汙染物，包括硫化合物、 氯、氨、汞、砷等。作為這類燃料氣體的一種，合成氣體(合成氣)是通過在高溫條件下將含碳燃料與氧化劑充分接觸從而將其重整或是氣化，以產生含氫和一氧化碳的燃料氣體而製造的。近年來，大量的研究和投資都已集中在各種合成氣工序，比如通過煤、生物質和廢物的氣化或不同燃料的均勻氧化或催化部分氧化來產生合成氣。合成氣可用作發電廠中的進料以在IGCC工廠中產生能量，也可以用作生產高價值化學品或運輸燃料的原料，和用作燃料電池的氫源。來自煤氣化器的合成氣中所含的多種汙染物必須在進料至下遊工序前除去，從而保護下遊工序中使用的催化劑，或是在進料至燃氣渦輪機前除去，從而減少排放。在除去汙染物的傳統方法中，在合成氣流供給酸性氣體去除(AGR)裝置(通常也稱作「合成氣淨化系統」)前需要多個合成氣的冷卻步驟將合成氣流冷卻至室溫。例如，可將合成氣從1350°C冷卻至500°C以去除顆粒，然後進一步冷卻至250°C來去除氯。然後可以將該氣體進一步冷卻至90°C以使硫化羰水解。可將該氣體再進一步冷卻至45°C來去除硫化氫(和二氧化碳，如果需要)，使用胺以此在氣化器和燃氣渦輪機之間獲得清潔的合成氣。但是，以多個步驟對燃料氣流(如合成氣)進行冷卻，會增加工廠的資本成本(CAPEX)， 同時也會降低工藝的熱效率，這通常降低該處理技術的優勢。基於胺的洗滌工序也具有諸如形成熱穩定鹽類、胺的分解的問題，並另外為設備密集型，如此一來便需要大量的資本投資。在較低溫度下對合成氣進行淨化後，在進料至下遊化學工序或是燃氣渦輪機前， 將合成氣流再次加熱至預設的溫度，例如350°C。多個的冷卻和再次加熱的步驟降低了效率並且增加了工廠的成本。期望具有用於去除較高溫度下的燃料氣流(例如合成氣流)中多種汙染物的簡單而有效的系統。簡述根據本發明的一個示例性實施方案，揭示了用於去除氣體燃料流中多種汙染物的系統。該系統包括吸附器，該吸附器中具有有多種吸附材料的流化床。設置該吸附器，以接收包括多種汙染物的氣體燃料流並在單一裝置中吸附氣體燃料流中的該多種汙染物，從而產生基本不含汙染物的清潔燃料氣流。這些汙染物包括至少一種硫化合物、氯、氨、汞、砷、 硒、鎘或它們的組合。根據本發明的另一個示例性實施方案，吸附器包括有多種吸附材料的第一流化床。設置該吸附器，以接收包括多種汙染物的氣體燃料流，並在單一裝置中從該氣體燃料流吸附該多種汙染物，從而產生基本不含汙染物的清潔氣流。這些汙染物包括硫、氯、氨、汞、 砷、硒、鎘，及硫、氯、氨、汞、砷、硒、鎘的化合物，或它們的組合。再生器流體連接至該吸附器。該再生器包括第二流化床或輸送床，其被設置以接收氧化劑。在吸附材料的吸附容量完全或部分飽和後，該氧化劑與吸附材料接觸以使吸附材料再生。根據本發明的另一個示例性實施方案，吸附材料包括選自以下的至少一種金屬或其組合鋅、鎂、鉬、錳、鐵、鉻、銅、鈷、鈰、鎳、鎢、銀、鈦、釩、鋁、沸石、鈮，其分散或浸漬在經噴霧乾燥工序製造的多種多孔顆粒載體上。多孔顆粒包含有氧化鈣、氧化鋅、氧化鐵、氧化鎂、氧化鋁、二氧化矽、鈦酸鋅、鋁酸鋅、鋁酸鈣或其組合。設置該吸附器，以在單一裝置中去除氣體燃料流中的多種汙染物，從而產生基本不含汙染物的清潔氣流。附圖在參考附圖(其中，在整個附圖中相同的字符代表相同的部件)閱讀以下的詳細描述時，本發明的這些以及其它特徵、方面和優點將得到更好的理解，其中

圖1是根據本發明的一個示例性實施方案的系統的簡圖，設置該系統用於在單一裝置中除去氣體燃料流中的多種汙染物；和圖2是與根據本發明的一個示例性實施方案的系統(其設置用於在單一裝置中除去氣體燃料流中的多種汙染物)整合的示例性合成氣生產系統的簡圖。詳述如下文所詳細討論地，本發明的實施方案提供了用於除去合成氣或氣體燃料流中多種汙染物的系統。該系統包括吸附器，該吸附器包括有多種吸附材料的流化床，設置其以接收具有多種汙染物的合成氣或氣體燃料流。設計該多種吸附材料，以在相似的溫度範圍內吸附不同的汙染物。設置該吸附器，以在單一裝置中除去合成氣或氣體燃料流中的多種汙染物，以產生基本不含汙染物的清潔氣流。這些汙染物可包括至少一種硫、氯、氨、汞、砷、 硒、鎘的化合物或它們的組合。在一些實施方案中，再生器流體連接至該吸附器。該再生器包括流化床或輸送床，設置其以接收氧化劑，該氧化劑與吸附材料接觸以使該吸附材料再生。如本文所討論地，該示例性系統提供了用於去除合成氣或氣體燃料流中多種汙染物的單一裝置淨化方法。用於FCC(流化床催化裂化)催化劑生產的包括噴霧乾燥工序的現有催化劑車間，可通過該噴霧乾燥工序用於廉價地生產細微的吸附顆粒。因此，生產此類示例性吸附劑可無需追加投資來建立新的車間。參見圖1，描述了用於在單一裝置中去除氣體燃料流中多種汙染物的示例性系統 10。該系統10包含吸附器12和再生器14。吸附器12通過管道15流體連接至再生器14。 吸附器12包含第一流化床16，用以接收具有多種汙染物的氣體燃料流18。這些汙染物可包括硫、氯、氨、汞、砷、硒、鎘、本文討論的汙染物的化合物，或它們的組合。硫化合物可包含但不僅限於硫化氫、硫化羰。第一流化床16包括不同種吸附材料，用以在單一裝置中吸附氣體燃料流18中的多種汙染物，並產生基本不含汙染物的清潔氣流20。在吸附器12的頂部提供了具有兩級19、21的旋風分離器，從而將吸附顆粒與淨化的氣流進行分離。通過具有兩級19、21的旋風分離器，清潔氣流20所負載的吸附顆粒與流20分離。也可以在吸附器12外提供該兩級閉式旋風分離器。吸附顆粒通過管道36落回到第三流化床26。在一個實施方案中，吸附材料包括多孔顆粒，該多孔顆粒包含氧化鈣、氧化鋅、氧化鐵、氧化鎂、氧化鋁、二氧化矽或鈦酸鋅、鋁酸鋅、鋁酸鈣或其組合。吸附材料的粒度可在約30微米至約1000微米的範圍以內。在一個具體實施方案中，吸附材料包括選自以下的至少一種金屬鋅、鎂、鉬、錳、鐵、鉻、銅、鈷、鈰、鎳、鎢、銀、鈦、釩、鋁、沸石、鈮或其組合，其使用氧化鋁粘合劑分散或浸漬在噴霧乾燥的多孔顆粒載體上。粘合劑用於在多孔顆粒中產生多孔性。在一個實施方案中，將至少一種金屬通過物理混合與多孔顆粒載體相混合。在另一個實施方案中，將至少將一種金屬通過離子交換法與多孔顆粒載體相混合。在又一個實施方案中，至少一種金屬通過洗塗法與多孔顆粒載體相混合。在某些實施方案中，吸附材料可通過在噴霧乾燥工序後的約500°C至約1100°C溫度範圍內的煅燒工序進行生產。在一個具體的實施方案中，煅燒溫度可在約700°C至約900°C的範圍內。在一些實施方案中，氧化鋁或二氧化矽粘合劑的使用連同噴霧乾燥幫助控制多孔吸附顆粒的大小、多孔性、表面積以及強度。在一個具體的實施方案中，為生產該示例性吸附顆粒，使用有機或無機的粘合劑加上水和表面活性劑來製成漿料。將金屬前體加入該漿料，然後將該漿料噴霧乾燥和加熱。隨後對顆粒進行煅燒，從而為吸附材料提供更耐磨損的特性。在某些實施方案中，氣體燃料流可選自甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、石油氣混合物、液化石油氣蒸汽、石腦油、汽油、柴油、煤油、航空燃料；天然氣或石腦油重整產生的合成氣流， 煤、石油焦、生物質、廢物或重油、輕油、原油、氧化的烴類原料氣化產生的合成氣流，或它們的組合。在一個更具體的實施方案中，氣體燃料流可包括由固態和/或液態燃料氣化產生的合成氣，該固態和/或液態燃料包含煤、生物質、廢物、油或其組合。在某些其他實施方案中，氣體燃料流可包括用於整體聯合循環發電廠的氣化器中產生的合成氣體。合成氣體通常含有氫氣、一氧化碳、二氧化碳和蒸汽。在一些實施方案中，氣體燃料流18的溫度可在約 100°C至約350°C範圍內。吸附器12可在約150°C至約550°C範圍內的溫度下運行，並優選在200°C _400°C的範圍內。再生器14包括第二流化床22，用以接收來自吸附器12的飽和或部分飽和的吸附材料以及氧化劑對。該氧化劑與來自吸附器12的吸附材料接觸從而使該吸附材料再生。 再生器14中的溫度在約350°C至約950°C範圍內。該系統10進一步包括第三流化床沈，其與第一流化床16和第二流化床22流體連通。第三流化床沈用於接收蒸汽28，以將來自吸附器12的飽和的吸附材料再生。第二流化床22通常為具有低密度顆粒的稀相床(dilute bed)且第三流化床沈通常為具有高密度顆粒的密相床(dense bed)。在運行中，流化床22 和M用於接收氧化劑M和來自第一流化床16的飽和吸附材料，以使該吸附材料再生。氧化劑M的壓力使得第二流化床22維持在所需的流化狀態。此外，兩級閉式旋風分離器30 通過管道32連接至再生器14。氧化劑M與吸附材料發生反應從而產生貧氧流34。貧氧流34負載的吸附材料顆粒通過兩級閉式旋風分離器30與貧氧流34分離。分離後的吸附材料顆粒通過管道36送回第三流化床26。本文可使用的流化床的類型包括快速流化床和循環流化床。而示例性吸附材料的循環既可以採用升流模式也可以採用沉流模式實現。循環流化床是其中連續地將吸附材料從流化床中移出(無論是以升流方向還是以沉流方向)和隨後將吸附材料再引入到流化床中以補充固體供應的流化床工藝。在較慢速率下，當氣流中仍攜帶吸附材料時，在系統10 中採用相對的密相床來移出所攜帶的吸附材料。如上文所討論的，在去除汙染物的傳統方法中採用的是合成氣體的多個冷卻步驟。但是，燃料氣流(比如合成氣)以多個步驟進行冷卻會降低該工藝的熱效率，這通常降低該工藝的優勢。基於胺的洗滌工序也有諸如形成熱穩定鹽類，胺的分解的問題，並另外為設備密集型，因此需要大量的資本投資。根據本發明的示例性實施方案，可以容易地利用 FCC催化劑車間生產示例性的吸附顆粒。在示例性吸附器12中使用不同吸附顆粒以在單一裝置中從氣體燃料流中淨化不同汙染物。例如，設計氧化鋅成分用於去除硫；設計某些鹼性金屬氧化物用於去除氯，等。設計某些高表面積材料用於去除汞和痕量金屬(例如砷或硒)。參考圖2，描述了用於在單一裝置中去除氣體燃料流中多種汙染物的示例性系統 38。燃料40在氣化器42中氣化，產生熱的合成氣體44。合成氣體44的溫度可在約1100°C 至約1400°C的範圍內。熱的合成氣體44通過冷卻裝置46將熱的合成氣體44的溫度冷卻， 產生冷卻的氣體燃料流20。在一些實施方案中，可使用多於一個的冷卻裝置。在闡明的實施方案中，冷卻的氣體燃料流20包括冷卻的合成氣體。將冷卻的合成氣體20引入吸附器12， 如之前的實施方案中所描述地，從該合成氣體中去除多種汙染物。將來自吸附器12的清潔氣流引入終端使用裝置48中。終端使用裝置48可包括發電廠、煤化工廠、煤制油工廠、天然氣液化工廠和制氫裝置，或它們的組合。如上文所討論，汙染物可包含硫、氯、氨、汞、砷、 硒、鎘、本文所討論的汙染物的化合物，或它們的組合。通過使用高溫單步驟淨化技術能夠提高工廠(例如整體聯合循環氣化工廠)的效率。汙染物的去除工序會增加工廠的資本成本，這類工廠包括整體聯合循環氣化發電廠、煤制甲醇或氫氣工廠或任何其他需要去除合成氣流中各種汙染物的工廠。在這些應用中，使用多個去除步驟，頻繁停止生產、替換吸附劑並將大量的吸附劑按化學廢物進行處理而不再生，這是不可行的。示例性的方法減少傳統汙染物去除系統中的多個冷卻步驟和單元操作。本文描述的單步驟汙染物去除方法為高溫車間以及其他應用提供了低成本、有效的汙染物去除技術。雖然本文只闡述說明了本發明的某些特徵，但本領域技術人員將想到許多變體和更改。因此，應理解所附權利要求意圖覆蓋所有落入本發明實質精神內的所有這類變體和更改。
權利要求
1.用於去除氣體燃料流中多種汙染物的系統，所述系統包含吸附器，其包含有多種吸附材料的流化床；其中，設置該吸附器以接收含有多種汙染物的氣體燃料流，並在單一裝置中吸附氣體燃料流中的所述多種汙染物，從而產生基本不含該汙染物的清潔燃料氣流；其中，所述汙染物含有至少一種硫化合物、氯、氨、汞、砷、硒、鎘或它們的組合。
2.權利要求1的系統，其中所述吸附材料包含通過噴霧乾燥工序製成的多孔顆粒，其中，所述吸附材料含有氧化鈣、氧化鋅、氧化鐵、氧化鎂、氧化鋁、二氧化矽，或鈦酸鋅、鋁酸鋅、鋁酸鈣，或它們的組合。
3.權利要求1的系統，其中所述吸附材料包含選自以下的至少一種金屬鋅、鎂、鉬、 錳、鐵、鉻、銅、鈷、鈰、鎳、鎢、銀、鈦、釩、鋁、沸石、鈮或其組合，其分散或浸漬在噴霧乾燥的多孔顆粒載體上。
4.權利要求1的系統，其中所述吸附材料通過在噴霧乾燥工序後的約500°C至約 1100°C的溫度範圍下的煅燒而產生。
5.權利要求1的系統，其中所述吸附材料的顆粒在約30微米至約1000微米範圍內。
6.權利要求1的系統，其中所述吸附器在約150°C至約550°C的溫度範圍內運行。
7.權利要求1的系統，其中所述硫化合物包含硫化氫和硫化羰。
8.權利要求1的系統，其中所述氣體燃料流選自甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、石油氣混合物、液化石油氣蒸汽、石腦油、汽油、柴油、煤油、航空燃料；由天然氣或石腦油重整產生的合成氣流，由煤、石油焦、生物質、廢物、輕油、原油、氧化的烴類原料氣化而來的合成氣流，或它們的組合。
9.權利要求8的系統，其中所述氣體燃料流通過包含煤、生物質、廢物、油或其組合的固態和/或液態燃料的氣化而產生。
10.權利要求8的系統，其中所述氣體燃料流用於發電廠、煤化工廠、煤制油工廠、天然氣液化工廠、制氫裝置或它們的組合中。
11.用於去除氣體燃料流中的多種汙染物的系統，所述系統包括吸附器，其含有有多種吸附材料的第一流化床；其中，設置該吸附器以接收含有多種汙染物的氣體燃料流，並在單一裝置中吸附該氣體燃料流中的所述多種汙染物，從而產生基本不含該汙染物的清潔燃料氣流；其中，所述汙染物包含硫、氯、氨、汞、砷、硒、鎘，硫、氯、 氨、汞、砷、硒、鎘的化合物，或它們的組合；再生器，其流體連接至所述吸附器；其中，該再生器包含第二流化床或輸送床，其設置用以接收氧化劑；其中該氧化劑接觸所述吸附材料，使所述吸附材料再生。
12.權利要求11的系統，其中所述吸附材料包含多孔顆粒，所述多孔顆粒包含氧化鈣、 氧化鋅、氧化鐵、氧化鎂、氧化鋁、二氧化矽，鈦酸鋅、鋁酸鋅、鋁酸鈣，或它們的組合。
13.權利要求11的系統，其中所述吸附材料包含選自以下的至少一種金屬鋅、鎂、鉬、 錳、鐵、鉻、銅、鈷、鈰、鎳、鎢、銀、鈦、釩、鋁、沸石、鈮或其組合，其使用氧化鋁粘合劑分散或浸漬在噴霧乾燥的多孔顆粒載體上。
14.權利要求11的系統，其中所述吸附材料通過在噴霧乾燥工序後的約500°C至約 1100°C的溫度範圍下的煅燒而產生。
15.權利要求11的系統，其中所述吸附器在約150°C至約550°C的溫度範圍內運行。
16.權利要求11的系統，其進一步包含至少一個第一兩級閉式旋風分離器，該第一兩級閉式旋風分離器與所述吸附器以流體連通。
17.權利要求11的系統，其進一步包含至少一個第二兩級閉式旋風分離器，該第二兩級閉式旋風分離器與所述再生器以流體連通。
18.權利要求11的系統，其中所述氧化劑包含空氣、貧氧空氣、富氧空氣或它們的組I=I O
19.權利要求11的系統，其中所述燃料氣流含有由氣化器產生的合成氣體。
20.權利要求19的系統，其中所述合成氣體由煤、石油焦、生物質、廢物或重油的氣化產生。
21.吸附器，所述吸附器包含多種吸附材料，其包含選自以下的至少一種金屬鋅、鎂、鉬、錳、鐵、鉻、銅、鈷、鈰、鎳、 鎢、銀、鈦、釩、鋁、沸石、鈮或其組合，其分散或浸漬在多種多孔顆粒載體上；其中，多孔顆粒包含氧化鈣、氧化鋅、氧化鐵、氧化鎂、氧化鋁、二氧化矽、鈦酸鋅、鋁酸鋅、鋁酸鈣，或其組合；其中設置所述吸附器以在單一裝置中去除氣體燃料流中的多種汙染物，從而產生基本不含該汙染物的清潔氣流。
22.權利要求21的吸附器，其中所述吸附材料包含選自以下的至少一種金屬或其組合鋅、鎂、鉬、錳、鐵、鉻、銅、鈷、鈰、鎳、鎢、銀、鈦、釩、鋁、沸石、鈮，其使用氧化鋁或二氧化矽粘合劑分散或浸漬在噴霧乾燥的多孔顆粒載體上。
23.權利要求22的吸附器，其中設置氧化鋁或二氧化矽粘合劑以給多孔顆粒載體提供多孔性和強度。
24.權利要求21的吸附器，其中該至少一種金屬通過物理混合、離子交換法、洗塗法或其組合分散或浸透於多種多孔顆粒。
25.權利要求21的系統，其中所述吸附材料通過在噴霧乾燥工序後的約500°C至約 1100°c的溫度範圍下的煅燒而產生。
全文摘要
本發明涉及包括吸附器的系統，該吸附器具有有多種吸附材料的流化床。設置該吸附器以接收含有多種汙染物的氣體燃料流，並在單一裝置中吸附該氣體燃料氣流中的所述多種汙染物，從而產生基本不含該汙染物的清潔氣流。設計不同的吸附材料以在近似的溫度範圍內去除不同的汙染物。這些汙染物包括至少一種硫化合物、氯、氨、汞、砷、硒、鎘或它們的組合。
文檔編號B01D53/12GK102292138SQ201080005587
公開日2011年12月21日 申請日期2010年1月13日 優先權日2009年1月22日
發明者V·扎曼斯基, 劉科 申請人:通用電氣公司