[发明专利]用于生产合成气的碳吸收系统

说明书

发明领域

本发明涉及用于生产合成气的系统及其生产，优选该系统是净二氧化碳吸收系统以及本发明还旨在涉及用于开发该工艺的方法以及用于实施该工艺的系统，包括要求的实用系统。

发明简介

“合成气体”或“合成气”是以少得多的量存在其他组分的一氧化碳(CO)、氢(H₂)以及二氧化碳(CO₂)的混合物，通常当CO∶H₂以1∶3和1∶0.7之间的摩尔比生产时。

当前的合成气体由两种工艺之中的一种制得，或者由煤通过用氧进行气化制得，通常由空气和水提取，或者由甲烷通过用氧或水重整制得。重整是这样的工艺，通过它，轻质烃如甲烷和/或丙烷等形成一氧化碳、二氧化碳和氢的气体混合物。一般的重整装置放出一些二氧化碳以及通过产生高温蒸汽而释放热。根据New York State Energy and Research Development Authority，工业重整装置的效率估计在65-75％之间。

在对甲烷采用蒸汽重整工艺时，合成气体可通过以下反应生产：

CH₄+H₂O->CO+3H₂

以这种方式产生的CO∶H₂比例可能对用于下游合成方法不是最佳的，如下所述的水煤气变换(WGS)反应可用于调节CO∶H₂比例。

CO+H₂O<->″CO₂+H₂

该调节导致取决于所要求的调整而在工艺中的某个点产生并且之后放出二氧化碳或水。

气化以及蒸汽重整合成气体生产过程是吸热的，因此需要大量的能量来运行这些过程。此外，还有大量的二氧化碳排放，这是值得关注的，因为二氧化碳是有害的温室气体。

本专利说明书描述了用于生产合成气体的生产系统，其中这样的系统的益处在于具有高碳效率(导致提高原料中的碳转化为合成气体中可用的碳的转化率)，在一些情况中是净二氧化碳吸收系统，同时是净功产生系统(net work generating system)。

在设计这样的系统时，相比于顺序设计方法，发明人利用了替代的设计方法。该新方法利用焓和吉布斯自由能的性质，采用图示法在设计最早阶段分析各个工艺装置之间的相互作用。该方法容许选择运行温度和压力以产生尽可能有效的流程图(flow sheets)。该技术包括以下一般步骤，其在下文中更详细地解释，然后用于气体重整工艺以设计形成本发明主题的系统：

1.1.定义简单系统；

1.2.计算该系统要求的热和功；

1.3.在焓的变化相对吉布斯自由能变化的图上图解表示所要求的热和功；

1.1.定义简单过程

将简单系统定义为这样的系统，其中在环境条件下进料进入并且产物离开该系统。进一步地，在系统中存在一个以温度T运行的容许将热加入该系统的位置，如下面的图A所示：

图A

若能量平衡在简单过程中完成，焓的变化可通过下式计算：

其中：

Ui(符号υ)是组分i中的化学计量系数。

下标f代表“形成的”

上标0代表标准条件。

下标i代表物质i。

也就是说，对于简单系统，ΔH由产物和进料的生成焓的差值给出。这是因为产物和进料都在环境条件下进入或离开，这就除去了由于热容引起的焓变。

同样可能的是通过下式计算简单系统的ΔG(代表功)：

在系统需要功和热(正值，来自等式1和2)的情况中，该系统将要求最少量的热和功可行。如果值是负的，该系统可行，由等式1和2计算的值代表对于可逆的系统需要回收的热和功的量。如果不回收来自这样的系统的热或功，将损失所有潜能并导致低效率。

1.2.计算该系统需要的热和功

目前因为对于简单过程已经限定了最低要求，唯一需要确定的是如何满足这些要求。加入热是不言自明的，因为热沿着温度梯度传递且是容易理解的，而加入功稍微复杂些。

ΔG或功的热力学定义由下面的等式3给出：

ΔG⁰_反应＝-TdS+VdP+∑μdN     (3)

其中

u_i(符号μ)是化学势；