[发明专利]用于处理输入燃料气体和蒸汽以制造二氧化碳和输出燃料气体的系统和方法

说明书

技术领域

本发明大致涉及用于处理输入燃料气体和蒸汽以在单独气流中制造二氧化碳和输出燃料气体的系统和方法。

背景技术

消耗大量碳燃料的工厂如发电厂、水泥厂和钢铁厂越来越多地在它们与燃料成本的挥发性和产品的价格相关的运行中以及在特别是与碳排放相关的监管和市场环境中需要灵活性。在这种情况下，存在要由采用燃料的混合物如煤和天然气的矿物燃料而获得的利益，所述燃料混合物引起通常不引起的排放惩罚、生物质和废弃物。需要更换这种燃料的制造工艺。这种灵活燃料厂可以以（a）全部碳排放，来自无封存的矿物燃料的燃烧，具有排放惩罚，（b）具有可忽略的排放，来自具有二氧化碳（CO₂）的封存（sequestration）的矿物燃料的燃烧或者无封存的非矿物燃料的燃烧，（c）负排放，来自具有CO₂的封存的非矿物燃料的燃烧中的任何方案来运行，这会是具有排放交易方案的收入的来源。最佳运行条件会因包括来自碳排放的输入和输出价格的市场变化性而在小时到天的时间量程上发生变化。另外，在工厂使用期限的时间量程中，在长期运行成本中存在另外的不确定性，从而可能使得工厂不经济，这起因于用于CO₂排放的监管环境的变化。在该环境中，需要灵活途径以捕获碳，其中工厂可以以这些方案的任何方案运行。

由于工业处理工厂的高资本成本，对工厂使用中的灵活性的需要特别重要。例如，操作者可具有使用燃料输入，诸如各种等级的煤，天然气（NG），生物质或废弃物的选择。操作者还可以得益于选择包括氢，合成天然气（SNG）的衍生燃料产品和选择是否处理用于封存的二氧化碳。需要可以使用各种燃料输入以制造各种燃料输出并具有和不具有碳捕获的灵活性工艺。下面考虑更具体的实例。

一个手段是减少来自固体燃料如煤的燃耗的CO₂排放，生物质和废弃物是来自通过在部分氧化气化器中利用蒸汽和氧将这种固体燃料部分氧化而制造的合成气的预燃烧碳捕获。合成气包含可燃性气体、氢、一氧化碳和少量的甲烷和其他烃。其还包含大量的CO₂和蒸汽。在该途径中，通过与蒸汽的水煤气转移反应而产生其他CO₂，将其分离、压缩和封存，同时产生氢以作为燃料气流。该工艺基于用于发电的整体煤气化联合循环（IGCC）系统。据认为，在无CO₂捕获的情况下，该工艺具有几乎最大的发电效率。尽管部分氧化气化技术对于固体燃料源是通用的，但是使用预燃料捕获技术如Benfield分离工艺和水煤气转移反应的脱二氧化碳导致显著的能量损失，且CO₂捕获的成本显著。另外，氢难以运输和储存，因此这种系统必须在需要时立刻制造氢。煤炭地下气化由煤层直接制得合成气。

在两种情况下，在高压下，通常在超过20巴下发生气化反应，并通过用水淬冷来控制输出温度，但是在气体清除前最佳为约800-900℃，假定850℃。在大部分工业部分氧化气化器中，将纯氧注入到气化器中。在空气分离单元中从空气中提取压缩氧。在其他部分氧化气化器中，将压缩空气直接引入到气化器中，结果使得合成气也包含惰性气体如氮和氩。

对于如下脱二氧化碳技术存在需求：其能够在存在或不存在惰性气体的情况下，以低能量损失对由任何这些工艺制造的合成气进行脱碳来制造脱碳的氢燃料流以及单独的二氧化碳气流。

另一种气化途径是在氢化气化器中利用氢，并经常利用蒸汽将固体燃料氢化气化以制造包含可燃成分甲烷、一氧化碳和氢以及少量的其他烃的燃料气体。可以将称作氢化气体的这种燃料气体部分脱碳以制造供应回氢化气化器中的氢气流，称作合成或代用天然气（SNG）的富甲烷气流以及用于封存的单独CO₂流。SNG制造仅是典型地具有约50%脱二氧化碳的部分脱二氧化碳工艺，因为SNG携带约50%的初始碳和其他量的CO₂。氢化气体的脱二氧化碳从氢化气体中的CO和CO₂中，但是不从甲烷中除去碳，从而确保SNG满足NG的高发热值规格。这种氢化气体的部分脱二氧化碳可以将确定的预燃烧捕获技术如Benfield或胺工艺与蒸汽和水煤气转移反应结合使用来实现。然而，该工艺导致了显著的能量损失，因此CO₂捕获的成本显著。对于能够以低能量损失将氢化气体部分脱碳来制造氢气流、SNG燃料流和单独的二氧化碳气流的脱二氧化碳技术存在需求。煤炭地下加氢气化通过注入氢，根据需要利用蒸汽由煤层直接制得合成气。可以如上所述对这种氢化气体进行脱碳。