处理通过加压气化固体燃料产生的产品气的方法和装置.pdf

本发明涉及处理粗产品气的方法，所述粗产品气是通过加压气化固体燃料制备的。在冷却至15至45℃后，用冷的含氧化物通过物理吸附将如下物质移除：在初始阶段，HCN和NH3；在第一阶段，H2S和COS，以及任选的其它含硫化合物；和在第二阶段，CO2。然后将纯的产品气作为还原气和/或作为燃烧气传送到铁矿石的直接还原中。本发明方法的改进之处在于，将脱硫的产品气与载带有CO2和水蒸气的循环气在将包含在其中的水蒸气移除后进行混合，所述载带有CO2和水蒸气的循环气是从来自铁矿石的直接还原的循环气的回路中分支出来的。

1.  处理粗产品气的方法，所述粗产品气是通过在800至1500℃的温度下，在2至100巴的绝对压力下，优选在5至40巴的绝对压力下，加压气化固体燃料而产生的，并且主要含有H₂、CO、CH₄、N₂、水蒸气以及——取决于燃料的类型——少量的一种或多种组分H₂S、COS、HCN、NH₃、C_nH_m和痕量的镍和铁的羰基化物、树脂成分、CS₂、硫醇、萘、噻吩和有机硫化物和C_nH_m，其中在将温度冷却至15至45℃后，用温度为+10至-80℃的含氧化物通过物理吸附从该粗产品气中移除如下物质：在初始阶段移除HCN和NH₃；在第一阶段移除H₂S、COS和可能存在的其它含硫化合物；和在第二阶段移除CO₂，并且将纯的产品气作为还原气和/或燃料气供给到铁矿石的直接还原中，其特征在于，将在2至8巴的绝对压力下具有50至250℃温度的、载带有水蒸气和CO₂的循环气从铁矿石的直接还原的循环气的回路中分支出来，冷却到15至45℃的温度，压缩至25至75巴的绝对压力并移除水蒸气，与脱硫的产品气在所述物理吸附移除CO₂之前进行混合。

2.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在进入所述初始阶段之前，使所述粗产品气进行CO转化。

3.  根据权利要求1和2中任一项所述的方法，其特征在于，在分支出来的循环气中含有的水蒸气是通过冷凝移除的。

4.  根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在具有的温度为15至45℃的，并且压缩到25至75巴绝对压力的、分支出来的循环气中含有的水蒸气是用含氧化物通过物理吸附移除的。

5.  根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，将所述循环气的10至80vol％，优选10至60vol％从其回路中分支出来。

6.  根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，由纯的产品气和不含有CO₂和水蒸气的循环气组成的、在通过物理吸附移除CO₂之后回收的、在25至75巴绝对压力下具有0至30℃的温度的、在所述循环气的回路中存在时膨胀到2至8巴绝对压力的、并且被加热到150至250℃的温度的气体混合物进料到所述循环气的回路中。

7.  根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，将在分支出来的循环气中含有的热能在所述气体混合物膨胀后直接传递给所述气体混合物。

8.  根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，将通过使被负载的含氧化物膨胀到接近大气压而解吸的CO₂转化为超临界状态，并将其用于溶剂冲洗部分脱油的石油沉积物或者用于储存在孔隙型气藏储气库、溶洞型气藏储气库、天然气枯竭气藏储气库或盐水储层中。

9.  根据权利要求7所述的方法，其特征在于，将所述解吸的CO₂压缩到10至30巴的绝对压力和冷却至-40至-5℃的温度。

10.  用于实施根据权利要求1至9中一项或多项所述的方法的装置，其特征为轴式涡轮机(9)，该轴式涡轮机(9)具有压缩机部分(10)和膨胀部分(8)，其中压缩机部分(10)用于压缩分支出来的、水蒸气含量稀少的循环气，膨胀部分(8)用于膨胀由纯的产品气和不含CO₂和水蒸气的循环气形成的气体混合物。

11.  根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述轴式涡轮机(9)与能够转换作为电动机的发电机(17)相连接。

处理通过加压气化固体燃料产生的产品气的方法和装置
技术领域
本发明涉及处理粗产品气的方法和装置，所述粗产品气是通过在800至1500℃的温度下，在2至100巴的绝对压力下，优选5至40巴的绝对压力下加压气化固体燃料产生的，并且主要含有H₂、CO、CH₄、N₂、水蒸气以及——取决于燃料的类型——少量的一种或多种组分H₂S、COS、HCN、NH₃、C_nH_m和痕量的HCN、镍和铁的羰基化物、树脂成分(Harzbildnern)、CS₂、硫醇、萘、噻吩和有机硫化物，其中在将温度冷却至15至45℃后，以及任选在CO转化后，用温度为+10至-80℃的含氧化物通过物理吸附从该粗产品气中移除如下物质：在初始阶段移除HCN和NH₃；在第一阶段移除H₂S、COS和可能存在的其它含硫化合物，和在第二阶段移除CO₂，并且将纯的产品气作为还原气和/或燃料气供给到铁矿石的直接还原中。
背景技术
借助于加压气化，具有灰分含量为最高至50wt％和水含量为最高至50wt％的固体燃料，例如泥煤、褐煤、焦煤、硬煤、生物质等可以在如下条件下用逆流引导的水蒸气和氧气或空气的混合物进行气化以获得粗产品气，所述条件是压力为1至100巴的绝对压力，温度为低于在各自燃料中含有的灰分的熔点(Ullmann’s Encyclopedia ofIndustrial Chemistry，第A12卷，VCH Verlagsgesellschaft mbH，Weinheim1989，第218页至226页；Lugi Handbuch，Lurgi Gesellschaften，Frankfurtam Main，1970，2.第2.1章)。从压力为5至40巴的绝对压力下的粗产品气中，可以将在其中含有的不需要组分，即CO₂、CH₄、水蒸气、N₂、Ar、H₂S、COS、HCN、NH₃、镍和铁的羰基化物、树脂成分、CS₂、硫醇、萘、噻吩、有机硫化物和C_nH_m，在若干个阶段中通过所谓的法(Firmenschrift Nr.1676e/07.02/10；Lurgi·Gas·ChemieGmbH，Frankfurt 2002)用冷的含氧化物吸收，所述含氧化物例如CH₃OH或DME，其中CO₂在最后的区域中被移除。被负载的含氧化物通过膨胀、抽真空和加热而再生，并且随后被再利用。所述不需要的组分可以从废气或冷凝物中回收。
令人惊奇地，已经发现上述用于清洁通过加压气化固体燃料生成的粗产品气的方法，该方法基于冷的含氧化物的在单一工艺步骤中从所述粗产品气中移除所有气体杂质的能力，所述含氧化物特别是CH₃OH，也可以用于从载带有CO₂和水蒸气的循环的循环气中移除CO₂，所述循环气是在铁矿石的直接还原中形成的。取决于所用的直接还原过程，所述循环气在压力范围为2至8巴的绝对压力下具有的温度范围为50至250℃。
在直接还原中，铁矿石的形式为具有的颗粒大小为3至15mm的颗粒状物，或者作为具有颗粒大小为3至20mm的块矿，将这样的铁矿石在旋转炉中通过采用产品气作为还原剂加热至还原温度，并直接还原成海绵状金属铁。产品气与铁矿石的反应产生CO₂和水蒸气，必须将它们从循环的循环气中连续移除，其中CO₂任选与包含在循环气中的含硫化合物一起通过化学吸附气洗涤移除，和水蒸气通过冷凝移除。
发明内容
本发明的目的是在铁矿石的直接还原的过程中清除循环的循环气中的水蒸气，以及使所述循环气经历物理吸附气洗涤以移除包含在循环气中的CO₂。
这一目的通过如下方式解决：将在2至8巴的绝对压力下具有50至250℃温度的、载带有水蒸气和CO₂的循环气，从铁矿石的直接还原过程的循环气的回路中分支出来的，冷却至15至45℃的温度，压缩至25至75巴的绝对压力，和清除水蒸气，在物理吸附移除CO₂之前掺混到脱硫的产品气中。通过这一手段，从铁矿石的直接还原的循环气的回路中分支出来的、具有2至8巴绝对压力的较低压力的循环气可以被压缩至25至75巴的绝对压力，该压力对于物理吸附移除CO₂是必须的，并且同时CO₂可因此从脱硫的产品气和所述循环气中分离出来。通过这一手段，直接在铁矿石的直接还原过程的循环气的回路中安排化学吸附洗涤和水洗涤可以省略。另外，从由脱硫的产品气和分支出来的不含水蒸气的循环气组成的气体混合物中同时物理吸附移除CO₂为CO₂的液体封存提供了准备。将分支出来的循环气进行压缩所需的能量是通过将所述气体混合物膨胀获得的。还可以将多余的能量用于产生电能。
将在分支出来的循环气中含有的水蒸气通过冷凝移除。
根据本发明的另外的方面，将在冷却到15至45℃并被压缩到25至75巴绝对压力的分支出来的循环气中含有的水蒸气用含氧化物通过物理吸附从其中移除。
有利地，将铁矿石的直接还原的循环气的10至80vol％，优选10至60vol％从其回路中分支出来。
本发明的方法的一个进步在于将在25至75巴绝对压力下具有0至30℃温度的、在物理吸附移除CO₂之后回收的气体混合物膨胀到存在于循环气的回路中的2至8巴的绝对压力、加热到150至250℃的温度并进料到铁矿石的直接还原的循环气的回路中。
有利地，将温度为0至30℃的膨胀的气体混合物加热是有效的，因为热能从分支出来的循环气转移到所述气体混合物中。
本发明的特别的方面在于将通过使被负载的含氧化物膨胀到接近大气压力而解吸的CO₂转变为超临界状态，并将其用于溶剂冲洗部分脱油的石油沉积物或者用于储存在孔隙型气藏储气库、溶洞型气藏储气库、天然气枯竭气藏储气库或盐水储层中。为了这一目的，将解吸的CO₂压缩到10至30巴的绝对压力并冷却至-5至-40℃的温度。为了其它目的，将解吸的CO₂压缩到最高至40巴的绝对压力是足够的。
用于实施本发明方法的装置在于布置轴式涡轮机，其具有压缩机部分和膨胀部分以及与轴式涡轮机连接的发电机，其中在压缩机部分中，含有CO₂的、清除了大部分水蒸气的循环气被压缩至纯产品气的压力，和在膨胀部分中，将回收的气体混合物膨胀。在分支出来的循环气和进料到所述循环气的回路中的气体混合物之间的能量平衡可能不足的情况下，所述发电机也可以转换为电动机用于补偿。
具体实施方式
在下文中将借助于在附图和具体实施方案中示意性举例说明的流程图详细说明本发明。
在未示出的加压气化器中，由沥青煤生成200,000kg/h的粗产品气(以不含水和灰计)，其组成为27.8vol％的CO₂、23vol％的CO、28.6vol％的H₂、9.1vol％的CH₄、0.4vol％的C_nH_m和0.4vol％的N₂，并且在未示出的初始阶段中移除HCN和NH₃以及冷却至25至45℃，优选36℃的温度之后，通过线路(1)进料到第一阶段(2)，第一阶段(2)为在15至40巴的绝对压力，优选27巴的绝对压力下的气体洗涤阶段。在该气体洗涤过程中，H₂S和COS以及可能存在的其它含硫化合物用冷的CH₃OH从所述粗产品气中通过吸附移除，并通过线路(3)从所述过程排出，其在1.5±0.5巴的绝对压力下具有30±5℃的温度。在大约相同的压力下，具有温度为0至30℃，优选18℃的脱硫的产品气从气体洗涤的第一阶段(2)通过线路(4)流到第二阶段(5)中，第二阶段(5)为气体洗涤阶段，在该阶段中，CO₂用冷的CH₃OH通过吸附移除，并通过线路(6)从该过程中排出，其在1.5±0.5巴的绝对压力下具有30±5℃的温度。
可以将负载有所排出的CO₂的CH₃OH膨胀并通过将解吸的CO₂转变为临界状态而将其液化以及将其供给到其它应用中。为了其它应用，将解吸的CO₂压缩到最高至40巴的绝对压力是足够的。
通过线路(7)，将离开气体洗涤的第二阶段(5)的气体混合物进料到轴式涡轮机(9)的膨胀阶段(8)中，所述气体混合物由纯的产品气和不含CO₂和水蒸气的循环气形成，并在25至75巴的绝对压力下具有0至30℃，优选23℃的温度，在膨胀阶段(8)中，所述气体混合物膨胀到2至8巴的绝对压力，优选4巴的绝对压力，所处的温度范围——取决于该气体混合物的组成——为0至30℃。从铁矿石的直接还原过程的循环气的回路中分支出来的、具有2至8巴的绝对压力，优选4巴的绝对压力的、温度范围为50至250℃，优选135℃的、与所述气体混合物交叉通过热交换器(12)的、载带有CO₂和水蒸气的循环气通过线路(11、11’)供应到轴式涡轮机(9)的压缩阶段(10)中。在热交换器(12)中，包含在通过线路(11)供应的循环气中的大部分水蒸气被冷凝，并且冷凝物通过线路(13)从该过程中排出。通过线路(14)离开压缩阶段(10)的循环气在冷却后引入到气体洗涤的第二阶段(5)中，所述离开压缩阶段(10)的循环气在15至45℃，优选24℃的温度下，在压缩后具有25至75巴的绝对压力，优选34的绝对压力。在第二阶段(5)中，提供水柱，在该水柱中，将残余的水蒸气通过用CH₃OH冷凝和干燥从循环气中移除。在进入气体洗涤的第二阶段(5)之前，所述循环气可以选择性地引导经过布置在线路(14)中的热交换器(15)，从而首先降低所述循环气的温度。使通过线路(16，16’)从轴式涡轮机(9)的膨胀阶段(8)流出的、具有0至30℃，优选10℃的温度的气体混合物经过热交换器(12)。经过由分支出来的循环气导致的热交换，供应到铁矿石的直接还原过程的气体混合物的温度在2至8巴的绝对压力，优选6巴的绝对压力下被升高到150至250℃，优选280℃。发电机(17)连接于轴式涡轮机(9)的轴，发电机(17)可以转换为电动机。