专利名称：用于去除燃料气流中多种污染物的流化床系统的制作方法
用于去除燃料气流中多种污染物的流化床系统背景本发明主要涉及吸附系统，更具体地，涉及用于在单一装置中从燃料气流(例如， 从煤和生物质气化器中产生的用于整体气化联合循环(IGCC)工厂的合成气流)中去除多种污染物的吸附器。众所周知，从煤或石油中产生的工业燃料气体含有多种污染物，包括硫化合物、 氯、氨、汞、砷等。作为这类燃料气体的一种，合成气体(合成气)是通过在高温条件下将含碳燃料与氧化剂充分接触从而将其重整或是气化，以产生含氢和一氧化碳的燃料气体而制造的。近年来，大量的研究和投资都已集中在各种合成气工序，比如通过煤、生物质和废物的气化或不同燃料的均勻氧化或催化部分氧化来产生合成气。合成气可用作发电厂中的进料以在IGCC工厂中产生能量，也可以用作生产高价值化学品或运输燃料的原料，和用作燃料电池的氢源。来自煤气化器的合成气中所含的多种污染物必须在进料至下游工序前除去，从而保护下游工序中使用的催化剂，或是在进料至燃气涡轮机前除去，从而减少排放。在除去污染物的传统方法中，在合成气流供给酸性气体去除(AGR)装置(通常也称作“合成气净化系统”)前需要多个合成气的冷却步骤将合成气流冷却至室温。例如，可将合成气从1350°C冷却至500°C以去除颗粒，然后进一步冷却至250°C来去除氯。然后可以将该气体进一步冷却至90°C以使硫化羰水解。可将该气体再进一步冷却至45°C来去除硫化氢(和二氧化碳，如果需要)，使用胺以此在气化器和燃气涡轮机之间获得清洁的合成气。但是，以多个步骤对燃料气流(如合成气)进行冷却，会增加工厂的资本成本(CAPEX)， 同时也会降低工艺的热效率，这通常降低该处理技术的优势。基于胺的洗涤工序也具有诸如形成热稳定盐类、胺的分解的问题，并另外为设备密集型，如此一来便需要大量的资本投资。在较低温度下对合成气进行净化后，在进料至下游化学工序或是燃气涡轮机前， 将合成气流再次加热至预设的温度，例如350°C。多个的冷却和再次加热的步骤降低了效率并且增加了工厂的成本。期望具有用于去除较高温度下的燃料气流(例如合成气流)中多种污染物的简单而有效的系统。简述根据本发明的一个示例性实施方案，揭示了用于去除气体燃料流中多种污染物的系统。该系统包括吸附器，该吸附器中具有有多种吸附材料的流化床。设置该吸附器，以接收包括多种污染物的气体燃料流并在单一装置中吸附气体燃料流中的该多种污染物，从而产生基本不含污染物的清洁燃料气流。这些污染物包括至少一种硫化合物、氯、氨、汞、砷、 硒、镉或它们的组合。根据本发明的另一个示例性实施方案，吸附器包括有多种吸附材料的第一流化床。设置该吸附器，以接收包括多种污染物的气体燃料流，并在单一装置中从该气体燃料流吸附该多种污染物，从而产生基本不含污染物的清洁气流。这些污染物包括硫、氯、氨、汞、 砷、硒、镉，及硫、氯、氨、汞、砷、硒、镉的化合物，或它们的组合。再生器流体连接至该吸附器。该再生器包括第二流化床或输送床，其被设置以接收氧化剂。在吸附材料的吸附容量完全或部分饱和后，该氧化剂与吸附材料接触以使吸附材料再生。根据本发明的另一个示例性实施方案，吸附材料包括选自以下的至少一种金属或其组合锌、镁、钼、锰、铁、铬、铜、钴、铈、镍、钨、银、钛、钒、铝、沸石、铌，其分散或浸渍在经喷雾干燥工序制造的多种多孔颗粒载体上。多孔颗粒包含有氧化钙、氧化锌、氧化铁、氧化镁、氧化铝、二氧化硅、钛酸锌、铝酸锌、铝酸钙或其组合。设置该吸附器，以在单一装置中去除气体燃料流中的多种污染物，从而产生基本不含污染物的清洁气流。附图在参考附图(其中，在整个附图中相同的字符代表相同的部件)阅读以下的详细描述时，本发明的这些以及其它特征、方面和优点将得到更好的理解，其中
图1是根据本发明的一个示例性实施方案的系统的简图，设置该系统用于在单一装置中除去气体燃料流中的多种污染物；和图2是与根据本发明的一个示例性实施方案的系统(其设置用于在单一装置中除去气体燃料流中的多种污染物)整合的示例性合成气生产系统的简图。详述如下文所详细讨论地，本发明的实施方案提供了用于除去合成气或气体燃料流中多种污染物的系统。该系统包括吸附器，该吸附器包括有多种吸附材料的流化床，设置其以接收具有多种污染物的合成气或气体燃料流。设计该多种吸附材料，以在相似的温度范围内吸附不同的污染物。设置该吸附器，以在单一装置中除去合成气或气体燃料流中的多种污染物，以产生基本不含污染物的清洁气流。这些污染物可包括至少一种硫、氯、氨、汞、砷、 硒、镉的化合物或它们的组合。在一些实施方案中，再生器流体连接至该吸附器。该再生器包括流化床或输送床，设置其以接收氧化剂，该氧化剂与吸附材料接触以使该吸附材料再生。如本文所讨论地，该示例性系统提供了用于去除合成气或气体燃料流中多种污染物的单一装置净化方法。用于FCC(流化床催化裂化)催化剂生产的包括喷雾干燥工序的现有催化剂车间，可通过该喷雾干燥工序用于廉价地生产细微的吸附颗粒。因此，生产此类示例性吸附剂可无需追加投资来建立新的车间。参见图1，描述了用于在单一装置中去除气体燃料流中多种污染物的示例性系统 10。该系统10包含吸附器12和再生器14。吸附器12通过管道15流体连接至再生器14。 吸附器12包含第一流化床16，用以接收具有多种污染物的气体燃料流18。这些污染物可包括硫、氯、氨、汞、砷、硒、镉、本文讨论的污染物的化合物，或它们的组合。硫化合物可包含但不仅限于硫化氢、硫化羰。第一流化床16包括不同种吸附材料，用以在单一装置中吸附气体燃料流18中的多种污染物，并产生基本不含污染物的清洁气流20。在吸附器12的顶部提供了具有两级19、21的旋风分离器，从而将吸附颗粒与净化的气流进行分离。通过具有两级19、21的旋风分离器，清洁气流20所负载的吸附颗粒与流20分离。也可以在吸附器12外提供该两级闭式旋风分离器。吸附颗粒通过管道36落回到第三流化床26。在一个实施方案中，吸附材料包括多孔颗粒，该多孔颗粒包含氧化钙、氧化锌、氧化铁、氧化镁、氧化铝、二氧化硅或钛酸锌、铝酸锌、铝酸钙或其组合。吸附材料的粒度可在约30微米至约1000微米的范围以内。在一个具体实施方案中，吸附材料包括选自以下的至少一种金属锌、镁、钼、锰、铁、铬、铜、钴、铈、镍、钨、银、钛、钒、铝、沸石、铌或其组合，其使用氧化铝粘合剂分散或浸渍在喷雾干燥的多孔颗粒载体上。粘合剂用于在多孔颗粒中产生多孔性。在一个实施方案中，将至少一种金属通过物理混合与多孔颗粒载体相混合。在另一个实施方案中，将至少将一种金属通过离子交换法与多孔颗粒载体相混合。在又一个实施方案中，至少一种金属通过洗涂法与多孔颗粒载体相混合。在某些实施方案中，吸附材料可通过在喷雾干燥工序后的约500°C至约1100°C温度范围内的煅烧工序进行生产。在一个具体的实施方案中，煅烧温度可在约700°C至约900°C的范围内。在一些实施方案中，氧化铝或二氧化硅粘合剂的使用连同喷雾干燥帮助控制多孔吸附颗粒的大小、多孔性、表面积以及强度。在一个具体的实施方案中，为生产该示例性吸附颗粒，使用有机或无机的粘合剂加上水和表面活性剂来制成浆料。将金属前体加入该浆料，然后将该浆料喷雾干燥和加热。随后对颗粒进行煅烧，从而为吸附材料提供更耐磨损的特性。在某些实施方案中，气体燃料流可选自甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、石油气混合物、液化石油气蒸汽、石脑油、汽油、柴油、煤油、航空燃料；天然气或石脑油重整产生的合成气流， 煤、石油焦、生物质、废物或重油、轻油、原油、氧化的烃类原料气化产生的合成气流，或它们的组合。在一个更具体的实施方案中，气体燃料流可包括由固态和/或液态燃料气化产生的合成气，该固态和/或液态燃料包含煤、生物质、废物、油或其组合。在某些其他实施方案中，气体燃料流可包括用于整体联合循环发电厂的气化器中产生的合成气体。合成气体通常含有氢气、一氧化碳、二氧化碳和蒸汽。在一些实施方案中，气体燃料流18的温度可在约 100°C至约350°C范围内。吸附器12可在约150°C至约550°C范围内的温度下运行，并优选在200°C _400°C的范围内。再生器14包括第二流化床22，用以接收来自吸附器12的饱和或部分饱和的吸附材料以及氧化剂对。该氧化剂与来自吸附器12的吸附材料接触从而使该吸附材料再生。 再生器14中的温度在约350°C至约950°C范围内。该系统10进一步包括第三流化床沈，其与第一流化床16和第二流化床22流体连通。第三流化床沈用于接收蒸汽28，以将来自吸附器12的饱和的吸附材料再生。第二流化床22通常为具有低密度颗粒的稀相床(dilute bed)且第三流化床沈通常为具有高密度颗粒的密相床(dense bed)。在运行中，流化床22 和M用于接收氧化剂M和来自第一流化床16的饱和吸附材料，以使该吸附材料再生。氧化剂M的压力使得第二流化床22维持在所需的流化状态。此外，两级闭式旋风分离器30 通过管道32连接至再生器14。氧化剂M与吸附材料发生反应从而产生贫氧流34。贫氧流34负载的吸附材料颗粒通过两级闭式旋风分离器30与贫氧流34分离。分离后的吸附材料颗粒通过管道36送回第三流化床26。本文可使用的流化床的类型包括快速流化床和循环流化床。而示例性吸附材料的循环既可以采用升流模式也可以采用沉流模式实现。循环流化床是其中连续地将吸附材料从流化床中移出(无论是以升流方向还是以沉流方向)和随后将吸附材料再引入到流化床中以补充固体供应的流化床工艺。在较慢速率下，当气流中仍携带吸附材料时，在系统10 中采用相对的密相床来移出所携带的吸附材料。如上文所讨论的，在去除污染物的传统方法中采用的是合成气体的多个冷却步骤。但是，燃料气流(比如合成气)以多个步骤进行冷却会降低该工艺的热效率，这通常降低该工艺的优势。基于胺的洗涤工序也有诸如形成热稳定盐类，胺的分解的问题，并另外为设备密集型，因此需要大量的资本投资。根据本发明的示例性实施方案，可以容易地利用 FCC催化剂车间生产示例性的吸附颗粒。在示例性吸附器12中使用不同吸附颗粒以在单一装置中从气体燃料流中净化不同污染物。例如，设计氧化锌成分用于去除硫；设计某些碱性金属氧化物用于去除氯，等。设计某些高表面积材料用于去除汞和痕量金属(例如砷或硒)。参考图2，描述了用于在单一装置中去除气体燃料流中多种污染物的示例性系统 38。燃料40在气化器42中气化，产生热的合成气体44。合成气体44的温度可在约1100°C 至约1400°C的范围内。热的合成气体44通过冷却装置46将热的合成气体44的温度冷却， 产生冷却的气体燃料流20。在一些实施方案中，可使用多于一个的冷却装置。在阐明的实施方案中，冷却的气体燃料流20包括冷却的合成气体。将冷却的合成气体20引入吸附器12， 如之前的实施方案中所描述地，从该合成气体中去除多种污染物。将来自吸附器12的清洁气流引入终端使用装置48中。终端使用装置48可包括发电厂、煤化工厂、煤制油工厂、天然气液化工厂和制氢装置，或它们的组合。如上文所讨论，污染物可包含硫、氯、氨、汞、砷、 硒、镉、本文所讨论的污染物的化合物，或它们的组合。通过使用高温单步骤净化技术能够提高工厂(例如整体联合循环气化工厂)的效率。污染物的去除工序会增加工厂的资本成本，这类工厂包括整体联合循环气化发电厂、煤制甲醇或氢气工厂或任何其他需要去除合成气流中各种污染物的工厂。在这些应用中，使用多个去除步骤，频繁停止生产、替换吸附剂并将大量的吸附剂按化学废物进行处理而不再生，这是不可行的。示例性的方法减少传统污染物去除系统中的多个冷却步骤和单元操作。本文描述的单步骤污染物去除方法为高温车间以及其他应用提供了低成本、有效的污染物去除技术。虽然本文只阐述说明了本发明的某些特征，但本领域技术人员将想到许多变体和更改。因此，应理解所附权利要求意图覆盖所有落入本发明实质精神内的所有这类变体和更改。
权利要求
1.用于去除气体燃料流中多种污染物的系统，所述系统包含吸附器，其包含有多种吸附材料的流化床；其中，设置该吸附器以接收含有多种污染物的气体燃料流，并在单一装置中吸附气体燃料流中的所述多种污染物，从而产生基本不含该污染物的清洁燃料气流；其中，所述污染物含有至少一种硫化合物、氯、氨、汞、砷、硒、镉或它们的组合。
2.权利要求1的系统，其中所述吸附材料包含通过喷雾干燥工序制成的多孔颗粒，其中，所述吸附材料含有氧化钙、氧化锌、氧化铁、氧化镁、氧化铝、二氧化硅，或钛酸锌、铝酸锌、铝酸钙，或它们的组合。
3.权利要求1的系统，其中所述吸附材料包含选自以下的至少一种金属锌、镁、钼、 锰、铁、铬、铜、钴、铈、镍、钨、银、钛、钒、铝、沸石、铌或其组合，其分散或浸渍在喷雾干燥的多孔颗粒载体上。
4.权利要求1的系统，其中所述吸附材料通过在喷雾干燥工序后的约500°C至约 1100°C的温度范围下的煅烧而产生。
5.权利要求1的系统，其中所述吸附材料的颗粒在约30微米至约1000微米范围内。
6.权利要求1的系统，其中所述吸附器在约150°C至约550°C的温度范围内运行。
7.权利要求1的系统，其中所述硫化合物包含硫化氢和硫化羰。
8.权利要求1的系统，其中所述气体燃料流选自甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、石油气混合物、液化石油气蒸汽、石脑油、汽油、柴油、煤油、航空燃料；由天然气或石脑油重整产生的合成气流，由煤、石油焦、生物质、废物、轻油、原油、氧化的烃类原料气化而来的合成气流，或它们的组合。
9.权利要求8的系统，其中所述气体燃料流通过包含煤、生物质、废物、油或其组合的固态和/或液态燃料的气化而产生。
10.权利要求8的系统，其中所述气体燃料流用于发电厂、煤化工厂、煤制油工厂、天然气液化工厂、制氢装置或它们的组合中。
11.用于去除气体燃料流中的多种污染物的系统，所述系统包括吸附器，其含有有多种吸附材料的第一流化床；其中，设置该吸附器以接收含有多种污染物的气体燃料流，并在单一装置中吸附该气体燃料流中的所述多种污染物，从而产生基本不含该污染物的清洁燃料气流；其中，所述污染物包含硫、氯、氨、汞、砷、硒、镉，硫、氯、 氨、汞、砷、硒、镉的化合物，或它们的组合；再生器，其流体连接至所述吸附器；其中，该再生器包含第二流化床或输送床，其设置用以接收氧化剂；其中该氧化剂接触所述吸附材料，使所述吸附材料再生。
12.权利要求11的系统，其中所述吸附材料包含多孔颗粒，所述多孔颗粒包含氧化钙、 氧化锌、氧化铁、氧化镁、氧化铝、二氧化硅，钛酸锌、铝酸锌、铝酸钙，或它们的组合。
13.权利要求11的系统，其中所述吸附材料包含选自以下的至少一种金属锌、镁、钼、 锰、铁、铬、铜、钴、铈、镍、钨、银、钛、钒、铝、沸石、铌或其组合，其使用氧化铝粘合剂分散或浸渍在喷雾干燥的多孔颗粒载体上。
14.权利要求11的系统，其中所述吸附材料通过在喷雾干燥工序后的约500°C至约 1100°C的温度范围下的煅烧而产生。
15.权利要求11的系统，其中所述吸附器在约150°C至约550°C的温度范围内运行。
16.权利要求11的系统，其进一步包含至少一个第一两级闭式旋风分离器，该第一两级闭式旋风分离器与所述吸附器以流体连通。
17.权利要求11的系统，其进一步包含至少一个第二两级闭式旋风分离器，该第二两级闭式旋风分离器与所述再生器以流体连通。
18.权利要求11的系统，其中所述氧化剂包含空气、贫氧空气、富氧空气或它们的组I=I O
19.权利要求11的系统，其中所述燃料气流含有由气化器产生的合成气体。
20.权利要求19的系统，其中所述合成气体由煤、石油焦、生物质、废物或重油的气化产生。
21.吸附器，所述吸附器包含多种吸附材料，其包含选自以下的至少一种金属锌、镁、钼、锰、铁、铬、铜、钴、铈、镍、 钨、银、钛、钒、铝、沸石、铌或其组合，其分散或浸渍在多种多孔颗粒载体上；其中，多孔颗粒包含氧化钙、氧化锌、氧化铁、氧化镁、氧化铝、二氧化硅、钛酸锌、铝酸锌、铝酸钙，或其组合；其中设置所述吸附器以在单一装置中去除气体燃料流中的多种污染物，从而产生基本不含该污染物的清洁气流。
22.权利要求21的吸附器，其中所述吸附材料包含选自以下的至少一种金属或其组合锌、镁、钼、锰、铁、铬、铜、钴、铈、镍、钨、银、钛、钒、铝、沸石、铌，其使用氧化铝或二氧化硅粘合剂分散或浸渍在喷雾干燥的多孔颗粒载体上。
23.权利要求22的吸附器，其中设置氧化铝或二氧化硅粘合剂以给多孔颗粒载体提供多孔性和强度。
24.权利要求21的吸附器，其中该至少一种金属通过物理混合、离子交换法、洗涂法或其组合分散或浸透于多种多孔颗粒。
25.权利要求21的系统，其中所述吸附材料通过在喷雾干燥工序后的约500°C至约 1100°c的温度范围下的煅烧而产生。
全文摘要
本发明涉及包括吸附器的系统，该吸附器具有有多种吸附材料的流化床。设置该吸附器以接收含有多种污染物的气体燃料流，并在单一装置中吸附该气体燃料气流中的所述多种污染物，从而产生基本不含该污染物的清洁气流。设计不同的吸附材料以在近似的温度范围内去除不同的污染物。这些污染物包括至少一种硫化合物、氯、氨、汞、砷、硒、镉或它们的组合。
文档编号B01D53/12GK102292138SQ201080005587
公开日2011年12月21日 申请日期2010年1月13日 优先权日2009年1月22日
发明者V·扎曼斯基, 刘科 申请人:通用电气公司