專利名稱：制備合成氣的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及烴的氣化。更具體地，本發(fā)明的實(shí)施方案涉及基于 煤的原料、廢聚合物材料、和/或生物量材料的氣化。
背景技術(shù)：
氣化是通常在高壓下進(jìn)行的將含碳的材料轉(zhuǎn)化成一氧化碳和氫氣的 高溫過程。由于該氣體經(jīng)常用于化學(xué)品或合成烴燃料的合成，所以該氣體 經(jīng)常被稱為"合成氣"。合成氣可以被用作產(chǎn)生電力或蒸汽的燃料和用作 氫源。
用于氣化的一般進(jìn)料包括純的或?yàn)榧庸げ牧蠚堅(jiān)幕谑偷牟牧希?例如重質(zhì)原油、從焦油砂、回收的瀝青、來自油頁巖的油母質(zhì)、焦炭、和其 它高硫和/或高含金屬的殘?jiān)?、氣體、和各種碳質(zhì)的廢材料。干燥的或漿狀 的原料在高溫和(通常)高壓下，在還原(缺氧)氣氛中，在氣化器中反
應(yīng)。得到的合成氣一般含有以一氧化碳形式的大約85%的進(jìn)料碳量，余量 為二氧化碳和曱烷的混合物。
固定床、流化床和氣流床(entrained flow)為三種基本類型的氣化器。 與其它兩種類型的氣化器相比，固定床氣化器在相對低的出口溫度(425 aC-600°C )下操作且需要更少量的氧；然而，產(chǎn)物合成氣含有許多未轉(zhuǎn)化 的曱烷、以及副產(chǎn)物焦油和油。與可比較的固定床氣化器相比，流化床氣 化器在更中等的出口溫度(900°C-1050°C )下操作且需要更大量的氧。盡 管來自流化床氣化器的合成氣具有較高的純度，但是碳的轉(zhuǎn)化率低于可比 較的氣流床汽化器，所述可比較的氣流床汽化器在高得更多的溫度(1250 °C-1600°C )下操作且需要顯著更高的能量輸入，但從該氣流床汽化器可獲 得具有最高純度的合成氣。
氣流床氣化器和特定固定床氣化器較低區(qū)域中的高溫將進(jìn)料中的無 機(jī)材料轉(zhuǎn)化成熔融玻璃化的材料，所述熔融玻璃化的材料當(dāng)從氣化器中去 除時(shí)固化，生成類似粗砂的材料且通常稱為爐渣。流化床氣化器生成不被玻璃化但僅被固結(jié)或附聚的干灰。取決于氣化器，期望在較低的溫度下(不 成渣氣化器)去除灰分，或在高溫下(成渣氣化器)作為低粘度的液體去 除灰分。該惰性爐渣或灰分在建造和建筑工業(yè)中具有許多應(yīng)用。
可以利用已證實(shí)的工業(yè)技術(shù)處理原合成氣，以去除痕量元素和其它雜 質(zhì)，用于回收或再循環(huán)至氣化器。硫可以作為適于銷售的元素硫或硫酸來 回收。除了燃料源之外，合成氣可以在燃料、化學(xué)品、肥料和工業(yè)氣體的 生產(chǎn)中用作原材料。
附圖簡述
以上筒單概括了本發(fā)明，其更具體的描述可以參照實(shí)施方案，其中一 些實(shí)施方案由附圖闡釋，使得上述本發(fā)明實(shí)施方案的特征可以以這種形式 詳細(xì)地被理解。附圖僅僅闡釋一般的實(shí)施方案且因此不被認(rèn)為是限制本發(fā) 明的范圍，因?yàn)楸景l(fā)明可以允許其它等效的實(shí)施方案。


圖1描述了根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的說明性的氣化系統(tǒng)。
圖2描述了根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的說明性的氣化器。 圖3描述了根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的另 一個(gè)說明性的氣化系統(tǒng)。 圖4描述了根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的又一個(gè)說明性的氣化系統(tǒng)。 以下將參照列舉的附圖詳述本發(fā)明的這些實(shí)施方案。
實(shí)施方案的詳述
現(xiàn)在將提供詳述。各個(gè)附加的權(quán)利要求限定了單獨(dú)的發(fā)明，其為了侵 權(quán)目的被認(rèn)為是包括權(quán)利要求中說明的各種元素或限定的等同物。取決于 上下文，"本發(fā)明，，以下的全部參考在一些情況下可以僅僅是指某些具體 的實(shí)施方案。在其它情況下，將被認(rèn)為"本發(fā)明"的參照會(huì)是指在一個(gè)或 多個(gè)，但不必是全部權(quán)利要求中記載的主題。本發(fā)明的各個(gè)方面現(xiàn)將被更 詳細(xì)地描述，包括具體的實(shí)施方案、描述和實(shí)施例，但是發(fā)明并不限于這 些實(shí)施方案、描述或?qū)嵤├?，?dāng)本專利的信息與可利用的信息和技術(shù)組合 起來時(shí)，包括這些實(shí)施方案、描述或?qū)嵤├沟帽绢I(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠 制造和使用本發(fā)明。
在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，提供了將原料轉(zhuǎn)化成合成氣的氣化系統(tǒng)和 方法。所述的氣化系統(tǒng)和方法在靈活性、效率和安全性上提供了極好的平 衡，且伴隨低排放至無排放。該系統(tǒng)和方法可以制備具有降低雜質(zhì)、降低的氧氣消耗、和較高冷氣效率的合成氣物流。制備的合成氣可以被進(jìn)一步 加工成適于銷售的產(chǎn)品，包括但不限于電、燃料、化學(xué)品、蒸汽、和氫。
在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，可以在流化反應(yīng)區(qū)將一種或多種原料和一 種或多種氧化劑結(jié)合。
一種或多種吸附劑是任選的?？梢詫⒎磻?yīng)區(qū)加熱至
1050。F-1卯0。F的溫度(即相對低的溫度)以提供包含二氧化碳、 一氧化 碳和氬的合成氣。可以將至少一部分合成氣通至或進(jìn)料至一個(gè)或多個(gè)燃?xì)?透平或燃?xì)廨啓C(jī)中以產(chǎn)生動(dòng)力和/或電?？梢詫⒅辽僖徊糠趾铣蓺馔ㄖ烈粋€(gè) 或多個(gè)氣體轉(zhuǎn)化器中以產(chǎn)生一種或多種費(fèi)-托(Fischer-Tropsch)產(chǎn)物、化 學(xué)品、和/或原料曱醇、其衍生物、和/或其組合，包括氨和甲醇。
在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，運(yùn)至氣化器中的氫源和一氧化碳源來自氣 化工藝本身。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，氬和一氧化碳可以獨(dú)立地按要求 進(jìn)料至氣化器中。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，可以使用第二材料以清除進(jìn) 入氣化器中的氧，如在氣化器進(jìn)料中斷期間，從而防止氧濃度積聚到足以 支持與氣化器中存在的氫的不可控制反應(yīng)的水平。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案 中，所述第二材料可以包括含有可以清除殘余氧的活性碳的灰。
參照附圖，圖1描述了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的說明性的氣 化系統(tǒng)。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，氣化系統(tǒng)可以包括一個(gè)或多個(gè)氣化器 200、微粒去除系統(tǒng)300、和氣體純化系統(tǒng)400以制備包含85%或更多的組 合的一氧化碳和氫及余量物質(zhì)主要為二氧化碳和曱烷的合成氣物流410。 在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，氣化系統(tǒng)可以包括一個(gè)或多個(gè)氣體轉(zhuǎn)化器500 以制備一種或多種費(fèi)-托產(chǎn)物、化學(xué)品、和/或原料曱醇、其衍生物、和/或 其組合，包括氨和曱醇。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，氣化系統(tǒng)可以包括一 個(gè)或多個(gè)氫分離器600、燃料室(fuel cell) 650、燃?xì)廨啓C(jī)700、蒸汽4侖才幾 800、廢熱鍋爐850、和發(fā)電機(jī)775、 875以制備燃料、動(dòng)力、蒸汽和/或能 量。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，氣化系統(tǒng)可以包括一個(gè)或多個(gè)空氣分離裝 置("ASU")900用于基本不含氮的合成氣的生產(chǎn)。
可以將一種或多種原料經(jīng)由物流210以及一種或多種氧化劑經(jīng)由物流 205引入至一個(gè)或多個(gè)氣化器200以制備原合成氣物流280。在一個(gè)或多 個(gè)實(shí)施方案中，氧化劑的類型和量可以決定合成氣的組成和物理性質(zhì)，并 因此決定由其制備的下游產(chǎn)物。 一種或多種氧化劑可以包括但不限于空 氣、氧、基本的氧、富含氧的空氣、氧和空氣的混合物、氧和惰性氣體如 氮和氬的混合物等。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，氧化劑可以含有大約65體積％的氧或更多、或大約70體積％的氧或更多、或大約75體積°/。的氧 或更多、或大約80體積％的氧或更多、或大約85體積％的氧或更多、或 大約90體積％的氧或更多、或大約95體積％的氧或更多、或大約99體積 %的氧或更多。如本文所用的術(shù)語"基本的氧"指的是含有51體積°/。或更 多氧的氧物流。如本文所用的術(shù)語"富含氧的空氣"指的是含有21體積％ 或更多氧的空氣。例如，可以從空氣的低溫蒸餾、變壓吸附、膜分離或其 組合獲得富含氧的空氣。
在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，氧化劑物流205可以是不含氮的或基本不 含氮的。"基本不含氮"意思是氧化劑物流205含大約5體積％的氮或更少、 4體積％的氮或更少、3體積％的氮或更少、2體積％的氮或更少、或l體 積％的氮或更少。
本文所使用的術(shù)語"原料"指的是原材料，不論是固體、氣體或液體。 例如，原料可以包括一種或多種碳質(zhì)材料。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，碳 質(zhì)材料可以包括但不限于生物量(即，植物和/或動(dòng)物物質(zhì)或植物和/或動(dòng) 物衍生的物質(zhì))、煤(例如高鈉褐煤、低鈉褐煤、褐煤、次煙煤、和/或無 煙煤)、油頁巖、焦炭、焦油、瀝青質(zhì)、低灰或無灰聚合物、基于烴的聚 合物材料、生物量衍生材料、或來自制造操作的副產(chǎn)物?；跓N的聚合物 材料可以包括，例如，熱塑性塑料、彈性體、橡膠，包括聚丙烯、聚乙烯、 聚苯乙烯、包括其它聚烯烴、均聚物、共聚物、嵌段共聚物、及其共混物； PET (聚對苯二曱酸乙二酯)、高分子共混物、含氧的聚烴 (poly-hydrocarbons );來自石油精煉廠和石油化工廠的重?zé)N淤渣和底部產(chǎn) 物如烴蠟；其摻合物、其衍生物；及其組合。
在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，原料可以包括兩種或更多種碳質(zhì)材料(即， 含碳的材料)的混合物或組合物。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，原料可以包 括兩種或更多種低灰或無灰聚合物、生物量衍生材料或源自制造操作的副 產(chǎn)物的混合物或組合物。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，原料可以包括與一種 或多種丟棄的消費(fèi)品結(jié)合的 一種或多種碳質(zhì)材料，所述丟棄的消費(fèi)品例如 地毯和/或汽車塑料部件/組件，包括保險(xiǎn)杠和儀表板。這種丟棄的消費(fèi)品 優(yōu)選適當(dāng)?shù)亟档统叽缫詳M合在氣化器200中。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中， 原料可以包括一種或多種再生的塑料如聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、其衍 生物、其共混物、或其任意組合。因此，該方法可以用于適應(yīng)先前制造的 材料的適當(dāng)處理的要求。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，原料物流210可以為干燥進(jìn)料或以漿狀或 懸浮物輸送至氣化器200。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，可以將原料干燥， 例如干燥至18%的水分，并且然后通過研磨裝置如一個(gè)或多個(gè)平行的球磨 機(jī)在進(jìn)料至氣化器200之前將原料粉碎。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，原料 可以具有大約50微米-大約500微米，或大約50微米-大約400微米的平 均粒徑。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，原料的平均粒徑可以為大約150微米 -大約45(M鼓米，或大約25(H數(shù)米-大約40(H鼓米。
原合成氣物流280流出一個(gè)或多個(gè)氣化器200。該原合成氣物流280 可以含有85%或更多的一氧化碳和氫，且余量物質(zhì)主要為二氧化碳和曱 烷。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，原合成氣物流280可以含有90°/?；蚋嗟?一氧化碳和氫、95%或更多的一氧化碳和氫、97%或更多的一氧化碳和氫、 或99%或更多的一氧化碳和氫。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，原合成氣物流 280的一氧化碳含量可以低至大約10體積％、 20體積％、或30體積％， 至高達(dá)大約50體積％、 70體積％或85體積％。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中， 原合成氣物流280的一氧化碳含量可以低至大約15體積％、 25體積％、 或35體積％，至高達(dá)大約65體積％、 75體積％或85體積％。在一個(gè)或多 個(gè)實(shí)施方案中，原合成氣物流280的氫含量可以低至大約1體積％、 5體 積％、或10體積％,至高達(dá)大約30體積％、 40體積％或50體積％。在一 個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，原合成氣物流280的氫含量為大約20體積％-大約 30體積％。
在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，原合成氣物流280可以含有少于25體積％ 的結(jié)合的氮、曱烷、二氧化碳、水、疏化氫、和氯化氫。在一個(gè)或多個(gè)實(shí) 施方案中，原合成氣物流280可以含有少于20體積％的結(jié)合的氮、曱烷、 二氧化碳、水、硫化氫、和氯化氫。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，原合成氣 物流280可以含有少于15體積％的結(jié)合的氮、曱烷、二氧化碳、水、硫化 氫、和氯化氫。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，原合成氣物流280可以含有少 于10體積％的結(jié)合的氮、曱烷、二氧化碳、水、硫化氫、和氯化氫。在一 個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，原合成氣物流280可以含有少于5體積％的結(jié)合的 氮、曱烷、二氧化碳、水、硫化氬、和氯化氬。
在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，原合成氣物流280的二氧化碳含量為大約 25體積％或更少、20體積％或更少、15體積％或更少、10體積％或更少、 5體積％或更少、3體積％或更少、2體積。/。或更少、或1體積％或更少。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，原合成氣物流280的曱烷含量為大約15體積％ 或更少、10體積％或更少、5體積％或更少、3體積％或更少、2體積％或 更少、或1體積％或更少。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，原合成氣物流280 的水含量為大約40體積％或更少、30體積％或更少、25體積％或更少、 20體積％或更少、15體積％或更少、10體積％或更少、5體積％或更少、3 體積％或更少、2體積％或更少、或1體積％或更少。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方 案中，原合成氣物流280不含氮或基本不含氮，例如含有少于0.5體積％ 的氮。
可以使用 一種或多種微粒去除系統(tǒng)300來部分地或完全從原合成氣物 流280中去除任何樣史粒以提供微粒物流305和分離的合成氣物流310。在 一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，可以利用一個(gè)或多個(gè)冷卻器275 ("—級(jí)冷卻器") 將原合成氣物流280冷卻以在進(jìn)入微粒去除系統(tǒng)300之前提供冷卻的原合 成氣物流290。例如可以將原合成物流280冷卻至大約1000。F或更低。在 一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，可以將原合成物流280冷卻至大約900。F或更j氐、 800。F或更低、700。F或更低、600。F或更低、500°F或更低、400。F或更 低、或300。F或更低。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，在一個(gè)或多個(gè)微粒去除 系統(tǒng)之前將原合成氣物流280冷卻是任選的。例如，原合成氣物流280可 以直接進(jìn)料至微粒去除系統(tǒng)300,使得去除熱氣體微粒(例如 1050°F-1900°F)。
一個(gè)或多個(gè)微粒去除系統(tǒng)300可以包括一個(gè)或多個(gè)分離裝置如常規(guī)的 沉降器(disengager)和/或旋風(fēng)分離器(未示出)。還可以使用能夠提供低 于大約O.lppmw的檢出限的出口微粒濃度的微?？刂蒲b置("PCD")。說 明性的PCDs可以包括但不限于燒結(jié)的金屬過濾器、金屬燭式過濾器、和/ 或陶瓷燭式過濾器(例如，鐵鋁化物(iron aluminide )過濾器材料)。
可以將來自物流305的固體微粒再循環(huán)至氣化器200 (未示出)或從 所示的系統(tǒng)中清除。可以利用一個(gè)或多個(gè)冷卻器375 ("二級(jí)冷卻器，，)將 分離的合成氣物流310冷卻以提供冷卻的、分離的合成氣物流3卯。分離 的合成氣物流390可以具有大約650°F或更低的溫度，例如300°F-550°F。 該冷卻的、分離的合成氣物流390可以在一個(gè)或多個(gè)氣體純化系統(tǒng)400中 被處理來去除污染物且提供廢物流405和處理過的合成氣物流410。 一個(gè) 或多個(gè)氣體純化系統(tǒng)400可以包括系統(tǒng)、方法和裝置以去除在分離的合成 氣物流390中的硫和/或含硫的化合物。說明性的催化氣體純化系統(tǒng)400可以包括，但不限于，利用鈦酸鋅、鐵酸鋅、氧化錫、氧化鋅、氧化鐵、 氧化銅、氧化鈰或其混合物的系統(tǒng)。說明性的基于工藝流程的氣體純化系
統(tǒng)400可以包括，^f旦不限于，SelexolTM方法、Rectisol⑧方法、CrystaSul從) 方法、和Sulfmol Gas Treatment方法。
在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，可以使用一種或多種胺溶劑如甲基-二乙醇 胺(MDEA)以從合成氣物流390中去除任何酸性氣體。還可以使用物理溶 劑如Selexol (聚乙二醇的二曱基醚)或Rectisol (冷曱醇)。如果合成氣 物流390含有碌u化碳(COS)，那么石克化石友可以在催化劑上通過與水反應(yīng)水 解轉(zhuǎn)化成硫化氫，且然后利用上述方法吸收。如果合成氣物流390含有汞， 那么可以利用被石危浸過的活性炭床將汞去除。
在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，可以將鈷-鉬("Co-Mo")催化劑引入至一 個(gè)或多個(gè)處理裝置400中以進(jìn)行合成氣的酸變換。Co-Mo催化劑可以在大 約"0。F的溫度下在H2S存在下起作用，如大約100 ppmw的H2S。如果 Co-Mo催化劑用于進(jìn)行酸變換，那么隨后硫的下游去除可以利用任何上述
的^5克去除方法和/或:l支術(shù)來完成。
從氣體純化系統(tǒng)400中得到的處理過的合成氣物流410可以燃燒以制 備或產(chǎn)生動(dòng)力和/或蒸汽。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，處理過的合成氣物流 410可以作為商品出售。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，可以使用處理過的合 成氣物流410以生成費(fèi)-托產(chǎn)物、化學(xué)品、和/或原料。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施 方案中，可以將氫從處理過的合成氣物流410中分離出來并用于氫化工藝、 燃料室能量工藝、氨生產(chǎn)和用作燃料。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，可以將 一氧化碳從處理過的合成氣物流410中分離出來并用于化學(xué)品的生產(chǎn)，例 如乙酸、光氣/異氰酸酯、曱酸、和丙酸。
仍然參照圖1，可以使用一個(gè)或多個(gè)氣體轉(zhuǎn)化器500來將處理過的合 成氣物流410轉(zhuǎn)化成一種或多種經(jīng)由物流510的費(fèi)-托產(chǎn)物、化學(xué)品、和/ 或原料("轉(zhuǎn)化的氣體物流510")。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中， 一個(gè)或多個(gè) 氣體轉(zhuǎn)化器500中的至少一個(gè)可以包括一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)換反應(yīng)器(shift reactor)以通過將CO轉(zhuǎn)化成C02來調(diào)整合成氣體中氫對一氧化碳的比率 (H2:CO)。在一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)換反應(yīng)器中，水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)是使處理過的合 成氣物流410中的至少一部分一氧化碳與水在催化劑和/或高溫存在下反 應(yīng)以生成氫和二氧化碳。 一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)換反應(yīng)器可以包括，但不限于，單 級(jí)絕熱固定床反應(yīng)器、帶有中間級(jí)冷卻、蒸汽生成或冷卻淬火反應(yīng)器的多級(jí)絕熱固定床反應(yīng)器、帶有蒸汽生成或冷卻的管狀固定床反應(yīng)器，流化床 反應(yīng)器、或其任意組合。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，可以使用利用具有裝
有轉(zhuǎn)換催化劑和高溫(大約1900。F) 二氧化碳吸附劑的多級(jí)固定床反應(yīng)器 的變壓吸附裝置的吸附加強(qiáng)的水煤氣轉(zhuǎn)換(SEWGS)方法?？梢岳酶鞣N轉(zhuǎn) 換催化劑。
在至少一個(gè)具體的實(shí)施方案中，轉(zhuǎn)換反應(yīng)器可以包括兩個(gè)串聯(lián)設(shè)置的 反應(yīng)器?？梢栽诟邷?大約650。F-大約750。F)下操作第一反應(yīng)器以利用 鐵-鉻催化劑以相對高的反應(yīng)速率將存在于處理過的合成氣物流410中的 大量CO轉(zhuǎn)化成C02?？梢栽谙鄬Φ偷臏囟?大約300。F-大約400°F )下 操作第二反應(yīng)器以利用氧化銅和氧化鋅的混合物完成CO到C02的轉(zhuǎn)化。
在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，可以將來自轉(zhuǎn)換反應(yīng)器500的回收的二氧 化碳用于燃料回收工藝以增強(qiáng)油和氣體的回收。在說明性的油回收工藝 中，可以將二氧化碳注射并沖洗到"擱淺"油所處的現(xiàn)有井下面的區(qū)域。 然后可以分離和再循環(huán)從原油中去除的水和二氧化碳。
在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，可以利用一個(gè)或多個(gè)氣體轉(zhuǎn)化器500中的 至少一個(gè)以生成一種或多種費(fèi)-托("F-T")產(chǎn)物，包括精煉廠/石油化工原 料、運(yùn)輸燃料、合成的原油、液體燃料、潤滑劑、a-烯烴、蠟等。該反應(yīng) 可以利用基于銅、釕、鐵或鈷的催化劑，或其組合，取決于反應(yīng)器構(gòu)型， 在大約190。C-大約45(TC的條件下，在任意類型的反應(yīng)器中進(jìn)行，所述反 應(yīng)器例如固定床、移動(dòng)床、流化床、漿態(tài)床、沸騰床等。另外的反應(yīng)和催 化劑詳情可見第20050284797號(hào)美國專利申請和第5,621,155號(hào)、第 6,682,711號(hào)、第6，331,575號(hào);、第6,313,062號(hào)、第6,284, 807號(hào)、第6，136，868 號(hào)、第4,568663號(hào)、第4,663,305號(hào)、第5,348,982號(hào)、第6,319,960號(hào)、笫 6，124，367號(hào)、第6,087,405號(hào)、第5,945,459號(hào)、第4,992,406號(hào)、第6,117,814 號(hào)、第5,545,674號(hào)和第6,300，268號(hào)美國專利。
F-T產(chǎn)物為液體，其可以被運(yùn)送至精煉廠用于進(jìn)一步的化學(xué)反應(yīng)并升 級(jí)為多種產(chǎn)物。某些產(chǎn)物，例如，C4-C5烴，可以是高質(zhì)量的鏈烷烴溶劑， 如果期望的話，其可以被加氫處理以去除烯烴雜質(zhì)，或在沒有被加氫處理 的情況下使用以生成各種各樣的蠟產(chǎn)物?？梢詫16+液體烴產(chǎn)物通過各 種加氫轉(zhuǎn)化反應(yīng)來升級(jí)，例如氫化裂解、加氫異構(gòu)化催化脫蠟、異構(gòu)脫蠟 (isodewaxing)等，或其組合，以生成中間餾分、柴油、噴氣式發(fā)動(dòng)才幾燃料例如低冰點(diǎn)噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)燃料、高十六烷值噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)燃料等、異鏈 烷屬溶劑、潤滑劑例如適合運(yùn)輸車輛的潤滑油摻合組分和潤滑油基原料、 適用于鉆探泥漿的無毒鉆探油、技術(shù)和醫(yī)藥級(jí)白油、化學(xué)原材料，以及各 種特種產(chǎn)品。
在至少一個(gè)具體的實(shí)施方案中， 一個(gè)或多個(gè)氣體轉(zhuǎn)化器500中的至少 一個(gè)可以包括一個(gè)或多個(gè)漿態(tài)泡罩塔反應(yīng)器以生成一種或多種F-T產(chǎn)物。 可以利用載在二氧化鈦上的用錸促進(jìn)的鈷催化劑，其中Re:Co的重量比率 大約為0.01:1，且含有大約2%重量-50%重量的鈷，在小于220。C的溫度下， 在大約10-大約60psia或在大約250-350psia下運(yùn)4亍漿態(tài)泡罩;荅反應(yīng)器。在 一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，在漿態(tài)泡罩塔反應(yīng)器中的催化劑可以包括，但不 限于，用催化銅或鐵族金屬的鹽、多羥基化合物或多元醇、以及任選地錸 化合物或鹽浸過的二氧化鈦載體。多羥基化合物或多元醇的例子包括乙二 醇、丙三醇、丁四醇(derythritol )、蘇丁醇(threitol )、核糖醇、阿糖醇 (arabinitol )、木糖醇、蒜糖醇、衛(wèi)矛醇、葡萄糖醇(gluciotol )、山梨醇 和甘露醇。作為濃縮鹽水溶液的催化金屬，銅或鐵族金屬，例如硝酸鈷或 乙酸鈷，可以與多羥基化合物且任選地與高錸酸混合，同時(shí)調(diào)整水的量來 獲得溶液中15重量％的鈷，并任選地使用初期濕潤技術(shù)來將催化劑浸漬到 金紅石或銳鈦礦二氧化鈦載體上，任選地進(jìn)行噴霧干燥并煅燒。該方法降 低了錸助催化劑的需求。另外的詳情可見第5,075,269號(hào)和第6,331,575號(hào) 美國專利。
在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，可以使用一個(gè)或多個(gè)氣體轉(zhuǎn)化器500中的 至少一個(gè)來制備曱醇、曱酸烷基酯、二曱基醚、氨、乙酸酐、乙酸、乙酸 曱酯、乙酸酯、乙酸乙烯酯和聚合物、烯酮、曱醛、二曱基醚、烯烴、其 衍生物，和/或其組合。對于曱醇的生產(chǎn)而言，例如可以使用液相甲醇方法 (LPMEOHTM)。在該方法中，利用漿態(tài)泡罩塔反應(yīng)器和在惰性烴油反應(yīng) 介質(zhì)中的催化劑可以將合成氣物流410中的一氧化碳直接轉(zhuǎn)化成曱醇，所 述惰性烴油反應(yīng)介質(zhì)在大量非高峰期間空轉(zhuǎn)時(shí)可以長時(shí)間保存反應(yīng)熱，同 時(shí)保持好的催化劑活性。另外的詳情可見第2006/0149423號(hào)美國專利申 請，和以前出版的Heydorn， E. C, Steet, B.T.,和Kornosky, R.M., "Liquid Phase Methanol (LPMEOH ) Project Operational Experience,"(于1998年 10月4-7日，在舊金山氣化技術(shù)理事會(huì)會(huì)議(Gasification Technology Council Meeting )上發(fā)表的)。也可以使用氣相方法來制備曱醇。例如，可以<吏用已4口的基于銅j崔4b劑的方法，Imperial Chemical Industries方法、 Lurgi方法和Mitsubishi方法。
對于氨的生產(chǎn)而言，可以調(diào)整一個(gè)或多個(gè)氣體轉(zhuǎn)化器500中的至少一 個(gè)來進(jìn)行LeBanc 等人在 "Ammonia ，， ， Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology,第二巻，第三版，1978年，第494-500頁中所述的 Haber-Bosch方法。對于曱酸烷基酯的生產(chǎn)而言，例如曱酸曱酯，可以利 用 一氧化碳和曱醇在堿性催化劑或者堿金屬或堿土金屬曱醇鹽催化劑存 在下的液相或氣相反應(yīng)的任何方法。另外的詳情可見第3,716,619號(hào)、第 3,816,513號(hào)和第4,216,339號(hào)美國專利。
盡管沒有顯示于圖1中，可以將二氧化碳從轉(zhuǎn)化的氣體物流510中分 離和/或回收。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，可以使用物理吸附技術(shù)。適當(dāng)?shù)?吸附劑和技術(shù)包括，但不限于，碳酸異丙烯酯物理吸附劑溶劑以及其它碳 酸烷基酉旨、具有2-12個(gè)乙二醇單元的聚乙二醇二曱基醚(SelexolTM方法)、 正-曱基-吡咯烷酮、環(huán)丁砜、Sulfinol Gas Treatment方法的4吏用。
至少一部分的轉(zhuǎn)化的氣體物流510可以被銷售或利用未示出的進(jìn)一步 的下游過程來升級(jí)。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，至少一部分的轉(zhuǎn)化的氣體 物流510可以被運(yùn)送至一個(gè)或多個(gè)氫分離器600中。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方 案中，至少一部分的處理過的合成氣物流410可以繞開上述的一個(gè)或多個(gè) 氣體轉(zhuǎn)化器500，并可直接進(jìn)料至一個(gè)或多個(gè)氫分離器600中。
一個(gè)或多個(gè)氫分離器600可以包括任何系統(tǒng)或裝置來選擇性地從合成 氣中分離氫以提供一種或多種純化的氫物流以及一種或多種廢氣物流。在 一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，氫分離器600可以提供富含二氧化碳的物流605 和富含氫的物流615。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，可以使用至少一部分富 含氫的物流615作為運(yùn)至一個(gè)或多個(gè)燃料室650的原料，并且可以將至少 一部分富含氫的物流615在用作一個(gè)或多個(gè)燃燒室750中的燃料之前與處 理過的合成氣物流410結(jié)合。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，氫分離器600可 以利用變壓吸收、低溫蒸餾、和半透膜。適當(dāng)?shù)奈談┛梢园列遭c、 碳酸鉀或其它無積^咸、和/或鏈烷醇胺(alanolamines )。
在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，可以在一個(gè)或多個(gè)燃燒室750中燃燒至少 一部分處理過的合成氣物流410以提供高壓/高溫廢氣物流720。在一個(gè)或 多個(gè)實(shí)施方案中，可以將廢氣物流720引入到一個(gè)或多個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)700中 以提供廢氣物流810和機(jī)械軸動(dòng)力以驅(qū)動(dòng)一個(gè)或多個(gè)發(fā)電機(jī)775。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，可以將廢氣物流810引入到一個(gè)或多個(gè)熱回收系統(tǒng)850 中以提供經(jīng)由物流820的蒸汽。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，可以將物流820 中的第一部分蒸汽引入到一個(gè)或多個(gè)蒸汽輪機(jī)800中以提供機(jī)械軸動(dòng)力來 驅(qū)動(dòng)一個(gè)或多個(gè)發(fā)電機(jī)875。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，可以將物流820 中的第二部分蒸汽引入到氣化器200中，和/或其它輔助工藝設(shè)備中。在一 個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，來自 一個(gè)或多個(gè)蒸汽輪機(jī)800的較低壓蒸汽可以再 循環(huán)至一個(gè)或多個(gè)經(jīng)由物流830的熱回收系統(tǒng)850。
在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，來自ASU900的純氧可以被提供至氣化器 200中，在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，ASU卯0可以向一個(gè)或多個(gè)氣化器200 中提供貧氮富氧的物流910，從而將系統(tǒng)中的氮濃度最小化。使用幾乎純 氧的物流允許氣化器200制備基本不含氮的合成氣物流280，例如含有少 于0.5%的氮/氬。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，ASU 900可以是高壓低溫型 分離器，其可以用空氣經(jīng)由物流905來補(bǔ)充?？梢詫碜訟SU的廢氣氮 物流915加入到燃?xì)廨啓C(jī)中，正如以下更詳細(xì)解釋的或用于實(shí)際的用途。
在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，進(jìn)料至氣化器200的最高達(dá)50%的總氧化 劑可以由ASU900經(jīng)由物流910來提供。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，進(jìn)料 至氣化器200的最高達(dá)40%的總氧化劑可以由ASU 900經(jīng)由物流910來提 供。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，進(jìn)料至氣化器的最高達(dá)30%的總氧化劑可 以由ASU卯0經(jīng)由物流910來提供。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，進(jìn)料至氣 化器的最高達(dá)20%的總氧化劑可以由ASU 900經(jīng)由物流910來提供。在一 個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，進(jìn)料至氣化器的最高達(dá)10%的總氧化劑可以由ASU 900經(jīng)由物流910來提供。
圖2描述了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的說明性的氣化器。氣 化器200可以包括單反應(yīng)器裝置或者串聯(lián)或并聯(lián)設(shè)置的兩個(gè)或多個(gè)反應(yīng)器 裝置。各個(gè)反應(yīng)器裝置可以包括一個(gè)或多個(gè)混合區(qū)215、提升管220、和 沉降器230、 240。各個(gè)反應(yīng)器裝置可以彼此獨(dú)立地構(gòu)造或可以共享任意一 個(gè)或多個(gè)混合區(qū)215、提升管220、沉降器230、 240地來構(gòu)造。為了簡化 和描述的方便，氣化器200的實(shí)施方案將在單反應(yīng)器裝置的上下文中進(jìn)行 進(jìn)一步描述。
在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，可以將一種或多種原料(經(jīng)由物流210) 和一種或多種氧化劑(經(jīng)由物流205 )在混合區(qū)215中混合以提供氣體混 合物。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，如所示可以將原料和氧化劑分別注射到
1混合區(qū)215或在注射到混合區(qū)之前將其混合(未示出)。在一個(gè)或多個(gè)實(shí) 施方案中，可以將原料和氧化劑相繼注射到氣化器200中。在一個(gè)或多個(gè) 實(shí)施方案中，可以將原料和氧化劑同時(shí)注射到氣化器200中。向氣化器200 中的進(jìn)料(即，原料和氧化劑的引入)取決于期望的產(chǎn)物類型和等級(jí)可以 是連續(xù)的或間歇的。
氣體懸浮物向上移動(dòng)通過混合區(qū)215進(jìn)入提升管220，在此需要額外 的停留時(shí)間使得發(fā)生燒焦氣化、曱烷/蒸汽重整、焦油裂化、和/或水煤氣 轉(zhuǎn)換反應(yīng)。提升管220可以在比混合區(qū)215高的溫度下進(jìn)行，且可以具有 比混合區(qū)215小的直徑。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，在提升管220中的表 面的氣體速度可以為大約10ft/s-大約90ft/s、或大約20ft/s-大約80ft/s、或 大約30ft/s-大約70ft/s、或大約30ft/s-大約40ft/s、或大約35ft/s-大約60ft/s。 提升管220中的適當(dāng)溫度可以為大約600°F-2000°F。
氣體混合物流出提升管220并進(jìn)入沉降器230、 240中，在此處可以 將較大的微粒從氣體中分離并通過一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)管再循環(huán)回至混合區(qū)215 中，所述導(dǎo)管包括，但不限于，豎管250和/或j-支管255。 j-支管255可 以包括非機(jī)械的"j-閥，，以增加有效的固體停留時(shí)間，提高碳的轉(zhuǎn)化，并 將用于固體再循環(huán)至混合區(qū)215的充氣要求最小化。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方 案中，沉降器230、 240可以為旋風(fēng)分離器。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中， 一個(gè)或多個(gè)孩"立轉(zhuǎn)移裝置245，例如一個(gè)或多個(gè)回路密封，可以位于沉降 器230、 240的下游以收集分離的微粒細(xì)物。在原合成氣物流280中的任 何夾帶或殘留的微粒可以利用一個(gè)或多個(gè)微粒去除系統(tǒng)300 (示于圖1) 來去除。
在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，可以將原料的平均顆粒直徑用作控制變量 以將通過豎管250再循環(huán)至混合區(qū)的固體微粒密度最優(yōu)化。在一個(gè)或多個(gè) 實(shí)施方案中，原料顆粒大小可以變化以將微粒的質(zhì)量循環(huán)速率最優(yōu)化，且 改進(jìn)了混合區(qū)215和提升管220中的氣體混合物的流動(dòng)特性。
還可以將一種或多種吸附劑加入到氣化器200中。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施 方案中，可以將吸附劑加入以捕獲合成氣中的污染物，例如在氣化器200 的氣相中的鈉蒸汽。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，可以將吸附劑以一定速率 和水平加入來清除氧，所述的速率和水平足以延遲或防止氧達(dá)到可以導(dǎo)致 與來自混合區(qū)215內(nèi)的原料的氫(例如，水)的不期望的副反應(yīng)的濃度。 在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，可以使用吸附劑將氣化器中的原料顆粒除塵或涂覆以降低微粒附聚的趨勢。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，可以將一種或多
種氧化劑在混合區(qū)215的底部引入以通過燃燒任何包含于再循環(huán)微粒中的 碳形成灰("炭")來提高混合區(qū)215和提升管220中的溫度。在一個(gè)或多 個(gè)實(shí)施方案中，可以將吸附劑研磨至大約5jLim-100iim的平均粒徑，或大 約10nim-75jam的平均粒徑。說明性的吸附劑可以包括，但不限于，富碳 灰、石灰石、白云石和焦屑。從原料中釋放的殘余硫可以被進(jìn)料中的天然 鈣或被基于鈣的吸附劑捕獲以形成硫化鈣。
在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，可以將一種或多種氧化劑以適于控制混合 區(qū)215溫度的速率引入到混合區(qū)215中。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中， 一種 或多種氧化劑可以包括過量的空氣。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中， 一種或多 種氧化劑可以為亞化學(xué)計(jì)量的空氣，其中氧對碳的摩爾比率可以維持在亞 化學(xué)計(jì)量濃度下，以有利于在混合區(qū)215中形成一氧化碳而不是二氧化碳。 在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，向混合區(qū)215中通過氧化劑提供的氧可以小于 將供應(yīng)至混合區(qū)215的全部碳完全燃燒所需氧的化學(xué)計(jì)算量的5%。如果 有的話，空氣中過量的氧和蒸汽可以通過在進(jìn)料中斷操作過程中和期間穩(wěn) 定反應(yīng)器溫度的再循環(huán)固體來消耗。
氣化器200中的停留時(shí)間和溫度應(yīng)當(dāng)足夠使水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)達(dá)到平 衡。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，混合區(qū)215中原料的停留時(shí)間大于大約2 秒。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，混合區(qū)215中原料的停留時(shí)間大于大約5 秒。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，混合區(qū)215中原料的停留時(shí)間大于大約10 秒。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，氣化器200的操作溫度為大約500。F、750。F、 或1000。F至大約1200°F、 1500°F、或1800°F。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中， 氣化器200的操作溫度為大約700。F-大約1750°F。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案 中，氣化器200的操作溫度為大約900。F-大約1600°F。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施 方案中，氣化器200的操作溫度為大約1200。F-大約1600°F。
在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，氣化器200可以在足夠且不熔化灰的溫度 范圍下操作，例如大約1050。F-大約1卯0。F，或大約1540。F-大約1710°F。 在再循環(huán)固體接觸進(jìn)入的原料之前，可以通過在混合區(qū)215的下部燃燒再 循環(huán)固體中的碳來提供熱量。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，可以通過將混合 區(qū)215的溫度提高到大約950。F-大約1200°F,且任選地通過向混合區(qū)215 進(jìn)料焦屑或等同物以進(jìn)一步將混合區(qū)215的溫度提高到大約1650。F來引 發(fā)啟動(dòng)。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，可以通過提升管220中固體的再循環(huán)速率 和停留時(shí)間、通過在再循環(huán)至混合區(qū)215之前降低灰的溫度、通過向混合 區(qū)215中加入蒸汽、和/或向混合區(qū)215中加入氧化劑來控制氣化器200 的操作溫度。再循環(huán)固體還可以用于迅速加熱進(jìn)料，這也使得焦油的形成 最小化。
在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，可以在大約0psig-大約650psig的壓力下 操作混合區(qū)215以增加每單位反應(yīng)器截面面積的熱輸出并增強(qiáng)任意隨后的 動(dòng)力循環(huán)中的能量輸出。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，可以在大約lOOpsig-大約550 psig的壓力下操作混合區(qū)215。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，可以 在大約100 psig-大約450 psig的壓力下操作混合區(qū)215。在一個(gè)或多個(gè)實(shí) 施方案中，可以在大約100psig-大約350 psig的壓力下操作混合區(qū)215。
在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，氣化器200中生成的合成氣可以包括一氧 化碳、氫、氧、烴、硫、固體、其混合物、其衍生物或其組合。在一個(gè)或 多個(gè)實(shí)施方案中，氣化器200中生成的合成氣可以基本不含氮。在一個(gè)或 多個(gè)實(shí)施方案中，該方法將來自原料的至少約85%、或90%、或95%、或 98%、或99。/o的^f友轉(zhuǎn)化為合成氣。
在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，氣化器200中生成的合成氣可以含有大約 5體積％到大約50體積％的一氧化碳。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，合成氣 可以含有大約15體積％到大約40體積％的一氧化^談。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施 方案中，合成氣可以含有大約20體積％到30體積°/。的一氧化碳。
在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，合成氣可以含有大約5體積°/。到25體積％ 的氫。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，合成氣可以含有大約10體積°/。到25體 積％的氫。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，合成氣可以含有大約10體積％到大 約20體積％的氬。
在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，合成氣可以含有大約0.5體積％到大約3.0 體積％的氮。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，合成氣可以含有大約0.5體積％ 到大約2.0體積％的氮。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，合成氣可以含有大約 1.5體積％到大約3.0體積°/0的氮。
在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，合成氣可以含有大約1體積％到20體積％ 的曱烷。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，合成氣可以含有大約5體積％到大約 15體積％的曱烷。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，合成氣可以含有大約5體積 %到大約10體積％的曱烷。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，合成氣可以含有小于大約30體積％的二氧 化碳。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，合成氣可以含有小于大約25體積％的二 氧化碳。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，合成氣可以含有小于大約20體積％ 的二氧化碳。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，合成氣可以含有小于大約15體 積％的二氧化碳。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，合成氣可以含有小于大約10 體積％的二氧化碳。
在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，離開氣化器200的合成氣的作熱損失和稀 釋效應(yīng)方面4交正的熱值可以為大約50Btu/scf-大約75Btu/scf、或大約 50Btu/scf-大約100Btu/scf、或大約50Btu/scf-大約110Btu/scf、或大約 50Btu/scf-大約140Btu/scf、或大約50Btu/scf-大約180Btu/scf、或大約 50Btu/scf-大約200Btu/scf、或大約50Btu/scf-大約250Btu/scf、或大約 50Btu/scf-大約275Btu/scf。
可以將蒸汽提供至氣化器200以控制氣化器200中氫對一氧化碳的比 率(H2:CO)。由于氣化器200的出口溫度成比例地小于可比較的氣化器(即 礦渣型)，熱力熱(thermal heat)相對于合成氣中化學(xué)熱(chemical heat) 的量在氣化器200中同等地較低。因此，通過改變H2:CO的比率，可以利 用蒸汽以小于其它在更高溫度下操作的氣流床氣化器的能量損失進(jìn)行調(diào) 節(jié)。由于降低了氣化器中的操作溫度(即，小于2900°F),所以控制并將 H2:CO的比率最優(yōu)化消耗較少的能量，于是在不相應(yīng)增加氣化器200中的 蒸汽需求的情況下可以增加氫的產(chǎn)量。例如，離開氣化器200的合成氣的 H2:C0的比率可以為至少0.2。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，H2:C0的比率 為至少0.5。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，H2:CO的比率為大約0.25-大約2.5。 在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，H2:C0的比率為大約0.4-大約2.0。在一個(gè)或 多個(gè)實(shí)施方案中，H2:CO的比率為大約0.5-大約1.5。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施 方案中，H2:CO的比率為大約0.8-大約1.0。
圖3描述了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的另 一個(gè)說明性的氣化 系統(tǒng)。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，氣化系統(tǒng)可以包括一個(gè)或多個(gè)集成的燃 氣輪機(jī)730以進(jìn)一步提高效率。 一個(gè)或多個(gè)氣化器200、微粒去除系統(tǒng)300、 氣體處理系統(tǒng)400、氣體轉(zhuǎn)化器500、氫分離器600、蒸汽輪機(jī)800、熱回 收系統(tǒng)850、發(fā)電機(jī)775、 875、以及空氣分離裝置900可以與以上描述的 相同。
在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，至少一部分合成氣物流410可以與至少一部分富含氬的物流615混合以為一個(gè)或多個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)730提供燃料氣體。 所述燃?xì)廨啓C(jī)730可以生成高溫廢氣(物流810)和軸動(dòng)力以驅(qū)動(dòng)一個(gè)或 多個(gè)發(fā)電機(jī)775。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，來自燃?xì)廨啓C(jī)廢氣物流810 的熱量(一般大約是UOO。F)可以利用一個(gè)或多個(gè)熱量回收系統(tǒng)850來回 收以產(chǎn)生隨后用于蒸汽輪機(jī)800的蒸汽(物流820 )，所述蒸汽輪機(jī)800可 以提供軸動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)一個(gè)或多個(gè)發(fā)電機(jī)875。來自蒸汽輪機(jī)800的較低壓 力蒸汽可以(經(jīng)由物流830 )返回到熱回收系統(tǒng)850中。
在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，熱回收系統(tǒng)850為閉合回路加熱系統(tǒng)，例 如廢熱鍋爐、殼管式熱交換器等，其能夠在較高溫廢氣體(經(jīng)由物流810) 和較低壓力的蒸汽(物流830 )之間交換熱量以產(chǎn)生較高壓力的蒸汽(物 流820)。該熱回收系統(tǒng)850可以提供最高達(dá)1500psig, 1000°F的過熱/再 熱蒸汽且不需要補(bǔ)充燃料。
在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，可以將環(huán)境空氣經(jīng)由物流705吸入燃?xì)廨?機(jī)730中以提供直接運(yùn)至氣化器200和/或ASU 900的經(jīng)由物流710的壓 縮空氣。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，在ASU900中分離的氮可以被凈化和 /或返回至一個(gè)或多個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)730 (物流915 ),以通過降低燃?xì)廨啓C(jī)730 中的燃燒溫度來減少NOx的排放。氮用作沒有熱值的稀釋劑，即冷源(heat sink)。為了進(jìn)一步將NOx的形成最小化，可以將進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)730的合 成氣物流410用水飽和(未示出)。
可以將物流820中的至少一部分高壓蒸汽引入至一個(gè)或多個(gè)氣化器 200中，和/或其它輔助的蒸汽消耗工藝設(shè)備中(未示出)。在一個(gè)或多個(gè) 實(shí)施方案中，來自物流820的殘余熱可以排至本領(lǐng)域、忮術(shù)人員所熟知的冷 凝系統(tǒng)或出售給當(dāng)?shù)氐恼羝M(fèi)者。
圖4描述了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的又一個(gè)說明性的氣化 系統(tǒng)。該說明性的氣化系統(tǒng)利用用于氣化的含氮的氧化劑物流203。物流 203中的一種或多種含氮氧化劑可以包括空氣、富含氧的空氣、氧和空氣 的混合物、氧和氮的混合物等。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，含氮的氧化劑 可以含有大約20體積％或更多的氧、或大約25體積％或更多的氧、或大 約30體積°/?；蚋嗟难?。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，含氮的氧化劑可以含 有至少5體積％的氮。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，含氮的氧化劑的氮含量 可以低至大約5體積％、 10體積％、或20體積％至高達(dá)大約25體積％、 50體積％、或80體積％。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，可以利用一個(gè)或多個(gè)冷卻器275來冷卻含 有一種或多種微粒和氮的原合成氣物流283來提供冷卻的原合成氣物流 298。可以利用一個(gè)或多個(gè)微粒去除系統(tǒng)300來部分地或完全地從冷卻的 合成氣物流298中去除微粒以提供微粒物流305和分離的合成氣物流313。 可以利用一個(gè)或多個(gè)二級(jí)冷卻器375將分離的合成氣物流313冷卻以提供 冷卻的、分離的合成氣物流393。冷卻的、分離的合成氣物流393可以在 一個(gè)或多個(gè)氣體純化系統(tǒng)400中被處理以提供廢物流405、和處理過的合 成氣物流413。
可以將含氮的處理過的合成氣物流413在一個(gè)或多個(gè)氣體轉(zhuǎn)化器500 中轉(zhuǎn)化以提供物流510。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中， 一個(gè)或多個(gè)氣體轉(zhuǎn)化 器500可以包括低溫或膜型系統(tǒng)，其用于從處理過的合成氣物流413中去 除氮以提供含有量為大約20ppbv或更少，或大約10ppbv或更少的HCN 和NH3的費(fèi)-托進(jìn)料物流。氮去除系統(tǒng)還可以用于維持系統(tǒng)中的氮濃度。 可以經(jīng)由物流503將氮從系統(tǒng)中回收和/或凈化。
可以將至少 一部分轉(zhuǎn)化過的氣體物流510銷售或利用進(jìn)一步的下游過 程升級(jí)(未示出)。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，可以將至少一部分轉(zhuǎn)化過 的氣體物流510直接運(yùn)至一個(gè)或多個(gè)氫分離器600。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方 案中，至少一部分處理過的合成氣物流413可以繞過上述一個(gè)或多個(gè)氣體 轉(zhuǎn)化器500,并可以直接進(jìn)料至一個(gè)或多個(gè)氫分離器600。
至少一部分的富含氬的物流615可以被用作運(yùn)至一個(gè)或多個(gè)燃料室 650的原料，并且至少一部分的富含氫的物流615可以在被用作一個(gè)或多 個(gè)燃燒器750中的燃料之前與處理過的合成氣物流413混合。富含氫的物 流615可以耳又決于轉(zhuǎn)化的氣體物流510和/或處理過的合成氣物流413的氮 含量而包括不同量的氮。
在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，氬分離器600可以包括至少一個(gè)氮分離裝 置以去除或至少基本去除氮，提供不含氮或基本不含氮但富含氫的物流 615、和/或不含氮或基本不含氮但富含二氧化碳的物流605?？梢越?jīng)由物 流503將分離的氮從系統(tǒng)中回收和/或凈化。
在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，至少一部分的合成氣物流413可以與至少 一部分的富含氫的物流615結(jié)合以提供用于一個(gè)或多個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)730的燃 料氣體，所述燃?xì)廨啓C(jī)730可以向一個(gè)或多個(gè)發(fā)電機(jī)775提供軸動(dòng)力。在 一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，可以利用一個(gè)或多個(gè)熱回收系統(tǒng)850將來自燃?xì)廨啓C(jī)廢氣物流810 (—般大約為1100°F)的熱回收以生成隨后用于蒸汽輪 機(jī)800的蒸汽(物流820)，該蒸汽輪機(jī)800可以向一個(gè)或多個(gè)發(fā)電機(jī)875 提供軸動(dòng)力。來自蒸汽輪機(jī)800的較低壓力蒸汽可以(經(jīng)由物流830)返 回至熱回收系統(tǒng)850。
在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，可以將環(huán)境空氣經(jīng)由物流705吸入燃?xì)廨?機(jī)730中以提供直接運(yùn)至氣化器200的經(jīng)由物流710的壓縮空氣。雖然未 示出，但是可以將經(jīng)由物流503的分離的氮凈化和/或返回至一個(gè)或多個(gè)燃 氣輪機(jī)730，以通過降低燃?xì)廨啓C(jī)730中的燃燒溫度來減少NOx的排放。 氮用作沒有熱值的稀釋劑，即冷源。為了進(jìn)一步將NOx的形成最小化， 可以將進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)730的合成氣物流413用水飽和(未示出)。
可以將物流820中的至少一部分高壓蒸汽引入至一個(gè)或多個(gè)氣化器 200中，和/或其它輔助的蒸汽消耗工藝設(shè)備中(未示出)。在一個(gè)或多個(gè) 實(shí)施方案中，來自物流820的殘余熱可以排至本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的冷 凝系統(tǒng)或出售給當(dāng)?shù)氐恼羝M(fèi)者。
上述實(shí)施方案中的任何一個(gè)或多個(gè)可以與另 一個(gè)組合。所述氣化系統(tǒng) 提供在靈活性、效率和安全性上提供了極好的平衡，且伴隨低的排放至無 排放。與其它循環(huán)或流化床氣化器相比，各種實(shí)施方案中的氣化器在顯著 較高的循環(huán)速率、速度和提升管密度下操作。這導(dǎo)致更高的產(chǎn)量、更好的 混合、以及增加的熱和質(zhì)量轉(zhuǎn)移速率。該氣化器還提供了相對于礦渣氣化 器的主要的效率改進(jìn)，因?yàn)槊夯业某稍枰罅康哪芰?，該能量不能被?收。此外，不成渣條件更有益于長的耐火壽命。單級(jí)操作還提供了進(jìn)一步 的效率增益。優(yōu)于目前氣化器的其它優(yōu)點(diǎn)包括由于極好的氣體/固體接觸 的高碳轉(zhuǎn)化率，以及低的水消耗、高百分比的固體再循環(huán)、高的硫捕獲， 高產(chǎn)量、以及高熱釋放速率，這有助于小的足跡和簡單的機(jī)械設(shè)計(jì)。
已經(jīng)用一組數(shù)字上限和一組數(shù)字下限描述了某些實(shí)施方案和特征。應(yīng) 當(dāng)理解的是，除非另外指出，任何下限至任何上限的范圍都是預(yù)期的。某 些下限、上限和范圍出現(xiàn)在以下的一項(xiàng)或多項(xiàng)權(quán)利要求中。所有數(shù)值都是 指示值的"大約"或"近似"值，并且考慮到實(shí)驗(yàn)誤差和本領(lǐng)域普通技術(shù) 人員會(huì)預(yù)料到的變化。
以上已經(jīng)定義了各種術(shù)語。在某種程度上，上述內(nèi)容沒有定義權(quán)利要 求所使用的術(shù)語，該術(shù)語應(yīng)當(dāng)給出相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員如至少一部印刷出版 物或授權(quán)專利反映的那樣所賦予的最廣泛的定義。此外，本申請所述的所有專利、試驗(yàn)步驟和其它文獻(xiàn)被全部引入作為參考，使得這種公開內(nèi)容與 本申請不存在不一致之處，并且對于所有的管轄權(quán)，這樣的引入是被允許 的。
盡管上述涉及本發(fā)明的實(shí)施方案，但是可以在不脫離本發(fā)明的基礎(chǔ)范 圍和所附權(quán)利要求書確定的范圍的情況下設(shè)計(jì)本發(fā)明的其它及進(jìn)一 步的 實(shí)施方案。
權(quán)利要求
1. 一種生成電力、化學(xué)品、二氧化碳和氫的方法，包括在流化反應(yīng)區(qū)中將一種或多種原料與一種或多種氧化劑結(jié)合；將反應(yīng)區(qū)加熱到1050℉-1900℉的溫度以提供包含二氧化碳、一氧化碳和氫的合成氣；將至少一部分合成氣通至一個(gè)或多個(gè)汽輪機(jī)；和將至少一部分合成氣轉(zhuǎn)化為甲醇、甲酸烷基酯、二甲基醚、氨、費(fèi)-托產(chǎn)物、其衍生物，或其組合。
2. 權(quán)利要求l所述的方法，其中所述合成氣基本上不含氮。
3. 權(quán)利要求1所述的方法，還包括將含有石灰石、白云石或兩者的一 種或多種吸附劑與原料和氧化劑結(jié)合。
4. 權(quán)利要求1所述的方法，其中所述原料包含研磨至平均粒徑大小為 250 ja m-400 |i m的顆粒的煤。
5. 權(quán)利要求1所述的方法，其中所述氧化劑包含至少70體積°/。的氧。
6. 權(quán)利要求1所述的方法，其中所述氧化劑包含至少70體積％的空氣
7. 權(quán)利要求1所述的方法，其中所述原料包含選自高鈉褐煤、低鈉褐 煤、次煙煤、煙煤和無煙煤的基于煤的材料。
8. 權(quán)利要求1所述的方法，其中將所述合成氣按要求進(jìn)料至一個(gè)或多 個(gè)汽輪機(jī)和氣體轉(zhuǎn)化器中。
9. 一種生成電力、二氧化碳和氫的方法，包括將包含聚合物、生物量和煤的原料與一種或多種氧化劑在加熱至 1050°F-1900。F的反應(yīng)區(qū)中結(jié)合，以生成包含二氧化^灰、 一氧化碳和氬的 合成氣，其中所述聚合物選自聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚對苯二曱酸 乙二酯(PET)、高分子共混物、其它聚烯烴、和限于氧為額外成分的聚經(jīng)； 將全部或一部分合成氣通至一個(gè)或多個(gè)汽輪機(jī)；和 將全部或一部分合成氣通至一個(gè)或多個(gè)氣體轉(zhuǎn)化器，以生成氫、曱醇、 曱酸烷基酯、二曱基醚、氨、費(fèi)-托產(chǎn)物、其衍生物、或其組合。
10. 權(quán)利要求9所述的方法，其中所述合成氣基本上不含氮。
11. 權(quán)利要求9所述的方法，還包括將吸附劑加入到反應(yīng)區(qū)，所述吸附劑包含石灰石、白云石或其組合。
12. 權(quán)利要求9所述的方法，其中將所述煤研磨至平均粒徑大小為150 jum-450jLim的顆粒。
13. 權(quán)利要求9所述的方法，其中將所述聚合物研磨至平均粒徑大小 為150 |u m-450 ju m的顆粒。
14. 權(quán)利要求9所述的方法，其中在加熱之前，將焦屑進(jìn)料至反應(yīng)區(qū) 并加熱至950。F-1200。F的溫度。
15. 權(quán)利要求9所述的方法，其中所述煤選自高鈉褐煤、低鈉褐煤、 次煙煤、煙煤和無煙煤。
16. 權(quán)利要求9所述的方法，其中所述氧化劑包含至少70體積％的氧。
17. 權(quán)利要求9所述的方法，其中所述氧化劑包含至少70體積％的空氣
18. 權(quán)利要求9所述的方法，其中一個(gè)或多個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)中的至少一個(gè) 為聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的部分。
19. 權(quán)利要求9所述的方法，其中一個(gè)或多個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)中的至少一個(gè) 為整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(Integrated Gasification Combined Cycle )的部分。
20. —種生成電力、化學(xué)品、二氧化碳和氬的方法，包括在大約1050。F-大約1900。F的溫度下，在流化反應(yīng)區(qū)中，將塑料、煤、 灰和一種或多種氧化劑結(jié)合，其中所述塑料包括聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙 烯、其衍生物或其組合；生成一種或多種包含二氧化碳、 一氧化碳和氫的合成氣物流； 將至少一部分一種或多種合成氣物流通至一個(gè)或多個(gè)汽輪機(jī)；和 將至少一部分一種或多種合成氣物流通至一個(gè)或多個(gè)氣體轉(zhuǎn)化器，以 生成甲醇、曱酸烷基酯、二曱基醚、氨、費(fèi)-托產(chǎn)物，其衍生物、或其組合。
21. 權(quán)利要求20所述的方法，其中所述合成氣物流基本上不含氮。
22. 權(quán)利要求20所述的方法，還包括將含有石灰石、白云石或兩者的 一種或多種吸附劑與煤和氧化劑結(jié)合。
23. 權(quán)利要求20所述的方法，其中所述氧化劑包含至少70體積％的氧。
24. 權(quán)利要求20所述的方法，其中所述氧化劑包含至少70體積％的 空氣。
25. 權(quán)利要求20所述的方法，其中所述基于煤的原料選自高鈉褐煤、低鈉褐煤、次煙煤、煙煤和無煙煤。
26. 權(quán)利要求20所述的方法，其中將所述合成氣物流按要求進(jìn)料至燃 氣輪機(jī)和氣體轉(zhuǎn)化器。
27. —種生成電力、化學(xué)品、二氧化碳和氫的方法，包括 在流化反應(yīng)區(qū)中，將基于煤的原料與含氮的氧化劑結(jié)合； 將反應(yīng)區(qū)加熱至大約1050。F-大約1900。F的溫度，以提供包含二氧化碳、 一氧化碳、氮和氫的合成氣物流；將至少一部分合成氣物流通至一個(gè)或多個(gè)汽輪機(jī)；和 將至少一部分合成氣物流轉(zhuǎn)化以生成曱醇、曱酸烷基酯、二曱基醚、氨、費(fèi)-托產(chǎn)物、其衍生物，或其組合。
28. 權(quán)利要求27所述的方法，還包括將含有石灰石、白云石或兩者的 一種或多種吸附劑與煤和氧化劑結(jié)合。
29. 權(quán)利要求27所述的方法，其中將所述煤研磨至平均粒徑大小為 250)am-400|im的顆斗立。
30. 權(quán)利要求27所述的方法，其中所述基于煤的原料選自高鈉褐煤、 低鈉褐煤、次煙煤、煙煤、無煙煤及其組合。
31. 權(quán)利要求27所述的方法，其中將所述合成氣物流按要求進(jìn)料至燃 氣輪機(jī)。
32. 權(quán)利要求27所述的方法，還包括將來自燃?xì)廨啓C(jī)的空氣通過空氣 分離裝置以生成基本上不含氮的物流，并將至少一部分基本上不含氮的物 流再循環(huán)至反應(yīng)區(qū)。
33. —種生成電力、化學(xué)品、二氧化碳和氫的方法，包括 在流化反應(yīng)區(qū)中，將一種或多種含有一種或多種碳質(zhì)材料的原料與一種或多種氧化劑結(jié)合；將反應(yīng)區(qū)加熱至大約1050。F-1卯0。F的溫度以生成不定的氧、二氧化 碳、 一氧化碳和氫；和以一速率和水平加入能夠吸收或消耗不定的氧的一種或多種材料，所 述速率和水平足以延遲或防止不定的氧達(dá)到足以支持與氫的不可控制的 反應(yīng)的濃度。
34. 權(quán)利要求33所述的方法，還包括將含有石灰石、白云石或兩者的 一種或多種吸附劑與 一種或多種原料和氧化劑結(jié)合。
35. 權(quán)利要求33所述的方法，其中將所述碳質(zhì)材料研磨至平均粒徑大小為250 ja m-400 |a m的顆粒。
36. 權(quán)利要求33所述的方法，其中所述原料選自高鈉褐煤、低鈉褐煤、 次煙煤、煙煤和無煙煤。
37. 權(quán)利要求33所述的方法，其中所述第二材料包括富含碳的灰。
38. 權(quán)利要求37所述的方法，其中所述富含碳的灰在流化反應(yīng)區(qū)中循環(huán)。
39. 權(quán)利要求33所述的方法，其中所述不定的氧在原料進(jìn)料中斷期間 進(jìn)入流4匕反應(yīng)區(qū)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種生成電力、化學(xué)品、二氧化碳和氫的方法。一種或多種原料和一種或多種氧化劑可以在加熱至大約1050℉-1900℉的流化反應(yīng)區(qū)中結(jié)合，以提供一種包含二氧化碳、一氧化碳和氫的合成氣。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，至少一部分合成氣可以用作一個(gè)或多個(gè)汽輪機(jī)的燃料源以驅(qū)動(dòng)一個(gè)或多個(gè)發(fā)電機(jī)。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，可以向一個(gè)或多個(gè)氣體轉(zhuǎn)化器中引入至少一部分合成氣以提供甲醇、甲酸烷基酯、二甲基醚、氨，費(fèi)-托產(chǎn)物，其衍生物或其組合。
文檔編號(hào)H01M8/06GK101511724SQ200780033675
公開日2009年8月19日 申請日期2007年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月29日
發(fā)明者N·薩拉查, P·夏爾斯, S·阿日雅帕蒂 申請人:凱洛格·布朗及魯特有限公司