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TW201039911A - Method and apparatus for sequestering carbon dioxide from a spent gas - Google Patents

Method and apparatus for sequestering carbon dioxide from a spent gas Download PDF

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TW201039911A
TW201039911A TW99112305A TW99112305A TW201039911A TW 201039911 A TW201039911 A TW 201039911A TW 99112305 A TW99112305 A TW 99112305A TW 99112305 A TW99112305 A TW 99112305A TW 201039911 A TW201039911 A TW 201039911A
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carbon dioxide
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TW99112305A
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Inventor
Gary Edward Metius
James M Mcclelland Jr
Original Assignee
Midrex Technologies Inc
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Publication date
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Description

201039911 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本非臨時專利申請案/專利請求2009年4月20日提出 之美國臨時專利申請案第61/170,999號，發明名稱” Method and Apparatus for Sequestering Carbon Dioxide From a Top Gas Fuel”的優先權益，其內容在此完全倂入作爲參考。 本發明大致關於一種將氧化鐵直接還原成金屬鐵等程 序之方法及裝置。更特定言之，本發明關於一種結合此程 〇 序而從廢氣隔離二氧化碳之方法及裝置。 【先前技術】 許多工業程序對於以直接還原程序從二級燃料來源（ 如爐頂氣體燃料來源）去除二氧化碳之有效及有效率方法 存有需求。換言之，許多工業程序對於從廢料燃料來源去 除二氧化碳，使其可作爲一級燃料來源而無排放問題之有 效及有效率方法存有需求。在某些情形，政府政策已要求 此二氧化碳去除，而且未來二氧化碳排放控制之需求只會 〇 增加。直接還原涉及將氧化鐵礦還原成金屬鐵粒、團塊或 緊縮體，其中氧化鐵係以一種含氫及/或一氧化碳之氣體還 原，造成二氧化碳副產物。 【發明內容】 在本發明之一個例示具體實施例中，一種從爐頂氣體 燃料隔離二氧化碳之方法包括：假設氣體來源分成程序氣 體與廢氣：混合程序氣體與烴且將所得重組器原料氣體進 料至二氧化碳與蒸氣重組器中以將重組器原料氣體重組及 201039911 形成還原氣體；及將爐頂氣體燃料進料至二氧化碳洗滌器 中以從爐頂氣體燃料去除至少一些二氧化碳，而且在加入 進料至二氧化碳與蒸氣重組器中之烴後形成重組器燃料氣 體。此方法亦包括壓縮程序氣體與爐頂氣體燃料。此方法 進一步包括從爐頂氣體產生蒸氣。此方法更進一步包括洗 滌爐頂氣體以除塵。視情況地，爐頂氣體係得自還原爐。 視情況地，此方法更進一步包括混合還原氣體與氧及烴以 形成環管氣體，及將環管氣體進料至還原爐中。二氧化碳 Ο 洗滌器亦產生二氧化碳貧乏氣體。此方法更進一步包括混 合二氧化碳貧乏氣體與還原氣體。視情況地，此方法更進 一步包括將二氧化碳貧乏氣體在將其混合還原氣體或作爲 燃料之前預熱。二氧化碳與蒸氣重組器亦產生煙道氣體。 此方法更進一步包括從煙道氣體產生蒸氣。視情況地，此 方法更進一步包括使用煙道氣體將其他氣體預熱。視情況 地，爐頂氣體與環管氣體結合用於將氧化鐵轉化成金屬鐵 之直接還原程序。 0 在本發明之另一個例示具體實施例中，一種從爐頂氣 體燃料隔離二氧化碳之裝置包括：一或多條用於將爐頂氣 體分成程序氣體與爐頂氣體燃料之導管；一或多條用於混 合程序氣體與烴，而且將所得重組器原料氣體進料至二氧 化碳與蒸氣重組器中以將重組器原料氣體重組及形成還原 氣體之導管；及一或多條用於將爐頂氣體燃料進料至二氧 化碳洗滌器中以從爐頂氣體燃料去除至少一部分二氧化碳 ，而且在加入進料至二氧化碳與蒸氣重組器中之烴後形成 201039911 重組器燃料氣體之導管。此裝置亦包括一或多個用於壓縮 程序氣體與爐頂氣體燃料之氣體壓縮。此裝置進一步包括 一種用於從爐頂氣體產生蒸氣之低壓蒸氣鍋爐。此裝置又 進一步包括一種用於洗滌爐頂氣體以除塵之濕式洗滌器。 視情況地，爐頂氣體係得自還原爐。視情況地，此裝置又 進一步包括一或多條用於混合還原氣體與氧及烴以形成環 管氣體，而且將環管氣體進料至還原爐中之導管。二氧化 碳洗滌器亦產生二氧化碳貧乏氣體。此裝置又進一步包括 〇 一或多條用於混合二氧化碳貧乏氣體與還原氣體之導管。 視情況地，此裝置又進一步包括一種用於將二氧化碳貧乏 氣體在將其混合還原氣體或作爲燃料之前預熱之預熱器。 二氧化碳與蒸氣重組器亦產生煙道氣體。此裝置又進一步 包括一種用於從煙道氣體產生蒸氣之低壓蒸氣鍋爐。視情 況地，此裝置又進一步包括一或多條用於使用煙道氣體將 其他氣體預熱之導管。視情況地，爐頂氣體與環管氣體結 合用於將氧化鐵轉化成金屬鐵之直接還原程序。 〇 在本發明之一個進一步例示具體實施例中，一種從廢 氣隔離二氧化碳，而且再使用作爲再生氣體而無排放顧慮 之方法包括：假設氣體來源分成程序氣體與廢氣：混合程 序氣體與烴且將所得原料氣體進料至重組器中以將原料氣 體重組及形成還原氣體；及將至少一部分廢氣進料至二氧 化碳洗滌器中以從廢氣去除至少一些二氧化碳，而且形成 混合還原氣體之二氧化碳貧乏氣體。視情況地，此方法亦 包括將至少一部分廢氣進料至二氧化碳洗滌器中以從廢氣 201039911 去除至少一些二氧化碳，而且在加入進料至重組器中之烴 後形成燃料氣體。 本發明之二氧化碳隔離程序提供一種有效率迴路，藉 此可使不欲之排放最小而再捕捉一級程序未使用且排放成 爲廢氣之二氧化碳與氫。 【實施方式】 參考第1圖，在本發明之一個例示具體實施例中，從 爐頂氣體燃料隔離二氧化碳之裝置10固有地包括垂直軸 〇 型還原爐12等。在此實例中，還原爐12包括將氧化鐵粒 、團塊或緊縮體按預定速率進料至其中之進料漏斗（未描 述）。氧化鐵粒、團塊或緊縮體因重力而從進料漏斗經亦 作爲氣體密封管線之進料管線（未描述）下降至還原爐12 中。在還原爐12之底部爲進一步作爲氣體密封管線之排放 管線（未描述）。如電動振動進料器等之排放進料器（未 描述）係配置於排放管線下方且接收金屬鐵粒、團塊或緊 縮體，因而建立一種通過還原爐12之爐料重力下降系統。 ^ 大約在還原爐12之中點爲環管與風嘴系統（未描述） ，還原氣體經其以約700度c至約1050度C間之溫度引 入。熱還原氣體向上流經還原爐12之還原區域，對粒、團 塊或緊縮體之流動爲逆向’而且經位於還原爐12之頂部的 氣體脫離管線（未描述）離開還原爐12°進料管線在氣體 脫離管線下方延伸，此幾何排列製造廢氣脫離充氣室，其 使廢氣從原料線脫離且自由地流向氣體脫離管線。從環管 與風嘴系統流向氣體脫離管線之熱還原氣體係用以將氧化 201039911 鐵粒、團塊或緊縮體加熱，而且將其還原成金屬粒、團塊 或緊縮體（即經直接還原）。熱還原氣體含氫、氮、一氧 化碳、二氧化碳、甲烷、與水蒸氣，其將氧化鐵粒、團塊 或緊縮體還原且產生含二氧化碳與水蒸氣之廢氣或爐頂氣 JHEtt 體。 參考第2圖，在此利用之直接還原程序藉由事先對還 原氣體調整二氧化碳貧乏氣體、天然氣與氧條件，而控制 環管氣體進入還原爐12之還原條件、溫度與化學。這些直 〇 接還原程序大致敘述於美國專利第3,748,1 20號，發明名稱 ”Method of Reducing Iron Oxide to Metallic Iron”，美國專 利第 3,749,386 號，發明名稱”Method for Reducing Iron Oxides in a Gaseous Reduction Process”，美國專利第 3,764,123 號，發明名稱”Apparatus for Reducing Iron Oxide to Metallic Iron”，美國專利第3,816,101號，發明名稱 ’’Method for Reducing Iron Oxides in a Gaseous Reduction Process”，美國專利第4,046,557號，發明名稱”Method for O Producing Metallic Iron Particles”，美國專利第 5,437,708 號，發明名稱 ’’Iron Carbide Production in Shaft Furnace” ，其全部之內容在此全部倂入作爲參考。 還原爐爐料作用如同大型絕熱反應器且促進環管氣體 注射區中之平衡條件。在環管氣體進入還原爐12且通過爐 料時，氣體反應成其平衡組成物及溫度，其係在還原爐I2 之上部處的爐料熱偶上觀察。 碳化反應受以下之還原氣流因素影響： 201039911 1 · 起初還原氣體氫：一氧化碳比例； 2· 起初還原氣體甲烷含量； 3. 起初還原氣體溫度； 4. 對還原氣體之天然氣加入； 5. 對還原氣體之氧加入； 6. 對還原氣體之二氧化碳貧乏氣體加入； 7. 最終環管氣體還原劑：氧化劑比例；及 8 ·最終環管氣體壓力。 Ο 在正常操作條件下，密切地控制起初還原氣體品質且 對直接還原程序變成主要安定性因素。隨著還原氣體流向 還原爐12’基於最終環管氣體之甲烷含量分析加入天然氣 。如此對起初還原氣體之任何甲烷含量變動提供安定化調 整’而且影響最終環管氣體之碳化可能性。將氧加入還原 氣體以增加最終環管氣體之溫度且改良鐵礦還原程序之動 力學。 視情況地，使用之操作條件包括將天然氣加入預熱， 〇 ^ 還原氣體甲烷含量等於或小於約12%，及氧加入流動/噸等 於或小於約30牛頓立方米/噸。 在直接還原裝置之使用期間，氣體離開還原氣體來源 40，而且第一感應器實行氣體分析及測量氣體之溫度。然 後在天然氣入口處混合天然氣與氣體。然後在氧入口處混 合氧與氣體及天然氣混合物，因而形成環管氣體。在環管 氣體進入還原爐12之前，第二感應器實行氣體分析及測量 環管氣體之溫度。 201039911 再度參考第1圖，依照本發明，來自還原爐12之 氣體管線的爐頂氣體流經另一條管線（未描述）至低 氣鍋爐14。如此可有效率地產生蒸氣以用於程序他處 以下詳述之二氧化碳去除步驟。將鍋爐原料水進料至 蒸氣鍋爐14，而且如以上所提及，將產生之蒸氣經程 循環或用於他處。 然後以水輸出將爐頂氣體導向提供以冷卻爐頂氣 除塵之濕式洗滌器20。濕式洗滌器20可爲熟悉此技 〇 已知之任何習知型式，如具塡充塔之細腰管（未描述 頂氣體向下流經細腰管，然後對冷卻水逆流而向上流 充物。 爐頂氣體因閥（未描述）之影響分成二流離開濕 滌器20。第一流代表程序氣體及第二氣體代表爐頂氣 料（即廢氣）。這些流之比例係由二氧化碳與連接第一 蒸氣重組器24中之可得熱界定’其一般固定，造成 使用再生二氧化碳貧乏氣體）、2:1 (不使用再生二氧 ^ 貧乏氣體）之例示比例等。 將來自濕式洗滌器20之程序氣體進料至壓縮機 壓縮至所需壓力，然後進料至混合器（未描述），在此 序氣體混合天然氣。然後將此重組器原料氣體進料至 化碳與蒸氣重組器24中。二氧化碳與蒸氣重組器24 燃料燃燒器（未描述）’其經燃燒產生含氮、二氧化碳 之經加熱煙道氣體’及多條催化重組器管（未描述）， 利用重組器原料氣體與燃燒熱形成還原氣體，其在弓丨 脫離 壓蒸 ，如 低壓 序再 體及 藝者 )，爐 經塡 式洗 體燃 流之 1:1 ( 化碳 22且 將程 二氧 包括 :與水 後者 入氧 -10- 201039911 、天然氣與二氧化碳貧乏氣體後被反饋至還原爐12中而生 成環管氣體。 來自濕式洗滌器20之爐頂氣體燃料亦在引入二氧化 碳洗滌器28之前進料至壓縮機26且壓縮至所需壓力。二 氧化碳洗滌器28具有低壓蒸氣輸入，其視情況地得自從爐 頂氣體燃料隔離二氧化碳之裝置10的任何低壓蒸氣鍋爐 14、32，及鍋爐原料水、硫與二氧化碳輸出。鍋爐原料水 可輸入從爐頂氣體燃料隔離二氧化碳之裝置1 〇的任何低 〇 壓蒸氣鍋爐14、32。二氧化碳洗滌器28之其他輸出爲二 氧化碳貧乏氣體，其在混合天然氣時部分變成進料至二氧 化碳與蒸氣重組器24中之重組器燃料氣體。 二氧化碳洗滌器28可包括任何型式之烷醇胺（如ME A 、MDEA等）、或熟悉此技藝者已知之任何型式之鉀洗滌系 統。低壓蒸氣係用以再產生用於二氧化碳洗滌器28之溶液 ’而且離開成爲鍋爐原料水。在二氧化碳洗滌程序期間， 硫與二氧化碳從爐頂氣體燃料隔離。無硫與二氧化碳之爐 〇 w 頂氣體燃料離開二氧化碳洗滌器28成爲二氧化碳貧乏氣 體。再度將一部分二氧化碳貧乏氣體混合天然氣以形成重 組器燃料氣體，而且經燃料燃燒器引入二氧化碳與蒸氣重 組器24中。將其餘二氧化碳貧乏氣體再生且混合還原氣體 ’其在引入氧與天然氣之後被反饋至還原爐12中，因而形 成環管氣體。視情況地，將後部二氧化碳貧乏氣體或全流 在將其混合現有還原氣體或作爲燃料之前引入預熱器30 中0 -11· 201039911 在本發明之一個例示具體實施例中，此二氧化碳貧乏 氣體/還原氣體流最終代表約20%之供應還原爐12的環管 氣體’而二氧化碳與蒸氣重組器還原氣體流最終代表約 8〇 %之供應還原爐12的環管氣體，雖然在此意圖爲其他之 百分比。 將煙道氣體脫離管線（未描述）提供於二氧化碳與蒸 氣重組器24 ’以在燃燒後去除含氮、二氧化碳與水之煙道 氣體。煙道氣體流經一或數個熱交換器，包括低壓蒸氣鍋 〇 爐32。如此再度可有效率地產生蒸氣以用於程序他處，如 以上詳述之二氧化碳去除步驟。視情況地從二氧化碳洗滌 器28將鍋爐原料水進料至低壓蒸氣鍋爐32，而且如以上 所提及，將產生之蒸氣經程序再循環或用於他處。低壓蒸 氣鍋爐32如此可連接選用預熱器30。 雖然本發明在此已參考其較佳具體實施例及指定實例 而描述及敘述，其他之具體實施例及實例可實行類似功能 及/或達成同等結果對熟悉此技藝者爲顯而易知的。所有此 〇 w 種相同具體實施例及實例均在本發明之精神及範圍內，因 而意圖包含且意圖涵蓋於以下之申請專利範圍。關於此點 ，本發明之以上詳細說明視爲非限制且完全包含最大可能 範圍。 【圖式簡單說明】 本發明在此參考各圖式而描述及敘述，其中使用同樣 之元件符號適當地表示相同之方法步驟/裝置組件，及其中 -12- 201039911 第1圖爲本發明從爐頂氣體燃料隔離二氧化碳之一個 方法/裝置的程序/略示圖；及 第2圖爲本發朋之一個直接還原程序的程序/略示圖。 【主要元件符號說明】 〇 10 從 爐 頂 氣 體 燃 料隔 離二氧化碳之裝置 12 還 原 爐 14 低 壓 蒸 氣 鍋 爐 20 濕 式 洗 滌 器 22 壓 縮 機 24 二 氧 化 碳 與 蒸 氣重 組器 26 壓 縮 機 28 二 氧 化 碳 洗 滌 器 30 預 熱 器 32 低 壓 蒸 氣 鍋 爐 40 還 原 氣 am 體 來 源 -13-

Claims (1)

  1. 201039911 七、申請專利範圍： 1. 一種從爐頂氣體燃料隔離二氧化碳之方法，其包含： 假設氣體來源分成程序氣體與廢氣： 混合程序氣體與烴且將所得重組器原料氣體進料 至二氧化碳與蒸氣重組器中以將重組器原料氣體重組 及形成還原氣體；及 將至少一部分爐頂氣體燃料進料至二氧化碳洗滌 器中以從爐頂氣體燃料去除至少一些二氧化碳，而且形 0 成混合還原氣體之二氧化碳貧乏氣體。 2. 如申請專利範圍第1項之方法，其進一步包含將至少一 部分爐頂氣體燃料進料至二氧化碳洗滌器中以從爐頂 氣體燃料去除至少一些二氧化碳，而且在加入進料至二 氧化碳與蒸氣重組器中之烴後形成重組器燃料氣體。 3. 如申請專利範圍第2項之方法，其進一步包含壓縮程序 氣體與爐頂氣體燃料。 4. 如申請專利範圍第1項之方法，其進一步包含從爐頂氣 〇 體產生蒸氣。 5. 如申請專利範圍第4項之方法，其進一步包含洗滌爐頂 氣體以除塵。 6. 如申請專利範圍第1項之方法’其中爐頂氣體係得自還 原爐。 7. 如申請專利範圍第1項之方法’其進一步包含混合還原 氣體與氧及烴以形成環管氣體’及將環管氣體進料至還 原爐中。 -14- 201039911 8. 如申請專利範圍第1項之方法，其進一步包含將二氧化 碳貧乏氣體在將其混合還原氣體及作爲燃料之前預熱。 9. 如申請專利範圍第1項之方法，其中二氧化碳與蒸氣重 組器亦產生煙道氣體。 10.如申請專利範圍第9項之方法，其進一步包含從煙道氣 體產生蒸氣。 U.如申請專利範圍第1〇項之方法，其進一步包含使用煙 道氣體將其他氣體預熱。 Ο 12.如申請專利範圍第1項之方法，其中爐頂氣體與還原氣 體結合用於將氧化鐵轉化成金屬鐵之直接還原程序。 13. —種從爐頂氣體燃料隔離二氧化碳之裝置，其包含： 一或多條用於將爐頂氣體分成程序氣體與爐頂氣 體燃料之導管； —或多條用於混合程序氣體與烴，而且將所得重組 器原料氣體進料至二氧化碳與蒸氣重組器中以將重組 器原料氣體重組及形成還原氣體之導管；及 〇 一或多條用於將至少一部分爐頂氣體燃料進料至 二氧化碳洗滌器中以從爐頂氣體燃料去除至少一部分 二氧化碳，而且形成混合還原氣體之二氧化碳貧乏氣體 之導管。 14. 如申請專利範圍第13項之裝置，其進一步包含一或多 條用於將至少一部分爐頂氣體燃料進料至二氧化碳洗 滌器中以從爐頂氣體燃料去除至少一些二氧化碳’而且 在加入進料至二氧化碳與蒸氣重組器中之烴後形成重 -15- 201039911 組器燃料氣體之導管。 15.如申請專利範圍第14項之裝置，其進一步包含一或多 個用於壓縮程序氣體與爐頂氣體燃料之氣體壓縮機。 16_如申請專利範圍第13項之裝置，其進一步包含一種用 於從爐頂氣體產生蒸氣之低壓蒸氣鍋爐。 17. 如申請專利範圍第16項之裝置，其進一步包含一種用 於洗滌爐頂氣體以除塵之濕式洗滌器。 18. 如申請專利範圍第13項之裝置，其中爐頂氣體係得自 〇 還原爐。 19. 如申請專利範圍第13項之裝置，其進一步包含一或多 條用於混合還原氣體與氧及烴以形成環管氣體，而且將 環管氣體進料至還原爐中之導管。 20. 如申請專利範圍第13項之裝置，其進一步包含一種用 於將二氧化碳貧乏氣體在將其混合還原氣體及作爲燃 料之前預熱之預熱器。 21. 如申請專利範圍第13項之裝置，其中二氧化碳與蒸氣 〇 重組器亦產生煙道氣體。 2 2.如申請專利範圍第21項之裝置，其進一步包含一種用 於從煙道氣體產生蒸氣之低壓蒸氣鍋爐。 23. 如申請專利範圍第22項之裝置，其進一步包含一或多 條用於使用煙道氣體將其他氣體預熱之導管。 24. 如申請專利範圍第13項之裝置，其中將爐頂氣體與環 管氣體結合用於將氧化鐵轉化成金屬鐵之直接還原程 序。 -16- 201039911 2 5.—種從廢氣隔離二氧化碳，而且再使用作爲再生氣體而 無排放顧慮之方法，其包含： 假設氣體來源分成程序氣體與廢氣： 混合程序氣體與烴且將所得原料氣體進料至重組 器中以將原料氣體重組及形成還原氣體；及 將至少一部分廢氣進料至二氧化碳洗滌器中以從 廢氣去除至少一些二氧化碳，而且形成混合還原氣體之 二氧化碳貧乏氣體。 〇 26.如申請專利範圍第25項之方法，其進一步包含將至少 一部分廢氣進料至二氧化碳洗滌器中以從廢氣去除至 少一些二氧化碳，而且在加入進料至重組器中之烴後形 成燃料氣體。
    -17-
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