(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
硫化水素を含む酸性ガス流を処理するように動作可能な酸性ガス処理ユニットであって、前記酸性ガス処理ユニットが、
前記酸性ガス流および酸化カルシウムを受け取るように動作可能な燃料反応器であって、硫化水素を酸化カルシウムと反応させて、硫化カルシウムと、水蒸気および二酸化炭素を含む第１のガス流とを生成するようにさらに動作可能である、燃料反応器と、
前記硫化カルシウムおよび第１の空気流を受け取るように動作可能な酸化剤反応器であって、硫酸カルシウムおよび酸素希薄の第２の空気流を生成するようにさらに動作可能であり、前記酸素希薄の第２の空気流が１５重量％以下の酸素を含む、酸化剤反応器と、
前記酸素希薄の第２の空気流および炭酸カルシウムを受け取るように動作可能なか焼反応器であって、前記か焼反応器が酸化カルシウムおよび第２のガス流を生成するようにさらに動作可能であり、前記第２のガス流が二酸化炭素を含む、か焼反応器と、
を含む、酸性ガス処理ユニットを含む、システム。
【請求項２】
前記第１のガス流、前記第２のガス流、および前記酸素希薄の第２の空気流のうちの少なくとも１つを受け取るように動作可能な１つまたは複数の熱交換器を含み、前記１つまたは複数の熱交換器は、前記第１のガス流、前記第２のガス流、前記酸素希薄の第２の空気流、またはそれらの任意の組合せからの熱を使用して蒸気を生成するようにさらに動作可能である、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記１つまたは複数の熱交換器は、前記第１のガス流、前記第２のガス流、またはそれらの組合せからの熱を使用して前記第１の空気流を加熱するようにさらに動作可能である、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記１つまたは複数の熱交換器は、前記燃料反応器が前記酸性ガス流を受け取る前に、前記酸性ガス流を加熱するようにさらに動作可能である、請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記１つまたは複数の熱交換器から前記蒸気を受け取り、電力および減圧蒸気を生成するように動作可能な発電ユニットを備える、請求項２に記載のシステム。
【請求項６】
前記減圧蒸気は、酸性ガス除去ユニットの再生塔に供給される、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
サワーガス流を受け取り、酸性ガス流を生成するように動作可能な酸性ガス除去ユニットを含み、前記酸性ガス除去ユニットが吸収塔および再生塔を含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項８】
前記酸化剤反応器から前記再生塔に熱を伝達するように動作可能な１つまたは複数の熱交換器を含む、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
酸性ガス流を生成するように動作可能な酸性ガス除去ユニットとサワーガス流との間に配置された選択膜モジュールを含み、前記選択膜は、サワーガス流と比較して増加した濃度の二酸化炭素および硫化水素を有する透過流と、サワーガス流と比較して減少した濃度の二酸化炭素および硫化水素を有する保持流とを生成するように動作可能である、請求項１〜８のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１０】
前記透過流は前記燃料反応器によって受け取られる前に前記酸性ガス流と混合され、前記酸性ガス除去ユニットは前記保持流を受け取るように動作可能である、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記酸化剤反応器が高速上昇反応器を含む、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１２】
前記か焼反応器が流動床反応器を含む、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１３】
酸性ガス処理ユニットの燃料反応器で酸性ガス流および酸化カルシウムを受け取るステップであって、前記酸性ガス流が硫化水素を含む、ステップと、
前記硫化水素を酸化カルシウムと反応させて、硫化カルシウムと、水蒸気および二酸化炭素を含む第１のガス流とを生成するように燃料反応器を動作させるステップと、
前記硫化カルシウムおよび第１の空気流を受け取り、硫酸カルシウムおよび酸素希薄の第２の空気流を生成するように、酸性ガス処理ユニットの酸化剤反応器を動作させるステップであって、前記酸素希薄の第２の空気流が１５重量％以下の酸素を含む、ステップと、
前記酸素希薄の第２の空気流および炭酸カルシウムを受け取って、酸化カルシウムおよび第２のガス流を生成するように、か焼反応器を動作させるステップであって、前記第２のガス流が二酸化炭素を含む、ステップと、
を含む、方法。
【請求項１４】
前記第１のガス流、前記第２のガス流、および前記酸素希薄の第２の空気流のうちの少なくとも１つを受け取って、前記第１のガス流、前記第２のガス流、前記酸素希薄の第２の空気流、またはそれらの任意の組合せからの熱を使用して蒸気を生成するように、１つまたは複数の熱交換器を動作させることを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
酸性ガス処理ユニットの燃料反応器で酸性ガス流および酸化カルシウムを受け取る前に、酸性ガス流を加熱するように、１つまたは複数の熱交換器を動作させることを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記１つまたは複数の熱交換器から前記蒸気を受け取り、電力および減圧蒸気を生成するように発電ユニットを動作させることを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記減圧蒸気を酸性ガス除去ユニットの再生塔に供給することを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記酸性ガス流が酸性ガス除去ユニットから受け取られる、請求項１３、１４、１５、１６または１７に記載の方法。
【請求項１９】
サワーガス流と酸性ガス除去ユニットとの間に配置された選択膜モジュールを操作して、サワーガス流と比較して増加した濃度の二酸化炭素および硫化水素を有する透過流と、サワーガス流と比較して減少した濃度の二酸化炭素および硫化水素を有する保持流とを生成することを含む、請求項１３、１４、１５、１６、１７、または１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記透過流を、前記燃料反応器によって受け取られる前に前記酸性ガス流と混合することを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記酸性ガス流が炭化水素を含まない場合、前記第１のガス流から水蒸気を除去してＣＯ２流を生成することを含む、請求項１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９または２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記第１のガス流が第１の閾値量未満の一酸化炭素量および第２の閾値量未満の水素量を含む場合に、前記第１のガス流を受け取るように、酸性ガス処理ユニットの酸化剤反応器を動作させることを含む、請求項１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０または２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記燃料反応器を動作させることが、前記燃料反応器を６００℃〜９００℃の範囲の温度で動作させることを含む、請求項１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、または２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記酸化剤反応器を動作させることが、前記酸化剤反応器を８００℃〜１１００℃の範囲の温度で動作させることを含む、請求項１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、または２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記か焼反応器を動作させることが、前記酸化剤反応器を８００℃〜１０００℃の範囲の温度で動作させることを含む、請求項１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、２３または２４に記載の方法。
【請求項２６】
硫化水素を含む酸性ガス流を処理するように動作可能な酸性ガス処理ユニットであって、前記酸性ガス処理ユニットが、
前記酸性ガス流および炭酸カルシウムを受け取るように動作可能な燃料反応器であって、前記燃料反応器がさらに、
炭酸カルシウムから二酸化炭素および酸化カルシウムを生成し、硫化水素を酸化カルシウムと反応させて、硫化カルシウムと、水蒸気および二酸化炭素を含む第１のガス流とを生成するように動作可能である、燃料反応器と、
硫化カルシウムと第１の空気流とを受け取るように動作可能な酸化剤反応器であって、前記酸化剤反応器は、硫酸カルシウムおよび酸素希薄の第２の空気流を生成するようにさらに動作可能であり、前記酸素希薄の第２の空気流が１５重量％以下の酸素を含む、酸化剤反応器と、
を含む、酸性ガス処理ユニットを含む、システムであり、
前記第１のガス流および前記酸素希薄の第２の空気流を受け取るように動作可能な１つまたは複数の熱交換器を含み、前記１つまたは複数の熱交換器は、前記第１のガス流、前記酸素希薄の第２の空気流、またはそれらの組み合わせからの熱を使用して蒸気を生成するようにさらに動作可能であり、
前記１つまたは複数の熱交換器は、前記燃料反応器が前記酸性ガス流を受け取る前に、前記酸性ガス流を加熱するようにさらに動作可能である、システム。
【請求項２７】
前記１つまたは複数の熱交換器は、前記第１のガス流、前記酸素希薄の第２の空気流、またはそれらの組合せからの熱を使用して、前記第１の空気流を加熱するようにさらに動作可能である、請求項２６に記載のシステム。
【請求項２８】
前記１つまたは複数の熱交換器から前記蒸気を受け取り、電力および減圧蒸気を生成するように動作可能な発電ユニットを備える、請求項２６に記載のシステム。
【請求項２９】
前記減圧蒸気は、酸性ガス除去ユニットの再生塔に供給される、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３０】
サワーガス流を受け取り、酸性ガス流を生成するように動作可能な酸性ガス除去ユニットを含み、前記酸性ガス除去ユニットが吸収塔および再生塔を含む、請求項２６、２７、２８、または２９に記載のシステム。
【請求項３１】
酸性ガス流を生成するように動作可能な酸性ガス除去ユニットとサワーガス流との間に配置された選択膜モジュールを含み、選択膜は、サワーガス流と比較して増加した濃度の二酸化炭素および硫化水素を有する透過流と、サワーガス流と比較して減少した濃度の二酸化炭素および硫化水素を有する保持流とを生成するように動作可能である、請求項２６、２７、２８、２９、または３０に記載のシステム。
【請求項３２】
前記透過流は前記燃料反応器によって受け取られる前に前記酸性ガス流と混合され、前記酸性ガス除去ユニットは前記保持流を受け取るように動作可能である、請求項３１に記載のシステム。
【請求項３３】
前記酸化剤反応器が高速上昇反応器を含む、請求項２６、２７、２８、２９、３０、３１、または３２に記載のシステム。
【請求項３４】
酸性ガス処理ユニットの燃料反応器において酸性ガス流および炭酸カルシウムを受け取るステップであって、前記酸性ガス流は硫化水素を含む、ステップと、
炭酸カルシウムから二酸化炭素および酸化カルシウムを生成し、硫化水素を前記酸化カルシウムと反応させて、硫化カルシウムと、水蒸気および二酸化炭素を含む第１のガス流を生成するように、燃料反応器を動作させるステップと、
前記硫化カルシウムおよび第１の空気流を受け取って、硫酸カルシウムおよび酸素希薄の第２の空気流を生成するように酸性ガス処理ユニットの酸化剤反応器を動作させるステップであって、前記酸素希薄の第２の空気流が１５重量％以下の酸素を含む、ステップと、
を含む、方法であり、
第１のガス流、酸素希薄の第２の空気流、またはそれらの組合せからの熱を使用して蒸気を生成するために、第１のガス流および酸素希薄の第２の空気流のうちの少なくとも１つを受け取るように、１つまたは複数の熱交換器を動作させることを含み、
酸性ガス処理ユニットの燃料反応器で酸性ガス流を受け取る前に、酸性ガス流を加熱するために、１つまたは複数の熱交換器を動作させることを含む、方法。
【請求項３５】
前記１つまたは複数の熱交換器から前記蒸気を受け取り、電力および減圧蒸気を生成するように、発電ユニットを動作させることを含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記減圧蒸気を酸性ガス除去ユニットの再生塔に供給することを含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
サワーガス流と酸性ガス除去ユニットとの間に配置された選択膜モジュールを操作して、サワーガス流と比較して増加した濃度の二酸化炭素および硫化水素を有する透過流と、サワーガス流と比較して減少した濃度の二酸化炭素および硫化水素を有する保持流とを生成することを含む、請求項３４、３５、または３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記燃料反応器によって受け取られる前に、前記透過流を前記酸性ガス流と混合することを含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記酸性ガス流が炭化水素を含まない場合、前記第１のガス流から水蒸気を除去してＣＯ２流を生成することを含む、請求項３４、３５、３６、３７、または３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記第１のガス流が第１の閾値量未満の一酸化炭素量および第２の閾値量未満の水素量を含む場合に、前記第１のガス流を受け取るように酸性ガス処理ユニットの酸化剤反応器を動作させることを含む、請求項３４、３５、３６、３７、３８、または３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記燃料反応器を動作させることは、前記燃料反応器を８００℃〜９００℃の範囲の温度で動作させることを含む、請求項３４、３５、３６、３７、３８、３９、または４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記酸化剤反応器を動作させることが、前記酸化剤反応器を８５０℃〜１１００℃の範囲の温度で動作させることを含む、請求項３４、３５、３６、３７、３８、３９、４０、または４１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は一般に、炭化水素処理に関する。より具体的には、本開示の実施形態は、原油および天然ガスの処理中に生成される酸性ガスの処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
原油および天然ガスのような天然資源は、燃料、工業薬品、溶媒等のような種々の目的のために使用可能な炭化水素を製造するために処理（例えば、精製）される。硫化水素（Ｈ２Ｓ）は、原油および天然ガス中に天然に存在する望ましくない化合物である。原油および天然ガスの処理中に生成される酸性ガスは、典型的には、硫化水素および他の望ましくない化合物を含み、気体および液状炭化水素流からの、硫化水素、二酸化炭素（ＣＯ２）、硫化カルボニル（ＣＯＳ）、二硫化炭素（ＣＳ２）およびメルカプタン（ＲＳＨ）などの酸性ガス成分の除去は、炭化水素処理産業の多くの部分におけるプロセス要件である。石油・ガス産業は、硫黄レベルが増加した天然ガスおよび原油の処理と組み合わされた、ますます厳しくなる環境上の配慮を伴う課題に直面している。このような課題に鑑みて、効率的で費用効果の高いプロセスを開発することは困難であり得る。
【発明の概要】
【０００３】
Ｈ２ＳおよびＣＯ２は従来、主としてＨ２ＳおよびＣＯ２を含む酸性ガス流を生成するために、吸着システムおよびＭＥＡおよびＤＥＡのような溶媒を使用して、サワーガス流からストリッピングされる。次いで、この酸性ガス流は、典型的には、硫黄回収装置（クラウスプロセス）に供給され、ここで、Ｈ２Ｓ供給流の約９５％〜９７％が回収され、元素硫黄に変換される。次いで、テールガス処理プロセスは、典型的には、残りのＨ２Ｓを変換し、大気への硫黄放出を回避するために使用される。既存のクラウスプラントに従うための適切で費用効果の高いテールガス処理プロセスの選択は、製油業者および天然ガスプラント所有者が直面する課題である。
【０００４】
炭素系燃料の変換のための化学ループ燃焼（ＣＬＣ）プロセスは、１９世紀後半から２０世紀初頭までの工業的実践において使用されてきた。そのようなＣＬＣプロセスでは、燃料はまず還元装置（燃料反応器）中で金属酸化物と反応し、金属酸化物が金属に還元される。還元装置からの生成物はＣＯ２と水蒸気である。還元装置を出た金属は燃焼器（空気反応器）に入り、そこで空気と反応して金属酸化物を再生成する。次いで、金属酸化物は還元装置に再循環される。酸化熱は、酸化された金属および空気反応器からの加熱された使用済み空気によって運ばれる。使用済み空気はユーティリティ蒸気として使用することができる蒸気を生成するため、または発電のために蒸気タービンを駆動するために使用することができる。
【０００５】
異なる金属は異なる燃料（例えば、炭化水素および硫黄種）と異なる反応をするので、特定の燃料のための特定の酸素キャリアが開発されてきた。カルシウム系粒子はカルシウム系生成物中の硫黄化合物の捕捉を可能にし、硫黄含有燃料を燃焼させる発電所で典型的に使用される煙道ガス脱硫（ＦＧＤ）システムの必要性を排除するので、硫黄含有燃料の良好な候補である。
【０００６】
本開示の実施形態は、熱酸化装置を使用せずに酸性ガスから硫黄を効率的かつ経済的に回収するための改善されたシステムおよびプロセスを提供する。実施形態は、テールガス処理ユニット（ＴＧＴＵ）（Ｓｈｅｌｌ  Ｃｌａｕｓ排ガス処理（ＳＣＯＴ）プロセスのような、または類似のプロセス）へと続く、従来の熱酸化装置を使用する代わりに、酸性ガス除去ユニット（ＡＧＲ）からの酸性ガス流のような酸性ガス流を酸化し、硫黄を硫酸カルシウム（ＣａＳＯ４）副産物として回収して、硫黄回収要件を満たし、許容可能な環境レベルまでＳＯｘ排出を低減する、炭酸カルシウム系ＣＬＣプロセスを含む。
【０００７】
有利には、本開示の実施形態は、硫黄を捕捉するための熱酸化装置の使用およびテールガス処理を排除する。対照的に、そのような従来のテールガス処理では、クラウスユニットからの硫黄成分を熱酸化装置でＳＯ２に酸化し、その後、ＳＣＯＴのような方法でＳＯ２をＨ２Ｓに戻すことが必要である。従って、開示の実施形態はクラウスおよびＳＣＯＴユニットに取って代わることができ、ＣａＳＯ４副産物は、セメント産業において使用され得る。
【０００８】
一実施形態では、硫化水素を含む酸性ガス流を処理するように動作可能な酸性ガス処理ユニットを含むシステムが提供される。酸性ガス処理ユニットは、酸性ガス流および酸化カルシウムを受け取るように動作可能な燃料反応器を含み、燃料反応器は、硫化水素を酸化カルシウムと反応させて、硫化カルシウムと、水蒸気および二酸化炭素を含む第１のガス流を生成するようにさらに動作可能である。酸性ガス処理ユニットはまた、硫化カルシウムおよび第１の空気流を受け取るように動作可能な酸化剤反応器を含み、酸化剤反応器は硫酸カルシウムおよび酸素希薄の第２の空気流を生成するようにさらに動作可能であり、酸素希薄の空気流は１５重量％以下の酸素を含む。酸性ガス処理ユニットはまた、酸素希薄の第２の空気流および炭酸カルシウムを受け取るように動作可能なか焼反応器を含む。か焼反応器は酸化カルシウムおよび第２のガス流を生成するようにさらに動作可能であり、第２のガス流は二酸化炭素を含む。
【０００９】
いくつかの実施形態では、システムは、第１のガス流、第２のガス流、および酸素希薄の第２の空気流のうちの少なくとも１つを受け取るように動作可能な１つまたは複数の熱交換器を含み、１つまたは複数の熱交換器は、第１のガス流、第２のガス流、酸素希薄の第２の空気流、またはそれらの任意の組合せからの熱を使用して蒸気を生成するようにさらに動作可能である。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の熱交換器は、第１のガス流、第２のガス流、またはそれらの組合せからの熱を使用して第１の空気流を加熱するようにさらに動作可能である。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の熱交換器は、燃料反応器が酸性ガス流を受け取る前に酸性ガス流を加熱するようにさらに動作可能である。いくつかの実施形態では、システムは、１つまたは複数の熱交換器から蒸気を受け取り、電力および減圧蒸気を生成するように動作可能な発電ユニットを含む。いくつかの実施形態では、減圧蒸気は酸性ガス除去ユニットの再生塔に供給される。いくつかの実施形態では、システムは、サワーガス流を受け取り、酸性ガス流を生成するように動作可能な酸性ガス除去ユニットを含み、酸性ガス除去ユニットは吸収塔および再生塔を有する。いくつかの実施形態では、システムは、酸化剤反応器から再生塔に熱を伝達するように動作可能な１つまたは複数の熱交換器を含む。いくつかの実施形態では、システムは、酸性ガス流を生成するように動作可能な酸性ガス除去ユニットとサワーガス流との間に配置された選択膜モジュールを含み、選択膜は、サワーガス流と比較して増加した濃度の二酸化炭素および硫化水素を有する透過流と、サワーガス流と比較して減少した濃度の二酸化炭素および硫化水素を有する保持流とを生成するように動作可能である。いくつかの実施形態では、透過流は、燃料反応器によって受け取られる前に酸性ガス流と混合され、酸性ガス除去ユニットは保持流を受け取るように動作可能である。いくつかの実施形態では、酸化剤反応器は高速上昇反応器を含む。いくつかの実施形態では、か焼反応器は流動床反応器を含む。
【００１０】
別の実施形態では、酸性ガス処理ユニットの燃料反応器で酸性ガス流および酸化カルシウムを受け取るステップであって、酸性ガス流が硫化水素を含むステップと、硫化水素を酸化カルシウムと反応させて、硫化カルシウムと、水蒸気および二酸化炭素を含む第１のガス流とを生成するように燃料反応器を動作させるステップとを含む方法が提供される。この方法は、硫化カルシウムと第1の空気流とを受け取って、硫酸カルシウムと酸素希薄の第２の空気流を生成するように酸性ガス処理ユニットの酸化剤反応器を動作させることをさらに含み、酸素希薄の空気流は１５重量％以下の酸素を含む。この方法はまた、酸素希薄の空気流および炭酸カルシウムを受け取り、酸化カルシウムおよび第２のガス流を生成するようにか焼反応器を動作させることを含み、第２のガス流は二酸化炭素を含む。
【００１１】
いくつかの実施形態では、この方法は、第１のガス流、第２のガス流、および酸素希薄の第２の空気流のうちの少なくとも１つを受け取って、第１のガス流、第２のガス流、酸素希薄の第２の空気流、またはそれらの任意の組合せからの熱を使用して蒸気を生成するように、１つまたは複数の熱交換器を動作させることを含む。いくつかの実施形態では、この方法は、酸性ガス処理ユニットの燃料反応器で酸性ガス流および酸化カルシウムを受け取る前に、酸性ガス流を加熱するように、１つまたは複数の熱交換器を動作させることを含む。いくつかの実施形態では、この方法は、１つまたは複数の熱交換器から蒸気を受け取り、電力および減圧蒸気を生成するように発電ユニットを動作させることを含む。いくつかの実施形態では、この方法は、酸性ガス除去ユニットの再生塔に減圧蒸気を供給することを含む。いくつかの実施形態では、酸性ガス流が酸性ガス除去ユニットから受け取られる。いくつかの実施形態では、この方法は、サワーガス流と酸性ガス除去ユニットとの間に配置された選択膜モジュールを操作して、サワーガス流と比較して増加した濃度の二酸化炭素および硫化水素を有する透過流と、サワーガス流と比較して減少した濃度の二酸化炭素および硫化水素を有する保持流とを生成することを含む。いくつかの実施形態では、この方法は、燃料反応器によって受け取られる前に、透過流を酸性ガス流と混合することを含む。いくつかの実施形態では、この方法は、酸性ガス流が炭化水素を含まない場合に、第１のガス流から水蒸気を除去してＣＯ２流を生成することを含む。いくつかの実施形態では、第１のガス流が第１の閾値量未満の一酸化炭素の量と、第２の閾値量未満の水素の量とを含む場合に、第１のガス流を受け取るように、酸性ガス処理ユニットの酸化剤反応器を動作させる。いくつかの実施形態では、燃料反応器を動作させることは、６００℃〜９００℃の範囲の温度で燃料反応器を動作させることを含む。いくつかの実施形態では、酸化剤反応器を動作させることは、酸化剤反応器を８００℃〜１１００℃の範囲の温度で動作させることを含む。いくつかの実施形態では、か焼反応器を動作させることは、酸化剤反応器を８００℃〜１０００℃の範囲の温度で動作させることを含む。
【００１２】
別の実施形態では、硫化水素を含む酸性ガス流を処理するように動作可能な酸性ガス処理ユニットを含むシステムが提供される。酸性ガス処理ユニットは、酸性ガス流および炭酸カルシウムを受け取るように動作可能な燃料反応器を含む。燃料反応器はさらに、炭酸カルシウムから二酸化炭素および酸化カルシウムを生成し、硫化水素を酸化カルシウムと反応させて、硫化カルシウムと、水蒸気および二酸化炭素を含む第１のガス流を生成するように動作可能である。酸性ガス処理ユニットはまた、硫化カルシウムと第１の空気流とを受け取るように動作可能な酸化剤反応器を含み、酸化剤反応器はさらに、硫酸カルシウムおよび酸素希薄の第２の空気流を生成するように動作可能であり、酸素希薄の空気流は、１５重量％以下の酸素を有する。
【００１３】
いくつかの実施形態では、システムは、第１のガス流および酸素希薄の第２の空気流を受け取るように動作可能な１つまたは複数の熱交換器を含み、１つまたは複数の熱交換器は、第１のガス流、酸素希薄の第２の空気流、またはそれらの組合せからの熱を使用して、蒸気を生成するようにさらに動作可能である。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の熱交換器は、第１のガス流、酸素希薄の第２の空気流、またはそれらの組合せからの熱を使用して、第１の空気流を加熱するようにさらに動作可能である。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の熱交換器は、燃料反応器が酸性ガス流を受け取る前に、酸性ガス流を加熱するようにさらに動作可能である。いくつかの実施形態では、システムは、１つまたは複数の熱交換器から蒸気を受け取り、電力および減圧蒸気を生成するように動作可能な発電ユニットを含む。いくつかの実施形態では、減圧蒸気が酸性ガス除去ユニットの再生塔に供給される。いくつかの実施形態では、システムは、サワーガス流を受け取り、酸性ガス流を生成するように動作可能な酸性ガス除去ユニットを含み、酸性ガス除去ユニットは吸収塔および再生塔を含む。いくつかの実施形態では、システムは、酸性ガス流を生成するように動作可能な酸性ガス除去ユニットとサワーガス流との間に配置された選択膜モジュールを含み、選択膜は、サワーガス流と比較して増加した濃度の二酸化炭素および硫化水素を有する透過流と、サワーガス流と比較して減少した濃度の二酸化炭素および硫化水素を有する保持流とを生成するように動作可能である。いくつかの実施形態では、透過流は、燃料反応器によって受け取られる前に酸性ガス流と混合され、酸性ガス除去ユニットは保持流を受け取るように動作可能である。いくつかの実施形態では、酸化剤反応器は高速上昇反応器を含む。
【００１４】
別の実施形態では、酸性ガス処理ユニットの燃料反応器で酸性ガス流および炭酸カルシウムを受け取るステップであって、酸性ガス流が硫化水素を含むステップと、炭酸カルシウムから二酸化炭素および酸化カルシウムを生成し、硫化水素を酸化カルシウムと反応させて、硫化カルシウムと、水蒸気および二酸化炭素を含む第１のガス流とを生成するように燃料反応器を動作させるステップとを含む方法が提供される。この方法はまた、硫化カルシウムと第１の空気流とを受け取って、硫酸カルシウムと酸素希薄の第２の空気流とを生成するように、酸性ガス処理ユニットの酸化剤反応器を動作させることを含み、酸素希薄の第２の空気流は１５重量％以下の酸素を有する。いくつかの実施形態では、この方法は、第１のガス流および酸素希薄の第２の空気流のうちの少なくとも１つを受け取って、第１のガス流、酸素希薄の第２の空気流、またはそれらの組合せからの熱を使用して蒸気を生成するように、１つまたは複数の熱交換器を動作させることを含む。いくつかの実施形態では、この方法は、酸性ガス処理ユニットの燃料反応器で酸性ガス流を受け取る前に、酸性ガス流を加熱するように、１つまたは複数の熱交換器を動作させることを含む。いくつかの実施形態では、この方法は、１つまたは複数の熱交換器から蒸気を受け取って、電力および減圧蒸気を生成するように発電ユニットを動作させることを含む。いくつかの実施形態では、この方法は、酸性ガス除去ユニットの再生塔に減圧蒸気を供給することを含む。いくつかの実施形態では、この方法は、サワーガス流と酸性ガス除去ユニットとの間に配置された選択膜モジュールを操作して、サワーガス流と比較して増加した濃度の二酸化炭素および硫化水素を有する透過流と、サワーガス流と比較して減少した濃度の二酸化炭素および硫化水素を有する保持流とを生成することを含む。いくつかの実施形態では、この方法は、燃料反応器によって受け取られる前に、透過流を酸性ガス流と混合することを含む。いくつかの実施形態では、この方法は、酸性ガス流が炭化水素を含まない場合に、第１のガス流から水蒸気を除去してＣＯ２流を生成することを含む。いくつかの実施形態では、この方法は、第１のガス流が第１の閾値量未満の一酸化炭素量および第２の閾値量未満の水素量を含む場合に、第１のガス流を受け取るように酸性ガス処理ユニットの酸化剤反応器を動作させるステップを含む。いくつかの実施形態では、燃料反応器を動作させるステップは８００℃〜９００℃の範囲の温度で燃料反応器を動作させるステップを含む。いくつかの実施形態では、酸化剤反応器を動作させることは８５０℃〜１１００℃の範囲の温度で酸化剤反応器を動作させることを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】サワーガス流から酸性ガスを除去するための従来技術のガス処理プロセスの概略図である。
【００１６】
【図２】本開示の一実施形態による、サワーガス流中の酸性ガスを処理するためのシステムの概略図である。
【００１７】
【図３】本開示の一実施形態による、酸性ガス流を予熱することを含む、図２のシステムの概略図である。
【００１８】
【図４】本開示の一実施形態による、膜モジュールを有する図２のシステムの概略図である。
【００１９】
【図５】本開示の一実施形態による、酸性ガス流を予熱することを含む、図４のシステムの概略図である。
【００２０】
【図６】本開示の一実施形態による、サワーガス流中の酸性ガスを処理するためのシステムの概略図である。
【００２１】
【図７】本開示の一実施形態による、酸性ガス流を予熱することを含む、図６のシステムの概略図である。
【００２２】
【図８】本開示の一実施形態による、膜モジュールを有する図６のシステムの概略図である。
【００２３】
【図９】本開示の一実施形態による、酸性ガス流を予熱することを含む、図８のシステムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本開示は、本開示の実施形態を示す添付の図面を参照してより完全に説明される。しかしながら、本開示は、多くの異なる形態で具現化されてもよく、例示された実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は本開示が周到かつ完全であり、本開示の範囲が当業者に完全に伝わるように提供される。
【００２５】
本開示で使用されるように、用語「ユニット（ｕｎｉｔ）」は１つ以上の設備機器を指すことができ、いくつかの実施形態では、１つまたは複数のサブユニットを含むことができる。いくつかの実施形態では、設備機器は、反応器、反応器容器、ヒーター、交換器、パイプ、ポンプ、コンプレッサー、コントローラー、およびそれらの様々な組み合わせを含むことができる。
【００２６】
本開示で使用されるように、用語「過濃（ｒｉｃｈ）」は、流れ中の化合物または化合物の種類の少なくとも約５０モル％、重量％、または体積％の量を指す。いくつかの実施形態では、用語「過濃（ｒｉｃｈ）」は、流れ中の化合物または化合物の種類の少なくとも約７０モル％、重量％、または体積％の量を指し得る。
【００２７】
本開示で使用されるように、用語「希薄（ｌｅａｎ）」は、流れ中の化合物または化合物の種類の、一般に約１５モル％、重量％、または体積％以下の量を指し得る。いくつかの実施形態では、用語「希薄（ｌｅａｎ）」は、流れ中の化合物または化合物の種類の少なくとも約１０モル％、重量％、または体積％の量を指し得る。
【００２８】
本開示の実施形態は、硫黄放出を低減しながら、酸性ガスを処理し、発電するための化学ループ燃焼（ＣＬＣ）プロセスを有するシステムおよびプロセスを含む。本開示に記載されているように、炭酸カルシウム（石灰石に含まれるものなど）は酸性ガスから直接的に硫黄を捕捉し、ＣａＳＯ４副産物を生成するために使用される。このような実施形態は有利なことに、酸性ガスの経済的かつ効率的な変換を提供し、既存の技術および代替技術と比較して、増加した硫黄回収を達成する。さらに、本開示の実施形態は、燃焼前にガスをスイートニングすることを必要としない、酸性ガスのための燃料から熱エネルギーへの変換プロセスをさらに提供する。さらに、そのような実施形態は、既存のプロセスおよび代替のプロセスと比較して、改善された動作柔軟性を有する。本開示の実施形態はさらに、クラウスおよびテールガス処理プロセスの使用を廃除し、単一のプロセスでガス処理と発電を組み合わせることで発電を行うことができる。
【００２９】
図１は、サワーガス流中の酸性ガスを処理するための従来技術のガス処理プロセス１００を示す。図１に示すように、プロセス１００は、吸収塔１０４および再生塔１０６を有する酸性ガス除去（ＡＧＲ）ユニット１０２を含む。システム１０２はまた、以下に詳細に説明するように、ＡＧＲユニット１０２と共に動作するクラウスユニット１０８およびテールガス処理ユニット１１０を含む。
【００３０】
図１に示すように、サワーガス流１１２は、ＡＧＲユニット１０２の吸収塔１０４に供給される。再生塔１０６からの希薄負荷溶媒流１１４は、サワーガス流１１２からＨ２ＳおよびＣＯ２を吸収する。スイートニングされたガス流は、セールスガス流１１６として吸収塔１０４を出て、他の不純物または有益な炭化水素を除去するためにさらに処理されてもよい。セールスガス流１１６はまた、輸送のためにパイプラインに送ることができ、工業目的または発電プラントで使用することができる。ＡＧＲユニット１０２で使用される溶媒は、サワーガス供給流１１２中のＨ２ＳおよびＣＯ２の量、ならびに吸着塔１０４を出るセールスガス流１１６の所望の質に依存し得る。
【００３１】
Ｈ２ＳおよびＣＯ２負荷溶媒流１１８は、吸着塔１０４を出て、再生塔１０６に送られる。水蒸気流１２０を再生塔１０６に注入して、溶媒からＨ２ＳおよびＣＯ２をストリッピングし、溶媒を再生するための熱を提供する。希薄負荷溶媒流１１４は、吸収塔１０４に再循環される。大部分がＨ２ＳおよびＣＯ２を含む酸性ガス流１２２は、再生塔１０６を出て、クラウスユニット（ＣＵ１）１０８に送られる。
【００３２】
酸性ガス流１２２は酸素の存在下でクラウスユニット（ＣＵ１）１０８内で酸化され、次いで触媒と接触して元素硫黄流１２６を生成し、残りのガスは、煙道ガス流１２８を介してクラウスユニット（ＣＵ１）１０８から排出される。酸素は、空気または純粋な酸素流１３０によってクラウスユニット（ＣＵ１）１０８に供給することができる。クラウスユニット（ＣＵ１）１０８で起こる反応のバランスは発熱性であるので、残りのエネルギーは、ＡＧＲユニット１０２の再生塔１０６で使用される蒸気流１２０を生成するために使用される。
【００３３】
テールガス流１３０は、クラウスユニット（ＣＵ１）１０８を出て、テールガス処理ユニット（ＴＧＴＵ１）１１０に供給される。テールガス処理ユニット（ＴＧＴＵ１）１１０は、テールガス流１３０中のＳＯｘをＨ２Ｓに変換する。テールガス処理ユニット（ＴＧＴＵ１）１１０からのＨ２Ｓ流１３２は、クラウスユニット（ＣＵ１）１０８に還流され、硫黄回収率を増加させる。
【００３４】
図１に示される従来技術のプロセスとは対照的に、本開示の実施形態は、クラウスユニットの使用を回避または低減し、酸性ガスの処理のためのＴＧＴＵの使用を排除する。本発明の実施形態は、硫黄捕捉材料として環境に優しい天然材料、ＣａＣＯ３を使用し、酸化形態を酸素キャリアとして使用する。以下に記載されるシステムおよびプロセスによって生成される副産物は、セメント産業において使用され得る。さらに、本発明の実施形態は、ＳＯ２の還元のために熱酸化装置および水素を必要としない。図２〜４は、これらの長所および利点を含む、硫黄ガスの処置のための様々な実施形態を示す。
【００３５】
図２は、本開示の一実施形態による、サワーガス流から酸性ガスを処理するためのシステム２００を示す。図２に示されるように、システム２００は、燃料反応器（Ｆ１）２０４、酸化剤反応器（Ｏ１）２０６、およびか焼反応器２０８を有し、本開示に記載される技術に従って酸性ガスを処理する化学ループ燃焼プロセス２０２を含む。図２はさらに、上述の吸収塔１０４および再生塔と同様に動作する吸収塔２１２および再生塔２１４を有する酸性ガス除去（ＡＧＲ）ユニット２１０を示す。システム２００はまた、熱交換器２１６（すなわち、２つ以上の流れの間で熱を伝達するように構成された１つまたは複数の熱交換器）と、発電ユニット２１８とを含む。
【００３６】
図２に示すように、サワーガス流２２０をＡＧＲユニット２１０の吸収塔２１２に供給する。再生塔２１４からの希薄負荷溶媒流２２２は、サワーガス流２００からＨ２ＳおよびＣＯ２を吸収する。セールスガス流２２４は、吸収塔２１２を出て、他の不純物または有用な炭化水素を除去するために処理されてもよく、または工業目的または発電のための輸送のためにパイプラインに送られてもよい。上述のように、ＡＧＲユニット２１０で使用される溶媒は、サワーガス供給流２２０中のＨ２ＳおよびＣＯ２の量、並びに吸収塔２１２を出るセールスガス流２２４の所望の質に依存し得る。Ｈ２ＳおよびＣＯ２負荷溶媒流２２６は、吸収塔２１２を出て、再生塔２１４に送られる。後述するように、蒸気を発電ユニット２１８から供給して、Ｈ２ＳとＣＯ２をストリッピングし、溶媒を再生するための熱を供給し、希薄負荷溶媒流２２２は吸収塔２１２に再循環される。Ｈ２ＳおよびＣＯ２を含む酸性ガス流２２８は、再生塔２１４を出て、酸性ガス処理ユニット２０２に送られる。
【００３７】
再生塔２１４を出る酸性ガス流２２８は、ＣＬＣプロセス２０２の燃料反応器２０４に供給される。酸性ガス流２２８からのＨ２Ｓは、燃料反応器２０４内で酸化カルシウム（ＣａＯ）と反応して硫化カルシウム（ＣａＳ）および水蒸気を生成する。ＣａＯ流２３０は、か焼反応器２０８から燃料反応器２０４に供給することができる。固体ＣａＳは、燃料反応器２０４内の適切な固気分離装置を介して、水蒸気および残りのガスから分離することができる。いくつかの実施形態では、例えば、固気分離装置はサイクロンであってもよい。固体ＣａＳ流２３２は、燃料反応器２０４を出て、酸化剤反応器２０６に供給され得る。
【００３８】
いくつかの実施形態では、酸性ガス流２２８が炭化水素を含むことができる。そのような実施形態では、炭化水素がＣＯ、ＣＯ２、およびＨ２に改質された。これらのガス、残りのＣＯ２, および水蒸気は、ガス流２３６として燃料反応器２０４を出ることができる。ガス流２３６は熱交換器２１６に供給することができ、そこで流れ２３６は冷却され、蒸気２３８を生成するために使用される。いくつかの実施形態では、蒸気２３８は加熱用途または発電に使用することができる。例えば、蒸気２３８は、発電ユニット２１８または再生塔２１４に供給することができる。冷却されたガス流は図２に示す流れ２４０として熱交換器２１６を出て、いくつかの実施形態では、ボイラーまたはガスタービン内で排気、フレア、または燃焼させることができる。
【００３９】
燃料反応器２０４からの固体ＣａＳ流２３２は、酸化剤反応器２０６に供給され、そこで硫酸カルシウム（ＣａＳＯ４）に酸化される。酸化剤反応器２０６はまた、空気流２４２を受け取る。酸化剤反応器における酸化反応は、酸素希薄の空気（すなわち、１５％以下の酸素を有する空気）が生成されるように、空気流２４２によって供給される空気から酸素をストリッピングする。酸素希薄の空気は、燃料反応器２０４内の適切な固気分離装置を介して固体ＣａＳＯ４から分離することができる。いくつかの実施形態では、例えば、固気分離装置はサイクロンであってもよい。分離された酸素希薄の空気は、酸素希薄の空気流２４４として酸化剤反応器２０６を出ることができる。理解されるように、酸化剤反応器２０６における酸化反応は発熱性であり、化学ループ燃焼プロセス２０２のバランスをとるのを助ける。
【００４０】
ＣａＳＯ４流２４６は、酸化剤反応器２０６を出ることができる。いくつかの実施形態では、ＣａＳＯ４がシステム２００からパージされてもよい。他の実施形態では、ＣａＳＯ４の一部をシステム２００からパージすることができ、一方、ＣａＳＯ４の別の部分をか焼反応器２０８に提供することができる。そのような実施形態では、か焼反応器２０８から燃料反応器２０４に供給される流れ２３０がＣａＯとＣａＳＯ４の混合物を含み得、燃料反応器２０４から出る流れ２３２はＣａＳとＣａＳＯ４の混合物を含み得る。理解されるように、酸化剤反応器２０６および燃料反応器２０４におけるＣａＳＯ４の存在は、ＣＬＣプロセス２０２の反応器間のエネルギーの移動を助け、熱平衡を提供することができる。
【００４１】
酸化剤反応器２０６を出る酸素希薄の空気流２４４は、か焼反応器２０８に供給することができる。ＣａＣＯ３流２４８もまた、か焼反応器２０８に供給される。上述したように、いくつかの実施形態では、酸化剤反応器２０６を出るＣａＳＯ４流２４６の一部を、か焼反応器２０８に供給することができる。酸素希薄の空気流２４４は、か焼反応器２０８で起こるか焼反応を助け、ＣａＣＯ３をＣａＯおよびＣＯ２に分解することができる。か焼反応器２０８内の固体ＣａＯは、酸化剤反応器２０６内の適切な固気分離装置を介してガス流出物から分離することができる。いくつかの実施形態では、例えば、固気分離装置はサイクロンであってもよい。図２に示すように、分離されたＣａＯは、ＣａＯ流２３０を介して燃料反応器２０４に供給され、ループを閉じる。
【００４２】
分離されたガス流出物は、ガス流出物流２５０を介してか焼反応器２０８を出ることができる。ガス流出物流２５０は熱交換器２１６に供給され、蒸気２３８の生成を助けることができる。いくつかの実施形態では、蒸気２３８は加熱用途または発電に使用することができる。
【００４３】
上述したように、蒸気２３８は、発電ユニット２１８に供給することができる。発電ユニット２１８は例えば、発電機を駆動する蒸気タービンを含むことができる。そのような実施形態では、スリップ低圧流２５２を発電ユニット２１８から抽気して、酸性ガス負荷溶媒から酸性ガスをストリッピングするための適切なエネルギーを再生塔２１４に供給する。残りの蒸気は凝縮器内で凝縮されて凝縮蒸気流２５４を生成し、補給水流２５６に加えて熱交換器２１６に戻されて蒸気２３８を生成し、あらゆる蒸気損失を補給することができる。冷却されたガス流出物流は、図２に示す流れ２５８として熱交換器２１６を出る。
【００４４】
いくつかの実施形態では、再生塔２１４の動作に使用される熱は、再生塔２１４と酸化剤反応器２０６との間の熱的連結を介して酸化剤反応器２０６から供給されてもよい。例えば、熱的連結は再生塔２１４と酸化剤反応器２０６との間に配置された１つまたは複数の熱交換器であってもよく、流体を用いて再生塔２１４に熱を伝達し、別の流体を用いて酸化剤反応器２０６から熱を除去して、流体が熱交換器内で熱を交換するようにするか、または同じ流体もしくは固体を用いて再生塔２１４に熱を伝達し、酸化剤反応器２０６から熱を除去する。そのような実施形態では、熱交換器が熱交換器バンドル２１６とは異なっていても、別個であってもよい。いくつかの実施形態では、熱交換器２１６は、酸化剤反応器２０６に供給される空気流２４２が反応器２０６に導入される前に加熱されるように、空気流２６０を加熱するために使用されてもよい。
【００４５】
燃料反応器２０４は当技術分野で公知の任意の適切なタイプの固気反応器とすることができ、いくつかの実施形態では、バブリング床、流動床、または移動床反応器とすることができる。いくつかの実施形態では、酸化剤反応器２０６が高速上昇反応器であってもよい。他の実施形態では、酸化剤反応器２０６は当技術分野で公知の任意の適切なタイプの固気反応器であり、いくつかの実施形態ではバブリング床、流動床、または移動床反応器であってもよい。いくつかの実施形態では、か焼反応器２０８が流動床反応器であってもよい。他の実施形態では、か焼反応器２０８が当技術分野で公知の任意の適切なタイプの固気反応器であり、いくつかの実施形態では、バブリング床反応器または移動床反応器であってもよい。当業者には理解されるように、バブリング床、流動床、または移動床反応器はサイクロンなどの適切な固気分離構成要素を使用することができ、相互接続された床は、反応器と流動化媒体との間の気体漏れを防止して固体の循環を提供するために密封ループを使用することができる。
【００４６】
いくつかの実施形態では、酸性気体流２２８が炭化水素を含まなくてもよく、Ｈ２Ｓ、ＣＯ２および水から構成されてもよい。そのような実施形態では、酸性気体流２２８から水をストリッピングして、貯蔵または他の目的に使用することができる高純度ＣＯ２流を生成することができる。そのような実施形態では、燃料反応器２０４を出る流れ２３６がＣＯ２のみを含むことができ、熱交換器２１６を出る冷却された流れ２４０は、特定の純度でＣＯ２を捕捉するためにガスプロセッシングユニットに供給することができる。
【００４７】
いくつかの実施形態では、酸性ガス流２２８が他の実施形態と比較して減少した量の炭化水素を含むことができる。酸性ガス流２２８が減少した量の炭化水素を有する実施形態では、燃料反応器２０４を出る流れ２３６は、燃料反応器２０４内で起こる炭化水素改質によって生成されるＣＯおよびＨ２の存在のために、いくらかのエネルギー含有量を保持することができる。そのような実施形態では、流れ２３６のエネルギー含有量が十分に低い場合、流れ２３６はＣＯおよびＨ２の完全燃焼のために、空気流２４２と共に酸化剤反応器２０６に直接的に供給されてもよい。得られた生成物は、流れ２４４を介して酸化剤反応器２０６を出て、か焼反応器２０８に供給され、流れ２５０を介してか焼反応器２０８を出て、熱交換器２１６に供給される。したがって、このような実施形態は、燃料反応器２０４を出る流れ２３６を燃焼させるために別個の燃焼装置を使用することを回避する。
【００４８】
いくつかの実施形態では、サワーガス供給物２２０からのスリップ流は、ガス流２３６が増加したエネルギー含有量を有するように、燃料反応器２０４に供給されてもよい。そのような実施形態では、流れ２３６は、酸化剤反応器２０６、別個の燃焼室またはボイラー、または冷却される熱交換器２１６に直接供給されてもよい。流れ２３６が熱交換器２１６に供給される実施形態では次に、冷却された流れ２４０は圧縮され、複合サイクルまたはポリジェネレーションサイクルで動作されるガスタービンに供給されて、システム２００の動力および蒸気生成を補完することができる。
【００４９】
図３は、本開示の別の実施形態による、サワーガス流中の酸性ガスを処理するためのシステム３００を示す。図３に示すように、システム３００はシステム２００の構成要素を含むが、酸性ガス流を燃料反応器２０４に供給する前に、酸性ガス流２２８を予熱することをさらに含む。理解されるように、酸性ガス流２２８を予熱することは、酸性ガス流を燃料反応器２０４に直接供給することと比較して、燃料反応器２０４の熱要件を低減することができる。
【００５０】
図３に示すように、酸性ガス流２２８は、燃料反応器２０４に供給される前に熱交換器２１６に供給することができる。酸性ガス流２２８は、熱交換器２１６内で加熱されて、加熱された酸性ガス流３０２を生成することができる。酸性ガス流２２８は、熱交換器２１６に供給される流れ、例えばガス流２３６、ガス流出物流２５０、またはその両方を使用して加熱することができる。図３に示すように、加熱された酸性ガス流３０２を燃料反応器２０４に供給することができる。
【００５１】
図４は、本開示の別の実施形態による、サワーガス流中の酸性ガスを処理するためのシステム４００を示す。図４に示すように、システム４００はシステム２００の構成要素を含むが、ＡＧＲユニット２０２の上流に配置された選択膜モジュール４０２をさらに含む。
【００５２】
図４に示すように、サワーガス流４０４が選択膜モジュール４０２に供給される。選択膜モジュール４０２は、サワーガス流４０４からＨ２ＳおよびＣＯ２を取り除くためのＨ２ＳおよびＣＯ２選択膜を有することができる。少量のＨ２ＳおよびＣＯ２を有する選択膜モジュール４０２からの保持（「拒絶」とも呼ばれる）流４０６は、酸性ガス成分（残留Ｈ２ＳおよびＣＯ２など）をさらに取り除くために、ＡＧＲユニット２１０に供給される。選択膜モジュール４０２からの透過流４０８は、再生塔２１４を出る酸性ガス流２２８と合流して、酸性ガス処理ユニット２０２の燃料反応器２０４に供給される流れ４１０（「酸性ガス混合物」と呼ばれる）を形成することができる。
【００５３】
図４に示す実施形態では、選択膜モジュール４０２が透過流４０８中の一部の炭化水素をスリップさせ、その結果、燃料反応器２０４を出るガス流２３６のエネルギー含有量が増加することがある。いくつかの実施形態では、サワーガス流４０４の一部を流れ４１０と混合して、燃料反応器２０４を出る、結果として生じるガス流２３６のエネルギー含有量をさらに増加させることができる。そのような実施形態では、ガス流２３６は複合サイクルまたはコージェネレーション用途におけるガスタービンでの燃焼に使用することができる。
【００５４】
理解されるように、選択膜ユニット４０２はＡＧＲユニット２１０への負荷を低減し、したがって、再生ユニット２１４における溶媒損失および流れ消費を低減し得る。いくつかの実施形態において、選択膜ユニット４０２は、ガスプラントの拡張のためなどに、ＡＧＲユニットを除去するために、システムから抜けるように改造され得る。
【００５５】
図５は、本開示の別の実施形態による、サワーガス流中の酸性ガスを処理するためのシステム５００を示す。図５に示すように、システム５００はシステム４００の構成要素を含むが、酸性ガス混合流４１０を燃料反応器２０４に供給する前に、酸性ガス混合流４１０を予熱することをさらに含む。理解されるように、酸性ガス混合流４１０を予熱することは、酸性ガス混合物を燃料反応器２０４に直接供給することと比較して、燃料反応器２０４の熱要件を低減することができる。
【００５６】
上述のように、選択膜モジュール４０２からの透過流４０８は、再生塔２１４を出る酸性ガス流２２８と合流して、酸性ガス混合流４１０を形成することができる。図５に示すように、酸性ガス混合流４１０は燃料反応器２０４に供給される前に、熱交換器２１６に供給することができる。流れ４１０は、熱交換器２１６内で加熱されて、加熱された酸性ガス混合流５０２を生成することができる。酸性ガス混合流４１０は、熱交換器２１６に供給される流れ、例えばガス流２３６、ガス流出物流２５０、またはその両方を使用して加熱することができる。図５に示すように、加熱された酸性ガス混合流５０２を燃料反応器２０４に供給することができる。
【００５７】
図２〜５に記載される実施形態において、ＣＬＣプロセスの各反応器は、予想される反応を提供するための温度範囲内で動作され得る。例えば、いくつかの実施形態では、燃料反応器は約６００℃〜約９００℃の範囲で動作され得る。いくつかの実施形態では、燃料反応器２０４は約８２０℃で動作され得る。燃料反応器２０４は、ＣａＯがＨ２Ｓと選択的に反応することを確実にし、またＣＯ２の炭酸化を最小限にすることでＣａＳＯ４のみが生成されて固体循環の使用を排除することを確実にするように、動作され得る。上記のように、燃料反応器に供給される酸性ガス流中に炭化水素が存在しない場合、燃料反応器を出るガス流２３６は大部分が水蒸気およびＣＯ２を含み、高純度ＣＯ２水蒸気の生成を可能にする。
【００５８】
いくつかの実施形態では、酸化剤反応器２０６は約８００℃〜約１１００℃の範囲の温度で動作され得る。いくつかの実施形態では、例えば、酸化剤反応器２０６はか焼反応器２０８に熱を提供するために、約９００℃の温度、またはいくつかの実施形態では９００℃を超える温度、またはか焼反応器２０８の動作温度を超える温度で動作され得る。
【００５９】
いくつかの実施形態では、か焼反応器２０８が約８００℃〜約１０００℃の範囲の温度で動作され得る。いくつかの実施形態では、例えば、か焼器は約９００℃の温度で動作され得る。
【００６０】
いくつかの実施形態では、ＣＬＣプロセスのか焼反応器および燃料反応器が単一の反応器に組み合わされてもよい。図６は、本開示の別の実施形態による、サワーガス流中の酸性ガスを処理するためのシステム６００を示す。図６に示すように、システム６００は、燃料反応器（Ｆ１）６０４と、本開示に記載の技術に従って酸性ガスを処理する酸化剤反応器（Ｏ１）６０６とを有する、化学ループ燃焼プロセス（ＣＬ１）６０２を含む。以下で考察するように、燃料反応器６０４にはか焼機能が組み込まれ、燃料反応器６０４にはカルシウムＣＯ３が注入される。そのような実施形態では、固体はＣＬＣプロセス６０２で再循環されず、プロセス６０２を一度通過する。ＣａＣＯ３は燃料反応器６０４に供給され、そこで硫黄と反応してＣａＳを生成するＣａＯに分解され、燃料反応器からＣａＳが酸化剤反応器６０６に供給され、ＣａＳＯ４が提供される。
【００６１】
図６に示されるように、システム６００はまた、上述の吸収塔１０４および再生塔１０６と同様の様式で動作する吸収塔６１２および再生塔６１４を有する、酸性ガス除去（ＡＧＲ）ユニット６１０を含む。システム６００はまた、熱交換器６１６、すなわち、２つ以上の流れの間で熱を伝達するように構成された１つまたは複数の熱交換器と、発電ユニット（Ｐ１）６１８とを含む。
【００６２】
図６に示すように、サワーガス流６２０はＡＧＲユニット６１０の吸収塔６１２に供給され、上記のように、再生塔６１４からの溶媒流６２２を用いて処理されて、再生塔６１４を出る酸性ガス流６２４を生成する。セールスガス流６２５は、吸収塔６１２を出て、他の不純物または有用な炭化水素を除去するために処理されてもよく、または工業目的または発電のための輸送のためにパイプラインに送られてもよい。負荷された溶媒流６２６は、吸収塔６１４を出て、再生塔６１４に送られる。上述したように、蒸気は熱交換器６１６または発電ユニット６１８から供給され、Ｈ２ＳおよびＣＯ２をストリッピングし、溶媒を再生して負荷された希薄溶媒流６２２を生成するための熱を供給することができる。
【００６３】
図６に示すように、再生塔６１４を出る酸性ガス流６２４は、ＣＬＣプロセス６０２の燃料反応器６０４に供給される。また、ＣａＣＯ３流６２８が燃料反応器６０４に供給される。酸性ガス流６２４からのＨ２Ｓは燃料反応器６０４内でＣａＯと反応し、ＣａＳおよび水蒸気を生成する。流れ６２８からのＣａＣＯ３を燃料反応器内でか焼して、酸性ガス流６２４からのＨ２Ｓとの反応のためのＣａＯを生成する。ＣａＳは、適切な固気分離装置を介して燃料反応器６０４内で水蒸気および残留ガスから分離され、ＣａＳ流６３０を介して燃料反応器６０４から出る。ＣａＳ流６３０は、酸化剤反応器６０６に供給される。
【００６４】
いくつかの実施形態では、酸性ガス流６２４が炭化水素を含むことができる。そのような実施形態では、炭化水素が燃料反応器６０４内でＣＯ、ＣＯ２、およびＨ２に改質される。これらのガス、残りのＣＯ２ および水蒸気は、ガス流６３２として燃料反応器６０４を出ることができる。ガス流６３２は熱交換器６１６に供給することができ、そこで流れ６３２は冷却され、蒸気６３４を生成するために使用される。いくつかの実施形態では、蒸気６３４がユーティリティ蒸気（例えば、加熱用途において）または発電として使用することができる。例えば、蒸気６３４は、発電ユニット６１８または再生塔６１４に供給することができる。冷却されたガス流は図６に示す流れ６３６として熱交換器６１６を出て、いくつかの実施形態ではボイラーまたはガスタービン内で排気、フレア、または燃焼させることができる。他の実施形態では、冷却されたガス流６３６がガス処理ユニットに供給されて、流れからＣＯ２を捕捉することができる。
【００６５】
燃料反応器６０４からの固体ＣａＳ流６３０は、酸化剤反応器６０６に供給され、そこで硫酸カルシウム（ＣａＳＯ４）に酸化される。酸化剤反応器６０６は空気流６３８を受け取り、酸素希薄の空気（すなわち、１５％以下の酸素を有する空気）を生成する。酸素希薄の空気は、酸化剤反応器６０６内の適切な固気分離装置を介して固体ＣａＳＯ４から分離することができる。いくつかの実施形態では、例えば、固気分離装置はサイクロンであってもよい。分離された酸素希薄の空気は、酸素希薄の空気流６４０として酸化剤反応器６０６を出ることができる。理解されるように、酸化剤反応器６０６における酸化反応は発熱性であり、化学ループ燃焼プロセス６０２のバランスをとるのを助ける。ＣａＳＯ４流６４２は酸化剤反応器６０６を出ることができ、システム６００からパージされてもよい。
【００６６】
酸素希薄の空気流６４０は、熱交換器６１６に供給されて、実用目的または発電目的のための蒸気６３２の生成を助けることができる。冷却された酸素希薄の空気流は、流れ６４４として熱交換器６１６を出る。いくつかの実施形態では、蒸気６３２がユーティリティ蒸気（例えば、加熱用途）として、または発電のために使用することができる。
【００６７】
上述したように、蒸気６３４は、発電ユニット６１８に供給することができる。発電ユニット６１８は例えば、発電機を駆動する蒸気タービンを含む。このような実施形態では、スリップ低圧流６４６を抽気して、再生塔６１４に、酸性ガスの負荷された溶媒から酸性ガスをストリッピングするための適切なエネルギーを提供する。残りの蒸気は凝縮器内で凝縮されて凝縮蒸気流６４８を生成することができ、補給水流６５０に加えて熱交換器６１６に供給されて、必要な蒸気を生成し、任意の蒸気損失を補給することができる。
【００６８】
いくつかの実施形態では、再生塔６１４の動作に使用される熱は、再生塔６１４と酸化剤反応器６０６との間の熱的連結を介して酸化剤反応器６０６から提供され得る。例えば、熱的連結は、再生塔６１４と酸化剤反応器６０６との間に配置された１つまたは複数の熱交換器であってもよく、流体を用いて熱を再生塔６１４に伝達し、別の流体を用いて熱を酸化剤反応器６０６から除去して、流体が熱交換器内で熱を交換するようにするか、または同じ流体もしくは固体を用いて熱を再生塔６１４に伝達し、熱を酸化剤反応器６０６から除去する。いくつかの実施形態では、熱交換器６１６は、酸化剤反応器６０６に供給される空気流６３８が反応器６０６に導入される前に加熱されるように、空気流６５２を加熱するために使用されてもよい。
【００６９】
燃料反応器６０４は当技術分野で公知の任意の適切なタイプの固気反応器とすることができ、いくつかの実施形態では、バブリング床、流動床、または移動床反応器とすることができる。いくつかの実施形態では、酸化剤反応器６０６が高速上昇反応器であってもよい。他の実施形態では、酸化剤反応器６０６が当技術分野で公知の任意の適切なタイプの固気反応器であり、いくつかの実施形態ではバブリング床、流動床、または移動床反応器であってもよい。当業者には理解されるように、バブリング床、流動床、または移動床反応器はサイクロンなどの適切な固気分離構成要素を使用することができ、相互接続された床は、反応器と流動化媒体との間の気体漏れを防止して固体の循環を提供するために密封ループを使用することができる。
【００７０】
図７は、本開示の別の実施形態による、サワーガス流中の酸性ガスを処理するためのシステム７００を示す。図７に示すように、システム７００はシステム６００の構成要素を含むが、酸性ガス流を燃料反応器６０４に供給する前に、酸性ガス流６２４を予熱することをさらに含む。理解されるように、酸性ガス流６２４を予熱することは、酸性ガス流を燃料反応器６０４に直接供給することと比較して、燃料反応器６０４の熱要件を低減することができる。
【００７１】
図７に示すように、酸性ガス流６２４は、燃料反応器６０４に供給される前に熱交換器６１６に供給することができる。酸性ガス流６２４は、熱交換器６１６内で加熱されて、加熱された酸性ガス流６０２を生成することができる。酸性ガス流６２４は、熱交換器６１６に供給される流れ、例えばガス流６３２、ガス流出物流６４０、またはその両方を使用して加熱することができる。図７に示すように、加熱された酸性ガス流６０２を燃料反応器６０４に供給することができる。
【００７２】
図８は、本開示の別の実施形態による、サワーガス流中の酸性ガスを処理するためのシステム８００を示す。図８に示すように、システム８００はシステム６００の構成要素を含むが、ＡＧＲユニット６１０の上流に配置された選択膜モジュール８０２をさらに含む。
【００７３】
図８に示すように、サワーガス流８０４が選択膜モジュール８０２に供給される。選択膜モジュール８０２は、上述した選択膜モジュール３０２と同様に動作することができる。選択膜モジュール８０２は、サワーガス流８０４からＨ２ＳおよびＣＯ２を取り除くためのＨ２ＳおよびＣＯ２選択膜を有することができる。図８に示すように、Ｈ２ＳおよびＣＯ２の量が減少した選択膜モジュール８０２からの残留物流８０６は酸性ガス成分（残留Ｈ２ＳおよびＣＯ２など）をさらに取り除くために、ＡＧＲユニット６１０に供給される。選択膜モジュール８０２からの透過流８０８は、再生塔６１４を出る酸性ガス流６２４と合流して、燃料反応器６０４に供給される流れ８１０（「酸性ガス混合物」と呼ばれる)を形成することができる。
【００７４】
図８に示す実施形態では、選択膜モジュール８０２が透過流８０８中の一部の炭化水素をスリップさせ、その結果、燃料反応器６０４を出る合成ガス流６３２のエネルギー含有量が増加することがある。いくつかの実施形態では、サワーガス流８０４の一部を流れ８１０と混合して、燃料反応器６０４を出る、結果として得られる合成ガス流６３２のエネルギー含有量をさらに増加させることができ、その結果、合成ガス流６３２は複合サイクルまたはコージェネレーション用途におけるガスタービン内での燃焼に使用することができる。
【００７５】
上述したように、選択的膜ユニット６０２は、ＡＧＲユニット６１０への負荷を減少させ、従って、再生ユニット６１４における溶媒損失および流れ消費を減少させることができる。いくつかの実施形態では、選択膜ユニット６０２は、ガスプラントの拡張のためなどに、ＡＧＲユニットを除去するために、システムから抜けるように改造されるかもしれない。
【００７６】
システム８００が電力を生成するように構成されるいくつかの実施形態では、合成ガス流６３２が増加したエネルギー含有量を有するように、サワーガス供給物８０４からの異なる膜構成またはスリップ流を、燃料反応器６０４への流れ８１０と混合することができる。そのような実施形態では、流れ６３２は、酸化剤反応器６０６、別個の燃焼室またはボイラー、または冷却される熱交換器６１６に直接供給されてもよい。流れ６３２が熱交換器６１６に供給される実施形態では、冷却された流れ６３６が圧縮され、複合サイクルまたはポリジェネレーションサイクルで動作されるガスタービンに供給されて、動力および流れの生成を補完することができる。
【００７７】
いくつかの実施形態では、酸性ガス混合流８１０は、他の実施形態と比較して減少した量の炭化水素を有することができる。そのような実施形態では、燃料反応器６０４を出る流れ６３２は、燃料反応器６０４内で起こる炭化水素改質によって生成されるＣＯおよびＨ２の存在に起因して、いくらかのエネルギー含有量を保持し得る。そのような実施形態では、流れ６３２のエネルギー含有量が十分に低い場合、流れ６３２はＣＯおよびＨ２の完全燃焼のために空気流６３８と共に酸化剤反応器６０６に直接供給されてもよい。得られた生成物は、流れ６４０を介して酸化剤反応器６０６を出て、熱交換器６１６に供給されてもよい。したがって、このような実施形態は、燃料反応器６０６を出る流れ６３２を燃焼させるために別個の燃焼装置を使用することを回避する。
【００７８】
図９は、本開示の別の実施形態による、サワーガス流中の酸性ガスを処理するためのシステム９００を示す。図９に示すように、システム９００はシステム８００の構成要素を含むが、酸性ガス混合流８１０を燃料反応器６０４に供給する前に、酸性ガス混合流８１０を予熱することをさらに含む。理解されるように、酸性ガス混合流６１０を予熱することは、酸性ガス混合物を燃料反応器６０４に直接供給することと比較して、燃料反応器６０４の熱要件を低減することができる。
【００７９】
上述のように、選択膜モジュール８０２からの透過流８０８は、再生塔６１４を出る酸性ガス流６２４と合流して、酸性ガス混合流８１０を形成することができる。図９に示すように、酸性ガス混合流８１０は燃料反応器６０４に供給される前に、熱交換器６１６に供給することができる。流れ８１０は、熱交換器６１６内で加熱されて、加熱された酸性ガス混合流９０２を生成することができる。酸性ガス混合流８１０は、熱交換器６１６に供給される流れ、例えばガス流６３２、ガス流出物流６４０、またはその両方を使用して加熱することができる。図９に示すように、加熱された酸性ガス混合流９０２を燃料反応器６０４に供給することができる。
【００８０】
図６〜９に記載される実施形態において、ＣＬＣプロセス６０２の各反応器は、予想される反応を提供する温度範囲内で動作され得る。例えば、いくつかの実施形態では、組み合わされたか焼機能を有する燃料反応器６０４が約８００℃〜約１０００℃の範囲で動作され得る。いくつかの実施形態では、燃料反応器６０４が約９００℃で動作され得る。燃料反応器６０４は、ＣａＯとＨ２Ｓとの選択的反応を提供し、ＣａＣＯ３の分解を提供するのに充分な温度で動作され得る。
【００８１】
いくつかの実施形態では、酸化剤反応器６０６が約８５０℃〜約１１００℃の範囲の温度で動作され得る。いくつかの実施形態では、酸化剤反応器６０６が約９５０℃の温度で動作され得る。いくつかの実施形態では、酸化剤反応器６０６が燃料反応器６０４の動作温度より少なくとも５０℃高い温度（例えば、燃料反応器６０４が約９００℃で動作される場合、約９５０℃）で動作され得る。
【００８２】
［実施例］
以下の実施例は、本開示の実施形態を実証するために含まれる。以下の実施例において開示される技術および組成物は、本開示の実施において十分に機能することが発見された技術および組成物を表し、したがって、その実施のための様式を構成すると考えられ得ることが、当業者によって理解されるべきである。しかしながら、当業者は本開示に照らして、開示された特定の実施形態において多くの変更を行うことができ、それでも、本開示の精神および範囲から逸脱することなく、同様のまたは類似の結果を得ることができることを理解すべきである。
【００８３】
酸性ガス流の予熱を伴わない図２および図６に記載される実施形態は、アメリカ合衆国マサチューセッツ州ベッドフォードに所在するアスペンテクノロジー社によって製造されるアスペンプラス（登録商標）を使用してシミュレートされた。表１は、各実施形態について、入力流の質量流量（キログラム／秒（ｋｇ／ｓ）)、出力流の組成（百万分率質量（ｐｐｍ）または質量％)、反応器動作温度、反応器熱出力（メガワット（ＭＷ））、および硫黄回収率を含む:
【００８４】
【表１】
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【００８５】
表１に示すように、両方の構成は、クラウスユニットまたはＴＧＴＵを使用することなく、少なくとも９９．５％の硫黄回収をもたらした。
【００８６】
範囲は、本開示において、約１つの特定の値から約別の特定の値まで、またはその両方として表されてもよい。そのような範囲が表現される場合、別の実施形態は１つの特定の値から、他の特定の値、またはその両方、ならびに前記範囲内のすべての組合せであることを理解されたい。
【００８７】
本開示の様々な態様のさらなる修正および代替実施形態は、この説明を考慮すれば当業者には明らかであろう。したがって、この説明は例示としてのみ解釈されるべきであり、本開示で説明される実施形態を実行する一般的な方法を当業者に教示することを目的とする。本開示において示され、説明される形態は、実施形態の例として解釈されるべきであることが理解される。要素および材料は本開示において図示され、説明されたものと置き換えられてもよく、部分およびプロセスは逆にされ、または省略されてもよく、いくつかの特徴は独立して利用されてもよく、すべて、この説明の恩恵を得た後に当業者には明らかであろう。以下の特許請求の範囲に記載された本開示の精神および範囲から逸脱することなく、本開示に記載された要素に変更を加えることができる。本開示で使用される見出しは、組織的な目的のためだけのものであり、本説明の範囲を限定するために使用されることを意味するものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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