具有能量回收的二氧化碳與天然氣的膜分離的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明設(shè)及使用膜例如半透膜使二氧化碳與天然氣分離的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 使酸性氣體與未處理的天然氣分離可稱為使天然氣"脫硫(sweetening)"。在未處 理的天然氣中通常見到的酸性氣體的實(shí)例包括二氧化碳(0)2)和硫化氨化2S)，且含有運(yùn)些 氣體中的一種或多種的未處理的天然氣可被稱為"酸"氣。本發(fā)明因此可包括使未處理的或 "酸"天然氣"脫硫"方法的至少一部分。該方法旨在能夠制造適合分配的管線品質(zhì)并由消費(fèi) 者使用的天然氣。
[0003] 在經(jīng)由管線分配之前必須處理含有超過3%二氧化碳且常超過1.5%二氧化碳的天 然氣礦藏W降低二氧化碳含量。最常見的處理方法是在溶劑內(nèi)化學(xué)吸收，其為通常使用例 如單乙醇胺(MEA)的胺水溶液的溶劑洗涂方法。在運(yùn)一方法中，貧二氧化碳胺溶液從天然氣 中吸收二氧化碳W生成富二氧化碳溶劑，該富二氧化碳溶劑從天然氣分離。溶劑通過施加 熱再生，該熱從胺溶液中汽提出二氧化碳。二氧化碳隨后通常排到大氣中。然而，胺吸收系 統(tǒng)消耗大量能量來使溶劑再生且需要非常危險(xiǎn)的化學(xué)品。
[0004] 膜處理是可提供較簡(jiǎn)單的操作和較高效率的供選技術(shù)。遺憾的是，通常需要多于 一個(gè)膜級(jí)W實(shí)現(xiàn)高天然氣回收率。通常，相對(duì)于甲醇，該膜優(yōu)先被二氧化碳滲透，但選擇性 不是太高，W致于不能防止顯著分?jǐn)?shù)的甲燒滑移（slip)到滲透物中。該甲燒滑移可通過增 加至少一個(gè)另外的膜級(jí)W從滲透物中回收甲燒并使其再循環(huán)來減輕，代價(jià)是額外的膜和再 壓縮的動(dòng)力消耗。因此，膜系統(tǒng)通常需要高于約10%的二氧化碳濃度W與包括胺吸收的處理 方法在經(jīng)濟(jì)上相競(jìng)爭(zhēng)。
[000引Scholes等(Fuel;第96卷;第15-28頁；2012)提供了當(dāng)前膜技術(shù)的簡(jiǎn)便概述。他們 描述了 =類聚合物膜：即乙酸纖維素、聚酷亞胺和全氣聚合物的物理參數(shù)和性能特征。典型 的C02/C也選擇性為4-100,盡管在實(shí)踐中該選擇性可因天然氣中的雜質(zhì)的性質(zhì)和量及溫度 而顯著改變。
[0006] 在使用膜W從天然氣中除去二氧化碳的領(lǐng)域中存在許多實(shí)例。例如，F(xiàn)rantz 化S7429287A)教導(dǎo)了燃燒具有低熱值的滲透物W產(chǎn)生動(dòng)力的多級(jí)二氧化碳去除膜系統(tǒng)。
[0007] Baker等化S5558698A)教導(dǎo)了包括從天然氣中除去二氧化碳和硫化氨的一個(gè)或多 個(gè)級(jí)段的膜系統(tǒng)，W使在滲透物中甲燒的濃度最小化。
[000引 Lo化andwala化S6035641A)教導(dǎo)了相對(duì)于氮?dú)鈱?duì)甲燒具有選擇性且用W升級(jí)具 有低熱值的氣流的單級(jí)膜系統(tǒng)。該滲透物富含甲燒且用W產(chǎn)生動(dòng)力。
[0009] 還已經(jīng)使用膜來從生物氣體中除去二氧化碳。例如，Biehl等(W02010/006910A)教 導(dǎo)了從具有低熱值且含有至少18體積%二氧化碳、其余基本上由甲燒、水蒸氣和氮?dú)饨M成的 生物氣體進(jìn)料中除去二氧化碳的單級(jí)膜系統(tǒng)。該系統(tǒng)產(chǎn)生作為保留物的含有優(yōu)選小于15體 積%二氧化碳的用于分配的天然氣流，W及含有優(yōu)選至少8體積％甲燒W便在熱電聯(lián)產(chǎn)廠中 后燃燒器(af t erburner)中使用的滲透物流。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了使二氧化碳與天然氣分離的方法，所述方法包括： 將包含二氧化碳的天然氣進(jìn)料(例如，"酸"或"未處理的"天然氣）引入單級(jí)膜分離系統(tǒng) W使二氧化碳與所述天然氣進(jìn)料分離，從而生成富甲燒的保留氣體(例如，"脫硫的"或"處 理過的"天然氣)和包含甲燒的富二氧化碳的滲透氣體； 燃燒所述滲透氣體的至少一部分W產(chǎn)生燃燒排出氣體;和 從所述燃燒回收能量W便例如在所述方法內(nèi)和/或在集成方法內(nèi)使用。
[0011] 本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)通過經(jīng)由在例如燃?xì)鉂M輪機(jī)、鍋爐或往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒回收在 滲透氣體中的能量的至少一部分W產(chǎn)生低成本動(dòng)力和/或熱W產(chǎn)生蒸汽或熱油的具有單級(jí) 和高甲燒滑移的膜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
[0012] 本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于消除了進(jìn)一步處理滲透氣體的需要。熟練的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng) 了解使用膜處理天然氣的典型優(yōu)化策略是使?jié)B透氣體再加壓并將其進(jìn)料到第二級(jí)膜分離 系統(tǒng)中。本發(fā)明通過有意地允許顯著的甲燒滑移W提供具有充分高熱值的滲透物氣體W通 過燃燒產(chǎn)生隨后可用W產(chǎn)生蒸汽或熱油的動(dòng)力和/或熱改變了該優(yōu)化策略。新配置降低或 消除了對(duì)于級(jí)間壓縮的需要，由此降低總動(dòng)力消耗和總資金和操作成本。所述方法產(chǎn)生可 內(nèi)部使用或輸出到集成方法中W進(jìn)一步降低總動(dòng)力消耗并改進(jìn)總效率的動(dòng)力和/或熱。
[0013] 本發(fā)明的另一優(yōu)勢(shì)在于，通過降低所需設(shè)備的量和尺寸，可處理更寬濃度范圍的 二氧化碳。
[0014] 在第一方面的一個(gè)優(yōu)選配置中，提供了使二氧化碳與取自地質(zhì)地層中的地下礦藏 的天然氣進(jìn)料分離的方法，所述天然氣進(jìn)料包含至少約80%的甲燒和約3%-約15%的二氧化 碳且具有至少約780BTU/scf (31MJ/Nm3)的高熱值，所述方法包括： 將所述天然氣進(jìn)料引入包括至少一個(gè)聚合物膜單元的單級(jí)膜分離系統(tǒng)中，其中所述一 個(gè)或多個(gè)膜具有約10-約50的CO2/CH4選擇性，所述天然氣進(jìn)料在約275psi (19己）-約 12(K)psi (85己）的壓力和約40°C-約80°C的溫度下引入所述系統(tǒng)，W使二氧化碳與所述天 然氣進(jìn)料分離從而生成用于管線分配的富甲燒的保留氣體和包含至少約40%甲燒和約10%-約50%二氧化碳且具有約400 BTU/scf (15MJ/Nm3)-約800BTU/scf (32MJ/Nm3)的高熱值的 富二氧化碳的滲透氣體； 燃燒所述滲透氣體的至少一部分W產(chǎn)生燃燒排出氣體;和 從所述燃燒中回收能量，例如從所述燃燒排出氣體的至少一部分中回收作為動(dòng)力和/ 或熱的能量。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面的第二配置，提供了使二氧化碳與天然氣分離的方法，所 述方法包括： 將包含二氧化碳的天然氣進(jìn)料引入單級(jí)膜分離系統(tǒng)中W便使二氧化碳與所述天然氣 進(jìn)料分離，從而生成富甲燒的保留氣體和包含甲燒的富二氧化碳的滲透氣體； 燃燒所述滲透氣體的至少一部分W產(chǎn)生燃燒排出氣體;和 從所述燃燒中，例如從所述燃燒排出氣體的至少一部分中且任選從由此生成的滿輪機(jī) 排出氣體中回收作為動(dòng)力的能量； 其中所述動(dòng)力的至少一部分用于提供壓縮負(fù)荷。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面的第=配置，提供了使二氧化碳與天然氣分離的方法，所 述方法包括： 將包含二氧化碳的天然氣進(jìn)料引入包括二氧化碳吸收級(jí)段和溶劑再生級(jí)段的溶劑吸 收系統(tǒng)，W產(chǎn)生二氧化碳和貧二氧化碳的天然氣； 將包含二氧化碳的天然氣進(jìn)料引入單級(jí)膜分離系統(tǒng)中W便使二氧化碳與所述天然氣 進(jìn)料分離，從而生成富甲燒的保留氣體和包含甲燒的富二氧化碳的滲透氣體； 燃燒所述滲透氣體的至少一部分W產(chǎn)生燃燒排出氣體;和 從所述燃燒中、例如從所述燃燒排出氣體的至少一部分回收作為熱的能量， 其中從所述燃燒回收的所述熱的至少一部分用于提供在所述溶劑吸收系統(tǒng)的所述溶 劑再生級(jí)段中的公用工程加熱負(fù)荷。
[0017] 所述溶劑吸收系統(tǒng)和所述膜分離系統(tǒng)的天然氣進(jìn)料可來自不同的來源。然而，在 優(yōu)選的實(shí)施方案中，進(jìn)料來自相同來源且所述溶劑吸收系統(tǒng)和所述膜分離系統(tǒng)平行操作W 從天然氣中除去二氧化碳。
[0018] 能量可從燃燒排出氣體中作為動(dòng)力回收且一部分回收的動(dòng)力可用于提供溶劑吸 收系統(tǒng)的進(jìn)料的壓縮負(fù)荷。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了用于使二氧化碳與天然氣分離的設(shè)備，所述設(shè)備 包括： 與地質(zhì)地層中的地下天然氣礦藏流體流動(dòng)連通的至少一個(gè)井口； 與所述一個(gè)或多個(gè)井口流體流動(dòng)連通的單級(jí)分離膜系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括至少一個(gè)聚合 物膜單元，其中各個(gè)膜包括保留物側(cè)和滲透物側(cè)且具有至少約5的C02/CH4選擇性； 與所述一個(gè)或多個(gè)膜的所述滲透物側(cè)流體流動(dòng)連通的燃燒系統(tǒng);和 與所述燃燒系統(tǒng)組合的能量回收系統(tǒng)。
[0020] 在本發(fā)明的第二方面的另一配置中，提供了用于使二氧化碳與天然氣分離的設(shè) 備，所述設(shè)備包括： 至少一個(gè)壓縮系統(tǒng). 包括至少一個(gè)聚合物膜單元的單級(jí)膜分離系統(tǒng)，其中各個(gè)膜包括保留物側(cè)和滲透物側(cè) 且具有至少約5的CO2/CH4選擇性； 與所述一個(gè)或多個(gè)膜的所述滲透物側(cè)流體流動(dòng)連通的燃燒系統(tǒng);和 與所述燃燒系統(tǒng)組合的能量回收系統(tǒng)； 其中所述壓縮系統(tǒng)或在存在多于一個(gè)壓縮系統(tǒng)的情況下所述壓縮系統(tǒng)中的至少一個(gè) 由所述能量回收系統(tǒng)供W動(dòng)力。
[0021] 在該配置中（或?qū)嶋H上在本文公開的設(shè)備的任何配置或?qū)嵤┓桨钢校┑囊粋€(gè)或多 個(gè)壓縮系統(tǒng)可由至少一個(gè)滿輪機(jī)或往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)直接供W動(dòng)力或驅(qū)動(dòng)。在運(yùn)樣的實(shí)施方案 中，所述一個(gè)或多個(gè)壓縮系統(tǒng)可例如通過驅(qū)動(dòng)軸、任選使用齒輪與所述一個(gè)或多個(gè)滿輪機(jī) 或發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械連接。供選地，所述一個(gè)或多個(gè)壓縮系統(tǒng)可通過所述一個(gè)或多個(gè)滿輪機(jī)或發(fā) 動(dòng)機(jī)間接地供W動(dòng)力或驅(qū)動(dòng)。在運(yùn)些實(shí)施方案中，所述一個(gè)滿輪機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)可驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)， 所述發(fā)電機(jī)隨后可用來為所述壓縮系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)供W動(dòng)力。
[0022] 在本發(fā)明的第二方面的又一配置中，提供了用于使二氧化碳與天然氣分離的設(shè) 備，所述設(shè)備包括： 天然氣進(jìn)料的來源； 與所述天然氣的來源流體流動(dòng)連通的二氧化碳去除系統(tǒng)，所述二氧化碳去除系統(tǒng)平行 地包括： 包括二氧化碳吸收級(jí)段和溶劑再生級(jí)段的溶劑吸收系統(tǒng);和 包括至少一個(gè)聚合物膜單元的單級(jí)膜分離系統(tǒng)，其中各個(gè)膜包括保留物側(cè)和滲透物側(cè) 且具有至少約5的CO2/CH4選擇性； 與所述一個(gè)或多個(gè)膜的所述滲透物側(cè)流體流動(dòng)連通的燃燒系統(tǒng);和 與所述燃燒系統(tǒng)組合的能量回收系統(tǒng)，所述能量回收系統(tǒng)包括集成在所述燃燒系統(tǒng)與 所述溶劑吸收系統(tǒng)的所述溶劑再生級(jí)段之間的傳熱系統(tǒng)。
[0023] 對(duì)于所述設(shè)備的各配置，所述膜分離系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)膜可具有約10-約50的 CO2/CH4選擇性。
【附圖說明】
[0024] 圖1描繪使用二級(jí)膜系統(tǒng)從天然氣中除去二氧化碳的現(xiàn)有技術(shù)流程圖； 圖2描繪本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的流程圖，其中將滲透氣體燃燒W產(chǎn)生動(dòng)力(其用于提 供在該方法內(nèi)的壓縮負(fù)荷)和熱； 圖3描繪在圖2中所示的實(shí)施方案的改進(jìn)的流程圖，其中動(dòng)力和熱輸出到集成的胺吸收 法中； 圖4描繪在圖2中所示的實(shí)施方案的另一改進(jìn)的流程圖； 圖5描繪合并了輔助鍋爐的在圖4中所示的實(shí)施方案的改進(jìn)的流程圖； 圖6描繪本發(fā)明的另一實(shí)施方案的流程圖，其中將滲透氣體燃燒W產(chǎn)生熱，該熱輸出到 集成的胺吸收法中。
[0025] 圖7描繪在圖6中所示的實(shí)施方案的改進(jìn)的流程圖，其中將一部分保留氣體用作該 燃燒中的二次燃料。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 除非另外明確陳述，否則本文中提到的所有壓力都是絕對(duì)壓力，而不是表壓。另 夕h除非從上下文中顯而易見僅指單數(shù)或復(fù)數(shù)，否則所提到的單數(shù)都應(yīng)該解釋為包括復(fù)數(shù) 個(gè)對(duì)象，反之亦然。另外，除非另外明確陳述，否則流體組成是W基于"干重"計(jì)的摩爾％計(jì) 算，即從該計(jì)算中排除任何水含量。
[0027] 方法概述 根據(jù)本發(fā)明的方法包括將含有二氧化碳的天然氣進(jìn)料引入單級(jí)膜分離系統(tǒng)W使二氧 化碳與所述天然氣進(jìn)料分離，從而生成富甲燒的保留氣體和包含甲燒的富二氧化碳的滲透 氣體。將滲透氣體的至少一部分燃燒W產(chǎn)生燃燒排出氣體。通常W動(dòng)力和/或熱形式的能量 從燃燒中，例如從燃燒排出氣體的至少一部分回收。
[0028] 在本說明書中使用的W下術(shù)語如下定義： 術(shù)語"半滲透膜"是指相對(duì)于其他氣體而言，對(duì)于一些氣體具有較高滲透率的膜。在本 發(fā)明的情況下，相對(duì)于甲燒而言，該膜對(duì)于二氧化碳具有選擇性，即，相對(duì)于甲燒而言，優(yōu)先 允許二氧化碳穿過該膜。除非從上下文中顯而易見旨在不同類型的膜，否則提到"膜"將被 解釋為提到"半滲透膜"。
[0029] 術(shù)語"滲透氣體"是指穿過半透膜的氣體。
[0030] 術(shù)語"保留氣體"是指未穿過半透膜的氣體。
[0031] 術(shù)語"天然氣進(jìn)料"是指需要除去至少二氧化碳W滿足管線分配的受規(guī)章限制規(guī) 格的天然氣。通常，天然氣進(jìn)料包含超過1.5體積％、例如超過2體積%或超過3體積%的二