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CN102442645A - 用于产生功率和氢气的方法和设备 - Google Patents

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CN102442645A CN2011102216454A CN201110221645A CN102442645A CN 102442645 A CN102442645 A CN 102442645A CN 2011102216454 A CN2011102216454 A CN 2011102216454A CN 201110221645 A CN201110221645 A CN 201110221645A CN 102442645 A CN102442645 A CN 102442645A
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Abstract

本发明涉及用于产生动力和氢气的方法和设备。使用串联的第一和第二变压吸附(PSA)系统，由包含H2和CO2的气态混合物来产生功率和H2。该气态混合物是在超大气压力时进料到第一PSA系统的，其包含吸附剂来在所述压力选择性吸附CO2，并且CO2被吸附，由此提供处于超大气压力的富含H2的混合物。由一部分的该富含H2的混合物来形成燃料物流，将其燃烧，并且将该燃烧流出物膨胀来产生功率。将另一部分的该富含H2的混合物送到第二PSA系统，其包含吸附剂来在超大气压力选择性吸附CO2，并且CO2被吸附，由此提供高纯度H2产物。在优选的实施方案中，富含H2的混合物在形成燃料物流与进料到第二PSA系统之间的分配是可调整的。

Description

用于产生功率和氢气的方法和设备
技术领域
本发明涉及方法和设备，其用于由包含H2和二氧化碳(CO2)的气态混合物来产生功率(power)和氢气(H2)，和特别是用于由获自含碳原料(feedstock)的气化或者重整的气态混合物，来同时和/或可调整地产生电功率(electric power)和高纯度氢气产物(优选的纯度是至少大约99.9mol％，更优选至少是大约99.99mol％)。
背景技术
固体或液体含碳原料的气化，或者气态或液体含碳原料的部分氧化或者蒸汽甲烷重整，继之以从气化器或者重整器流出物中随后分离氢气，是公知的用于生产氢气的技术，并且许多年来已经成为研究和开发的主题。同样已知的，所分离的氢气产物然后可以根据它的纯度而用于许多的用途。例如，氢气可以用作例如燃气轮机中(gas turbine)的燃料，由此产生功率(特别是电功率)，和/或它可以用于精炼、化学和/或燃料电池应用中。在该氢气产物被作为燃料用于燃气轮机中来产生功率的情况中，一定程度上较低的纯度通常是可接受的，该纯度低于用于精炼、化学和/或燃料电池应用(其全部典型的要求H2纯度至少是99.9mol％，和更典型的是至少99.99mol％)所要求的氢气产物的纯度。
气化器或者重整器流出物典型的包含H2，CO2和一氧化碳(CO)作为主要成分，具有少量的其他成分例如甲烷(CH4)，氨(NH3)，氮气(N2)，氩气(Ar)，和在含硫原料的情况中，具有某些含硫物类(主要是硫化氢(H2S)，但是其他物类例如羰基硫(COS)和二硫化碳(CS2)也可以在较少程度存在)。这种流出物通常然后经历水煤气变换(water-gas-shift)反应，来通过与H2O反应而将一些或者全部的CO转化成CO2和H2。在其中任何的含硫物类没有通过适当的吸附技术来首先除去的情况中(在使用硫敏感的变换催化剂的情况中，这可能是必需的)，这可能具有也提高了所变换的混合物中H2S浓度的副作用，这归因于在水煤气变换反应过程中，粗合成气物流中的其他硫物类向H2S的转化。
如果期望的是适于作为燃料用于产生功率或者用于精炼、化学或者燃料电池应用中的H2产物，则典型的将需要从气化器、重整器或者变换-转化器的流出物的其他成分中进一步分离H2。已经开发了一批用于从这样的混合物，和从包含H2和CO2的其他混合物中分离H2的工艺，并且其是已知的。一种方案是利用变压吸附(PSA)，并且现有技术中已经描述了采用这种方案的多种方法。
例如，US-A1-2007/0178035描述了一种用于处理气态混合物(例如获自气化方法)的方法，该混合物包含H2，CO2和一种或多种可燃烧的气体(即，H2S，CO和CH4)。优选通过变压吸附(PSA)，从而从该气态混合物中分离H2，来产生分离的高纯度H2气体和粗的含有可燃烧气体的CO2气体。该粗CO2气体进行燃烧来产生热和CO2产物气体(其包含可燃烧气体的燃烧产物)。通过与H2气体(向其中可能已经加入了稀释剂(例如N2或者H2O))的间接热交换来从该CO2产物气体中回收热，并且该升温的含H2的气体然后可以作为燃料进料到燃气轮机。在燃烧产物(一种或多种)包含SOx(SO2和SO3)的情况中，它们可以通过这样的方法来回收，该方法包括用水洗涤该气体，并且将该气体保持在升高的压力。
US4171206描述了一种方法，在其中两个PSA系统(每个包含多个平行运行的吸附剂床)被串联使用来从进料气体中分离高纯度H2产物和CO2产物，该进料气体包含H2和CO2和一种或多种稀释成分例如CO和CH4。该进料气体可以例如由烃重整设备中的变换转化器(shift converter)来生产。将该进料气体在超大气压力进料到第一PSA系统，并且吸附CO2。被推动通过该第一PSA系统的未吸附的气体然后进料到第二PSA系统，在这里吸附稀释成分，并且将被推动通过第二PSA系统的未吸附的气体作为高纯度H2产物抽出。该第一PSA系统使用真空变压吸附方法，由此在该第一PSA系统的床的排空(blowdown)和抽空(evacuation)过程中，将在环境和亚环境压力所获得的解吸的气体作为高纯度CO2产物抽出。在该第二PSA系统的床的排空/纯化过程中，在大约环境压力所获得的解吸的气体作为含有H2，CO和CH4和具有良好燃料值的产物来抽出。
US4790858，US4813980，US4836833，US5133785描述了许多对于US4171206所述方法的修改或者改变。US4790858描述了一种方法，在其中将在大气压时获自第二PSA系统的含有H2，CO和CH4的产物进行压缩，并且进料到第三PSA系统，来回收存在于所述进料中的一些H2，作为另外的高纯度H2产物。US4813980描述了使用第一和第二PSA系统来将重整器废气(该废气包含H2，N2，CO2和少量CH4，CO和Ar)分离成高纯度氨合成气(例如包含3∶1比率的H2/N2的产物)，高纯度CO2产物，和含有H2，CH4和CO的产物(该产物能够作为燃料用于重整器)。US4836833描述了一种方法，在其中进料到第一PSA系统的进料是来自蒸汽甲烷重整器的重整物(reformate)，并且获自第二PSA系统的解吸的产物包含CO，H2和少量CH4，并且在多膜系统中进一步分离来获得高纯度CO产物。US5133785描述了对于US4171206中所述PSA循环的某些修改，来运行该第一和第二PSA系统。
US3102013公开了一种方法，使用至少两个串联的PSA床来分离至少三种成分(称作A，B和C)的混合物。将该混合物在高压进料到第一床，在这里吸附成分C，并且将推动通过第一床的未吸附的气体进料到第二床，在这里选择性吸附成分B，由此获得包含成分A的产物。一部分的该产物被用于低压吹扫所述床。来自第一床的吹扫的气体包含成分A和C，来自第二床的吹扫的气体包含成分A和B。这些吹扫的气体然后分别在另外的分离床中分离成为成分A和C以及A和B。
US4042349公开了使用两个或者更多个串联和/或并联的PSA床来分离混合物的方法。在一种实施方案中，将两个床串联使用，并且与另外两个串联的床并联使用，来从包含H2，N2，CH4，Ar和NH3的进料混合物中分离H2物流。
US4539020公开了一种方法，使用串联的至少两个吸附剂床来从通过PSA的进料气体中分离CO，该进料气体包含CO2，CO和较少可吸附成分(非CO，例如是N2，H2或者CH4)。第一床从该进料气体中选择性吸附CO2，并且将推动通过第一床的贫CO2气体进料到第二床，其选择性吸附CO。被推动通过第二床的气体包含CO和较少可吸附成分，并且可以用于吹扫第一床，剩余物由于它可观的CO含量而能够用作燃料。在真空下从第二床排出的气体形成了高纯度CO产物。在一个实施例中，该方法用于分离包含CO，CO2，N2，H2和O2的气态混合物，其是来自转化器炉的废气。
US4696680描述了一种方法，用于大批分离主要包含H2，CO，CH4，CO2和H2S的气态混合物，该混合物来自于煤的气化。在一种实施方案中，该气态混合物是在大约大气压进料到第一PSA床的，该床选择性吸附了CO2和H2S。将来自该第一PSA床的未吸附的气体(其包含H2，CO和CH4)压缩和进料到第二PSA床，其处于H2，CO和CH4全部被吸附的压力。第二PSA床中的压力然后逐步降低来依次解吸高纯度H2产物，富含CO的产物和富含CH4的产物。该第一PSA床是通过在亚大气压解吸CO2和H2S来再生的。该富含CO和CH4的产物可以作为混合物用于提供燃料气体。
US4761167描述一种方法，用于从包含CH4，N2和CO2的燃料气体物流中除去N2。将该燃料气体物流进料到PSA系统，其包含多个并联使用的吸附剂床，来从混合物中选择性吸附CO2。离开该PSA系统的未吸附的流出物(基本组成是CH4和N2)然后进料到除氮单元(Nitrogen Rejection Unit，NRU)，其通过分馏来从CH4分离N2。获自该NRU的氮气体物流然后可以用于在该床在大气压下的再生过程中吹扫该PSA系统的床。
US-B1-6340382描述一种PSA系统的设计和运行，该系统用于由气体物流来产生高纯度(≥99.9％)H2产物，该气体物流含有大于大约50mol％的H2，例如这样的物流，其包含60-90mol％的H2和包括CO2，H2O，CH4，N2和CO。该文献还交叉参考了许多关于用于产生高纯度H2的PSA循环和吸附剂选项的现有技术的工作。
US2007/0199446描述了一种真空变压吸附(VPSA)方法，用于使用一个或者两个吸附剂床，由高纯度(例如管线级别)氢气气体物流来生产基本无CO的氢气气体物流。该高纯度氢气气体物流的组成为大约99.9体积％的H2和至多大约1000ppm的非氢杂质，并且该基本无CO的氢气气体物流包含小于1ppm的CO。该PSA方法使用物理吸附剂，具有氮气吸附的高热量，一氧化碳吸附的中热量和氢气吸附的低热量，并且使用真空吹扫的高进料物流压力(例如进料压力高到大约1000bar(100MPa))和大于大约30分钟的进料时间，来由管线级别氢气生产基本无CO的氢气。
US-A1-2007/0227353描述了一种方法，用于经由VPSA来从进料物流中分离纯度至少80mol％的CO2产物，该进料物流至少含有CO2和H2。该进料可以例如是合成气物流，获自蒸汽甲烷重整和变换-转化天然气，将其在超大气压力进料到VPSA。将该富含H2的未吸附的流出物送到第二PSA单元，在这里将它进一步分离来获得高压、高纯度H2产物。将从处于亚大气压的VPSA单元解吸的气体作为CO2产物抽出，并且从该第二PSA单元解吸的气体可作为燃料物流用于蒸汽甲烷重整器。
US-B2-7550030和US-A1-2008/0072752描述了对于US-A1-2007/0227353所述方法的变体。在US-B2-7550030的方法中，第三物流获自VPSA单元，该物流是贫H2的物流(相对于VPSA单元的进料)，其是在亚大气压下对所述床抽空之前，在所述床减压过程中，由从该VPSA床解吸的气体来形成的。这种贫H2的物流然后可以与从第二PSA单元解吸的气体混合，来形成合并的燃料物流，用于蒸汽甲烷重整器，或者可以送到焚化器中或者排掉。在US-A1-2008/0072752的方法中，在亚大气压下对所述床抽空之前，在所述床减压过程中，将从该VPSA单元的床解吸的气体所形成的物流再循环到该VPSA单元的新进料中。
WO2005/118126描述一种生产高纯度氢气的方法，在其中烃进料在高压下在部分-氧化或者蒸汽-甲烷重整器中重整，来生产含有H2的高压流出物，其在PSA单元中被分离来生产高纯度产品物流(即，98体积％或者更高的H2)。从该PSA单元排出的含H2的气体可以燃烧来加热所述重整器的进料空气。在这里烃进料是酸性进料(即，包含H2S)，在PSA单元中分离之前，H2S吸附剂(含有例如吸着剂例如氧化锌)可以用于从该重整器流出物中除去H2S。
FR2899890描述了一种PSA方法，用于由含氢的进料气体来生产H2产物(98-99.5mol％纯度)，在其中用于在PSA方法的吹扫步骤过程中吹扫PSA单元床的气体是富含H2的气体，其至少部分地获自外部来源，例如获自炼油厂的石化或者炼油单元。
本发明优选实施方案的一个目标是提供由包含H2和CO2的气态混合物，例如诸如获自烃原料气化或者重整的混合物，来有效和灵活的产生功率和氢气二者。
制造高纯度H2(例如用于出售给用户)和较低纯度H2物流(作为燃料用于通过例如在燃气轮机中燃烧来产生功率)二者的设备的运行因为多种原因而可能是令人期望的。特别地，具有产生电功率和高纯度H2二者的能力具有明显的成本优势的潜力。归因于规模经济，在制造高纯度H2之外产生功率所增加的资金和运行成本潜在的明显小于在孤立设备中制造相同量功率和/或高纯度H2的资金和成本。
这里还能够具有这样的优点，即，改变用于销售的高纯度H2与作为燃料用于产生功率的低纯度H2之间的生产的灵活性。例如，电功率的价格可能根据因素例如白天或者季节的时节而发生相当大的变化，具有需求高峰和低谷。所以这里会存在着商业利益，即，当电功率价格低时，能够调低或者关闭燃气轮机，和当高纯度H2的售价能够高于功率时提高它的生产。同样，当电功率价格高时，降低或者停止生产高纯度H2来提高电功率的产生会具有商业上的利益。
另外，存在着这样的情况，在其中该气态混合物(由其来产生功率和H2二者)的来源不可能是完全可靠的。例如，在其中该气态混合物获自含碳原料通过数个气化器的气化的情况下，可能出现的是已知有一些不可靠的一个或多个气化器在正常的运行过程中突然和预料不到地发生故障。在其中设备常规用于产生功率和高纯度H2二者，并且具有改变其生产的能力的情况中，该设备操作者至少会具有降低或者停止功率或者高纯度H2的生产，来保持另一者期望的生产水平的选项。例如，在需要将高纯度H2连续供应给用户的情况中，如果必需，通过降低或者停止(至少临时的)功率生产来保持供应给用户的水平的能力能够为该用户提供更可靠的服务。
发明内容
根据本发明的第一方面，这里提供了由包含H2和CO2的气态混合物来同时产生功率和H2的方法，该方法包括：
将处于超大气压力(super-atmospheric pressure)的该气态混合物进料到第一变压吸附(PSA)系统，该系统包含吸附剂来在所述压力选择性吸附CO2，和用所述吸附剂并在所述压力从该气态混合物中选择性吸附CO2，由此获得处于超大气压力的富含H2的混合物；
由一部分的该富含H2的混合物来形成燃料物流，燃烧所述燃料物流和膨胀所形成的燃烧流出物，来产生功率；和
将另一部分的处于超大气压力的该富含H2的混合物进料到第二PSA系统，该系统包含吸附剂来在所述压力选择性吸附CO2，和用所述吸附剂并在所述压力从所述部分的富含H2的混合物中选择性吸附CO2，由此获得H2产物。
根据本发明的第二方面，这里提供了由包含H2和CO2的气态混合物来可调节地产生功率和H2中任何一个或者二者的方法，该方法包括：
将处于超大气压力的该气态混合物进料到第一变压吸附(PSA)系统，该系统包含吸附剂来在所述压力选择性吸附CO2，和用所述吸附剂并在所述压力从该气态混合物中选择性吸附CO2，由此获得处于超大气压力的富含H2的混合物；和
由该富含H2的混合物来形成燃料物流和PSA进料物流中的任何一个或者二者，燃烧该燃料物流，并膨胀所形成的燃烧流出物来产生功率，和将该PSA进料物流在超大气压力进料到第二PSA系统，该系统包含吸附剂来在所述压力选择性吸附CO2，用所述吸附剂并在所述压力从所述PSA进料物流中选择性吸附CO2，由此来获得H2产物；
其中富含H2的混合物在该燃料物流和PSA进料物流之间的分配(division)是可调整的，由此使得能够通过降低用于形成PSA进料物流的比例，来提高用于形成燃料物流的富含H2的混合物的比例，反之亦然，而无需停止该气态混合物向第一PSA系统的进料。
根据本发明的第三方面，这里提供了设备，其用于由包含H2和CO2的气态混合物来产生功率和H2，该设备包含：
第一变压吸附(PSA)系统，其包含吸附剂来在超大气压力选择性吸附CO2；
导管排布(conduit arrangement)，其用于在超大气压力将该气态混合物进料到第一PSA系统中；
燃气轮机，其用于燃烧燃料物流，并且膨胀所形成的燃烧流出物来产生功率；
第二PSA系统，其包含吸附剂来在超大气压力选择性吸附CO2；
导管排布，其用于在超大气压力从该第一PSA系统中抽出富含H2的混合物，将由一部分的所述富含H2的混合物形成的燃料物流引入到燃气轮机中，和将另一部分的所述富含H2的混合物引入到第二PSA系统中；和
导管排布，其用于从所述第二PSA系统中抽出H2产物。
附图说明
图1是流程图，表示了本发明的一种实施方案；
图2A是流程图，表示了以第一模式运行的本发明的另一种实施方案；和
图2B是流程图，表示了以第二模式运行的图2A的实施方案。
具体实施方式
本发明在一方面提供了由包含H2和CO2的气态混合物来同时产生功率和H2的方法，该方法包括：
将处于超大气压力的该气态混合物进料到第一变压吸附(PSA)系统，该系统包含吸附剂来在所述压力选择性吸附CO2，和用所述吸附剂并在所述压力从该气态混合物中选择性吸附CO2，由此获得处于超大气压力的富含H2的混合物；
由一部分的该富含H2的混合物来形成燃料物流，燃烧所述燃料物流和膨胀所形成的燃烧流出物，来产生功率；和
将另一部分的处于超大气压力的该富含H2的混合物进料到第二PSA系统，该系统包含吸附剂来在所述压力选择性吸附CO2，和用所述吸附剂并在所述压力从所述部分的富含H2的混合物中选择性吸附CO2，由此获得H2产物。
如同将要进一步详细讨论的那样，这种排列(在其中两个PSA系统串联使用来从该气态混合物中分离H2产物，并且在超大气压力从该第一PSA系统获得的一部分的中间富含H2的混合物被用于形成燃料物流来产生功率)提供了有效的产生功率和高纯度H2产物二者的手段。具体的，与下面的可选择的排列相比，这种排列提供了效率好处：所述可选择的排列可构想为使用单个PSA系统，两个并联的PSA系统，或者两个串联的PSA系统，并且燃料物流是可选择形成的。
在本发明优选的实施方案中，富含H2的混合物在形成燃料物流与进料到第二PSA系统之间的分配是可调整的，由此使得能够通过降低进料到第二PSA的比例，来提高用于形成燃料物流的富含H2的混合物的比例，反之亦然，而无需停止该气态混合物向第一PSA系统的进料。这提供了下面的另外的好处：在功率和H2产物产生的水平之间提供了灵活性。
本发明在另一方面还提供了由包含H2和CO2的气态混合物来可调节地产生功率和H2中任何一个或者二者的方法，该方法包括：
将处于超大气压力的该气态混合物进料到第一变压吸附(PSA)系统，该系统包含吸附剂来在所述压力选择性吸附CO2，和用所述吸附剂并在所述压力从该气态混合物中选择性吸附CO2，由此获得处于超大气压力的富含H2的混合物；和
由该富含H2的混合物来形成燃料物流和PSA进料物流中的任何一个或者二者，燃烧该燃料物流，并膨胀所形成的燃烧流出物来产生功率，和将该PSA进料物流在超大气压力进料到第二PSA系统，该系统包含吸附剂来在所述压力选择性吸附CO2，用所述吸附剂在所述压力从所述PSA进料物流中选择性吸附CO2，由此来获得H2产物；
其中畜含H2的混合物在该燃料物流和PSA进料物流之间的分配是可调整的，由此使得能够通过降低用于形成PSA进料物流的比例，来提高用于形成燃料物流的富含H2的混合物的比例，反之亦然，而无需停止该气态混合物向第一PSA系统的进料。
因此，在这种方法中，功率和H2产物二者还可以通过使用两个串联的PSA系统分离包含H2和CO2的起始气态混合物来同时产生，由此提供前述的在加工效率方面的好处。但是，在这种方法中，富含H2的混合物在燃料物流和PSA进料物流之间的分配是完全可调整的，而无需停止该气态混合物向第一PSA系统的进料，这样在任何一个时间点，该方法可以运行来仅仅产生功率或者仅仅产生H2产物。这当然使得该方法的灵活性最大化。
在本发明的方法中，如上所述，进料到第一PSA系统的气态混合物包含H2和CO2。优选H2和CO2构成了该混合物的主成分(即，这些成分中每个的mol％单个大于该混合物中所存在的任何其他单个成分)。优选该混合物包含：大约20-90％mol％，更优选大约30-75mol％的H2；和大约10-60％mol％的CO2。
该气态混合物可以包含除了H2和CO2之外的其他成分。例如，该气态混合物可以进一步包含：其他含碳成分例如CO，CH4，和/或长链烃；含硫成分例如H2S，COS和/或其他硫化物(其中，H2S将典型的是主成分，即，其存在的mol％大于任何其他单个含硫成分)；一种或多种惰性气体例如N2和/或Ar；和/或水。在优选的实施方案中，该混合物进一步包含H2S。在存在H2S的情况中，其优选的存在量至多大约4mol％，更优选至多大约2mol％。在存在CO的情况中，它优选的存在量不大于10mol％。在存在CH4的情况中，它优选的存在量不大于10mol％。
优选该气态混合物获自含碳原料的气化或者重整。该含碳原料可以例如是富含碳(例如煤)或者烃(例如天然气)的原料。如果在该原料中存在硫(例如原料是煤或者石油焦(petcoke)的情况下)，则这典型的将导致气态混合物中存在着一种或多种前述含硫成分。气态混合物中存在的任何惰性气体例如N2和Ar典型的来自用于气化/重整的燃料或者氧化剂(例如来自空气分离单元的大约95％纯度的O2)。获自气化/重整的该气态混合物还可以经历一个或多个水煤气变换反应步骤，由此将来自气化器/重整器的初始流出物中存在的至少一些CO通过与H2O反应转化来获得另外的H2和CO2。作为初始气化/重整工艺的结果，作为随后的变换反应步骤的结果，和/或作为来自气化器/重整器的初始流出物的其他形式加工(例如来自于在该气化器流出物上进行的骤冷步骤，来除去灰分和其他微粒(particulate))的结果，水因此可以存在于该气态混合物中。
所述超大气压力(在该压力时，将气态混合物进料到第一PSA系统)优选是大约1-10MPa(10-100bar)绝压，和更优选是大约2-7MPa(20-70bar)绝压。进料温度通常将是大约10-60℃，例如在大约环境温度。但是，在第一PSA系统进行吸附增强的水煤气变换(SEWGS)反应的情况中，则典型的将需要更高的进料温度，例如大约200-500℃。
在气态混合物获自含碳原料气化或者重整的情况中，该气化或者重整方法(和气化器或者重整器流出物任何随后的加工)因此优选是在这样的条件下进行的：该条件使得该气态混合物是在如上所述的压力和温度获得的。例如，运行气化器，以使得该气化器流出物是在超大气压力时获得的方法是本领域已知的。但是，当需要时以及如果需要，还可以使用另外的压缩，加热和/或冷却步骤。
获自第一PSA系统的富含H2的混合物相对于气态混合物是富含H2和贫CO2的(即，该富含H2的混合物中的H2的mol％和CO2的mol％分别大于和小于气态混合物中)，但是仍然存在着一些CO2(对于将一部分的该富含H2的混合物作为燃料用于产生功率来说，完全除去CO2是不必要的和不经济的)。在该气态混合物还包含更多的一种或多种其他含碳成分的情况中，该富含H2的混合物还可以贫含一种或多种(或者实际上所有的)所述含碳成分(即该富含H2的混合物中每个所述成分的mol％小于所述气态混合物)。在该气态混合物还包含H2S的情况中，该富含H2的混合物优选相对于该气态混合物贫含H2S(即，该富含H2的混合物中的H2S的mol％小于该气态混合物)。在该气态混合物还包含一种或多种其他含硫成分的情况中，该富含H2的混合物优选还贫含所述含硫成分(即，该富含H2的混合物中每个所述成分的mol％小于该气态混合物)。
如上所述，来自第一PSA的至少一部分的富含H2的混合物是或者可以用来形成燃料物流，所述燃料物流进行燃烧，并且将所形成的燃烧流出物膨胀来产生功率。优选所述燃烧和膨胀是在燃气轮机中进行的。所以优选的是该富含H2的混合物是足够贫含碳和含硫成分的，来允许该混合物用于形成燃气轮机(或者运行来燃烧该混合物和膨胀所形成的燃烧流出物的其他系统)的燃料，而无需任何另外的纯化。
含硫成分在该燃料物流中可接受的含量将取决于SOx(SO2和SO3)所允许的排放极限，其将在燃烧后最终处置硫。作为例子，United StatesDepartment of Energy报告DOE/NETL-2007/1281，Cost andPerformance Baseline for Fossil Energy Plants：第1卷：Bituminous Coaland Natural Gas to Electricity(其公开内容以引用的方式在此并入)给出了用于整合的气化合并的循环(IGCC)设备的SOx排放允许标准的例子(参见该报告的第35页)。
同样，在送往燃气轮机(或者其他燃烧系统)的燃料物流中除了CO2之外的其它任何含碳成分将氧化成CO2，并且将与燃料物流中的CO2一起计算为从所述设备中的CO2排放量，这里对于其典型的也有约束。取决于适用的规则，这将是对于所产生的每单位功率的CO2量的固定的极限，或者CO2的排放量将被赋予货币值(例如碳排放税(carbon tax)，cap & trade)，在该情况中，燃料中的C02和其他含碳成分的量将被限制到将该功率产生方法保持为经济可行时所处的水平上。
优选该第一PSA系统：吸附了至少大约70％，更优选至少大约80％和最优选至少大约90％的存在于气态混合物中的CO2；和/或吸附了至少大约70％，更优选至少大约80％和最优选至少大约90％的存在于该气态混合物中的含碳成分(总共)。因此，该富含H2的混合物中的CO2回收率(即，回收在富含H2的混合物中的气态混合物中所存在的CO2的百分比)优选最多是大约30％，更优选是最多大约20％，和最优选最多大约10％；和/或该富含H2的混合物中的总含碳成分回收率(即，回收在富含H2的混合物中的气态混合物中所存在的总含碳成分的百分比)优选最多是大约30％，更优选最多大约20％，和最优选最多大约10％。优选该富含H2的混合物中的H2回收率(即，回收在富含H2的混合物中的气态混合物中所存在的H2的百分比)至少是大约70％，更优选至少大约80％和最优选至少大约90％。典型的，该第一PSA系统吸附气态混合物中存在的最多大约99％的CO2，和因此该富含H2的混合物中的CO2回收率典型的是至少1％。
上述百分比可以由该气态和富含H2的混合物中的CO2、含碳成分(总)或者H2的相对摩尔含量来计算。因此，如果例如到第一PSA系统的气态混合物进料包含90kmol/h的CO2，100kmol/h的总共全部含碳成分(包括CO2)和100kmol/h的H2；和获自第一PSA系统的富含H2的混合物包含9kmol/h的CO2，10kmol/h的总共全部的含碳成分和90kmol/h的H2；则在这种情况中，90％的CO2，90％的总含碳成分和10％的H2将被第一PSA系统吸附，和10％的CO2，10％的含碳成分(总共)和90％的H2将回收在富含H2的混合物中。
在该气态混合物还包含H2S和/或其他含硫成分的情况中，第一PSA系统优选还吸附了进料中硫的总摩尔数的至少大约95％，更优选至少大约99％和最优选至少大约99.9％。因此，该富含H2的混合物中的含硫成分的回收率，就与所述气态混合物相比的该富含H2的混合物中的硫的总摩尔数而言，优选最多是大约5％，更优选最多大约1％，和最优选最多大约0.1％。
优选该富含H2的混合物包含大于大约90mol％的H2。在该气态混合物包含H2S的情况中，该富含H2的混合物包含优选小于大约50ppm，更优选小于大约20ppm，和最优选小于大约5ppm的H2S。
在水也存在于该气态混合物中的情况中，该富含H2的混合物相对于该气态混合物优选是贫含水的。优选该富含H2的混合物是基本或者完全无水的。这具有在第二PSA系统中允许使用吸附剂的优点，其是不容许水的或者在“干燥”环境中表现的更好。
在该气态混合物包含惰性气体例如N2和Ar的情况中，该富含H2的混合物典型的将富含这些气体以及H2。
获得该富含H2的混合物时的超大气压力优选是与将该气态混合物进料到该第一PSA系统时的超大气压力相同的或者基本相同的。如下面将要更详细解释的那样，该富含H2的混合物是至少部分的(优选全部的)由在超大气压力(在该压力时，将该气态混合物进料到第一PSA系统)时推动通过第一PSA系统的床(一个或多个)的气体形成的。在某些情形中，当气体推动通过PSA系统的床(一个或多个)时的一些压力降低会可能是不可避免的，在这种情况中，获得该气体时的压力很显然将稍微低于气体进料到第一PSA系统时的压力。但是，优选任何这样的压力降低被最小化或者避免。在发生这样的压力降低的情况中，该压力降低优选最多是0.1MPa(1bar)。优选该第一PSA系统是这样运行的，即，使得获得该富含H2的混合物时的压力等同于或者高于进料到第二PSA系统所需的压力或者形成燃料物流所需的压力，该燃料物流将在燃气轮机中燃烧(或者其他系统，用于燃烧该燃料物流和膨胀所形成的燃烧流出物来产生功率)。在进料到第二PSA系统所需的压力与形成燃料物流所需的压力不同的情况中(这是经常可能发生的情况)，第一PSA系统特别地可以这样来运行，即，使得获得该富含H2的混合物时的压力与这两个压力的较高的或者较低的相同，或者处于这两个压力之间。
如上所述，至少一部分的该富含H2的混合物被或者可以被进料到第二PSA系统。从第一PSA系统抽出用于进料到第二PSA系统的该富含H2的混合物可以在它抽出时直接进料到第二PSA系统，或者它可以送到中间缓冲器/存储槽中和从这里进料到第二PSA系统。使用缓冲器/存储槽特别地在这样的方法中是优选的：在该方法中该富含H2的混合物在形成燃料物流和进料到第二PSA系统之间的分配可以变化，因为使用缓冲器/存储槽能够减轻这样的变化对于富含H2的混合物向第二PSA系统的进料的影响。
如上所述，该富含H2的混合物可以在适于进料到第二PSA系统的压力获得。但是，在并非如此的情况中，进料到第二PSA系统的该富含H2的混合物的压力可以根据需要来提高或者降低，例如使用一个或多个压缩机或者膨胀器来进行。
该富含H2的混合物可以在处于它获自第一PSA系统时的温度进料到第二PSA系统。但是，更优选将进料到第二PSA系统的该富含H2的混合物在引入到第二PSA系统之前进行冷却。这将典型的提高第二PSA系统的性能，因为较低的进料温度通常导致较高的吸附剂能力。进料到第二PSA系统的进料可以经由在一个或多个热交换器中的间接热交换来冷却(使用例如水和/或来自第二PSA系统的尾气作为冷却剂)。
如上所述，来自第一PSA的至少一部分的该富含H2的混合物被或者可以被用于形成燃料物流，其被燃烧并且所形成的燃烧流出物膨胀(优选在燃气轮机中)，来产生功率。由已经处于超大气压力的气体来形成该燃料物流(形成它的全部或者至少部分)降低了在燃烧和膨胀之前所需的燃料物流的压缩量，由此提高功率的产生效率。如上所述，该富含H2的混合物可以在适于在燃气轮机(或者其他用于燃烧该燃料物流和膨胀所形成的燃烧流出物来产生功率的系统)中燃烧的超大气压力获得，而无需任何另外的压缩。在这样的情形中，并且取决于与该富含H2的混合物合并来形成燃料物流的任何其他气体(如果有任何的)的压力，可以一起避免对于燃烧和膨胀之前，对于该燃料物流的任何另外的压缩需求。
该燃料物流可以仅仅由该富含H2的混合物来形成。但是，优选将用于形成燃料物流的部分的富含H2的混合物与合适的稀释剂例如N2和/或蒸汽合并，来减少NOx的形成。该燃料物流可以根据需要加热或者冷却到可接受的入口温度，来使得功率产生最大化(例如大约100-400℃)。
如上所述，在优选的实施方案中，将该燃料物流燃烧，并且所形成的燃烧流出物在燃气轮机中膨胀。如本领域已知的那样，燃气轮机包含与涡轮流体流动连接的燃烧室。将送往该燃气轮机的燃料物流与氧化剂物流(例如空气)混合，并且在燃烧室中燃烧来产生处于超大气压力的加热的燃烧流出物，然后通过使得该流出物通过涡轮来产生功率和膨胀的燃烧流出物，来从该燃烧流出物中提取能量。该燃气轮机典型的进一步包含压缩机，来在所述物流进入燃烧室之前压缩空气(或者其他氧化剂物流)，所述压缩机典型的是通过涡轮驱动的(除了产生电功率和/或用于其他用途的功率的涡轮之外)，例如通过经由共用的驱动轴来直接连接到涡轮上。
获自第二PSA系统的H2产物相对于所述富含H2的混合物来说是富含H2的，并且因此进一步相对于所述气态混合物来说是富含H2的；并且相对于所述富含H2的混合物来说是贫含CO2的，和因此进一步相对于所述气态混合物来说是贫含CO2的。该H2产物还优选是贫含该富含H2的混合物中所存在的除H2之外的任何和全部其它成分的，例如任何和全部残留的含碳成分(除了CO2之外)，任何残留的含硫成分，任何剩余的水，和任何惰性成分(例如Ar和N2)。优选该H2产物的纯度是这样，即，使得它适用于精炼厂、化学或者燃料电池应用。优选该H2产物是基本纯净的H2。例如，该H2产物优选包含至少大约99.9mol％的H2，更优选至少大约99.99mol％的H2。最优选该H2产物包含至少大约99.9999mol％的H2(即，在其中，仍然存在于产物中的任何其他成分的合并总量是大约1ppm或者更低)。
H2产物可以例如抽出，并且直接送到一个或多个下游工艺或者用于供应给用户，或者可以送去存储。存储该H2产物的能力在下面的情况中是特别有益的：即，在这里富含H2的混合物在形成燃料物流和进料到第二PSA系统之间的分配是可调整的，因为使用存储在这种情况中能够减轻进料的变化对于第二PSA系统的影响。使用存储例如在下面的情况中会是令人期望的或者甚至必需的：即，在这里H2产物供应给要求恒定流量的高纯度H2的用户(并且在这种情况中，存储应当适当的调整大小来控制进料速率中预期的变化)。该H2产物可以例如作为气体或者液体存储于槽罐，地下，或者管线系统中(通过允许该管线压力变化来进行)。
该第一和第二PSA系统每个包含一个或多个吸附剂床，如本领域已知的那样。例如，每个系统可以包含多个床，并且单个床的PSA循环是适当交错的，以使得在任何时间点，这里总有至少一个床经历吸附和至少一个床经历再生，这样该系统能够连续分离进料给它的物流。该系统还可以例如包含多于一个串联排列的床，并且该串联床同时经历吸附，通过一个床的气体被送往串联的接下来的床，并且将再生过程中从所述床解吸气体适当的合并。
每个PSA系统可以包含单个类型的吸附剂(其对于通过所述系统选择性吸附的全部成分是选择性的)，或者多于一种类型的吸附剂(该吸附剂组合来提供期望的选择性吸附)。在存在多于一种类型吸附剂的情况中，它们可以互相混合和/或排列在床的分开的层/区中，或者存在于串联排列的分开的床中，或者以本领域中合适的和已知的任何其他方式来排列。
如上所述，使用第一PSA系统来从气态混合物中分离该富含H2的混合物，并且因此包含了吸附剂，其从处于超大气压力(一种或多种)(在该压力下该气态混合物被进料到第一PSA系统中)的气态混合物中选择性吸附CO2(即，其吸附CO2优先于吸附H2，或者换种说法，对CO2的吸附亲和力大于H2)。在富含H2的混合物相对于所述气态混合物还贫含一种或多种其他含碳成分，贫含一种或多种含硫成分和/或水的情况中，则该第一PSA系统包含这样的吸附剂(一种或多种)，其在所述压力(一种或多种)也选择性吸附(即，吸附优先于H2)这些成分。典型的，第一PSA系统中所用的吸附剂对于惰性气体例如N2和Ar不是选择性的，并且如果是这种情况，则在其中这些气体存在于该气态混合物中的情况中，它们将优先与H2一起通过该第一PSA系统。
将对第一PSA系统中所用的一种或多种吸附剂进行选择，来提供期望纯度的富含H2的混合物，并且合适的吸附剂是本领域已知的。用于第一PSA系统中的合适类型的吸附剂的例子包括氧化铝类，硅胶类，活性炭类和分子筛类。在不需要H2S和/或其他含硫成分的选择性吸收的情况下，优选的吸附剂可以是活性炭，因为它对CO2(和其他含碳成分)具有比H2高的亲合力。在需要H2S和/或其他含硫成分的选择性吸附的情况下，则优选的吸附剂将是硅胶，其具有对于吸附CO2和H2S二者的亲合力和稳定性，或者硅胶/碳拼合物(split)。用作H2S的吸附剂的合适类型的硅胶例如是US-A1-2010/0011955中所述的高纯度硅胶(大于99％的SiO2)，其公开内容以引用的方式在此并入。
如果该第一PSA系统将进行SEWGS反应(其中该PSA系统以与下面的吸附相同的类型来进行水煤气变换反应：通过变换反应，吸附来自气态混合物中已存的CO2和从气态混合物中新形成的CO2两者)，则该PSA系统必须包含在该水煤气变换反应方面同样是催化活性的材料。EP-B1-1006079和WO-A1-2010/059055(其公开内容以引用的方式在此并入)所述K2CO3促进的水滑石在这种情况中是优选的材料。US-B2-7354562(其公开内容以引用的方式在此并入)描述了示例性的SEWGS方法，其能够通过第一PSA系统来进行。
如上所述，使用第二PSA系统来从进料到所述系统的富含H2的混合物中分离H2产物，并且因此包含了吸附剂(一种或多种)，来在超大气压力(一种或多种)(在该压力时，该富含H2的混合物被进料到第二PSA系统)选择性吸附CO2(即，吸附CO2优先于H2，或者换种说法，对CO2的吸附亲和力大于H2)，和优选吸附仍然存在于该富含H2的混合物中的除H2之外的其它任何和全部成分。将对第二PSA系统中所用的一种或多种吸附剂进行选择，来提供期望纯度的H2产物，并且同样合适类型的吸附剂是本领域已知的。典型的，将使用一个或多个吸附剂层，其选自氧化铝类，硅胶类，活性炭类和沸石分子筛类。为了生产高纯度H2产物，可以例如优选的是硅胶/碳/5A沸石拼合物。
在其中期望多种具有不同纯度等级的H2产物的情况中，第二PSA系统还可以设计来生产所述多种H2产物。在这种情况中，第二PSA系统可以例如包含并联运行的多于一个床或者成组的床，其包含不同的吸附剂和/或是在不同的反应条件下运行的，以便生产不同纯度等级的H2产物。
第一和第二PSA系统中的每个可以以与用于分离H2的已知的PSA系统(在此也称作H2-PSA系统)相同的方式来运行，并且全部已知的PSA循环选项(例如循环和步骤定时；吸附的使用、次序和运行，均衡，重新加压，减压和吹扫步骤；等等)适于该技术领域。用于PSA系统的合适的运行条件(目的是获得如对于该富含H2的混合物和H2产物当前所期望的H2纯度/组成)同样是本领域已知的。
在该第一和第二PSA系统中进行的PSA循环当然将典型的包括至少吸附、排空/减压和吹扫步骤。在第一PSA系统的情况中，在吸附步骤过程中，将该气态混合物在超大气压力进料到所述床(一个或多个)来经历吸附步骤，并且选择性吸附CO2(和该气态混合物的任何其他成分，在其中该富含H2的混合物将被贫化)，在这个步骤过程中被推动通过所述床(一个或多个)的气体形成了全部或者至少一部分的该富含H2的混合物。在排空/减压步骤(一个或多个)和吹扫步骤过程中，所述床(一个或多个)中的压力降低，并且吹扫气体穿过该床(一个或多个)，来解吸CO2和在前面的吸附步骤中所吸附的其他成分，由此再生该床(一个或多个)，来准备用于接下来的吸附步骤。
类似的，在第二PSA系统的情况中，在吸附步骤过程中将富含H2的混合物在超大气压力进料到所述床(一个或多个)，经历吸附步骤，并且选择性吸附CO2和优选仍然存在于该富含H2的混合物中的除H2之外的其它全部成分，在这个步骤过程中被推动通过所述床(一个或多个)的气体形成了全部或者至少一部分的H2产物。在排空/减压步骤(一个或多个)和吹扫步骤过程中，所述床(一个或多个)中的压力降低，并且吹扫气体穿过该床(一个或多个)，来解吸CO2和在前面的吸附步骤中所吸附的其他成分，由此再生该床(一个或多个)，来准备用于接下来的吸附步骤。
在吸附步骤过程中进料该气态混合物和该富含H2的混合物的优选的超大气压力和温度如上所述。在该第一和第二PSA系统中所用的排空/减压和吹扫步骤可以例如分别进行低到和处于大约大气压力，即，大约0.1MPa(1bar)绝压，或者进行低到和处于一定程度上高于大气压力，例如大约0.1-0.5MPa(1-5bar)绝压。可选择的，该第一和/或第二PSA系统可以使用真空变压吸附(VPSA)循环，在这种情况中，PSA系统的床(一个或多个)将减压到亚大气压力和在该亚大气压力吹扫。
因此，在优选的实施方案中，本发明的方法进一步包含：从第一PSA系统解吸CO2，该解吸的压力低于CO2从所述气态混合物中选择性吸附时的所述压力，来形成富含CO2的混合物；和从第二PSA系统解吸CO2，该解吸压力低于CO2从该富含H2的混合物中选择性吸附时的所述压力，来形成包含H2和CO2的混合物。
该富含CO2的混合物(在此也称作第一PSA尾气)优选是在前述的PSA循环的排空/减压和/或吹扫步骤过程中，由获自第一PSA系统的气体来形成的。所以它典型的是在大约，在一定程度上高于或者在低于大气压时获得的，如上所述。该富含CO2的混合物相对于所述气态混合物是富含CO2的，但是典型的将包含一些H2。这是因为虽然如前所述，第一PSA系统中的吸附剂在所述气态混合物进料到第一PSA系统时的压力下，对于CO2是选择性的(即，吸附CO2优先于H2)，但是该吸附剂典型的还将从该气态混合物中吸附一些H2。另外，当开始产生富含CO2的混合物时(例如在减压和/或吹扫步骤开始时)，一些H2典型的也将存在于空隙(void)(即，没有被吸附剂材料占据的吸附剂床(一个或多个)之中和周围的空间)中。在该富含H2的混合物还贫含一种或多种其他含碳成分，贫含H2S，贫含一种或多种其他含硫成分和/或贫含水的情况中，则该富含CO2的混合物还可以富含(相对于所述气态混合物)一种、大于一种或者全部这样的成分。优选该富含CO2的混合物包含至少大约70mol％的CO2，更优选至少大约80mol％的CO2。该富含CO2的混合物的精确组成将取决于生产它的加工条件，例如进行解吸的压力和任何吹扫气体的组成。
该包含H2和CO2的混合物(在此也称作第二PSA尾气)优选是在前述的PSA循环的排空/减压和/或吹扫步骤过程中，由获自第二PSA系统的气体来形成的。所以它典型的是在大约，在一定程度上高于或者在低于大气压时获得的，如上所述。该包含H2和CO2的混合物还包含H2，这同样归因于第二PSA系统中的吸附剂，尽管其对于CO2是选择性的(即，吸附CO2优先于H2)，还从该富含H2的混合物中吸附了一些H2，和/或归因于当开始产生该包含H2和CO2的混合物时在空隙中存在的一些H2。实际上，虽然作为吸附剂选择性的结果，第二PSA系统所吸附的该富含H2的混合物中存在的CO2的比例将大于第二PSA系统所吸附的该富含H2的混合物中存在的H2的比例，这归因于该富含H2的混合物的H2的相对高含量(优选90mol％或者更高)，但是通过第二PSA系统所吸附的实际H2量可能高于通过第二PSA系统所吸附的CO2的量。该包含H2和CO2的混合物可以例如包含至少40mol％的H2。作为优选的，在该H2产物还贫含仍然存在于该富含H2的混合物中的除H2之外的其它任何和全部成分的情况中，则该包含H2和CO2的混合物典型的还将包含这些成分。该包含CO2的混合物的精确组成将取决于生产它的加工条件，例如进行解吸的压力和任何吹扫气体的组成。
该富含CO2的混合物(第一PSA尾气)和包含H2/CO2的混合物(第二PSA尾气)可以以多种方式进一步加工和/或使用。
来自第一PSA尾气的CO2优选用于增强油回收率(EOR)或者地质存储。在其中第一PSA尾气包括相对高纯度CO2的情况中，该尾气可以用于EOR或者地质存储，而无需进一步纯化。在其中该第一PSA尾气包含显著量的H2，其他含碳成分，和/或含硫成分(例如H2S)的情况中，会需要对尾气中存在的CO2进行进一步纯化。
特别地，在该第一PSA尾气包含一种或多种可燃烧的成分例如H2，一种或多种可燃烧的含碳成分(例如CH4或者CO)和/或一种或多种可燃烧的含硫成分(例如H2S)的情况中，至少一部分所述尾气可以例如通过在O2存在下燃烧来进一步加工，从而产生CO2产物，其包含所述可燃烧成分的燃烧产物。
H2的燃烧产物将是水(其可以通过冷凝或者干燥来除去)，任何可燃烧的含碳成分的燃烧产物(一种或多种)将包括CO2(因此为EOR或者存储提供另外的CO2)，并且可燃烧的含硫成分的燃烧产物将是SOx。在该燃烧产物(一种或多种)包括SOx的情况中，则可以如下来将SOx从所述燃烧流出物中除去：冷却燃烧流出物来冷凝出水和将SO3转化成硫酸，并且在O2、水和NOx存在下将该冷却的燃烧流出物在升高的压力保持足够的时间来将SO2转化成硫酸和将NOx转化成为硝酸。除去SOx的方法可以具体的在US2007/0178035中进一步描述，其公开内容以引用的方式在此并入。
可选择的，该第一PSA尾气可以通过适于获得期望的CO2纯度水平的任何其他方式，来进一步加工。例如，H2S在存在的情况中可以经由已知的克劳斯(Claus)方法来除去。H2S和/或其他含硫成分能够替代性地或者另外地经由其它吸附方法(使用一次性吸附剂，或者可再生方法例如变温吸附和/或另外的PSA)来除去。CO2能够经由已知的吸附性酸性气体除去方法，来与H2和其他非酸性气体成分(例如其他含碳成分例如CO和CH4)进一步分离。CO2还能够经由另外的PSA，经由膜分离和/或经由部分冷凝方法，来与H2和/或其他含碳成分例如CO和/或CH4进一步分离。
全部或者一部分的第二PSA尾气可以用于形成另外的燃料物流。该另外的燃料物流可以用于任何期望的方法，现场或者非现场的。该燃料物流可以例如作为燃料物流，用于燃烧，来提供热量给如前所述用来生产该气态混合物的重整器(例如蒸汽-甲烷重整器)或者气化器。
全部或者一部分的第二PSA尾气可以以与上述用于第一PSA尾气相同的方式来进一步加工。因此，例如，至少一部分的第二PSA尾气可以在O2存在下燃烧，来产生CO2产物，其包含H2和任何其他可能存在于第二PSA尾气中的可燃烧的成分(例如CH4，CO和/或H2S)的燃烧产物。所述燃烧产物然后可以(如果需要的话或者根据需要)以与上述获自第一PSA尾气燃烧的CO2产物中存在的燃烧产物相同的方式，来进行处理。
在全部或者一部分的第一PSA尾气和第二PSA尾气二者都是以上述方式燃烧的情况中，这可以如下来进行：将该第一PSA尾气和第二PSA尾气(或者其一部分)合并，然后在O2存在下燃烧该合并的气体，来产生CO2产物，其包含所述可燃烧成分的燃烧产物。在这种情况中，第一PSA尾气和第二PSA尾气能够共用吹扫/缓冲槽组合件，这能够提供气体组合物和流动的更好的混合和均化。可选择的，该第一PSA尾气和第二PSA尾气(或者其部分)能够作为分开的物流，在相同炉子中燃烧，在这种情况中，第二PSA尾气(或者其部分)例如能够燃烧来提供用于第一PSA尾气中的可燃烧成分(一种或多种)稳定燃烧的火焰。仍然可选择的，第一PSA尾气和第二PSA尾气二者都能够在分开的炉子中燃烧。
在任何这些排列中，来自第一PSA尾气和/或第二PSA尾气燃烧的热量可以以多种方式使用。例如，它能够用于在所述燃料物流(即，来自一部分或者全部的获自第一PSA的富含H2的混合物的燃料物流)燃烧和所形成的燃烧流出物膨胀来产生功率之前，升高所述燃料物流的温度。替代性地或者另外地，它能够例如通过进料到HRSG(热回收蒸汽发生器)系统来对高压蒸汽升温而使用，该蒸汽然后进料到蒸汽涡轮来产生另外的功率。
全部或者一部分的第二PSA尾气可以压缩和再循环到第一PSA系统用于进一步分离。这可以进行来从第二PSA尾气中回收另外的H2，和/或来分离出另外的CO2和/或如果存在的H2S和/或任何其他含硫成分。该尾气可以以多种方式再循环。例如全部或者一部分的第二PSA尾气可以：
a)压缩到与所述气态混合物相同的超大气压力，并且在该混合物进料到第一PSA系统中来吸附CO2和产生富含H2的混合物之前，加入到所述混合物中。
b)压缩到与所述气态混合物相同的超大气压力，并且在吸附步骤(气态混合物在其过程中进料到第一PSA系统的床(一个或多个)中)之前或者之后，进料到第一PSA系统的床(一个或多个)中。如果第二PSA尾气中CO2的摩尔分数大于所述气态混合物，则优选在吸附步骤之后将所述尾气进料到第一PSA系统。如果第二PSA尾气中CO2的摩尔分数小于所述气态混合物，则优选在吸附步骤之前将所述尾气进料到第一PSA系统。在任一情况中，在进料第二PSA尾气的步骤过程中，被推动通过第一PSA系统的床(一个或多个)的另外的气体可形成该富含H2的混合物另外的部分。可选择的，在这个步骤过程中被推动通过第一PSA系统一个床的气体可以用于重新加压该第一PSA系统的经历重新加压步骤的另一个床。
c)压缩到中间压力，该压力处于获得第二PSA尾气时的压力与所述气态混合物进料到第一PSA系统时的超大气压力之间，并且遵循第一PSA系统床之间的压力平衡步骤，进料到第一PSA系统的床中。如果第二PSA尾气中的CO2摩尔分数大于所述气态混合物，则优选将该尾气加入到在前面的平衡步骤过程中降压的床中。如果第二PSA尾气中的CO2摩尔分数小于所述气态混合物，则优选将该尾气加入到在前面的平衡步骤过程中升压的床中。所述床的产物端(即，与在吸附步骤过程中富含H2的混合物加入端相对的床的一端)可以保持封闭，以使得该床中的压力升高。可选择的，该床的产物端可以保持连接到它在前面的平衡步骤中所连接的床上，以使得在尾气加入时这两个床的压力升高，但是保持大致彼此相等。仍然可选择的，该床的产物端可以保持开放，并且离开该产物端的气体可以用于吹扫第一PSA系统的另一个床。
全部或者一部分的第二PSA尾气可以作为吹扫气体或者作为另外的吹扫气体使用，用于第一PSA系统。这能够具有改进该第一PSA系统性能的效果，其归因于提高了该第一PSA系统对于CO2和有待选择性吸附的所述气态混合物的其他成分的动态生产能力。这种使用全部或者一部分的第二PSA尾气在下面的情况中可能是特别优选的：在这里第一PSA系统具有选择性的CO2和其他成分是以相对低的浓度存在的。该吹扫气体可以以FR-A1-2899890(其公开内容以引用的方式在此并入)所述方式在第一PSA系统的床(一个或多个)的产物端加入。可选择的，该吹扫气体可以供应到第一PSA系统的床(一个或多个)内部的中间(中点)位置。在第二PSA尾气用作另外的吹扫气体的情况中，则这种另外的吹扫气体可以在用例如获自第一PSA系统本身的吹扫气体吹扫之前、之中(例如如FR-A1-2899890所述)或者之后加入。
一部分的该第二PSA尾气可以压缩到富含H2的混合物进料到第二PSA系统时的超大气压力，并且进料回到第二PSA系统用于进一步的分离。所述尾气部分可以与富含H2的混合物混合，并且作为合并的混合物引入第二PSA系统。可选择的，所述部分的尾气能够在吸附步骤(在此过程中富含H2的混合物被引入)后分开引入第二PSA系统的床(一个或多个)中，并且在第二PSA尾气引入过程中被推动通过第二PSA系统的床(一个或多个)的另外的气体可以形成另外部分的H2产物。在任一情况中，这将能够获得从第二PSA的更大的H2回收率，同时提高了尾气中CO2和优选该富含H2的混合物中除H2之外的其它任何和全部成分的浓度。第二PSA尾气的其余部分(一个或多个)可以以此处所述的任何其他方式来使用或者加工。
全部或者一部分的第二PSA尾气可以排出或者烧掉，这可以特别地是优选的选项，在这里尾气中惰性成分例如N2或者Ar的量是相对高的。这可以例如经由在HRSG中的“管道点火(duct firing)”来进行。更具体的，全部或者一部分的尾气可以例如在空气、富氧空气或者高纯度氧气中燃烧，并且将所形成的燃烧流出物与膨胀的燃烧流出物气体合并，该流出物气体获自(经由燃烧和膨胀，优选在燃气轮机中，如前所述)由富含H2的混合物所形成的燃料物流；并且使用该合并的气体来在HRSG中产生蒸汽，该蒸汽然后可以在蒸汽涡轮中膨胀，来制造功率。在合并的循环中(例如在例如IGCC中)，来自燃气轮机烟道气的热量被用于在HRSG中产生蒸汽，该蒸汽然后供应到蒸汽涡轮，其膨胀了所述蒸汽和制造了功率(典型的电功率)。通过管道点火所述第二PSA尾气和将所形成的燃烧流出物与燃气轮机烟道气合并，由此形成温度升高的合并的烟道气，能够产生处于更高温度/压力的更多的蒸汽，导致来自蒸汽涡轮的更大的功率。
全部或者一部分的第二PSA尾气可以压缩和加入到用来形成燃料物流的部分富含H2的混合物中，其然后(优选在燃气轮机中)燃烧和将所形成的燃烧流出物膨胀来产生功率。如果H2S和/或其他含硫成分存在于进料到第二PSA系统中的该富含H2的混合物中，则第二PSA尾气典型的将相对于所述富含H2的混合物来说富含这些含硫成分。在这种情况中，可能需要另外的测量来确保该燃料物流的总硫含量是这样，即，使得当燃烧时，不超过SOx的排放极限。
这可以例如进一步包含将全部或者一部分的第二PSA尾气通过吸附剂系统(例如包含ZnO吸附剂的一次性单元)，来降低或者除去任何含硫成分，然后将所述尾气与富含H2的混合物合并来形成燃料物流。
可选择的，该第一PSA系统可以以这样的方式运行，即，使得由其所获得的富含H2的混合物包含了比如果所述混合物本身燃烧所必需的更低浓度的含硫成分。更具体的，该富含H2的混合物中含硫成分的浓度在这种情况中是足够低的，这样在所述混合物与第二PSA尾气合并后，由其所形成的燃料物流仍然具有这样的含硫成分浓度：其足以满足SOx燃烧所需。
在其中富含H2的混合物在形成燃料物流和进料到第二PSA系统之间的分配是可调整的这些实施方案中，和(当部分的富含H2的混合物进料到第二PSA系统时)全部或者一部分的第二PSA尾气被压缩和加入到用于形成燃料物流的部分的该富含H2的混合物中时，同样在调整该富含H2的混合物的分配时可能需要另外的测量来控制燃料物流的组成。例如：
a)第一PSA系统可以连续运行，以使得该富含H2的混合物中的含硫成分的含量足够低，以至于无论加入到该富含H2的混合物中来形成燃料物流的第二PSA尾气的量如何(在正常的运行参数内)，该燃料物流的燃烧不导致超出SOx的排放极限。
b)第一PSA系统能够这样运行，即，使得改变该富含H2的混合物的分配来提高进料到第二PSA系统的所述混合物的量(因此提高了产生和混入到燃料物流中的第二PSA尾气的量)时，该第一PSA系统是这样改变的，即，使得该富含H2的混合物中含硫成分的量降低，由此将燃料物流中含硫成分的量保持在不超过SOx排放极限的水平上。该第一PSA系统的运行可以例如通过下面的一种或多种来改变：(i)降低第一PSA系统中所用的PSA循环时间(其将降低该富含H2的物流中H2S的浓度，虽然也付出了降低H2回收率的成本)；(ii)降低进入第一PSA系统的气态混合物的流量(来降低H2S在每个PSA循环中的负载，由此同样降低了该富含H2的物流中H2S的浓度)；(iii)提高了用于吹扫第一PSA系统的吹扫气体的量(同样，这可降低该富含H2的物流中H2S的浓度，虽然也付出了降低H2回收率的成本)；(iv)使用来自第二PSA的部分的尾气作为另外的吹扫气体，用于纯化第一PSA系统(其可提高第一PSA系统的H2S生产能力，由此同样降低该富含H2的物流中H2S的浓度)。
c)在调整富含H2的混合物的分配导致燃料物流中CO2含量变化的情况中，可以改变加入来形成燃料物流的任何N2的量，来保持相同的燃气轮机(或者其他燃烧系统)性能(特别是关于火焰温度)。
d)如果改变第一PSA系统的运行(如上面的选项(b)下所讨论的)来响应该富含H2的混合物分配的调整，则随着该富含H2的混合物中含硫成分量的降低，CO2含量也会降低。如果处理该第一PSA尾气来纯化其中所包含的CO2，则一部分的这种纯化的CO2可以加入到该富含H2的混合物中来形成燃料物流，代替N2添加(如上面的选项(c)下所讨论的)或者作为其额外添加。
除了任何上述用途之外，第二PSA尾气温度可以如下来提高(例如在以任何上述方式另外地使用之前)：作为冷却剂，用于一个或多个热交换器中，该热交换器用于(如前所述)经由间接热交换来降低第二PSA系统的进料气体(即，富含H2的混合物)的温度。
第二PSA尾气可以直接进料来用于任何的上述方法中，或者可以收集到吹扫/缓冲槽中(例如来允许从该槽中除去恒定的气体物流，来减轻来自第二PSA系统的流量和压力变化)。
本发明另一方面提供了用于进行本发明方法的设备。更具体的，提供了设备，其用于由包含H2和CO2的气态混合物来产生功率和H2，该设备包含：
第一变压吸附(PSA)系统，其包含吸附剂来在超大气压力选择性吸附CO2；
导管排布，其用于在超大气压力将该气态混合物进料到第一PSA系统中；
燃气轮机，其用于燃烧燃料物流，并且膨胀所形成的燃烧流出物来产生功率；
第二PSA系统，其包含吸附剂来在超大气压力选择性吸附CO2；
导管排布，其用于在超大气压力从该第一PSA系统中抽出富含H2的混合物，将由一部分的所述富含H2的混合物形成的燃料物流引入到燃气轮机中，和将另一部分的所述富含H2的混合物引入到第二PSA系统中；和
导管排布，其用于从第二PSA系统中抽出H2产物。
在优选的实施方案中，所述导管排布，即，用于从第一PSA系统中抽出富含H2的混合物，将由其的一部分形成的燃料物流引入到燃气轮机中，和将其的另一部分引入到第二PSA系统中的导管排布，包括阀门系统，用于可调节地控制该富含H2的物流在燃气轮机和第二PSA系统之间的分配。
在优选的实施方案中，所述阀门系统能够在下面两种设置之间调整：即，将全部的富含H2的混合物送到燃气轮机的设置与将全部的富含H2的混合物送到第二PSA系统的设置。
该设备另外优选的实施方案将从上面对本发明方法实施方案的说明中而变得显而易见。例如，该设备可以进一步包含一个或多个热交换器，用于经由间接热交换(使用例如水或者第二PSA尾气作为冷却剂)来冷却引入到第二PSA系统中的部分富含H2的混合物。用于抽出富含H2的混合物的导管排布和/或用于抽出H2产物的导管排布可以进一步包含一个或多个缓冲器/存储槽，用于以上述方式存储富含H2的混合物和/或H2产物。该设备可以进一步包含合适的导管排布和系统，用于抽出和进一步加工/使用第一和第二PSA尾气，同样以上述的任何/全部方式。
如上所述，本发明的方法和设备(在其中使用串联的两个PSA系统来从气态混合物中分离H2产物，并且一部分的在超大气压力获自第一PSA系统的中间的富含H2的混合物被用于形成产生功率的燃料物流，和在其中富含H2的混合物在用于形成燃料物流和进一步在第二PSA系统中分离之间的分配优选是可调整的)提供了在能够产生功率和高纯度H2产物二者方面的效率和灵活性的好处。具体的，这些方法/设备提供了与下面的可选择的排列相比的效率优势：该可选择的排列可能构想为使用单个PSA系统，并联的两个PSA系统，或者与可选择形成的燃料物流串联的两个PSA系统。
更具体的，在本发明的方法和设备中，仅仅第一PSA系统需要设计用于大量除去该气态混合物中所可能存在的CO2，任何其他含碳和/或任何含硫成分。这种系统还能够在全部的时间内满负荷工作，来生产具有足够(但不是不必过量的)纯度的H2的富含H2的混合物，用于燃烧和膨胀来产生功率，处于已经超大气压力的这种混合物还能够用于降低燃气轮机(或者其他系统，在其中所述混合物燃烧，并且所形成的燃烧流出物膨胀)的压缩需求。第二PSA系统因此仅仅需要进一步纯化打算由其来生产期望的高纯度H2产物的富含H2的混合物部分。
此外，在其中期望改变(因为任何原因)功率与H2产物生产比率的情况中，这可以通过调整富含H2的混合物在燃气轮机(或者其他功率产生系统)和第二PSA系统之间的分配，来简单的实现。第二PSA系统因此可以打开和关闭，或者升高和降低，和燃气轮机(一个或多个)(或者其他功率产生系统)相应的关闭和打开，或者降低和升高，来提高H2产物生产与功率产生的交换，反之亦然，当需要和不需要(必需)调整第一PSA系统的运行时。使用串联的两个PSA系统还提供了使用第二PSA尾气的机会，其允许进一步整合两个PSA系统的运行，由此改进整体工艺性能，这对于仅仅使用并联的PSA系统来说是不可能的。
相反的，如果使用单个PSA系统来分离该气态混合物以获得单个H2产物(例如以US2007/0178035所述的方式)，并且这种产物然后分裂来提供燃料物流和用于精炼/化学/燃料电池应用的物流，则该系统中的PSA将必须进行设计，以使得该H2产物满足精炼/化学/燃料电池应用的最低纯度规格，并且作为结果，该燃料物流的纯度同样将高于所需。制造更高纯度的H2需要更多的吸附剂，这导致了更大的容器尺寸和更高的资金成本，并且吸附剂还必须更多吹扫来除去杂质，这意味着较低的H2回收率。
同样，如果并联使用两个PSA系统来分离该气态混合物，并且一个PSA系统设计和运行来提供较低纯度的H2物流用作燃料物流，另一个系统设计和运行来制造较高纯度的H2产物用于精炼/化学/燃料电池应用，则两个系统都必须设计和运行来用于从该气态混合物中大量除去CO2和打算除去的任何其他含碳或者任何含硫成分，这同样将增加资金成本。该方法在能够用于根据需要改变功率的产生与高纯度H2产物方面也具有局限更大的灵活性。例如，如果期望所述设备能够改变在100％功率产生与50％/50％功率和高纯度H2产物之间的生产，则使用两个并联PSA系统时，生产用作燃料的H2产物的系统将需要适应这样的进料量，该量是当该设备用于100％功率产生运行时所接受的量。但是，当该设备用于50％/50％功率和高纯度H2产物生产运行时，这种PSA系统因此仅仅使用了一半的进料，这远远没有充分利用可利用的吸附剂。
最后，如果(采用类似于例如US4171206中所述的排列)两个PSA系统是串联使用的，但是将获自第一PSA系统的全部的富含H2的混合物进料到第二PSA系统用于进一步分离成合适纯度的H2产物来用于例如精炼/化学/燃料电池应用，则任一部分的这种高纯度H2产物将必须用于形成产生功率的燃料物流，或者一部分或者全部的第二PSA尾气可能必须用于形成燃料物流。使用一部分的该高纯度H2产物作为燃料物流是(如上面在与使用单个PSA系统有关的问题中所述那样)同样地低效的，因为这样的产物对于燃料物流来说不必是高H2纯度的。同样，使用第二PSA尾气未必是最佳的，因为虽然其会包含显著量的H2和因此具有良好的燃料值，但是该气体仍然将固有地包含提高浓度的含碳成分和(在存在于富含H2的混合物中的情况中)含硫成分(与存在于富含H2的混合物中的这些相比)。此外，所述尾气将处于明显低于富含H2的混合物的压力。因此，使用第二PSA尾气同样会要求另外的纯化和压缩，这同样将增加运行成本。
本发明的方面包括：
#1.由包含H2和CO2的气态混合物来同时产生功率和H2的方法，该方法包括：
将处于超大气压力的该气态混合物进料到第一变压吸附(PSA)系统，该系统包含在所述压力选择性吸附CO2的吸附剂，和用所述吸附剂并在所述压力从该气态混合物中选择性吸附CO2，由此获得处于超大气压力的富含H2的混合物；
由一部分的该富含H2的混合物来形成燃料物流，燃烧所述燃料物流和膨胀所形成的燃烧流出物，来产生功率；和
将另一部分的处于超大气压力的该富含H2的混合物进料到第二PSA系统，该系统包含在所述压力选择性吸附CO2的吸附剂，和用所述吸附剂并在所述压力从所述部分的富含H2的混合物中选择性吸附CO2，由此获得H2产物。
#2.根据#1的方法，其中富含H2的混合物在形成所述燃料物流与进料到所述第二PSA系统之间的分配是可调整的，由此使得能够通过降低进料到所述第二PSA系统的比例，来提高用于形成所述燃料物流的所述富含H2的混合物的比例，反之亦然，而无需停止该气态混合物向所述第一PSA系统的进料。
#3.由包含H2和CO2的气态混合物来可调节地产生功率和H2中任何一个或者二者的方法，该方法包括：
将处于超大气压力的该气态混合物进料到第一变压吸附(PSA)系统，该系统包含在所述压力选择性吸附CO2的吸附剂，和用所述吸附剂并在所述压力从该气态混合物中选择性吸附CO2，由此获得处于超大气压力的富含H2的混合物；和
由该富含H2的混合物来形成燃料物流和PSA进料物流中的任何一个或者二者，燃烧该燃料物流，并膨胀所形成的燃烧流出物来产生功率，和将该PSA进料物流在超大气压力进料到第二PSA系统，该第二PSA系统包含在所述压力选择性吸附CO2的吸附剂，用所述吸附剂并在所述压力从所述PSA进料物流中选择性吸附CO2，由此来获得H2产物；
其中富含H2的混合物在该燃料物流和PSA进料物流之间的分配是可调整的，由此使得能够通过降低用于形成所述PSA进料物流的比例，来提高用于形成所述燃料物流的所述富含H2的混合物的比例，反之亦然，而无需停止该气态混合物向所述第一PSA系统的进料。
#4.根据#1-#3任一的方法，其中该气态混合物进一步包含H2S，和该第一PSA系统包含在所述气态混合物进料到该第一PSA系统时的超大气压力选择性吸附CO2和H2S的吸附剂，用所述吸附剂并在所述压力从该气态混合物中选择性吸附CO2和H2S，由此来获得所述富含H2的混合物。
#5.根据#1-#4任一的方法，其中该气态混合物包含：大约30-75mol％的H2；大约10-60mol％的CO2；和大约0-2mol％的H2S。
#6.根据#1-#5任一的方法，其中该气态混合物是在处于大约2-7MPa(20-70bar)绝压范围下进料到该第一PSA系统的。
#7.根据#1-#6任一的方法，其中该富含H2的混合物中的CO2回收率最多是大约30％，和该富含H2的混合物中的H2回收率至少是大约70％。
#8.根据#1-#7任一的方法，其中该富含H2的混合物包含大于大约90mol％的H2。
#9.根据#1-#8任一的方法，其中该富含H2的混合物是在这样的压力获得的：即，该压力等于或者基本等于该气态混合物进料到所述第一PSA系统时所处的超大气压力。
#10.根据#1-#9任一的方法，其中在引入到所述第二PSA系统之前，将进料到该第二PSA系统的所述富含H2的混合物进行冷却。
#11.根据#1-#10任一的方法，其中将该燃料物流进行燃烧，并且将燃烧流出物在燃气轮机中膨胀。
#12.根据#1-#11任一的方法，其中将该富含H2的混合物与N2和/或蒸汽合并，来形成所述燃料物流。
#13.根据#1-#12任一的方法，其中该H2产物包含至少大约99.9mol％的H2。
#14.根据#1-#13任一的方法，其中该方法进一步包含：
在比CO2从该气态混合物中被选择性吸附的所述压力更低的压力，从该第一PSA系统中解吸CO2，来形成富含CO2的混合物；和
在比CO2从该富含H2的混合物中被选择性吸附的所述压力更低的压力下，从所述第二PSA系统中解吸CO2，来形成含有H2和CO2的混合物。
#15.根据#14的方法，其中该富含CO2的混合物包含一种或多种可燃烧的成分，并且至少一部分所述混合物在O2存在下燃烧，来产生CO2产物，该产物包含所述可燃烧成分的燃烧产物。
#16.根据#14或者#15的方法，其中至少一部分的该含有H2和CO2的混合物在O2存在下燃烧，来产生CO2产物，该产物包含H2和所述混合物中所存在的任何其他可燃烧成分的燃烧产物。
#17.根据#15或者#16的方法，其中将来自所述富含CO2的和含有H2和CO2的混合物燃烧的热量用于升高由该富含H2的混合物所形成的燃料物流的温度，和/或用来产生蒸汽，该蒸汽被进料到蒸汽涡轮中来产生另外的功率。
#18.根据#14-#17任一的方法，其中将全部或者一部分的该含有H2和CO2的混合物进行压缩，并且再循环到该第一PSA系统来进一步分离。
#19.根据#14-#18任一的方法，其中将全部或者一部分的该含有H2和CO2的混合物用作所述第一PSA系统的吹扫气体。
#20.根据#14-#19任一的方法，其中将一部分的该含有H2和CO2的混合物压缩和再循环到所述第二PSA系统来进一步分离。
#21.根据#14-#20任一的方法，其中将全部或者一部分的该含有H2和CO2的混合物燃烧，将所形成的燃烧流出物与膨胀的获自由所述富含H2的混合物所形成的所述燃料物流的燃烧流出物合并，和使用该合并的气体来在热回收蒸汽发生器中产生蒸汽。
#22.根据#14-#21任一的方法，其中将全部或者一部分的该含有H2和CO2的混合物压缩，并且加入到用于形成所述燃料物流的部分的所述富含H2的混合物中。
#23.用于由包含H2和CO2的气态混合物来产生功率和H2的设备，该设备包含：
第一变压吸附(PSA)系统，其包含在超大气压力选择性吸附CO2的吸附剂；
导管排布，其用于在超大气压力将该气态混合物进料到所述第一PSA系统中；
燃气轮机，其用于燃烧燃料物流，并且膨胀所形成的燃烧流出物来产生功率；
第二PSA系统，其包含在超大气压力选择性吸附CO2的吸附剂；
导管排布，其用于在超大气压力从该第一PSA系统中抽出富含H2的混合物，将由一部分的所述富含H2的混合物形成的燃料物流引入到所述燃气轮机中，和将另一部分的所述富含H2的混合物引入到所述第二PSA系统中；和
导管排布，其用于从所述第二PSA系统中抽出H2产物。
#24.根据#23的设备，其中所述用于从所述第一PSA系统中抽出所述富含H2的混合物，将由其的一部分形成的燃料物流引入到所述燃气轮机中，和将其的另一部分引入到所述第二PSA系统中的导管排布包括阀门系统，用于可调节地控制该富含H2的物流在所述燃气轮机和第二PSA系统之间的分配。
#25.根据#24的设备，其中所述阀门系统能够在下面的设置之间调整：即，将全部的所述富含H2的混合物送到所述燃气轮机的设置与将全部的所述富含H2的混合物送到所述第二PSA系统的设置。
仅仅是作为举例，现在将参考附图来描述本发明的某些实施方案。
参考图1，表示了根据本发明的第一示例性方法，在其中功率和高纯度H2产物是由包含酸性合成气的气态混合物来同时产生的。将获自气化器和水煤气变换反应器(未示出)的酸性合成气物流(1)在超大气压力进料到第一PSA系统(101)中，该系统包含对于CO2和H2S来说选择性的吸附剂。该酸性合成气物流包含60％的H2，38％的CO2，2％的H2S和痕量的N2，Ar，CH4和CO。该第一PSA系统将该酸性合成气物流分离成富含H2的混合物，其是在与该酸性合成气物流大约相同的超大气压力获得的，并且作为富含H2的物流(3)抽出，和在大约大气压获得的第一PSA尾气(2)。该第一PSA尾气包含14％的H2，81％的CO2和5％的H2S。该富含H2的物流包含93％的H2，7％的CO2，3ppm的H2S和痕量的N2，Ar，CH4和CO，该组成使得该物流适于用作燃气轮机燃料。
将该富含H2的物流(3)分成燃料物流(6)，和送往第二PSA系统(102)的进料物流(7)，该第二PSA系统(102)包含对于CO2，H2S，N2，Ar，CH4和CO选择性的吸附剂，两股物流具有相同的组成，并且处于与该富含H2的物流相同的压力。将燃料物流送到一个或多个燃气轮机(未示出)，形成IGCC(未示出)的一部分，在这里将它燃烧，并且将所形成的燃烧流出物膨胀来产生电功率。第二PSA系统将富含H2的混合物的进料物流(7)分离成H2产物物流(8)，其是在与进料物流(7)大约相同的超大气压力获得的，和在大约大气压获得的第二PSA尾气(9)。该第二PSA尾气包含59％的H2，41％的CO2，19ppm的H2S和痕量N2，Ar，CH4和CO。该H2产物物流包含99.99+％的H2，＜1ppm的CO2和＜1ppb的H2S。
如果多种不同的H2产物物流是期望的，则第二PSA系统(102)还可以包括一组并联的PSA单元，进料物流(7)能够分配到其之间，并且每个PSA单元产生了不同纯度的H2产物。取决于待加工的进料气体的量，即使在打算生产单个H2产物的情况中，也可能需要大于一个的PSA单元。
参考图2A和2B，表示了根据本发明的第二示例性方法，在其中在第一运行模式(如图2A所示)中，仅有功率由酸性合成气来产生，和在第二运行模式(如图2B所示)中，功率和高纯度H2产物二者由酸性合成气来同时产生。为了简略起见，在图2A和2B中，使用了与图1相同的附图标记来表示共同的特征。
因此，如图2A所示，在第一运行模式中，将在第一PSA系统(101)中由酸性合成气进料(1)所分离的富含H2的物流(3，4)整个用来形成燃料物流(6)，将其送到一个或多个燃气轮机(未示出)中，形成IGCC(未示出)的一部分，在这里将它燃烧，并且将所形成的燃烧流出物膨胀来产生电功率。在这种情况中，该燃料物流(6)是通过将富含H2的物流(3，4)与包含高纯度N2的稀释剂物流(5)合并来形成的。
如图2B所示，在第二模式中，调整所述方法的运行，来提供电功率和高纯度H2二者。这现在是如下来进行的：将富含H2的物流(3)分成用于形成燃料物流(6)的物流(4)和用于送到第二PSA系统(102)的进料物流(7)，该第二PSA系统如今在线地将进料物流(7)分离成所期望的H2产物(8)和第二PSA尾气(9)。在这种运行模式中，燃料物流(6)然后是如下来形成的：将形成所述物流(4)的所述部分的富含H2的物流与包含高纯度N2的稀释剂物流(5)和第二PSA尾气(9)二者合并。
在该第一和第二运行模式中，不同物流的组成表示在下表1和2中。
从表1可见，在第一运行模式中，第一PSA系统运行来提供90％的CO2和90％的H2回收率。在这种实施方案中，对于燃气轮机燃料来说，10ppm的H2S是可允许的含硫成分含量。
表1-仅仅产生功率。
  物流   1   2   3   4   5   6
  H2   kmol/h   6.00E+01   6.00E+00   5.40E+01   5.40E+01   0.00E+00   5.40E+01
  N2   kmol/h   0.00E+00   0.00E+00   0.00E+00   0.00E+00   5.02E+01   5.02E+01
  CO2   kmol/h   3.80E+01   3.42E+01   3.80E+00   3.80E+00   0.00E+00   3.80E+00
  H2S   kmol/h   2.00E+00   2.00E+00   1.08E-03   1.08E-03   0.00E+00   1.08E-03
  H2   ％   60.00   14.22   93.42   93.42   0.00   50.00
  N2   ％   0.00   0.00   0.00   0.00   100.00   46.48
  CO2   ％   38.00   81.04   6.57   6.57   0.00   3.52
  H2S   ppm   20000   47369   19   19   0   10
从表2中可见，在第二运行模式过程中，仅仅产生了一半的功率量(与第一运行模式相比)，并且因此将燃料物流减半(例如关闭两个燃气轮机之一)。还改变了第一PSA系统的PSA循环时间，以使得H2回收率降低到85％，俘获的CO2增加到92.5％。这是为了还通过第一PSA系统来俘获更高含量的H2S，因为在这种运行模式中，富含H2的物流(3)中H2S的量必须从19ppm的H2S降低到10ppm，目的是在该富含H2的物流(3)与第二PSA尾气(9)和稀释剂物流(5)合并之后，燃气轮机燃料(6)中的H2S含量保持在10ppm的H2S。第二PSA具有85％的H2回收率，来生产高纯度H2，具有1ppmCO2的纯度。
表2-产生功率和高纯度H2。
  1   2   3   4   5
  H2   kmol/h   6.00E+01   9.00E+00   5.10E+01   2.28E+01   0.00E+00
  N2   kmol/h   0.00E+00   0.00E+00   0.00E+00   0.00E+00   2.42E+01
  CO2   kmol/h   3.80E+01   3.52E+01   2.85E+00   1.27E+00   0.00E+00
  H2S   kmol/h   2.00E+00   2.00E+00   5.40E-04   2.41E-04   0.00E+00
  H2   ％   60.00   19.50   94.71   94.71   0.00
  N2   ％   0.00   0.00   0.00   0.00   100.00
  CO2   ％   38.00   76.17   5.29   5.29   0.00
  H2S   ppm   20000   43326   10   10   0
表2(续)
  6   7   8   9
  H2   kmol/h   2.70E+01   2.82E+01   2.40E+01   4.24E+00
  N2   kmol/h   2.42E+01   0.00E+00   0.00E+00   0.00E+00
  CO2   kmol/h   2.85E+00   1.58E+00   2.40E-05   1.58E+00
  H2S   kmol/h   5.40E-04   2.99E-04   0.00E+00   2.99E-04
  H2   ％   50.00   94.71   99.9999   72.85
  N2   ％   44.72   0.00   0ppm   0.00
  CO2   ％   5.28   5.29   1ppm   27.14
  H2S   ppm   10   10   0   51
应当理解本发明不限于上述参考优选的实施方案的细节，而是在不脱离下面的权利要求中所述本发明的主旨或者范围内的情况下可以进行众多的改进和改变。

Claims (25)

1.由包含H2和CO2的气态混合物来同时产生功率和H2的方法，该方法包括：
将处于超大气压力的该气态混合物进料到第一变压吸附(PSA)系统，该系统包含在所述压力选择性吸附CO2的吸附剂，和用所述吸附剂并在所述压力从该气态混合物中选择性吸附CO2，由此获得处于超大气压力的富含H2的混合物；
由一部分的该富含H2的混合物来形成燃料物流，燃烧所述燃料物流和膨胀所形成的燃烧流出物，来产生功率；和
将另一部分的处于超大气压力的该富含H2的混合物进料到第二PSA系统，该系统包含在所述压力选择性吸附CO2的吸附剂，和用所述吸附剂并在所述压力从所述部分的富含H2的混合物中选择性吸附CO2，由此获得H2产物。
2.根据权利要求1所述的方法，其中富含H2的混合物在形成所述燃料物流与进料到所述第二PSA系统之间的分配是可调整的，由此使得能够通过降低进料到所述第二PSA系统的比例，来提高用于形成所述燃料物流的所述富含H2的混合物的比例，并且反之亦然，而无需停止该气态混合物向所述第一PSA系统的进料。
3.根据权利要求1所述的方法，其中该气态混合物进一步包含H2S，和该第一PSA系统包含在所述气态混合物进料到该第一PSA系统时的超大气压力选择性吸附CO2和H2S的吸附剂，用所述吸附剂并在所述压力从该气态混合物中选择性吸附CO2和H2S，由此来获得所述富含H2的混合物。
4.根据权利要求1所述的方法，其中该气态混合物包含：大约30-75mol％的H2；大约10-60mol％的CO2；和大约0-2mol％的H2S。
5.根据权利要求1所述的方法，其中该气态混合物是在处于大约2-7MPa(20-70bar)绝压范围进料到该第一PSA系统的。
6.根据权利要求1所述的方法，其中该富含H2的混合物中的CO2回收率最多是大约30％，和该富含H2的混合物中的H2回收率至少是大约70％。
7.根据权利要求1所述的方法，其中该富含H2的混合物包含大于大约90mol％的H2。
8.根据权利要求1所述的方法，其中该富含H2的混合物是在这样的压力获得的：即，该压力等于或者基本等于该气态混合物进料到所述第一PSA系统时所处的超大气压力。
9.根据权利要求1所述的方法，其中在引入到所述第二PSA系统之前，将进料到该第二PSA系统的所述富含H2的混合物进行冷却。
10.根据权利要求1所述的方法，其中将该燃料物流进行燃烧，并且将燃烧流出物在燃气轮机中膨胀。
11.根据权利要求1所述的方法，其中将该富含H2的混合物与N2和/或蒸汽合并，来形成所述燃料物流。
12.根据权利要求1所述的方法，其中该H2产物包含至少大约99.9mol％的H2。
13.根据权利要求1所述的方法，其中该方法进一步包括：
在比CO2从该气态混合物中被选择性吸附的所述压力更低的压力，从该第一PSA系统中解吸CO2，来形成富含CO2的混合物；和
在比CO2从该富含H2的混合物中被选择性吸附的所述压力更低的压力下，从所述第二PSA系统中解吸CO2，来形成含有H2和CO2的混合物。
14.根据权利要求13所述的方法，其中该富含CO2的混合物包含一种或多种可燃烧的成分，并且至少一部分所述混合物在O2存在下燃烧，来产生CO2产物，该产物包含所述可燃烧成分的燃烧产物。
15.根据权利要求14所述的方法，其中至少一部分的该含有H2和CO2的混合物在O2存在下燃烧，来产生CO2产物，该产物包含H2和所述混合物中所存在的任何其他可燃烧成分的燃烧产物。
16.根据权利要求15所述的方法，其中将来自所述富含CO2的和含有H2和CO2的混合物燃烧的热量用于升高由该富含H2的混合物所形成的燃料物流的温度，和/或用来产生蒸汽，该蒸汽被进料到蒸汽涡轮中来产生另外的功率。
17.根据权利要求13所述的方法，其中将全部或者一部分的该含有H2和CO2的混合物进行压缩，并且再循环到该第一PSA系统来进一步分离。
18.根据权利要求13所述的方法，其中将全部或者一部分的该含有H2和CO2的混合物用作所述第一PSA系统的吹扫气体。
19.根据权利要求13所述的方法，其中将一部分的该含有H2和CO2的混合物压缩和再循环到所述第二PSA系统来进一步分离。
20.根据权利要求13所述的方法，其中将全部或者一部分的该含有H2和CO2的混合物燃烧，将所形成的燃烧流出物与膨胀的获自由所述富含H2的混合物所形成的所述燃料物流的燃烧流出物合并，和使用该合并的气体来在热回收蒸汽发生器中产生蒸汽。
21.根据权利要求13所述的方法，其中将全部或者一部分的该含有H2和CO2的混合物压缩，并且加入到用于形成所述燃料物流的部分的所述富含H2的混合物中。
22.由包含H2和CO2的气态混合物来可调节地产生功率和H2中任何一个或者二者的方法，该方法包括：
将处于超大气压力的该气态混合物进料到第一变压吸附(PSA)系统，该系统包含在所述压力选择性吸附CO2的吸附剂，和用所述吸附剂并在所述压力从该气态混合物中选择性吸附CO2，由此获得处于超大气压力的富含H2的混合物；和
由该富含H2的混合物来形成燃料物流和PSA进料物流中的任何一个或者二者，燃烧该燃料物流，并膨胀所形成的燃烧流出物来产生功率，和将该PSA进料物流在超大气压力进料到第二PSA系统，该第二PSA系统包含在所述压力选择性吸附CO2的吸附剂，用所述吸附剂并在所述压力从所述PSA进料物流中选择性吸附CO2，由此来获得H2产物；
其中富含H2的混合物在该燃料物流和PSA进料物流之间的分配是可调整的，由此使得能够通过降低用于形成所述PSA进料物流的比例，来提高用于形成所述燃料物流的所述富含H2的混合物的比例，并且反之亦然，而无需停止该气态混合物向所述第一PSA系统的进料。
23.用于由包含H2和CO2的气态混合物来产生功率和H2的设备，该设备包含：
第一变压吸附(PSA)系统，其包含在超大气压力选择性吸附CO2的吸附剂；
导管排布，其用于在超大气压力将该气态混合物进料到所述第一PSA系统中；
燃气轮机，其用于燃烧燃料物流，并且膨胀所形成的燃烧流出物来产生功率；
第二PSA系统，其包含在超大气压力选择性吸附CO2的吸附剂；
导管排布，其用于在超大气压力从该第一PSA系统中抽出富含H2的混合物，将由一部分的所述富含H2的混合物形成的燃料物流引入到所述燃气轮机中，和将另一部分的所述富含H2的混合物引入到所述第二PSA系统中；和
导管排布，其用于从所述第二PSA系统中抽出H2产物。
24.根据权利要求23所述的设备，其中所述用于从所述第一PSA系统中抽出所述富含H2的混合物，将由其的一部分形成的燃料物流引入到所述燃气轮机中，和将其的另一部分引入到所述第二PSA系统中的导管排布包括阀门系统，用于可调节地控制该富含H2的物流在所述燃气轮机和第二PSA系统之间的分配。
25.根据权利要求24所述的设备，其中所述阀门系统能够在下面的设置之间调整：即，将全部的所述富含H2的混合物送到所述燃气轮机的设置与将全部的所述富含H2的混合物送到所述第二PSA系统的设置。
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