專利名稱：用于共同生產(chǎn)合成氣體和能量的工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于共同生產(chǎn)合成氣體和能量的工藝。
背景技術(shù)：
合成氣體是包括一氧化碳(CO)和氫氣(H2)的混合物。合成氣體通常通過兩個工藝中的一個生產(chǎn)，要么由諸如煤的固體給料通過與氧氣和蒸汽的氣化生產(chǎn)，要么由諸如天然氣的氣體給料通過與氧氣(公知為部分氧化重整)或水(公知為蒸汽重整)的重整生產(chǎn)。部分氧化重整和蒸汽重整的組合，即自熱重整，也得到普遍應(yīng)用。生產(chǎn)合成氣體所需的氧氣通常利用傳統(tǒng)的低溫空氣分離技術(shù)從空氣獲得。生產(chǎn)的合成氣體用于經(jīng)由 Fischer-Tropsch產(chǎn)生范圍很廣的碳基化學(xué)制品，例如甲醇和液態(tài)烴。合成氣體生產(chǎn)工藝是能源密集型工藝，并且明顯促成了二氧化碳排放。二氧化碳是主要的溫室氣體，將其排放至大氣是不利于環(huán)境的。二氧化碳排放的問題能用各種方式處理，例如通過二氧化碳捕集與封存、經(jīng)由改進熱效率減少二氧化碳排放、以及用例如核能的無碳源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的碳基發(fā)電和發(fā)熱設(shè)備。合成氣體生產(chǎn)工藝在升高的溫度下操作，并且根據(jù)用于生成合成氣體的技術(shù)類型，能夠在900°C以上的溫度生產(chǎn)熱合成氣體。通常利用產(chǎn)生蒸汽的廢熱鍋爐從熱合成氣體回收熱量。該蒸汽通常用于驅(qū)動用于低溫空氣分離單元的蒸汽輪機并且/或者產(chǎn)生電力。 重要的是注意到，傳統(tǒng)的低溫空氣分離工藝消耗大量的能量。利用廢熱鍋爐的熱回收在生產(chǎn)合成氣體的過程中，由于在該廢熱鍋爐中使用的大溫差驅(qū)動力，也大量導(dǎo)致了熱力學(xué)第二定律損失。換言之，使用廢熱鍋爐將高質(zhì)量或高溫的熱量降低到低質(zhì)量或低溫的熱量，這是不理想的，因為與較低溫度的等量的熱量相比，較高溫度的熱量能用于產(chǎn)生更多的能量。 高溫差驅(qū)動力降低了工藝的總體熱效率，因此可能使二氧化碳排放的問題惡化。在廢熱鍋爐中減小大溫差驅(qū)動力的方式是升高蒸汽壓力或使蒸汽過熱。然而，水的臨界溫度是374°C這樣一個事實對在廢熱鍋爐中生產(chǎn)飽和蒸汽的溫度施加了上限。而且， 當使用蒸汽例如在Rankine循環(huán)中產(chǎn)生能量時，由于考慮到構(gòu)造材料，蒸汽通常未過熱至 565 °C以上的溫度。因此，對于經(jīng)由熱效率改進而減少二氧化碳排放的努力應(yīng)該集中于解決高溫差驅(qū)動力的問題，而且集中于減少低溫空氣分離過程的耗能。然而，由于低溫空氣分離是成熟技術(shù)，只能期望微量的成本和耗能降低。從空氣分離氧氣的可選工藝是使用離子傳遞膜 (ITM' s)。ITM制氧工藝使用在高溫(通常760-930°C )操作的陶瓷膜來從空氣分離氧氣。 人們相信ITM制氧技術(shù)能顯著降低氧氣生產(chǎn)成本。該高溫制氧工藝有助于與需要氧氣、能量和蒸汽的過程集成。在ITM制氧工藝中，陶瓷膜在電化學(xué)驅(qū)動工藝中在高溫下從空氣分離氧氣?？諝庵械难鯕庠谔沾傻纳嫌伪砻嫔想x子化，作為通過氧氣局部壓力梯度驅(qū)動的氧離子擴散穿過膜，在膜的下游側(cè)上形成氧分子。ITM制氧工藝產(chǎn)生了基本上純凈的熱氧氣流或者滲透流、以及貧氧的熱加壓流或者廢棄流(reject stream)，從廢棄流能夠提取大量的能量。在ITM制氧工藝的總體操作中該能量的有效使用對于該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的低溫空氣分離技術(shù)的競爭而言是必要的。通過將壓縮機、燃氣輪機、熱氣體膨脹機、蒸汽輪機和換熱器與膜模塊集成，可以進行能量回收和有效的使用。對于核輔助合成氣體生成工藝的研究和改進至今試圖將合成氣體生成工藝操作溫度與能夠從核反應(yīng)器回路獲得的最高溫度熱量相匹配。被高溫氣體冷卻的核反應(yīng)器能夠提供在大約750-950°C的溫度下的熱。在這些相對低的溫度下，合理的合成氣體生成工藝選擇受到限制，特別是在采用氣化工藝的時候。合成氣體生成工藝通常形成生產(chǎn)碳基化學(xué)制品的大規(guī)模設(shè)備的一部分。這些設(shè)備通常進一步包括在800°C以下或者甚至更典型地500°C以下的溫度操作的處理步驟。盡管這些進一步的處理步驟可能有希望候選用于與核熱源熱集成，但是發(fā)現(xiàn)這些進一步的處理步驟也有希望候選用于與在合成氣體生成工藝中生產(chǎn)的熱合成氣體熱集成。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在這些設(shè)備中，在大約250°C以下的溫度，通常有很多熱源和熱壑，熱源隨著溫度下降而變得眾多。因而通?？捎玫牡图墴徇^量。因此，幾乎沒有動機從核源提供低級的熱。更加傳統(tǒng)的輕水核反應(yīng)器對于供應(yīng)低級熱而言是更優(yōu)的選擇。因而感覺缺少將核熱源與生產(chǎn)碳基化學(xué)制品的大規(guī)模設(shè)備相集成的機會，特別是將核熱源與合成氣體生成工藝相集成的機會。這導(dǎo)致利用核能的戰(zhàn)略明顯不同，最顯著的是通過水分解而進行核驅(qū)動制氫。與此相比，本發(fā)明的實施例提出了新穎而不同的方法。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于共同生產(chǎn)合成氣體和能量的工藝，該工藝包括在合成氣體生成階段中，通過將含烴給料與氧氣反應(yīng)而生產(chǎn)至少包括CO和H2的合成氣體，該合成氣體處于第一溫度；在空氣分離階段中，通過至少一個離子傳遞膜單元從壓縮空氣流分離空氣，從而產(chǎn)生處于低于第一溫度的第二溫度的主要由氧氣構(gòu)成的滲透流以及貧氧空氣的廢棄流；利用合成氣體間接加熱貧氧空氣的廢棄流，并且使所述加熱后的貧氧空氣的廢棄流經(jīng)至少一個渦輪機至少局部膨脹以產(chǎn)生能量，從而產(chǎn)生至少局部膨脹的貧氧空氣的廢棄流；以及將主要由氧氣構(gòu)成的滲透流的至少一部分供給至合成氣體生成階段，以提供用于生產(chǎn)合成氣體的氧氣。通常，在合成氣體生成階段中生產(chǎn)的合成氣體處于至少900°C的溫度。通常，貧氧空氣的廢棄流可在至少600°C，更通常至少700°C，但是比在合成氣體生成階段中生產(chǎn)的合成氣體的溫度低的溫度獲得。這樣，貧氧空氣的廢棄流因而提供了可從合成氣體獲得的高溫熱量的熱壑，從而減小了在利用廢熱鍋爐作為熱壑時通常遇到的高溫差驅(qū)動力。在本說明書中，術(shù)語“渦輪機”旨在包括渦輪機級的概念，使得當提到多于一個渦輪機時，應(yīng)理解渦輪機可以是分離的單元，或者包括多于一個的明顯可識別的渦輪機級的單個單元，或者分離單元與一個以上包括多于一個的明顯可識別的渦輪機級的單個單元的組合。而且在本說明書中，間接熱傳遞，例如“間接加熱”，指的是熱經(jīng)過熱傳遞表面從一個流體傳遞至另一流體，使得流體彼此不直接接觸，因此不混合。工藝可包括在空氣分離階段中分離壓縮空氣流之前，將壓縮空氣流加熱至至少 700°C的溫度。該加熱可例如通過燃燒諸如可燃氣體或煤的燃料，或者這些方法的任一合適組合而進行。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，壓縮空氣流至少通過從核反應(yīng)階段傳熱而被加熱。 該優(yōu)選實施例具有用無碳源替代傳統(tǒng)的碳基加熱的優(yōu)點。由此所述至少一個離子傳遞膜單元利用可選擇性滲透的無孔離子傳遞膜，通常有多個這類膜。這些膜通常由諸如氧化鋯的無機氧化陶瓷材料或者現(xiàn)有技術(shù)人員公知的其它材料形成。通常，膜呈管、片材或者一體蜂窩結(jié)構(gòu)的形式。預(yù)期本發(fā)明將利用越過膜的氧氣局部壓力差，從而使氧離子通過膜從供給側(cè)遷移至滲透側(cè)，在滲透側(cè)離子重組而形成電子和氧氣。然而原則上，還可以利用越過膜的電壓差，即通過使用電驅(qū)動類型的離子傳遞膜， 其中電子在由電壓差驅(qū)動的外部電路中從膜的滲透側(cè)流動至供給側(cè)。應(yīng)理解，本發(fā)明中能夠使用可選擇地透過呈氧離子形式的氧氣的任何固體陶瓷膜材料，無論是使用氧氣局部壓力差的混合導(dǎo)體型，還是利用越過膜的電壓差的固體電解質(zhì)型。因而貧氧空氣的廢棄流用作工作流體。該工作流體可在本發(fā)明的工藝的能量產(chǎn)生階段中膨脹。能量產(chǎn)生階段因而利用公知的Brayton循環(huán)，其中工作流體為氣體并且在循環(huán)期間不冷凝。能量產(chǎn)生階段的Brayton循環(huán)因而至少從合成氣體有效地接收用于產(chǎn)生能量的熱(這是傳遞到貧氧空氣的廢棄流的熱)，并且在一些實施例中還從所述核反應(yīng)階段有效地接收用于產(chǎn)生能量的熱(這是在壓縮空氣流分離之前傳遞到壓縮空氣流的熱)。在包括從核反應(yīng)階段的該傳熱的實施例中，熱通常從核反應(yīng)階段的氣體冷卻劑以間接熱傳遞方式傳遞到壓縮空氣流。這類Brayton循環(huán)也稱為是間接的，因為核反應(yīng)階段的氣體冷卻劑通常在封閉的一次回路中再循環(huán)，并且從一次回路傳遞到間接Brayton動力循環(huán)的壓縮空氣流的熱容納在二次回路中。二次回路是開環(huán)循環(huán)，即這樣的循環(huán)，其中工作流體基于一次通過的基礎(chǔ)使用，并且從該工藝排出膨脹的工作流體。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，核反應(yīng)階段利用高溫氣體冷卻的核反應(yīng)器，其中核反應(yīng)器使用氣體冷卻劑。處于例如70bar(g)的升高壓力的氦是通常使用的氣體冷卻劑。 因而，通常在一次回路中循環(huán)的氣體冷卻劑是氦。通常，氣體冷卻劑在換熱器裝置的入口處于大約7500C與大約9500C之間的溫度，優(yōu)選處于大約800°C與大約900°C之間的溫度，該換熱器裝置用于將熱從核反應(yīng)階段的氣體冷卻劑以間接傳熱方式傳遞到壓縮空氣流。該工藝可包括在貧氧空氣的廢棄流通過所述至少一個渦輪機局部膨脹之后，將貧氧空氣的廢棄流再熱至少一次，并且通過至少一個其它的渦輪機使再熱的貧氧空氣的廢棄流進一步膨脹，從而增加能量產(chǎn)生效率。因此使貧氧空氣的廢棄流再熱通常涉及到按步驟向貧氧空氣的廢棄流添加熱和使其膨脹，即，用一部分可用的熱量加熱貧氧空氣的廢棄流，然后使貧氧空氣的廢棄流膨脹至第一低壓，之后再次加熱貧氧空氣的廢棄流并且使貧氧空氣的廢棄流再次膨脹至第二低壓，第二低壓低于第一低壓。因而，在本發(fā)明的一個實施例中，應(yīng)用再熱的概念，即，通過將加熱或再熱的貧氧空氣的廢棄流的加熱和膨脹分級，在多個步驟中利用合成氣體加熱貧氧空氣的廢棄流。這樣在該實施例中，能量產(chǎn)生階段可利用至少兩個渦輪機，在貧氧空氣的廢棄流已經(jīng)經(jīng)過一個渦輪機之后但是在貧氧空氣的廢棄流經(jīng)過另一渦輪機之前，來自合成氣體的熱的至少一部分傳遞至貧氧空氣的廢棄流，從而再熱貧氧空氣的廢棄流。在另一實施例中，可利用除合成氣體之外的熱源，例如核能或燃燒燃氣來進行再熱。該工藝可包括在所述至少局部膨脹的貧氧空氣的廢棄流已經(jīng)用于產(chǎn)生能量之后， 以與壓縮空氣流熱傳遞的方式將其冷卻。在如上所述包括從核反應(yīng)階段到壓縮空氣流的熱傳遞的本發(fā)明的實施例中，所述至少局部膨脹的貧氧空氣的廢棄流的該冷卻可包括在利用來自核反應(yīng)階段的熱加熱壓縮空氣流之前，預(yù)熱壓縮空氣流。換言之，這樣本發(fā)明的工藝可有效地利用恢復(fù)性或再生性Brayton動力循環(huán)。因而本發(fā)明的工藝在能量產(chǎn)生階段中可包括使所述加熱后的貧氧空氣的廢棄流經(jīng)過至少一個氣體膨脹渦輪機膨脹，產(chǎn)生溫度和壓力比加熱后的貧氧空氣的廢棄流低的至少局部膨脹的貧氧空氣的廢棄流。所述至少一個氣體膨脹渦輪機然后可用于產(chǎn)生電力，例如利用發(fā)電機。本發(fā)明的工藝可包括將空氣壓縮以產(chǎn)生壓縮空氣流。至少一個氣體膨脹渦輪機可用于驅(qū)動至少一個壓縮機以產(chǎn)生壓縮空氣流。通常，壓縮空氣處于至少4bar(g)的壓力，更優(yōu)選在大約5. ^ar(g)與大約 2Ibar(g)之間，例如大約15bar(g)0優(yōu)選地，壓縮空氣流在其在空氣分離階段中分離之前，處于至少大約750°C，更優(yōu)選至少大約800°C，最優(yōu)選至少大約825°C，例如大約850°C的溫度。應(yīng)理解，來自離子傳遞膜單元的貧氧空氣的廢棄流在利用合成氣體加熱以形成加熱后的貧氧空氣的廢棄流之前， 也將處于大致這些溫度。加熱后的貧氧空氣的廢棄流在至少局部膨脹以產(chǎn)生能量之前，可處于至少大約 900°C，優(yōu)選至少大約1000°C，更優(yōu)選至少大約1150°C，例如大約1200°C的溫度。應(yīng)理解，加熱后的貧氧空氣的廢棄流可實現(xiàn)的最大溫度由合成氣體的溫度確定。因而優(yōu)選地，合成氣體處于實踐中盡可能高的溫度，例如大約1300°C。在任何情況下，合成氣體優(yōu)選處于足夠高的溫度，以確保加熱后的貧氧空氣的廢棄流被加熱至至少900°C的溫度。替代或附加的是，本發(fā)明的工藝可包括利用所述至少局部膨脹的貧氧空氣的廢棄流來生成蒸汽。蒸汽可用于通過蒸汽輪機產(chǎn)生附加的能量。能量產(chǎn)生階段因而可構(gòu)造為組合循環(huán)。在組合循環(huán)中，熱從Brayton循環(huán)(所謂的前置循環(huán))的膨脹工作流體傳遞到另一動力循環(huán)(所謂的后置循環(huán))的工作流體。通常，后置循環(huán)是通常使用蒸汽作為工作流體的Rankine循環(huán)。組合循環(huán)動力系統(tǒng)公知為在與獨立的Brayton循環(huán)相比時實現(xiàn)了提高的效率。當能量產(chǎn)生階段構(gòu)造為組合循環(huán)時，Rankie循環(huán)還可修改為包括對Rankie循環(huán)的工作流體再熱和/或過熱的步驟以進一步增加效率。再熱或過熱可利用合成氣體或核熱或燃氣的燃燒進行。當能量產(chǎn)生階段構(gòu)造為組合循環(huán)時，使用蒸汽作為工作流體，產(chǎn)生的一部分蒸汽可導(dǎo)向加熱處理，使得本發(fā)明的工藝變?yōu)橛糜诠餐a(chǎn)合成氣體、能量和熱的工藝?？蛇x地，在利用合成氣體的設(shè)備中產(chǎn)生的處理蒸汽可供給至Rankine循環(huán)以補充產(chǎn)生能量?？諝饪稍谝粋€以上的空氣壓縮機中壓縮，所述空氣壓縮機的尺寸定為壓縮除了在空氣分離階段中產(chǎn)生用于合成氣體生成目的的、主要由氧氣構(gòu)成的滲透流所需之外的空氣。附加壓縮空氣通常繞過離子傳遞膜單元并在用于產(chǎn)生附加能量之前被加熱。附加壓縮空氣可接收來自核反應(yīng)階段和/或合成氣體的熱。通常，附加壓縮空氣在被加熱之后然后膨脹以產(chǎn)生能量?？蛇x地，可利用附加壓縮空氣點燃燃氣，產(chǎn)生已燃氣體，已燃氣體膨脹而產(chǎn)生能量。附加壓縮空氣可首先與貧氧空氣的廢棄流以及燃料混合，之后混合物燃燒而產(chǎn)生已燃氣體，已燃氣體然后經(jīng)過氣體膨脹渦輪機膨脹以產(chǎn)生能量。優(yōu)選地，工藝在這種情況下包括首先混合附加壓縮空氣和貧氧空氣的廢棄流，然后利用合成氣體加熱混合物，之后將加熱后的混合物與燃氣混合以進行燃燒。應(yīng)理解，主要由氧氣構(gòu)成的滲透流由于越過離子傳遞膜單元的壓力差而壓力減小。因而該工藝通常包括將主要由氧氣構(gòu)成的滲透流再壓縮至適于在合成氣體生成階段使用的壓力。本發(fā)明的工藝可包括在烴合成階段中從通過合成氣體生成階段生產(chǎn)的合成氣體來生產(chǎn)烴。該烴合成的例子包括甲醇合成和Fischer-Tropsch合成。因而考慮到處理單元上的壓力損失，合成氣體生成階段應(yīng)該在足夠高的壓力生產(chǎn)合成氣體，以允許烴合成處于適當?shù)母邏?。通常，合成氣體處于大約40bar(g)和大約50bar(g)之間的壓力，例如大約 45bar(g)。從合成氣體合成烴可以以任何傳統(tǒng)方式實現(xiàn)。通常，從合成氣體合成烴包括 Fischer-Tropsch合成，其利用一個以上的Fischer-Tropsch烴合成階段，產(chǎn)生一個以上的烴產(chǎn)品流以及包括CO2、CO和吐的Fischer-Tropsch尾氣。所述一個以上的Fischer-Tropsch烴合成階段可以設(shè)有任何適當?shù)姆磻?yīng)器，例如一個以上的固定床反應(yīng)器、漿床反應(yīng)器、沸騰床反應(yīng)器或干粉流化床反應(yīng)器。反應(yīng)器中的壓力可以是Ibar (g)到IOObar (g)之間，通常低于45bar (g)，而溫度可以在160°C到380°C之間。一個以上的Fischer-Tropsch烴合成階段可以是在低于280°C的溫度操作的低溫 Fischer-Tropsch烴合成階段。通常，在該低溫Fischer-I^opsch烴合成階段中，烴合成階段在160 V到280 V之間，優(yōu)選220 V到260 V之間，例如大約250 V的溫度操作。該低溫 Fischer-Tropsch烴合成階段因而是在10到50bar(g)的范圍內(nèi)，通常低于^bar (g)的預(yù)定操作壓力下操作的高鏈增長、通常為漿床的反應(yīng)階段。一個以上的Fischer-Tropsch烴合成階段可以是在至少320°C的溫度操作的高溫Fischer-Tropsch烴合成階段。通常，該高溫Fischer-Tropsch烴合成階段在320 °C 到380°C之間，例如大約350°C的溫度，以及10到50bar(g)的范圍內(nèi)，通常低于45bar(g) 的預(yù)定操作壓力下操作。該高溫Fischer-Tropsch烴合成階段是低鏈增長反應(yīng)階段，通常利用兩相流化床反應(yīng)器。與特征在于能夠維持漿床反應(yīng)器中的連續(xù)液體產(chǎn)品相的低溫 Fischer-Tropsch烴合成階段相比，高溫Fischer-Tropsch烴合成階段不能在流化床反應(yīng)器中產(chǎn)生連續(xù)液體產(chǎn)品相。合成氣體生成階段可以是將例如煤的固體含碳給料氣化的氣化階段。可以采用任何傳統(tǒng)的氣化技術(shù)，不過優(yōu)選的是使用具有至少900°C的排氣溫度的氣化器。替代的是，合成氣體生成階段可以是將例如天然氣或相關(guān)氣體的氣體含碳給料進行重整的重整階段?？梢圆捎萌魏蝹鹘y(tǒng)的重整技術(shù)。本發(fā)明的工藝可包括在熱已經(jīng)從熱合成氣體傳遞到貧氧空氣的廢棄流之后進一步冷卻合成氣體。這樣，合成氣體能冷卻到適于例如在所述烴合成階段中進一步處理合成氣體的溫度。合成氣體的進一步冷卻可包括生成蒸汽。


現(xiàn)在將參照附圖通過示例描述本發(fā)明，附圖中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明用于共同生產(chǎn)合成氣體和能量的工藝的一個實施例；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明用于處理合成氣體和能量的工藝的另一個更復(fù)雜的實施例；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明用于生產(chǎn)合成氣體和能量和熱的工藝的可選實施例；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明用于共同生產(chǎn)合成氣體和能量的工藝的又一個實施例。
具體實施例方式參照附圖的圖1，附圖標記10總體上表示根據(jù)本發(fā)明用于共同生產(chǎn)合成氣體和能量的工藝。工藝10大體包括合成氣體生成階段12、核反應(yīng)階段14、以及包括至少一個離子傳遞膜16. 1的空氣分離階段16。工藝10還包括空氣壓縮機18、空氣加熱器20、氧氣壓縮機22、合成氣體冷卻器 M、合成氣體廢熱鍋爐26、氣體渦輪膨脹機觀和烴合成階段30。核反應(yīng)階段14利用被高溫氣體冷卻的核反應(yīng)器32，氦作為通過被高溫氣體冷卻的核反應(yīng)器32循環(huán)的氣體冷卻劑。核反應(yīng)階段14可以是典型或者傳統(tǒng)的被高溫氣體冷卻的核反應(yīng)階段，其中氦在70bar(g)的壓力下在封閉氦循環(huán)34中操作。在圖中，核反應(yīng)階段 14以非常簡化的形式示出，該典型的核反應(yīng)階段的大部分細節(jié)未示出。然而應(yīng)注意，封閉氦循環(huán)34中的氦在被高溫氣體冷卻的核反應(yīng)器32中加熱到足夠的溫度，使得在氦進入空氣加熱器20的位置氦處于大約900°C的溫度?？諝饬?6被吸入空氣壓縮機18并壓縮至大約15bar(g)的壓力，產(chǎn)生壓縮空氣流 38。在空氣加熱器20中，熱從核反應(yīng)階段14的封閉氦循環(huán)34以間接熱傳遞的方式傳遞到壓縮空氣流38，產(chǎn)生在至少大約700°C的溫度的被加熱的壓縮空氣流40。然而優(yōu)選地，被加熱的壓縮空氣流40處于較高溫度，例如大約850°C。被加熱的壓縮空氣流40在空氣分離階段16中通過離子傳遞膜16. 1分離，以產(chǎn)生主要由氧氣組成，即，氧氣體積通常至少約98%的滲透流42，以及貧氧空氣的廢棄流44。 應(yīng)該理解，貧氧空氣的廢棄流44基本處于與被加熱的壓縮空氣流40相同的壓力，即，大約 15bar(g)減去經(jīng)過空氣加熱器20和空氣分離階段16的壓降。滲透流42處于大約lbar (g)的壓力，并且在被氧氣壓縮機22壓縮至適于在合成氣體生成階段12中使用的壓力之前，首先在滲透流冷卻器43中冷卻。通常，滲透流42這樣被壓縮至大約40bar(g)與大約50bar(g)之間的壓力，例如大約^bar(g)。在合成氣體生成階段12中，來自煤供給部46的煤在來自滲透流42的氧氣以及來自供給蒸汽48的蒸汽面前氣化，以產(chǎn)生熱合成氣體50。熱合成氣體50處于至少900°C的溫度。本發(fā)明的工藝不限于用于產(chǎn)生熱合成氣體50的具體工藝，僅有的要求是熱合成氣體50必須處于足夠高的溫度，例如處于至少900°C的溫度。合成氣體生成階段12可以從煤通過與氧氣和蒸汽的氣化生成合成氣體，如圖1所示，例如通過使用粉煤高溫氣化器， 或者代替地，合成氣體生成階段12可以是利用氧氣或蒸汽重整甲烷的重整階段。合成氣體生成階段12還可以是自熱重整階段。然而，所有這些技術(shù)都需要氧氣，并且對于工藝10而言，氧氣將在一旦被氧氣壓縮機22壓縮之后由滲透流42提供。熱合成氣體50在合成氣體冷卻器M中以間接熱傳遞方式冷卻，從而加熱貧氧空氣的廢棄流44。優(yōu)選地，熱合成氣體50處于大約1300°C的溫度，然后廢棄流44被加熱至大約1200°C的溫度。這樣提供了被加熱的貧氧空氣的廢棄流52。應(yīng)理解，被加熱的廢棄流 52處于大約1200°C的溫度和大約15bar(g)的壓力，可用于產(chǎn)生能量。被加熱的廢棄流52 通過氣體渦輪膨脹機觀膨脹，用于產(chǎn)生至少部分膨脹的貧氧空氣的廢棄流54。氣體渦輪膨脹機觀用于驅(qū)動發(fā)電機56，從而產(chǎn)生電力。熱合成氣體50在合成氣體冷卻器M中冷卻。冷卻的合成氣體58在供給至烴合成階段30之前被供給至合成氣體廢熱鍋爐沈，在那里被進一步冷卻。合成氣體廢熱鍋爐 26接收鍋爐給水60并產(chǎn)生蒸汽62，蒸汽62可用于產(chǎn)生能量或者可用于處理目的，例如在合成氣體生成階段12中作為供給蒸汽48。烴合成階段30可以是利用合成氣體來合成烴64的任何烴合成階段。例如，烴合成階段可以是甲醇合成階段或者Fischer-Tropsch烴合成階段。參照附圖的圖2，附圖標記100示出了根據(jù)本發(fā)明用于共同生產(chǎn)合成氣體和能量的工藝的另一實施例。工藝100類似于工藝10，除非另有指出，否則對于工藝100使用與工藝10相同的附圖標記來指示相同或者類似的工藝特征。工藝100采用Brayton動力循環(huán)的工作流體，即廢棄流44的再熱。工藝100因而具有廢棄流再熱器104和另一氣體渦輪膨脹機106。熱合成氣體50在重新加入烴合成階段 30之前分成兩股流，一股到達合成氣體冷卻器M，一股到達廢棄流再熱器104。 在工藝100中，被加熱的廢棄流52逐級膨脹，首先通過氣體渦輪膨脹機觀，然后通過氣體渦輪膨脹機106，產(chǎn)生膨脹的廢棄流108。熱合成氣體流50中的一股用于在來自氣體渦輪膨脹機觀的至少局部膨脹的廢棄流M在氣體渦輪膨脹機106中膨脹之前再熱該至少局部膨脹的廢棄流M。如圖2所示，氣體渦輪膨脹機106可用于驅(qū)動空氣壓縮機18。該驅(qū)動布置通常使用氣體渦輪膨脹機106與空氣壓縮機18之間的直接機械聯(lián)接。再熱器104的使用以及被加熱的廢棄流52的逐級膨脹增加了工藝100的Brayton 動力循環(huán)的效率。參照圖3，附圖標記200示出了根據(jù)本發(fā)明用于共同生產(chǎn)合成氣體和能量的工藝的可選實施例。同樣，因為在工藝200與工藝10之間有很多相似之處，盡可能使用相同的附圖標記來表示相同的工藝特征。工藝200包括鍋爐206、過熱器208、蒸汽輪機202和蒸汽冷凝器204。蒸汽輪機 202、冷凝器204、鍋爐206和過熱器208形成了利用Brayton前置循環(huán)生成蒸汽(即，熱) 和能量的Rankie后置循環(huán)的一部分，其中Brayton前置循環(huán)包括空氣加熱器20、合成氣體冷卻器M和氣體渦輪膨脹機28。在工藝200中，至少局部膨脹的廢棄流M在鍋爐206中冷卻，產(chǎn)生蒸汽210和冷卻的廢棄流211。蒸汽210在過熱器208中與冷卻的合成氣體58以間接熱傳遞的方式過熱，產(chǎn)生過熱蒸汽212。過熱蒸汽212的一部分經(jīng)過蒸汽輪機202以產(chǎn)生能量。該部分蒸汽在蒸汽冷凝器204中完全冷凝，冷凝物214返回鍋爐206。鍋爐給水補償216添加至冷凝物214。過熱蒸汽212的由附圖標記218表示的一部分被抽出并用于處理目的，例如加熱處理。而且如圖3所示，空氣壓縮機18的尺寸定為壓縮除了產(chǎn)生滲透流42所要求的之外的空氣，即，壓縮除了合成氣體生成階段12的氧氣要求之外的空氣。附加壓縮空氣未經(jīng)過空氣分離階段16，不過附加壓縮空氣在空氣加熱器20中加熱。換言之，被加熱的壓縮空氣流40的旁路流220繞過空氣分離階段16。該旁路流220用于在氣體渦輪膨脹機觀中產(chǎn)生額外的能量。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明用于共同生產(chǎn)合成氣體和能量的工藝的又一實施例，該工藝總體由附圖標記300表示。和圖2和3 —樣，除非另外指出，否則圖4使用與圖1相同的附圖標記來表示相同或相似的工藝特征。與工藝200的情況一樣，在工藝300中，空氣壓縮機18的尺寸定為壓縮除了產(chǎn)生滲透流42所要求的之外的空氣，用于合成氣體生成階段12的氧氣供應(yīng)。附加壓縮空氣也在空氣加熱器20中加熱，然后作為旁路流302繞過空氣分離階段16，以加入廢棄流44。處于大約850°C的溫度的組合的熱氣體流304然后經(jīng)過合成氣體冷卻器24，并加熱至大約 1200°C的溫度。來自合成氣體冷卻器M的被加熱的組合的熱氣體流306供給至燃燒器308， 在燃燒器308處被加熱的組合的熱氣體流306與燃氣310混合。該混合物在燃燒器308中燃燒以產(chǎn)生已燃氣體312，已燃氣體312然后通過氣體渦輪膨脹機314膨脹，以產(chǎn)生額外的能量°所示的本發(fā)明工藝的特別優(yōu)點在于，其依賴信譽良好的技術(shù)來產(chǎn)生能量，即空氣壓縮機和燃氣輪機、以及在利用核熱的優(yōu)選實施例的情況下可能完全傳統(tǒng)的核反應(yīng)階段。 對于產(chǎn)生能量還存在規(guī)模經(jīng)濟性，因為與獨立的核電站和用于冷卻熱合成氣體的獨立的蒸汽生成系統(tǒng)相比，一個循環(huán)利用了來自核反應(yīng)階段和熱合成氣體中可用熱的熱量。所示的本發(fā)明工藝提供了多于一個問題的解決方案，S卩，感覺缺少將核能與合成氣體生成工藝相集成的機會、與利用熱合成氣體產(chǎn)生蒸汽相關(guān)聯(lián)的大溫差驅(qū)動力(即，通過將在900°C以上的溫度可用的熱量與從ITM制氧工藝散發(fā)的熱加壓貧氧流相匹配，以進一步增加能夠從該流提取的能量)、用于制氧的傳統(tǒng)的低溫空氣分離單元的大能量需求、用于ITM系統(tǒng)的加熱需求以及與用于大規(guī)?；瘜W(xué)制品生產(chǎn)的合成氣體生產(chǎn)工藝相關(guān)聯(lián)的二氧化碳排放問題。減少的二氧化碳排放來自于熱效率的改進，并且通過用無碳源，即核能來替代傳統(tǒng)的碳基發(fā)電發(fā)熱設(shè)備。
權(quán)利要求
1.一種用于共同生產(chǎn)合成氣體和能量的工藝，該工藝包括在合成氣體生成階段中，通過將含烴給料與氧氣反應(yīng)而生產(chǎn)至少包括CO和H2的合成氣體，該合成氣體處于第一溫度；在空氣分離階段中，通過至少一個離子傳遞膜單元從壓縮空氣流分離空氣，從而產(chǎn)生處于低于第一溫度的第二溫度的主要由氧氣構(gòu)成的滲透流以及貧氧空氣的廢棄流；利用合成氣體間接加熱貧氧空氣的廢棄流，并且使所述加熱后的貧氧空氣的廢棄流經(jīng)至少一個渦輪機至少局部膨脹以產(chǎn)生能量，從而產(chǎn)生至少局部膨脹的貧氧空氣的廢棄流； 以及將主要由氧氣構(gòu)成的滲透流的至少一部分供給至合成氣體生成階段，以提供用于生產(chǎn)合成氣體的氧氣。
2.如權(quán)利要求1所述的工藝，其中，在合成氣體生成階段中生產(chǎn)的合成氣體處于至少 900°C的溫度，貧氧空氣的廢棄流可在至少600°C，但是比在合成氣體生成階段中生產(chǎn)的合成氣體的溫度低的溫度獲得。
3.如權(quán)利要求1或2所述的工藝，該工藝包括在空氣分離階段中分離壓縮空氣流之前，將壓縮空氣流加熱至至少70(TC的溫度，壓縮空氣流至少通過從核反應(yīng)階段傳熱而被加熱。
4.如權(quán)利要求1至3任一項所述的工藝，該工藝包括在貧氧空氣的廢棄流通過所述至少一個渦輪機局部膨脹之后，將貧氧空氣的廢棄流再熱至少一次，并且通過至少一個其它的渦輪機使再熱的貧氧空氣的廢棄流進一步膨脹，從而增加能量產(chǎn)生效率。
5.如權(quán)利要求1至4任一項所述的工藝，該工藝包括在所述至少局部膨脹的貧氧空氣的廢棄流已經(jīng)用于產(chǎn)生能量之后，以與壓縮空氣流熱傳遞的方式將所述至少局部膨脹的貧氧空氣的廢棄流冷卻。
6.如權(quán)利要求1至5任一項所述的工藝，其中，合成氣體處于足夠高的溫度，以確保加熱后的貧氧空氣的廢棄流被加熱至至少900°C的溫度。
7.如權(quán)利要求1至7任一項所述的工藝，其中，空氣在一個以上的空氣壓縮機中壓縮， 所述空氣壓縮機的尺寸定為壓縮除了在空氣分離階段中產(chǎn)生用于合成氣體生成目的的、主要由氧氣構(gòu)成的滲透流所需之外的空氣，附加壓縮空氣繞過離子傳遞膜單元并在用于產(chǎn)生附加能量之前被加熱。
8.如權(quán)利要求7所述的工藝，其中，附加壓縮空氣接收來自核反應(yīng)階段和/或合成氣體的熱。
9.如權(quán)利要求7所述的工藝，其中，燃氣與附加壓縮空氣燃燒，產(chǎn)生已燃氣體，已燃氣體膨脹而產(chǎn)生能量。
10.如權(quán)利要求9所述的工藝，其中，附加壓縮空氣首先與貧氧空氣的廢棄流以及燃料混合，之后混合物燃燒而產(chǎn)生已燃氣體，已燃氣體然后經(jīng)過氣體膨脹渦輪機膨脹以產(chǎn)生能量。
11.如權(quán)利要求1至10任一項所述的工藝，該工藝包括在烴合成階段中，從通過合成氣體生成階段生產(chǎn)的合成氣體來生產(chǎn)烴。
全文摘要
一種用于共同生產(chǎn)合成氣體和能量的工藝(10)，該工藝包括在合成氣體生成階段(12)中，通過將含烴給料與氧氣反應(yīng)而生產(chǎn)至少包括CO和H2的合成氣體(50)，該合成氣體處于第一溫度。在空氣分離階段(6)中，通過至少一個離子傳遞膜單元(16.1)從壓縮空氣流分離空氣，從而產(chǎn)生處于低于第一溫度的第二溫度的主要由氧氣構(gòu)成的滲透流(42)以及貧氧空氣的廢棄流(44)。利用合成氣體(50)間接加熱貧氧空氣的廢棄流(44)，并且使其經(jīng)至少一個渦輪機(28)至少局部膨脹以產(chǎn)生能量，從而產(chǎn)生貧氧空氣的至少局部膨脹的廢棄流(54)。將主要由氧氣構(gòu)成的滲透流(42)的至少一部分供給至合成氣體生成階段(12)，以提供用于生產(chǎn)合成氣體的氧氣。
文檔編號C01B13/02GK102438940SQ201080022248
公開日2012年5月2日 申請日期2010年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月22日
發(fā)明者I·L·格里弗 申請人:沙索技術(shù)有限公司