СПОСОБ СОВМЕСТНОГО ПРОИЗВОДСТВА СИНТЕЗ-ГАЗА И ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
METHOD OF COMBINED PRODUCTION OF SYNTHESIS-GAS AND ELECTRIC ENERGY

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу совместного производства синтез-газа и электроэнергии.
Уровень техники
2
Синтез-газ представляет собой смесь, состоящую из окиси углерода (СО) и водорода (Н). Синтез-газ обычно производится одним из двух способов - газификации твердого сырья, например угля, смесью кислорода и пара или риформинга газообразного сырья, например природного газа, кислородом (способ риформинга с частичным окислением исходного сырья) или водой (способ риформинга исходного сырья паром). Широко применяется также метод, объединяющий риформинг с частичным окислением с риформингом паром и получивший название способа автотермического риформинга. Кислород, необходимый для производства синтез-газа, обычно получают из воздуха, используя стандартную технологию, криогенную или разделения воздуха. Готовый синтез-газ используется для производства широкого ассортимента химических продуктов, например метанола и жидких углеводородов способом Фишера-Тропша.
Способы производства синтез-газа характеризуются энергоемкостью и значительными выбросами двуокиси углерода. Двуокись углерода является основным парниковым газом, и выбросы его в атмосферу не безобидны для окружающей среды.
Проблему выбросов двуокиси углерода можно смягчать разными способами, например улавливания и последующего ее связывания, сокращения выбросов за счет повышения теплового КПД и замены обычных электростанций, использующих углеродсодержащее сырье для выработки электрической и тепловой энергии, источниками ядерной энергии, не использующими углеродсодержащее сырье.
Способы производства синтез-газа протекают при повышенных температурах, и в зависимости от применяемой технологии получаемый горячий синтез-газ может иметь температуру выше 900°С. Рекуперируемое тепло горячего синтез-газа обычно используется в котлах-утилизаторах для производства пара. Этот пар чаще всего используется в паровых турбинах, обслуживающих криогенные воздухоразделительные установки, и/или для производства электроэнергии. Важно отметить, что обычные криогенные воздухоразделительные установки в значительных объемах потребляют электроэнергию. Рекуперация тепла котлами-утилизаторами также вносит значительный вклад в потери, обусловленные вторым законом термодинамики, вследствие того что движущие силы, необходимые для таких котлов-утилизаторов, обеспечиваются значительным перепадом температур. Иначе говоря, использование котлов-утилизаторов приводит к снижению качества или температуры тепла, делая его менее качественным или менее высокотемпературным, что нежелательно, т.к. высокотемпературное тепло можно использовать для производства большего количества электроэнергии, чем при использовании низкотемпературного тепла. Создание движущих сил за счет значительного перепада температур также способствует снижению общего теплового КПД способа и поэтому может усугублять проблемы выбросов двуокиси углерода.
Одним из способов уменьшения перепада температур для создания движущих сил является повышение давления или перегрев пара в котлах-утилизаторах. Однако тот факт, что критическая температура воды составляет 374°С, означает, что насыщенный пар на выходе котлов-утилизаторов не может иметь более высокую температуру. К тому же при использовании пара для производства электроэнергии установками, реализующими цикл Ренкина, температура перегрева пара обычно не превышает 565°С из-за проблем с выбором материалов для изготовления таких установок.
Поэтому в попытках сокращения выбросов двуокиси углерода за счет повышения теплового КПД следует сосредоточить внимание на проблеме значительного перепада температур для создания необходимых движущих сил, а также на снижении энергопотребления при реализации криогенных воздухоразделительных способов. Однако технология криогенного разделения воздуха является достаточно зрелой, поэтому можно ожидать лишь незначительного снижения затрат и энергопотребления. Альтернативный способ отделения кислорода от воздуха основан на использовании ионитовых мембран (ITM). В этом способе для отделения кислорода используются керамические мембраны, работающие при высокой температуре (обычно 760-930°С). Считается, что технология производства кислорода с применением ионитовых мембран может обеспечить значительное снижение затрат. Этот высокотемпературный способ в силу своей сущности тяготеет к интеграции со способами, в которых требуются кислород, электроэнергия и пар. В ходе этого способа отделение кислорода от воздуха керамическими мембранами при высокой температуре обеспечивается электрохимическим способом. Кислород воздуха ионизируется на входной поверхности мембраны, диффундирует через мембрану в форме ионов благодаря градиенту своего парциального давления, а на выходной стороне мембраны образуются молекулы кислорода. Способ с применением ионитовых мембран позволяет получать поток горячего практически чистого кислорода или поток пермеата, а также поток горячего сжатого обедненного кислородом воздуха или отводимый поток, оба с высоким энергосодержанием, которое можно использовать. Эффективное использование этой энергии в способе с применением ионитовых мембран необходимо, чтобы обеспечить конкурентоспособность системы относительно технологии криогенного разделения воздуха. Рекуперация и эффективное использование энергии возможны при объединении компрессоров, газовых турбин, расширителей горячего газа, паровых турбин и теплообменников и мембранного блока в единую систему.
Исследования и разработка способов производства синтез-газа с использованием охлаждающей петли ядерного реактора пока ограничивались попытками согласовать рабочую температуру способов производства синтез-газа с наивысшей температурой теплового потока, которая достижима в охлаждающей петле ядерного реактора. Высокотемпературные газоохлаждаемые ядерные реакторы способны выдавать тепловой поток с температурой порядка 750-950°С. При этих сравнительно невысоких температурах приемлемые варианты способа производства синтез-газа немногочисленны, особенно когда применяется газификация сырья.
Способы производства синтез-газа обычно используются предприятиями с крупномасштабным производством химических углеродсодержащих продуктов. Такие предприятия, как правило, реализуют также последующие технологические операции с рабочей температурой ниже 800°С или, что типичнее, ниже даже 500°С. Несмотря на то что такие технологические операции могут быть перспективными кандидатами для интеграции с источниками тепла ядерных реакторов, установлено, что эти операции также являются перспективными кандидатами для тепловой интеграции с горячим синтез-газом, получаемым соответствующим способом. Установлено также, что упомянутые выше предприятия располагают собственными источниками тепла и теплопоглотителями с рабочей температурой около 250°С, при этом таких источников тепла тем больше, чем ниже потребная температура. Таким образом, налицо избыток низкокачественного тепла. Это ослабляет стимулы к получению такого тепла из ядерных источников. Для поставки низкокачественного тепла наиболее подходит более распространенный легководный ядерный реактор. Это означает, что реально существует дефицит возможностей интеграции ядерных источников тепла с предприятиями, в больших объемах производящими химические продукты, и особенно справедлив данный вывод в отношении интеграции указанных источников с способом производства синтез-газа. Отсюда следует, что стратегия использования ядерной энергии должна быть существенно иной и скорее всего ориентироваться на производство водорода методом расщепления воды. В вариантах осуществления настоящего изобретения, напротив, предлагается новый и отличный от указанного подход.
Раскрытие изобретения
В соответствии с изобретением предлагается способ совместного производства синтез-газа и электроэнергии, включающий:
2
на этапе генерации получение синтез-газа, состоящего по меньшей мере из СО и Н и образующегося при реакции углеводородного сырья с кислородом, при этом синтез-газ имеет «первую» температуру;
на этапе разделения воздуха выделение кислорода из потока сжатого воздуха по меньшей мере одним ионитовым мембранным блоком и получение потока пермеата, состоящего преимущественно из кислорода, а также отводимого потока обедненного кислородом воздуха, имеющего «вторую» температуру, которая значительно ниже «первой» температуры;
косвенный нагрев отводимого потока обедненного кислородом воздуха синтез-газом и по меньшей мере частичное расширение указанного нагретого отводимого потока обедненного кислородом воздуха в одной по меньшей мере турбине для выработки электроэнергии с получением на выходе турбины отводимого потока по меньшей мере частично расширившегося воздуха, обедненного кислородом; и
подача по меньшей мере части потока пермеата, преимущественно состоящего из кислорода, на стадию производства синтез-газа, для получения которого необходим кислород.
Как правило, температура синтез-газа, полученного на этапе его производства, составляет как минимум 900°С. Температура отводимого потока обедненного кислородом воздуха обычно составляет как минимум 600°С, но чаще 700°С, т.е. она ниже температуры синтез-газа, полученного на этапе его производства. В результате отводимый поток обедненного кислородом воздуха становится поглотителем высокотемпературного тепла синтез-газа, при этом снижается потребность в движущих силах, обусловленных значительным перепадом температур, что типично для использования котлов-утилизаторов в качестве теплопоглотителей.
В данном описании изобретения термин «турбина» включает в себя концепцию «ступень турбины», поэтому, когда встречается указание на более чем одну турбину, следует понимать, что это указание на несколько раздельных турбин, или на единичную турбину, состоящую более чем из одной четкой идентифицируемой ступени, или на комбинацию из раздельных турбин и одной или нескольких единичных турбин, состоящих из более чем одной четко идентифицируемой ступени. Также в данном описании изобретения косвенная теплопередача, например «косвенный нагрев», означает, что тепло передается через поверхность теплопередачи от одного флюида к другому таким образом, что флюиды не вступают в непосредственный контакт друг с другом и поэтому не смешиваются.
В способ может входить этап нагрева потока сжатого воздуха на температуру не ниже 700°С перед разделением потока сжатого воздуха на этапе разделения воздуха. Такой нагрев может обеспечиваться, например, сжиганием такого топлива, как горючий газ или уголь, или любой комбинацией приемлемых методов. В предпочтительном варианте осуществления изобретения поток сжатого воздуха нагревается по меньшей мере теплом, передаваемым с этапа ядерной реакции. Этот предпочтительный вариант осуществления изобретения характеризуется тем преимуществом, что обычный нагрев с использованием углеродсодержащего топлива заменяется источником тепла, не использующим углеродсодержащее топливо.
По меньшей мере в одном ионитовом мембранном блоке используется непористая ионитовая мембрана с селективной проницаемостью, но, как правило, таких мембран множество. Эти мембраны обычно изготавливаются из керамики на основе неорганических оксидов, например диоксида циркония или иных материалов, известных опытным специалистам. Чаще всего мембраны имеют форму труб, пластин или монолитной ячеистой структуры. Ожидается, что при использовании изобретения на мембранах будет создаваться перепад парциального давления кислорода, что обеспечит миграцию ионов кислорода через мембраны со стороны подачи кислорода на сторону проникновения, где происходит рекомбинация ионов с образованием электронов и газообразного кислорода. Однако в принципе возможно также использование разности напряжений, подаваемых на мембраны, например использование ионитовых мембран, которые приводятся в действие электричеством и в которых поток электронов со стороны проникновения на сторону подачи кислорода на мембрану создается разностью напряжений. Как будет показано далее, любой твердый материал для изготовления мембраны, который обладает селективной проницаемостью для кислорода в форме его ионов, относится к проводникам смешанного типа и работает при наличии перепада парциального давления кислорода, или является твердым электролитом, для функционирования которого требуется создание разности напряжений на мембране, можно применять при использовании данного изобретения.
Отводимый поток обедненного кислородом воздуха используется в качестве рабочего флюида. Этот рабочий флюид может быть расширен на этапе производства электроэнергии при реализации способа, являющегося предметом изобретения. На этапе производства электроэнергии используется хорошо известный цикл Брайтона, в котором рабочий флюид находится в газообразном состоянии и не конденсируется в ходе реализации цикла. На этапе производства электроэнергии цикл Брайтона обеспечивает эффективный прием по меньшей мере тепла синтез-газа (это тепло передается отводимому потоку обедненного кислородом воздуха), а в некоторых вариантах использования изобретения - также прием тепла с этапа вышеупомянутой ядерной реакции (это тепло передается потоку сжатого воздуха перед его разделением). В вариантах осуществления изобретения, включающих передачу тепла с этапа ядерной реакции, передатчиком тепла с этапа ядерной реакции для косвенного нагрева потока сжатого воздуха обычно является газообразный охладитель. Такой вариант реализации цикла Брайтона также определяется как вариант косвенного нагрева, т.к. газообразный охладитель на этапе ядерной реакции обычно циркулирует в первичном контуре реактора, который закрыт, а передача тепла первичного контура потоку сжатого воздуха при реализации цикла Брайтона происходит из вторичного контура. Во вторичном контуре реализуется открытый цикл, например цикл, в котором рабочий флюид используется однократно, а после расширения выводится из способа.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения на этапе ядерной реакции используется высокотемпературный газоохлаждаемый ядерный реактор. Газообразный охладитель служит для охлаждения реактора. В качестве такого охладителя обычно используется гелий при повышенном, например, до 70 бар (изб.) давлении. Поэтому газообразным охладителем, циркулирующим в первичном контуре, является, как правило, гелий. Температура газообразного охладителя обычно колеблется между приблизительно 750 и 950°С, но предпочтительнее между приблизительно 800 и 900°С, т.е. температура около 900°С на выходе системы теплообменников, служащей для косвенной передачи тепла газообразного охладителя с этапа ядерной реакции потоку сжатого воздуха.
Способ может включать по меньшей мере однократный подогрев отводимого потока обедненного кислородом воздуха, осуществляемый после частичного расширения отводимого потока обедненного кислородом воздуха в упомянутой выше по меньшей мере одной турбине и после дополнительного расширения отводимого потока подогретого обедненного кислородом воздуха в одной по меньшей мере дополнительной турбине, что делается для повышения КПД производства электроэнергии. Таким образом, подогрев отводимого потока обедненного кислородом воздуха обычно связан с увеличением теплосодержания отводимого потока обедненного кислородом воздуха и поэтапным его расширением, например с нагревом отводимого потока обедненного кислородом воздуха частью доступного тепла и последующим расширением этого потока с падением давления до «первого» пониженного давления, а затем с повторным нагревом отводимого потока обедненного кислородом воздуха и последующим расширением этого потока с падением давления до «второго» пониженного давления, которое ниже «первого» пониженного давления. В одном из вариантов осуществления изобретения применяется концепция подогрева, например многоэтапного каскадного нагрева, отводимого потока обедненного кислородом воздуха синтез-газом и последующим расширением нагретого или подогретого отводимого потока обедненного кислородом воздуха. В таком варианте осуществления изобретения на этапе производства электроэнергии можно использовать по меньшей мере две турбины и по меньшей мере часть тепла синтез-газа передавать отводимому потоку обедненного кислородом воздуха, обеспечивая его нагрев, после того как этот отводимый поток прошел через первую турбину, но перед прохождением отводимого потока обедненного кислородом воздуха через другую турбину. А другом варианте осуществления изобретения подогрев можно осуществлять также, используя иной источник тепла, нежели синтез-газ, например ядерную энергию или сжигаемый топливный газ.
Способ может включать охлаждение вышеупомянутого по меньшей мере частично расширившегося отводимого потока обедненного кислородом воздуха посредством теплообмена с потоком сжатого воздуха после использования отводимого потока обедненного кислородом воздуха для производства электроэнергии. В вариантах осуществления изобретения, включающих передачу тепла с этапа ядерной реакции потоку сжатого воздуха, как рассмотрено здесь выше, такое охлаждение вышеупомянутого по меньшей мере частично расширившегося отводимого потока обедненного кислородом воздуха может сопровождаться подогревом потока сжатого воздуха, до того как поток сжатого воздуха будет нагрет теплом с этапа ядерной реакции. Иными словами, в способе, реализуемом в соответствии с изобретением, можно эффективно использовать рекуперативный или регенеративный цикл Брайтона.
Способ, реализуемый в соответствии с изобретением, может, таким образом, включать стадию производства электроэнергии, расширение вышеупомянутого нагретого отводимого потока обедненного кислородом воздуха в одной по меньшей мере турбине с возможностью расширения газа и получением на выходе турбины по меньшей мере частично расширившегося отводимого потока обедненного кислородом воздуха с давлением и температурой, которые ниже, чем у нагретого отводимого потока обедненного кислородом воздуха. По меньшей мере одна турбина с возможностью расширения газа может быть использования для производства электроэнергии, например при установке генератора.
Способ, реализуемый в соответствии с изобретением, может включать сжатие воздуха для получения потока сжатого воздуха. По меньшей мере одна турбина с возможностью расширения газа может быть использована для приведение в действие одного компрессора с цель создания потока сжатого воздуха.
Как правило, давление сжатого воздуха составляет по меньшей мере 4 бар (изб.), но более предпочтительно давление между примерно 5,5 и 21 бар (изб.), например порядка 15 бар (изб.).
Предпочтительная температура потока сжатого воздуха перед его разделением на соответствующем этапе способа составляет как минимум примерно 750°С, более предпочтительная температура - не ниже примерно 800°С, но наиболее предпочтительна температура не ниже примерно 825°С, например порядка 850°С. Как будет показано далее, поток обедненного кислородом воздуха, отводимый от ионитового мембранного блока, будет в основном иметь такие температуры перед его нагревом синтез-газом для получения нагретого отводимого потока обедненного кислородом воздуха.
Температура нагретого отводимого потока обедненного кислородом воздуха может составлять как минимум 900°С, предпочтительной является температура как минимум около 1000°С, более предпочтительной - как минимум примерно 1100°С, наиболее предпочтительной - как минимум примерно 1150°С, например порядка 1200°С, перед по меньшей мере частичным расширением для производства электроэнергии. Как будет показано далее, максимальная реальная температура нагретого отводимого потока обедненного кислородом воздуха определяется температурой синтез-газа. Таким образом, температура синтез-газа должна быть настолько высокой, насколько это возможно, например около 1300°С.
В любом случае предпочтительная температура синтез-газа должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить температуру нагретого отводимого потока обедненного кислородом воздуха не ниже 900°С.
Способ, реализуемый в соответствии с изобретением, вместо вышеописанного варианта использования по меньшей мере частично расширившегося отводимого потока обедненного кислородом воздуха или дополнительно к нему может включать использование такого отводимого потока для производства пара. Пар можно использовать для производства дополнительного количества электроэнергии паровой турбиной. Таким образом, этап производства электроэнергии может быть конфигурирован под комбинированный цикл. В этом случае тепло расширившегося рабочего флюида цикла Брайтона передается (так называемая верхняя часть цикла) рабочему флюиду последующего энергетического цикла (так называемая нижняя часть цикла). Как правило, нижняя часть цикла Брайтона реализуется как цикл Ренкина с использованием пара в качестве рабочего флюида. Известно, что энергетические системы с комбинированным циклом характеризуются повышенным КПД по сравнению с отдельно реализуемыми циклами Брайтона.
Когда этап производства электроэнергии конфигурируется под комбинированный цикл, цикл Ренкина также может быть модифицирован путем включения в него операции подогрева и/или перегрева рабочего флюида цикла для дополнительного повышения КПД. Для подогрева или перегрева можно использовать синтез-газ, тепло ядерной реакции или тепло от сжигания топливного газа.
Когда этап производства электроэнергии конфигурируется под комбинированный цикл с использованием пара в качестве рабочего флюида, часть производимого пара может быть направлена в способ в качестве нагревательного средства, что превращает способ, реализуемый в соответствии с изобретением, в способ совместного производства синтез-газа, электроэнергии и тепла. С другой стороны, технологический пар, генерируемый предприятием, которое использует синтез-газ, может быть направлен в цикл Ренкина для производства дополнительного количества электроэнергии.
Сжатие воздуха можно осуществить в одном или нескольких компрессорах, способных сжать воздух сильнее, чем требуется для получения потока пермеата, состоящего преимущественно из кислорода, на этапе разделения воздуха и предназначаемого для производства синтез-газа. Дополнительный сжатый воздух обычно отводится на ионитовый мембранный блок, прежде чем будет использован для производства дополнительного количества электроэнергии.
Дополнительный сжатый воздух может быть нагрет теплом со ступени ядерной реакции и/или ступени производства синтез-газа. Как правило, дополнительный сжатый воздух после нагрева подвергается расширению для производства электроэнергии.
С другой стороны, топливный газ можно сжигать вместе с дополнительным сжатым воздухом, получать выхлопной газ и направлять его на расширение в турбину для производства электроэнергии. Дополнительный сжатый воздух можно сначала смешать с отводимым потоком обедненного кислородом воздуха и топливом, затем, сжигая эту смесь, получить выхлопной газ, направить его на расширение в турбину для производства электроэнергии. Предпочтительно, чтобы в таком случае способ предусматривал сначала смешивание дополнительного сжатого воздуха и отводимого потока обедненного кислородом воздуха, затем нагрев полученной смеси с использованием синтез-газа перед смешиванием нагретой смеси с топливным газом с последующим сжиганием конечной смеси.
Как будет показано далее, поток пермеата, состоящий преимущественно из кислорода, имеет пониженное давление, что обусловлено перепадом давления на ионитовом мембранном блоке. Как следствие способ обычно включает операцию повышения давления потока пермеата, состоящего преимущественно из кислорода, до уровня, приемлемого для использования этого потока на этапе производства синтез-газа.
Способ, реализуемый в соответствии с изобретением, может включать этап синтеза углеводородов из синтез-газа, получаемого на этапе производства синтез-газа. К примерам такого синтеза углеводородов относится синтез метанола и получение углеводородов способом Фишера-Тропша. Производство синтез-газа на соответствующем этапе следует организовать таким образом, чтобы получать синтез-газ с давлением, достаточно высоким (с учетом всех потерь давления в технологических установках) для синтеза углеводородов. Как правило, давление синтез-газа находится между примерно 40 и примерно 50 бар (изб.), например на уровне 45 бар (изб.).
2
2
Синтез углеводородов из синтез-газа может быть реализован любым принятым способом. Как правило, синтез углеводородов из синтез-газа включает способ Фишера-Тропша, состоящий из одной или нескольких ступеней с получением одного или нескольких потоков углеводородных продуктов, а также отходящего газа, содержащего CO, CO и H.
Один или несколько этапов способа Фишера-Тропша для синтеза углеводородов могут быть реализованы в любых подходящих реакторах, например, в одном или нескольких реакторах с неподвижным слоем, шламовых реакторах, реакторах с подвижным слоем или реакторах с сухим псевдоожиженным слоем. Давление в реакторах может находиться между 1 и 100 бар (изб.), обычно на уровне ниже 45 бар (изб.), при этом температура в реакторе может составлять от 160 до 380°С.
Один или несколько этапов синтеза углеводородов способом Фишера-Тропша могут быть низкотемпературными, т.е. протекать при температуре ниже 280°С. Как правило, на таком низкотемпературном этапе синтеза углеводородов способом Фишера-Тропша рабочая температура находится между 160°С и 280°С, предпочтительнее между 220°С и 260°С, например на уровне около 250°С. Таким образом, этап низкотемпературного синтеза углеводородов способом Фишера-Тропша протекает как реакция роста цепей с высоким содержанием атомов углерода в молекуле в используемом обычно шламовом реакторе, работающем при заранее заданном рабочем давлении в диапазоне между 10 и 50 бар (изб.), обычно при давлении ниже 45 бар (изб.).
Один или несколько этапов синтеза углеводородов способом Фишера-Тропша могут быть высокотемпературными, т.е. протекать при температуре не ниже 320°С. Как правило, на таком высокотемпературном этапе синтеза углеводородов способом Фишера-Тропша рабочая температура находится между 320°С и 380°С, например на уровне около 350°С, а рабочее давление в диапазоне между 10 и 50 бар (изб.), обычно на уровне ниже 45 бар (изб.). Таким образом, этап высокотемпературного синтеза углеводородов способом Фишера-Тропша протекает как реакция роста цепей с низким содержанием атомов углерода в используемом обычно реакторе с двухфазным псевдоожиженным слоем. В отличие от этапа низкотемпературного синтеза углеводородов способом Фишера-Тропша, который может характеризоваться возможностью непрерывного поддержания жидкого состояния продукта в шламовом реакторе, на этапе высокотемпературного синтеза углеводородов способом Фишера-Тропша непрерывное получение жидкого продукта в реакторе с псевдоожиженным слоем невозможно.
Этап производства синтез-газа может служить этапом газификации твердого углеродистого сырья, например угля. Для этого можно использовать любую обычную технологию газификации, хотя предпочтительнее технология с использованием газификаторов, обеспечивающих температуру получаемого на выходе газа не ниже 900°С. Этап производства синтез-газа может служить стадией риформинга газообразного углеводородного сырья, например природного или сопутствующего газа. Можно использовать любую обычную технологию риформинга.
Способ, реализуемый в соответствии с изобретением, может включать стадию дополнительного охлаждения синтез-газа после передачи тепла синтез-газа отводимому потоку обедненного кислородом воздуха. Таким способом синтез-газ можно охладить до температуры, подходящей для последующей его переработки, например, на вышеописанном этапе синтеза углеводородов. Дополнительное охлаждение синтез-газа может обеспечиваться использованием его для производства пара.
Перечень фигур
Далее изобретение описано с помощью примера со ссылками на прилагаемые чертежи со схемами, в числе которых
Фигура 1, иллюстрирующая один из вариантов использования способа в соответствии с изобретением для совместного производства синтез-газа и электроэнергии;
Фигура 2, иллюстрирующая другой, более сложный, вариант использования способа для производства синтез-газа и электроэнергии в соответствии с изобретением;
Фигура 3, иллюстрирующая альтернативный вариант использования способа в соответствии с изобретением для производства синтез-газа, электроэнергии и тепла; и
Фигура 4, иллюстрирующая еще один вариант использования способа в соответствии с изобретением для совместного производства синтез-газа и электроэнергии.
Осуществление изобретения
На Фигуре 1 число 10 обычно обозначает реализуемый в соответствии с изобретением способ совместного производства синтез-газа и электроэнергии. В широком смысле способ 10 включает стадию 12 производства синтез-газа, этап 14 ядерной реакции и этап 16 разделения воздуха с использованием по меньшей мере одной ионитовой мембраны 16.1.
Способ 10 дополнительно включает воздушный компрессор 18, воздухонагреватель 20, компрессор 22 для сжатия кислорода, охлаждающий аппарат 24 синтез-газа, котел-утилизатор 26 для синтез газа, расширитель 28 газовой турбины и стадию 30 синтеза углеводородов.
На этапе ядерной реакции 14 используется высокотемпературный газоохлаждаемый ядерный реактор 32 с гелием в качестве газообразного охладителя, циркулирующего в высокотемпературном газоохлаждаемом ядерном реакторе 32. Этап 14 ядерной реакции может быть типовой или обычной стадией высокотемпературной газоохлаждаемой ядерной реакции, протекающей с использованием гелия при давлении 70 бар (изб.) в замкнутом контуре 34. На чертежах этап 14 ядерной реакции показан в очень упрощенном виде, без показа на схеме большинства компонентов такого типового этапа ядерной реакции. Следует, однако, отметить, что в замкнутом контуре 34 высокотемпературного газоохлаждаемого реактора 32 гелий нагревается на температуру около 900°С в точке его поступления в воздухонагреватель 20.
Воздушный поток 36 засасывается в воздушный компрессор 18 и подвергается сжатию до давления около 15 бар (изб.), в результате чего появляется поток 38 сжатого воздуха. В воздухонагревателе 20 тепло из замкнутого гелиевого контура 34 этапа 14 ядерной реакции косвенным образом передается потоку 38 сжатого воздуха, в результате чего образуется поток 40 нагретого сжатого воздуха с температурой не ниже примерно 700°С. Однако предпочтительно, чтобы поток 40 нагретого сжатого воздуха имел более высокую температуру, например порядка 850°С.
Поток 40 нагретого сжатого воздуха подвергается разделению на этапе 16 разделения воздуха с помощью ионитовой мембраны 16.1, на выходной стороне которой образуются поток пермеата 42, состоящий преимущественно из кислорода, например, содержащий, как правило, не ниже примерно 98% кислорода по объему, а также отводимый поток 44 обедненного кислородом воздуха. Как будет показано далее, отводимый поток 44 обедненного кислородом воздуха имеет по существу такое же давление, как поток 40 нагретого сжатого воздуха, например около 15 бар (изб.), за вычетом падения давления на воздухонагревателе 20 и этапе 16 разделения воздуха.
Поток пермеата 42 имеет давление около 1 бар (изб.) и сначала проходит через охлаждающий аппарат 43, а затем поступает в кислородный компрессор 22, где его давление повышается до уровня, необходимого для этапа 12 производства синтез-газа. Как правило, давление потока пермеата 42 теперь составляет от 40 до 50 бар (изб.), например порядка 45 бар (изб.)
На этапе 12 производства синтез-газа уголь, подаваемый питателем 46 газифицируется в присутствии кислорода потока пермеата 42, а также пара из паропровода 48 с получением на выходе горячего синтез-газа 50. Горячий синтез-газ имеет температуру не ниже 900°С.
Реализация способа в соответствии с изобретением не ограничивается конкретной технологией производства синтез-газа 50, единственное обязательное требование заключается в том, что горячий синтез-газ 50 должен иметь достаточно высокую температуру, например, не ниже 900°С.На этапе 12 можно производить синтез-газ из угля в присутствии кислорода и пара, как показано на Фигуре 1, используя высокотемпературный газификатор, работающий на мелком угле, или использовать стадию 12 не для производства синтез-газа, а для риформинга метана кислородом и паром. Этап 12 можно использовать также для автотермического риформинга. Однако для всех этих технологий требуется кислород, источником которого для способа 10 является поток пермеата 42, подвергнутый однократному сжатию в кислородном компрессоре 22.
Горячий синтез-газ 50 охлаждается в охлаждающем аппарате 24 на принципе косвенной теплопередачи, обеспечивая нагрев отводимого потока 44. Предпочтительно, чтобы горячий синтез-газ имел температуру около 1300°С, а нагретый отводимый поток 44 обедненного кислородом воздуха - около 1200°С. В результате появляется нагретый отводимый поток 52 обедненного кислородом воздуха. Как будет показано ниже, нагретый отводимый поток 52 с температурой около 1200°С и давлением около 15 бар (изб.) можно использовать для производства электроэнергии. Нагретый отводимый поток 52 затем поступает в расширитель 28 газовой турбины, на выходе которой возникает по меньшей мере частично расширившийся отводимый поток 54 обедненного кислородом воздуха. Расширитель 28 газовой турбины используется для приведения в действие генератора 56, вырабатывающего электроэнергию.
Горячий синтез-газ 50 охлаждается в охлаждающем аппарате 24. Охлажденный синтез-газ 58 подается в котел-утилизатор 26, где он дополнительно охлаждается, прежде чем поступить на стадию 30 синтеза углеводородов. В котел-утилизатор 26 тепла синтез-газа этап питательная вода 60 для получения пара 62, который можно использовать для производства электроэнергии или в технологических целях, например в качестве исходного пара 48 на этапе 12 производства синтез-газа.
На этапе 30 синтеза углеводородов синтез-газ используется для получения углеводородов 64. Например, на этом этапе можно синтезировать метанол или способом Фишера-Тропша производить другие углеводороды.
На Фигуре 2 число 100 обозначает другой вариант реализации способа в соответствии с изобретением для совместного производства синтез-газа и электроэнергии. Способ 100 подобен способу 10, и, если не указано иное, для обозначения одинаковых или подобных компонентов способа 100 используются те же самые числа, которые используются для обозначения компонентов способа 10.
В способе 100 применяется подогрев рабочего флюида энергетического цикла Брайтона, например отводимого потока 44. В способе 100 используются подогреватель 104 для отводимого потока и расширитель 106 другой газовой турбины. Горячий синтез-газ 50 разделяется на два потока, один из которых подается в охлаждающий аппарат 24, а другой - в подогреватель 104 для отводимого потока, прежде чем оба потока воссоединяются и как единое целое поступают на стадию 30 синтеза углеводородов.
В способе 100 нагретый отводимый поток 52 подвергается поэтапному расширению, сначала в расширителе 28 газовой турбины, затем в расширителе 106 газовой турбины и становится расширившимся отводимым потоком 108. Один из потоков горячего синтез-газа 50 используется для подогрева отводимого расширившегося по меньшей мере частично потока 54 из расширителя 28 газовой турбины, прежде чем отводимый расширившийся по меньшей мере частично поток 54 поступит в расширитель 106 газовой турбины.
Как показано на Фигуре 2, расширитель 106 газовой турбины можно использовать для приведения в действие воздушного компрессора 18. Для такого привода обычно следует обеспечить непосредственную механическую связь между расширителем 106 газовой турбины и воздушным компрессором 18.
Использование подогревателя 104 и поэтапное расширение нагретого отводимого потока 52 обеспечивают повышение КПД энергетического цикла Брайтона в способе 100.
На Фигуре 3 число 200 обозначает альтернативный вариант использования способа в соответствии с изобретением для совместного производства синтез-газа, электроэнергии и тепла. Здесь так же в силу многочисленности совпадений способа 200 с способом 10 одинаковые компоненты обоих способов в максимально возможной степени обозначаются одинаковыми числами.
В способе 200 используются котел 206, пароперегреватель 208, паровая турбина 202 и конденсатор 204 пара. Паровая турбина 202, конденсатор 204, котел 206 и пароперегреватель 208 образуют группу, относящуюся к нижней части цикла Ренкина, которая реализуется совместно с верхней частью цикла Брайтона для производства пара (тепла) и электроэнергии, при этом верхнюю часть цикла Брайтона образуют воздухонагреватель 20, охлаждающий аппарат 24 для синтез-газа и расширитель 28 газовой турбины.
При реализации способа 200 по меньшей мере частично расширившийся отводимый поток 54 охлаждается в котле 206, производящем пар 210 и охлажденный отводимый поток 211. Пар 210 перегревается в пароперегревателе 208 за счет взаимодействия по типу косвенного теплообмена с охлажденными синтез-газом 58, в результате чего образуется перегретый пар 212. Часть перегретого пара 212 поступает в паровую турбину 202 для производства электроэнергии. Эта часть полностью превращается в воду в конденсаторе 204 пара, а конденсат 214 возвращается в котел 206. В котле к конденсату 214 добавляется питательная вода 216. Другая часть перегретого пара 212, обозначенная числом 218, удаляется и используется для технологических потребностей, например как нагревательная среда для способа.
Как показано также на Фигуре 3, воздушный компрессор 18 рассчитан на сжатие воздуха в дополнение к тому, что требуется получить поток пермеата 42, т.е. он должен сжимать воздух и дополнительно обеспечивать потребность в кислороде этапа 12 производства синтез-газа. Дополнительный сжатый воздух не поступает на этап 16 разделения воздуха, хотя он нагревается в воздухонагревателе 20. Иначе говоря, перепускаемый поток 220 дополнительного нагретого сжатого воздуха обходит поток 40 нагретого сжатого воздуха и стадию 16 разделения воздуха. Этот перепускаемый поток 220 используется для выработки дополнительного количества электроэнергии и поступает в расширитель 28 газовой турбины.
На Фигуре 4 показан еще один вариант реализации способа в соответствии с изобретением для совместного производства синтез-газа и электроэнергии, при этом данный способ обычно обозначается числом 300. По аналогии с Фигурами 2 и 3 на Фигуре 4, если не указано иное, для обозначения таких же или подобных компонентов способа используются такие же числа, которые используются на Фигуре 1.
По аналогии со способом 200 в способе 300 воздушный компрессор 18 рассчитан на сжатие воздуха в дополнение к тому, что требуется получить поток пермеата 42, т.е. он должен сжимать воздух и дополнительно обеспечивать потребность в кислороде этапа 12 производства синтез-газа. Дополнительный сжатый воздух так же нагревается в воздухонагревателе 20, а затем в обход этапа 16 разделения воздуха как перепускаемый поток 302 соединяется с отводимым потоком 44. Комбинированный поток 304 горячего газа с температурой около 850°С проходит затем через охлаждающий аппарат 24 синтез-газа и нагревается на температуру около 1200°С. Нагретый комбинированный поток 306 горячего газа из охлаждающего аппарата 24 поступает в камеру сгорания 308, в которой смешивается с топливным газом 310. Эта смесь сжигается в камере сгорания 308 с получением на выходе из нее потока 312 выхлопного газа, который затем подвергается расширению в расширителе 314 газовой турбины для производства дополнительного количества электроэнергии.
Как показано на Фигурах, особое достоинство способа, являющегося предметом изобретения, заключается в том, что он основан на устоявшейся технологии производства электроэнергии, т.е. на воздушных компрессорах и газовых турбинах, и, возможно, на совершенно обычных этапах ядерной реакции в случае предпочтительного варианта использования изобретения с подводом тепла ядерной реакции. Имеет также место эффект масштаба, выражающийся в снижении затрат на производство электроэнергии, т.к. в одном производственном цикле используется тепло этапа ядерной реакции и тепло горячего синтез-газа в отличие от автономной атомной электростанции и автономной системы производства пара, используемой для охлаждения горячего синтез-газа.
Как проиллюстрировано, способ, являющийся предметом изобретения, обеспечивает решение более чем одной проблемы, а именно очевидного дефицита возможностей интеграции атомной энергетики со способами производства синтез-газа, необходимости значительной разности температур для создания движущих сил, сопряженных с производством пара с использованием горячего синтез-газа (например, посредством согласования теплосодержания горячего синтез-газа с температурой выше 900°С с теплосодержанием горячего потока сжатого обедненного кислородом воздуха, являющегося продуктом способа получения кислорода с помощью ионитовых мембран, для выработки дополнительного количества электроэнергии с использованием этого потока), высокой потребности в электроэнергии традиционных установок криогенного разделения воздуха для получения кислорода, потребности системы ионитовых мембран в тепловой энергии, а также проблемы выбросов в атмосферу двуокиси углерода, сопутствующей производству синтез-газа для крупномасштабного производства химических продуктов. Сокращение выбросов двуокиси углерода обеспечивается повышением термического КПД и переходом с обычного оборудования для получения электрической и тепловой энергии посредством сжигания углеродсодержащих материалов, на оборудование, в котором вместо углеродсодержащих материалов используется ядерная энергия.