专利名称：用于共同生产合成气体和能量的工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于共同生产合成气体和能量的工艺。
背景技术：
合成气体是包括一氧化碳(CO)和氢气(H2)的混合物。合成气体通常通过两个工艺中的一个生产，要么由诸如煤的固体给料通过与氧气和蒸汽的气化生产，要么由诸如天然气的气体给料通过与氧气(公知为部分氧化重整)或水(公知为蒸汽重整)的重整生产。部分氧化重整和蒸汽重整的组合，即自热重整，也得到普遍应用。生产合成气体所需的氧气通常利用传统的低温空气分离技术从空气获得。生产的合成气体用于经由 Fischer-Tropsch产生范围很广的碳基化学制品，例如甲醇和液态烃。合成气体生产工艺是能源密集型工艺，并且明显促成了二氧化碳排放。二氧化碳是主要的温室气体，将其排放至大气是不利于环境的。二氧化碳排放的问题能用各种方式处理，例如通过二氧化碳捕集与封存、经由改进热效率减少二氧化碳排放、以及用例如核能的无碳源代替传统的碳基发电和发热设备。合成气体生产工艺在升高的温度下操作，并且根据用于生成合成气体的技术类型，能够在900°C以上的温度生产热合成气体。通常利用产生蒸汽的废热锅炉从热合成气体回收热量。该蒸汽通常用于驱动用于低温空气分离单元的蒸汽轮机并且/或者产生电力。 重要的是注意到，传统的低温空气分离工艺消耗大量的能量。利用废热锅炉的热回收在生产合成气体的过程中，由于在该废热锅炉中使用的大温差驱动力，也大量导致了热力学第二定律损失。换言之，使用废热锅炉将高质量或高温的热量降低到低质量或低温的热量，这是不理想的，因为与较低温度的等量的热量相比，较高温度的热量能用于产生更多的能量。 高温差驱动力降低了工艺的总体热效率，因此可能使二氧化碳排放的问题恶化。在废热锅炉中减小大温差驱动力的方式是升高蒸汽压力或使蒸汽过热。然而，水的临界温度是374°C这样一个事实对在废热锅炉中生产饱和蒸汽的温度施加了上限。而且， 当使用蒸汽例如在Rankine循环中产生能量时，由于考虑到构造材料，蒸汽通常未过热至 565 °C以上的温度。因此，对于经由热效率改进而减少二氧化碳排放的努力应该集中于解决高温差驱动力的问题，而且集中于减少低温空气分离过程的耗能。然而，由于低温空气分离是成熟技术，只能期望微量的成本和耗能降低。从空气分离氧气的可选工艺是使用离子传递膜 (ITM' s)。ITM制氧工艺使用在高温(通常760-930°C )操作的陶瓷膜来从空气分离氧气。 人们相信ITM制氧技术能显著降低氧气生产成本。该高温制氧工艺有助于与需要氧气、能量和蒸汽的过程集成。在ITM制氧工艺中，陶瓷膜在电化学驱动工艺中在高温下从空气分离氧气。空气中的氧气在陶瓷的上游表面上离子化，作为通过氧气局部压力梯度驱动的氧离子扩散穿过膜，在膜的下游侧上形成氧分子。ITM制氧工艺产生了基本上纯净的热氧气流或者渗透流、以及贫氧的热加压流或者废弃流(reject stream)，从废弃流能够提取大量的能量。在ITM制氧工艺的总体操作中该能量的有效使用对于该系统与传统的低温空气分离技术的竞争而言是必要的。通过将压缩机、燃气轮机、热气体膨胀机、蒸汽轮机和换热器与膜模块集成，可以进行能量回收和有效的使用。对于核辅助合成气体生成工艺的研究和改进至今试图将合成气体生成工艺操作温度与能够从核反应器回路获得的最高温度热量相匹配。被高温气体冷却的核反应器能够提供在大约750-950°C的温度下的热。在这些相对低的温度下，合理的合成气体生成工艺选择受到限制，特别是在采用气化工艺的时候。合成气体生成工艺通常形成生产碳基化学制品的大规模设备的一部分。这些设备通常进一步包括在800°C以下或者甚至更典型地500°C以下的温度操作的处理步骤。尽管这些进一步的处理步骤可能有希望候选用于与核热源热集成，但是发现这些进一步的处理步骤也有希望候选用于与在合成气体生成工艺中生产的热合成气体热集成。已经发现，在这些设备中，在大约250°C以下的温度，通常有很多热源和热壑，热源随着温度下降而变得众多。因而通常可用的低级热过量。因此，几乎没有动机从核源提供低级的热。更加传统的轻水核反应器对于供应低级热而言是更优的选择。因而感觉缺少将核热源与生产碳基化学制品的大规模设备相集成的机会，特别是将核热源与合成气体生成工艺相集成的机会。这导致利用核能的战略明显不同，最显著的是通过水分解而进行核驱动制氢。与此相比，本发明的实施例提出了新颖而不同的方法。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于共同生产合成气体和能量的工艺，该工艺包括在合成气体生成阶段中，通过将含烃给料与氧气反应而生产至少包括CO和H2的合成气体，该合成气体处于第一温度；在空气分离阶段中，通过至少一个离子传递膜单元从压缩空气流分离空气，从而产生处于低于第一温度的第二温度的主要由氧气构成的渗透流以及贫氧空气的废弃流；利用合成气体间接加热贫氧空气的废弃流，并且使所述加热后的贫氧空气的废弃流经至少一个涡轮机至少局部膨胀以产生能量，从而产生至少局部膨胀的贫氧空气的废弃流；以及将主要由氧气构成的渗透流的至少一部分供给至合成气体生成阶段，以提供用于生产合成气体的氧气。通常，在合成气体生成阶段中生产的合成气体处于至少900°C的温度。通常，贫氧空气的废弃流可在至少600°C，更通常至少700°C，但是比在合成气体生成阶段中生产的合成气体的温度低的温度获得。这样，贫氧空气的废弃流因而提供了可从合成气体获得的高温热量的热壑，从而减小了在利用废热锅炉作为热壑时通常遇到的高温差驱动力。在本说明书中，术语“涡轮机”旨在包括涡轮机级的概念，使得当提到多于一个涡轮机时，应理解涡轮机可以是分离的单元，或者包括多于一个的明显可识别的涡轮机级的单个单元，或者分离单元与一个以上包括多于一个的明显可识别的涡轮机级的单个单元的组合。而且在本说明书中，间接热传递，例如“间接加热”，指的是热经过热传递表面从一个流体传递至另一流体，使得流体彼此不直接接触，因此不混合。工艺可包括在空气分离阶段中分离压缩空气流之前，将压缩空气流加热至至少 700°C的温度。该加热可例如通过燃烧诸如可燃气体或煤的燃料，或者这些方法的任一合适组合而进行。在本发明的优选实施例中，压缩空气流至少通过从核反应阶段传热而被加热。 该优选实施例具有用无碳源替代传统的碳基加热的优点。由此所述至少一个离子传递膜单元利用可选择性渗透的无孔离子传递膜，通常有多个这类膜。这些膜通常由诸如氧化锆的无机氧化陶瓷材料或者现有技术人员公知的其它材料形成。通常，膜呈管、片材或者一体蜂窝结构的形式。预期本发明将利用越过膜的氧气局部压力差，从而使氧离子通过膜从供给侧迁移至渗透侧，在渗透侧离子重组而形成电子和氧气。然而原则上，还可以利用越过膜的电压差，即通过使用电驱动类型的离子传递膜， 其中电子在由电压差驱动的外部电路中从膜的渗透侧流动至供给侧。应理解，本发明中能够使用可选择地透过呈氧离子形式的氧气的任何固体陶瓷膜材料，无论是使用氧气局部压力差的混合导体型，还是利用越过膜的电压差的固体电解质型。因而贫氧空气的废弃流用作工作流体。该工作流体可在本发明的工艺的能量产生阶段中膨胀。能量产生阶段因而利用公知的Brayton循环，其中工作流体为气体并且在循环期间不冷凝。能量产生阶段的Brayton循环因而至少从合成气体有效地接收用于产生能量的热(这是传递到贫氧空气的废弃流的热)，并且在一些实施例中还从所述核反应阶段有效地接收用于产生能量的热(这是在压缩空气流分离之前传递到压缩空气流的热)。在包括从核反应阶段的该传热的实施例中，热通常从核反应阶段的气体冷却剂以间接热传递方式传递到压缩空气流。这类Brayton循环也称为是间接的，因为核反应阶段的气体冷却剂通常在封闭的一次回路中再循环，并且从一次回路传递到间接Brayton动力循环的压缩空气流的热容纳在二次回路中。二次回路是开环循环，即这样的循环，其中工作流体基于一次通过的基础使用，并且从该工艺排出膨胀的工作流体。在本发明的一个优选实施例中，核反应阶段利用高温气体冷却的核反应器，其中核反应器使用气体冷却剂。处于例如70bar(g)的升高压力的氦是通常使用的气体冷却剂。 因而，通常在一次回路中循环的气体冷却剂是氦。通常，气体冷却剂在换热器装置的入口处于大约7500C与大约9500C之间的温度，优选处于大约800°C与大约900°C之间的温度，该换热器装置用于将热从核反应阶段的气体冷却剂以间接传热方式传递到压缩空气流。该工艺可包括在贫氧空气的废弃流通过所述至少一个涡轮机局部膨胀之后，将贫氧空气的废弃流再热至少一次，并且通过至少一个其它的涡轮机使再热的贫氧空气的废弃流进一步膨胀，从而增加能量产生效率。因此使贫氧空气的废弃流再热通常涉及到按步骤向贫氧空气的废弃流添加热和使其膨胀，即，用一部分可用的热量加热贫氧空气的废弃流，然后使贫氧空气的废弃流膨胀至第一低压，之后再次加热贫氧空气的废弃流并且使贫氧空气的废弃流再次膨胀至第二低压，第二低压低于第一低压。因而，在本发明的一个实施例中，应用再热的概念，即，通过将加热或再热的贫氧空气的废弃流的加热和膨胀分级，在多个步骤中利用合成气体加热贫氧空气的废弃流。这样在该实施例中，能量产生阶段可利用至少两个涡轮机，在贫氧空气的废弃流已经经过一个涡轮机之后但是在贫氧空气的废弃流经过另一涡轮机之前，来自合成气体的热的至少一部分传递至贫氧空气的废弃流，从而再热贫氧空气的废弃流。在另一实施例中，可利用除合成气体之外的热源，例如核能或燃烧燃气来进行再热。该工艺可包括在所述至少局部膨胀的贫氧空气的废弃流已经用于产生能量之后， 以与压缩空气流热传递的方式将其冷却。在如上所述包括从核反应阶段到压缩空气流的热传递的本发明的实施例中，所述至少局部膨胀的贫氧空气的废弃流的该冷却可包括在利用来自核反应阶段的热加热压缩空气流之前，预热压缩空气流。换言之，这样本发明的工艺可有效地利用恢复性或再生性Brayton动力循环。因而本发明的工艺在能量产生阶段中可包括使所述加热后的贫氧空气的废弃流经过至少一个气体膨胀涡轮机膨胀，产生温度和压力比加热后的贫氧空气的废弃流低的至少局部膨胀的贫氧空气的废弃流。所述至少一个气体膨胀涡轮机然后可用于产生电力，例如利用发电机。本发明的工艺可包括将空气压缩以产生压缩空气流。至少一个气体膨胀涡轮机可用于驱动至少一个压缩机以产生压缩空气流。通常，压缩空气处于至少4bar(g)的压力，更优选在大约5. ^ar(g)与大约 2Ibar(g)之间，例如大约15bar(g)0优选地，压缩空气流在其在空气分离阶段中分离之前，处于至少大约750°C，更优选至少大约800°C，最优选至少大约825°C，例如大约850°C的温度。应理解，来自离子传递膜单元的贫氧空气的废弃流在利用合成气体加热以形成加热后的贫氧空气的废弃流之前， 也将处于大致这些温度。加热后的贫氧空气的废弃流在至少局部膨胀以产生能量之前，可处于至少大约 900°C，优选至少大约1000°C，更优选至少大约1150°C，例如大约1200°C的温度。应理解，加热后的贫氧空气的废弃流可实现的最大温度由合成气体的温度确定。因而优选地，合成气体处于实践中尽可能高的温度，例如大约1300°C。在任何情况下，合成气体优选处于足够高的温度，以确保加热后的贫氧空气的废弃流被加热至至少900°C的温度。替代或附加的是，本发明的工艺可包括利用所述至少局部膨胀的贫氧空气的废弃流来生成蒸汽。蒸汽可用于通过蒸汽轮机产生附加的能量。能量产生阶段因而可构造为组合循环。在组合循环中，热从Brayton循环(所谓的前置循环)的膨胀工作流体传递到另一动力循环(所谓的后置循环)的工作流体。通常，后置循环是通常使用蒸汽作为工作流体的Rankine循环。组合循环动力系统公知为在与独立的Brayton循环相比时实现了提高的效率。当能量产生阶段构造为组合循环时，Rankie循环还可修改为包括对Rankie循环的工作流体再热和/或过热的步骤以进一步增加效率。再热或过热可利用合成气体或核热或燃气的燃烧进行。当能量产生阶段构造为组合循环时，使用蒸汽作为工作流体，产生的一部分蒸汽可导向加热处理，使得本发明的工艺变为用于共同生产合成气体、能量和热的工艺。可选地，在利用合成气体的设备中产生的处理蒸汽可供给至Rankine循环以补充产生能量。空气可在一个以上的空气压缩机中压缩，所述空气压缩机的尺寸定为压缩除了在空气分离阶段中产生用于合成气体生成目的的、主要由氧气构成的渗透流所需之外的空气。附加压缩空气通常绕过离子传递膜单元并在用于产生附加能量之前被加热。附加压缩空气可接收来自核反应阶段和/或合成气体的热。通常，附加压缩空气在被加热之后然后膨胀以产生能量。可选地，可利用附加压缩空气点燃燃气，产生已燃气体，已燃气体膨胀而产生能量。附加压缩空气可首先与贫氧空气的废弃流以及燃料混合，之后混合物燃烧而产生已燃气体，已燃气体然后经过气体膨胀涡轮机膨胀以产生能量。优选地，工艺在这种情况下包括首先混合附加压缩空气和贫氧空气的废弃流，然后利用合成气体加热混合物，之后将加热后的混合物与燃气混合以进行燃烧。应理解，主要由氧气构成的渗透流由于越过离子传递膜单元的压力差而压力减小。因而该工艺通常包括将主要由氧气构成的渗透流再压缩至适于在合成气体生成阶段使用的压力。本发明的工艺可包括在烃合成阶段中从通过合成气体生成阶段生产的合成气体来生产烃。该烃合成的例子包括甲醇合成和Fischer-Tropsch合成。因而考虑到处理单元上的压力损失，合成气体生成阶段应该在足够高的压力生产合成气体，以允许烃合成处于适当的高压。通常，合成气体处于大约40bar(g)和大约50bar(g)之间的压力，例如大约 45bar(g)。从合成气体合成烃可以以任何传统方式实现。通常，从合成气体合成烃包括 Fischer-Tropsch合成，其利用一个以上的Fischer-Tropsch烃合成阶段，产生一个以上的烃产品流以及包括CO2、CO和吐的Fischer-Tropsch尾气。所述一个以上的Fischer-Tropsch烃合成阶段可以设有任何适当的反应器，例如一个以上的固定床反应器、浆床反应器、沸腾床反应器或干粉流化床反应器。反应器中的压力可以是Ibar (g)到IOObar (g)之间，通常低于45bar (g)，而温度可以在160°C到380°C之间。一个以上的Fischer-Tropsch烃合成阶段可以是在低于280°C的温度操作的低温 Fischer-Tropsch烃合成阶段。通常，在该低温Fischer-I^opsch烃合成阶段中，烃合成阶段在160 V到280 V之间，优选220 V到260 V之间，例如大约250 V的温度操作。该低温 Fischer-Tropsch烃合成阶段因而是在10到50bar(g)的范围内，通常低于^bar (g)的预定操作压力下操作的高链增长、通常为浆床的反应阶段。一个以上的Fischer-Tropsch烃合成阶段可以是在至少320°C的温度操作的高温Fischer-Tropsch烃合成阶段。通常，该高温Fischer-Tropsch烃合成阶段在320 °C 到380°C之间，例如大约350°C的温度，以及10到50bar(g)的范围内，通常低于45bar(g) 的预定操作压力下操作。该高温Fischer-Tropsch烃合成阶段是低链增长反应阶段，通常利用两相流化床反应器。与特征在于能够维持浆床反应器中的连续液体产品相的低温 Fischer-Tropsch烃合成阶段相比，高温Fischer-Tropsch烃合成阶段不能在流化床反应器中产生连续液体产品相。合成气体生成阶段可以是将例如煤的固体含碳给料气化的气化阶段。可以采用任何传统的气化技术，不过优选的是使用具有至少900°C的排气温度的气化器。替代的是，合成气体生成阶段可以是将例如天然气或相关气体的气体含碳给料进行重整的重整阶段。可以采用任何传统的重整技术。本发明的工艺可包括在热已经从热合成气体传递到贫氧空气的废弃流之后进一步冷却合成气体。这样，合成气体能冷却到适于例如在所述烃合成阶段中进一步处理合成气体的温度。合成气体的进一步冷却可包括生成蒸汽。
现在将参照附图通过示例描述本发明，附图中图1示出了根据本发明用于共同生产合成气体和能量的工艺的一个实施例；图2示出了根据本发明用于处理合成气体和能量的工艺的另一个更复杂的实施例；图3示出了根据本发明用于生产合成气体和能量和热的工艺的可选实施例；图4示出了根据本发明用于共同生产合成气体和能量的工艺的又一个实施例。
具体实施例方式参照附图的图1，附图标记10总体上表示根据本发明用于共同生产合成气体和能量的工艺。工艺10大体包括合成气体生成阶段12、核反应阶段14、以及包括至少一个离子传递膜16. 1的空气分离阶段16。工艺10还包括空气压缩机18、空气加热器20、氧气压缩机22、合成气体冷却器 M、合成气体废热锅炉26、气体涡轮膨胀机观和烃合成阶段30。核反应阶段14利用被高温气体冷却的核反应器32，氦作为通过被高温气体冷却的核反应器32循环的气体冷却剂。核反应阶段14可以是典型或者传统的被高温气体冷却的核反应阶段，其中氦在70bar(g)的压力下在封闭氦循环34中操作。在图中，核反应阶段 14以非常简化的形式示出，该典型的核反应阶段的大部分细节未示出。然而应注意，封闭氦循环34中的氦在被高温气体冷却的核反应器32中加热到足够的温度，使得在氦进入空气加热器20的位置氦处于大约900°C的温度。空气流36被吸入空气压缩机18并压缩至大约15bar(g)的压力，产生压缩空气流 38。在空气加热器20中，热从核反应阶段14的封闭氦循环34以间接热传递的方式传递到压缩空气流38，产生在至少大约700°C的温度的被加热的压缩空气流40。然而优选地，被加热的压缩空气流40处于较高温度，例如大约850°C。被加热的压缩空气流40在空气分离阶段16中通过离子传递膜16. 1分离，以产生主要由氧气组成，即，氧气体积通常至少约98%的渗透流42，以及贫氧空气的废弃流44。 应该理解，贫氧空气的废弃流44基本处于与被加热的压缩空气流40相同的压力，即，大约 15bar(g)减去经过空气加热器20和空气分离阶段16的压降。渗透流42处于大约lbar (g)的压力，并且在被氧气压缩机22压缩至适于在合成气体生成阶段12中使用的压力之前，首先在渗透流冷却器43中冷却。通常，渗透流42这样被压缩至大约40bar(g)与大约50bar(g)之间的压力，例如大约^bar(g)。在合成气体生成阶段12中，来自煤供给部46的煤在来自渗透流42的氧气以及来自供给蒸汽48的蒸汽面前气化，以产生热合成气体50。热合成气体50处于至少900°C的温度。本发明的工艺不限于用于产生热合成气体50的具体工艺，仅有的要求是热合成气体50必须处于足够高的温度，例如处于至少900°C的温度。合成气体生成阶段12可以从煤通过与氧气和蒸汽的气化生成合成气体，如图1所示，例如通过使用粉煤高温气化器， 或者代替地，合成气体生成阶段12可以是利用氧气或蒸汽重整甲烷的重整阶段。合成气体生成阶段12还可以是自热重整阶段。然而，所有这些技术都需要氧气，并且对于工艺10而言，氧气将在一旦被氧气压缩机22压缩之后由渗透流42提供。热合成气体50在合成气体冷却器M中以间接热传递方式冷却，从而加热贫氧空气的废弃流44。优选地，热合成气体50处于大约1300°C的温度，然后废弃流44被加热至大约1200°C的温度。这样提供了被加热的贫氧空气的废弃流52。应理解，被加热的废弃流 52处于大约1200°C的温度和大约15bar(g)的压力，可用于产生能量。被加热的废弃流52 通过气体涡轮膨胀机观膨胀，用于产生至少部分膨胀的贫氧空气的废弃流54。气体涡轮膨胀机观用于驱动发电机56，从而产生电力。热合成气体50在合成气体冷却器M中冷却。冷却的合成气体58在供给至烃合成阶段30之前被供给至合成气体废热锅炉沈，在那里被进一步冷却。合成气体废热锅炉 26接收锅炉给水60并产生蒸汽62，蒸汽62可用于产生能量或者可用于处理目的，例如在合成气体生成阶段12中作为供给蒸汽48。烃合成阶段30可以是利用合成气体来合成烃64的任何烃合成阶段。例如，烃合成阶段可以是甲醇合成阶段或者Fischer-Tropsch烃合成阶段。参照附图的图2，附图标记100示出了根据本发明用于共同生产合成气体和能量的工艺的另一实施例。工艺100类似于工艺10，除非另有指出，否则对于工艺100使用与工艺10相同的附图标记来指示相同或者类似的工艺特征。工艺100采用Brayton动力循环的工作流体，即废弃流44的再热。工艺100因而具有废弃流再热器104和另一气体涡轮膨胀机106。热合成气体50在重新加入烃合成阶段 30之前分成两股流，一股到达合成气体冷却器M，一股到达废弃流再热器104。 在工艺100中，被加热的废弃流52逐级膨胀，首先通过气体涡轮膨胀机观，然后通过气体涡轮膨胀机106，产生膨胀的废弃流108。热合成气体流50中的一股用于在来自气体涡轮膨胀机观的至少局部膨胀的废弃流M在气体涡轮膨胀机106中膨胀之前再热该至少局部膨胀的废弃流M。如图2所示，气体涡轮膨胀机106可用于驱动空气压缩机18。该驱动布置通常使用气体涡轮膨胀机106与空气压缩机18之间的直接机械联接。再热器104的使用以及被加热的废弃流52的逐级膨胀增加了工艺100的Brayton 动力循环的效率。参照图3，附图标记200示出了根据本发明用于共同生产合成气体和能量的工艺的可选实施例。同样，因为在工艺200与工艺10之间有很多相似之处，尽可能使用相同的附图标记来表示相同的工艺特征。工艺200包括锅炉206、过热器208、蒸汽轮机202和蒸汽冷凝器204。蒸汽轮机 202、冷凝器204、锅炉206和过热器208形成了利用Brayton前置循环生成蒸汽(即，热) 和能量的Rankie后置循环的一部分，其中Brayton前置循环包括空气加热器20、合成气体冷却器M和气体涡轮膨胀机28。在工艺200中，至少局部膨胀的废弃流M在锅炉206中冷却，产生蒸汽210和冷却的废弃流211。蒸汽210在过热器208中与冷却的合成气体58以间接热传递的方式过热，产生过热蒸汽212。过热蒸汽212的一部分经过蒸汽轮机202以产生能量。该部分蒸汽在蒸汽冷凝器204中完全冷凝，冷凝物214返回锅炉206。锅炉给水补偿216添加至冷凝物214。过热蒸汽212的由附图标记218表示的一部分被抽出并用于处理目的，例如加热处理。而且如图3所示，空气压缩机18的尺寸定为压缩除了产生渗透流42所要求的之外的空气，即，压缩除了合成气体生成阶段12的氧气要求之外的空气。附加压缩空气未经过空气分离阶段16，不过附加压缩空气在空气加热器20中加热。换言之，被加热的压缩空气流40的旁路流220绕过空气分离阶段16。该旁路流220用于在气体涡轮膨胀机观中产生额外的能量。图4示出了根据本发明用于共同生产合成气体和能量的工艺的又一实施例，该工艺总体由附图标记300表示。和图2和3 —样，除非另外指出，否则图4使用与图1相同的附图标记来表示相同或相似的工艺特征。与工艺200的情况一样，在工艺300中，空气压缩机18的尺寸定为压缩除了产生渗透流42所要求的之外的空气，用于合成气体生成阶段12的氧气供应。附加压缩空气也在空气加热器20中加热，然后作为旁路流302绕过空气分离阶段16，以加入废弃流44。处于大约850°C的温度的组合的热气体流304然后经过合成气体冷却器24，并加热至大约 1200°C的温度。来自合成气体冷却器M的被加热的组合的热气体流306供给至燃烧器308， 在燃烧器308处被加热的组合的热气体流306与燃气310混合。该混合物在燃烧器308中燃烧以产生已燃气体312，已燃气体312然后通过气体涡轮膨胀机314膨胀，以产生额外的能量°所示的本发明工艺的特别优点在于，其依赖信誉良好的技术来产生能量，即空气压缩机和燃气轮机、以及在利用核热的优选实施例的情况下可能完全传统的核反应阶段。 对于产生能量还存在规模经济性，因为与独立的核电站和用于冷却热合成气体的独立的蒸汽生成系统相比，一个循环利用了来自核反应阶段和热合成气体中可用热的热量。所示的本发明工艺提供了多于一个问题的解决方案，S卩，感觉缺少将核能与合成气体生成工艺相集成的机会、与利用热合成气体产生蒸汽相关联的大温差驱动力(即，通过将在900°C以上的温度可用的热量与从ITM制氧工艺散发的热加压贫氧流相匹配，以进一步增加能够从该流提取的能量)、用于制氧的传统的低温空气分离单元的大能量需求、用于ITM系统的加热需求以及与用于大规模化学制品生产的合成气体生产工艺相关联的二氧化碳排放问题。减少的二氧化碳排放来自于热效率的改进，并且通过用无碳源，即核能来替代传统的碳基发电发热设备。
权利要求
1.一种用于共同生产合成气体和能量的工艺，该工艺包括在合成气体生成阶段中，通过将含烃给料与氧气反应而生产至少包括CO和H2的合成气体，该合成气体处于第一温度；在空气分离阶段中，通过至少一个离子传递膜单元从压缩空气流分离空气，从而产生处于低于第一温度的第二温度的主要由氧气构成的渗透流以及贫氧空气的废弃流；利用合成气体间接加热贫氧空气的废弃流，并且使所述加热后的贫氧空气的废弃流经至少一个涡轮机至少局部膨胀以产生能量，从而产生至少局部膨胀的贫氧空气的废弃流； 以及将主要由氧气构成的渗透流的至少一部分供给至合成气体生成阶段，以提供用于生产合成气体的氧气。
2.如权利要求1所述的工艺，其中，在合成气体生成阶段中生产的合成气体处于至少 900°C的温度，贫氧空气的废弃流可在至少600°C，但是比在合成气体生成阶段中生产的合成气体的温度低的温度获得。
3.如权利要求1或2所述的工艺，该工艺包括在空气分离阶段中分离压缩空气流之前，将压缩空气流加热至至少70(TC的温度，压缩空气流至少通过从核反应阶段传热而被加热。
4.如权利要求1至3任一项所述的工艺，该工艺包括在贫氧空气的废弃流通过所述至少一个涡轮机局部膨胀之后，将贫氧空气的废弃流再热至少一次，并且通过至少一个其它的涡轮机使再热的贫氧空气的废弃流进一步膨胀，从而增加能量产生效率。
5.如权利要求1至4任一项所述的工艺，该工艺包括在所述至少局部膨胀的贫氧空气的废弃流已经用于产生能量之后，以与压缩空气流热传递的方式将所述至少局部膨胀的贫氧空气的废弃流冷却。
6.如权利要求1至5任一项所述的工艺，其中，合成气体处于足够高的温度，以确保加热后的贫氧空气的废弃流被加热至至少900°C的温度。
7.如权利要求1至7任一项所述的工艺，其中，空气在一个以上的空气压缩机中压缩， 所述空气压缩机的尺寸定为压缩除了在空气分离阶段中产生用于合成气体生成目的的、主要由氧气构成的渗透流所需之外的空气，附加压缩空气绕过离子传递膜单元并在用于产生附加能量之前被加热。
8.如权利要求7所述的工艺，其中，附加压缩空气接收来自核反应阶段和/或合成气体的热。
9.如权利要求7所述的工艺，其中，燃气与附加压缩空气燃烧，产生已燃气体，已燃气体膨胀而产生能量。
10.如权利要求9所述的工艺，其中，附加压缩空气首先与贫氧空气的废弃流以及燃料混合，之后混合物燃烧而产生已燃气体，已燃气体然后经过气体膨胀涡轮机膨胀以产生能量。
11.如权利要求1至10任一项所述的工艺，该工艺包括在烃合成阶段中，从通过合成气体生成阶段生产的合成气体来生产烃。
全文摘要
一种用于共同生产合成气体和能量的工艺(10)，该工艺包括在合成气体生成阶段(12)中，通过将含烃给料与氧气反应而生产至少包括CO和H2的合成气体(50)，该合成气体处于第一温度。在空气分离阶段(6)中，通过至少一个离子传递膜单元(16.1)从压缩空气流分离空气，从而产生处于低于第一温度的第二温度的主要由氧气构成的渗透流(42)以及贫氧空气的废弃流(44)。利用合成气体(50)间接加热贫氧空气的废弃流(44)，并且使其经至少一个涡轮机(28)至少局部膨胀以产生能量，从而产生贫氧空气的至少局部膨胀的废弃流(54)。将主要由氧气构成的渗透流(42)的至少一部分供给至合成气体生成阶段(12)，以提供用于生产合成气体的氧气。
文档编号C01B13/02GK102438940SQ201080022248
公开日2012年5月2日 申请日期2010年5月20日 优先权日2009年5月22日
发明者I·L·格里弗 申请人:沙索技术有限公司