热整合系统、排放物到液体工厂和工厂内部热整合系统的制作方法

本公开涉及通常互不相关的过程之间的热整合，以及系统和用于实施或操作此类系统的方法。

背景技术：

1、举例来说，这种整合可以是在与动力循环(例如，使用蒸汽涡轮机或其他工作流体涡轮机来发电)相关的产生蒸汽(或另一工作流体)的工厂和从放热反应中产生热量的化学合成厂之间进行。该系统可以在这些工厂之间交换热量，以便更好地实现效率最大化，减少废热，降低冷却负荷，等等。显然也存在这样的一些情况，特别是在新建场地，蒸汽或另一工作流体可能不用于发电，而是用于其他目的。例如，可能有的地方有工业废热，将所有的热量作为热能使用更经济，或者蒸汽(或另一工作流体)可用于生产机械功(而不是电功)。因此，本文所述的与发电厂的整合只是示例性的。这种整合可称为外部整合。本文也描述了内部热整合，例如在工厂内。

2、气候变化是由温室气体(例如水蒸气、氮氧化物、甲烷和二氧化碳)的变暖效应造成的。除了对气候变化的关注外，还存在对提高能源的生产效率和整体有效利用的不断需求。例如，各种为电网发电的发电厂都依赖于通过各种方式(如燃烧化石或其他燃料、地热等)来产生蒸汽(或另一工作流体)，其用于朗肯或其他热力学动力循环，运行涡轮机来发电。在一个典型的动力循环中，一部分产生的蒸汽(或另一工作流体)从涡轮机中排出(例如，作为低压或中压排放流)，用于重新加热通过涡轮机和冷凝器后的供给水流，以准备该供给水的再次循环。

3、同时，有许多不相关的化学合成和其他涉及放热反应的过程，其中必须提供冷却水，以吸收这种放热合成或类似过程中产生的热量。由于此类过程通常与运行朗肯或其他热力学动力循环的发电过程无关，因此这类过程通常彼此独立地运行，例如彼此之间往往相距甚远，而没有在这类过程之间整合热量的实用方法。本公开涉及在此类过程之间整合热量的实际方法和应用，其可减少对发电过程中涡轮机上的任何低压或中压排放流的需求，以便为再次循环而预热冷凝水，同时也减少对吸收与化学合成过程相关的放热反应产生的热量所需的冷却水的需求。

4、这种整合可以提高被整合在一起的两个过程的效率，使得能源资源得到更好的整体利用，并且使两个过程对环境更加友好。

技术实现思路

1、本公开针对的是这样的系统和方法，其通过在通常不相关的过程(例如，不以其他方式共享或交换材料流的过程)之间整合热量来提供对热能的改进利用。例如，在一个具体的实施方案中，将二氧化碳排放物和氢气(例如来自水电解)转化为甲醇的碳排放国际公司的排放物到液体(etl)工厂可以与发电厂(例如，包括热动力循环的发电厂)整合。这样的etl工厂也可以与其他过程整合。因甲醇合成是放热反应所产生的来自etl工厂的废热被用于发电厂的动力循环，例如在使来自涡轮机的冷凝物沸腾和并将其转换回蒸汽(或其他汽化的工作流体)之前对冷凝物进行预热，以便重新引入到涡轮机中。这两个工厂可以进一步整合，其中一部分产生的蒸汽(或另一工作流体)从动力循环中转移出来(例如，不是在涡轮机中用于发电)，而是在etl过程中作为加热介质使用。因此，与一部分蒸汽(或另一工作流体)相关的热能被用于etl工厂的能源分配目的，而不是让蒸汽(或另一工作流体)通过涡轮机来生产电力。这种热分配可采取多种形式之一。例如，除了用于加热目的(例如，作为蒸馏过程的一部分)，这种蒸汽(或另一工作流体)也可用于驱动etl或其他化学合成厂内的机械设备(例如，合成气压缩机和/或循环器)。在机械设备中的使用可将热能转化为机械能。在任何情况下，这种整合都是有意义的，并且在一个过程的需求与另一个过程的需求之间存在温度范围的协同作用时是有益的。例如，相对于来自涡轮机的蒸汽或其他工作流体，相对于化学合成厂的蒸馏塔(和/或碳捕获单元或其他单元)的再沸器的需求而言，在热力学循环发电过程中适合预热的手段可与来自化学合成过程的废热温度相吻合，反之亦然。

2、这种整合是有益的，因为从蒸汽(或另一工作流体)中产生电力(例如，通过涡轮机的膨胀)时所取得的效率相对较低，例如低于40％。当一部分工作流体流转到etl工厂时，例如，用于向与蒸馏塔相关的再沸器提供热量时，在这种工作流体中实现的能源利用效率要高得多，这是因为在热交换器中的热传递可以远高于将这种工作流体转换为电能(例如之后再使用电能来产生蒸汽或其它工作流体以加热再沸器)的能源效率来实现。虽然在许多工厂中不会用电来产生蒸汽(例如，燃料动力锅炉可能更具成本效益)，但在碳排放国际公司的etl工厂中，希望通过使用绿色电力来将二氧化碳排放量降至最低。在任何情况下，本实用新型的整合系统提出了一条替代路线，完全不需要蒸汽或其他工作流体发生器(例如，通过整合发电厂或其他合作厂的蒸汽或另一工作流体)。虽然化学合成厂的蒸馏部分的再沸器是可以使用这种蒸汽(或另一工作流体)的一个具体例子，但显然这种加热过的工作流体也可以用在其他地方。作为进一步的例子，蒸汽或其他工作流体的另一个相关用途是在etl工厂的二氧化碳捕获单元(例如，汽提塔)内，或其他化学合成厂中的类似用途。

3、两个工厂都可从这种热整合中受益。例如，由于提供给etl或其他化学合成厂的蒸汽或其他工作流体对etl或其他化学合成厂的价值大于对发电厂的价值，所以发电厂可以受益。从化学合成厂提供给发电厂的废热对发电厂有利，因为它减少了必须从涡轮机中排出的用于重新加热来自涡轮机和冷凝器的冷凝物的工作流体的量，实际上增加了涡轮机所产生的功率(这是因为更多的蒸汽或其他工作流体可用于发电)。如果被替换的排放流(或其他工作流体)的能量含量高于废热的能量含量，那么涡轮机输出功率的增加可能会大于所提供的废热的能量含量。即使一部分工作流体被转移到etl工厂用于加热目的(例如，在蒸馏系统、二氧化碳捕获单元等中)，这些过程的整体效率也会得到改善，这将在实施例中显示出来。etl工厂的好处是减少了对冷却水的需求，以及消除了对蒸汽或其他工作流体发生器的任何需求(这是因为所需的蒸汽或其他工作流体由发电厂直接提供)。与独立运行的每个过程相比，整个整合的系统表现出更好的能源利用。例如将二氧化碳排放物转化为液体燃料(如甲醇)或其他有用的化学品的化学合成厂特别适合与发电厂或任何其他可能产生蒸汽或另一工作流体(如作为热力学动力循环的一部分)的工厂整合，这是因为如一个特定的实施方案中所设想的那样，化学合成厂(如申请人的etl过程)可以使用来自合作厂的二氧化碳烟道气作为原材料，用于合成增值的化学品(例如甲醇，其可用作燃料、其他化学过程中使用的化学原料、用于生产各种化合物如蛋白质的酶制剂，或者用在多种其他应用中)。

4、通过用来自etl或另一化学合成厂的废热来换取来自运行动力循环的合作厂的蒸汽或其他工作流体，来自etl或另一化学合成厂的废热可用于预热来自动力循环的涡轮机和冷凝器的冷凝物，而从运行动力循环的合作厂中转移出来的那部分工作流体可用于向与etl或其他化学合成厂相关的蒸馏塔的再沸器提供热量，以便运行机械设备(如压缩机等)，和/或为二氧化碳捕集单元(如汽提塔)或其他单元提供热能。这两个工厂都能从这种热整合中受益。

5、本文描述的热整合的实施方案不限于其中一个工厂运行甲醇合成过程的实施方案。可以使用各种化学合成或类似的过程，其由于放热化学反应而提供处于所需的温度范围内(例如，至少80℃，例如从80℃到200℃，或者从100℃到150℃)的废热。同样，合作厂可以是各种工厂之一，只要它包括热力学循环或类似的过程，其产生高热值的工作流体流，并需要预热(例如来自涡轮机和冷凝器的)冷凝物。用于热整合的本实施方案的一个重要特点是，由废热提供的温度与预热冷凝物的需求相匹配。

6、本公开还描述了在一个特定的工厂(例如etl工厂)内的内部热量整合的实施例。这样一个示例性的工厂系统可包括两个进料流，其中第一进料流包含水，用于在电解单元中从水中产生氢气，而第二进料流包含二氧化碳。可以提供电解单元、二氧化碳捕获单元、一个或多个压缩机、一个或多个热交换器、反应器和收集罐。该系统可进一步包括收集罐顶部馏分、蒸馏塔、冷凝器、回流流、蒸馏物流(例如，送入存储罐)、再沸器，以及蒸汽或另一工作流体的供应源，例如来自电蒸汽发生器。另一个示例性系统可包括用于重新加热来自蒸馏塔的底部冷凝物馏分的再沸器、泵，以及第一和第二热交换器，其中再沸器向泵提供冷流，泵将该冷流提供给第一热交换器。第一热交换器与反应器的出口相连，在该反应器内进行放热反应。来自第一热交换器的出口流被加热到相对于冷流而言更高的温度，并被送入第二热交换器，用于在被送入再沸器之前将该流体进一步加热到所需的温度。

7、这样的系统可以是排放物到液体(etl)的工厂。

8、在反应器中进行的放热反应可以是甲醇合成反应。

9、第二热交换器可使用蒸汽或另一工作流体来产生热输出流。

10、在下文中将更详细地描述该系统的具体方法、实施方案和变型。

11、鉴于以下描述、所附权利要求和附图，本公开的这些和其他特征、方面和优点将变得显而易见且更易于理解。