专利名称：合成气和电力的共同生产的制作方法
合成气和电力的共同生产本发明涉及合成气和电力的共同生产。特别地，本发明涉及共同生产合成气和电力的方法。合成气(也称为合成气体)为至少一氧化碳和氢气的混合物，通常通过固态碳质原料如煤的气化，或者通过气态碳质原料如天然气的重整而制得。所生成的合成气可用于生产多种碳基化学品，例如用于甲醇合成或用于高级烃的费-托(Fischer-Tropsch)合成。产生合成气以生产碳基化学品的过程需要用于内部使用的热量和电力。大型设施会需要大量的热量和电力，而这种热量和电力的产生造成了CO2排放。解决CO2排放问题的一种方式是用非碳源如核技术取代常规的碳基发电和发热设施。合成气产生过程在升高的温度下操作，取决于用于产生合成气的技术类型，通常在高于900°C的温度下生产热合成气。通常使用产生蒸汽的废热锅炉从热合成气中回收热量。该蒸汽通常用于驱动空气分离装置的蒸汽涡轮机并发电。本申请人已注意到由于在这种废热锅炉中所用的大温差驱动力，使用废热锅炉的热量回收相当大地导致了生产合成气过程中的热力学第二定律损失。换言之，废热锅炉的使用将高品质或高温热量降级至不期望的较低品质或较低温热量，这是因为相比于相同量的较低温的热量，较高温的热量可用于产生更多的电力。因此，通过解决在从热合成气回收热量中的高温差驱动力的问题，可提高合成气产生过程的效率。减小废热锅炉中的大温差驱动力的一种方式是升高蒸汽压力或使蒸汽过热。然而，水的临界温度为374°C这一事实设定了可在废热锅炉中产生饱和蒸汽的温度上限。而且，当在例如Rankine循环中使用蒸汽发电时，由于结构材料的考虑，通常不使蒸汽过热至高于565 °C的温度。迄今为止，对核辅助合成气产生过程的研发已试图使合成气产生过程操作温度与可由核反应堆回路得到的最高温度热量相匹配。高温气冷核反应堆能够提供处于约 800-9000C的温度下的热量。然而，在这些相对低的温度下，合理的合成气产生过程选择受到限制，特别是当采用气化过程时更是如此。如在上文所指出，合成气产生过程通常构成生产碳基化学品的大型设施的一部分。这类设施通常包括在800°C以下，或者甚至更通常地在500°C以下的温度下操作的进一步处理步骤。尽管这些进一步处理步骤可作为用于与核热源热整合的有前景的候选者，但本申请人已发现这些进一步处理步骤也是用于与合成气产生过程中产生的热合成气热整合的有前景的候选者。本申请人还已发现在约250°C以下的温度下的这类设施中，通常存在大量热源和热沉，并且热源随着温度下降而大量增加。因此通常存在过多可用的低级热量。 因此，不存在宁愿由核源提供低级热的动机。无论如何，本申请人怀疑更常规的轻水核反应堆将是提供低级热的优选选择。因此，认为不存在将核热源与生产碳基化学品的大型设施整合的机会，特别是迄今不存在将核热源与合成气产生过程整合的机会。这导致使用核能的显著不同的策略，最值得注意的是通过水裂解的核驱动制氢。尽管如上文所述认为不存在机会，但现在发明了一种将核热源与合成气产生过程整合的方法。此外，所述方法也解决了在从热合成气回收热量时的高温差驱动力的问题。根据本发明，提供了一种共同生产合成气和电力的方法，该方法包括在合成气生成阶段中，产生温度为至少650°C并且至少包含来自碳质原料的CO和 H2的热合成气；以及在核能发电阶段中，利用核反应所产生的热量加热工作流体以产生经加热的工作流体，并通过使用一个或更多个涡轮机使经加热的工作流体膨胀而发电，其中通过从所述热合成气向所述经加热的工作流体的间接热传递进行所述经加热的工作流体的额外加热。在本说明书中，术语“涡轮机”旨在包括透平阶段的概念，使得当提及超过一个涡轮机时，要理解成涡轮机可以为分离的单元，或为包括超过一个清楚可辨的透平阶段的单个单元，或为分离的单元与一个或更多个包括超过一个清楚可辨的透平阶段的单个单元的组合。在本说明书中所用的间接热传递意指热量经过传热表面从一种流体传递至另一种流体，所以流体相互不直接接触并因此不混合。在本发明的一个实施方案中，在使经加热的工作流体膨胀以发电之前，进行经加热的工作流体的额外加热。在一个不同的实施方案中，通过进行经加热的工作流体的额外加热和膨胀而在多个步骤中进行所述经加热的工作流体的额外加热。在这样的实施方案中，发电阶段因而可利用至少两个涡轮机，在经加热的工作流体通过一个涡轮机之后，但在经加热的工作流体通过另一个涡轮机之前，将来自热合成气的至少一部分热量传递至经加热的工作流体，从而再次加热所述经加热的工作流体。核能发电阶段通常产生为至少500°C，更通常地至少600°C，最通常为至少800°C 的温度的经加热的工作流体。热合成气优选为高于900°C的温度。经加热的工作流体的额外加热可将经加热的工作流体加热至高于600°C，更优选高于750°C，甚至更优选高于900°C的温度。优选地，核能发电阶段采用布雷顿动力循环，其中在循环过程中工作流体为气态且不冷凝。工作流体优选不是蒸汽。布雷顿循环可包括回热(recuperation)和/或中间冷却以提高发电效率。当发电阶段采用回热布雷顿动力循环时，所述方法可包括冷却与再压缩工作流体有热传递关系的膨胀工作流体，从而在再压缩经冷却的膨胀工作流体之前以及在热量以间接热传递方式自热合成气传递至通过与膨胀工作流体热交换而预热的再压缩工作流体之前，预热该再压缩的工作流体。因此，所述方法可包括在发电阶段通过至少一个气体膨胀涡轮机使经加热的工作流体膨胀，产生相比于经加热的工作流体处于更低温度和更低压力下的膨胀工作流体。然后可利用所述至少一个气体膨胀涡轮机来发电，例如使用发电机。在这样的情况下，可在发电阶段使用超过一个气体膨胀涡轮机，其中至少一个气体膨胀涡轮机用于发电，并且至少一个气体膨胀涡轮机用于驱动压缩机以便在工作流体至少通过与热合成气热交换而被再加热之前将膨胀工作流体再压缩。在本发明的一个优选实施方案中，核反应在高温气冷核反应堆中进行，其中气态冷却剂用作核反应堆的冷却剂。在这样的实施方案中，发电阶段通常采用所谓的直接布雷顿动力循环，其中气态冷却剂也是布雷顿动力循环的工作流体。通常这种直接布雷顿动力循环为闭合动力循环(即其中膨胀工作流体被压缩并在循环中再次循环的循环)，且通常工作流体为氦。或者，在气冷核反应堆中进行核反应的实施方案中，发电阶段可采用所谓的间接布雷顿动力循环。在间接循环中，气态冷却剂在闭合的主回路中再循环经过核反应堆，热量自主回路传递至包含于次回路中的间接布雷顿动力循环的工作流体。通常在主回路中循环的气态冷却剂为氦。次回路可为开放回路循环(即其中在一次通过基础上使用工作流体且膨胀工作流体从系统中排出的循环)或闭合回路循环。在开放回路循环中，工作流体可为例如空气，在闭合工作循环中，可例如利用氦和氮的混合物。当发电阶段包括作为直接或间接布雷顿循环的布雷顿动力循环时，其优选配置为联合循环。在联合循环中，热量自布雷顿循环(所谓的前循环)的膨胀工作流体传递至另一动力循环(所谓的后循环)的工作流体。通常后循环为通常使用蒸汽作为工作流体的 Rankine循环。已知当与独立布雷顿循环相比，联合循环发电系统获得了提高的效率。当发电阶段利用联合循环时，也可调整Rankine循环以包括再加热和过热的概念，从而进一步提高效率。或者，或此外，当使用联合循环时，可将所产生的一部分蒸汽导向过程加热，使得该系统为热和电力的组合系统。或者，可将在使用合成气的设施中所产生的工艺蒸汽输入 Rankine循环以补充电力生产。因此，所述方法可包括在烃合成阶段中，自通过合成气生成阶段生产的合成气生产烃，并在烃合成阶段产生工艺蒸汽，将在烃合成阶段中产生的工艺蒸汽输入Rankine循环以补充电力生产。这种烃合成的实例包括甲醇合成和费-托合成。合成气生成阶段可为气化固体碳质原料(例如煤)的气化阶段。可利用任何常规气化技术，只要产生合适的热合成气(通常在至少约900°C的温度下)即可。或者，合成气生成阶段可为重整气态含烃原料(例如天然气或伴生气)的重整阶段。可使用任何常规重整技术，只要产生合适的热合成气(通常在至少约900°C的温度下)即可。所述方法可包括在热量自热合成气传递至经加热的工作流体之后，进一步冷却合成气。这样，例如在所述烃合成阶段中，可将合成气冷却至适于进一步处理合成气的温度。 合成气的进一步冷却可包括产生蒸汽。现在将以举例的方式，参照显示根据本发明的共同生产合成气和电力的方法的一个实施方案的附图以及参照实施例对本发明进行说明。参照附图，附图标记10 —般表示根据本发明的共同生产合成气和电力的方法。方法10包括与核电力设施整合的烃合成设施，所述烃合成设施包括合成气生成阶段和费-托烃合成阶段(未显示)，所述核电力设施包括核能发电阶段。因此，应了解的是，所示的方法10是极简化的，尤其是就烃合成设施而言。实际上，就烃合成设施和其合成气生成阶段而言，在附图中所示的仅有的特征是与核电力设施的热整合。方法10包括核能发电阶段，其包括核反应堆12，接着是再加热器14、膨胀涡轮机 16、锅炉18、冷却器20和压缩机22。核反应堆12优选是构成布雷顿循环或回热布雷顿循环的一部分的高温气冷球床堆，所示的膨胀涡轮机16通常为构成透平阶段的一部分的多个涡轮机之一，其中至少一个涡轮机驱动压缩机22，并且一个或更多个涡轮机驱动发电机以发电。
因此所示的核电设施利用采用氦作为工作流体的闭合直接布雷顿前发电式动力循环。为了说明的目的，且为了下文实施例的目的，利用仅仅一个压缩阶段(压缩机22)和仅仅一个膨胀阶段(膨胀涡轮机16)。实际上，如上文所指出，通常使用更多阶段。方法10也包括后发电式动力循环，其包括可用于发电以为了驱动压缩机、发电等的蒸汽涡轮机对。为了显示烃合成设施与核电力设施的热整合，示出了再加热器14。当省略再加热器14时，即当再加热器14的职能为零时，则该
独立的核电力设施。当再加热器14 具有将热量自烃合成设施传递至核电力设施的积极职能时，该
烃合成设施或至少合成气生成阶段与核电力设施的整合。为了使核电力设施发电，使约IlObar的压力和约284°C的温度下的氦进入核反应堆12。在核反应堆12中，借助于在核反应堆12内发生的核反应将氦加热至约900°C (仍然为约IlObar的压力)的温度。通过与离开合成气生成阶段(未显示)的热合成气进行热交换，热氦在再加热器14中被进一步加热至约1100°C的温度，所述合成气生成阶段构成烃合成设施的一部分。 合成气生成阶段通常为常规合成气生成阶段，自碳质原料如煤生产至少包含CO和压的热合成气。在本发明的一个优选实施方案中，热合成气具有显著高于900°C的温度，例如约 IlOO0C -1150°c。再加热的氦经过在其中进行工作的膨胀涡轮机16，离开膨胀涡轮机16的氦具有约26bar的压力和约559°C的温度。氦经过锅炉18，其进一步将氦的温度降低至约364°C。 在锅炉18中，将120bar的压力和的温度的水转化为饱和蒸汽。该饱和蒸汽用于驱动蒸汽涡轮机24，并且蒸汽的压力下降至约30bar，蒸汽的温度下降至约234°C。离开锅炉18的氦在冷却器20中进一步冷却至约25°C的温度，然后在再次进入核反应堆12之前，在压缩机22中被再压缩至IlObar的压力和约284°C的温度。应了解烃合成设施通常是复杂的，包括如下阶段合成气的清洗、合成气的氢富集、从合成气去除CO2、烃合成等。这些阶段未显示于附图中。然而，该附图的确重要地说明了烃合成设施与核电力设施之间的热整合。也应了解，当合成气生成阶段构成费-托烃合成设施的一部分时，任何常规费-托烃合成配置均可用于烃合成阶段。因此费-托烃合成阶段可包括一个或更多个合适的反应器，如流化床反应器、管式固定床反应器、淤浆床反应器或沸腾床反应器。其甚至可包括多个在不同条件下操作的反应器。反应器中的压力可在Ibar至IOObar之间。温度可在160°C 至380°C之间。因此反应器将包含颗粒形式的费-托催化剂。所述催化剂可含有Co、Fe、 Ni.Ru.Re和/或1 作为其活性催化剂组分，但优选包含狗作为其活性催化剂组分。该催化剂可具有一种或更多种选自碱金属、V、Cr、Pt、Pd、La、Re、Rh、Ru、Th、Mn、Cu、Mg、K、Na、 Ca、Ba、Zn和Ir的促进剂。该催化剂可为载体催化剂，在此情况下活性催化剂组分例如Co 负载在合适的载体上，如A1203、TiO2, SiO2, ZnO或这些的组合。
实施例在附图中所示的工艺流程图用于模拟如下两种情况情况A 与利用高温气化炉的煤液化(coal to liquid) (CTL)设施相邻的联合循环核驱动电力设备，即在两个设施之间无热整合。情况B 与利用高温气化炉的CTL设施热整合的联合循环核驱动电力设备。选择系统边界以能够简单比较情况A和情况B，且系统边界包括如下-核动力循环，和-在CTL设施中的高温气化炉的出口处的废热锅炉(在情况B中，废热锅炉为再加热器14)。在两种情况中计算所产生的电力(功)总量。联合动力循环包括使用氦的布雷顿循环(前循环)，布雷顿循环与蒸汽循环(包括锅炉18和蒸汽涡轮机M的后循环)连接并且接收来自高温气冷核反应堆12的热量。热量自氦循环传递至简单蒸汽循环。在情况A中，热量也自废热锅炉中的热合成气传递至简单Rankine循环。这在附图中未显示。忽略将Rankine循环中的水泵抽至压力所需的功。在情况B中，氦布雷顿循环接收来自核反应堆12和膨胀涡轮机16之间的位置 (在再加热器14中)的高温煤气化炉的热的原合成气的额外热量输入，从而将氦再加热至 1100°C的温度。假设这能够通过使用例如约1150°C的热合成气而实现。这两种情况的其他假设列举如下
权利要求
1.一种共同生产合成气和电力的方法，所述方法包括在合成气生成阶段中，产生温度为至少650°C并且至少包含来自碳质原料的CO和H2的热合成气；以及在核能发电阶段中，利用核反应所产生的热量加热工作流体以产生经加热的工作流体并且通过使用一个或更多个涡轮机使所述经加热的工作流体膨胀而发电，其中通过从所述热合成气向所述经加热的工作流体的间接热传递进行所述经加热的工作流体的额外加热。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述经加热的工作流体膨胀发电之前进行所述经加热的工作流体的额外加热。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述经加热的工作流体的额外加热是通过进行所述经加热的工作流体的额外加热和膨胀以多个步骤进行的。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述热合成气的温度为高于900°C， 并且所述经加热的工作流体的额外加热将所述经加热的工作流体加热至高于600°C的温度。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述经加热的工作流体的额外加热将所述经加热的工作流体加热至高于900°C的温度。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述核能发电阶段采用布雷顿动力循环，其中在所述循环过程中所述工作流体为气态且不冷凝。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述布雷顿动力循环配置为联合循环，其中热量从所述布雷顿动力循环(所谓的前循环)的膨胀工作流体传递至另一动力循环(所谓的后循环)的工作流体。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述后循环为使用蒸汽作为工作流体的Rankine 循环。
9.根据权利要求8所述的方法，其包括在烃合成阶段中，由所述合成气生成阶段所产生的所述合成气生成烃，并且在所述烃合成阶段产生工艺蒸汽，将在所述烃合成阶段中产生的工艺蒸汽输入所述Rankine循环以补充电力生产。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中所述核反应在高温气冷核反应堆中进行，其中气态冷却剂用作所述核反应堆的冷却剂。
全文摘要
一种共同生产合成气和电力的方法(10)，其包括在合成气生成阶段中产生热合成气，以及在核能发电阶段(12)中利用核反应所产生的热量加热工作流体以产生经加热的工作流体，并通过使用一个或更多个涡轮机(16)使经加热的工作流体膨胀而发电，其中通过从所述热合成气向所述经加热的工作流体的间接热传递进行所述经加热的工作流体的额外加热(14)。
文档编号F02C1/05GK102159798SQ200980137103
公开日2011年8月17日 申请日期2009年8月18日 优先权日2008年8月20日
发明者伊莎贝拉·洛德温娜·格雷夫 申请人:沙索技术有限公司