[发明专利]合成气和电力的共同生产

说明书

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℃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℃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℃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800-900℃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℃以下，或者甚至更通常地在500℃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℃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℃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。