[发明专利]利用烃类原料生产电能、蒸汽和二氧化碳的工艺

说明书

本发明涉及一种利用烃类原料生产电能、蒸汽和浓缩形式的二氧化碳产品的工艺。本发明还包括与所述的工艺相结合选择生产基于合成气体的产品。

电能是在一个与转化厂结合为一体的联合循环电厂中生产出来的，其中气轮机是以含氢气体为燃料。(整体式转化联合循环(IRCC))。这个工艺中的一个主要问题是在氮氧化物排放量最小同时得到最优化的电能和蒸汽的条件下操纵气轮机。

在互联网上的网址为http：/www.hydro.com/konsern/news/eng/1998/980423e.html处公开了一种用来生产电能、蒸汽和浓缩的二氧化碳的工艺。在这个公开文件中描述了这样一种生产工艺，包括：天然气与蒸汽反应而产生含氢气体，所述气体在一个联合循环式气轮机中燃烧而产生电能。

从日本专利申请JP608041中还可进一步了解到利用一种燃烧氢气的涡轮机来生产电能。根据这个申请文件，通过部分氧化所述燃料而使1∶0.5至1∶0.7的摩尔比的天然气和氧气反应来产生氢和一氧化碳。将空气供应到一个压力变动氧气吸附分离器(PSA)中，然后所述氧气被输送到一个自热反应器(ATR)中，在所述的自供热反应器(ATR)中，天然气就被转化为氢和一氧化碳。被转化的气体进入一个转移反应器中，在所述的转移反应器中，一氧化碳转化为二氧化碳。然后气体混合物被引导入一个隔膜分离器中，在所述的隔膜分离器中，氢气从二氧化碳中分离出来。分离出的CO2被冲洗掉，然后排出。基本不含含碳化合物的氢被用于气轮机中来产生电能。这个工艺需要氧气并需要一个动力消耗PSA单元。根据该申请的流程图，天然气必须被减压至接近周围压力才允许添加氧气。在PSA中分离后，必须对氧气进行二次压缩。所有这些额外的压缩均降低了该工艺的效率。

本发明的一个主要目的是提供一种利用烃类原料蒸汽转化的改进的发电的工艺，其中产生的相当一部分CO₂以高度浓缩的CO₂气流的形式而分离出来且氮氧化物的排放量在常规气轮机接受的水平之内。

本发明的另一个目的是利用在所述电能产生过程中形成的合成气体的至少一部分来生产合成气体产品，特别是氨，甲醇和/或二甲醚。

对于产生电能来说，本发明可与以燃烧烃类原料如天然气为基础的传统电厂相竞争。但是，仅燃烧烃类的一个主要的缺点是二氧化碳的排放，因为燃烧废气只有少量的二氧化碳，目前不能经济地回收。氮氧化物(NOX)的排放根据运行状况的变化而变化，这也构成了一个排放的问题。

在减少二氧化碳和氮氧化物(NOX)的排放时的一个主要的问题在于：获得所需要的排放减少量，而不使发电过程的效率的降低至不可接受的程度。根据上面的要求，在评价基本工艺中的第一步为合成气体的生产步骤。发明人通过考虑不同的工艺发现自热反应器(ATR)可具有多种优点并决定进一步寻找最好的工艺来运行自供热反应器(ATR)。与上面所述的日本专利申请中的教导相反，本申请发明人发现自热反应器(ATR)应该是一个空气驱动反应器，也就是说，该反应器不是一个氧气驱动反应器。ATR的应用从灵活性的角度来讲存在多种优势。这样，运行的压力可根据整体的经济性原则来选择。甲烷减少率(slip)可根据下游单元的操作而变化，最后在ATR中产生的合成气体为适于气体驱动气轮机的较贫气体，并与现存在的大规模联合循环电厂(IRCC)中应用的燃料混合物相当。

适用于该工艺的烃类原料为天然气、石脑油、各种汽油馏分等。通过在ATR之前应用一个预先转化器，原料就会具有较大的灵活性。本发明中优选的原料为天然气。

现在已发现：氮氧化物(NOX)的问题与气轮机的运行条件密切相关。氮氧化物(NOX)的形成与该气轮机中的燃烧温度有关。因此，应当采取适当的措施来控制所述的燃烧温度。为将燃烧温度保持在所需的水平并仍能保持可接受的发电能力，在所述气轮机中燃烧的气体混合物的范围可通过对该工艺的设计来选择。气轮机中的燃烧温度在很大程度上是由燃烧气体的组成决定的。现在已发现空气驱动的ATR可提供一种贫的氢基燃料气体混合物，所述的燃料混合气体与在IGCC厂中应用的气体相当。现在已认识到有利的是在气轮机的空气压缩机排气处为ATR抽取工艺空气及添加至所需的ATR喷射压力。另外，空气的流量也可被调节至满足甲烷减少率的需要及满足在燃气轮机燃烧系统中形成可接受的NOX水平的燃料气体混合物的组成的需要。从气轮机中与空气一起被抽取的氮气作为燃料气体混合物的一种组分而返回至气轮机的部分中去，这样就可极大地保持气轮机中质量流量。