CH697901B1 - Polygenerationsanordnung. - Google Patents

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CH697901B1 CH01139/08A CH11392008A CH697901B1 CH 697901 B1 CH697901 B1 CH 697901B1 CH 01139/08 A CH01139/08 A CH 01139/08A CH 11392008 A CH11392008 A CH 11392008A CH 697901 B1 CH697901 B1 CH 697901B1
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Abstract

Eine Polygenerationsanordnung (10), wobei die verschiedenen Einheiten der Polygenerationsanordnung (10) integriert sind, um unerwünschte Produkte auf effektive Weise zu trennen. Es wird eine Polygenerationsanordnung (10) bereitgestellt, umfassend einen Syngaserzeuger (4) zum Erzeugen eines Syngases (6), eine Syngas-Anreicherungseinheit (8) zum Trennen unerwünschter Produkte vom Syngas (6), um ein angereichertes Syngas (14) zu erzeugen, und ein Syngas-Nutzungssystem (18), welches das angereicherte Syngas (14) verwendet, um brauchbare Produkte (22) und einen Strom (16) zu erzeugen, um die Trennung unerwünschter Produkte in der Syngas-Anreicherungseinheit (8) zu erleichtern. Beispielsweise umfasst die Polygenerationsanordnung einen Membranreaktor, einen katalytischen Brenner und eine Stromerzeugungseinheit. Die Stromerzeugungseinheit kann ein Dampfturbinensystem oder ein Rankine-Turbinensystem oder eine Kombination daraus einschliessen. Die verschiedenen Details der Komponenten und Integrationsaspekte zwischen der Syngas-Anreicherungseinheit (8) und dem Syngas-Nutzungssystem (18) werden beschrieben.

Description

[0001] Diese Erfindung wurde mit staatlicher Unterstützung unter dem Vertrag Nummer DE-FC26-05NT42451 durchgeführt, der vom Department of Energy vergeben wurde. Der Staat hat bestimmte Rechte an dieser Erfindung.
Stand der Technik
[0002] Die Erfindung betrifft eine Polygenerationsanordnung. Es wird die Integration der verschiedenen Einheiten einer Polygenerationsanordnung beschrieben, um unerwünschte Produkte bzw. Spezies auf effektive Weise zu trennen.
[0003] Der Einfluss der Industrialisierung auf die Umwelt ist Thema vieler wissenschaftlicher Debatten gewesen, und Diskussionen jüngeren Datums konzentrieren sich auf den Einfluss von Treibhausgasen auf die globale Erwärmung. Die Stromerzeugung und die chemische Grossindustrie zählen zu den Verursachern der Gesamttreibhausgasemissionen. Dies sind punktförmige Emissionsquellen im Vergleich zur verteilten Beschaffenheit der Emissionen von anderen Quellen wie das Kraftfahrzeug. Die Eindämmung der Treibhausgasemissionen von punktförmigen Quellen wie die Stromerzeugung ist zur Reduktion der Gesamttreibhausgasemissionen wünschenswert.
[0004] Verschiedene Technologien werden entwickelt, um die Treibhausgasemissionen, vor allem Kohlendioxid von Kraftwerken sowie von der chemischen Industrie, zu senken. Das Einfangen von Kohlendioxid sowohl bei der Vorverbrennung als auch bei der Nachverbrennung ist Gegenstand intensiver Studien.
[0005] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, um die Stromerzeugung oder die chemische Produktion zu einem umweltfreundlichen Prozess zu machen, eine Polygenerationsanordnung zu schaffen, welche dazu in der Lage ist, alle unerwünschten Produkte zu trennen, einschliesslich Kohlendioxid, das sonst an die Umwelt emittiert würde. Die Trennung unerwünschter Produkte trägt zu den Gesamtproduktionskosten von Strom oder Chemikalien bei, weil Technologien erwünscht sind, die das Einfangen dieser unerwünschten Produkte auf effektive Weise erlauben.
Kurze Beschreibung der Erfindung
[0006] Diese Aufgabe wird durch eine Polygenerationsanordnung gemäss Anspruch 1 gelöst.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0007] Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen hervor, worin gleiche Bezugszeichen in allen Zeichnungen durchgängig gleiche Teile darstellen, wobei: <tb>Fig. 1<sep>eine Polygenerationsanordnung gemäss der Erfindung veranschaulicht; <tb>Fig. 2<sep>eine beispielhafte Polygenerationsanordnung veranschaulicht; <tb>Fig. 3<sep>eine weitere beispielhafte Polygenerationsanordnung veranschaulicht; <tb>Fig. 4<sep>eine weitere beispielhafte Polygenerationsanordnung veranschaulicht; <tb>Fig. 5<sep>eine weitere beispielhafte Polygenerationsanordnung veranschaulicht; <tb>Fig. 6<sep>eine weitere beispielhafte Polygenerationsanordnung veranschaulicht; <tb>Fig. 7<sep>eine weitere beispielhafte Polygenerationsanordnung veranschaulicht; <tb>Fig. 8<sep>eine weitere beispielhafte Polygenerationsanordnung veranschaulicht; <tb>Fig. 9<sep>eine weitere beispielhafte Polygenerationsanordnung veranschaulicht; <tb>Fig. 10<sep>eine weitere beispielhafte Polygenerationsanordnung veranschaulicht; <tb>Fig. 11<sep>eine weitere beispielhafte Polygenerationsanordnung veranschaulicht; <tb>Fig. 12<sep>einen beispielhaften Membranreaktor veranschaulicht; <tb>Fig. 13<sep>eine weitere beispielhafte Polygenerationsanordnung veranschaulicht; <tb>Fig. 14<sep>eine weitere beispielhafte Polygenerationsanordnung veranschaulicht; <tb>Fig. 15<sep>eine beispielhafte Stromerzeugungseinheit veranschaulicht.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
[0008] Eine Polygenerationsanordnung 10 umfasst einen Syngaserzeuger 4, eine Syngas-Anreicherungseinheit 8 und ein Syngas-Nutzungssystem 18, wie in Fig. 1gezeigt. Ein kohlenstoffhaltiger Brennstoff 2 wird im Syngaserzeuger 4 in ein Syngas 6 umgewandelt, wobei dieses Syngas 6 typischerweise Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält. Das Syngas 6 wird in der Syngas-Anreicherungseinheit 8 angereichert, um ein angereichertes Syngas 14 zu erzeugen. Das angereicherte Syngas 14 wird im Syngas-Nutzungssystem 18 genutzt, um brauchbare Produkte 22 herzustellen. Ein Fluidstrom 16 vom Syngas-Nutzungssystem 18 wird verwendet, um die Syngasanreicherung in der Syngas-Anreicherungseinheit 8 zu erleichtern, um aus dem Syngas 6 das angereicherte Syngas 14 zu erzeugen.
[0009] Der kohlenstoffhaltige Brennstoff 2 schliesst zum Beispiel Kohle, Öl, Erdgas, Biomasse, Müll oder jedes andere kohlenstoffhaltige Material ein. Der kohlenstoffhaltige Brennstoff 2 wird im Syngaserzeuger 4 durch einen konventionellen Prozess, einschliesslich, aber ohne darauf beschränkt zu sein, Gaserzeugung, partielle Oxidation, Reformieren und autothermisches Reformieren, in das Syngas 6 umgewandelt. In einem Beispiel umfasst der Syngaserzeuger 4 eine Reaktoreinheit und schliesst zum Beispiel einen Reformer; einen Reaktor mit partieller Oxidation (POX); einen autothermischen Reaktor und einen Gaserzeuger ein. In einem Beispiel kann der Syngaserzeuger 4 ausserdem eine Einrichtung zum Kühlen des Syngases 6 umfassen. In einem anderen Beispiel wird im Syngaserzeuger 4 nicht umgewandelter kohlenstoffhaltiger Brennstoff zurückgeführt (in Fig. 1 nicht gezeigt), um mit dem kohlenstoffhaltigen Brennstoff 2 gemischt zu werden.
[0010] In der Syngas-Anreicherungseinheit 8 wird das Syngas 6 angereichert, um das angereicherte Syngas 14 zu erzeugen. Die Anreicherung von Syngas 6 wird typischerweise erreicht, indem die Wasserstoff- und/oder Kohlenmonoxidkonzentration im Syngas 6 erhöht wird. Das Syngas 6 kann einige unerwünschte Produkte enthalten, die in der Syngas-Anreicherungseinheit 8 vom Syngas 6 getrennt werden können. In einem Beispiel wird die Anreicherung des Syngases 6 durch Trennung der unerwünschten Produkte erreicht. Die unerwünschten Produkte umfassen, ohne aber darauf beschränkt zu sein, Partikel, Schwefelverbindungen, Kohlenstoffverbindungen, Chlorverbindungen, Stickstoffverbindungen, Wasser, Quecksilber und Ammoniak. Einige der unerwünschten Produkte stammen vom kohlenstoffhaltigen Brennstoff 2, während die anderen im Syngaserzeuger 4 erzeugt werden. In einem Beispiel ist die Syngas-Anreicherungseinheit 8 konfiguriert, um einen Abfallstrom 12 zu erzeugen, der die unerwünschten Produkte enthält. In einem Beispiel erhöht die Trennung mindestens eines Teils der unerwünschten Produkte in der Syngas-Anreicherungseinheit 8 die Wasserstoff- und/oder Kohlendioxidkonzentration im Syngas 6.
[0011] Beispielsweise wird die Wasserstoffkonzentration im Syngas 6 durch eine Reaktion von Syngas 6 mit Wasser oder Dampf erhöht, die allgemein als Wassergas-Shiftreaktion bekannt ist. Die Wassergas-Shiftreaktion ist eine anorganische chemische Reaktion, in welcher Wasser und Kohlenmonoxid reagieren, um Kohlendioxid und Wasserstoff zu ergeben, wie dargestellt durch: CO + H2O → CO2 + H2 Beispielsweise erhöht die Entfernung mindestens eines Teils des Wasserstoffs aus dem Syngas 6 die Kohlenmonoxidkonzentration. In einem anderen Beispiel wird die Kohlenmonoxidkonzentration im Syngas 6 durch die Reaktion von Kohlendioxid mit Kohlenstoff erhöht, um Kohlenmonoxid zu formen, als umgekehrte Boudouard-Reaktion allgemein bekannt, die ausgedrückt wird durch CO2 + C → 2CO
[0012] Das Syngas-Nutzungssystem 18 ist eine Einheit, die brauchbare Produkte 22 herstellt, einschliesslich zum Beispiel Strom und Chemikalien. Das Syngas-Nutzungssystem 18 ist konfiguriert, um das angereicherte Syngas 14 zu empfangen und den Fluidstrom 16 zu erzeugen. In einem Beispiel erleichtert der Fluidstrom 16 die Syngasanreicherung, indem er die Wärme bereitstellt, die zur Syngasanreicherung benötigt wird. In einem anderen Beispiel stellt der Fluidstrom 16 den Druck bereit, der zur Syngasanreicherung benötigt wird. In einem weiteren Beispiel stellt der Fluidstrom 16 den Dampfbedarf der Syngasanreicherung bereit.
[0013] Eine beispielhafte Polygenerationsanordnung 20 wird in Fig. 2 gezeigt. Die beispielhafte Polygenerationsanordnung 20 umfasst den Syngaserzeuger 4, die Syngas-Anreicherungseinheit 8 und das Syngas-Nutzungssystem 18. Beispielsweise umfasst das Syngas-Nutzungssystem 18 eine chemische Syntheseeinheit 24, die die Chemikalien erzeugt, oder eine Stromerzeugungseinheit 32, die den Strom erzeugt, oder beides. In einem Beispiel, wie in Fig. 2 gezeigt, umfasst das Syngas-Nutzungssystem 18 sowohl die chemische Syntheseeinheit 24 als auch die Stromerzeugungseinheit 32.
[0014] Die chemische Syntheseeinheit 24 ist konfiguriert, um einen Teil des angereicherten Syngases 14 von der Syngas-Anreicherungseinheit 8 zu empfangen, um die Chemikalien einschliesslich Wasserstoff, Ammoniak, Dimethyläther, Methanol oder flüssige Kohlenwasserstoffe zu erzeugen. In einem Beispiel wendet die chemische Syntheseeinheit 24 den Fischer-Tropsch-Prozess an, um Kohlenwasserstoffe wie Benzin und Dieselkraftstoff herzustellen, ohne darauf beschränkt zu sein. Die Stromerzeugungseinheit 32 ist konfiguriert, um einen Teil des angereicherten Syngases 14 als eine Brennstoffquelle zur Stromerzeugung zu nutzen.
[0015] In einem Beispiel ist die Stromerzeugungseinheit 32 ein Kombikraftwerk. Ein typisches Kombikraftwerk umfasst ein Gasturbinen-Kraftwerk, einen Wärmerückgewinnungsdampferzeuger (HRSG) und ein Dampfturbinen-Kraftwerk. Im Gasturbinen-Kraftwerk wird ein Brennstoff verbrannt, um ein unter Druck stehendes verbranntes Gas zu erzeugen, das expandiert wird, um den Strom zu erzeugen, und das heisse expandierte Gas aus der Gasturbine wird zum HRSG geleitet, der Hochdruckdampf erzeugt, der in einem Dampfturbinen-Kraftwerk expandiert wird, um zusätzlichen Strom zu erzeugen. Die Nutzung des angereicherten Syngases 14 als die Brennstoffquelle im Kombikraftwerk weist viele Vorteile auf, einschliesslich der sauberen und gründlichen Verbrennung des Brennstoffs, sauberer Abgase an die Atmosphäre und der effektiven Einfangens von Treibhausgasen einschliesslich Kohlendioxid. In einem Beispiel ist die Stromerzeugungseinheit 32 ein Einzelzyklus-Gasturbinen-Kraftwerk, das das angereicherte Syngas 14 als eine Brennstoffquelle nutzt. In einem anderen Beispiel ist die Stromerzeugungseinheit 32 ein Dampfturbinen-Kraftwerk, das das angereicherte Syngas 14 in Dampfkesseln entweder als eine Brennstoff-Einzelquelle oder in Kombination mit anderen Brennstoffen nutzt, um Hochdruckdampf zu erzeugen, der die Dampfturbine betreibt. Andere Brennstoffe, die zusammen mit dem angereicherten Syngas 14 verwendet werden können, schliessen Kohle, Biomasse, Öl und Erdgas ein, ohne aber darauf beschränkt zu sein.
[0016] Wie in dem vorherigen Beispiel beschrieben, erleichtert der Fluidstrom 16 aus dem Syngas-Nutzungssystem 18 die Anreicherung des Syngases 6 in der Syngas-Anreicherungseinheit 8. In einem Beispiel ist der Fluidstrom 16 ein Inertgasstrom aus der chemischen Syntheseeinheit 24. In einem anderen Beispiel ist der Fluidstrom 16 Dampf, der im HRSG erzeugt wird. In einem weiteren Beispiel ist der Fluidstrom 16 Dampf, der in der Dampfturbine partiell expandiert wird.
[0017] Eine beispielhafte Polygenerationsanordnung 30 wird in Fig. 3 gezeigt. In der beispielhaften Polygenerationsanordnung 30 umfasst die Stromerzeugungseinheit 32 eine Gasturbine 34, einen Dampferzeuger 36 und eine Dampfturbine 38. Die Stromerzeugungseinheit 32 erzeugt Strom 42 und ein sauberes Abgas 44. Das saubere Abgas 44 weist im Vergleich zu dem eines konventionellen Kohlenstaubkraftwerks eine niedrigere Konzentration der Emissionen auf. Die Emissionen schliessen Stickstoffverbindungen, Schwefelverbindungen, Chlorverbindungen, Quecksilber, Ammoniak und Kohlendioxid ein, ohne aber darauf beschränkt zu sein. Die Gasturbine 34 umfasst einen Kompressor, um einen sauerstoffhaltigen Strom (Oxidator) wie Luft zu verdichten, eine Brennkammer, um den Brennstoff mit dem verdichteten Oxidator zu verbrennen, um das unter Druck stehende verbrannte Gas (in Fig. 3 nicht gezeigt) zu erzeugen. In einem Beispiel wird das angereicherte Syngas 14 als der Brennstoff in der Brennkammer der Gasturbine 34 verwendet. Die Gasturbine 34 umfasst einen Expander, um das unter Druck stehende verbrannte Gas zu expandieren, wobei dieser Expander mit einem Generator (in der Zeichnung nicht gezeigt) gekoppelt ist, um den Strom 42 und ein heisses expandiertes Gas 46 zu erzeugen. Das heisse expandierte Gas 46 aus der Gasturbine 34 wird zum Dampferzeuger 36 geleitet, der mithilfe des Wärmegehalts des expandierten Gases 46 einen Hochdruckdampf 48 erzeugt. Der im Dampferzeuger 36 erzeugte Hochdruckdampf 48 wird in der Dampfturbine 38 expandiert, um den Strom 42 zu erzeugen.
[0018] In einem Beispiel sind die Gasturbine 34 und die Dampfturbine 38 mit demselben Generator gekoppelt. In einem Beispiel ist die Dampfturbine 38 eine Wiedererwärmungsturbine, wobei der Dampfstrom aus einem Hochdruckabschnitt entnommen wird und in einen Zwischendruckabschnitt zurückgeführt wird, nachdem im Dampferzeuger 36 zusätzliche Wärme addiert worden ist, wodurch die Nettoausgangsleistung erhöht wird. In einem Beispiel wird ein partiell expandierter Fluidstrom 28 aus der Dampfturbine 38 entnommen, um in der Syngas-Anreicherungseinheit 8 genutzt zu werden, um die Trennung der unerwünschten Produkte vom Syngas 6 zu erleichtern, um das angereicherte Syngas 14 zu erzeugen.
[0019] Die Trennung der unerwünschten Produkte vom Syngas 6 wird durch eine geeignete Technik erreicht, einschliesslich physikalischer und chemischer Trennungstechniken. In einem Beispiel werden die Partikel im Syngas 6 durch Spülen des Syngases 6 mit Wasser getrennt. In einem anderen Beispiel werden einige der unerwünschten Produkte einschliesslich der Schwefelverbindungen durch Waschen mit einer Aminlösung vom Syngas 6 getrennt. In einem anderen Beispiel werden einige der unerwünschten Produkte einschliesslich Schwefelverbindungen und Kohlenstoffverbindungen durch eine Absorptionstechnik getrennt, die ein Lösungsmittel verwendet.
[0020] In einem Beispiel wird eine Membrantrenntechnik benutzt, um die unerwünschten Produkte vom Syngas 6 zu trennen. Zu den treibenden Kräften in einer Membrantrenntechnik gehören die Druck- und/oder Konzentrationsdifferenz durch die Membran. In einem einfachen Membrantrennprozess wird der Speisestrom auf einer Seite der Membran zugeführt, wobei die Membran verschiedene Permeabilitäten für verschiedene Produkte aufweist, wodurch die Trennung der Produkte erfolgt. Die Permeabilität wird als der molare Strom eines Produktes durch die Membran pro Flächeneinheit der Membran je Zeiteinheit definiert. Gewöhnlich wird ein Trägerstrom verwendet, um das Produkt, das die Membran durchdrungen hat, mitzuführen, wodurch die Trennleistung erhöht wird. Die Eigenschaften des Trägerstroms sind derart, dass die Trennung des durchgedrungenen Produktes von diesem Trägerstrom durch einen einfachen Prozess durchgeführt werden kann. In einem Beispiel wird der Fluidstrom 28 als Träger verwendet, um die unerwünschten Produkte vom Syngas 6 zu trennen.
[0021] In einem Beispiel ist das unerwünschte Produkt, das in der Syngas-Anreicherungseinheit 8 zu trennen ist, Kohlendioxid, und um diese Trennung zu erreichen, wird eine Membran benutzt, die eine hohe Permeabilität für Kohlendioxid aufweist. Dampf ist ein bevorzugter Träger für Kohlendioxid, da die Trennung des Kohlendioxids vom Dampf leicht durch einen einfachen Kondensationsprozess durchgeführt werden kann. In einem Beispiel wird der Fluidstrom 28 als ein Träger verwendet, um das Kohlendioxid, das zur anderen Seite der Membran durchgedrungen ist, auf effektive Weise mitzuführen.
[0022] Eine beispielhafte Polygenerationsanordnung 40 wird in Fig. 4 gezeigt. In der beispielhaften Polygenerationsanordnung 40 umfasst die Stromerzeugungseinheit 32 eine Rankine-Turbine 52. In einem Beispiel ist die Syngas-Anreicherungseinheit 8 konfiguriert, um den Abfallstrom 12 zu erzeugen, der einen ersten Teil des unerwünschten Produktes enthält, und einen Fluidstrom 54, der einen zweiten Teil des unerwünschten Produktes enthält. In einem Beispiel wird der Fluidstrom 54 zusammen mit dem Hochdruckdampf 48 als das Arbeitsfluid in der Rankine-Turbine 52 benutzt. Die Verwendung des Fluidstroms 54 als das Arbeitsfluid in der Rankine-Turbine 52 zusätzlich zum Hochdruckdampf 48 erhöht die Ausgangsleistung der Rankine-Turbine 52. Das Arbeitsfluid der Rankine-Turbine 52 kann entweder Dampf oder Kohlendioxid oder Stickstoff oder eine Kombination davon umfassen. In einem Beispiel ist die Rankine-Turbine 52 konfiguriert, um einen Fluidstrom 56 zu erzeugen, der zur Syngas-Anreicherungseinheit 8 geleitet wird, um die Syngasanreicherung zu erleichtern.
[0023] In einem Beispiel wird in der Syngas-Anreicherungseinheit 8 eine Wassergas-Shiftreaktion zur Syngasanreicherung verwendet, und der Fluidstrom 56 wird verwendet, um den für die Wassergas-Shiftreaktion benötigten Dampf bereitzustellen. In einem Beispiel wird ein Lösungsmittel verwendet, um die unerwünschten Produkte in der Syngas-Anreicherungseinheit 8 zu trennen, und der Fluidstrom 56 wird benutzt, um die Wärme bereitzustellen, die für die Lösungsmittelregeneration benötigt wird. In einem anderen Beispiel wird eine Membrantrenntechnik zur Trennung der unerwünschten Produkte in der Syngas-Anreicherungseinheit 8 benutzt, und der Fluidstrom 56 wird als ein Träger für die unerwünschten Produkte verwendet, die die Membran durchdrungen haben. In einem Beispiel wird ein erster Teil des unerwünschten Produktes in der Syngas-Anreicherungseinheit 8 als der Abfallstrom 12 getrennt, der in Fig. 4 durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist. Der Fluidstrom 54, der den zweiten Teil des unerwünschten Produktes mit sich führt, wird in der Rankine-Turbine 52 expandiert, und der zweite Teil des unerwünschten Produktes wird als ein Fluidstrom 13 von der Stromerzeugungseinheit 32 getrennt. In einem Beispiel werden die unerwünschten Produkte von der Syngas-Anreicherungseinheit 8 als der Abfallstrom 12 oder von der Stromerzeugungseinheit 32 als der Fluidstrom 13 getrennt, oder beides.
[0024] Eine beispielhafte Polygenerationsanordnung 50 wird in Fig. 5 gezeigt. Die beispielhafte Polygenerationsanordnung 50 umfasst die chemische Syntheseeinheit 24. In einem Beispiel wird ein erster Anteil 53 des angereicherten Syngases 14 zur chemischen Syntheseeinheit 24 geleitet. In einem anderen Beispiel wird ein zweiter Anteil 55 des angereicherten Syngases 14 zur Gasturbine 34 der Stromerzeugungseinheit 32 geleitet. Die kombinierte Erzeugung von Chemikalien und Strom bietet eine Gelegenheit, diese zwei Prozesse zu integrieren, um sowohl den Strom als auch die Chemikalien auf rationelle und wirtschaftliche Weise zu erzeugen.
[0025] Eine beispielhafte Polygenerationsanordnung 60 wird in Fig. 6 gezeigt. Die beispielhafte Polygenerationsanordnung 60 umfasst eine Luftzerlegungseinheit (ASU) 62. In einem Beispiel wird Luft 58 in der Luftzerlegungseinheit 62 in einen sauerstoffreichen Strom 74 und in einen sauerstoffarmen Strom 68 zerlegt. In diesem Dokument gilt ein Fluidstrom als reich an einem Produkt, wenn dessen Konzentration grösser ist als die im Strom, aus welchem er erzeugt wurde. Andrerseits gilt ein Fluidstrom als arm an einem Produkt, wenn dessen Konzentration kleiner ist als die im Strom, aus welchem er erzeugt wurde.
[0026] In einem Beispiel wird der sauerstoffreiche Strom 74 zum Syngaserzeuger 4 geleitet. Die Verwendung des sauerstoffreichen Stroms 74 statt der Luft 58 zur Erzeugung des Syngases 6 weist den Vorteil eines kleineren Volumens des Syngaserzeugers 4 auf. Ein weiterer Vorteil der Verwendung des sauerstoffreichen Stroms ist die Erhöhung des Wärmewerts des erzeugten Syngases. In einem anderen Beispiel wird ein erster Anteil 66 des Fluidstroms 56 verwendet, um die Luftzerlegung in der Luftzerlegungseinheit 62 zu erleichtern, und ein zweiter Anteil 64 des Fluidstroms 56 wird zur Syngas-Anreicherungseinheit 8 geleitet, um die Syngasanreicherung zu erleichtern. In einem Beispiel wird in der Luftzerlegungseinheit 62 eine Membrantrenntechnik verwendet, und der Fluidstrom 66 wird als ein Träger für das Produkt benutzt, das die Membran durchdrungen hat. In einem Beispiel ist die Membran sauerstoffdurchlässig. Der sauerstoffarme Strom 68 aus der ASU 62 wird mit dem Fluidstrom 54 gemischt, der aus der Syngas-Anreicherungseinheit 8 kommt, um einen Mischstrom 72 zu formen, wobei dieser Mischstrom 72 zur Rankine-Turbine 52 geleitet wird. Der Zusatz des sauerstoffarmen Stroms 68 zum Fluidstrom 54, um den Mischstrom 72 zu ergeben, erhöht den Massendurchfluss der Rankine-Turbine 52, wodurch die Nettoausgangsleistung erhöht wird. Der Mischstrom 72 und der Hochdruckdampf 48 aus dem Dampferzeuger 36 werden als Arbeitsfluid in der Rankine-Turbine 52 genutzt. In einem Beispiel wird ein Anteil des sauerstoffarmen Stroms 68 als ein Kühlmittel zur Gasturbine 34 geleitet, wie durch eine gestrichelte Linie in Fig. 6 gezeigt, um den Wirkungsgrad der Stromerzeugung zu erhöhen. In diesem Dokument zeigt eine gestrichelte Linie ein optionales Beispiel an. In einem anderen Beispiel wird der Kompressor der Gasturbineneinheit 34 verwendet, um die Luft 58 der Luftzerlegungseinheit 62 (in Fig. 6 nicht gezeigt) zu komprimieren.
[0027] Eine beispielhafte Polygenerationsanordnung 70 wird in Fig. 7 gezeigt. Die beispielhafte Polygenerationsanordnung 70 umfasst eine Wassergas-Shift (WGS)-Einheit 76 und eine Trenneinheit 78. In einem Beispiel wird das Syngas 6 aus dem Syngaserzeuger 4 zur Wassergas-Shift-Einheit 76 geleitet, worin die Wassergas-Shiftreaktion stattfindet, um ein wasserstoffangereichertes Syngas 88 zu erzeugen, das reich an Wasserstoff ist. In einem Beispiel wird das wasserstoffangereicherte Syngas 88 zur Trenneinheit 78 geleitet, um einen Fluidstrom 82 zu erzeugen, der einen Teil der unerwünschten Produkte mit sich führt. In einem Beispiel werden mehrere Zerlegungseinheiten 78 verwendet, um die unerwünschten Produkte zu trennen. In einem Beispiel ist die Trenneinheit 78 ein Membranabscheider. In einem Beispiel wird der Fluidstrom 82, der einen Teil der unerwünschten Produkte von der Trenneinheit 78 enthält, als Arbeitsfluid zur Rankine-Turbine 52 geleitet. Der Fluidstrom 56 wird von der Rankine-Turbine unter geeigneten Druck- und Temperaturbedingungen entnommen, um den Gesamtwirkungsgrad der Polygenerationsanordnung zu erhöhen. In einem Beispiel wird der Fluidstrom 56 beim Betriebsdruck und bei der Betriebstemperatur der Wassergas-Shift-Einheit 76 entnommen. In einem anderen Beispiel wird der Fluidstrom 56 bei den Betriebsbedingungen der Trenneinheit 78 aus der Rankine-Turbine 52 entnommen. In einem weiteren Beispiel ist der Fluidstrom 82 arm an Wasserstoff und enthält einen Anteil des Fluidstroms 56.
[0028] Die WGS-Einheit 76 kann eine katalytische oder nichtkatalytische Reaktoreinheit sein. Einige Katalysatoren, die in der WGS-Einheit 76 verwendet werden, schliessen die Oxide von Eisen, Chrom, Kupfer, Zink, Cobalt und Molybdän ein, ohne aber darauf beschränkt zu sein. Die WGS-Einheit 76 kann entweder ein saures Syngas verwenden, das Schwefelverbindungen enthält, oder ein süsses Syngas, das frei von Schwefelverbindungen ist. Frei ist eher als geringe Konzentration eines Produktes als die Abwesenheit dieses Produktes zu verstehen. Die Wassergas-Shiftreaktion ist eine exotherme Reaktion und erzeugt deshalb Wärme. In einem Beispiel wird die Wärme, die in der Wassergas-Shiftreaktion erzeugt wird, der WGS-Einheit 76 entzogen.
[0029] Eine beispielhafte Polygenerationsanordnung 80 wird in Fig. 8 gezeigt. Der Hochdruckdampf 48 wird in zwei Ströme aufgeteilt, einen ersten Anteil 92 und einen zweiten Anteil 94. In einem Beispiel stellt der Hochdruck-Fluidstrom 92 den Dampf bereit, der für die Wassergas-Shiftreaktion in der WGS-Einheit 76 benötigt wird, wodurch der Betrieb der WGS-Einheit 76 bei Hochdruck ermöglicht wird. Der Betrieb der WGS-Einheit 76 bei Hochdruck ist vorteilhaft, da er ein kleineres Volumen der Wassergas-Shift-Einheit 76 erfordert. Wenn in einem Beispiel der Syngaserzeuger 4 bei Hochdruck betrieben wird, verbessert der Betrieb der WGS-Einheit 76 bei Hochdruck die Gesamtsystemleistung. In einem anderen Beispiel ist die Rankine-Turbine 52 konfiguriert, um den Fluidstrom 94 bei Hochdruck zu empfangen, wobei dieser Fluidstrom 94 partiell expandiert wird, um den Fluidstrom 56 bei einem niedrigeren Druck als der Fluidstrom 94 zu erzeugen. In einem Beispiel wird der Fluidstrom 56, der aus der Rankine-Turbine 52 entnommen wird, zur Trenneinheit 78 geleitet, um die Erzeugung des angereicherten Syngases 14 aus dem wasserstoffangereicherten Syngas 88 zu erleichtern. Die Verwendung des Hochdruckstroms 94 für die Wassergas-Shiftreaktion in der WGS-Einheit 76 und des Niederdruckstroms 56 für die Trenneinheit ist besonders vorteilhaft, wenn ein druckbetriebener Membrantrennprozess benutzt wird.
[0030] Eine beispielhafte Polygenerationsanordnung 90 wird in Fig. 9 gezeigt. Die beispielhafte Polygenerationsanordnung 90 umfasst einen katalytischen Brenner 96, der konfiguriert ist, um den Fluidstrom 82 von der Trenneinheit 78 zu empfangen. In einem Beispiel enthält der Fluidstrom 82 aus der Trenneinheit 78 Wasserstoff oder Kohlenmonoxid, die im katalytischen Brenner 96 verbrannt werden. Wenn in der Trenneinheit 78 eine Membrantrenntechnik verwendet wird, durchdringt eine bestimmte Menge an Wasserstoff und Kohlenmonoxid die Membran zusammen mit den unerwünschten Produkten, die in der Trenneinheit 78 getrennt werden und dadurch Teil des Fluidstroms 82 werden, der als Arbeitsfluid zur Rankine-Turbine 52 geleitet wird. Es ist wünschenswert, die Wasserstoff- und/oder Kohlenmonoxidkonzentration im Fluidstrom, der als Arbeitsfluid in der Rankine-Turbine 52 verwendet wird, aus mindestens zwei Gründen zu begrenzen. Einer ist der Verlust des Wärmewerts dieser Produkte, wenn sie von der Stromerzeugungseinheit 32 getrennt werden, und ein anderer ist die Gefahrenquelle, welche Wasserstoff und Kohlenmonoxid aufgrund ihrer entflammbaren Beschaffenheit darstellen können, wenn sie in der Stromerzeugungseinheit 32 an die Atmosphäre gelassen werden. Daher ist die Verwendung des katalytischen Brenners 96, der bei sehr geringen Wasserstoff- und/oder Kohlendioxidkonzentrationen betrieben werden kann, vorteilhaft. In einem Beispiel ist der katalytische Brenner 96 konfiguriert, um den Fluidstrom 82 zu empfangen, der einen Teil der unerwünschten Produkte mit sich führt, und um Wärme und einen nicht entflammbaren Fluidstrom 98 zu erzeugen.
[0031] Eine beispielhafte Polygenerationsanordnung 100 wird in Fig. 10 gezeigt. In einem Beispiel der beispielhaften Polygenerationsanordnung 100 ist der Fluidstrom 56 aus der Rankine-Turbine 52 in zwei Ströme aufgeteilt, einen ersten Anteil 102 und einen zweiten Anteil 104. In einem Beispiel wird der Fluidstrom 102 zum Dampferzeuger 36 geleitet und der Fluidstrom 104 wird zur Trenneinheit 78 der Syngas-Anreicherungseinheit 8 geleitet. Ein Vorteil des Leitens des Fluidstroms 102 zum Dampferzeuger 36 ist die Erhöhung des Wärmegehalts, was wiederum die Gesamtleistung der Polygenerationsanordnung 100 erhöht.
[0032] Eine beispielhafte Polygenerationsanordnung 110 wird in Fig. 11 gezeigt. Die beispielhafte Polygenerationsanordnung 110 umfasst die Syngas-Anreicherungseinheit 8, die eine Verunreinigungsentfernungseinheit 106 und einen Membranreaktor 118 aufweist. Die Verunreinigungsentfernungseinheit 106 trennt einen Teil der unerwünschten Produkte vom Syngas 6 und erzeugt ein gereinigtes Syngas 122. In einem Beispiel sind die Wassergas-Shift-Einheit 76 und die Trenneinheit 78 zum Membranreaktor 118 kombiniert. Der Membranreaktor 118 ist konfiguriert, um das gereinigte Syngas 122 zu empfangen und das angereicherte Syngas 14 und den Fluidstrom 82 zu erzeugen, der einen Teil der unerwünschten Produkte mit sich führt. In einem Beispiel wird der aus der Rankine-Turbine 52 entnommene Fluidstrom 56 in drei Ströme aufgeteilt, den ersten Fluidstrom 102, der zum Dampferzeuger 36 geleitet wird, den zweiten Fluidstrom 104, der zur Trenneinheit 78 des Membranreaktors 118 geleitet wird, und einen dritten Fluidstrom 114, der zur Verunreinigungsentfernungseinheit 106 geleitet wird.
[0033] In einem Beispiel entfernt die Verunreinigungsentfernungseinheit 106 im Wesentlichen einen Teil der unerwünschten Produkte als Teil eines Fluidstroms 15, einschliesslich, aber ohne darauf beschränkt zu sein, Partikel, Schwefeloxide, Chlorverbindungen und Ammoniak. Die wesentliche Entfernung der unerwünschten Produkte ist die Entfernung von etwa 80% bis etwa 95% der Gesamtverunreinigungen. Gewöhnlich hat der Membranreaktor 118 eine beschränkte Fähigkeit zur Handhabung bestimmter Typen von unerwünschten Produkten, wie Partikel, und daher ist es notwendig, diese unerwünschten Produkte zu entfernen, bevor das Syngas 6 zum Membranreaktor 118 geleitet wird.
[0034] Der Membranreaktor 118 hat eine geeignete Konfiguration, umfassend z.B. ein Hohlfasermodul, ein spiralgewickeltes Modul, platten- und rahmenförmige Membranmodule. In einer beispielhaften Konfiguration, die in Fig. 12gezeigt wird, ist der Membranreaktor 118 ein Hohlfasermembranmodul. Im Membranreaktor 118 finden die Wassergas-Shift-Reaktion und die Trennung der unerwünschten Produkte gleichzeitig statt, wodurch das Wassergas-Shiftreaktionsgleichgewicht verändert und die Umwandlung verbessert wird. Die verbesserte Umwandlung lässt kleinere Reaktorvolumen der Wassergas-Shift-Einheit 76 zu, was dazu beiträgt, die Gesamtsystemleistung zu verbessern. In einem Beispiel ist der Wassergas-Shiftkatalysator in der Ummantelungsseite, wie in Fig. 12 gezeigt. Der Fluss der Ströme auf beiden Seiten der Membran kann in der gleichen Richtung (gleichströmig) oder in einer entgegengesetzten Richtung (gegenströmig) sein. In einem Beispiel ist der Fluss der Ströme auf der Ummantelungs- und Rohrseite des Membranreaktors 118 gegenströmig, wie in Fig. 12 gezeigt. In einem anderen Beispiel ist der Strom gleichströmig (in Fig. 12nicht gezeigt).
[0035] Bezug nehmend auf die beispielhafte Polygenerationsanordnung 110, die in Fig. 11gezeigt wird, und den Membranreaktor 118, der in Fig. 12 gezeigt wird, werden in einem Beispiel das gereinigte Syngas 122 aus der Verunreinigungsentfernungseinheit 106 und der Fluidstrom 92 aus dem Dampferzeuger 36 zur Ummantelungsseite des Membranreaktors 118 geleitet, worin die Wassergas-Shiftreaktion stattfindet, die Kohlendioxid und Wasserstoff erzeugt. In einem Beispiel ist der Wassergas-Shiftkatalysator auf der Ummantelungsseite angeordnet. In einem anderen Beispiel ist eine Einrichtung vorhanden, um die von der Wassergas-Shiftreaktion erzeugte Wärme zu entnehmen (nicht in Fig. 9gezeigt).
[0036] In einem Beispiel ist die Membran kohlendioxiddurchlässig, und der Fluidstrom 104 wird als Träger für das Kohlendioxid genutzt, das die Membranwand des Membranreaktors 118 durchdrungen hat. Durch Verwendung einer Membran, die auf selektive Weise für das Kohlendioxid durchlässig ist, wird die gleichzeitige Trennung des Kohlendioxids und Erhöhung der Umwandlung des gereinigten Syngases 122 zur Erzeugung von Wasserstoff erreicht. Ein anderer Vorteil der Verwendung des Membranreaktors 118 ist, dass die Wassergas-Shiftreaktion bei Hochdruck durchgeführt werden kann, was die Gesamtsystemleistung verbessert, wenn das gereinigte Syngas 122 bei Hochdruck verfügbar ist. Die Druckdifferenz durch die Membran ist die treibende Kraft der Trennung im Membranreaktor 118, und die Nutzung des Hochdruckdampfs 92 als Reaktionspartner und des Niederdruckstroms 104 als Träger für das Kohlendioxid stellt diese treibende Kraft bereit.
[0037] Der Fluidstrom 82, der die Komponenten mit sich führt, welche die Membran durchdrungen haben, einschliesslich, aber ohne darauf beschränkt zu sein, Kohlendioxid, Wasserstoff, Kohlenmonoxid, wird zum katalytischen Brenner 96 geleitet, um den nicht entflammbaren Fluidstrom 98 zu erzeugen, der zusammen mit dem Hochdruckdampf 94 als Arbeitsfluid zur Rankine-Turbine 52 geleitet wird. Die vom Fluidstrom 98 mitgeführten unerwünschten Produkte werden als Fluidstrom 13 getrennt, nachdem der Fluidstrom 98 in der Rankine-Turbine 52 expandiert wurde. Dadurch verbessert die Integration der Stromerzeugungseinheit 32 mit der Syngas-Anreicherungseinheit 8 die Gesamtleistung der Polygenerationsanordnung.
[0038] In einem anderen Beispiel wird der Fluidstrom 114 verwendet, um die Entfernung der unerwünschten Produkte aus der Verunreinigungsentfernungseinheit 106 zu erleichtern, um Fluidstrom 15 zu erzeugen, der einen Teil der unerwünschten Produkte mit sich führt. Wie in dem vorherigen Beispiel beschrieben, werden die unerwünschten Produkte entweder in der Syngas-Anreicherungseinheit 8 oder in der Stromerzeugungseinheit 32 getrennt, oder beides.
[0039] Eine beispielhafte Polygenerationsanordnung 130 wird in Fig. 13 gezeigt. Die beispielhafte Polygenerationsanordnung 130 umfasst eine Pressure Swing Adsorption (PSA)-Einheit 126, um hochreinen Wasserstoff zu erzeugen. Die Reinheit des Wasserstoffs aus einer PSA-Einheit 126 liegt über etwa 95%. In einem Beispiel wird ein erster Anteil 124 des angereicherten Syngases 14 aus der Syngas-Anreicherungseinheit 8 zur PSA-Einheit 126 geleitet, um hochreinen Wasserstoff (in Fig. 13als H2 angezeigt) und einen PSA-Abgasstrom 128 zu erzeugen, der etwas Wasserstoff enthält. In einem Beispiel wird der PSA-Abgasstrom 128 zum katalytischen Brenner 96 geleitet, um zusammen mit dem Fluidstrom 82 verbrannt zu werden, um zusätzliche Wärme und den nicht entflammbaren Fluidstrom 98 zu erzeugen. Ein zweiter Anteil 132 des angereicherten Syngases 14 wird zur Gasturbineneinheit 34 der Stromerzeugungseinheit 32 geleitet.
[0040] Eine beispielhafte Polygenerationsanordnung 140 wird in Fig. 14 gezeigt. Die beispielhafte Polygenerationsanordnung 140 umfasst den Syngaserzeuger 4 mit einem Gaserzeuger 134 und einem Syngaskühler 136, die Syngas-Anreicherungseinheit 8 mit einer Partikelentfernungseinheit 146 und einer Syngas-Süssungseinheit 138. In einem Beispiel werden der sauerstoffreiche Strom 74 aus der Luftzerlegungseinheit 62 und der kohlenstoffhaltige Brennstoff 2 dem Gaserzeuger 134 zugeführt, um das Syngas 6 zu erzeugen, das im Syngaskühler 136 gekühlt wird, um ein kühles Syngas 142 zu erzeugen. In einem Beispiel wird der sauerstoffarme Strom 68 aus der Luftzerlegungseinheit 62 zur Gasturbine 34 geleitet (in Fig. 14nicht gezeigt). In einem Beispiel sind der Gaserzeuger 134 und der Syngaskühler 136 zu einer einzelnen Einheit kombiniert, und in einem anderen Beispiel sind sie separate Einheiten. In einem Beispiel ist der Syngaskühler 136 ein Strahlungskühler, und in einem anderen Beispiel ist der Syngaskühler 136 eine Abschreckeinheit. In einem Beispiel umfasst die Syngas-Anreicherungseinheit 8 die Partikelentfernungseinheit 146, die Syngas-Süssungseinheit 138 und den Membranreaktor 118. In einem Beispiel wird das kühle Syngas 142 der Partikelentfernungseinheit 146 zugeführt, und ein partikelfreies Syngas 152 wird erzeugt. Das partikelfreie Syngas 152 wird zur Syngas-Süssungseinheit 138 geleitet, und ein süsses Syngas 154 und ein saurer Strom 148 werden erzeugt. Das süsse Syngas 154 wird ferner der Membranreaktoreinheit 118 zugeführt, wobei das süsse Syngas 154 in der WGS-Einheit 76 der Wassergas-Shiftreaktion unterzogen wird und die unerwünschten Produkte in der Trenneinheit 78 getrennt werden, um das angereicherte Syngas 14 zu erzeugen.
[0041] Eine beispielhafte Stromerzeugungseinheit 32 wird in Fig. 15 gezeigt. In einem Beispiel umfasst die Rankine-Turbine 52 eine Hochdruckturbine (HPT) 158, eine Zwischendruckturbine (IPT) 162 und eine Niederdruckturbine (LPT) 164. In einem Beispiel wird das angereicherte Syngas 14 aus der Syngas-Anreicherungseinheit in der Gasturbine 34 verbrannt, um den Strom 42 zu erzeugen. Das heisse expandierte Gas 46 aus der Gasturbine 34 wird zum Dampferzeuger 36 geleitet, um den Hochdruckdampf 48 und das saubere Abgas 44 zu erzeugen, das aus einem Schornstein 156 in die Atmosphäre gelassen wird. In einem Beispiel wird der Fluidstrom 92 zum Membranreaktor 118 geleitet, um an der Wassergas-Shiftreaktion teilzunehmen. In einem Beispiel sind der Strom 92 und das angereicherte Syngas 14 bei einem Druck von etwa 4.5 M Pa (etwa 45 bar). Der zweite Anteil 94 des Hochdruckdampfs 48 wird in der Hochdruckturbine 158 expandiert. Der Fluidstrom 104 aus der Hochdruckturbine wird im Membranreaktor 118 als Träger genutzt, um die unerwünschten Produkte mitzuführen. In einem Beispiel ist der Fluidstrom 104 bei einem Druck von etwa 4 M Pa (etwa 40 bar). Der nicht entflammbare Strom 98 wird in der Zwischendruckturbine 162 expandiert, die mit einer Niederdruckturbine 164 verbunden ist. Der Fluidstrom aus der Niederdruckturbine 164 wird zu einem Kondensator geleitet, worin die unerwünschten Produkte als der Fluidstrom 13 getrennt werden und das verbleibende Fluid im Kreislauf umgepumpt wird (in Fig. 15nicht gezeigt).
[0042] Obwohl hierin nur bestimmte Merkmale der Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, werden dem Fachmann viele Modifikationen und Änderungen einfallen. Deshalb versteht es sich, dass die beiliegenden Ansprüche all diese Modifikationen und Änderungen einschliessen, die im Umfang der Erfindung sind.

Claims (3)

1. Polygenerationsanordnung (10), umfassend: einen Syngaserzeuger (4), um ein Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthaltendes Syngas (6) zu erzeugen; eine Syngas-Anreicherungseinheit (8), um dieses Syngas (6) zu empfangen und unerwünschte Produkte davon zu trennen, um ein angereichertes Syngas (14) zu erzeugen; und ein Syngas-Nutzungssystem (18), um dieses angereicherte Syngas (14) zur Erzeugung brauchbarer Produkte (22) und eines Fluidstroms (16) zu verwenden, der der Syngas-Anreicherungseinheit (8) zugeführt wird, um die Trennung dieser unerwünschten Produkte zu erleichtern.
2. Polygenerationsanordnung (10) nach Anspruch 1, wobei die Syngas-Anreicherungseinheit (8) einen Membranreaktor (118) umfasst.
3. Polygenerationsanordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Syngas-Nutzungssystem (18) eine Stromerzeugungseinheit (32) oder eine chemische Syntheseeinheit (24) oder eine Kombination davon umfasst.
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