CH697901A2 - Polygenerationssysteme. - Google Patents

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CH697901A2 CH01139/08A CH11392008A CH697901A2 CH 697901 A2 CH697901 A2 CH 697901A2 CH 01139/08 A CH01139/08 A CH 01139/08A CH 11392008 A CH11392008 A CH 11392008A CH 697901 A2 CH697901 A2 CH 697901A2
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Abstract

Ein Polygenerationssystem, wobei die verschiedenen Einheiten des Polygenerationssystems integriert sind, um die unerwünschten Spezies auf effektive Weise zu trennen. In einer Ausführungsform wird ein Polygenerationssystem bereitgestellt, umfassend einen Syngaserzeuger (4) zum Erzeugen eines Syngases (6), eine Syngas-Anreicherungseinheit (8) zum Trennen unerwünschter Spezies vom Syngas, 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 Spezies in der Syngas-Anreicherungseinheit (8) zu erleichtern. In einigen Ausführungsformen umfasst das Polygenerationssystem einen Membranreaktor (118), einen katalytischen Brenner (96) und eine Stromerzeugungseinheit (32). Die Stromerzeugungseinheit kann ein Dampfturbinensystem (38) oder ein Rankine-Turbinensystem (52) 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-FC26-05NT42 451 durchgeführt, der vom Department of Energy vergeben wurde. Der Staat hat bestimmte Rechte an dieser Erfindung.

Stand der Technik

[0002] Die Erfindung betrifft allgemein ein Polygenerations-system und insbesondere die Integration der verschiedenen Einheiten eines Polygenerationssystem, um die unerwünschten 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. Um die Stromerzeugung oder die chemische Produktion zu einem umweltfreundlichen Prozess zu machen, ist es wichtig, alle unerwünschten Spezies zu trennen, einschliesslich Kohlendioxid, das sonst an die Umwelt emittiert würde.

   Die Trennung unerwünschter Spezies trägt zu den Gesamtproduktionskosten von Strom oder Chemikalien bei, weil Technologien erwünscht sind, die das Einfangen dieser unerwünschten Spezies auf effektive Weise erlauben.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0005] Nach einem Aspekt wird ein Polygenerationssystem bereitgestellt, umfassend einen Syngaserzeuger, um ein Syngas zu erzeugen, eine Syngas-Anreicherungseinheit, um unerwünschte Spezies vom Syngas zu trennen, um ein angereichertes Syngas zu erzeugen, und ein Syngas-Nutzungssystem, welches das angereicherte Syngas nutzt, um brauchbare Produkte und einen Strom zu erzeugen, um die Trennung unerwünschter Spezies in der Syngas-Anreicherungseinheit zu erleichtern.

   In einigen Ausführungsformen umfasst das Polygenerationssystem einen Gaserzeuger, eine Partikelentfernungseinheit, eine Wassergas-Shifteinheit und eine Stromerzeugungseinheit.

[0006] In einem anderen Aspekt umfasst ein Polygenerationssystem einen Syngaserzeuger zum Erzeugen von Syngas, eine Syngas-Anreicherungseinheit, um unerwünschte Spezies vom Syngas zu trennen, um ein angereichertes Syngas zu erzeugen, und eine Stromerzeugungseinheit mit einem Gasturbinensystem, um das angereicherte Syngas zu verbrennen, und ein heisses expandiertes Gas zu erzeugen. Das heisse expandierte Gas wird verwendet, um im Dampferzeugungs-System einen ersten Dampfanteil zu erzeugen. Das Stromerzeugungssystem umfasst ein Dampfturbinensystem, das den ersten Dampfanteil aus dem Dampferzeugungssystem nutzt, um Strom und einen zweiten Dampfanteil zu erzeugen.

   Der zweite Dampfanteil wird verwendet, um die Trennung der unerwünschten Spezies in der Syngas-Anreicherungseinheit zu erleichtern.

[0007] In einem weiteren Aspekt umfasst ein Polygenerations-system einen Syngaserzeuger zum Erzeugen von Syngas, eine Syngas-Anreicherungseinheit, um unerwünschte Spezies vom Syngas zu trennen, um ein angereichertes Syngas und einen diese unerwünschten Spezies enthaltenden Fluidstrom zu erzeugen. Das Polygenerationssystem umfasst eine Stromerzeugungseinheit mit einem Gasturbinensystem, um das angereicherte Syngas zu verbrennen und ein heisses expandiertes Gas zu erzeugen. Das heisse expandierte Gas wird verwendet, um einen ersten Dampfanteil im Dampferzeugungssystem zu erzeugen.

   Das Stromerzeugungssystem umfasst eine Rankine-Turbine, die diesen ersten Dampfanteil und den die unerwünschten Spezies enthaltenden Fluidstrom von der Syngas-Anreicherungseinheit verwendet, um Strom und einen zweiten Dampfanteil zu erzeugen. Der zweite Dampfanteil wird verwendet, um die Trennung der unerwünschten Spezies in der Syngas-Anreicherungseinheit zu erleichtern.

[0008] In einem weiteren Aspekt umfasst das Polygenerationssystem einen Syngaserzeuger zum Erzeugen eines Syngases, eine Syngas-Anreicherungseinheit, die eine Wassergas-Shifteinheit und eine Trenneinheit umfasst. Die Wassergas-Shifteinheit empfängt das Syngas und erzeugt ein Wasserstoffangereichertes Syngas. Die unerwünschten Spezies werden vom Wasserstoffangereicherten Syngas getrennt, um ein angereichertes Syngas und einen diese unerwünschten Spezies enthaltenden Fluidstrom zu erzeugen.

   Das Polygenerationssystem umfasst eine Stromerzeugungseinheit mit einem Gasturbinensystem, einem Dampferzeugungssystem und einem Rankine-Turbinensystem. Das angereicherte Syngas wird im Gasturbinensystem verbrannt, um Strom und ein heisses expandiertes Gas zu erzeugen. Das heisse expandierte Gas wird vom Dampferzeugungssystem empfangen, um einen ersten und einen zweiten Dampfanteil zu erzeugen. Der erste Dampfanteil und der diese unerwünschten Spezies enthaltende Fluidstrom werden vom Rankine-Turbinensystem empfangen, um Strom und einen dritten Dampfanteil zu erzeugen.

   Der dritte Dampfanteil wird der Trenneinheit zugeführt, um die Trennung der unerwünschten Spezies zu erleichtern.

[0009] In einem weiteren Aspekt umfasst ein Polygenerationssystem eine Luftzerlegungseinheit, einen Syngaserzeuger, eine Syngas-Anreicherungseinheit, einen katalytischen Brenner und eine Stromerzeugungseinheit. In der Luftzerlegungseinheit wird ein Sauerstoffreicher Strom erzeugt, der zum Syngaserzeuger geleitet wird. Der Syngaserzeuger umfasst einen Gaserzeuger, der konfiguriert ist, um einen kohlenstoffhaltigen Brennstoff und diesen sauerstoffreichen Strom zu empfangen, um Syngas zu erzeugen. Der Syngaserzeuger umfasst zudem eine Kühleinheit, um dieses Syngas zu empfangen und ein gekühltes Syngas zu erzeugen. Die Syngas-Anreicherungseinheit umfasst eine Partikelentfernungseinheit, eine Syngas-Süssungseinheit, einen Wassergas-Shiftreaktor und eine Trenneinheit.

   Das gekühlte Syngas wird von der Partikelentfernungseinheit empfangen, um ein partikelfreies Syngas zu erzeugen, das von der Syngas-Süssungseinheit empfangen wird, um ein süsses Syngas zu erzeugen. Die Wassergas-Shifteinheit ist konfiguriert, um dieses süsse Syngas und einen ersten Dampfanteil zu empfangen, um ein Wasserstoffangereichertes Syngas und einen ersten Dampfanteil zu erzeugen. Die Trenneinheit ist konfiguriert, um dieses Wasserstoffangereicherte Syngas zu empfangen, um ein angereichertes Syngas und einen diese unerwünschten Spezies enthaltenden Fluidstrom zu erzeugen. Der Fluidstrom mit diesen unerwünschten Spezies wird zum katalytischen Brenner geleitet, um einen nicht entflammbaren Strom zu erzeugen. Die Stromerzeugungseinheit umfasst ein Gasturbinensystem, ein Dampferzeugungssystem und ein Rankine-Turbinensystem.

   Die Gasturbine ist konfiguriert, um das angereicherte Syngas zu empfangen, um Strom und ein heisses expandiertes Gas zu erzeugen, das vom Dampferzeugungssystem empfangen wird, um den ersten Dampfanteil und einen zweiten Dampfanteil zu erzeugen. Das Rankine-Turbinensystem empfängt diesen zweiten Dampfanteil und den nicht entflammbaren Fluidstrom, um Strom und einen dritten Dampfanteil zu erzeugen, der zur Trenneinheit geleitet wird, um die Trennung der unerwünschten Spezies zu erleichtern.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0010] Diese und andere Merkmale, Aspekte 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 erste Ausführungsform dieser Erfindung veranschaulicht;


  <tb>Fig. 2<sep>eine zweite Ausführungsform dieser Erfindung veranschaulicht;


  <tb>Fig. 3<sep>eine dritte Ausführungsform dieser Erfindung veranschaulicht;


  <tb>Fig. 4<sep>eine vierte Ausführungsform dieser Erfindung veranschaulicht;


  <tb>Fig. 5<sep>eine fünfte Ausführungsform dieser Erfindung veranschaulicht;


  <tb>Fig. 6<sep>eine sechste Ausführungsform dieser Erfindung veranschaulicht;


  <tb>Fig. 7<sep>eine siebte Ausführungsform dieser Erfindung veranschaulicht;


  <tb>Fig. 8<sep>eine achte Ausführungsform dieser Erfindung veranschaulicht;


  <tb>Fig. 9<sep>eine neunte Ausführungsform dieser Erfindung veranschaulicht;


  <tb>Fig. 10<sep>eine zehnte Ausführungsform dieser Erfindung veranschaulicht;


  <tb>Fig. 11<sep>eine elfte Ausführungsform dieser Erfindung veranschaulicht;


  <tb>Fig. 12<sep>einen beispielhaften Membranreaktor veranschaulicht;


  <tb>Fig. 13<sep>eine zwölfte Ausführungsform dieser Erfindung veranschaulicht;


  <tb>Fig. 14<sep>eine dreizehnte Ausführungsform dieser Erfindung veranschaulicht;


  <tb>Fig. 15<sep>eine beispielhafte Stromerzeugungseinheit veranschaulicht.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

[0011] Ein Polygenerationssystem 10 umfasst einen Syngaserzeuger. 4, eine Syngas-Anreicherungseinheit 8 und ein Syngas-Nutzungssystem 18, wie in Fig. 1 gezeigt. 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.

[0012] 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 einer Ausführungsform 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 einer Ausführungsform kann der Syngaserzeuger 4 ausserdem eine Einrichtung zum Kühlen des Syngases 6 umfassen. In einer anderen Ausführungsform wird im Syngaserzeuger 4 nicht umgewandelter kohlenstoffhaltiger Brennstoff zurückgeführt (in Fig. 1 nicht gezeigt), um mit dem kohlenstoffhaltigen Brennstoff 2 gemischt zu werden.

[0013] 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 Kohlenmonoxid-konzentration im Syngas 6 erhöht wird. Das Syngas 6 kann einige unerwünschte Spezies enthalten, die in der Syngas-Anreicherungseinheit 8 vom Syngas 6 getrennt werden können. In einer Ausführungsform wird die Anreicherung des Syngases 6 durch Trennung der unerwünschten Spezies erreicht.

   Die unerwünschten Spezies umfassen, ohne aber darauf beschränkt zu sein, Partikel, Schwefelverbindungen, Kohlenstoffverbindungen, Chlorverbindungen, Stickstoffverbindungen, Wasser, Quecksilber und Ammoniak. Einige der unerwünschten Spezies stammen vom kohlenstoffhaltigen Brennstoff 2, während die anderen im Syngaserzeuger 4 erzeugt werden. In einer Ausführungsform ist die Syngas-Anreicherungseinheit 8 konfiguriert, um einen Abfallstrom 12 zu erzeugen, der die unerwünschten Spezies enthält.

   In einer Ausführungsform erhöht die Trennung mindestens eines Teils der unerwünschten Spezies in der Syngas-Anreicherungseinheit 8 die Wasserstoff- und/oder Kohlendioxidkonzentration im Syngas 6.

[0014] In einer Ausführungsform 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:
 <EMI ID=2.0> 

[0015] In einer Ausführungsform erhöht die Entfernung mindestens eines Teils des Wasserstoffs aus dem Syngas 6 die Kohlenmonoxidkonzentration.

   In einer anderen Ausführungsform 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
 <EMI ID=3.0> 

[0016] Das Syngas-Nutzungssystem 18 ist eine Einheit, die brauchbare Produkt 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 einer Ausführungsform erleichtert der Fluidstrom 16 die Syngasanreicherung, indem er die Wärme bereitstellt, die zur Syngasanreicherung benötigt wird. In einer anderen Ausführungsform stellt der Fluidstrom 16 den Druck bereit, der zur Syngasanreicherung benötigt wird.

   In einer weiteren Ausführungsform stellt der Fluidstrom 16 den Dampfbedarf der Syngasanreicherung bereit.

[0017] Ein Polygenerationssystem 20 der vorliegenden Erfindung wird in Fig. 2 gezeigt. Das beispielhafte Polygenerationssystem 20 umfasst den Syngaserzeuger 4, die Syngas-Anreicherungseinheit 8 und das Syngas-Nutzungssystem 18. In einer Ausführungsform umfasst das Syngas-Nutzungssystem 18 eine chemische Syntheseeinheit 24, die die Chemikalien erzeugt, oder eine Stromerzeugungseinheit 32, die den Strom erzeugt, oder beides.

   In einer Ausführungsform, wie in Fig. 2 gezeigt, umfasst das Syngas-Nutzungssystem 18 sowohl die chemische Syntheseeinheit 24 als auch die Stromerzeugungseinheit 32.

[0018] 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 einer Ausführungsform 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.

[0019] In einer Ausführungsform 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 einer Ausführungsform ist die Stromerzeugungseinheit 32 ein Einzelzyklus-Gasturbinen-Kraftwerk, das das angereicherte Syngas 14 als eine Brennstoffquelle nutzt. In einer anderen Ausführungsform 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.

[0020] Wie in der vorherigen Ausführungsform beschrieben, erleichtert der Fluidstrom 16 aus dem Syngas-Nutzungs-system 18 die Anreicherung des Syngases 6 in der Syngas-Anreicherungseinheit 8.

   In einer Ausführungsform ist der Fluidstrom 16 ein Inertgasstrom aus der chemischen Syntheseeinheit 24. In einer anderen Ausführungsform ist der Fluidstrom 16 Dampf, der im HRSG erzeugt wird. In einer weiteren Ausführungsform ist der Fluidstrom 16 Dampf, der in der Dampfturbine partiell expandiert wird.

[0021] Ein Polygenerationssystem 30 der vorliegenden Erfindung wird in Fig. 3 gezeigt. Im beispielhaften Polygenerationssystem 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 einer Ausführungsform wird das angereicherte Syngas 14 als der Brennstoff der 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.

[0022] In einer Ausführungsform sind die Gasturbine 34 und die Dampfturbine 38 mit demselben Generator gekoppelt. In einer Ausführungsform 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 einer Ausführungsform 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 Spezies vom Syngas 6 zu erleichtern, um das angereicherte Syngas 14 zu erzeugen.

[0023] Die Trennung der unerwünschten Spezies vom Syngas 6 wird durch eine geeignete Technik erreicht, einschliesslich physikalischer und chemischer Trennungstechniken. In einer Ausführungsform werden die Partikel im Syngas 6 durch Spülen des Syngases 6 mit Wasser getrennt. In einer anderen Ausführungsform werden einige der unerwünschten Spezies einschliesslich der Schwefelverbindungen durch Waschen mit einer Aminlösung vom Syngas 6 getrennt.

   In einer anderen Ausführungsform werden einige der unerwünschten Spezies einschliesslich Schwefelverbindungen und Kohlenstoffverbindungen durch eine Absorptionstechnik getrennt, die ein Lösungsmittel verwendet.

[0024] In einer Ausführungsform wird eine Membrantrenntechnik benutzt, um die unerwünschten Spezies 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 Spezies aufweist, wodurch die Trennung der Spezies erfolgt. Die Permeabilität wird als der molare Strom einer Spezies durch die Membran pro Flächeneinheit der Membran je Zeiteinheit definiert.

   Gewöhnlich wird ein Trägerstrom verwendet, um die Spezies, die die Membran durchdrungen hat, mitzuführen, wodurch die Trennleistung erhöht wird. Die Eigenschaften des Trägerstroms sind derart, dass die Trennung der durchgedrungenen Spezies von diesem Trägerstrom durch einen einfachen Prozess durchgeführt werden kann. In einer Ausführungsform wird der Fluidstrom 28 als Träger verwendet, um die unerwünschten Spezies vom Syngas 6 zu trennen.

[0025] In einer Ausführungsform ist die unerwünschte Spezies, die 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 einer Ausführungsform wird der Fluidstrom 28 als ein Träger verwendet, um das Kohlendioxid, das zur anderen Seite der Membran durchgedrungen ist, auf effektive Weise mitzuführen.

[0026] Ein Polygenerationssystem 40 der vorliegenden Erfindung wird in Fig. 4 gezeigt. Im beispielhaften Polygenerationssystem 40 umfasst die Stromerzeugungseinheit 32 eine Rankine-Turbine 52. In einer Ausführungsform ist die Syngas-Anreicherungseinheit 8 konfiguriert, um den Abfallstrom 12 zu erzeugen, der einen ersten Teil der unerwünschten Spezies enthält, und einen Fluidstrom 54, der einen zweiten Teil der unerwünschten Spezies enthält. In einer Ausführungsform wird der Fluidstrom 54 zusammen mit dem Hochdruckdampf 48 als das Arbeitsfluid in der Rankine-Turbine 52 benutzt.

   Die Verwendung des Fluid-stroms 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 einer Ausführungsform ist die Rankine-Turbine 52 konfiguriert, um einen Fluidstrom 56 zu erzeugen, der zur Syngas-Anreicherungseinheit 8 geleitet wird, um die Syngasanreicherung zu erleichtern.

[0027] In einer Ausführungsform 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 einer Ausführungsform wird ein Lösungsmittel verwendet, um die unerwünschten Spezies in der Syngas-Anreicherungseinheit 8 zu trennen, und der Fluidstrom 56 wird benutzt, um die Wärme bereitzustellen, die für die Lösungsmittelregeneration benötigt wird. In einer anderen Ausführungsform wird eine Membrantrenntechnik zur Trennung der unerwünschten Spezies in der Syngas-Anreicherungseinheit 8 benutzt, und der Fluidstrom 56 wird als ein Träger für die unerwünschten Spezies verwendet, die die Membran durchdrungen haben. In einer Ausführungsform wird ein erster Teil der unerwünschten Spezies 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 der unerwünschten Spezies mit sich führt, wird in der Rankine-Turbine 52 expandiert, und der zweite Teil der unerwünschten Spezies wird als ein Fluidstrom 13 von der Stromerzeugungseinheit 32 getrennt.

[0028] In einer Ausführungsform werden die unerwünschten Spezies von der Syngas-Anreicherungseinheit 8 als der Abfallstrom 12 oder von der Stromerzeugungseinheit 32 als der Fluidstrom 13 getrennt, oder beides.

[0029] Ein Polygenerationssystem 50 der vorliegenden Erfindung wird in Fig. 5 gezeigt. Das beispielhafte Polygenerationssystem 50 umfasst die chemische Syntheseeinheit 24. In einer Ausführungsform wird ein erster Anteil 53 des angereicherten Syngases 14 zur chemischen Syntheseeinheit 24 geleitet.

   In einer anderen Ausführungsform 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.

[0030] Ein Polygenerationssystem 60 der vorliegenden Erfindung wird in Fig. 6 gezeigt. Das beispielhafte Polygenerationssystem 60 umfasst eine Luftzerlegungseinheit (ASU) 62. In einer Ausführungsform 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 einer Spezies, wenn deren Konzentration grösser ist als die im Strom, aus welchem sie erzeugt wurde.

   Andrerseits gilt ein Fluidstrom als arm an einer Spezies, wenn deren Konzentration kleiner ist als die im Strom, aus welchem sie erzeugt wurde.

[0031] In einer Ausführungsform 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 einer anderen Ausführungsform 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 einer Ausführungsform wird in der Luftzerlegungseinheit 62 eine Membrantrenntechnik verwendet, und der Fluidstrom 66 wird als ein Träger für die Spezies benutzt, die die Membran durchdrungen hat. In einer Ausführungsform 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 einer Ausführungsform 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 eine optionale Ausführungsform an. In einer anderen Ausführungsform wird der Kompressor der Gasturbineneinheit 34 verwendet, um die Luft 58 der Luftzerlegungseinheit 62 (in Fig. 6 nicht gezeigt) zu komprimieren.

[0032] Ein Polygenerationssystem 70 der vorliegenden Erfindung wird in Fig. 7 gezeigt. Das beispielhafte Polygenerationssystem 70 umfasst eine Wassergas-Shift (WGS)-Einheit 76 und eine Trenneinheit 78.

   In einer Ausführungsform wird das Syngas 6 aus dem Syngaserzeuger 4 zur Wassergas-Shifteinheit 76 geleitet, worin die Wassergas-Shiftreaktion stattfindet, um ein Wasserstoffangereichertes Syngas 88 zu erzeugen, das reich an Wasserstoff ist. In einer Ausführungsform wird das Wasserstoffangereicherte. Syngas 88 zur Trenneinheit 78 geleitet, um einen Fluidstrom 82 zu erzeugen, der einen Teil der unerwünschten Spezies mit sich führt. In einer Ausführungsform werden mehrere Zerlegungseinheiten 78 verwendet, um die unerwünschten Spezies zu trennen. In einer Ausführungsform ist die Trenneinheit 78 ein Membranabscheider. In einer Ausführungsform wird der Fluidstrom 82, der einen Teil der unerwünschten Spezies 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 des Polygenerationssystems zu erhöhen. In einer Ausführungsform wird der Fluidstrom 56 beim Betriebsdruck und bei der Betriebstemperatur der Wassergas-Shifteinheit 7 6 entnommen. In einer anderen Ausführungsform wird der Fluidstrom 56 bei den Betriebsbedingungen der Trenneinheit 78 aus der Rankine-Turbine 52 entnommen. In einer weiteren Ausführungsform ist der Fluidstrom 82 arm an Wasserstoff und enthält einen Anteil des Fluidstroms 56.

[0033] 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 einer Spezies als die Abwesenheit dieser Spezies zu verstehen. Die Wassergas-Shiftreaktion ist eine exotherme Reaktion und erzeugt deshalb Wärme. In einer Ausführungsform wird die Wärme, die in der Wassergas-Shiftreaktion erzeugt wird, der WGS-Einheit 76 entzogen.

[0034] Ein Polygenerationssystem 80 der vorliegenden Erfindung wird in Fig. 8 gezeigt. Der Hochdruckdampf 48 wird in zwei Ströme aufgeteilt, einen ersten Anteil 92 und einen, zweiten Anteil 94. In einer Ausführungsform 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-Shifteinheit 76 erfordert. Wenn in einer Ausführungsform der Syngaserzeuger 4 bei Hochdruck betrieben wird, verbessert der Betrieb der WGS-Einheit 76 bei Hochdruck die Gesamtsystemleistung. In einer anderen Ausführungsform 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 einer Ausführungsform 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 Wasserstoff angereicherten 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.

[0035] Ein Polygenerationssystem 90 der vorliegenden Erfindung wird in Fig. 9 gezeigt. Das beispielhafte Polygenerationssystem 90 umfasst einen katalytischen Brenner 96, der konfiguriert ist, um den Fluidstrom 82 von der Trenneinheit 78 zu empfangen. In einer Ausführungsform 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 Spezies, 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 Spezies, 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 einer Ausführungsform ist der katalytische Brenner 96 konfiguriert, um den Fluidstrom 82 zu empfangen, der einen Teil der unerwünschten Spezies mit sich führt, und um Wärme und einen nicht entflammbaren Fluidstrom 98 zu erzeugen.

[0036] Ein Polygenerationssystem 100 der vorliegenden Erfindung wird in Fig. 10 gezeigt. In einer Ausführungsform des beispielhaften Polygenerationssystems 100 ist der Fluidstrom 56 aus der Rankine-Turbine 52 in zwei Ströme aufgeteilt, einen ersten Anteil 102 und einen zweiten Anteil 104. In einer Ausführungsform 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 des Polygenerationssystems 100 erhöht.

[0037] Ein Polygenerationssystem 110 der vorliegenden Erfindung wird in Fig. 11 gezeigt. Das beispielhafte Polygenerationssystem 110 umfasst die Syngas-Anreicherungseinheit 8, die eine Verunreinigungsentfernungseinheit 106 und einen Membranreaktor 118 aufweist. Die Verunreinigungsentfernungseinheit 106 trennt einen Teil der unerwünschten Spezies vom Syngas 6 und erzeugt ein gereinigtes Syngas 122. In einer Ausführungsform sind die Wassergas-Shifteinheit 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 Spezies mit sich führt. In einer Ausführungsform 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.

[0038] In einer Ausführungsform entfernt die Verunreinigungsentfernungseinheit 106 im Wesentlichen einen Teil der unerwünschten Spezies als Teil eines Fluidstroms 15, einschliesslich, aber ohne darauf beschränkt zu sein, Partikel, Schwefeloxide, Chlorverbindungen und Ammoniak.

   Die wesentliche Entfernung der unerwünschten Spezies 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 Spezies wie Partikel, und daher ist es notwendig, diese unerwünschten Spezies zu entfernen, bevor das Syngas 6 zum Membranreaktor 118 geleitet wird.

[0039] 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. 12 gezeigt wird, ist der Membranreaktor 118 ein Hohlfasermembranmodul.

   Im Membranreaktor 118 finden die Wassergas-Shiftreaktion und die Trennung der unerwünschten Spezies gleichzeitig statt, wodurch das Wassergas-Shiftreaktionsgleichgewicht verändert und die Umwandlung verbessert wird. Die verbesserte Umwandlung lässt kleinere Reaktorvolumen der Wassergas-Shifteinheit 76 zu, was dazu beiträgt, die Gesamtsystemleistung zu verbessern. In einer Ausführungsform 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 einer Ausführungsform ist der Fluss der Ströme auf der Ummantelungs- und Rohrseite des Membranreaktors 118 gegenströmig, wie in Fig. 12 gezeigt.

   In einer anderen Ausführungsform ist der Strom gleichströmig (in Fig. 12 nicht gezeigt).

[0040] Bezug nehmend auf das beispielhafte Polygenerationssystem 110, das in Fig. 11 gezeigt wird, und den Membranreaktor 118, der in Fig. 12 gezeigt wird, werden in einer Ausführungsform 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 einer Ausführungsform ist der Wassergas-Shiftkatalysator auf der Ummantelungsseite angeordnet.

   In einer anderen Ausführungsform ist eine Einrichtung vorhanden, um die von der Wassergas-Shiftreaktion erzeugte Wärme zu entnehmen (nicht in Fig. 9 gezeigt).

[0041] In einer Ausführungsform 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.

[0042] 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 Spezies 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 des erfindungsgemässen Polygenerationssystems.

[0043] In einer anderen Ausführungsform wird der Fluidstrom 114 verwendet, um die Entfernung der unerwünschten Spezies aus der Verunreinigungsentfernungseinheit 106 zu erleichtern, um Fluidstrom 15 zu erzeugen, der einen Teil der unerwünschten Spezies mit sich führt. Wie in der vorherigen Ausführungsform beschrieben, werden die unerwünschten Spezies entweder in der Syngas-Anreicherungseinheit 8 oder in der Stromerzeugungseinheit 32 getrennt, oder beides.

[0044] Ein Polygenerationssystem 130 der vorliegenden Erfindung wird in Fig. 13 gezeigt. Das beispielhafte Polygenerationssystem 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 einer Ausführungsform wird ein erster Anteil 124 des angereicherten Syngases 14 aus der Syngas-Anreicherungseinheit 8 zur PSA-Einheit 126 geleitet, um hochreinen Wasserstoff (in Fig. 13 als H2 angezeigt) und einen PSA-Abgasstrom 128 zu erzeugen, der etwas Wasserstoff enthält. In einer Ausführungsform 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.

[0045] Ein Polygenerationssystem 140 der vorliegenden Erfindung wird in Fig. 14 gezeigt.

   Das beispielhafte Polygenerationssystem 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 einer Ausführungsform 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 einer Ausführungsform wird der sauerstoffarme Strom 68 aus der Luftzerlegungseinheit 62 zur Gasturbine 34 geleitet (in Fig. 14 nicht gezeigt). In einer Ausführungsform sind der Gaserzeuger 134 und der Syngaskühler 136 zu einer einzelnen Einheit kombiniert und in einer anderen Ausführungsform sind sie separate Einheiten.

   In einer Ausführungsform ist der Syngaskühler 136 ein Strahlungskühler und in einer anderen Ausführungsform ist der Syngaskühler 136 eine Abschreckeinheit. In einer Ausführungsform umfasst die Syngas-Anreicherungseinheit 8 die Partikelentfernungseinheit 146, die Syngas-Süssungseinheit 138 und den Membranreaktor 118. In einer Ausführungsform 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 Spezies in der Trenneinheit 78 getrennt werden, um das angereicherte Syngas 14 zu erzeugen.

[0046] Eine beispielhafte Stromerzeugungseinheit 32 wird in Fig. 15 gezeigt. In einer Ausführungsform umfasst die Rankine-Turbine 52 eine Hochdruckturbine (HPT) 158, eine Zwischendruckturbine (IPT) 162 und eine Niederdruckturbine (LPT) 164. In einer beispielhaften Ausführungsform 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 einer Ausführungsform wird der Fluidstrom 92 zum Membranreaktor 118 geleitet, um an der Wassergas-Shiftreaktion teilzunehmen. In einer Ausführungsform 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 Spezies mitzuführen. In einer Ausführungsform 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 Spezies als der Fluidstrom 13 getrennt werden und das verbleibende Fluid im Kreislauf umgepumpt wird (in Fig. 15 nicht gezeigt).

[0047] 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 Geiste der Erfindung sind.

Claims (10)

1. Polygenerationssystem, 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 Spezies 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 Spezies zu erleichtern.
2. Polygenerationssystem nach Anspruch 1, wobei die Syngas-Anreicherungseinheit (8) ausserdem einen Membranreaktor (118) umfasst.
3. Polygenerationssystem nach Anspruch 1, wobei das Syngas-Nutzungssystem (18) ausserdem eine Stromerzeugungseinheit (32) oder eine chemische Syntheseeinheit (24) oder eine Kombination davon umfasst.
4. Polygenerationssystem, 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 Spezies davon zu trennen, um ein angereichertes Syngas (14) zu erzeugen; und ein Stromerzeugungssystem (32), umfassend; ein Gasturbinensystem (34) zum Verbrennen des angereicherten Syngases (14), um Strom (42) und ein heisses expandiertes Gas (46) zu erzeugen; ein Dampferzeugungssystem (36) zum Empfangen dieses heissen expandierten Gases (46), um einen ersten Dampfanteil (48) zu erzeugen;
und ein Dampfturbinensystem (38) zum Empfangen dieses ersten Dampfanteils (48), um Strom (42) und einen zweiten Dampfanteil (28) zu erzeugen, wobei dieser zweite Dampfanteil (28) der Syngas-Anreicherungseinheit (8) zugeführt wird, um die Trennung der unerwünschten Spezies zu erleichtern.
5. Polygenerationssystem, 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 ein angereichertes Syngas (14) und einen Fluidstrom zu erzeugen, der unerwünschte Spezies (54) enthält; und ein Stromerzeugungssystem (32), umfassend: ein Gasturbinensystem (34) zum Verbrennen des angereicherten Syngases (14), um Strom (42) und ein heisses expandiertes Gas (46) zu erzeugen; ein Dampferzeugungssystem (36) zum Empfangen des heissen expandierten Gases (46), um einen ersten Dampfanteil (48) zu erzeugen;
und ein Rankine-Turbinensystem (52), das diesen ersten Dampfanteil (48) und den unerwünschte Spezies (54) enthaltenden Fluidstrom empfängt, um Strom (42) und einen zweiten Dampfanteil (56) zu erzeugen, wobei dieser zweite Dampfanteil (56) der Anreicherungseinheit (8) zugeführt wird, um die Trennung der unerwünschten Spezies zu erleichtern.
6. Polygenerationssystem, umfassend einen Syngaserzeuger (4), um ein Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthaltendes Syngas (6) zu erzeugen; eine Syngas-Anreicherungseinheit (8), umfassend: eine Wassergas-Shifteinheit (76), um dieses Syngas (6) zu empfangen und ein Wasserstoffangereichertes Syngas (88) zu erzeugen; und eine Trenneinheit (78), um dieses wasserstoffangereicherte Syngas (88) zu empfangen und unerwünschte Spezies davon zu trennen, um ein angereichertes Syngas (14) und einen die unerwünschten Spezies enthaltenden Fluidstrom (82) zu erzeugen; ein Stromerzeugungssystem (32), umfassend; ein Gasturbinensystem (34) zum Verbrennen des angereicherten Syngases (14), um Strom (42) und ein heisses expandiertes Gas (46) zu erzeugen; ein Dampferzeugungssystem (36) zum Empfangen des heissen expandierten Gases (46), um einen ersten Dampfanteil (48) zu erzeugen;
und ein Rankine-Turbinensystem (52), das den ersten Dampfanteil (48) und den die unerwünschten Spezies enthaltenden Fluidstrom (82) empfängt, um Strom und einen zweiten Dampfanteil (56) zu erzeugen, wobei dieser zweite Dampfanteil (56) der Anreicherungseinheit (8) zugeführt wird, um die Trennung der unerwünschten Spezies zu erleichtern.
7. Polygenerationssystem nach Anspruch 6, ausserdem umfassend einen katalytischen Brenner (96), der den die unerwünschten Spezies enthaltenden Fluidstrom (82) empfängt.
8. Polygenerationssystem, umfassend: einen Syngaserzeuger (4), um ein Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthaltendes Syngas (6) zu erzeugen; eine Syngas-Anreicherungseinheit (8), umfassend: eine Wassergas-Shifteinheit (76), konfiguriert, um dieses Syngas (6) und einen ersten Dampfanteil (92) zu empfangen, um ein Wasserstoffangereichertes Syngas (88) zu erzeugen; eine Trenneinheit (78), konfiguriert, um dieses Wasserstoffangereicherte Syngas (88) zu empfangen und unerwünschte Spezies davon zu trennen, um ein angereichertes Syngas (14) und einen die unerwünschten Spezies enthaltenden Fluidstrom (82) zu erzeugen;
und ein Stromerzeugungssystem (32), umfassend: ein Gasturbinensystem (34) zum Verbrennen des angereicherten Syngases (14), um Strom (42) und ein heisses expandiertes Gas (46) zu erzeugen; ein Dampferzeugungssystem (36) zum Empfangen dieses heissen expandierten Gases (46), um den ersten Dampfanteil (92) und einen zweiten Dampfanteil (94) zu erzeugen; und ein Rankine-Turbinensystem (52), das diesen zweiten Dampfanteil (94) und den die unerwünschten Spezies enthaltenden Fluidstrom (82) empfängt, um Strom (42) und einen dritten Dampfanteil (56) zu erzeugen, wobei der dritte Dampfanteil (56) der Trenneinheit (78) zugeführt wird, um die Trennung der unerwünschten Spezies zu erleichtern.
9. Polygenerationssystem, umfassend: eine Luftzerlegungseinheit (62), um Luft (58) zu empfangen und einen Sauerstoffreichen Strom (74) zu erzeugen; einen Syngaserzeuger (4), umfassend: einen Gaserzeuger (134), um einen kohlenstoffhaltigen Brennstoff (2) und diesen Sauerstoffreichen Strom (74) zu empfangen, um Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthaltendes Syngas (6) zu erzeugen;
und eine Kühleinheit (136), um dieses Syngas (6) zu empfangen und ein gekühltes Syngas zu erzeugen (142); eine Syngas-Anreicherungseinheit (8), umfassend: eine Partikelentfernungseinheit (146), um dieses gekühlte Syngas (142) zu empfangen und ein partikelfreies Syngas (152) zu erzeugen; eine Syngas-Süssungseinheit (138), um dieses partikelfreie Syngas (152) zu empfangen und ein süsses Syngas (154) zu erzeugen; einen Wassergas-Shiftreaktor (76), um dieses süsse Syngas (154) und einen ersten Dampfanteil (92) zu empfangen, um ein Wasserstoffangereichertes Syngas (88) zu erzeugen;
und eine Trenneinheit (78), um dieses Wasserstoffangereicherte Syngas (88) und die unerwünschten Spezies davon zu trennen, um ein angereichertes Syngas (14) und einen die unerwünschten Spezies enthaltenden Fluidstrom (82) zu erzeugen; einen katalytischen Brenner (96), um diesen Fluidstrom (82) mit den unerwünschten Spezies zu empfangen und einen nicht entflammbaren Fluidstrom (98) zu erzeugen; und ein Stromerzeugungssystem (32), umfassend: ein Gasturbinensystem (34) zum Verbrennen des angereicherten Syngases (14), um Strom (42) und ein heisses expandiertes Gas (46) zu erzeugen; ein Dampferzeugungssystem (36) zum Empfangen dieses heissen expandierten Gases (46), um den ersten Dampfanteil (92) und einen zweiten Dampfanteil (94) zu erzeugen;
und ein Rankine-Turbinensystem (52), das diesen zweiten Dampfanteil (94) und den nicht entflammbaren Fluidstrom (98) empfängt, um Strom (42) und einen dritten Dampfanteil (56) zu erzeugen, wobei dieser dritte Dampfanteil (56) der Trenneinheit (78)zugeführt wird, um die Trennung der unerwünschten Spezies zu erleichtern.
10. Polygenerationssystem nach Anspruch 9, wobei der Wassergas-Shiftreaktor (76) und die Trenneinheit (78) zu einem Membranreaktor (118) kombiniert sind.
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