CN101397122A - 多联产系统 - Google Patents

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Abstract

一种多联产系统，其中所述多联产系统的各个单元被整合在一起以便有效地分离出不希望的物质。在一个实施例中，提供了一种多联产系统，所述多联产系统包括用于产生合成气的合成气发生器、用于从所述合成气中分离出不希望的物质以便产生经过富集的合成气的合成气富集单元和合成气利用系统，所述合成气利用系统利用所述经过富集的合成气来产生有用产物和流体物质流以便促进在所述合成气富集单元中分离出不希望的物质。在一些实施例中，所述多联产系统包括膜反应器、催化燃烧器和功率发生单元。所述功率发生单元可包括蒸汽轮机系统或兰金涡轮机系统或其组合。还提出了介于合成气富集单元与合成气利用系统之间的部件与整合方面的各种细节。

Description

多联产系统
与联邦资助的研究和开发相关的声明
本发明是由政府支持在能源部授予的合同号为DE-FC26-05NT42451的授权下而做出的。政府对本发明享有一定的权利。
技术领域
本发明主要涉及一种多联产(polygeneration)系统，且更特别地，本发明涉及将多联产系统的多个单元整合起来以便有效地分离出不希望的物质。
背景技术
工业化对环境产生的效应已经成为许多科技争论的主题，且最近的讨论集中在温室气体对全球变暖产生的效应。对于总的温室气体排放物而言，功率发生工业和大型化学工业尤其是其中的促进因素。与来自其它来源如汽车的具有分散本质的排放物相比，这些功率发生工业和大型化学工业的来源属于单点排放物源。在减少总的温室气体排放方面，所希望的是包含来自单点来源如功率发生来源的温室气体排放物。
已经开发出了多种技术来减少温室气体排放物，尤其是来自功率发生设备以及化学工业的二氧化碳。近来，密集的研究都聚焦于在燃烧前捕获二氧化碳和在燃烧后捕获二氧化碳。为了使功率发生工艺或化学生产工艺成为环境友好的工艺，将所有不希望的物质分离出来是很重要的，所述不希望的物质包括要不然将被排入环境中的二氧化碳。对不希望的物质进行的分离使得增加了产生功率或产生化学物质的总成本，因此，需要提供能够高效地捕获这些不希望物质的技术。
发明内容
根据一个方面，提供了一种多联产系统，所述多联产系统包括用于产生合成气的合成气发生器、用于从所述合成气中分离出不希望的物质以便产生经过富集的合成气的合成气富集单元、以及利用所述经过富集的合成气来产生有用产物和物质流以便促进在所述合成气富集单元中分离出不希望的物质的合成气利用系统。在一些实施例中，所述多联产系统包括气化器、颗粒去除单元、水煤气变换单元和功率发生单元。
在另一方面中，一种多联产系统包括用于产生合成气的合成气发生器、用于从所述合成气中分离出不希望的物质以便产生经过富集的合成气的合成气富集单元、以及功率发生单元，所述功率发生单元包括用于燃烧所述经过富集的合成气并且用来产生热膨胀气体的燃气轮机系统。所述热膨胀气体被用来在蒸汽发生系统中产生蒸汽的第一部分。所述功率发生系统包括蒸汽轮机系统，所述蒸汽轮机系统利用来自所述蒸汽发生系统的蒸汽的所述第一部分来产生功率并产生蒸汽的第二部分。蒸汽的所述第二部分被用来促进在所述合成气富集单元中进行的所述不希望的物质的分离。
在又一方面中，一种多联产系统包括用于产生合成气的合成气发生器、用于从所述合成气中分离出不希望的物质以便产生经过富集的合成气和包括所述不希望物质的流体物质流的合成气富集单元。所述多联产系统包括功率发生单元，所述功率发生单元包括用于燃烧所述经过富集的合成气和热膨胀气体的燃气轮机系统。所述热膨胀气体被用来在蒸汽发生系统中产生蒸汽的第一部分。功率发生系统包括兰金涡轮机，所述兰金涡轮机利用蒸汽的所述第一部分和来自所述合成气富集单元的包括所述不希望物质的流体物质流以便产生功率并产生蒸汽的第二部分。蒸汽的所述第二部分被用来促进在所述合成气富集单元中进行的所述不希望的物质的分离。
在又一方面中，一种多联产系统包括用于产生合成气的合成气发生器、包括水煤气变换单元和分离单元的合成气富集单元。所述水煤气变换单元接收所述合成气并产生富氢合成气。不希望的物质从所述富氢合成气中被分离出来以便产生经过富集的合成气和包括所述不希望的物质的流体物质流。所述多联产系统包括功率发生单元，所述功率发生单元包括燃气轮机系统、蒸汽发生系统和兰金涡轮机系统。所述经过富集的合成气在所述燃气轮机系统中进行燃烧以便产生功率并产生热膨胀气体。所述热膨胀气体被蒸汽发生系统接收以便产生蒸汽的第一部分和第二部分。蒸汽的所述第一部分和包括所述不希望的物质的所述流体物质流被所述兰金涡轮机系统接收以便产生功率并产生蒸汽的第三部分。蒸汽的所述第三部分被提供给所述分离单元以便促进所述不希望的物质的分离。
在又一方面中，一种多联产系统包括空气分离单元、合成气发生器、合成气富集单元、催化燃烧器和功率发生单元。在所述空气分离单元中产生富氧物质流，所述富氧物质流被传送至所述合成气发生器。所述合成气发生器包括气化器，所述气化器被构造成接收含碳燃料和所述富氧物质流以便产生合成气。所述合成气发生器进一步包括冷却单元以便接收所述合成气并且产生经过冷却的合成气。所述合成气富集单元包括颗粒去除单元、合成气脱硫单元、水煤气变换反应器和分离单元。所述经过冷却的合成气被所述颗粒去除单元接收以便产生无颗粒的合成气，所述无颗粒的合成气被所述合成气脱硫单元接收以便产生脱硫合成气。所述水煤气变换单元被构造成接收所述脱硫合成气和蒸汽的第一部分以便产生富氢合成气和蒸汽的第一部分。所述分离单元被构造成接收所述富氢合成气以便产生经过富集的合成气和包括所述不希望的物质的流体物质流。包括所述不希望的物质的所述流体物质流被传送至所述催化燃烧器以便产生不易燃物质流。所述功率发生单元包括燃气轮机系统、蒸汽发生系统和兰金涡轮机系统。所述燃气轮机被构造成接收所述经过富集的合成气以便产生功率并产生热膨胀气体，所述热膨胀气体被所述蒸汽发生系统接收以便产生蒸汽的所述第一部分和蒸汽的第二部分。所述兰金涡轮机系统接收蒸汽的所述第二部分和所述不易燃的流体物质流以便产生功率并产生蒸汽的第三部分，蒸汽的所述第三部分被传送至所述分离单元以便促进所述不希望的物质的分离。
附图说明
当结合附图阅读下面的详细描述时，将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，其中在所有的图中使用相似的附图标记表示相似的部件，其中：
图1示出了本发明的第一实施例；
图2示出了本发明的第二实施例；
图3示出了本发明的第三实施例；
图4示出了本发明的第四实施例；
图5示出了本发明的第五实施例；
图6示出了本发明的第六实施例；
图7示出了本发明的第七实施例；
图8示出了本发明的第八实施例；
图9示出了本发明的第九实施例；
图10示出了本发明的第十实施例；
图11示出了本发明的第十一实施例；
图12示出了一种典型的膜反应器；
图13示出了本发明的第十二实施例；
图14示出了本发明的第十三实施例；和
图15示出了一种典型的功率发生单元。
具体实施方式
多联产系统10包括合成气发生器4、合成气富集单元8和合成气利用系统18，如图1所示。含碳燃料2在合成气发生器4中被转化成合成气6，所述合成气6通常包括氢和一氧化碳。合成气6在合成气富集单元8中被富集以便产生经过富集的合成气14。经过富集的合成气14在合成气利用系统18中被用来产生有用产物22。来自合成气利用系统18的流体物质流16被用来促进在合成气富集单元8中进行的合成气富集从而由合成气6产生经过富集的合成气14。
含碳燃料2包括例如煤、石油、天然气、生物物质、废物或任何其它含碳材料。含碳燃料2在合成气发生器4中通过常规工艺被转化成合成气6，所述常规工艺包括，但不限于，气化、部分氧化、重整和自动热重整。在一个实施例中，合成气发生器4包括反应器单元且包括例如重整器；部分氧化(POX)反应器；自动热反应器和气化器。在一个实施例中，合成气发生器4可进一步包括用来冷却合成气6的装置。在另一实施例中，合成气发生器4中的未经过转化的含碳燃料循环返回(图1中未示出)从而与含碳燃料2混合。
在合成气富集单元8中，合成气6被富集以便产生经过富集的合成气14。合成气6的富集通常是通过提高合成气6中的氢和/或一氧化碳的浓度来实现的。合成气6可包括一些不希望的物质，所述不希望的物质可在合成气富集单元8中从合成气6中被分离出来。在一个实施例中，合成气6的富集是通过分离不希望的物质来实现的。所述不希望的物质包括，但不限于，颗粒、硫化合物、碳化合物、氯化合物、氮化合物、水、汞和氨。不希望的物质中的一些不希望的物质源自于含碳燃料2，而另一些不希望的物质则是在合成气发生器4中产生的。在一个实施例中，合成气富集单元8被构造成产生包含不希望的物质的废物物质流12。在一个实施例中，在合成气富集单元8中分离出不希望物质中的至少一部分不希望物质使得提高了合成气6中的氢和/或二氧化碳的浓度。
在一个实施例中，合成气6中的氢浓度通过合成气6与水或蒸汽的反应而被提高，该反应通常被称作水煤气变换反应。水煤气变换反应是无机化学反应，其中水与一氧化碳进行反应以便形成二氧化碳和氢且该反应如下所示
CO+H2O→CO2+H2
在一个实施例中，从合成气6中去除氢的至少一部分使得提高了一氧化碳的浓度。在另一实施例中，合成气6中的一氧化碳浓度通过使二氧化碳与碳进行反应而形成一氧化碳从而被提高，该反应通常被称作布多亚尔逆反应(reverse boudouard reaction)，该反应如下所示
CO2+C→2CO
合成气利用系统18是产生了有用产物22的单元，所述有用产物包括例如功率和化学物质。合成气利用系统18被构造成接收经过富集的合成气14并产生流体物质流16。在一个实施例中，流体物质流16通过提供合成气富集所需的热量而促进合成气的富集。在另一实施例中，流体物质流16提供了合成气富集所需的压力。在又一实施例中，流体物质流16提供了合成气富集的蒸汽需求。
图2示出了本发明的多联产系统20。典型的多联产系统20包括合成气发生器4、合成气富集单元8和合成气利用系统18。在一个实施例中，合成气利用系统18包括产生化学物质的化学合成单元24或者产生功率的功率发生单元32或者二者都包括。在一个实施例中，如图2所示，合成气利用系统18既包括化学合成单元24又包括功率发生单元32。
化学合成单元24被构造成接收来自合成气富集单元8的经过富集的合成气14中的一部分经过富集的合成气从而产生化学物质，所述化学物质包括氢、氨、二甲醚、甲醇或液态烃。在一个实施例中，化学合成单元24采用费托合成(Fischer-Tropsch)工艺来产生烃，所述烃例如为，但不限于，汽油和柴油。功率发生单元32被构造成接收经过富集的合成气14中的一部分经过富集的合成气作为燃料源来产生功率。
在一个实施例中，功率单元32是混合循环功率发生设备。典型的混合循环功率发生设备包括燃气轮机设备、热回收蒸汽发生器(HRSG)和蒸汽轮机设备。在燃气轮机设备中，燃料被燃烧从而产生加压燃烧气体，所述加压燃烧气体产生膨胀以便产生功率，且该热膨胀气体从燃气轮机被传送至热回收蒸汽发生器，所述热回收蒸汽发生器产生高压蒸汽，所述高压蒸汽在蒸汽轮机设备中产生膨胀以便产生附加功率。在混合循环功率发生设备中利用经过富集的合成气14作为燃料源带来了多个优点，这包括实现了燃料的清洁且高效的燃烧、实现了向大气的清洁排放并且实现了对包括二氧化碳的温室气体的高效捕获。在一个实施例中，功率发生单元32是利用经过富集的合成气14作为燃料源的简单循环燃气轮机设备。在另一实施例中，功率发生单元32是蒸汽轮机设备，所述蒸汽轮机设备利用锅炉中的经过富集的合成气14作为单个燃料源或者与其它燃料相结合以便产生推动蒸汽轮机运行的高压蒸汽。可与经过富集的合成气14一起使用的其它燃料包括，但不限于，煤、生物物质、石油和天然气。
正如前面的实施例中所述，来自合成气利用系统18的流体物质流16促进了合成气6在合成气富集单元8中的富集。在一个实施例中，流体物质流16是来自化学合成单元24的惰性气体物质流。在另一实施例中，流体物质流16是在热回收蒸汽发生器中产生的蒸汽。在又一实施例中，流体物质流16是在蒸汽轮机中部分膨胀的蒸汽。
图3示出了本发明的多联产系统30。在典型的多联产系统30中，功率发生单元32包括燃气轮机34、蒸汽发生器36和蒸汽轮机38。功率发生单元32产生了功率42和清洁的排出物44。与来自常规粉煤功率发生设备的排放物浓度相比，该清洁的排出物44具有更低的排放物浓度。排放物包括，但不限于，氮化合物、硫化合物、氯化合物、汞、氨和二氧化碳。燃气轮机34包括用来对含氧物质流(氧化剂)如空气进行压缩的压缩机、用来使燃料与压缩氧化剂燃烧以便产生加压燃烧气体的燃烧器(图3未示出)。在一个实施例中，经过富集的合成气14被用作燃气轮机34的燃烧器中的燃料。燃气轮机34包括膨胀器以使加压燃烧气体膨胀，所述膨胀器被联接至发生器(图中未示出)以便产生功率42和热膨胀气体46。来自燃气轮机34的热膨胀气体46被传送至蒸汽发生器36，所述蒸汽发生器利用膨胀气体46的热含量来产生高压蒸汽48。在蒸汽发生器36中产生的高压蒸汽48在蒸汽轮机38中产生膨胀以便产生功率42。
在一个实施例中，燃气轮机34和蒸汽轮机38被联接至相同的发生器。在一个实施例中，蒸汽轮机38是再热式涡轮机，其中蒸汽流从高压部段中被取出并且在蒸汽发生器36中加入了附加热量之后被返回中压部段，由此增加净功率输出。在一个实施例中，部分膨胀的流体物质流28从蒸汽轮机38中被取出而用于合成气富集单元8中以便促进从合成气6中分离出不希望的物质从而产生经过富集的合成气14。
通过适当的技术从合成气6中分离出不希望的物质，所述适当的技术包括物理分离技术和化学分离技术。在一个实施例中，合成气6中的颗粒是通过用水冲洗合成气6来分离的。在另一实施例中，通过用氨溶液净化合成气6而从合成气6中分离出包括硫化合物的不希望的物质中的一些不希望的物质。在又一实施例中，通过利用采用溶剂的吸收技术来分离出包括硫化合物和碳化合物的不希望的物质中的一些不希望的物质。
在一个实施例中，利用膜分离技术从合成气6中分离出不希望的物质。膜分离技术中的驱动力包括压力和/或穿过膜的浓度差。在简单的膜分离工艺中，供给物质流被供给在膜的一侧上，其中膜对于不同物质具有不同的透过率，因此实现了物质的分离。透过率被定义为单位时间穿过单位面积的膜的物质的摩尔流量。通常采用载体物质流以便载运透过膜的物质，由此提高分离效率。载体物质流的特征使得可通过简单的工艺从该载体物质流中分离出透过的物质。在一个实施例中，流体物质流28被用作载体以便从合成气6中分离出不希望的物质。
在一个实施例中，要在合成气富集单元8中被分离的不希望的物质是二氧化碳，且为了实现该分离，利用了对二氧化碳具有高透过率的膜。蒸汽对于二氧化碳而言是优选载体，原因在于可易于通过简单的冷凝工艺从蒸汽中分离出二氧化碳。在一个实施例中，流体物质流28被用作载体以便高效地载运被透到膜的另一侧的二氧化碳。
图4示出了本发明的多联产系统40。在典型的多联产系统40中，功率发生单元32包括兰金涡轮机52。在一个实施例中，合成气富集单元8被构造成产生了包含不希望物质的第一部分的废物物质流12和包含不希望物质的第二部分的流体物质流54。在一个实施例中，流体物质流54与高压蒸汽48一起被用作兰金涡轮机52中的工作流体。利用除高压蒸汽48以外的流体物质流54作为兰金涡轮机52中的工作流体使得提高了来自兰金涡轮机52的功率输出。兰金涡轮机52的工作流体可包括蒸汽或二氧化碳或氮或其组合。在一个实施例中，兰金涡轮机52被构造成产生流体物质流56，所述流体物质流被传送至合成气富集单元8以便促进合成气富集。
在一个实施例中，水煤气变换反应被用于合成气富集单元8中进行合成气富集，且流体物质流56被用来提供水煤气变换反应所需的蒸汽。在一个实施例中，采用溶剂在合成气富集单元8中分离出不希望的物质，且利用流体物质流56来提供溶剂再生所需的热量。在另一实施例中，采用膜分离技术在合成气富集单元8中分离不希望的物质，且流体物质流56被用作透过膜的不希望物质的载体。在一个实施例中，不希望物质的第一部分在合成气富集单元8中作为废物物质流12被分离出来，如图4中的虚线所示。载运着不希望物质的第二部分的流体物质流54在兰金涡轮机52中产生膨胀，且不希望物质的第二部分作为流体物质流13从功率发生单元32中被分离出来。在一个实施例中，不希望物质作为废物物质流12从合成气富集单元8中被分离出来，或者作为流体物质流13从功率发生单元32中被分离出来，或者既作为废物物质流12从合成气富集单元8中被分离出来又作为流体物质流13从功率发生单元32中被分离出来。
图5示出了本发明的多联产系统50。典型多联产系统50包括化学合成单元24。在一个实施例中，经过富集的合成气14的第一部分53被传送至化学合成单元24。在另一实施例中，经过富集的合成气14的第二部分55被传送至功率发生单元32的燃气轮机34。以组合方式既产生化学物质又产生功率提供了将这两种工艺整合在一起从而高效且经济地既产生功率又产生化学物质的机会。
图6示出了本发明的多联产系统60。典型的多联产系统60包括空气分离单元(ASU)62。在一个实施例中，空气58在空气分离单元62中被分离成富氧物质流74和贫氧物质流68。在本文的整个范围内，如果流体物质流中的物质浓度大于该物质在产生出该物质的物质流中的浓度，则称该物质在该流体物质流中是富化的。另一方面，如果流体物质流中的物质浓度小于该物质在产生出该物质的物质流中的浓度，则称该物质在该流体物质流中是贫化的。
在一个实施例中，富氧物质流74被传送至合成气发生器4。利用富氧物质流74代替空气58来产生合成气6带来的优点在于：使合成气发生器4的体积更小。利用富氧物质流的另一优点在于：提高了所产生的合成气的热值。在另一实施例中，利用流体物质流56的第一部分66以便促进在空气分离单元62中进行空气分离，且流体物质流56的第二部分64被传送至合成气富集单元8以便促进合成气富集。在一个实施例中，在空气分离单元62中采用膜分离技术，且流体物质流66被用作透过膜的物质的载体。在一个实施例中，膜是可透过氧的。来自空气分离单元62的贫氧物质流68与来自合成气富集单元8的流体物质流54混合以便形成混合物质流72，所述混合物质流72被传送至拦击涡轮机52。将贫氧物质流68添加到流体物质流54中以便形成混合物质流72使得增加了通往兰金涡轮机52的质量流，由此增加了净功率输出。混合的物质流72和来自蒸汽发生器36的高压蒸汽48被用作兰金涡轮机52中的工作流体。在一个实施例中，贫氧物质流68的一部分被传送至燃气轮机34作为冷却剂，由图6中的虚线所示，从而提高功率发生的效率。在本文的所有范围内，虚线表示可选实施例。在另一实施例中，燃气轮机单元34的压缩机被用来对空气分离单元62的空气58进行压缩(图6中未示出)。
图7示出了本发明的多联产系统70。典型的多联产系统70包括水煤气变换(WGS)单元76和分离单元78。在一个实施例中，来自合成气发生器4的合成气6被传送至水煤气变换单元76，其中发生水煤气变换反应以便产生富含氢的富氢合成气88。在一个实施例中，富氢合成气88被传送至分离单元78以便产生载运着不希望物质中的一部分不希望物质的流体物质流82。在一个实施例中，采用多个分离单元78来分离不希望的物质。在一个实施例中，分离单元78是膜分离器。在一个实施例中，包括来自分离单元78的不希望物质中的一部分不希望物质的流体物质流82被传送至兰金涡轮机52作为工作流体。流体物质流56在适当的压力和温度条件下从兰金涡轮机中被抽出以使多联产系统的总效率最大化。在一个实施例中，流体物质流56在水煤气变换单元76的运行压力和温度下被抽出。在另一实施例中，流体物质流56在分离单元78的运行条件下从兰金涡轮机52中被抽出。在又一实施例中，流体物质流82是贫氢的且包含流体物质流56的一部分。
水煤气变换单元76可以是催化或非催化反应器单元。水煤气变换单元76中利用的一些催化剂包括，但不限于，铁的氧化物、铬、铜、锌、钴和钼。水煤气变换单元76可利用包括硫化合物的含硫合成气或者利用没有硫化合物的脱硫合成气。没有一词应该被理解为物质的浓度较低而不是完全没有该物质。水煤气变换反应是放热反应并因此产生热量。在一个实施例中，水煤气变换反应中产生的热量从水煤气变换单元76中被去除。
图8示出了本发明的多联产系统80。高压蒸汽48被分成两条物质流，第一部分92和第二部分94。在一个实施例中，高压流体物质流92提供了水煤气变换单元76中的水煤气变换反应所需的蒸汽，由此使得能够在高压下运行水煤气变换单元76。在高压下运行水煤气变换单元76是有利的，原因在于其需要水煤气变换单元76有更小的体积。在一个实施例中，当合成气发生器4在高压下运行时，在高压下运行水煤气变换单元76使得提高了总的系统效率。在另一实施例中，兰金涡轮机52被构造成接收高压下的流体物质流94，所述流体物质流94产生部分膨胀以便产生处在比流体物质流94更低的压力下的流体物质流56。在一个实施例中，从兰金涡轮机52中抽出的流体物质流56被传送至分离单元78以便促进由富氢合成气88产生富集合成气14。当采用压力驱动的膜分离工艺时，将高压物质流94用于水煤气变换单元76中进行水煤气变换反应并且将低压物质流56用于分离单元是尤其有利的。
图9示出了本发明的多联产系统90。典型的多联产系统90包括催化燃烧器96，所述催化燃烧器被构造成接收来自分离单元78的流体物质流82。在一个实施例中，来自分离单元78的流体物质流82包括氢或一氧化碳，所述氢或一氧化碳在催化燃烧器96中进行燃烧。当在分离单元78中利用膜分离技术时，一些量的氢和一氧化碳与在分离单元78中被分离出来的不希望物质一起透过膜并因此变为流体物质流82的一部分，所述流体物质流被传送至兰金涡轮机52作为工作流体。所希望的是限制在兰金涡轮机52中被用作工作流体的流体物质流中的氢和/或一氧化碳的浓度，原因有两个。一个原因是，当从功率发生单元32中分离出这些物质时这些物质会损失热值，且另一原因是，如果氢和一氧化碳被引入功率发生单元32中的环境气氛内，则由于它们的易燃本质而可能带来安全风险。因此，利用能够在极低浓度的氢和/或二氧化碳下运行的催化燃烧器96是有利的。在一个实施例中，催化燃烧器96被构造成接收载运着不希望物质中的一部分不希望物质的流体物质流82并且产生热量和不易燃流体物质流98。
图10示出了本发明的多联产系统100。在典型的多联产系统100的一个实施例中，来自兰金涡轮机52的流体物质流56被分成两条物质流，第一部分102和第二部分104。在一个实施例中，流体物质流102被传送至蒸汽发生器36且流体物质流104被传送至合成气富集单元8的分离单元78。将流体物质流102传送至蒸汽发生器36带来的一个优点是提高了热含量，这进一步提高了多联产系统100的总效率。
图11示出了本发明的多联产系统110。典型的多联产系统110包括合成气富集单元8，所述合成气富集单元包括杂质去除单元106和膜反应器118。杂质去除单元106从合成气6中分离出不希望物质的一部分并且产生经过净化的合成气122。在一个实施例中，水煤气变换单元76和分离单元78被组合成膜反应器118。膜反应器118被构造成接收经过净化的合成气122并且产生经过富集的流体物质流14和载运着不希望物质的一部分的流体物质流82。在一个实施例中，从兰金涡轮机52中抽出的流体物质流56被分成三条物质流：被传送至蒸汽发生器36的第一流体物质流102、被传送至膜反应器118的分离单元78的第二流体物质流104以及被传送至杂质去除单元106的第三流体物质流114。
在一个实施例中，杂质去除单元106大体上去除了不希望物质中的一些不希望物质而作为流体物质流15的一部分，这包括，但不限于，颗粒、硫的氧化物、氯化合物和氨。大体上去除不希望物质是指去除了总杂质中约80％至约95％的杂质。通常情况下，膜反应器118处理某些类型的不希望物质如颗粒的能力是有限的且因此有必要在合成气6被传送至膜反应器118之前去除这些不希望的物质。
膜反应器118具有适当构型，这包括例如中空纤维模块、螺旋卷绕模块、板型和框型膜模块。在图12所示的一种典型构型中，膜反应器118是中空纤维膜模块。在膜反应器118中，水煤气变换反应和不希望物质的分离是同时发生的，由此改变了水煤气变换反应的平衡而促进了转化。促进的转化允许水煤气变换单元76具有更小的反应器体积，由此帮助提高总的系统效率。在一个实施例中，水煤气变换催化剂位于如图12所示的壳体侧中。位于膜的任一侧上的物质流可沿相同方向(同向)流动或沿相反方向(对流)流动。在一个实施例中，位于膜反应器118的壳体侧和管道侧上的物质流是对流，如图12所示。在另一实施例中，流是同向流(图12中未示出)。
参考图11所示的典型多联产系统110和图12所示的膜反应器118，在一个实施例中，来自杂质去除单元106的经过纯化的合成气122和来自蒸汽发生器36的流体物质流92被传送在膜反应器118的壳体侧上，在所述膜反应器中发生水煤气变换反应以便产生二氧化碳和氢。在一个实施例中，水煤气变换催化剂被置于壳体侧上。在另一实施例中，设置成取出由水煤气变换反应产生的热量(图9中未示出)。
在一个实施例中，膜可透过二氧化碳，且流体物质流104被用作透过膜反应器118的膜壁的二氧化碳的载体。通过利用可选择性地透过二氧化碳的膜，同时实现了二氧化碳的分离并且促进了经过纯化的合成气122的转化而产生氢。采用膜反应器118的另一优点是可在高压下进行水煤气变换反应，当可在高压下得到经过纯化的合成气122时，这提高了总的系统效率。用于在膜反应器118中进行分离的驱动力是穿过膜的压力差，且利用高压物质流92作为反应剂且利用低压流物质流104作为二氧化碳的载体使得提供了该驱动力。
载运着透过膜的组分的流体物质流82被传送至催化燃烧器96以便产生与高压蒸汽94一起作为工作流体被传送至兰金涡轮机52的不易燃流体物质流98，所述组分包括，但不限于，二氧化碳、氢、一氧化碳。在流体物质流98在兰金涡轮机52中膨胀之后，由流体物质流98载运的不希望物质作为流体物质流13被分离出来。因此，将功率发生单元32与合成气富集单元8整合在一起使得提高了本发明的多联产系统的总效率。
在另一实施例中，利用流体物质流114以便促进从杂质去除单元106中去除不希望物质从而产生载运着不希望物质的一部分的流体物质流15。正如前面的实施例中所述，在合成气富集单元8中或者在功率发生单元32中或者既在合成气富集单元8中又在功率发生单元32中分离出不希望的物质。
图13示出了本发明的多联产系统130。典型的多联产系统130包括变压吸附单元(PSA)126以便产生高纯度氢。来自变压吸附单元126的氢的纯度高于约95％。在一个实施例中，来自合成气富集单元8的经过富集的合成气14的第一部分124被传送至变压吸附单元126以便产生高纯度氢(例如图13所示的H2)和包含一些氢的变压吸附单元废气物质流128。在一个实施例中，变压吸附单元废气物质流128被传送至催化燃烧器96以便与流体物质流82一起燃烧从而产生附加热量并产生不易燃流体物质流98。经过富集的合成气14的第二部分132被传送至功率发生单元32的燃气轮机单元34。
图14示出了本发明的多联产系统140。典型的多联产系统140包括合成气发生器4、合成气富集单元8，所述合成气发生器包括气化器134和合成气冷却器136，所述合成气富集单元包括颗粒去除单元146和合成气脱硫单元138。在一个实施例中，来自空气分离单元62的富氧物质流74以及含碳燃料2被供给至气化器134以便产生合成气6，所述合成气在合成气冷却器136中被冷却以便产生冷却合成气142。在一个实施例中，来自空气分离单元62的贫氧物质流68被传送至燃气轮机34(图14未示出)。在一个实施例中，气化器134和合成气冷却器136被组合成单个单元，且在另一实施例中，它们是独立的单元。在一个实施例中，合成气冷却器136是辐射合成气冷却器，且在另一实施例中，合成气冷却器136是急冷单元。在一个实施例中，合成气富集单元8包括颗粒去除单元146、合成气脱硫单元138和膜反应器118。在一个实施例中，冷却合成气142被供给进入颗粒去除单元146内并且产生了无颗粒合成气152。无颗粒合成气152被传送至合成气脱硫单元138并且产生了无硫合成气154和含硫物质流148。无硫合成气154被进一步供给至膜反应器单元118，其中无硫合成气154在水煤气变换单元76中经受水煤气变换反应并且在分离单元78中分离出不希望物质以便产生经过富集的合成气14。
图15示出了典型的功率发生单元32。在一个实施例中，兰金涡轮机52包括高压涡轮机(HPT)158、中压涡轮机(IPT)162和低压涡轮机(LPT)164。在一个典型实施例中，来自合成气富集单元的经过富集的合成气14在燃气轮机34中进行燃烧以便产生功率42。来自燃气轮机34的热膨胀气体46被传送至蒸汽发生器36以便产生高压蒸汽48和清洁的排出物44，所述清洁的排出物从烟囱156被导入大气内。在一个实施例中，流体物质流92被传送至膜反应器118以便参与水煤气变换反应。在一个实施例中，物质流92和经过富集的合成气14处于约4.5Mpa(约45巴)的压力下。高压蒸汽48的第二部分94在高压涡轮机158中进行膨胀。来自高压涡轮机的流体物质流104被用作膜反应器118中的载体以便载运不希望物质。在一个实施例中，流体物质流104处在约4Mpa(约40巴)的压力下。不易燃物质流98在中压涡轮机162中进行膨胀，所述中压涡轮机被连接至低压涡轮机164。来自低压涡轮机164的流体物质流被传送至冷凝器，其中不希望物质作为流体物质流13被分离出来且剩余流体进行再循环(图15未示出)。
尽管在本文中仅图示和描述了本发明的某些特征，但本领域的技术人员将易于作出多种变型和变化。因此，应该理解：所附权利要求书旨在覆盖落入本发明的真实精神内的所有这种变型和变化。
附图标记列表
2 含碳燃料
4 合成气发生器
6 合成气
8 合成气富集单元
10 图1所示的多联产系统
12 载运着不希望物质的废物物质流
13 载运着从功率发生单元32中取出的不希望物质的流体物质流
14 经过富集的合成气
15 载运着来自杂质去除单元106的不希望物质的流体物质流
16 用来促进合成气富集的流体物质流
18 合成气利用系统
20 图2所示的多联产系统
22 有用产物
24 化学合成单元
28 从蒸汽轮机通往合成气富集单元的流体物质流
30 图3所示的多联产系统
32 功率发生单元
34 燃气轮机
36 蒸汽发生器
38 蒸汽轮机
40 图4所示的多联产系统
42 功率
44 清洁的排出物
46 热膨胀气体
48 高压物质流
50 图5所示的多联产系统
52 兰金涡轮机
53 被传送至化学合成单元的经过富集的合成气14的第一部分
54 从合成气富集单元通往兰金涡轮机的流体物质流
55 被传送至燃气轮机的经过富集的合成气14的第二部分
56 从兰金涡轮机通往合成气富集单元的流体物质流
58 空气
60 图6所示的多联产系统
62 空气分离单元
64 被传送至合成气富集单元8的流体物质流56的第二部分
66 被传送空气分离单元62的流体物质流56的第一部分
68 贫氧物质流
70 图7所示的多联产系统
72 混合物质流
74 富氧物质流
76 水煤气变换单元
78 分离单元
80 图8所示的多联产系统
82 图7所示的包含不希望物质的流体物质流
84 图7所示的从兰金涡轮机通往合成气富集单元的流体物质流
88 富氢合成气
90 图9所示的多联产系统
92 高压蒸汽48的第一部分
94 高压蒸汽48的第二部分
96 催化燃烧器
98 来自催化燃烧器的不易燃流体物质流
100 图10所示的多联产系统
102 流体物质流84的第一部分
104 流体物质流84的第二部分
106 杂质去除单元
110 图11所示的多联产系统
114 流体物质流84的第三部分
118 膜反应器
120 图12所示的多联产系统
122 经过纯化的合成气
124 经过富集的合成气14的第一部分
126 变压吸附单元(psa)
128 变压吸附单元废气物质流
130 图13所示的多联产系统
132 经过富集的合成气14的第二部分
134 气化器
136 合成气冷却器
138 合成气脱硫单元
140 图14所示的多联产系统
142 冷却合成气
146 颗粒去除单元
148 含硫物质流
152 无颗粒合成气
154 无硫合成气
156 烟囱
158 高压涡轮机(HPT)
162 中压涡轮机(IPT)
164 低压涡轮机(LPT)

Claims (10)

1、一种多联产系统，所述多联产系统包括：
用于产生包括一氧化碳和氢的合成气(6)的合成气发生器(4)；
用于接收所述合成气(6)并且用于从所述合成气中分离出不希望的物质以便产生经过富集的合成气(14)的合成气富集单元(8)；和
用来利用所述经过富集的合成气(14)来产生有用产物(22)和要被提供给所述合成气富集单元(8)的流体物质流(16)以便促进所述不希望物质的分离的合成气利用系统(18)。
2、根据权利要求1所述的多联产系统，其中所述合成气富集单元(8)进一步包括膜反应器(118)。
3、根据权利要求1所述的多联产系统，其中所述合成气利用系统(18)进一步包括功率发生单元(32)或化学合成单元(24)或其组合。
4、一种多联产系统，所述多联产系统包括：
用于产生包括一氧化碳和氢的合成气(6)的合成气发生器(4)；
用于接收所述合成气(6)并且用于从所述合成气中分离出不希望的物质以便产生经过富集的合成气(14)的合成气富集单元(8)；和
功率发生单元(32)，所述功率发生单元包括：
用于燃烧所述经过富集的合成气(14)以便产生功率(42)和热膨胀气体(46)的燃气轮机系统(34)；
用于接收所述热膨胀气体(46)以便产生蒸汽的第一部分(48)的蒸汽发生系统(36)；和
用于接收蒸汽的所述第一部分(48)以便产生功率(42)和蒸汽的第二部分(28)的蒸汽轮机系统(38)，其中蒸汽的所述第二部分(28)被提供给所述合成气富集单元(8)以便促进所述不希望物质的分离。
5、一种多联产系统，所述多联产系统包括：
用于产生包括一氧化碳和氢的合成气(6)的合成气发生器(4)；
用于接收所述合成气(6)并且用于产生经过富集的合成气(14)和包括不希望物质的流体物质流(54)的合成气富集单元(8)；和
功率发生单元(32)，所述功率发生单元包括：
用于燃烧所述经过富集的合成气(14)以便产生功率(42)和热膨胀气体(46)的燃气轮机系统(34)；
用于接收所述热膨胀气体(46)以便产生蒸汽的第一部分(48)的蒸汽发生系统(36)；和
接收蒸汽的所述第一部分(48)和包括不希望物质的所述流体物质流(54)以便产生功率(42)和蒸汽的第二部分(56)的兰金涡轮机系统(52)，其中蒸汽的所述第二部分(56)被提供给所述富集单元(8)以便促进所述不希望物质的分离。
6、一种多联产系统，所述多联产系统包括：
用于产生包括一氧化碳和氢的合成气(6)的合成气发生器(4)；
合成气富集单元(8)，所述合成气富集单元包括：
用于接收所述合成气(6)并且用于产生富氢合成气(88)的水煤气变换单元(76)；和
用于接收所述富氢合成气(88)并且用于从所述富氢合成气中分离出不希望的物质以便产生经过富集的合成气(14)和包括所述不希望物质的流体物质流(82)的分离单元(78)；
功率发生系统(32)，所述功率发生系统包括：
用于燃烧所述经过富集的合成气(14)以便产生功率(42)和热膨胀气体(46)的燃气轮机系统(34)；
用于接收所述热膨胀气体(46)以便产生蒸汽的第一部分(48)的蒸汽发生系统(36)；和
接收蒸汽的所述第一部分(48)和包括所述不希望物质的所述流体物质流(82)以便产生功率和蒸汽的第二部分(56)的兰金涡轮机系统(52)，其中蒸汽的所述第二部分(56)被提供给所述富集单元(8)以便促进所述不希望物质的分离。
7、根据权利要求6所述的多联产系统，进一步包括接收包括所述不希望物质的所述流体物质流(82)的催化燃烧器(96)。
8、一种多联产系统，所述多联产系统包括：
用于产生包括一氧化碳和氢的合成气(6)的合成气发生器(4)；
合成气富集单元(8)，所述合成气富集单元包括：
被构造成用来接收所述合成气(6)和蒸汽的第一部分(92)以便产生富氢合成气(88)的水煤气变换单元(76)；
被构造成用于接收所述富氢合成气(88)并且用于从所述富氢合成气中分离出不希望的物质以便产生经过富集的合成气(14)和包括所述不希望物质的流体物质流(82)的分离单元(78)；和
功率发生系统(32)，所述功率发生系统包括：
用于燃烧所述经过富集的合成气(14)以便产生功率(42)和热膨胀气体(46)的燃气轮机系统(34)；
用于接收所述热膨胀气体(46)以便产生蒸汽的所述第一部分(92)和蒸汽的第二部分(94)的蒸汽发生系统(36)；和
接收蒸汽的所述第二部分(94)和包括所述不希望物质的所述流体物质流(82)以便产生功率(42)和蒸汽的第三部分(56)的兰金涡轮机系统(52)，其中蒸汽的所述第三部分(56)被提供给所述分离单元(78)以便促进所述不希望物质的分离。
9、一种多联产系统，所述多联产系统包括：
用于接收空气(58)并且产生富氧物质流(74)的空气分离单元(62)；
合成气发生器(4)，所述合成气发生器包括：
用于接收含碳燃料(2)和所述富氧物质流(74)以便产生包括一氧化碳和氢的合成气(6)的气化器(134)；和
用于接收所述合成气(6)并且产生经过冷却的合成气(142)的冷却单元(136)；
合成气富集单元(8)，所述合成气富集单元包括：
用于接收所述经过冷却的合成气(142)并且用来产生无颗粒合成气(152)的颗粒去除单元(146)；
用于接收所述无颗粒合成气(152)并且用来产生无硫合成气(154)的合成气脱硫单元(138)；
用于接收所述无硫合成气(154)和蒸汽的第一部分(92)以便产生富氢合成气(88)的水煤气变换反应器(76)；和
用于接收所述富氢合成气(88)并且用于从所述富氢合成气中分离出所述不希望物质以便产生经过富集的合成气(14)和包括所述不希望物质的流体物质流(82)的分离单元(78)；
用于接收包括所述不希望物质的所述流体物质流(82)并且用来产生不易燃流体物质流(98)的催化燃烧器(96)；和
功率发生系统(32)，所述功率发生系统包括：
用于燃烧所述经过富集的合成气(14)以便产生功率(42)和热膨胀气体(46)的燃气轮机系统(34)；
用于接收所述热膨胀气体(46)以便产生蒸汽的所述第一部分(92)和蒸汽的第二部分(94)的蒸汽发生系统(36)；和
接收蒸汽的所述第二部分(94)和所述不易燃流体物质流(98)以便产生功率(42)和蒸汽的第三部分(56)的兰金涡轮机系统(52)，其中蒸汽的所述第三部分(56)被提供给所述分离单元(78)以便促进所述不希望物质的分离。
10、根据权利要求9所述的多联产系统，其中所述水煤气变换反应器(76)和所述分离单元(78)被组合成膜反应器(118)。
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