CN106660001A - 用于并行产生机械功率和制造烃的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

提出了一种用于组合产生机械功率和制造烃的方法，其中为了产生机械功率，至少一个内燃机(1)被点火，由此产生燃烧废气(c)，并且为了产生烃，使用燃料(e)和助燃气体(d)加热至少一个反应器(2)。本发明规定至少一部分助燃气体(d)通过与来自内燃机(1)的至少一部分燃烧废气(c)的间接热交换而被加热。本发明还涉及一种相应的设备(100，200)。

Description

用于并行产生机械功率和制造烃的方法和设备
技术领域
本发明涉及根据独立权利要求的前序部分的用于并行产生机械功率和制造烃的方法和设备。
背景技术
在用于制备化学反应产物的众多方法中，采用了包括由燃烧器加热的反应器管的反应器，使进料通过反应器管，然后至少部分地反应以形成所需的反应产物。这种方法的实例包括蒸汽裂化，烷烃脱氢以及合成气或氨的生成。
在文献中广泛描述了相应的方法和装置。对于用于蒸汽裂化的方法和装置，可以参考例如《乌尔曼工业化学大全》(Ullmann′s Encyclopedia of Industrial Chemistry)中的文章“Ethylene”(自2007年4月15日可在线阅读，DOI 10.1002/14356007.a10_045.pub2)。用于烷烃脱氢，尤其是丙烷至丙烯和异丁烷至异丁烯的脱氢的方法和装置可以在例如《乌尔曼工业化学大全》的文章“Propene”中找到(自2000年6月15日可获得在线版，DOI10.1002/14356007.a22_211，第4.3节，“Propane Dehydrogenation”)。
长期以来人们一直希望将这种反应器与用于产生机械功率的装置联接。后者可以例如使用内燃机，特别是燃气轮机来实现。已知的燃气-蒸汽方法及相应的装置用作这种组合方法的实例。
在如图1所示和下文描述的燃气-蒸汽方法中，含氧的助燃气体(通常为空气)通过燃气轮机吸入并被压缩。将合适的燃料，通常为天然气或一些其它气体混合物，引入燃气轮机的燃烧室中，并在由助燃气体形成的气氛中在压力下燃烧。对由此形成的燃烧废气(也称为热气体)的减压驱动了燃气轮机的膨胀级，并且由此驱动了与燃气轮机联接的发电机。
仍存在于燃气轮机下游的燃烧废气中的热可用于废热蒸汽发生器(所谓的热回收蒸汽发生器HRSG)以产生加压蒸汽。加压蒸汽可用于驱动蒸汽轮机。蒸汽轮机的功率通常用于在联接到燃气轮机的发电机或在另一发电机中进一步产生电能。
使用前述燃气轮机和加热反应器的组合方法基本上也是已知的，如参考图3所解释的。然而，如下文详细描述的，在这种设备中使用的反应器的辐射区效率显著降低。因此，这种设备的总效率最多略高于用于产生电能和用于回收烃的单独设备的总效率。因此，组合设备的低的效率优势通常不能为将它们联接的费用辩护。
特别是在这种类型的设备中，在被加热的反应器的运行中存在对燃气轮机的运行依赖性。如果后者不能使用，在极端情况下，反应器也必须关闭，这相应地导致昂贵的生产损失。通常，上述反应器可以设计为长期运行多年，或者以多个并行单元的形式构建，所述并行单元交替地维护或再生。在蒸汽裂化方法中，例如，5至10个反应器可以一直处于运行中，一个反应器处于所谓的脱焦模式。但是，燃气轮机需要明显更频繁的维护。
GB 2148734 A公开了具有高速流化床反应器的发电厂。提供了细分的热传递流化床，其被指定为旋动由流化床反应器产生的热灰并从中提取热量。装置被提供，其指定为控制流通过热传递床的由细分形成的一些区段的这部分热灰，以分别控制这些区段的功率增益。细分的流化床的一区段可产生过程蒸汽，而另一区段可提供用于涡轮机的热的过程空气。
从US 5,048,284A和从GB 2 296 719A已知了组合方法，其中进行自热重整并且操作涡轮机。从FR 1 445 870 A已知一种与涡轮机组合操作的重整反应器。
因此，本发明的问题是改进用于产生电能和用于制造烃的组合方法，特别是在其效率方面。
发明内容
该问题通过具有独立权利要求的特征的用于产生机械功率和制造烃的方法和设备来解决。优选实施例是下面的从属权利要求和描述的主题。
在说明本发明的特征之前，将对它们的基础和使用的术语进行说明。
在下面的描述中，经常提及热过程的效率；适用于以下定义：
燃烧(“热”)效率(FTW，ny_FTW)表示引入的加热功率(P_供应)的比例，其不会通过燃烧废气(P_废气)损失到环境中：
ny_FTW＝1-P_废气/P_供应。
在此不考虑由热部件的热传导引起的对环境的损失，因为它们通常明显小于废气损失。
辐射区效率(SZW，ny_SZ)表示引入的加热功率(P_供应)的比例，其间接地转移到燃烧室中的过程介质(P_过程)：
ny_SZ＝P_过程/P_供应。
转移通常在显著高于1000℃的温度下进行，并且优选通过辐射进行。用于蒸汽裂化的反应器的典型辐射区效率为大约0.42(42％)，这种反应器仅被直接加热，即仅通过燃烧器而不是例如通过预热的助燃空气加热。
电效率(ny_el)表示作为以电功率形式的净功率释放的热功率过程引入的加热功率的比例(净功率表示热功率过程的功率减去辅助装备例如泵和压缩机所需的功率)：
ny_el＝P_el/P_供应。
术语“能效”在此通常被用作比较术语，其评估或量化不同方法或组合方法所需的加热功率，以便产生特定量的一个或多个产品或产生特定量的电功率。该术语例如用于通过一级蒸汽过程，燃气轮机以及组合的燃气-蒸汽方法产生电功率。通常，效率按照指定的顺序增加，即用于产生的特定量的电流的加热功率下降。
在本申请的范围内，燃料的燃烧功率通常与较低的热值(Hu)相关。它是指在燃烧中可以使用的最大热量，其中基于所使用的燃料量，废气中包含的水蒸气不会冷凝。
在通常的用语中，术语“燃气轮机”是指如已经提到的，包括压缩级，作为实际燃气轮机的膨胀级以及连接在压缩级和膨胀级之间的燃烧室的布置。燃烧室通过压缩级供应压缩的助燃气体，例如空气。燃料(其通常为液态或气态)通过燃料入口进入燃烧室。燃料与燃烧室中的气体混合物一起燃烧，以形成燃烧废气，即所谓的热气体。热气在膨胀级中被减压，在此热功率被转化成机械功率。机械功率通过一个或多个轴导出。一部分机械功率用于运行压缩级，而剩余的用于例如驱动发电机。在减压之后，燃烧气体作为废气排出，或者如在本情况中用作加热介质。
在本申请的范围内，术语“助燃气体”用于传达的概念是燃料的燃烧不一定必须用空气(“助燃空气”)进行，而是也可以在不同的气体混合物中进行，虽然它必须含有氧气。
如在燃气轮机的情况下，如上所述，除了燃料之外，向燃烧式反应器提供助燃气体，该燃料在相应的用于欠燃烧的燃烧器中燃烧。通常，使用空气作为助燃气体。但是，来自燃气轮机的燃烧废气也可以至少部分地用作助燃气体。这可行的原因在于燃料在燃气轮机中的燃烧通常以明显过化学计量的氧气供应而进行的。因此，在燃烧废气中仍然存在大量的氧，使得燃烧废气在反应器中能够用作助燃气体。除了来自燃气轮机的燃烧废气之外，附加空气或含氧气体混合物也可以用于这种用于调节燃烧的反应器中。下面描述当使用来自燃气轮机的燃烧废气作为助燃气体时产生的问题，并且形成本发明的起点。
发明优点
本发明从用于产生机械功率和制造烃的基本已知的组合方法开始，其中，为了产生机械功率，至少一个内燃机被点火，产生了燃烧废气，并且其中，为了产生烃，使用燃料和助燃气体加热至少一个反应器。
根据本发明，规定至少一部分助燃气体通过与来自内燃机的至少一部分燃烧废气的间接热交换而被加热。换句话说，根据本发明，不是所有的而是仅仅一部分燃烧废气被供应到反应器。通过另一部分或全部燃烧废气预热外部供应的助燃气体，例如空气。
当本申请谈及将燃料、助燃气体和/或燃烧废气“供应”或“供给”到反应器中时，这意味着将其供给到相应的燃烧器或燃烧室中，而不是到反应区中，例如反应器的反应管。通过反应区，例如反应管的气体混合物在本申请的范围内被称为(管侧)过程气体。
本发明特别适用于其中产生的机械功率至少部分地用于驱动发电机，即至少部分地转化成电功率的方法。然而，当至少一个轴，例如压缩机和/或泵的至少一个轴至少部分地通过机械功率驱动时，本发明也可以是有利的。在这种情况下，从动单元可以例如是用于生产烃的方法的一部分。例如，机械功率可以驱动用于压缩过程气体或蒸汽的压缩机。
本发明是基于这样的发现，即根据现有技术的相应组合方法中的反应器的效率，更确切地说，上文所定义的辐射区效率尤其是由于以下事实而显著降低：在能量平衡方面，来自燃气轮机的直接供给到反应器中以支持燃料燃烧的燃烧废气已经在燃气轮机中去除了显著比例的能量。特别地，这可以通过相应的燃烧废气的氧含量来说明。
即使燃烧在具有显著过化学计量的氧气供应的情况下进行，燃烧轮机中的助燃气体的氧气含量也必然减少。如果使用具有约21％的天然氧含量的空气作为燃气轮机中的助燃气体，通常这种氧含量在燃烧废气中降低到约14％。
在相应的反应器中，特别是用于蒸汽裂化的反应器中，辐射区的效率主要取决于可以通过燃烧燃料实现的且可以传递到通过反应管的进料中的温度。在常规方法中，即没有联接到燃气轮机的自持式反应器，当空气用作助燃气体时，达到约2,000℃的绝热燃烧温度。绝热燃烧温度是指当气体混合物在燃烧期间没有与环境交换任何热时在燃烧完成后将获得的温度。因此，这是实际上不能实现的理论温度，因为这种反应器在实际中不是绝热运行的。然而，绝热燃烧温度是本领域中使用的比较术语，其最方便地描述了辐射区效率所依赖的变量。
如果助燃气体包含较少的氧气，因为后者在上游燃气轮机中已经部分反应，则只能实现约1750℃的绝热温度。虽然燃烧废气例如在约600℃时离开燃气轮机，并且由此另外可获得大量的热，降低的氧含量仍然不足以达到常规反应器的绝热燃烧温度。
如果简单地假设(同样从能量平衡的角度来看)，燃气轮机将供应给它的热功率的约三分之一作为轴功率输出，并且供应给燃气轮机的热功率占供应给燃气轮机和反应器整体的热功率的大约三分之一，总热功率的九分之一以轴功率的形式从燃烧废气中去除。因此，绝热燃烧温度降低约九分之一。
如已经解释的，本发明因此提出，不是所有的燃烧废气应当被供给到反应器中并且用于支持燃料的燃烧，而是至多是燃烧废气的一部分。因此，与常规的被联接的设备相比，部分地，或者仅仅地是不从燃烧废气形成的外部助燃气体，例如新鲜助燃空气，被供应到反应器。燃气轮机与相应反应器的实际联接通过预热装置进行，该预热装置包括例如一个或多个用于间接热交换的合适的热交换器。由于燃烧废气与助燃气体的间接热交换，虽然利用了燃烧废气的温度(即转移了热功率)，但助燃气体的氧含量不受影响。以这种方式，例如，含有约21％氧气的新鲜空气可以作为助燃气体被加热并且被供给到反应器中。因此，可以再次实现前述的约2,000℃的绝热燃烧温度(当一部分燃烧废气仅用于预热并且一部分被供给到反应器中时)或甚至更高的绝热燃烧温度(当只用于预热时)，如下文所述。
上述燃烧废气的部分使用一方面仅用于预热而另一方面部分地供给到反应器中，这包括例如将燃烧废气的一部分与“新鲜”助燃气体(例如空气)混合，从而实现限定的氧含量。例如，可以选择约19％的氧含量。燃烧废气的另一部分不供给到反应器中，而是仅用于通过间接热交换来预热助燃气体。假定燃烧废气的温度约为600℃，可以在反应器中实现约2,000℃的上述绝热燃烧温度，由此可以达到与常规反应器中获得的辐射区效率相当的辐射区效率。因此，反应器不需要在其操作方式上作调整或仅需要轻微地调整。
本发明的另一个主要优点是，即使当燃气轮机不工作或需要维护时，也可以继续操作反应器。在这种情况下，例如，可以使用未被预热的空气作为助燃气体。可替代地，在这种情况下，还可以某种其它方式，例如使用蒸汽和/或烟道气预热助燃气体。因此，相应的预热装备只需设计成用于短期操作并且相应地成本较低。
在这点上应当注意，在如图3所示的常规设备中，除了来自燃气轮机的燃烧废气之外，可以供给额外的助燃气体，所有这些气体都被供给到反应器中。然而，这样做通常仅仅为了实现用于增加燃气轮机和反应器之间的独立性的调节变量。通过这种方法不能解决反应器中氧含量降低和辐射区效率受损的问题。
相反，在本发明的范围内，反应器的辐射区效率能够显着增加。反应器可以在自持式反应器中也能实现的辐射区效率水平下操作，如上文所解释的。然而，还可以通过预热和通过在反应器中达到更高的温度来进一步提高辐射区的效率。
现在将概述在权利要求中记载的和在上文部分解释过的本发明的实施例。
特别地，本发明的方法适用于上文所述的管式反应器，即其中至少一个反应器被实施为管式反应器的设备，其中在辐射区中，反应管通过其中燃烧燃料的燃烧器从外部被加热。以自持方式操作的常规反应器包括通过其供给助燃气体的供给开口。在反应器或相应的反应器的燃烧室内部，存在由烟道气通道中的鼓风机产生的轻微负压。因此，助燃气体被自动吸入。相反，本发明可以包括借助于鼓风机在轻微的正压下将助燃气体供给到相应的反应器或其燃烧室中。这种进料方法是通常用于例如在氢重整过程中预热空气。
根据本发明的方法特别适用于上文提及的蒸汽裂化过程，即为了生产(烯族的)烃而将含有烃的料与蒸汽一起供给通过构造成管式反应器的反应器的反应管的方法。在相应的蒸汽裂化过程中，在辐射区中存在上述温度。然而，类似地本发明也适用于催化方法，例如前述的烷烃脱氢过程，即包括其中在反应管中提供催化剂的反应器的过程，或氢重整过程。
如已经提到的，根据本发明的方法是特别有利的，因为可以实现的温度能够达到反应器的高辐射区效率。换句话说，这意味着该方法应用于通过使用燃料和助燃气体将至少一个反应器的至少一个区域加热到通常为1,500-2,500℃的绝热燃烧温度的情况。
用于本发明的合适的内燃机，特别是燃气轮机，因为它们具有相对低成本的高额定功率，同时具有良好的机械或电效率。因此，燃气轮机通常应用在发电站中。单独的燃气轮机的机械效率也通常不高于相应构造的柴油发动机或煤和蒸汽发电站的机械效率。由于燃烧废气的温度在柴油发动机中约为600℃，在汽油发动机中约为700-1000℃，所以这种内燃机也适用于本发明。
虽然使用燃气轮机向来的缺点在于要使用相对高质量的燃料(气体)，但这在本发明中实际上是一个优点：在本文讨论的反应产物的制备方法中(例如在蒸汽裂化过程和氢重整过程中)，获得了从燃烧角度看具有高价值的所谓的尾气作为残余气体。它是含甲烷的馏分或一氧化碳、二氧化碳和氢气的混合物(合成气)。在本发明的范围内进行的用于制备反应产物的(部分)方法因此产生了用于燃气轮机的合适的燃料。显然，相应的气体混合物也可以在发动机中燃烧。这导致相应的装备部件的进一步协同集成。
特别有利的是，来自内燃机的废气在小于650℃的温度水平下被提供，因为在这种情况下可以特别有效和便宜地加热助燃气体。例如，所使用的热交换器的材料成本在这种温度下仍然非常低。然而，通常来自内燃机的废气可以在500-1000℃的温度水平下，特别是在600-700℃的温度水平下或500-650℃的温度水平下被提供。
在根据本发明的一个实施例的方法中，有利地，来自内燃机的部分废气用于通过间接热交换来加热助燃气体，并且来自内燃机的部分废气与助燃气体混合且与其一起供应到所述至少一个反应器。废气部分地用于预热和部分地供给到反应器，这使得燃气轮机或另一种内燃机和反应器的特别有利的组合。在这种情况下，反应器中的条件可以近似于常规自持式反应器的条件，这意味着对于相应的反应器和/或它们的构造配置的操作模式不需要或仅需要微小的改变。可以保留反应管和用于废热利用的装置(在所谓的对流区)。
但是，在新的设备中，证明有利的是，来自内燃机的废气完全被用来通过间接热交换加热助燃气体，而不是将其供应到至少一个反应器。因此，至少一个反应器除了获得废气的热量之外还获得助燃气体(例如空气)的总氧含量，使得这种反应器中的温度可以进一步提高。以这种方式，相应反应器的辐射区效率显著增加。通过该方法可以相应地减少在反应器处的燃料消耗。
本发明特别适用于与天然气，含甲烷气体混合物和/或合成气一起作为燃料，和/或与空气一起作为助燃气体。如已经提及的，相应的燃料也可以是来自用于制造反应产物的相应过程(例如来自用于蒸汽裂化、合成气生产或氢重整的过程)的典型的残余气体。本发明尤其可以通过提高效率来节省燃料。
根据本发明的方法的另一优点在于由来自至少一个反应器的废热产生加压蒸汽并且利用加压蒸汽驱动至少一个轴，特别是发电机的轴。以这种方式，即使相应的加压蒸汽处于较低的压力，也可以进一步获得机械功率并有利地使用它。由来自至少一个反应器的废热获得的蒸汽基本上仅是副产物，通过该副产物可以有利地使用不能用于反应的热(废热)。在理论上的理想情况下，在反应器中仅产生反应热而没有废热，即没有蒸汽。
本发明的优点在于可以使通过一个或多个反应器的废热产生的加压蒸汽的量最小化。通过一个或多个反应器的废热产生的加压蒸汽具有比在发电站蒸汽过程(在较高压力/温度下在其峰值处更有效的多级过程)中明显更高的能量损失。例如，加压蒸汽可以在蒸汽裂化过程中部分地以几乎100％的效率用作预热一种或多种进料流的加热蒸汽。在涡轮机中产生机械功率的情况下，效率比蒸汽发电过程中的效率差大约2倍。
对于根据本发明提供的用于产生机械功率和用于制造烃的设备的特征和优点，具体参考前述说明，该设备特别布置于执行如上所述的方法。
通过与现有技术比较，在附图中示出了本发明以及本发明的具体实施例。
附图说明
图1示出了根据现有技术的燃气-蒸汽发电站的简化示意图；
图2示出了根据现有技术操作的燃烧式反应器的简化示意图；
图3示出了根据现有技术的具有燃气轮机和燃烧式反应器的设备的简化示意图；
图4示出了根据本发明的一个实施例的具有燃气轮机和燃烧式反应器的设备的简化示意图。
图5示出了根据本发明的一个实施例的具有燃气轮机和燃烧式反应器的设备的简化示意图。
在附图中，为了清楚起见，相应的元件被给予相同的附图标记，并且不再重复描述。对于用小写字母表示的流体流也是如此，即使如下文所述它们以不同的量提供。
在图示的所有实施例中，如果被示出，反应器布置成进行蒸汽裂化过程，即向其供应与蒸汽混合的含烃进料流。所使用的燃料是如上所述的合适的燃烧气体，而空气用作助燃气体。然而，所示的装备理论上也适于进行用于制造反应产物的或使用其它燃料和助燃气体的其它过程。虽然以下描述经常谈及“一个”反应器或“一个”燃气轮机，但是相应的设备也可以包括多个反应器或燃气轮机。
具体实施方式
图1示出了根据现有技术的燃气-蒸汽发电站的简化示意图，其整体被标为300。
燃气-蒸汽发电站300包括作为中心部件的燃气轮机1，该燃气轮机1如上所述包括压缩级11和膨胀级12以及布置在压缩级11和膨胀级12之间的燃烧室，但是在此并没有单独示出。通过燃气轮机1驱动发电机G。向燃气轮机1供应助燃气体a，该助燃气体a在压缩级11中被压缩。燃料b被供给到燃气轮机1的燃烧室中(未示出)，并且在燃烧室中在由助燃气体a产生的气氛中在压力下燃烧。
通常，燃烧在显著过化学计量的氧供应下进行，例如在λ值大约为3时，使得在燃烧期间形成的燃烧废气c(热气体)仍然具有相当大的氧含量，该燃烧废气在燃气轮机的膨胀级12中膨胀。如果具有约21％的天然氧含量的空气用作助燃气体a，则燃烧废气c仍具有约14％的氧含量。
燃烧废气c例如可以在600℃的温度下被供应给燃气-蒸汽发电站300中的热回收蒸汽发生器5。通常，很少的附加燃料被供应到热回收蒸汽发生器5，即在热回收蒸汽发生器5中主要利用燃烧废气c的显热。相应冷却的燃烧废气g从热回收蒸汽发生器5中排出。
在图1的高度简化的图示中，产生了加压蒸汽f。通常，在相应的燃气-蒸汽发电站300中，在三个压力水平下产生加压蒸汽f。压力水平例如大约为130巴、30巴和8巴，其中中压和低压水平的蒸汽部分地从在中间压力下的涡轮机去除(通过“分流”)，并且中压水平的蒸汽从饱和蒸汽温度(“中间过热”)开始被加热至约570℃。该步骤的目的是通过将热从燃烧废气c转移至具有尽可能小的温度差的给水或蒸汽来最小化能量损失。
加压蒸汽f用于减压涡轮机6(蒸汽轮机)中以产生轴功率(机械功率)。该功率又被发电机G转化成电功率。该发电机可以和联接到燃气轮机1的发电机G是同一个，或者可以单独提供。减压蒸气流(图1中未示出)在冷却器7中冷却，例如利用冷却水。将获得的蒸汽冷凝水再循环到该过程中(利用所谓的锅炉给水泵)。
如下阐明了燃气-蒸汽发电站300的典型特征值。对于100兆瓦(MW)的净电功率给出相应的变量，因为这是在具有对应于现有技术尺寸的用于蒸汽裂化的设备所需的数量级。在发电领域中，通常每个燃气轮机单元的净功率为80-400MW。大约每小时619,000标准立方米(Nm3/h)的助燃空气被用作助燃气体a，以及以燃料b的形式使用大约180MW的欠燃烧功率。下表总结了相应的值总结。任何舍入误差都被忽略。
在所示的情况下，通常形成约640,000Nm3/h的燃烧废气c。如果在热回收蒸汽发生器5中没有附加燃烧，在这种情况下冷却的燃烧废气g的量也为大约640,000Nm3/h。
通常，燃气轮机1和与其连接的发电机的电效率为大约0.36(36％)。减压涡轮机6的电效率基于供应到热回收蒸汽发生器5的能量为大约0.32，或者基于所使用的总能量为大约0.20。减压涡轮机6占相应的燃气-蒸汽发电站的总电功率的比例在所示实施例中也为大约0.36。在本实施例中，不考虑冷却器7的情况下热效率约为0.82。(热效率取决于冷凝温度，蒸汽量等，并且在约0.75至约0.85的范围内变化。)在目前的情况下，热效率通常不是特别有意义，因为即使大多数热来自烟道气，例如仅仅提供热水或蒸汽而不能具有高效率地使用，这几乎不能提高相应设备的效率。
在这种背景下，在燃料b的大约180MW欠燃烧功率中，联接到燃气轮机1的发电机G获得大约64MW的电功率，大约112MW作为显热传递到燃烧废气c中，并且热损失通常对应约3MW。继而，在燃烧废气c的大约112MW的显热中，通常约33MW保留在冷却的燃烧废气g中，冷却的燃烧废气g被冷却至大约128℃的温度。在剩余的约80MW中，联接至减压涡轮机6的发电机G获得36MW作为电功率，并且大约44MW在冷却器7中输出。
对于两个发电机G，总热功率为大约180MW，电功率为大约100MW，在本实施例中，燃气-蒸汽发电站300的总电效率约为0.56。在试运行中，大型燃气-蒸汽发电站(具有大约800MW的功率)实现了高达0.61的效率，但是当冷却水变得更热时，该效率明显下降。
图2示出了根据现有技术的燃烧式反应器的简化示意图，该反应器整体被标记为2。如前面所解释的，这种燃烧式反应器通常可用于例如通过蒸汽裂化来产生烃或合成气。众所周知，相应的反应器2通常包括辐射区21和对流区22。在辐射区21中，通常布置有多个燃烧器(未示出)，且向其供应燃料d。通过供应助燃气体e使燃烧得以实现。在辐射区21和对流区22中，通常存在由相应的燃烧器从外部加热的反应管。
在燃烧式反应器2中，废热也大部分用于产生加压蒸汽f，但是后者通常相对不适合以令人满意的效率来产生电能。来自如图2所示的典型的燃烧式反应器2的加压蒸汽f的较差的效用值是由于其相对低的温度和其相对低的压力以及仅实现一个蒸汽水平的事实(并且由此在产生蒸汽期间有相对大的能量损失)。但是，在典型的燃气-蒸汽发电站中，例如图1所示的燃气-蒸汽发电站300，在130巴和570℃下获得加压蒸汽f，来自如图2所示的燃烧式反应器2的加压蒸汽f的压力通常仅为120巴，并且其温度通常仅为520℃。通常，来自燃烧式反应器2的相应的加压蒸汽f用于回收轴功率(例如在蒸汽裂化设备中)并用作加热蒸汽。在此也获得了冷却的燃烧废气g。
在能量平衡的相应考虑中，假设以燃料d的形式供应大约1000MW的欠燃烧功率(通常分布于多个反应器)，并且假设供应例如大约1,067,000Nm3/h的助燃空气作为助燃气体e，当在辐射区21中典型辐射区效率约为0.42(其为用于蒸汽裂化过程的反应器的典型值)时，可以从反应器2的废热中获得约512MW或约595t/h的加压蒸汽f。约60MW进入冷却的烟道气g中，烟道气以约1,172,000Nm3/h的量且在约128℃的温度下去除。428MW的“缺失”加热功率以管道侧过程气体中的化学键能和显热的形式排出，即不在烟道气流中，而是从反应器2的反应区排出。该值对于在此通过举例提供的以下附图中的所有反应器2都是相同的，因为产生了相同量的反应产物。
图3是根据现有技术的燃气轮机1和燃烧式反应器2的组合设备的简化示意图，该组合设备整体被标记为400。提供这种设备400的基本思想是在相应的燃烧式反应器2中利用来自燃气轮机1的燃烧废气c的显热，类似于燃气-蒸汽发电站(例如图1所示的燃气-蒸汽发电站300)。这利用了上述事实，即由于在燃气轮机1中的显著过化学计量的燃烧，燃烧废气c仍然具有相当大的氧含量。然而，在所示的实施例中供应了额外的助燃气体d(例如空气)，例如通过鼓风机3供给到燃烧废气c中。这种额外供应用于提供用来调节在反应器2中的燃烧的附加调节变量。
但是，根据现有技术，这种组合设备400的显着缺点是，在辐射区21中，燃烧式反应器2的辐射区效率明显降低。例如，与如图2所示的自持式反应器2相比，辐射区效率例如从约0.42降低到约0.37。这尤其可以归结于以下事实：虽然燃烧废气c具有例如约600℃的相对高的温度，但是其氧含量(例如约14％)仍然显著低于助燃气体(例如通常所使用的助燃空气)的氧含量。而且，也不能通过提供额外的助燃空气d或相应的助燃气体来补偿(至少没有非常昂贵的富氧)。如果在以自持方式运行的反应器2中使用含有约21％氧的空气作为助燃气体d，如图2所示，通过在反应器2的辐射区21中的燃烧仍然可以达到约2,000℃的绝热燃烧温度。相反，在如图3所示的设备400中，由于上述情况，在辐射区21中的绝热燃烧温度被限制在约1750℃。这直接反映在所述较差的辐射区效率上。
从能量平衡的角度来看，包含在助燃气体a中的相当大比例的化学能在燃气轮机1中已经被去除，因此随后在燃烧废气c中不再可用。
现在将提供用于在用于蒸汽裂化的一个或多个反应器上游的、在1000MW输出下运行的具有最大化的燃气轮机功率(即最小化使用用于调节的附加助燃气体d)的燃气轮机的示例数据。如果在这种设备400中，例如大约1,132,000Nm3/h的助燃空气被用作助燃气体a，并且如果以燃料b的形式使用大约340MW的欠燃烧功率，则能够在前面解释的效率水平下在联接到燃气轮机1的发电机G中获得大约118MW的电功率。大约224MW作为显热传递到燃烧废气c中。承受了大约5MW的损失，特别是在发电机G和辅助设备处以及在燃气轮机1的油冷却器处。以大约1,170,000Nm3/h的量形成燃烧废气c。
在所示的实施例中，例如大约189,000Nm3/h的助燃空气被用作助燃气体d。以燃料e的形式的欠燃烧功率约为922MW。因此，所使用的以燃料b和e的形式的总加热功率达到大约1270MW，来自燃烧废气c的显热和以燃料e的形式的欠燃烧功率的在辐射区21中可用的加热功率约为1147MW。其中，大约650MW以约756t/h的量的加压蒸汽f的形式回收，大约69MW转移到如前所述在约128℃下被去除的冷却烟道气g中。因此，与如图2所示的自持式反应器2中的上述大约1,172,000Nm3/h相比，冷却烟道气g的量大约为1,457,000Nm3/h。在此，同样，428MW作为化学键能和显热在管侧过程气体中被排出，因为在这里会产生与根据图2的反应器2中相同量的反应产物。
如已经提到的，在辐射区21中的辐射区效率降低到约0.37。产生蒸汽的效率水平(来自加压蒸汽f)约为0.51，总热效率约为0.94。(进入到在辐射区21中的过程气体中的一些热被用于产生蒸汽。因此，两个效率水平不可以相加在一起，或者不必相互补充以给出指定的热效率。与过程气体一起被排出的热和化学键能的量不存在于总能量平衡中。然而，这些值在附图所示的所有反应器2中都是相同的)。
图4示出了根据本发明的一个实施例的具有燃气轮机1和燃烧式反应器2的组合设备的简化示意图，该设备整体被标为100。
如前多次所述，本发明的中心方面是预热单元4的使用，通过该预热单元4预热供给到反应器2中的助燃气体b。在图4所示的实施例中，来自燃气轮机1的所有燃烧废气c都通过预热单元4，但也可以仅使用一部分燃烧废气c。后者在附图5中示出。通过预热单元4，燃烧废气4的显热可以被传递到助燃气体d，该预热单元可以例如包括一个或多个适当构造的热交换器。
这具有特别的优点，即仍然具有较高氧含量的助燃气体d(例如空气)可以被供给到反应器2中，但同时可以通过燃烧废气c的显热被加热。令人惊讶地发现，这不仅与如图3所示的相应的被联接设备400中的反应器相比，而且与如图2所示的自持式反应器2相比，都明显提高了在反应器2的辐射区21中的辐射区效率。根据经验，10℃的预热导致辐射区效率增加0.2％。
在图4所示的设备100中，在辐射区中获得约0.47的辐射区效率水平。当约383,000Nm3/h的助燃空气被用作助燃气体a并且使用以燃料b为形式的大约118MW的欠燃烧功率时，利用燃气轮机1或相应的发电机G可以获得约40MW的电功率。燃烧废气c大约为656℃(这是作为示例给出的值，典型值为550-700℃)，对应于约76MW的显热。在预热单元4的下游，燃烧废气c的温度仍然约为105℃，对应于约10MW的显热。
冷却的燃烧废气的温度(烟道气温度)通常由所谓的“硫露点”确定。在此温度下，水硫酸冷凝，引起严重腐蚀。在λ值为3时的硫露点(如在燃气轮机的烟道气中)明显低于λ值为1.1时的硫露点(在蒸汽裂化反应器中)，因为成比例地存在较少量的(通常是含硫的)燃料或燃烧产物。典型的加热用气体的示例值一方面是105℃，另一方面是128℃。
燃烧废气c的量大致为395,000Nm3/h。如果除此之外，例如在约28℃下，约879,000Nm3/h的助燃空气被提供作为以气流d形式的助燃气体，并且在预热单元4中将其加热到约286℃，对应于约66MW的显热，并且如果以燃料e的形式的欠燃烧功率约为824MW，那么可用的总加热功率约为942MW，并且在反应器2中可用的加热功率约为890MW。在所述约890MW中，在约0.47的辐射区效率下产生约462MW的残余，其中以约475t/h的加压蒸汽f的形式获得约408MW，并且以约128℃或约966,000Nm3/h的冷却烟道气g的形式获得约54MW的残余物。
在相应的设备100中，助燃气体d也可以被预热到明显更高的温度，尽管仅以表格形式示出(见下文)。
图5示出了根据本发明的另一个实施例的具有燃气轮机1和燃烧式反应器2的组合设备的简化示意图，该设备整体被标记为200。设备200与图4所示的设备100的不同之处在于，只有燃烧废气c的部分气流通过预热单元4。该部分气流在设备200中被标记为c’。另一部分气流(这里标记为c”)与助燃气体d汇合。这允许设备200的特别灵活的操作，或者如所解释的，反应器2的操作条件可以近似于如图2所示的自持式反应器2的操作条件。
根据图5的本发明的相应实施例或者设备200可以特别地包括以可调节的量提供的部分气流c’和c”，以便能够适应在燃烧废气c中的相应热供应和/或在反应器2中的热需求。下面将再次提供用于设备200的特征值的示例。
如果在设备200中以约1,035,000Nm3/h的量提供助燃空气作为助燃气体a，并且如果使用以燃料d为形式的约318MW的欠燃烧功率，则可以在约0.34的效率水平下在燃气轮机1中产生大约107.8MW的电功率。相应设备中的电效率稍低于简单的发电站中的燃气轮机的电效率(参见关于图1的解释：其中效率水平为0.36)，因为必须额外地克服通过反应器2的压力损失。
在燃烧废气c中，总体上保持对应于约211MW的显热。如果提供了对应于约77MW的热量的部分气流c’，则对应于约67MW的显热可以在预热单元4中通过该部分气流c’传递到助燃空气，助燃空气在此用作助燃气体d。在预热单元4的下游，在部分气流c’中保留了约10MW的显热，部分气流c’以每小时约391,000Nm3/h的量被提供，对应于从约656℃至105℃的降温(参见图4关于硫露点的解释)。
如已经提及的，例如借助于鼓风机3提供助燃空气作为助燃气体d，助燃空气处于约28℃的温度(例如环境温度)。助燃空气的量例如约为397,000Nm3/h。在预热单元4中，助燃空气被加热到约627℃，对应于来自部分气流c’的约67MW。燃烧废气c的部分气流c”以约679,000Nm3/h的量被提供，对应于约134MW的显热。另外，将对应于约799MW的燃料e供应给反应器2。
因此，总体上，在反应器2中可获得约1,000MW的加热功率，并且在设备200中总体上可获得约1,118MW的加热功率。通过对气流c’和c”的合适调节，在反应器2的辐射区21中可以实现约0.42的辐射区效率，精确地对应于如图2所示的自持式反应器2的辐射区效率。512MW保留在以约595t/h被提供的加压蒸汽f中，并且约60MW保留在冷却的燃烧废气c中，其中在128℃下以约1,172,000Nm3/h被提供。
在下面的表1至表5中，再次示出了先前关于图1至5所述的流量和能量含量，其中对于图4或其中所示的设备100，表4A和4B示出了两种操作情况，即助燃气体d预热至286℃(其中可以在反应器2中进行常规的过程控制；参见上文)和预热至498℃(其中需要对反应器2进行进一步的过程改变，例如通过进料的仅部分过热或外部/间接预热来产生蒸汽)。在每种情况下，使用空气作为助燃气体a或d，并且使用(残余)燃气作为燃料。给出的值应被理解为忽略任何舍入误差时的近似值。燃烧废气c和冷却的燃烧废气g的加热功率对应于显热，加压蒸汽f的加热功率对应于显热和蒸发焓的总和。
下面的表6A至6C提供了用于说明本发明相对于彼此的优点的可比较的方法。在所有表中，应当在设备中总计产生相同量的电流(表中的“发电量”)，以及在反应器2中将产生等量的反应产物(在此为烃乙烯，表格中“乙烯产量”那一行)。明确地参考上述附图，特别是附图说明中的介绍性段落。
此外，假设利用加压蒸汽f产生电流。这主要用于改进方法在其电效率和在上述定义的意义上的“效率”方面的可比性。因此，表中的“发电量”或其中给出的值也包括由加压蒸汽f产生的电流，假定在520℃和120巴下的加压蒸汽f典型电效率为0.24。
表格的第1列(“反应器，市电电流”)包含由市电电源供应的电流值以及根据图2以自持方式操作的反应器2的值。为了产生从市电电源供应的电流，假定效率为0.33。这对应于来自常规市电电源的电流的典型评估数(即覆盖包括各种类型的新旧发电站(即纯(煤)蒸汽发电站和燃气-蒸汽发电站)的供应商的电站网络的平均电效率，还包括所有线路损耗)。因此，如果电流不是由加压蒸汽f产生，则它是根据第1列由市电电源提供。
为了使方法具有可比性，在所需的总加热功率(表格中“总加热功率”那一行)中，除了用于反应器2的加热功率，还包括对应于产生由市电电源供应的这部分电流所需的0.33的效率水平的燃烧功率。另外，该总加热功率给定为标准化为表格的第2列中给出的加热功率的加热功率(表格中“加热功率％”那一行)。
表格的第2列(“反应器，燃气-蒸汽发电站”)给出了单独的例如根据图1的燃气-蒸汽发电站和例如已经在表格第1列给出的根据图2的自持式反应器2的组合的值。在燃气-蒸汽发电站中发电所需的加热功率取决于在此假定为0.56的总电效率(参见关于图1的评述)，并且被包括在表格的上述几行中陈述的总加热功率中(除了用于反应器2的加热功率之外)。
结合第1列和第2列来看，显示了在产生相同的电功率时(表格中“发电量”那一行)，其包括从市电电源(表格的第1列)获取的或在燃气-蒸汽发电站中产生的电流(表格的第2列)，并且反应产物乙烯的产量相同时，则可以基于根据表格第2列的不同的电效率直接实现在所需的加热功率上的降低(在燃气-蒸汽发电站中总电效率为0.56，参见图1的评述；对于典型的市电电流为0.33，参见上文)。
基于相同量的反应产物乙烯(表格中“比能耗”那一行)的方法的比能耗相应地减少，使得在上述意义上的方法的“能效”相应地增加。与反应器2有关的效率水平不改变，因为反应器2继续自持操作。
在表6A中，当假定产生的总电流为152MW时，将前面解释的表格第1列和第2列的值与在表格第3列(“根据图3的组合设备400”)中有关根据图3的组合设备400的值进行比较。在上述152MW中，根据表格第3列，118MW由燃气轮机1产生，并且假设34MW由加压蒸汽f以相应(低)效率的产生(这种简化是为了便于比较，即使在实践中加压蒸汽f的利用通常是直接使用轴功率来驱动压缩机或泵，这在任何情况下除了在发电机处通常约1％的边际损耗之外，都对应于电功率)。
由于辐射区效率已经从约0.42降低到约0.37，在这种情况下，为了相同量的反应产物，必须在反应器2中使用提高的加热功率。为此，根据表格第3列的加热功率总共为1270MW，这虽然代表了相对于表格的第1列的显着改进，但相对于表格的第2列仅仅是0.1％的边际改进。
用于产生电能的燃料消耗在根据第1列和第2列的两个基准情况(即单独且分别自持地产生电流和反应产物)中，分别针对在联合生产时可能的电功率来确定。(因此，基准情况是“适用的”，因为知道电功率小于80MW的燃气-蒸汽发电站几乎不可能被设置为独立的发电站，这也适用于下表。)加热功率和比能耗彼此相关，因为加热需求占总能耗明显超过一半。
在表6B中，当假定发电量为108MW时，将已经在表6A中描述的且其意义与在表6A中相同的第1列和第2列的值与在第3列(“根据图5的组合设备”)中的有关根据图5的组合设备200的值进行比较。在此这是燃气轮机1的发电量，因为在反应器2中的蒸汽产量与自持式反应器中的蒸汽产量相同。
由于燃烧废气c分配成部分气流c’和c”，并且由于仅部分地用于在预热装置4中预热和部分地供给到反应器2中，所以在根据图5的组合设备200中，辐射区效率在此相比于表格第1列和第2列能够保持恒定，即约0.42的上述值。在给定参数的特定组合下，所需的加热功率由此显著降低，即与表格第2列相比降低约6％，与表格第1列相比降低约17％。基于相同量的反应产物乙烯的比能耗也相应地显著降低。同时，如已经提到的，相应的反应器2可以继续在常规条件下操作。
在表6C中，当助燃气体d预热至498℃(即对应于表4B)时并且假定由燃气轮机发电量为60MW时，将表格的上述第1列和第2列的值与在表格第3列(“根据图4的组合设备，498℃”)中的有关根据图4的组合设备100的值进行比较。在上述60MW中，必须减去43MW(表中“减少的蒸汽产量作为电功率”那一行)，因为产生的蒸汽变少了，并且通过电功率简单补偿相应的轴功率短缺。为了简单起见，忽略了在所使用的电动机处通常约3％的损失。
由于辐射区效率再次显著增加，即增加至大约0.53的值，所以在与表格第1列和第2列对比发电量相同的情况下，加热功率再一次显著降低。
上述表的组合研究特别地显示了，无论是使用根据图1的燃气-蒸汽发电站还是使用以根据图3的设备400的形式的已知组合，来自(高等级)燃料(例如使用反应器2实现的相应方法的残余气体)的部分发电量与通过典型的混合发电站的发电量相比或与由市电电源获取的发电量相比都获得了约11％的效率提高。这里的先决条件，特别是例如合适的残余气体具有充分的可用性。此外，可以看出，以根据图3的设备400的形式的已知组合与单独产生电流和反应产物相比没有或仅具有微小的效率优势，即在上面所示的例子中，需要相同的加热功率和由此需要可对比的燃料供应。
相比之下，根据本发明的一个实施例提出的设备200比通过燃气-蒸汽发电站单独发电和在自持式反应器2中单独制造反应产物具有高了约6％的效率。与典型的混合发电站相比或从市电电源获取电流且在自持式反应器2中单独产生反应产物相比，观察到约11％的效率提高。
设备200每使用额外单位的燃烧功率就产生92％的电流(即除了自持式反应器操作所需的加热功率之外，每使用1MW的加热功率就产生0.92MW的电流)。这实际上相当于燃气-蒸汽发电站的电效率的两倍，或者相当于混合发电站的电效率或从市电电源获取电流的三倍。
所提出的设备100比自持式反应器需要更少的加热功率，并且还产生额外的电流。因此，与通过燃气-蒸汽发电站单独发电和在自持式反应器2中单独制造反应产物相比，设备100具有高了大约11％的效率。

Claims (15)

1.一种用于组合产生机械功率和制造烃的方法，其中为了产生机械功率，至少一个内燃机(1)被点火，由此产生燃烧废气(c)，并且其中为了产生烃，使用燃料(e)和助燃气体(d)加热至少一个反应器(2)，其特征在于，至少一部分所述助燃气体(d)通过与来自所述内燃机(1)的至少一部分所述燃烧废气(c)的间接热交换而被加热。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述机械功率通过至少一个发电机(G)至少部分地转化成电功率和/或用于驱动至少一个轴。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述至少一个反应器(2)构造为管式反应器，其中在辐射区中，反应管通过燃烧器从外部被加热，燃料在所述燃烧器中燃烧。
4.根据权利要求3所述的方法，其中为了产生烃，通过加压蒸汽使进料经过构造成管式反应器的所述反应器(2)的所述反应管。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其中在构造成管式反应器的所述反应器(2)的所述反应管中提供催化剂。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述燃料(e)至少部分地由气体混合物形成，所述气体混合物从所述至少一个反应器(2)的产物流中分离出来。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述至少一个反应器(2)的至少一个区域中，通过使用所述燃料(e)和所述助燃气体(d)加热，将所述至少一个反应器(2)的所述至少一个区域加热至1,500℃到2,500℃的温度水平，特别是加热至1,500℃到2,000℃的温度水平。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述至少一个内燃机(1)包括至少一个燃气轮机。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中来自所述内燃机(1)的所述燃烧废气(c)以500℃到1000℃的温度水平，特别是以600℃到700℃的温度水平或500℃到650℃的温度水平被提供。
10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中来自所述内燃机(1)的所述燃烧废气(c)的一部分用于通过间接热交换来加热所述助燃气体(d)，并且来自所述内燃机(1)的所述燃烧废气(c)的一部分与所述助燃气体(d)汇合并与其一起供应到所述至少一个反应器(2)。
11.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其中来自所述内燃机(1)的所述燃烧废气(c)被全部用于通过间接热交换来加热所述助燃气体(d)，而不供应到所述至少一个反应器(2)。
12.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中天然气和/或含甲烷的气体混合物，特别是根据权利要求6形成的含有氢气、甲烷和一氧化碳的气体混合物被用作所述燃料(e)，和/或空气用作所述助燃气体(d)。
13.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中加压蒸汽(f)由所述至少一个反应器(2)的废热产生，并且所述加压蒸汽(f)用于驱动至少一个轴，特别是发电机(G)的至少一个轴。
14.一种用于组合产生机械功率和制造烃的设备(100、200)，其中为了产生机械功率，所述设备包括至少一个内燃机(1)，该内燃机能够被点火，由此产生燃烧废气(c)，并且其中为了制造烃，所述设备包括使用燃料(e)和助燃气体(d)而能够被加热的至少一个反应器(2)，其特征在于，设置装置，该装置被布置成通过与来自所述内燃机(1)的至少一部分所述燃烧废气(c)的间接热交换而加热至少一部分所述助燃气体(d)。
15.根据权利要求14所述的设备(100、200)，其被布置成执行根据权利要求1-13中任一项所述的方法。
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