Спосіб сумісного виробництва синтез-газу та електроенергії

Реферат: Спосіб (10) сумісного виробництва синтез-газу та електроенергії включає стадію (12) одержання синтез-газу (50), що складається з щонайменше СО та Н 2, у реакції між вуглеводневою сировиною та киснем, при цьому синтез-газ має "першу" температуру. На етапі (16) розділення повітря потік стисненого повітря за допомогою щонайменше одного іонітового мембранного блока (16.1) розділяється на потік пермеату (42), що складається переважно з кисню, і потік (44) збідненого на кисень повітря, який відводять, що має "другу" температуру, яка є нижчою від "першої". Потік (44) збідненого на кисень повітря, який відводять, нагрівається непрямим чином синтез-газом (50) і щонайменше частково розширюється в щонайменше одній турбіні (28) для виробництва електроенергії з одержанням на виході турбіни потоку (54) збідненого на кисень повітря, який щонайменше частково розширився, який відводять. Щонайменше частина потоку пермеату (42), що складається переважно з кисню, подається на стадію (12) виробництва синтез-газу, для чого потрібен кисень. UA 107461 C2 (12) UA 107461 C2 UA 107461 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Галузь техніки, до якої відноситься винахід Даний винахід відноситься до способу сумісного виробництва синтез-газу та електроенергії. Рівень техніки Синтез-газ являє собою суміш, що складається з окису вуглецю (CO) і водню (H 2). Синтезгаз зазвичай виробляється одним із двох способів – газифікації твердої сировини, наприклад, вугілля сумішшю кисню та пари або риформінга газоподібної сировини, наприклад, природного газу киснем (спосіб риформінга із частковим окислюванням вихідної сировини) або водою (спосіб риформінга вихідної сировини парою). Широко застосовується також метод, що поєднує риформінг із частковим окислюванням з риформінгом парою і такий, що одержав назву способу автотермічного риформінга. Кисень, необхідний для виробництва синтез-газу, зазвичай одержують із повітря, використовуючи стандартну технологію, кріогенну або розділення повітря. Готовий синтез-газ використовується для виробництва широкого асортименту хімічних продуктів, наприклад, метанолу та рідких вуглеводнів способом Фішера-Тропша. Способи виробництва синтез-газу характеризуються енергоємністю та значними викидами двоокису вуглецю. Двоокис вуглецю є основним парниковим газом, і викиди його в атмосферу небезпечні для навколишнього середовища. Проблему викидів двоокису вуглецю можна пом'якшувати різними способами, наприклад, уловлювання та подальшого її зв'язування, скорочення викидів за рахунок підвищення теплового ккд і заміни звичайних електростанцій, що використовують вуглецевмісну сировину для вироблення електричної та теплової енергії, джерелами ядерної енергії, що не використовують вуглецевмісну сировину. Способи виробництва синтез-газу протікають при підвищених температурах, і залежно від застосовуваної технології одержуваний гарячий синтез-газ може мати температуру вище 900 °C. Тепло гарячого синтез-газу, яке рекуперують, зазвичай використовується в котлахутилізаторах для виробництва пари. Ця пара найчастіше використовується в парових турбінах, що обслуговують кріогенні повітророзподільні установки, і/або для виробництва електроенергії. Важливо відзначити, що звичайні кріогенні повітророзподільні установки в значних об'ємах споживають електроенергію. Рекуперація тепла котлами-утилізаторами також вносить значний вклад у втрати, обумовлені другим законом термодинаміки, внаслідок того що рушійні сили, необхідні для таких котлів-утилізаторів, забезпечуються значним перепадом температур. Інакше кажучи, використання котлів-утилізаторів призводить до зниження якості або температури тепла, роблячи його менш якісним або менш високотемпературним, що небажано, тому що високотемпературне тепло можна використати для виробництва більшої кількості електроенергії, ніж при використанні низькотемпературного тепла. Створення рушійних сил за рахунок значного перепаду температур також сприяє зниженню загального теплового ккд способу та тому може збільшувати проблеми викидів двоокису вуглецю. Одним зі способів зменшення перепаду температур для створення рушійних сил є підвищення тиску або перегрів пари в котлах-утилізаторах. Однак той факт, що критична температура води становить 374 °C, означає, що насичена пара на виході котлів-утилізаторів не може мати більш високу температуру. До того ж при використанні пари для виробництва електроенергії установками, що реалізують цикл Ренкіна, температура перегріву пари зазвичай не перевищує 565 °C через проблеми з вибором матеріалів для виготовлення таких установок. Тому у спробах скорочення викидів двоокису вуглецю за рахунок підвищення теплового ккд варто зосередити увагу на проблемі значного перепаду температур для створення необхідних рушійних сил, а також на зниженні енергоспоживання при реалізації кріогенних повітророзподільних способів. Однак технологія кріогенного розділення повітря є досить зрілою, тому можна очікувати лише незначного зниження витрат та енергоспоживання. Альтернативний спосіб відділення кисню від повітря заснований на використанні іонітових мембран (ITM). У цьому способі для відділення кисню використовуються керамічні мембрани, що працюють при високій температурі (зазвичай 760–930 °C). Вважається, що технологія виробництва кисню із застосуванням іонітових мембран може забезпечити значне зниження витрат. Цей високотемпературний спосіб у силу своєї сутності тяжіє до інтеграції зі способами, у яких потрібні кисень, електроенергія та пара. У ході цього способу відділення кисню від повітря керамічними мембранами при високій температурі забезпечується електрохімічним способом. Кисень повітря іонізується на вхідній поверхні мембрани, дифундує через мембрану у формі іонів завдяки градієнту свого парціального тиску, а на вихідній стороні мембрани утворюються молекули кисню. Спосіб із застосуванням іонітових мембран дозволяє одержувати потік гарячого практично чистого кисню або потік пермеату, а також потік гарячого стислого збідненого на кисень повітря або потік, що відводять, обидва з високим енерговмістом, який можна використати. Ефективне використання цієї енергії в способі із застосуванням іонітових 1 UA 107461 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 мембран необхідно, щоб забезпечити конкурентоздатність системи щодо технології кріогенного розділення повітря. Рекуперація та ефективне використання енергії можливі при об'єднанні компресорів, газових турбін, розширників гарячого газу, парових турбін і теплообмінників і мембранного блоку в єдину систему. Дослідження та розробка способів виробництва синтез-газу з використанням охолоджувальної петлі ядерного реактора поки обмежувалися спробами узгодити робочу температуру способів виробництва синтез-газу з найвищою температурою теплового потоку, якої можна досягти в охолоджувальній петлі ядерного реактора. Високотемпературні газоохолоджувані ядерні реактори здатні видавати тепловий потік з температурою близько 750950 °C. При цих порівняно невисоких температурах прийнятних варіантів способу виробництва синтез-газу небагато, особливо коли застосовується газифікація сировини. Способи виробництва синтез-газу зазвичай використовуються підприємствами з великомасштабним виробництвом хімічних вуглецевмісних продуктів. Такі підприємства, як правило, реалізують також наступні технологічні операції з робочою температурою нижче 800 °C або, що типовіше, нижче навіть 500 °C. Незважаючи на те, що такі технологічні операції можуть бути перспективними кандидатами для інтеграції із джерелами тепла ядерних реакторів, встановлено, що ці операції також є перспективними кандидатами для теплової інтеграції з гарячим синтез-газом, одержуваним відповідним способом. Встановлено також, що згадані вище підприємства мають у своєму розпорядженні власні джерела тепла та теплопоглиначі з робочою температурою близько 250 °C, при цьому таких джерел тепла тим більше, чим нижче потрібна температура. Таким чином, наявним є надлишок низькоякісного тепла. Це послаблює стимули до одержання такого тепла з ядерних джерел. Для постачання низькоякісного тепла найбільше підходить більше розповсюджений легководний ядерний реактор. Це означає, що реально існує дефіцит можливостей інтеграції ядерних джерел тепла з підприємствами, що виробляють хімічні продукти у більших об'ємах, і особливо справедливий даний висновок відносно інтеграції зазначених джерел зі способом виробництва синтез-газу. Звідси виходить, що стратегія використання ядерної енергії повинна бути істотно іншою і швидше за все орієнтуватися на виробництво водню методом розщеплення води. У варіантах здійснення даного винаходу, навпаки, пропонується новий і відмінний від зазначеного підхід. Розкриття винаходу Відповідно до винаходу пропонується спосіб сумісного виробництва синтез-газу та електроенергії, що включає: на етапі генерації одержання синтез-газу, що складається щонайменше з CO та H2 та утворюється при реакції вуглеводневої сировини з киснем, при цьому синтез-газ має "першу" температуру; на етапі розділення повітря виділення кисню з потоку стисненого повітря щонайменше одним іонітовим мембранним блоком та одержання потоку пермеату, що складається переважно з кисню, а також потоку збідненого на кисень повітря, який відводять, що має "другу" температуру, яка є значно нижчою за "першу" температуру; непряме нагрівання потоку, що відводять, збідненим на кисень повітря синтез-газом і щонайменше часткове розширення зазначеного нагрітого потоку збідненого на кисень повітря, який відводять, в щонайменше одній турбіні для вироблення електроенергії з одержанням на виході турбіни потоку, що відводять, повітря, яке щонайменше частково розширилося, збідненого на кисень; і подача щонайменше частини потоку пермеату, що переважно складається з кисню, на стадію виробництва синтез-газу, для одержання якого необхідний кисень. Як правило, температура синтез-газу, одержаного на етапі його виробництва, становить як мінімум 900 °C. Температура потоку збідненого на кисень повітря, який відводять, зазвичай становить як мінімум 600 °C, але частіше 700 °C, тобто вона є нижчою від температури синтезгазу, одержаного на етапі його виробництва. В результаті потік, що відводять збідненого на кисень повітря стає поглиначем високотемпературного тепла синтез-газу, при цьому знижується потреба в рушійних силах, обумовлених значним перепадом температур, що типово для використання котлів-утилізаторів у якості теплопоглиначів. У даному описі винаходу термін "турбіна" містить у собі концепцію "ступінь турбіни", тому, коли зустрічається вказівка на більш ніж одну турбіну, слід розуміти, що це є вказівка на кілька роздільних турбін, або на одиничну турбіну, що складається більш ніж з одного чіткого ідентифікуємого ступеня, або на комбінацію з роздільних турбін та однієї або декількох одиничних турбін, що складаються з більш ніж одного чітко ідентифікуємого ступеня. Також у даному описі винаходу непряма теплопередача, наприклад, "непряме нагрівання" означає, що 2 UA 107461 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 тепло передається через поверхню теплопередачі від одного плину до іншого таким чином, що плини не вступають у безпосередній контакт один з одним і тому не змішуються. До способу може входити етап нагрівання потоку стисненого повітря до температури не нижче 700 °C перед розділенням потоку стисненого повітря на етапі розділення повітря. Таке нагрівання може забезпечуватися, наприклад, спалюванням такого палива, як горючий газ або вугілля, або будь-якою комбінацією прийнятних методів. У кращому варіанті здійснення винаходу потік стисненого повітря нагрівається щонайменше теплом, яке передається з етапу ядерної реакції. Цей кращий варіант здійснення винаходу характеризується тією перевагою, що звичайне нагрівання з використанням вуглецевмісного палива заміняється джерелом тепла, що не використовує вуглецевмісне паливо. Щонайменше в одному іонітовому мембранному блоці використовується непориста іонітова мембрана із селективною проникністю, але, як правило, таких мембран багато. Ці мембрани зазвичай виготовляються з кераміки на основі неорганічних оксидів, наприклад, діоксида цирконію або інших матеріалів, відомих досвідченим фахівцям. Найчастіше мембрани мають форму труб, пластин або монолітної комірчастої структури. Очікується, що при використанні винаходу на мембранах буде створюватися перепад парціального тиску кисню, що забезпечить міграцію іонів кисню крізь мембрани з боку подачі кисню на бік проникнення, де відбувається рекомбінація іонів з утворенням електронів і газоподібного кисню. Однак у принципі можливе також використання різниці напруг, що подаються на мембрани, наприклад, використання іонітових мембран, які приводяться в дію електрикою та в яких потік електронів з боку проникнення на бік подачі кисню на мембрану створюється різницею напруг. Як буде показано далі, будь-який твердий матеріал для виготовлення мембрани, що має селективну проникність для кисню у формі його іонів, відноситься до провідників змішаного типу та працює при наявності перепаду парціального тиску кисню, або є твердим електролітом, для функціонування якого потрібне створення різниці напруг на мембрані, можна застосовувати при використанні даного винаходу. Потік збідненого на кисень повітря, який відводять, використовується як робочий плин. Цей робочий плин може бути розширений на етапі виробництва електроенергії при реалізації способу, що є предметом винаходу. На етапі виробництва електроенергії використовується добре відомий цикл Брайтона, у якому робочий плин перебуває в газоподібному стані та не конденсується в ході реалізації циклу. На етапі виробництва електроенергії цикл Брайтона забезпечує ефективний прийом щонайменше тепла синтез-газу (це тепло передається потоку збідненого на кисень повітря, який відводять), а в деяких варіантах здійснення винаходу - також прийом тепла з етапу вищезгаданої ядерної реакції (це тепло передається потоку стисненого повітря перед його розділенням). У варіантах здійснення винаходу, що включають передачу тепла з етапу ядерної реакції, передавачем тепла з етапу ядерної реакції для непрямого нагрівання потоку стисненого повітря зазвичай є газоподібний охолоджувач. Такий варіант реалізації циклу Брайтона також визначається як варіант непрямого нагрівання, тому що газоподібний охолоджувач на етапі ядерної реакції зазвичай циркулює в первинному контурі реактора, який є закритим, а передача тепла первинного контуру потоку стисненого повітря при реалізації циклу Брайтона відбувається із вторинного контуру. У вторинному контурі реалізується відкритий цикл, наприклад, цикл, у якому робочий плин використовується одноразово, а після розширення виводиться з процесу. У кращому варіанті здійснення винаходу на етапі ядерної реакції використовується високотемпературний газоохолоджуваний ядерний реактор. Газоподібний охолоджувач служить для охолодження реактора. В якості охолоджувача зазвичай використовується гелій при підвищеному, наприклад, до 7 МПа (ман.) тиску. Тому газоподібним охолоджувачем, що циркулює в первинному контурі, є, як правило, гелій. Температура газоподібного охолоджувача зазвичай коливається між приблизно 750 та 950 °C, а краще між приблизно 800 та 900 °C, тобто температура близько 900 °C на виході системи теплообмінників, що служить для непрямої передачі тепла газоподібного охолоджувача з етапу ядерної реакції потоку стисненого повітря. Спосіб може включати щонайменше одноразовий підігрів потоку збідненого на кисень повітря, який відводять, здійснюваний після часткового розширення потоку збідненого на кисень повітря, який відводять, у згаданій вище щонайменше одній турбіні та після додаткового розширення потоку підігрітого збідненого на кисень повітря, що відводять, в щонайменше одній додатковій турбіні, що робиться для підвищення ккд виробництва електроенергії. Таким чином, підігрів потоку збідненого на кисень повітря, який відводять, зазвичай пов'язаний зі збільшенням тепломісткості потоку збідненого на кисень повітря, який відводять, та поетапним його розширенням, наприклад, з нагріванням потоку збідненого на кисень повітря, який відводять, частиною доступного тепла та наступним розширенням цього потоку з падінням тиску до 3 UA 107461 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 "першого" зниженого тиску, а потім з повторним нагріванням потоку збідненого на кисень повітря, який відводять, та наступним розширенням цього потоку з падінням тиску до "другого" зниженого тиску, що є нижчий від "першого" зниженого тиску. В одному з варіантів здійснення винаходу застосовується концепція підігріву, наприклад, багатоетапного каскадного нагрівання потоку збідненого на кисень повітря, який відводять, синтез-газом і наступним розширенням нагрітого або підігрітого потоку збідненого на кисень повітря, який відводять. У такому варіанті здійснення винаходу на етапі виробництва електроенергії можна використовувати щонайменше дві турбіни та щонайменше частину тепла синтез-газу передавати потоку збідненого на кисень повітря, який відводять, забезпечуючи його нагрівання, після того як цей потік, який відводять, пройшов через першу турбіну, але перед проходженням потоку збідненого на кисень повітря, який відводять, через іншу турбіну. У іншому варіанті здійснення винаходу підігрів можна здійснювати також, використовуючи інше джерело тепла, ніж синтез-газ, наприклад, ядерну енергію або паливний газ, який спалюють. Спосіб може включати охолодження вищезгаданого потоку збідненого на кисень повітря, який відводять, що щонайменше частково розширився, за допомогою теплообміну з потоком стисненого повітря після використання потоку збідненого на кисень повітря, який відводять, для виробництва електроенергії. У варіантах здійснення винаходу, які включають передачу тепла з етапу ядерної реакції потоку стисненого повітря, як розглянуто тут вище, таке охолодження вищезгаданого потоку збідненого на кисень повітря, який відводять, що щонайменше частково розширився, може супроводжуватися підігрівом потоку стисненого повітря, перш ніж потік стисненого повітря буде нагрітий теплом з етапу ядерної реакції. Інакше кажучи, у способі, реалізованому відповідно до винаходу, можна ефективно застосувати рекуперативний або регенеративний цикл Брайтона. Спосіб, що реалізують відповідно до винаходу, може, таким чином, включати стадію виробництва електроенергії, розширення вищезгаданого нагрітого потоку збідненого на кисень повітря, який відводять, в щонайменше одній турбіні з можливістю розширення газу та одержанням на виході турбіни потоку збідненого на кисень повітря, який відводять, що щонайменше частково розширився, з тиском і температурою, які є нижчими, ніж у нагрітого потоку збідненого на кисень повітря, який відводять. Щонайменше одна турбіна з можливістю розширення газу може бути використана для виробництва електроенергії, наприклад, при встановлення генератора. Спосіб, що реалізують відповідно до винаходу, може включати стискання повітря для одержання потоку стисненого повітря. Щонайменше одна турбіна з можливістю розширення газу може бути використана для приведення в дію одного компресора з метою створення потоку стисненого повітря. Як правило, тиск стисненого повітря становить щонайменше 0,4 МПа (ман.), а краще між приблизно 0,55 та 2,1 МПа (ман.), наприклад, близько 1,5 МПа (ман.). Краща температура потоку стисненого повітря перед його поділом на відповідному етапі способу становить як мінімум приблизно 750 °C, а ще краща температура - не нижче приблизно 800 °C, а найкраща температура - не нижче приблизно 825 °C, наприклад, близько 850 °C. Як буде показано далі, потік збідненого на кисень повітря, що відводять від іонітового мембранного блоку, буде в основному мати такі температури перед його нагріванням синтез-газом для одержання нагрітого потоку збідненого на кисень повітря, який відводять. Температура нагрітого потоку збідненого на кисень повітря, який відводять, може становити як мінімум 900 °C, а кращою є температура як мінімум близько 1000 °C, а ще кращою - як мінімум приблизно 1100 °C, а найкращою - як мінімум приблизно 1150 °C, наприклад, близько 1200 °C перед щонайменше частковим розширенням для виробництва електроенергії. Як буде показано далі, максимальна реальна температура нагрітого потоку збідненого на кисень повітря, який відводять, визначається температурою синтез-газу. Таким чином, температура синтез-газу повинна бути настільки високою, наскільки це можливо, наприклад, близько 1300 °C. В будь-якому випадку, краща температура синтез-газу повинна бути досить високою, щоб забезпечити температуру нагрітого потоку збідненого на кисень повітря, який відводять, не нижче 900 °C. Спосіб, що реалізують відповідно до винаходу, замість вищеописаного варіанта використання потоку збідненого на кисень повітря, який відводять, що щонайменше частково розширився, або додатково до нього може включати використання такого потоку, що відводять, для виробництва пари. Пар можна використовувати для виробництва додаткової кількості електроенергії паровою турбіною. Таким чином, етап виробництва електроенергії може бути зконфігурований під комбінований цикл. У цьому випадку тепло робочого плину циклу Брайтона, 4 UA 107461 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 що розширився, передається (так називана верхня частина циклу) робочому плину наступного енергетичного циклу (так називана нижня частина циклу). Як правило, нижня частина циклу Брайтона реалізується як цикл Ренкіна з використанням пари у якості робочого плину. Відомо, що енергетичні системи з комбінованим циклом характеризуються підвищеним ккд у порівнянні з окремо реалізованими циклами Брайтона. Коли етап виробництва електроенергії конфігурується під комбінований цикл, цикл Ренкіна також може бути модифікований шляхом включення у нього операції підігріву і/або перегріву робочого плину циклу для додаткового підвищення ккд. Для підігріву або перегріву можна використовувати синтез-газ, тепло ядерної реакції або тепло від спалювання паливного газу. Коли етап виробництва електроенергії конфігурується під комбінований цикл із використанням пари у якості робочого плину, частина виробленої пари може бути спрямована у процес у якості нагрівального засобу, що перетворює спосіб, реалізований відповідно до винаходу, у спосіб сумісного виробництва синтез-газу, електроенергії та тепла. З іншого боку, технологічна пара, яка генерується підприємством, що використовує синтез-газ, може бути спрямована у цикл Ренкіна для виробництва додаткової кількості електроенергії. Стискання повітря можна здійснити в одному або декількох компресорах, здатних стиснути повітря сильніше, ніж потрібно для одержання потоку пермеату, що складається переважно з кисню, на етапі розділення повітря та синтез-газу, що призначений для виробництва. Додаткове стиснене повітря зазвичай відводиться на іонітовий мембранний блок, перш ніж буде використане для виробництва додаткової кількості електроенергії. Додаткове стиснене повітря може бути нагріте теплом зі ступеня ядерної реакції і/або ступеня виробництва синтез-газу. Як правило, додаткове стиснене повітря після нагрівання піддається розширенню для виробництва електроенергії. З іншого боку, паливний газ можна спалювати разом із додатковим стисненим повітрям, одержувати вихлопний газ і направляти його на розширення в турбіну для виробництва електроенергії. Додаткове стиснене повітря можна спочатку змішати з потоком збідненого на кисень повітря, який відводять, та паливом, потім, спалюючи цю суміш, одержати вихлопний газ, направити його на розширення в турбіну для виробництва електроенергії. Бажано, щоб у такому випадку спосіб передбачав спочатку змішування додаткового стисненого повітря та потоку збідненого на кисень повітря, який відводять, потім нагрівання одержаної суміші з використанням синтез-газу перед змішуванням нагрітої суміші з паливним газом з подальшим спалюванням кінцевої суміші. Як буде показано далі, потік пермеату, що складається переважно з кисню, має знижений тиск, що обумовлено перепадом тиску на іонітовому мембранному блоці. Як наслідок спосіб зазвичай включає операцію підвищення тиску потоку пермеату, що складається переважно з кисню, до рівня, прийнятного для використання цього потоку на етапі виробництва синтез-газу. Спосіб, який реалізують відповідно до винаходу, може включати етап синтезу вуглеводнів із синтез-газу, одержуваного на етапі виробництва синтез-газу. До прикладів такого синтезу вуглеводнів відноситься синтез метанолу та одержання вуглеводнів способом Фішера-Тропша. Виробництво синтез-газу на відповідному етапі варто організувати таким чином, щоб одержувати синтез-газ із тиском, достатньо високим (з урахуванням всіх втрат тиску в технологічних установках) для синтезу вуглеводнів. Як правило, тиск синтез-газу знаходиться між приблизно 4 і приблизно 5 МПа (ман.), наприклад, на рівні 4,5 МПа (ман.). Синтез вуглеводнів із синтез-газу може бути реалізований будь-яким прийнятим способом. Як правило, синтез вуглеводнів із синтез-газу включає спосіб Фішера-Тропша, що складається з одного або декількох ступенів з одержанням одного або декількох потоків вуглеводневих продуктів, а також газу, що відходить, який містить CO 2, CO та H2. Один або кілька етапів способу Фішера-Тропша для синтезу вуглеводнів можуть бути реалізовані в будь-яких підходящих реакторах, наприклад, в одному або декількох реакторах з нерухомим шаром, шламових реакторах, реакторах з рухливим шаром або реакторах із сухим псевдорозрідженим шаром. Тиск у реакторах може бути між 0,1 та 10 МПа (ман.), зазвичай на рівні нижче 4,5 МПа (ман.), при цьому температура в реакторі може становити від 160 до 380 °C. Один або кілька етапів синтезу вуглеводнів способом Фішера-Тропша можуть бути низькотемпературними, тобто протікати при температурі нижче 280 °C. Як правило, на такому низькотемпературному етапі синтезу вуглеводнів способом Фішера-Тропша робоча температура знаходиться між 160 °C 280 °C, а краще між 220 °C та 260 °C, наприклад, на рівні близько 250 °C. Таким чином, етап низькотемпературного синтезу вуглеводнів способом Фішера-Тропша протікає як реакція росту ланцюгів з високим вмістом атомів вуглецю в молекулі 5 UA 107461 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 у використовуваному зазвичай шламовому реакторі, що працює при заздалегідь заданому робочому тиску в діапазоні між 1 та 5 МПа (ман.), зазвичай при тиску нижче 4,5 МПа (ман.). Один або кілька етапів синтезу вуглеводнів способом Фішера-Тропша можуть бути високотемпературними, тобто протікати при температурі не нижче 320 °C. Як правило, на такому високотемпературному етапі синтезу вуглеводнів способом Фішера-Тропша робоча температура знаходиться між 320 °C та 380 °C, наприклад, на рівні близько 350 °C, а робочий тиск у діапазоні між 1 та 5 МПа (ман.), зазвичай на рівні нижче 4,5 МПа (ман.). Таким чином, етап високотемпературного синтезу вуглеводнів способом Фішера-Тропша протікає як реакція росту ланцюгів з низьким вмістом атомів вуглецю у використовуваному зазвичай реакторі із двофазним псевдорозрідженим шаром. На відміну від етапу низькотемпературного синтезу вуглеводнів способом Фішера-Тропша, який може характеризуватися можливістю безперервного підтримання рідкого стану продукту в шламовому реакторі, на етапі високотемпературного синтезу вуглеводнів способом Фішера-Тропша безперервне одержання рідкого продукту в реакторі із псевдорозрідженим шаром неможливе. Етап виробництва синтез-газу може служити етапом газифікації твердої вуглецевої сировини, наприклад, вугілля. Для цього можна використати будь-яку звичайну технологію газифікації, хоча більш бажаною є технологія з використанням газифікаторів, що забезпечують температуру одержуваного на виході газу не нижче 900 °C. Етап виробництва синтез-газу може служити стадією риформінга газоподібної вуглеводневої сировини, наприклад, природного або супутнього газу. Можна використовувати будь-яку звичайну технологію риформінга. Спосіб, реалізований відповідно до винаходу, може включати стадію додаткового охолодження синтез-газу після передачі тепла синтез-газу потоку збідненого на кисень повітря, який відводять. Таким способом синтез-газ можна остудити до температури, що підходить для наступної його переробки, наприклад, на вищеописаному етапі синтезу вуглеводнів. Додаткове охолодження синтез-газу може забезпечуватися використанням його для виробництва пари. Перелік фігур Далі винахід описаний за допомогою прикладу з посиланнями на креслення зі схемами, які додаються, у числі яких Фігура 1, що ілюструє один з варіантів використання способу відповідно до винаходу для сумісного виробництва синтез-газу та електроенергії; Фігура 2, що ілюструє інший, більш складний, варіант використання способу для виробництва синтез-газу та електроенергії відповідно до винаходу; Фігура 3, що ілюструє альтернативний варіант використання способу відповідно до винаходу для виробництва синтез-газу, електроенергії та тепла; і Фігура 4, що ілюструє ще один варіант використання способу відповідно до винаходу для сумісного виробництва синтез-газу та електроенергії. Здійснення винаходу На Фігурі 1 число 10 зазвичай позначає такий, що реалізовують відповідно до винаходу, спосіб сумісного виробництва синтез-газу та електроенергії. У широкому сенсі спосіб 10 включає стадію 12 виробництва синтез-газу, етап 14 ядерної реакції та етап 16 розділення повітря з використанням щонайменше однієї іонітової мембрани 16.1. Спосіб 10 додатково включає повітряний компресор 18, повітронагрівач 20, компресор 22 для стискання кисню, апарат 24 для охолодження синтез-газу, котел-утилізатор 26 для синтез газу, розширник 28 газової турбіни та стадію 30 синтезу вуглеводнів. На етапі 14 ядерної реакції використовується високотемпературний газоохолоджуваний ядерний реактор 32 з гелієм у якості газоподібного охолоджувача, що циркулює у високотемпературному газоохолоджуваному ядерному реакторі 32. Етап 14 ядерної реакції може бути типовою або звичайною стадією високотемпературної газоохолоджуваної ядерної реакції, що протікає з використанням гелію при тиску 7 МПа (ман.) у замкнутому контурі 34. На кресленнях етап 14 ядерної реакції показаний у дуже спрощеному виді, без відображення на схемі більшості компонентів такого типового етапу ядерної реакції. Треба, однак, відзначити, що в замкнутому контурі 34 високотемпературного газоохолоджуваного реактора 32 гелій нагрівається до температури близько 900 °C у точці його надходження в повітронагрівач 20. Повітряний потік 36 засмоктується в повітряний компресор 18 і піддається стисканню до тиску близько 1,5 МПа (ман.), у результаті чого з'являється потік 38 стисненого повітря. У повітронагрівачі 20 тепло із замкнутого гелієвого контуру 34 етапу 14 ядерної реакції непрямим чином передається потоку 38 стисненого повітря, у результаті чого утворюється потік 40 нагрітого стисненого повітря з температурою не нижче приблизно 700 °C. Однак бажано, щоб потік 40 нагрітого стисненого повітря мав більш високу температуру, наприклад, близько 850 °C. 6 UA 107461 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Потік 40 нагрітого стисненого повітря піддається розділенню на етапі 16 розділення повітря за допомогою іонітової мембрани 16.1, на вихідній стороні якої утворюються потік пермеату 42, що складається переважно з кисню, наприклад такий, що містить, як правило, не нижче приблизно 98 % кисню за об'ємом, а також потік 44 збідненого на кисень повітря, що відводять. Як буде показано далі, потік 44 збідненого на кисень повітря, який відводять, має власне кажучи такий самий тиск, як потік 40 нагрітого стисненого повітря, наприклад, близько 1,5 МПа (ман.) за винятком падіння тиску на повітронагрівачі 20 та етапі 16 розділення повітря. Потік пермеату 42 має тиск близько 0,1 МПа (ман.) і спочатку проходить через охолоджуючий апарат 43, а потім надходить у кисневий компресор 22, де його тиск підвищується до рівня, необхідного для етапу 12 виробництва синтез-газу. Як правило, тиск потоку пермеату 42 тепер становить від 4 до 5 МПа (ман.), наприклад, близько 4,5 МПа (ман.) На етапі 12 виробництва синтез-газу вугілля, що подається живильником 46 газифікується в присутності кисню потоку пермеату 42, а також пари з паропроводу 48 з одержанням на виході гарячого синтез-газу 50. Гарячий синтез-газ має температуру не нижче 900 °C. Реалізація способу відповідно до винаходу не обмежується конкретною технологією виробництва синтез-газу 50, єдина обов'язкова вимога полягає в тім, що гарячий синтез-газ 50 повинен мати досить високу температуру, наприклад, не нижче 900 °C. На етапі 12 можна робити синтез-газ із вугілля в присутності кисню та пари, як показано на Фігурі 1, використовуючи високотемпературний газифікатор, що працює на дрібному вугіллі, або використати стадію 12 не для виробництва синтез-газу, а для риформінга метану киснем і парою. Етап 12 можна використати також для автотермічного риформінга. Однак для всіх цих технологій потрібен кисень, джерелом якого для способу 10 є потік пермеату 42, підданий одноразовому стисканню в кисневому компресорі 22. Гарячий синтез-газ 50 охолоджується в охолодному апараті 24 за принципом непрямої теплопередачі, забезпечуючи нагрівання потоку 44, що відводять. Бажано, щоб гарячий синтезгаз мав температуру близько 1300 °C, а нагрітий потік 44 збідненого на кисень повітря, який відводять, – близько 1200 °C. В результаті з'являється нагрітий потік 52 збідненого на кисень повітря, який відводять. Як буде показано нижче, нагрітий потік 52, що відводять, з температурою близько 1200 °C і тиском близько 1,5 МПа (ман.) можна використовувати для виробництва електроенергії. Нагрітий потік 52, який відводять, потім надходить у розширник 28 газової турбіни, на виході якої виникає потік 54 збідненого на кисень повітря, який відводять, який щонайменше частково розширився. Розширник 28 газової турбіни використовується для приведення в дію генератора 56, що виробляє електроенергію. Гарячий синтез-газ 50 охолоджується в охолодному апараті 24. Охолоджений синтез-газ 58 подається в котел-утилізатор 26, де він додатково охолоджується, перш ніж надійти на стадію 30 синтезу вуглеводнів. У котел-утилізатор 26 тепла синтез-газу подається живильна вода 60 для одержання пари 62, яку можна використати для виробництва електроенергії або в технологічних цілях, наприклад, у якості вихідної пари 48 на етапі 12 виробництва синтез-газу. На етапі 30 синтезу вуглеводнів синтез-газ використовується для одержання вуглеводнів 64. Наприклад, на цьому етапі можна синтезувати метанол або способом Фішера-Тропша виробляти інші вуглеводні. На Фігурі 2 число 100 позначає інший варіант реалізації способу відповідно до винаходу для сумісного виробництва синтез-газу та електроенергії. Спосіб 100 подібний до способу 10, і, якщо не зазначене інше, для позначення однакових або подібних компонентів способу 100 використовуються ті ж самі числа, які використовуються для позначення компонентів способу 10. У способі 100 застосовується підігрів робочого плину енергетичного циклу Брайтона, наприклад, потоку 44, який відводять. У способі 100 використовуються підігрівач 104 для потоку, що відводять, і розширник 106 іншої газової турбіни. Гарячий синтез-газ 50 розділяється на два потоки, один з яких подається в охолодний апарат 24, а інший в підігрівач 104 для потоку, що відводять, перш ніж обидва потоки возз'єднуються і як єдине ціле надходять на стадію 30 синтезу вуглеводнів. У способі 100 нагрітий потік 52, який відводять, піддається поетапному розширенню, спочатку в розширнику 28 газової турбіни, потім у розширнику 106 газової турбіни та стає потоком 108, що розширився, який відводять. Один з потоків гарячого синтез-газу 50 використовується для підігріву потоку 54, що щонайменше частково розширився, який відводять з розширника 28 газової турбіни, перш ніж потік 54, що щонайменше частково розширився, який відводять, надійде в розширник 106 газової турбіни. Як показано на Фігурі 2, розширник 106 газової турбіни можна використовувати для приведення в дію повітряного компресора 18. Для такого привода зазвичай варто забезпечити 7 UA 107461 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 безпосередній механічний зв'язок між розширником 106 газової турбіни та повітряним компресором 18. Використання підігрівача 104 і поетапне розширення нагрітого потоку, який відводять, 52 забезпечують підвищення ккд енергетичного циклу Брайтона в способі 100. На Фігурі 3 число 200 позначає альтернативний варіант використання способу відповідно до винаходу для сумісного виробництва синтез-газу, електроенергії та тепла. Тут так само, у силу численності збігів способу 200 зі способом 10, однакові компоненти обох способів у максимально можливому ступені позначаються однаковими числами. У способі 200 використовуються котел 206, пароперегрівник 208, парова турбіна 202 і конденсатор 204 пари. Парова турбіна 202, конденсатор 204, котел 206 і пароперегрівник 208 утворюють групу, яка відноситься до нижньої частини циклу Ренкіна, що реалізується разом із верхньою частиною циклу Брайтона для виробництва пари (тепла) і електроенергії, при цьому верхню частину циклу Брайтона утворюють повітронагрівач 20, охолодний апарат 24 для синтез-газу та розширник 28 газової турбіни. При реалізації способу 200 потік 54, який щонайменше частково розширився, який відводять, охолоджується у котлі 206, що виробляє пару 210 та охолоджений потік 211, який відводять. Пара 210 перегрівається в пароперегрівнику 208 за рахунок взаємодії по типу непрямого теплообміну з охолодженими синтез-газом 58, у результаті чого утворюється перегріта пара 212. Частина перегрітої пари 212 надходить у парову турбіну 202 для виробництва електроенергії. Ця частина повністю перетворюється на воду у конденсаторі 204 пари, а конденсат 214 повертається у котел 206. У котлі до конденсату 214 додається живильна вода 216. Інша частина перегрітої пари 212, позначена числом 218, видаляється і використовується для технологічних потреб, наприклад, як нагрівальне середовище для процесу. Як показано також на Фігурі 3, повітряний компресор 18 розрахований на стискання повітря на додаток до того, що потрібно одержати потік пермеату 42, тобто він повинен стискати повітря та додатково забезпечувати потребу в кисні етапу 12 виробництва синтез-газу. Додаткове стиснене повітря не надходить на етап 16 розділення повітря, хоча воно нагрівається в повітронагрівачі 20. Інакше кажучи, потік 220 додаткового нагрітого стисненого повітря, який перепускають, обходить потік 40 нагрітого стисненого повітря та стадію 16 розділення повітря. Цей потік 220, який перепускають, використовується для вироблення додаткової кількості електроенергії і надходить у розширник 28 газової турбіни. На Фігурі 4 показаний ще один варіант реалізації способу відповідно до винаходу для сумісного виробництва синтез-газу та електроенергії, при цьому даний спосіб зазвичай позначається числом 300. За аналогією з Фігурами 2 та 3 на Фігурі 4, якщо не зазначене інше, для позначення таких самих або подібних компонентів способу використовуються такі ж самі числа, які використовуються на Фігурі 1. За аналогією зі способом 200 у способі 300 повітряний компресор 18 розрахований на стискання повітря на додаток до того, що потрібно одержати потік пермеату 42, тобто він повинен стискати повітря та додатково забезпечувати потребу в кисні етапу 12 виробництва синтез-газу. Додаткове стиснене повітря так само нагрівається в повітронагрівачі 20, а потім в обхід етапу 16 розділення повітря потік 302, який перепускають, з'єднується з потоком 44, який відводять. Комбінований потік 304 гарячого газу з температурою близько 850 °C проходить потім через охолодний апарат 24 синтез-газу та нагрівається до температури близько 1200 °C. Нагрітий комбінований потік 306 гарячого газу з охолодного апарата 24 надходить у камеру згоряння 308, у якій змішується з паливним газом 310. Ця суміш спалюється в камері згоряння 308 з одержанням на виході з неї потоку 312 вихлопного газу, який потім піддається розширенню в розширнику 314 газової турбіни для виробництва додаткової кількості електроенергії. Як показано на Фігурах, особливе достоїнство способу, який є предметом винаходу, полягає в тім, що він заснований на сталій технології виробництва електроенергії, тобто на повітряних компресорах і газових турбінах і, можливо, на зовсім звичайних етапах ядерної реакції у випадку кращого варіанта здійснення винаходу з підведенням тепла ядерної реакції. Має також місце ефект масштабу, що виражається в зниженні витрат на виробництво електроенергії, тому що в одному виробничому циклі використовується тепло етапу ядерної реакції та тепло гарячого синтез-газу на відміну від автономної атомної електростанції та автономної системи виробництва пари, використовуваної для охолодження гарячого синтез-газу. Як проілюстровано, спосіб, що є предметом винаходу, забезпечує рішення більш ніж однієї проблеми, а саме очевидного дефіциту можливостей інтеграції атомної енергетики зі способами виробництва синтез-газу, необхідності значної різниці температур для створення рушійних сил, 8 UA 107461 C2 5 10 сполучених з виробництвом пари з використанням гарячого синтез-газу (наприклад, за допомогою узгодження тепломісткості гарячого синтез-газу з температурою вище 900 °C з тепломісткістю гарячого потоку стисненого збідненого на кисень повітря, що є продуктом способу одержання кисню за допомогою іонітових мембран, для вироблення додаткової кількості електроенергії з використанням цього потоку), високої потреби в електроенергії традиційних установок кріогенного розділення повітря для одержання кисню, потреби системи іонітових мембран у тепловій енергії, а також проблеми викидів в атмосферу двоокису вуглецю, що супроводжує виробництво синтез-газу для великомасштабного виробництва хімічних продуктів. Скорочення викидів двоокису вуглецю забезпечується підвищенням термічного ккд і переходом зі звичайного устаткування для одержання електричної та теплової енергії за допомогою спалювання вуглецевмісних матеріалів, на устаткування, у якому, замість вуглецевмісних матеріалів, використовується ядерна енергія. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 1. Спосіб сумісного виробництва синтез-газу та електроенергії, що включає на етапі виробництва синтез-газу одержання синтез-газу, який містить щонайменше СО та Н2 та який має першу температуру, за допомогою реакції вуглеводневої сировини з киснем, на етапі відділення повітря відділення потоку стисненого повітря в щонайменше одному іонітовому мембранному блоці з одержанням потоку пермеату, що складається переважно з кисню, і потоку збідненого на кисень повітря, який відводять, що має другу температуру, яка є нижчою від першої, непряме нагрівання потоку збідненого на кисень повітря, який відводять, синтез-газом, тим самим охолоджуючи синтез-газ та забезпечуючи потік нагрітого, збідненого на кисень повітря, який відводять, на етапі синтезу вуглеводнів одержання вуглеводнів із синтез-газу, одержуваного на етапі виробництва синтез-газу, щонайменше часткове розширення зазначеного нагрітого потоку збідненого на кисень повітря, який відводять, в щонайменше одній турбіні для виробництва електроенергії з одержанням потоку збідненого на кисень повітря, який щонайменше частково розширився, який відводять, повторне стискання потоку пермеату, що складається переважно з кисню, до тиску, придатного для використання на етапі виробництва синтез-газу, і подача щонайменше частини повторно стиснутого потоку пермеату, що складається переважно з кисню, на етап виробництва синтез-газу із забезпеченням кисню для одержання синтез-газу. 2. Спосіб за п. 1, у якому синтез-газ, одержуваний на етапі виробництва синтез-газу, має температуру щонайменше 900 °C, а потік збідненого на кисень повітря, який відводять, має температуру щонайменше 600 °C, але нижчу від температури синтез-газу, одержаного на етапі виробництва синтез-газу. 3. Спосіб за п. 1, який включає нагрівання потоку стисненого повітря до температури не нижче 700 °C перед етапом відділення потоку стисненого повітря на стадії відділення повітря, причому потік стисненого повітря нагрівають щонайменше за допомогою передачі тепла з етапу ядерної реакції. 4. Спосіб за п. 1, який включає щонайменше одноразове повторне нагрівання потоку збідненого на кисень повітря, який відводять, після часткового розширення цього потоку у щонайменше одній турбіні та додаткове його розширення у щонайменше одній додатковій турбіні для підвищення ККД способу виробництва електроенергії. 5. Спосіб за п. 1, який включає охолодження зазначеного потоку збідненого на кисень повітря, який щонайменше частково розширився, який відводять, після його використання для виробництва електроенергії, в умовах теплоперенесення з потоком стисненого повітря. 6. Спосіб за п. 1, у якому нагрітий потік збідненого на кисень повітря, який відводять, нагрівають до температури щонайменше 900 °C за допомогою непрямого нагрівання синтез-газом. 7. Спосіб за п. 1, у якому стискання повітря здійснюють в одному або декількох повітряних компресорах, розрахованих на стискання повітря, на додаток до того, який потрібен для створення потоку пермеату, що складається переважно з кисню, на етапі відділення повітря з метою одержання синтез-газу, причому додаткове стиснене повітря обходить іонітовий мембранний блок і його нагрівають перед використанням для виробництва додаткової кількості електроенергії. 8. Спосіб за п. 7, у якому додаткове стиснене повітря приймає тепло синтез-газу. 9. Спосіб за п. 7, який включає нагрівання потоку стисненого повітря до температури щонайменше 700 °C перед відділенням потоку стисненого повітря на етапі відділення повітря, і 9 UA 107461 C2 5 в якому потік стисненого повітря нагрівають щонайменше за допомогою теплоперенесення з етапу ядерної реакції, а також у якому додаткове стиснене повітря приймає тепло з етапу ядерної реакції. 10. Спосіб за п. 7, у якому паливний газ спалюють разом з додатковим стисненим повітрям з одержанням вихлопного газу з наступним його розширенням для виробництва електроенергії. 11. Спосіб за п. 10, у якому додаткове стиснене повітря спочатку змішують із потоком збідненого на кисень повітря, який відводять, та паливом, перш ніж суміш спалюють для одержання вихлопного газу, який потім піддають розширенню в газовій турбіні з розширником для виробництва електроенергії. 10 UA 107461 C2 Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 11