Спільне виробництво синтез-газу та енергії

Реферат: Спосіб (10) спільного виробництва синтез-газу та енергії включає на етапі вироблення синтезгазу - вироблення гарячого синтез-газу і на етапі вироблення ядерної енергії (12) - нагрівання робочої рідини теплотою, виробленою шляхом ядерної реакції, для утворення нагрітої робочої рідини та вироблення енергії шляхом розширення нагрітої робочої рідини з застосуванням однієї або кількох турбін (16), з додатковим нагріванням (14) нагрітої робочої рідини шляхом непрямої передачі теплоти від гарячого синтез-газу до нагрітої робочої рідини. UA 104871 C2 (12) UA 104871 C2 UA 104871 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Цей винахід стосується спільного виробництва синтез-газу та енергії. Зокрема, винахід стосується способу спільного виробництва синтез-газу та енергії. Синтез-газ, також відомий як сингаз, являє собою суміш принаймні моноксиду вуглецю та водню, який зазвичай утворюють шляхом газифікації твердої вуглецевої сировини, такої, як вугілля, або шляхом реформінгу газоподібної вуглецевої сировини, такої, як природний газ. Утворений синтез-газ може застосовуватися для утворення різноманітних вуглецевих хімічних сполук, наприклад, для синтезу метанолу або для синтезу Фішера-Тропша вищих вуглеводнів. Процеси, у яких виробляють синтез-газ для одержання вуглецевих хімічних сполук, вимагають теплоти та енергії для внутрішнього використання. Великомасштабні засоби можуть вимагати значної кількості теплоти та енергії, і вироблення такої теплоти та енергії сприяє викидам СО2. Один спосіб розв'язання проблеми з викидами СО 2 полягає у заміні традиційних вуглецевих засобів вироблення енергії та теплоти на безвуглецеві джерела, такі, як ядерні технології. Способи вироблення синтез-газу відбуваються при підвищених температурах, і, залежно від типу технології, застосовуваної для вироблення синтез-газу, як правило, забезпечують гарячий синтез-газ при температурі понад 900 °C. Теплоту зазвичай видобувають з гарячого синтез-газу за допомогою котлів-утилізаторів відпрацьованих газів, які виробляють пару. Цю пару зазвичай застосовують для приведення в дію парових турбін для повітророздільних установок і для вироблення енергії. Заявником було помічено, що утилізація теплоти з застосуванням котлівутилізаторів відпрацьованих газів суттєво сприяє термодинамічним втратам за другим законом у процесах з виробленням синтез-газу через рушійні сили великого перепаду температур, які застосовують у таких котлах-утилізаторах відпрацьованих газів. Іншими словами, застосування котлів-утилізаторів відпрацьованих газів знижує сортність високоякісної або високотемпературної теплоти до нижчої якості або нижчої температури, що є небажаним, оскільки теплота при вищій температурі може використовуватися для вироблення більшої кількості енергії порівняно з такою самою кількістю теплоти при нижчій температурі. Таким чином, підвищується ефективність процесів вироблення синтез-газу через розв'язання проблеми рушійних сил великого перепаду температур при видобуванні теплоти з гарячого синтез-газу. Одним із шляхів зменшення рушійних сил великого перепаду температур у котлахутилізаторах відпрацьованих газів є підвищення тиску пари або перегрів пари. Однак те, що критична температура води становить 374 °C, зумовлює верхню межу температури, при якій може вироблятися насичена пара у котлах-утилізаторах відпрацьованих газів. Крім того, при використанні пари для вироблення енергії, наприклад, у циклі Ренкіна, пара, як правило, не перегрівається до температур понад 565 °C через конструкційні матеріали. Отже, у даний час тривають науково-дослідні роботи над ядерними процесами вироблення синтез-газу, які мають на меті приведення робочої температури процесу вироблення синтезгазу у відповідність до теплоти найвищої температури, яка може бути одержана з контуру ядерного реактора. Високотемпературні ядерні реактори з газовим охолодженням здатні виробляти теплоту при температурах приблизно 800-900 °C. Однак за цих порівняно низьких температур раціональний вибір можливостей способу вироблення синтез-газу є обмеженим, зокрема, у разі застосування процесу газифікації. Як було зазначено вище, процеси вироблення синтез-газу зазвичай складають частину великомасштабних засобів для виробництва вуглецевих хімічних сполук. Такі засоби зазвичай включають етапи подальшої обробки, які функціонують при температурах, нижчих за 800 °C, або ще частіше - нижчих за 500 °C. Хоча ці етапи подальшої обробки можуть бути перспективними для теплової інтеграції з ядерними джерелами теплоти, Заявником було виявлено, що ці етапи подальшої обробки також є перспективними для теплової інтеграції з гарячим синтез-газом, виробленим у процесі вироблення синтез-газу. Заявником також було виявлено, що у таких засобах при температурах, нижчих, ніж приблизно 250 °C, зазвичай існує багато джерел та поглиначів теплоти, причому кількість джерел теплоти збільшується зі зниженням температури. Таким чином, зазвичай виникає надлишкова кількість наявної низькосортної теплоти. Отже, існує певний стимул до вироблення низькосортної теплоти з ядерного джерела. У будь-якому разі Заявник припускає, що більш традиційний легководний ядерний реактор має бути оптимальним вибором для забезпечення низькосортної теплоти. Таким чином, відчувається брак можливостей інтеграції ядерного джерела теплоти з великомасштабними засобами для виробництва вуглецевих хімічних сполук, зокрема, інтеграції ядерного джерела теплоти з процесом вироблення синтез-газу. Це веде до значно відмінних підходів до застосування ядерної енергії, особливо, виробництва водню у ядерному реакторі через розщеплення води. 1 UA 104871 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 У документі WO 2007/024569 описується спосіб вироблення енергії з застосуванням об'єднаних термічних циклів Брайтона та Ренкіна, у яких застосовують різні види палива, включаючи ядерне та вугільне, та різні робочі рідини. Однак він не дозволяє уникати рушійних сил великого перепаду температур у теплоутилізаторі після газорозширювача. У документі FR 2393052 описується газифікація вугілля, під час якої виробляється пара з відпрацьованої теплоти, причому пару застосовують для газифікації вугілля, а також для вироблення енергії. Авторами було винайдено спосіб, який об'єднує ядерне джерело теплоти з процесом вироблення синтез-газу, незважаючи на відомий брак можливостей, як було зазначено вище. Крім того, спосіб також дозволяє подолати проблему рушійних сил великого перепаду температур при видобуванні теплоти з гарячого синтез-газу. Згідно з винаходом, пропонується спосіб спільного виробництва синтез-газу та енергії, який включає на етапі вироблення синтез-газу - вироблення гарячого синтез-газу при температурі принаймні 650 °C, який включає принаймні СО та Н 2, з вуглецевої сировини; і на етапі вироблення ядерної енергії - нагрівання робочої рідини теплотою, виробленою шляхом ядерної реакції, для утворення нагрітої робочої рідини та вироблення енергії шляхом розширення нагрітої робочої рідини з застосуванням однієї або кількох турбін, з додатковим нагріванням нагрітої робочої рідини шляхом непрямої передачі теплоти від гарячого синтез-газу до нагрітої робочої рідини. У цьому описі термін "турбіна" охоплює поняття ступеня турбіни, тому у разі посилання на більш, ніж одну турбіну, слід розуміти, що турбіни можуть бути окремими агрегатами або одиничним агрегатом, який включає більше, ніж один чітко визначений ступінь турбіни, або комбінацію окремих агрегатів та одного або кількох одиничних агрегатів, які включають більше, ніж один чітко визначений ступінь турбіни. У контексті даного опису непряма передача теплоти означає, що теплота передається через поверхню теплопередачі від одного текучого середовища до іншого, таким чином, щоб текучі середовища не перебували у прямому контакті одне з одним, а отже, не змішувалися. В одному варіанті втілення винаходу додаткове нагрівання нагрітої робочої рідини здійснюють перед розширенням нагрітої робочої рідини для вироблення енергії. В іншому варіанті втілення додаткове нагрівання нагрітої робочої рідини здійснюють у кілька етапів шляхом розділення на етапи додаткового нагрівання та розширення нагрітої робочої рідини. У такому варіанті втілення на етапі вироблення енергії можуть застосовуватися принаймні дві турбіни, причому принаймні частина теплоти від гарячого синтез-газу, що передається до нагрітої робочої рідини після проходження нагрітої робочої рідини через одну турбіну, але до проходження нагрітої робочої рідини через іншу турбіну, щоб повторно нагріти нагріту робочу рідину. На етапі вироблення ядерної енергії зазвичай утворюється нагріта робоча рідина при температурі принаймні 500 °C, частіше - принаймні 600 °C, найчастіше - принаймні 800 °C. Гарячий синтез-газ в оптимальному варіанті перебуває при температурі, вищій за 900 °C. Додаткове нагрівання нагрітої робочої рідини може нагрівати нагріту робочу рідину до температури понад 600 °C, ще краще - понад 750 °C, і ще краще - понад 900 °C. В оптимальному варіанті на етапі вироблення ядерної енергії застосовують енергетичний цикл Брайтона, у якому робоча рідина є газоподібною і не конденсується під час циклу. В оптимальному варіанті робоча рідина не є парою. Цикл Брайтона може включати рекуперацію та/або проміжне охолодження з метою підвищення ефективності вироблення енергії. Якщо на етапі вироблення енергії застосовують рекуперативний енергетичний цикл Брайтона, спосіб може включати охолодження розширеної робочої рідини зі здійсненням теплообміну з повторно стиснутою робочою рідиною, що, таким чином, попередньо нагріває повторно стиснуту робочу рідину, перед повторним стисканням охолодженої розширеної робочої рідини і перед перенесенням теплоти при непрямій теплопередачі від гарячого синтез-газу до повторно стиснутої робочої рідини, попередньо нагрітої шляхом теплообміну з розширеною робочою рідиною. Таким чином, спосіб на етапі вироблення енергії може включати розширення нагрітої робочої рідини через принаймні одну газорозширювальну турбіну, яка утворює розширену робочу рідину при нижчій температурі та нижчому тиску, ніж у нагрітої робочої рідини. У цьому разі може застосовуватися принаймні одна газорозширювальна турбіна для вироблення електричної енергії, наприклад, з застосуванням генератора. У такому разі можуть застосовуватися кілька газорозширювальних турбін на етапі вироблення енергії, причому принаймні одну газорозширювальну турбіну застосовують для вироблення енергії, і принаймні одну газорозширювальну турбіну застосовують для приведення в дію компресора для 2 UA 104871 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 повторного стискання розширеної робочої рідини перед повторним нагріванням робочої рідини принаймні шляхом теплообміну з гарячим синтез-газом. В оптимальному варіанті втілення винаходу ядерну реакцію здійснюють у високотемпературному ядерному реакторі з газовим охолодженням, у якому газоподібний охолоджувач застосовують як охолоджувач для ядерного реактора. У такому варіанті втілення на етапі вироблення енергії зазвичай застосовують так званий прямий енергетичний цикл Брайтона, у якому газоподібний охолоджувач також є робочою рідиною енергетичного циклу Брайтона. Як правило, такий прямий енергетичний цикл Брайтона являє собою замкнений енергетичний цикл (тобто, цикл, у якому розширена робоча рідина циклічно стискається й рециркулюється), і робочою рідиною зазвичай є гелій. В альтернативних варіантах втілення, у яких ядерну реакцію здійснюють у ядерному реакторі з газовим охолодженням, на етапі вироблення енергії може застосовуватися так званий непрямий енергетичний цикл Брайтона. У непрямому циклі газоподібний охолоджувач рециркулює через ядерний реактор у первинному контурі, який є замкненим, з перенесенням теплоти від первинного контуру до робочої рідини непрямого енергетичного циклу Брайтона, що міститься у вторинному контурі. Як правило, газоподібним охолоджувачем, який циркулює у первинному контурі, є гелій. Вторинний контур може бути циклом з відкритим контуром (тобто, циклом, у якому робоча рідина використовується на основі одноразової циркуляції з виведенням розширеної робочої рідини з системи) або циклом з замкненим контуром. У циклі з відкритим контуром робочою рідиною може бути, наприклад, повітря, а у циклі з замкненим контуром можуть застосовуватися, наприклад, суміші гелію та водню. Якщо етап вироблення енергії включає енергетичний цикл Брайтона, чи є він прямим, чи непрямим циклом Брайтона, він в оптимальному варіанті є сконфігурованим як комбінований цикл. У комбінованому циклі теплота передається від розширеної робочої рідини циклу Брайтона (так званий верхній цикл) до робочої рідини подальшого енергетичного циклу (так званий нижній цикл). Як правило, нижній цикл є циклом Ренкіна, у якому зазвичай застосовують пару як робочу рідину. Відомо, що енергетичні системи з комбінованим циклом дозволяють досягати підвищеної ефективності порівняно з автономними циклами Брайтона. Якщо на етапі вироблення енергії застосовують комбінований цикл, цикл Ренкіна також може бути модифікований таким чином, щоб включати повторний нагрів та перегрів для додаткового підвищення ефективності. В альтернативному або у додатковому варіанті, коли застосовують комбінований цикл, частина виробленої пари може спрямовуватися на технологічний нагрів, що робить систему комбінованою системою для виробництва теплоти та енергії. В альтернативному варіанті технологічна пара, вироблена в установці з застосуванням синтез-газу, може подаватися на цикл Ренкіна для допоміжного вироблення енергії. Таким чином, спосіб може включати етап синтезу вуглеводнів, на якому виробляються вуглеводні з синтез-газу, виробленого на етапі вироблення синтез-газу, і виробляється технологічна пара на етапі синтезу вуглеводнів, технологічна пара, вироблена на етапі синтезу вуглеводнів, подається на цикл Ренкіна для допоміжного вироблення енергії. Приклади такого синтезу вуглеводнів включають синтез метанолу та синтез Фішера-Тропша. Етап вироблення синтез-газу може бути етапом газифікації, на якому газифікується тверда вуглецева сировина, наприклад, вугілля. Може застосовуватися будь-яка традиційна технологія газифікації, якщо забезпечується вироблення належного гарячого синтез-газу, як правило, при температурі принаймні приблизно 900 °C. Натомість етап вироблення синтез-газу може бути етапом реформінгу, з реформінгом газоподібної вуглеводневої сировини, наприклад, природного газу або попутного газу. Може застосовуватися будь-яка традиційна технологія реформінгу, якщо забезпечується вироблення належного гарячого синтез-газу, як правило, при температурі принаймні приблизно 900 °C. Спосіб також може включати охолодження синтез-газу після передачі теплоти від гарячого синтез-газу до нагрітої робочої рідини. У такий спосіб синтез-газ може охолоджуватися до температури, прийнятної для подальшої обробки синтез-газу, наприклад, на вищезгаданому етапі синтезу вуглеводнів. Подальше охолодження синтез-газу може включати вироблення пари. Далі винахід описується на прикладі з посиланням на супровідну фігуру, яка показує схематичне креслення одного варіанта втілення способу згідно з винаходом для спільного виробництва синтез-газу та енергії, і з посиланням на Приклад. На фігурі умовним номером 10 в цілому позначається спосіб спільного виробництва синтезгазу та енергії згідно з винаходом. Спосіб 10 включає засіб синтезу вуглеводнів, який включає етап вироблення синтез-газу та етап синтезу вуглеводнів Фішера-Тропша (не показано), 3 UA 104871 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 об'єднаний з ядерною енергетичною установкою, який включає етап вироблення ядерної енергії. Таким чином, вигідним є те, що показаний спосіб 10 є дуже спрощеним, зокрема, якщо йдеться про засіб синтезу вуглеводнів. Фактично, якщо йдеться про засіб синтезу вуглеводнів та його етап вироблення синтез-газу, єдиною особливістю, показаною на фігурі є теплова інтеграції з ядерною енергетичною установкою. Спосіб 10 включає етап вироблення ядерної енергії, який включає ядерний реактор 12, за яким ідуть підігрівач 14, розширювальна турбіна 16, бойлер 18, охолоджувач 20 та компресор 22. Ядерний реактор 12 в оптимальному варіанті є високотемпературним ядерним реактором з гранульованим паливом та газовим охолодженням, який складає частину циклу Брайтона або рекуперативного циклу Брайтона, і показана розширювальна турбіна 16 зазвичай є однією з багатьох турбін, які складають частину ступеня турбіни з принаймні однією з турбін, які приводять у дію компресор 22, і однією або кількома з турбін, які приводять у дію генератори для вироблення електроенергії. Таким чином, у показаній ядерній енергетичній установці застосовують замкнений прямий верхній енергетичний цикл Брайтона з використанням гелію як робочої рідини. З метою пояснення і у контексті представленого нижче Прикладу застосовується лише один етап стискання (компресор 22) і лише один етап розширення (розширювальна турбіна 16). На практиці, як зазначено вище, зазвичай застосовують кілька етапів. Спосіб 10 також включає нижній енергетичний цикл, який включає парову турбіну 24, яка може застосовуватися для вироблення енергії з метою приведення в дію компресора, вироблення електроенергії і т. ін. Для пояснення теплової інтеграції засобу синтезу вуглеводнів з ядерною енергетичною установкою показано підігрівач 14. Коли підігрівач 14 не включається, тобто, коли робота підігрівача 14 є нульовою, фігура показує автономну ядерну енергетичну установку. Коли підігрівач 14 має позитивну роботу, передачу теплоти від засобу синтезу вуглеводнів до ядерної енергетичної установки, фігура показує об'єднання засобу синтезу вуглеводнів або принаймні етапу вироблення синтез-газу з ядерною енергетичною установкою. Для того, щоб ядерна енергетична установка виробляла енергію, до ядерного реактора 12 надходить гелій при тиску приблизно 110 бар та температурі приблизно 284 °C. У ядерному реактор 12 гелій нагрівається до температури приблизно 900 °C (при незмінному тиску приблизно 110 бар) шляхом ядерних реакцій, які відбуваються всередині ядерного реактора 12. Гарячий гелій піддається подальшому нагріванню у підігрівачі 14 до температури приблизно 1100 °C шляхом теплообміну з гарячим синтез-газом, який виходить з етапу вироблення синтезгазу (не показано), який складає частину засобу синтезу вуглеводнів. Етап вироблення синтезгазу зазвичай являє собою традиційний етап вироблення сингазу, який виробляє гарячий синтез-газ, який включає принаймні СО та Н2, з вуглецевої сировини, такої, як вугілля. В оптимальному варіанті втілення винаходу гарячий синтез-газ має температуру, яка є значно вищою за 900 °C, наприклад, приблизно 1100 °C - 1150 °C. Повторно нагрітий гелій проходить через розширювальну турбіну 16, де здійснюється робота, причому гелій виходить з розширювальної турбіни 16 при тиску приблизно 26 бар та температурі приблизно 559 °C. Гелій проходить через бойлер 18, який додатково знижує температуру гелію до приблизно 364 °C. У бойлері 18 вода при тиску 120 бар та температурі 324 °C перетворюється на насичену пару. Насичена пара використовується для приведення в дію парової турбіни 24 при зниженні тиску пари до приблизно 30 бар та зниженні температури пари до приблизно 234 °C. Гелій, який виходить з бойлера 18, піддається подальшому охолодженню до температури приблизно 25 °C в охолоджувачі 20, а потім повторно стискається у компресорі 22 до тиску 110 бар і при температурі приблизно 284 °C перед поверненням до ядерного реактора 12. Також вигідним є те, що засіб синтезу вуглеводнів зазвичай є комплексним, включаючи етапи очищення синтез-газу, збагачення синтез-газу воднем, видалення CO2 з синтез-газу, синтез вуглеводнів і т. ін. Жоден з цих етапів на фігурі не показано. Однак важливим є те, що фігура пояснює теплову інтеграцію між засобом синтезу вуглеводнів та ядерною енергетичною установкою. Також вигідним є те, що у разі, коли етап вироблення синтез-газу складає частину засобу синтезу вуглеводнів Фішера-Тропша, будь-яка традиційна конфігурація синтезу вуглеводнів Фішера-Тропша може застосовуватися для етапу синтезу вуглеводнів. Етап синтезу вуглеводнів Фішера-Тропша, таким чином, може включати один або кілька придатних реакторів, таких, як реактори з псевдорозрідженим шаром, трубчастий реактор з нерухомим шаром, реактор з завислим шаром або реактор з киплячим шаром. Він навіть може включати кілька реакторів, які 4 UA 104871 C2 5 10 15 20 25 30 35 функціонують у різних умовах. Тиск у реакторах може становити від 1 бар до 100 бар. Температура може становити від 160 °C до З80 °C. Реактори, таким чином, містять каталізатор Фішера-Тропша, який перебуває у формі твердих частинок. Каталізатор може містити як активний каталізуючий компонент Co, Fe, Ni, Ru, Re та/або Rh, але в оптимальному варіанті активним каталізуючим компонентом є Fe. Каталізатор може мати один або кілька активаторів, вибраних з-поміж лужних металів, V, Cr, Pt, Pd, La, Re, Rh, Ru, Th, Mn, Cu, Mg, K, Na, Ca, Ba, Zn та Zr. Каталізатор може являти собою каталізатор на основі, і в цьому разі активний каталізуючий компонент, наприклад, Co, утримується на відповідній основі, такій, як Аl2О3, ТіО2, SiO2, ZnO або їх комбінація. Приклад Технологічна карта процесу, показана на фігурі, використовувалася для моделювання двох таких випадків: Випадок А: Ядерна енергетична установка з комбінованим циклом після установки для перегонки вугілля на рідке паливо (CTL) з застосуванням високотемпературних газифікаторів, тобто, без теплової інтеграції між двома установками. Випадок В: Ядерна енергетична установка з комбінованим циклом з тепловою інтеграцією з установкою для CTL з застосуванням високотемпературних газифікаторів. Межі системи були вибрані для спрощення порівняння між випадком А та випадком В і включали такі компоненти: - ядерний енергетичний цикл та - котел-утилізатор відпрацьованих газів (у випадку В котел-утилізатор відпрацьованих газів являє собою підігрівач 14) на виході високотемпературних газифікаторів в установці для CTL. В обох випадках розраховувалася загальна кількість виробленої енергії (робота). Комбінований енергетичний цикл включає цикл Брайтона (верхній цикл) з застосуванням з'єднання гелієвого циклу з паровим циклом (нижній цикл, який включає бойлер 18 та парову турбіну 24) і отриманням теплоти від високотемпературного ядерного реактора з газовим охолодженням 12. Теплота передається від гелієвого циклу до простого парового циклу. У випадку А теплота також передається від гарячого синтез-газу у котлах-утилізаторах відпрацьованих газів на простий цикл Ренкіна. На фігурі це не показано. Робота, яка вимагається для закачування води на цикл Ренкіна для стискання, не враховується. У випадку В гелієвий цикл Брайтона отримує додаткову підвідну теплоту від гарячого необробленого синтез-газу з високотемпературних газифікаторів вугілля у точці між ядерним реактором 12 та розширювальною турбіною 16 (у підігрівачі 14) для повторного нагріву гелію до температури 1100 °C. Передбачається, що це може досягатися через використання гарячого синтез-газу, наприклад, при приблизно 1150 °C. Інші можливі показники для двох випадків зазначено нижче: Параметр Високий тиск гелію Висока температура гелію Низький тиск гелію Низька температура гелію Ізоентропічна ефективність для турбін та компресорів Низький тиск пари (насиченої) Висока температура пари Низький тиск пари Температура на впуску гелієвого компресора 40 45 Значення 110 бар 900 °C 26 бар 364 °C 90 % 120 бар 324 °C 30 бар 25 °C Для пари, виробленої безпосередньо від теплоти сингазу у Випадку А, застосовували простий паровий цикл, який функціонує з насиченою парою при 120 бар та ефективністю 18 %, для розрахунку енергії, яка може вироблятися цією парою. Ефективність парового енергетичного циклу може бути підвищена через застосування перегріву, але для спрощення він не був включений до моделі. Ефективність енергетичного циклу Брайтона також може бути додатково підвищена через застосування повторного нагріву, проміжного охолодження та рекуперації на етапі компресора; ці вдосконалення також не враховувалися. Результати моделювання випадку А та випадку В зведено нижче у таблиці. Показники теплоти та роботи показано окремо для двох робочих рідин, гелію та пари. 5 UA 104871 C2 Таблиця Потік теплоти (Q) та робочий потік (W) у MW Випадок А Гелій Qin ядерн. (реактор 12) Qin сингазу (підігрівач 14) W компресора 22 W турбіни 16 W чистого гелію Потік Qin гелію (бойлер 18) Qin сингазу (котел-утилізатор відпрацьованих газів для сингазу не показано) W парової турбіни 24 - теплота гелію W турбіни, яка приводиться в дію теплотою сингазу - не показано W загальної пари Q загалом у гелії та парі W чистого гелію та пари 5 10 15 20 25 Випадок В 512 0 219 389 170 512 166 219 454 235 62 162 166 0 11 30 42 678 211 29 0 29 678 264 Результати показують, що у Випадку В виробляється на 25 % більше енергії (роботи) порівняно з Випадком А. Це означає підвищення раціональної ефективності вироблення енергії з 31 % до 39 %. Ця ефективність визначається як загальна робота, вироблена гелієвою та паровою робочими рідинами, ділена на загальну теплоту, яка підводиться до циклів (теплота від ядерного джерела + теплота від синтез-газу). Моделювання пояснює перевагу, якої можна очікувати від більш ефективного використання високого ступеня теплоти, яка міститься у необробленому синтез-газі, який виходить з високотемпературних газифікаторів в установці для CTL. Це забезпечується шляхом спрямування цієї теплоти у схему комбінованого циклу вироблення енергії на ядерному паливі з суттєвим уникненням, таким чином, високотемпературних рушійних сил, які застосовуються лише для вироблення пари від цієї високотемпературної теплоти у котлах-утилізаторах відпрацьованих газів. Вигідним є те, що показаний спосіб 10, таким чином, передбачає рушійну силу відносно малого перепаду температур для одержання теплоти від гарячого синтез-газу, виробленого при виробленні синтез-газу. При застосуванні винаходу засіб синтезу вуглеводнів має вищу загальну ефективність, ніж у традиційного засобу синтезу вуглеводнів подібного розміру. Приклад показує, що може досягатися 25 % збільшення вироблення енергії. Це означає значне підвищення ефективності вироблення енергії. Хоча Приклад має теоретичний характер, і було зроблено багато припущень, очікується, що така сама перевага може досягатися на практиці, навіть у разі застосування проміжного теплообмінного середовища між ядерним реактором 12 та робочої рідиною для вироблення енергії. Ядерні технології є дорогими. При застосуванні винаходу, як показано на фігурі, існує можливість вироблення більшої кількості енергії з використанням такої самої кількості теплоти, порівняно з традиційним підходом з використанням високотемпературної теплоти, яка може бути одержана від потоку гарячого синтез-газу безпосередньо для піднімання пари. Це забезпечує зниження капітальних витрат, оскільки вимагається менша потужність ядерної установки. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 35 1. Спосіб спільного виробництва синтез-газу та енергії, який включає на етапі вироблення синтез-газу - вироблення гарячого синтез-газу при температурі принаймні 650 °C, який включає принаймні СО та Н2 з вуглецевої сировини; і на етапі вироблення ядерної енергії, в якому застосовується енергетичний цикл Брайтона, за яким робоча рідина є газоподібною і не конденсується під час циклу, - нагрівання робочої рідини теплотою, виробленою шляхом ядерної реакції, для утворення нагрітої робочої рідини та вироблення енергії шляхом розширення нагрітої робочої рідини з застосуванням однієї або кількох турбін, з додатковим нагріванням нагрітої робочої рідини до температури, вищої за 600 °C шляхом непрямої передачі теплоти від гарячого синтез-газу до нагрітої робочої рідини. 6 UA 104871 C2 5 10 15 20 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що додаткове нагрівання нагрітої робочої рідини здійснюють перед розширенням нагрітої робочої рідини для вироблення енергії. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що додаткове нагрівання нагрітої робочої рідини здійснюють у кілька етапів шляхом розділення на етапи додаткового нагрівання та розширення нагрітої робочої рідини. 4. Спосіб за будь-яким з пп. 1-3, який відрізняється тим, що гарячий синтез-газ перебуває при температурі, вищій за 900 °C. 5. Спосіб за п. 4, який відрізняється тим, що додаткове нагрівання нагрітої робочої рідини нагріває нагріту робочу рідину до температури, вищої за 900 °C. 6. Спосіб за будь-яким з пп. 1-5, який відрізняється тим, що енергетичний цикл Брайтона є сконфігурованим як комбінований цикл, причому теплота передається від розширеної робочої рідини енергетичного циклу Брайтона до робочої рідини наступного енергетичного циклу. 7. Спосіб за п. 6, який відрізняється тим, що наступним енергетичним циклом є цикл Ренкіна з застосуванням пари як робочої рідини. 8. Спосіб за п. 7, який відрізняється тим, що включає на етапі синтезу вуглеводнів вироблення вуглеводнів із синтез-газу, виробленого на етапі вироблення синтез-газу, та вироблення технологічної пари на етапі синтезу вуглеводнів, причому технологічна пара, вироблена на етапі синтезу вуглеводнів, подається на цикл Ренкіна для допоміжного вироблення енергії. 9. Спосіб за будь-яким з пп. 1-8, який відрізняється тим, що ядерну реакцію здійснюють у високотемпературному ядерному реакторі з газовим охолодженням, причому газоподібний охолоджувач застосовують як охолоджувач для ядерного реактора. Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 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 7