用于并行產生機械功率和制造烴的方法和設備與流程

本發明涉及根據獨立權利要求的前序部分的用于并行產生機械功率和制造烴的方法和設備。

背景技術：

在用于制備化學反應產物的眾多方法中，采用了包括由燃燒器加熱的反應器管的反應器，使進料通過反應器管，然后至少部分地反應以形成所需的反應產物。這種方法的實例包括蒸汽裂化，烷烴脫氫以及合成氣或氨的生成。

在文獻中廣泛描述了相應的方法和裝置。對于用于蒸汽裂化的方法和裝置，可以參考例如《烏爾曼工業化學大全》(Ullmann′s Encyclopedia of Industrial Chemistry)中的文章“Ethylene”(自2007年4月15日可在線閱讀，DOI 10.1002/14356007.a10_045.pub2)。用于烷烴脫氫，尤其是丙烷至丙烯和異丁烷至異丁烯的脫氫的方法和裝置可以在例如《烏爾曼工業化學大全》的文章“Propene”中找到(自2000年6月15日可獲得在線版，DOI10.1002/14356007.a22_211，第4.3節，“Propane Dehydrogenation”)。

長期以來人們一直希望將這種反應器與用于產生機械功率的裝置聯接。后者可以例如使用內燃機，特別是燃氣輪機來實現。已知的燃氣-蒸汽方法及相應的裝置用作這種組合方法的實例。

在如圖1所示和下文描述的燃氣-蒸汽方法中，含氧的助燃氣體(通常為空氣)通過燃氣輪機吸入并被壓縮。將合適的燃料，通常為天然氣或一些其它氣體混合物，引入燃氣輪機的燃燒室中，并在由助燃氣體形成的氣氛中在壓力下燃燒。對由此形成的燃燒廢氣(也稱為熱氣體)的減壓驅動了燃氣輪機的膨脹級，并且由此驅動了與燃氣輪機聯接的發電機。

仍存在于燃氣輪機下游的燃燒廢氣中的熱可用于廢熱蒸汽發生器(所謂的熱回收蒸汽發生器HRSG)以產生加壓蒸汽。加壓蒸汽可用于驅動蒸汽輪機。蒸汽輪機的功率通常用于在聯接到燃氣輪機的發電機或在另一發電機中進一步產生電能。

使用前述燃氣輪機和加熱反應器的組合方法基本上也是已知的，如參考圖3所解釋的。然而，如下文詳細描述的，在這種設備中使用的反應器的輻射區效率顯著降低。因此，這種設備的總效率最多略高于用于產生電能和用于回收烴的單獨設備的總效率。因此，組合設備的低的效率優勢通常不能為將它們聯接的費用辯護。

特別是在這種類型的設備中，在被加熱的反應器的運行中存在對燃氣輪機的運行依賴性。如果后者不能使用，在極端情況下，反應器也必須關閉，這相應地導致昂貴的生產損失。通常，上述反應器可以設計為長期運行多年，或者以多個并行單元的形式構建，所述并行單元交替地維護或再生。在蒸汽裂化方法中，例如，5至10個反應器可以一直處于運行中，一個反應器處于所謂的脫焦模式。但是，燃氣輪機需要明顯更頻繁的維護。

GB 2148734 A公開了具有高速流化床反應器的發電廠。提供了細分的熱傳遞流化床，其被指定為旋動由流化床反應器產生的熱灰并從中提取熱量。裝置被提供，其指定為控制流通過熱傳遞床的由細分形成的一些區段的這部分熱灰，以分別控制這些區段的功率增益。細分的流化床的一區段可產生過程蒸汽，而另一區段可提供用于渦輪機的熱的過程空氣。

從US 5,048,284A和從GB 2 296 719A已知了組合方法，其中進行自熱重整并且操作渦輪機。從FR 1 445 870 A已知一種與渦輪機組合操作的重整反應器。

因此，本發明的問題是改進用于產生電能和用于制造烴的組合方法，特別是在其效率方面。

技術實現要素：

該問題通過具有獨立權利要求的特征的用于產生機械功率和制造烴的方法和設備來解決。優選實施例是下面的從屬權利要求和描述的主題。

在說明本發明的特征之前，將對它們的基礎和使用的術語進行說明。

在下面的描述中，經常提及熱過程的效率；適用于以下定義：

燃燒(“熱”)效率(FTW，ny_FTW)表示引入的加熱功率(P_供應)的比例，其不會通過燃燒廢氣(P_廢氣)損失到環境中：

ny_FTW＝1-P_廢氣/P_供應。

在此不考慮由熱部件的熱傳導引起的對環境的損失，因為它們通常明顯小于廢氣損失。

輻射區效率(SZW，ny_SZ)表示引入的加熱功率(P_供應)的比例，其間接地轉移到燃燒室中的過程介質(P_過程)：

ny_SZ＝P_過程/P_供應。

轉移通常在顯著高于1000℃的溫度下進行，并且優選通過輻射進行。用于蒸汽裂化的反應器的典型輻射區效率為大約0.42(42％)，這種反應器僅被直接加熱，即僅通過燃燒器而不是例如通過預熱的助燃空氣加熱。

電效率(ny_el)表示作為以電功率形式的凈功率釋放的熱功率過程引入的加熱功率的比例(凈功率表示熱功率過程的功率減去輔助裝備例如泵和壓縮機所需的功率)：

ny_el＝P_el/P_供應。

術語“能效”在此通常被用作比較術語，其評估或量化不同方法或組合方法所需的加熱功率，以便產生特定量的一個或多個產品或產生特定量的電功率。該術語例如用于通過一級蒸汽過程，燃氣輪機以及組合的燃氣-蒸汽方法產生電功率。通常，效率按照指定的順序增加，即用于產生的特定量的電流的加熱功率下降。

在本申請的范圍內，燃料的燃燒功率通常與較低的熱值(Hu)相關。它是指在燃燒中可以使用的最大熱量，其中基于所使用的燃料量，廢氣中包含的水蒸氣不會冷凝。

在通常的用語中，術語“燃氣輪機”是指如已經提到的，包括壓縮級，作為實際燃氣輪機的膨脹級以及連接在壓縮級和膨脹級之間的燃燒室的布置。燃燒室通過壓縮級供應壓縮的助燃氣體，例如空氣。燃料(其通常為液態或氣態)通過燃料入口進入燃燒室。燃料與燃燒室中的氣體混合物一起燃燒，以形成燃燒廢氣，即所謂的熱氣體。熱氣在膨脹級中被減壓，在此熱功率被轉化成機械功率。機械功率通過一個或多個軸導出。一部分機械功率用于運行壓縮級，而剩余的用于例如驅動發電機。在減壓之后，燃燒氣體作為廢氣排出，或者如在本情況中用作加熱介質。

在本申請的范圍內，術語“助燃氣體”用于傳達的概念是燃料的燃燒不一定必須用空氣(“助燃空氣”)進行，而是也可以在不同的氣體混合物中進行，雖然它必須含有氧氣。

如在燃氣輪機的情況下，如上所述，除了燃料之外，向燃燒式反應器提供助燃氣體，該燃料在相應的用于欠燃燒的燃燒器中燃燒。通常，使用空氣作為助燃氣體。但是，來自燃氣輪機的燃燒廢氣也可以至少部分地用作助燃氣體。這可行的原因在于燃料在燃氣輪機中的燃燒通常以明顯過化學計量的氧氣供應而進行的。因此，在燃燒廢氣中仍然存在大量的氧，使得燃燒廢氣在反應器中能夠用作助燃氣體。除了來自燃氣輪機的燃燒廢氣之外，附加空氣或含氧氣體混合物也可以用于這種用于調節燃燒的反應器中。下面描述當使用來自燃氣輪機的燃燒廢氣作為助燃氣體時產生的問題，并且形成本發明的起點。

發明優點

本發明從用于產生機械功率和制造烴的基本已知的組合方法開始，其中，為了產生機械功率，至少一個內燃機被點火，產生了燃燒廢氣，并且其中，為了產生烴，使用燃料和助燃氣體加熱至少一個反應器。

根據本發明，規定至少一部分助燃氣體通過與來自內燃機的至少一部分燃燒廢氣的間接熱交換而被加熱。換句話說，根據本發明，不是所有的而是僅僅一部分燃燒廢氣被供應到反應器。通過另一部分或全部燃燒廢氣預熱外部供應的助燃氣體，例如空氣。

當本申請談及將燃料、助燃氣體和/或燃燒廢氣“供應”或“供給”到反應器中時，這意味著將其供給到相應的燃燒器或燃燒室中，而不是到反應區中，例如反應器的反應管。通過反應區，例如反應管的氣體混合物在本申請的范圍內被稱為(管側)過程氣體。

本發明特別適用于其中產生的機械功率至少部分地用于驅動發電機，即至少部分地轉化成電功率的方法。然而，當至少一個軸，例如壓縮機和/或泵的至少一個軸至少部分地通過機械功率驅動時，本發明也可以是有利的。在這種情況下，從動單元可以例如是用于生產烴的方法的一部分。例如，機械功率可以驅動用于壓縮過程氣體或蒸汽的壓縮機。

本發明是基于這樣的發現，即根據現有技術的相應組合方法中的反應器的效率，更確切地說，上文所定義的輻射區效率尤其是由于以下事實而顯著降低：在能量平衡方面，來自燃氣輪機的直接供給到反應器中以支持燃料燃燒的燃燒廢氣已經在燃氣輪機中去除了顯著比例的能量。特別地，這可以通過相應的燃燒廢氣的氧含量來說明。

即使燃燒在具有顯著過化學計量的氧氣供應的情況下進行，燃燒輪機中的助燃氣體的氧氣含量也必然減少。如果使用具有約21％的天然氧含量的空氣作為燃氣輪機中的助燃氣體，通常這種氧含量在燃燒廢氣中降低到約14％。

在相應的反應器中，特別是用于蒸汽裂化的反應器中，輻射區的效率主要取決于可以通過燃燒燃料實現的且可以傳遞到通過反應管的進料中的溫度。在常規方法中，即沒有聯接到燃氣輪機的自持式反應器，當空氣用作助燃氣體時，達到約2,000℃的絕熱燃燒溫度。絕熱燃燒溫度是指當氣體混合物在燃燒期間沒有與環境交換任何熱時在燃燒完成后將獲得的溫度。因此，這是實際上不能實現的理論溫度，因為這種反應器在實際中不是絕熱運行的。然而，絕熱燃燒溫度是本領域中使用的比較術語，其最方便地描述了輻射區效率所依賴的變量。

如果助燃氣體包含較少的氧氣，因為后者在上游燃氣輪機中已經部分反應，則只能實現約1750℃的絕熱溫度。雖然燃燒廢氣例如在約600℃時離開燃氣輪機，并且由此另外可獲得大量的熱，降低的氧含量仍然不足以達到常規反應器的絕熱燃燒溫度。

如果簡單地假設(同樣從能量平衡的角度來看)，燃氣輪機將供應給它的熱功率的約三分之一作為軸功率輸出，并且供應給燃氣輪機的熱功率占供應給燃氣輪機和反應器整體的熱功率的大約三分之一，總熱功率的九分之一以軸功率的形式從燃燒廢氣中去除。因此，絕熱燃燒溫度降低約九分之一。

如已經解釋的，本發明因此提出，不是所有的燃燒廢氣應當被供給到反應器中并且用于支持燃料的燃燒，而是至多是燃燒廢氣的一部分。因此，與常規的被聯接的設備相比，部分地，或者僅僅地是不從燃燒廢氣形成的外部助燃氣體，例如新鮮助燃空氣，被供應到反應器。燃氣輪機與相應反應器的實際聯接通過預熱裝置進行，該預熱裝置包括例如一個或多個用于間接熱交換的合適的熱交換器。由于燃燒廢氣與助燃氣體的間接熱交換，雖然利用了燃燒廢氣的溫度(即轉移了熱功率)，但助燃氣體的氧含量不受影響。以這種方式，例如，含有約21％氧氣的新鮮空氣可以作為助燃氣體被加熱并且被供給到反應器中。因此，可以再次實現前述的約2,000℃的絕熱燃燒溫度(當一部分燃燒廢氣僅用于預熱并且一部分被供給到反應器中時)或甚至更高的絕熱燃燒溫度(當只用于預熱時)，如下文所述。

上述燃燒廢氣的部分使用一方面僅用于預熱而另一方面部分地供給到反應器中，這包括例如將燃燒廢氣的一部分與“新鮮”助燃氣體(例如空氣)混合，從而實現限定的氧含量。例如，可以選擇約19％的氧含量。燃燒廢氣的另一部分不供給到反應器中，而是僅用于通過間接熱交換來預熱助燃氣體。假定燃燒廢氣的溫度約為600℃，可以在反應器中實現約2,000℃的上述絕熱燃燒溫度，由此可以達到與常規反應器中獲得的輻射區效率相當的輻射區效率。因此，反應器不需要在其操作方式上作調整或僅需要輕微地調整。

本發明的另一個主要優點是，即使當燃氣輪機不工作或需要維護時，也可以繼續操作反應器。在這種情況下，例如，可以使用未被預熱的空氣作為助燃氣體。可替代地，在這種情況下，還可以某種其它方式，例如使用蒸汽和/或煙道氣預熱助燃氣體。因此，相應的預熱裝備只需設計成用于短期操作并且相應地成本較低。

在這點上應當注意，在如圖3所示的常規設備中，除了來自燃氣輪機的燃燒廢氣之外，可以供給額外的助燃氣體，所有這些氣體都被供給到反應器中。然而，這樣做通常僅僅為了實現用于增加燃氣輪機和反應器之間的獨立性的調節變量。通過這種方法不能解決反應器中氧含量降低和輻射區效率受損的問題。

相反，在本發明的范圍內，反應器的輻射區效率能夠顯著增加。反應器可以在自持式反應器中也能實現的輻射區效率水平下操作，如上文所解釋的。然而，還可以通過預熱和通過在反應器中達到更高的溫度來進一步提高輻射區的效率。

現在將概述在權利要求中記載的和在上文部分解釋過的本發明的實施例。

特別地，本發明的方法適用于上文所述的管式反應器，即其中至少一個反應器被實施為管式反應器的設備，其中在輻射區中，反應管通過其中燃燒燃料的燃燒器從外部被加熱。以自持方式操作的常規反應器包括通過其供給助燃氣體的供給開口。在反應器或相應的反應器的燃燒室內部，存在由煙道氣通道中的鼓風機產生的輕微負壓。因此，助燃氣體被自動吸入。相反，本發明可以包括借助于鼓風機在輕微的正壓下將助燃氣體供給到相應的反應器或其燃燒室中。這種進料方法是通常用于例如在氫重整過程中預熱空氣。

根據本發明的方法特別適用于上文提及的蒸汽裂化過程，即為了生產(烯族的)烴而將含有烴的料與蒸汽一起供給通過構造成管式反應器的反應器的反應管的方法。在相應的蒸汽裂化過程中，在輻射區中存在上述溫度。然而，類似地本發明也適用于催化方法，例如前述的烷烴脫氫過程，即包括其中在反應管中提供催化劑的反應器的過程，或氫重整過程。

如已經提到的，根據本發明的方法是特別有利的，因為可以實現的溫度能夠達到反應器的高輻射區效率。換句話說，這意味著該方法應用于通過使用燃料和助燃氣體將至少一個反應器的至少一個區域加熱到通常為1,500-2,500℃的絕熱燃燒溫度的情況。

用于本發明的合適的內燃機，特別是燃氣輪機，因為它們具有相對低成本的高額定功率，同時具有良好的機械或電效率。因此，燃氣輪機通常應用在發電站中。單獨的燃氣輪機的機械效率也通常不高于相應構造的柴油發動機或煤和蒸汽發電站的機械效率。由于燃燒廢氣的溫度在柴油發動機中約為600℃，在汽油發動機中約為700-1000℃，所以這種內燃機也適用于本發明。

雖然使用燃氣輪機向來的缺點在于要使用相對高質量的燃料(氣體)，但這在本發明中實際上是一個優點：在本文討論的反應產物的制備方法中(例如在蒸汽裂化過程和氫重整過程中)，獲得了從燃燒角度看具有高價值的所謂的尾氣作為殘余氣體。它是含甲烷的餾分或一氧化碳、二氧化碳和氫氣的混合物(合成氣)。在本發明的范圍內進行的用于制備反應產物的(部分)方法因此產生了用于燃氣輪機的合適的燃料。顯然，相應的氣體混合物也可以在發動機中燃燒。這導致相應的裝備部件的進一步協同集成。

特別有利的是，來自內燃機的廢氣在小于650℃的溫度水平下被提供，因為在這種情況下可以特別有效和便宜地加熱助燃氣體。例如，所使用的熱交換器的材料成本在這種溫度下仍然非常低。然而，通常來自內燃機的廢氣可以在500-1000℃的溫度水平下，特別是在600-700℃的溫度水平下或500-650℃的溫度水平下被提供。

在根據本發明的一個實施例的方法中，有利地，來自內燃機的部分廢氣用于通過間接熱交換來加熱助燃氣體，并且來自內燃機的部分廢氣與助燃氣體混合且與其一起供應到所述至少一個反應器。廢氣部分地用于預熱和部分地供給到反應器，這使得燃氣輪機或另一種內燃機和反應器的特別有利的組合。在這種情況下，反應器中的條件可以近似于常規自持式反應器的條件，這意味著對于相應的反應器和/或它們的構造配置的操作模式不需要或僅需要微小的改變。可以保留反應管和用于廢熱利用的裝置(在所謂的對流區)。

但是，在新的設備中，證明有利的是，來自內燃機的廢氣完全被用來通過間接熱交換加熱助燃氣體，而不是將其供應到至少一個反應器。因此，至少一個反應器除了獲得廢氣的熱量之外還獲得助燃氣體(例如空氣)的總氧含量，使得這種反應器中的溫度可以進一步提高。以這種方式，相應反應器的輻射區效率顯著增加。通過該方法可以相應地減少在反應器處的燃料消耗。

本發明特別適用于與天然氣，含甲烷氣體混合物和/或合成氣一起作為燃料，和/或與空氣一起作為助燃氣體。如已經提及的，相應的燃料也可以是來自用于制造反應產物的相應過程(例如來自用于蒸汽裂化、合成氣生產或氫重整的過程)的典型的殘余氣體。本發明尤其可以通過提高效率來節省燃料。

根據本發明的方法的另一優點在于由來自至少一個反應器的廢熱產生加壓蒸汽并且利用加壓蒸汽驅動至少一個軸，特別是發電機的軸。以這種方式，即使相應的加壓蒸汽處于較低的壓力，也可以進一步獲得機械功率并有利地使用它。由來自至少一個反應器的廢熱獲得的蒸汽基本上僅是副產物，通過該副產物可以有利地使用不能用于反應的熱(廢熱)。在理論上的理想情況下，在反應器中僅產生反應熱而沒有廢熱，即沒有蒸汽。

本發明的優點在于可以使通過一個或多個反應器的廢熱產生的加壓蒸汽的量最小化。通過一個或多個反應器的廢熱產生的加壓蒸汽具有比在發電站蒸汽過程(在較高壓力/溫度下在其峰值處更有效的多級過程)中明顯更高的能量損失。例如，加壓蒸汽可以在蒸汽裂化過程中部分地以幾乎100％的效率用作預熱一種或多種進料流的加熱蒸汽。在渦輪機中產生機械功率的情況下，效率比蒸汽發電過程中的效率差大約2倍。

對于根據本發明提供的用于產生機械功率和用于制造烴的設備的特征和優點，具體參考前述說明，該設備特別布置于執行如上所述的方法。

通過與現有技術比較，在附圖中示出了本發明以及本發明的具體實施例。

附圖說明

圖1示出了根據現有技術的燃氣-蒸汽發電站的簡化示意圖；

圖2示出了根據現有技術操作的燃燒式反應器的簡化示意圖；

圖3示出了根據現有技術的具有燃氣輪機和燃燒式反應器的設備的簡化示意圖；

圖4示出了根據本發明的一個實施例的具有燃氣輪機和燃燒式反應器的設備的簡化示意圖。

圖5示出了根據本發明的一個實施例的具有燃氣輪機和燃燒式反應器的設備的簡化示意圖。

在附圖中，為了清楚起見，相應的元件被給予相同的附圖標記，并且不再重復描述。對于用小寫字母表示的流體流也是如此，即使如下文所述它們以不同的量提供。

在圖示的所有實施例中，如果被示出，反應器布置成進行蒸汽裂化過程，即向其供應與蒸汽混合的含烴進料流。所使用的燃料是如上所述的合適的燃燒氣體，而空氣用作助燃氣體。然而，所示的裝備理論上也適于進行用于制造反應產物的或使用其它燃料和助燃氣體的其它過程。雖然以下描述經常談及“一個”反應器或“一個”燃氣輪機，但是相應的設備也可以包括多個反應器或燃氣輪機。

具體實施方式

圖1示出了根據現有技術的燃氣-蒸汽發電站的簡化示意圖，其整體被標為300。

燃氣-蒸汽發電站300包括作為中心部件的燃氣輪機1，該燃氣輪機1如上所述包括壓縮級11和膨脹級12以及布置在壓縮級11和膨脹級12之間的燃燒室，但是在此并沒有單獨示出。通過燃氣輪機1驅動發電機G。向燃氣輪機1供應助燃氣體a，該助燃氣體a在壓縮級11中被壓縮。燃料b被供給到燃氣輪機1的燃燒室中(未示出)，并且在燃燒室中在由助燃氣體a產生的氣氛中在壓力下燃燒。

通常，燃燒在顯著過化學計量的氧供應下進行，例如在λ值大約為3時，使得在燃燒期間形成的燃燒廢氣c(熱氣體)仍然具有相當大的氧含量，該燃燒廢氣在燃氣輪機的膨脹級12中膨脹。如果具有約21％的天然氧含量的空氣用作助燃氣體a，則燃燒廢氣c仍具有約14％的氧含量。

燃燒廢氣c例如可以在600℃的溫度下被供應給燃氣-蒸汽發電站300中的熱回收蒸汽發生器5。通常，很少的附加燃料被供應到熱回收蒸汽發生器5，即在熱回收蒸汽發生器5中主要利用燃燒廢氣c的顯熱。相應冷卻的燃燒廢氣g從熱回收蒸汽發生器5中排出。

在圖1的高度簡化的圖示中，產生了加壓蒸汽f。通常，在相應的燃氣-蒸汽發電站300中，在三個壓力水平下產生加壓蒸汽f。壓力水平例如大約為130巴、30巴和8巴，其中中壓和低壓水平的蒸汽部分地從在中間壓力下的渦輪機去除(通過“分流”)，并且中壓水平的蒸汽從飽和蒸汽溫度(“中間過熱”)開始被加熱至約570℃。該步驟的目的是通過將熱從燃燒廢氣c轉移至具有盡可能小的溫度差的給水或蒸汽來最小化能量損失。

加壓蒸汽f用于減壓渦輪機6(蒸汽輪機)中以產生軸功率(機械功率)。該功率又被發電機G轉化成電功率。該發電機可以和聯接到燃氣輪機1的發電機G是同一個，或者可以單獨提供。減壓蒸氣流(圖1中未示出)在冷卻器7中冷卻，例如利用冷卻水。將獲得的蒸汽冷凝水再循環到該過程中(利用所謂的鍋爐給水泵)。

如下闡明了燃氣-蒸汽發電站300的典型特征值。對于100兆瓦(MW)的凈電功率給出相應的變量，因為這是在具有對應于現有技術尺寸的用于蒸汽裂化的設備所需的數量級。在發電領域中，通常每個燃氣輪機單元的凈功率為80-400MW。大約每小時619,000標準立方米(Nm³/h)的助燃空氣被用作助燃氣體a，以及以燃料b的形式使用大約180MW的欠燃燒功率。下表總結了相應的值總結。任何舍入誤差都被忽略。

在所示的情況下，通常形成約640,000Nm³/h的燃燒廢氣c。如果在熱回收蒸汽發生器5中沒有附加燃燒，在這種情況下冷卻的燃燒廢氣g的量也為大約640,000Nm³/h。

通常，燃氣輪機1和與其連接的發電機的電效率為大約0.36(36％)。減壓渦輪機6的電效率基于供應到熱回收蒸汽發生器5的能量為大約0.32，或者基于所使用的總能量為大約0.20。減壓渦輪機6占相應的燃氣-蒸汽發電站的總電功率的比例在所示實施例中也為大約0.36。在本實施例中，不考慮冷卻器7的情況下熱效率約為0.82。(熱效率取決于冷凝溫度，蒸汽量等，并且在約0.75至約0.85的范圍內變化。)在目前的情況下，熱效率通常不是特別有意義，因為即使大多數熱來自煙道氣，例如僅僅提供熱水或蒸汽而不能具有高效率地使用，這幾乎不能提高相應設備的效率。

在這種背景下，在燃料b的大約180MW欠燃燒功率中，聯接到燃氣輪機1的發電機G獲得大約64MW的電功率，大約112MW作為顯熱傳遞到燃燒廢氣c中，并且熱損失通常對應約3MW。繼而，在燃燒廢氣c的大約112MW的顯熱中，通常約33MW保留在冷卻的燃燒廢氣g中，冷卻的燃燒廢氣g被冷卻至大約128℃的溫度。在剩余的約80MW中，聯接至減壓渦輪機6的發電機G獲得36MW作為電功率，并且大約44MW在冷卻器7中輸出。

對于兩個發電機G，總熱功率為大約180MW，電功率為大約100MW，在本實施例中，燃氣-蒸汽發電站300的總電效率約為0.56。在試運行中，大型燃氣-蒸汽發電站(具有大約800MW的功率)實現了高達0.61的效率，但是當冷卻水變得更熱時，該效率明顯下降。

圖2示出了根據現有技術的燃燒式反應器的簡化示意圖，該反應器整體被標記為2。如前面所解釋的，這種燃燒式反應器通常可用于例如通過蒸汽裂化來產生烴或合成氣。眾所周知，相應的反應器2通常包括輻射區21和對流區22。在輻射區21中，通常布置有多個燃燒器(未示出)，且向其供應燃料d。通過供應助燃氣體e使燃燒得以實現。在輻射區21和對流區22中，通常存在由相應的燃燒器從外部加熱的反應管。

在燃燒式反應器2中，廢熱也大部分用于產生加壓蒸汽f，但是后者通常相對不適合以令人滿意的效率來產生電能。來自如圖2所示的典型的燃燒式反應器2的加壓蒸汽f的較差的效用值是由于其相對低的溫度和其相對低的壓力以及僅實現一個蒸汽水平的事實(并且由此在產生蒸汽期間有相對大的能量損失)。但是，在典型的燃氣-蒸汽發電站中，例如圖1所示的燃氣-蒸汽發電站300，在130巴和570℃下獲得加壓蒸汽f，來自如圖2所示的燃燒式反應器2的加壓蒸汽f的壓力通常僅為120巴，并且其溫度通常僅為520℃。通常，來自燃燒式反應器2的相應的加壓蒸汽f用于回收軸功率(例如在蒸汽裂化設備中)并用作加熱蒸汽。在此也獲得了冷卻的燃燒廢氣g。

在能量平衡的相應考慮中，假設以燃料d的形式供應大約1000MW的欠燃燒功率(通常分布于多個反應器)，并且假設供應例如大約1,067,000Nm³/h的助燃空氣作為助燃氣體e，當在輻射區21中典型輻射區效率約為0.42(其為用于蒸汽裂化過程的反應器的典型值)時，可以從反應器2的廢熱中獲得約512MW或約595t/h的加壓蒸汽f。約60MW進入冷卻的煙道氣g中，煙道氣以約1,172,000Nm³/h的量且在約128℃的溫度下去除。428MW的“缺失”加熱功率以管道側過程氣體中的化學鍵能和顯熱的形式排出，即不在煙道氣流中，而是從反應器2的反應區排出。該值對于在此通過舉例提供的以下附圖中的所有反應器2都是相同的，因為產生了相同量的反應產物。

圖3是根據現有技術的燃氣輪機1和燃燒式反應器2的組合設備的簡化示意圖，該組合設備整體被標記為400。提供這種設備400的基本思想是在相應的燃燒式反應器2中利用來自燃氣輪機1的燃燒廢氣c的顯熱，類似于燃氣-蒸汽發電站(例如圖1所示的燃氣-蒸汽發電站300)。這利用了上述事實，即由于在燃氣輪機1中的顯著過化學計量的燃燒，燃燒廢氣c仍然具有相當大的氧含量。然而，在所示的實施例中供應了額外的助燃氣體d(例如空氣)，例如通過鼓風機3供給到燃燒廢氣c中。這種額外供應用于提供用來調節在反應器2中的燃燒的附加調節變量。

但是，根據現有技術，這種組合設備400的顯著缺點是，在輻射區21中，燃燒式反應器2的輻射區效率明顯降低。例如，與如圖2所示的自持式反應器2相比，輻射區效率例如從約0.42降低到約0.37。這尤其可以歸結于以下事實：雖然燃燒廢氣c具有例如約600℃的相對高的溫度，但是其氧含量(例如約14％)仍然顯著低于助燃氣體(例如通常所使用的助燃空氣)的氧含量。而且，也不能通過提供額外的助燃空氣d或相應的助燃氣體來補償(至少沒有非常昂貴的富氧)。如果在以自持方式運行的反應器2中使用含有約21％氧的空氣作為助燃氣體d，如圖2所示，通過在反應器2的輻射區21中的燃燒仍然可以達到約2,000℃的絕熱燃燒溫度。相反，在如圖3所示的設備400中，由于上述情況，在輻射區21中的絕熱燃燒溫度被限制在約1750℃。這直接反映在所述較差的輻射區效率上。

從能量平衡的角度來看，包含在助燃氣體a中的相當大比例的化學能在燃氣輪機1中已經被去除，因此隨后在燃燒廢氣c中不再可用。

現在將提供用于在用于蒸汽裂化的一個或多個反應器上游的、在1000MW輸出下運行的具有最大化的燃氣輪機功率(即最小化使用用于調節的附加助燃氣體d)的燃氣輪機的示例數據。如果在這種設備400中，例如大約1,132,000Nm³/h的助燃空氣被用作助燃氣體a，并且如果以燃料b的形式使用大約340MW的欠燃燒功率，則能夠在前面解釋的效率水平下在聯接到燃氣輪機1的發電機G中獲得大約118MW的電功率。大約224MW作為顯熱傳遞到燃燒廢氣c中。承受了大約5MW的損失，特別是在發電機G和輔助設備處以及在燃氣輪機1的油冷卻器處。以大約1,170,000Nm³/h的量形成燃燒廢氣c。

在所示的實施例中，例如大約189,000Nm³/h的助燃空氣被用作助燃氣體d。以燃料e的形式的欠燃燒功率約為922MW。因此，所使用的以燃料b和e的形式的總加熱功率達到大約1270MW，來自燃燒廢氣c的顯熱和以燃料e的形式的欠燃燒功率的在輻射區21中可用的加熱功率約為1147MW。其中，大約650MW以約756t/h的量的加壓蒸汽f的形式回收，大約69MW轉移到如前所述在約128℃下被去除的冷卻煙道氣g中。因此，與如圖2所示的自持式反應器2中的上述大約1,172,000Nm³/h相比，冷卻煙道氣g的量大約為1,457,000Nm³/h。在此，同樣，428MW作為化學鍵能和顯熱在管側過程氣體中被排出，因為在這里會產生與根據圖2的反應器2中相同量的反應產物。

如已經提到的，在輻射區21中的輻射區效率降低到約0.37。產生蒸汽的效率水平(來自加壓蒸汽f)約為0.51，總熱效率約為0.94。(進入到在輻射區21中的過程氣體中的一些熱被用于產生蒸汽。因此，兩個效率水平不可以相加在一起，或者不必相互補充以給出指定的熱效率。與過程氣體一起被排出的熱和化學鍵能的量不存在于總能量平衡中。然而，這些值在附圖所示的所有反應器2中都是相同的)。

圖4示出了根據本發明的一個實施例的具有燃氣輪機1和燃燒式反應器2的組合設備的簡化示意圖，該設備整體被標為100。

如前多次所述，本發明的中心方面是預熱單元4的使用，通過該預熱單元4預熱供給到反應器2中的助燃氣體b。在圖4所示的實施例中，來自燃氣輪機1的所有燃燒廢氣c都通過預熱單元4，但也可以僅使用一部分燃燒廢氣c。后者在附圖5中示出。通過預熱單元4，燃燒廢氣4的顯熱可以被傳遞到助燃氣體d，該預熱單元可以例如包括一個或多個適當構造的熱交換器。

這具有特別的優點，即仍然具有較高氧含量的助燃氣體d(例如空氣)可以被供給到反應器2中，但同時可以通過燃燒廢氣c的顯熱被加熱。令人驚訝地發現，這不僅與如圖3所示的相應的被聯接設備400中的反應器相比，而且與如圖2所示的自持式反應器2相比，都明顯提高了在反應器2的輻射區21中的輻射區效率。根據經驗，10℃的預熱導致輻射區效率增加0.2％。

在圖4所示的設備100中，在輻射區中獲得約0.47的輻射區效率水平。當約383,000Nm³/h的助燃空氣被用作助燃氣體a并且使用以燃料b為形式的大約118MW的欠燃燒功率時，利用燃氣輪機1或相應的發電機G可以獲得約40MW的電功率。燃燒廢氣c大約為656℃(這是作為示例給出的值，典型值為550-700℃)，對應于約76MW的顯熱。在預熱單元4的下游，燃燒廢氣c的溫度仍然約為105℃，對應于約10MW的顯熱。

冷卻的燃燒廢氣的溫度(煙道氣溫度)通常由所謂的“硫露點”確定。在此溫度下，水硫酸冷凝，引起嚴重腐蝕。在λ值為3時的硫露點(如在燃氣輪機的煙道氣中)明顯低于λ值為1.1時的硫露點(在蒸汽裂化反應器中)，因為成比例地存在較少量的(通常是含硫的)燃料或燃燒產物。典型的加熱用氣體的示例值一方面是105℃，另一方面是128℃。

燃燒廢氣c的量大致為395,000Nm³/h。如果除此之外，例如在約28℃下，約879,000Nm³/h的助燃空氣被提供作為以氣流d形式的助燃氣體，并且在預熱單元4中將其加熱到約286℃，對應于約66MW的顯熱，并且如果以燃料e的形式的欠燃燒功率約為824MW，那么可用的總加熱功率約為942MW，并且在反應器2中可用的加熱功率約為890MW。在所述約890MW中，在約0.47的輻射區效率下產生約462MW的殘余，其中以約475t/h的加壓蒸汽f的形式獲得約408MW，并且以約128℃或約966,000Nm³/h的冷卻煙道氣g的形式獲得約54MW的殘余物。

在相應的設備100中，助燃氣體d也可以被預熱到明顯更高的溫度，盡管僅以表格形式示出(見下文)。

圖5示出了根據本發明的另一個實施例的具有燃氣輪機1和燃燒式反應器2的組合設備的簡化示意圖，該設備整體被標記為200。設備200與圖4所示的設備100的不同之處在于，只有燃燒廢氣c的部分氣流通過預熱單元4。該部分氣流在設備200中被標記為c’。另一部分氣流(這里標記為c”)與助燃氣體d匯合。這允許設備200的特別靈活的操作，或者如所解釋的，反應器2的操作條件可以近似于如圖2所示的自持式反應器2的操作條件。

根據圖5的本發明的相應實施例或者設備200可以特別地包括以可調節的量提供的部分氣流c’和c”，以便能夠適應在燃燒廢氣c中的相應熱供應和/或在反應器2中的熱需求。下面將再次提供用于設備200的特征值的示例。

如果在設備200中以約1,035,000Nm³/h的量提供助燃空氣作為助燃氣體a，并且如果使用以燃料d為形式的約318MW的欠燃燒功率，則可以在約0.34的效率水平下在燃氣輪機1中產生大約107.8MW的電功率。相應設備中的電效率稍低于簡單的發電站中的燃氣輪機的電效率(參見關于圖1的解釋：其中效率水平為0.36)，因為必須額外地克服通過反應器2的壓力損失。

在燃燒廢氣c中，總體上保持對應于約211MW的顯熱。如果提供了對應于約77MW的熱量的部分氣流c’，則對應于約67MW的顯熱可以在預熱單元4中通過該部分氣流c’傳遞到助燃空氣，助燃空氣在此用作助燃氣體d。在預熱單元4的下游，在部分氣流c’中保留了約10MW的顯熱，部分氣流c’以每小時約391,000Nm³/h的量被提供，對應于從約656℃至105℃的降溫(參見圖4關于硫露點的解釋)。

如已經提及的，例如借助于鼓風機3提供助燃空氣作為助燃氣體d，助燃空氣處于約28℃的溫度(例如環境溫度)。助燃空氣的量例如約為397,000Nm³/h。在預熱單元4中，助燃空氣被加熱到約627℃，對應于來自部分氣流c’的約67MW。燃燒廢氣c的部分氣流c”以約679,000Nm³/h的量被提供，對應于約134MW的顯熱。另外，將對應于約799MW的燃料e供應給反應器2。

因此，總體上，在反應器2中可獲得約1,000MW的加熱功率，并且在設備200中總體上可獲得約1,118MW的加熱功率。通過對氣流c’和c”的合適調節，在反應器2的輻射區21中可以實現約0.42的輻射區效率，精確地對應于如圖2所示的自持式反應器2的輻射區效率。512MW保留在以約595t/h被提供的加壓蒸汽f中，并且約60MW保留在冷卻的燃燒廢氣c中，其中在128℃下以約1,172,000Nm³/h被提供。

在下面的表1至表5中，再次示出了先前關于圖1至5所述的流量和能量含量，其中對于圖4或其中所示的設備100，表4A和4B示出了兩種操作情況，即助燃氣體d預熱至286℃(其中可以在反應器2中進行常規的過程控制；參見上文)和預熱至498℃(其中需要對反應器2進行進一步的過程改變，例如通過進料的僅部分過熱或外部/間接預熱來產生蒸汽)。在每種情況下，使用空氣作為助燃氣體a或d，并且使用(殘余)燃氣作為燃料。給出的值應被理解為忽略任何舍入誤差時的近似值。燃燒廢氣c和冷卻的燃燒廢氣g的加熱功率對應于顯熱，加壓蒸汽f的加熱功率對應于顯熱和蒸發焓的總和。

下面的表6A至6C提供了用于說明本發明相對于彼此的優點的可比較的方法。在所有表中，應當在設備中總計產生相同量的電流(表中的“發電量”)，以及在反應器2中將產生等量的反應產物(在此為烴乙烯，表格中“乙烯產量”那一行)。明確地參考上述附圖，特別是附圖說明中的介紹性段落。

此外，假設利用加壓蒸汽f產生電流。這主要用于改進方法在其電效率和在上述定義的意義上的“效率”方面的可比性。因此，表中的“發電量”或其中給出的值也包括由加壓蒸汽f產生的電流，假定在520℃和120巴下的加壓蒸汽f典型電效率為0.24。

表格的第1列(“反應器，市電電流”)包含由市電電源供應的電流值以及根據圖2以自持方式操作的反應器2的值。為了產生從市電電源供應的電流，假定效率為0.33。這對應于來自常規市電電源的電流的典型評估數(即覆蓋包括各種類型的新舊發電站(即純(煤)蒸汽發電站和燃氣-蒸汽發電站)的供應商的電站網絡的平均電效率，還包括所有線路損耗)。因此，如果電流不是由加壓蒸汽f產生，則它是根據第1列由市電電源提供。

為了使方法具有可比性，在所需的總加熱功率(表格中“總加熱功率”那一行)中，除了用于反應器2的加熱功率，還包括對應于產生由市電電源供應的這部分電流所需的0.33的效率水平的燃燒功率。另外，該總加熱功率給定為標準化為表格的第2列中給出的加熱功率的加熱功率(表格中“加熱功率％”那一行)。

表格的第2列(“反應器，燃氣-蒸汽發電站”)給出了單獨的例如根據圖1的燃氣-蒸汽發電站和例如已經在表格第1列給出的根據圖2的自持式反應器2的組合的值。在燃氣-蒸汽發電站中發電所需的加熱功率取決于在此假定為0.56的總電效率(參見關于圖1的評述)，并且被包括在表格的上述幾行中陳述的總加熱功率中(除了用于反應器2的加熱功率之外)。

結合第1列和第2列來看，顯示了在產生相同的電功率時(表格中“發電量”那一行)，其包括從市電電源(表格的第1列)獲取的或在燃氣-蒸汽發電站中產生的電流(表格的第2列)，并且反應產物乙烯的產量相同時，則可以基于根據表格第2列的不同的電效率直接實現在所需的加熱功率上的降低(在燃氣-蒸汽發電站中總電效率為0.56，參見圖1的評述；對于典型的市電電流為0.33，參見上文)。

基于相同量的反應產物乙烯(表格中“比能耗”那一行)的方法的比能耗相應地減少，使得在上述意義上的方法的“能效”相應地增加。與反應器2有關的效率水平不改變，因為反應器2繼續自持操作。

在表6A中，當假定產生的總電流為152MW時，將前面解釋的表格第1列和第2列的值與在表格第3列(“根據圖3的組合設備400”)中有關根據圖3的組合設備400的值進行比較。在上述152MW中，根據表格第3列，118MW由燃氣輪機1產生，并且假設34MW由加壓蒸汽f以相應(低)效率的產生(這種簡化是為了便于比較，即使在實踐中加壓蒸汽f的利用通常是直接使用軸功率來驅動壓縮機或泵，這在任何情況下除了在發電機處通常約1％的邊際損耗之外，都對應于電功率)。

由于輻射區效率已經從約0.42降低到約0.37，在這種情況下，為了相同量的反應產物，必須在反應器2中使用提高的加熱功率。為此，根據表格第3列的加熱功率總共為1270MW，這雖然代表了相對于表格的第1列的顯著改進，但相對于表格的第2列僅僅是0.1％的邊際改進。

用于產生電能的燃料消耗在根據第1列和第2列的兩個基準情況(即單獨且分別自持地產生電流和反應產物)中，分別針對在聯合生產時可能的電功率來確定。(因此，基準情況是“適用的”，因為知道電功率小于80MW的燃氣-蒸汽發電站幾乎不可能被設置為獨立的發電站，這也適用于下表。)加熱功率和比能耗彼此相關，因為加熱需求占總能耗明顯超過一半。

在表6B中，當假定發電量為108MW時，將已經在表6A中描述的且其意義與在表6A中相同的第1列和第2列的值與在第3列(“根據圖5的組合設備”)中的有關根據圖5的組合設備200的值進行比較。在此這是燃氣輪機1的發電量，因為在反應器2中的蒸汽產量與自持式反應器中的蒸汽產量相同。

由于燃燒廢氣c分配成部分氣流c’和c”，并且由于僅部分地用于在預熱裝置4中預熱和部分地供給到反應器2中，所以在根據圖5的組合設備200中，輻射區效率在此相比于表格第1列和第2列能夠保持恒定，即約0.42的上述值。在給定參數的特定組合下，所需的加熱功率由此顯著降低，即與表格第2列相比降低約6％，與表格第1列相比降低約17％。基于相同量的反應產物乙烯的比能耗也相應地顯著降低。同時，如已經提到的，相應的反應器2可以繼續在常規條件下操作。

在表6C中，當助燃氣體d預熱至498℃(即對應于表4B)時并且假定由燃氣輪機發電量為60MW時，將表格的上述第1列和第2列的值與在表格第3列(“根據圖4的組合設備，498℃”)中的有關根據圖4的組合設備100的值進行比較。在上述60MW中，必須減去43MW(表中“減少的蒸汽產量作為電功率”那一行)，因為產生的蒸汽變少了，并且通過電功率簡單補償相應的軸功率短缺。為了簡單起見，忽略了在所使用的電動機處通常約3％的損失。

由于輻射區效率再次顯著增加，即增加至大約0.53的值，所以在與表格第1列和第2列對比發電量相同的情況下，加熱功率再一次顯著降低。

上述表的組合研究特別地顯示了，無論是使用根據圖1的燃氣-蒸汽發電站還是使用以根據圖3的設備400的形式的已知組合，來自(高等級)燃料(例如使用反應器2實現的相應方法的殘余氣體)的部分發電量與通過典型的混合發電站的發電量相比或與由市電電源獲取的發電量相比都獲得了約11％的效率提高。這里的先決條件，特別是例如合適的殘余氣體具有充分的可用性。此外，可以看出，以根據圖3的設備400的形式的已知組合與單獨產生電流和反應產物相比沒有或僅具有微小的效率優勢，即在上面所示的例子中，需要相同的加熱功率和由此需要可對比的燃料供應。

相比之下，根據本發明的一個實施例提出的設備200比通過燃氣-蒸汽發電站單獨發電和在自持式反應器2中單獨制造反應產物具有高了約6％的效率。與典型的混合發電站相比或從市電電源獲取電流且在自持式反應器2中單獨產生反應產物相比，觀察到約11％的效率提高。

設備200每使用額外單位的燃燒功率就產生92％的電流(即除了自持式反應器操作所需的加熱功率之外，每使用1MW的加熱功率就產生0.92MW的電流)。這實際上相當于燃氣-蒸汽發電站的電效率的兩倍，或者相當于混合發電站的電效率或從市電電源獲取電流的三倍。

所提出的設備100比自持式反應器需要更少的加熱功率，并且還產生額外的電流。因此，與通過燃氣-蒸汽發電站單獨發電和在自持式反應器2中單獨制造反應產物相比，設備100具有高了大約11％的效率。