超低排放的乙烯工厂的制作方法

超低排放的乙烯工厂
1.本发明涉及乙烯工厂和用于在此类工厂中生产乙烯的方法。本发明还涉及使用乙烯工厂临时存储可再生电力的方法以及使用乙烯工厂将氢间接转化为富含甲烷的气体的方法。
2.如例如文献us 4,479,869中所公开的，常规的裂解炉系统通常包括对流段，其中烃原料被预热和/或部分蒸发并与稀释蒸汽混合，以提供原料稀释蒸汽混合物。系统还包括辐射段，包括至少一个位于火箱中的辐射盘管，其中来自对流段的原料稀释蒸汽混合物通过热解在高温下转化为产品和副产品组分。系统还包括冷却段，该冷却段包括至少一个骤冷交换器，例如传输线交换器，其配置为快速骤冷离开辐射段的产物或裂解气，以停止热解副反应，并保持反应平衡以利于产物。来自传输线交换器的热量可以以高压蒸汽的形式回收。
3.这种常规系统的缺点是需要为热解反应提供大量燃料。为了减少这种燃料消耗，可以显著提高火箱效率，即火箱中被辐射盘管吸收的释放热量的百分比。然而，具有提高的火箱效率的常规裂解炉系统对流段中的热回收方案仅具有有限的能力来加热烃原料以达到进入辐射段的最佳温度。因此，在常规的裂解炉系统中，几乎不可能降低燃料消耗，并从而减少co2排放。
4.wo2018/229267解决了这个问题，并显著提高了裂解炉的火箱效率，并减少了来自裂解炉的co2排放。然而，其中所述的这种高效裂解炉还可显著减少高压蒸汽的产生，该高压蒸汽可用于直接或在将蒸汽用于电力产生之后驱动机器，如乙烯工厂的压缩机和/或泵，如裂解气压缩机、丙烯制冷压缩机、乙烯制冷压缩机。例如，根据本发明人的内部研究，将裂解炉效率从约40％提高至约54％可导致蒸汽产生量减少约2/3。因此，作为co2排放减少的副作用，没有充足的蒸汽可用于驱动所有这些压缩机。
5.本发明人最近发明了一种用于在乙烯工厂中驱动机器的改进方法和系统，解决了wo2018/229267的缺点，其可减少产生的电力的碳足迹，即每kw产生的电力排放的co2量(参见未预先公布的欧洲专利申请号19178729.0)。本文描述了集成的乙烯和发电厂系统，其中可以补偿来自炉的较低的高压蒸汽产量，并且裂解炉中产生的过量燃料气用于产生显著更多的电力。
6.仍然需要进一步的方法来提高乙烯工厂的能源效率和/或减少温室气体排放，这种方法可以作为实现这一目标的已知方法的替代或补充。还希望提供能效高、低排放的乙烯工厂，其鲁棒性在于其能够平衡可再生电力系统的电力容量的波动。
7.现在已经发现，通过提供从可再生的电源接收其电力需求的至少一部分的乙烯工厂来解决这些需求中的一个或多个是可能的，其中特定的燃料级分以特定的方式被引导到乙烯工厂内。
8.特别是，发明人意识到，随着能源效率的提高，更多的过量燃料作为裂解烃气流的一部分离开裂解炉。这种燃料通常不仅含有大量的甲烷，而且还含有大量的氢。氢在进一步的化学工艺中是有用的产品，尤其是氢化，但对于甲烷来说，在当前的经济中，除了燃烧它，几乎没有其他用途。这最终会将co2释放到大气中。发明人进一步认识到，不仅在将裂解气
分离成一种或多种烯烃(包括富含乙烯的级分)中富集的一种或多种级分方面，而且在乙烯工厂中用作燃料的气体，即裂解气的富含氢的燃料级分和富含甲烷的燃料级分中富集的至少两种不同的级分方面，这都是有利的。
9.因此，本发明涉及乙烯工厂，包括：
[0010]-用于将烃原料转化成裂解气流的裂解炉；
[0011]-配置为至少提供来自裂解气流的富含乙烯的产品流、富含氢的燃料流和富含甲烷的燃料流的分离段；
[0012]-用于将来自分离段的富含氢的燃料的至少一部分输送到裂解炉的燃烧炉的通道，和/或用于将来自分离段的富含氢的燃料的至少一部分输送到联合循环燃气轮机发电厂(ccgt)的废热回收锅炉的燃烧炉的通道；
[0013]-配置为存储富含甲烷的燃料的甲烷存储器和用于将来自分离段的富含甲烷的燃料的至少一部分输送到存储器的通道；
[0014]-ccgt，包括燃气轮机
–
所述燃气轮机包括燃烧室-和用于将来自存储器的富含甲烷的燃料的至少一部分输送到ccgt的燃气轮机的燃烧室的通道，所述ccgt配置为发电和/或产生高压蒸汽以驱动蒸汽涡轮机，从而形成乙烯工厂的蒸汽发生回路的一部分；以及
[0015]-配置为提供用于操作工厂的电力的一部分的电力连接，其与用以从可再生来源产生电力的电力系统连接。
[0016]
通常，根据本发明的乙烯工厂包括：
[0017]-用于将烃原料转化成裂解气流的裂解炉，所述裂解气流包括乙烯、氢和甲烷；
[0018]-配置为分离裂解气流以至少提供富含乙烯的产品流、富含氢的燃料流和富含甲烷的燃料流的分离段；
[0019]-用于将来自分离段的富含氢的燃料的至少一部分输送到裂解炉的燃烧炉的通道，和/或用于将来自分离段的富含氢的燃料的至少一部分输送到联合循环燃气轮机发电厂(ccgt)的废热回收锅炉的燃烧炉的通道；
[0020]-配置为存储直接从分离段获得或在液化来自分离段的富含甲烷的气体燃料流之后获得的富含甲烷的液化燃料的甲烷存储器-和用于将液化的来自分离段的富含甲烷的燃料的至少一部分输送到存储器的通道；
[0021]-联合循环燃气轮机(ccgt)，包括燃气轮机-所述燃气轮机包括燃烧室-和用于经由蒸发器单元将液化的来自存储器的富含甲烷的燃料的至少一部分输送到ccgt的燃气轮机的燃烧室的通道，所述蒸发器单元配置为将液化的富含甲烷的燃料的至少一部分转化成富含甲烷的气体燃料，所述ccgt配置为发电和/或产生高压蒸汽以驱动蒸汽涡轮机，从而形成乙烯工厂的蒸汽发生回路的一部分；以及
[0022]-配置为提供操作乙烯工厂所需的电力的一部分的电力连接，所述电力连接与配置为从可再生来源产生电力的电力系统连接。
[0023]
本发明还涉及用于从烃输送产生乙烯的方法，包括使用根据本发明的乙烯工厂。
[0024]
通常，根据本发明的用于从烃输送产生乙烯的方法包括：
[0025]-在根据前述权利要求中任一项所述的乙烯工厂的裂解炉中裂解烃，以产生裂解的含烃气体，其包括乙烯、氢和甲烷；
[0026]-将裂解的含烃气体的至少一部分至少分离成富含乙烯的产品、富含氢的燃料和
富含甲烷的燃料；
[0027]-将来自分离段的富含氢的燃料的至少一部分输送到裂解炉的燃烧炉，和/或将来自分离段的富含氢的燃料的至少一部分输送到联合循环燃气轮机发电厂(ccgt)的废热回收锅炉的燃烧炉；
[0028]-将直接作为液体从分离段获得或在液化来自分离段的富含甲烷的气体燃料流之后获得的富含甲烷的燃料的至少一部分输送到甲烷存储器；
[0029]-将来自存储器的富含甲烷的燃料的至少一部分输送到ccgt的燃烧室，其中来自存储器的所述富含甲烷的燃料在其输送到燃烧室中之前被汽化；以及
[0030]-在cggt中对输送到ccgt的燃烧室的汽化的富含甲烷的燃料进行燃烧，从而产生电力和/或从而产生(高压)蒸汽以驱动蒸汽涡轮机，从而形成乙烯工厂的蒸汽发生回路的一部分，
[0031]
其中至少一部分的电力是从可再生来源产生的电力。
[0032]
包括设置有通常在火箱中的一个或多个燃烧炉(配置为燃烧燃料)的裂解炉，即燃烧的裂解炉的乙烯工厂，尤其非常从由本发明提供的设计中受益。然而，在其他有利的实施方案中，乙烯工厂中存在另一种配置为热裂解烃的炉。燃烧的裂解炉的一个特别合适的替代方案是旋转动力热解反应器(也称为rdr)。此类裂解炉在本领域中是众所周知的，例如来自coolbrook(helsinki,finland；geleen,the netherlands)，参见例如https://coolbrook.com/technology/。在又一其他有利的实施方案中，乙烯工厂包括电加热裂解炉。在特定实施方案中，乙烯工厂包括两种或更多种类型的裂解炉。
[0033]
除非另有规定，否则下文的描述将集中于具有燃烧的裂解炉的工厂，但所述原理可在必要时适用于包括另一种类型的裂解炉的工厂，例如旋转动力裂解炉或电加热裂解炉。技术人员将能够在本公开的基础上对附图的方案进行修改。例如，如技术人员将理解的，旋转动力反应器(rdr)或电加热裂解炉不需要燃烧炉来加热原料。并非利用来自燃烧的(基于碳的)燃料的热量从反应区外加热原料混合物，rdr的高速转子叶片产生热能来加热反应区内的混合物
–
快速且更高效地。rdr的转子可由电力驱动。在rdr中没有燃烧炉的情况下，设置有rdr的乙烯工厂将包括用于将来自分离段的富含氢的燃料的至少一部分输送到ccgt的废热回收锅炉的燃烧炉的通道。类似地，在电加热的裂解炉中没有燃烧炉的情况下，设置有电加热的裂解炉的乙烯工厂将包括用于将来自分离段的富含氢的燃料的至少一部分输送到ccgt的废热回收锅炉的燃烧炉的通道。
[0034]
本发明允许使用大燃料消耗器(和/或另一种能源)和燃料产生器
–
即乙烯工厂-来提供以富含甲烷的燃料形式临时存储电力的手段，以克服与可再生能源相关的电力波动。另外，通过将富含甲烷的气体替换为氢(在乙烯工厂中于裂解过程中形成)，作为裂解炉的主要供热源，富含甲烷的燃料变得可用，代替作为用于产生电力的能量供应的氢，后者可用于其他地方。这种燃料提供了用于运行燃气轮机的比氢更适合的燃料气体，并且更容易储存。本发明提供了一种将可再生电力大规模引入网格中的方法，在很大程度上解决了与来自这些可再生能源的电力的较大波动相关的问题。通过使用石化行业中(可能)最大的燃料消耗器和产生器，即乙烯工厂作为电池，可以以富含甲烷的液化气的存储器的形式安排高峰期的电力存储。在可再生电力可用性较低或甚至不存在的时期，储存的富含甲烷的气体可用于使用用于电力产生的联合循环燃气轮机(ccgt)系统来供应电力。
[0035]
因此，本发明还涉及使用根据本发明的乙烯工厂或方法临时存储可再生的电力的方法。
[0036]
因此，本发明还涉及用于使用根据本发明的乙烯工厂或方法将氢间接转化为富含甲烷的气体的方法。
[0037]
相比上述文件，本发明进一步推动了降低co2比排放量的界限。特别地，本发明提供了将来自可再生来源的电力有效用于乙烯工厂中，以及当来自可再生来源的电力可用性并非在所有时间都足够时，例如由于天气变化(例如太阳、风)、由于昼夜循环(太阳)、由于所需可再生能源(水、生物质)的供应波动、由于超过可再生的电力可用性的电力需求峰值，或由于可再生的电力容量的不可预见的下降(例如可再生发电厂故障或电力供应通道干扰)的实用方法，如下文将进一步详细阐述的。
[0038]
因此，本发明将来自可再生能源的电力与由乙烯工厂产生的电力和/或蒸汽相结合，ccgt是乙烯工厂的组成部分。响应于可再生电力的波动输出或响应于通过调整由ccgt产生的电力的波动需求，可以平衡(例如，调整或稳定)总联合电力输出。这需要在可用可再生电力过量的时间段期间引入燃料存储器，以存储来自乙烯工厂的过量燃料气。在可再生电力短缺的时间段期间，可通过利用ccgt发电厂来维持电力水平。在这种情况下，ccgt基于直接来自乙烯工厂的过量燃料气和/或作为储存的燃料气的补充运行。以这种方式，电力可以在工厂内使用和/或以更可靠和连续的方式供应到网格。根据本发明，与具有常规裂解炉的常规乙烯工厂相比，将每吨乙烯生产的co2比排放量减少至少约30％是可行的。至少对于燃烧的裂解炉而言，当裂解炉火箱效率从40％提高到远超过50％时，可以实现这种降低。在参考的早期专利中，高效炉被指定为具有超过48％的火箱效率。参见以下实施例。
[0039]
这是通过优先燃烧过量的富氢燃料气体来加热裂解炉和至少一部分的富含甲烷的气体来实现的。由于存在高效裂解炉而产生的过量的富含甲烷的气体可用于峰值负荷期间的储存，并可在可再生电力可用性不足期间供使用。可将其输送到燃气轮机的燃烧室，或可将其用于ccgt废热回收锅炉中的补充燃烧。
[0040]
发明人意识到，为此目的专门使用富含甲烷的流有一个优势，这甚至可能会对co2排放产生积极影响：特别地，氢存储比甲烷存储更复杂，需要更高的压力和/或更低的温度，可能消耗额外的能量来存储相等的缓冲剂。
[0041]
另外，虽然裂解炉通常设计用于处理含有大量氢的燃料，但燃气轮机则不然。当氢被引入燃气轮机的燃烧室时，相应的相对较高火焰温度会导致燃气轮机过热。因此，选择使用富含甲烷的燃料作为缓冲剂可以在系统设计的简单性以及减少co2足迹方面提供实际优势。
[0042]
图1示意性地显示了本发明的乙烯工厂/方法，其中ccgt通常形成组成部分，并入来自可再生电源的电力并提供所得过量的富含甲烷的燃料的存储器。
[0043]
图2示意性地显示了工厂/方法流程图，其中提供了电解器，指示了电力和富含甲烷的燃料的流动方向。
[0044]
图3显示了具有常规的裂解炉(即并非低排放)的乙烯工厂布置的结果
[0045]
图4显示了没有甲烷存储器的参考低排放乙烯工厂(实施例1)中供应/产生的总电力的结果。
[0046]
图5显示了根据实施例2的没有电解器的根据本发明的乙烯工厂中供应/产生的总
电力的结果。
[0047]
图6显示了根据实施例2的、同时可再生电力可用的供应/产生的电力的结果。
[0048]
图7显示了根据实施例2的、同时可再生的电力不可用的供应/产生的电力的结果。
[0049]
图8显示了根据实施例3的具有电解器的根据本发明的乙烯工厂中供应/产生的总电力的结果。
[0050]
图9显示了根据实施例3的、同时可再生的电力可用的供应/产生的电力的结果。
[0051]
图10显示了根据实施例3的、同时可再生的电力不可用的供应/产生的电力的结果。
[0052]
图11示意性地显示了根据本发明的乙烯工厂/方法，其中提供了电解器。其并入了来自可再生电源的电力并提供所得过量的富含甲烷的燃料的存储。
[0053]
在图中，单元之间的实线通常表示流体(气体、液体)的通道(或流)；虚线(
…
)，例如在单元31、41、42和43之间，表示通信/调节信号，且虚线(_._.)，特别是在单元10、15、16、31-33和61之间，表示电力。此外，由粗体实线形成的方框(特别是方框51、52、139、141、142)用于显示属于图中所示示例性实施方案中的(集成的低排放)乙烯(和电力)工厂的内容。
[0054]
技术人员将能够设计和操作乙烯工厂的合适操作单元，如裂解炉、分离段、液化富含甲烷的燃料的方式(如乙烯工厂的冷却列)、甲烷存储器、ccgt、可再生电力系统、任选设备，如电解器(下文进一步讨论)等，其使用本公开与普通常识以及任选地本文引用的一个或多个文件相结合。
[0055]
图1示意性地显示了根据本发明的具有可再生的电力输入(51)的集成的低排放乙烯和发电厂。在使用中，将烃原料(21)输送至裂解炉(1)，利用燃料，通常利用富含甲烷的燃料和/或富含氢的燃料对裂解炉(1)进行加热。项目23a-23c是富含氢的燃料流；项目24a-24j是富含甲烷的燃料流。裂解气(22)被至少分离成富含乙烯的产品流(25)、富含氢的燃料流(23a)和分离段(2)中的至少一种富含甲烷的燃料流(24a)。可以作为分离段(2)中的液化流或作为其至少一部分被进行液化的气体获得富含甲烷的燃料流。还可能获得分离段(2)中的富含甲烷的液化流和富含甲烷的气体流。通常，在包含燃烧的裂解炉的工厂中，富含氢的燃料或其一部分被返回至裂解炉(1)的燃烧炉-例如如图1中所示(项目23c)-尽管可选地或另外，还可以提供用于将来自分离段的富含氢的燃料的至少一部分输送到ccgt的废热回收锅炉(8)的燃烧炉的通道(项目23b)。还可以提供回到裂解炉的燃烧炉(例如经由燃料线24g 24j)的来自分离段(2)的富含甲烷的燃料通道和或从分离段(2)到燃气轮机燃烧室(5)的富含甲烷的燃料通道(例如经由燃料线24g 24i)。提供通道(24a)以将富含甲烷的燃料流输送到甲烷存储器(3)中，其中所述燃料通常将以液化状态储存，直到进一步使用。提供通道(24b)以将来自存储器(3)的富含甲烷的液化燃料的至少一部分输送到蒸发器(4)，以提供来自其的富含甲烷的气体燃料，然后可以将其输送到联合循环燃气轮机回路的单元的燃烧室(5)。在图1中，燃料线(24c、24e)被显示至ccgt的燃气轮机(6)的燃烧室(5)，其还包括燃烧空气压缩机(7)。该压缩机提供燃烧所需的空气(26)。该燃烧空气压缩机可集成有燃气轮机(6)，例如如图所示，但还可以通过其他方式驱动，如蒸汽涡轮机或电动马达。燃气轮机(6)配置为驱动单元15，其为发电厂电力发电机或乙烯工厂压缩机。在燃气轮机驱动电力发电机的情况下，电力通常发送至内部电网(31)，如图1中所示。当燃气轮机驱动乙烯工厂压缩机时，不需要后一电力连接。
[0056]
可以提供从蒸发器(4)到裂解炉(1)的通道(线24c、24f)。
[0057]
还可以提供燃料到废热回收锅炉(8)的通道，例如经由来自分离段2的燃料线23b和/或经由燃料线24g 24h；和/或来自蒸发器4的线24d和线24c。在使用中，可以产生电力和/或可以通过ccgt为乙烯工厂供应高压蒸汽(29)。提供了从燃气轮机(6)到废热回收锅炉(8)的废气(27)通道，废热回收锅炉(8)产生(非常)高压的蒸汽，后者用于操作配置为通过驱动电力发电机(10)的方式产生电力的蒸汽涡轮机(9)，和/或操作配置为操作乙烯工厂压缩机和/或泵(16)的蒸汽涡轮机(11)。在乙烯工厂压缩机或泵未由蒸汽涡轮机驱动的情况下，电动机可用于使用与内部网格(31)连接的电力连接来驱动乙烯工厂机器。以这种方式，可从可再生来源提供电力。在蒸汽涡轮机(9、11)的下游，提供了表面冷凝器(12、13)以冷凝离开蒸汽涡轮机的蒸汽。然后可以经由泵(14)将冷凝水送回至废热回收锅炉(8)，作为锅炉给水(28)。工厂还包括内部电网(31)，在需要时工厂单元可从其接收电力，并且可以向其供应在联合循环燃气轮机回路中产生的电力。工厂经由内部电网(31)与外部电网(32)连接。在图1中，可再生的电源(33)有利地经由内部网格与工厂连接，但也可能仅经由外部网格或经由外部和内部网格获得可再生的电力。图1进一步显示了用于调节的燃料流到裂解炉(1)、燃烧室(5)和废热回收锅炉(8)的分配的电力输出控制系统(41)、燃烧控制系统(42)和几个控制阀(43)。
[0058]
图11与图1非常相似。图11的工厂还包括电解器(61)，其配置为使用电力将水(62)转化为氢(63)和氧(64)。将水转化为氢以在裂解炉中用作燃料，以产生更多过量燃料的电解器的存在，从而提供了一种与根据本发明的乙烯工厂结合的可再生电力的临时存储器，如权利要求7-17和22-24所定义的，并且在说明书中进一步描述的可被视为基于其本身的发明。将在电解器中产生的氢用作根据本发明的工厂中的燃料。因此，图11显示了集成的低排放乙烯和发电厂(52)，其具有可再生的电力输入和电解器。电解器使用的电力的至少一部分是可再生的电力(来自可再生电源33)。还可以使用来自内部网格(31)的电力，例如来自发电机10的电力来电解电解器中的水。可以提供通道以将产生的氢从电解器输送到裂解炉的燃烧炉(63a)，和/或可以提供通道以用于将产生的氢从电解器输送到ccgt的废热回收锅炉的燃烧炉(63b)。有关其他项目的讨论参见图1的描述。
[0059]
裂解炉原则上可以基于已知的常规裂解炉，例如基于us 4,479,869。
[0060]
为了将本发明特别有利地用作电力的临时存储器和/或特别有利地减少co2排放，裂解炉优选为高效炉。较高的裂解炉效率可使大量富含甲烷的燃料气体可用于临时储存，并可使相对昂贵的氢气的燃烧最小化。
[0061]
特别地，所述高效裂解炉可基于wo 2018/229267或未预先公布的ep申请号19198787.4，其内容通过引用并入本文中，特别是权利要求书、附图和附图说明。这两份文件描述了
–
除其他外-关于进料/流出物输送管线交换器(tle)和与进料/流出物tle串联的锅炉盘管或高温盘管的高效(就每单位裂化产品所需的单位能量而言)的有利安排。这两份文件描述了
–
除其他外-用于相对于与进料/流出物tle串联的进料/流出物传输线交换器(tle)和锅炉盘管或高温盘管提供高效(就每单位裂解产品所需的能量单位而言)的有利布置。
[0062]
优选地，本发明的乙烯工厂的(高效)裂解炉配置为用于执行裂解烃原料的方法，包括第一原料预热步骤和第二原料预热步骤，
[0063]
其中第一原料预热步骤包括通过裂解炉系统的热烟气预热烃原料，
[0064]
其中第二原料预热步骤包括在原料进入裂解炉系统的辐射段中之前，通过裂解炉系统的裂解气的废热进一步预热原料。此类方法在例如wo2018/229267中公开，但如非预先公开的ep申请号19198787.4中描述的裂解炉系统也可有利地配置为执行此类方法。包括第一原料预热步骤和第二原料预热步骤的所述方法进一步优选地包括以下中的一项或多项：
[0065]-使用传输线交换器进行所述第二原料预热步骤；
[0066]-将锅炉水从裂解炉系统的蒸汽鼓输送到裂解炉系统的对流段中的锅炉盘管，其中所述锅炉水通过热烟气被加热，优选地蒸发，并且其中水和蒸汽的混合物返回至所述蒸汽鼓；
[0067]-将烃原料与稀释剂，如稀释蒸汽混合，以在第二原料预热步骤之前提供原料-稀释剂混合物；
[0068]-通过裂解炉系统的裂解气的废热，使用位于传输线交换器下游的第二传输线交换器产生高压蒸汽；
[0069]-在蒸汽鼓进入裂解炉系统中之前通过烟气预热锅炉给水；
[0070]-通过将氧化剂，优选纯氧直接引入裂解炉系统的辐射段中来增加辐射段中的绝热火焰温度；
[0071]-在没有烟气再循环回路的情况下，通过将燃烧空气作为主氧化剂和氧气作为二次氧化剂，优选高贫氮氧直接引入裂解炉系统的辐射段中，来提高辐射段中的绝热火焰温度；
[0072]-在引入辐射段中之前预热氧化剂，如燃烧空气和/或氧气；
[0073]-通过裂解炉系统的烟气预热氧化剂；
[0074]-通过再循环至少一部分烟气来控制裂解炉系统的辐射段中的绝热火焰温度；
[0075]-在进入炉膛火箱之前将氧气与再循环烟气混合；
[0076]-在进入裂解炉的蒸汽鼓之前通过热泵回路预热锅炉给水；
[0077]-通过来自裂解炉系统的热烟气加热有机液体，并返回至热泵回路的汽液分离装置；
[0078]-通过热泵回路的冷凝器将来自高压蒸汽的热量传递到锅炉给水；
[0079]-通过进料流出物交换器将来自热泵回路的散热器中产生的冷凝液体的热量传递到热泵系统的热源中产生的饱和蒸汽。
[0080]
在有利的实施方案中，裂解炉包括对流段、辐射段和冷却段，
[0081]
其中对流段包括配置为接收和预热烃原料的多个对流库，
[0082]
其中辐射段包括火箱，所述火箱包括至少一个辐射盘管，其配置为加热原料至允许热解反应的温度，
[0083]
其中，冷却段包括至少一个传输线交换器，
[0084]
其中裂解炉配置为在进入所述辐射段中之前通过传输线交换器预热原料。
[0085]
此类裂解炉，优选地还包括以下一项或多项：
[0086]-对流段包括配置为产生饱和蒸汽的锅炉盘管，其中所述锅炉盘管优选位于对流段的底部中；
[0087]-裂解炉系统还包括连接至锅炉盘管和/或第二传输线交换器(tle)的蒸汽鼓，所
述锅炉盘管和/或第二tle配置为产生饱和蒸汽；
[0088]-对流段还配置为将所述烃原料与稀释剂，优选地稀释蒸汽混合，从而提供原料-稀释剂混合物，其中传输线交换器配置为在进入辐射段中之前预热原料-稀释剂混合物；
[0089]-裂解炉系统还包括第二传输线交换器，其中第二传输线交换器配置为产生饱和高压蒸汽；
[0090]-火箱配置为使得火箱效率高于40％，优选地高于45％，更优选地高于48％；
[0091]-对流段包括配置为预热锅炉给水的废气加热器，以用于产生饱和蒸汽；
[0092]-对流段包括氧化剂预热器，优选地位于对流段下游，其配置为在将所述燃烧空气引入火箱中之前预热氧化剂，例如燃烧空气和/或氧气；
[0093]-裂解炉系统配置为将氧气引入辐射段中，优选地在缺少外部烟气再循环的情况下；
[0094]-裂解炉系统还包括配置为回收至少一部分烟气和将所述烟气再循环到辐射段以控制火焰温度的外部烟气再循环回路，优选地所述外部烟气再循环回路包括配置为在进入火箱中之前将氧气引入再循环烟气中的烟气喷射器；
[0095]-裂解炉系统还包括热泵回路，其包括位于对流段和冷凝器中的蒸发器盘管，其中所述热泵回路配置为使得蒸发器盘管从对流段回收热，并且冷凝器将所述热传递给锅炉给水，后者通常配置为预热锅炉给水；
[0096]
其他细节也可参见wo 2018/229267。
[0097]
特别地，所述热泵回路对预热锅炉给水的有用性不限于wo2018/229267的裂解炉系统。
[0098]
因此，在有利的实施方案中，本发明的乙烯工厂包括设置有用于预热裂解炉系统的锅炉给水的热泵回路的裂解炉系统，所述裂解炉系统包括布置为从裂解炉系统的对流段中的烟气回收热的蒸发器盘管，以及配置为将所述热传递给锅炉给水的冷凝器。
[0099]
所述热泵回路优选地包括以下一项或多项：
[0100]-其包括与蒸发器盘管连接且布置为从来自所述蒸发器盘管的液体-蒸汽混合物分离蒸汽的蒸汽-液体分离装置；
[0101]-其包括进料流出物交换器，该进料流出物交换器被布置为使热泵回路的热源中产生的蒸汽过热，并使热泵回路的散热器中产生的液体过冷；
[0102]-其包括布置为升高蒸汽压力的压缩机，使得所述蒸汽的冷凝温度超过要转移到锅炉给水的期望温度。
[0103]
其他细节也可参见wo 2018/229267。
[0104]
在其他有利的实施方案中，提供了裂解炉系统，包括对流段、辐射段和冷却段，其中对流段包括多个对流库，后者包括配置为接收和预热烃原料的第一高温盘管，其中辐射段包括火箱，后者包括至少一个配置为加热原料至允许热解反应的温度的辐射盘管，
[0105]
其中冷却段包括至少一个传输线交换器，
[0106]
其中系统配置为使得在进入辐射段中之前通过传输线交换器预热原料。
[0107]
该裂解炉系统优选地包括以下一项或多项：
[0108]-对流段包括配置为在原料从传输线交换器离开之后和在进入辐射段中之前预热原料的第二高温盘管；
[0109]-第二高温盘管优选地位于对流段的底部中；
[0110]-对流段还配置为将所述烃原料与稀释剂，优选地稀释蒸汽混合，从而提供原料-稀释剂混合物，其中传输线交换器配置为在进入辐射段中之前预热原料-稀释剂混合物，并且其中第二高温盘管配置为在原料-稀释剂混合物从传输线交换器离开之后和在进入辐射段中之前预热原料-稀释剂混合物；
[0111]-配置为产生饱和高压蒸汽的蒸汽鼓，其中
–
更优选地-对流段包括至少一个配置为使来自蒸汽鼓的高压蒸汽过热的高压蒸汽过热器；
[0112]-第二传输线交换器，其位于第一传输线交换器的下游并与蒸汽鼓连接，并且配置为至少部分地使来自蒸汽鼓的锅炉水汽化。
[0113]
如上文所述，这种设计具有与基于wo2018/229267的设计相当的优点，特别是在减少燃料消耗、提高火箱效率和减少co2排放方面。其他细节也可参见ep申请号19198787.4。
[0114]
所述裂解炉系统被有利地用于根据本发明的方法中，其中所述方法包括在原料进入裂解炉系统的辐射段中之前的第一原料预热步骤、第二原料预热步骤和第三预热步骤，
[0115]
其中第一原料预热步骤包括通过裂解炉系统的热烟气，使用第一高温盘管预热烃原料，其中第二原料预热步骤包括使用传输线交换器，通过裂解炉系统的裂解气的废热进一步预热原料，其中第三原料预热步骤包括使用第二高温盘管，通过裂解炉系统的热烟气进一步预热原料。在优选实施方案中，在第二原料预热步骤之前，将烃原料与稀释剂，如稀释蒸汽混合，以提供原料-稀释剂混合物。在优选实施方案中，使用位于传输线交换器下游的第二传输线交换器，通过裂解炉系统的的废热产生高压蒸汽。其他细节也可参见ep申请号19198787.4。
[0116]
用于分离不同级分中的裂解气的分离段在本领域中通常是已知的。例如，可以使用常规蒸馏，如低温蒸馏，以获得富含乙烯的产品流(与裂解气相比)、富含氢的燃料流(与裂解气相比)和富含甲烷的燃料流(与裂解气相比)。也可获得其它流，如富含丙烯的流(与裂解气相比)和/或富含丁二烯料流(与裂解气相比)。富含甲烷的燃料流可在分离段中作为液化燃料获得，或可通过液化分离段下游的富含甲烷的气体燃料，优选地使用乙烯工厂的冷却单元，获得富含甲烷的液化燃料流。有利的，在分离段中获得富含甲烷的气态燃料流和富含甲烷的液化燃料流。在优选实施方案中，乙烯工厂的冷却段配置为逐渐冷凝裂解气的较轻级分。为此，可使用富含丙烯、乙烯和/或甲烷的制冷流。以气体(蒸汽)形式从该渐进冷凝中获得富含氢的燃料流，而富含甲烷的流以液体级分形式获得。然后通常在脱甲烷塔中分离富含甲烷的液体级分，以产生富含乙烯的级分作为底部产品和富含甲烷的级分作为顶部产品(富含甲烷的燃料)。
[0117]
当需要时，分离段可包括一个或多个单元以进行进一步处理，例如，在进一步使用之前增加某一组分的浓度或去除不需要的组分。如果将氢或甲烷用于与工厂中能源生产不同的目的，则可在进一步分离/纯化后从富含氢的流或富含甲烷的流中获得氢或甲烷。因此，例如可获得氢以用于氢化工艺。
[0118]
来自分离段或其一部分的富含氢的燃料通常与部分富含甲烷的燃料气体一起被输送至裂解炉(在燃烧裂解炉的情况下)，以平衡裂解炉的燃烧热需求。可选地或另外，也可将富含氢的燃料输送给ccgt的废热回收锅炉。当燃料过量时，储存过量的富含甲烷的燃料比储存富含氢的燃料更有利。待储存的过量富含甲烷的燃料通常以液化形式输送到甲烷存
储器，并且
–
当从存储器中取出时，在用蒸发器蒸发后以气态形式输送至燃烧炉。蒸发优选与乙烯工厂的冷却段集成，以尽可能多地回收冷量。
[0119]
众所周知，液化甲烷(即液化天然气，lng)在大约-160℃的大气压下储存。对于本发明来说，这也是可能的，尽管在超大气压下储存也是一种选择。至少在本发明的一些实施方案中，有利的是在升高的压力下储存富含甲烷的燃料，例如在约4barg或更高或约10barg或更高的燃烧炉供应压力下。在实践中，压力通常约为20barg或更低，特别是15barg或更低。在升高的压力下储存，有助于处理生产量和所需量的每日波动。它还允许在不借助加压方式，如低温泵的情况下将燃料输送给燃烧炉，以使燃料进入所需的燃烧炉供应压力。在有利于冷集成的实施方案中，将其储存在比乙烯工厂中其来源处的可用压力更高的压力下可能是有利的。在这种情况下，燃料优选被压缩并随后对合适的散热器冷却，以产生适合储存的液化气体，该液化气体可以作为真正的液体或超临界流体被液化。
[0120]
储存一定量的代表特定热值的氢气比储存一定量的代表相同热值的甲烷更复杂。氢气储存需要较高的压缩水平和/或较低的储存温度，这会耗费额外的能量。此外，由于氢气燃烧时的绝热火焰温度较高，因此在用作裂解炉以外的其他单元如ccgt的燃气轮机的燃料时，富含甲烷的燃料优于氢气，这类装置对其耐受性较差。
[0121]
从储存的裂解烃气体中获得的富含甲烷的燃料通常以液化形式储存在甲烷存储器中。甲烷存储器通常配备有蒸发压缩机和位于配置为将热量排出至合适的散热器的压缩机出口处的热交换器。例如，可提供冷凝器，其配置为重新冷凝来自存储器的任何蒸汽。如果压缩机出口在临界点以上运行，这将是一个冷却器，以排出所需热量。
[0122]
从裂解气中获得的部分富含甲烷的燃料可返回至裂解炉的燃烧炉(在燃烧的裂解炉的情况下)。要返回的级分可以选自在根据本发明的方法中获得的任何富含甲烷的级分。在优选实施方案中，为此目的使用富含甲烷的气体燃料级分，更优选未经过储存。特别地，可以使用从冷却和脱甲烷段作为气体级分获得的富含甲烷的燃料，如存在于分离段的冷却段中。冷却段可以是渐进式冷凝系统，冷却裂解气，并在多个串联的闪蒸容器中闪蒸，以从这些闪蒸中获得富含氢的(气体)流和多个富含甲烷的液体流。这些富含甲烷的流可被送至脱甲烷段，以产生至少一种气相和/或液相的富含甲烷的顶部和/或副产物，以及至少一种贫甲烷的底部产物，优选富含乙烯产物。在这种情况下，可直接使用富含甲烷的气体产品。可选地，可以使用富含甲烷的液体流，但必须蒸发才能直接使用(无需储存)。
[0123]
将至少一部分富含甲烷的燃料用于除在裂解炉中燃烧之外的其他目的。储存在甲烷存储器中的富含甲烷的燃料的至少一部分通常在联合循环燃气轮机中燃烧，以产生可用于驱动乙烯工厂中的蒸汽涡轮机的电和/或高压蒸汽。在实施方案中，将来自分离段的富含甲烷的气体燃料的一部分输送给ccgt的废热回收锅炉的燃烧炉。
[0124]
通常，ccgt以20％-140％的启动/关闭比运行范围运行，优选30％-130％的运行范围，更优选40％
–
120％的运行范围。
[0125]
在进一步使用之前储存的富含甲烷的燃料流的百分比、返回裂解炉(直接或在储存后)的富含甲烷的燃料流的百分比，以及在ccgt中燃烧(直接或在存储后)的富含甲烷的燃料的百分比可能随时间变化很大，这取决于来自可再生来源的可用电力、乙烯(和任选地其它烯烃)的所需生产以及工艺条件的变化。
[0126]
在实践中，来自甲烷存储器的富含甲烷的液化燃料通常在被送至(燃烧的裂解炉
或ccgt的)燃烧炉之前被完全蒸发。这可以使用例如至少lmg(富含甲烷的液化气体)蒸发器来完成。另外，还优选将燃料气体温度升高至接近环境条件的温度水平，并(尽可能)回收与lmg蒸发和过热相关的冷量。这可以通过将lmg蒸发和过热与冷却列集成来实现，如以减少制冷系统的负荷。当富含甲烷的液化燃料膨胀时，它将很方便地闪蒸到非常低的温度，这可以在冷却列中使用，以帮助达到非常低的温度水平。这可用于将乙烯对燃料气的损失降至最低，并尽可能回收冷量。因此，该流优选地被送至冷却列的冷端。当在相对较低的超大气压，如约4至约5barg下储存时，闪蒸将是微不足道的。然而，出于同样的原因，仍然优选将液体送至冷却列的冷端：以降低乙烯产品的损失并提高冷量回收率。
[0127]
燃气轮机联合循环发电厂单元通常按如下方式运行：通过由燃烧空气压缩机供应至燃烧室的燃烧空气，在燃气轮机的燃烧室中燃烧燃料气体(富含甲烷的燃料)。通常在燃气轮机上冷却产生的烟气，以经由发电机产生电力。燃烧空气压缩机、燃烧室和燃气轮机通常集成在同一机器中。燃气轮机驱动燃烧空气压缩机以及发电机。将来自燃气轮机的烟气送至具有辅助燃烧的废热回收锅炉，以从锅炉给水产生非常高压的蒸汽。通过在具有表面冷凝器的冷凝蒸汽涡轮机中使其下降，非常高压的蒸汽有利地用于驱动发电机。在表面冷凝器中，蒸汽完全冷凝。除少量排出外，几乎所有冷凝蒸汽都被收集并泵回废热回收锅炉，作为锅炉给水，以关闭回路。在实践中，通常首先将冷凝水输送到除氧器，以将其与去矿物质的补给水混合，并用蒸汽将其汽提，以去除空气(图1中未显示)。除了驱动发电机之外，燃气轮机还可用于驱动一个或多个乙烯工厂压缩机(也参见ep申请19178729.0)。另外，非常高压的蒸汽可从废热回收锅炉输出到乙烯工厂中的一个或多个蒸汽涡轮机，而不是用于经由发电厂中的蒸汽涡轮机产生电力(也参见ep申请19178729.0)。
[0128]
电力连接与配置为从可再生来源产生电力的电力系统连接。其可以连接至乙烯工厂的内部电网，以供应至少一部分的所需电力来驱动机器、形成乙烯工厂的一部分的发电厂单元、乙烯工厂形成其一部分的更大工业综合体，或与根据本发明的乙烯工厂相同的电网连接的外部(远程)发电厂。优选地，配置为从可再生来源产生电力的电力系统是乙烯工厂的集成部分或乙烯工厂作为其一部分的工业综合体的集成部分，和/或电力系统经由外部电网与乙烯工厂连接。
[0129]
乙烯工厂的电气连接优选地不仅允许从提供可再生电力的发电厂接收电力，而且优选地配置为允许在乙烯工厂外供应过剩的电力，例如供应给同一工业综合体内的乙烯工厂外的另一设施或电网。因此，在优选实施方案中，可再生的电力和ccgt产生的电力连接至内部工厂网格，并进一步向外部网格提供连接。该外部连接向网格提供良好平衡的电力流。
[0130]
从可再生来源提供电的电力系统通常包括选自风力系统、太阳能系统、水力系统、地热能系统和渗透压能系统(也称为蓝色能量)的一个或多个电力系统。可选地，或另外，可以使用配置为从生物质产生电的一个或多个系统和/或配置为从生物可再生的燃料，例如生物乙醇或生物柴油产生电的一个或多个系统。
[0131]
在有利的实施方案中，乙烯工厂具有乙烯工厂蒸汽发生回路和发电厂回路，如非预先公开的ep申请号19178729.0中描述的。
[0132]
因此，在有利的实施方案中，存在乙烯工厂蒸汽发生回路，包括：
[0133]-用于将烃原料转化成裂解气的裂解炉，其中裂解炉配置为从锅炉给水产生高压蒸汽，特别是非常高压的蒸汽；
[0134]-配置为由所述(非常)高压的蒸汽驱动的蒸汽涡轮机；
[0135]-配置为由蒸汽涡轮机驱动的流程压缩机；
[0136]-配置为冷凝至少一部分的(非常)高压的蒸汽冷凝器；
[0137]-配置为将冷凝的蒸汽作为锅炉给水泵送至裂解炉的泵；
[0138]-发电厂回路，包括配置为作为(非常)高压的蒸汽回收热的废热回收锅炉，
[0139]
其中系统还包括乙烯工厂蒸汽发生回路和发电厂回路之间的第一连接，其配置为将至少一部分的高压蒸汽从废热回收锅炉导向至乙烯工厂蒸汽发生回路的至少一个蒸汽涡轮机以驱动所述至少一个蒸汽涡轮机。
[0140]
此类系统特别适合于驱动乙烯工厂蒸汽发生回路中的机器，例如流程压缩机。当驱动机器时，这尤其包括以下步骤：
[0141]-作为高压蒸汽从裂解炉回收热；
[0142]-向至少一个蒸汽涡轮机提供所述高压蒸汽，其中蒸汽涡轮机配置为驱动机器，如流程压缩机；
[0143]-在冷凝器中冷凝至少一部分的高压蒸汽；
[0144]-将冷凝的蒸汽作为锅炉给水泵送回裂解炉；
[0145]
其中所述方法还包括以下步骤：
[0146]-作为高压蒸汽从发电厂回路的废热回收锅炉回收热；
[0147]-将来自发电厂回路的至少一部分的高压蒸汽提供给乙烯工厂蒸汽发生回路的至少一个蒸汽涡轮机。
[0148]
例如，此类系统特别适合用于根据本发明的方法，其中来自乙烯工厂蒸汽发生回路的裂解炉的过量燃料被提供给发电厂回路的废热回收锅炉，以用于辅助燃烧。另外，或可选地，在此类方法中，有利地为废热回收锅炉提供来自发电厂回路的至少一个燃气轮机的废气；特别地，然后可以将来自乙烯工厂蒸汽发生回路的裂解炉的过量燃料提供给发电厂回路的燃气轮机以用于燃烧。然后所述燃气轮机可以有利地配置为驱动乙烯工厂蒸汽发生回路的机器，如流程压缩机。此类实施方案优选地包括以下步骤：
[0149]-将来自发电厂回路的废热回收锅炉的高压蒸汽的至少一部分提供给发电厂回路的至少一个蒸汽涡轮机，其中蒸汽涡轮机配置为驱动发电机以用于产生电力；
[0150]-在发电厂回路的冷凝器中冷凝至少一部分的高压蒸汽；
[0151]-将所述冷凝的蒸汽作为锅炉给水泵送回废热回收锅炉。
[0152]
在有利的实施方案中，其中存在乙烯工厂蒸汽发生回路(如基于ep申请号19178729.0)，并且其可用于驱动机器，乙烯工厂优选地还包括乙烯工厂蒸汽发生回路和发电厂回路之间的第二连接，其配置为将来自分离段的过量的富含氢的气流、过量的富含甲烷的气流或两者导向废热回收锅炉的燃烧炉。
[0153]
具有乙烯工厂蒸汽发生回路的乙烯工厂的发电厂回路和发电厂回路还可以包括至少一个燃气轮机，其中至少一个燃气轮机与废热回收锅炉连接，使得通过废热回收锅炉回收来自至少一个燃气轮机的废气。在此类实施方案中，优选地在乙烯工厂蒸汽发生回路和发电厂回路之间存在其他连接，其配置为将来自乙烯工厂蒸汽发生回路的过量的富含氢的气流、过量的富含甲烷的气流或两者的至少一部分导向至少一个燃气轮机以用于燃烧。
[0154]
乙烯工厂蒸汽发生回路还优选地包括配置为直接由发电厂回路的燃气轮机驱动
的流程压缩机。
[0155]
乙烯工厂的发电厂回路优选地包括至少一个蒸汽涡轮机和至少一个发电机，其中回路配置为将来自废热回收锅炉的至少一部分的高压蒸汽提供给发电厂回路的至少一个蒸汽涡轮机，其中至少一个蒸汽涡轮机配置为驱动至少一个发电机以用于产生电力。
[0156]
发电厂回路还包括配置为冷凝至少一部分的高压蒸汽的冷凝器，以及配置为作为锅炉给水将所述冷凝的蒸汽泵送回废热回收锅炉的泵。
[0157]
在特别有利的实施方案中，乙烯工厂是集成的乙烯和发电厂系统，其中裂解炉是高效裂解炉，包括辐射段、对流段和冷却段，其中冷却段包括至少一个配置为在进入辐射段中之前预热原料的传输线交换器，并且其中对流段包括配置为从烟气产生饱和蒸汽的锅炉盘管，所述锅炉盘管优选地位于对流段的底部中。
[0158]
在特别有利的实施方案中，乙烯工厂是集成的乙烯和发电厂系统，其中裂解炉是包括辐射的高效裂解炉，其中裂解炉是包括辐射段、对流段和冷却段的高效裂解炉，其中冷却段包括至少一个配置为在进入辐射段中之前预热原料的传输线交换器，并且其中对流段包括配置为在原料从传输线交换器离开之后和在在进入辐射段中之前预热原料的第二高温盘管，所述第二高温盘管优选地位于对流段的底部中。
[0159]
在实施方案中，乙烯工厂包括机器，如压缩机和/或泵，其配置为由来自ccgt的电力来自配置为从可再生来源产生电力的电力系统的电力驱动。
[0160]
有利的，乙烯工厂包括自动控制器单元，其配置为调节工艺参数，特别是选自燃料流速和燃料压力，以补偿经由可再生电力连接提供的电力的波动。控制器单元通常是配置为例如使用pid算法自动比较设定点与操作点并最小化差异的仪器。因此，pid控制器特别适合。通常，电力波动的补偿是通过响应于(已有的或预期的)波动，而调节富含氢的和/或富含甲烷的燃料的乙烯工厂的一个或多个通道中的燃料流速和/或压力来完成的，从而在由所述电力连接提供的电力降低(或预期会降低)时增加ccgt的电力输出，并在由所述电力连接提供的电力增加(或预期会增加)时降低ccgt的电力输出。
[0161]
在有利的实施方案中，根据本发明的乙烯工厂包括电解器，其中从可再生来源提供电力的电力连接与电解器连接(在图2和8-11中示意性地示出)。该电解器配置为使用来自可再生来源的电力的至少一部分和任选地使用由ccgt产生的电力的至少一部分来通过电解，通常通过水电解产生氢。在该实施方案中提供了其他的通道，以用于将从电解器产生的氢输送到裂解炉的燃烧炉、到ccgt的废热回收锅炉的燃烧炉的通道，或两者。
[0162]
氧气，也可以通过水的电解产生，可以出售或用于燃烧燃料，特别是富含甲烷的燃料，例如在乙烯工厂的废热回收锅炉中燃烧具有较高氧气浓度的甲烷，并从而获得用于未来碳捕获的更富集的co2混合物。通过使用可再生电力来产生在裂解炉中燃烧的氢燃料，可以进一步减少比co2；它允许向ccgt输出更多过量的富含甲烷的燃料气，以在那里产生电力和/或(非常)高压的蒸汽，而不是在裂解炉中燃烧。通过将氢引入裂解炉中，可以降低炉的比排放量，并同时在ccgt发电厂中，可以以比裂解炉电力产生回路中更高的热电比燃烧来自乙烯工厂的更多过量的富含甲烷的燃料。考虑到乙烯工厂可以有多个裂解炉，这是减少co2排放的非常实用的解决方案，而不是对许多单独的排放源应用碳捕获来减少这些排放。
[0163]
此外，任何未在ccgt中直接燃烧的富含甲烷的燃料都可以储存起来供以后使用。甚至可以在可再生电力生产过剩的时候(例如，在太阳能的晴天期间和风能的强风期间)使
用该实施方案，因为随后可以增加氢气的生产，从而允许进一步减少在ccgt发电厂的裂解炉和/或废热回收锅炉中燃烧所需的甲烷。
[0164]
相比通过电解器产生的氢(其无需储存即可直接使用)，富含甲烷的燃料的储存要容易得多。在这种情况下，可以避免与用于汽车中的存储的高压下的压缩氢气相关的co2排放。压缩/储存氢气而不是富含甲烷的燃料将使效率降低多达约25％。在实施方案中，该系统允许产生的每吨乙烯的比排放量减少超过55％，可再生能量的可用性为其每天的最大产能的33％。通过燃料储存平衡波动的可再生电力产生，可以向网格供应可靠和稳定的电力。根据经验，添加电解器后，可产生比图1的方案中多三倍的可再生电力。将电解器连接到可再生电源，并设有通道，以用于将电解器中产生的氢气输送到乙烯工厂中的燃烧炉，通常是裂解炉的燃烧炉。图1主要基于欧洲专利申请19178729.0，但添加了甲烷存储器并使用如上所述的富含氢的燃料以及来自裂解气的富含甲烷的燃料。此外，在使用电解器的实施方案中，通过调整从从燃料存储器到其的燃料流量，更容易在接近其最佳生产点的地方操作ccgt，从而使热电转化效率最高，且co2排放量最低。例如，如果从可再生来源产生的电力很高，则相应的氢气产量也很高，从而能够从乙烯工厂生产大量富含甲烷的燃料。甲烷燃料的过量生产导致ccgt在最佳生产点以上运行，随后可在生产不足的时期将其储存，以尽可能防止ccgt低于最佳生产点运行。这里应注意，如果这也满足来自用户侧的电力需求，则ccgt将以其最佳效率点运行。如果可再生能源供应量低(即低h2)，则产生的富含甲烷的燃料较少。可从存储器中添加在最佳点运行ccgt所需的额外富含甲烷的燃料。(参见图2)。
[0165]
如本文所用，单数形式“一个(a)”、“一种(an)”和“所述(the)”也旨在包括复数形式-例如，“裂解炉(a cracking furnace)”包括“裂解炉(cracking furnaces)”；“燃烧炉(a burner)”包括“多个燃烧炉(a plurality of burners)”等，除非上下文另有明确指示。术语“或”包括一个或多个相关列出项目的任何和所有组合，除非上下文另有明确说明(例如，如果使用“要么
…
要么(either
…
or)”结构)。应理解，术语“包括(comprises)”和“包括(comprising)”指定了所述特征的存在，但不排除一个或多个其他特征的存在或添加。应进一步理解，当方法的特定步骤被称为另一步骤之后时，其可直接跟随所述另一步骤，或可在执行特定步骤之前执行一个或多个中间步骤，除非另有规定。同样，应理解，当描述结构或组分之间的连接时，除非另有规定，否则可以直接或通过中间结构或组分建立这种连接。
[0166]
在本技术的上下文中，术语“约”特别包括与给定值的10％或更小的偏差，更特别地5％，更特别地3％或更小。
[0167]
术语“高压蒸汽”(hp蒸汽)在本领域是众所周知的。根据经验，hp蒸汽的压力通常至少约为40barg。对于具有80barg或更高压力，特别是约100barg至约130barg的hp蒸汽，本文使用术语非常高压的蒸汽(vhp蒸汽)。当被称为“富集”时，这意味着与离开裂解炉的裂解气体相比富集。富含氢的燃料流通常具有大于50摩尔％，典型地约80摩尔％-100摩尔％的氢含量。从裂解气流获得的富含甲烷的流通常具有大于50摩尔％，通常为60摩尔％-100摩尔％的甲烷含量。如上文所述，在第一分离步骤中，裂解气流可在富含氢的(气体)流和富含甲烷的(液体)流(在冷却和脱甲烷段中)中分离，然后对富含甲烷的液体级分进行进一步分馏(在脱甲烷段中)，从中回收富含乙烯的级分和富含甲烷的燃料；来自脱甲烷之前冷却段的富含甲烷的液体级分通常具有比要储存/输送到燃烧炉的富含甲烷的燃料更低的甲烷含量，例如60摩尔％-70摩尔％，该燃料通常具有80摩尔％或更高的甲烷含量，通常在约90摩
尔％至约100摩尔％之间。
[0168]
本文参考附图更全面地描述了本发明，附图中示出了本发明的实施方案。在附图中，为了清晰起见，可能会夸大系统、组件、层和区域的绝对和相对尺寸。可以参考本发明的可能理想化的实施方案和中间结构的示意图和/或横截面图示来描述实施方案。在说明书和附图中，通篇中相似的数字表示相似的元素。相对术语及其派生词应解释为指当时所述或所讨论的附图中所示的方向。这些相对术语是为了便于描述，并且除非另有说明，否则不要求系统以特定方向构造或操作。
[0169]
为了清晰和简要描述的目的，本文将特征描述为相同或单独实施方案的一部分，然而，应理解，本发明的范围可包括具有所描述的全部或部分特征的组合的实施方案。
[0170]
接下来，通过以下实施例说明本发明。
实施例
[0171]
实施例1(参考)
[0172]
提供了根据ep申请号19178729.0调节以包括集成的发电厂的具有根据wo2018/229267的低排放裂解炉的乙烯工厂布置，并将其与具有常规的裂解炉(即非低排放)的乙烯工厂布置比较。
[0173]
通过使用在工厂中心处具有低排放裂解炉的这一布置，燃烧的热降低31.87％，从120mw(对于常规的炉，参见图3)降低至82mw，并且在乙烯工厂内产生的电力从18.5mw减少到6.5mw。这通过分别针对显示了常规的乙烯工厂回路和具有低排放裂解炉的乙烯工厂布置，将图3的燃料和电力的产生和消耗图与图4的那些进行比较来显示。这是通过将裂解炉的火箱效率从40％提高到53％来实现的。这意味着乙烯工厂具有12mw电力的短缺，和32％的过量燃料气产量，因为这种燃料气以前是在裂解炉上燃烧的。
[0174]
通过将裂解炉与发电厂整合，可以在ccgt发电厂中以50％的热电效率而不是32％的热电效率将过量的燃料气转化为电力，32％是如下文解释的乙烯工厂的热电效率。与常规乙烯工厂系统相比，节省的燃料量为38mw热量(120-82mw)，其中裂解炉火箱效率为40％。在后一种情况下，这将转化为12mw电力。这对应于常规乙烯工厂系统的热电转化率为12/38＝31.6％。可以在ccgt中以50％的效率转化该过量的燃料气，从而产生0.5*38mw热量＝19mw电力，其中12mw被输送至乙烯工厂以补偿上文讨论的短缺，并且7mw的电力可供输出。这12mw可以作为直接到电动机的电力输送到乙烯工厂，以驱动机器，但也可以作为高压蒸汽提供，以经由蒸汽涡轮机驱动机器，并以轴功率的形式提供这种能量。
[0175]
由于在ccgt中增加了额外的7mw，产生的电力从18.5mw增加到25.5mw，对于相同量的co2产生额外的多37％的发电(负荷)，因此比co2排放量的减少为27％。这是每mw电力产生少27％的co2。这些额外的7mw的电力可以作为连续流输送到外部网格。
[0176]
实施例2(富含甲烷的燃料存储器)
[0177]
如图1和图5示意性示出的，通过包括从裂解气体中分离出的过量的富含甲烷的燃料的液化甲烷存储器对实施例1的布置进行了修改(图5显示了燃料和电力的日平均产生和消耗图)。
[0178]
通过储存过量的燃料，乙烯工厂可以用来帮助将可再生能源引入电网。要处理的主要问题之一是，很难处理与可再生能源相关的电力波动。本发明通过使用乙烯工厂的过
量燃料生产作为备用，并在存在可再生能源短缺期间将其高效地转换为ccgt中的电力，解决了该问题。
[0179]
在平均供应3.5mw可再生电力的情况下，对于低排放集成的乙烯工厂(ccgt具有22.5mw峰值容量和19mw基本容量)，峰值供应量为10.5mw，且每天可获得8小时的可再生电力，以及相当于7mw电力的燃料存储容量(参见实施例1中可供输出的7mw电力)，以下改进是可行的：
[0180]-产生的电力进一步增加至29mw(由于额外的3.5mw可再生电力)(参见对于实施例1的集成布置的25.5mw)；
[0181]-可用于输出的电力在连续的基础上增加50％至10.5mw(参见实施例1的集成布置中的7mw)；
[0182]-对于产生的相同量的co2，最多额外增加57％的发电(负荷)(参见实施例1的集成布置中的37％)；
[0183]-比co2排放量的多达36％的减少(参见实施例1的集成工厂中的27％的减少)。
[0184]
与实施例1的集成系统相比，在连续的基础上，输出的电力增加高达50％是可行的。可再生能源的波动由ccgt和燃料存储器处理。假设19mw基本负荷，ccgt的负荷变化为40％-120％。
[0185]
在实践中，可能会远离最佳运行点运行，因此ccgt将无法在50％的热电效率下运行。然后，根据50％的热电效率，电力输出将低于预期。然后，57％的电力增加的将降低，且co2排放的相关减少也将低于36％，例如约30％或更低，例如以与实施例1的集成系统大致相同的水平。而且，在与实施例1的集成系统相比co2排放没有进一步减少的实施方案中，与没有甲烷存储器和用于电力产生的ccgt的常规的乙烯工厂系统相比，co2排放仍然减少，其中裂解炉火箱效率为40％，如图3中所示。
[0186]
根据本发明的乙烯装置除了在减少co2排放方面的益处之外，即使可再生电源的低可用性因数仅为33％(24小时中的8小时)。除了co2排放减少方面的益处外，根据本发明乙烯工厂的主要优势在于能够以与可再生电源的峰值容量基本相同的容量水平向内部和外部网格提供稳定的电力产生，即使以如本实施例中采用的仅33％(24小时中的8小时)的可再生电源的较差的使用效率。
[0187]
如上文提及和图6所示的，该布置配置为10.5mw的可再生能源峰值负荷。利用甲烷储存容量，可以以7mw功率当量的速率将过量燃料的全部生产量储存8小时。在此期间，ccgt发电厂可在12mw的最低负荷下运行，以产生运行乙烯工厂本身所需的电力。因此，乙烯工厂的电力需求限制了ccgt发电厂的下调。ccgt可以始终以合理的负载运行的事实是本发明的另一个积极方面。
[0188]
当没有可再生电力供应时(图7)，储存的过量燃料气可以以3.5mw功率当量的速率输送至ccgt 16小时，相当于两倍长的时间内其满容量的一半。在此期间，当在22.5mw的峰值负荷下运行时(19mw直接来自过量燃料气，且3.5mw来自储存区的燃料气)，ccgt发电厂可向外部网格供应10.5mw的电力，并同时产生运行乙烯工厂所需的12mw。
[0189]
实施例3(将可再生的电力转化为富含氢的燃料的电解器)
[0190]
实施例2的布置适用于包括电解器，其配置为从水中产生氢气(和氧气)并使用可再生电力(图8显示了燃料和电力的日平均产生和消耗图)。
[0191]
电解器需要近1.5mw的电力，以产生就燃烧热而言的1.0mw当量的氢气。
[0192]
当在峰值负荷下运行8小时，且在无负荷下运行16小时时，峰值负荷应足以用氢气替换高效/低排放裂解炉最初使用的所有燃料气：所需的量就燃烧热而言为82mw。所需可再生电力为82*1.49＝122.5mw。在峰值负荷下，所有过量的燃料气体(为了简单起见，甚至该燃料气体中已经存在的10vol％氢气)都可以因此被储存和/或用于产生电力。这将用于发电的燃料气储存/可用性从82mw热量提高到120mw热量，与修改为低排放炉之前裂解炉所用的量相同(参见图4)。ccgt的热电效率为50％，该82mw热量可以转换为41mw的电力。这在实施例1的集成布置中提供的19mw电力的上面。在这种情况下，120mw热量的完全燃料生产可能潜在地在ccgt中转换为60mw电力(41 19＝60)。
[0193]
在峰值负荷期间，工厂可输送20.7mw的电力，如图9所示。在这段时间内，产生的部分过量的燃料气可以27.4mw功率当量的速率储存8小时。在这段时间内，ccgt发电厂向外部网格供应20.7mw，并同时产生运行乙烯厂所需的12mw。为了实现这一目标，在峰值负荷下，电解器必须向炉供应82mw当量的燃烧热量。这相当于大约122.5mw的电力。
[0194]
当没有可再生电力可用时(在本实施例中为每天16h)，可再生能源既不提供电力也不提供氢气(图10)。
[0195]
在这段时间内，储存的过量燃料气可以13.7mw功率当量的速率输送至ccgt持续16小时，相当于两倍长时间段内27.4mw功率当量的最大储存容量的一半。在这段时间内，ccgt发电厂产生运行乙烯工厂所需的12mw，并产生20.7mw的剩余电力，这些剩余电力被输出到外部网格。由于储存的原因，ccgt发电厂的运行负荷与峰值负荷下可再生电力可用的时期相同：32.7mw(直接来自过量燃料气的19mw，和来自甲烷存储器的燃料气的13.7mw)。
[0196]
与实施例2的集成系统相比，在连续基础上100％增加输出电力是可行的。可再生能源的波动由ccgt和燃料存储器处理。ccgt可在32.7mw的最佳设计点连续运行。这种运行使ccgt能够以最佳的热电效率(50％)基本上全天运行。
[0197]
该实施方案的主要优点是能够在或接近其最佳设计点处向外部网格提供稳定的电力产生。这意味着，在不需要碳捕获的情况下，co2的比排放量可以减少53％以上，即使以33％的可再生电力的较差可用性(每天8小时)。
[0198]
与实施例2的实施方案(甲烷存储器，但没有电解器)相比，由可再生能源产生的20.7mw的连续电力几乎是产生的40.8mw可再生电力的平均容量的一半；主要原因是，以燃烧热的形式产生1mw的氢气需要提供近1.5mw的电力。这与以气相产生氢气和氧气，而水为液相的事实有关。换句话说，除了分裂分子外，还必须提供潜热。氢气燃烧产生的烟气不会冷凝，因此潜热无法回收。另一方面，供应氢气以用于车辆将具有预期相关的额外的0.4mw。然而，这使得氢气相对昂贵，且其经济应用将取决于co2信用值和投资回报率(roi)百分比，这对于与可再生能源、电解器和甲烷存储器相关的这些大型和长期投资是可接受的。考虑到乙烯工厂的寿命，发明人预计，当根据本发明实施这些附加设备项目(可再生发电厂和电解器)时，较低的roi百分比是可接受的。
[0199]
致谢：
[0200]
产生本发明的工作根据授予协议n
°
723706，得到了来自欧盟地平线(the european union horizon)h2020项目(h2020-spire-04-2016)的基金支持。
[0201]
图例说明
[0202]
1.裂解炉
[0203]
2.分离段
[0204]
3.甲烷存储器
[0205]
4.甲烷蒸发器
[0206]
5.燃气轮机燃烧室
[0207]
6.燃气轮机
[0208]
7.燃烧空气压缩机
[0209]
8.废热回收锅炉
[0210]
9.发电厂蒸汽涡轮机
[0211]
10电力发电机
[0212]
11.乙烯工厂蒸汽涡轮机
[0213]
12.发电厂表面冷凝器
[0214]
13.乙烯工厂表面冷凝器
[0215]
14锅炉给水泵
[0216]
15.发电厂电力发电机或乙烯工厂压缩机
[0217]
16.乙烯工厂压缩机和/或泵
[0218]
21.烃原料
[0219]
22.裂解气
[0220]
23a-23c.富含氢的燃料
[0221]
24a-24j.富含甲烷的燃料
[0222]
25.富含乙烯的产品
[0223]
26.空气
[0224]
27.废气
[0225]
28.锅炉给水
[0226]
29.高压蒸汽
[0227]
31.内部电网
[0228]
32.外部电网
[0229]
33.可再生的电源
[0230]
41.电力输出控制系统
[0231]
42.燃烧控制系统
[0232]
43.控制阀
[0233]
51.具有可再生的电力输入的集成的低排放乙烯和发电厂
[0234]
52.具有可再生的电力输入和电解器的集成的低排放乙烯和发电厂
[0235]
61.电解器
[0236]
62.去矿物质的水
[0237]
63a-63b.氢燃料
[0238]
64.氧气
[0239]
101.裂解炉
[0240]
102.乙烯工厂发电
[0241]
103.乙烯工厂电力用户
[0242]
104.分离段
[0243]
105.联合循环燃气轮机系统
[0244]
106.内部网格
[0245]
107.可再生的电源
[0246]
108.甲烷存储器
[0247]
109.外部网格
[0248]
110.电解器
[0249]
121.燃料
[0250]
122.高压蒸汽
[0251]
123.来自乙烯工厂的电力
[0252]
124.裂解气
[0253]
125.至ccgt的过量的富含甲烷的燃料
[0254]
126.通过电力或高压蒸汽从ccgt到乙烯工厂的电力
[0255]
127.从ccgt到内部网格的电力
[0256]
128.来自可再生来源的电力
[0257]
129.至存储器的过量的富含甲烷的燃料
[0258]
130.来自存储器的过量的富含甲烷的燃料
[0259]
131.至外部网格的电力
[0260]
132.氢燃料
[0261]
139.常规的乙烯工厂
[0262]
140.集成的低排放乙烯和发电厂
[0263]
141.具有可再生的电力输入的集成的低排放乙烯和发电厂
[0264]
142.具有可再生的电力输入和电解器的集成的低排放乙烯和发电厂