Способ получения продукта окисления и выработки электроэнергии с использованием твердой электролитической мембраны, обьединенной с газовой турбиной (варианты)

Способ получения продукта окисления и выработки электроэнергии с использованием твердой электролитической мембраны, обьединенной с газовой турбиной (варианты)

Реферат

 

Способ получения продукта окисления с использованием газотурбинной установки, служащей для выработки энергии, включает следующие операции: контактирование потока сжатого и нагретого, содержащего кислород газа, по крайней мере, с одной твердой электролитической проводящей ионы кислорода мембраной в реакторе. В реакторе часть кислорода проходит через указанную мембрану из зоны удержания в зону проницаемости для образования потока в зоне проницаемости и обедненного кислородом потока в зоне удержания. В зону проницаемости подают реагент, который вступает в реакцию с прошедшим в эту зону кислородом с образованием из них продукта окисления. Затем производят добавление обедненного кислородом потока из зоны удержания в камеру сгорания газовой турбины и расширение в газовой турбине подвергшегося сжиганию обедненного кислородом потока газа, отбираемого из камеры сгорания газовой турбины, обеспечивая тем самым выработку электроэнергии. При другом варианте осуществляют дополнительно пропускание полученного в зоне проницаемости продукта окисления через газокислотную ловушку для удаления из него серы и получения по существу не содержащего серы продукта частичного окисления. Изобретения повышают эффективность использования реактора с ионопроводящей мембраной для получения продуктов окисления. 2 с. и 8 з. п. ф-лы, 7 ил. , 3 табл.

Изобретение относится к способам получения продуктов окисления и выработки электроэнергии с использованием твердой электролитической ионопроводящей мембраны или мембраны со смешанной проводимостью, объединенной с газовой турбиной. Настоящее изобретение относится, в частности, к способам получения синтез-газа и выработки электроэнергии с использованием твердой электролитической ионопроводящей мембраны или мембраны со смешанной проводимостью, объединенной с газовой турбиной.

В газотурбинных установках, предназначенных для выработки электроэнергии, поступающий в установку воздух сжимается и сжигается вместе с реагентом для повышения его температуры, а затем расширяется в турбине с целью выработки электроэнергии. Объединение установки для получения кислорода с некоторыми из подобных газотурбинных установок позволяет снизить стоимость получаемого на них кислорода. Для выработки дополнительной энергии газотурбинные установки также объединяют с парогенераторами, при этом расширенный горячий газ также может быть использован для получения водяного пара.

В некоторых установках для получения кислорода используется твердая электролитическая ионопроводящая мембрана. Такая ионопроводящая мембрана работает при температуре, которая лежит в диапазоне приблизительно от 500^oC до 1200^oC и намного превышает температуру на выходе из компрессора газотурбинной установки, рабочая температура которого в редких случаях достигает 375^oC.

В настоящее время существуют два типа твердых электролитических ионопроводящих мембран. Мембраны одного типа представляют собой ионные проводники, через которые проходят только ионы, а мембраны другого типа представляют собой проводники смешанного типа, через которые проходят и ионы и электроны. При соответствующем отношении парциальных давлений кислорода на разных сторонах мембраны ионопроводящая мембрана, обладающая свойствами проводника смешанного типа, может пропускать кислород при отсутствии необходимости приложения электролитического поля или внешних электродов, которые необходимы для работы проводников, пропускающих только ионы. В описании под "твердой электролитической ионопроводящей системой" или просто "твердым электролитом" или "ионопроводящей мембраной" понимается, если на этот счет нет никаких специальных указаний, либо система ионопроводящего типа (в которой прохождение ионов осуществляется за счет создания электрического поля) или проводящая система смешанного типа (в которой прохождение ионов происходит за счет разницы давления).

Проводники смешанного типа представляют собой материалы, в которых при повышенных температурах создаются подвижные кислород-ионные вакансии, которые образуют проводящие дырки, обеспечивающие возможность избирательного прохождения ионов кислорода через материал. Прохождение ионов происходит за счет разной активности кислорода, в частности за счет разности парциальных давлений кислорода (PО₂) на разных сторонах мембраны, и заключается в протекании ионов кислорода со стороны мембраны с большим парциальным давлением к стороне мембраны с меньшим парциальным давлением. Ионизация молекул кислорода до образования ионов кислорода происходит на катодной стороне (или в зоне удержания) мембраны. В зоне проницаемости мембраны происходит рекомбинация ионов кислорода с высвобождением электронов. При использовании материалов, которые обладают только ионной проводимостью, на поверхностях электролита размещают внешние электроды, и при этом электроны по внешней цепи движутся в обратном направлении к катоду. В материалах, обладающих проводимостью смешанного типа, электроны перемещаются к катоду по внутренней цепи, замыкая ее и устраняя необходимость в использовании внешних электродов. Представляется, что взаимодействие прошедшего через мембрану кислорода с топливом происходит не в объемной фазе на анодной стороне мембраны (или не в зоне проницаемости мембраны), а на ее поврехности или в ее граничных слоях.

Реакции частичного окисления (PO_x) углеводородного сырья составляют основу обычных способов получения синтез-газа. Частичное описание используется также при получении оксида этилена, акрилонитрила и других химических продуктов. Синтез-газ, состоящий из моноксида углерода и водорода, является ценным промышленным газом и важнейшим исходным продуктом для получения различных химических соединений, к которым можно отнести аммиак, различные спирты (в том числе метиловый и более высокие жирные спирты), синтетическое топливо, альдегиды, эфиры и ряд других продуктов. Обычно синтез-газ получают из такого сырья, как природный газ, уголь, нафта или топочного мазута в процессе их частичного окисления или реформинга водяным паром. Реакцию частичного окисления можно записать в следующем виде: C_mH_n + m/2O₂ = mCO + n/2H₂, где C_mH_n представляет собой углеводородное сырье.

Реакция реформинга водяным паром, которая в меньшей степени используется для получения синтез-газа, имеет следующий вид: C_mH_n + mH₂O = mCO + (m + n/2)H₂, где C_mH_n представляет собой углеводородное сырье.

В обычных процессах частичного окисления или PO_x часто используют молекулы кислорода, полученные традиционными процессами газовой сепарации (например, адсорбцией под действием перепада давления, криогенной дистилляцией), которые как правило протекают при температурах ниже 100^oC. Поскольку реакция частичного окисления сама по себе должна протекать при высоких температурах, превышающих 800^oC, то обычным способом совместить реакцию частичного окисления с традиционным процессом сепарации кислорода не удается. Поэтому обычное частичное окисление часто характеризуется низкой степенью превращения исходных продуктов, низким отношением в полученном газе водорода к моноксиду углерода и низкой селективностью водорода и моноксида углерода. Кроме того, необходимость использования для частичного окисления внешних источников кислорода существенно увеличивает капитальные затраты и эксплуатационные расходы, доля которых в общей стоимости синтез-газа может доходить до 40%.

Необходимо отметить, что использование твердых электролитических мембран для процессов частичного окисления (PO_x) в электрохимическом реакторе уже было предложено в патентах США NN 5160713 и 5306411 на имя Mazanec и др. , однако ни в одном из этих патентов не раскрываются способы получения продукта окисления вместе с синергическим использованием газотурбинной системы.

Двумя наиболее привлекательными признаками ионопроводящей мембранной системы являются неограниченная селективность мембраны к переносу кислорода и ее способность к переносу кислорода из потока низкого давления в поток высокого давления при отношениях парциальных давлений кислорода, больших 1, что происходит в том случае, когда прошедший через мембрану кислород вступает во взаимодействие с газообразным топливом. В настоящем изобретении материалы, из которых изготавливают ионопроводящие мембраны и которые пропускают ионы кислорода, считаются пригодными для выделения кислорода из содержащих кислород газообразных смесей.

В заявке на патент США N 08/490362 описаны способы использования высоких температур, достигаемых в камере сгорания на установке для выработки мощности, для приведения в действие установки для получения кислорода при приемлемых рабочих температурах для обеих установок. В этой заявке описан также способ эффективного получения в качестве конечных продуктов и кислорода и энергии. В патентах США NN 5516359, 5562754, 5565017 и в Европейском патенте N 0658366 описан способ получения кислорода на оборудовании, объединенном с газовой турбиной.

Полагаем, что до сих пор эффективное использование ионопроводящих систем для получения других химических газообразных продуктов одновременно с выработкой энергии с помощью газовой турбины все еще практически не было реализовано. Если саму идею совмещения воздушного сепаратора с газотурбинной системой можно считать известной, то синергическое использование воздушного сепаратора, в котором получают продукты окисления, и энергетически связанных с ним газотурбинных систем, объединенных с переносящей ионы кислорода сепарирующей мембраной, до сих пор еще никем не рассматривалось и не предлагалось.

Следовательно, задачей изобретения является разработка усовершенствованного способа эффективного использования реактора с ионопроводящей мембраной для получения продуктов окисления, таких как синтез-газ, при котором реактор объединен с установкой для выработки энергии для одновременного получения продукта окисления и выработки энергии.

Другой задачей изобретения является разработка способа синергического использования высокотемпературного газа, получаемого на выходе из ионопроводящей системы и подаваемого синергически в камеру сгорания газовой турбины, при котором с помощью твердой электролитической мембраны получают продукт окисления, такой, как синтез-газ.

Еще одной задачей изобретения является разработка способа эффективного использования обедненного кислородом не прошедшего через мембрану газа, который отводится из реактора с ионопроводящей мембраной, путем подачи его в установку для выработки энергии.

Задачей изобретения является также разработка способа эффективного использования смеси из газа, содержащего прошедший через ионопроводящую мембрану кислород, и реагента (и, возможно, замедлителя) для получения в реакторе с ионопроводящей мембраной продуктов окисления, таких, как синтез-газ.

Еще одной задачей изобретения является создание технологических систем, в которых высокие температуры, возникающие в процессе сгорания на установке для выработки энергии, используются для выработки энергии и для более легкого переноса ионов в реакторе с ионопроводящей мембраной.

В настоящем изобретении предлагается способ получения продуктов окисления, таких, как синтез-газ, который реализуется на установке, объединенной с газотурбинной установкой, предназначенной для выработки энергии. Этот способ включает в себя взаимодействие потока сжатого и нагретого, содержащего кислород газа, обычно воздуха, по крайней мере с одной твердой электролитической переносящей ионы кислорода мембраной в реакторе. Реактор имеет отделенные друг от друга мембраной зону удержания и зону проницаемости, и в нем по крайней мере часть кислорода проходит через мембрану из зоны удержания в зону проницаемости для образования потока прошедшего через мембрану газа и обедненного кислородом потока не прошедшего через мембрану газа. В зону проницаемости подается реагент, такой, как углеводород, который вступает в реакцию с прошедшим через мембрану кислородом с образованием продукта окисления. Обедненный кислородом поток не прошедшего через мембрану газа подается в камеру сгорания газовой турбины, в которой он нагревается в процессе сгорания топлива и образует поток продуктов сгорания топлива с обедненным кислородом газом, которые из камеры сгорания турбины подаются в турбодетандер, в котором в процессе их расширения вырабатывается энергия.

В альтернативном варианте осуществления, в котором используется предназначенная для выработки энергии турбинная установка, получают по существу не содержащий серы синтез-газ. В этом варианте поток сжатого и нагретого содержащего кислород газа взаимодействует в мембранном реакторе, по крайней мере с одной твердой селективно переносящей ионы кислорода мембраной. Этот реактор имеет зону подачи (удержания) и зону проницаемости, которые разделены мембраной, причем, по крайней мере часть кислорода из зоны удержания проходит через мембрану в зону проницаемости для образования потока газа, содержащего прошедший через мембрану кислород, и потока обедненного кислородом не прошедшего через мембрану газа. В зону проницаемости подаются водяной пар и органическое топливо, из которых после их взаимодействия с прошедшим через мембрану кислородом образуется синтез-газ. Синтез-газ проходит через газокислотную ловушку для выделения серы с целью получения по существу не содержащего кислоты синтез-газа. Обедненный кислородом поток не прошедшего через мембрану газа подается в камеру сгорания газовой турбины, образующиеся в которой продукты сгорания расширяются в турбодетандере для выработки энергии.

В предпочтительном варианте осуществления поток сжатого содержащего кислород газа отбирают из воздушного компрессора газовой турбины. Предлагаемый способ предусматривает также образование в турбине потока расширенного, обедненного кислородом газа и рекуперацию содержащегося в нем тепла. До взаимодействия потока содержащего реагент газа с мембраной к нему добавляют замедлитель.

Другие задачи изобретения, его отличительные особенности и преимущества станут понятными специалистам в данной области после ознакомления с приведенным ниже описанием предпочтительных вариантов осуществления и сопровождающими чертежами, в которых: фиг. 1 - схема, иллюстрирующая основные компоненты системы, предназначенной для одновременного получения продукта окисления и выработки энергии в соответствии с данным изобретением; фиг. 2 - схема системы для получения синтез-газа и выработки энергии в соответствии с данным изобретением, в которой предусмотрена рекуперация тепла, содержащегося в отбираемом из зоны проницаемости продукте и/или в газе, образующемся на выходе из газовой турбины, для получения подлежащего дальнейшему использованию водяного пара, и при этом только часть содержащего кислород газа направляется к проводящей ионы мембране; фиг. 3 - схема системы, аналогичной системе, показанной на фиг. 2, в которой только часть содержащего кислород газа направляется к проводящей ионы мембране в противотоке с потоком реагента и замедлителя, и в которой поток отходящего из газовой турбины газа не подвергается регенерации и не используется в качестве замедлителя процессов, протекающих в ионопроводящей мембране; фиг. 4 - схема другого варианта выполненной в соответствии с настоящим изобретением системы, в которой газ из зоны проницаемости мембраны подается в газокислотную ловушку, в которой полученный синтез-газ очищается от серы и других примесей, газы, образующиеся в предназначенной для получения газа установке комбинированного цикла, подаются в камеру сгорания газовой турбины, и в которой используется оборудование для сжатия/промежуточного охлаждения дополнительно подаваемого в систему содержащего кислород газа и дополнительно подаваемого в систему воздуха; фиг. 5 - схема выполненной в соответствии с изобретением системы, в которой содержащий кислород газ направляется к ионопроводящей мембране в противотоке с потоком реагента и замедлителя и в которой часть содержащего кислород газа используется для охлаждения полученного в качестве конечного продукта газа, и в которой также предусмотрена подача в систему дополнительного количества содержащего кислород газа; фиг. 6 - схема еще одного варианта выполненной в соответствии с изобретением системы, в которой обедненный кислородом газ из зоны удержания до подачи в газовый цикл частично охлаждается путем теплообмена и в которой предусмотрено использование дополнительно подаваемого в систему содержащего кислород газа; фиг. 7a - 7b - приведенные для сравнения схемы соответственно системы для получения синтез-газа и отдельной газотурбинной установки, предназначенной для выработки энергии.

Данное изобретение может быть реализовано путем использования тепла, возникающего в процессе реакций частичного окисления, для получения, по крайней мере, части энергии, необходимой для выработки электроэнергии с помощью газовой турбины. Обедненный воздух (обедненный кислородом газ из зоны удержания мембраны) нагревается за счет тепловой энергии, проходящей через ионопроводящую мембрану и выделяющейся в процессе протекания реакций частичного окисления. Нагретый обедненный воздух подают затем в газотурбинную установку с целью преобразования тепла, выделяющегося в процессе протекания химических реакций, в механическую энергию, и при этом в зоне проницаемости за ионопроводящей мембраной образуется продукт окисления.

Настоящее изобретение предусматривает объединение реакторных (сепараторных) систем частичного окисления с ионопроводящей мембраной с газовыми турбинами. Основной протекающей в реакторе реакцией является высокоэкзотермическая реакция частичного окисления. В реакторе, предпочтительно, в небольшом количестве, может протекать эндотермическая реакция парового реформинга. Настоящее изобретение направлено на получение продукта окисления, такого, как синтез-газ, а также получение большого количества других химических продуктов, к которым можно, помимо других, отнести метанол, аммиак и мочевину, или на получение водорода и/или моноксида углерода, которые можно использовать в химической, нефтехимической и перерабатывающей промышленности.

Встречающийся в описании термин "зона удержания" определяется как зона внутри реактора с ионопроводящей мембраной, ограниченная стенками реактора, патрубками для подвода/отвода газа и ионопроводящей мембраной, через которую проходит содержащий кислород газ, обычно подаваемый в систему воздух, и из которой кислород переносится в отдельное расположенное за мембраной пространство. При этом в зоне удержания образуется газ, по крайней мере, частично обедненный кислородом.

Встречающийся в описании термин "зона проницаемости" относится к зоне внутри реактора с ионопроводящей мембраной, в которую попадает проходящий из зоны удержания через ионопроводящую мембрану кислород. Поскольку ионопроводящая мембрана обладает селективными с точки зрения переноса ионов свойствами и поскольку через нее может проходить только кислород, то прошедший через мембрану в зону проницаемости газ представляет собой чистый кислород.

Под встречающимся в описании термином "продукт окисления" подразумеваются продукты, которые частично или полностью окисляются в зоне проницаемости реактора.

Следует отметить, что различные варианты осуществления данного изобретения направлены на модернизацию существующих систем, уже имеющих в своем составе определенные существующие компоненты, или на встраивание в существующие газотурбинные установки дополнительных элементов. Для получения кислорода, необходимого для получения продуктов окисления, таких, как синтез-газ, и/или для предтурбинного сжигания используются компрессоры и/или промежуточные холодильники для сжатия и охлаждения дополнительно подаваемого в систему содержащего кислород газа и дополнительного газа.

Предлагаемые в настоящем изобретении способы могут быть реализованы с использованием различных модификаций системы, описанной в данной заявке. Вариант осуществления системы в целом показан на фиг. 1. В показанной на фиг. 1 системе 100 поток содержащего кислород газа 105 проходит через зону 101 удержания газового реактора 115, в котором имеется, по крайней мере, одна твердая электролитическая ионопроводящая мембрана. Реактор 115 объединен с газотурбинной установкой 150, которая состоит из газового компрессора 130, камеры 140 сгорания газотурбинной установки и газовой турбины 120. Удержанная часть потока 105 содержащего кислород газа, которая проходит через реактор 115, выходит в виде потока 112 обедненного кислородом газа, который направляется в камеру 140 сгорания газовой турбины.

Поток 110 реагента объединяется с прошедшим через твердую электролитическую ионопроводящую мембрану 103 в зону 102 проницаемости газообразным кислородом и после частичного окисления образует поток 125 отбираемого из зоны проницаемости газообразного продукта частичного окисления (реагента).

В одном из вариантов осуществления нагреватель 111 выполнен в виде теплообменника, через который проходит поток 125 (125a) продукта частичного окисления реагента и по желанию - поток 112. Проходящий через теплообменник 111 поток 125 частичного окисления может выходить из теплообменника в виде охлажденного потока 127 продукта частичного окисления.

В предпочтительном варианте осуществления поток 125 продукта частичного окисления получают из потока 128 содержащего кислород газа, который проходит через компрессор 130 и образует на выходе из компрессора поток 135 сжатого содержащего кислород газа. Первая часть 134 потока 135 проходит через нагреватель 111, образуя поток 105 нагретого сжатого содержащего кислород газа перед введением его в реактор, а вторая часть 136 потока 135 в возможном варианте направляется в камеру 140 сгорания газовой турбины. В камеру 140 сгорания газовой турбины помимо части 136 потока 135 сжатого содержащего кислород газа подается и поток 112 обедненного кислородом газа. Сжатый поток 137, в котором содержатся продукты сгорания топлива и обедненный кислородом газ, направляется в турбину 120, как для выработки энергии 145, а также для приведения в действие компрессора 130 с помощью вала 142. Выходящий из газовой турбины 120 газ представляет собой отработанный газ 139, который может либо в виде газообразных отходов сбрасываться в атмосферу, либо использоваться для получения пара или в других хорошо известных специалистам целях.

Очень важно (учитывая сегодняшний уровень технологии материалов) во избежание существенной потери материалом мембраны своих качеств и утечки кислорода из мембраны в зону восстановления (на анодную сторону мембраны) ограничить верхнюю температуру мембранных элементов в реакторе температурой порядка 1250^oC, предпочтительно температурой 1110^oC. Добиться этого можно за счет теплового баланса между теплом, выделяющимся при экзотермической реакции частичного окисления, теплом, поглощаемым эндотермической реакцией парового реформинга, и теплосодержанием, которое расходуется на повышение температуры поступающих в ионопроводящий реактор газов. С учетом этого можно максимально увеличить массовый расход проходящего через систему содержащего кислород газа. Во избежание чрезмерного понижения температуры мембранного элемента (которая должна быть выше 700 - 800^oC) особое внимание при конструировании реактора следует обратить на его внутренний теплообмен. Конструкция реактора должна обеспечить высокие коэффициенты теплопередачи в зонах с незначительной разницей температур элемента реактора и содержащего кислород газа и низкие коэффициенты теплопередачи в тех зонах реактора, где эта разница велика. Обычно температуры потока текучей среды на входе в реактор должны составлять от 300 до 700^oC.

Установка 220, схема которой показана на фиг. 2, состоит из содержащего мембрану реактора 205 и соединенной с ним газовой турбины и предназначена для получения синтез-газа и выработки энергии в соответствии с данным изобретением. Сжатый газ нагревают, пропуская его через теплообменник в противотоке по отношению к потоку газов, выходящему из зоны проницаемости ионопроводящей мембраны. Вода, которая отбирается из имеющегося на установке генератора мощности Ранкина, нагревается в процессе косвенного теплообмена синтез-газом и превращается в пар, который возвращается в генератор Ранкина в качестве дополнительного источника тепла и используется для последующего привода паровой турбины генератора Ранкина.

В этом варианте осуществления поток 201 содержащего кислород газа сжимается компрессором 202 и превращается в сжатый содержащий кислород газ 209. Часть 206 воздушного потока 209 непосредственно подается в камеру 208 сгорания.

Обычно газотурбинная установка работает с большими объемами сжатого газа. В данном случае количество поступающего в газовую турбину сжатого содержащего кислород газа составляет приблизительно до 95% от общего количества сжатого содержащего кислород газа.

Для того чтобы количество подаваемого в систему содержащего кислород газа было достаточным не только для поддержания процесса получения синтез-газа в реакторе 205, но и для работы газотурбинной установки в режиме максимальной мощности или эффективности в системе предусмотрена дополнительная подача содержащего кислород газа. Дополнительный содержащий кислород газ 203 подается через компрессор 204, образующий дополнительный сжатый содержащий кислород газ 254. Этот дополнительно подаваемый в систему сжатый содержащий кислород газ 254 смешивается с частью 212 потока 201 сжатого содержащего кислород газа, образуя с ним поток 251 сжатого содержащего кислород газа.

Следует заметить, что дополнительная подача содержащего кислород газа обычно осуществляется в системах, выполненных на базе существующих газовых турбин. Объясняется это тем, что в существующих газовых турбинах может отсутствовать достаточное для поддержания реакций в реакторе 205 количество источников содержащего кислород газа. В газовых турбинах, спроектированных для работы по предлагаемому в изобретении способу, будет обеспечено достаточное количество содержащего кислород газа и не будет необходимости подавать дополнительное количество содержащего кислород газа.

Поток 251 газа нагревается в теплообменнике 211 потоком горячих газов, отбираемых из реактора 205. Прошедший через теплообменник 211 нагретый поток 270 сжатого газа имеет температуру в интервале от примерно 300^oC до примерно 800^oC, предпочтительно - от примерно 400^oC до примерно 650^oC. Для повышения температуры потока 270 сжатого содержащего кислород газа до рабочей температуры реактора 205 может потребляться его дополнительный нагрев. Это имеет особое значение при подаче больших количеств пара в реактор для того, чтобы довести до максимума интенсивность протекающей в реакторе реакции парового реформинга и обеспечить в получаемом синтез-газе высокое отношение водорода к моноксиду углерода.

Затем поток 270 нагретого сжатого содержащего кислород газа поступает в камеру 229 сгорания, в которой образуется поток 250 сжатого газа, выходящий из камеры 229 сгорания и поступающий в зону 298 удержания реактора 205. Температура вышедшего из камеры 229 сгорания потока сжатого горячего газа достаточно велика для того, чтобы обеспечить при попадании газа в зону 298 удержания реактора 205 необходимый перенос ионов. В зоне 298 удержания из потока 250 газа извлекается, как правило, от примерно 2% до примерно 50% от всего содержащегося в потоке 250 кислорода. Процентное соотношение потока, подаваемого в реактор 205, должно находиться в пределах процентного соотношения подаваемого в газовую турбину потока, которое указано выше. Получающийся в результате кислород, прошедший через ионопроводящую мембрану 297, вступает в зоне 299 проницаемости реактора 205 в реакцию с реагентом 225 и водяным паром 231.

Реагент 225 до его подачи в реактор 205 предварительно нагревают в теплообменнике 211. В качестве реагента 225 можно использовать любой углеводород, способный соединяться с кислородом с образованием синтез-газа. Предпочтительно в качестве реагента использовать газообразные низшие насыщенные углеводороды типа метана, этана или пропана.

Водяной пар 231 служит в качестве замедлителя для оптимизации температуры и условий реакции образования синтез-газа, используя газообразный кислород и реагент, в процессе реакции конверсии водяного газа. Пар 231 предварительно до подачи его в реактор 205 дополнительно нагревают в теплообменнике 211.

Кислород, отбираемый из потока 250 сжатого газа, проходит через имеющуюся в реакторе 205 ионопроводящую мембрану 297. Затем прошедший через мембрану кислород в зоне проницаемости 299 реактора 205 вступает во взаимодействие с реагентом 225 и водяным паром 231.

Перед подачей в зону 299 проницаемости реагент 225 и водяной пар 231 подготавливают и предварительно нагревают. В результате взаимодействия прошедшего через мембрану кислорода с реагентом 225 и водяным паром 231 образуется синтез-газ 213.

Синтез-газ 213 получают в зоне 299 проницаемости реактора 205 в процессе реакции прошедшего через мембрану газообразного кислорода с реагентом 225 и водяным паром 231, которые подаются в зону 299 проницаемости реактора 205. Образующийся в результате продукт, выходящий из реактора 205, представляет собой горячий синтез-газ 213, температура которого лежит в основном в диапазоне рабочих температур мембраны от примерно 500^oC до примерно 1200^oC, при этом более предпочтительным является диапазон температур от примерно 900^oC до примерно 1100^oC. Температура мембраны поддерживается в пределах от примерно 500^oC до примерно 1200^oC за счет теплового баланса между интегральным тепловым эффектом реакции и теплосодержанием (энтальпией), которое расходуется на увеличение температуры потоков газов, внутренних по отношению к реактору.

Синтез-газ 213 имеет на выходе из реактора 205 высокую температуру. Система может быть оборудована различными теплопередающими устройствами, позволяющими использовать тепловую энергию синтез-газа 213 для нагревания других потребляющих тепло компонентов системы 210. Используя охлаждающую среду 265, можно в качестве возможного варианта исходно понизить температуру потока 213 синтез-газа для получения потока 218 синтез-газа с температурой, обеспечивающей нормальную работу обычных теплообменных устройств. В качестве охлаждающей среды 265 предпочтительно использовать воду, хотя для этого можно использовать и другие известные специалистам в данной области охлаждающие среды. Поток 218 синтез-газа проходит через бойлер 216 в противотоке с потоком 214 воды, так что поток 241 воды превращается в водяной пар 242, и поток 218 синтез-газа образует на выходе из бойлера поток 219 синтез-газа. Поток 219 синтез-газа сохраняет достаточно тепла, так что поток 219 синтез-газа передает тепло потоку 251 сжатого содержащего кислород газа, реагенту 225 и части потока 242 в теплообменнике 211, образуя на выходе из теплообменника поток 220, имеющего умеренную температуру газа. Получающаяся в результате температура потока 220 синтез-газа достаточно высока для того, чтобы обеспечить передачу энергии воде 261 в еще одном теплопередающем устройстве 217, тем самым образуя конечный неочищенный синтез-газ 227 и превращая холодную воду 261 в теплую воду 241.

Из зоны удержания 298 реактора 205 отбирается поток 222 обедненного кислородом сжатого отработанного газа, который добавляется в камеру 208 сгорания турбины, наличие которой обеспечивает возможность работы реактора 205 и турбины 293 в разных температурных режимах. Поток 247 нагретого, обедненного кислородом сжатого газа выходит из камеры 208 сгорания непосредственно в саму турбину 215, в которой в процессе его расширения вырабатывается полезная энергия 230. Мощность, передаваемую валом, можно использовать для получения электрической энергии с помощью генератора или для приведения в действие устройства, например, компрессора.

В качестве возможного варианта поток 214 расширенного обедненного кислородом газа можно использовать в цикле выработки энергии Ранкина. Поток 214 горячего газа проходит через множество теплообменников 234, 236 и 245, в которых он соответственно превращается в поток 235 кипящего газа, поток 244 подогретого газа и отработавший поток 224.

Последовательно через теплообменник 245, 236 и 234 насосом 221 навстречу выходящему из газовой турбины 293 потоку 214 расширенного обедненного кислородом газа прокачивается вода 240, которая состоит из подпиточной воды 239 и воды 238 из образующегося конденсата 223. В рассматриваемом варианте осуществления перекачиваемая насосом вода 240 проходит через множество теплообменников 245, 236 и 234 и выходит из них соответственно в виде потоков 255, 236 и 234. Водяной пар 258 подается в паровую турбину 260, в которой вырабатывается полезная мощность 259, используемая для привода водяного насоса 221 и для привода электрического генератора или других потребляющих мощность устройств, таких, как компрессор. Конденсатор 223 служит для превращения водяного пара 237 в воду 238.

Часть воды 240 до подачи ее в теплообменник 245 отводится с образованием потока 261 воды и нагревается в теплообменнике 217 горячим потоком 220 синтез-газа, чтобы выйти из теплообменника 217 в виде потока 241 воды. Дальнейшее нагревание потока 241 воды в теплообменнике 216 в противотоке с потоком 213 горячего синтез-газа приводит к превращению ее в водяной пар 242.

Водяной пар 242 дополнительно нагревается в теплообменнике 211 проходящим через него потоком 219 синтез-газа и выходит из теплообменника в виде перегретого пара 231, который используется в качестве замедлителя протекающей в зоне 299 проницаемости реактора 205 реакции взаимодействия прошедшего через мембрану кислорода и реагента 225. Часть потока 206 содержащего кислород газа предпочтительно подается в камеру 208 сгорания для подачи в камеру 208 сгорания большего количества содержащего кислород газа.

В альтернативном варианте осуществления системы, показанной на фиг. 2, имеются изображенные на фиг. 2 пунктирными линиями промежуточный холодильник 233 и промежуточный компрессор 207. Промежуточный холодильник 233, который используется для охлаждения потока 251 газа до его попадания в компрессор 207, позволяет снизить мощность компрессора. Компрессор 207 используется для повышения давления объединенного потока 251 газа. Промежуточный холодильник 233 является возможным, но не обязательным устройством. Газ, который выходит из газового компрессора 207, подается в теплообменник 211.

Водяной пар из цикла Ранкина можно использовать вторично. От основного потока 242 водяного пара отбирается некоторая часть 267, которая не подается в теплообменник 211. Эта часть водяного пара 267 возвращается в цикл Ранкина, в котором она смешивается с потоком 256. В данном варианте осуществления часть пара 261, образуемая водой в цикле Ранкина и нагреваемая потоками 218 и 220 получаемого в системе синтез-газа, используется повторно для выработки энергии 259 в паровой турбине 260.

На фиг. 3 показан предпочтительный вариант осуществления системы 310, в которой используется реактор, содержащий ионопроводящую мембрану, который объединен с газовой турбиной и используется вместе с ней в соответствии с изобретением для получения синтез-газа и выработки энергии. В данном варианте осуществления содержащий кислород газ, предназначенный для использования в ионообменном реакторе, подается в реактор в противотоке с потоком поступающих в реактор реагента и водяного пара. Количество тепла, которое выделяется в зоне проницаемости реактора, достаточно для того, чтобы поддерживать температуру ионопроводящей мембраны на достаточно высоком для нормальной работы мембраны уровне, так что обеспечивается возможность непрерывного перемещения кислорода через ионопроводящую мембрану без увеличения температуры содержащего кислород газа до его попадания в реактор. Необходимая температура газа на входе в реактор зависит от т