DE69229839T2

DE69229839T2 - Methode zur Herstellung von Methanol unter Verwendung der Wärme eines Kernkraftwerkes

Info

Publication number: DE69229839T2
Application number: DE69229839T
Authority: DE
Inventors: Shozo Kaneko; Yasushi Mori; Kensuke Muraishi; Nobuaki Murakami; Seiichi Shirakawa; Katsuhiko Takita; Yuuji Tokita; Satoshi Uchida; Nobuhiro Ukeguchi; Yasuhiro Yamauchi
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1991-01-29
Filing date: 1992-01-24
Publication date: 2000-02-10
Anticipated expiration: 2012-01-25
Also published as: DE69229839D1; US5479462A; EP0497226A3; US5312843A; EP0497226B1; EP0497226A2

Description

1. Hintergrund der Erfindung:

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Methanol unter Verwendung von nuklearer Wärme hoher Temperatur, die durch einen gasgekühlten Hochtemperatur-Atomreaktor (nachstehend kurz HTGR (hightemperature gas-cooled nuclear reactor) genannt) erzeugt wird, und auf eine Energieerzeugungsanlage, welche die durch den HTGR erzeugte nukleare Wärme hoher Temperatur verwendet.

2. Beschreibung des Standes der Technik:

Eine Reduzierung der von der Industrie emittierten Kohlendioxidmenge (CO&sub2;) ist ein Schlüssel zur Lösung des mit der globalen Erwärmung verbundenen Problems. Kraftfahrzeuge sind für etwa 20% der in Japan emittierten Gesamtmenge an Kohlendioxid verantwortlich. Daher ist es wichtig, die Menge von Kohlendioxid in Kraftfahrzeugabgasen zu reduzieren. Als ein Mittel, diese Situation zu meistern, hat Methanol die Aufmerksamkeit der Öffentlichkeit auf sich gezogen. Methanol ist ein vielversprechender Ersatz für Benzin, da es eine geringere Menge an Kohlendioxid pro Heizwert und eine erheblich geringere Menge an Stickstoffoxiden (NOx) ergibt. Methanol wird herkömmlicherweise aus Erdgas durch dessen Spaltung in Wasserstoff und Kohlenmonoxid (CO) durch die Wasserdampf-Reformierreaktion und ihre Synthese in Methanol mittels eines Kupferkatalysators hergestellt.
Der herkömmliche Prozeß umfaßt gemäß Fig. 5 die Schritte der Spaltung von Erdgas oder Naphtha (als Ausgangsmaterial) in Wasserstoff (H&sub2;), Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO&sub2;) durch die Wasserdampf-Reformierreaktion im Reformer 01, das Komprimieren dieser Gase durch den Kompressor 02, das Zuführen derselben zu dem Methanol-Syntheseturm 03, in dem die Reaktion von CO und H&sub2; stattfindet, um mit Hilfe eines Kupferkatalysatoren Rohmethanol zu ergeben, das Trennen des Rohmethanols durch die Hochdruck-Trenneinrichtung 04, und das Raffinieren des Rohmethanols durch die Destillationssäule 05.
Synthetisches Methanol, das durch den herkömmlichen Prozeß nach obiger Beschreibung erzeugt wurde, trägt nicht zur Reduzierung des durch die Industrie emittierten Kohlendioxids bei, da es bei der Verbrennung dieselbe Kohlendioxidmenge ergibt wie Erdgas, so lange es aus Erdgas produziert wird.
Das Dokument US-A-4 339 547 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Methanol aus Kohlendioxid und Wasserstoff. Der Wasserstoff wird durch den üblichen Wasser- Elektrolysierprozeß erhalten. In der üblichen Wasserelektrolyse ist eine Polarisierung der Elektrode hoch und eine Elektrolysetemperatur niedrig. Demgemäß ist eine erforderliche Elektrolysespannung hoch und die Effizienz der Elektrolysenelektrode liegt im Bereich von nur 40 bis 60%.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht des Vorstehenden getätigt, um ein neues Verfahren zum Herstellen von Methanol bereitzustellen, welches den derzeitigen Erfordernissen der Umwelt gerecht wird.

ABRISS DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen von Methanol unter Verwendung von Nuklearenergie bereitzustellen, wobei das Verfahren die Erzeugung von Wasserstoff mittels eines einen Feststoffelektrolyt enthaltenden Hochtemperatur- Wasserdampfelektrolyseurs aus durch nukleare Wärme eines HTGR erzeugtem Wasserdampf sowie die Synthese von Methanol aus dem Wasserstoff und von einer Kohlendioxidquelle, wie z. B. einem thermoelektrischen Kraftwerk, erhaltenem Kohlendioxid umfaßt.
Das oben genannte Verfahren zum Herstellen von Methanol umfaßt des weiteren das Spalten von Kohlendioxid und Wasserstoff in Kohlenmonoxid und Wasserdampf mittels eines Reaktors zur reversen kathalytischen Kohlenoxidkonvertierung (reverse shift reactor) und die Synthese von Methanol in einem Methanolreaktor aus dem Kohlenmonoxid und dem aus dem Hochtemperatur-Wasserdampfelektrolyseur abgeführten Wasserstoff.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Energieerzeugungsanlage bereitzustellen, welche die durch einen HTGR erzeugte nukleare Wärme hoher Temperatur effektiv nutzen kann.
Das oben erwähnte erste oder zweite Verfahren zum Herstellen von Methanol umfaßt ferner die Durchführung einer Elektrolyse in dem einen Feststoffelektrolyt enthaltenden Hochtemperatur-Wasserdampelektrolyseur unter Verwendung von durch nukleare Wärme des HTGR erzeugter elektrischer Energie.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung umfaßt auch die Erzeugung von Wasserstoff aus Wasserdampf in einem einen Feststoffelektrolyt enthaltenden Hochtemperatur- Wasserdampfelektrolyseur unter Verwendung der nuklearen Wärme hoher Temperatur des HTGR, das Zusetzen des Wasserstoffs zu einem Vergasungsgas, bestehend aus Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff, die aus fossilem Brennstoff (z. B. Erdgas, Erdgas und Kohle) erhalten werden, wodurch ein Gasgemisch hergestellt wird, das Spalten von Kohlendioxid und Wasserstoff in dem Gasgemisch in Kohlenmonoxid und Wasserdampf durch die reverse kathalytische Kohlenoxidkonvertierung (reverse shift reaction) und die Verwendung des resultierenden Gasgemisches für die Synthese von Methanol.
Das oben genannte Verfahren ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß der durch den Hochtemperatur- Wasserdampfelektrolyseur erzeugte Sauerstoff als Oxidationsmittel für die Herstellung des Vergasungsgases verwendet wird.
Das Kraftwerk gemäß der vorliegenden Erfindung ist durch die Merkmale von Anspruch 7 gekennzeichnet.
Gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird Methanol aus von thermoelektrischen Kraftwerken emittiertem Kohlendioxid und mittels des den Feststoffelektrolyt enthaltenden Hochtemperatur-Wasserdampfelektrolyseurs unter Nutzung der nuklearen Wärme eines HTGR erzeugtem Wasserstoff synthetisiert. Das resultierende Methanol fügt der Atmosphäre kein weiteres Kohlendioxid hinzu, nachdem es als Kraftfahrzeugbrennstoff verwendet wurde. Dies trägt zur Verringerung der Emission von Kohlendioxid bei, welche ein dringliches Problem in der Industrie darstellt. Methanol bietet einen zusätzlichen Vorteil, indem es eine geringere Menge von Kohlendioxid pro Heizkraft (eines Brennstoffs) wegen des hinzugefügten Wasserstoffs ergibt.
Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung werden Kohlenmonoxid und Wasserstoff als die Rohmaterialien von Methanol durch den Reaktor zur reversen kathalytischen Kohlenoxidkonvertierung (reverse shift reactor) erzeugt. Dies bietet einen Vorteil insofern, als das Ausgangsmaterial fast dieselbe Zusammensetzung hat wie die beim herkömmlichen Verfahren verwendete. Dadurch ist es wiederum möglich, die bestehende Produktionseinrichtung und -technologie für die Methanolsynthese zu benutzen.
Gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird durch die nukleare Wärme des HTGR erzeugte elektrische Energie wirksam zum Durchführen der Elektrolyse in dem ein einen Feststoffelektrolyt enthaltenden Hochtemperatur- Wasserdampfelektrolyseur verwendet.
Gemäß dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung erzeugt der einen Feststoffelektrolyt enthaltenden Hochtemperatur-Wasserdampfelektrolyseur mit Hilfe der nuklearen Wärme hoher Temperatur eines HTGR und durch die nukleare Wärme erzeugter elektrischer Energie Wasserstoff aus Wasserdampf. Dieser Wasserstoff kann als eine umgewandelte Form von Nuklearenergie betrachtet werden. Es kann daher behauptet werden, daß das aus diesem Wasserstoff und einem aus Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und dem produzierten Wasserstoff zusammengesetzten Vergasungsgas synthetisierte Methanol Nuklearenergie in einer umgewandelten Form aufweist. Das so synthetisierte Methanol ergibt bei der Verbrennung dieselbe Kohlendioxidmenge wie der fossile Brennstoff, von dem es abgeleitet ist, ergibt jedoch wegen des hinzugefügten Wasserstoffs eine geringere Menge von Kohlendioxid pro Heizkraftwert. Zusätzlich verwendet das Verfahren der vorliegenden Erfindung die reverse katalythische Kohlenoxidkonvertierung (reversed shift reaction), um Kohlendioxid und Wasserstoff in Kohlenmonoxid und Wasserdampf zu spalten. Dies bietet einen Vorteil insofern, als das Ausgangsgas dieselbe Zusammensetzung hat wie die für das herkömmliche Verfahren. Daher ist es möglich, die existierende Produktionseinrichtung und -technologie zur Methanolsynthese zu benutzen. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung wendet den Hochtemperatur-Wasserdampfelektrolyseur an, welcher Sauerstoff ebenso wie Wasserstoff erzeugt. Dieser Sauerstoff kann als Oxidationsmittel für die Herstellung von Vergasungsgas verwendet werden.
Gemäß dem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird durch nukleare Wärme des HTGR erzeugte elektrische Energie wirksam zur Durchführung einer Elektrolyse in dem einen Feststoffelektrolyt enthaltenden Hochtemperatur- Wasserdampfelektrolyseur gemäß dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung verwendet.
Gemäß dem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der durch die Wasserdampfelektrolyse in dem Hochtemperatur-Wasserdampfelektrolyseur erzeugte Sauerstoff, wirksam als Oxidationsmittel für die Herstellung von Vergasungsgas verwendet.
Gemäß dem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird unter Verwendung der in der Hochtemperatur- Wasserdampfelektrolysierzelle erzeugten, mit Sauerstoff angereicherten Luft die zum Erzeugen der mit Sauerstoff angereicherten Luft notwendige Energie geringer im Vergleich zu derjenigen, die für die Erzeugung der mit Sauerstoff angereichterten Luft aus Luft unter Verwendung einer Stickstoff-Trenneinrichtung, z. B. einer vom Druckschwingtyp (pressure-swing type) benutzt wird. Demgemäß ist es möglich, die in der Anlage verbrauchte Gesamtenergiemenge zu verringern.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigen:
Fig. 1 ein Flußdiagramm der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 eine Schnittansicht des Hochtemperatur- Wasserdampfelektrolyseurs, der in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird,
Fig. 3 ein Flußdiagramm der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 4 ein Diagramm der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 5 ein Flußdiagramm des herkömmlichen Verfahrens zur Methanolsynthese.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Erste Ausführungsform

Im folgenden wird die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 beschrieben. In Fig. 1 ist der HTGR 10 dargestellt, der ein Hochtemperatur-Heliumgas ausstößt. Das Heliumgas tritt in den Zwischen-Wärmetauscher 12 und den Wasserdampfgenerator 13 ein, um sie mit Wärme zu versorgen. Der Wasserdampfgenerator 13 erzeugt Dampf, der in die Dampfturbine 30 eintritt, um sie anzutreiben. Die Dampfturbine 30 erzeugt elektrische Energie, die für die weiter unten erläuterte Elektrolyse nötig ist. Die Dampfturbine 30 gibt Wasserdampf ab, welcher durch den Verdichter 31 und die Speisewasserheizer 32 und 33 hindurchgeht und zum Wasserdampfgenerator 13 zurückkehrt.
Die Dampfturbine 30 weist die Niedrigdruckstufe auf, welche ein Entweichen bzw. Anzapfen von Wasserdampf (bei 10 · 10&sup5; Pa (10 atm) gestattet. Ein Teil des angezapften Wasserdampfs 42 tritt in den Hochtemperatur- Wasserdampfelektrolyseur 20 ein, der nachstehend erläutert wird, und der Rest tritt in die Meerwasser-Entsalzungseinheit 40 ein, die mit Meerwasser 41 versorgt wird und Süßwasser 44 sowie konzentriertes Meerwasser 43 abgibt. Das Süßwasser 44 wird dem Kraftwerk nach einer Durchmischung mit dem aus dem Verdichter 31 abgeführten Kondenswasser zugeführt.
Der Hochtemperatur-Wasserdampfelektrolyseur 20 wird mit einem Teil des aus der Niedrigdruckstufe der Dampfturbine 30 entweichenden Wasserdampfs 42 versorgt, nachdem dieser durch den Zwischen-Wärmetauscher 12 auf 700-1000ºC erwärmt worden ist. Der Hochtemperatur-Wasserdampfelektrolyseur 20 wird auch mit Luft zum Erwärmen und zur Wärmeabführung versorgt, die auf etwa 10 atm durch den mit der Gasturbine 21 (wird später erläutert) gekoppelten Kompressor komprimiert wird, und durch den Zwischen-Wärmetauscher 12 auf 700-1000ºC erwärmt wird.
Der Hochtemperatur-Dampfelektrolyseur 20 gemäß Fig. 2 ist mit einer bekannten, einen Feststoffelektrolyt enthaltenden Elektrolytzelle versehen. Sie ist beispielsweise in der japanischen Patentanmeldung Nr. 271238/1989 offenbart. Sie weist den porösen keramischen Teil 102 auf, der in dem Quarzglasbehälter 101 eingeschlossen ist. Der poröse keramische Teil 102 wird über den Dampfeinlaß 103 mit Wasserdampf versorgt. (Dieser Wasserdampf ist Teil des aus der Niedrigdruckstufe der Dampfturbine 30 entweichenden Wasserdampfs 42, und wird durch den Zwischen-Wärmetauscher 12 auf 1000ºC erwärmt.) Der Hochtemperaturwasserdampf tritt in die zylindrische Elektrolytzelle 105 ein, die aus mit Yttrium stabilisiertem Zirkonium (nachstehend kurz YSZ genannt) und dgl. als Feststoffelektrolyt hergestellt ist. Die Elektrolytzelle 105 weist die Wasserstoffelektrode 106 auf, die aus Platin- oder Nickel-YSZ-Cermet gefertigt ist, sowie die Sauerstoffelektrode 108, die aus einem Oxid von Perovskite-Typ von Platin oder Lanthan (LaCoO&sub3;, LaMnO&sub3;, LaCrO&sub3; etc.) gefertigt ist. Erstere ist mit der Kathode 107 und letztere mit der Anode 109 verbunden. Nach Anlegen von Gleichstrom wird der Wasserdampf elektrolysiert, und die Wasserstoffelektrode 106 erzeugt Wasserstoffgas, und die Sauerstoffelektrode 108 Sauerstoffgas. Der gasförmige Sauerstoff wird (in der Form von mit Sauerstoff angereicherter Luft) aus dem Auslaß 111 der Elektrolytzelle mit der Heißluft abgeführt, die durch den mit der Gasturbine 21 gekoppelten Kompressor komprimiert, durch den Zwischen- Wärmetauscher 12 auf 1000ºC erwärmt und durch den Lufteinlaß 110 eingeleitet wurde.
Die Elektrolytzelle 105 ist mit dem Wärmeisolator 112 bedeckt, um innen eine konstante Temperatur aufrechtzuerhalten und um eine Wärmeabfuhr zu verhindern. Der Lufteinlaß 110 und der Auslaß 111 können mit dem porösen Keramikmaterial 113 für eine gleichmäßige Temperaturverteilung versehen sein. Das Wasserstoffgas wird über den Wasserstoffauslaß 112 abgeführt.
Wie oben erwähnt, zerlegt bzw. spaltet der Hochtemperatur-Wasserdampfelektrolyseur 20 Wasserdampf in Wasserstoffgas und Sauerstoffgas. Er führt das Sauerstoffgas in der Form von mit Sauerstoff angereicherter Luft bei etwa 1000ºC nach der Durchmischung mit Luft ab. Die Wärme der mit Sauerstoff angereicherten Luft wird in der Gasturbine 21 als ein Teil der durch die Gasturbine 21 erzeugten elektrischen Energie genutzt, und die mit Sauerstoff angereicherte Luft wird auch als Oxidationsmittel für den Brennstoff verwendet. Die durch die Gasturbine 21 und die Dampfturbine 30 erzeugte elektrische Energie wird dem Hochtemperatur- Wasserdampfelektrolyseur 20 zugeführt, um die Elektrolyse durchzuführen. Die Gasturbine 21 emittiert heißes Abgas (etwa 300ºC), welches in den Speisewasserheizer 33 zur Wärmenutzung eintritt.
Wie oben erwähnt, erzeugt der Hochtemperatur- Wasserdampfelektrolyseur 20 das Wasserstoffgas 22. Das Wasserstoffgas 22 tritt in den Kohlendioxidheizer 51 ein, der mit aus einer Kohlendioxidquelle, z. B. aus thermoelektrischen Kraftwerken (nicht dargestellt), gewonnenem Kohlendioxidgas 50 versorgt wird. Nach dem Verlassen des Kohlendioxidheizers 51 tritt das Wasserstoffgas 22 ferner in die Rektifiziersäule 58 ein und dient als die Heizquelle. Schließlich wird das Wasserstoffgas mit von dem Kohlendioxidheizer 51 abgeführten Kohlendioxid gemischt und die Mischung durch den Kompressor 52 komprimiert und dann dem Reaktor zur reversen katalytischen Kohlenoxidkonvertierung 53 zugeführt.
Der Reaktor zur reversen katalytischen Kohlenoxidkonvertierung 53 führt die Reaktion von Kohlendioxid und Wasserstoff durch, um Kohlenmonoxid und Wasserdampf zu bilden. Das Reaktionsgas passiert den adsorptiven Hochtemperaturtrockner 54 zur Ausscheidung von Wasserdampf. Der ausgeschiedene Wasserdampf tritt in den Speisewasserheizer 32 zur Wärmerückgewinnung ein und wird schließlich mit dem Süßwasser 44 gemischt, das aus der Meerwasser-Entsalzungseinheit 40 abgeführt wurde. Das Reaktionsgas, das von Dampf befreit worden ist, wird durch den Zirkulationskompressor 55 zu dem Reaktor zur reversen katalytischen Kohlenoxidkonvertierung 52 zurückgeführt, so daß eine gewünschte Gaszusammensetzung hergestellt wird. Das so erhaltene Gas wird der Methanolsynthesesäule 56 zugeführt. Die Methanolsynthesesäule 56 führt Methanolgas niedriger Konzentration ab, das durch den Zirkulationskompressor 57 zurückgeführt wird, bis eine gewünschte Methanolkonzentration erreicht ist. Das Methanolgas der gewünschten Konzentration wird schließlich durch die Rektifiziersäule 58 rektifiziert, die mit durch den Heizer 51 erwärmtem Kohlendioxidgas geheizt wird. Auf diese Weise wird Methanol 59 erhalten.
In dieser Ausführungsform erzeugt die nukleare Wärme des HTGR 10 Wasserdampf, der wiederum elektrische Energie erzeugt. Der durch die Nuklearwärme erzeugte Wasserdampf wird durch den Hochtemperatur-Dampfelektrolyseur 20 in das Wasserstoffgas 22 umgewandelt, und das Wasserstoffgas 22 wird mit Kohlenoxid zur Reaktion gebracht, das aus Kohlendioxid von der Kohlendioxidquelle konvertiert wurde, um Methanol zu ergeben. Deshalb kann behauptet werden, daß das so erzeugte Methanol die Nuklearenergie in einer umgewandelten Form aufweist. Da das Methanol außerdem aus von der Kohlendioxidquelle stammendem Kohlendioxid erzeugt wird, fügt es der Atmosphäre nach seiner Verbrennung kein weiteres Kohlendioxid hinzu. Demgemäß ist es mit dieser Ausführungsform möglich, ein Verfahren zum Herstellen von Methanol unter Verwendung nuklearer Wärme des HTGR bereitzustellen, was zur Reduzierung von Kohlendioxid beitragen kann.
Darüber hinaus verwendet diese Ausführungsform für die Herstellung von Methanol den Reaktor zur reversen katalytischen Kohlenoxidkonvertierung 53, welcher ein Gas mit beinahe derselben Zusammensetzung wie der bei der herkömmlichen Methanolsynthese verwendeten abgibt. Deshalb kann diese Ausführungsform unter Verwendung der bestehenden Methanolsynthesesäule 56 ausgeführt werden.

Zweite Ausführungsform

Die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben. In Fig. 3 ist der Hochtemperatur-Atomreaktor (HTGR) 10 dargestellt, der ein Hochtemperatur-Heliumgas ausstößt. Das Heliumgas tritt in den Zwischen-Wärmetauscher 12 und den Dampfgenerator 13 ein, um sie mit Wärme zu versorgen. Der Dampfgenerator 13 erzeugt Dampf, welcher in die Dampfturbine 30 eintritt, um sie anzutreiben. Die Dampfturbine 30 erzeugt elektrische Energie, die für die Elektrolyse durch den weiter unten erläuterten Hochtemperatur-Dampfelektrolyseur nötig ist. Die Dampfturbine 30 führt Wasserdampf ab, welcher den Verdichter 31 und die Speisewasserheizer 32 und 33 passiert und zum Dampfgenerator 13 zurückkehrt.
Die Dampfturbine 30 weist die Niedrigdruckstufe auf, welche ein Entweichen von Dampf (bei 10 · 10&sup5; Pa (10 atm) ermöglicht. Ein Teil des entwichenen Dampfs 42 tritt in den Hochtemperatur-Wasserdampfelektrolyseur 20 ein, und der Rest tritt in die Meerwasser-Entsalzungseinheit 40 ein, die mit Meerwasser 41 versorgt wird und Süßwasser 44 abgibt. Das Süßwasser 44 wird dem Kraftwerk nach Durchmischung mit dem von dem Verdichter 31 abgeführten Kondenswasser zugeführt. Der Hochtemperatur-Wasserdampfelektrolyseur 20 wird mit einem Teil des von der Niedrigdruckstufe der Dampfturbine 30 entwichenen Dampfs 42 versorgt, nachdem dieser durch mit Hochtemperatur-Heliumgas von dem HTGR 10 versorgten Zwischen- Wärmetauscher 12 auf 700 bis 1000ºC erwärmt wurde. Der Hochtemperatur-Wasserdampfelektrolyseur 20 wird auch mit Luft zum Erwärmen und zur Wärmeabfuhr versorgt, die auf etwa 10 atm durch den mit der Gasturbine 21 gekoppelten Kompressor komprimiert und durch den Zwischen-Wärmetauscher 12 auf 700 bis 1000ºC erwärmt wird.
Der Hochtemperatur-Wasserdampfelektrolyseur 20 kann derselbe wie der in der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 2 benutzte sein.
Wie in der ersten Ausführungsform spaltet der Hochtemperatur-Wasserdampfelektrolyseur 20 Wasserdampf in Wasserstoffgas und Sauerstoffgas. Er führt das Sauerstoffgas in Form von mit Sauerstoff angereicherter Luft bei etwa 1000ºC nach Durchmischung mit Luft ab. Die mit Sauerstoff angereicherte Luft tritt in die Gasturbine 21 ein, um als Energiequelle zu dienen. Die Gasturbine 21 erzeugt auch elektrische Energie, die mit der durch die Gasturbine 30 erzeugten elektrischen Energie komprimiert wird. Die elektrische Energie wird dem Hochtemperatur- Wasserdampfelektrolyseur 20 zum Durchführen der Elektrolyse zugeführt. Die Gasturbine 21 emittiert heißes Abgas (etwa 300ºC), welches zur Wärmerückgewinnung in den Speisewasserheizer 33 eintritt.
Nach Passieren des Speisewasserheizers 33 zur Wärmerückgewinnung tritt die mit Sauerstoff angereicherte Luft 60 in die Stickstoff-Trenneinrichtung 61 ein (Absorbierer vom Druck-Schwing-Typ). Der abgeschiedene Stickstoff 62 wird von der Trenneinrichtung 61 ausgestoßen. Das stickstofffreie Sauerstoffgas wird dem Kohle- Vergasungsofen 64 zugeführt, indem es als Oxidationsmittel verwendet wird. Der Kohle-Vergasungsofen 64 wandelt die ihm zugeführte Kohle 14 in ein Vergasungsgas um, das Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff enthält. Dieses Gas passiert die Entschwefelungseinrichtung 65 und die Staubbeseitigungseinrichtung 66 und wird mit dem durch den Hochtemperatur-Wasserdampfelektrolyseur 20 erzeugten Wasserdampfgas 22 gemischt. Das Gasgemisch wird durch den Kompressor 67 auf 50 · 10&sup5;-100 · 10&sup5; Pa (50-100 atm) komprimiert und dann dem Reaktor zur reversen katalytischen Kohlenoxidkonvertierung 68 zugeführt.
Der Reaktor zur reversen katalytischen Kohlenoxidkonvertierung 68 spaltet durch die reverse katalytische Kohlenoxidkonvertierung das Kohlendioxid und den Wasserstoff in Kohlenmonoxid und Wasserdampf. Das Reaktionsgas passiert den adsorptiven Hochtemperaturtrockner 70 zur Beseitigung von Dampf. Der beseitigte Dampf 71 tritt in den Speisewasserheizer 32 zur Wärmerückgewinnung ein. Das von dem Reaktor zur reversen katalytischen Kohlenoxidkonvertierung 68 abgeführte Reaktionsgas wird durch den Zirkulationskompressor 69 dem Reaktor 68 wieder zugeführt, um so eine gewünschte Gaszusammensetzung herzustellen. Das so erhaltene Gas wird der Methanolsynthesesäule 56 bekannten Typs zugeführt. Die Methanolsynthesesäule 56 gibt Methanolgas niedriger Konzentration ab, das durch den Zirkulationskompressor 57 recycled wird, bis eine gewünschte Methanolkonzentration erreicht ist. Das Methanolgas der gewünschten Konzentration wird schließlich durch die Rektifiziersäule 58 rektifiziert, die mit dem aus dem Hochtemperaturtrockner 70 abgezogenen Reaktionsgas erwärmt wird. Auf diese Weise wird Methanol 59 erhalten.
In dieser Ausführungsform erzeugen die Dampfturbine 30 und die Gasturbine 21 die elektrische Energie unter Verwendung der nuklearen Wärme des HTGR 10. Die nukleare Wärme erzeugt auch Wasserdampf in dem Dampfgenerator 13 und wärmt den Dampf in dem Zwischenheizer 12 auf, und der erwärmte Dampf wird unter Verwendung elektrischer Energie durch den Hochtemperatur-Wasserdampfelektrolyseur 20 in Wasserstoff konvertiert. Daher kann behauptet werden, daß das so erzeugte Methanol die Nuklearenergie in einer konvertierten Form aufweist. Da das Methanol außerdem aus dem Wasserstoff und einem Kohle-Vergasungsgas, das Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff enthält, erzeugt wird, weist das hergestellte Methanol die Nuklearenergie in einer umgewandelten Form auf. Die durch Verbrennen des durch diese Ausführungsform hergestellten Methanols erzeugte Kohlendioxidmenge ist gleich der durch Verbrennen der Kohle (Rohmaterial) erzeugten Menge, die durch Verbrennen des Methanols erzeugte Wärmemenge erhöht sich jedoch entsprechend dem hinzugefügten Wasserstoff. Demgemäß kann die erzeugte Menge von Kohlendioxid pro Heizkraftwert durch Verwendung des durch diese Ausführungsform hergestellten Methanols reduziert werden.

Dritte Ausführungsform

Die dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf Fig. 4 beschrieben. In Fig. 4 sind ein HTGR 10, ein Zwischen-Wärmetauscher 12, ein Wasserdampfgenerator 13, ein Hochtemperatur- Wasserdampfelektrolyseur 20, eine Gasturbine 21, eine Dampfturbine 30, ein Verdichter 31, ein Speisewasserheizer 32, 33, eine Meerwasser-Entsalzungseinheit 40 und eine Stickstoff-Trenneinrichtung (Absorbierer vom Druck-Schwing- Typ) 61 dieselben wie die der zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 3, und die detaillierte Erklärung derselben ist abgekürzt.
In dieser Ausführungsform tritt die mit Sauerstoff angereicherte Luft 60, die den Speisewasserheizer 33 zur Wärmerückgewinnung passiert hat, in die Stickstoff- Trenneinrichtung 61 ein. In der Stickstoff-Trenneinrichtung 61 durch Beseitigung von Stickstoff 62 erzeugter Sauerstoff 63 wird einem Heizkessel 64 eines Wärmekraftwerks als Verbrennungsluft zugeführt. Im Heizkessel 64 wird ein Teil eines Abgases durch ein Abgas-Rezirkulationsgebläse 66 wieder in Umlauf gebracht und als mit Sauerstoff 63 durchmischtes Gas verwendet. Der Rest des Abgases passiert eine Denitrifiziereinrichtung 67, eine Entschwefelungseinrichtung 68 und eine Staubbeseitigungseinrichtung 69 und tritt in eine CO&sub2;-Gas-Trenneinrichtung (Druck-Schwing-Typ) 70 ein. In der CO&sub2;-Gas-Trenneinrichtung 70 wird CO&sub2; im Abgas beseitigt und dann das Abgas über einen Kamin 71 in die Luft abgeführt.
Durch die Gasturbine 21 und die Dampfturbine 30 erzeugte elektrische Energie wird zum Durchführen einer Elektrolyse in dem Hochtemperatur-Wasserdampfelektrolyseur 20 verwendet.
Darüber hinaus kann Sauerstoffgas 22, das durch den Hochtemperatur-Wasserdampfelektrolyseur 20 erzeugt wurde, und CO&sub2; 50, das in der CO&sub2;-Gas-Trenneinrichtung 70 getrennt wurde, zur Synthese von Methanol wie in der zweiten Ausführungsform verwendet werden.
Wie oben erwähnt wurde, stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von Methanol bereit, welches den einen Feststoffelektrolyt enthaltenden Hochtemperatur- Wasserdampfelektrolyseur anwendet, der Wasserdampf unter Nutzung der nuklearen Wärme hoher Temperatur des HTGR und die von ihm erzeugte elektrische Energie verwendet. Es kann daher behauptet werden, daß der Elektrolyseur die nukleare Energie in Wasserstoff umwandelt. Der so erzeugte Wasserstoff wird mit einem aus Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff bestehendem Gas gemischt, und das Gasgemisch wird einer reversen katalytischen Kohlenoxidkonvertierung unterzogen, um ein Gas von gewünschter Zusammensetzung für die Methanolsynthese zu liefern. Das so hergestellte Methanol erzeugt eine zusätzlichen Wärmemenge, welche dem aus der nuklearen Wärme resultierenden Wasserstoff entspricht. Daher ergibt sich eine geringere Kohlendioxidmenge pro Heizkraftwert. Mit anderen Worten enthält es sozusagen einen Teil von Nuklearenergie und trägt zur Reduzierung emittierten Kohlendioxids bei, wenn es als Kraftfahrzeugbrennstoff etc. verwendet wird.
Da das Verfahren der vorliegenden Erfindung außerdem die reverse katalytische Kohlenoxidkonvertierung anwendet, ist es möglich, ein Ausgangsgas der selben Zusammensetzung zu erhalten wie die herkömmliche. Dadurch ist es möglich, die vorliegende Erfindung unter Verwendung der existierenden Methanolsynthesesäule in die Praxis umzusetzen, ohne einen neuen Reaktionskatalysator entwickeln zu müssen.
Ferner können, wie schon erwähnt, in der Kraftwerksanlage gemäß der vorliegenden Erfindung, da die durch den Hochtemperatur-Wasserdampfelektrolyseur erzeugte, mit Sauerstoff angereicherte Luft als Verbrennungsluft in der Kraftwerksanlage verwendet wird, die folgenden Vorteile erzielt werden:
(1) Eine zu beseitigende Stickstoffmenge ist in der vorliegenden Erfindung geringer als im Stand der Technik, da bei der vorliegenden Erfindung Stickstoff aus der mit Sauerstoff angereicherten Luft mit größerer Sauerstoffdichte als Luft beseitigt wird, während im Stand der Technik Stickstoff unter Verwendung der Stickstoff-Trenneinrichtung, z. B. einer vom Druck-Schwing-Typ aus der Luft beseitigt wird. Dementsprechend kann die vorliegende Erfindung die Energie zum Beseitigen von Stickstoff reduzieren.
(2) Durch Verwendung der mit Sauerstoff angereicherten Luft in der vorliegenden Erfindung nimmt die Abgasmenge ab, welche in die Einrichtungen des Kraftwerks eintritt, wie z. B. die Denitrifiziereinrichtung, die Entschwefelungseinrichtung, die Staubbeseitigungseinrichtung und die CO&sub2;-Trenneinrichtung, und daher können das Volumen des Kraftwerks und seine Konstruktionskosten reduziert werden.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von Methanol unter Verwendung von Nuklearenergie, mit folgenden Schritten:

Erzeugen von Wasserstoff in einem einen Feststoffelektrolyt enthaltenden Hochtemperatur- Wasserdampfelektrolyseur (20) aus durch nukleare Wärme eines gasgekühlten Hochtemperatur-Atomreaktors (10) erzeugtem Wasserdampf, und

Synthetisieren von Methanol aus dem Wasserstoff und aus einer Kohlendioxidquelle erhaltenem Kohlendioxid.

2. Verfahren zum Herstellen von Methanol gemäß Anspruch 1, mit dem Schritt des Spaltens von Kohlendioxid und Wasserstoff in Kohlenmonoxid und Wasserdampf mittels eines Reaktors zur reversen katalytischen Kohlenoxidkonvertierung (53) (reverse shift reactor) und des Synthetisierens von Methanol in einem Methanolreaktor (56) aus dem Kohlenmonoxid und dem aus dem Wasserdampf-Elektrolyseur (20) abgeführten Wasserstoff.

3. Verfahren zum Herstellen von Methanol gemäß Anspruch 1, mit den Schritten des Hinzufügens des Wasserstoffs zu einem Vergasungsgas, bestehend aus Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff, wodurch ein Gasgemisch hergestellt wird, des Spaltens von Kohlendioxid und Wasserstoff in dem Gasgemisch in Kohlenmonoxid und Wasserdampf durch die reverse katalytische Kohlenoxidkonvertierung (reverse shift reaction), und des Synthetisierens des daraus resultierenden Gasgemischs zu Methanol.

4. Verfahren zum Herstellen von Methanol gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Elektrolyse in dem einen Feststoffelektrolyt enthaltenden Hochtemperatur Wasserdampfelektrolyseur (20) unter Verwendung elektrischer Energie ausgeführt wird, die durch nukleare Wärme des gasgekühlten Hochtemperatur-Atomreaktors (10) erzeugt wird.

5. Verfahren zum Herstellen von Methanol gemäß Anspruch 3 oder Anspruch 4 in Abhängigkeit von Anspruch 3, wobei der durch den Hochtemperatur-Wasserdampfelektrolyseur (20) erzeugte Sauerstoff als Oxidationsmittel für die Herstellung des Vergasungsgases verwendet wird.

6. Verfahren zum Herstellen von Methanol gemäß Anspruch 5, wobei Stickstoff aus mit Sauerstoff angereicherter Luft beseitigt wird, die den durch den Hochtemperatur- Wasserdampfelektrolyseur (20) erzeugten Sauerstoff enthält, bevor diese Luft als Oxidationsmittel verwendet wird.

7. Kraftwerk mit einem gasgekühlten Hochtemperatur-Atomreaktor (10) zum Erzeugen von Wärme hoher Temperatur,

einer Hochtemperatur-Wasserdampfelektrolysiervorrichtung mit einer Hochtemperatur-Wasserdampfelektrolyseurzelle (20) zum Herstellen von Wasserstoff aus Wasserdampf hoher Temperatur und zum Erzeugen von mit Sauerstoff angereicherter Luft, und einem mit der Hochtemperatur- Wasserdampfelektrolyseurzelle (20) und dem gasgekühlten Hochtemperatur-Atomreaktor (10) verbundenen Wärmetauscher (12) zur Verwendung von in dem gasgekühlten Hochtemperatur- Atomreaktor (10) erzeugter Wärme zur Erzeugung des Hochtemperatur-Wasserdampfs, sowie

einer Energieerzeugungsvorrichtung (21), die mit der Hochtemperatur-Wasserdampfelektrolysiervorrichtung verbunden ist, um die mit Sauerstoff angereicherte Luft von der Hochtemperatur-Wasserdampfelektrolyseurzelle (20) zu empfangen.

8. Kraftwerk gemäß Anspruch 7, worin eine Stickstoff- Trenneinrichtung (61) zum Entfernen von Stickstoff aus der mit Sauerstoff angereicherten Luft vor der Energieerzeugungsvorrichtung angeordnet ist.