用于产生适于提高的石油或气体采收率的压缩二氧化碳的节能的方法
【专利摘要】一种用于使用SOFC系统(1)从气态烃原料(100)产生适于提高的石油或气体采收率(EOR/EGR)和电力的净化的压缩二氧化碳(435)的节能的方法，该方法包括以下步骤：将气态烃原料(100)引入SOFC系统(1)中；将包括热蒸汽(309)的回收的阳极废气添加至烃原料(100)；将包括热蒸汽的烃原料(100)引入至SOFC系统(1)的重整器(108)中；在重整器(108)中生成重整后的工艺气体(109)；将重整后的工艺气体(109)传递至固体氧化物燃料电池(2)中；在固体氧化物燃料电池(2)中，将重整后的工艺气体(109)的氢气和一氧化碳转换成阳极废气(301)以及转换成耗尽的空气(208)；将阳极废气(301)分离成回收的阳极废气(304)和剩余的废气(320)；在凝结温度以上回收回收的阳极废气(304)以提供包括热蒸汽(309)的回收的阳极废气；将剩余的阳极废气(320)传递至水煤气变换单元(322)；在水煤气变换单元(322)中产生变换后的阳极废气(326)并将变换后的阳极废气(326)传递至分离系统(400)以产生压缩二氧化碳(435)。
【专利说明】
用于产生适于提高的石油或气体采收率的压缩二氧化碳的节能的方法
技术领域
[0001]本发明的领域涉及用于使用SOFC单元产生适于提高的石油或气体采收率(E0R/EGR)的净化的压缩二氧化碳的节能的方法。
【背景技术】
[0002]提高的石油采收率(EOR)是用于增加可以从油田提取的原油的量的技术的通用术语。术语提高的气体采收率(EGR)是用于增加可以例如从接近枯竭的气田提取的天然气的量的技术的通用术语。当前存在提高的石油采收率的几种不同方法，包括蒸汽驱和水驱注入以及水力压裂。提高的石油采收率提取方法消耗了大量的水、天然气和能量。气体注入或混相驱是目前在提高的石油采收率中最常用的方法。最常用于混相驱油的流体是二氧化碳，因为其降低了油的粘度并且比液化石油气便宜。二氧化碳在比600m深的储层中是特别有效的，在那里二氧化碳将处于超临界状态。在利用较轻石油的高压应用中，二氧化碳与石油混相，产生石油的膨胀，以及粘度的降低。作为溶剂的二氧化碳具有比诸如丙烷和丁烷的其他类似的混相流体更经济的好处。
[0003]文献W02013/074875公开了用于使用蒸汽烃原料和SOFC系统来产生适于提高的石油采收率的净化的二氧化碳产物的系统和方法。该方法允许捕获和精炼用于提高的石油采收率的二氧化碳，来代替处理二氧化碳。该方法还允许在远程位置提供电力。该方法的一个缺点是该方法不节能，从而需要另外的资源和产物来运行该工艺。
[0004]文献US2006/0115691A1公开了利用二氧化碳捕获的在固体氧化物燃料电池发电站中的废气处理的方法，其中，阳极废气中未反应的燃料被重新获得并回收利用，而所产生的废气流由高浓度的二氧化碳组成。该方法的一个缺点是该方法不是节能的，从而需要另外的资源和产物来运行该工艺。
[0005]由此，本发明的目标是提供一种用于从烃原料产生适于提高的石油采收率的净化的压缩二氧化碳的节能的方法。
[0006]本发明的目标是还提供用于在独立的单元、更优选地在便携式独立单元中产生净化的压缩二氧化碳的方法。
[0007]本发明的目标是还提供用于从烃原料产生适于提高的石油采收率的净化的压缩二氧化碳的节能的方法，其中，该方法另外产生了水、氢气和电力中的至少一个的盈余。
【发明内容】
[0008]上述目标通过包括权利要求1的特征的方法以及更特别地通过包括权利要求2-12的特征的方法来解决。目标特别地通过一种用于使用SOFC系统从气态烃原料产生适于提高的石油或气体采收率(E0R/EGR)的净化的压缩二氧化碳和电力的节能的方法来解决，该方法包括以下步骤:
[0009]-将气态烃原料引入SOFC系统(I)中，其中，气态烃原料是脱硫气体，或者其中，SOFC系统操作以使得SOFC系统生成脱硫气体；
[0010]-将包括热蒸汽的回收的阳极废气添加至脱硫气体；
[0011]-将包括热蒸汽的脱硫气体引入至SOFC系统的重整器中；
[0012]-在重整器中，通过至少部分地将甲烷和蒸汽转换成一氧化碳和氢气来生成重整后的工艺气体；
[0013]-将重整后的工艺气体从重整器传递至固体氧化物燃料电池中；
[0014]-在固体氧化物燃料电池中，将与氧气组合的重整后的工艺气体的氢气和一氧化碳转换成包括蒸汽和二氧化碳的阳极废气以及转换成耗尽的空气；
[0015]-将阳极废气分离成回收的阳极废气和剩余的废气；
[0016]-在凝结温度以上回收回收的阳极废气以提供包括热蒸汽的回收的阳极废气；
[0017]-将剩余的阳极废气传递至水煤气变换单元；
[0018]-在水煤气变换单元中，将一氧化碳和蒸汽转换成二氧化碳和氢气，以产生变换后的阳极废气；
[0019]-将变换后的阳极废气从水煤气变换单元传递至分离系统；
[0020]-在分离系统中，将二氧化碳从变换后的阳极废气分离，其中，二氧化碳在压缩机中被压缩以提供压缩二氧化碳。
[0021]在根据本发明的最优选的实施例和方法中，方法可以自主地独立运行，其意味着不需要除了烃燃料和空气以外的其他供给。该方法是能量自给自足的，并且运行工艺所需的必要的原料、热量和电力在系统中从输入在内部产生，所述输入是气态烃和空气。脱硫的烃原料气体优选作为输入气体，但系统还可以被建立和操作以使得其首先将所接收到的烃原料转换成脱硫的烃原料。最优选地，根据本发明的方法允许操作用于提高的石油采收率(EOR)或提高的气体采收率(EGR)的独立的便携SOFC系统，其需要脱硫的烃燃料和空气作为仅有的输入并且输送净化的加压C02作为输出，并且可选地还可以输送电力、氢气和水中至少之一作为输出。根据本发明的方法允许烃燃料的非常节能的转换。在最优选实施例中，固体氧化物燃料电池SOFC产生足以在电能方面自主运行整个SOFC单元的电力的量，这意味着电力足以运行栗、压缩机、热交换器、控制单元、和运行该方法所需的其他设备。系统内的烃燃料的节能转换和足够的电力的产生的该组合能够实现系统的自主操作。
[0022]根据本发明的方法产生净化的二氧化碳，优选地具有至少95摩尔百分数的纯度，以及优选地具有至少10bar的压力，以及更优选地具有至少150bar的压力。这种纯度对于EOR或EGR是优选的，因为其最小化了含烃地层中未知的或不期望的反应的可能性。
[0023]在根据本发明的SOFC系统的最基本实施例中，除了烃和空气以外，不需要另外的输入来运行根据本发明的方法。因为烃和空气总是在系统被使用和方法被运行的现场可得，所以根据本发明的SOFC系统非常容易处理并且非常方便运行，因为不需要昂贵的基础设施和另外的供给。
[0024]根据本发明的优选实施例的以下详细描述以及其中相同的数字表示相同的组件的附图，本发明的各种目标、特征、方面和优点将变得明显。
【附图说明】
[0025]图1示出包括容器以及一系列入口和出口的便携单元的示意图；
[0026]图2示出在便携单元中配置的SOFC的实施例的工艺流程图；
[0027]图3示出SOFC系统的另一实施例的工艺流程图。
【具体实施方式】
[0028]图1示出本发明的最优选实施例，便携式SOFC系统I，其可以例如被限制在容器内。SOFC系统I包括使空气200进入的入口 201，以及使气态烃100进入的烃入口 101 JOFC系统I还包括提供压缩二氧化碳435的二氧化碳出口 434并包括排出耗尽的空气213的耗尽空气出口212。在本发明的最基本实施例中，不需要额外的输入来运行根据本发明的方法。系统是独立的，其意味着SOFC系统I是能量自给自足的，其意味着该工艺所需的材料、热量和能源通过使用脱硫的(sweet)气态烃输入和空气输入在内部产生。
[0029]该系统和方法从脱硫的关联气体或任何脱硫的气态烃(其中，脱硫的意味着除去硫的)和空气中产生压缩二氧化碳435。压缩二氧化碳435以注入油井或气井所需的纯度和压力产生以用于提高的石油或气体采收率。在优选实施例中，SOFC系统I还可以包括电输出61以输送电力62，和/或可以包括水出口 410以提供水411，和/或可以包括压缩氢气出口 419以提供压缩氢气420 JOFC系统I能够输送的剩余电力和/或水和/或氢气的量可以取决于SOFC系统I的相应的设计参数。
[0030]图3示出了也适用于根据图1的SOFC系统I的工艺流程图的示例性构造。发明人发现气态烃和空气足以运行用于产生适于提高的石油和气体采收率的压缩二氧化碳的SOFC系统I。根据该方法的设计，SOFC系统I另外地能够提供电力、水和氢气中的至少一个的盈余。图3所示的构造可以不仅用于图1公开的自主的独立的系统中，而且作为较大设施的一部分。在这种情况下，诸如电力的一些资源可以从SOFC系统I外部提供。
[0031]气态烃原料100在气态烃入口101处被引入，其中，气态烃原料100是脱硫气体105，或者其中，气态烃原料100被脱硫以变成脱硫气体105。气态烃原料100可以是在井所在处产生的天然气或任何伴生气。在图3中未示出可选的脱硫工艺。气态烃原料100行进至第一热交换器102，之后通过气体管道103至第二热交换器104，并且之后，脱硫气体105经由另一气体管道行进至第三热交换器106。通过示例，气态烃原料100可以在进入第一热交换器102时具有25°C的温度，可以在离开第一热交换器102时具有190°C的温度，并且脱硫气体105可以在离开第二热交换器104时具有340 °C的温度，并在离开第三热交换器106时具有700 °C的温度。在离开第三热交换器106之后，脱硫气体105与包括热蒸汽309的回收的阳极废气混合，所产生的具有回收的阳极废气的工艺气体107进入重整器108，重整器108允许将脱硫气体转换成主要由氢气、一氧化碳组成小部分为蒸汽、二氧化碳和甲烷的重整油。重整器108使用蒸汽、空气或二氧化碳作为重整剂，或它们的混合物。反应在存在重整催化剂的情况下在500-800°C的温度范围内发生，并且根据重整剂而是吸热的或放热的。在所公开的实施例中，重整器108中的反应是吸热的，并且重整剂是蒸汽和二氧化碳。在所公开的实施例中，热交换器210用于为反应提供额外的热量。然后，离开重整器108的重整后的工艺气体109在进入固体氧化物燃料电池SOFC 2的阳极侧4之前，在热交换器110中从700 °C加热到750 °C。
[0032]空气200在空气入口201处被引入，并且在压缩冷空气203被供给至串联配置的两个热交换器204、206之前被鼓风机202轻微压缩，以使得获得热空气207，热空气207被供给至固体氧化物燃料电池SOFC 2的阴极侧3。通过示例，空气可以在进入热交换器204时具有25 °C的温度，可以在进入连续的热交换器206时具有700 V的温度，并且热空气207可以具有750 °C的温度。
[0033]固体氧化物燃料电池2将重整后的工艺气体111(也称为重整油)的部分以及在热空气207中包含的氧气转换成电力和热量。固体氧化物燃料电池SOFC 2的阳极侧4被供给重整后的工艺气体111，固体氧化物燃料电池SOFC 2的阴极侧3被供给热空气207，并且氧气经由电解质5从阴极侧3传送至阳极侧4，以使得已知的反应在固体氧化物燃料电池SOFC 2中发生。在固体氧化物燃料电池2中生成的热量主要以两个热气体流传递，S卩，耗尽的空气流208和阳极废气301。转换后的重整油的一部分，即燃料利用率，是设计参数，但应当对于固体氧化物燃料电池SOFC 2的有效使用来说足够高(>60%)。除了电力生产以外，固体氧化物燃料电池SOFC 2的功能是将氧气传送至重整油以用于CO2产生。
[0034]耗尽的空气流208在作为耗尽空气213在耗尽空气出口 212离开SOFC系统I之前，通过耗尽空气管道209、211被路由至热交换器206，210，204。通过示例，离开固体氧化物燃料电池SOFC 2的耗尽空气流208可以具有850°C的温度，之后在热交换器206中被冷却至800°C，之后在热交换器201中被进一步冷却至730°C，并且之后在热交换器204中被进一步冷却至 50°C。
[0035]电力在逆变器6中从DC转换成AC，并且电力可用于在SOFC系统I内使用，并且如果有剩余，这种电力62在电输出61处可获得。
[0036]包括蒸汽的阳极废气301被分离成回收的阳极废气304和剩余的废气320，以使得阳极废气301被部分回收为包括热蒸汽309的回收的阳极废气，其与脱硫气体105组合以使得产生具有回收的阳极废气的工艺气体107。在图3所公开的实施例中，流经热交换器110的阳极废气301在分离器303中被分离成两个流，回收的阳极废气304和剩余的阳极废气320。回收的阳极废气304流经热交换器305、管道306、栗307、管道308，并作为包括热蒸汽309的回收的阳极废气加入脱硫气体105。通过示例，离开固体氧化物燃料电池SOFC 2的阳极废气301可以具有8500C的温度，之后在热交换器110中被冷却至800°C，之后在热交换器305中被进一步冷却至200°C (其在凝结温度之上)，并且之后在热交换器305中被进一步加热至700°C。该实施例可以例如使用隔膜栗307来栗送回收的阳极废气304。最重要的是阳极废气301在凝结温度之上被回收为包括热蒸汽309的阳极废气。因此避免了蒸汽被凝结成水。凝结之上的阳极废气的回收具有以下优点，不需要额外的能量来用于热蒸汽309的蒸发和过度加热，以使得工艺可以非常节能地运行。
[0037]剩余废气320被路由至CO2分离子单元，其将剩余的CO转换成CO2，并将后者与其他气体(g卩，蒸汽和氢气)分离。存在针对该子单元的不同选择:
[0038]a.CO至⑶2和H2至H20的有氧燃烧跟随通过凝结的水分离。所需要的纯氧气由SOFC利用专门的电极、电解槽或氧气分离膜产生；
[0039]b.在存在300°C和190°C之间的蒸汽的情况下通过水煤气变换反应(WGS:C0+H20 =C02+H2)的CO氧化。膜反应器，即与出或0)2渗透膜耦合的WGS反应器的使用是特别感兴趣的，由于其允许将反应的平衡朝向CO的全转换转移，并使得能够分离HdPCO2，同时蒸汽在冷却时通过凝结分离；
[0040]c.可替换地，可以使用气体分离技术，诸如变压吸附(PSA)、选择性膜或低温蒸馏。
[0041]在图3所公开的实施例中，剩余废气320被路由至第三冷却器106，并且之后经由阳极废气管道321流动至高温水煤气变换反应器322以变成变换后阳极废气324，之后经由第二热交换器104和管道324流动至跟随有管道326和第一热交换器102的低温水煤气变换反应器325，以成为冷却的变换后阳极废气327。
[0042]冷却的变换后阳极废气327被路由至分离系统400，其包括一系列压缩和冷却步骤以分离水、氢气和二氧化碳。冷却的变换后阳极废气327进入具有辅助冷却402的水分离器401，其中水凝物408被分离。剩余的冷却的变换后阳极废气327之后在压缩机403中被压缩，在具有辅助冷却405的热交换器404中被冷却，并且之后被引入另一水分离器406中，其中水凝物407被分离。分离的水407、408在水箱409中被收集，并且水411可以在水出口 410处获得。剩余的冷却的变换后阳极废气327在压缩机415中被压缩，在具有辅助冷却417的热交换器416中冷却并在分离器418中流动，其中，流体被分离成压缩氢气420和超临界二氧化碳430，压缩氢气420可以在压缩氢气出口 419处获得，超临界二氧化碳430通过栗431和管道432被栗入二氧化碳存储箱433。压缩二氧化碳435可以在二氧化碳出口 434获得。通过示例，冷却的变换后阳极废气327可以在离开压缩机403时具有1bar的压力，并且可以在离开压缩机415时具有80bar的压力，以使得压缩氢气420具有80bar的压力，其中二氧化碳进一步被栗431压缩，以使得压缩的二氧化碳435可以具有150bar的压力。
[0043]在最优选的实施例中，SOFC系统I被设计为自主操作，仅有的供给是燃料和空气。因此，由逆变器6生成的电力必须足以运行整个SOFC系统I。通过示例，由逆变器电输出61生成的电力相对而言是100 %。在SOFC系统I的示例性实施例中，电力消耗相对而言如下:
[0044]-鼓风机202:7%
[0045]-循环栗307:0.4%
[0046]-辅助冷却402:0.5%
[0047]-辅助冷却405:0.5%
[0048]-辅助冷却417:1.2%
[0049]-压缩机403，压缩机415和栗431总共:7.7%
[0050]需要可用电力的总共17.3%来运行上述单元。需要一些额外的电力来运行控制单元7，其控制SOFC系统I的所有单元，特别是消耗电力的单元。
[0051]图2示出本发明的另一实施例。然而，可以考虑其他配置，只要满足产品质量和自给自足的需求，以及特别地，只要回收的阳极废气304在凝结温度之上被回收即可。
[0052]气态烃100在热交换器102中被加热，并且与来自蒸发器440的蒸汽以及回收的阳极废气309混合以产生具有回收的阳极废气的工艺气体107。具有回收的阳极废气的工艺气体107在蒸汽重整器108中在700°C被转换，在热交换器110中被加热，并且被进给至固体氧化物燃料电池SOFC 2的阳极侧4，其在750°C并以60%的燃料利用率FU操作。排出的阳极气体301的一部分，例如60%，作为回收的阳极废气304被再循环至重整器108。剩余的阳极气体320通过热交换器106、102和一系列的两个水煤气变换反应器322供给以将具有蒸汽的剩余CO转换成0)2和出。所产生的气体，冷却的变换后阳极废气327之后被供给至分离系统400(与图3所公开的相同的系统)，以将冷却的变换后阳极废气327冷却至例如40°C，以在经历一系列压缩-冷却-分离阶段之前将蒸汽的主要部分凝结成水。剩余的水或蒸汽在第一阶段之后被凝结并分离。代表气流的例如58%的C02进一步在以下阶段中被压缩、液化和分离。水被收集在水箱409中。水箱409通过水管道436连接至水栗437，其使水出口410的水411加压。在所公开的实施例中，水管道436还与栗438连接，跟随有与蒸发器440连接的水管道439。该实施例允许利用额外的蒸汽提供具有回收的阳极废气的工艺气体107。这样的实施例可能对实现蒸汽平衡标准是有利的，以满足有利的氧碳比，例如2.4，其在重整器108中需要以避免积碳的形成。如图3所公开的，图2所公开的分离系统400还以150bar的压力产生压缩二氧化碳。
【主权项】
1.一种用于使用SOFC系统(I)从气态烃原料(100)产生适于提高的石油或气体采收率(E0R/EGR)的净化的压缩二氧化碳(435)和电力的节能的方法，该方法包括以下步骤: -将所述气态烃原料(100)引入所述SOFC系统(I)中，其中，所述气态烃原料(100)是脱硫气体(105)，或者其中，所述SOFC系统(I)操作以使得所述SOFC系统(I)生成脱硫气体(105); -将包括热蒸汽(309)的回收的阳极废气添加至所述脱硫气体(105); -将包括热蒸汽的脱硫气体(105)引入至所述SOFC系统(I)的重整器(108)中； -在所述重整器(108)中，通过至少部分地将甲烷和蒸汽转换成一氧化碳和氢气来生成重整后的工艺气体(109); -将所述重整后的工艺气体(109)从所述重整器(108)传递至固体氧化物燃料电池(2)中； -在所述固体氧化物燃料电池(2)中，将与氧气组合的重整后的工艺气体(109)的氢气和一氧化碳转换成包括蒸汽和二氧化碳的阳极废气(301)以及转换成耗尽的空气(208); -将所述阳极废气(301)分离成回收的阳极废气(304)和剩余的废气(320); -在凝结温度以上回收所述回收的阳极废气(304)以提供包括热蒸汽(309)的回收的阳极废气； -将所述剩余的阳极废气(320)传递至水煤气变换单元(322); -在所述水煤气变换单元(322)中，将一氧化碳和蒸汽转换成二氧化碳和氢气，以产生变换后的阳极废气(326); -将所述变换后的阳极废气(326)从所述水煤气变换单元(323)传递至分离系统(400); -在所述分离系统(400)中，将二氧化碳从所述变换后的阳极废气(326)分离，其中，二氧化碳在压缩机(403，415)中被压缩以提供压缩二氧化碳(435)。2.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括以下步骤: -将空气(200)引入所述SOFC系统(I); -通过使用所述耗尽的空气(208)在热交换器(204，206)中将所述空气(200)加热至从700 °C至1000 °C的范围的温度，并将包括氧气的热空气(207)提供至所述固体氧化物燃料电池⑵。3.根据权利要求1或2所述的方法，该方法还包括以下步骤: -使用所述剩余的阳极废气(320)以用于在热交换器(102，104，106)中将所述气态烃原料(100)加热至从500 0C至800 °C的范围的温度。4.根据权利要求3所述的方法，该方法还包括以下步骤: -通过使用所述耗尽的空气(208)加热所述重整器(108)以提供用于在所述重整器(108)中重整反应的必要热量。5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，该方法还包括以下步骤: 将提供蒸汽(309)的回收的阳极废气(304)冷却至高于凝结温度和200°C的范围的温度，栗送所述回收的阳极废气(304，306)，以及将所述回收的阳极废气(304，306，308)加热至从500°C至800°C的范围的温度以形成包括热蒸汽(309)的回收的阳极废气。6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述回收的阳极废气(306)被隔膜栗(307)栗送。7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，所述回收的阳极废气(308)通过使用所述阳极废气(304)的回收部分来加热。8.根据权利要求5-7中任一项所述的方法，其中，所述固体氧化物燃料电池SOFC(2)产生足以运行所述SOFC系统(I)的所有电子设备的量的电力，所述电子设备至少包括所述SOFC系统(I)的鼓风机(202)、再循环系统(307)、辅助冷却系统(402，404，416)、压缩机(403,415)以及控制单元(7)。9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述SOFC系统(I)自主运行，仅需要所述气态烃原料(100)和空气(200)。10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述二氧化碳(435)被压缩至在100至200bar的范围的压力。11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述分离系统(400)另外地从所述变换后的阳极废气(326)分离水(411)。12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述分离系统(400)另外地从所述变换后的阳极废气(326)分离氢气(420)。13.根据前述权利要求中任一项所述的方法操作的SOFC系统(I)，用于从气态烃原料(100)和空气(200)联合产生电力和压缩二氧化碳(435)。14.根据方法权利要求9操作的SOFC系统(I)。
【文档编号】H01M8/0668GK105849041SQ201380081809
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2013年10月22日
【发明人】Y·M·阿拉亚索夫, F·阿伦阿兹
【申请人】能源研究院