专利名称：集成的氢气生产和烃提取的制作方法
技术领域：
本发明涉及集成的氢气生产和烃提取。
背景技术：
位于世界很多地区的油砂矿包含沙子、水、粘土、矿物质、以及为了燃料而言可进 行提 取和加工的原浙青的混合物。Alberta，Canada的油砂含有世界上一些最大的烃矿藏。浙青被划分为“超重油”，是指其按照美国石油学会(API)标准测量的用度表示的 比重。浙青的API比重为约10°或更小。从Alberta的Athabasca油砂中开采出来的浙青 的API比重为约8°。“重油”的API比重范围为约22. 3°到约10°。从油砂中提取得到 的重油或浙青被处理或提质来生产API比重为约31°到约33°的轻质合成原油。此处术 语重油和浙青可互换使用，这是由于它们可用同样的方法提取得到。可通过不同的方法从油砂中回收浙青，最常用的包括表层或露天开采以及原位浙 青回收方法，包括热原位回收方法。浙青的回收和提取操作是高耗水的，因此设备通常必 须挨近专用的水源，例如附近的河流或湖泊。这些操作中产生的废弃物，包括废水(water waste)，在尾矿池、污水塘、处理井等地方进行处理。工业中要求降低与浙青回收和提取工 艺相关的水消耗和废弃物，以及将这些操作的总体地面痕迹(land footprint)和环境影响 最小化。对使用新鲜水的重油/浙青提取操作可能有环境限制。这些限制涉及能够从操作 环境中的源头例如从湖泊、河流或新鲜水蓄水层中所移取的新鲜水的量。在某些情况下，可 被抽出的新鲜水量可能是整个生产操作的速率限制因素。在这种情况下，水的有效再利用 可直接影响操作生产。提取得到的浙青可通过管道泵至现场的提质器或泵至精炼厂进行清洁、处理和提 质。将浙青或重油提质为轻质合成原油通常通过碳的排出(即焦化)或氢的加入来实现。 后种方法典型地是包含加氢裂化和加氢处理的两步方法，其中加氢裂化用来断裂大烃分 子，加氢处理用来稳定烃化合物以及移除杂质。提质的合成原油可被卖到精炼厂、石油化学 产品制造商或其它消费者。浙青提取操作需要昂贵的和精密的处理设备和大量的水，以及用于产生热和水蒸 气的能量。平均而言，1. 5吨至2吨的油砂必须被处理来制备来自浙青的一个159升体积桶 的合成原油。每天必须开采和加工大量的油砂从而满足合成原油的高需求。当浙青在储层中埋藏很深且由于覆盖层的深度其不能被经济地开采时，应用原位 油回收方法，例如热原位回收方法。原位生产方法可回收储层中初始存在浙青的约25%到 75%。通常原位回收方法的关注点在于降低浙青或重油的粘度从而使其能够流动并从井中 生产出。热原位回收工艺利用热量降低储层中浙青的粘度，且因此使其更加易流动，所述 热量典型由水蒸气提供。热原位回收工艺的示例包括但不仅限于水蒸气辅助重力泄油 (SAGD)，水蒸气吞吐(CSQ，及其很多衍生方法，例如溶剂辅助SAGD (SA-SAGD)，水蒸气和气体驱动(SAGP)，蒸气和水蒸气联合提取(SAVEX)，膨胀溶剂SAGD (ES-SAGD)，恒定水蒸气泄 油(CSD)，以及添加液体的水蒸气增强回收(LASER)，还有水驱法和水蒸气驱法。在典型的重力驱动热原位油回收工艺中，向储层中钻取两口水平井。理想地位于 接近储层底部的较低水平井用作生产井而位于生产井上方的水平井用作注入井。干燥或湿 润的水蒸气从表面注入到注入井中以加热储层中夹带的浙青并降低其粘度。必须为该工艺 产生大量的水蒸气且在传统工艺中用于产生水蒸气的水必须满足锅炉给水的规格。随着浙 青的粘度被降低，浙青与冷凝水蒸气一起流入生产井，这些液体被泵送到表面。可任选注入 烃溶剂或其它试剂来辅助该工艺。热产出流体典型地含有约70%的产出水以及约30%的浙青和产出气体，其通过 生产井回收到表面并且现场分离成其各个组分。来自井口的产出流体被送入液流分离器将 浙青、产出水和任选的产出气体分离为各个物流。向浙青物流中加入稀释剂或冷凝液以加 快残留水从油中移除。稀释的浙青(“dilbit”)在被输送到提质器或管线送入精炼厂之前 可在现场被进一步处理或储存。产出气体物流可用于为水蒸气发生器提供燃料。产出水(PW)物流典型地被送入水处理设施来生产对于水蒸气产生适宜品质的锅 炉给水。在此工艺中，PW物流首先脱油且然后送去进行软化处理。用来处理或软化产出水 以满足锅炉给水规格的传统方法是两步法工艺，其包括一级除硬，接着是二级除硬从而使 水变软(polish)。这种传统的配置导致了大量的废弃物流，其必须进行处理且残留废物最终被现场 送入处理井或高花费的污泥池。通常存在经济激励来提高浙青和重油工业中的效率，尤其是降低资金和操作成 本，耗水量，地面痕迹和浙青回收操作所有关的环境影响。尽管已经尝试使水再利用和循环 从而提高原位回收操作或开采操作中的效率，然而还未能充分意识到将原位操作和氢气生 产集成所获得的优势。需要产生水蒸气和氢气，以用于来自含烃储层的重烃的水蒸气辅助提取以及经提 取的重烃的提质中。为了提水和能量消耗的效率，以及降低与浙青开采和原位回收操作有关的水消耗 和废弃物处理的环境影响，和降低资金和操作成本，合意地提供新的和改进的方法和系统。 由于环境原因和由于维持浙青衍生燃料的可市场性，通过效率增加或二氧化碳捕集来降低 浙青生产的碳浓度是重要的。需要获取以及再利用水的技术从而使新鲜水的输入最小化。工业上期望将用于烃 提取现场的水蒸气注入的水量不变/最小化。重烃提取及其提质的地点通常是偏远的，并且有时也需要同时生产用于生产设备 的电。工业上期望提高水蒸气、氢气和/或电的产生中的能量效率。工业上期望能够调整在某地点(at a site)所产生的水蒸气氢气、水蒸气电 的各种比率中的一种或多种。 工业上期望用于重烃提质的氢气的不间断供应。 本发明目的在于满足这些和其它工业需求中的一项或几项。
发明内容
总体上，本发明涉及浙青和重油工业。本发明涉及烃加工方法及其设备。更具体 地，本发明涉及方法以及相关的重整器，该重整器用于生产氢气和水蒸气，其中该水蒸气注 入含烃储层从而有助于烃提取。该方法包括通过注入井将含水蒸气的物流注入含烃储层；从含烃储层中提取烃并 通过生产井取出烃和循环水，该循环水形成自部分含水蒸气的物流；将重整器进料气体混 合物引入催化水蒸气重整器的多根含催化剂的重整管中，并在有效生成含氢工艺气体的反 应条件下将重整器进料气体混合物进行重整反应；在位于所述多根含催化剂的管外部的重 整器的燃烧区段中，在使燃料燃烧形成燃烧产物气体并产生为重整反应供应能量的热量的 有效条件下使用氧化剂气体使燃料燃烧；通过与燃烧产物气体间接热传递将含有循环水和 任选注入的补充水的第一物流加热，从而由第一物流产生用于含水蒸气的物流的水蒸气， 在IMPa(绝对)到IOMPa(绝对)或2MPa(绝对)到6MPa(绝对)的第一压力下产生的水 蒸气具有以质量流率为基准计低于100%的第一水蒸汽品质；在锅炉给水准备系统中调节 工艺补充水从而由该工艺补充水产生锅炉给水；以及通过与工艺气体和燃烧产物气体的至 少一种间接热传递来加热锅炉给水从而形成工艺水蒸气，其中重整器进料气体混合物含有 该工艺水蒸气。在一个或多个实施方案中，锅炉给水不包括循环水。在一个或多个实施方案中，以质量流率为基准计，含水蒸气的物流中少于10%的 水蒸气来自于锅炉给水。在一个或多个实施方案中，含水蒸气的物流并非形成自锅炉给水。在水蒸气鼓中，工艺水蒸气可从锅炉给水中分离出来。第一物流还可含有注入补充水。该方法可进一步包括通过与工艺气体间接热传递加热含有注入补充水和循环水 中至少一种的第二物流，随后通过与燃烧产物气体混合物间接热传递加热第二物流，从而 由第二物流产生用于含水蒸气的物流的额外水蒸气，该额外水蒸气在第一压力以第一水蒸 气品质产生，或者在IMPa (绝对)到IOMPa (绝对)或2MPa (绝对)到6MPa (绝对)第二压 力下以基于质量流率基准计小于100%的第二水蒸气品质产生。第一水蒸气品质可以为50% -85%和第二水蒸气品质可以为50% -85 %。工艺气体在与第二物流间接热交换之前可以在一个或多个变换反应器中进行变 换。该方法可进一步包括从工艺气体中移除CO2,其中含水蒸气的物流中含有该移除 的 CO2。该方法可进一步包括冷凝工艺气体中的水形成冷凝液和水贫乏的工艺气体；从水 贫乏的工艺气体中分离冷凝液，其中锅炉给水中含有该冷凝液；以及将水贫乏的工艺气体 分离为氢气产物气体和残留气体，其中燃料包括该残留气体。该方法可进一步包括从生产井中抽出烃气体，其中重整器进料气体混合物包括该 烃气体和/或燃料包括该烃气体。该方法可进一步包括运行燃气轮发电机从而形成电力和燃气轮机废气，其中氧化 剂气体包括燃气轮机废气。
该方法可进一步包括在热回收水蒸气发生器中加热含有注入补充水和循环水中 至少一种的第三物流，从而由第三物流产生更多用于含水蒸气的物流的额外水蒸气，该更 多的额外水蒸气在IMPa (绝对)到IOMPa (绝对)或2MPa (绝对)到6MPa (绝对)的第三 压力以及以质量流率为基准计第三水蒸气品质低于100%的条件下生成，其中用于热回收 水蒸气发生器的燃烧氧化剂包括燃气轮机废气。第三水蒸气品质可以为50% -85%。该方法可进一步包括在换热器的上游将燃烧产物气体从重整器中排放，所述换热 器为第一物流和燃烧产物气体之间提供间接热传递，由此不中断第一物流的加热；并且在 持续形成含氢工艺气体的同时对换热器进行清洁。该重整器包括用于进行燃烧反应的燃烧段；用于进行重整反应的多个含催化剂的 管，所述多个含催化剂的管位于燃烧段内；以及位于燃烧段下游的换热段，其用来接收来自 燃烧反应的燃烧产物气体。换热段包括将热量从燃烧产物气体传递到重整器进料气体混合 物的第一换热器；相对于燃烧产物气体的流动位于第一换热器下游的第二换热器，其用于 将热量从燃烧产物气体传递到循环水从而由循环水产生含水蒸气的物流，其中第二换热器 适合于机械清洁；以及相对于燃烧产物气体的流动位于第二换热器下游的第一排气口，其 用于将燃烧产物气体从换热段排出。重整器的换热段可进一步包括相对于燃烧产物气体的流动位于第一换热器下游 以及相对于燃烧气体的流动位于第二换热器的上游的可关闭的第二排气口。
图1是生产氢气和水蒸气的集成系统的工艺流程图。图2是重整器的示意图。
具体实施例方式当用于说明书和权利要求书中所描述的本发明实施方案中任意特征时，本文所用 冠词“a (某)，，和“an (某个)”是指一个或多个。“a (某)”和“an (某个)，，的使用并非限 制其含义为单个的特征，除非具体规定该限制。在单数或复数名词或名词短语前面的冠词 “该、所述”是指一个特定的指出特征或几个特定的指出特征，且根据上下文可以具有单数 或复数的涵义。形容词“任意的”是指一个、一些、或无论何种数量的不加以选择的全部。短语“至少一部分”是指“一部分或全部”。本文所用的“多个”是指至少两个。为了简要和清楚的目的，省略了公知的设备、回路和方法的详述从而避免本发明 的描述带有不必要的细节。参照图1描述了本发明示意性实施方案。虽然本发明容许不同的改进和变型形 式，然而特定的实施方案已经在附图中以举例方式加以显示并且在本文中得到详细描述。 然而，应该理解，本文的特定实施方案的描述并非意欲将本发明限制为所公开的特定形式， 而相反，本发明将覆盖所有落在由所附权利要求所限定的本发明范围之内的所有改变形 式、等效形式以及替代形式。当然可以理解在任何这种实际实施方案的开发中，必须作出很多针对实施的决策 从而实现开发者的具体目标，例如符合系统有关和商业有关的限制，其随着实施的不同而
7不同。此外，可以理解这种开发可能是复杂且费时的，但不过这是受益于本公开的本领域技 术人员所进行的常规工作。该方法包括将含水蒸气的物流550通过注入井700注入含烃储层703并从含烃储 层703中提取烃710。提抽出的烃可能为例如来自油砂储层中的重油或浙青。烃710可被 输送到处理设备，例如提质器，用以通过与氢气的反应将烃提质。含水蒸气的物流通常是湿水蒸气，意味着除了水蒸气以外还含有液态水。本领 域所公知的是，含水蒸气的物流也可能包括二氧化碳和/或重烃溶剂。加入少量例如 0. 1-15V01. %的重烃溶剂将进一步提供重油或浙青的运行性，(随着重烃溶剂溶解到浙青 中)，由此降低重油或浙青的粘度使得其流至生产井。溶剂也稀释所产生的重油或浙青从而 有助于满足管道运输所需的流体特性规格。优选地，溶剂为I-IOvol. %，最优选3-8Vol%。烃710和循环水500通过生产井705抽出。循环水500形成自含水蒸气的物流 550的一部分；来自含水蒸气的物流550的水和冷凝水蒸气的一部分作为循环水500被回 收，水和冷凝水蒸气的另一部分失去到环境中。如本文所定义，循环水是从生产井中移除的 任何水。将水蒸气注入含烃储层可以是水蒸气驱动操作、水蒸气辅助重力泄油(SAGD)工 艺或其它使用水蒸气注入的烃提取工艺的一部分。水蒸气驱动在大量的美国专利中有所讨 论，包括美国专利号4，133，384。水蒸气辅助重力泄油(SAGD)在大量的美国专利中有所讨 论，包括美国专利号6，988，549和美国专利号4，344，485。使用水蒸气的溶剂辅助水蒸气提 取(SAVEQ在美国专利号7，464，756中有所讨论。将水蒸气注入含烃储层进行烃提取是公 知的。将水蒸气注入含烃储层的工序、技术和设备都是已知且可获得的。该方法还包括将重整器进料气体混合物10引入催化水蒸气重整器100的多根含 催化剂的重整管101中，和在对于生成含氢气的工艺气体12而言有效的反应条件下将重整 器进料气体混合物10进行重整反应。生成含氢气的工艺气体的有效反应条件包括温度范 围为从700°C到1000°C，以及压力为从1到50个大气压。优选的重整操作条件在本领域是 已知的。催化水蒸气重整，也被称为水蒸气甲烷重整(SMR)或水蒸气重整，定义为通过 催化剂上烃和水蒸气的反应用来将重整原料转化为合成气的任何工艺。术语“合成气 (synthesis gas) ”通常被称作合成气(syngas)，其在本文中是指任何含有氢气和一氧化碳
Jfl
的混合物。重整反应是吸热反应且通常可被描述为
权利要求
1.烃处理方法，包括通过注入井将含水蒸气的物流注入含烃储层；从所述含烃储层中提取烃并通过生产井取出所述烃和循环水，该循环水形成自部分所 述含水蒸气的物流；将重整器进料气体混合物引入催化水蒸气重整器的多根含催化剂的重整管中，并在对 于生成含氢气的工艺气体而言有效的反应条件下将所述重整器进料气体混合物在重整反 应中进行反应；在位于所述多根含催化剂的管外部的所述重整器的燃烧段中，在对于所述燃料燃烧形 成燃烧产物气体并产生热量以为所述重整反应供应能量而言有效的条件下燃烧燃料和氧 化剂气体；通过与所述燃烧产物气体间接热传递将含有所述循环水和任选的注入补充水的第 一物流加热，从而由所述第一物流产生用于所述含水蒸气的物流的水蒸气，所述水蒸气在 IMPa(绝对)到IOMPa(绝对)的第一压力下产生且具有以质量流率为基准计低于100%的 第一水蒸气品质；在锅炉给水制备系统中调节工艺补充水从而由所述工艺补充水产生锅炉给水；以及通过与所述工艺气体和所述燃烧产物气体的至少之一间接热传递来加热所述锅炉给 水从而形成工艺水蒸气，其中所述重整器进料气体混合物包含该工艺水蒸气。
2.权利要求1的方法，其中所述锅炉给水不包含循环水。
3.权利要求1的方法，其中以质量流率为基准，所述含水蒸气的物流中少于10%的水 蒸气来自所述锅炉给水。
4.权利要求1的方法，其中所述含水蒸气的物流不由所述锅炉给水形成。
5.权利要求1的方法，其中所述工艺水蒸气在水蒸气鼓中和所述锅炉给水分离。
6.权利要求1的方法，其中所述第一物流进一步含有注入补充水。
7.权利要求1的方法，进一步包括通过与所述工艺气体间接热传递而加热含有所述注入补充水和所述循环水中至少之 一的第二物流，随后通过与所述燃烧产物气体混合物间接热传递而加热所述第二物流，从 而由所述第二物流产生用于所述含水蒸气的物流的额外水蒸气，该额外水蒸气在所述第一 压力以第一水蒸气品质产生，或者在IMPa(绝对)到IOMPa(绝对)的第二压力下以基于质 量流率基准计小于100%的第二水蒸气品质产生。
8.权利要求1或权利要求7的方法，其中所述第一水蒸气品质是50%-85%且所述第 二水蒸气品质是50% -85%。
9.权利要求7的方法，其中所述工艺气体在与所述第二物流间接热交换之前在一个或 多个变换反应器中进行变换。
10.权利要求1的方法，进一步包括从所述工艺气体中移除CO2,其中所述含水蒸气的 物流包含该移除的CO2。
11.权利要求1的方法，进一步包括冷凝所述工艺气体中的水以形成冷凝液和水贫乏的工艺气体；从所述水贫乏的工艺气体中分离所述冷凝液，其中所述锅炉给水含有该冷凝液；和将所述水贫乏的工艺气体分离为氢气产物气体和残留气体，其中所述燃料包含所述残留气体。
12.权利要求1的方法，进一步包括从所述生产井取回烃气体，其中所述重整器进料气体混合物包含所述烃气体和/或所 述燃料包含所述烃气体。
13.权利要求1的方法，进一步包括运行燃气轮发电机以形成电力和燃气轮机废气，其中所述氧化剂气体包含所述燃气轮 机废气。
14.权利要求13的方法，进一步包括在热回收水蒸气发生器中加热含有所述注入补充水和所述循环水中至少一种的第三 物流，从而由所述第三物流产生更多用于所述含水蒸气的物流的额外水蒸气，该更多的额 外水蒸气在IMPa (绝对)到IOMPa (绝对)的第三压力下产生，且具有以质量流率为基准计 低于100%的第三水蒸气品质，其中用于所述热回收水蒸气发生器的燃烧氧化剂包括所述 燃气轮机废气。
15.权利要求14的方法，其中所述第三水蒸气品质是50%-85%。
16.权利要求1的方法，进一步包括在换热器的上游位置从所述重整器中排放所述燃烧产物气体，其中所述换热器提供所 述第一物流和所述燃烧产物气体之间的间接热传递，由此中断对所述第一物流的加热；和在继续形成含氢气的所述工艺气体的同时清洁所述换热器。
17.重整器，包括用于进行燃烧反应的燃烧段；用于进行重整反应的多根含催化剂管，所述多根含催化剂管位于所述燃烧段内部；和位于所述燃烧段下游的换热段，用来接收来自所述燃烧反应的燃烧产物气体，所述换 热段包括用于将热量从所述燃烧产物气体传递到重整器进料气体混合物的第一换热器；相对于所述燃烧产物气体的流动位于所述第一换热器下游的第二换热器，其用于将热 量从所述燃烧产物气体传递到循环水从而由所述循环水产生含水蒸气的物流，其中所述第 二换热器适合于机械清洁；和相对于所述燃烧产物气体的流动位于所述第二换热器下游的第一排气口，其用于将所 述燃烧产物气体从所述换热段排出。
18.权利要求17的重整器，其中所述换热段进一步包括相对于所述燃烧产物气体的流动位于所述第一换热器下游并且相对于所述燃烧气体 的流动位于所述第二换热器上游的可关闭的第二排气口。
全文摘要
本发明涉及集成的氢气生产和烃提取，尤其涉及生成氢气和水蒸气的重整器和方法，其中水蒸气用于重烃的水蒸气辅助提取。将水蒸气注入含烃储层。烃连同所生成的水从储层中提取。在催化水蒸气烃重整器中产生氢气。来自重整器的燃烧产物气体用于在直流水蒸气发生器中由所产生的水中生成湿水蒸气，所生成的水从储层中循环而来。湿水蒸气用于重烃的水蒸气辅助提取。重整器有换热器段，其中换热器适于处理通过直流水蒸气发生所产生的水并且适于机械清洁。
文档编号E21B43/24GK102128019SQ20101062506
公开日2011年7月20日 申请日期2010年12月17日 优先权日2009年12月18日
发明者D·A·扎诺利, J·E·帕拉马拉, W·F·巴德 申请人:气体产品与化学公司