低排放发电和烃采收系统及方法
【专利摘要】提供了用于在烃采收方法中基于含氧燃料的低排放发电的方法及系统。一种系统包括压力通风系统并被配置来促进气态组分的燃烧器后转化以获得期望的化学状态。另一系统包括用于重整控制燃料流以产生重整的控制燃料流的蒸汽重整器，该重整的控制燃料流的特征是与控制燃料流相比氢增长。
【专利说明】低排放发电和烃采收系统及方法
[0001]本申请是分案申请，原申请的申请日为2010年07月09日、申请号为201080038890.5 (PCT/US2010/041548)、发明名称为“低排放发电和烃采收系统及方法”。
[0002]相关申请的交叉引用
[0003]本申请要求2009年9月I日提交的名称为“LOW EMISSION POWER GENERATION ANDHYDROCARBON RECOVERY SYSTEMS AND METHODS (低排放发电和烃采收系统及方法)”的美国临时专利申请61/238，971的权益，其全部内容通过引用并入本文。
发明领域
[0004]本发明的实施方式涉及烃采收方法中的低排放发电。更具体而言，本发明的实施方式涉及一种方法和系统，其使用通过含氧燃料燃烧产生的高涡轮排出温度，(i)促进气态组分的燃烧器后转化以达到期望的化学状态，和(ii)重整(reform)控制燃料流，产生特征是氢增长的重整的控制燃料流。
[0005]发明背景
[0006]此章节意欲介绍与本发明的示例性实施方式有关的本领域的各个方面。相信本讨论有助于对促进本发明的具体方面的更好理解提供框架。因此，应当理解，应该以这个角度阅读本章节，并且不必承认是现有技术。
[0007]许多强化的烃采收操作可被分为以下类型中的一种:压力保持和混相驱动(miscible flooding)。在压力保持操作中,将惰性气体如氮气注入至主要为气态的储层，以在该储层中保持至少最低压力，阻止反凝析并提高总采收量。在混相驱动操作中，将混相气体如二氧化碳注入至主要为液态的储层以与液体混合，降低其粘度并增加压力以提高采收率。
[0008]许多产油国正经历强烈的国内能量需求增长，并关注提高采收率法采油(EOR)，以提高从其储层采油。对于E0R，两种常见的EOR技术包括用于储层压力保持的氮气(N2)注入和用于混相驱动的二氧化碳(CO2)注入。同时，全球关注温室气体(GHG)排放问题。这种关注与许多国家的总量控制与交易政策(cap-and-trade policy)的执行相结合,使得减少CO2排放成为这些和其他国家以及其中操作烃生产系统的公司优先考虑的事情。
[0009]减少CO2排放的一些方法包括燃料脱碳或燃烧后捕集(post-combustioncapture) 0但是，这两种方案都是成本高的并且降低发电(产生能量)效率，导致较低的能量产生，为满足国内能量需求而增加了燃料的需求并增加了电力成本。另一方法是处于联合循环(combined cycle)(例如其中捕集来自燃气润轮Brayton循环的废热以在Brayton循环中产生蒸汽并产生额外能量)的含氧燃料燃气涡轮。但是，产生高纯氧所需的能量显著降低了该方法的总效率。一些研究已经比较了这些方法并显示了每种方法的一些优势。参见，例如 B0LLAND、OLAV 和 UNDRUM、HENRIETTE，Removal of C02from Gas TurbinePower Plants:Evaluation of pre-and post-combustion methods (除去燃气润轮电厂的 CO2:燃烧方法前后的评估),SINTEF Group,在 http://www.energy, sintef.ηθ/publ/xergi/98/3/3art-8-engelsk.htm(1998)中可看到。[0010]虽然如此，仍然非常需要低排放、高效率的发电和烃采收方法。
【发明内容】
[0011]在名称为“LOWEMISSION POWER GENERATION AND HYDROCARBON RECOVERYSYSTEMS AND METHODS (低排放发电和烃采收系统及方法)”的PCT专利申请PCT/US2009/038247中描述了一种低排放、高效率的发电和烃采收方法，该PCT专利申请要求2008年3月28日提交的美国临时申请61/072，292和2009年2月18日提交的美国临时申请61/153，508 (其中每一篇通过引用以其整体并入本文)的权益。本发明建立了对PCT/US2009/038247申请的方法及系统的改进。
[0012]更具体地，本发明的一个实施方式包括氧气流、二氧化碳流、控制燃料流、燃烧装置、涡轮和压力通风系统。燃烧装置被配置来接收并燃烧氧气流、二氧化碳流和控制燃料流，产生含有基本上为二氧化碳和水的气态燃烧流。气态燃烧流具有至少1800 °F的温度。涡轮被配置来接收气态燃烧流、膨胀气态燃烧流并排出膨胀的气态燃烧流作为涡轮排出流。涡轮排出流具有至少1200 T的温度。压力通风系统与涡轮流体连通以接收涡轮排出流。压力通风系统被配置来在涡轮排出流的至少一种单个组分朝向平衡化学上起反应并基本上将中间产物转化为平衡产物的过程中提供停留时间。
[0013]本发明的另一个实施方式包括燃烧装置、涡轮和蒸汽重整器。燃烧装置被配置来产生气态燃烧流。涡轮被配置来接收气态燃烧流、膨胀气态燃烧流并排出膨胀的气态燃烧流作为涡轮排出流。涡轮排出流具有至少1200 T的温度。蒸汽重整器被配置来接收涡轮排出流和控制燃料流、从涡轮排出流提取热并将热传输至重整器原料流以产生重整器产品流。
[0014]本发明的另一实施方式包括以下步骤:提供氧气流、二氧化碳流和控制燃料流；燃烧氧气流、二氧化碳流和控制燃料流以产生气态燃烧流；穿过涡轮，膨胀气态燃烧流以形成膨胀的气态燃烧流；并为膨胀的气态燃烧流提供停留时间以达到基本化学平衡，其中通过配置来保持膨胀的气态燃烧流所述停留时间的压力通风系统提供所述停留时间。
[0015]本发明的另一实施方式包括以下步骤:提供氧气流、二氧化碳流、控制燃料流和重整的控制燃料流；燃烧氧气流、二氧化碳流和重整的控制燃料流以产生气态燃烧流；穿过涡轮，膨胀气态燃烧流以形成膨胀的气态燃烧流；以及使用提取自膨胀的气态燃烧流的热，重整控制燃料流以形成重整的控制燃料流。气态燃烧流具有至少1800 °F的温度。重整的控制燃料流的特征是与控制燃料流相比氢增长。
[0016]附图详述
[0017]在研读以下详细描述和实施方式的非限制性实例的附图后，本发明的前述和其它优势将变得明显:
[0018]图1图解了可连同本发明的一个或多个方面实施的用于低排放发电和烃采收的基于含氧燃料的系统；
[0019]图2图解了可连同本发明的一个或多个方面实施的涡轮和热回收蒸汽发生器的构造；
[0020]图3图解了可连同本发明的一个或多个方面实施的用于低排放发电和烃采收的基于含氧燃料的系统；[0021]图4图解了根据本发明实施方式的用于低排放发电和烃采收的基于含氧燃料的系统；
[0022]图5图解了根据本发明另一实施方式的用于低排放发电和烃采收的基于含氧燃料的系统；
[0023]图6A-B图解了根据本发明其它实施方式的用于低排放发电和烃采收的基于含氧燃料的系统；
[0024]图7图解了用于根据本发明实施方式的含氧燃料燃气涡轮系统的方法的流程图；
[0025]图8图解了用于根据本发明另一实施方式的含氧燃料燃气涡轮系统的方法的流程图；和
[0026]图9显示了在一定范围的压力、温度和当量比内气态燃烧流中氧气的平衡浓度(摩尔分数)。
[0027]图10显示了在一定范围的压力、温度和当量比内气态燃烧流中一氧化碳(CO)的平衡浓度(摩尔分数)。
[0028]图11显示了在40ms的有限停留时间后在一定范围的压力、温度和当量比内气态燃烧流中氧气的氧气浓度(摩尔分数)。
[0029]图12图解了对于一定范围的火焰温度和当量比内，反应进行至平衡的10%内所需的停留时间。
[0030]详述
[0031]定义
[0032]如本文使用的，“一个”或“一种”实体指一个或多个(一种或多种)该实体。同样地，术语“一个”(或“一种”)、“一个或多个(一种或多种)”和“至少一个(至少一种)”可在本文中互换使用，除非具体指出限制。
[0033]如本文使用的，术语“包括”是开放式过渡词，其用于从该术语之前叙述的主题过渡至该术语之后叙述的一个或多个要素，其中该过渡词后列出的要素或多个要素不必是组成该主题的仅有要素。
[0034]如本文使用的，术语“含有”具有与“包括” 一样的开放式含义。
[0035]如本文使用的，术语“具有”具有与“包括” 一样的开放式含义。
[0036]如本文使用的，术语“包含”具有与“包括” 一样的开放式含义。
[0037]如本文使用的，术语“当量比”指进入燃烧器的燃料与氧气的质量比除以该比是化学计量的时燃料与氧气的质量比。
[0038]如本文使用的，“化学计量的”混合物是具有由燃料和氧化剂组成的反应物体积和通过燃烧反应物形成的产物体积的混合物，其中反应物的全部体积用于形成产物。
[0039]描述
[0040]在以下详细的描述部分中，连同优选实施方式一起描述了本发明的【具体实施方式】。但是，就以下描述特定为本发明的【具体实施方式】或具体使用而言，这意欲仅为示例性目的并仅仅提供了示例性实施方式的描述。因此，本发明不限于以下描述的【具体实施方式】，而是，本发明包括落入所附权利要求真正精神和范围内的所有替代方式、改进和等价形式。
[0041]在名称为“LOWEMISSION POWER GENERATION AND HYDROCARBON RECOVERYSYSTEMS AND METHODS (低排放发电和烃采收系统及方法)”的PCT专利申请PCT/US2009/038247中描述了低排放、高效率的烃采收方法，该PCT专利申请要求2008年3月28日提交的美国临时申请61/072，292和2009年2月18日提交的美国临时申请61/153，508的权益
[0042]参看图1，提供了可连同本发明的一个或多个方面实施的用于低排放发电和烃采收的基于含氧燃料的系统100。该系统100通常包括氧气(O2)源102、二氧化碳(CO2)源104和控制燃料源106以分别产生氧气流108、二氧化碳流110和控制燃料流112，如烃基燃料流(HC)。在至少一个实施方式中，可使用压缩机如增压压缩机118压缩0)2流110(例如在12和18巴(表压)(barg)之间)。在另一实施方式中，由于CO2源的特性，CO2流110可以已经处于压力下。流108、110和112被进料至燃烧装置120 (即由燃烧装置120接收)并被燃烧以产生气态燃烧流122。一般而言，气态燃烧流122包含在12和18巴之间压力下的二氧化碳(CO2)和水(H2O)。更具体地，在至少一个实施方式中，气态燃烧流122可以是在70%和80%之间的C02。但是，气态燃烧流122可包含任意适当浓度(一种或多种)下和任意适当压力(一种或多种)下的任意适当组分以满足具体应用的设计标准。而且，通过应用的CO2流110的比率调整气态燃烧流122的温度。例如，在一个实施方式中，气态燃烧流122的温度大于或等于1800 °F。在至少一个其它实施方式中，气态燃烧流122的温度基本上在1900和2700 °F之间。在另一实施方式中，气态燃烧流122的温度基本上在2200和2500 T之间。但是，气态燃烧流122的温度可以是由具体应用的设计标准产生的任何适当温度。
[0043]一般而言，气态燃烧流122由涡轮124接收并穿过涡轮124被膨胀。在至少一个实施方式中，涡轮124被配置以使流122穿过涡轮124的膨胀产生能量，如由连接至涡轮124的发电机126产生的电能。然后可排出膨胀流122作为涡轮排出流128。在至少一个实施方式中，涡轮排出流128具有基本上等于I巴的压力。在另一实施方式中，涡轮排出流128具有基本上在I和2巴之间的压力。但是，涡轮排出流128可以具有由具体应用的设计标准产生的任何适当压力。类似地，在至少一个实施方式中，涡轮排出流128具有基本上在1200和1800 °F之间的温度。在至少一个其它实施方式中，涡轮排出流128具有基本上在1350和1700 °F之间的温度。但是，涡轮排出流128可以具有由具体应用的设计标准产生的任何适当温度。
[0044]如在随后的段落中将描述的，可联合一个或多个其它设备和/或结构操作排出流128以满足具体应用的设计标准。如图1中显示的，连同图2详加描述的，通过热回收蒸汽发生器(HRSG) 130接收流128以产生电能，有时称为补充电能。HRSG通常排出/传送温度降低的气体排出流132。
[0045]各种冷却(例如140)和压缩技术(例如142)可应用至气体排出流132或气体排出流132的组分以满足具体应用的设计标准。例如，可进行燃料气冷却140以从流132中分离出水(H2O) 150，以使所获得的流152中的CO2浓度大于流132中CO2的浓度。然后所获得的流152的全部或部分可被压缩(例如通过压缩机142)和/或以其它方式配置用于一种或多种方法如提高采收率法采油(EOR) 160中。类似地，所获得的流152(压缩的或其它的)的所有或部分(例如70-100% )可作为CO2流110再循环。
[0046]图2图解了可连同本发明的一个或多个方面实施的涡轮124和热回收蒸汽发生器130的构造200。如图2中显示的，热回收蒸汽发生器130可包括与涡轮排出流128接触的换热器(例如蒸汽盘管)202以产生蒸汽204。穿过蒸汽涡轮210膨胀蒸汽204以产生电能。对蒸汽涡轮排出流204’进一步处理，以在系统208中进行蒸汽冷凝、水补充、脱气等，系统208可以是冷凝器，并在再次进入换热器202之前被泵(例如通过泵206)至高压。发生器212可连接至蒸汽涡轮210以使蒸汽204穿过蒸汽涡轮210的膨胀产生电能。
[0047]现在转向图3，显示了可连同本发明的一个或多个方面实施的用于低排放发电和烃采收的基于含氧燃料的系统300。系统300可能类似于连同图1图解的系统100执行，添加示例性的氧气102、二氧化碳104和控制燃料106源。更具体地，在图3显示的实施方式中，空气分离装置(ASU)系统302用于产生氧气流108。氮气(N2)也可使用ASU产生并用于一个或多个补充过程，如用于储层压力保持的氮气注入。
[0048]类似地，可从二氧化碳驱油储层(如油井)304和/或烃燃料供给管线306产生控制燃料流112。在至少一个实施方式中，也可从油井304产生二氧化碳流110。可以理解系统300提供选项以在系统300启动期间利用二氧化碳流110的一个源(例如流152)和在持续的系统300操作过程中利用第二源(例如储层/油井304)，反之亦然。
[0049]参照图4，显示了图解根据本发明实施方式的用于低排放发电和烃采收的基于含氧燃料的系统400的图。可类似于系统100和/或系统300执行系统400，其包括压力通风系统402。压力通风系统402与涡轮124流体连通并且在至少一个实施方式中可直接连接至涡轮124用于接收涡轮排出流128。类似地，压力通风系统402可与热回收蒸汽发生器流体连通。压力通风系统402被配置来提供停留时间，在该停留时间内涡轮排出流128的各个组分可继续化学反应。
[0050]在用于发电应用中的常规非含氧燃料高压燃烧器中，气体在进入涡轮前仅在短的时间(例如40ms)内存在于燃烧器内。因为反应速率随着温度下降，当气体通过涡轮的膨胀器冷却时反应被有效地“冻结”。在这种系统中，反应不能达到平衡并且在系统下游化学反应不能在可测量的速度下继续。本发明设定含氧燃料燃烧系统温度、压力和气体组成以产生更高温的涡轮排出流，其通常仍然具有足够的温度以促进化学反应。本发明中要求保护的压力通风系统402被设计并执行以提供适当的停留时间，在该停留时间内涡轮排出流(例如128)的各个组分可继续反应，直至在离开压力通风系统402后各个组分已经达到或基本达到期望的反应状态。产生的压力通风系统排出流404然后可用在随后的过程(例如E0R)中以满足管线或其它具体应用的规定的组成设计标准。
[0051]在一个实施方式中，预先确定停留时间以使涡轮排出流128的至少一种单个组分继续化学反应，直至反应达到基本平衡(即一个或多个中间产物基本上转化为平衡产物)。在至少一个实施方式中，基本平衡可认为是涡轮排出流128的单个组分(例如氧气、一氧化碳、烃中间种类、未燃烧的烃中间种类、甲醛和/或类似物)的浓度变得小于10%大于该单个组分的平衡浓度时的化学反应点。
[0052]在另一实施方式中，可预先确定停留时间，以使涡轮124出口处涡轮排出流128的至少预先确定百分比(例如50%、75%、90%等)的单个组分(例如氧气、一氧化碳、烃中间种类、未燃烧的烃中间种类、甲醛和/或类似物)转化为压力通风系统402出口处的平衡产物。
[0053]可选地，可预先确定停留时间，以使涡轮排出流128的至少一种单个组分化学上起反应，直至该单个组分(一种或多种)适用于提高采收率法采油方法。在至少一个这种实施方式中，各个组分可包括氧气和一氧化碳，并且当氧气具有等于或少于IOppm的浓度并且一氧化碳具有等于或少于IOOOppm的浓度时，所述组分可被确定适用于提高采收率法采油方法。
[0054]本发明的一个或多个实施方式可包括提供基本上在0.1和10秒之间的停留时间的压力通风系统402。在另一实施方式中，压力通风系统402可提供基本上在0.1和2秒之间的停留时间。在另一实施方式中，压力通风系统402可提供大于I秒的停留时间。但是，压力通风系统402可配置来提供任何适合的停留时间，以满足具体应用的设计标准。
[0055]由本公开可以理解，停留时间实质上是通过压力通风系统402的气体速度和压力通风系统402体积的函数。因此，已知涡轮排出流128的密度，可确定压力通风系统402的体积以实现期望的停留时间。在至少一个实施方式中，压力通风系统402具有恒定的横截面积和基本上在10和30米之间的中心线长度406 (图2中图解)。在另一实施方式中，压力通风系统402具有恒定的横截面积和大于或等于30米的中心线长度406。但是，压力通风系统可具有任意适合的体积、形状(包括不规则形状)和/或中心线长度406以满足具体应用的设计标准。
[0056]因此，除其他外，图4表示本发明的一个实施方式400，其中压力通风系统(例如402)被设计并执行以提供适合的停留时间，在这期间涡轮排出流(例如128)的各个组分可继续反应直至它们已经达到(或基本达到)期望的化学组成(即反应状态)。
[0057]图5图解了另一基于含氧燃料的系统500，其可类似于先前讨论的系统(例如100、300和400)操作。更具体地，系统500包括蒸汽重整器502，其本身可包括换热器和催化剂。蒸汽重整器502可以是任何适合类型的重整器以满足具体应用的设计标准；如蒸汽重整器或自动热重整器。蒸汽重整器502被配置来接收涡轮排出流128、至少部分控制燃料流112和来自水源508的水流506。一般而言，至重整器502的输入可被称为重整器原料流，并且在至少一个实施方式中，可包括蒸汽和/或二氧化碳。来自涡轮排出流128的热驱动水流506和控制燃料流112 (例如控制燃料流112中的甲烷)之间吸热的催化蒸汽重整反应以产生重整的控制燃料流504。一般而言，重整器502的输出可被称为重整器产物流。在一个实施方式中，重整器产物流被进一步转变及分离以产生富氢流和/或富二氧化碳流(未显示)。富氢流可适于销售或管送至不同工艺。
[0058]重整的控制燃料流504通常的特征是与控制燃料流112相比氢增长，并且在一个实施方式中基本由氢气和一氧化碳组成。然后重整的控制燃料流504代替图1的控制燃料流112进料至燃烧装置120。在至少一个实施方式中，重整的控制燃料流504含有一些来自燃料控制流112的最初烃燃料、部分的富氢流、部分的富二氧化碳流和/或其组合。
[0059]一般而言，蒸汽重整器502与涡轮124流体连通，并且在至少一个实施方式中重整器502可直接连接至涡轮124。另外，本发明的一个或多个实施方式可包括与热回收蒸汽发生器130流体连通并位于热回收蒸汽发生器130上游的蒸汽重整器502。即，热回收蒸汽发生器130可接收重整器废气510。
[0060]图6A图解了另一基于含氧燃料的系统600，其可类似于先前讨论的系统(例如100、300、400和500)操作。更具体地，系统600包括压力通风系统402和蒸汽重整器502。如图解的，压力通风系统402可与涡轮124流体连通，并可起到如连同系统400先前描述的作用。类似地，其本身可包括换热器和催化剂的重整器502可与压力通风系统402流体连通，并可被配置以使用来自压力通风系统排出流404的热将例如控制燃料流112中的甲烷和水流506中的水重整为氢和一氧化碳。在一个或多个实施方式中，然后可将重整器废气510进料至位于重整器502下游的热回收蒸汽发生器130。
[0061 ] 因此，在至少一个实施方式中，连同系统400描述的压力通风系统402和连同系统500描述的蒸汽重整器502可有利地在单个系统(例如600)中操作以满足具体应用的设计标准。
[0062]图6B图解了另一基于含氧燃料的系统650,其可类似于系统600执行。更具体地，系统650包括连接至蒸汽重整器502下游的压力通风系统402和位于压力通风系统402下游的热回收蒸汽发生器130。在这种实施方式中，重整器502可与涡轮124直接流体连通和/或直接连接。在至少一个实施方式中，重整器502和涡轮124的排出喷嘴(未显示)之间的距离小于5米。类似地，重整器502和涡轮124上排出喷嘴之间的停留时间可小于0.1秒。但是，可在系统650中实施任何适合的距离和/或任何适合的停留时间以满足具体应用的设计标准。
[0063]现在转向图7，其提供了用于根据本发明实施方式的含氧燃料燃气涡轮系统的方法700的流程图。可连同(分别)与图1、3、4、5和6A有关先前描述的系统100、300、400、500,600和/或650和/或任何适合的系统有利地实施方法700，以满足具体应用的设计标准。方法700通常包括可连续进行的多个方框或步骤(例如702、704、706等)。如由本领域普通技术人员将理解的，图7中显示的步骤顺序是示例性的并且一个或多个步骤的顺序可在本发明的精神和范围内改变。另外，方法700的步骤可以以至少一个非连续的(或非顺序的)次序实施，并且可省略一个或多个步骤以满足具体应用的设计标准。方框702表示方法700的进入点。
[0064]方框704表示提供氧气流(例如108)、二氧化碳流(例如110)和控制燃料流(例如112)的步骤。
[0065]方框706表示压缩二氧化碳(CO2)的任选步骤。在至少一个实施方式中，CO2可被压缩至12和18巴(表压)之间。但是，CO2可被压缩至任何适合的压力以满足具体应用的设计标准。在至少一个实施方式中，在燃烧器(例如120)的CO2压力可基本类似于在源(例如104)的CO2压力。在这种实施方式中，源后的压缩可能是不需要的。
[0066]方框708表示燃烧氧气流、二氧化碳流和控制燃料流以产生气态燃烧流(例如122)的步骤。一般而言，气态燃烧流包括在12和18巴之间压力下的CO2和水。更具体地，气态燃烧流可以是70%和80%之间的C02。但是,气态燃烧流可包括在任意适当浓度(一种或多种)下和任意适当压力(一种或多种)下的任意适合组分以满足具体应用的设计标准。在一个实施方式中，气态燃烧流的温度大于或等于1800 °F。在另一实施方式中,气态燃烧流的温度基本上在1900和2700 °F之间。在另一实施方式中，气态燃烧流的温度基本上在2200和2500 °F之间。但是，气态燃烧流的温度可以是任意适合温度以满足具体应用的设计标准。
[0067]方框710表示穿过涡轮(例如124)膨胀气态燃烧流以形成膨胀的气态燃烧流(例如涡轮排出流128)的步骤。膨胀的气态燃烧流的温度高于类似非含氧燃料燃气涡轮系统的排出温度。在至少一个实施方式中，膨胀的气态燃烧流具有基本上在1200和1800 °卩之间的温度。在至少一个其它实施方式中，膨胀的气态燃烧流具有基本上在1350和1700 0F之间的温度。但是，膨胀的气体涡轮流可以具有由具体应用的设计标准产生的任何适合的温度。
[0068]方框712表示由气体流穿过涡轮的膨胀(即方框710)产生电能的任选步骤。
[0069]方框714表示为膨胀的气态燃烧流提供停留时间以达到期望的化学状态如基本上化学平衡的步骤。在至少一个实施方式中，停留时间通过配置来保持膨胀的气态燃烧流所述停留时间的压力通风系统(例如402)提供。如连同图4讨论的，压力通风系统可配置来保持膨胀的气态燃烧流任何适合的停留时间以便达到期望的化学状态(例如平衡、基本平衡、适于提高采收率法采油方法的组成等)。例如，在至少一个实施方式中，压力通风系统可具有基本上在10和30米之间的中心线长度。在另一实施方式中，压力通风系统可具有大于或等于30米的中心线长度。类似地，在一个实施方式中停留时间可基本上在0.10和10秒之间。在另一实施方式中，停留时间可基本上在0.10和2秒之间。在另一实施方式中，停留时间可大于或等于I秒。从方框714，方法700然后可落入任意数量(或没有)任选步骤如方框716、718、720和/或722中的一个或多个。
[0070]方框716表示在提供停留时间的步骤(即方框714)后使用热回收蒸汽发生器(例如130)从膨胀的气态燃烧流产生能量的任选步骤。
[0071]方框718表示使用提取自膨胀的气态燃烧流的热将控制燃料流(例如甲烷)重整为例如氢和一氧化碳的任选步骤。
[0072]最后，方框720和722分别表示提取二氧化碳(例如从气态燃烧流)；以及将二氧化碳应用至提高采收率法采油方法中的任选步骤。
[0073]方框724表示离开方法700。
[0074]在图8，提供了用于根据本发明另一实施方式的含氧燃料燃气涡轮系统的方法800的流程图。可连同(分别)与图1、3、4、5和6A有关先前进行描述的系统100、300、400、500,600和/或650和/或任何适合的系统有利地实施方法800，以满足具体应用的设计标准。方法800通常包括可连续实施的多个方框或步骤(例如802、804、806等)。如由本领域普通技术人员将理解的，图8中显示的步骤顺序是示例性的并且一个或多个步骤的顺序可在本发明的精神和范围内改变。另外，方法800的步骤可以以至少一个非连续的(或非顺序的)次序实施，并且可省略一个或多个步骤以满足具体应用的设计标准。方框802表示方法800的进入点。
[0075]方框804表示提供氧气流(例如108)、二氧化碳流(例如110)、控制燃料流(例如112)和重整的控制流(例如504)的步骤。
[0076]方框806表示压缩二氧化碳(CO2)的任选步骤。在至少一个实施方式中，CO2可被压缩至12和18巴(表压)之间。但是，CO2可被压缩至任何适合的压力以满足具体应用的设计标准。在至少一个实施方式中，在燃烧器(例如120)的CO2压力可基本类似于在源(例如104)的CO2压力。在这种实施方式中，源后的压缩可能是不需要的。
[0077]方框808表示燃烧氧气流、二氧化碳流和重整的控制燃料流以产生气态燃烧流(例如122)的步骤。一般而言,气态燃烧流包括在12和18巴之间压力下的CO2和水。更具体地，气态燃烧流可以是70%和80%之间的C02。但是,气态燃烧流可包括在任意适当浓度(一种或多种)下和任意适当压力(一种或多种)下的任意适合组分以满足具体应用的设计标准。在一个实施方式中，气态燃烧流的温度大于或等于1800 T。在至少一个其它实施方式中，气态燃烧流的温度基本上在1900和2700 °F之间。在另一实施方式中，气态燃烧流的温度基本上在2200和2500 °F之间。但是，气态燃烧流的温度可以是任意适合温度以满足具体应用的设计标准。
[0078]方框810表示穿过涡轮(例如124)膨胀气态燃烧流以形成膨胀的气态燃烧流(例如涡轮排出流128)的步骤。膨胀的气态燃烧流的温度高于类似非含氧燃料燃气涡轮系统的排出温度。在至少一个实施方式中，膨胀的气态燃烧流具有基本上在1200和1800 °卩之间的温度。在至少一个其它实施方式中，膨胀的气态燃烧流具有基本上在1350和1700 0F之间的温度。但是，膨胀的气体涡轮流可以是由具体应用的设计标准产生的任何适合的温度。
[0079]方框812表示由穿过涡轮气体流的膨胀(即方框810)产生电能的任选步骤。
[0080]方框814表示使用提取自膨胀的气态燃烧流的热重整控制燃料流以形成重整的控制燃料流的步骤。一般而言，重整的控制燃料流的特征可以是与控制燃料流相比较氢增长。从方框814，方法800可落入任意数量(或没有)任选步骤如方框816、818和/或820中的一个或多个。
[0081]方框816表示在重整的步骤(即方框814)后使用热回收蒸汽发生器(例如130)从膨胀的气态燃烧流产生电能的任选步骤。
[0082]方框818和820分别表示提取二氧化碳(例如从气态燃烧流)；以及将二氧化碳应用至提高采收率法采油方法中的任选步骤。
[0083]方框822表示离开方法800。
[0084]模拟
[0085]现在转向图9、10、11和12，提供了表示模拟结果的许多图。应当理解，提供在这些图和后面的相应文本内体现的信息以提供对本发明额外的深刻理解，但不限制本发明。
[0086]一起考虑，图9和10图解了在一定范围的火焰温度、压力(即由实线表示的I巴、由虚线表示的12巴和由点线表示的30巴)和当量比(即0.95、1、1.05和1.1的甲烷与O2的比)下分别对于CO2流中O2/甲烷燃烧的O2和CO的平衡摩尔分数。通常意义上，平衡组成指所有种类的浓度随着时间是恒定的状态。平衡时混合物的组成取决于反应物的温度、压力和组成。在CO2流将用于EOR或在管道内输送的含氧燃料燃烧器的情况下，期望具有最小浓度的可能的O2和CO。图9和10的图表图解了平衡并且因此当反应可进行到平衡态时最小可能的O2和CO浓度。
[0087]关于图9的图表900，曲线902表示在I巴压力下0.95的当量比，904表示在12巴压力下0.95的当量比，以及906表示在30巴压力下0.95的当量比。类似地，曲线910表示在I巴压力下I的当量比，912表示在12巴压力下I的当量比，以及914表示在30巴压力下I的当量比。曲线920表示在I巴压力下1.05的当量比,922表示在12巴压力下1.05的当量比，以及924表示在30巴压力下1.05的当量比。最后，曲线930表示在I巴压力下1.1的当量比，932表示在12巴压力下1.1的当量比，以及934表示在30巴压力下
1.1的当量比。
[0088]关于图10的图表1000，曲线1002表示在I巴压力下1.1的当量比，1004表示在12巴压力下1.1的当量比，以及1006表示在30巴压力下1.1的当量比。类似地，曲线1010表示在I巴压力下1.05的当量比，1012表示在12巴压力下1.05的当量比，以及1014表示在30巴压力下1.05的当量比。曲线1020表示在I巴压力下I的当量比，1022表示在12巴压力下I的当量比，以及1024表示在30巴压力下I的当量比。最后，曲线1030表示在I巴压力下0.95的当量比，1032表示在12巴压力下0.95的当量比，以及1034表示在30巴压力下0.95的当量比。
[0089]如前述的，用于发电装置如燃气涡轮的常规高压燃烧器的复杂化因素是气态燃烧流进入涡轮之前仅存在于燃烧器内相对短的时间，大约40ms。结果，成分是“冻结的”，因为当气体通过涡轮的膨胀器冷却时反应被结束。没有足够的能量(例如低温)使反应在可测量的速度下向平衡进行。
[0090]图11图解了冻结的O2浓度和平衡浓度之间差值的大小。图11表明在1700K和在I大气压下I当量比下，O2摩尔分数在大约0.008被冻结。相比较而言，图9中同样条件的平衡O2摩尔分数大约低8倍，在0.001。
[0091]在含氧燃料燃气涡轮的所提出构造中，温度、压力和反应物组成被配置以产生具有足够高温度的涡轮排出流，从而在计算的停留时间内驱动朝向平衡的连续反应。例如，通过图表900、1000和1100上标记为“B”的线标出1750K(2690F)的可能的涡轮入口温度。线“B”指出300-500ppm数量级的O2平衡水平；但是，图表1100的线B表明40ms后实际的O2浓度升至比图表900的相应线B处显示的平衡水平更高的数量级。可注意到，图表1100线B处的O2水平大于1000ppm(12巴，phi = 1.0)。这种O2浓度通常对于管线(即井下)应用是不可接受的。在穿过涡轮的膨胀后，期望涡轮排出温度约为1200K。如果压力通风系统被建在使化学反应朝向平衡进行的系统中，如由1000中线“A”指出的，02摩尔分数将小于
0.00001 (IOppm)。
[0092]图12的图表1200图解了更长的停留时间可提供更低的O2浓度。图表1200绘制了 O2从火焰中它的峰值水平降低为峰值水平的10%所需的时间(τ 10% )。例如，在1200Κ的涡轮排出温度下，如由图表900的线A指出的，停留时间需求可超过I秒。
[0093]本发明可容易有各种改进和可选形式，并且以上讨论的示例性实施方式仅通过举例显示。应当理解，本发明不意欲限于本文公开的【具体实施方式】。而是，本发明包括落入所附权利要求真正精神和范围内的所有替代方式、改进和等同形式。
【权利要求】
1.一种含氧燃料燃气涡轮系统，其包括: 燃烧装置，其配置来产生气态燃烧流； 涡轮， 其配置来接收所述气态燃烧流、膨胀所述气态燃烧流并排出膨胀的气态燃烧流作为涡轮排出流，其中所述涡轮排出流具有至少1200 °?的温度；以及 蒸汽重整器，其配置来接收所述涡轮排出流；从所述涡轮排出流提取热；并将所述热传输至重整器原料流以产生重整器产物流。
2.权利要求1所述的系统，其中所述重整器原料流包括至少部分控制燃料流。
3.权利要求2所述的系统，其中所述重整器原料流包括蒸汽。
4.权利要求3所述的系统，其中所述重整器原料流包括二氧化碳。
5.权利要求2所述的系统，其中所述燃烧装置配置来接收氧气流、二氧化碳流和结合的燃料流，其中所述结合的燃料流包括所述控制燃料流和所述重整器产物流的混合物。
6.权利要求5所述的系统，其中所述燃烧装置配置来燃烧所述氧气流、所述二氧化碳流和所述结合的燃料流以产生所述气态燃烧流。
7.权利要求2所述的系统，其中进一步转变并分离部分所述重整器产物流以产生富氢流和富二氧化碳流。
8.权利要求7所述的系统，其中所述燃烧装置配置来接收氧气流、二氧化碳流和结合的燃料流，其中所述结合的燃料流包括所述控制燃料流和所述富二氧化碳流的混合物。
9.权利要求8所述的系统，其中所述结合的燃料流进一步包括部分所述富H2流。
10.权利要求7所述的系统，其中所述富氢流适于作为产品销售或被管送至不同工艺。
11.权利要求1所述的系统，其中所述重整器连接至热回收蒸汽发生器，以进一步冷却所述涡轮排出流。
12.权利要求1所述的系统，进一步包括位于所述重整器上游的压力通风系统，其中所述压力通风系统配置来提供停留时间，在所述停留时间内所述涡轮排出流的单个组分朝向平衡化学上起反应并基本上将中间产物转化为平衡产物。
13.权利要求12所述的系统，进一步包括所述重整器下游的热回收蒸汽发生器。
14.权利要求1所述的系统，进一步包括连接至所述重整器下游的压力通风系统，其中所述压力通风系统配置来提供停留时间，在所述停留时间内所述涡轮排出流的单个组分朝向平衡化学上起反应并基本上将中间产物转化为平衡产物。
15.权利要求14所述的系统，进一步包括所述压力通风系统下游的热回收蒸汽发生器。
16.权利要求1所述的系统，其中所述重整器和所述涡轮的排出喷嘴之间的距离小于5米。
17.权利要求1所述的系统，其中所述重整器和所述涡轮的排出喷嘴之间的停留时间小于0.1s。
18.权利要求1所述的系统，其中所述气态燃烧流具有基本上在1900和2700°F之间的温度。
19.权利要求1所述的系统，其中所述蒸汽重整器与热回收蒸汽发生器流体连通并位于热回收蒸汽发生器上游。
20.权利要求1所述的系统，其中所述蒸汽重整器直接连接至所述涡轮。
21.权利要求1所述的系统，其中所述蒸汽重整器包括换热器和催化剂。
22.一种用于含氧燃料燃气涡轮系统的方法，所述方法包括: 提供氧气流、二氧化碳流、控制燃料流和重整的控制燃料流； 燃烧所述氧气流、所述二氧化碳流和所述重整的控制燃料流以产生具有至少1800 T温度的气态燃烧流； 穿过涡轮膨胀所述气态燃烧流以形成膨胀的气态燃烧流；以及使用提取自所述膨胀的气态燃烧流的热重整所述控制燃料流以形成所述重整的控制燃料流，其中所述重整的控制燃料流的特征是与所述控制燃料流相比氢增长。
23.权利要求22所述的方法，进一步包括从穿过涡轮膨胀所述气态燃烧流的步骤产生能量的步骤。
24.权利要求22所述的方法，其中所述燃烧步骤产生具有基本上在1900和2700°卩之间温度的气态燃烧流。
25.权 利要求22所述的方法，其中所述燃烧步骤产生具有基本上在2200和2500°卩之间温度的气态燃烧流。
26.权利要求1所述的系统，其中所述重整器选自蒸汽重整器和自动热重整器。
【文档编号】F02C6/18GK103953446SQ201410177341
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2010年7月9日 优先权日:2009年9月1日
【发明者】C·拉斯马森, R·A·亨廷顿, D·欧迪, F·F·米特里克尔, F·赫什科维茨 申请人:埃克森美孚上游研究公司