[**]

Предоставлены система, способы и оборудование для генерации энергии в турбинных системах с низким уровнем выбросов загрязняющих веществ и улавливания и извлечения диоксида углерода из отработавших газов. В одном или нескольких вариантах осуществления отработавшие газы охлаждают, сжимают и отделяют, чтобы получить отходящий поток, содержащий диоксид углерода, и поток продукта, содержащий азот.

(57) Реферат / Формула:

Предоставлены система, способы и оборудование для генерации энергии в турбинных системах с низким уровнем выбросов загрязняющих веществ и улавливания и извлечения диоксида углерода из отработавших газов. В одном или нескольких вариантах осуществления отработавшие газы охлаждают, сжимают и отделяют, чтобы получить отходящий поток, содержащий диоксид углерода, и поток продукта, содержащий азот.

---

Евразийское (21) 201391364 (13) A1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОЙ ЗАЯВКЕ
(43) Дата публикации заявки 2014.01.30
(51) Int. Cl. B01D 53/00 (2006.01)
(22) Дата подачи заявки 2012.03.05
(54) СИСТЕМА И СПОСОБЫ УЛАВЛИВАНИЯ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА В ТУРБИННЫХ СИСТЕМАХ С НИЗКИМ УРОВНЕМ ВЫБРОСОВ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ
(31) 61/466,385; 61/466,381; 61/466,384; 61/542,030; 61/542,031; 61/542,037;
61/542,035
(32) 2011.03.22; 2011.03.22; 2011.03.22;
2011.09.30; 2011.09.30; 2011.09.30; 2011.09.30
(33) US
(вв) PCT/US2012/027776
(87) WO 2012/128927 2012.09.27
(71) Заявитель:
ЭКСОНМОБИЛ АПСТРИМ РИСЕРЧ КОМПАНИ (US)
(72) Изобретатель:
Миттрикер Франклин Ф., Сайтс О. Ангус, Дханука Сулабх К., Хантингтон Ричард Э., О'ди Деннис М., Элфке Расселл Х., Дентон Роберт
Д. (US)
(57) Предоставлены система, способы и оборудование для генерации энергии в турбинных системах с низким уровнем выбросов загрязняющих веществ и улавливания и извлечения диоксида углерода из отработавших газов. В одном или нескольких вариантах осуществления отработавшие газы охлаждают, сжимают и отделяют, чтобы получить отходящий поток, содержащий диоксид углерода, и поток продукта, содержащий азот.
(74)
Представитель: Медведев В.Н. (RU)
2420-198768ЕА/061 СИСТЕМА И СПОСОБЫ УЛАВЛИВАНИЯ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА В ТУРБИННЫХ СИСТЕМАХ С НИЗКИМ УРОВНЕМ ВЫБРОСОВ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ
ОПИСАНИЕ
Настоящие изобретения относятся к области генерации энергии с низким уровнем выбросов загрязняющих веществ. Более конкретно, варианты осуществления относятся к способам и устройству для улавливания диоксида углерода для увеличения эффективности и уменьшения затрат в турбинных системах с низким уровнем выбросов загрязняющих веществ.
Ниже представлены различные аспекты данной области техники, которые могут быть связаны с типичными вариантами осуществления данного изобретения. Это содействует лучшему пониманию определенных аспектов данного изобретения. Соответственно, следует понимать, что этот раздел должен быть принят в этом свете, и необязательно в качестве одобрения существующего уровня техники.
Многие нефтедобывающие страны испытывают значительный рост внутри страны потребности в энергии и заинтересованы в интенсификации добычи нефти (EOR) для увеличения извлечения нефти из нефтяных пластов. Две общепринятые технологии интенсификации добычи нефти (EOR) включают инжекцию азота (N2) для поддержания пластового давления и инжекцию диоксида углерода (СОг) для нагнетания в пласт смешивающихся с нефтью жидкостей для интенсификации добычи нефти (EOR). Имеет место также мировая проблема, связанная с выбросами парниковых газов (GHG) . Эта проблема в сочетании с реализацией политики ограничения промышленных выбросов с помощью установления квот и торговли ими во многих странах делает уменьшение выбросов СОг приоритетным для этих стран, а также для компаний, которые эксплуатируют в них системы добычи и переработки углеводородов.
Некоторые подходы к уменьшению выбросов СОг включают обезуглероживание топлива или улавливание после сжигания с применением растворителей, таких как амины. Однако оба эти решения являются дорогостоящими и уменьшают эффективность
генерации энергии, приводя к более низкой выработке энергии, увеличенной потребности в топливе и увеличенной стоимости электричества, чтобы отвечать потребности в местном энергообеспечении. В особенности, присутствие компонентов кислорода, S0X и N0X делает применение абсорбции аминовым растворителем весьма проблематичным. Другим подходом является кислородно-топливная газовая турбина, эксплуатируемая в комбинированном цикле (например, в которой бросовое тепло от газовой турбины Брайтон-цикла улавливают, чтобы образовать пар и произвести дополнительную энергию в цикле Ренкина). Однако отсутствуют коммерчески доступные газовые турбины, которые могут функционировать в таком цикле, и энергия, требующаяся, чтобы производить высокочистый кислород, существенно уменьшает общую эффективность процесса.
Кроме того, с ростом озабоченности в отношении глобального
изменения климата и влияния выбросов диоксида углерода, особое
внимание было уделено минимизации выбросов диоксида углерода от
электростанций. Газотурбинные электростанции являются
эффективными и имеют более низкую стоимость по сравнению с технологиями производства электроэнергии на основе ядерного топлива или угля. Улавливание диоксида углерода из отработавших газов газотурбинной электростанции является, однако, очень дорогостоящим по следующим причинам: (а) концентрация диоксида углерода в выпускной трубе является низкой, (Ь) требуется обрабатывать большой объем газа, (с) давление потока отработавших газов является низким, (d) большое количество кислорода присутствует в потоке отработавших газов, (е) дополнительное охлаждение топочного газа требуется перед введением в устройство для улавливания СОг, и (f) топочный газ насыщается водой после охлаждения, что увеличивает нагрузку на ребойлер в устройстве для улавливания СОг. Все эти факторы приводят к высокой стоимости улавливания диоксида углерода.
Соответственно, все еще имеется значительная потребность в процессе генерации энергии с низким уровнем выбросов загрязняющих веществ и высокой эффективностью с включенным улавливанием и извлечением СОг при уменьшенной стоимости.
В системах для генерации энергии с низким уровнем выбросов загрязняющих веществ, описанном в данном документе, отработавшие газы от газовых турбин с низким уровнем выбросов загрязняющих веществ, которые выпускаются на типичной электростанции комбинированного цикла со сжиганием природного газа (NGCC), вместо этого разделяются и извлекаются. Устройство, системы и способы по данному изобретению объединяют открытый цикл Брайтона, который использует окислитель и углеводородное топливо, чтобы генерировать энергию, с процессом отделения диоксида углерода. Отработавшие газы охлаждают, сжимают и разделяют, чтобы эффективным образом уловить СОг.
В системах и способах по данному изобретению отработавшие газы, выходящие из камеры сгорания газовой турбины с низким уровнем выбросов загрязняющих веществ, расширяются в расширителе и пропускаются через узел для рекуперации тепла (HRU), генерируя энергию и пар. Отработавшие газы затем охлаждают, сжимают и разделяют в процессе отделения СОг, чтобы образовать поток отходящего СОг и поток продукта, содержащий кислород и азот. Извлеченный СОг может быть инжектирован в углеводородные пластовые резервуары для интенсификации добычи нефти, быть связан, размещен в хранилище, продан или выпущен наружу. Поток продукта может быть расширен, чтобы генерировать дополнительную энергию перед тем, как быть выпущенным наружу, использован для поддержания давления в углеводородных пластовых резервуарах или использован где-либо в другом месте в системе. Посредством охлаждения и сжатия потока отработавших газов габариты и масса оборудования для отделения могут быть уменьшены, и эффективность процесса отделения может быть увеличена.
Указанные выше и другие преимущества данного изобретения могут стать очевидными при рассмотрении представленного ниже подробного описания и чертежей неограничивающих примеров вариантов осуществления, среди которых:
Фиг. 1 изображает систему для генерации энергии с низким уровнем выбросов загрязняющих веществ, включающее отделение С02.
Фиг. 2 изображает систему для генерации энергии с низким уровнем выбросов загрязняющих веществ, включающее отделение СОг с дополнительным нагреванием отработавших газов и потоков продуктов при применении камер сгорания.
В последующем разделе подробного описания описаны конкретные варианты осуществления данного изобретения, относящиеся к предпочтительным вариантам осуществления. Однако, поскольку представленное ниже описание относится к конкретному варианту осуществления или конкретному применению изобретения, оно предназначено служить лишь для иллюстративных целей и просто предоставляет описание типичных вариантов осуществления. Соответственно, данное изобретение не ограничивается конкретными вариантами осуществления, описанными ниже, и оно включает все варианты, модификации и эквиваленты, находящиеся в пределах сущности и объема прилагаемой формулы изобретения.
Определения использованных здесь различных терминов представлены ниже. В отношении пределов толкования терминов, использованных в формуле изобретения и не определенных ниже, следует использовать самые широкие определения, установленные специалистами в этой области техники и отраженные по меньшей мере в одной печатной публикации или одном выданном патенте.
Как использовано в данном документе, термин "природный газ" относится к многокомпонентному газу, полученному из нефтяной скважины (попутному газу) и/или из подземного газоносного пласта (газу, добываемому без нефти). Состав и давление природного газа могут варьироваться значительным образом. Поток типичного природного газа содержит метан (СЩ) в качестве основного компонента, т.е. более чем 50 мол.% потока природного газа составляет метан. Поток природного газа может также содержать этан (СгНб) , более высокомолекулярные углеводороды (например, С3-С20 углеводороды), один или несколько кислых газов (например, диоксид углерода или сероводород) или любую их комбинацию. Природный газ может также содержать небольшие количества загрязняющих веществ, таких как вода, азот, сульфид железа, парафин, неочищенная нефть, или любой их комбинации.
Как использовано в данном документе, термин "стехиометрическое горение" относится к реакции горения, имеющей некоторый объем реагентов, включающих топливо и окислитель, и объем продуктов, образованных посредством сгорания реагентов, в которой весь объем реагентов используется для образования продуктов. Как использовано в данном документе, термин "по существу стехиометрическое" горение" относится к реакции горения, имеющей молярное отношение топлива для горения к кислороду в интервале от примерно 0,9:1 до примерно 1,1:1 или более предпочтительно от примерно 0,95:1 до примерно 1,05:1. Применение термина "стехиометрическое" в данном документе означает охватывание как стехиометрических, так и по существу стехиометрические условия, если не указано иное.
Как использовано в данном документе, термин "поток" относится к объему текучих сред, хотя применение термина "поток" обычно означает перемещающийся объем текучих сред (например, обладающий скоростью или массовым расходом). Термин "поток", однако, не требует скорости, массового расхода или конкретного вида трубопровода, заключающего в себе поток.
Варианты осуществления описанных здесь систем и процессов могут быть применены, чтобы производить электроэнергию с низким уровнем выбросов загрязняющих веществ и СОг для интенсификации добычи нефти (EOR) или видов применения с его связыванием. В соответствии с вариантами осуществления, описанными в данном документе, смесь сжатого окислителя (обычно воздуха) и топлива сжигают и отработавшие газы расширяют, чтобы генерировать энергию. Отработавшие газы затем охлаждают, сжимают и разделяют, чтобы уловить СОг и образовать поток продукта, содержащий кислород и азот. В видах применения для интенсификации добычи нефти (EOR) извлеченный СОг инжектируют в скважины для добычи нефти или рядом с ними, обычно при сверхкритических условиях. СОг действует в качестве агента для повышения давления, а также, когда он растворен в подземной неочищенной нефти, существенно снижает вязкость нефти, делая возможным более быстрое протекание нефти через грунт к скважине для извлечения. Системы и процессы в данном документе также
образуют поток продукта, который может содержать кислород и азот в различных количествах. Поток продукта может быть использован, чтобы генерировать дополнительную энергию, и может также быть использован для различных целей, включающих виды применения для поддержания давления. В видах применения для поддержания давления инертный газ, такой как азот, сжимают и инжектируют в углеводородный пластовый резервуар, чтобы поддерживать первоначальное давление в пластовом резервуаре, делая тем самым возможным улучшенное извлечение углеводородов. Результатом систем, описанных в данном документе, является выработка энергии и производство или улавливание дополнительного СОг при экономически более эффективном уровне.
В системах и способах, описанных в данном документе, один
или несколько окислителей сжимают и сжигают с одним или
несколькими топливами в камере сгорания. Окислитель может
содержать любую кислородсодержащую текучую среду, такую как
атмосферный воздух, воздух, обогащенный кислородом, по существу
чистый кислород, или их комбинации. Один или несколько
окислителей могут быть сжаты в одном или нескольких
компрессорах. Каждый компрессор может содержать единственную
ступень или несколько ступеней. В многоступенчатых компрессорах
промежуточное охлаждение может быть опционально использовано,
чтобы сделать возможными более высокие общие степени сжатия и
более высокую общую мощность на выходе. Компрессор может быть
любого типа, подходящим для процесса, описанного в данном
документе. Такие компрессоры включают, однако без ограничения
ими, осевые, центробежные, поршневые или двухвинтовые
компрессоры и их комбинации. Топливо может содержать природный
газ, попутный газ, дизельное топливо, топочный мазут,
газифицированный уголь, кокс, лигроин, бутан, пропан, синтез-
газ, керосин, авиационное топливо, биотопливо, оксигенированное
углеводородное сырье, любые другие подходящие
углеводородсодержащие газы или жидкости, водород или их комбинации. Кроме того, топливо может содержать инертные компоненты, включающие, однако не ограничиваясь ими, N2 или СОг-В некоторых вариантах осуществления топливо может по меньшей
мере частично подаваться от углеводородного пластового резервуара, что выгодно с точки зрения интенсификации добычи нефти с помощью инжекции СОг, уловленного посредством процесса, описанного в данном документе. Условия сжигания в камере сгорания могут быть обедненными, стехиометрическими или по существу стехиометрическими или обогащенными. В одном или нескольких вариантах осуществления условия сжигания являются стехиометрическими или по существу стехиометрическими.
В некоторых вариантах осуществления пар при высоком давлении может быть использован в качестве охлаждающего средства в процессе сгорания. В таких вариантах осуществления добавление пара будет снижать требования в отношении мощности и габаритов, однако потребует добавления контура для рециркуляции воды. Кроме того, в других вариантах осуществления сжатый окислитель, подаваемый в камеру сгорания, может содержать аргон. Например, окислитель может содержать от примерно 0,1 до примерно 5,0 об.% аргона или от примерно 1,0 до примерно 4,5 об.% аргона или от примерно 2,0 до примерно 4,0 об.% аргона или от примерно 2,5 до примерно 3,5 об.% аргона или примерно 3,0 об.% аргона.
Сжигание окислителя и топлива в камере сгорания образует поток отработавших газов, который затем расширяется. Поток отработавших газов содержит продукты сгорания, и его состав будет изменяться в зависимости от состава используемых топлива и окислителя. В одном или нескольких вариантах осуществления поток отработавших газов, выпускаемый из камеры сгорания, может содержать испаренную воду, СОг, СО, кислород, азот, аргон, оксиды азота (NOx) , оксиды серы (SOx), сероводород (H2S) или их комбинации. Выпускаемый поток отработавших газов может быть расширен в одном или нескольких расширителях. Каждый из одного или нескольких расширителей может содержать единственную ступень или несколько ступеней. Расширитель может быть расширителем любого типа, подходящим для процесса, описанного в данном документе, включая, однако не ограничиваясь ими, осевые или центробежные расширители или их комбинации. Расширение потока отработавших газов генерирует энергию, которая может
быть использована, чтобы приводить в действие один или несколько компрессоров или электрических генераторов. В одном или нескольких вариантах осуществления данного изобретения расширитель соединяют с компрессором для окислителя посредством общего вала или другого механического, электрического или иного силового соединения таким образом, что компрессор для окислителя по меньшей мере частично приводится в действие расширителем. В других вариантах осуществления компрессор для окислителя может быть механически соединен с электродвигателем с узлом для увеличения или уменьшения скорости, таким как коробка скоростей, или без него. В совокупности, компрессор для окислителя, камера сгорания и расширитель отработавших газов могут быть охарактеризованы как открытый цикл Брайтона.
После расширения, поток отработавших газов может в
некоторых вариантах осуществления быть охлажден в узле для
рекуперации тепла (HRU). Узел для рекуперации тепла (HRU) может
быть любым устройством или процессом, предназначенным для
охлаждения отходящего потока из расширителя, таким как,
например, один или несколько теплоутилизационных
парогенераторов (HRSG), узлов для рекуперации технологического тепла, неводных испарительных узлов, или их комбинациями. Узел для рекуперации тепла (HRU) может быть сконфигурирован, чтобы генерировать тепло для применения в других процессах, например, для нагревания неочищенной нефти для перегонной установки, нагревания водяного пара или не водяного пара для применения в системе с генерацией энергии в цикле Ренкина или для их комбинаций. В одном или нескольких вариантах осуществления узлом для рекуперации тепла (HRU) является теплоутилизационный парогенератор (HRSG). Теплоутилизационный парогенератор (HRSG) может быть сконфигурирован, чтобы утилизировать остаточное тепло в потоке отработавших газов, чтобы генерировать пар. Пар, образованный теплоутилизационным парогенератором (HRSG), может быть использован для различных целей, таких как приведение в действие паротурбинного генератора в цикле Ренкина или для опреснения воды. В одном или нескольких вариантах осуществления теплоутилизационный парогенератор (HRSG) может содержать
канальную горелку или несколько горелок, чтобы сделать возможным дожигание отработавших газов. Такое дожигание не только делает возможным увеличение производства пара и, тем самым, увеличение генерации энергии, но также увеличивает концентрацию СОг в потоке отработавших газов посредством сжигания по меньшей мере части кислорода в потоке. Затраты на улавливание и извлечение СОг из потока отработавших газов снижаются, поскольку концентрация СОг в потоке отработавших газов увеличивается.
В одном или нескольких вариантах осуществления данного изобретения поток отработавших газов, выходящий из узла для рекуперации тепла (HRU), может быть направлен в один или несколько охлаждающих узлов, сконфигурированных, чтобы снижать температуру потока отработавших газов. Охлаждающий узел может быть аппаратом любого типа, подходящим для снижения температуры отработавших газов, таким как, например, охладитель с непосредственным соприкосновением (DCC), конечный охладитель, механическая холодильная установка, или их комбинациями. В некоторых вариантах осуществления, охлаждающим узлом является охладитель с непосредственным соприкосновением (DCC). Охлаждающий узел может также быть сконфигурирован, чтобы удалять часть конденсированной воды из потока отработавших газов посредством потока удаляемой воды. В некоторых вариантах осуществления поток удаляемой воды может быть направлен в узел для рекуперации тепла (HRU), чтобы предоставить исходную воду для образования дополнительного пара.
После охлаждения посредством узла для рекуперации тепла (HRU) и/или охлаждающего узла, поток отработавших газов может быть подан к компрессору или нагнетательному вентилятору, сконфигурированному, чтобы увеличивать давление потока отработавших газов, посредством чего образуется поток сжатых отработавших газов. В одном или нескольких вариантах осуществления давление потока отработавших газов на выходе компрессора для отработавших газов может составлять от примерно 150 до примерно 450 фунтов на кв. дюйм (абс.давл.) (1,03-3,10 МПа) или от примерно 2 00 до примерно 4 00 фунтов на кв. дюйм
(абс.давл.) (1,38-2,76 МПа) или от примерно 250 до примерно 350 фунтов на кв. дюйм (абс.давл.) (1,72-2,41 МПа) . Охлаждение и сжатие потока отработавших газов направлены на решение проблем, связанных с большим объемом газа, который должен быть обработан, и низким давлением потока отработавших газов, которые обычно приводят к высоким затратам на улавливание СОг, делая, соответственно, улавливание и извлечение СОг в представляемых устройствах более эффективными и более экономичными.
После сжатия потока отработавших газов, в некоторых вариантах осуществления может быть желательным нагревание потока сжатых отработавших газов при применении необязательной дополнительной камеры сгорания или другого нагревательного узла. В некоторых вариантах осуществления камера сгорания может быть использована, чтобы нагревать поток сжатых отработавших газов до температуры от примерно 1100 до примерно 1700°F (593-927°С) или от примерно 1150 до примерно 1650°F (621-899°C) или от примерно 12 0 0 до примерно 1600°F (649-871°С) или от примерно 1250 до примерно 1550°F (677-843°С) или от примерно 1300 до
примерно 1500°F (704-81б°С). Следует принимать во внимание, что применение дополнительной камеры сгорания потребует дополнительного топлива, и топливо, подаваемое в камеру сгорания для отработавших газов, может быть таким же или отличаться от топлива, подаваемого в основную камеру сгорания, как описано ранее. В некоторых вариантах осуществления топливо может быть топливом, не содержащим углерод, таким как водород. Окислитель, требующийся в дополнительной камере сгорания, может быть подан посредством отдельного потока окислителя, или же может иметься достаточно окислителя в потоке сжатых отработавших газов, так что дополнительная подача окислителя не является необходимой.
Независимо от того, нагревают или нет поток сжатых отработавших газов в дополнительном нагревателе или другом устройстве, поток сжатых отработавших газов, выходящий из компрессора или камеры сгорания, может затем быть подан в
теплообменник, сконфигурированный, чтобы охлаждать поток сжатых отработавших газов, наряду с подачей тепла к другому технологическому потоку. В некоторых вариантах осуществления поток сжатых отработавших газов может подвергаться теплообмену с потоком продукта, выходящим из отделителя СОг, описанного более подробно ниже. В некоторых случаях, может быть желательным дополнительное охлаждение потока сжатых отработавших газов, в случае которого поток отработавших газов, выходящий из теплообменника, может быть направлен в дополнительный охлаждающий узел, такой как, например, конечный охладитель.
В одном или нескольких вариантах осуществления поток сжатых отработавших газов затем подают в один или несколько отделителей, в которых СОг и другие парниковые газы отделяют от потока отработавших газов. Процесс отделения СОг может быть любым подходящим процессом, предназначенным для отделения сжатых отработавших газов с образованием отходящего потока, содержащего СОг, и потока продукта, содержащего азот и кислород. Разделение компонентов отработавших газов предоставляет возможность для разных компонентов в отработавших газах быть обработанными различным образом. В идеальном случае, процесс отделения мог бы отделить все парниковые газы в отработавших газах, такие как СОг, СО, N0X, S0X и т.д., в отходящий поток, оставляя остающиеся компоненты отработавших газов, такие как азот, кислород и аргон, в потоке продукта. На практике, однако, процесс отделения не может отводить все парниковые газы из потока продукта, и некоторые непарниковые газы могут оставаться в отходящем потоке. Может быть использован любой подходящий процесс отделения, приспособленный для достижения желательного результата. В одном или нескольких вариантах осуществления процессом отделения является процесс, малочувствительный к кислороду. Примеры подходящих процессов отделения включают, однако без ограничения ими, процессы отделения с применением горячего раствора углекислого калия ("горячее выщелачивание (hot pot)"), отделение амином, отделение молекулярным ситом, мембранное отделение,
адсорбционное кинетическое отделение, отделение в зоне регулируемого замораживания и их комбинации. В некоторых вариантах осуществления отделитель СОг использует процесс отделения горячим выщелачиванием. В одном или нескольких вариантах осуществления данного изобретения процесс отделения выполняется при повышенном давлении (т.е. выше давления окружающей среды) и сконфигурирован, чтобы поддерживать поток продукта в сжатом состоянии. Поддержание давления процесса таким образом делает возможным применение оборудования для отделения меньших габаритов, предоставляет увеличенную эффективность отделения и делает возможным увеличение энергии, извлекаемой из потока продукта. В некоторых вариантах осуществления процесс отделения СОг выбирают и конфигурируют таким образом, чтобы максимизировать давление и/или температуру на выходе потока продукта.
Поток отходящего СОг может быть использован для различных видов применения. Например, отходящий поток может быть инжектирован в углеводородный пластовый резервуар для интенсификации добычи нефти (EOR) или может быть направлен в резервуар для связывания углерода или хранения. Отходящий поток может также быть продан, выпущен наружу или сожжен. В одном или нескольких вариантах осуществления по меньшей мере часть отходящего потока может быть рециркулирована и смешана с окислителем, вводимым в основную камеру сгорания, или добавлена непосредственно в камеру сгорания, чтобы действовать в качестве разбавителя для регулирования или сдерживания иным образом температуры сгорания и топочного газа, поступающего в последующий расширитель.
Необязательно, в одном или нескольких вариантах осуществления поток продукта из отделителя СОг, содержащий главным образом азот и кислород (и возможно содержащий аргон, когда воздух используют в качестве окислителя в основной или дополнительной камере сгорания), может быть направлен из отделителя в теплообменник, описанный выше, где поток продукта может быть использован, чтобы охлаждать поток сжатых отработавших газов. В одном или нескольких вариантах
осуществления протекание потока продукта и потока сжатых отработавших газов через теплообменник является противоточным. Протекание потока продукта через теплообменник служит для дополнительного нагревания потока продукта, предоставляющего возможность дополнительной генерации энергии в расширителе.
Кроме того, поток продукта может быть необязательно дополнительно нагрет при использовании дополнительной камеры сгорания или другого нагревательного узла. Следует принимать во внимание, что применение дополнительной камеры сгорания потребует дополнительного топлива. Если углеродсодержащее топливо используют в камере сгорания, то будет образовываться дополнительный СОг, который не будет извлекаться из потока продукта. Поэтому в некоторых вариантах осуществления топливо, используемое в камере сгорания для продукта, может быть топливом, не содержащим углерод, таким как водород. Окислитель, требующийся в дополнительной камере сгорания, может быть подан посредством отдельного потока окислителя, или же может иметься достаточно окислителя в потоке продукта, так что дополнительная подача окислителя не является необходимой.
После выхода из отделителя, теплообменника или камеры сгорания поток продукта может быть направлен в расширитель. В одном или нескольких вариантах осуществления расширитель может быть сконфигурирован, чтобы принимать поток продукта и выпускать те же самые газы примерно при давлении окружающей среды. Как будет понятно специалистам в данной области техники, расширитель производит энергию, и произведенная энергия может быть использована, чтобы приводить в действие один или несколько компрессоров или электрических генераторов в любой конфигурации, либо в составе описанного устройства, либо являющихся внешними узлами. Удобным образом, в одном или нескольких вариантах осуществления расширитель продукта может по меньшей мере частично приводить в действие компрессор для отработавших газов посредством общего вала или другого механического, электрического или иного силового соединения.
В одном или нескольких вариантах осуществления поток продукта может после расширения проходить через один или
несколько узлов для рекуперации тепла (HRU), таких как,
например, один или несколько теплоутилизационных
парогенераторов (HRSG). Один или несколько узлов для рекуперации тепла (HRU) могут быть сконфигурированы, чтобы утилизировать остаточное тепло в потоке для генерации водяного пара или иных не водяных паров. Водяной пар или иные пары, образованные одним или несколькими узлами для рекуперации тепла (HRU) могут быть использованы для различных целей, таких как приведение в действие турбинного генератора в цикле Ренкина или для опреснения воды. Кроме того, если какое-либо остаточное тепло остается в потоке продукта, выходящем из одного или нескольких узлов для рекуперации тепла (HRU), устройство может дополнительно содержать один или несколько теплообменников, сконфигурированных, чтобы передавать это тепло непаровой рабочей текучей среде. В таких вариантах осуществления непаровая рабочая текучая среда может необязательно быть использована для приведения в действие расширителя в цикле Ренкина.
Поток продукта может быть использован, полностью или частично, для различных видов применения. Например, поток продукта может быть инжектирован в углеводородный пластовый резервуар для поддержания давления. Поток продукта может также быть продан или выпущен наружу. В одном или нескольких вариантах осуществления, когда поддержание давления не является практически осуществимым выбором (или когда лишь часть потока продукта требуется для поддержания давления), поток продукта может быть охлажден, посредством расширения или другим методом, и использован для обеспечения охлаждения в устройствах, описанном в данном документе. Например, охлажденный поток продукта может быть использован, чтобы обеспечивать охлаждение для снижения температуры всасывания одного или нескольких компрессоров в устройстве, или чтобы охлаждать воду для применения в одном или нескольких охлаждающих узлов в устройстве.
В других вариантах осуществления, когда весь поток продукта или его часть не используется для поддержания
давления, поток продукта может вместо этого быть нагрет, таким образом, что дополнительная энергия может быть генерирована для применения в другом месте устройства или для продажи. Некоторые методы нагревания потока продукта описаны выше, такие как поперечно точное протекание потока отработавших газов и потока продукта в теплообменнике или применение дополнительной камеры сгорания для подачи дополнительного тепла к потоку продукта. Другие возможные методы включают использование нагревательного змеевика в узле для рекуперации тепла (HRU), чтобы нагревать поток продукта, с применением катализа для сжигания какого-либо СО, присутствующего в потоке продукта, или нагревание предоставляется как следствие применения потока продукта для охлаждения (т.е., когда поток продукта обеспечивает охлаждение других потоков или узлов, сам поток нагревается).
На фиг.1 изображена система 100 для генерации энергии, сконфигурированная, чтобы обеспечивать отделение и улавливание СОг после сгорания. По меньшей мере в одном варианте осуществления система 100 для генерации энергии может иметь компрессор 118, связанный с расширителем 106 посредством общего вала 108 или другого механического, электрического или иного силового соединения, посредством чего предоставляется часть механической энергии, генерированной расширителем 10 6, чтобы приводить в действие компрессор 118. Расширитель 106 может генерировать энергию также для других видов применения, таких как приведение в действие другого компрессора, электрического генератора или т.п. Компрессор 118 и расширитель 106 могут образовывать, соответственно, сжимающий и расширительный концы стандартной газовой турбины. В других вариантах осуществления, однако, компрессор 118 и расширитель 106 могут являться индивидуальными компонентами в устройстве.
Система 100 может также включать основную камеру сгорания 110, сконфигурированную, чтобы сжигать поток 112 топлива, смешанный со сжатым окислителем 114. В одном или нескольких вариантах осуществления поток 112 топлива может включать любой подходящий углеводородный газ или жидкость, такие как природный газ, метан, лигроин, бутан, пропан, синтез-газ, дизельное
топливо, керосин, авиационное топливо, топливо, произведенное из угля, биотопливо, оксигенированное углеводородное сырье или их комбинации. Поток 112 топлива может также содержать водород. Сжатый окислитель 114 может быть произведен компрессором 118, соединенным с возможностью протекания текучей среды с основной камерой сгорания 110 и приспособленным для сжатия подаваемого окислителя 120. Наряду с тем, что рассмотрение в данном документе предполагает, что подаваемым окислителем 120 является атмосферный воздух, окислитель может содержать любой подходящий газ, содержащий кислород, такой как воздух, воздух, обогащенный кислородом, по существу чистый кислород или их комбинации. В одном или нескольких вариантах осуществления компрессор 118, камера сгорания 110 и расширитель 106 в совокупности могут быть охарактеризованы как открытый цикл Брайтона.
Выпускаемый поток 116 отработавших газов образуется в качестве продукта сгорания потока 112 топлива и сжатого окислителя 114 и направляется к впускному отверстию расширителя 106. По меньшей мере в одном варианте осуществления поток 112 топлива может быть в основном природным газом, образующим, соответственно, отработавшие газы 116, включающие объемные доли испаренной воды, С02, СО, кислорода, азота, аргона, оксидов азота (NOx) и оксидов серы (SOx) . В некоторых вариантах осуществления небольшая часть несгоревшего 112 топлива или других соединений может также присутствовать в выпускаемом потоке 116 вследствие равновесных ограничений сгорания. Когда выпускаемый поток 116 расширяется посредством расширителя 10 6, он генерирует механическую энергию для приведения в действие компрессора 118 или другого оборудования, и также производит поток 122 отработавших газов.
Из расширителя 106 поток 122 отработавших газов направляется в теплоутилизационный парогенератор (HRSG) 12 6, сконфигурированный, чтобы использовать остаточное тепло в потоке 122 отработавших газов для образования пара 130 и потока 132 отработавших газов. Следует заметить, что хотя теплоутилизационный парогенератор (HRSG) представлен в качестве примера на фиг.1, может быть использован любой подходящий узел
для рекуперации тепла (HRU), описанный ранее. В некоторых вариантах осуществления теплоутилизационный парогенератор (HRSG) 126 включает систему канальной горелки (не показано), чтобы обеспечивать дожигание отработавших газов, увеличивая тем самым концентрацию СОг в отработавших газах. Пар 130, образованный теплоутилизационным парогенератором (HRSG) 12 6, может находить различное применение, такое как, например, генерирование дополнительной энергии посредством приведения в действие паротурбинного генератора в цикле Ренкина или для опреснения воды.
Отработавшие газы 132 могут быть направлены по меньшей мере в один охлаждающий узел 134, сконфигурированный, чтобы снижать температуру отработавших газов 132 и образовывать охлажденный поток 14 0 отработавших газов. В одном или нескольких вариантах осуществления охлаждающий узел 134 рассматривается в данном документе как являющийся охладителем с непосредственным соприкосновением (DCC), однако он может быть любым подходящим охлаждающим узлом, таким как охладитель с непосредственным соприкосновением, конечным охладителем, механической холодильной установкой, или их комбинациями. Охлаждающий узел 134 может также быть сконфигурирован, чтобы удалять часть конденсированной воды посредством потока 13 6 для удаления воды.
В одном или нескольких вариантах осуществления охлажденный поток 140 отработавших газов может быть направлен в компрессор 142 для отработавших газов, соединенный с возможностью протекания текучей среды с охлаждающим узлом 134. Компрессор 142 может быть сконфигурирован, чтобы повышать давление охлажденного потока 140 отработавших газов перед его разделением, посредством чего образуется поток 144 сжатых отработавших газов. Из компрессора 142 поток 144 сжатых отработавших газов направляют в теплообменник 152, в котором он охлаждается посредством теплообмена с охлаждающей текучей средой, образуя поток 154 сжатых отработавших газов. В одном или нескольких вариантах осуществления охлаждающая текучая среда, используемая в теплообменнике 152, является потоком 164
продукта из отделителя 162, как рассмотрено более подробно ниже.
Система 100 также включает систему для отделения СОг- В одном или нескольких вариантах осуществления поток 154 сжатых отработавших газов направляют в отделитель 162 СОг- Отделитель 162 СОг может использовать любой из множества процессов отделения, предназначенных для разделения потока 154 сжатых отработавших газов на отходящий поток 166, содержащий СОг, и поток 164 продукта, в основном содержащий азот и кислород и, в некоторых случаях, аргон. Например, отделитель 162 может спроектирован, чтобы разделять поток 154 сжатых отработавших газов с применением химического процесса отделения, такого как процесс отделения с применением горячего раствора углекислого калия ("горячее выщелачивание"), отделение амином или отделение с применением адсорбента, такого как молекулярное сито. Другие процессы отделения включают физическое отделение с применением мембран или такие процессы как адсорбционное кинетическое отделение или отделение в зоне регулируемого замораживания. В некоторых вариантах осуществления могут быть использованы комбинации вышеуказанных методов отделения. Отходящий поток 166 может быть использован для различных видов применения ниже по течению потока, таких как инжекция в углеводородный пластовый резервуар для интенсификации добычи нефти (EOR), связывания углерода, хранения, продажи или рециркулирования в камеру сгорания 110 для применения в качестве разбавителя, чтобы содействовать сгоранию сжатого окислителя 114 и первоначального топлива 112 и увеличивать концентрацию СОг в выпускаемом потоке 116 отработавших газов. Отходящий поток 166 может также быть выпущен наружу или сожжен. В одном или нескольких вариантах осуществления процесс отделения СОг может быть сконфигурирован, чтобы максимизировать температуру или давление потока 164 продукта.
В одном или нескольких вариантах осуществления поток 164 продукта, выходящий из отделителя 162, может быть необязательно использован для дополнительной генерации энергии. Например, поток 164 продукта может быть нагрет в теплообменнике 152,
сконфигурированном, чтобы передавать тепло от потока 144 сжатых отработавших газов потоку 164 продукта. После выхода из теплообменника 152 поток 17 0 продукта может быть затем направлен в расширитель 172. Энергия, генерируемая расширителем 172 продукта, может быть использована для различных целей, например, чтобы по меньшей мере частично приводить в действие компрессор 142 для отработавших газов или один или несколько дополнительных компрессоров (не показаны) или чтобы приводить в действие электрический генератор. В некоторых вариантах осуществления, когда тот или другой поток продукта инжектируют в резервуар для поддержания давления, расширитель 172 может быть использован, чтобы приводить в действие компрессор на трубопроводе или инжекционный компрессор.
В одном или нескольких вариантах осуществления расширенный поток 174 продукта, выходящий из расширителя 172 может быть направлен в узел для рекуперации тепла (не показан) для дополнительной генерации энергии. Поток 174 продукта, подобно отходящему потоку 166, может также быть использован для различных видов применения, включающих поддержание давления, дополнительную генерацию энергии, хранение или выпуск.
При обращении теперь к фиг.2, изображена альтернативная конфигурация системы 100 для генерации энергии по фиг.1, реализованной и описанной как система 200. Как таковая, фиг. 2 может быть лучше понята при ссылке на фиг.1. В системе 200 на фиг.2, дополнительное нагревание потока 144 сжатых отработавших газов и потока 170 продукта обеспечивается посредством камер сгорания 210 и 220, соответственно. В частности, поток 144 сжатых отработавших газов направляют в дополнительную камеру сгорания 210, сконфигурированную, чтобы сжигать поток 214 топлива для дополнительного нагревания потока 144 сжатых отработавших газов, что приводит к образованию потока 212 сжатых отработавших газов, имеющего более высокую температуру, чем поток 144. Поток 214 топлива может иметь такой же состав, что и поток 112 топлива, или может иметь другой состав. Подобным образом, поток 17 0 продукта направляют в дополнительную камеру сгорания 22 0, сконфигурированную, чтобы
сжигать поток 224 топлива для дополнительного нагревания потока 170 продукта, что приводит к образованию потока 222 продукта, имеющего более высокую температуру, чем поток 17 0 продукта. Поток 224 топлива может иметь такой же состав, что и поток 112 топлива и/или поток 214 топлива, или может иметь другой состав. В некоторых вариантах осуществления поток топлива 224 подает топливо, не содержащее углерод, такое как топливо, содержащее водород, в камеру сгорания 220. В одном или нескольких вариантах осуществления единственная система регулирования может быть использована для контроля и регулирования пуска, функционирования и отключения одного, некоторых или всех узлов из компрессора 118, камеры сгорания 110, расширителя 10 6, теплоутилизационного парогенератора (HRSG) 12 6, охлаждающего узла 134, компрессора 142 для отработавших газов, расширителя 172 продукта и одной или обеих дополнительных камер сгорания 210 и 220.
Наряду с тем, что представленное раскрытие данного
изобретения допускает различные модификации и варианты, выше
были рассмотрены типичные варианты осуществления,
представленные лишь в качестве примера. Любые признаки или конфигурации любого варианта осуществления, описанного в данном документе, могут быть объединены с любым другим вариантом осуществления или с несколькими другими вариантами осуществления (в пределах реального выполнения) и все такие комбинации входят в объем данного изобретения. Кроме того, следует понимать, что данное изобретение не ограничивается частными вариантами осуществления, раскрытыми в данном документе. Фактически, данное изобретение включает все варианты, модификации и эквиваленты, находящиеся в пределах сущности и объема прилагаемой формулы изобретения.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Система для генерации энергии, содержащая:
первый компрессор, выполненный с возможностью приема и сжатия одного или нескольких окислителей;
первую камеру сгорания, выполненную с возможностью приема и сжигания сжатого окислителя и по меньшей мере одного первоначального топлива с образованием потока отработавших газов;
первый расширитель, выполненный с возможностью приема потока, выпускаемого из первой камеры сгорания, и образования потока отработавших газов;
узел для рекуперации тепла паром, выполненный с возможностью приема и охлаждения потока отработавших газов и образования пара;
первый охлаждающий узел, выполненный с возможностью приема и дополнительного охлаждения потока отработавших газов;
второй компрессор, выполненный с возможностью приема и сжатия потока отработавших газов; и
отделитель, выполненный с возможностью приема и разделения потока сжатых отработавших газов на поток отходящего СОг и поток продукта.
2. Система по п.1, дополнительно содержащая теплообменник, выполненный с возможностью приема потока сжатых отработавших газов из второго компрессора и охлаждения потока сжатых отработавших газов перед подачей потока сжатых отработавших газов в отделитель.
3. Система по п.2, в которой теплообменник охлаждает поток сжатых отработавших газов посредством теплообмена с потоком продукта, выходящим из отделителя.
4. Система по п.1, в которой узлом для рекуперации тепла является теплоутилизационный парогенератор.
5. Система по п. 4, в которой теплоутилизационный парогенератор содержит канальную горелку.
6. Система по п.1, дополнительно содержащая камеру сгорания, выполненный с возможностью приема потока сжатых отработавших газов из второго компрессора и нагревания потока
5.
сжатых отработавших газов перед подачей потока сжатых отработавших газов в теплообменник.
7. Система по п.З, дополнительно содержащая второй расширитель, выполненный с возможностью приема потока продукта от теплообменника и расширения потока продукта.
8. Система по п.7, дополнительно содержащая камеру сгорания, выполненную с возможностью приема потока продукта от теплообменника и нагревания потока продукта перед подачей потока продукта во второй расширитель.
9. Система по п.2, дополнительно содержащая второй охлаждающий узел, выполненный с возможностью приема потока сжатых отработавших газов из теплообменника и дополнительного охлаждения потока сжатых отработавших газов перед направлением потока сжатых отработавших газов в отделитель.
10. Система по п.1, в которой отделитель использует процесс отделения, выбранный из процесса с применением горячего раствора углекислого калия, отделения амином, отделения молекулярным ситом, мембранного отделения, адсорбционного кинетического отделения, отделения в зоне регулируемого замораживания и их комбинаций.
11. Система по п.10, в которой отделитель использует процесс отделения с применением горячего раствора углекислого калия.
12. Система по п.1, в которой поток продукта содержит кислород и азот.
13. Система по п.1, в которой отходящий поток СОг используют для интенсификации добычи нефти в углеводородном пластовом резервуаре.
14. Система по п.12, в которой поток продукта используют для поддержания давления в углеводородном пластовом резервуаре.
15. Система по п. 8, в которой камера сгорания использует топливо, не содержащее углерода.
16. Система по п.15, в которой топливо содержит водород.
17. Способ генерации энергии, в котором осуществляют:
сжатие одного или нескольких окислителей в первом
компрессоре;
подачу сжатого окислителя и по меньшей мере одного первоначального топлива в первую камеру сгорания;
сжигание сжатого окислителя и по меньшей мере одного топлива в первой камере сгорания с образованием потока отработавших газов;
расширение потока отработавших газов в первом расширителе с образованием потока отработавших газов;
охлаждение потока отработавших газов в узле для рекуперации тепла;
дополнительное охлаждение потока отработавших газов в охлаждающем узле;
сжатие потока отработавших газов во втором компрессоре с образованием потока сжатых отработавших газов; и
разделение потока сжатых отработавших газов с образованием отходящего потока, содержащего СОг, и потока продукта.
18. Способ по п.17, в котором дополнительно охлаждают поток сжатых отработавших газов в теплообменнике перед разделением потока сжатых отработавших газов.
19. Способ по п.18, в котором поток сжатых отработавших газов охлаждают посредством теплообмена с потоком продукта.
20. Способ по п.17, в котором узлом для рекуперации тепла является теплоутилизационный парогенератор.
21. Способ по п.20, в котором теплоутилизационный
парогенератор содержит канальную горелку.
22. Способ по п.18, в котором дополнительно нагревают поток сжатых отработавших газов перед подачей потока сжатых отработавших газов в теплообменник.
23. Способ по п.22, в котором поток сжатых отработавших газов нагревают в камере сгорания.
24. Способ по п.19, в котором дополнительно осуществляют прием потока продукта от теплообменника и расширение потока продукта во втором расширителе, чтобы генерировать энергию.
25. Способ по п.24, в котором дополнительно осуществляют прием потока продукта от теплообменника и нагревание потока продукта перед расширением потока продукта.
26. Способ по п.25, в котором поток продукта нагревают в
камере сгорания.
27. Способ по п.18, в котором дополнительно осуществляют прием потока сжатых отработавших газов от теплообменника и дополнительное охлаждение потока сжатых отработавших газов перед разделением потока сжатых отработавших газов.
28. Способ по п.17, в котором поток сжатых отработавших газов разделяют при применении процесса отделения, выбранного из процесса с применением горячего раствора углекислого калия, отделения амином, отделения молекулярным ситом, мембранного отделения, адсорбционного кинетического отделения, отделения в зоне регулируемого замораживания и их комбинаций.
29. Способ по п.28, в котором поток сжатых отработавших газов разделяют при использовании процесса отделения с применением горячего раствора активированного углекислого калия.
30. Способ по п.17, в котором поток продукта содержит азот и кислород.
31. Способ по п.17, в котором дополнительно осуществляют сжатие отходящего потока и инжекцию сжатого отходящего потока в углеводородный пластовый резервуар для интенсификации добычи нефти.
32. Способ по п.24, в котором дополнительно подают
расширенный поток продукта в углеводородный пластовый резервуар
для поддержания давления.
33. Способ по п.2 6, в котором в камере сгорания используют топливо, не содержащее углерода.
34. Способ по п. 33, в котором топливо содержит водород.
По доверенности
154
166
162
164
152
144
130
к-- 180
174
ФИГ.1
172
CD 00
CD 00
(19)
(19)
(19)
(19)
112
100
112
100
112
100
112
100