В изобретении описан способ производства диоксида углерода в концентрированном виде и электроэнергии из углеводородного сырья, включающий следующие шаги: а) ввод воздушного сырьевого потока, содержащего воздух и возможно пар, и топливного сырьевого потока, содержащего метан и возможно водород и(или) пар, в автотермическую реакторную установку (АТР) для производства синтез-газа, в котором (i) температура топливного сырьевого потока находится в диапазоне от 350 до 700 °С, и (ii) молярное соотношение кислорода, содержащегося в воздушном сырьевом потоке к углероду (в углеводородах) в топливном сырьевом потоке составляет от 0,45:1 до 85:1, предпочтительно от 0,6:1 до 0,7:1, б) вывод потока синтез-газа, содержащего метан, водород, монооксид углерода, диоксид углерода, азот и возможно пар, из АТР и теплообмен потока синтез-газа с водным потоком для генерации пара и далее теплообмен потока синтез-газа по меньшей мере с одним технологическим потоком, выбранным из группы, состоящей из углеводородного сырья, сырьевого потока установки предварительной конверсии, топливного сырьевого потока, водородного потока, питательной котловой воды, воздушного сырьевого потока и пара для генерации перегретого пара, в) при необходимости, ввод пара в поток синтез-газа перед подачей по меньшей мере части потока синтез-газа на установку конверсии СО, в которой синтез-газ реагирует с паром с получением дополнительного диоксида углерода и водорода, г) вывод газового потока, конвертированного на установке конверсии СО, из установки конверсии СО и теплообмен газового потока, конвертированного на установке конверсии СО, по меньшей мере с одним технологическим потоком, выбранным из группы, состоящей из углеводородного сырья, сырьевого потока установки предварительной конверсии, топливного сырьевого потока, водородного потока, питательной котловой воды, воздушного теплового потока, воды для генерации пара и пара для генерации перегретого пара, д) подача газового потока, конвертированного на установке конверсии СО, в устройство для отделения диоксида углерода для отделения концентрированного потока диоксида углерода от водородного потока, содержащего водород и азот, е) сжигание по меньшей мере части водородного потока в газовой турбине, при котором газовая турбина приводит в действие электрогенератор с выработкой электроэнергии и при котором сжигание водородного потока генерирует отходящий газ.

[0001] Способ производства диоксида углерода в концентрированном виде и электроэнергии из углеводородного сырья, включающий шаги, на которых:

[0002] Способ по п.1, в котором отходящий газ, образующийся на шаге (е), подвергают теплообмену с паром, полученным на шаге (б), и/или с любым паром, полученным на шаге (г), для генерации перегретого пара, и перегретый пар подают в паровую турбину для выработки дополнительной электроэнергии.

[0003] Способ по п.1 или 2, в котором отходящий газ подвергают теплообмену с водой для генерации пара, который далее вступает в теплообмен с отходящим газом для генерации перегретого пара, и перегретый пар подают в паровую турбину для выработки дополнительной электроэнергии.

[0004] Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором топливный сырьевой поток содержит водород в количестве от 2 до 20 мол.%.

[0005] Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором топливный сырьевой поток содержит пар и молярное соотношение пара к углероду в углеводородах в топливном сырьевом потоке составляет до 3:1, предпочтительно находится в диапазоне от 1:1 до 2,5:1.

[0006] Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором топливный сырьевой поток получают пропусканием через установку предварительной конверсии предварительно нагретого сырьевого потока установки предварительной конверсии, содержащего смесь углеводородного сырья, выбранного из группы, состоящей из природного газа, сжиженного нефтяного газа и нефтяных дистиллятов и пара, в результате чего получают топливный сырьевой поток, содержащий метан, водород, пар и дополнительно монооксид углерода и диоксид углерода, причем сырьевой поток установки предварительной конверсии, по меньшей мере, частично предварительно нагревают теплообменом с потоком синтез-газа, полученного на шаге (б), и/или газовым потоком из установки конверсии СО, полученным на шаге (г).

[0007] Способ по п.6, в котором часть водородного потока, полученного на шаге (д), возвращают в углеводородное сырье или в сырьевой поток установки предварительной конверии перед этой установкой или в предварительно конвертированный поток за установкой предварительной конверсии и таким образом получают топливный сырьевой поток, содержащий водород в количестве от 2 до 20 мол.%.

[0008] Способ по п.6 или 7, в котором предварительно нагретое углеводородное сырье и часть водородного потока, полученного на шаге (д), пропускают через устройство гидрообессеривания перед АТР и установку предварительной конверсии и таким образом получают обессеренное углеводородное сырье, причем углеводородное сырье предварительно нагревают теплообменом с потоком синтез-газа, полученного на шаге (б), и/или с газовым потоком из установки конверсии СО, полученным на шаге (г), и/или с паром.

[0009] Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором водную фазу конденсируют из газового потока из установки конверсии СО на шаге (г) и удаляют из газового потока из установки конверсии СО перед подачей газового потока из этой установки в устройство отделения диоксида углерода на шаге (д).

[0010] Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором воздушный сырьевой поток предварительно нагревают до температуры в диапазоне от 200 до 730 °С теплообменом с отходящим газом, образовавшимся на шаге (е), и/или с потоком синтез-газа на шаге (б), и/или газовым потоком из установки конверсии СО на шаге (г).

[0011] Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором поток концентрированного диоксида углерода, полученного на шаге (д), нагнетают в нефтеносный подземный пласт для увеличения извлечения из него углеводородов или в истощенный подземный пласт, водоносный пласт или каверну для хранения.

[0012] Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором водородный поток, который сжигают в газовой турбине на шаге (е), содержит от 35 до 65 об.% водорода, предпочтительно от 46 до 60 об.% водорода, в частности от 48 до 52 об.% водорода.

[0013] Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором отходящий из газовой турбины газ подвергают теплообмену по меньшей мере с одним технологическим потоком, выбранным из воздушного сырьевого потока, топливного сырьевого потока, водородного потока, который сжигают в газовой турбине, питательной котловой воды, воды для генерации пара и пара для генерации перегретого пара в устройстве утилизации тепла и парогенераторе, расположенном за газовой турбиной.

Настоящее изобретение относится к способу производства диоксида углерода в концентрированном виде и электроэнергии из углеводородного сырья и, в частности, к способу, в котором концентрированный диоксид углерода нагнетают в нефтеносный пласт через нагнетательную скважину для вытеснения углеводородов в связанную с ней эксплуатационную скважину.

Известен способ выработки электроэнергии на электростанции с комбинированным парогазовым циклом, интегрированной с установкой конверсии, при котором газовая турбина отапливается водородсодержащим газом. Так, WO 00/03126 относится к способу производства электроэнергии, пара и диоксида углерода в концентрированном виде из углеводородного сырья, который включает в себя образование синтез-газа в автотермической реакторной установке (АТР) с воздушным перемешиванием, теплообмен образовавшегося синтез-газа с получением пара, конверсию по меньшей мере части синтез-газа в реакторе конверсии СО и устройство отделения диоксида углерода для получения концентрированного диоксида углерода и водородсодержащего газа, который, по меньшей мере, частично сжигают в газовой турбине с комбинированным циклом для выработки электроэнергии; воздух для упомянутой турбины подают в АТР, отходящий газ из газовой турбины подвергают теплообмену для генерации пара, который вместе с паром, генерированным перед турбиной, утилизируют в паровой турбине для выработки электроэнергии, главным образом без CO ₂ .

Настоящее изобретение предлагает альтернативный способ производства диоксида углерода в концентрированном виде и электроэнергии. Настоящее изобретение относится к способу производства диоксида углерода в концентрированном виде и электроэнергии из углеводородного сырья, включающему следующие шаги:

а) подачу воздушного сырьевого потока, содержащего воздух и, возможно, пар, и топливного сырьевого потока, содержащего метан и, возможно, водород и/или пар, в АТР для производства синтез-газа, в котором (i) температура топливного сырьевого потока находится в диапазоне от 350 до 700 °С и (ii) молярное соотношение кислорода, содержащегося в воздушном сырьевом потоке, к углероду (в углеводородах) в топливном сырьевом потоке находится в диапазоне от 0,45:1 до 0,85:1.

б) вывод потока синтез-газа, содержащего метан, водород, монооксид углерода, азот и, возможно, пар из АТР и теплообмен потока синтез-газа с водным потоком для генерации пара и затем последующий теплообмен потока синтез-газа по меньшей мере с одним технологическим потоком, выбранным из группы, состоящей из углеводородного сырья, сырьевого потока установки предварительной конверсии, топливного сырьевого потока, водородного потока, питательной котловой воды, воздушного сырьевого потока и пара для генерации перегретого пара;

в) при необходимости, ввод пара в поток синтез-газа перед подачей по меньшей мере части потока синтез-газа на установку конверсии СО, в которой синтез-газ реагирует с паром с получением дополнительного количества диоксида углерода и водорода;

г) вывод газового потока из установки конверсии СО и теплообмен газового потока с установки конверсии СО по меньшей мере с одним технологическим потоком, выбранным из группы, состоящей из углеводородного сырья, сырьевого потока установки предварительной конверсии, топливного сырьевого потока, водородного потока, питательной котловой воды, воздушного сырьевого потока, воды для генерации пара и перегретого пара;

д) подачу газового потока с установки конверсии СО в устройство отделения диоксида углерода для отделения концентрированного потока диоксида углерода от водородного потока, содержащего водород и азот;

е) сжигание по меньшей мере части водородного потока в газовой турбине, приводящей в действие электрогенератор, с выработкой электроэнергии и образованием отходящего газа.

В частном варианте любой перегретый пар, генерированный на шагах (б) и/или (г), можно подать в паровую турбину, приводящую в действие электрогенератор, и тем самым получить дополнительную электроэнергию. Перегретый пар, генерированный на шагах (б) и/или (г), можно также применить для привода механического технологического оборудования, такого как насосы и/или компрессоры, для нагрева топливного сырьевого потока, обеспечения теплом устройств отделения диоксида углерода, дегидратации концентрированного потока диоксида углерода или этот пар можно сбыть на сторону для технологических нужд. Подобные области применения могут быть альтернативой или дополнением к применению пара для генерирования электроэнергии.

При сжигании водородного потока в газовой турбине на шаге (е) образуется отходящий газ. Отходящий газ из газовой турбины можно подвергнуть теплообмену с паром, полученным на шаге (б), и/или с любым паром, полученным на шаге (г), для генерации перегретого пара. Отходящий газ можно также подвергнуть теплообмену с водой для генерации пара, полученный пар можно далее нагреть теплообменом с отходящим газом для генерации перегретого пара. Перегретый пар, генерированный при теплообмене с отходящим газом, можно применить для одной или нескольких целей, в том числе для подачи пара в паровую турбину для производства дополнительной электроэнергии для привода механического технологического оборудования, такого как насосы и/или компрессоры, для нагрева топливного сырьевого потока, для энергообеспечения устройств отделения диоксида углерода и дегидратации концентрированного потока диоксида углерода или для сбыта пара на стороне для технологических нужд.

Таким образом, способ осуществления настоящего изобретения относится к интеграции АТР с воздушным перемешиванием с электростанцией с комбинированным циклом. Электростанцию с комбинированным циклом здесь определяют как электростанцию, имеющую по меньшей мере одну газовую турбину, приводящую в действие электрогенератор, и в частном варианте по меньшей мере одну паровую турбину, приводящую в действие дополнительный электрогенератор.

Топливный сырьевой поток может содержать один или несколько дополнительных газообразных компонентов, выбранных из группы, состоящей из более тяжелых углеводородов с двумя или более атомами углерода, (ниже обозначаемые как углеводороды C ₂₊ ), диоксида углерода, азота и монооксида углерода.

Молярное соотношение кислорода, содержащегося в воздушном сырьевом потоке, к углероду (в углеводороде) в топливном сырьевом потоке находится в диапазоне от 0,45:1 до 0,85:1, предпочтительно от 0,6:1 до 0,7:1. Молярное соотношение кислорода к углероду относится к кислороду (O ₂ ), содержащемуся в воздушном сырьевом потоке, и к углероду в углеводородах топливного сырьевого потока (исключая углерод в диоксиде углерода и/или монооксиде углерода, которые присутствуют в топливном сырьевом потоке).

В частном варианте топливный сырьевой поток, который подают в АТР, содержит пар. Как правило, молярное соотношение пара к углероду (в углеводородах) в топливном сырьевом потоке, который подают в АТР, составляет до 3:1, предпочтительно 2,5:1. Предпочтительно, молярное соотношение пара к углероду (в углеводородах) в топливном сырьевом потоке находится в диапазоне от 0:1 до 3:1, предпочтительно от 0,3:1 до 3:1, в частности от 1:1 до 2,5:1. Молярное соотношение пара к углероду основано на углероде в углеводородах топливного сырьевого потока, исключая углерод в диоксиде углерода и/ или монооксиде углерода, которые присутствуют в топливном сырьевом потоке. Когда в технологическом потоке присутствует пар, мол.% основан на % от общего молярного расхода указанного потока.

Воздушный сырьевой поток может содержать пар. Предпочтительно, количество пара в воздушном сырьевом потоке составляет до 10 мол.%, в частности, 1 мол.%. Когда в воздушном сырьевом потоке также присутствует пар, предпочтительно регулировать количество пара, содержащегося в топливном сырьевом потоке таким образом, чтобы молярное соотношение пара к углероду (в углеводородах) на входе в АТР находилось в диапазоне от 0,3:1 до 3:1 (на основе общего количества молей пара в воздушном сырьевом потоке и топливном сырьевом потоке).

Топливный сырьевой поток, который подают в АТР, может содержать водород. Присутствие водорода в топливном сырьевом потоке благоприятно благодаря тому, что водород способствует воспламенению топливного сырьевого потока с кислородом, содержащимся в воздушном сырьевом потоке. Как правило, количество водорода в топливном сырьевом потоке находится в диапазоне от 0 до 20 мол.%, предпочтительно от 2 до 20 мол.%.

Воздушный сырьевой поток и топливный сырьевой поток можно подавать по отдельности в АТР. Относительные скорости подачи воздушного сырьевого потока и топливного сырьевого потока в АТР таковы, что молярное соотношение кислорода (O ₂ ), содержащегося в воздушном сырьевом потоке, к углероду (в углеводородах) в топливном сырьевом потоке находится в диапазоне от 0,45:1 до 0,85:1, предпочтительно от 0,6:1 до 0,7:1.

Топливный сырьевой поток подают в АТР при температуре в диапазоне от 350 до 700 °С, предпочтительно от 400 до 650 °С, в частности от 425 до 620 °С. Топливный сырьевой поток предпочтительно нагревают до требуемой температуры теплообменом топливного сырьевого потока или предшественника топливного сырьевого потока (такого как углеводородное сырье и/или сырьевой поток установки предварительной конверсии) с потоком синтез-газа, который получают на шаге (б), и/или с газовым потоком из установки конверсии СО, получаемым на шаге (б), и/или с потоком пара. Однако, когда топливный сырьевой газ вводят в АТР при температуре выше 600 °С, предпочтительно увеличить температуру топливного сырьевого потока с помощью печи внешнего обогрева. Однако настоящее изобретение не исключает увеличение температуры топливного сырьевого потока путем теплообмена с отходящим газом из газовой турбины.

Предпочтительно воздушный сырьевой поток вводят в АТР при температуре в диапазоне от 200 до 730 °С, как правило, при температуре в диапазоне от 250 до 600 °С, в частности от 450 до 550 °С. Предпочтительно воздушный сырьевой поток можно нагреть до требуемой температуры теплообменом с отходящим газом из газовой турбины. Однако, настоящее изобретение не исключает нагрев воздушного сырьевого потока до требуемой температуры путем теплообмена с потоком синтез-газа на шаге (б) или с газовым потоком из установки конверсии СО на шаге (г).

Как правило, топливный сырьевой поток получают пропусканием сырьевого потока установки предварительной конверсии, содержащего углеводородное сырье, и пара через установку предварительной конверсии, содержащую катализатор предварительной конверсии, для получения топливного сырьевого потока, содержащего метан, водород, монооксид углерода, диоксид углерода и пар. При необходимости можно увеличить содержание водорода в топливном сырьевом потоке. Этого можно достигнуть с помощью многошаговой предварительной конверсии путем использования высоких температур на входе в установку предварительной конверсии или рециркуляции водорода в топливный сырьевой поток. Например, часть водородного потока, полученного на шаге (д), можно рециркулировать в углеводородное сырье или сырьевой поток установки предварительной конверсии (перед установкой предварительной конверсии) или в предварительно конвертированный поток (за установкой предварительной конверсии).

Углеводородное сырье выбирают из группы, содержащей природный газ, сжиженный нефтяной газ (СНГ) и различные нефтяные дистилляты (например, нафта), предпочтительно природный газ.

Когда углеводородным сырьем является тощий природный газ, содержащий небольшие количества углеводородов C ₂₊ , нет необходимости в предварительной конверсии тощего природного газа. Таким образом, тощий природный газ можно непосредственно применять как топливный сырьевой поток для АТР. Тощий природный газ можно смешать с частью водородного потока, полученного на шаге (д), и тем самым получить топливный сырьевой поток, содержащий водород, предпочтительно в количестве от 2 до 20 мол.%. К топливному сырьевому потоку можно добавить пар в молярном соотношении пара к углероду (в углеводородах) до 3:1, предпочтительно от 1:1 до 2,5:1. Однако настоящее изобретение не исключает предварительную конверсию тощего природного газа.

Когда углеводородным сырьем является природный газ с высоким содержанием углеводородов C ₂₊ (например, этан, пропаны и бутаны), сырьевой природный газ и пар предпочтительно подают на установку предварительной конверсии, расположенную перед АТР. Соответственно, молярное соотношение пара к углероду (в углеводородах) в сырьевом потоке установки предварительной конверсии на входе в установку предварительной конверсии находится в диапазоне от 0,5:1 до 2,5:1. Преимущество расположения установки предварительной конверсии перед АТР заключается в том, что предварительно конвертированный поток, выходящий из установки предварительной конверсии, содержит меньшее количество углеводородов С ₂₊ и большее - водорода. Когда в сырьевом природном газе имеется достаточно высокое содержание углеводородов C ₂₊ , содержание водорода в предварительно конвертированном потоке может находиться в предпочтительном диапазоне от 2 до 20 мол.% для топливного сырьевого потока. Однако, когда содержание водорода в предварительно конвертированном потоке меньше, чем в предпочтительном диапазоне для топливного сырьевого потока, часть водородного потока, полученного на шаге (е), можно рециркулировать в сырьевой природный газ и/или предварительно конвертированный сырьевой поток (перед установкой предварительной конверсии) и/или в предварительно конвертированный поток (за установкой предварительной конверсии) для получения топливного сырьевого потока.

Когда углеводородным сырьем является нефтяной дистиллят (например, нафта), необходимо предварительно конвертированный сырьевой поток, содержащий нефтяной дистиллят и пар, пропустить через установку предварительной конверсии (расположенную перед АТР), в которой катализатор предварительной конверсии превращает, по существу, все углеводороды С _2+в в сырьевом потоке установки предварительной конверсии в метан, водород, монооксид углерода и диоксид углерода. Соответственно, молярное соотношение пара к углероду (в углеводородах) в сырьевом потоке установки предварительной конверсии на входе в установку предварительной конверсии по меньшей мере равно 1,0:1, предпочтительно от 1,0:1 до 4,5:1, в частности от 1,0:1 до 3,0:1. Когда углеводородным сырьем является нефтяной дистиллят, содержание водорода в предварительно конвертированном потоке может находиться в предпочтительном диапазоне для топливного сырьевого потока (от 2 до 20 мол.% водорода). Однако, если содержание водорода в предварительно конвертированном потоке меньше, чем в предпочтительном диапазоне для топливного сырьевого потока, часть водородного потока, полученного на шаге (е), можно рециркулировать в углеводородное сырье и/или сырьевой поток установки предварительной конверсии (перед установкой предварительной конверсии) и/или в предварительно конвертированный поток (за установкой предварительной конверсии) для генерирования топливного сырьевого потока. Соответственно, установка предварительной конверсии, содержащая катализатор предварительной конверсии, увеличивает гибкость в отношении углеводородного сырья.

Предпочтительно предлагается установка обессеривания, содержащая устройства гидрирования и обессеривания и размещаемая перед АТР и установкой предварительной конверсии (если таковая имеется) для удаления серосодержащих компонентов из углеводородного сырья (природный газ, СНГ или нефтяной дистиллят). Как правило, серосодержащие соединения превращают в сероводород путем восстановления водородом при высокой температуре над катализатором гидрообессеривания в устройстве гидрирования. Водородное сырье, которое подают в устройство гидрирования, составляет меньшую часть водородного потока, полученного на шаге (д). В устройство гидрирования подают достаточное количество водорода для того, чтобы, по существу, все сероорганические соединения, содержащиеся в углеводородном сырье, превратить в сероводород над катализатором гидрообессеривания. Затем сероводород удаляют из углеводородного сырья в устройстве обессеривания с помощью абсорбента, как правило, оксида цинка. Когда по меньшей мере часть водорода, содержащегося в топливном сырьевом потоке, извлекают из водородного потока, полученного на шаге (д), количество водорода, рециркулирующего в устройство гидрирования, предпочтительно достаточно высоко для содержания в топливном потоке предпочтительного количества водорода от 2 до 20 мол.%. Однако часть водородного потока, полученного на шаге (д), можно также рециркулировать в обессеренное углеводородное сырье за установкой обессеривания для того, чтобы топливный сырьевой поток содержал предпочтительное количество водорода. При наличии установки предварительной конверсии предпочтительно рециркулировать часть водородного потока, полученного на шаге (д), в предварительно конвертированный поток (за установкой предварительной конверсии). Таким образом, часть водородного потока, полученного на шаге (д), можно рециркулировать выше и ниже установки обессеривания.

Как правило, углеводородное сырье (природный газ, СНГ или нефтяной дистиллят), которое вводят на установку обессеривания, нагревают до температуры от 180 до 420 °С, например 230 °С, теплообменом с потоком синтез-газа, полученного на шаге (б), и/или с газовым потоком из установки конверсии СО, полученным на шаге (г), и/или с паром. Углеводородное сырье можно подать в устройство гидрирования установки обессеривания без дальнейшего нагрева при условии применения в устройстве гидрирования низкотемпературного катализатора гидрообессеривания, например никельмолибденоксидного катализатора гидрообессеривания.

Когда установка предварительной конверсии, содержащая катализатор предварительной конверсии, расположена выше АТР и углеводородным сырьем является природный газ, реакция предварительной конверсии является эндотермической, что приводит к типичному снижению температуры от 30 до 100 °С на установке предварительной конверсии; падение температуры зависит от температуры на входе в установку предварительной конверсии. Поэтому предпочтительно нагревать сырьевой поток установки предварительной конверсии (смесь сырьевого обессеренного природного газа и пара), который подают на установку предварительной конверсии, до температуры в диапазоне от 400 до 650 °С, более предпочтительно от 500 до 600 °С так, чтобы топливный сырьевой поток, выходящий из установки предварительной конверсии, имел температуру в предпочтительном диапазоне от 400 до 570 °С. Как правило, как предварительный нагрев сырьевого природного газа перед обессериванием, так и предварительный нагрев сырьевого потока установки предварительной конверсии (смесь обессеренного природного газа и пара), который подают на установку предварительной конверсии, осуществляют теплообменом с потоком синтез-газа, полученным на шаге (б), и/или с газовым потоком из установки конверсии СО, полученным на ступени (г), и/или с паром. Как указывалось выше, когда сырьевой поток установки предварительной конверсии необходимо нагреть до температуры выше 600 °С, можно использовать печь внешнего нагрева, по меньшей мере, на конечной ступени промежуточного нагрева. Однако настоящее изобретение не исключает увеличение температуры сырьевого потока установки предварительной конверсии путем теплообмена с отходящим из турбины газом.

Когда установка предварительной конверсии, содержащая катализатор предварительной конверсии, расположена перед АТР и углеводородное сырье представляет собой газообразный нефтяной дистиллят, например, нафту, реакция предварительной конверсии может быть экзотермической с увеличением температуры, как правило, на 40-60 °С на установке предварительной конверсии. Подобное увеличение температуры способствует нагреву топливного сырьевого потока до требуемой температуры от 350 до 700 °С.

Автотермический реактор (АТР) представляет собой реактор с воздушным перемешиванием. Соответственно, воздушный сырьевой поток в АТР подвергают сжатию в многоступенчатом воздушном компрессоре, например компрессоре, имеющем от 4 до 8 ступеней, предпочтительно 6 ступеней. Как указывалось выше, к воздуху можно добавить пар в количестве до 10 мол.%, в частности до 1 мол.%. Однако предпочтительно извлекать технологический воздух для АТР на выходе воздушного компрессора газовой турбины и увеличивать давление воздушного нагнетаемого потока до требуемого давления нагнетания в АТР.

Реакции в автотермической установке конверсии приводят к значительному подъему температуры на установке автотермической конверсии. Как правило, поток синтез-газа, выходящий из АТР, при равновесных параметрах конверсии имеет температуру в диапазоне от 800 до 1000 °С, например, примерно 900 °С и его можно охладить теплообменом с водой. Предпочтительно синтез-газ охлаждают теплообменом с водным потоком высокого давления в котле-утилизаторе с генерированием пара высокого давления ВД. Поток синтез-газа далее предпочтительно охлаждают против обессеренного углеводородного сырья в печи нагрева сырья предварительной конверсии. Наконец, остаток тепловой энергии потока синтез-газа предпочтительно используют для генерирования дополнительного пара ВД в теплообменнике, как правило, в котле-утилизаторе. Таким образом, возможно наличие двух котлов-утилизаторов, связанных с АТР. Предпочтительно пар ВД имеет давление от 35 до 200 бар изб, предпочтительно от 50 до 150 бар изб. Как правило, пар ВД представляет собой насыщенный пар ВД. Пар ВД из котла(ов)-утилизатора(ов) далее нагревают теплообменом с отходящим газом газовой турбины для генерирования перегретого пара ВД. Как правило, перегретый пар ВД имеет температуру в диапазоне от 450 до 600 °С. Затем перегретый пар ВД подают в паровую турбину электростанции. Предпочтительно, паровая турбина электростанции представляет собой многоступенчатую паровую турбину и перегретый пар ВД подают на первую ступень высокого давления паровой турбины.

Пар, который подают на установку предварительной конверсии, может представлять собой поток отработавшего пара из паровой турбины или пар, который генерируют теплообменом воды с отходящим газом газовой турбины, посредством чего осуществляется дальнейшее интегрирование установки предварительной конверсии с электростанцией с комбинированным циклом. Предпочтительно пар вводят в обессеренное углеводородное сырье перед установкой предварительной конверсии. Пар может быть паром (СД), в этом случае предпочтительно отбирать пар СД из отработавших газов первой ступени многоступенчатой паровой турбины.

По меньшей мере часть охлажденного синтез-газа на шаге (б) подают в установку конверсии СО, в которой монооксид углерода конвертируют до диоксида углерода над катализатором конверсии СО, в соответствии с реакцией конверсии водяного газа (РКВГ).

Избыток пара, предпочтительно пар СД, добавляют к обессеренному углеводородному сырью перед установкой предварительной конверсии, чтобы для реакции конверсии водяного газа имелось достаточное количество пара. В другом варианте пар (предпочтительно пар СД) можно ввести в поток охлажденного синтез-газа с шага (б) перед вводом потока синтез-газа в установку конверсии СО.

Установка конверсии СО может представлять собой единичный реактор конверсии СО, содержащий катализатор конверсии СО. Однако предпочтительно, чтобы установка конверсии СО содержала высокотемпературный реактор конверсии СО с высокотемпературным катализатором конверсии СО и низкотемпературный реактор конверсии СО с низкотемпературным катализатором конверсии СО.

Реакция водяного газа является экзотермической и приводит к значительному росту температур на установке конверсии СО. Установку конверсии СО охлаждают непрерывным отводом части газового потока из установки конверсии СО и охлаждением этого потока теплообменом с одним или более технологическими потоками. Когда на установке конверсии СО имеются высокотемпературный и низкотемпературный реакторы конверсии СО, технологический газ, выходящий из высокотемпературного реактора конверсии СО, охлаждают в два шага. На первом шаге охлаждения тепло высокотемпературной реакции конверсии СО можно использовать для генерирования пара ВД, например, в высокотемпературном котле-утилизаторе теплообменом с питательной котловой водой. На второй ступени охлаждения охлажденный газ, выходящий из котла-утилизатора, можно далее охладить теплообменом с технологическим потоком, выбранным из группы, состоящей из углеводородного сырья, сырьевого потока установки предварительной конверсии, топливного сырьевого потока, водородного потока, питательной котловой воды и пара (для генерирования перегретого пара) перед подачей в установку низкотемпературной конверсии СО. Газовый поток из установки конверсии СО, который выходит из низкотемпературного реактора конверсии СО, предпочтительно охлаждают теплообменом по меньшей мере с одним технологическим потоком, выбранным из углеводородного сырья, сырьевого потока установки предварительной конверсии, топливного сырьевого потока, водородного потока и питательной котловой воды.

Газовый поток из установки конверсии СО содержит главным образом водород, азот, диоксид углерода и пар. Как правило, газовый поток из установки конверсии СО также содержит небольшие количества монооксида углерода и метана. Благодаря присутствию пара, водная фаза (конденсат) конденсируется из охлажденного газового потока из установки конверсии СО, которую необходимо удалить из газового потока из установки конверсии СО. Как правило, конденсат отделяют от охлажденного газового потока из установки конверсии СО в конденсационном горшке. Газовый поток из реактора конверсии СО можно далее охладить против по меньшей мере одного технологического потока, выбранного из углеводородного сырья, сырьевого потока установки предварительной конверсии, топливного сырьевого потока, воздушного сырьевого потока и водородного потока, так что конденсат далее конденсируют из газового потока из установки конверсии СО и удаляют в другом конденсационном горшке. Отделенный конденсат можно подать в отпарную колонну или сатурационную систему для удаления летучих загрязнений, в частности, аммиака, цианистого водорода и диоксида углерода. Когда отделенный конденсат подают в отпарную колонну, пар, как правило, вводят в отпарную колонну в промежуточной позиции, паровой поток (состоящий из пара и летучих загрязнений) отводят с верха отпарной колонны и поток конденсата - с низа отпарной колонны. Паровой поток применяют как пар на установке предварительной конверсии (если таковая имеется) или АТР. Преимущество применения верхнего потока отпарной колонны в качестве пара для установки предварительной конверсии заключается в том, что летучие загрязнения возвращают в АТР и установку конверсии СО. Концентрации аммиака, метанола и цианистого водорода, по меньшей мере, частично снова приобретают равновесное значение в АТР и установке конверсии СО, что предотвращает накопление этих загрязнений. Как правило, в отпарную колонну вводят пар СД.

После удаления конденсата газовый поток из установки конверсии СО подают в устройство удаления CO ₂ для получения концентрированного потока диоксида углерода и водородного потока. Соответствующие устройства для удаления CO ₂ включают в себя аппараты на основе применения мембраны для отделения водородного потока от потока концентрированного диоксида углерода или аппараты, состоящие из абсорбера и десорбера CO ₂ , в которых применяют физические или химические растворители абсорбции.

Поток концентрированного диоксида углерода предпочтительно содержит по меньшей мере 98% CO ₂ на сухую основу, остальное - главным образом водород. Как правило, водородный газовый поток может содержать микроколичества оксидов углерода (СО и CO ₂ ) и метан, например, менее 500 ч./млн на молярной основе.

Предпочтительно концентрированный поток CO ₂ дегидратируют для уменьшения содержания в нем воды так, что дегидратированный поток CO ₂ имеет точку росы приблизительно -10 °С при давлении в транспортной линии концентрированного потока CO ₂ , тем самым исключают конденсацию жидкости (воды) из концентрированного потока CO ₂ . Как правило, концентрированный поток CO ₂ дегидратируют при давлении от 20 до 60 бар изб. Содержание воды в концентрированном потоке CO ₂ снижают в отсасывающем конденсационном горшке. Затем концентрированный поток CO ₂ сжимают и сжатый поток CO ₂ пропускают через по меньшей мере один дегидратирующий слой (например, молекулярное сито или силикагель) или через устройство дегидратации на основе гликоля (например, триэтиленгликоль) для дальнейшего снижения содержания воды.

Предпочтительно дегидратированный концентрированный поток CO ₂ сжимают и подают в трубопровод для транспортировки к приемному устройству или к нефтяному или газовому месторождению, где концентрированный поток CO ₂ применяют для нагнетания в нефтяное или газовое месторождение. Концентрированный поток CO ₂ далее сжимают выше давления нефтеносного пласта нефтяного или газового месторождения перед нагнетанием в этот пласт. Нагнетаемый CO ₂ вытесняет углеводороды в направлении к эксплуатационной скважине для увеличения добычи углеводородов из этой скважины. Если из эксплуатационной скважины вместе с углеводородами добывают диоксид углерода, его можно отделить от углеводородов для повторного нагнетания в нефтеносный пласт. Диоксид углерода можно также нагнетать в другие подземные пласты (например, истощенный нефтеносный подземный пласт или водоносный пласт) или в каверну для хранения. Диоксид углерода можно хранить неограниченное время в подземном пласте или каверне.

Преимущество предлагаемого в настоящем изобретении способа заключается в том, что поток синтез-газа и водородный поток имеют относительно высокое содержание азота. Соответственно, водород может быть в значительной степени разбавлен азотом, так что нет необходимости разбавлять водородный поток водой для контроля за уровнями NO _x в отходящем газе газовой турбины. Это позволяет исключить воду или пар как дополнительный разбавитель для водородного потока. Однако настоящее изобретение не исключает присутствия воды в водородном потоке. Соответственно, уровень содержания NO _x в отходящем газе менее 60 ч./млн, предпочтительно менее 25 ч./млн. Предпочтительно водородный поток содержит от 35 до 65 об.% водорода, более предпочтительно от 45 до 60 об.% водорода, например от 48 до 52 об.% водорода. Водородный поток может содержать микроколичества оксидов углерода (СО и CO ₂ ) и метан.

Как указывалось выше, отходящий газ из газовой турбины можно нагреть теплообменом с паром, полученным на шаге (б), и/или любым паром, полученным на шаге (г), для генерации перегретого пара. Генерированный таким образом перегретый пар затем подают в паровую турбину, приводящую в действие электрогенератор с выработкой дополнительной электроэнергии. Кроме того, как указывалось выше, отходящий газ можно подвергнуть теплообмену с воздушным сырьем АТР. Предпочтительно отходящий газ подвергают теплообмену по меньшей мере с одним дополнительным технологическим потоком для максимальной утилизации тепла отходящего газа. Таким образом, отходящий газ можно подвергнуть теплообмену с питательной котловой водой котла(ов)-утилизатора АТР и/или с питательной котловой водой котла-утилизатора установки конверсии СО. Питательную котловую воду для котла(ов)-утилизатора нагревают до температуры по меньшей мере 250 °С, например температуры 300 °С, теплообменом с отходящим газом. Однако температуру питательной котловой воды следует поддерживать ниже уровня температуры насыщения для выбранного давления подачи. Как правило, питательная котловая вода находится под относительно высоким давлением, например около 140 бар изб. По соображениям безопасности предпочтительно не подвергать теплообмену отходящий газ с углеводородным сырьем или топливным сырьевым потоком.

В устройстве рекуперации тепла, которое находится за газовой турбиной, разные технологические потоки вступают в теплообмен с отходящим газом. В частном варианте температуру отходящего газа газовой турбины увеличивают, снабжая устройство рекуперации тепла системой последующего сжигания, например горелкой последующего сжигания. В горелку последующего сжигания подают часть водородного потока, полученного на шаге (д), и водород сгорает в горелке вместе с остаточным кислородом, содержащимся в отходящем газе. Соответственно, температура отходящего газа в системе последующего сжигания увеличивается до температуры от 500 до 800 °С.

Как правило, устройство рекуперации тепла представляет собой устройство рекуперации тепла и генерирования пара (УРГП), которое генерирует и перегревает дополнительный пар для применения в паровой турбине и в других устройствах в интегрированном способе осуществления настоящего изобретения. Таким образом, в дополнение к перегреву пара, генерированного на шаге (б), и/или любого пара, генерированного на шаге (г), и нагреву любого технологического потока, такого как воздушный сырьевой поток и вода под высоким давлением, которую подают в котел(лы)-утилизатор, УРГП генерирует пар ВД, СД и НД и перегревает эти паровые потоки. УРГП может также повторно нагревать пар СД, образующийся как поток отработавшего пара на ступени высокого давления многоступенчатой паровой турбины.

УРГП снабжено рядом обогревательных змеевиков, по которым пропускают разные технологические потоки, вступающие в теплообмен с отходящим газом (в частном варианте с отходящим газом последующего сжигания). Как правило, обогревательные змеевики для генерирования потоков перегретого пара ВД, СД и НД и нагрева питательной котловой воды располагают в следующей последовательности в УРГП, начиная со змеевика, ближайшего к впуску отходящего газа в УРГП:

1) Змеевик пароперегревателя пара ВД и змеевик промежуточного подогрева пара СД (вторая секция), расположенные параллельно (на одинаковом расстоянии от входа в УРГП);

2) Змеевик промежуточного нагрева пара СД (первая секция);

3) Змеевик пароперегревателя пара ВД (первая секция);

4) Змеевик парогенератора пара ВД;

5) Змеевик пароперегревателя пара СД;

6) Змеевик промежуточного нагрева котловой питательной воды высокого давления (вторая ступень);

7) Змеевик парогенератора пара СД;

8) Змеевик пароперегревателя пара НД;

9) Змеевик промежуточного нагрева питательной котловой воды среднего давления и промежуточного нагрева питательной котловой воды (первая ступень), расположенные параллельно (на одинаковом расстоянии от входа в УРГП);

10) Змеевик парогенератора пара НД.

Специалистам будет ясно, что отходящий газ постепенно охлаждается по мере теплообмена с разными технологическими потоками. Специалистам будет также ясно, что последовательность змеевиков можно изменять при условии, что УРГП может нагреть технологические потоки до требуемых температур и генерировать перегретый пар трех разных уровней давления (ВД, СД и НД).

Предпочтительно перегретый пар ВД, получаемый в УРГП, имеет давление в диапазоне от 80 до 200 бар изб. и температуру от 450 до 600 °С.

Предпочтительно перегретый пар СД, генерируемый в УРГП, имеет давление в диапазоне от 25 до 50 бар изб. и температуру от 300 до 400 °С.

Предпочтительно перегретый пар НД, генерируемый в УРГП, имеет давление в диапазоне от 2 до 10 бар изб. и температуру от 200 до 300 °С.

Охлажденный отходящий газ выбрасывают в атмосферу из УРГП по трубе. Предпочтительно труба снабжена системой непрерывного мониторинга выбросов для отслеживания, например, содержания NO _x в охлажденном отходящем газе.

Как правило, пар ВД, генерированный и перегретый в УРГП, смешивают с паром ВД из котла(ов)-утилизатора (который перегрет в УРГП) и объединенный перегретый пар ВД подают на ступень ВД паровой турбины. Первую часть отработавшего пара СД со ступени высокого давления паровой турбины подают в змеевик промежуточного подогрева пара СД УРГП и затем нагретый пар СД подают на ступень среднего давления (средняя ступень) паровой турбины. Вторую часть отработавшего пара СД из ступени высокого давления паровой турбины применяют как пар СД для конверсии и конверсии СО топливного сырьевого потока и, возможно, для отпарки загрязнений из технологического конденсата (как указано выше). Третью часть пара СД со ступени высокого давления паровой турбины можно применять для нагрева топливного сырьевого потока или водородного потока, сжигаемого в газовой турбине.

Когда для удаления СО ₂ в способе, предлагаемом в настоящем изобретении, применяют абсорбер и десорбер СО ₂ , небольшую часть пара НД, который генерируют в УРГП, применяют в качестве пара для отпарки CO ₂ из абсорбента в десорбере CO ₂ . Однако большую часть пара НД перегревают в УРГП и подают на ступень низкого давления (конечная ступень) паровой турбины.

Далее изобретение будет описано со ссылкой на чертеж.

На чертеже показана технологическая схема АТР с воздушным перемешиванием. На протяжении последующего описания примеры температур и давлений приводят на разных шагах способа, выполняемого в соответствии с настоящим изобретением. Однако следует учесть, что эти температуры и давления являются лишь иллюстративными для предполагаемых условий внутри устройства, и фактические значения могут быть иными для любого частного способа без отклонения от настоящего изобретения.

Сжатый сырьевой природный газ 1 нагревают до 380 °С теплообменом против газового потока из установки конверсии СО (описано ниже) и, возможно, против перегретого потока пара СД (описано ниже, но не показано). Водородный поток 2 (описано ниже) добавляют к сжатому сырьевому природному газу 1 и полученный смешанный поток 3 нагревают перед подачей на установку обессеривания 4, содержащую устройства гидрирования (не показано) и обессеривания (не показано). В устройстве гидрирования все сероорганические соединения (меркаптаны) превращаются в сероводород при восстановлении водородом над катализатором гидрообессеривания. Затем сероводород удаляют из сырьевого природного газа в устройстве обессеривания абсорбцией на абсорбенте - оксиде цинка. Обессеренный сырьевой природный газ 5 выводят из установки обессеривания. В обессеренный сырьевой природный газ 5 вводят пар с получением сырьевого потока 8 для установки предварительной конверсии. Пар выводят в виде отбора пара СД из паровой турбины 6 и вводят в обессеренный углеводородный поток 5 по линии 7. Сырьевой поток 8 установки предварительной конверсии вводят в установку предварительной конверсии 9 при температуре по меньшей мере 560 °С, в которой по меньшей мере часть метана и все углеводороды C ₂₊ , содержащиеся в сырьевом природном газе, превращаются в водород и монооксид углерода в ходе реакции с паром над катализатором предварительной конверсии. Предварительно конвертированный (частично конвертированный) поток 10 выходит из установки предварительной конверсии 9 при температуре 530 °С и служит топливным сырьевым потоком для АТР 11. Нагретый сжатый воздушный поток 12 (возможно содержащий до 10 мол.% пара, в частности до 1 мол.% пара) также подают на АТР 11 для инициирования конверсии топливного сырьевого потока в синтез-газ (смесь главным образом водорода, монооксида углерода, диоксида углерода и пара). Расходы топливного сырьевого потока и воздушного сырьевого потока регулируют таким образом, чтобы молярное соотношение кислорода (O ₂ ), содержащегося в воздушном сырьевом потоке, к углероду (в углеводородах) в топливном сырьевом потоке составляло около 0,65:1. Воздушный сырьевой поток 12 из компрессора 13 нагревают пропусканием через устройство рекуперации тепла и генерирования пара УРГП 14 газовой турбины 15 при теплообмене с отходящим газом последующего сжигания 16.

Поток 17 синтез-газа, который выходит из АТР 11, охлаждают в котле-утилизаторе (парогенератор) 18 теплообменом с потоком 19 питательной котловой воды. Поток 19 питательной котловой воды подвергают промежуточному нагреву путем пропускания через УРГП 14 газовой турбины 15 при теплообмене с отходящим газом 16 последующего сгорания и вводят в котел-утилизатор 18 при температуре 310 °С, причем давление потока питательной котловой воды достаточно высоко, так что питательная котловая вода находится в жидком состоянии. Из котла-утилизатора 18 отводят пар высокого давления при температуре 315 °С и пропускают его по линии 20 в УРГП 14, где пар высокого давления перегревают до температуры 480 °С при пропускании через обогревательный змеевик УРГП 14 и теплообмене с отходящим газом последующего сгорания из газовой турбины 15. Полученный перегретый пар высокого давления пропускают по линии 21 к паровой турбине 6, которая приводит в действие электрогенератор 22.

Поток 23 охлажденного синтез-газа выходит из котла-утилизатора, остаточную тепловую энергию потока охлажденного синтез-газа применяют для предварительного нагрева сырьевого потока 8 установки предварительной конверсии, предпочтительно в теплообменнике 23а и генерирования дополнительного пара ВД (не показано). Затем охлажденный поток синтез-газа подают в установку 24 конверсии СО, содержащую высокотемпературный реактор конверсии СО (не показан) и низкотемпературный реактор конверсии СО (не показан), в которых монооксид углерода реагирует с водой с получением диоксида углерода и водорода над катализатором реакции водяного газа. Частично конвертированный газовый поток из установки конверсии СО выходит из высокотемпературного реактора конверсии СО, тепловую энергию частично конвертированного газового потока из установки конверсии СО применяют для дополнительного генерирования пара ВД в котле-утилизаторе (не показан) и промежуточного нагрева питательной котловой воды (не показано). Затем частично охлажденный газовый поток из установки конверсии СО подают в низкотемпературный реактор конверсии СО. Газовый поток 25 из установки конверсии СО, содержащий водород, пар, азот и диоксид углерода, выводят из низкотемпературного реактора конверсии СО. Тепловую энергию газового потока из установки конверсии СО применяют для нагрева сырьевого природного газа 1 в теплообменнике 25а, водородного потока, который подают в газовую турбину, и, возможно, питательной котловой воды. Охлажденный газовый поток из установки конверсии СО подают в первый конденсационный горшок (не показан), где конденсат отделяют от газового потока из установки конверсии СО. Предпочтительно газовый поток из установки конверсии СО далее охлаждают против одного или более технологического потока для последующего отделения конденсата из газового потока из установки конверсии СО, например газовый поток с установки конверсии СО можно охладить против нагрузки кипятильника устройства абсорбции-десорбции CO ₂ . Затем охлажденный газовый поток с установки конверсии СО, содержащий унесенный конденсат, подают во второй конденсационный горшок, в котором отделяют конденсат от газового потока с установки конверсии СО. Конденсат, собранный в горшках, подают в отпарную колонну, где его отпаривают паром СД от летучих загрязнений (таких как аммиак, цианистый водород, метанол и диоксид углерода). Пары с верха отпарной колонны (содержащие пар и летучие загрязнения) вводят в сырьевой поток установки предварительной конверсии (не показано) для снабжения паром установки предварительной конверсии и также установки конверсии СО. Поток конденсата со сниженным содержанием летучих загрязнений выводят с низа отпарной колонны и подают в устройство конечной очистки конденсата (не показано) для удаления всех остаточных загрязнений, например муравьиной кислоты. Устройство конечной очистки конденсата снабжает деминерализованной водой способ осуществления настоящего изобретения и также сбрасывает избыточную воду из интегрированных установки конверсии и электростанции.

Затем газовый поток из установки конверсии СО, который отводят с верха второго конденсационного горшка, подают в устройство 26 для удаления CO ₂ , например абсорбер CO ₂ , которое разделяет этот поток на поток 27 концентрированного диоксида углерода и водородный поток 28.

Затем поток 27 концентрированного диоксида углерода из устройства 26 удаления CO ₂ подают в устройство 29 сжатия и сушки диоксида углерода. Полученный сжатый и дегидратированный поток диоксида углерода можно ввести в трубопровод, который подает CO ₂ в нагнетательную скважину для увеличения добычи углеводородов из нефтеносного пласта через связанную эксплуатационную скважину (не показано).

Водородный поток 28 из устройства 26 удаления CO ₂ разделяют на три потока. Первый водородный поток 2 добавляют к сжатому сырьевому природному газу 1 (как указано выше). Второй сухой водородный поток подают из устройства 26 удаления CO ₂ в газовую турбину 15 по линии 30, в которой второй сухой водородный поток сжигают с воздухом. Газовая турбина 15 приводит в действие электрогенератор (не показан). Третий сухой водородный поток подают из устройства 26 удаления CO ₂ в горелку последующего сжигания УРГП 14 по линии 31 для применения в качестве топлива последующего сжигания. Температура отходящего газа последующего сжигания снижается по мере прохождения через УРГП благодаря теплообмену с разными технологическими потоками (например, паром ВД, питательной котловой водой и сырьевым воздухом для АТР 11).

В способе осуществления настоящего изобретения УРГП 14 можно также применить для генерирования и перегрева дополнительного пара ВД и генерирования и перегрева пара СД и НД. Кроме того, УРГП можно применить для промежуточного нагрева отработавшего пара (пар СД) с первой ступени паровой турбины 6.