低排放發(fā)電和烴采收系統(tǒng)及方法
【專利摘要】提供了用于在烴采收方法中基于含氧燃料的低排放發(fā)電的方法及系統(tǒng)。一種系統(tǒng)包括壓力通風(fēng)系統(tǒng)并被配置來促進氣態(tài)組分的燃燒器后轉(zhuǎn)化以獲得期望的化學(xué)狀態(tài)。另一系統(tǒng)包括用于重整控制燃料流以產(chǎn)生重整的控制燃料流的蒸汽重整器，該重整的控制燃料流的特征是與控制燃料流相比氫增長。
【專利說明】低排放發(fā)電和烴采收系統(tǒng)及方法
[0001]本申請是分案申請，原申請的申請日為2010年07月09日、申請?zhí)枮?01080038890.5 (PCT/US2010/041548)、發(fā)明名稱為“低排放發(fā)電和烴采收系統(tǒng)及方法”。
[0002]相關(guān)申請的交叉引用
[0003]本申請要求2009年9月I日提交的名稱為“LOW EMISSION POWER GENERATION ANDHYDROCARBON RECOVERY SYSTEMS AND METHODS (低排放發(fā)電和烴采收系統(tǒng)及方法)”的美國臨時專利申請61/238，971的權(quán)益，其全部內(nèi)容通過引用并入本文。
發(fā)明領(lǐng)域
[0004]本發(fā)明的實施方式涉及烴采收方法中的低排放發(fā)電。更具體而言，本發(fā)明的實施方式涉及一種方法和系統(tǒng)，其使用通過含氧燃料燃燒產(chǎn)生的高渦輪排出溫度，(i)促進氣態(tài)組分的燃燒器后轉(zhuǎn)化以達到期望的化學(xué)狀態(tài)，和(ii)重整(reform)控制燃料流，產(chǎn)生特征是氫增長的重整的控制燃料流。
[0005]發(fā)明背景
[0006]此章節(jié)意欲介紹與本發(fā)明的示例性實施方式有關(guān)的本領(lǐng)域的各個方面。相信本討論有助于對促進本發(fā)明的具體方面的更好理解提供框架。因此，應(yīng)當(dāng)理解，應(yīng)該以這個角度閱讀本章節(jié)，并且不必承認是現(xiàn)有技術(shù)。
[0007]許多強化的烴采收操作可被分為以下類型中的一種:壓力保持和混相驅(qū)動(miscible flooding)。在壓力保持操作中,將惰性氣體如氮氣注入至主要為氣態(tài)的儲層，以在該儲層中保持至少最低壓力，阻止反凝析并提高總采收量。在混相驅(qū)動操作中，將混相氣體如二氧化碳注入至主要為液態(tài)的儲層以與液體混合，降低其粘度并增加壓力以提高采收率。
[0008]許多產(chǎn)油國正經(jīng)歷強烈的國內(nèi)能量需求增長，并關(guān)注提高采收率法采油(EOR)，以提高從其儲層采油。對于E0R，兩種常見的EOR技術(shù)包括用于儲層壓力保持的氮氣(N2)注入和用于混相驅(qū)動的二氧化碳(CO2)注入。同時，全球關(guān)注溫室氣體(GHG)排放問題。這種關(guān)注與許多國家的總量控制與交易政策(cap-and-trade policy)的執(zhí)行相結(jié)合,使得減少CO2排放成為這些和其他國家以及其中操作烴生產(chǎn)系統(tǒng)的公司優(yōu)先考慮的事情。
[0009]減少CO2排放的一些方法包括燃料脫碳或燃燒后捕集(post-combustioncapture) 0但是，這兩種方案都是成本高的并且降低發(fā)電(產(chǎn)生能量)效率，導(dǎo)致較低的能量產(chǎn)生，為滿足國內(nèi)能量需求而增加了燃料的需求并增加了電力成本。另一方法是處于聯(lián)合循環(huán)(combined cycle)(例如其中捕集來自燃氣潤輪Brayton循環(huán)的廢熱以在Brayton循環(huán)中產(chǎn)生蒸汽并產(chǎn)生額外能量)的含氧燃料燃氣渦輪。但是，產(chǎn)生高純氧所需的能量顯著降低了該方法的總效率。一些研究已經(jīng)比較了這些方法并顯示了每種方法的一些優(yōu)勢。參見，例如 B0LLAND、OLAV 和 UNDRUM、HENRIETTE，Removal of C02from Gas TurbinePower Plants:Evaluation of pre-and post-combustion methods (除去燃氣潤輪電廠的 CO2:燃燒方法前后的評估),SINTEF Group,在 http://www.energy, sintef.ηθ/publ/xergi/98/3/3art-8-engelsk.htm(1998)中可看到。[0010]雖然如此，仍然非常需要低排放、高效率的發(fā)電和烴采收方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]在名稱為“LOWEMISSION POWER GENERATION AND HYDROCARBON RECOVERYSYSTEMS AND METHODS (低排放發(fā)電和烴采收系統(tǒng)及方法)”的PCT專利申請PCT/US2009/038247中描述了一種低排放、高效率的發(fā)電和烴采收方法，該PCT專利申請要求2008年3月28日提交的美國臨時申請61/072，292和2009年2月18日提交的美國臨時申請61/153，508 (其中每一篇通過引用以其整體并入本文)的權(quán)益。本發(fā)明建立了對PCT/US2009/038247申請的方法及系統(tǒng)的改進。
[0012]更具體地，本發(fā)明的一個實施方式包括氧氣流、二氧化碳流、控制燃料流、燃燒裝置、渦輪和壓力通風(fēng)系統(tǒng)。燃燒裝置被配置來接收并燃燒氧氣流、二氧化碳流和控制燃料流，產(chǎn)生含有基本上為二氧化碳和水的氣態(tài)燃燒流。氣態(tài)燃燒流具有至少1800 °F的溫度。渦輪被配置來接收氣態(tài)燃燒流、膨脹氣態(tài)燃燒流并排出膨脹的氣態(tài)燃燒流作為渦輪排出流。渦輪排出流具有至少1200 T的溫度。壓力通風(fēng)系統(tǒng)與渦輪流體連通以接收渦輪排出流。壓力通風(fēng)系統(tǒng)被配置來在渦輪排出流的至少一種單個組分朝向平衡化學(xué)上起反應(yīng)并基本上將中間產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為平衡產(chǎn)物的過程中提供停留時間。
[0013]本發(fā)明的另一個實施方式包括燃燒裝置、渦輪和蒸汽重整器。燃燒裝置被配置來產(chǎn)生氣態(tài)燃燒流。渦輪被配置來接收氣態(tài)燃燒流、膨脹氣態(tài)燃燒流并排出膨脹的氣態(tài)燃燒流作為渦輪排出流。渦輪排出流具有至少1200 T的溫度。蒸汽重整器被配置來接收渦輪排出流和控制燃料流、從渦輪排出流提取熱并將熱傳輸至重整器原料流以產(chǎn)生重整器產(chǎn)品流。
[0014]本發(fā)明的另一實施方式包括以下步驟:提供氧氣流、二氧化碳流和控制燃料流；燃燒氧氣流、二氧化碳流和控制燃料流以產(chǎn)生氣態(tài)燃燒流；穿過渦輪，膨脹氣態(tài)燃燒流以形成膨脹的氣態(tài)燃燒流；并為膨脹的氣態(tài)燃燒流提供停留時間以達到基本化學(xué)平衡，其中通過配置來保持膨脹的氣態(tài)燃燒流所述停留時間的壓力通風(fēng)系統(tǒng)提供所述停留時間。
[0015]本發(fā)明的另一實施方式包括以下步驟:提供氧氣流、二氧化碳流、控制燃料流和重整的控制燃料流；燃燒氧氣流、二氧化碳流和重整的控制燃料流以產(chǎn)生氣態(tài)燃燒流；穿過渦輪，膨脹氣態(tài)燃燒流以形成膨脹的氣態(tài)燃燒流；以及使用提取自膨脹的氣態(tài)燃燒流的熱，重整控制燃料流以形成重整的控制燃料流。氣態(tài)燃燒流具有至少1800 °F的溫度。重整的控制燃料流的特征是與控制燃料流相比氫增長。
[0016]附圖詳述
[0017]在研讀以下詳細描述和實施方式的非限制性實例的附圖后，本發(fā)明的前述和其它優(yōu)勢將變得明顯:
[0018]圖1圖解了可連同本發(fā)明的一個或多個方面實施的用于低排放發(fā)電和烴采收的基于含氧燃料的系統(tǒng)；
[0019]圖2圖解了可連同本發(fā)明的一個或多個方面實施的渦輪和熱回收蒸汽發(fā)生器的構(gòu)造；
[0020]圖3圖解了可連同本發(fā)明的一個或多個方面實施的用于低排放發(fā)電和烴采收的基于含氧燃料的系統(tǒng)；[0021]圖4圖解了根據(jù)本發(fā)明實施方式的用于低排放發(fā)電和烴采收的基于含氧燃料的系統(tǒng)；
[0022]圖5圖解了根據(jù)本發(fā)明另一實施方式的用于低排放發(fā)電和烴采收的基于含氧燃料的系統(tǒng)；
[0023]圖6A-B圖解了根據(jù)本發(fā)明其它實施方式的用于低排放發(fā)電和烴采收的基于含氧燃料的系統(tǒng)；
[0024]圖7圖解了用于根據(jù)本發(fā)明實施方式的含氧燃料燃氣渦輪系統(tǒng)的方法的流程圖；
[0025]圖8圖解了用于根據(jù)本發(fā)明另一實施方式的含氧燃料燃氣渦輪系統(tǒng)的方法的流程圖；和
[0026]圖9顯示了在一定范圍的壓力、溫度和當(dāng)量比內(nèi)氣態(tài)燃燒流中氧氣的平衡濃度(摩爾分?jǐn)?shù))。
[0027]圖10顯示了在一定范圍的壓力、溫度和當(dāng)量比內(nèi)氣態(tài)燃燒流中一氧化碳(CO)的平衡濃度(摩爾分?jǐn)?shù))。
[0028]圖11顯示了在40ms的有限停留時間后在一定范圍的壓力、溫度和當(dāng)量比內(nèi)氣態(tài)燃燒流中氧氣的氧氣濃度(摩爾分?jǐn)?shù))。
[0029]圖12圖解了對于一定范圍的火焰溫度和當(dāng)量比內(nèi)，反應(yīng)進行至平衡的10%內(nèi)所需的停留時間。
[0030]詳述
[0031]定義
[0032]如本文使用的，“一個”或“一種”實體指一個或多個(一種或多種)該實體。同樣地，術(shù)語“一個”(或“一種”)、“一個或多個(一種或多種)”和“至少一個(至少一種)”可在本文中互換使用，除非具體指出限制。
[0033]如本文使用的，術(shù)語“包括”是開放式過渡詞，其用于從該術(shù)語之前敘述的主題過渡至該術(shù)語之后敘述的一個或多個要素，其中該過渡詞后列出的要素或多個要素不必是組成該主題的僅有要素。
[0034]如本文使用的，術(shù)語“含有”具有與“包括” 一樣的開放式含義。
[0035]如本文使用的，術(shù)語“具有”具有與“包括” 一樣的開放式含義。
[0036]如本文使用的，術(shù)語“包含”具有與“包括” 一樣的開放式含義。
[0037]如本文使用的，術(shù)語“當(dāng)量比”指進入燃燒器的燃料與氧氣的質(zhì)量比除以該比是化學(xué)計量的時燃料與氧氣的質(zhì)量比。
[0038]如本文使用的，“化學(xué)計量的”混合物是具有由燃料和氧化劑組成的反應(yīng)物體積和通過燃燒反應(yīng)物形成的產(chǎn)物體積的混合物，其中反應(yīng)物的全部體積用于形成產(chǎn)物。
[0039]描述
[0040]在以下詳細的描述部分中，連同優(yōu)選實施方式一起描述了本發(fā)明的【具體實施方式】。但是，就以下描述特定為本發(fā)明的【具體實施方式】或具體使用而言，這意欲僅為示例性目的并僅僅提供了示例性實施方式的描述。因此，本發(fā)明不限于以下描述的【具體實施方式】，而是，本發(fā)明包括落入所附權(quán)利要求真正精神和范圍內(nèi)的所有替代方式、改進和等價形式。
[0041]在名稱為“LOWEMISSION POWER GENERATION AND HYDROCARBON RECOVERYSYSTEMS AND METHODS (低排放發(fā)電和烴采收系統(tǒng)及方法)”的PCT專利申請PCT/US2009/038247中描述了低排放、高效率的烴采收方法，該PCT專利申請要求2008年3月28日提交的美國臨時申請61/072，292和2009年2月18日提交的美國臨時申請61/153，508的權(quán)益
[0042]參看圖1，提供了可連同本發(fā)明的一個或多個方面實施的用于低排放發(fā)電和烴采收的基于含氧燃料的系統(tǒng)100。該系統(tǒng)100通常包括氧氣(O2)源102、二氧化碳(CO2)源104和控制燃料源106以分別產(chǎn)生氧氣流108、二氧化碳流110和控制燃料流112，如烴基燃料流(HC)。在至少一個實施方式中，可使用壓縮機如增壓壓縮機118壓縮0)2流110(例如在12和18巴(表壓)(barg)之間)。在另一實施方式中，由于CO2源的特性，CO2流110可以已經(jīng)處于壓力下。流108、110和112被進料至燃燒裝置120 (即由燃燒裝置120接收)并被燃燒以產(chǎn)生氣態(tài)燃燒流122。一般而言，氣態(tài)燃燒流122包含在12和18巴之間壓力下的二氧化碳(CO2)和水(H2O)。更具體地，在至少一個實施方式中，氣態(tài)燃燒流122可以是在70%和80%之間的C02。但是，氣態(tài)燃燒流122可包含任意適當(dāng)濃度(一種或多種)下和任意適當(dāng)壓力(一種或多種)下的任意適當(dāng)組分以滿足具體應(yīng)用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。而且，通過應(yīng)用的CO2流110的比率調(diào)整氣態(tài)燃燒流122的溫度。例如，在一個實施方式中，氣態(tài)燃燒流122的溫度大于或等于1800 °F。在至少一個其它實施方式中，氣態(tài)燃燒流122的溫度基本上在1900和2700 °F之間。在另一實施方式中，氣態(tài)燃燒流122的溫度基本上在2200和2500 T之間。但是，氣態(tài)燃燒流122的溫度可以是由具體應(yīng)用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生的任何適當(dāng)溫度。
[0043]一般而言，氣態(tài)燃燒流122由渦輪124接收并穿過渦輪124被膨脹。在至少一個實施方式中，渦輪124被配置以使流122穿過渦輪124的膨脹產(chǎn)生能量，如由連接至渦輪124的發(fā)電機126產(chǎn)生的電能。然后可排出膨脹流122作為渦輪排出流128。在至少一個實施方式中，渦輪排出流128具有基本上等于I巴的壓力。在另一實施方式中，渦輪排出流128具有基本上在I和2巴之間的壓力。但是，渦輪排出流128可以具有由具體應(yīng)用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生的任何適當(dāng)壓力。類似地，在至少一個實施方式中，渦輪排出流128具有基本上在1200和1800 °F之間的溫度。在至少一個其它實施方式中，渦輪排出流128具有基本上在1350和1700 °F之間的溫度。但是，渦輪排出流128可以具有由具體應(yīng)用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生的任何適當(dāng)溫度。
[0044]如在隨后的段落中將描述的，可聯(lián)合一個或多個其它設(shè)備和/或結(jié)構(gòu)操作排出流128以滿足具體應(yīng)用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。如圖1中顯示的，連同圖2詳加描述的，通過熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG) 130接收流128以產(chǎn)生電能，有時稱為補充電能。HRSG通常排出/傳送溫度降低的氣體排出流132。
[0045]各種冷卻(例如140)和壓縮技術(shù)(例如142)可應(yīng)用至氣體排出流132或氣體排出流132的組分以滿足具體應(yīng)用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。例如，可進行燃料氣冷卻140以從流132中分離出水(H2O) 150，以使所獲得的流152中的CO2濃度大于流132中CO2的濃度。然后所獲得的流152的全部或部分可被壓縮(例如通過壓縮機142)和/或以其它方式配置用于一種或多種方法如提高采收率法采油(EOR) 160中。類似地，所獲得的流152(壓縮的或其它的)的所有或部分(例如70-100% )可作為CO2流110再循環(huán)。
[0046]圖2圖解了可連同本發(fā)明的一個或多個方面實施的渦輪124和熱回收蒸汽發(fā)生器130的構(gòu)造200。如圖2中顯示的，熱回收蒸汽發(fā)生器130可包括與渦輪排出流128接觸的換熱器(例如蒸汽盤管)202以產(chǎn)生蒸汽204。穿過蒸汽渦輪210膨脹蒸汽204以產(chǎn)生電能。對蒸汽渦輪排出流204’進一步處理，以在系統(tǒng)208中進行蒸汽冷凝、水補充、脫氣等，系統(tǒng)208可以是冷凝器，并在再次進入換熱器202之前被泵(例如通過泵206)至高壓。發(fā)生器212可連接至蒸汽渦輪210以使蒸汽204穿過蒸汽渦輪210的膨脹產(chǎn)生電能。
[0047]現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖3，顯示了可連同本發(fā)明的一個或多個方面實施的用于低排放發(fā)電和烴采收的基于含氧燃料的系統(tǒng)300。系統(tǒng)300可能類似于連同圖1圖解的系統(tǒng)100執(zhí)行，添加示例性的氧氣102、二氧化碳104和控制燃料106源。更具體地，在圖3顯示的實施方式中，空氣分離裝置(ASU)系統(tǒng)302用于產(chǎn)生氧氣流108。氮氣(N2)也可使用ASU產(chǎn)生并用于一個或多個補充過程，如用于儲層壓力保持的氮氣注入。
[0048]類似地，可從二氧化碳驅(qū)油儲層(如油井)304和/或烴燃料供給管線306產(chǎn)生控制燃料流112。在至少一個實施方式中，也可從油井304產(chǎn)生二氧化碳流110?？梢岳斫庀到y(tǒng)300提供選項以在系統(tǒng)300啟動期間利用二氧化碳流110的一個源(例如流152)和在持續(xù)的系統(tǒng)300操作過程中利用第二源(例如儲層/油井304)，反之亦然。
[0049]參照圖4，顯示了圖解根據(jù)本發(fā)明實施方式的用于低排放發(fā)電和烴采收的基于含氧燃料的系統(tǒng)400的圖?？深愃朴谙到y(tǒng)100和/或系統(tǒng)300執(zhí)行系統(tǒng)400，其包括壓力通風(fēng)系統(tǒng)402。壓力通風(fēng)系統(tǒng)402與渦輪124流體連通并且在至少一個實施方式中可直接連接至渦輪124用于接收渦輪排出流128。類似地，壓力通風(fēng)系統(tǒng)402可與熱回收蒸汽發(fā)生器流體連通。壓力通風(fēng)系統(tǒng)402被配置來提供停留時間，在該停留時間內(nèi)渦輪排出流128的各個組分可繼續(xù)化學(xué)反應(yīng)。
[0050]在用于發(fā)電應(yīng)用中的常規(guī)非含氧燃料高壓燃燒器中，氣體在進入渦輪前僅在短的時間(例如40ms)內(nèi)存在于燃燒器內(nèi)。因為反應(yīng)速率隨著溫度下降，當(dāng)氣體通過渦輪的膨脹器冷卻時反應(yīng)被有效地“凍結(jié)”。在這種系統(tǒng)中，反應(yīng)不能達到平衡并且在系統(tǒng)下游化學(xué)反應(yīng)不能在可測量的速度下繼續(xù)。本發(fā)明設(shè)定含氧燃料燃燒系統(tǒng)溫度、壓力和氣體組成以產(chǎn)生更高溫的渦輪排出流，其通常仍然具有足夠的溫度以促進化學(xué)反應(yīng)。本發(fā)明中要求保護的壓力通風(fēng)系統(tǒng)402被設(shè)計并執(zhí)行以提供適當(dāng)?shù)耐Ａ魰r間，在該停留時間內(nèi)渦輪排出流(例如128)的各個組分可繼續(xù)反應(yīng)，直至在離開壓力通風(fēng)系統(tǒng)402后各個組分已經(jīng)達到或基本達到期望的反應(yīng)狀態(tài)。產(chǎn)生的壓力通風(fēng)系統(tǒng)排出流404然后可用在隨后的過程(例如E0R)中以滿足管線或其它具體應(yīng)用的規(guī)定的組成設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。
[0051]在一個實施方式中，預(yù)先確定停留時間以使渦輪排出流128的至少一種單個組分繼續(xù)化學(xué)反應(yīng)，直至反應(yīng)達到基本平衡(即一個或多個中間產(chǎn)物基本上轉(zhuǎn)化為平衡產(chǎn)物)。在至少一個實施方式中，基本平衡可認為是渦輪排出流128的單個組分(例如氧氣、一氧化碳、烴中間種類、未燃燒的烴中間種類、甲醛和/或類似物)的濃度變得小于10%大于該單個組分的平衡濃度時的化學(xué)反應(yīng)點。
[0052]在另一實施方式中，可預(yù)先確定停留時間，以使渦輪124出口處渦輪排出流128的至少預(yù)先確定百分比(例如50%、75%、90%等)的單個組分(例如氧氣、一氧化碳、烴中間種類、未燃燒的烴中間種類、甲醛和/或類似物)轉(zhuǎn)化為壓力通風(fēng)系統(tǒng)402出口處的平衡產(chǎn)物。
[0053]可選地，可預(yù)先確定停留時間，以使渦輪排出流128的至少一種單個組分化學(xué)上起反應(yīng)，直至該單個組分(一種或多種)適用于提高采收率法采油方法。在至少一個這種實施方式中，各個組分可包括氧氣和一氧化碳，并且當(dāng)氧氣具有等于或少于IOppm的濃度并且一氧化碳具有等于或少于IOOOppm的濃度時，所述組分可被確定適用于提高采收率法采油方法。
[0054]本發(fā)明的一個或多個實施方式可包括提供基本上在0.1和10秒之間的停留時間的壓力通風(fēng)系統(tǒng)402。在另一實施方式中，壓力通風(fēng)系統(tǒng)402可提供基本上在0.1和2秒之間的停留時間。在另一實施方式中，壓力通風(fēng)系統(tǒng)402可提供大于I秒的停留時間。但是，壓力通風(fēng)系統(tǒng)402可配置來提供任何適合的停留時間，以滿足具體應(yīng)用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。
[0055]由本公開可以理解，停留時間實質(zhì)上是通過壓力通風(fēng)系統(tǒng)402的氣體速度和壓力通風(fēng)系統(tǒng)402體積的函數(shù)。因此，已知渦輪排出流128的密度，可確定壓力通風(fēng)系統(tǒng)402的體積以實現(xiàn)期望的停留時間。在至少一個實施方式中，壓力通風(fēng)系統(tǒng)402具有恒定的橫截面積和基本上在10和30米之間的中心線長度406 (圖2中圖解)。在另一實施方式中，壓力通風(fēng)系統(tǒng)402具有恒定的橫截面積和大于或等于30米的中心線長度406。但是，壓力通風(fēng)系統(tǒng)可具有任意適合的體積、形狀(包括不規(guī)則形狀)和/或中心線長度406以滿足具體應(yīng)用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。
[0056]因此，除其他外，圖4表示本發(fā)明的一個實施方式400，其中壓力通風(fēng)系統(tǒng)(例如402)被設(shè)計并執(zhí)行以提供適合的停留時間，在這期間渦輪排出流(例如128)的各個組分可繼續(xù)反應(yīng)直至它們已經(jīng)達到(或基本達到)期望的化學(xué)組成(即反應(yīng)狀態(tài))。
[0057]圖5圖解了另一基于含氧燃料的系統(tǒng)500，其可類似于先前討論的系統(tǒng)(例如100、300和400)操作。更具體地，系統(tǒng)500包括蒸汽重整器502，其本身可包括換熱器和催化劑。蒸汽重整器502可以是任何適合類型的重整器以滿足具體應(yīng)用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；如蒸汽重整器或自動熱重整器。蒸汽重整器502被配置來接收渦輪排出流128、至少部分控制燃料流112和來自水源508的水流506。一般而言，至重整器502的輸入可被稱為重整器原料流，并且在至少一個實施方式中，可包括蒸汽和/或二氧化碳。來自渦輪排出流128的熱驅(qū)動水流506和控制燃料流112 (例如控制燃料流112中的甲烷)之間吸熱的催化蒸汽重整反應(yīng)以產(chǎn)生重整的控制燃料流504。一般而言，重整器502的輸出可被稱為重整器產(chǎn)物流。在一個實施方式中，重整器產(chǎn)物流被進一步轉(zhuǎn)變及分離以產(chǎn)生富氫流和/或富二氧化碳流(未顯示)。富氫流可適于銷售或管送至不同工藝。
[0058]重整的控制燃料流504通常的特征是與控制燃料流112相比氫增長，并且在一個實施方式中基本由氫氣和一氧化碳組成。然后重整的控制燃料流504代替圖1的控制燃料流112進料至燃燒裝置120。在至少一個實施方式中，重整的控制燃料流504含有一些來自燃料控制流112的最初烴燃料、部分的富氫流、部分的富二氧化碳流和/或其組合。
[0059]一般而言，蒸汽重整器502與渦輪124流體連通，并且在至少一個實施方式中重整器502可直接連接至渦輪124。另外，本發(fā)明的一個或多個實施方式可包括與熱回收蒸汽發(fā)生器130流體連通并位于熱回收蒸汽發(fā)生器130上游的蒸汽重整器502。即，熱回收蒸汽發(fā)生器130可接收重整器廢氣510。
[0060]圖6A圖解了另一基于含氧燃料的系統(tǒng)600，其可類似于先前討論的系統(tǒng)(例如100、300、400和500)操作。更具體地，系統(tǒng)600包括壓力通風(fēng)系統(tǒng)402和蒸汽重整器502。如圖解的，壓力通風(fēng)系統(tǒng)402可與渦輪124流體連通，并可起到如連同系統(tǒng)400先前描述的作用。類似地，其本身可包括換熱器和催化劑的重整器502可與壓力通風(fēng)系統(tǒng)402流體連通，并可被配置以使用來自壓力通風(fēng)系統(tǒng)排出流404的熱將例如控制燃料流112中的甲烷和水流506中的水重整為氫和一氧化碳。在一個或多個實施方式中，然后可將重整器廢氣510進料至位于重整器502下游的熱回收蒸汽發(fā)生器130。
[0061 ] 因此，在至少一個實施方式中，連同系統(tǒng)400描述的壓力通風(fēng)系統(tǒng)402和連同系統(tǒng)500描述的蒸汽重整器502可有利地在單個系統(tǒng)(例如600)中操作以滿足具體應(yīng)用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。
[0062]圖6B圖解了另一基于含氧燃料的系統(tǒng)650,其可類似于系統(tǒng)600執(zhí)行。更具體地，系統(tǒng)650包括連接至蒸汽重整器502下游的壓力通風(fēng)系統(tǒng)402和位于壓力通風(fēng)系統(tǒng)402下游的熱回收蒸汽發(fā)生器130。在這種實施方式中，重整器502可與渦輪124直接流體連通和/或直接連接。在至少一個實施方式中，重整器502和渦輪124的排出噴嘴(未顯示)之間的距離小于5米。類似地，重整器502和渦輪124上排出噴嘴之間的停留時間可小于0.1秒。但是，可在系統(tǒng)650中實施任何適合的距離和/或任何適合的停留時間以滿足具體應(yīng)用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。
[0063]現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖7，其提供了用于根據(jù)本發(fā)明實施方式的含氧燃料燃氣渦輪系統(tǒng)的方法700的流程圖?？蛇B同(分別)與圖1、3、4、5和6A有關(guān)先前描述的系統(tǒng)100、300、400、500,600和/或650和/或任何適合的系統(tǒng)有利地實施方法700，以滿足具體應(yīng)用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。方法700通常包括可連續(xù)進行的多個方框或步驟(例如702、704、706等)。如由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解的，圖7中顯示的步驟順序是示例性的并且一個或多個步驟的順序可在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)改變。另外，方法700的步驟可以以至少一個非連續(xù)的(或非順序的)次序?qū)嵤⑶铱墒÷砸粋€或多個步驟以滿足具體應(yīng)用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。方框702表示方法700的進入點。
[0064]方框704表示提供氧氣流(例如108)、二氧化碳流(例如110)和控制燃料流(例如112)的步驟。
[0065]方框706表示壓縮二氧化碳(CO2)的任選步驟。在至少一個實施方式中，CO2可被壓縮至12和18巴(表壓)之間。但是，CO2可被壓縮至任何適合的壓力以滿足具體應(yīng)用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。在至少一個實施方式中，在燃燒器(例如120)的CO2壓力可基本類似于在源(例如104)的CO2壓力。在這種實施方式中，源后的壓縮可能是不需要的。
[0066]方框708表示燃燒氧氣流、二氧化碳流和控制燃料流以產(chǎn)生氣態(tài)燃燒流(例如122)的步驟。一般而言，氣態(tài)燃燒流包括在12和18巴之間壓力下的CO2和水。更具體地，氣態(tài)燃燒流可以是70%和80%之間的C02。但是,氣態(tài)燃燒流可包括在任意適當(dāng)濃度(一種或多種)下和任意適當(dāng)壓力(一種或多種)下的任意適合組分以滿足具體應(yīng)用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。在一個實施方式中，氣態(tài)燃燒流的溫度大于或等于1800 °F。在另一實施方式中,氣態(tài)燃燒流的溫度基本上在1900和2700 °F之間。在另一實施方式中，氣態(tài)燃燒流的溫度基本上在2200和2500 °F之間。但是，氣態(tài)燃燒流的溫度可以是任意適合溫度以滿足具體應(yīng)用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。
[0067]方框710表示穿過渦輪(例如124)膨脹氣態(tài)燃燒流以形成膨脹的氣態(tài)燃燒流(例如渦輪排出流128)的步驟。膨脹的氣態(tài)燃燒流的溫度高于類似非含氧燃料燃氣渦輪系統(tǒng)的排出溫度。在至少一個實施方式中，膨脹的氣態(tài)燃燒流具有基本上在1200和1800 °卩之間的溫度。在至少一個其它實施方式中，膨脹的氣態(tài)燃燒流具有基本上在1350和1700 0F之間的溫度。但是，膨脹的氣體渦輪流可以具有由具體應(yīng)用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生的任何適合的溫度。
[0068]方框712表示由氣體流穿過渦輪的膨脹(即方框710)產(chǎn)生電能的任選步驟。
[0069]方框714表示為膨脹的氣態(tài)燃燒流提供停留時間以達到期望的化學(xué)狀態(tài)如基本上化學(xué)平衡的步驟。在至少一個實施方式中，停留時間通過配置來保持膨脹的氣態(tài)燃燒流所述停留時間的壓力通風(fēng)系統(tǒng)(例如402)提供。如連同圖4討論的，壓力通風(fēng)系統(tǒng)可配置來保持膨脹的氣態(tài)燃燒流任何適合的停留時間以便達到期望的化學(xué)狀態(tài)(例如平衡、基本平衡、適于提高采收率法采油方法的組成等)。例如，在至少一個實施方式中，壓力通風(fēng)系統(tǒng)可具有基本上在10和30米之間的中心線長度。在另一實施方式中，壓力通風(fēng)系統(tǒng)可具有大于或等于30米的中心線長度。類似地，在一個實施方式中停留時間可基本上在0.10和10秒之間。在另一實施方式中，停留時間可基本上在0.10和2秒之間。在另一實施方式中，停留時間可大于或等于I秒。從方框714，方法700然后可落入任意數(shù)量(或沒有)任選步驟如方框716、718、720和/或722中的一個或多個。
[0070]方框716表示在提供停留時間的步驟(即方框714)后使用熱回收蒸汽發(fā)生器(例如130)從膨脹的氣態(tài)燃燒流產(chǎn)生能量的任選步驟。
[0071]方框718表示使用提取自膨脹的氣態(tài)燃燒流的熱將控制燃料流(例如甲烷)重整為例如氫和一氧化碳的任選步驟。
[0072]最后，方框720和722分別表示提取二氧化碳(例如從氣態(tài)燃燒流)；以及將二氧化碳應(yīng)用至提高采收率法采油方法中的任選步驟。
[0073]方框724表示離開方法700。
[0074]在圖8，提供了用于根據(jù)本發(fā)明另一實施方式的含氧燃料燃氣渦輪系統(tǒng)的方法800的流程圖?？蛇B同(分別)與圖1、3、4、5和6A有關(guān)先前進行描述的系統(tǒng)100、300、400、500,600和/或650和/或任何適合的系統(tǒng)有利地實施方法800，以滿足具體應(yīng)用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。方法800通常包括可連續(xù)實施的多個方框或步驟(例如802、804、806等)。如由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解的，圖8中顯示的步驟順序是示例性的并且一個或多個步驟的順序可在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)改變。另外，方法800的步驟可以以至少一個非連續(xù)的(或非順序的)次序?qū)嵤?，并且可省略一個或多個步驟以滿足具體應(yīng)用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。方框802表示方法800的進入點。
[0075]方框804表示提供氧氣流(例如108)、二氧化碳流(例如110)、控制燃料流(例如112)和重整的控制流(例如504)的步驟。
[0076]方框806表示壓縮二氧化碳(CO2)的任選步驟。在至少一個實施方式中，CO2可被壓縮至12和18巴(表壓)之間。但是，CO2可被壓縮至任何適合的壓力以滿足具體應(yīng)用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。在至少一個實施方式中，在燃燒器(例如120)的CO2壓力可基本類似于在源(例如104)的CO2壓力。在這種實施方式中，源后的壓縮可能是不需要的。
[0077]方框808表示燃燒氧氣流、二氧化碳流和重整的控制燃料流以產(chǎn)生氣態(tài)燃燒流(例如122)的步驟。一般而言,氣態(tài)燃燒流包括在12和18巴之間壓力下的CO2和水。更具體地，氣態(tài)燃燒流可以是70%和80%之間的C02。但是,氣態(tài)燃燒流可包括在任意適當(dāng)濃度(一種或多種)下和任意適當(dāng)壓力(一種或多種)下的任意適合組分以滿足具體應(yīng)用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。在一個實施方式中，氣態(tài)燃燒流的溫度大于或等于1800 T。在至少一個其它實施方式中，氣態(tài)燃燒流的溫度基本上在1900和2700 °F之間。在另一實施方式中，氣態(tài)燃燒流的溫度基本上在2200和2500 °F之間。但是，氣態(tài)燃燒流的溫度可以是任意適合溫度以滿足具體應(yīng)用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。
[0078]方框810表示穿過渦輪(例如124)膨脹氣態(tài)燃燒流以形成膨脹的氣態(tài)燃燒流(例如渦輪排出流128)的步驟。膨脹的氣態(tài)燃燒流的溫度高于類似非含氧燃料燃氣渦輪系統(tǒng)的排出溫度。在至少一個實施方式中，膨脹的氣態(tài)燃燒流具有基本上在1200和1800 °卩之間的溫度。在至少一個其它實施方式中，膨脹的氣態(tài)燃燒流具有基本上在1350和1700 0F之間的溫度。但是，膨脹的氣體渦輪流可以是由具體應(yīng)用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生的任何適合的溫度。
[0079]方框812表示由穿過渦輪氣體流的膨脹(即方框810)產(chǎn)生電能的任選步驟。
[0080]方框814表示使用提取自膨脹的氣態(tài)燃燒流的熱重整控制燃料流以形成重整的控制燃料流的步驟。一般而言，重整的控制燃料流的特征可以是與控制燃料流相比較氫增長。從方框814，方法800可落入任意數(shù)量(或沒有)任選步驟如方框816、818和/或820中的一個或多個。
[0081]方框816表示在重整的步驟(即方框814)后使用熱回收蒸汽發(fā)生器(例如130)從膨脹的氣態(tài)燃燒流產(chǎn)生電能的任選步驟。
[0082]方框818和820分別表示提取二氧化碳(例如從氣態(tài)燃燒流)；以及將二氧化碳應(yīng)用至提高采收率法采油方法中的任選步驟。
[0083]方框822表示離開方法800。
[0084]模擬
[0085]現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖9、10、11和12，提供了表示模擬結(jié)果的許多圖。應(yīng)當(dāng)理解，提供在這些圖和后面的相應(yīng)文本內(nèi)體現(xiàn)的信息以提供對本發(fā)明額外的深刻理解，但不限制本發(fā)明。
[0086]一起考慮，圖9和10圖解了在一定范圍的火焰溫度、壓力(即由實線表示的I巴、由虛線表示的12巴和由點線表示的30巴)和當(dāng)量比(即0.95、1、1.05和1.1的甲烷與O2的比)下分別對于CO2流中O2/甲烷燃燒的O2和CO的平衡摩爾分?jǐn)?shù)。通常意義上，平衡組成指所有種類的濃度隨著時間是恒定的狀態(tài)。平衡時混合物的組成取決于反應(yīng)物的溫度、壓力和組成。在CO2流將用于EOR或在管道內(nèi)輸送的含氧燃料燃燒器的情況下，期望具有最小濃度的可能的O2和CO。圖9和10的圖表圖解了平衡并且因此當(dāng)反應(yīng)可進行到平衡態(tài)時最小可能的O2和CO濃度。
[0087]關(guān)于圖9的圖表900，曲線902表示在I巴壓力下0.95的當(dāng)量比，904表示在12巴壓力下0.95的當(dāng)量比，以及906表示在30巴壓力下0.95的當(dāng)量比。類似地，曲線910表示在I巴壓力下I的當(dāng)量比，912表示在12巴壓力下I的當(dāng)量比，以及914表示在30巴壓力下I的當(dāng)量比。曲線920表示在I巴壓力下1.05的當(dāng)量比,922表示在12巴壓力下1.05的當(dāng)量比，以及924表示在30巴壓力下1.05的當(dāng)量比。最后，曲線930表示在I巴壓力下1.1的當(dāng)量比，932表示在12巴壓力下1.1的當(dāng)量比，以及934表示在30巴壓力下
1.1的當(dāng)量比。
[0088]關(guān)于圖10的圖表1000，曲線1002表示在I巴壓力下1.1的當(dāng)量比，1004表示在12巴壓力下1.1的當(dāng)量比，以及1006表示在30巴壓力下1.1的當(dāng)量比。類似地，曲線1010表示在I巴壓力下1.05的當(dāng)量比，1012表示在12巴壓力下1.05的當(dāng)量比，以及1014表示在30巴壓力下1.05的當(dāng)量比。曲線1020表示在I巴壓力下I的當(dāng)量比，1022表示在12巴壓力下I的當(dāng)量比，以及1024表示在30巴壓力下I的當(dāng)量比。最后，曲線1030表示在I巴壓力下0.95的當(dāng)量比，1032表示在12巴壓力下0.95的當(dāng)量比，以及1034表示在30巴壓力下0.95的當(dāng)量比。
[0089]如前述的，用于發(fā)電裝置如燃氣渦輪的常規(guī)高壓燃燒器的復(fù)雜化因素是氣態(tài)燃燒流進入渦輪之前僅存在于燃燒器內(nèi)相對短的時間，大約40ms。結(jié)果，成分是“凍結(jié)的”，因為當(dāng)氣體通過渦輪的膨脹器冷卻時反應(yīng)被結(jié)束。沒有足夠的能量(例如低溫)使反應(yīng)在可測量的速度下向平衡進行。
[0090]圖11圖解了凍結(jié)的O2濃度和平衡濃度之間差值的大小。圖11表明在1700K和在I大氣壓下I當(dāng)量比下，O2摩爾分?jǐn)?shù)在大約0.008被凍結(jié)。相比較而言，圖9中同樣條件的平衡O2摩爾分?jǐn)?shù)大約低8倍，在0.001。
[0091]在含氧燃料燃氣渦輪的所提出構(gòu)造中，溫度、壓力和反應(yīng)物組成被配置以產(chǎn)生具有足夠高溫度的渦輪排出流，從而在計算的停留時間內(nèi)驅(qū)動朝向平衡的連續(xù)反應(yīng)。例如，通過圖表900、1000和1100上標(biāo)記為“B”的線標(biāo)出1750K(2690F)的可能的渦輪入口溫度。線“B”指出300-500ppm數(shù)量級的O2平衡水平；但是，圖表1100的線B表明40ms后實際的O2濃度升至比圖表900的相應(yīng)線B處顯示的平衡水平更高的數(shù)量級。可注意到，圖表1100線B處的O2水平大于1000ppm(12巴，phi = 1.0)。這種O2濃度通常對于管線(即井下)應(yīng)用是不可接受的。在穿過渦輪的膨脹后，期望渦輪排出溫度約為1200K。如果壓力通風(fēng)系統(tǒng)被建在使化學(xué)反應(yīng)朝向平衡進行的系統(tǒng)中，如由1000中線“A”指出的，02摩爾分?jǐn)?shù)將小于
0.00001 (IOppm)。
[0092]圖12的圖表1200圖解了更長的停留時間可提供更低的O2濃度。圖表1200繪制了 O2從火焰中它的峰值水平降低為峰值水平的10%所需的時間(τ 10% )。例如，在1200Κ的渦輪排出溫度下，如由圖表900的線A指出的，停留時間需求可超過I秒。
[0093]本發(fā)明可容易有各種改進和可選形式，并且以上討論的示例性實施方式僅通過舉例顯示。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不意欲限于本文公開的【具體實施方式】。而是，本發(fā)明包括落入所附權(quán)利要求真正精神和范圍內(nèi)的所有替代方式、改進和等同形式。
【權(quán)利要求】
1.一種含氧燃料燃氣渦輪系統(tǒng)，其包括: 燃燒裝置，其配置來產(chǎn)生氣態(tài)燃燒流； 渦輪， 其配置來接收所述氣態(tài)燃燒流、膨脹所述氣態(tài)燃燒流并排出膨脹的氣態(tài)燃燒流作為渦輪排出流，其中所述渦輪排出流具有至少1200 °?的溫度；以及 蒸汽重整器，其配置來接收所述渦輪排出流；從所述渦輪排出流提取熱；并將所述熱傳輸至重整器原料流以產(chǎn)生重整器產(chǎn)物流。
2.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述重整器原料流包括至少部分控制燃料流。
3.權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述重整器原料流包括蒸汽。
4.權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述重整器原料流包括二氧化碳。
5.權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述燃燒裝置配置來接收氧氣流、二氧化碳流和結(jié)合的燃料流，其中所述結(jié)合的燃料流包括所述控制燃料流和所述重整器產(chǎn)物流的混合物。
6.權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述燃燒裝置配置來燃燒所述氧氣流、所述二氧化碳流和所述結(jié)合的燃料流以產(chǎn)生所述氣態(tài)燃燒流。
7.權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中進一步轉(zhuǎn)變并分離部分所述重整器產(chǎn)物流以產(chǎn)生富氫流和富二氧化碳流。
8.權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述燃燒裝置配置來接收氧氣流、二氧化碳流和結(jié)合的燃料流，其中所述結(jié)合的燃料流包括所述控制燃料流和所述富二氧化碳流的混合物。
9.權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述結(jié)合的燃料流進一步包括部分所述富H2流。
10.權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述富氫流適于作為產(chǎn)品銷售或被管送至不同工藝。
11.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述重整器連接至熱回收蒸汽發(fā)生器，以進一步冷卻所述渦輪排出流。
12.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進一步包括位于所述重整器上游的壓力通風(fēng)系統(tǒng)，其中所述壓力通風(fēng)系統(tǒng)配置來提供停留時間，在所述停留時間內(nèi)所述渦輪排出流的單個組分朝向平衡化學(xué)上起反應(yīng)并基本上將中間產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為平衡產(chǎn)物。
13.權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，進一步包括所述重整器下游的熱回收蒸汽發(fā)生器。
14.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進一步包括連接至所述重整器下游的壓力通風(fēng)系統(tǒng)，其中所述壓力通風(fēng)系統(tǒng)配置來提供停留時間，在所述停留時間內(nèi)所述渦輪排出流的單個組分朝向平衡化學(xué)上起反應(yīng)并基本上將中間產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為平衡產(chǎn)物。
15.權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，進一步包括所述壓力通風(fēng)系統(tǒng)下游的熱回收蒸汽發(fā)生器。
16.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述重整器和所述渦輪的排出噴嘴之間的距離小于5米。
17.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述重整器和所述渦輪的排出噴嘴之間的停留時間小于0.1s。
18.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述氣態(tài)燃燒流具有基本上在1900和2700°F之間的溫度。
19.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述蒸汽重整器與熱回收蒸汽發(fā)生器流體連通并位于熱回收蒸汽發(fā)生器上游。
20.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述蒸汽重整器直接連接至所述渦輪。
21.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述蒸汽重整器包括換熱器和催化劑。
22.一種用于含氧燃料燃氣渦輪系統(tǒng)的方法，所述方法包括: 提供氧氣流、二氧化碳流、控制燃料流和重整的控制燃料流； 燃燒所述氧氣流、所述二氧化碳流和所述重整的控制燃料流以產(chǎn)生具有至少1800 T溫度的氣態(tài)燃燒流； 穿過渦輪膨脹所述氣態(tài)燃燒流以形成膨脹的氣態(tài)燃燒流；以及使用提取自所述膨脹的氣態(tài)燃燒流的熱重整所述控制燃料流以形成所述重整的控制燃料流，其中所述重整的控制燃料流的特征是與所述控制燃料流相比氫增長。
23.權(quán)利要求22所述的方法，進一步包括從穿過渦輪膨脹所述氣態(tài)燃燒流的步驟產(chǎn)生能量的步驟。
24.權(quán)利要求22所述的方法，其中所述燃燒步驟產(chǎn)生具有基本上在1900和2700°卩之間溫度的氣態(tài)燃燒流。
25.權(quán) 利要求22所述的方法，其中所述燃燒步驟產(chǎn)生具有基本上在2200和2500°卩之間溫度的氣態(tài)燃燒流。
26.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述重整器選自蒸汽重整器和自動熱重整器。
【文檔編號】F02C6/18GK103953446SQ201410177341
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2010年7月9日 優(yōu)先權(quán)日:2009年9月1日
【發(fā)明者】C·拉斯馬森, R·A·亨廷頓, D·歐迪, F·F·米特里克爾, F·赫什科維茨 申請人:?？松梨谏嫌窝芯抗?br>