СИСТЕМА И СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ДИОКСИДА УГЛЕРОДА
SYSTEM AND METHOD FOR PRODUCING CARBON DIOXIDE

Данная заявка относится к производству диоксида углерода и, в частности, к системам и способам для получения и отделения диоксида углерода.
Уровень техники
Значительное количество диоксида углерода используется при добыче нефти с применением Метода Увеличения Нефтеотдачи - МУН (Enchanted Oil Recovery - EOR). Нефтяная скважина обычно забирает приблизительно 30% нефти из подземного нефтяного резервуара во время фазы первичной добычи. Дополнительные 20% нефти могут быть извлечены применением технологий вторичной добычи, например, заводнением, которое повышает горное давление. Метод МУН (EOR) обеспечивает технология третичной добычи, допускающая извлечение дополнительных 20% нефти и более из подземного резервуара.
В процессе использования метода МУН в подземный нефтяной резервуар вводят большие количества диоксида углерода, тем самым принудительно извлекая дополнительную нефть из скважины. Диоксид углерода является предпочтительным газом для метода МУН, благодаря его способности смешиваться с подземной нефтью и делать нефть менее вязкой и легче поддающейся извлечению.
Диоксид углерода, используемый в методе МУН, может быть получен из различных источников с применением различных технологий. Например, диоксид углерода может быть собран из естественных источников, таких как окружающий воздух, или может быть собран в виде побочного продукта различных промышленных назначений, например, ферментации. К сожалению, традиционные технологии производства диоксида углерода являются энергоемкими, особенно при работе в промышленном масштабе. Кроме того, стоимость транспортирования диоксида углерода от места производства к месту применения метода МУН (например, перевозка или трубопровод) довольно значительна.
Соответственно специалисты в данной области продолжают исследование и разработки в области производства, сбора и распределения диоксида углерода.
Раскрытие изобретения
В соответствии с объектом данного изобретения предлагается система для производства диоксида углерода, включающая в себя: подсистему сбора, выполненную для сбора технологического газа, причем технологический газ включает в себя углеводород; подсистему сжигания, выполненную для сжигания углеводорода в технологическом газе и получения выходящего газообразного потока продуктов сгорания, причем выходящий газообразный поток продуктов сгорания включает в себя диоксид углерода и воду; и подсистему отделения, выполненную для отделения диоксида углерода от газообразного потока продуктов горения.
В одном из предпочтительных вариантов реализации изобретения технологическим газом является природный газ.
В одном из предпочтительных вариантов реализации изобретения подсистема сжигания содержит по меньшей мере одно из следующего: двигатель внутреннего сгорания и турбина.
В одном из предпочтительных вариантов реализации изобретения подсистема сжигания выполнена с возможностью выработки электрической энергии.
В одном из предпочтительных вариантов реализации изобретения электрическую энергию подают по меньшей мере к одной из упомянутых подсистем: сбора и отделения.
Кроме того, в одном из предпочтительных вариантов реализации изобретения подсистема отделения выполнена с возможностью отделения воды от выходящего газообразного потока продуктов сгорания.
В одном из предпочтительных вариантов реализации изобретения подсистема отделения содержит адсорбирующий материал.
В одном из предпочтительных вариантов реализации изобретения адсорбирующий материал содержит материал молекулярного сита.
В одном из предпочтительных вариантов реализации изобретения материал молекулярного сита содержит цеолит 13Х (13Х zeolite).
В одном из предпочтительных вариантов реализации изобретения подсистема отделения содержит теплообменник, снижающий температуру выходящего газообразного потока продуктов сгорания до контакта выходящего газообразного потока продуктов сгорания с адсорбирующим материалом.
В одном из предпочтительных вариантов реализации изобретения подсистема отделения содержит высушивающий материал, и, при этом, выходящий газообразный поток продуктов сгорания контактирует с высушивающим материалом до контакта с адсорбирующим материалом.
Согласно еще одному объекту данного изобретения предложена система для производства диоксида углерода, содержащая: подсистему сбора, выполненную с возможностью сбора технологического газа, причем технологический газ включает в себя метан; подсистему сжигания, выполненную с возможностью сжигания метана и получения выходящего газообразного потока сгорания, причем выходящий газообразный поток продуктов сгорания содержит диоксид углерода и воду; и подсистему отделения, выполненную для отделения диоксида углерода от газообразного потока продуктов сгорания, причем подсистема отделения содержит цеолит.
Согласно еще одному объекту данного изобретения предложен способ производства диоксида углерода, в соответствии с которым: 1) подают технологический газ, включающий в себя углеводород; 2) сжигают углеводород для получения электрической энергии и газообразного потока продуктов сгорания, причем газообразный поток продуктов сгорания включает в себя диоксид углерода и воду и 3) отделяют диоксид углерода от газообразного потока продуктов сгорания.
Согласно другому объекту данного изобретения предложен способ производства диоксида углерода, в соответствии с которым: 1) подают технологический газ, включающий в себя диоксид углерода и воду; 2) удаляют по меньшей мере часть воды из газообразной смеси для образования по существу сухой газообразной смеси и 3) адсорбируют по меньшей мере часть диоксида углерода из сухой газообразной смеси на адсорбирующем материале.
В одном из предпочтительных вариантов реализации изобретения подача газообразной смеси включает подачу технологического газа, содержащего углеводород, и сжигание углеводорода для получения газообразной смеси.
В одном из предпочтительных вариантов реализации изобретения технологическим газом является природный газ.
Определенное преимущество обеспечивается тем, что этап удаления упомянутой воды содержит отвод тепла из упомянутой газообразной смеси для конденсации упомянутой воды.
В одном из предпочтительных вариантов реализации изобретения удаление воды включает передачу по меньшей мере части воды на высушивающий материал.
В одном из предпочтительных вариантов реализации изобретения способ дополнительно включает передачу по меньшей мере части отведенного тепла на высушивающий материал.
В одном из предпочтительных вариантов реализации изобретения высушивающий материал содержит материал молекулярного сита.
В одном из предпочтительных вариантов реализации изобретения материал молекулярного сита содержит цеолит 3A.
В одном из предпочтительных вариантов реализации изобретения адсорбирующий материал содержит материал молекулярного сита.
В одном из предпочтительных вариантов реализации изобретения материал молекулярного сита содержит цеолит 13Х.
Определенное преимущество обеспечивается тем, что способ содержит дополнительный этап, на котором выделяют упомянутый адсорбированный диоксид углерода из упомянутого адсорбирующего материала.
В одном из предпочтительных вариантов реализации изобретения выделение упомянутого адсорбированного диоксида углерода включает по меньшей мере один из процессов: вакуумирования и нагревания.
В одном из предпочтительных вариантов реализации изобретения способ дополнительно включает превращение упомянутого выделенного диоксида углерода из газового состояния в твердое.
Согласно еще одному объекту данного изобретения предложен способ производства диоксида углерода, в соответствии с которым: 1) подают технологический газ, включающий в себя диоксид углерода и воду; 2) удаляют по меньшей мере часть воды из газообразной смеси для образования по существу сухой газообразной смеси; 3) адсорбируют по меньшей мере часть диоксида углерода из сухой газообразной смеси на адсорбирующем материале и 4) выделяют адсорбированный диоксид углерода из адсорбирующего материала.
Согласно еще одному объекту данного изобретения предложен способ производства диоксида углерода, в соответствии с которым: 1) - подают газообразную смесь, включающую в себя диоксид углерода; 2) - отводят тепло из газообразной смеси; 3) - адсорбируют по меньшей мере часть диоксида углерода из газообразной смеси на адсорбирующем материале; и, по желанию, 4) - переносят отведенное тепло.
Согласно еще одному объекту данного изобретения предложен способ производства диоксида углерода, в соответствии с которым: 1) подают технологический газ, включающий в себя диоксид углерода и воду; 2) отводят тепло из газообразной смеси; 3) переносят по меньшей мере часть воды из газообразной смеси на высушивающий материал для образования по существу сухой газообразной смеси; 4) адсорбируют по меньшей мере часть диоксида углерода из сухой газообразной смеси на адсорбирующем материале; и, по желанию, 5) переносят отведенное тепло.
Согласно еще одному объекту данного изобретения предложен способ производства диоксида углерода, в соответствии с которым: 1) подают технологический газ, включающий в себя диоксид углерода и воду; 2) отводят тепло из газообразной смеси; 3) переносят по меньшей мере часть воды из газообразной смеси на высушивающий материал для образования по существу сухой газообразной смеси; 4) адсорбируют по меньшей мере часть диоксида углерода из сухой газообразной смеси на адсорбирующем материале и 5) переносят отведенное тепло по меньшей мере к одному из материалов: высушивающего материала и адсорбирующего материала.
Согласно еще одному объекту данного изобретения предложена система для производства диоксида углерода из газообразной смеси, которая содержит: 1) конденсатор для отвода тепла из газообразной смеси, причем конденсатор конденсирует водяной пар в технологическом газе; 2) высушивающий материал для удаления дополнительной воды из газообразной смеси для образования по существу сухой газообразной смеси; 3) адсорбирующий материал для адсорбции диоксида углерода из сухого газа; 4) вакуумную камеру для откачивания адсорбированного диоксида углерода из адсорбирующего материала и преобразования откачанного диоксида углерода из газа в твердое вещество и 5) устройство теплопередачи для сбора тепла, отведенного из газообразной смеси, и переноса отведенного тепла.
В одном из предпочтительных вариантов реализации изобретения устройство теплопередачи выполнено с возможностью переноса тепла по меньшей мере к одному из высушивающего материала и адсорбирующего материала.
Согласно дополнительному объекту данного изобретения предложена система для производства диоксида углерода из газообразной смеси, содержащая: 1) конденсатор для отвода тепла из газообразной смеси, причем в конденсаторе конденсируется водяной пар из газообразной смеси; 2) высушивающий материал для удаления дополнительной воды из газообразной смеси и образования по существу сухого газа; 3) адсорбирующий материал, для адсорбции диоксида углерода из сухого газа; 4) вакуумную камеру для откачивания адсорбированного диоксида углерода из адсорбирующего материала и превращение откачанного диоксида углерода из газа в твердое вещество и 5) устройство теплопередачи для сбора тепла, отведенного из газообразной смеси, и переноса отведенного тепла к высушивающему материалу и/или адсорбирующему материалу.
Согласно дополнительному объекту данного изобретения предложен способ производства диоксида углерода, в соответствии с которым: 1) подают технологический газ, включающий в себя метан; 2) сжигают углеводород для получения электрической энергии и газообразного потока продуктов сгорания, причем газообразный поток продуктов сгорания включает в себя диоксид углерода и воду; и 3) применяя цеолит, отделяют диоксид углерода от газообразного потока продуктов сгорания.
Другие варианты высушивающего материала раскрытых системы и способа производства диоксида углерода будут понятны из последующего подробного описания, сопровождающих чертежей и прилагаемой формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 является технологической схемой одного варианта осуществления раскрытой системы для производства диоксида углерода.
Фиг. 2 является технологической схемой подсистемы отделения системы по фиг. 1.
Фиг. 3 является технологической схемой альтернативной подсистемы отделения, которая может быть применена в качестве подсистемы отделения системы по фиг. 1.
Фиг. 4 является технологической схемой другого варианта осуществления раскрытой системы для производства диоксида углерода.
Фиг. 5 является структурной схемой, отображающей один вариант осуществления раскрытого способа производства диоксида углерода.
Фиг. 6 является структурной схемой, отображающей один вариант осуществления раскрытого способа отделения диоксида углерода от газообразной смеси.
Осуществление изобретения
По фиг. 1 один вариант осуществления раскрытой системы для производства диоксида углерода, в целом обозначенной позицией 10, может включать в себя подсистему 12 сбора технологического газа, подсистему 14 сжигания и подсистему 16 отделения. Раскрытая система 10, без отступления от объема данного изобретения, может включать в себя дополнительные подсистемы.
Подсистема 12 сбора технологического газа 18 может забирать технологический газ из источника 20 и может снабжать технологическим газом 18 подсистему 14 сжигания. Подсистема 12 сбора технологического газа может включать в себя различные трубопроводы или аналогичные системы для забора технологического газа 18 из источника 20 и транспортировать технологический газ 18 в подсистему 14 сжигания. Для облегчения транспортировки технологического газа 18 подсистема 12 сбора технологического газа может использовать, по желанию, насосы или аналогичные устройства.
4
2
6
3
8
4
10
Технологическим газом 18 может быть любой газ, или газообразная смесь, которая включает в себя углеводород, такой как метан (CH), этан (CH), пропан (CH) и/или бутан (CH). В дополнение к углеводороду, технологический газ 18 может включать в себя другие компоненты, такие как диоксид углерода, водяной пар, азот и/или сероводород. Концентрация углеводородного компонента технологического газа 18 может меняться в зависимости от источника 20 технологического газа 18.
В одном конкретном исполнении технологическим газом 18 может быть природный газ, который может включать в себя существенный метановый компонент, и источник 20 может быть месторождением природного газа или нефтяным месторождением. Таким образом, подсистема 12 сбора технологического газа может быть газовой скважиной или нефтяной скважиной и может включать в себя, например, серию трубопроводов для транспортировки природного газа (технологического газа) от источника 20 к подсистеме 14 сжигания.
Раскрытая система 10 может быть реализована в различных местах, имеющих источник 20 технологического газа. Несмотря на то, что данное изобретение концентрируется на источниках 20, связанных с нефтегазовой промышленностью (например, газовые месторождения и места применения метода МУН), без отступления от объема данного изобретения, могут быть использованы различные другие источники 20. В качестве одного примера, источником 20 может быть сельскохозяйственный объект, и подсистема 12 сбора технологического газа может быть системой забора метана, связанной с сельскохозяйственным объектом. В качестве другого примера, источник 20 может быть системой забора метана, связанной с полигоном растительных отходов. Другие соответствующие источники 20 технологического газа 18 станут понятны специалистам в данной области техники после прочтения и усвоения данного описания.
Подсистема 14 сжигания может принимать технологический газ 18, может смешивать технологический газ 18 с окружающим воздухом 22 (который может быть забран из окружающей среды и подан по линии 24 гидравлической связи) для введения кислорода в технологический газ 18 (если необходимо) и может сжигать технологический газ 18. Процесс сжигания может вырабатывать электрическую энергию 26 и может создавать выходящий газообразный поток 28 продуктов сгорания.
Вырабатываемая подсистемой 14 сжигания электрическая энергия 26 может быть использована для электропитания различных компонентов и подсистем системы 10, таких как подсистема сбора технологического газа, подсистема отделения 16 и вентилятор 30 (рассмотренный ниже). Альтернативно (или дополнительно), выработанная подсистемой 14 сжигания электрическая энергия может быть продана (например, третьим сторонам и/или электросети). Таким образом, выработанная подсистемой 14 сжигания электрическая энергия может быть одним из нескольких источников дохода раскрытой системы 10.
Подсистема 14 сжигания может включать в себя любую соответствующую установку или систему для сжигания. В качестве одного примера, подсистема 14 сжигания может включать в себя двигатель внутреннего сгорания с пульсирующим горением, например, дизельный двигатель, модифицированный для работы на природном газе. В качестве другого примера, подсистема 14 сжигания может включать в себя двигатель с непрерывным горением, такой как турбина (например, микротурбина). Несмотря на то, что двигатель с непрерывным горением может быть более эффективным для выработки электрической энергии 26, чем двигатель внутреннего сгорания с пульсирующим горением, менее эффективная подсистема 14 сжигания, такая как дизельный двигатель, модифицированный для работы на природном газе, может вырабатывать больше диоксида углерода и, таким образом, может повысить экономичность всей системы.
Подсистема 14 сжигания может превращать углеводороды в технологическом газе 18 в диоксид углерода и воду. Например, углеводороды в технологическом газе 18 могут быть преобразованы в диоксид углерода и воду следующим образом:
Таким образом, выходящий газообразный поток 28 продуктов сгорания может содержать диоксид углерода и воду, а также компоненты окружающего воздуха 22 (например, азот, кислород), которые прошли через подсистему 14 сжигания, и другие побочные продукты (например, монооксид углерода, оксиды азота). В качестве примера, когда технологическим газом 18 является природный газ, газообразный поток 28 продуктов сгорания может содержать около 12% диоксида углерода по весу.
Газообразный поток 28 продуктов сгорания может быть по существу свободным от углеводородов, которые могут по существу полностью сгореть в подсистеме 14 сжигания.
Выходящий газообразный поток 28 продуктов сгорания может быть подан в подсистему 16 отделения. Подсистема 16 отделения может отделить диоксид углерода 32 и воду 34 от выходящего газообразного потока 28 сгорания, а оставшаяся часть выходящего газообразного потока 28 сгорания (например, азот, кислород) могут быть освобождены в виде выпуска 36 (по линии 42 гидравлической связи). При желании, отделенный диоксид углерода 32 может быть отослан в сборник диоксида углерода (например, емкость хранения или трубопровод) по линии 38 гидравлической связи, а/или отделенная вода 34 может быть отослана в сборник воды (или слита) по линии 40 гидравлической связи.
Таким образом, диоксид углерода 32 и вода 34 могут быть двумя дополнительными источниками дохода раскрытой системы 10.
Подсистема 16 отделения может использовать различные технологии для отделения воды и диоксида углерода от выходящего газообразного потока 28 сгорания. Тип технологии отделения, используемой подсистемой 16 отделения, может быть продиктован различными факторами, включающими в себя условия процесса (например, заданную чистоту отобранного диоксида углерода 32 и воды 34) и экономику процесса (например, общее потребление энергии подсистемы 16 отделения).
Несмотря на то, что ниже рассмотрен способ физической адсорбции, без отступления от объема данного изобретения могут быть применены другие технологии, такие как химическая адсорбция, вихревое отделение и сжижение.
По фиг. 2, в одной конкретной конструкции, подсистема 16 отделения может включать в себя адсорбционную камеру 44. По желанию, подсистема 16 отделения может дополнительно включать в себя вакуумную камеру 46 десорбции, теплообменник 48 и/или камеру 50 высушивания. Предполагается также применение других компонентов.
Адсорбционная камера 44 может принимать газообразный поток 28 продуктов сгорания и может вырабатывать по существу свободный от диоксида углерода газ в виде выпуска 36 (фиг. 1) по линии 42 гидравлической связи. Адсорбционная камера 44 может включать в себя адсорбирующий материал, который адсорбирует диоксид углерода из газообразного потока 28 продуктов сгорания по способу физической адсорбции.
Для адсорбции диоксида углерода из газообразного потока 28 продуктов сгорания в адсорбционной камере 44 могут быть применены различные подходящие адсорбирующие материалы. В качестве одного общего примера адсорбирующим материалом может быть материал молекулярного сита, например, материал молекулярного сита, имеющий эффективный размер отверстия пор 10 ангстрем. В качестве конкретного примера адсорбирующим материалом может быть материал из цеолита, такой как материал молекулярного сита из цеолита 13Х с эффективным размером отверстия пор в 10 ангстрем. В качестве другого конкретного примера адсорбирующим материалом может быть цеолит 3A.
Когда на адсорбирующем материале внутри адсорбирующей камеры 44 адсорбировано достаточное количество диоксида углерода, адсорбированный диоксид углерода может быть высвобожден в виде выпуска 32 (фиг. 1) по линии 38 гидравлической связи, тем самым восстанавливая адсорбирующий материал. Например, когда концентрация диоксида углерода на выпуске 36 превышает установленное пороговое значение (например, 2% по весу, 3% по весу или 5% по весу), диоксид углерода может быть высвобожден, чтобы восстановить адсорбирующий материал.
Для высвобождения адсорбированного диоксида углерода из адсорбирующего материала в адсорбирующей камере 44, могут быть применены различные технологии. В качестве одного примера, вакуумная камера 46 десорбции (которая может быть тождественна адсорбирующей камере 44 или отдельно от нее) может быть использована для десорбции диоксида углерода из адсорбирующего материала. Вакуум может быть создан в вакуумной камере 46 десорбции (или адсорбирующей камере 44). Таким образом, когда адсорбирующий материал готов к восстановлению, адсорбирующая камера может быть герметизирована, и в камере 46 десорбции может быть создан вакуум (или адсорбирующей камере 44), вытягивающий, при этом, диоксид углерода из адсорбирующего материала. "Холодный палец" (cold finger) может быть расположен далее за камерой 46 десорбции (или адсорбирующей камерой 44), так что выделенный диоксид углерода конденсируется на холодном пальце. В качестве одной альтернативы холодному пальцу для отделения выделенного диоксида углерода может быть применено сжатие.
В качестве другого примера для выделения адсорбированного диоксида углерода из адсорбирующего материала в адсорбирующей камере 44 может быть применено нагревание, например, микроволновой энергией, энергией инфракрасного излучения и аналогичной формой энергии.
Теплообменник 48 может снизить температуру выходящего газообразного потока 28 продуктов сгорания до входа выходящего газообразного потока 28 продукта сгорания в адсорбционную камеру 44. В процессе охлаждения может конденсироваться водяной пар внутри газообразного потока 28 продуктов сгорания, который далее может быть выдан в виде воды 34 (фиг. 1) по линии 40 гидравлической связи.
Охлаждение выходящего газообразного потока 28 продуктов сгорания может быть особенно предпочтительным, когда подсистема 16 отделения осуществляет физическую адсорбцию. В частности, оно может быть предпочтительным для охлаждения выходящего газообразного потока 28 продуктов сгорания при заданной температуре адсорбирующего материала в адсорбирующей камере 44 для выполнения физической адсорбции. В качестве одного примера выходящий газообразный поток 28 продуктов сгорания может быть охлажден в пределах около 20°C адсорбирующего материала. В качестве другого примера, выходящий газообразный поток 28 продуктов сгорания может быть охлажден в пределах около 10°C адсорбирующего материала. В качестве другого примера, выходящий газообразный поток 28 продуктов сгорания может быть охлажден в пределах 5°C адсорбирующего материала. В качестве еще одного примера, когда адсорбирующий материал находится в условиях окружающей среды (25°C), выходящий газообразный поток 28 продуктов сгорания может быть охлажден, самое большее, до 35°C (например, до около 30°C).
В качестве альтернативы теплообменнику 48 (или в дополнение к теплообменнику 48), установка 30 подачи воздуха (фиг. 1), например вентилятор, может вводить окружающий воздух 22 (фиг. 1) в выходящий газообразный поток 28 продуктов сгорания до подсистемы 16 отделения или внутри подсистемы 16 отделения. Введение окружающего воздуха 22 в выходящий газообразный поток 28 продуктов сгорания может охладить газообразный поток 28 продуктов сгорания несмотря на то, что дополнительное охлаждение теплообменником 48 может все-таки потребоваться для обеспечения желаемого падения температуры газообразного потока 28 продуктов сгорания.
Поскольку окружающий воздух 22 включает в себя только около 400 ppm диоксида углерода, введение окружающего воздуха в выходящий газообразный поток 22 сгорания может разбавить содержание диоксида углерода в газообразном потоке 28 продуктов сгорания. По одной интерпретации, количество окружающего воздуха 22, введенного в газообразный поток 28 продуктов сгорания, может быть управляемо так, чтобы концентрация диоксида углерода внутри газообразного потока 28 сгорания не падала ниже около 12% по весу. По другой интерпретации количество окружающего воздуха 22, введенного в газообразный поток 28 продуктов сгорания, может быть управляемо так, чтобы концентрация диоксида углерода внутри газообразного потока 28 продуктов сгорания не падала ниже около 10% по весу. По еще одной интерпретации количество окружающего воздуха 22, введенного в газообразный поток 28 продуктов сгорания, может быть управляемо так, чтобы концентрация диоксида углерода внутри газообразного потока 28 сгорания не падала ниже около 5% по весу.
Таким образом, охлаждение газообразного потока 28 продуктов сгорания может повысить сбор диоксида углерода в адсорбирующей камере 44 подсистемы 16 отделения.
По желанию, камера 50 высушивания может удалить любую воду, остающуюся в газообразном потоке 28 продуктов сгорания, до того, как газообразный поток 28 продуктов сгорания войдет в адсорбирующую камеру 44. Водяной пар, удаленный в камере 50 высушивания, может быть выведен в виде воды 34 (фиг. 1) по линии 40 гидравлической связи.
Камера 50 высушивания может включать в себя высушивающий материал. Множество высушивающих материалов могут быть пригодными для использования в камере 50 высушивания для удаления по существу всей воды из выходящего газообразного потока 28 продукта сгорания. В качестве одного общего примера высушивающим материалом может быть материал молекулярного сита. В качестве конкретного примера высушивающим материалом может быть материал молекулярного сита с металлощелочной алюмосиликатной структурой, которая имеет эффективное отверстие пор в три ангстрема.
Таким образом, теплообменник 48 и камера 50 высушивания могут удалять по существу всю воду (газ и жидкость), первоначально содержащуюся в выходящем газообразном потоке 28 сгорания. Результирующий сухой газообразный поток 28 продуктов сгорания может быть далее пропущен в адсорбирующую камеру 44, где затем диоксид углерода может быть отделен от газообразного потока 28 продуктов сгорания.
Соответственно раскрытая система 10 может использовать содержащий углеводороды технологический газ 18 для производства множества источников потенциального дохода: электрической энергии, диоксида углерода и воды. Кроме того, раскрытая система 10 может быть применена для производства диоксида углерода 32 в любом источнике 20 содержащего углеводороды технологического газа 18 (например, метана), функционируя в виде виртуального трубопровода, который устраняет необходимость транспортировки диоксида углерода на большие расстояния, такие как фрахт или физический трубопровод. Например, система 10 или ее компоненты (например, подсистема 14 сжигания или подсистема 16 отделения) могут быть смонтированы на мобильной платформе, например на платформе автомобиля, придавая тем самым системе мобильность и возможность реализации там, где необходимо.
На фиг. 3 представлен альтернативный вариант осуществления раскрытой подсистемы отделения, обозначенной в целом позицией 160. Подсистема 160 отделения может включать в себя установку 162 подачи воздуха, конденсатор 164, высушивающую камеру 166, контактный резервуар 168, вакуумную камеру 170 и устройство 172 теплопередачи. Подсистема 160 отделения может включать в себя дополнительные компоненты и подсистемы без отступления от объема данного изобретения.
Подсистема 160 отделения может быть обеспечена газообразной смесью 174 из источника 176. Источником 176 может быть любой источник газообразной смеси 174. Газообразной смесью 174 может быть любой газ, содержащий диоксид углерода. Например, газообразная смесь 174 может быть газообразной смесью и может включать в себя диоксид углерода, а также другие компоненты, например водяной пар, азот, кислород и аналогичные им компоненты.
Газообразная смесь 174 может находиться при повышенной температуре по сравнению с окружающей средой, так что газообразная смесь содержит избыточное тепло. По одной интерпретации газообразная смесь 174 может быть при температуре по меньшей мере 25°C. По другой интерпретации газообразная смесь 174 может быть при температуре по меньшей мере 50°C. По другой интерпретации газообразная смесь 174 может быть при температуре по меньшей мере 100°C. По другой интерпретации газообразная смесь 174 может быть при температуре по меньшей мере 200°C. По другой интерпретации газообразная смесь 174 может быть при температуре по меньшей мере 300°C. По другой интерпретации, газообразная смесь 174 может быть при температуре по меньшей мере 400°C. Еще по одной интерпретации газообразная смесь 174 может быть при температуре по меньшей мере 500°C.
В одном варианте осуществления источником 176 может быть подсистема 14 сгорания (фиг. 1), а газообразной смесью может быть газообразный поток 28 продуктов сгорания (фиг. 1) раскрытой системы 10 (фиг. 1) для производства диоксида углерода.
В другом варианте осуществления источником 176 может быть энергетическая установка. Например, энергетической установкой может быть электрическая станция, работающая на сжигании углеводородов, такая как электростанция, работающая на природном газе, а газообразной смесью 174 могут быть побочные продукты сгорания электростанции, сжигающей углеводороды. Таким образом, газообразная смесь 174 может находиться при сравнительно высокой температуре по сравнению с окружающим воздухом и включать в себя значительные количества диоксида углерода, как продукта реакции горения кислорода с углеводородом. Для удаления загрязнений (например, металлов) из потока продуктов сгорания, перед впуском газообразной смеси 174 в подсистему 160 отделения, между источником 176 и установкой 162 подачи воздуха, по желанию, могут быть применены устройства отделения, например, скрубберы.
Установка 162 подачи воздуха, по желанию, может способствовать переносу газообразной смеси 174 из источника 176 к конденсатору 164. Установка 162 подачи воздуха может быть вентилятором, воздуходувным устройством или аналогичным им устройством и может управлять потоком (например скоростью потока) газообразной смеси 174 в конденсатор 164. Предусмотрено также применение множества установок 162 подачи воздуха.
Конденсатор 164 может принимать газообразный поток 174 из установки 162 подачи воздуха и может конденсировать любой водяной пар в газообразной смеси 174 с выведением частично (если не полностью) сухого газа 178. Могут быть применены различные типы и конфигурации конденсатора, и предусмотрено также применение одноступенчатого или многоступенчатого конденсатора. Конденсатор 164 может конденсировать водяной пар в газообразной смеси 174 охлаждением газообразной смеси 174. Тепло, выводимое из газообразной смеси 174 конденсатором 164 во время охлаждения, может быть передано в устройство 172 теплопередачи для последующего использования, как описано подробнее ниже.
Таким образом, конденсатор 164 может снижать температуру газообразной смеси 174. В одном воплощении конденсатор 164 может снизить температуру газообразной смеси 174 по меньшей мере на 10°C. В другом воплощении, конденсатор 164 может снизить температуру газообразной смеси 174 по меньшей мере на 20°C. В другом воплощении конденсатор 164 может снизить температуру газообразной смеси 174 по меньшей мере на 30°C. В другом воплощении конденсатор 164 может снизить температуру газообразной смеси 174 по меньшей мере на 40°C. В другом воплощении конденсатор 164 может снизить температуру газообразной смеси 174 по меньшей мере на 50°C. В другом воплощении конденсатор 164 может снизить температуру газообразной смеси 174 по меньшей мере на 100°C. В другом воплощении конденсатор 164 может снизить температуру газообразной смеси 174 по меньшей мере на 150°C. Еще в одном воплощении конденсатор 164 может снизить температуру газообразной смеси 174 по меньшей мере на 200°C.
Вода, удаленная конденсатором 164 из газообразной смеси 174, может быть собрана в качестве побочного продукта. Собранная вода далее может быть использована для любой соответствующей цели или слита в дренажный водосток.
Камера 166 высушивания может принимать частично сухой газ 178 из конденсатора 164 и может выдавать по существу сухой газ 180. Камера 166 высушивания может включать в себя высушивающий материал для удаления по существу всей воды, остающейся в частично сухом газе 178.
Для удаления по существу всей воды из частично сухого газа 178 в высушивающей камере 166 может быть применено множество высушивающих материалов. В качестве одного общего примера высушивающим материалом может быть материал молекулярного сита. В качестве одного конкретного примера высушивающим материалом может быть материал молекулярного сита с металлощелочной алюмосиликатной структурой, который имеет эффективное отверстие пор 3 ангстрема. В качестве другого конкретного примера, высушивающим материалом может быть (или включать в себя) цеолит 3A. Также могут быть применены другие высушивающие материалы, включающие в себя материалы молекулярного сита, имеющие разные структуры и/или эффективные размеры пор.
Высушивающий материал может стать отработанным после сбора определенного количества воды и, таким образом, может потребовать восстановления. Восстановление высушивающего материала может быть эффективным при воздействии на высушивающий материал тепла, например, посредством устройства 172 теплопередачи, как описано более подробно ниже. Для восстановления высушивающего материала могут быть применены также другие технологии, такие как воздействие вакуумом. Также рекомендуются сочетания технологий, например вакуума и тепла.
Удаленная из частично сухого газа 178 камерой 166 высушивания вода может быть собрана в виде побочного продукта. Собранная вода может быть затем использована для любой соответствующей цели или слита в дренажный водосток.
Таким образом, конденсатор 164 и камера 166 высушивания могут удалять по существу всю воду, первоначально содержавшуюся в газообразной смеси 174. Результирующий сухой газ 180 может быть далее использован для сбора диоксида углерода.
Контактный резервуар 168 может принимать сухой газ 180 из камеры 166 высушивания и может выдавать по существу свободный от диоксида углерода сухой газ 182. Контактный резервуар 168 может включать в себя адсорбирующий материал, который адсорбирует диоксид углерода из сухого газа 180.
Для адсорбции диоксида углерода из сухого газа 180 может быть пригодно множество адсорбирующих материалов для применения в контактном резервуаре 168. В качестве одного примера адсорбирующим материалом может быть материал молекулярного сита, такой как материал молекулярного сита, имеющий эффективный размер отверстия пор 10 ангстрем. В качестве другого примера, материалом молекулярного сита может быть цеолит, например, цеолит 13X.
Если на адсорбирующем материале было адсорбировано достаточное количество диоксида углерода, то адсорбированный диоксид углерода может быть выделен (десорбирован) из адсорбирующего материала для образования выходного потока 184 диоксида углерода. Процесс выделения адсорбированного диоксида углерода из адсорбирующего материала может восстановить адсорбирующий материал, допуская тем самым последующее использование адсорбирующего материала.
Адсорбированный диоксид углерода может быть выделен из адсорбирующего материала в контактном резервуаре 168 воздействием на адсорбирующий материал вакуумом. По желанию, в контактный резервуар 168 для нагревания адсорбирующего материала (и адсорбированного диоксида углерода) может быть подано тепло, например устройством теплопередачи 172, чтобы способствовать дальнейшему выделению диоксида углерода из адсорбирующего материала.
В качестве одного примера контактный резервуар 168 может быть по существу герметизирован от потока газа. Тогда посредством вакуумной камеры 170 может быть осуществлено вакуумирование контактного резервуара 168. Таким образом, примененные вакуум и (желательно) тепло могут облегчить выделение (десорбцию) диоксида углерода из адсорбирующего материала в контактном резервуаре 168 в вакуумную камеру 170, как показано стрелкой 186.
В качестве другого примера контактный резервуар 168 и вакуумная камера 170 могут быть одним и тем же. Таким образом, когда адсорбирующий материал готов к восстановлению, контактный резервуар 168/вакуумная камера 170 может быть герметизирована. Затем может быть осуществлено вакуумирование, вытягивающее, таким образом, диоксид углерода из адсорбирующего материала. Выделенный из адсорбирующего материала диоксид углерода может быть превращен с применением любой подходящей технологии в твердое вещество. Например, выделенный из адсорбирующего материала диоксид углерода может быть превращен в твердое вещество применением охлаждающей поверхности 188, например холодным пальцем. Охлажденная поверхность 188 может быть расположена в вакуумной камере 170, как показано на фиг. 3. Альтернативно, охлажденная поверхность 188 может быть расположена за вакуумной камерой 170. Далее, для высвобождения диоксида углерода с охлажденной поверхности 188 в виде газа может быть использован соответствующий нагрев.
Охлажденная поверхность 188 может быть охлаждена криогенным насосом 190, который осуществляет циркуляцию холодной жидкости по охлажденной поверхности 188. Охлажденная поверхность 188 может быть охлаждена до температуры, которая является достаточно низкой (например, около -78°C или ниже), чтобы газообразный диоксид углерода отвердевал на охлажденной поверхности 188.
Выходящий поток 184 диоксида углерода, который может быть газом, твердым или жидким, предназначен для хранения, последующего применения или транспортировки (например, к месту работ).
Устройство 172 теплопередачи может термически связывать конденсатор 164 с одной подсистемой или более для использования накопленного конденсатором 164 тепла. В качестве одного примера устройство 172 теплопередачи может термически связывать конденсатор 164 с камерой 166 высушивания. В качестве другого примера устройство 172 теплопередачи может термически связывать конденсатор 164 с контактным резервуаром 168. В качестве другого примера устройство 172 теплопередачи может термически выборочно связывать конденсатор 164 как с высушивающей камерой 166, так и с контактным резервуаром 168.
Устройство 172 теплопередачи может включать в себя линию 192 гидравлической связи, насос 194, теплообменники 196, 198, 200 и, по желанию, теплопоглотитель 202. Первый теплообменник 196 может быть связан с конденсатором 164 и может забирать тепло от газообразной смеси 174 в конденсаторе 164. Второй теплообменник 198 может быть связан с камерой 166 высушивания и может передавать тепло камере 166 высушивания, например, во время восстановления высушивающего материала. Третий теплообменник 200 может быть связан с контактным резервуаром 168 и может передавать тепло контактному резервуару 168, например, во время выделения диоксида углерода из адсорбирующего материала.
Линия 192 гидравлической связи может связывать текучей средой первый теплообменник 196 со вторым и третьим теплообменниками 198, 200. Насос 194 может осуществлять циркуляцию охлаждающей текучей среды (например, водной, гликолевой или аналогичной среды) по линии 192 гидравлической связи, так что охлаждающая текучая среда забирает тепло от первого теплообменника 192 и передает тепло одной или нескольким подсистемам. Например, охлаждающая текучая среда может передавать собранное тепло с помощью второго теплообменника 198 камере 166 высушивания и/или с помощью третьего теплообменника 200 контактному резервуару 168.
Первый клапан 204 может быть соединен с линией 192 гидравлической связи в ближайшей к камере 166 высушивания точке, чтобы управлять потоком охлаждающей текучей среды во втором теплообменнике 198. Для обхода второго теплообменника 198, когда первый клапан 204 закрыт, может быть предусмотрена обходная линия 206.
Второй клапан 208 может быть соединен с линией 192 гидравлической связи в ближайшей к контактному резервуару 168 точке, чтобы управлять потоком охлаждающей текучей среды в третьем теплообменнике 200. Для обхода третьего теплообменника 200, когда второй клапан 208 закрыт, может быть предусмотрена обходная линия 210.
Таким образом, клапаны 204, 208 могут быть выборочно активированы для управления, когда тепло подается к высушивающей камере 166 и контактному резервуару 168, соответственно.
Линия 192 гидравлической связи может также обмениваться теплом с теплопоглотителем 202. Теплопоглотитель 202 может отводить остаточное тепло из охлаждающей текучей среды перед осуществлением обратной рециркуляции охлаждающей текучей среды по устройству 172 теплопередачи. Также предусматриваются устройства теплопередачи, которые не осуществляют рециркуляцию охлаждающей текучей среды.
По фиг. 4, в месте применения метода МУН может быть осуществлен другой вариант осуществления раскрытой системы для производства диоксида углерода, обозначенной в целом позицией 100. Система 100 может включать в себя сепаратор 102 нефти/газа (который служит в качестве подсистемы сбора технологического газа), подсистему 104 сжигания и подсистему 106 отделения, а также дополнительный сепаратор 108 и подсистему 110 введения под давлением.
Сепаратор 102 нефти/газа может принимать смесь нефти и газа из добывающей скважины 112 и может отделять смесь на нефтяной компонент 114 и газовый компонент 116. Газовый компонент 116 из сепаратора 102 может быть технологическим газом системы 100.
Таким образом, технологический газ 116 может включать в себя, среди других возможных компонентов, метан, диоксид углерода и воду. Компонент диоксида углерода технологического газа 116 может включать в себя встречающийся в природе диоксид углерода, а также диоксид углерода, извлеченный из скважины 112 в результате применения метода МУН.
Сепаратор 102 нефти/газа может снабжать технологическим газом 116 подсистему 104 сжигания. Например, линия 118 гидравлической связи (которая может управляться клапаном 120) может выборочно связывать текучей средой сепаратор 102 нефти/газа с подсистемой 104 сжигания, так что собранный технологический газ 116 может непосредственно течь в подсистему 104 сжигания.
Альтернативно, сепаратор 108 может быть размещен между сепаратором 102 нефти/газа и подсистемой 104 сжигания. Сепаратор 108 может принимать технологический газ по линии 122 текучей жидкости (которая может управляться клапаном 124) и может отделять (по меньшей мере частично) диоксид углерода от метана. Отделенный диоксид углерода может быть транспортирован по линии 126 текучей жидкости в подсистему 110 введения под давлением для ввода в нагнетательную скважину 128. Отделенный метан может быть транспортирован по линии 130 гидравлической связи в подсистему 104 сжигания.
Дополнительный сепаратор 108 может использовать любую доступную технологию для отделения диоксида углерода от метана в технологическом газе 116.
В качестве одного примера сепаратор 108 может применить вихревой поток для осуществления отделения диоксида углерода от метана. Например, сепаратор 108 может включать в себя статический вихревой сепаратор, и технологический газ 116 может быть закачан насосом в вихревой сепаратор, так что индуцируется схема вихревого потока, вызывающего тем самым отделение диоксида углерода от метана, благодаря разности в молекулярных весах диоксида углерода и метана.
В качестве другого примера сепаратор 108 может применить сжижение для осуществления отделения диоксида углерода от метана. Например, сепаратор 108 может включать в себя емкость высокого давления и насос, причем насос закачивает технологический газ 116 в емкость высокого давления при давлении, достаточном для отделения технологического газа 116 на жидкую фракцию и газообразную фракцию. Жидкая фракция, которая может быть изначально состояла из диоксида углерода, может затем легко быть отделена от газообразной фракции.
В качестве еще одного примера в сепараторе 108 может быть применена физическая адсорбция для осуществления отделения диоксида углерода от метана, подобная способам отделения, использованным подсистемами отделения 16, 160 (фиг. 2 и 3). Например, сепаратор 108 может включать в себя адсорбирующий материал, такой как цеолит. Технологический газ 116 может быть введен в контакт с адсорбирующим материалом, так что диоксид углерода в технологическом газе 116 адсорбируется на адсорбирующий материал, оставляя в технологическом газе 116 метан. Адсорбированный диоксид углерода может быть высвобожден из адсорбирующего материала нагреванием, или вакуумированием, тем самым восстанавливая адсорбирующий материал.
На этом этапе специалистам в данной области техники понятно, что решение применить дополнительный сепаратор 108 может быть обусловлено рабочими условиями (например, составом технологического газа) и общими технико-экономическими показателями. В некоторых ситуациях может быть более эффективным применение дополнительного сепаратора 108, в то время как в других ситуациях может быть более эффективным пропускать технологический газ 116 в подсистему сжигания 104 без отделения (т.е. позволять диоксиду углерода технологического газа 116 проходить через подсистему 104 сжигания).
Подсистема 104 сжигания может принимать технологический газ 116 (или отделенный поток 130 метана), может смешивать технологический газ 116 с окружающим воздухом 132 (который может быть подан по линии 134 гидравлической связи) для введения в технологический газ 116 кислорода (если необходимо) и может сжигать технологический газ 116. Процесс сжигания может вырабатывать электрическую энергию 136 и может выдавать газообразный поток 138 сгорания.
Электрическая энергия 136, выработанная подсистемой 104 сжигания, может быть использована для снабжения различных компонентов системы 10, таких как сепаратор 102 нефти/газа, подсистема 106 отделения, дополнительный сепаратор 108, подсистема 110 введения под давлением и/или установка 140 подачи воздуха. Альтернативно (или дополнительно) электрическая энергия 136, выработанная подсистемой 104 сжигания, может быть реализована в электросети 142. Таким образом, электрическая энергия 136, выработанная подсистемой 104 сжигания, может быть одним из источников дохода раскрытой системы 100.
Газообразный поток 138 сгорания может быть, по желанию, смешан с окружающим воздухом 132 (с помощью установки 140 подачи воздуха), как описано выше в связи с системой 10, и может быть отослан в подсистему 106 отделения, которая может отделять диоксид углерода и воду от газообразного потока 138 сгорания. Подсистема 106 отделения может быть выполнена, как описано выше применительно к подсистемам 16, 160 (фиг. 2 и 3).
Вода 144, отделенная от газообразного потока 138 сгорания в подсистеме 106 отделения, может быть транспортирована по линии 146 гидравлической связи для сбора воды (например, емкость хранения, или трубопровод). Таким образом, вода 144, произведенная в подсистеме 106 отделения, может обеспечить дополнительный источник дохода раскрытой системы 100. Альтернативно, вода 144 может быть слита (например, в дренажный водосток).
Диоксид углерода (линия 148 гидравлической связи), отделенный от газообразного потока 138 сгорания в подсистеме 106, может быть послан в подсистему 110 введения под давлением, которая может ввести диоксид углерода в нагнетательную скважину 128. Подсистема 110 введения под давлением может соединять диоксид углерода (линия 148 гидравлической связи), отделенный от газообразного потока 138 сгорания, с диоксидом углерода (линия 126 гидравлической связи), дополнительно отделенным от технологического газа 116 в сепараторе 108.
Остальная часть газообразного потока 138 сгорания (например, азот, кислород), выходящая из подсистемы 106 отделения, может быть высвобождена в виде выпуска 150. Выпуск 150 может быть по существу свободным от диоксида углерода и воды.
Соответственно, раскрытая система 10 может повторно использовать диоксид углерода, введенный в нагнетательную скважину 128 с применением метода МУН, и может использовать метан, извлеченный из добывающей скважины 112, для выработки энергии и дополнительных количеств диоксида углерода. Таким образом, раскрытая система 100 может производить на месте требуемый для метода МУН диоксид углерода, снижая или ликвидируя тем самым высокую стоимость, связанную с транспортировкой диоксида углерода к местам применения метода МУН.
По фиг. 5 раскрывается способ 300 производства диоксида углерода. Способ 300 может начинаться в блоке 302 с этапа подачи технологического газа, содержащего углеводород.
В блоке 304 содержащий углеводород технологический газ может быть сожжен для получения газообразного потока продуктов сгорания (газообразная смесь) и электрической энергии. Сжигание может происходить в присутствии кислорода, например, при смешивании окружающего воздуха с содержащим углеводород технологическим газом. Этап сжигания может превратить большую часть углеводорода (если не весь) в содержащем углеводород технологическом газе в диоксид углерода и воду.
В блоке 306 диоксид углерода может быть отделен от выходящего газообразного потока сгорания. Отделенный диоксид углерода может быть собран для использования, продажи или удаления. Кроме этого, вода также может быть отделена от выходящего газообразного потока сгорания. Водный компонент может быть собран для использования, или продажи, или может быть слит. Выпуск из этапа отделения (блок 306) может быть по существу свободным от диоксида углерода и воды и может быть осуществлен в атмосферу.
Соответственно, раскрытый способ 300 может производить диоксид углерода (так же, как воду и электрическую энергию) в любом источнике содержащего углеводород технологического газа, снижая, или ликвидируя затраты, связанные с транспортировкой диоксида углерода.
По фиг. 6 раскрывается также способ отделения диоксида углерода от газообразной смеси, обозначенный в целом позицией 350. Способ 350 отделения может начинаться в блоке 352 с этапа получения газообразной смеси, содержащей диоксид углерода. Как описано выше, газообразной смесью может быть газообразный поток продуктов сгорания, полученный применением раскрытого способа 300 (фиг. 5) производства диоксида углерода. Также предусмотрено использование других содержащих диоксид углерода газообразных смесей.
Как показано, в блоке 354 из газообразной смеси может быть выведено избыточное тепло. Избыточное тепло может быть выведено в конденсаторе, который может также успешно выводить из газообразной смеси некоторую часть водяного пара (если не весь). Оставшаяся вода может быть удалена из газообразной смеси применением высушивания, как показано в блоке 356 по существу почти до сухой газообразной смеси.
Диоксид углерода из сухой газообразной смеси может быть адсорбирован на адсорбирующем материале, как показано в блоке 358. Далее, как показано в блоке 360, адсорбированный диоксид углерода может быть выделен, например, вакуумированием и/или нагреванием. Выделенный диоксид углерода может быть преобразован в твердое вещество, как показано в блоке 362, и диоксид углерода может быть собран, как показано в блоке 364.
Как показано в блоке 366, избыток выведенного из газообразной смеси тепла в блоке 354 может быть использован для восстановления высушивающего и/или адсорбирующего материала. Также предусмотрено использование собранного в блоке 354 тепла на других этапах способа 350.
Соответственно раскрытый способ 350 отделения может облегчить отделение диоксида углерода из газообразной смеси. Способ 350 отделения может собрать избыточное тепло из содержащей диоксид углерода газообразной смеси (тепло, которое должно быть удалено любым путем) и может использовать собранное тепло в одной или нескольких подсистемах, снижая тем самым общие энергетические затраты. Например, способ 350 отделения может быть полезным в различных областях применения, включающих в себя раскрытый способ 300 производства диоксида углерода.
Несмотря на то, что были показаны и рассмотрены различные варианты осуществления раскрытых системы и способа производства диоксида углерода, у специалистов в данной области техники, по прочтении описания, могут возникнуть модификации. Данная заявка включает такие модификации и ограничивается только объемом формулы изобретения.