СИСТЕМА ПОДАЧИ ВОДОРОДА И СПОСОБ ПОДАЧИ ВОДОРОДА
HYDROGEN SUPPLY SYSTEM AND HYDROGEN SUPPLY METHOD

Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение относится к системе подачи водорода и к способу подачи водорода, включающему получение водорода из углеводорода и подачу полученного водорода.
Уровень техники
[0002] В связи с необходимостью сокращения выбросов углекислого газа, который, как известно, является одной из основных причин глобального потепления, растет тенденция к использованию газообразного водорода, который не содержит углерод, вместо углеводородов, таких как нефть. В области транспорта, большие усилия исследователей направлены на разработку транспортных средств, работающих на водороде, в которых газообразный водород сжигается непосредственно, и автомобилей на топливных элементах, в которых используются топливные элементы. Активно развиваются также неподвижные топливные элементы для комбинированного производства тепловой и электрической энергии.
[0003] Водород может быть получен путем реформинга углеводородов и электролиза воды. Паровой реформинг является одним из возможных процессов реформинга, при осуществлении которого получают водород и монооксид углерода по реакции между паром и углеводородами, такими как природный газ и нефть, при высокой температуре в присутствии катализатора. См., например, Патентный документ 1. Монооксид углерода, полученный путем парового реформинга, вводят во взаимодействие с водой в реакции конверсии водяного газа, при этом получают газообразный водород и газообразный диоксид углерода.
[0004] При получении газообразного водорода путем реформинга углеводородов в качестве побочного продукта неизбежно образуется диоксид углерода. Поэтому, чтобы предотвратить выброс диоксида углерода в атмосферу и не допустить, чтобы он способствовал глобальному потеплению, диоксид углерода необходимо отделить от газообразного водорода и хранить соответствующим образом. В известном способе удаления диоксида углерода из любого газа, содержащего диоксид углерода, газ, чтобы поглотить диоксид углерода, заставляют контактировать с поглощающей жидкостью, такой как водный раствор алканоламина, которая абсорбирует диоксид углерода. См., например, Патентный документ 2. Поглощающая жидкость, которая абсорбировала диоксид углерода, высвобождает диоксид углерода в процессе регенерации, который включает нагрев. Регенерированную поглощающую жидкость можно рециклировать для повторного использования. Используя данный метода, можно отделить диоксид углерода от газообразного водорода. Высвобождение выделенного диоксида углерода в атмосферу можно предотвратить, например, путем хранения диоксида углерода под землей или под водой. Благодаря подобному поглощению и удалению (CCS) газообразного диоксида углерода газообразный водород можно использовать в качестве экологически чистого источника энергии, который не образует диоксид углерода даже в ходе производственного процесса.
Документы предшествующего уровня техники
Патентные документы
[0005]
[Патентный документ 1] JP2013-49601A
[Патентный документ 2] JPH05-301023A
Сущность изобретения
Задачи, решаемые настоящим изобретением
[0006] Если учитывать тепловой баланс процесса получения водорода, то должно быть понятно, что для процесса регенерации требуется внешнее тепло, т.к. тепло, необходимое для осуществления процесса регенерации (нагрева) поглощающей жидкости, которая поглотила диоксид углерод, не в достаточной мере образуется при проведении собственно процесса получения. Таким образом, в процессе производства водорода, значительное количество энергии должно быть подведено извне, и когда используется энергия, полученная из ископаемого топлива, то выделение диоксида углерода возрастает пропорционально увеличению количества потребляемой энергии. Кроме того, поскольку места для хранения газообразного диоксида углерода в подземных хранилищах ограничены, и в том случае, когда водород производится в районах, приближенных к пользователям полученного водорода, хранение водорода в подземных хранилищах может оказаться невозможным. В таком случае возникает технологическая проблема, связанная с затратами и энергией, которые необходимы для эффективного транспортирования большого количества диоксида углерода в места, где возможно хранение двуокиси углерода в подземных хранилищах.
[0007] С учетом подобных проблем предшествующего уровня техники, основным объектом настоящего изобретения является уменьшение выброса диоксида углерода и повышение эффективности использования энергии в системе подачи водорода и способ подачи водорода.
Способы решения задачи
[0008] Для достижения указанной цели в настоящем изобретении предлагается система подачи водорода (1), включающая: установку реформинга (5) для осуществления парового реформинга углеводорода; блок проведения реакция конверсии монооксида углерода в диоксид углерода (6), с целью получения газа, содержащего водород и диоксид углерода, по реакции конверсии водяного газа, полученного из установки реформинга; первый абсорбер (36) для поглощения диоксида углерода, содержащегося в газе, полученном из блока проведения реакция конверсии монооксида углерода в диоксид углерода; блок проведения реакция гидрирования (9) для получения гидрированного ароматического соединения по реакции гидрирования ароматического соединения с использованием газа, который прошел через первый абсорбер; и регенератор (37) для отделения диоксида углерода из поглощающей жидкости путем рециклирования поглощающей жидкости из первого абсорбера и нагрева поглощающей жидкости с помощью тепла, образующегося в процессе реакции гидрирования.
[0009] В данном варианте осуществления настоящего изобретения, поскольку реакцию гидрирования ароматического соединения осуществляют с использованием полученного водорода, а тепло, выделяющееся в процессе реакции гидрирования, используют для проведения процесса регенерации абсорбирующей жидкости, которая поглотила диоксид углерода, можно улучшить тепловой баланс системы подачи водорода. Таким образом, необходимое поступление энергии извне можно свести к минимуму, а выброс диоксида углерода (газообразного диоксида углерода) может быть сокращен.
[0010] Кроме того, полученный водород превращают в гидрированное ароматическое соединение (органический гидрид), которое находится в жидкой форме при нормальной температуре, так что транспортирование полученного водорода облегчается. Поскольку гидрированное ароматическое соединение легко высвобождает водород при реакции дегидрирования, то водород может быть подан в ответ на потребность в водороде. Поскольку при преобразовании водорода в гидрированное ароматическое соединение транспортирование водорода упрощается, то можно разработать систему, в которой средства производства (аппарат или установка) для получения водорода из углеводорода располагаются в месте, удаленном от пользователя водорода, а водород получают из гидрированного ароматического соединения на территории пользователя водорода или в месте, приближенном к пользователю водорода. Другими словами, средства производства для получения водорода могут быть расположены в месте, подходящем для хранения газообразного водорода в подземном хранилище, или месте, где добывают или извлекают углеводород, безотносительно к месту расположения пользователя водорода. Таким образом, потребность в транспортировке диоксида углерода, который образуется в процессе производства водорода, устраняется, и затраты и энергия, связанные с транспортировкой, могут быть сведены к минимуму.
[0011] В соответствии с настоящим изобретением, можно осуществить способ таким образом, чтобы система подачи водорода дополнительно включала нагревательную печь (28) для подачи тепла в устройство для проведения реформинга; и второй абсорбер (38) для поглощения диоксида углерода, образовавшегося в нагревательной печи, поглощающей жидкостью; при этом второй поглотитель рециклирует поглощающую жидкость в регенератор, и поглощающую жидкость, которая поглотила диоксид углерода во втором абсорбере, нагревают в регенераторе с тем, чтобы выделить из нее диоксид углерода.
[0012] В соответствии с данным вариантом осуществления настоящего изобретения, диоксид углерода, который высвободился при нагревании в устройстве для проведения реформинга, извлекают таким образом, чтобы выброс диоксида углерода из системы подачи водорода мог быть сведен к минимуму.
[0013] В соответствии с настоящим изобретением, можно осуществить способ таким образом, чтобы система подачи водорода дополнительно включала блок отделения водорода (8) для выделения водорода из газа, который прошел через первый абсорбер, и подачу выделенного водорода в блок для проведения реакции гидрирования, при этом теплота от сгорания газа, оставшегося после того, как водород был выделен в блоке отделения водорода, направляется в нагревательную печь.
[0014] В данном варианте осуществления настоящего изобретения, поскольку концентрация водорода в газе, который прошел через блок отделения водорода увеличивается, и водород с высокой концентрацией поступает в блок для проведения гидрирования, то эффективность реакции гидрирования в блоке для проведения гидрирования может быть повышена.
[0015] В соответствии с настоящим изобретением, можно осуществить способ таким образом, чтобы тепло, выделившееся при проведении реакции гидрирования, подавалось в регенератор в виде пара с температурой от 100 до 200°C и с абсолютным давлением от 0,10 до 1,62 МПа.
[0016] В данном варианте осуществления настоящего изобретения тепло из блока разделения водорода может быть легко доступными способами направлено в регенератор.
[0017] В соответствии с настоящим изобретением, можно осуществить способ таким образом, чтобы система дополнительно содержала блок нагнетания (121, 141) для закачки диоксида углерода, выделенного из абсорбирующей жидкости с помощью регенератора, в нагнетательную скважину с тем, чтобы увеличить подвижность ископаемого топлива при добыче ископаемого топлива из подземного месторождения, при этом установка реформинга подвергает реформированию, по крайней мере, часть газа, полученного в качестве ископаемого топлива, или его попутного газа, извлеченного из эксплуатационной скважины, которая предназначена для добычи ископаемого топлива.
[0018] В данном варианте осуществления настоящего изобретения при извлечении ископаемого топлива путем нагнетания газа и т.п. под землю имеющийся углерод в углеводородах, содержащихся в полученном газе (в том числе в попутном газе), может быть эффективно использован в качестве газа (диоксида углерода), который должен закачиваться под землю.
[0019] В соответствии с настоящим изобретением, можно осуществить способ таким образом, чтобы система дополнительно содержала первый блок разделения (7) для отделения друг от друга с помощью неорганической мембраны водорода и диоксида углерода в газе, полученном при проведении реакции конверсии монооксида углерода в диоксид углерода.
[0020] В данном варианте осуществления настоящего изобретения с помощью неорганической мембраны, изготовленной из неорганического вещества, обладающего превосходной коррозионной стойкостью и селективностью при разделении, водород и диоксид углерода могут быть эффективно отделены друг от друга без ущерба для селективности разделения, так что атомы углерода, которые составляют часть углеводородов, содержащихся в полученном газе, могут быть эффективно использованы в качестве диоксида углерода, который будет закачиваться, а атомы водорода могут быть эффективно использованы в виде энергии водорода. Как правило, в установках разделения диоксида углерода используют органические мембраны (изготовленные из таких веществ, как ацетат целлюлозы и полиимид), однако поскольку органические мембраны могут быстро деградировать, если газ включает серосодержащие компоненты (такие как гидросульфат), то использование неорганической мембраны позволяет избежать подобной быстрой деградации.
[0021] В соответствии с настоящим изобретением, можно осуществить способ таким образом, чтобы технологическая скважина находилась на нефтяном месторождении (102) и была предназначена для добычи нефти, и нефть извлекалась в качестве ископаемого топлива.
[0022] В данном варианте осуществления настоящего изобретения при извлечении нефти путем закачки диоксида углерода, могут быть эффективно использованы атомы водорода, составляющие часть углеводородов, которые содержатся в сопутствующем газа, добываемом вместе с нефтью.
[0023] В соответствии с настоящим изобретением, можно осуществить способ таким образом, чтобы технологическая скважина была пробурена в пласте глинистых сланцев (140) для добычи природного газа, и природный газ извлекался в качестве ископаемого топлива.
[0024] В данном варианте осуществления настоящего изобретения при извлечении природного газа (сланцевого газа) путем закачки диоксида углерода, атомы водорода, которые составляют часть углеводородов, содержащихся в природном газе, могут быть эффективно использованы. Кроме того, путем закачки газообразного диоксида углерода как в нефтяное месторождение, так и в пласт глинистых сланцев, с целью извлечения ископаемого топлива из нефтяного месторождении и пласта глинистых сланцев, с помощью обычной единой системы подачи водорода (системы экстракции ископаемого топлива), количество закачиваемого диоксида углерода можно проще регулировать, а ископаемое топливо можно извлекать более стабильно.
[0025] В соответствии с настоящим изобретением, можно осуществить способ таким образом, чтобы система дополнительно содержала блок сероочистки (22) для удаления содержащейся серы из полученного газа, прежде чем полученный газ будет подвергнут реформированию в блоке реформинга.
[0026] В данном варианте осуществления настоящего изобретения благодаря удалению серы, содержащейся в полученном газе, можно избежать отравления катализатора в установке реформинга и коррозии органического мембраны содержащейся серой, так что атомы водорода, которые составляют часть углеводородов в полученном газе, могут быть стабильно извлечены.
[0027] В соответствии с настоящим изобретением, можно осуществить способ таким образом, чтобы полученный газ содержал природный газ, добываемый из пласта глинистых сланцев с помощью закачиваемого диоксида углерода, а система дополнительно содержала второй блок разделения (145) для отделения друг от друга природного газа и диоксида углерода в полученном газе, при этом блок реформинга подвергает реформированию, по крайней мере, часть природного газа, выделенного с помощью второго блока разделения, а устройство нагнетания закачивает диоксид углерода, выделенный во втором блоке разделения, в нагнетательную скважину, с целью повышения текучести ископаемого топлива, добываемого из-под земли.
[0028] В данном варианте осуществления настоящего изобретения природный газ, добываемый из пласта глинистых сланцев, включает диоксид углерода, который был закачен в нагнетательную скважину, а за счет извлечения газообразного диоксида углерода из нагнетательной скважины для повторного использования, даже когда количество диоксида углерода, естественным образом содержащегося в пласте глинистых сланцевого, мало, добычу природного газа можно продолжить без использования специальной установки для получения диоксида углерода.
[0029] В соответствии с другим аспектом, в настоящем изобретении предлагается способ подачи водорода, включающий: стадию получения водорода для генерирования газа, содержащего водород и диоксид углерода с помощью парового реформинга углеводорода и с помощью реакции конверсии монооксида углерода в диоксид углерода с использованием газа, полученного путем конверсии водяного газа; стадию поглощения для абсорбции диоксида углерода, содержащегося в газе, полученном на стадии получения водорода, поглощающей жидкостью; стадию гидрирования для получения гидрированного ароматического соединения путем проведения реакции гидрирования ароматического соединения с помощью газа, который был подвергнут обработке на стадии поглощения; и стадию регенерации для извлечения диоксида углерода из поглощающей жидкости путем нагрева поглощающей жидкости, которая абсорбировала диоксид углерода, за счет использования тепла, которое образовалось в процессе реакции гидрирования.
[0030] В данном варианте осуществления настоящего изобретения, поскольку реакцию гидрирования ароматического соединения осуществляют с использованием полученного водорода, а тепло, образовавшееся в процессе реакции гидрирования, используется в процессе регенерации поглощающей жидкости, которая абсорбировала диоксид углерода, то тепловой баланс системы подачи водорода может быть улучшен. Кроме того, поскольку полученный водород превращается в гидрированное ароматическое соединение, транспортирование и манипуляции с водородом облегчаются.
[0031] В данном варианте осуществления настоящего изобретения, можно осуществить способ таким образом, чтобы он дополнительно включал стадию нагнетания под давлением для закачки диоксида углерода, который был отделен на стадии регенерации, в нагнетательную скважину, с целью повышения текучести ископаемого топлива при извлечении ископаемого топлива из-под земли, при этом, по крайней мере, часть газа, полученного в качестве ископаемого топлива, или его попутного газа, извлеченного из эксплуатационной скважины, предназначенной для добычи ископаемого топлива, реформируется на стадии получения водорода.
[0032] В соответствии с настоящим изобретением, можно осуществить способ таким образом, чтобы при извлечении ископаемого топлива путем закачки диоксида углерода под землю, атомы водорода, которые составляют часть углеводородов, содержащихся в полученном газе (в том числе в попутном газе), могут быть эффективно использованы.
Полезность изобретения
[0033] В соответствии с настоящим изобретением, в системе подачи водорода и в способе подачи водорода, выбросы диоксида углерода могут быть снижены, а эффективность использования энергии может быть повышена.
Краткое описание чертежей
[0034]
На Фиг.1 представлена блок-схема системы подачи водорода, которая приведена в качестве первого варианта осуществления настоящего изобретения;
на Фиг.2 представлена блок-схема системы подачи водорода, которая приведена в качестве второго варианта осуществления настоящего изобретения;
на Фиг.3 представлена блок-схема системы подачи водорода, которая приведена в качестве третьего варианта осуществления настоящего изобретения; и
на Фиг.4 представлена блок-схема системы подачи водорода, которая приведена в качестве четвертого варианта осуществления настоящего изобретения.
Способ осуществления изобретения
[0035] Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения описаны ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи.
[0036] (Первый вариант осуществления настоящего изобретения)
На Фиг.1 представлена блок-схема системы подачи водорода, которая приведена в качестве первого варианта осуществления настоящего изобретения. Система подачи водорода 1 включает блок получения гидрированного ароматического соединения 2 для получения водорода из газообразного углеводорода и превращения полученного водорода в гидрированное ароматическое соединение, и установка подачи водорода 3, предназначенная для получения водорода из гидрированного ароматического соединения. Блок получения гидрированного ароматического соединения 2 и установку подачи водорода 3, как правило, конструируют в виде аппаратов или устройств, и они могут быть расположены в отдалении от друга. Например, установка подачи водорода 3 располагается в городе или примыкающем к нему районе или поблизости от пользователя водорода, а блок получения гидрированного ароматического соединения 2, предпочтительно, располагается в местности, где имеются геологические формации, пригодные для хранения газообразного диоксида углерода, или в местности, примыкающей к месторождению, где добывают нефть или природный газ.
[0037] Блок получения гидрированного ароматического соединения 2 системы подачи водорода 1 в основном состоит из установки парового реформинга 5, блока WGS (реакции конверсии водяного газа) 6, блока отделения диоксида углерода 7, блока очистки водорода (блока выделения водорода) 8, блока гидрирования 9, первого резервуара для ароматического соединения 11 и первого резервуара для гидрированного ароматического соединения 12. Установка подачи водорода 3 включает второй резервуар для ароматического соединения 15, второй резервуар для гидрированного ароматического соединения 16 и блок дегидрирования 17. Различные компоненты блока получения гидрированного ароматического соединения 2 соединены друг с другом с помощью линий, состоящих из трубопроводов и т.п. Аналогично, различные компоненты установки подачи водорода 3 соединены друг с другом с помощью линий, состоящих из трубопроводов и т.п.
[0038] Газообразный углеводород, который подают в систему подачи водорода 1, может состоять из природного газа, продукта перегонки нефти, отходящего газа и т.п. Газообразный углеводород, преимущественно, состоит из легкого газообразного углеводорода, главным образом из метана. В приведенном варианте осуществления газообразный углеводород состоит из природного газа.
[0039] Прежде всего, газообразный углеводород подается в блок сероочистки 22 через первый нагреватель 21. Газообразный углеводород может содержать соединения серы, такие как меркаптаны, которые могут отравить катализатор реформинга, используемого в установке парового реформинга 5. Для удаления соединений серы из газообразного углеводорода блок сероочистки 22 снабжен катализатором Со-Мо или катализатором Ni-Mo, который позволяет удалить соединения серы путем гидродесульфуризации, и адсорбционным агентом, таким как оксид цинка, для поглощения и удаления образовавшегося сероводорода.
[0040] Десульфурированный газообразный углеводород смешивают с водяным паром, который получают путем нагрева и испарения воды в блоке получения STM (водяного пара) 24, а затем водяной пар перед смешиванием с повергаемым сероочистке газообразным углеводородом нагревают с помощью второго нагревателя 25. Смесь газообразного углеводорода и водяного пара, нагревается в третьем нагревателе 26, а затем направляют в установку парового реформинга 5.
[0041] Установка парового реформинга 5 изготовлена в виде трубчатого реактора, состоящего из множества труб. Установка парового реформинга 5 заполнена внутри катализатором реформинга, и газообразный углеводород и водяной пар впускают внутрь установки парового реформинга 5. Реактор парового реформинга 5 соединен, с целью теплообмена, с нагревательной печью 28 и получает тепло из нагревательной печи 28. Нагревательная печь 28 соединена с блоком очистки водорода 8, и в нее подают топливо (отходящий газ), содержащее метан и другие компоненты, из блока очистки водорода 8. Часть природного газа, который подают в блок сероочистки 22, может быть отведена в нагревательную печь 28 в качестве дополнительной части топлива. Топливо сгорает в нагревательной печи 28, и установка парового реформинга 5 нагревается за счет теплоты сгорания, выделяющейся в нагревательной печи 28. При типичном расположении установки парового реформинга 5 и нагревательной печи 28 установка парового реформинга 5 расположена внутри нагревательной печи 28, так что установка парового реформинга 5 нагревается за счет выделения тепла, полученного при сжигании топлива в нагревательной печи 28.
[0042] Катализатор реформинга, помещенный в установку парового реформинга 5, может представлять собой никелевый катализатор. Установка парового реформинга 5 нагревается до температуры 800°C внутри корпуса, а газообразный углеводород и водяной пар подвергают реакции парового реформинга в присутствии катализатора реформинга в соответствии с химическими уравнениями (1) и (2), который приведены ниже.
[0043] В соответствии с химическими уравнениями (1) и (2), газообразный углеводород и водяной пар превращаются в водород, диоксид углерода и монооксид углерода. Реакция парового реформинга является эндотермической реакцией и требует подачи тепла извне.
[0044] Образовавшийся газ, который выходит из установки парового реформинга 5, подают в блок WGS (блок для проведения реакция конверсии монооксида углерода в диоксид углерода) 6 через первый охладитель 31. Полученный газ обменивается теплом с охлаждающей средой, такой как вода, в первом охладителе 31, и охлаждается до температуры, которая подходит для проведения реакции конверсии в блоке WGS 6, при этом тепло извлекают с помощью охлаждающей среды. Полученный газ, например, в первом охладителе 31, охлаждают до температуры в диапазоне от 250 до 500°C.
[0045] В блоке WGS 6 реакция конверсии водяного газа согласно химическому уравнению (3), которое приведено ниже, протекает в присутствии катализатора, такого как железо-хромовый катализатор, медно-хромовый катализатор и медно-цинковый катализатор. Соответствующую температуру в блоке WGS 6 можно выбрать с учетом скорости реакции конверсии и состава продукта. Монооксид углерода и вода в газе преобразуются в ходе реакции конверсии в водород и диоксид углерода. В результате большая часть газа, который прошел через блок WGS 6, преобразуется в водород, диоксид углерода и воду.
[0046] Полученный газ, который прошел через блок WGS 6, поступает на второй охладитель 32 для охлаждения ниже температуры 100°C за счет обмена тепла (тепло извлекается) с охлаждающей средой во втором охладителе 32, в результате чего водяной пар в полученном газе конденсируется. Полученный газ, содержащий сконденсировавшуюся воду, направляют в блок сепарации газа и жидкости 34 для отделения сконденсированной воды от полученного газа. Блок сепарации газа и жидкости 34 может представлять собой известный барабанный сепаратор. Полученный газ, из которого в блоке сепарации газа и жидкости 34 отделяется вода, затем подают в блок отделения диоксида углерода 7.
2
2
2
2
[0047] Блок отделения диоксида углерода 7 представляет собой устройство, в котором используют способ разделения и извлечения диоксида углерода на основе химической абсорбции. Блок отделения диоксида углерода 7 в приведенном варианте осуществления настоящего изобретения представляет собой устройство на основе химической абсорбции, в котором в качестве поглощающей жидкости (абсорбента) используют водный раствор алканоламина, селективно растворяющий диоксид углерода. Блок отделения диоксида углерода 7 включает первый модуль извлечения СО 36, регенератор поглощающей жидкости 37 и второй блок извлечения СО 38. Первый блок извлечения СО 36 и регенератор поглощающей жидкости 37 соединены друг с другом таким образом, чтобы между ними могла циркулировать поглощающая жидкость. Аналогично, второй блок извлечения СО 38 и регенератор поглощающей жидкости 37 соединены друг с другом таким образом, чтобы между ними могла циркулировать поглощающая жидкость. Алканоламин, который используют в качестве поглощающей жидкости, может быть в таких формах, как моноэтаноламин, диэтаноламин, триэтаноламин, метилдиэтаноламин, диизопропаноламин, дигликоламин и 2-амино-2-метил-1-пропанол. В данном варианте осуществления настоящего изобретения поглощающая жидкость представляет собой моноэтаноламин.
2
2
2
2
2
2
[0048] Полученный газ, поступающий из установки сепарации газа и жидкости 34, направляют в первый блок извлечения CO 36. Полученный газ вводят в нижнюю часть первого блока извлечения СО 36, который может представлять собой колоночный реактор, и после прохождения через внутреннюю часть первого блока извлечения CO 36, полученный газ удаляют из верхней части первого блока извлечения СО 36. Поглощающая жидкости течет вниз из верхней части в нижнюю часть первого блока извлечения CO 36. Полученный газ, который подают в первый блок извлечения СО 36, контактирует с поглощающей жидкостью таким образом, чтобы газообразный диоксид углерода абсорбировался и удалялся поглощающей жидкостью. Полученный газ, освобожденный от диоксида углерода, направляют в блок очистки водорода 8.
2
2
[0049] Поглощающую жидкость, которая абсорбировала газообразный диоксид углерода в первом блоке извлечения CO 36, подают из нижней части первого блока извлечения CO в верхнюю часть регенератора поглощающей жидкости 37, который может представлять собой колоночный реактор, и регенерируют в нем. Регенератор поглощающей жидкости 37 снабжен нагревателем, включающим теплообменник. Поглощающая жидкость, которую подают в регенератор поглощающей жидкости 37, нагревается указанным нагревателем. Как будет обсуждаться ниже, нагреватель получает тепло для нагрева поглощающей жидкости из блока гидрирования 9. В приведенном варианте осуществления настоящего изобретения нагреватель получает тепло в виде водяного пара.
2
[0050] Поглощающую жидкость, которую нагревают в регенераторе поглощающей жидкости 37, высвобождает диоксид углерода, который был абсорбирован поглощающей жидкостью. Диоксид углерода, который был выделен из поглощающей жидкости, извлекается из верхней части регенератора поглощающей жидкости 37, а поглощающую жидкость, которая освобождается от диоксида углерода, возвращают из регенератора поглощающей жидкости 37 в первый блок извлечения CO 36. Диоксид углерода, который был извлечен в регенераторе поглощающей жидкости 37, сохраняют и, таким образом, предотвращается его выброс в атмосферу. Диоксид углерода можно хранить в цистернах или изолировать под землей или на дне моря. Диоксид углерода также может быть использован в качестве вещества для реакции метанизации.
[0051] Блок очистки водорода 8 выделяет водород из полученного газа, который был освобожден от диоксида углерода. Блок очистки водорода 8 может состоять из известных устройств, таких как устройства, работа которых основана на адсорбции с перепадом давления (PSA) и использовании мембраны для сепарации водорода, и он отделяет водород из полученного газа, содержащего метан и другие компоненты. Газ (отходящий газ), который освобожден от водорода в блоке очистки водорода 8, содержит не прореагировавшие компоненты, такие как метан и монооксид углерода. Водород, который выделен в блоке очистки водорода 8, подается в блок гидрирования 9. Между тем, оставшийся отходящий газ, освобожденный от водорода, подают в нагревательную печь 28 и сжигают в ней, тем самым нагревая установку парового реформинга 5.
2
2
2
2
2
2
[0052] Отходящий газ (газообразные продукты сгорания), образовавшийся при сжигании в нагревательной печи 28 и содержащий газообразный диоксид углерода, подают во второй блок извлечения CO 38, который аналогичен по конструкции первому блоку извлечения CO 36. Диоксид углерода в отходящем газе абсорбируется поглощающей жидкостью во втором блоке извлечения CO 38. Поглощающая жидкость, которая абсорбировала диоксид во втором блоке извлечения CO 38, подается в блок регенерации поглощающей жидкости 37, где нагревается в процессе регенерации и высвобождает газообразный диоксид углерода, который был абсорбирован поглощающей жидкостью, по аналогии с поглощающей жидкостью, которая направляется из первого блока извлечения CO в блок регенерации поглощающей жидкости 37. Поглощающая жидкость, освобожденная от диоксида углерода, возвращается во второй блок извлечения CO 38 посредством блока регенерации поглощающей жидкости 37.
[0053] В блоке гидрирования 9 получают гидрированное ароматическое соединения путем проведения реакции гидрирования водородом ароматического соединения в присутствии катализатора гидрирования. В том случае, когда ароматическое соединение представляет собой толуол, а гидрированное ароматическое соединение представляет собой метилциклогексан, реакция гидрирования может быть представлена приведенным ниже химическим уравнением (4).
[0054] Ароматическое соединение может включать, однако этим не ограничиваясь, моноциклические ароматические соединения, такие как бензол, толуол и ксилол, бициклические ароматические соединения, такие как нафталин, тетралин и метилнафталин, и трициклические ароматические соединения, такие как антрацен, и указанные соединения могут использоваться по отдельности или в виде смеси двух или нескольких подобных компонентов. Гидрированное ароматическое соединение получают гидрированием любого из подобных ароматических соединений, и оно может включать, однако этим не ограничиваясь, моноциклические гидрированные ароматические соединения, такие как циклогексан, метилциклогексан и диметилциклогексан, бициклические гидрированные ароматические соединения, такие как тетралин, декалин и метилдекалин, и трициклические гидрированные ароматические соединения, такие как тетрадекагидроантрацен, и указанные соединения могут использоваться по отдельности или в виде смеси двух или нескольких подобных компонентов. Гидрированное ароматическое соединение получают путем гидрирования ароматического соединения, и оно может быть выбрано из любого из подобных гидрированных ароматических соединений, при условии, что соединение находится в устойчивой жидкой форме при нормальной температуре и давлении и может быть преобразовано в стабильное ароматическое соединение при дегидрировании. Среди различных ароматических соединений и гидрированных ароматических соединений метилциклогексан является предпочтительным в качестве гидрированного ароматического соединения, а толуол, который может быть получен путем дегидрирования метилциклогексана, является предпочтительным в качестве ароматического соединения.
[0055] Катализатор гидрирования может представлять собой известный катализатор, который может быть использован для гидрирования ароматического соединения, и, например, может включать носитель, состоящий из оксида алюминия или диоксида кремния, и активный металл, такой как платина (Pt), палладий (Pd), никель (Ni) и т.п. Катализатор гидрирования помещают в блок гидрирования 9.
[0056] В блок гидрирования 9 подается водорода из блока очистки водорода 8, а также подается ароматическое соединение из первого резервуара для ароматического соединения 11. В блоке гидрирования 9 по реакции гидрирования, представленной химическим уравнением (4), из водорода и ароматического соединения в присутствии катализатора гидрирования получают гидрированное ароматическое соединение. Полученное гидрированное ароматическое соединение подают в первый резервуар для гидрированного ароматического соединения 12, где оно хранится.
[0057] Блок гидрирования 9 включает теплообменник, который поглощает, тепло, выделяющееся при реакции гидрирования, и передает поглощенное тепло блоку регенерации поглощающей жидкости 37. Теплообменник блока гидрирования 9 может представлять собой, например, паровой барабан, который находится в состоянии теплообмена с блоком гидрирования 9 и производит пар из воды, используя тепло, полученное в блоке гидрирования 9. Водяной пар, полученный в паровом барабане, имеет температуру в диапазоне от 100°С до 200°C и давление в диапазоне от 0,10 МПа абсолютных до 1,55 МПа абсолютных. Паровой барабан соединен с блоком регенерации поглощающей жидкости 37 таким образом, что водяной пар, полученный в паровом барабане, может направляться в блок регенерации поглощающей жидкости 37. Другими словами, тепло, выделившееся при проведении реакции гидрирования в блоке гидрирования 9, передается в блок регенерации поглощающей жидкости 37 посредством теплообменника, который может включать паровой барабан и т.п.
[0058] Гидрированное ароматическое соединение, которое хранится в первом резервуаре для гидрированного ароматического соединения 12, в жидком виде транспортируют во второй резервуар гидрированного ароматического соединения 16 установки подачи водорода 3 посредством судно, поезда или трубопровода. Гидрированное ароматическое соединение, которое передают во второй резервуар для гидрированного ароматического соединения 16, затем подают в блок дегидрирования 17, где получают водород и ароматическое соединение из гидрированного ароматического соединения путем реакции дегидрирования в присутствии катализатора дегидрирования. Реакция дегидрирования представляет собой реакцию, которая протекает справа налево в химическом уравнении (4). Водород в виде газа и ароматическое соединение в жидкой форме, полученные в блоке дегидрирования 17, разделяют в сепараторе газа и жидкости, который не показан на чертежах, и водород подают к наружному концу в виде газообразного водорода, а ароматическое соединение в жидкой форме сохраняют во втором резервуаре для ароматического соединения 15. Осуществляя указанную реакцию дегидрирования соответствующим образом, можно из гидрированного ароматического соединения получить количество водорода, которое соответствует потребности. Ароматическое соединение, которое хранится во втором резервуаре для ароматического соединения 15, транспортируется в первый резервуар для ароматического соединения 11 блока получения гидрированного ароматического соединение 2 с помощью судна, поезда или трубопровода. Как обсуждалось выше, между блоком получения гидрированного ароматического соединения 2 и установкой подачи водорода 3 создается цикл рециклирования гидрированного ароматического соединения или цепь подачи ароматического соединения или водорода.
[0059] Материальный баланс процесса, показанного в виде блока-схемы на представленной Фиг.1, для получения водорода из газообразного углеводорода или природного газа, приведен в таблице 1. В таблице 1 общее количество моль всех компонентов, содержащихся в природном газе, указано как 100 кмоль/час. Из таблицы 1 видно, что из 100 кмоль/час природного газа может быть получено 303,9 кмоль/час газообразного водорода.
Таблица 1
Материальный баланс блока получения гидрированного ароматического соединения
Состав (кмоль/час)
Подаваемый природный газ
Подаваемый водяной пар
Вход установки реформинга
Выход установки реформинга
Блок конверсии монооксида углерода в диоксид углерода
Сепаратор жидкости и газа
Выход блока отделения СО<sub>2</sub>
Блок очистки водородаН<sub>2</sub>
Блок очистки водородаОтходящий газ
CH<sub>4</sub>
89,00
0,00
89,00
16,65
16,65
16,65
16,65
0,00
16,65
C<sub>2</sub>H<sub>6</sub>
6,20
0,00
6,20
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
C<sub>3</sub>H<sub>8</sub>
2,60
0,00
2,60
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
н-C<sub>4</sub>H<sub>10</sub>
0,70
0,00
0,70
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
и-C<sub>4</sub>H<sub>10</sub>
1,00
0,00
1,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
H<sub>2</sub>O
0,00
348,0
348,0
208,69
150,35
0,00
0,00
0,00
0,00
CO<sub>2</sub>
0,00
0,00
0,00
39,95
98,30
98,30
0,00
0,00
0,00
H<sub>2</sub>
0,00
0,00
0,00
321,52
379,86
379,86
379,86
303,89
75,97
CO
0,00
0,00
0,00
59,40
1,05
1,05
1,05
0,00
1,05
O<sub>2</sub>
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
Ar
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
N<sub>2</sub>
0,50
0,00
0,50
0,50
0,50
0,50
0,50
0,00
0,50
Всего
100,0
348,0
448,0
646,7
646,7
496,4
398,1
303,9
94,2
Таблица 2
Тепловой баланс блока получения гидрированного ароматического соединения
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
X
Стадия
Предварительный нагрев природного газа
Испарение пара/предварительный нагрев (100→300°C)
Предварительный нагрев природного газа/пара
Реформинг (эндотермический процесс)
Рекуперация тепла в первом охладителе
Конверсия монооксида углерода в диоксид углерода (экзотермический процесс)
Рекуперация тепла во втором охладителе (→100°С)
Подача тепла в блок реформинга (сжигание отходящего газа)
Тепло для блока регенерации поглощающей жидкости
Реакция гидрирования (экзотермический процесс)
Всего
Тепло[ГДж/час]
1,32
16,59
3,83
26,42
-13,49
-2,34
-2,11
-40,64
15,25
-20,80
-15,97
[0060] Тепловой баланс на основе материального баланса таблицы 1 приведен в таблице 2. Значения для теплоты, приведенные в таблице 2, представляют собой приток тепла извне, если знак положительный, и отток тепла, если знак отрицательный. В примере, приведенном в таблице 2, гидрированное ароматическое соединение, которое получают путем гидрирования толуола, представляет собой метилциклогексан.
[0061] Как показано на Фиг.1, процесс предварительного нагрева (I) для природного газа осуществляют в первом нагревателе 21, а процесс предварительного нагрева (II) для водяного пара осуществляют во втором нагревателе 25. Процесс предварительного нагрева (III) совместно природного газа и водяного пара осуществляют в третьем нагревателем 26. Эндотермический реформинг-процесс (IV) протекает в установке парового реформинга 5. Способ рекуперации тепла (V) в первом охладителе 31 осуществляют путем теплообмена полученного газа из установки парового реформинга 5. Экзотермический процесс (VI) реакции конверсии монооксида углерода в диоксид углерода проходит в блоке WGS 6. Процесс рекуперации тепла (VII) во втором охладителе 32 осуществляют путем теплообмена с газом, полученным из блока WGS 6. Процесс подачи тепла (VIII) для реакции реформинга осуществляют за счет сжигания отходящего газа, который поступает в нагревательную печь 28 из блока очистки водорода 8. В процессе подачи тепла (IX) в регенератор поглощающей жидкости 37 поставляемое тепло используют для извлечения диоксида углерода из моноэтаноламина, который абсорбировал диоксид углерода, в регенераторе поглощающей жидкости 37. Экзотермический процесс (X) реакции гидрирования протекает в установке гидрирования 9.
[0062] Как обсуждалось выше, когда скорость потока природного газа составляет 100 кмоль/час, то может быть получено 303,9 кмоль/час газообразного водорода. Когда весь объем или 303,9 кмоль/час газообразного водорода используют для гидрирования толуола, то 101,3 кмоль/час толуола принимает участие в реакции гидрирования в соответствии с химическим уравнением (4). Поскольку -205 кДж тепла образуется на каждый моль толуола в реакции гидрирования, то получают -20,80 ГДж/час тепла.
[0063] Как показано в таблице 2, общий тепловой баланс в блоке получения гидрированного ароматического соединения 2 системы подачи водорода 1 составляет -15,97 ГДж/час. Другими словами, блок получения гидрированного ароматического соединения 2 способен производить гидрированное ароматическое соединение без необходимости подачи внешней энергии (тепла) и позволяет получать газообразный диоксид углерода, который должен быть извлечен и сохранен. Предположим, что газообразный водород хранят в виде газа без преобразования в гидрированное ароматическое соединение. В таком случае, поскольку тепло, образовавшееся в реакции гидрирования (Х: -20,80 ГДж/час), не может быть использовано, то необходимо поставить 4,83 ГДж/час (= -15,97 - (-20,80)) тепла извне.
[0064] Как обсуждалось выше, блок получения гидрированного ароматического соединения 2 системы подачи водорода 1 позволяет использовать тепло, образовавшееся в процессе реакции гидрирования, для процесса регенерации поглощающей жидкости, которая абсорбировала диоксид углерода, с целью хранения полученного водорода в виде гидрированного ароматического соединения. Таким образом, не требуя подвода извне энергии (тепла), система подачи водорода 1 позволяет поглотить и изолировать (CSS) диоксид углерода, так что выброс диоксида углерода может быть сведен к минимуму. В системе подачи водорода 1, поскольку перед сохранением водород преобразуется в гидрированное ароматическое соединение, последующее транспортирование водорода может быть облегчено. Поскольку водород фиксируется в виде гидрированного ароматического соединения, которое пригодно для транспортирования, блок получения гидрированного ароматического соединения 2 и установка подачи водорода 3 могут быть расположены географически удаленно друг от друга. Таким образом, блок получения гидрированного ароматического соединения 2 может быть расположен на месте, где можно найти геологические формации, пригодные для хранения диоксида углерода, или где можно добывать углеводороды, так что стоимость и энергия, необходимые для транспортирования диоксида углерода и газообразного углеводорода, могут быть сведены к минимуму.
2
[0065] Поскольку диоксид углерода, который образуется при сгорании отходящего газа в нагревательной печи 28, извлекается во втором блоке извлечения СО 38, то количество газообразного диоксида углерода, который выделяется из системы подачи водорода 1, может быть сведено к минимуму.
[0066] (Второй вариант осуществления настоящего изобретения)
На Фиг.2 представлена блок-схема системы подачи водорода, которая приведена в качестве второго варианта осуществления настоящего изобретения. На Фиг.2 части, соответствующие подобным частям из первого варианта осуществления настоящего изобретения, обозначены одинаковыми числами. На Фиг.2 не показаны различные компоненты первого варианта, которые также могут присутствовать во втором варианте осуществления настоящего изобретения, однако следует отметить, что подобные компоненты могут присутствовать и во втором варианте осуществления настоящего изобретения, хотя они и не обсуждаются в описании второго варианта осуществления настоящего изобретения. Второй вариант осуществления настоящего изобретения подобен первому варианту осуществления настоящего изобретения, за исключением тех частей, которые обсуждаются ниже.
2
[0067] Обычно в качестве способа повышения эффективности извлечения нефти, которую добывают на месторождении, используют метод увеличения нефтеотдачи пласта (EOR). В качестве различных форм процесса EOR, разработаны различные способы, например, термическая регенерация, которая снижает вязкость нефти с целью увеличения ее текучести, путем закачки водяного пара под землю, закачки газа, который выталкивает нефть из-под земли путем нагнетания газа под давлением под землю, и закачки химических реагентов, которые способствуют движению нефти за счет снижения ее поверхностного натяжения с помощью водного раствора, состоящего в основном из поверхностно-активного реагента. В частности, закачка диоксида углерода с использованием диоксида углерода (CO) в качестве газа, который будет нагнетаться под землю, завоевывает все большую популярность с точки зрения вклада в борьбу с глобальным потеплением.
[0068] В известном способе закачки диоксида углерода газообразный диоксид углерода нагнетают в месторождении нефти, чтобы извлечь нефть в смеси с диоксидом углерода, и содержащуюся жидкость (нефть) и содержащийся газ отделяют друг от друга. Отделенный диоксид углерода освобождают от других газовых компонентов (попутного газа) с помощью асимметричной полиимидной мембраны, и отделенный диоксид углерода повторно нагнетают в месторождение нефти. См., например, JPH08-158774A.
2
[0069] В способе извлечения нефти из нефтяного месторождения одновременно получают попутный газ или газообразный углеводород, содержащий этан, метан, пропан и бутан. В предшествующем уровне техники, описанном выше в разделе, посвященном предшествующему уровню техники, газообразный диоксид углерода, содержащийся в газе, выделенном из нефти или нефтепродуктов, рециклируют и используют, однако не рассматривалось эффективное использование углеводородных компонентов, содержащихся в попутном газе. Как правило, обычная практика заключается в избавлении подобных углеводородных компонентах путем сжигания газа в факелах. Однако при осуществлении способа закачки диоксида углерода целесообразнее эффективно использовать не только диоксид углерода, но и попутный газ (углеводородные компоненты) с учетом эффективного использования доступной энергии и защиты окружающей среды. Кроме того, уже упомянутый выше предшествующий уровень техники представляет собой технологию, которая разработана для извлечения нефти, однако желательно эффективно использовать газообразный диоксид углерода в газе, полученном из других форм ископаемого топлива, и с целью уменьшения выброса СО.
[0070] Учитывая известный уровень техники, авторы данной заявки обнаружили возможность объединения химического гидридного способа получения продукта органического синтеза с EOR таким образом, чтобы можно было эффективно использовать водород, составляющий часть углеводородов в попутном газе. Система подачи водорода 1 по второму варианту осуществления настоящего изобретения и родственный способ включают извлечение ископаемого топлива, такого как нефть и природный газ, путем закачки жидкости (такой как диоксид углерода) под землю, и их основным объектом является эффективное использование водорода в углеводородах, содержащихся в полученном газе (в том числе в попутном газе). Таким образом, система подачи водорода 1 по второму варианту осуществления настоящего газа функционирует как система экстракции ископаемого топлива для извлечения (на поверхность) нефти (ископаемого топлива) из подземного нефтяного месторождения 102 путем закачки диоксида углерода под землю.
[0071] Как показано на Фиг.2, на нефтяном месторождении 102 создают, например, путем бурения, нефтяную скважину (эксплуатационную скважину) 103 для извлечения нефти (ископаемого топлива). В данном описании указана лишь одна нефтяная скважина 103, однако на практике бурят множество скважин, поскольку нефть, как правило, распределяется под землей на большой площади.
[0072] В данной системе подачи водорода 1 жидкий нефтепродукт, который извлечен из нефтяной скважины 103, направляют в установку разделения нефти 111, чтобы выделить из него нефть (сырую нефть). Попутный газ, который остается после того, как нефть выделена из жидкого нефтепродукта, направляют в блок отделения диоксида углерода 112, чтобы извлечь из него диоксид углерода. Газ, оставшийся после того, как был отделен диоксид углерода, направляется в блок сероочистки 22 для удаления содержащейся в нем серы.
[0073] Таким образом, в системе подачи водорода 1 по второму варианту осуществления настоящего изобретения, газообразный углеводород, который поступает в блок сероочистки 22, состоит из попутного газа, который остается после извлечения нефти из жидкого нефтепродукта. По аналогии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, содержащиеся в десульфурированном газе углеводороды (метан, этан, пропан, бутан и т.д.) направляются в установку парового реформинга 5 с тем, чтобы преобразовать содержащиеся углеводороды в конвертированный газ (стадия реформинга). Конвертированный газ направляют в блок WGS 6, чтобы превратить монооксид углерода в диоксид углерода (стадия конверсии монооксида углерода в диоксид углерода). Газ, прошедший обработку в блоке WGS 6, охлаждают, чтобы из него можно было удалить воду, и он освобождается от диоксида углерода в блоке отделения диоксида углерода 7 (стадия разделения).
2
2
2
[0074] Газообразный диоксид углерода, который был выделен в блоке отделения диоксида углерода 7 (см. рассмотренный выше регенератор поглощающей жидкости 37) сжимают в первом блоке нагнетания 121 и вновь закачивают в нефтяное месторождение 102 через скважину нагнетания СО 122 (стадия нагнетания). Газообразный диоксид углерода, который был выделен в блоке отделения диоксида углерода 112, также направляют в первый блок нагнетания 121 для закачки в месторождение нефти 102 вместе с газообразным диоксидом углерода, который направляется из блока отделения диоксида углерода 7. Таким образом, благодаря сочетанию блока отделения диоксида углерода 112, предназначенного для выделения газообразного диоксида углерода из попутного газа, и блока отделения диоксида углерода 7, предназначенного для извлечения газообразного диоксида углерода, полученного в результате реакции конверсии монооксида углерода, количество газообразного диоксида углерода, который может быть закачен под давление в нефтяное месторождение 102, может быть увеличено. Кроме того, можно организовать подачу таким образом, что диоксид углерода из блока отделения диоксида углерода 112 может быть закачен в нефтяное месторождение 102 через нагнетательную скважину СО, отличную от нагнетательной скважины СО 122, через которую газообразный диоксид углерода из блока отделения диоксида углерода 7 нагнетается в нефтяное месторождение 102.
[0075] Газообразный диоксид углерода, который был закачен под землю с помощью первого блока нагнетания 121, превращается в сверхкритический флюид или жидкость при достижении заданной глубины (давления) и смешивается с нефтью под землей, снижая вязкость нефти (или увеличивая ее текучесть). В результате количество нефти, которое может быть извлечено из нефтяной скважины 103, может быть увеличено.
[0076] Газообразный водород, который был выделен в блоке отделения диоксида углерода 7, направляют через блок очистки водорода 8 (не показан на Фиг.2) в блок гидрирования 9, чтобы добавить его к выбранному органическому соединению, которое служит в качестве носителя водорода в реакции гидрирования (на стадии гидрирования). Органическое соединение (органический гидрид), к которому был добавлен водород, направляют в первый резервуар для гидрированного ароматического соединения 12, служащего в качестве хранилища для временного сохранения органического соединения.
[0077] Хотя они и не показаны на чертеже, в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения, между различными блоками в системе подачи водорода 1 предусмотрены хорошо известные транспортные линии, включая трубопроводы, клапаны и насосы, для транспортирования подлежащих обработке веществ от одного устройства к другому.
[0078] В системе подачи водорода 1, гидрирование органического соединения в блоке гидрирования 9, хранение органического гидрида в первом резервуаре для гидрированного ароматического соединения 12 и получение водорода из органического гидрида осуществляют, используя гидридный способ получения продуктов органического синтеза.
[0079] Подробности гидридного способа получения продуктов органического синтеза можно найти в ссылках Yoshimi Okada et al., "Development of Dehydrogenation Catalyst for Organic Chemical Hydride Method", Catalyst, 2004, 46 (6), p. 510-512, ISSN 05598958, Yoshimi Okada et al., "Dehydrogenation Catalyst Development for Organic Chemical Hydride Method and Hydrogen Energy Chain Vision", Catalyst, 2009, 51(6), p. 496-498, ISSN 05598958, Yoshimi Okada et al., "Development of Dehydrogenation Catalyst for Organic Chemical Hydride Method with a View of Establishing Large-Volume, Long-Distance Storage and Transportation Technology for Hydrogen Energy", Chemical Engineering, 2010, 74(9), p. 468-470, ISSN 03759253., и Yoshimi Okada et al., "Development of Dehydrogenation Catalyst for Organic Chemical Hydride Method for Storage and Transportation of Hydrogen", (Spring Issue, GSC Symposium 2005), Fine Chemical, 2006, 35(1), p. 5-13, ISSN 09136150.
[0080] Блок разделения нефти 111 представляет собой хорошо известный сепаратор для разделения компонентов газа (или попутного газа), воды и посторонних веществ в отличном от нефти нефтепродукте, извлеченном из нефтяной скважины 103. Извлеченную нефть хранят в хранилище (не показано на чертежах), а попутный газ, отделенный от нефти, направляется в блок отделения диоксида углерода 112.
[0081] Блок отделения диоксида углерода 112 представляет собой хорошо известный сепаратор для отделения диоксида углерода от углеводородов, содержащихся в попутном газе (например, метана, этана, пропана и бутана), с помощью процесса мембранного разделения. Разделительная мембрана в данном варианте осуществления настоящего изобретения представляет собой цеолитную мембрану, которая обладает высокой селективной проницаемостью для диоксида углерода. Цеолитную мембрану получают, формируя гидрофильную пленку цеолита на пористом носителе, таком как оксид алюминия и оксид кремния. Гидрофильную пленку цеолита подвергают тепловой обработке при температуре от 100 до 800°C.
2
2
[0082] Разделительная мембрана, которая может быть использована в блоке отделения диоксида углерода 112, не ограничивается цеолитной мембраной и может включать другие неорганические мембраны, такие как мембрана из оксида алюминия (глинозема) и мембрана из оксида циркония (диоксида циркония). В зависимости от применения, проницаемая для СО мембрана может также представлять собой органическую мембрану (например, мембрану из высокомолекулярного полимера), изготовленную из органических веществ. Подобное органическое вещество может включать, например, ацетат целлюлозы, полисульфон, полиэтилен, полипропилен и полиакрилонитрил. Поскольку попутный газ может включать серосодержащие компоненты (например, сероводород), то требуемая проницаемая для СО мембрана должна быть устойчива к действию серы и обладать иной коррозионной стойкостью.
[0083] Разделение газообразного диоксида углерода в блоке отделения диоксида углерода 112 не обязательно основано на методе мембранного разделения, но также может быть основано на любом другом хорошо известном способе разделения, таком как метод химической абсорбции (в частности, основанный на поглощении газообразного диоксида углерода в щелочном растворе, таком как раствор амина и карбоната калия, в результате химической реакции), который аналогичен способу, используемому в блоке отделения диоксида углерода 7 (первом блоке отделения диоксида углерода 36) первого варианта осуществления настоящего изобретения, и способ физической адсорбции (в частности, основанный на прямой адсорбции газообразного диоксида углерода адсорбентом, таким как цеолит).
[0084] Блок сероочистки 22 заполнен катализатором, который позволяет удалять соединения серы путем гидродесульфуризации и с помощью поглощающего агента, такого как оксид цинка, для абсорбирования и удаления полученного сероводорода. Работа блока сероочистки 22 может быть основана на другом способе, который отличен от использования твердого поглощающего агента или поглотителя, а также на других хорошо известных способах, таких как способ поглощения сероводорода в водном щелочном растворе, таком как раствор моноэтаноламина и диэтаноламина. В этом случае другие содержащие серу вещества также могут быть восстановлены путем реакции с водородом в присутствии катализатора, и тем самым содержащие серу вещества преобразуются в сероводород.
[0085] Установка парового реформинга 5 осуществляет паровой реформинг, вызывая реакцию между содержащимися углеводородами (такими как метан, этан, пропан и бутан) и водяным паром в присутствии катализатора (например, никелевого катализатора) при высокой температуре (например, 800°C). В блоке WGS 6 для того, чтобы увеличить концентрацию водорода в реформированном газе, который получают в установке парового реформинга 5, монооксид углерода превращается в диоксид углерода в условиях заданного температурного режима в присутствии катализатора. В этом случае концентрация монооксида углерода уменьшается в процессе двухстадийной реакции конверсии, включая реакцию конверсии при относительно высокой температуре (примерно от 350 до 420°C) и реакцию конверсии при относительно низкой температуре (от 200 до 300°С).
[0086] Процесс парового реформинга может быть основан на любом хорошо известном способе, таком как процесс ICI (Imperial Chemical Industries, Ltd.) и процесс Haldor Topsoe. В установке парового реформинга 5, процесс преобразования углеводородных компонентов в газ, главным образом состоящий из водорода и монооксида углерода, может быть основан на частичном окислительном реформинг-процессе. Реакция частичного окисления в основном основывается на следующем химическом уравнении (5)
,
где n и m являются целыми числами.
2
[0087] Конструкция блока отделения диоксида углерода 7 может быть подобна конструкции блока отделения диоксида углерода 112, который обсуждался ранее. Поскольку газ, вводимый в блок отделения диоксида углерода 7, практически не содержит серу, благодаря процессу десульфуризации, который осуществляют в блоке сероочистки 22, то пропускающая CO мембрана для блока отделения диоксида углерода 7 может быть выбрана без учета стойкости к воздействию серы.
[0088] Блок отделения диоксида углерода 7 (первый блок отделения диоксида углерода 36) может быть дополнительно снабжен пористой мембраной на основе молекулярных сит, имеющей заданный эффективный диаметр пор, так что водород может быть дополнительно очищен после отделения диоксида углерода.
2
2
[0089] Первый блок нагнетания 121 закачивает диоксид углерода в нефтяной пласт нефтяного месторождения 102 в соответствии с хорошо известным методом EOR (метод увеличения нефтеотдачи пласта). Первый блок нагнетания 121 снабжен нагнетательным насосом для повышения давления диоксида углерода от первоначального практически атмосферного давления до необходимого значения давления, и он повышает давление диоксида углерода до необходимого уровня с учетом падений давления, которые могут возникнуть в трубопроводе (не показан на чертежах) для нагнетания диоксида углерода, расположенного поверх скважины нагнетания СО 122. Скважина нагнетания СО 122 простирается от поверхности земли до непосредственной близости к геологической формации, содержащей нефть.
[0090] Таким образом, система подачи водорода 1, в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения, функционирует как система извлечения ископаемого топлива для добычи находящегося под землей ископаемого топлива путем закачки диоксида углерода и включает в себя установку парового реформинга 5 для получения реформированного газа, содержащего водород и монооксид углерода, за счет реформирования, по крайней мере, части ископаемого топлива в форме газа или попутного газа, который извлекается из эксплуатационной скважины, блок WGS 6 для получения конвертированного газа, содержащего газообразный диоксид углерода и водород, путем реакции конверсии монооксида углерода в диоксид углерода, блок отделения диоксида углерода 7 для отделения друг от друга водорода и диоксида углерода в конвертированном газе, блок нагнетания 121 для закачки под давлением диоксида углерода, выделенного в блоке разделения 7, в нагнетаемую скважину, с целью увеличить текучесть находящегося под землей ископаемого топлива, и блок гидрирования 9 для добавления водорода, выделенного в блоке отделения диоксида углерода 7, к органическому соединению с помощью реакции гидрирования.
[0091] Таким образом, в соответствии с системой подачи водорода 1 по второму варианту осуществления настоящего изобретения, при извлечении нефти путем закачки газообразной диоксида углерода под землю, может быть эффективно использован не только диоксид углерода, содержащийся в попутном газе, но могут эффективно использоваться и атомы водорода, составляющие часть углеводородов, содержащихся в попутном газе. В частности, с помощью неорганической мембраны, изготовленной из неорганического вещества, которая обладает превосходной коррозионной стойкостью и селективностью разделения, в блоках отделения диоксида углерода 7 и 112, атомы водорода, составляющие часть углеводородов, содержащихся в полученном газе, могут быть извлечены без ущерба для эффективности селективного разделения водорода и диоксида углерода. В данном случае, блок отделения диоксида углерода 7 может объединять множество разделительных узлов, где осуществляется процесс химической абсорбции, аналогичный процессу согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения и другим хорошо известным способам разделения, таким как процесс физической адсорбции. При желании, блок отделения диоксида углерода 112 можно удалить.
[0092] (Третий вариант осуществления настоящего изобретения)
На Фиг.3 представлена блок-схема системы подачи водорода, которая приведена в качестве третьего варианта осуществления настоящего изобретения. На Фиг.3 части, соответствующие подобным частям из второго варианта осуществления настоящего изобретения, обозначены одинаковыми числами. Третий вариант осуществления настоящего изобретения подобен второму варианту осуществления настоящего изобретения, за исключением тех частей, которые обсуждаются ниже.
2
[0093] Система подачи водорода 1, в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения, функционирует как система извлечения ископаемого топлива, аналогичная второму варианту осуществления настоящего изобретения, однако она отличается от второго варианта тем, что природный газ (сланцевый газ) извлекается из пласта глинистых сланцев 140 путем закачки диоксида углерода. В данной системе подачи водорода 1 конструкция второго блок нагнетания 141 аналогична конструкции первого блока нагнетания 121 второго варианта осуществления изобретения, и он сконфигурован таким образом, чтобы закачивать газообразный диоксид углерода в пласт глинистых сланцев 140 через скважину нагнетания СО 142. Диоксид углерода, который закачивают под землю, превращается в сверхкритический флюид или жидкость при достижении заданной глубины (давления), разрывает сланцевые породы пласта глинистых сланцев, проникая в трещины сланцевых пород (или расширяя пути перетока жидкости), и тем самым увеличивает текучесть природного газа.
4
2
[0094] В результате полученный газ, главным образом состоящий из метана (CH) и диоксида углерода (СО), извлекается из пласта глинистых сланцев 140 через газовую скважину (эксплуатационную скважину) 143. После того, как из него удаляют воду и инородные вещества, полученный газ направляют в блок отделения диоксида углерода (второй блок отделения) 145, чтобы удалить из него диоксид углерода. Конструкция блока отделения диоксида углерода (второго блока отделения) 145 подобна конструкции блока отделения диоксида углерода (первого блока отделения) 7. Оставшийся газ, освобожденный от диоксида углерода и в основном состоящий из метана, направляется в блок сероочистки 22. Затем различные процессы осуществляют в блоке сероочистки 22, установке парового реформинга 5, блоке WGS 6, блоке отделения диоксида углерода 7, блоке гидрирования 9 и первом резервуаре для гидрированного ароматического соединения 12 аналогично второму варианту осуществления настоящего соединения.
2
2
2
[0095] В третьем варианте осуществления настоящего соединения, газообразный диоксид углерода, выделенный в установке отделения диоксида углерода 7, сжимается во втором блоке нагнетания 141 и под давлением закачивается в пласт глинистых сланцев 140 через скважину нагнетания СО 142, которая простирается от поверхности земли до непосредственной близости к геологической формации, содержащей природный газ. Диоксид углерода, выделенных в установке отделения диоксида углерода 145, направляется во второй блок нагнетания 141 и под давлением закачивается в пласт глинистых сланцев 140 вместе с газообразным диоксидом углерода, подаваемым из блока отделения диоксида углерода 7. Можно также осуществить процесс таким образом, что диоксид углерода из блока отделения диоксида углерода 145 закачивается в пласт глинистых сланцев 140 через скважину нагнетания CO, отличную от скважины нагнетания CO 142, через которую газообразный диоксид углерода из блока отделения диоксида углерода 7 нагнетается в пласт глинистых сланцев 140.
2
[0096] Когда концентрация диоксида углерода, который содержится вместе с природным газом в формации глинистых сланцев, мала (например, меньше 1%), то в начальной стадии работы системы подачи водорода 1, в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения, количество газообразного диоксида углерода, который подается из блока отделения диоксида углерода 7 и блока отделения диоксида углерода 145 во второй блок нагнетания 141, может быть недостаточным. В таком случае, пока количество газообразного диоксида углерода, который подается во второй блок нагнетания 141, не стабилизируется, в скважину нагнетания CO 142 можно закачивать воду и/или воздух из второго блока нагнетания 141. Извлечение природного газа путем нагнетания газообразного диоксида углерода в системе подачи водорода 1 можно использовать как альтернативу добыче природного газа с помощью процесса гидравлического разрыва пласта, однако оба указанных процесса могут быть осуществлены одновременно. Кроме того, по крайней мере, часть метана, получаемого в блоке отделения диоксида углерода 145 (который будет направлен в блок сероочистки 22) может храниться в хранилище, которое не показано на чертеже, например, для использования в качестве топлива.
[0097] Таким образом, в соответствии с системой подачи водорода 1 по третьему варианту осуществления настоящего изобретения, при извлечении природного газа путем закачки газообразного диоксида углерода эффективно используется не только диоксид углерода, содержащийся в природном газе, но и атомы углерода, которые составляют часть углеводородов в природном газе, могут быть использованы в качестве газообразного диоксида углерода, который закачиваться под землю, а атомы водорода, которые образуют часть углеводородов, содержащихся в природном газе, могут быть эффективно использованы в качестве энергии водорода. В частности, с помощью неорганической мембраны, изготовленной из неорганического вещества, которое обладает превосходной коррозионной стойкостью и селективностью разделения в блоках отделения диоксида углерода 7 и 16, атомы водорода, составляющие углеводороды, содержащиеся в полученном газе, могут быть извлечены без ущерба для параметров селективности разделения водорода и диоксида углерода.
[0098] (Четвертый вариант осуществления изобретения)
На Фиг.4 представлена блок-схема системы экстракции ископаемого топлива, которая приведена в качестве четвертого варианта осуществления настоящего изобретения. На Фиг.4 части, соответствующие подобным частям из второго варианта осуществления настоящего изобретения или третьего варианта осуществления настоящего изобретения, обозначены одинаковыми числами. Четвертый вариант осуществления настоящего изобретения подобен второму варианту осуществления настоящего изобретения или третьему варианту осуществления настоящего изобретения, за исключением тех частей, которые обсуждаются ниже.
[0099] В системе подачи водорода 1, согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения, газообразный диоксид углерода закачивают как в месторождение нефти 102, так и в пласт глинистых сланцев 140, так что можно извлекать как нефть, так и природный газ. Другими словами, данная система подачи водорода 1 использует совместно и объединяет блок сероочистки 22, установку парового реформинга 5, блок WGS 6, блок отделения диоксида углерода 7, блок гидрирования 9 и первый резервуар для гидрированного ароматического соединения 12 систем подачи водорода 1 второго и третьего вариантов осуществления настоящего изобретения.
[0100] В блоке отделения диоксида углерода 7 четвертого варианта осуществления настоящего изобретения выделенный диоксид углерода подают как в первый блок нагнетания 121, так и во второй блок нагнетания 141. Блок отделения диоксида углерода 7 сконструирован таким образом, что количество газообразного диоксида углерода, который поступает в каждый из первого блока нагнетания 121 и второго блока нагнетания 141, смотря по обстоятельствам, может быть определено в зависимости от потребности и от эксплуатационного режима первого блока нагнетания 121 или второго блока нагнетания 141. Другими словами, путем закачки газообразного диоксида углерода как в месторождение нефти 102, так и в пласт глинистых сланцев 140, с целью извлечения ископаемого топлива (нефти и природного газа), имеющегося в месторождении нефти 102 и пласте глинистых сланцев 140, с использованием одной общей системы подачи водорода 1 количество закаченного диоксида углерода можно регулировать с большей легкостью, а извлечение ископаемого топлива может быть более стабильным.
[0101] Хотя настоящее изобретение было описано в терминах предпочтительных вариантах его осуществления, специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что возможны различные изменения и модификации, которые не противоречат сущности настоящего изобретения. В вышеприведенных вариантах осуществления настоящего изобретения тепло, выделяющееся при протекании реакции гидрирования в установке гидрирования 9, преобразуют в водяной пар, который направляют в блок регенерации поглощающей жидкости 37, однако тепло, которое необходимо транспортировать, не обязательно может быть в виде водяного пара. Например, регенератор поглощающей жидкости 37 и блок гидрирования 9 могут быть расположены поблизости друг от друга, так что тепло может непосредственно обмениваться между ними. Кроме того, можно осуществить способ таким образом, чтобы линия (трубопроводы), по которой перемещается поглощающая жидкость, проходила через блок гидрирования 9. В качестве альтернативы, линия (трубопровод), по которой перемещаются исходные реагенты и продукт из блока гидрирования 9, могла проходить через регенератор поглощающей жидкости 37.
2
2
2
2
2
[0102] В предыдущем варианте осуществления настоящего изобретения первый блок извлечения СО 36 и второй блок извлечения СО 38 были представлены по отдельности друг от друга, однако первый блок извлечения СО 36 и второй блок извлечения СО 38 также могут быть выполнены в виде общего блока таким образом, чтобы полученный газ, который прошел через блок сепарации газа и жидкости 34, и газообразные продукты сгорания из нагревательной печи 28, могли проходить через общий блок извлечения CO.
[0103] Блок получения гидрированного ароматического соединения 2 и установка подачи водорода 3 могут быть расположены географически либо вдалеке друг от друга, либо рядом друг с другом. В том случае, когда блок получения гидрированного ароматического соединения 2 и установка подачи водорода 3 расположены рядом друг с другом, второй резервуар для ароматического соединения 15 и второй резервуар для гидрированного ароматического соединение 16 можно исключить. Установка подачи водорода 3 может быть сконструирована в виде установки (крупное предприятие), однако может быть также выполнен в виде компактного блока для мелкого предприятия или для использования на борту транспортного средства.
[0104] Кроме того, во втором, третьем и четвертом вариантах осуществления настоящего изобретения в нагнетательную скважину может закачиваться не только один лишь диоксид углерода, но в нагнетательную скважину может закачиваться и смесь диоксида углерода и любого другого газа. В соответствии с настоящим изобретением, закачка диоксида углерода не ограничивается в узком смысле использованием в методах EOR (повышение нефтеотдачи), но и используется в широком смысле для добычи ископаемого топлива путем закачки газа. Различные элементы, используемые в системе и способе извлечения ископаемого топлива в приведенном варианте осуществления настоящего изобретения, не являются абсолютно необходимыми для настоящего изобретения и могут быть частично исключены и заменены без отклонения от сущности изобретения.
Словарь терминов
[0105]
1
система подачи водорода
2
блок получения гидрированного ароматического соединения
3
блок подачи водорода
5
установка парового реформинга
6
блок WGS (блок для проведения реакция конверсии монооксида углерода в диоксид углерода)
7
блок отделения диоксида углерода
8
блок очистки водорода
9
блок гидрирования
11
резервуар для первого ароматического соединения
12
резервуар для первого гидрированного ароматического соединения
15
резервуар для второго ароматического соединения
16
резервуар для второго гидрированного ароматического соединения
17
блок дегидрирования
21
первый нагреватель
22
блок сероочистки
24
<b>блок получения STM</b>
25
второй нагреватель
26
третий нагреватель
28
нагревательная печь
31
первый охладитель
32
второй охладитель
34
блок сепарации газа и жидкости
36
первый блок извлечения CO<sub>2</sub> (первый абсорбер)
37
регенератор поглощающей жидкости
38
второй блок извлечения CO<sub>2</sub> (второй абсорбер)
102
нефтяное месторождение
103
нефтяная скважина (эксплуатационная скважина)
111
блок отделения нефти
112
блок отделения диоксида углерода
114
установка реформинга
121
первый блок нагнетания
140
пласт глинистых сланцев
141
второй блок нагнетания
142
скважина нагнетания CO<sub>2</sub>
143
газовая скважина (эксплуатационная скважина)
145
блок отделения диоксида углерода