Система сдвоенного потока и способ производства диоксида углерода
Группа изобретений относится к химической промышленности. Для получения диоксида углерода обеспечивают технологический газ (22), содержащий углеводород. Сжигают углеводород в подсистеме сжигания (12) с получением электрической энергии (24) и потока продуктов сгорания (26), содержащего диоксид углерода и воду. В первой подсистеме отделения (16) за счет физической адсорбции отделяют первое количество диоксида углерода (50) от потока продуктов сгорания (48). Во второй подсистеме отделения (18), расположенной последовательно и ниже по потоку относительно первой подсистемы отделения, за счет химической абсорбции отделяют второе количество диоксида углерода (60) от потока продуктов сгорания (52). Обеспечивается повышение эффективности отделения диоксида углерода из технологического газа. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 5 ил.
Область техники
Данная заявка относится к производству диоксида углерода и, в частности, к полустационарному производству диоксида углерода на месте использования.
Уровень техники
При повышенной нефтеотдаче ("EOR") применяют значительное количество диоксида углерода. Нефтяная скважина обычно собирает приблизительно 30% ее нефти из подземного нефтяного резервуара во время стадии первичного извлечения. Дополнительные 20% нефти могут быть извлечены применением технологий вторичной добычи, таких как закачивание воды, которое повышает подземное давление. Процесс EOR обеспечивает технология третичной добычи, способная к извлечению дополнительных 20%, или более, нефти из подземного резервуара.
Во время процесса EOR в подземный нефтяной резервуар нагнетают большие количества диоксида углерода, извлекая, при этом, из скважины дополнительную нефть. Диоксид углерода является предпочтительным газом EOR, благодаря своей способности смешиваться с подземной нефтью и придавать нефти меньшую вязкость и более легкую извлекаемость.
Применяемый в процессах EOR диоксид углерода может быть получен из различных источников применением различных технологий. Например, диоксид углерода может быть собран из естественных источников, таких как окружающий воздух, или может быть собран в качестве побочного продукта различных промышленных назначений, таких как ферментация пива. К сожалению, традиционные технологии производства диоксида углерода являются
энергозатратными, особенно при работе в промышленном масштабе. Кроме того, стоимость транспортировки диоксида углерода от мест производства к месту EOR (например, фрахт, или трубопровод) является довольно значительной.
Соответственно, специалисты в данной области техники продолжают исследовательские и проектно-конструкторские работы в области производства и транспортировки диоксида углерода.
Сущность изобретения
В первом варианте осуществления раскрытая система сдвоенного потока для производства диоксида углерода из технологического газа, который включает в себя углеводород, может включать в себя: (1) подсистему сжигания, выполненную для сжигания углеводорода и выхода потока продуктов сгорания, при этом поток продуктов сгорания включает в себя диоксид углерода и воду, (2) первую подсистему отделения, выполненную для отделения первого количества диоксида углерода от потока продуктов сгорания, и (3) вторую подсистему отделения, выполненную для отделения второго количества диоксида углерода от потока продуктов сгорания.
В одном варианте первого варианта осуществления, углеводород включает в себя по меньшей мере одно из метана, этана, пропана и бутана.
В другом варианте первого варианта осуществления, углеводородом может быть метан.
В другом варианте первого варианта осуществления, технологическим газом может быть природный газ.
В другом варианте первого варианта осуществления, технологический газ может дополнительно включать в себя диоксид углерода.
В другом варианте первого варианта осуществления, подсистема сжигания может включать в себя двигатель внутреннего сгорания.
В другом варианте первого варианта осуществления, подсистема сжигания может включать в себя дизельный двигатель, модифицированный для работы на углеводороде.
В другом варианте первого варианта осуществления, подсистема сжигания может включать в себя турбину.
В другом варианте первого варианта осуществления, подсистема сжигания может быть выполнена для смешивания окружающего воздуха с углеводородом.
В другом варианте первого варианта осуществления, поток продуктов сгорания может дополнительно включать в себя азот.
В другом варианте первого варианта осуществления, поток продуктов сгорания может дополнительно включать в себя кислород.
В другом варианте первого варианта осуществления, поток продуктов сгорания может включать в себя по меньшей мере около 5 мас. % диоксида углерода.
В другом варианте первого варианта осуществления, поток продуктов сгорания может включать в себя по меньшей мере около 10 мас. % диоксида углерода.
В другом варианте первого варианта осуществления, поток продуктов сгорания может включать в себя по меньшей мере около 12 мас. % диоксида углерода.
В другом варианте первого варианта осуществления, поток продуктов сгорания может быть по существу свободным от углеводорода.
В другом варианте первого варианта осуществления, подсистема сжигания может вырабатывать электрическую энергию.
В другом варианте первого варианта осуществления, подсистема сжигания может вырабатывать электрическую энергию, и электрическая энергия может быть подана в первую подсистему отделения и/или вторую подсистему отделения.
В другом варианте первого варианта осуществления, подсистема охлаждения может быть размещена между подсистемой сжигания и первой подсистемой отделения.
В другом варианте первого варианта осуществления, подсистема охлаждения может быть размещена между подсистемой сжигания и первой подсистемой отделения, а подсистема охлаждения может включать в себя теплообменник.
В другом варианте первого варианта осуществления подсистема охлаждения может быть размещена между подсистемой сжигания и первой подсистемой отделения, и подсистема охлаждения может включать в себя теплообменник, при этом теплообменник термически связан с первой подсистемой отделения и/или второй подсистемой отделения.
В другом варианте первого варианта осуществления, подсистема охлаждения может быть размещена между подсистемой сжигания и первой подсистемой отделения, при этом подсистема охлаждения включает в себя осушитель.
В другом варианте первого варианта осуществления, первая подсистема отделения может включать в себя адсорбирующий материал.
В другом варианте первого варианта осуществления, первая подсистема отделения может включать в себя адсорбирующий материал, при этом адсорбирующий материал содержит цеолит.
В другом варианте первого варианта осуществления, вторая подсистема отделения может включать в себя химический абсорбент.
В другом варианте первого варианта осуществления, вторая подсистема отделения может включать в себя химический абсорбент, при этом химический абсорбент включает в себя амин.
В другом варианте первого варианта осуществления, вторая подсистема отделения может включать в себя химический абсорбент, при этом химический абсорбент включает в себя алканоламин.
В другом варианте первого варианта осуществления, вторая подсистема отделения может включать в себя химический абсорбент, при этом химический абсорбент включает в себя элемент, выбранный из группы, состоящей из моноэтаноламина, диэтаноламина, метилдиэтаноламина, диизопропаноламина, дигликольамина, триэтаноламина и сочетаний из них.
В другом варианте первого варианта осуществления, вторая подсистема отделения может быть расположена последовательно с первой подсистемой отделении и расположена ниже по ходу потока первой подсистемой отделения.
В другом варианте первого варианта осуществления, вторая подсистема отделения может быть расположена последовательно с первой подсистемой отделения и расположена ниже по ходу потока первой подсистемой отделения, и в которой воздухоподающая установка выполнена для ввода окружающего воздуха в поток продуктов сгорания.
В другом варианте первого варианта осуществления, вторая подсистема отделения может быть расположена последовательно с первой подсистемой отделения и расположена ниже по ходу потока первой подсистемой отделения, и в которой воздухоподающая установка выполнена для ввода окружающего воздуха в поток продуктов сгорания, при этом окружающий воздух вводят между первой подсистемой отделения и второй подсистемой отделения.
Еще в одном варианте первого варианта осуществления, подсистема сжигания, первая подсистема отделения и вторая подсистема отделения могут быть на подвижной платформе.
Во втором варианте осуществления раскрытая система сдвоенного потока для производства диоксида углерода из технологического газа, который включает в себя углеводород, может включать в себя: (1) подсистему сжигания, выполненную для сжигания углеводорода и выхода потока продуктов сгорания, при этом поток продуктов сгорания включает в себя диоксид углерода и воду, (2) первую подсистему отделения, выполненную для отделения первого количества диоксида углерода от потока продуктов сгорания физической адсорбцией, и (3) вторую подсистему отделения, последовательную с первой подсистемой отделения, при этом вторая подсистема отделения выполнена для отделения второго количества диоксида углерода от потока продуктов сгорания химической абсорбцией.
В третьем варианте осуществления, раскрытый способ сдвоенного потока для производства диоксида углерода может включать в себя стадии: (1) обеспечение технологического газа, включающего в себя углеводород, (2) сжигание углеводорода для выработки электрической энергии и выхода потока продуктов сгорания, при этом поток продуктов сгорания включает в себя диоксид углерода и воду, (3) отделение первого количества диоксида углерода от потока продуктов сгорания, и (4) отделение второго количества диоксида углерода от потока продуктов сгорания.
В одном варианте третьего варианта осуществления, углеводород может включать в себя по меньшей мере одно из метана, этана, пропана и бутана.
В другом варианте третьего варианта осуществления, углеводородом является метан.
В другом варианте третьего вариант осуществления, технологическим газом является природный газ.
В другом варианте третьего варианта осуществления, технологический газ дополнительно включает в себя диоксид углерода.
В другом варианте третьего варианта осуществления, способ дополнительно включает в себя стадию смешивания окружающего воздуха с углеводородом до стадии сжигания.
В другом варианте третьего варианта осуществления, поток продуктов сгорания, по существу, является свободным от углеводорода.
В другом варианте третьего варианта осуществления, способ дополнительно включает в себя стадию отделения воды от потока продуктов сгорания.
В другом варианте третьего варианта осуществления, способ дополнительно включает в себя стадию охлаждения потока продуктов сгорания.
В другом варианте третьего варианта осуществления, способ дополнительно включает в себя стадию охлаждения потока продуктов сгорания, при этом стадию охлаждения выполняют перед отделением первого и второго количеств диоксида углерода.
В другом варианте третьего варианта осуществления, во время стадии отделения первого количества и/или стадии отделения второго количества применяют электрическую энергию.
В другом варианте третьего варианта осуществления, стадия отделения первого количества включает в себя контактирование потока продуктов сгорания с адсорбирующим материалом.
В другом варианте третьего варианта осуществления, стадия отделения первого количества включает в себя контактирование потока продуктов сгорания с
адсорбирующим материалом, при этом адсорбирующий материал включает в себя цеолит.
В другом варианте третьего варианта осуществления, стадия отделения второго количества включает в себя контактирование потока продуктов сгорания с химическим абсорбентом.
В другом варианте третьего варианта осуществления, стадия отделения второго количества включает в себя контактирование потока продуктов сгорания с химическим абсорбентом, при этом химический абсорбент включает в себя амин.
В другом варианте третьего варианта осуществления, стадия отделения второго количества включает в себя контактирование потока продуктов сгорания с химическим абсорбентом, в котором химический абсорбент включает в себя алканоламин.
В другом варианте третьего варианта осуществления, стадия отделения второго количества включает в себя контактирование потока продуктов сгорания с химическим абсорбентом, в котором химический абсорбент включает в себя элемент, выбранный из группы, состоящей из моноэтаноламина, диэтаноламина, метилдиэтаноламина, диизопропаноламина, дигликольамина, триэтаноламина и сочетаний из них.
В четвертом варианте осуществления, раскрытый способ сдвоенного потока для производства диоксида углерода может включать в себя стадии: (1) обеспечение технологического газа, включающего в себя углеводород, (2) сжигание углеводорода для выработки электрической энергии и выхода потока продуктов сгорания, при этом поток продуктов сгорания включает в себя диоксид углерода и воду, (3) отделяют первое количество диоксида углерода от потока продуктов сгорания, применяя физический адсорбирующий материал, и (4) отделяют второе количество диоксида углерода от потока продуктов сгорания, применяя химический абсорбент.
Другие варианты осуществления раскрытой системы сдвоенного потока и способа производства диоксида углерода станут очевидны из последующего подробного описания, соответствующих чертежей и прилагаемой формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 является схематичной картой технологического процесса одного варианта осуществления раскрытой системы сдвоенного потока для производства диоксида углерода;
Фиг. 2 является блок-схемой подсистемы охлаждения системы фиг. 1;
Фиг. 3 является блок-схемой первой подсистемы отделения системы фиг. 1;
Фиг. 4 является блок-схемой второй подсистемы отделения системы фиг. 1; и
Фиг. 5 является схемой производственного процесса, отображающей один вариант осуществления раскрытого способа сдвоенного потока для производства диоксида углерода.
Подробное описание изобретения
По фиг. 1, один вариант осуществления раскрытой системы сдвоенного потока для производства диоксида углерода, обозначенной, в целом, как 10, может включать в себя подсистему 12 сжигания, подсистему 14 охлаждения, первую подсистему 16 отделения, и вторую подсистему 18 отделения. Для сбора производимых системой 10 сдвоенных потоков диоксида углерода может быть обеспечена подсистема 20 сбора. Без выхода за пределы объема настоящего изобретения в раскрытую систему 10 могут быть введены дополнительные компоненты и подсистемы.
Технологический газ 22 для системы 10 может быть подан в подсистему 12 сжигания. Технологическим газом 22 может быть любой газ или газовая смесь, которая включает в себя углеводород, например, метан (СН4), этан (C2H6), пропан (C3H8) и/или бутан (С4Н10). В добавление к углеводороду, технологический газ 22 может включать в себя другие компоненты, такие как, водяной пар, азот и/или сероводород. Концентрация углеводородного компонента технологического газа 22 может меняться в зависимости от источника технологического газа 22.
В одном конкретном варианте осуществления технологическим газом 22 может быть природный газ, который может включать в себя значительный метановый компонент. Природный газ может быть поставлен из природного газового месторождения, нефтяного месторождения (например, места повышенной нефтеотдачи), угольной шахты или подобного. Природный газ может быть поставлен в систему 10 местной, территориальной скважиной, или другим средством, например, трубопроводом, или контейнером для хранения.
Несмотря на то, что раскрытая система 10 может быть предпочтительно осуществлена в различных местностях, связанных с нефтяной промышленностью (например, газовые месторождения и EOR места), без выхода из объема данного изобретения, могут быть использованы различные другие источники технологического газа 22. В качестве одного примера, технологический газ 22 может быть поставлен из сельскохозяйственного объекта (например, молочной фермы, имеющей систему улавливания метана). В качестве другого примера, технологический газ 22 может быть поставлен из полигона захоронения отходов (например, полигон захоронения отходов, имеющий систему улавливания метана). Другие подходящие источники содержащего углеводород технологического газа 22 станут очевидными специалистам в данной области по прочтении данного описания изобретения.
Подсистема 12 сжигания может принимать технологический газ 22 и может сжигать углеводород в технологическом газе (а также любые другие воспламеняющиеся компоненты в технологическом газе 22), для выработки электрической энергии 24 и газообразного потока 26 продуктов сгорания. Если
для поддержания горения (или полного сжигания) потребуется кислород, то из окружающей среды может быть взят окружающий воздух 28 и может быть подан в подсистему 12 сжигания по линии 30 текучей среды, и смешан с технологическим газом 22 до сжигания углеводорода.
Выработанная подсистемой 12 сжигания электрическая энергия 24 может быть использована для привода различных компонентов и подсистем системы 10, таких как подсистема 14 охлаждения, первая подсистема 16 отделения, вторая подсистема 18 отделения, подсистема 20 сбора и воздухоподающие установки 32, 34 (рассмотренные ниже). Альтернативно (или дополнительно) выработанная подсистемой 12 сжигания электрическая энергия 24 может быть продана электроэнергетической системе 36. Таким образом, выработанная подсистемой 12 сжигания электрическая энергия 24 может быть одним из нескольких источников дохода раскрытой системы 10.
Подсистема 12 сжигания может включать в себя любой соответствующий аппарат сжигания или систему. В качестве одного примера, подсистема 12 сжигания может включать в себя двигатель внутреннего сгорания с пульсирующим горением, такой как дизельный двигатель, модифицированный для работы на природном газе. В качестве другого примера, подсистема 12 сжигания может включать в себя двигатель непрерывного горения, такой как турбина (например, микротурбину). Несмотря на то, что двигатель непрерывного горения может быть более эффективным двигателя с пульсирующим горением при производстве электрической энергии 24, менее эффективная подсистема 12 сжигания, такая как дизельный двигатель, модифицированный для работы на природном газе, может производить больше диоксида углерода и, следовательно, может улучшить общую экономику системы.
Подсистема 12 сжигания может преобразовывать углеводороды в технологическом газе 22 в диоксид углерода и воду. Например, углеводороды в технологическом газе 22 могут быть преобразованы в диоксид углерода и воду следующим образом:
CH4+2O2→CO2+2H2O (уравнение 1)
2С2Н6+7O2→4СО2+6H2O (уравнение 2)
C3H8+5O2→3CO2+4H2O (уравнение 3)
2С4Н10+13O2→8CO2+10Н2О (уравнение 4)
Таким образом, поток 26 продуктов сгорания может содержать диоксид углерода и воду, а также компоненты окружающего воздуха 28 (например, азот, кислород), которые проходят через подсистему 12 сжигания, и другие побочные продукты сгорания (например, монооксид углерода, оксиды азота). Поток 26 продуктов сгорания может быть по существу свободным от углеводородов, которые могут быть по существу полностью сгоревшими внутри подсистемы 12 сжигания.
В качестве примера, когда технологическим газом 22 является природный газ, поток 26 продуктов сгорания может содержать по меньшей мере около 10 процентов вес. диоксида углерода (например, 12 процентов, по весу диоксида углерода) и по меньшей мере 5 процентов вес. воды (например, около 9 процентов вес. воды). Конечно, фактические концентрации диоксида углерода и воды в потоке 26 продуктов сгорания будут зависеть от различных факторов, таких как композиция технологического газа 22, количество (если это имеет место) окружающего воздуха 28, поданного в подсистему 12 сжигания, влажность окружающего воздуха 28 и конфигурации подсистемы 12 сжигания.
Поток 26 продуктов сгорания может проходить из подсистемы 12 сжигания в подсистему 14 охлаждения, которая может охлаждать поток 26 продуктов сгорания до прохода потока продуктов сгорания в первую подсистему 16 отделения. Между подсистемой 12 сжигания и подсистемой 14 охлаждения может быть размещена воздухоподающая установка 32, такая как вентилятор или воздуходувное устройство, для облегчения транспортирования потока 26 продуктов сгорания в подсистему 14 охлаждения.
Не ограничиваясь какой-либо теорией, охлаждение потока 26 продуктов сгорания до прохода потока продуктов сгорания в первую подсистему 16 отделения может быть предпочтительным, если первая подсистема 16 отделения использует для извлечения диоксида углерода физическую адсорбцию (рассмотренную ниже). Особенно она может быть предпочтительна для охлаждения потока 26 продуктов сгорания в пределах некоторой температуры (например, по меньшей мере 10 градусов или по меньшей мере 5 градусов) адсорбирующего материала, для улучшения физической адсорбции. Например, когда адсорбирующий материал находится в условиях окружающей среды (25°С), поток 26 продуктов сгорания может быть охлажден, самое большее, до 35°С (например, 30°С).
По фиг. 2, подсистема 14 охлаждения может включать в себя теплообменник 38 и, при желании, камеру 40 осушения. Без выхода за пределы объема настоящего изобретения, подсистема 14 охлаждения может включать в себя дополнительные компоненты, такие как дополнительные теплообменники и/или дополнительные камеры осушения.
Теплообменник 38 может удалять из потока 26 продуктов сгорания тепловую энергию 42 (фиг. 1). Например, теплообменник 38 может включать в себя обратно циркулирующую охлаждающую текучую среду (например, воду или этиленгликоль), которая отбирает тепловую энергию 42 из потока 26 продуктов сгорания. Без выхода за пределы объема настоящего изобретения, могут быть применены различные теплообменные аппарат и системы.
Возвращаясь к фиг. 1, удаленная в подсистеме 14 охлаждения из потока 26 продуктов сгорания теплообменником 38 (фиг. 2) тепловая энергия 42 может быть подана в один или более компонентов и подсистем системы 10. Например, удаленная в теплообменнике 38 тепловая энергия 42, может быть подана в первую и вторую подсистемы 16, 18 отделения, и может быть использована для повторного обеспечения теплом адсорбирующих материалов (рассмотренных ниже), содержащихся внутри первой и второй подсистем 16, 18 отделения. Также предполагаются другие применения тепловой энергии 42.
Охлаждением потока 26 продуктов сгорания, теплообменник 38 (фиг. 2) может конденсировать водяной пар внутри потока 26 продуктов сгорания, который может быть далее выдан в виде воды 44 по линии 46 текучей среды. Вода 44 может быть использована системой 10, может быть продана (например, может быть другим источником дохода системы 10), или может быть слита (например, в дренаж).
Возвращаясь к фиг. 2, камера 40 осушителя может удалять, по существу, весь водяной пар, остающийся в потоке 26 продуктов сгорания после конденсации в теплообменнике 38. Например, после камеры 40 осушителя, содержание воды потока 26 продуктов сгорания может составлять 1 процент вес. или менее. Удаленная из потока 26 продуктов сгорания в камере 40 осушителя вода может быть выдана в виде воды 44 (фиг. 1) по линии 46 текучей среды.
Камера 40 осушителя может включать в себя осушающий материал. Для удаления по существу всей воды из потока 26 продуктов сгорания для использования в камере 40 осушителя может быть пригодно множество осушающих материалов. В качестве одного общего примера, осушающим материалом может быть материал молекулярного сита. В качестве одного конкретного примера, осушающим материалом может быть материал молекулярного сита с щелочной металлической алюминосиликатной структурой, который имеет эффективное отверстие пор три ангстрема, хотя может быть использован любой соответствующий осушающий материал.
Таким образом, подсистема 14 охлаждения может принимать поток 26 продуктов сгорания и может выдавать холодный сухой газообразный поток 48 продуктов сгорания.
Возвращаясь к фиг. 1, холодный сухой поток 48 продуктов сгорания может быть подан в первую подсистему 16 отделения. Первая подсистема 16 отделения может отделить первое количество диоксида углерода (поток 50) от холодного сухого потока 48 продуктов сгорания и может выдать обедненный поток 52 продуктов сгорания (т.е. поток продуктов сгорания с содержанием диоксида углерода,
меньшим первоначального содержания в потоке продуктов сгорания). Первый поток 50 диоксида углерода может быть отослан в подсистему 20 сбора по линии 54 текучей среды.
Первая подсистема 16 отделения может применять различные технологии для отделения диоксида углерода от холодного сухого потока 48 продуктов сгорания. Тип технологии отделения, примененный первой подсистемой 16, может быть продиктован различными факторами, включающими в себя технологические условия (например, желаемая чистота собранного диоксида углерода 50) и экономику процесса (например, общее потребление энергии первой подсистемы 16 отделения).
Несмотря на то, что ниже рассмотрен процесс физической адсорбции, без выхода за пределы объема настоящего изобретения в первой подсистеме отделения могут быть использованы и другие технологии, такие как химическая адсорбция, вихревое отделение и сжижение.
Вихревое отделение может использовать вихревой поток для осуществления отделения диоксида углерода от холодного сухого потока 48 продуктов сгорания. Например, холодный сухой поток 48 продуктов сгорания может быть закачан в стационарный вихревой сепаратор, так что создается путь вихревого потока, вызывающий тем самым отделение диоксида углерода, который может иметь более высокий молекулярный вес, чем другие компоненты холодного сухого потока 48 продуктов сгорания.
Сжижение может осуществлять камера высокого давления и насос, при этом насос закачивает холодный сухой поток 48 продуктов сгорания в камеру высокого давления под давлением, достаточным для разделения холодного сухого потока 48 продуктов сгорания на жидкую фракцию и газообразную фракцию. Жидкая фракция, которая может содержать диоксид углерода, может быть далее легко отделена от газообразной фракции.
Согласно фиг. 3, в одной конкретной конструкции, первая подсистема 16 отделения может включать в себя камеру 56 физической адсорбции и, по желанию, камеру 58 вакуумной десорбции. Также предполагается применение дополнительного аппарата и компонентов.
Камера 56 физической адсорбции может принимать холодный сухой поток 48 продуктов сгорания, может обеспечить контакт холодного сухого потока 48 продуктов сгорания с адсорбирующим материалом и может выдавать обедненный диоксидом углерода холодный сухой газообразный поток 52 продуктов сгорания. Таким образом, внутри камеры 56 физической адсорбции диоксид углерода в холодном сухом потоке 48 продуктов сгорания может быть адсорбирован на адсорбирующий материал процессом физической адсорбции.
Не ограничиваясь какой-либо теорией, применение процесса физической адсорбции в первой подсистеме 16 отделения может быть предпочтительным для композиции холодного сухого потока 48 продуктов сгорания. Например, когда технологическим газом 22 является природный газ, или подобное, холодный сухой поток 48 продуктов сгорания может включать в себя по меньшей мере около 10 процентов вес. диоксида углерода и, самое большее, около 1 процента вес. воды. Таким образом, композиция холодного сухого потока 48 продуктов сгорания может быть идеальной для физической адсорбции, которая может быть эффективно осуществлена при отношениях диоксида углерода к воде по меньшей мере около 1:1.
Для адсорбирования диоксида углерода из холодного сухого потока 48 продуктов сгорания к применению в адсорбирующей камере 56 могут быть пригодными различные адсорбирующие материалы. В качестве одного общего примера, адсорбирующим материалом может быть материал молекулярного сита, такой как материал молекулярного сита, имеющего эффективный размер отверстия пор 10 ангстрем. В качестве конкретного примера, адсорбирующим материалом может быть материал цеолит, например, материал молекулярного сита цеолит 13Х, с размером эффективного отверстия пор десять ангстрем. В качестве другого конкретного примера может быть адсорбирующий материал цеолит 5А.
Когда на адсорбирующий материал внутри камеры 56 физической адсорбции адсорбировано достаточное количество диоксида углерода, адсорбированный диоксид углерода может быть высвобожден в виде первого потока 50 с восстановлением при этом адсорбирующего материала. Например, когда концентрация диоксида углерода в обедненном потоке 52 продуктов сгорания превышает заранее заданную пороговую величину (например, 2 процента вес, 3 процента вес. или 5 процентов вес), адсорбированный диоксид углерода может быть высвобожден с восстановлением адсорбирующего материала.
Для высвобождения адсорбированного диоксида углерода из адсорбирующего материала в камере 56 физической адсорбции могут быть применены различные технологии. В качестве одного примера, для десорбции диоксида углерода из адсорбирующего материала может быть применена камера 58 вакуумной десорбции (которая может быть той же самой, или отдельной от камеры 56 физической адсорбции). Вакуумирование может быть осуществлено в камере 58 вакуумной десорбции (или камере 56 физической адсорбции). Таким образом, когда адсорбирующий материал готов для восстановления, камера 56 физической адсорбции может быть герметизирована, и в камере 58 десорбции может быть создан вакуум (или камере 56 физической адсорбции) с удалением тем самым диоксида углерода из адсорбирующего материала. После камеры 58 десорбции (или камеры 56 физической адсорбции) может быть размещен "холодный палец", так что на холодном пальце конденсируется десорбированный диоксид углерода. В качестве одной альтернативы холодному пальцу, для отделения десорбированного диоксида углерода может быть применено сжатие.
В качестве другого примера, для высвобождения адсорбированного диоксида углерода из адсорбирующего материала в камере 56 физической адсорбции может быть применено нагревание, например, микроволновой энергией, энергией инфракрасного излучения и т.п.
Таким образом, первая подсистема 16 отделения может принимать холодный сухой поток 48 продуктов сгорания и может выдавать обедненный поток 52 продуктов сгорания. Обедненный поток 52 продуктов сгорания может содержать,
по большей мере, около 5 процентов вес. диоксида углерода, например, самое большее, около 2 процентов вес. диоксида углерода.
Возвращаясь к фиг 1, обедненный поток 52 продуктов сгорания может быть подан последовательно во вторую подсистему 18 отделения. Вторая подсистема 18 отделения может отделять второе количество диоксида углерода (поток 60) из обедненного потока 52 продуктов сгорания и может выдавать по существу свободные от диоксида углерода отходы 62 по линии 63 текучей среды. Второй поток 60 диоксида углерода может быть направлен по линии 64 текучей среды в подсистему 20 сбора.
При желании, воздухоподающее устройство 34, например, вентилятор или воздуходувная машина, может вводить окружающий воздух 28 в обедненный поток 52 продуктов сгорания до второй подсистемы 18 отделения (или во вторую подсистему 18 отделения). Введение окружающего воздуха 28 в обедненный поток 52 продуктов сгорания может дополнительно охладить обедненный поток 52 продуктов сгорания. Дополнительно, введение окружающего воздуха 28 в обедненный поток 52 продуктов сгорания может привнести естественную влажность (воду) в обедненный поток 52 продуктов сгорания, которая может быть предпочтительна, когда вторая подсистема 18 отделения применяет процесс химической абсорбции.
Поскольку окружающий воздух 28 включает в себя только около 400 мг/м3 диоксида углерода, вводимый в обедненный поток 52 продуктов сгорания окружающий воздух 28 может снижать содержание диоксида углерода в обедненном потоке 52 продуктов сгорания. В одном соотношении, количество окружающего воздуха 28, введенного в обедненный поток 52 продуктов сгорания, может регулироваться таким образом, что концентрация диоксида углерода в обедненном потоке 52, входящем во вторую подсистему 18 отделения, не падает ниже около 2 процентов вес. В другом соотношении, количество окружающего воздуха 28, введенного в обедненный поток 52 продуктов сгорания, может регулироваться таким образом, что концентрация диоксида углерода в обедненном потоке 52 продуктов сгорания, входящем во вторую подсистему 18
отделения, не падает ниже около 1 процента вес. Еще в одном соотношении, количество окружающего воздуха 28, введенного в обедненный поток 52 продуктов сгорания, может регулироваться таким образом, что концентрация диоксида углерода в обедненном потоке 52 продуктов сгорания, входящем во вторую подсистему 18 отделения, не падает ниже около 0,5 процента вес.
Вторая подсистема 18 отделения может использовать различные технологии для отделения диоксида углерода от обедненного потока 52 продуктов сгорания. Тип технологии отделения, применяемой во второй подсистеме 18 отделения, может диктоваться различными факторами, включающими в себя концентрацию диоксида углерода в обедненном потоке 52 продуктов сгорания, условия процесса (например, желаемые влажности собранного диоксида углерода 60) и экономику процесса (например, общее потребление энергии второй подсистемой 18 отделения).
Несмотря на то, что ниже рассмотрен процесс химической абсорбции, без выхода за пределы объема настоящего изобретения во второй подсистеме 18 отделения могут быть использованы и другие технологии, такие как физическая абсорбция, вихревое отделение и сжижение.
Согласно фиг. 4, в одной конкретной конструкции, вторая подсистема 18 отделения может включать в себя абсорбер 66 и десорбер 68. Предполагается также возможность применения дополнительных устройств и компонентов.
Абсорбер 66 может принимать обедненный поток 52 продуктов сгорания, может обеспечивать контактирование обедненного потока 52 продуктов сгорания с химическим абсорбентом, и может выдавать по существу свободные от диоксида углерода отходы 62 (фиг. 1) по линии 63 текучей среды. Таким образом, внутри абсорбера 66 диоксид углерода в обедненном потоке 52 продуктов сгорания может быть поглощен химическим абсорбентом путем процесса химической абсорбции.
Не ограничиваясь какой-либо конкретной теорией, применение процесса химической абсорбции во второй подсистеме 18 отделения может быть предпочтительным из-за низкой концентрации диоксида углерода в обедненном потоке 52 продуктов сгорания, а также возможного присутствия воды в обедненном потоке 52 продуктов сгорания из-за природной влажности окружающего воздуха 28.
Для извлечения диоксида углерода из обедненного потока 52 продуктов сгорания для применения в абсорбере 66 могут подходить различные химические абсорбенты. В качестве общего примера, химический абсорбент может представлять собой (или может включать в себя) амин. В качестве конкретного примера, химический абсорбент может представлять собой (или может включать в себя) алканоламин, например, моноэтаноламин, диэтаноламин, метилдиэтаноламин, диизопропаноламин, дигликольамин, триэтаноламин и их комбинации. В качестве другого общего примера, может быть применена схема химической абсорбции на бикарбонатной основе. При выборе необходимого к применению в абсорбере 66 химического абсорбента могут быть приняты во внимание различные факторы, такие как концентрация диоксида углерода в обедненном потоке 52 продуктов сгорания и состав обедненного потока 52 продуктов сгорания.
Химический абсорбент, содержащий диоксид углерода (например, раствор амина и диоксида углерода), может быть восстановлен в десорбере 68 с высвобождением тем самым второго потока 60 диоксида углерода. Для восстановления химического абсорбента и высвобождения диоксида углерода могут быть применены различные технологии. В качестве одного примера, химический абсорбент, содержащий диоксид углерода, может быть закачан в десорбер 68, где он может быть нагрет для удаления диоксида углерода. Тепловая энергия 42, собранная в подсистеме 14 охлаждения, может быть использована для нагревания десорбера 68, хотя может также потребоваться дополнительное нагревание. Восстановленный химический абсорбент может быть закачан обратно в абсорбер 66.
Возвращаясь к фиг. 1, подсистема 20 сбора может принимать первый поток 50 диоксида углерода из первой подсистемы 16 отделения (по линии 54 текучей среды) и второй поток 60 диоксида углерода из второй подсистемы 18 отделения (по линии 64 текучей среды), и может, по желанию, объединить потоки 50, 60 диоксида углерода. При необходимости, подсистема 20 сбора может дополнительно очищать сдвоенные (или объединенные) потоки 50, 60 диоксида углерода, например сжатием (сжижением) или нагреванием (дистилляцией).
Дополнительно, подсистема 20 сбора может транспортировать сдвоенные (или объединенные) потоки 50, 60 диоксида углерода по различным путям. В качестве одного примера, подсистема 20 сбора может закачивать сдвоенные (или объединенные) потоки 50, 60 диоксида углерода в емкость хранения (например, резервуар хранения). В качестве другого примера, подсистема 20 сбора может закачивать сдвоенные (или объединенные) потоки 50, 60 диоксида углерода в место EOR. В качестве еще одного примера, подсистема 20 сбора может закачивать сдвоенные (или объединенные) потоки 50, 60 диоксида углерода по трубопроводу.
Таким образом, принятый подсистемой 20 сбора диоксид углерода 50, 60 может обеспечивать другой источник дохода раскрытой системы 10.
Соответственно, раскрытая система 10 может использовать содержащий углеводород технологический газ 22 для производства многих источников возможного 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 углеводород технологического газа 22 (например, метан), функционируя тем самым в качестве виртуального трубопровода, который устраняет необходимость транспортировки диоксида углерода на длинное расстояние, например фрахтом или физическим трубопроводом. Например, система 10 может быть смонтирована на подвижной платформе, например платформе грузового автомобиля, тем самым превращая систему 10 в подвижную и пригодную к применению, где это необходимо.
Согласно фиг. 5 также предложен способ 100 сдвоенного потока для производства диоксида углерода. Способ 100 может начинаться в блоке 102 со стадии обеспечения источника технологического газа, содержащего углеводород.
В блоке 104 содержащий углеводород технологический газ может быть сожжен для выработки потока продуктов сгорания и электрической энергии. Сжигание может осуществляться в присутствии кислорода, например, смешиванием окружающего воздуха с содержащим углеводород технологическим газом. Стадия сжигания может превратить большую часть углеводорода (если не весь) в содержащем углеводород технологическом газе в диоксид углерода и воду.
При желании, в блоке 106 поток продуктов сгорания может быть охлажден и/или осушен, до перехода к блоку 108.
В блоке 108 первый поток диоксида углерода может быть отделен от потока продуктов сгорания. Отделение может быть обеспечено применением процесса физической адсорбции (например, с цеолитом), хотя, без выхода за пределы объема настоящего изобретения, могут быть применены различные альтернативные технологии отделения. Первый поток диоксида углерода может быть собран подсистемой сбора.
При желании, в блоке 110 окружающий воздух может быть смешан с потоком продуктов сгорания, до перехода к блоку 112.
В блоке 112 второй поток диоксида углерода может быть отделен от потока продуктов сгорания. Отделение может быть обеспечено применением процесса химической абсорбции (например, с химическим абсорбентом типа амина), хотя, без выхода за пределы объема настоящего изобретения, могут быть применены различные альтернативные технологии отделения. Второй поток диоксида углерода может быть собран подсистемой сбора и, при желании, может быть смешан с первым потоком диоксида углерода.
Отходы со второй стадии отделения (блок 112) могут быть по существу свободными от диоксида углерода и могут быть выпущены в атмосферу.
Соответственно, раскрытый способ 100 может производить диоксид углерода (а также воду и электрическую энергию) при любом источнике содержащего углеводород технологического газа, тем самым снижая или ликвидируя затраты, связанные с транспортировкой диоксида углерода.
Несмотря на то, что были показаны и раскрыты различные варианты реализации предложенной системы сдвоенного потока и способа производства диоксида углерода, после ознакомления с настоящим описанием изобретения для специалистов в данной области техники могут быть очевидны различные возможные модификации изобретения. Данная заявка включает в себя такие модификации и ограничена лишь объемом формулы изобретения.
1. Система для получения диоксида углерода из технологического газа, причем указанный технологический газ содержит углеводород, при этом указанная система содержит:
подсистему сжигания, выполненную с возможностью сжигания указанного углеводорода и вывода потока продуктов сгорания, где указанный поток продуктов сгорания содержит диоксид углерода и воду;
первую подсистему отделения, выполненную с возможностью отделения первого количества указанного диоксида углерода от указанного потока продуктов сгорания за счет физической адсорбции, и
вторую подсистему отделения, которая расположена последовательно с указанной первой подсистемой отделения и расположена ниже по потоку относительно указанной первой подсистемы отделения, при этом указанная вторая подсистема отделения выполнена с возможностью отделения второго количества указанного диоксида углерода от указанного потока продуктов сгорания за счет химической абсорбции.
2. Система по п. 1, в которой указанный углеводород содержит по меньшей мере один из метана, этана, пропана и бутана.
3. Система по п. 1, в которой технологическим газом является природный газ.
4. Система по п. 1, в которой указанный технологический газ дополнительно содержит диоксид углерода.
5. Система по п. 1, в которой указанная подсистема сжигания содержит по меньшей мере один из: двигателя внутреннего сгорания, дизельного двигателя, модифицированного для работы на указанном углеводороде, и турбины.
6. Система по п. 1, в которой указанный поток продуктов сгорания дополнительно содержит по меньшей мере одно из азота и кислорода.
7. Система по п. 1, в которой указанный поток продуктов сгорания содержит по меньшей мере 5 мас.% указанного диоксида углерода.
8. Система по п. 1, в которой указанный поток продуктов сгорания, по существу, не содержит указанного углеводорода.
9. Система по п. 1, в которой указанная подсистема сжигания вырабатывает электрическую энергию.
10. Система по п. 1, дополнительно содержащая подсистему охлаждения, размещенную между указанной подсистемой сжигания и указанной первой подсистемой отделения.
11. Система по п. 10, в которой указанная подсистема охлаждения содержит теплообменник, термически связанный по меньшей мере с одной из указанной первой подсистемы отделения и указанной второй подсистемы отделения.
12. Система по п. 10, в которой указанная подсистема охлаждения содержит осушитель.
13. Система по п. 1, в которой указанная первая подсистема отделения содержит адсорбирующий материал.
14. Система по п. 13, в которой указанный адсорбирующий материал содержит цеолит.
15. Система по п. 1, в которой указанная вторая подсистема отделения содержит химический абсорбент.
16. Система по п. 1, в которой указанная вторая подсистема отделения расположена последовательно с указанной первой подсистемой отделения и расположена ниже по потоку относительно указанной первой подсистемы отделения.
17. Система по п. 16, дополнительно содержащая воздухоподающую установку, выполненную с возможностью ввода окружающего воздуха в указанный поток продуктов сгорания.
18. Система по п. 17, в которой указанный окружающий воздух вводят между указанной первой подсистемой отделения и указанной второй подсистемой отделения.
19. Система по п. 1, в которой указанная подсистема сжигания, указанная первая подсистема отделения и указанная вторая подсистема отделения находятся на подвижной платформе.
20. Способ получения диоксида углерода, включающий:
обеспечение технологического газа, содержащего углеводород;
сжигание указанного углеводорода с получением электрической энергии и потока продуктов сгорания, при этом указанный поток продуктов сгорания содержит диоксид углерода и воду;
отделение первого количества указанного диоксида углерода от указанного потока продуктов сгорания, причем указанное отделение указанного первого количества включает физическую адсорбцию; и
отделение второго количества указанного диоксида углерода от указанного потока продуктов сгорания, причем указанное отделение указанного второго количества включает химическую абсорбцию, и
при этом стадию указанного отделения указанного второго количества проводят последовательно с указанной стадией отделения указанного первого количества после проведения указанной стадии отделения указанного первого количества.
21. Способ по п. 20, в котором указанный углеводород содержит по меньшей мере один из метана, этана, пропана и бутана.
22. Способ по п. 20, дополнительно содержащий стадию смешивания окружающего воздуха с указанным углеводородом до указанной стадии сжигания.
23. Способ по п. 20, дополнительно включающий отделение указанной воды от указанного потока продуктов сгорания.
24. Способ по п. 20, дополнительно включающий охлаждение указанного потока продуктов сгорания.
