集成的氫氣生產和烴提取的製作方法

2023-07-14 04:24:36 1

專利名稱：集成的氫氣生產和烴提取的製作方法
技術領域：
本發明涉及集成的氫氣生產和烴提取。
背景技術：
位於世界很多地區的油砂礦包含沙子、水、粘土、礦物質、以及為了燃料而言可進 行提 取和加工的原浙青的混合物。Alberta，Canada的油砂含有世界上一些最大的烴礦藏。浙青被劃分為「超重油」，是指其按照美國石油學會(API)標準測量的用度表示的 比重。浙青的API比重為約10°或更小。從Alberta的Athabasca油砂中開採出來的浙青 的API比重為約8°。「重油」的API比重範圍為約22. 3°到約10°。從油砂中提取得到 的重油或浙青被處理或提質來生產API比重為約31°到約33°的輕質合成原油。此處術 語重油和浙青可互換使用，這是由於它們可用同樣的方法提取得到。可通過不同的方法從油砂中回收浙青，最常用的包括表層或露天開採以及原位浙 青回收方法，包括熱原位回收方法。浙青的回收和提取操作是高耗水的，因此設備通常必 須挨近專用的水源，例如附近的河流或湖泊。這些操作中產生的廢棄物，包括廢水(water waste)，在尾礦池、汙水塘、處理井等地方進行處理。工業中要求降低與浙青回收和提取工 藝相關的水消耗和廢棄物，以及將這些操作的總體地面痕跡(land footprint)和環境影響 最小化。對使用新鮮水的重油/浙青提取操作可能有環境限制。這些限制涉及能夠從操作 環境中的源頭例如從湖泊、河流或新鮮水蓄水層中所移取的新鮮水的量。在某些情況下，可 被抽出的新鮮水量可能是整個生產操作的速率限制因素。在這種情況下，水的有效再利用 可直接影響操作生產。提取得到的浙青可通過管道泵至現場的提質器或泵至精煉廠進行清潔、處理和提 質。將浙青或重油提質為輕質合成原油通常通過碳的排出(即焦化)或氫的加入來實現。 後種方法典型地是包含加氫裂化和加氫處理的兩步方法，其中加氫裂化用來斷裂大烴分 子，加氫處理用來穩定烴化合物以及移除雜質。提質的合成原油可被賣到精煉廠、石油化學 產品製造商或其它消費者。浙青提取操作需要昂貴的和精密的處理設備和大量的水，以及用於產生熱和水蒸 氣的能量。平均而言，1. 5噸至2噸的油砂必須被處理來製備來自浙青的一個159升體積桶 的合成原油。每天必須開採和加工大量的油砂從而滿足合成原油的高需求。當浙青在儲層中埋藏很深且由於覆蓋層的深度其不能被經濟地開採時，應用原位 油回收方法，例如熱原位回收方法。原位生產方法可回收儲層中初始存在浙青的約25%到 75%。通常原位回收方法的關注點在於降低浙青或重油的粘度從而使其能夠流動並從井中 生產出。熱原位回收工藝利用熱量降低儲層中浙青的粘度，且因此使其更加易流動，所述 熱量典型由水蒸氣提供。熱原位回收工藝的示例包括但不僅限於水蒸氣輔助重力洩油 (SAGD)，水蒸氣吞吐(CSQ，及其很多衍生方法，例如溶劑輔助SAGD (SA-SAGD)，水蒸氣和氣體驅動(SAGP)，蒸氣和水蒸氣聯合提取(SAVEX)，膨脹溶劑SAGD (ES-SAGD)，恆定水蒸氣洩 油(CSD)，以及添加液體的水蒸氣增強回收(LASER)，還有水驅法和水蒸氣驅法。在典型的重力驅動熱原位油回收工藝中，向儲層中鑽取兩口水平井。理想地位於 接近儲層底部的較低水平井用作生產井而位於生產井上方的水平井用作注入井。乾燥或溼 潤的水蒸氣從表面注入到注入井中以加熱儲層中夾帶的浙青並降低其粘度。必須為該工藝 產生大量的水蒸氣且在傳統工藝中用於產生水蒸氣的水必須滿足鍋爐給水的規格。隨著浙 青的粘度被降低，浙青與冷凝水蒸氣一起流入生產井，這些液體被泵送到表面。可任選注入 烴溶劑或其它試劑來輔助該工藝。熱產出流體典型地含有約70%的產出水以及約30%的浙青和產出氣體，其通過 生產井回收到表面並且現場分離成其各個組分。來自井口的產出流體被送入液流分離器將 浙青、產出水和任選的產出氣體分離為各個物流。向浙青物流中加入稀釋劑或冷凝液以加 快殘留水從油中移除。稀釋的浙青(「dilbit」)在被輸送到提質器或管線送入精煉廠之前 可在現場被進一步處理或儲存。產出氣體物流可用於為水蒸氣發生器提供燃料。產出水(PW)物流典型地被送入水處理設施來生產對於水蒸氣產生適宜品質的鍋 爐給水。在此工藝中，PW物流首先脫油且然後送去進行軟化處理。用來處理或軟化產出水 以滿足鍋爐給水規格的傳統方法是兩步法工藝，其包括一級除硬，接著是二級除硬從而使 水變軟(polish)。這種傳統的配置導致了大量的廢棄物流，其必須進行處理且殘留廢物最終被現場 送入處理井或高花費的汙泥池。通常存在經濟激勵來提高浙青和重油工業中的效率，尤其是降低資金和操作成 本，耗水量，地面痕跡和浙青回收操作所有關的環境影響。儘管已經嘗試使水再利用和循環 從而提高原位回收操作或開採操作中的效率，然而還未能充分意識到將原位操作和氫氣生 產集成所獲得的優勢。需要產生水蒸氣和氫氣，以用於來自含烴儲層的重烴的水蒸氣輔助提取以及經提 取的重烴的提質中。為了提水和能量消耗的效率，以及降低與浙青開採和原位回收操作有關的水消耗 和廢棄物處理的環境影響，和降低資金和操作成本，合意地提供新的和改進的方法和系統。 由於環境原因和由於維持浙青衍生燃料的可市場性，通過效率增加或二氧化碳捕集來降低 浙青生產的碳濃度是重要的。需要獲取以及再利用水的技術從而使新鮮水的輸入最小化。工業上期望將用於烴 提取現場的水蒸氣注入的水量不變/最小化。重烴提取及其提質的地點通常是偏遠的，並且有時也需要同時生產用於生產設備 的電。工業上期望提高水蒸氣、氫氣和/或電的產生中的能量效率。工業上期望能夠調整在某地點(at a site)所產生的水蒸氣氫氣、水蒸氣電 的各種比率中的一種或多種。 工業上期望用於重烴提質的氫氣的不間斷供應。 本發明目的在於滿足這些和其它工業需求中的一項或幾項。

發明內容
總體上，本發明涉及浙青和重油工業。本發明涉及烴加工方法及其設備。更具體 地，本發明涉及方法以及相關的重整器，該重整器用於生產氫氣和水蒸氣，其中該水蒸氣注 入含烴儲層從而有助於烴提取。該方法包括通過注入井將含水蒸氣的物流注入含烴儲層；從含烴儲層中提取烴並 通過生產井取出烴和循環水，該循環水形成自部分含水蒸氣的物流；將重整器進料氣體混 合物引入催化水蒸氣重整器的多根含催化劑的重整管中，並在有效生成含氫工藝氣體的反 應條件下將重整器進料氣體混合物進行重整反應；在位於所述多根含催化劑的管外部的重 整器的燃燒區段中，在使燃料燃燒形成燃燒產物氣體並產生為重整反應供應能量的熱量的 有效條件下使用氧化劑氣體使燃料燃燒；通過與燃燒產物氣體間接熱傳遞將含有循環水和 任選注入的補充水的第一物流加熱，從而由第一物流產生用於含水蒸氣的物流的水蒸氣， 在IMPa(絕對)到IOMPa(絕對)或2MPa(絕對)到6MPa(絕對)的第一壓力下產生的水 蒸氣具有以質量流率為基準計低於100%的第一水蒸汽品質；在鍋爐給水準備系統中調節 工藝補充水從而由該工藝補充水產生鍋爐給水；以及通過與工藝氣體和燃燒產物氣體的至 少一種間接熱傳遞來加熱鍋爐給水從而形成工藝水蒸氣，其中重整器進料氣體混合物含有 該工藝水蒸氣。在一個或多個實施方案中，鍋爐給水不包括循環水。在一個或多個實施方案中，以質量流率為基準計，含水蒸氣的物流中少於10%的 水蒸氣來自於鍋爐給水。在一個或多個實施方案中，含水蒸氣的物流並非形成自鍋爐給水。在水蒸氣鼓中，工藝水蒸氣可從鍋爐給水中分離出來。第一物流還可含有注入補充水。該方法可進一步包括通過與工藝氣體間接熱傳遞加熱含有注入補充水和循環水 中至少一種的第二物流，隨後通過與燃燒產物氣體混合物間接熱傳遞加熱第二物流，從而 由第二物流產生用於含水蒸氣的物流的額外水蒸氣，該額外水蒸氣在第一壓力以第一水蒸 氣品質產生，或者在IMPa (絕對)到IOMPa (絕對)或2MPa (絕對)到6MPa (絕對)第二壓 力下以基於質量流率基準計小於100%的第二水蒸氣品質產生。第一水蒸氣品質可以為50% -85%和第二水蒸氣品質可以為50% -85 %。工藝氣體在與第二物流間接熱交換之前可以在一個或多個變換反應器中進行變 換。該方法可進一步包括從工藝氣體中移除CO2,其中含水蒸氣的物流中含有該移除 的 CO2。該方法可進一步包括冷凝工藝氣體中的水形成冷凝液和水貧乏的工藝氣體；從水 貧乏的工藝氣體中分離冷凝液，其中鍋爐給水中含有該冷凝液；以及將水貧乏的工藝氣體 分離為氫氣產物氣體和殘留氣體，其中燃料包括該殘留氣體。該方法可進一步包括從生產井中抽出烴氣體，其中重整器進料氣體混合物包括該 烴氣體和/或燃料包括該烴氣體。該方法可進一步包括運行燃氣輪發電機從而形成電力和燃氣輪機廢氣，其中氧化 劑氣體包括燃氣輪機廢氣。
該方法可進一步包括在熱回收水蒸氣發生器中加熱含有注入補充水和循環水中 至少一種的第三物流，從而由第三物流產生更多用於含水蒸氣的物流的額外水蒸氣，該更 多的額外水蒸氣在IMPa (絕對)到IOMPa (絕對)或2MPa (絕對)到6MPa (絕對)的第三 壓力以及以質量流率為基準計第三水蒸氣品質低於100%的條件下生成，其中用於熱回收 水蒸氣發生器的燃燒氧化劑包括燃氣輪機廢氣。第三水蒸氣品質可以為50% -85%。該方法可進一步包括在換熱器的上遊將燃燒產物氣體從重整器中排放，所述換熱 器為第一物流和燃燒產物氣體之間提供間接熱傳遞，由此不中斷第一物流的加熱；並且在 持續形成含氫工藝氣體的同時對換熱器進行清潔。該重整器包括用於進行燃燒反應的燃燒段；用於進行重整反應的多個含催化劑的 管，所述多個含催化劑的管位於燃燒段內；以及位於燃燒段下遊的換熱段，其用來接收來自 燃燒反應的燃燒產物氣體。換熱段包括將熱量從燃燒產物氣體傳遞到重整器進料氣體混合 物的第一換熱器；相對於燃燒產物氣體的流動位於第一換熱器下遊的第二換熱器，其用於 將熱量從燃燒產物氣體傳遞到循環水從而由循環水產生含水蒸氣的物流，其中第二換熱器 適合於機械清潔；以及相對於燃燒產物氣體的流動位於第二換熱器下遊的第一排氣口，其 用於將燃燒產物氣體從換熱段排出。重整器的換熱段可進一步包括相對於燃燒產物氣體的流動位於第一換熱器下遊 以及相對於燃燒氣體的流動位於第二換熱器的上遊的可關閉的第二排氣口。


圖1是生產氫氣和水蒸氣的集成系統的工藝流程圖。圖2是重整器的示意圖。
具體實施例方式當用於說明書和權利要求書中所描述的本發明實施方案中任意特徵時，本文所用 冠詞「a (某)，，和「an (某個)」是指一個或多個。「a (某)」和「an (某個)，，的使用並非限 制其含義為單個的特徵，除非具體規定該限制。在單數或複數名詞或名詞短語前面的冠詞 「該、所述」是指一個特定的指出特徵或幾個特定的指出特徵，且根據上下文可以具有單數 或複數的涵義。形容詞「任意的」是指一個、一些、或無論何種數量的不加以選擇的全部。短語「至少一部分」是指「一部分或全部」。本文所用的「多個」是指至少兩個。為了簡要和清楚的目的，省略了公知的設備、迴路和方法的詳述從而避免本發明 的描述帶有不必要的細節。參照圖1描述了本發明示意性實施方案。雖然本發明容許不同的改進和變型形 式，然而特定的實施方案已經在附圖中以舉例方式加以顯示並且在本文中得到詳細描述。 然而，應該理解，本文的特定實施方案的描述並非意欲將本發明限制為所公開的特定形式， 而相反，本發明將覆蓋所有落在由所附權利要求所限定的本發明範圍之內的所有改變形 式、等效形式以及替代形式。當然可以理解在任何這種實際實施方案的開發中，必須作出很多針對實施的決策 從而實現開發者的具體目標，例如符合系統有關和商業有關的限制，其隨著實施的不同而
7不同。此外，可以理解這種開發可能是複雜且費時的，但不過這是受益於本公開的本領域技 術人員所進行的常規工作。該方法包括將含水蒸氣的物流550通過注入井700注入含烴儲層703並從含烴儲 層703中提取烴710。提抽出的烴可能為例如來自油砂儲層中的重油或浙青。烴710可被 輸送到處理設備，例如提質器，用以通過與氫氣的反應將烴提質。含水蒸氣的物流通常是溼水蒸氣，意味著除了水蒸氣以外還含有液態水。本領 域所公知的是，含水蒸氣的物流也可能包括二氧化碳和/或重烴溶劑。加入少量例如 0. 1-15V01. %的重烴溶劑將進一步提供重油或浙青的運行性，(隨著重烴溶劑溶解到浙青 中)，由此降低重油或浙青的粘度使得其流至生產井。溶劑也稀釋所產生的重油或浙青從而 有助於滿足管道運輸所需的流體特性規格。優選地，溶劑為I-IOvol. %，最優選3-8Vol%。烴710和循環水500通過生產井705抽出。循環水500形成自含水蒸氣的物流 550的一部分；來自含水蒸氣的物流550的水和冷凝水蒸氣的一部分作為循環水500被回 收，水和冷凝水蒸氣的另一部分失去到環境中。如本文所定義，循環水是從生產井中移除的 任何水。將水蒸氣注入含烴儲層可以是水蒸氣驅動操作、水蒸氣輔助重力洩油(SAGD)工 藝或其它使用水蒸氣注入的烴提取工藝的一部分。水蒸氣驅動在大量的美國專利中有所討 論，包括美國專利號4，133，384。水蒸氣輔助重力洩油(SAGD)在大量的美國專利中有所討 論，包括美國專利號6，988，549和美國專利號4，344，485。使用水蒸氣的溶劑輔助水蒸氣提 取(SAVEQ在美國專利號7，464，756中有所討論。將水蒸氣注入含烴儲層進行烴提取是公 知的。將水蒸氣注入含烴儲層的工序、技術和設備都是已知且可獲得的。該方法還包括將重整器進料氣體混合物10引入催化水蒸氣重整器100的多根含 催化劑的重整管101中，和在對於生成含氫氣的工藝氣體12而言有效的反應條件下將重整 器進料氣體混合物10進行重整反應。生成含氫氣的工藝氣體的有效反應條件包括溫度範 圍為從700°C到1000°C，以及壓力為從1到50個大氣壓。優選的重整操作條件在本領域是 已知的。催化水蒸氣重整，也被稱為水蒸氣甲烷重整(SMR)或水蒸氣重整，定義為通過 催化劑上烴和水蒸氣的反應用來將重整原料轉化為合成氣的任何工藝。術語「合成氣 (synthesis gas) 」通常被稱作合成氣(syngas)，其在本文中是指任何含有氫氣和一氧化碳
Jfl
的混合物。重整反應是吸熱反應且通常可被描述為
權利要求
1.烴處理方法，包括通過注入井將含水蒸氣的物流注入含烴儲層；從所述含烴儲層中提取烴並通過生產井取出所述烴和循環水，該循環水形成自部分所 述含水蒸氣的物流；將重整器進料氣體混合物引入催化水蒸氣重整器的多根含催化劑的重整管中，並在對 於生成含氫氣的工藝氣體而言有效的反應條件下將所述重整器進料氣體混合物在重整反 應中進行反應；在位於所述多根含催化劑的管外部的所述重整器的燃燒段中，在對於所述燃料燃燒形 成燃燒產物氣體並產生熱量以為所述重整反應供應能量而言有效的條件下燃燒燃料和氧 化劑氣體；通過與所述燃燒產物氣體間接熱傳遞將含有所述循環水和任選的注入補充水的第 一物流加熱，從而由所述第一物流產生用於所述含水蒸氣的物流的水蒸氣，所述水蒸氣在 IMPa(絕對)到IOMPa(絕對)的第一壓力下產生且具有以質量流率為基準計低於100%的 第一水蒸氣品質；在鍋爐給水製備系統中調節工藝補充水從而由所述工藝補充水產生鍋爐給水；以及通過與所述工藝氣體和所述燃燒產物氣體的至少之一間接熱傳遞來加熱所述鍋爐給 水從而形成工藝水蒸氣，其中所述重整器進料氣體混合物包含該工藝水蒸氣。
2.權利要求1的方法，其中所述鍋爐給水不包含循環水。
3.權利要求1的方法，其中以質量流率為基準，所述含水蒸氣的物流中少於10%的水 蒸氣來自所述鍋爐給水。
4.權利要求1的方法，其中所述含水蒸氣的物流不由所述鍋爐給水形成。
5.權利要求1的方法，其中所述工藝水蒸氣在水蒸氣鼓中和所述鍋爐給水分離。
6.權利要求1的方法，其中所述第一物流進一步含有注入補充水。
7.權利要求1的方法，進一步包括通過與所述工藝氣體間接熱傳遞而加熱含有所述注入補充水和所述循環水中至少之 一的第二物流，隨後通過與所述燃燒產物氣體混合物間接熱傳遞而加熱所述第二物流，從 而由所述第二物流產生用於所述含水蒸氣的物流的額外水蒸氣，該額外水蒸氣在所述第一 壓力以第一水蒸氣品質產生，或者在IMPa(絕對)到IOMPa(絕對)的第二壓力下以基於質 量流率基準計小於100%的第二水蒸氣品質產生。
8.權利要求1或權利要求7的方法，其中所述第一水蒸氣品質是50%-85%且所述第 二水蒸氣品質是50% -85%。
9.權利要求7的方法，其中所述工藝氣體在與所述第二物流間接熱交換之前在一個或 多個變換反應器中進行變換。
10.權利要求1的方法，進一步包括從所述工藝氣體中移除CO2,其中所述含水蒸氣的 物流包含該移除的CO2。
11.權利要求1的方法，進一步包括冷凝所述工藝氣體中的水以形成冷凝液和水貧乏的工藝氣體；從所述水貧乏的工藝氣體中分離所述冷凝液，其中所述鍋爐給水含有該冷凝液；和將所述水貧乏的工藝氣體分離為氫氣產物氣體和殘留氣體，其中所述燃料包含所述殘留氣體。
12.權利要求1的方法，進一步包括從所述生產井取回烴氣體，其中所述重整器進料氣體混合物包含所述烴氣體和/或所 述燃料包含所述烴氣體。
13.權利要求1的方法，進一步包括運行燃氣輪發電機以形成電力和燃氣輪機廢氣，其中所述氧化劑氣體包含所述燃氣輪 機廢氣。
14.權利要求13的方法，進一步包括在熱回收水蒸氣發生器中加熱含有所述注入補充水和所述循環水中至少一種的第三 物流，從而由所述第三物流產生更多用於所述含水蒸氣的物流的額外水蒸氣，該更多的額 外水蒸氣在IMPa (絕對)到IOMPa (絕對)的第三壓力下產生，且具有以質量流率為基準計 低於100%的第三水蒸氣品質，其中用於所述熱回收水蒸氣發生器的燃燒氧化劑包括所述 燃氣輪機廢氣。
15.權利要求14的方法，其中所述第三水蒸氣品質是50%-85%。
16.權利要求1的方法，進一步包括在換熱器的上遊位置從所述重整器中排放所述燃燒產物氣體，其中所述換熱器提供所 述第一物流和所述燃燒產物氣體之間的間接熱傳遞，由此中斷對所述第一物流的加熱；和在繼續形成含氫氣的所述工藝氣體的同時清潔所述換熱器。
17.重整器，包括用於進行燃燒反應的燃燒段；用於進行重整反應的多根含催化劑管，所述多根含催化劑管位於所述燃燒段內部；和位於所述燃燒段下遊的換熱段，用來接收來自所述燃燒反應的燃燒產物氣體，所述換 熱段包括用於將熱量從所述燃燒產物氣體傳遞到重整器進料氣體混合物的第一換熱器；相對於所述燃燒產物氣體的流動位於所述第一換熱器下遊的第二換熱器，其用於將熱 量從所述燃燒產物氣體傳遞到循環水從而由所述循環水產生含水蒸氣的物流，其中所述第 二換熱器適合於機械清潔；和相對於所述燃燒產物氣體的流動位於所述第二換熱器下遊的第一排氣口，其用於將所 述燃燒產物氣體從所述換熱段排出。
18.權利要求17的重整器，其中所述換熱段進一步包括相對於所述燃燒產物氣體的流動位於所述第一換熱器下遊並且相對於所述燃燒氣體 的流動位於所述第二換熱器上遊的可關閉的第二排氣口。
全文摘要
本發明涉及集成的氫氣生產和烴提取，尤其涉及生成氫氣和水蒸氣的重整器和方法，其中水蒸氣用於重烴的水蒸氣輔助提取。將水蒸氣注入含烴儲層。烴連同所生成的水從儲層中提取。在催化水蒸氣烴重整器中產生氫氣。來自重整器的燃燒產物氣體用於在直流水蒸氣發生器中由所產生的水中生成溼水蒸氣，所生成的水從儲層中循環而來。溼水蒸氣用於重烴的水蒸氣輔助提取。重整器有換熱器段，其中換熱器適於處理通過直流水蒸氣發生所產生的水並且適於機械清潔。
文檔編號E21B43/24GK102128019SQ20101062506
公開日2011年7月20日 申請日期2010年12月17日 優先權日2009年12月18日
發明者D·A·扎諾利, J·E·帕拉馬拉, W·F·巴德 申請人:氣體產品與化學公司