集成的氢气生产和烃提取 【技术领域】
本发明涉及集成的氢气生产和烃提取。背景技术 位于世界很多地区的油砂矿包含沙子、 水、 粘土、 矿物质、 以及为了燃料而言可进 行提取和加工的原沥青的混合物。Alberta， Canada 的油砂含有世界上一些最大的烃矿藏。
沥青被划分为 “超重油” ， 是指其按照美国石油学会 (API) 标准测量的用度表示的 比重。沥青的 API 比重为约 10°或更小。从 Alberta 的 Athabasca 油砂中开采出来的沥青 的 API 比重为约 8°。 “重油” 的 API 比重范围为约 22.3°到约 10°。从油砂中提取得到 的重油或沥青被处理或提质来生产 API 比重为约 31°到约 33°的轻质合成原油。此处术 语重油和沥青可互换使用， 这是由于它们可用同样的方法提取得到。
可通过不同的方法从油砂中回收沥青， 最常用的包括表层或露天开采以及原位沥 青回收方法， 包括热原位回收方法。沥青的回收和提取操作是高耗水的， 因此设备通常必 须挨近专用的水源， 例如附近的河流或湖泊。这些操作中产生的废弃物， 包括废水 (water waste)， 在尾矿池、 污水塘、 处理井等地方进行处理。工业中要求降低与沥青回收和提取工 艺相关的水消耗和废弃物， 以及将这些操作的总体地面痕迹 (land footprint) 和环境影响 最小化。
对使用新鲜水的重油 / 沥青提取操作可能有环境限制。这些限制涉及能够从操作 环境中的源头例如从湖泊、 河流或新鲜水蓄水层中所移取的新鲜水的量。 在某些情况下， 可 被抽出的新鲜水量可能是整个生产操作的速率限制因素。在这种情况下， 水的有效再利用 可直接影响操作生产。
提取得到的沥青可通过管道泵至现场的提质器或泵至精炼厂进行清洁、 处理和提 质。将沥青或重油提质为轻质合成原油通常通过碳的排出 ( 即焦化 ) 或氢的加入来实现。 后种方法典型地是包含加氢裂化和加氢处理的两步方法， 其中加氢裂化用来断裂大烃分 子， 加氢处理用来稳定烃化合物以及移除杂质。 提质的合成原油可被卖到精炼厂、 石油化学 产品制造商或其它消费者。
沥青提取操作需要昂贵的和精密的处理设备和大量的水， 以及用于产生热和水蒸 气的能量。 平均而言， 1.5 吨至 2 吨的油砂必须被处理来制备来自沥青的一个 159 升体积桶 的合成原油。每天必须开采和加工大量的油砂从而满足合成原油的高需求。
当沥青在储层中埋藏很深且由于覆盖层的深度其不能被经济地开采时， 应用原位 油回收方法， 例如热原位回收方法。原位生产方法可回收储层中初始存在沥青的约 25％到 75％。 通常原位回收方法的关注点在于降低沥青或重油的粘度从而使其能够流动并从井中 生产出。
热原位回收工艺利用热量降低储层中沥青的粘度， 且因此使其更加易流动， 所述 热量典型由水蒸气提供。热原位回收工艺的示例包括但不仅限于水蒸气辅助重力泄油 (SAGD)， 水蒸气吞吐 (CSS)， 及其很多衍生方法， 例如溶剂辅助 SAGD(SA-SAGD)， 水蒸气和气
体驱动 (SAGP)， 蒸气和水蒸气联合提取 (SAVEX)， 膨胀溶剂 SAGD(ES-SAGD)， 恒定水蒸气泄 油 (CSD)， 以及添加液体的水蒸气增强回收 (LASER)， 还有水驱法和水蒸气驱法。
在典型的重力驱动热原位油回收工艺中， 向储层中钻取两口水平井。理想地位于 接近储层底部的较低水平井用作生产井而位于生产井上方的水平井用作注入井。 干燥或湿 润的水蒸气从表面注入到注入井中以加热储层中夹带的沥青并降低其粘度。 必须为该工艺 产生大量的水蒸气且在传统工艺中用于产生水蒸气的水必须满足锅炉给水的规格。 随着沥 青的粘度被降低， 沥青与冷凝水蒸气一起流入生产井， 这些液体被泵送到表面。 可任选注入 烃溶剂或其它试剂来辅助该工艺。
热产出流体典型地含有约 70％的产出水以及约 30％的沥青和产出气体， 其通过 生产井回收到表面并且现场分离成其各个组分。 来自井口的产出流体被送入液流分离器将 沥青、 产出水和任选的产出气体分离为各个物流。向沥青物流中加入稀释剂或冷凝液以加 快残留水从油中移除。稀释的沥青 ( “dilbit” ) 在被输送到提质器或管线送入精炼厂之前 可在现场被进一步处理或储存。产出气体物流可用于为水蒸气发生器提供燃料。
产出水 (PW) 物流典型地被送入水处理设施来生产对于水蒸气产生适宜品质的锅 炉给水。在此工艺中， PW 物流首先脱油且然后送去进行软化处理。用来处理或软化产出水 以满足锅炉给水规格的传统方法是两步法工艺， 其包括一级除硬， 接着是二级除硬从而使 水变软 (polish)。
这种传统的配置导致了大量的废弃物流， 其必须进行处理且残留废物最终被现场 送入处理井或高花费的污泥池。
通常存在经济激励来提高沥青和重油工业中的效率， 尤其是降低资金和操作成 本， 耗水量， 地面痕迹和沥青回收操作所有关的环境影响。 尽管已经尝试使水再利用和循环 从而提高原位回收操作或开采操作中的效率， 然而还未能充分意识到将原位操作和氢气生 产集成所获得的优势。
需要产生水蒸气和氢气， 以用于来自含烃储层的重烃的水蒸气辅助提取以及经提 取的重烃的提质中。
为了提水和能量消耗的效率， 以及降低与沥青开采和原位回收操作有关的水消耗 和废弃物处理的环境影响， 和降低资金和操作成本， 合意地提供新的和改进的方法和系统。 由于环境原因和由于维持沥青衍生燃料的可市场性， 通过效率增加或二氧化碳捕集来降低 沥青生产的碳浓度是重要的。
需要获取以及再利用水的技术从而使新鲜水的输入最小化。 工业上期望将用于烃 提取现场的水蒸气注入的水量不变 / 最小化。
重烃提取及其提质的地点通常是偏远的， 并且有时也需要同时生产用于生产设备 的电。
工业上期望提高水蒸气、 氢气和 / 或电的产生中的能量效率。
工业上期望能够调整在某地点 (at a site) 所产生的水蒸气∶氢气、 水蒸气∶电 的各种比率中的一种或多种。
工业上期望用于重烃提质的氢气的不间断供应。
本发明目的在于满足这些和其它工业需求中的一项或几项。发明内容 总体上， 本发明涉及沥青和重油工业。本发明涉及烃加工方法及其设备。更具体 地， 本发明涉及方法以及相关的重整器， 该重整器用于生产氢气和水蒸气， 其中该水蒸气注 入含烃储层从而有助于烃提取。
该方法包括通过注入井将含水蒸气的物流注入含烃储层 ； 从含烃储层中提取烃并 通过生产井取出烃和循环水， 该循环水形成自部分含水蒸气的物流 ； 将重整器进料气体混 合物引入催化水蒸气重整器的多根含催化剂的重整管中， 并在有效生成含氢工艺气体的反 应条件下将重整器进料气体混合物进行重整反应 ； 在位于所述多根含催化剂的管外部的重 整器的燃烧区段中， 在使燃料燃烧形成燃烧产物气体并产生为重整反应供应能量的热量的 有效条件下使用氧化剂气体使燃料燃烧 ； 通过与燃烧产物气体间接热传递将含有循环水和 任选注入的补充水的第一物流加热， 从而由第一物流产生用于含水蒸气的物流的水蒸气， 在 1MPa( 绝对 ) 到 10MPa( 绝对 ) 或 2MPa( 绝对 ) 到 6MPa( 绝对 ) 的第一压力下产生的水 蒸气具有以质量流率为基准计低于 100％的第一水蒸汽品质 ； 在锅炉给水准备系统中调节 工艺补充水从而由该工艺补充水产生锅炉给水 ； 以及通过与工艺气体和燃烧产物气体的至 少一种间接热传递来加热锅炉给水从而形成工艺水蒸气， 其中重整器进料气体混合物含有 该工艺水蒸气。
在一个或多个实施方案中， 锅炉给水不包括循环水。
在一个或多个实施方案中， 以质量流率为基准计， 含水蒸气的物流中少于 10％的 水蒸气来自于锅炉给水。
在一个或多个实施方案中， 含水蒸气的物流并非形成自锅炉给水。
在水蒸气鼓中， 工艺水蒸气可从锅炉给水中分离出来。
第一物流还可含有注入补充水。
该方法可进一步包括通过与工艺气体间接热传递加热含有注入补充水和循环水 中至少一种的第二物流， 随后通过与燃烧产物气体混合物间接热传递加热第二物流， 从而 由第二物流产生用于含水蒸气的物流的额外水蒸气， 该额外水蒸气在第一压力以第一水蒸 气品质产生， 或者在 1MPa( 绝对 ) 到 10MPa( 绝对 ) 或 2MPa( 绝对 ) 到 6MPa( 绝对 ) 第二压 力下以基于质量流率基准计小于 100％的第二水蒸气品质产生。
第一水蒸气品质可以为 50％ -85％和第二水蒸气品质可以为 50％ -85％。
工艺气体在与第二物流间接热交换之前可以在一个或多个变换反应器中进行变 换。
该方法可进一步包括从工艺气体中移除 CO2， 其中含水蒸气的物流中含有该移除 的 CO2。
该方法可进一步包括冷凝工艺气体中的水形成冷凝液和水贫乏的工艺气体 ； 从水 贫乏的工艺气体中分离冷凝液， 其中锅炉给水中含有该冷凝液 ； 以及将水贫乏的工艺气体 分离为氢气产物气体和残留气体， 其中燃料包括该残留气体。
该方法可进一步包括从生产井中抽出烃气体， 其中重整器进料气体混合物包括该 烃气体和 / 或燃料包括该烃气体。
该方法可进一步包括运行燃气轮发电机从而形成电力和燃气轮机废气， 其中氧化 剂气体包括燃气轮机废气。
该方法可进一步包括在热回收水蒸气发生器中加热含有注入补充水和循环水中 至少一种的第三物流， 从而由第三物流产生更多用于含水蒸气的物流的额外水蒸气， 该更 多的额外水蒸气在 1MPa( 绝对 ) 到 10MPa( 绝对 ) 或 2MPa( 绝对 ) 到 6MPa( 绝对 ) 的第三 压力以及以质量流率为基准计第三水蒸气品质低于 100％的条件下生成， 其中用于热回收 水蒸气发生器的燃烧氧化剂包括燃气轮机废气。第三水蒸气品质可以为 50％ -85％。
该方法可进一步包括在换热器的上游将燃烧产物气体从重整器中排放， 所述换热 器为第一物流和燃烧产物气体之间提供间接热传递， 由此不中断第一物流的加热 ； 并且在 持续形成含氢工艺气体的同时对换热器进行清洁。
该重整器包括用于进行燃烧反应的燃烧段 ； 用于进行重整反应的多个含催化剂的 管， 所述多个含催化剂的管位于燃烧段内 ； 以及位于燃烧段下游的换热段， 其用来接收来自 燃烧反应的燃烧产物气体。 换热段包括将热量从燃烧产物气体传递到重整器进料气体混合 物的第一换热器 ； 相对于燃烧产物气体的流动位于第一换热器下游的第二换热器， 其用于 将热量从燃烧产物气体传递到循环水从而由循环水产生含水蒸气的物流， 其中第二换热器 适合于机械清洁 ； 以及相对于燃烧产物气体的流动位于第二换热器下游的第一排气口， 其 用于将燃烧产物气体从换热段排出。 重整器的换热段可进一步包括相对于燃烧产物气体的流动位于第一换热器下游 以及相对于燃烧气体的流动位于第二换热器的上游的可关闭的第二排气口。
附图说明
图 1 是生产氢气和水蒸气的集成系统的工艺流程图。 图 2 是重整器的示意图。具体实施方式
当用于说明书和权利要求书中所描述的本发明实施方案中任意特征时， 本文所用 冠词 “a( 某 )” 和 “an( 某个 )” 是指一个或多个。 “a( 某 )” 和 “an( 某个 )” 的使用并非限 制其含义为单个的特征， 除非具体规定该限制。在单数或复数名词或名词短语前面的冠词 “该、 所述” 是指一个特定的指出特征或几个特定的指出特征， 且根据上下文可以具有单数 或复数的涵义。形容词 “任意的” 是指一个、 一些、 或无论何种数量的不加以选择的全部。
短语 “至少一部分” 是指 “一部分或全部” 。
本文所用的 “多个” 是指至少两个。
为了简要和清楚的目的， 省略了公知的设备、 回路和方法的详述从而避免本发明 的描述带有不必要的细节。
参照图 1 描述了本发明示意性实施方案。虽然本发明容许不同的改进和变型形 式， 然而特定的实施方案已经在附图中以举例方式加以显示并且在本文中得到详细描述。 然而， 应该理解， 本文的特定实施方案的描述并非意欲将本发明限制为所公开的特定形式， 而相反， 本发明将覆盖所有落在由所附权利要求所限定的本发明范围之内的所有改变形 式、 等效形式以及替代形式。
当然可以理解在任何这种实际实施方案的开发中， 必须作出很多针对实施的决策 从而实现开发者的具体目标， 例如符合系统有关和商业有关的限制， 其随着实施的不同而不同。 此外， 可以理解这种开发可能是复杂且费时的， 但不过这是受益于本公开的本领域技 术人员所进行的常规工作。
该方法包括将含水蒸气的物流 550 通过注入井 700 注入含烃储层 703 并从含烃储 层 703 中提取烃 710。提抽出的烃可能为例如来自油砂储层中的重油或沥青。烃 710 可被 输送到处理设备， 例如提质器， 用以通过与氢气的反应将烃提质。
含水蒸气的物流通常是湿水蒸气， 意味着除了水蒸气以外还含有液态水。本领 域所公知的是， 含水蒸气的物流也可能包括二氧化碳和 / 或重烃溶剂。加入少量例如 0.1-15vol.％的重烃溶剂将进一步提供重油或沥青的运行性， ( 随着重烃溶剂溶解到沥青 中 )， 由此降低重油或沥青的粘度使得其流至生产井。 溶剂也稀释所产生的重油或沥青从而 有助于满足管道运输所需的流体特性规格。优选地， 溶剂为 1-10vol.％， 最优选 3-8vol％。
烃 710 和循环水 500 通过生产井 705 抽出。循环水 500 形成自含水蒸气的物流 550 的一部分 ； 来自含水蒸气的物流 550 的水和冷凝水蒸气的一部分作为循环水 500 被回 收， 水和冷凝水蒸气的另一部分失去到环境中。 如本文所定义， 循环水是从生产井中移除的 任何水。
将水蒸气注入含烃储层可以是水蒸气驱动操作、 水蒸气辅助重力泄油 (SAGD) 工 艺或其它使用水蒸气注入的烃提取工艺的一部分。 水蒸气驱动在大量的美国专利中有所讨 论， 包括美国专利号 4,133,384。水蒸气辅助重力泄油 (SAGD) 在大量的美国专利中有所讨 论， 包括美国专利号 6,988,549 和美国专利号 4,344,485。 使用水蒸气的溶剂辅助水蒸气提 取 (SAVES) 在美国专利号 7,464,756 中有所讨论。将水蒸气注入含烃储层进行烃提取是公 知的。将水蒸气注入含烃储层的工序、 技术和设备都是已知且可获得的。 该方法还包括将重整器进料气体混合物 10 引入催化水蒸气重整器 100 的多根含 催化剂的重整管 101 中， 和在对于生成含氢气的工艺气体 12 而言有效的反应条件下将重整 器进料气体混合物 10 进行重整反应。生成含氢气的工艺气体的有效反应条件包括温度范 围为从 700℃到 1000℃， 以及压力为从 1 到 50 个大气压。优选的重整操作条件在本领域是 已知的。
催化水蒸气重整， 也被称为水蒸气甲烷重整 (SMR) 或水蒸气重整， 定义为通过 催化剂上烃和水蒸气的反应用来将重整原料转化为合成气的任何工艺。术语 “合成气 (synthesis gas)” 通常被称作合成气 (syngas)， 其在本文中是指任何含有氢气和一氧化碳
的混合物。 重整反应是吸热反应且通常可被描述为在生成合成气的时候生成氢气。
催化水蒸气重整器是进行重整反应的反应器。
工艺气体 12 通常称作重整物。此处， 重整物是烃和水蒸气的重整反应中所形成的 含有氢气和一氧化碳的任何混合物。
重整器进料气体混合物含有甲烷和水蒸气。 重整器进料气体混合物也可含有其它 烃， 例如 C2-C6 烃和 / 或石脑油。
在将重整器进料气体混合物引入所述多根含催化剂重整管中之前， 重整器进料气 体混合物可已经在预重整器 ( 未示出 ) 中进行处理。本文定义的预重整器为加热或不加热 时通过催化剂上与水蒸气的反应使烃原料转化的任何非受火容器。 预重整器可为绝热的固定床反应器。预重整器可为管式反应器。预重整器通常使用与主要重整器不同类型的催化 剂， 例如高活性、 高镍含量的催化剂。适用于预重整器的催化剂是本领域已知的。预重整器 中的温度可在约 400℃到约 600℃的范围内。至预重整器的热量可以由来自重整器或其它 来源的排放气提供， 但特征在于没有燃烧火焰的直接加热。预重整器与重整器可以物理连 接。预重整器可以是所谓的对流预重整器， 其中预重整器通过来自重整器的燃烧产物气体 进行加热。
该系统还可包括如美国专利号 5,264,202 中所描述的对流传热重整器 ( 未示出 ) 和 / 或氧气二级重整器。
如图 1 所示， 重整器进料气体混合物 10 可通过将含有甲烷的烃原料 1 与水蒸气 200 混合形成。该烃原料可以包含从生产井 705 抽取的烃气体 720。烃原料可通过与工艺 气体 12 交换热量而加热从而形成已被加热的烃原料 2。硫可在脱硫单元 300 中从烃原料 2 中除去从而形成已被脱硫的烃原料 3。
带有多根含催化剂重整管的重整器炉， 即管式重整器， 是本领域公知的。 适宜的建 造材料和方法是已知的。含催化剂重整管中的催化剂可是本领域所知的任何适宜的催化 剂， 例如含镍的负载型催化剂。
该方法进一步包括用氧化剂气体 103 在重整器 100 的燃烧段 110 中燃烧燃料 30， 32， 所述燃烧段 110 位于所述多根含催化剂管 101 的外部， 该燃烧在对于燃料 30， 32 燃烧形 成燃烧产品气体 130 并且产生热以向重整反应提供能量而言有效的条件下进行。
引入重整器的燃烧段的燃料可以为适于通过在重整器中燃烧提供热量的任何燃 料。该燃料可包括变压吸器附残余气、 天然气、 来自储层 703 的烃气体 720、 纯化的甲烷、 和 丙烷等。变压吸附器残余气是来自变压吸附器的任何流出物流， 其不包括氢气产物流。由 于当用于说明书和权利要求书中任意特征时， 本文所用冠词 “某” 和 “某个” 是指一个或多 个， 因此可将一种或多种燃料引入重整器的燃烧段。通常情况是使用多种燃料。变压吸附 器残余气可以为主要燃料， 和当需要增强为重整反应所提供的燃烧能时加入的补充燃料如 天然气。加入的补充燃料有时称为 “补偿燃料 (trim fuel)” 。
重整器的燃烧段是在其中发生燃烧的部分。通常可以看见火焰， 然而也可以使用 无火焰燃烧。
氧化剂气体 103 是含氧气的气体。本文使用的 “气体” 可是单一的气体物种或气 态混合物。氧化剂气体可是氧气浓度为约 21vol％的空气。氧化剂气体可以是氧气浓度大 于 21vol％到 70vol％的富氧空气。氧化剂气体可以是氧气浓度为 13vol％到低于 21vol％ 或 15vol％到低于 21vol％的贫氧空气， 例如燃气轮机的排放气。至少部分氧化剂气体可以 通过喷枪引入重整器的燃烧段。氧化剂气体可被预热到 100℃到 600℃的温度。氧化剂气 体可通过燃烧产物气体混合物 130 和 / 或工艺气体 12 之间的热交换 ( 未示出 ) 进行预热。
在将燃料引入燃烧段 110 之前， 可将至少一部分燃料 10 与氧化剂气体 103 预混 合。至少一部分燃料可通过燃料喷枪引入燃烧段。为了保证燃料基本上完全燃烧， 通常以 化学计量提供氧气与燃料的摩尔比以便提供约 5 到 10vol％的过量氧气。因此燃烧产物气 体混合物 130 中存在氧气。
燃料和氧化剂可通过燃烧器引入。用于重整器的燃烧器是市售的。
对于燃料燃烧形成燃烧产物气体而言有效的条件包括炉温为 700℃到 2500℃和压力为 0.9 到 1.1atm。在空气中， CH4 的点火温度为约 700℃。炉温是火焰包封体外部的重 整器燃烧段内的炉气体温度并且可通过真空高温计 (suction pyrometer) 确定。适宜的条 件包括炉温为 1500℃到 2500℃或 1700℃到 2300℃， 以及压力为 0.9 到 1.1atm。重整器中 的优选的燃烧条件是本领域已知的。
当使燃料和氧气燃烧的时候， 产生热并形成燃烧产物气体 130。 来自燃烧工艺的热 被传递到所述多根含催化剂重整管 101 中， 从而为吸热的重整反应提供能量。燃烧产物气 体是燃料和氧气至少部分燃烧所生成的任何气体混合物并且含有 CO2 和 H2O。燃烧产物气 体混合物可以含有 H2O、 CO2、 N2、 O2 并且通常含有较少量的 CO 和未燃烧的烃。
燃烧产物气体混合物还可能含有 NOx 或其它污染性气体。可使用工业燃烧领域已 知的 NOx 还原技术， 例如烟气再循环、 燃料分级， 氧气分级， 使用氨的选择性催化或非催化 还原， 等等。
燃烧产物气体可从重整器的燃烧段 110 传送到换热段 120， 在换热段 120 中热量可 从燃烧产物气体传递到其它物流中从而提高整个工艺的效率。换热段 120 通常被称为重整 器的对流段。由于辐射热从燃烧火焰传递到重整管中， 重整器的燃烧段也被称为重整器的 辐射段。基本上没有辐射热从燃烧段中的燃烧火焰传递到重整器换热段的传热管中。 该方法进一步包括通过与燃烧产物气体 130 间接热传递加热含有循环水 500 以及 任选的注入补充水 501 的第一物流 503， 从而由第一物流 503 产生用于含水蒸气的物流 550 的水蒸气。在加热循环水 500 之前， 可将循环水进行净化， 例如过滤， 但不是净化得几乎如 同典型的锅炉给水那样。在 1MPa( 绝对 ) 到 10MPa( 绝对 ) 或 2MPa( 绝对 ) 到 6MPa( 绝对 ) 的第一压力产生的水蒸气具有以质量流率为基准计低于 100％的第一水蒸气品质。第一压 力可根据储层的性质以及水蒸气产生点和储层之间的距离进行选择。 以质量流率为基准计 第一水蒸气品质可在 50％和 85％之间。 水蒸气和水的混合物通常被称为湿水蒸气。 为了本 发明的目的， 在 50％到 90％范围内的水蒸气品质通过美国专利号 5,214,956 所披露的方法 和设备进行测量。在实施该方法时， 对于与通过美国专利号 5,214,956 描述的装置得到的 测量值所相关的水蒸气品质， 水蒸气品质可用已知的任何已知方法进行测量。高于 90％的 范围内的水蒸气品质通过节流量热器进行测量， 例如参见 Marks 的 Mechanical Engineer’ s Handbook( 机械工程师手册 )， 第六版， T.Baumeister， Ed.， p.16-27， McGraw-Hill Book Co.， 1958。测量水蒸气品质并不是实施该方法所需的。
循环水 500 和重油或沥青被分离， 并且循环水含有比典型锅炉给水更高浓度的悬 浮和 / 或不溶固体及其它杂质。
通常， 在注入井处注入的水蒸气 / 水并非全部会在生产井 705 被回收， 使得注入补 充水 501 被加入到循环水 500 中。如图 1 中所示， 循环水 500 和任选的注入补充水 501 可 被泵送至重整器 100 的换热段 120 中的换热器 144 和 146。
参照图 1， 循环水 500 通过在换热器 144 和 146 中与燃烧产物气体 130 间接热传递 进行加热。换热器 144 和 146 作为直流水蒸气发生器进行操作。直流水蒸气发生器 (OTSG) 系统， 也被称为直流热回收水蒸气发生器 (OTHRSG) 系统， 在本领域是已知的。
直流水蒸气发生器 (once-through steam generator) 系统用于含有高浓度悬浮 和 / 或溶解的固体的水。在现有技术中， 在直流水蒸气发生器中通过用空气或燃气轮机废 气作为氧化剂燃烧气体或液体燃料来提供热量。
在本方法中， 用于直流水蒸气发生的热量由来自于重整器燃烧段 110 的燃烧产物 气体 130 提供。用于直流水蒸气发生的热量可单独由燃烧产物气体中所含的热量提供。在 另一个替代方式中， 重整器可以在富燃料下运行且为了额外的燃烧和热量在燃烧产物气体 中可以加入额外的氧化剂。在另一个替代方式中， 重整器可在贫燃料下运行且为了额外的 燃烧和热量可以在燃烧产物气体中加入额外的燃料。在另一个替代方式中， 可在燃烧产物 气体中加入额外的燃料和氧化剂并且使其在换热段燃烧。在这些替代方式中， 由在换热段 额外燃烧提供的热量通常低于在燃烧段提供的热量的 10％。
美国专利号 4,759,314 为直流水蒸气发生器的控制提供了一些指导原则。
如图 1 中所示， 含有循环水 500 的第一物流 503 可以通过在换热器 146 中与燃烧 产物气体 130 换热而加热， 与另一物流合并， 并且然后用燃烧产物气体 130 进一步加热从而 在换热器 144 中生成水蒸气。然后可以将换热器 144 中产生的湿水蒸气传输到注入井 700 作为含水蒸气的物流 550。
如图 1 中所示， 重整器进料气体混合物 10 也可以在换热器 148 中被燃烧产物气体 130 加热。用于加热重整器进料气体混合物的换热器 148 优选在用于加热第一物流 503 的 换热器 144， 146 的上游。在正常操作下， 燃烧产物气体加热重整器进料气体混合物 10 和第 一物流 503， 并且该燃烧产物气体通过在换热器 144， 146 下游的排气口或烟囱 (stack) 从重 整器的换热段排放出。 第二燃烧产物气体移除系统 132 可以位于用以加热重整器进料气体混合物的换 热器 148 的下游以及位于用以加热物流 503 的换热器 144， 146 的上游。由于第一物流 503 含有悬浮和 / 或溶解的固体， 换热器 144， 146 需要维护。当换热器 144 和 146 需要清洁和 / 或其它维护时， 燃烧产物气体 130 通过第二燃烧产物气体移除系统 132 被排放出。第一物 流 503 的加热被中断且换热器进行清洁或其它维护。这将提供的益处是重整器进料气体混 合物 10 仍按氢气生产工艺所需得到加热。
因此， 本发明也涉及到如图 2 中所示的重整器。重整器 100 包括进行燃烧反应的 燃烧段 110。燃料 32 和氧化剂气体 103 通过多个燃烧器被引入燃烧段 110。重整器用的燃 烧器是市售的。燃烧器可是燃料分级的和或氧化剂分级的喷嘴。本领域技术人员可容易地 选择适宜的燃烧器。重整器还包括多根进行重整反应的含催化剂管 101。所述多根含催化 剂管 101 位于重整器 100 的燃烧段 110 内。含有氢气的工艺气体 12 从含催化剂管 101 中 移除。 重整器还含有位于燃烧段 110 下游的换热段 120， 用来接收来自燃烧反应的燃烧产物 气体。
换热段包括用于将热量从燃烧产物气体传递给重整器进料气体混合物 10 的第一 换热器 148。换热段还包括第二换热器 144， 146， 相对于燃烧产物气体的流动其位于第一换 热器的下游。第二换热器用于将热量从燃烧产物气体传递到包括循环水 502 的一个或多个 物流以由循环水生产含水蒸气的物流 550。第二换热器的构造适合进行机械清洁。这种换 热器的机械清洁典型称为 “清管 (pigging)” 。
换热段进一步包括第一排气口 134， 其位于第二换热器 144， 146 的下游， 其中 “下 游” 是相对于燃烧产物气体的流动而言的。第一排气口适宜于从换热段中排放燃烧产物气 体。
换热段可进一步包括可关闭的第二排气口 132， 其位于第一换热器 148 的下游， 其
中该下游是相对于燃烧产物气体的流动而言的。可关闭的第二排气口 132 位于第二换热器 144， 146 的上游， 其中该上游是相对于燃烧产物气体的流动而言的。在正常操作条件下， 可 关闭的第二排气口 132 是关闭的且燃烧产物气体从第一排气口 134 排出换热段。
当第二换热器 144， 146 需要清洁和 / 或其它维护时， 将可关闭的第二排气口 132 打开， 燃烧产物气体被转移方向并被阻止与第二换热器 144， 146 成热传递关系地穿过。可 关闭的第二排气口 132 的构造适宜于改变燃烧产物气体的方向。配有可关闭的第二排气口 132 提供了当第二换热器 144， 146 清洁和 / 或维护时允许氢气的继续生产的优势。第一排 气口 134 是否是可关闭的并不重要。
该方法包括在锅炉给水制备系统 410 中调节工艺补充水 170 以从工艺补充水 170 生产锅炉给水 173。锅炉给水 173 也可包括来自工艺气体 14 的冷凝液 171。通常调节锅炉 给水使得水适合用于整装锅炉。通常调节锅炉给水以移除悬浮的固体， 通过化学处理消除 硬度， 通过阳离子交换消除硬度， 通过除盐去除溶解的固体， 通过脱气去除气体， 以及 pH 处 理。 锅炉给水调节是本领域已知的且在 Marks’ 机械工程师手册， 第六版， McGraw-Hill Book Co.， 1958， 从 pp.9-46 到 9-52 中有所讨论。
此处， “调节” 水是指悬浮固体的移除、 硬度的消除、 溶解固体的移除、 气体的移除 以及 pH 处理中的一种或几种。调节可包括悬浮固体的移除、 硬度的消除、 溶解固体的移除 和气体的移除这些全部。 该方法包括通过与工艺气体 12 和燃烧产物气体 130 中至少一种间接热传递加热 锅炉给水 173， 175， 由此形成工艺水蒸气 200。在图 1 中， 锅炉给水 173 在换热器 303 中用 工艺气体 12 加热以及已被加热的锅炉给水 174 传输至任选的水蒸气鼓 440。 在水蒸气鼓中 将水和水蒸气分离。在水蒸气鼓 440 中将工艺水蒸气 200 从锅炉给水 175 中分离出来。来 自水蒸气鼓的水蒸气与烃原料 3 混合以形成重整器进料气体混合物 10。 重整器进料气体混 合物 10 含有工艺水蒸气 200。在图 1 中， 来自水蒸气鼓 440 的水 175 在换热器 301 中用工 艺气体 12 进行加热， 然后在此处水蒸气和水的两相混合物返回至水蒸气鼓。尽管未在图 1 中示出， 但是来自水蒸气鼓的水可以另外地或可选地用燃烧产物气体 130 进行加热。
在一个或多个实施方案中， 用于工艺水蒸气 200 的水蒸气与用于含水蒸气的物流 550 的水蒸气分别形成。在一个或多个实施方案中， 锅炉给水 173， 175 不含循环水 500。由 于锅炉给水用于形成重整器进料气体混合物 10 所用的水蒸气且锅炉给水不含有循环水， 重整器进料气体混合物将不含有由循环水 500 形成的水蒸气。
在一个或多个实施方案中， 用于含水蒸气的物流 550 的水蒸气不是由锅炉给水 173， 175 形成的。 然而， 在其它实施方案中， 以质量流率为基准计含水蒸气 550 中少量的、 低 于 10％的水蒸气可以来源于锅炉给水 173， 175。
如图 1 中所示， 该方法可以进一步包括加热含有注入补充水 501 和循环水 500 中 至少一种的第二物流 502。在换热器 314 内第二物流 502 通过与工艺气体 14 间接热传递 进行加热。在换热器 144 内第二物流 502 通过与燃烧产物气体混合物 130 间接热传递进行 进一步加热， 从而由第二物流 502 生产用于含水蒸气的物流 550 的额外水蒸气。参照图 1， 第一物流 503 和第二物流 502 可以合并并且在换热器 144 中通过与燃烧产物气体混合物 130 间接热传递被共同加热。如上所讨论， 换热器 144 作为直流水蒸气发生器进行操作并 产生湿水蒸气。该额外水蒸气在第一压力以第一水蒸气品质产生， 或者在 1MPa( 绝对 ) 到
10MPa( 绝对 ) 或 2MPa( 绝对 ) 到 6MPa( 绝对 ) 第二压力下以基于质量流率基准计小于 100％ 的第二水蒸气品质产生。第二压力可根据储层的性质以及水蒸气生成点和储层之间的距 离进行选择。第二水蒸气品质不同于第一水蒸气品质， 以质量流率为基准计可以在 50％和 85％之间。
如图 1 所示， 工艺气体 12 可以进一步进行处理。
进行适当的冷却之后， 工艺气体 12 可以在一个或多个变换反应器 310 中进行变换 从而在变换后形成工艺气体 14。参照图 1， 工艺气体 12 在在换热器 314 内与第二物流 502 进行间接换热之前在变换反应器 310 内进行变换。如本文中所使用的， 如果部分或全部工 艺气体被变换， 则称该工艺气体被变换。
当工艺气体 12 被变换时， 该方法进一步包括将由重整的气体混合物形成的物流 的至少一部分引入变换反应器。 变换反应器， 也称为水 - 煤气变换反应器 (water-gas shift reactor)， 它们的操作是本领域所公知的。可采用一个或多个变换反应器。变换反应器包 括含有催化剂床层的容器， CO 和 H2O 流经该床从而形成 H2 和 CO2。 所述一个或多个变换反应 器可为高温、 中温、 低温的和 / 或等温变换反应器。高温变换反应器可在约 350℃到 450℃ 且典型地使用非贵金属催化剂进行操作， 所述催化剂例如 Fe3O4 和 Cr2O3 的混合物 ( 即， 约 55wt％的 Fe 和 6％的 Cr)。低温变换反应器可在约 200℃到 260℃操作且可使用非贵金属 催化剂进行操作， 所述催化剂例如 Cu-ZnO-Al2O3， 或 Cu-ZnO-Cr2O3。中温变换反应器与低温 变换反应器在相同的温度范围内操作且使用类似的催化剂。 低温变换反应器与高温变换反 应器组合使用， 而中温变换反应器操作时可以无需上游高温变换反应器。对中温变换催化 剂进行设计以使其能够经受催化剂床中较高温度上升。水 - 煤气变换反应后一些 CO 剩余， 由此该变换反应器的流出物中存在 CO。
变换反应器和适合的变换催化剂是本领域已知的。可使用任何适宜的变换催化 剂。本领域技术人员可容易地选择适宜的变换催化剂。
可包括旁路管道 15 以重新规划工艺气体 14 流动的路径以围绕换热器 314。由于 第二物流 502 含有悬浮和 / 或溶解的固体， 换热器 314 将很可能需要维护。当换热器 314 需要清洁和 / 或其它维护时， 工艺气体 14 通过旁路管道 15 绕过换热器 314。在换热器 314 进行清洁或其它维护的同时， 工艺气体 14 继续向下游进行进一步处理。这将提供的益处是 在允许清洁换热器 314 的同时进一步处理工艺气体以生产氢气。
在换热器 316 中， 热量可从工艺气体 14 传递到工艺补充水 170 和冷凝液 171。可 将该工艺气体进一步冷却来冷凝其中所含有的水， 并在水分离器 323 中将冷凝液 171 从水 贫乏的工艺气体 17 中分离出来。冷凝液 171 可与工艺补充水 170 合并使得锅炉给水 173 含有冷凝液 171。
该方法可进一步包括用清洗物流 118 洗涤工艺气体 14 或水贫乏的工艺气体 17， 以 形成二氧化碳贫乏的工艺气体 18 和载有二氧化碳的清洗物流 119。 可在所谓的气体洗涤器 325 中进行洗涤。二氧化碳洗涤在本领域中还称作酸性气体去除。清洗物流 118 可以为本 领域已知的任何洗涤流体， 例如 N- 甲基二乙醇胺 (aMDEA)。与其它洗涤方法有关的其它的 洗涤流体， 例如 以及环丁砜 (sulfinol) 都是本领域已知 的。
术语 “贫乏的” 是指所指组分的摩尔％浓度比形成其的原始物流的低。 这意味着二氧化碳贫乏的工艺气体比引入洗涤器 325 中的工艺气体具有较低 mol％浓度的二氧化碳。 对二氧化碳具有亲和力的清洗物流将变得 “载有” 二二氧化碳。二氧化碳将变得被清洗物 流 118 吸收或以其它方式吸入。
水可在进入气体洗涤器 325 之前通过水分离器 323 从工艺气体 14 中分离出来和 / 或在气体洗涤器 325 中从工艺气体 14 中分离出来。在洗涤器 325 之后可将额外的水从二 氧化碳贫乏的工艺气体中除去。 水的去除是常规的并且水可以用本领域已知的任何适宜除 水装置进行去除。
来自载有二氧化碳的清洗物流 119 的 CO2 可被螯合和 / 或引入含水蒸气的物流 550 中。
工艺气体 14、 水贫乏的工艺气体 17 和 / 或二氧化碳贫乏的工艺气体 18 可被分离 为氢气产物气体 19 和残留气 30。如上所讨论， 燃料 30， 32 可以含有残留气 30。将各种工 艺气体分离的步骤可通过变压吸附和 / 或变温吸附实现。变压吸附器和变温吸附器的构造 和操作都是本领域所公知的。本领域技术人员可选择适宜的设备和操作条件。
氢气产物气体 19 可被输送到氢气管线中。氢气管线可将氢气供给烃提质器， 在此 重烃如沥青通过与氢气的反应得到提质。
该方法可以任选包括运行燃气轮发电机 610 以形成电力和燃气轮机废气 615。燃 气轮机废气典型地处于升高的温度且含有足量的氧气以用于进一步燃烧。 用于重整器的氧 化剂气体 103 可以含有燃气轮机废气 615。
在使用任选的燃气轮发电机 610 的情况下， 该方法可进一步包括在热回收水蒸气 发生器 650 中加热含有注入补充水 501 和循环水 500 中至少一种的第三物流 504。热回收 水蒸气发生器 650 由第三物流 504 产生更多的额外水蒸气 540 用于含水蒸气的物流 550。 水蒸气 540 可在 1MPa( 绝对 ) 到 10MPa( 绝对 ) 或 2MPa( 绝对 ) 到 6MPa( 绝对 ) 的第三压 力产生， 以质量流率为基准计第三水蒸气的品质低于 100％。 第三压力可根据储层的性质以 及水蒸气生成点和储层之间的距离进行选择。燃料 640 可被引入热回收水蒸气发生器中。 用于热回收水蒸气发生器 650 的燃烧氧化剂可以包含燃气轮机废气 615。第三水蒸气品质 可是 50％ -85％。
尽管本申请已就具体的实施方案或实施例进行了描述， 然而其并不仅限于此， 而 是可被改变或修改为任何不同的其它形式， 并且并不背离在所附的权利要求中限定的本发 明的范围。