[发明专利]应用含氧燃料燃烧器直接发生蒸汽的方法

说明书

技术领域

本发明涉及作为含氢燃料与氧的燃烧产物而直接发生蒸汽的方法 和系统。更具体地，本发明涉及作为含氢和碳的燃料与氧的燃烧产物产 生蒸汽和二氧化碳而直接发生和利用蒸汽的方法，以及将所得蒸汽和二 氧化碳混合物用于例如烃采收等过程的方法和系统。

背景技术

蒸汽有许多用途。例如在食品加工、工业处理、炼制过程和化学处 理中均用到蒸汽。另外，蒸汽可以用于发电。蒸汽也可用于强化油和其 它烃的采收。例如，蒸汽可用于采收已经在一定程度上在地质地层中的 其它土壤或其它组分中捕集的重油，并使所述重油和/或沥青或其它烃 类更容易被提取和处理。

取决于蒸汽的用途，可要求不同的蒸汽纯度。另外，一些过程可能 会对某些类型的杂质具有较高的耐受度而对其它一些类型的杂质具有 较低的耐受度。例如，如果不能合适地构造冷凝器以脱除不凝气(即二 氧化碳或空气)，则蒸汽工作流体内的任何不凝气可能会造成电站的冷 凝器不能正常工作。在食品加工中，如果蒸汽与食品直接接触，则必须 避免可能对消费者有害的污染物。但不凝气体(除非含量非常高)对于食 品加工用蒸汽来说通常不是问题。

在现有技术中，发生蒸汽的最典型方法是应用锅炉。大多数锅炉均 是间接形式，即它们燃烧燃料，并用热的燃烧产物加热换热器的壁。水 流过换热器壁的另一侧(通常为管内)，当水流过锅炉时，管内的水沸腾 成为蒸汽。水就这样被间接地加热为蒸汽。当所有水均已沸腾成为蒸汽， 并且不再加入更多的热时，认为此时蒸汽″饱和″。如果水没有完全沸腾， 在其中仍然有一些冷凝水，则该蒸汽被认为是″湿″蒸汽。如果在达到所 有水的沸点后加入更多的热，和所有蒸汽均已升温至给定压力下水的沸 点温度之上，则认为该蒸汽是″过热″的。取决于所要求的蒸汽温度、 和蒸汽完全为气态是否重要、或者湿蒸汽是否有益，构造锅炉以将蒸汽 的温度提升至理想的温度和状态。然后可以有益地利用蒸汽。

最近，开发了一种被称为含氧燃料燃烧的直接蒸汽发生法。在含氧 燃料燃烧时，含氢和/或碳的燃料与氧(纯氧或氧化剂，所述氧化剂中氧 的比例比空气中存在的约20％更高)发生燃烧。燃料中的氢与氧发生反应 直接形成水。这种反应的温度通常使得水以气态过热蒸汽形成。对于含 氧燃料的燃烧，最典型的是向燃烧室中还加入水(或其它稀释剂)，以冷 却燃料与氧燃烧产生的高温蒸汽。这种补加的水被直接加热为蒸汽，并 与燃料和氧燃烧所产生的蒸汽混合。

当燃料还含有碳时，这些碳与氧结合还在燃烧室内形成二氧化碳。 一旦在含氧燃料燃烧气体发生器中所产生的蒸汽和二氧化碳与稀释的 冷却水混合，流出气体发生器的物流通常主要为蒸汽，二氧化碳为少量 组分。所需的冷却程度、稀释剂流速量和燃料的类型将影响流出气体发 生器的混合物中蒸汽和二氧化碳的相对百分比。

这种含氧燃料燃烧器和含氧燃料燃烧系统的实例在美国专利US 5,680,764、5,709,077和6,206,684中有述，它们在此作为参考全文引 入。

蒸汽和二氧化碳相互之间相对容易分离，例如通过提供冷凝器，将 混合物冷却至水冷凝为液体而二氧化碳保持为气体的温度点，以使水有 效地与二氧化碳分离。同样，许多利用蒸汽的过程可以耐受蒸汽中伴有 一定量的二氧化碳。因此，通过用含氧燃料燃烧气体发生器直接发生的 蒸汽可以用于需要蒸汽的多种过程中。本发明涉及含氧燃料燃烧气体发 生器和有效利用直接发生蒸汽的含氧燃料燃烧气体发生器发生蒸汽用 于使用蒸汽的各种用途的相关系统的变化。

发明内容

本发明的基本概念是应用在接近化学计量量的条件下利用注入水 操作以直接产生高温、富含蒸汽/CO₂的气体混合物的高压含氧燃料燃烧 器(即“气体发生器”)。这种概念提供一种有效的、非常紧凑的装置， 该装置在不需要常规类型锅炉的条件下产生所述流体。所得的蒸汽/CO₂混合物物流可以被用于多种不同的用途中，包括直接、间接(应用热回 收蒸汽发生器(HRSG))、简单或组合的功率循环的发电；化学炼制；工 业和食品加工；和利用蒸汽馏分、CO₂馏分或组合的气体物流采收化石 燃料，例如强化油采收(EOR)操作、强化天然气采收(EGR)、强化煤层甲 烷(ECBM)采收、蒸汽辅助重力排油(SAGD)烃(通常为重油和/或沥青质的 采收)或其它这样的操作。