用低甲烷浓度和高惰性气体浓度的储气向燃气轮机供给燃料的方法

技术领域

本发明涉及低甲烷浓度和高惰性气体浓度天然气的燃烧过程。更具体 地说，本发明涉及通过提高惰性气体的相对浓度来利用所含甲烷的体积 浓度为约从百分之40到百分之80的天然气储气并将所生产的甲烷用语 生产管道质量天然气的方法。一方面可掺混氢气，以便提供惰性气体和 氢气增强型甲烷气体混合物，该气体混合物中甲烷气体体积浓度不超过 气体总体积的约百分之40。该气体混合物用于向燃气轮机供给燃料。

背景技术

目前，大部分甲烷储气具有相对较低的甲烷气体浓度。多数这些储气 中甲烷气体的体积浓度约从百分之40到百分之80。目前，是通过从天然 气中除去杂质，从而形成甲烷体积浓度通常从约百分之95+至约百分之 99+的管道质量天然气。从经济上考虑，将甲烷体积浓度约从百分之40 到百分之80的天然气转变成管道质量的天然气，向燃气轮机供给燃料来 发电是不实际的，因为该转变过程的成本非常高。而且，甲烷体积浓度 约从百分之40到百分之80的天然气不能作为燃气轮机的可靠燃料源来 产生高输出功率的电力，尤其是在该范围的低端值处，因为在没有特殊 设备、催化剂和没有特殊的氧与其他可燃物补偿的情况下，这么低的甲 烷浓度不能提供用于燃料燃烧的稳定火焰。并且，甲烷体积浓度为百分 之40至80的气流还有由于燃气轮机中的较高火焰温度而产生高NOx排 出的问题。

与通过制成管道质量天然气向燃气轮机供给燃料的方法相比，用甲烷 体积浓度为百分之40至80且含有大量惰性气体地天然气储气并将该气 流或该气流的一部分进行提纯，来向燃气轮机供给燃料的方法使成本大 大降低，在经济上更为有利。

发明内容

本发明涉及一种用甲烷体积浓度约为百分之40至80的低甲烷浓度和 高惰性气体浓度的天然气储气向燃气轮机供给燃料的方法。本发明能够 利用这些比通过制成管道质量天然气向燃气轮机供给燃料的方法所需成 本显著降低的储气来向燃气轮机供给燃料用以发电。如上所述，目前， 这些储气只能用于在除去杂质之后生成合适的燃气轮机燃料。还如前所 述，现在的方法成本非常高，根据当前的天然气价格，这在经济上没有 吸引力。本发明的方法能够根据环保需要除去来自天然气储气的气体中 的杂质，并按能使燃气轮机产生的电力输出增加约5至20％的量将惰性 气体留在燃料中。本发明方法的一个方式是试图将惰性气体留在燃料中， 使流过燃气轮机的质量流量最大并提高电力输出，不需要花费生产管道 质量甲烷气体和向燃料中掺混额外的惰性气体以增加流过燃气轮机的质 量流量及降低火焰温度来减小NOx的排出的成本。

在本发明的一个方式中，采用天然气气流和用于生产管道质量天然气 的方法。在此方式中，提纯处理过程中将所含甲烷体积浓度从约百分之 40至百分之80的天然气储气中的惰性气体与甲烷气体分离。可以仅对一 定量的甲烷进行分离，以便提供惰性气体增强的甲烷气体混合物，与以 管道质量的天然气向燃气轮机供给燃料的方法相比，能够有效使燃气轮 机的能量输出增加约5至约20％。然后，将经分离过程产生的提纯甲烷 气流送去进一步提纯，生产管道质量天然气。或者，可以使惰性气体与 甲烷气体整体分离，然后将与甲烷分离的该惰性气体与没有除去惰性气 体的天然气气流混合(或其它含百分之40至百分之80体积浓度甲烷的 气流)，混合量为应使燃气轮机的输出比利用管道质量的天然气向燃气 轮机供给燃料的方法增加约5至约20％。

在本发明的一个方式中，氮气是主要的惰性气体，可用膜将惰性氮气 与天然气和其中的甲烷进行初级分离。市场上可购得的、适于该分离过 程的膜有Air Liquide公司(Houston Texas)的Medal。此分离过程可 以只按如上所述能使燃气轮机输出增加的量进行，或者将与天然气分离 的氮气与天然气储气混合，以便提供惰性气体增强的天然气，使燃气轮 机的输出比利用管道质量的天然气向燃气轮机供给燃料的方法增加约5 至约20％。

当二氧化碳的体积浓度在约百分之45以内时，可以用膜来分离二氧 化碳。在另一方式中，当二氧化碳是主要的惰性气体，其体积浓度超过 约百分之45时，二氧化碳在低温下与甲烷体积浓度为约百分之40至约 百分之80的天然气储气分离。在本发明的一个方式中，当天然气的压力 较高，例如大于约2500psig时，该高压进料气体闪蒸到低压，例如约 500psig。膨胀时的Joule Thomson效应有效提供了一定量的冷却，以便 进行低温分离。当天然气储气的压力较低，如低于约1100psig时，可以 通过天然气储气的外部制冷为二氧化碳与天然气储气及其中的甲烷进行 分离提供有效冷却而达到分离的目的。

在一个非常重要的方式中，将惰性气体与天然气储气及其中的甲烷分 离，从而提供甲烷体积浓度为约百分之40的甲烷气体。从天然气储气中 分离的甲烷可以送去进行进一步处理，以便制成管道质量的天然气。从 天然气气流中分离出来的惰性气体再送回到从油井中出来的天然气气流 中，按能有效提供甲烷体积浓度为小于约百分之40的甲烷/惰性气体混 合物的量进行混合，以便提供惰性气体增强的甲烷气体混合物。将惰性 气体增强的甲烷气体混合物与氢气混合，或者在一个重要方式中，将恰 好足够的甲烷转变成氢气，以便生成氢气/惰性气体/甲烷气体的燃料气 混合物，该气体燃料混合物不仅可作为一种可接受的燃气轮机的燃料， 而且该混合物能有效提供火焰稳定性(例如提供至少为110BTU/标准立 方英尺气体热量的气体)，且产生的能量比甲烷含量在约百分之95+至约 百分之99+体积的的标准天然气更高。若需要的话，将氢气/惰性气体/ 甲烷气体混合气进行脱水，以便除去足够量的水，从而提供具有火焰稳 定性的氢气/惰性气体/甲烷气体混合气。在一个重要方式中，该混合气 含有至少约百分之6体积的氢气。然后再将具有火焰稳定性的氢气增强 型脱水氢气/惰性气体/甲烷气体混合气用于向燃气轮发电机供给燃料。 按此方式，本发明的方法比使用甲烷含量在约百分之95至约百分之99+ 体积的标准天然气的燃气轮机的方法能使燃气轮机电力输出有效增加至 少约百分之10。在大多数情况下，输出能够增加至少约百分之20并能达 到百分之30，而后一界限值是由于受燃气轮机的机械设计限制。

在本发明的一个方式中，天然气中的一部分甲烷通过催化转变或重构 成氢气，然后再形成氢气增强型氢气/惰性气体/甲烷混合气。实现该转 变的反应式包括：

在另一重要方式中，尤其是其中甲烷转变成氢气时，在转变反应之前， 利用物理溶剂从天然气中除去硫化氢和其它酸性成分例如COS、RSH和 RSSR，从而生成脱硫天然气，物理溶剂有选择地除去硫化氢和其他酸性 气体，但是很少除去二氧化碳和其他惰性气体例如氦气、氩气和氮气。 在此方式中，物理溶剂从以下组中选择，该组包括甲醇、聚乙二醇二甲 醚混合物(分子量为约280)、碳酸丙二酯(b.p.240℃)、N-甲基-2- 吡咯烷酮(b.p.202℃)、低聚乙二醇甲基异丙基醚的混合物(b.p.320 ℃)、膦酸三正丁酯(在30mmHg时b.p.180℃)和氰基乙酸甲酯(b.p. 202℃)。该脱硫天然气与足量水混合，以便能从甲烷足量产生氢气，从 而获得火焰稳定性或是BTU/Scf值至少为约110。在该方式中，重要的是 在将一部分甲烷变换成氢气步骤之前要除去硫化氢和其他酸性气体，因 为该重构过程是一个催化反应，硫化氢气体和其他酸性气体可能会使催 化剂中毒。对酸性条件敏感且可在本发明该方式中使用的催化剂包括 United Catalyst有限公司的C11系列催化剂、Haldor Topsoe公司的 R67和BASF公司的G1-25。用于脱硫天然气的高温“重构催化剂”通常 为铁、铬和铜，用于脱硫天然气的低温“重构催化剂”通常由铜、锌和 铝制成。

在另一重要方式中，重构反应在酸性条件下利用催化剂进行，该催化 剂例如United Catalyst有限公司的C25系列催化剂、BASF公司的K8-11 催化剂和Haldor Topsoe公司的SSK催化剂。通常，这些催化剂是铬钼 催化剂。在本发明的这一方式中，将酸性天然气与水混合，水的量应足 以形成能够形成或重构成氢气含量足以使富含氢气的氢气/惰性气体/甲 烷混合气具有火焰稳定性的甲烷气体/水混合物，该氢气/惰性气体/甲烷 混合气含有不超过百分之40体积的甲烷。

在惰性气体与天然气储气混合之后，该惰性气体增强的甲烷气体混合 物可以含有低至百分之35、百分之25或者甚至低于百分之20体积的甲 烷，且仍然比以用氢气提供火焰稳定性的管道质量甲烷作为燃气轮机燃 料提供更多的能量。在本发明的实际操作中，应将足量的甲烷转变成氢 气，以生成氢气体积含量为至少百分之6，优选是从约百分之6至约百分 之10的氢气增强型氢气/惰性气体/甲烷混合气。这将生成具有火焰稳定 性的氢气增强型氢气/惰性气体/甲烷混合气，该氢气增强型氢气/惰性气 体/甲烷混合气能非常有效地向燃气轮机供给燃料，以便发电。

附图的简要说明

图1是例示说明本发明方法的一个流程图，在该方法中，一些甲烷转 变成氢气，从而形成氢气/惰性气体/甲烷气体混合物，以便向燃气轮机 供给燃料。

图2是例示说明本发明方法的一个流程图，在该方法中，高压进料天 然气闪蒸成低压，将同在该高压进料天然气中的甲烷气体与二氧化碳气 体分离。

图3是例示说明本发明方法的一个流程图，在该方法中，低压进料天 然气利用外部制冷设备冷冻，将同在该低压进料天然气中的甲烷气体与 二氧化碳气体分离。

具体实施方式

将甲烷体积浓度从约百分之40至约百分之80和较高浓度惰性气体如 氮气、二氧化碳、氦气和氩气的天然气储气传送给分离单元，以便使天 然气储气中的惰性气体与甲烷气体分离。这样形成相对较纯的甲烷气流 和惰性气体/甲烷气流。若储气氮气含量较高时，可用膜来使氮气与甲烷 气体分离，该膜例如Medal膜。当惰性气体是二氧化碳时，可以利用如 图2和3所示的低温分离过程使惰性气体与甲烷气体分离。当甲烷气体 与惰性气体分离后，分离出来的相对较纯甲烷气体可以传送给如熟知的 生产管道质量天然气所用的进一步提纯装置。若惰性气体与甲烷气体分 离后，惰性气体/甲烷气流并没有足够的惰性气体用来增大所述燃气轮机 的能量输出，那么还可以在惰性气体/甲烷气流中加入惰性气体，以使能 量输出比以管道质量天然气作为燃料的燃气轮机增加从约5至约20％。 或者，未将惰性气体成分分离的部分天然气气流再与从储气气流中分离 出的惰性气体，按所提供的惰性气体增强天然气能使燃气轮机的输出比 以管道质量的天然气作为燃料的燃气轮机的增加约5至约20％的量进一 步混合。

在一个重要方式中，可以将足量的惰性气体与惰性气体/甲烷气流混 合或与天然气储气混合，从而使气体混合物中甲烷含量降低到小于百分 之40的体积浓度。参考图1可以看到，在此方式中，将甲烷体积浓度不 多于百分之40的惰性气体增强甲烷气体混合物利用物理溶剂处理，在不 除去惰性气体的情况下除去硫化氢气体或其他酸性气体成分，从而提供 甲烷体积浓度不超过百分之40的脱硫天然气，该物理溶剂例如为甲醇、 聚乙二醇二甲醚混合物、碳酸丙二酯、N-甲基-2-吡咯烷酮、低聚乙二醇 甲基异丙基醚的混合物、膦酸三正丁酯和氰基乙酸甲酯。物理溶剂处理 步骤可以在天然气进料中的惰性气体与甲烷气体分离步骤之前或之后进 行。然后，将脱硫天然气通过管道1传送给氧化锌保护床2，以避免硫化 氢气体溢出。脱硫天然气从氧化锌保护床2送出，并在管道3中与水混 合，从而提供甲烷气体/水混合物。该气体/水混合物在管道3中在约70°F 和约355psig下传送至进料排出物换热器4，在该进料排出物换热器4 处，脱硫天然气/水混合物的温度升高至约800°F。必须将足量的水与天 然气混合，以便能足够转变成氢气，从而使该氢气增强的脱硫氢气/惰性 气体/甲烷混合气在传送给燃气轮机发电时具有火焰稳定性。当脱硫天然 气与水混合并在进料排出物换热器中加热后，加热的脱硫天然气/水混合 物通过管道5在约345psig和约800°F下传送给余热蒸汽发生器盘管 (HRSG盘管)，以便使脱硫天然气/水混合物的温度进一步升高，并在管 道3中提供温度为约950°F的高热脱硫气体/水混合物。然后，该高热脱 硫气体/水混合物在约340psig下通过管道7传送给重构反应室8，以便 将该脱硫气体/水中的一部分甲烷转变成氢气增强的甲烷/氢气/水混合 物。脱硫气体/水混合物中的甲烷在至少约700°F，优选从约900°F至约 950°F和约340psig下进行催化反应，使甲烷和水反应生成氢气。更高温 度有利于该转变，但是更高压力对该转变有不利影响。压力不应当超过 1500psig。在将足量甲烷转变成氢气，使脱水(下文中将介绍)后的气 体中含有至少约百分之6体积的氢气之后，该氢气增强的甲烷/氢气/水 混合物通过管道9在约855°F和335psig条件下传送回进料排出物换热 器，以便将热量转移给进入该进料排出物换热器的水和甲烷气体。在该 氢气增强的甲烷/氢气/水混合物的温度降低后，它通过管道10传送到脱 水分离罐(KO罐)12，以减少氢气增强型氢气/惰性气体/甲烷混合气中 的含水量。在KO罐中降温到露点，使水能够冷凝并与气体分离。足量的 水被除去，使其具有火焰稳定性，且提供热量至少约110BTU/标准立方英 尺气体的气体。通常，约百分之97至约百分之99重量的水从该气体中 除去。将氢气增强甲烷/氢气/水混合物脱水而生成的水利用冷凝水泵并 通过管道14从KO罐12中排出，并在约100°F和500psig下通过管道18 送回进料排出物换热器4。现在，脱水的含有至少百分之6体积的氢气或 含足以提供火焰稳定性氢气的氢气增强型氢气/惰性气体/甲烷混合气从 KO罐通过管道20在约100°F和约psig下供给燃气轮发电机。这些气 体的热量至少为约110BTU/标准立方英尺气体，并能为燃气轮发电机提供 稳定的火焰。

同样的方法也可以用于所采用的催化剂对天然气中酸性气体不敏感 或不受该酸性气体毒化的酸性天然气的应用过程中。不过，为了使该方 法适应环保要求，可以至少部分除去至少某些酸性气体，例如H2S。

本发明可通过下面的实例说明。

实施例I

下面是有关图2方法的数据，例示说明本发明的方法，其中高压进料 天然气闪蒸成低压，以便使同在该高压供给的天然气中的甲烷气体与二 氧化碳气体分离。

下面是有关图3方法的数据，例示说明本发明的方法，其中低压进料 天然气利用外部制冷设备冷冻，以便使同在该低压供给的天然气中的甲 烷气体与二氧化碳气体分离。

回流2570 FWHP 1378 Mscfd

利用率＝77％

总马力    110,431        HP

HC出售        624        Mscfd HC

              177        HP/Mscfd

回流850 PSIA @ 2070 FWHP

利用率＝95％

总马力    49,952        HP

HC出售       271        Mscfd HC

             184        HP/Mscfd