Благоприятный для окружающей среды способ выработки энергии из природного газа

1 Изобретение относится к способу производства энергии из природного газа, поступающего из продуктивного пласта природного газа. Изобретение, кроме того, относится к использованию СО 2 из дымовых газов как среды, закачиваемой в продуктивные пласты природного газа. Добыча и последующее сжигание природного газа для выработки энергии оказывает ряд неблагоприятных воздействий на окружающую среду. Добыча природного газа приводит в результате к тому, что давление в продуктивном пласте природного газа понижается. Это может привести к так называемому уплотнению породы продуктивного пласта, что может вызвать нежелательное оседание грунта. Степень уплотнения и последующее оседание грунта сильно зависят от характеристик грунта между продуктивным пластом и поверхностью, свойств породы и понижения давления, вызываемого добычей газа. В зависимости от местоположения продуктивного пласта природного газа, однако,небольшое оседание может в результате нанести больший вред окружающей среде, включая любые здания, которые там находятся. Кроме того, при сжигании природного газа образуются отходы, в частности, вода, СO2 и оксиды азота (NOx). Двуокись углерода является нежелательным продуктом, поскольку этот газ считается одним из основных возбудителей так называемого парникового эффекта. NOx является вредным, поскольку он может привести к образованию кислотного дождя и смога. Более того, понижение давления в продуктивном пласте природного газа приводит в результате к тому, что в продолжение эксплуатации давление со временем падает до такого значения, при котором дальнейшая эксплуатация пласта становится невыгодной. Несмотря на то,что в ряде случаев естественный приток воды является таким, что понижение давления, вызванное добычей природного газа, компенсируется до определенной величины, эта компенсация часто не является достаточной. На известном уровне техники по этой причине, среди прочего, используют закачивание газов или воды для поддержания давления в продуктивном пласте природного газа. Было предложено, например, использовать инертный газ, такой как азот, для замещения добываемого природного газа. Недостаток использования азота заключается в том, что он является дорогим, и поэтому этот способ часто является экономически невыгодным. При добыче природного газа закачивание воздуха не является перспективным в связи с реакционной активностью кислорода по отношению к природному газу. Как альтернатива,иногда используется закачивание воды. Однако оно имеет тот недостаток, что при этом способе природный газ замещается жидкостью - водой. Этот продуктивный пласт затем заполняется водой, так что распределение давления в пласте 2 изменяется, что может привести к разрушениям на поверхности земли. Другим результатом падения давления в сочетании с притоком и/или закачиванием воды является то, что часть природного газа улавливается подземной породой. Если эта порода затопляется водой, добыча уловленного в ней газа становится более трудной. Экономичная эксплуатация пласта также становится короче, потому что содержание воды в добываемом природном газе возрастает в результате закачивания воды. Если содержание воды становится слишком высоким, дальнейшая эксплуатация продуктивного пласта природного газа становится невыгодной. Задачей настоящего изобретения является создание способа выработки энергии из природного газа, причем в этом способе устранены вышеупомянутые недостатки, по меньшей мере частично. Было обнаружено, что способ, в котором сжигание природного газа происходит в присутствии в основном кислорода и СO2, и в котором СО 2, получаемый из дымовых газов от установки для сжигания природного газа, закачивается в продуктивный пласт природного газа, решает вышеупомянутые проблемы, по меньшей мере частично. Поэтому изобретение отличается тем, что способ производства энергии из природного газа содержит стадии: а) перерабатывают природный газ, получаемый из продуктивного пласта природного газа, в присутствии в основном кислорода и СО 2, в поток, содержащий СО 2 и воду, посредством чего вырабатывают энергию; b) удаляют по меньшей мере часть воды из потока, содержащего СО 2 и воду, так чтобы получался поток продукта; и с) закачивают по меньшей мере часть потока продукта в продуктивный пласт природного газа, из которого была произведена добыча природного газа. Такой способ не имеет недостатков, которые влекут за собой известные способы, или имеет их только в ограниченной степени. Благодаря тому, что природный газ сжигается в присутствии в основном кислорода и СО 2,достигается существенное уменьшение образования NOx. Фактически, в обычных процессах горения NOx образуется в значительном количестве из азота, поступающего из воздуха. Несмотря на то, что в соответствии с изобретением не требуется полного отсутствия азота, должно быть ясно, что использование смеси газов с содержанием азота, меньшим, чем в воздухе, приведет к уменьшению образования NOx. Предпочтительно, чтобы природный газ сжигался при отсутствии по существу любых других газов, кроме кислорода и СO2 и любых газов, которые представляют собой примеси в природном газе. 3 Выработка энергии на стадии а) происходит путем сжигания природного газа в соответствующем агрегате для сжигания, который известен сам по себе. При сжигании природного газа, который содержит в основном метан и дополнительно, возможно, другие легкие углеводороды, и, в соответствии с изобретением, изменяющееся содержание СO2, в любом случае выделяется тепло, которое может быть использовано с выгодой, например, посредством применения теплообменников. Другим важным преимуществом изобретения является то, что посредством закачивания по меньшей мере части упомянутого потока продукта в продуктивный пласт природного газа, может быть использована геотермальная энергия. Это обозначает, что поток закачиваемого газа нагревается в результате теплоты земли. Это выгодно, потому что поток полученного природного газа не нужно нагревать, по меньшей мере, перед переработкой в соответствии с изобретением, что, например, для некоторых газовых двигателей является желательным или необходимым. Также, если нагрев потока природного газа перед переработкой на стадии а) не является необходимым или желательным, это тепло геотермального происхождения может также быть использовано посредством теплообменника, и быть использовано с выгодой. Возможность использования геотермальной энергии делает процесс даже более экономически эффективным. Величина градиента геотермальной температуры зависит от географического местоположения и значительно изменяется по всему миру. Например, в месторождении природного газа в Голландии он может составлять примерно 3 С на 100 м. Глубина месторождений природного газа также изменяется значительно по всему миру. Типичная глубина для Нидерландов составляет, например, 3-5 км. Таким образом, например, в месторождение глубиной 3 км может быть закачан газ, содержащий СО 2, при 20 С и при давлении 60-80 бар, причем этот газ, содержащий СО 2, получается, например, путем охлаждения дымовых газов со стадии а) до 20 С. В зависимости от глубины продуктивного пласта и геотермального градиента, природный газ может затем быть получен на участке добычи месторождения при,например, 100 С с давлением 150-200 бар. Как указано, эти величины сильно зависят от глубины продуктивного пласта, преобладающего геотермального температурного градиента и других географических сильно различающихся факторов. Также возможно производить работу, например, путем сжигания, которое производится в газовом двигателе. Работа, произведенная таким образом, может, например, быть использована для производства электроэнергии. Важная разница между способом в соответствии с изобретением и обычными способами заключается 4 в том, что сжигание происходит в присутствии в основном СО 2 и кислорода вместо воздуха. Тем не менее, обычные средства могут применяться для сжигания природного газа в присутствии СО 2 и кислорода и, таким образом, вырабатывать энергию. Поэтому газовый двигатель для использования в способе в соответствии с изобретением не должен существенно отличаться от обычного газового двигателя, т.е. газового двигателя, подходящего для использования с природным газом и кислородом, поступающими из воздуха. В общем, природный газ может сжигаться без множества проблем в присутствии в основном кислорода и СО 2, вместо присутствия в основном кислорода и азота, поступающих из воздуха, как обычно. При использовании в газовом двигателе возможные приспособления, известные сами по себе специалистам, могут быть достаточными для выполнения функции газового двигателя с оптимальной эффективностью. Особенное преимущество достигается путем выработки на стадии а) как тепла, так и работы,путем использования так называемой установки для выработки суммарной энергии (WKK установки). При выработке энергии поток природного газа перерабатывается в присутствии кислорода и СО 2 в поток, содержащий в основном воду и СO2. Кроме того, обычные продукты горения,такие как окись углерода и несгоревшие углеводороды, могут присутствовать в небольшом количестве. Эти дополнительные продукты горения не создают, в принципе, препятствий для осуществления способа в соответствии с изобретением. В соответствии с изобретением этот поток продуктов горения сначала, по меньшей мере частично, очищается от воды. Это может быть выполнено, в значительной мере, путем охлаждения потока, так чтобы вода конденсировалась и могла быть отделена. Тепло, которое,таким образом, извлекается из потока газа, может также быть выгодно использовано. В обычных способах получения энергии из природного газа отходящие газы со стадии сжигания обычно выпускаются в атмосферу. Поэтому эти газы должны иметь достаточно высокую температуру для того, чтобы иметь возможность выпуска посредством, например, вытяжной трубы. Так как поток продукта, образованный в соответствии со способом, не должен выпускаться в атмосферу, его можно охлаждать глубже, например, до 20 С, на стадии b), и поэтому может быть использовано больше тепла из отходящих газов со стадии а) для того, чтобы оно могло быть применено с пользой, что предоставляет чистую выгоду. Впоследствии полученный поток продукта, или его часть, закачивается в соответствии с изобретением на стадии с) в продуктивный пласт природного газа, из которого была произведена добыча природного газа. С этой целью применяются обычные средства. Часть потока 5 продукта, который должен быть закачан, доводят до надлежащего давления с помощью компрессора. Этот компрессор может, например,приводиться в действие энергией, полученной на стадии а). Выгодно, однако, чтобы компрессор был соединен с агрегатом детандера. Этот агрегат детандера служит для того, чтобы довести давление добываемого природного газа до давления, требуемого для дальнейшей переработки. В агрегате детандера в соответствии с этим конструктивным исполнением, энергия,которая выделяется при расширении добываемого природного газа, используется для привода компрессора. Если часть потока продукта не закачивается, она может быть выпущена. Однако с учетом упомянутого выше о выпуске СО 2, поток продукта в значительной части и предпочтительно полностью закачивается в продуктивный пласт природного газа. Предпочтительно поддерживать давление в продуктивном пласте природного газа по возможности постоянным. Как упомянуто выше,таким образом может быть предотвращено нежелательное оседание. Это означает, что для каждой единицы объема природного газа, который добывается из продуктивного пласта, предпочтительно более или менее равная единица объема газообразного продукта закачивается на его место. Для поддержания давления в продуктивном пласте постоянным может оказаться необходимым добавить в поток продукта СО 2 или другой подходящий газ или, возможно, воду, которые получаются где-нибудь в другом месте. Однако в связи с тем, что с использованием воды связаны вышеупомянутые недостатки, эти недостатки, естественно, приводят к тому, что вода используется как среда для закачивания в меньшем количестве, либо исключается. Вода может также быть получена со стадии переработки а), причем в этом случае, соответственно, требуется извлечь меньше воды из этого потока на стадии b). Поток кислорода или поток, богатый кислородом, необходимый для получения надлежащего отношения СО 2/кислород на стадии а),может быть получен где-нибудь в другом месте. Особенная выгода может быть достигнута, однако, когда кислород получают путем разделения воздуха, например, посредством технологий, которые известны сами по себе, как например, технологии криогенного разделения и/или технологии мембранного разделения. Энергия,которая необходима для этого разделения, может быть с выгодой получена со стадии выработки энергии а), например, в форме электричества. Как дополнительная выгода, в этом способе может быть получен поток газа, который имеет увеличенное содержание азота по отношению к воздуху. В зависимости от предназначенного использования и рабочих параметров способа может быть отрегулирована чистота 6 этого потока, богатого азотом. Когда поток, богатый азотом, например, используется как дополнительная среда для закачивания, как описано выше, он может иметь значительно более низкую концентрацию кислорода, чтобы предотвратить опасность взрывов. В соответствии с другим предпочтительным типичным конструктивным исполнением кислород, используемый на стадии а), получается путем разложения воды на кислород и водород,в то время как вода может быть получена где-нибудь в другом месте. Предпочтительно,это разложение выполняется посредством электролиза воды. Таким образом, в дополнение к потоку кислорода или газа, богатого кислородом, получается поток водорода или газа, богатого водородом. Полученный водород может быть использован для различных применений,известных специалистам. Например, полученный водород может сжигаться для выработки энергии, причем эта энергия может, например,добавляться к энергии, требуемой на стадии получения потока кислорода. Надлежащее соотношение между СО 2 и кислородом может быть достигнуто путем подачи этих газов, например, в форме ранее приготовленной смеси, в агрегат для сжигания. Отношение СО 2 и кислорода в такой смеси зависит от содержания СО 2 в природном газе. Смесь СО 2/кислород может быть получена путем смешения потока кислорода или потока, богатого кислородом, с потоком СО 2 или с потоком, богатым СO2. Хотя СО 2 может быть получен гденибудь в другом месте, в настоящем изобретении в особенности предполагается использование СO2, полученного из упомянутого потока продукта. С этой целью необходимо, чтобы поток продукта был достаточно очищен от воды,чтобы дать возможность агрегату для сжигания работать надлежащим образом. Смесь СO2/кислород подается в агрегат для сжигания как непрерывный поток. Как установлено, состав этого потока отрегулирован в соответствии с составом потока природного газа, в особенности в отношении наличия СО 2 в потоке природного газа. В результате закачивания потока продукта (его части) в продуктивный пласт природного газа, добываемый природный газ в непрерывном осуществлении способа имеет концентрацию СO2,которая возрастает со временем. Для того, чтобы обеспечить возможность непрерывного осуществления способа, необходимо, чтобы в единицу времени молярный поток метана (и, возможно, других легких углеводородов), который отрегулирован по величине по отношению к агрегату для сжигания, и молярный поток кислорода, который отрегулирован по отношению к нему, подавались в агрегат для сжигания. Количество СO2, которое должно быть использовано для достижения соответствующей смеси СО 2/кислород, поэтому зависит, кроме всего 7 прочего, от состава добываемого природного газа. Проба потока природного газа может быть отобрана обычными средствами для определения содержания СО 2. Кроме того, обычные средства, регулирующие подачу СО 2, могут быть отрегулированы так, чтобы получалась соответствующая смесь СО 2/кислород. Если принять, что для хорошего сжигания метана соответствующая смесь состоит из 80% по объему СО 2 и 20% по объему кислорода, это значит, что поток природного газа, который содержит до примерно 89% по объему СО 2, еще может сжигаться по обычным технологиям путем добавления потока, содержащего исключительно кислород. Если желательна дальнейшая эксплуатация продуктивного пласта природного газа, т.е. эксплуатация, при которой уровень СО 2 возрастает до величины выше, чем примерно 89% по объему, агрегат для сжигания должен быть приспособлен к таким смесям природного газа. Также возможно отделять СО 2 от природного газа по обычным технологиям перед тем,как направить его в агрегат для сжигания на стадии а). Там, где в этом техническом описании и пунктах формулы изобретения сделаны ссылки на продуктивный пласт природного газа, специалистам ясно, что способ в соответствии с настоящим изобретением не ограничивается добычей и закачиванием при одном и том же продуктивном пласте. Добыча может, например,с выгодой производиться из различных продуктивных пластов природного газа, и соответствующие потоки могут объединяться так, что они могут быть совместно подведены к агрегату для сжигания на стадии а). Закачивание потока продукта может производиться в один или более продуктивных пластов, или в другие продуктивные пласты природного газа. Путем осуществления способа в соответствии с изобретением достигается ряд преимуществ. Посредством закачивания потока продукта выделение СО 2 может быть ограничено или даже исключено. Кроме того, использование источника кислорода, в котором содержится мало азота или он отсутствует, приводит к пониженному выделению NOx в атмосферу, и оно может даже быть исключено без необходимости применения средств для удаления NOx, что часто требуется в обычных сопоставляемых способах. Кроме того, посредством замещения под землей природного газа на СО 2, падение давления в продуктивном пласте природного газа может быть отрегулировано так, чтобы можно было предотвратить оседание грунта. СО 2 не должен быть отделен от полученного природного газа (вплоть до содержания в общей добыче месторождения примерно 89% СO2). Если способ используется для работы электростанции,повышенная эффективность достигается тем,что дымовой газ может быть полностью охлаж 004996 8 ден, и тепло, которое в нем имеется, может быть полностью использовано. Способ также дает возможность высоких доходов благодаря получению потока азота. На фиг. 1 показано предпочтительное воплощение способа в соответствии с изобретением. На ней показано, что в установке для разделения воздуха поток воздуха разделяется на поток, содержащий в основном кислород, и поток,содержащий в основном азот. Энергия, необходимая для этой стадии разделения, может быть обеспечена посредством показанной стадии выработки энергии. Поток кислорода проходит к стадии выработки энергии вместе с содержащим СО 2 природным газом. В примере содержание СO2 составляет 89% по объему СО 2. Такой поток природного газа обычно получается в конце периода эксплуатации месторождения природного газа при добыче в соответствии со способом по изобретению. На стадии выработки энергии производятся тепло и по выбору электроэнергия. Газообразные продукты со стадии выработки энергии направляются в компрессор. Энергия для работы этого компрессора предпочтительно, по меньшей мере частично, получается в агрегате детандера, соединенном с ним. Впоследствии сжатый СО 2 закачивается в продуктивный пласт природного газа через нагнетательную скважину. Поток природного газа добывается из эксплуатационной скважины и проходит в агрегат детандера. Изобретение теперь будет объяснено посредством следующего примера. Пример В таблице смеси подаваемого газа сравниваются с теми, которые пригодны для сжигания в обычной газовой турбине. Таблица. Составы смесей подаваемого газа, пригодных для сжигания в газовой турбине Путем приготовления, в соответствии с изобретением, смеси подаваемого газа, в котором азот заменен СО 2, возможно использовать природный газ, содержащий 8 частей СO2 и 1 часть метана. Это соответствует содержанию 88,9% по объему СО 2 и 11,1% по объему метана,которые могут присутствовать в добываемом природном газе. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ производства энергии из природного газа, содержащий следующие стадии: а) смешивание газа, содержащего кислород, в котором содержание азота существенно ниже, чем в воздухе, с природным газом из про 9 дуктивного пласта природного газа и переработка указанного газа, содержащего кислород, и природного газа в присутствии СО 2 в поток,содержащий СО 2 и воду, посредством чего осуществляется выработка энергии; б) удаление по меньшей мере части воды из потока, содержащего СO2 и воду, с получением потока продукта; и в) закачивание по меньшей мере части указанного потока продукта в продуктивный пласт,из которого была осуществлена добыча природного газа. 2. Способ по п.1, в котором стадию в) выполняют так, чтобы давление в продуктивном пласте природного газа оставалось, по существу, постоянным. 3. Способ по п.1 или 2, в котором энергию на стадии а) вырабатывают в форме тепла и электричества. 4. Способ по любому одному из пп.1-3, в котором выработанную энергию, по меньшей мере частично, используют для создания потока газа, богатого кислородом. 10 5. Способ по п.4, в котором поток газа, богатого кислородом, получают путем переработки воды в поток газа, богатого кислородом, и поток газа, богатого водородом, предпочтительно посредством гидролиза воды. 6. Способ по п.4, в котором поток газа, богатого кислородом, получают путем разделения потока воздуха на поток газа, богатого азотом, и поток газа, богатого кислородом. 7. Способ по любому одному из пп.4-6, в котором поток газа, богатого кислородом, используют как источник кислорода на стадии а). 8. Способ по любому одному из пп.1-7, в котором поток продукта, по меньшей мере частично, используют как источник СО 2 на стадии а). 9. Способ по любому одному из пп.1-8, в котором на стадии а) присутствует примерно 18% по объему кислорода.