石油回收三联供系统的优化增强

石油工业是处置二氧化碳最吸引人的用户。目前，在美国采用注入二氧化碳方式回收了数百万吨原油。大体上，二氧化碳是天然的，来自地球深处，比如在圣胡安、波多黎各。然而，一个由煤气化炉（Weyburn，美国，加拿大）来的二氧化碳用于驱油回收的大工程也已成功运行。这个EOR流程图如图7-16所示。

当代石油开采需要大量的动力消耗，用于钻孔、泥浆抽取泵以及提油过程。增加石油回收不仅需要注水，同样需要注入二氧化碳和蒸汽，在别处还需要将氧气注入油井深处用于燃烧并降低原油粘性。在不同的设备中分别生产电力和以上提到的各种产品既繁琐又低效。若只采用一个系统而能达到以上所有目的看起来会更好。这就是早期由Yantovsky等（1993，1994）提出的这种名为OCDOPUS工程的多联产系统。这里展示最后一个尝试，在石油工业中广为人知的：柴油发动机。首先有两个主要的设备如图7-17与图7-18所示，总的流程图如图7-19与图7-20所示。控制阀Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ用于A、B、C三种运行方式，其他地方也需要一些阀门，将从一个通道出来的流一分为二，重点需要关注的是燃气透平T1后出来的阀门Ⅱ，因为高温，它需要用类似透平叶片的钢铁制造。

图7-16 通过注入二氧化碳增强石油回收（EOR）系统

三种运行方式的阀门位置与流动方向分别是：

A启动排放至大气，发动机轴由电动机带动，作为一个由电网来的发动机工作。

Ⅰ_-折角流过，10”-10；

Ⅱ_-折角流过，4-4”；

Ⅲ_-折角流过，5-5”。B正常的生产二氧化碳与水蒸气的零排放操作。

Ⅰ_-直接流过，10’-10；

Ⅱ-直接流过，4’-4；

Ⅲ-直接流过，5-5’；

Ⅳ-直接流过，29b-29。C生产氧气和电力，向大气排放。

Ⅰ-直接流过，10’-10；

Ⅱ-直接流过，4’-4；

Ⅲ-折角流过，5’-5；

Ⅳ_-折角流过，29b-29’。

B方式的运行，燃烧产物和二氧化碳离开发动机的汽缸（3），在T1中膨胀，然后排气（4）加热空气流（19）。空气（18）在C2中被压缩后在H中被加热，然后进入MR，储存氧气（60％左右）然后在T2中膨胀。由于温度相当高，它能产生进入23的蒸汽。烟气（4）首先在H中冷却，然后在R4（流股5）被冷却。在WS中脱水后，干燥的二氧化碳进入分离器AB。一小部分的二氧化碳，正好等于燃烧所生成的二氧化碳，被排出注入井里。大部分的二氧化碳进入混合器Mi，与在C1中压缩、R1中冷却的氧气混合后进入发动机汽缸。从12来的气体燃料，在（1）中形成可燃混合物。从MR（26）来的氧气流进R4（28）然后去混合器（29）。

图7-17 用于热电联产的Wärtsila12V34SG型燃气活塞发动机装置（电功率为4040kW，效率为46.1％，频率为750Hz，质量为76t）

图7-18 350t/天的纯氧生产单元（我们案例产氧量的一半），反应器由AirProductsandChemicals公司开发（Armstrongetal.，2003）

计算结果(www.xing528.com)

发动机制造商并没有给出详细的关于发动机的一些重要参数，在这里采用一些类似的发动机的实验数据来计算。

增压后的压力为0.258MPa，工质冷却后的温度为70°，汽缸的背压为0.309MPa，容积效率为0.844，汽缸充气量（燃料、氧气和惰性气体的和）为181.89mol/s。

假设燃料为天然气，热值为827317kJ/mol，计算得到的发动机参数为：增压压力为0.258MPa，最大的压力为100MPa，汽缸充气总量为181.89mol/s，燃料

图7-19 系统流程图

VM—活塞发动机 MR—膜反应器 C1—增压压缩机 T1—燃气透平 C2—空气压缩机 T2—废气透平 H—空气加热器 WS—水分离器 AB—气体分离器 Mi—混合器 R1～R4—散热器（箭头为冷却空气或水流） N_mm—从涡轮压缩机出来的热流机械损失 KU—离合器 N_e—机械功 Q1—燃料燃烧产生的热能 12—流入燃气 9—排除的二氧化碳 30—排除的水流 18—流入的环境空气 4”—开始流出的烟气 29’—产生的氧气 5”—生产氧气过程中流出的烟气 23—进入蒸汽锅炉的热空气

图7-20 阀门位置（需要转动90°改变阀门的位置）

的流率为16.752mol/s，氧气流率为34.514mol/s，惰性气体的流动比率为130.624mol/s，热功率为13859kW，压比为6.5，指示功率为4724kW，发动机功率为4142kW，有效功率为5315kW，透平压缩机功率为1173kW，指示效率为0.341，有效效率为0.384。

有效功率是发动机功率及透平压缩机所增加的功率之和，假设发电机的效率为0.97，计算的电能为4018kW，与制造商手册中所给的4040kW相当一致，这种一致也确保了其他数据计算的准确性。

在这项工程中，建议通过增加在与二氧化碳混合物中的氧含量来增加发动机出力（Shokotovetal．，2006）。在由氧气与氮气混合物组成的环境大气中，氧气体积分数为0.209。在这项工程中，推荐的氧气在氧气与二氧化碳混合物中的摩尔比O₂/（CO₂＋O₂）＝0.3253。

节点处的流量数据与参数见表7-12。

表7-12 节点参数（见图7-19）

在这个运行方式下，系统的有效功率为9504kW，效率为46.3％，流出的二氧化碳量为5661kg/h。在262℃下空气到蒸汽锅炉的焓流率为9137.1kJ/s，将锅炉中的给水加热到222℃。如果锅炉效率为60％，蒸汽焓值为2878kJ/kg，蒸汽流率为1.9kg/s或164t/天，

以kW为单位计算的功率见表7-13。贫氧空气透平T2的重要性显而易见。若发电机的效率为0.97，推荐系统的最终计算结果见表7-14。

表7-13 发动机性能计算

表7-14 分析的总结结果

注：不可能同时生产氧气与二氧化碳，由于强制做功，发电量增加一倍，因此需要改变发电机结构。