技术领域
[0001] 本发明涉及套管气回收利用技术领域，尤其涉及回收利用系统及回收利用方法。
相关背景技术
[0002] 油田套管气的清洁利用是实现油田节能减排的有效手段，采用燃烧直接利用能源的方式粗犷且无法有效降低生产碳排放，而且通常燃烧产生的热量没有被充分利用，导致能源利用率低，同时油田套管气组分波动大，常规的燃烧方式存在安全隐患。
[0003] 因此，亟需一种回收利用系统及回收利用方法以解决上述问题。
具体实施方式
[0047] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
[0048] 在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0049] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0050] 在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
[0051] 实施例1
[0052] 如图1所示，本实施例中提供一种回收利用系统，该回收利用系统包括套管气输入子系统、空气输入子系统、供水子系统、燃料电池子系统、电解池子系统和燃烧子系统，套管气输入子系统用于向燃料电池子系统和燃烧子系统提供套管气，空气输入子系统用于向燃料电池子系统和燃烧子系统提供空气，供水子系统用于向燃料子系统和电解池子系统提供水蒸气；燃烧子系统包括燃烧器，燃烧器与套管气输入子系统、空气输入子系统均连接，空气输入子系统向燃烧器提供空气，套管气输入子系统向燃烧器提供套管气，燃烧器启动后，套管气和空气在燃烧器中充分燃烧形成高温尾气，高温尾气分别与套管气输入子系统提供的套管气、空气输入子系统提供的空气和供水子系统提供的水发生热量交换，以形成燃料电池子系统和电解池子系统的反应气体。具体地，本实施例中，套管气输入子系统输入的部分套管气和空气输入子系统输入的空气在燃烧器中燃烧形成高温尾气，高温尾气能够与套管气、空气和水发生热量交换，进而能够满足燃料电池子系统和电解池子系统反应需要的气体条件和温度条件，使得燃烧后的套管气的热量能够充分被利用，避免直接散逸到大气中，造成能源的浪费；另一部分的套管气和发生热量交换后形成的高温空气能够在燃料电池子系统中反应产生电能，能够使得另一部分的套管气也能够被充分的利用，且产生的电能能够储存于电池组件中，以备厂区或者外部用电的需要，并且电池组件中的电能还能够提供至电解池子系统，作为电解池子系统的反应条件，供水子系统提供的液体水与高温尾气发生热量交换后形成水蒸气，水蒸气输送至电解池子系统后，满足电解池子系统的反应条件，在电池组件的供电条件下，水蒸气被电解形成氢气和氧气，氢气被作为能源气体进行储存。这种回收利用系统既提升了套管气燃烧产生的热能的利用率，又能够产生电能和清洁气体能源，且有效避免污染环境，达到了套管气充分利用的目的。
[0053] 具体地，为了确保套管气的充分燃烧，本实施例中的燃烧器包括火焰燃烧器61和催化燃烧器62，套管气先在火焰燃烧器61中进行初步燃烧，然后再进入催化燃烧器62中进行二次燃烧，既能够确保催化燃烧器62的正常启动和使用，又能够确保套管气的充分燃烧，避免可燃气体的残留。可选地，在其他实施例中，燃烧器可以采用能够单独启动的催化燃烧器62，也能够确保套管气的完全燃烧，在此不做赘述。
[0054] 具体地，本实施例中，空气输入子系统包括风机21，相应地，可以根据除水需要设置干燥器，也可以根据去除杂质的需要设置过滤器等，在此不做赘述。
[0055] 优选地，本实施例中，在套管气输入子系统、空气输入子系统和供水子系统的管路上均设置有开关阀、流量阀等，用于控制套管气输入子系统、空气输入子系统和供水子系统输入的套管气、空气和水的流量等，在此不做赘述。
[0056] 可选地，本实施例中，电池组件46具有厂区用电接口461和外输电网接口462，分别用于向厂区和外输电网供电。
[0057] 具体地，本实施例中的燃料电池子系统中的燃料电池包括熔融盐燃料电池、固态氧化物燃料电池等中高温燃料电池；本实施例中的电解池子系统中的电解池中进行的是燃料电池的逆反应进程。
[0058] 进一步地，供水子系统包括水源31和蒸发器32，蒸发器32的第一通道的入口与水源31连通，蒸发器32的第一通道的出口与燃料电池子系统和电解池子系统均连通，蒸发器32的第二通道与燃烧器连通，高温尾气在蒸发器32中与液态水发生热量交换形成水蒸气。
具体地，本实施例中，水源31向蒸发器32的第一通道提供液态水，蒸发器32的第二通道与燃烧器连通，燃烧器中的套管气燃烧后产生的高温尾气在蒸发器32中与液态水发生热量交换形成水蒸气，以满足燃料电池子系统和电解池子系统的使用需求。
[0059] 可选地，本实施例中，供水子系统的管路上设置有开关阀和流量阀，用于控制管路的开闭和流量，提升供水的灵活性。
[0060] 进一步地，燃料电池子系统包括空气预热器41、前置引射器42和重整器43，空气预热器41的第一通道与空气输入子系统连通，空气预热器41的第二通道与燃烧器连通，高温尾气在空气预热器41中与空气进行热交换以形成高温空气；前置引射器42设置于重整器43的上游，前置引射器42的第一入口与套管气输入子系统连通，前置引射器42的第二入口与蒸发器32的出口连通，前置引射器42的出口与重整器43的第一通道连通，蒸发器32输出的部分水蒸气将套管气输入子系统提供的套管气引射至重整器43的第一通道，重整器43的第二通道与燃烧器连通，高温尾气向重整器43提供热量，使得前置引射器42输出的气体在重整器43中发生重整反应，形成燃料电池子系统的反应气体。具体地，本实施例中，空气预热器41的第一通道与空气输入子系统连通，空气输入子系统将外部空气输送至空气预热器41，空气预热器41的第二通道与燃烧器连通，套管气燃烧形成的高温尾气能够在空气预热器41中与外界空气发生热量交换，形成高温空气，以满足燃料电池子系统的反应需要；前置引射器42的两个入口分别连接于套管气输入子系统和蒸发器32的出口，蒸发器32提供的水蒸气引射套管气输入子系统提供的套管气后输送至重整器43的第一通道，重整器43的第二通道与燃烧器连通，燃烧器中套管气燃烧形成的高温尾气能够提供水蒸气和套管气发生重整反应需要的温度条件，使得水蒸气和套管气在重整器43中发生重整反应生成氢气和一氧化碳等，生成的氢气和一氧化碳等作为反应气体输入至燃料电池子系统。这种设置能够进一步提升燃烧器中燃烧的套管气的能量的利用率，提升经济性。
[0061] 具体地，本实施例中，空气预热器41、前置引射器42和重整器43均为现有技术，在此不做赘述。
[0062] 进一步地，燃料电池子系统包括燃料电池电堆阳极44和燃料电池电堆阴极45，电解池子系统包括电解池电堆阳极51和电解池电堆阴极52，燃料电池电堆阳极44的入口与重整器43的第二通道的出口连通，燃料电池电堆阳极44的出口与燃烧器连通，燃料电池电堆阴极45的入口与空气预热器41的第一通道的出口连通，燃料电池电堆阴极45的出口与电解池电堆阳极51的入口连通；电解池电堆阳极51的出口与蒸发器32的第一通道的入口连通，电解池电堆阴极52的入口与蒸发器32的第一通道的出口连通，电解池电堆阴极52的出口用于输出可燃气体。
[0063] 具体地，本实施例中，燃料电池电堆阳极44的入口与重整器43的第一通道的出口连通，重整器43的第一通道中用于流通前置引射器42提供的水蒸气和套管气的混合气体，燃烧器输出的高温尾气流经重整器43的第二通道时，向第一通道中的套管气和水蒸气提供热量，套管气和水蒸气在重整器43中发生重整反应，生成氢气和一氧化碳等气体，作为燃料电池电堆阳极44的反应气体；燃料电池电堆阴极45的入口连接于空气预热器41的第一通道的出口，空气预热器41的第二通道与燃烧器连通，空气输入子系统通过空气预热器41提供外界空气，高温尾气与空气在空气预热器中发生热量交换形成高温空气，进而向燃料电池电堆阴极45提供高温空气，作为燃料电池电堆阴极45的反应气体；燃料电池电堆阴极45的出口与电解池电堆阳极51的入口连通，在燃料电池子系统发生反应的过程中，燃料电池电堆阴极45的出口产生的高温气体提供电解池子系统反应需要的温度条件，燃料电池电堆阳极44的出口连接于燃烧器，能够使得燃料电池电堆阳极44反应不完全的气体进入燃烧器后完全燃烧，避免污染外部空气，同时燃料电池电堆反应生成的电能通过直流变换器47后储存于电池组件46。
[0064] 而电解池电堆阴极52的入口与蒸发器32的第一通道的出口连通，蒸发器32的第一通道的入口与供水子系统连接，蒸发器32的第二通道与燃烧器连通，高温尾气能够在蒸发器32中将供水子系统提供的液态水汽化，形成水蒸气；电池组件46连接于电解池子系统，能够向电解池子系统提供电能，使其发生电解反应，水蒸气在电解后生成氢气和氧气，氢气通过电解池电堆阴极52的出口输出后被储存；在电解池子系统内部设置有氧离子交换膜，电解反应后生成的氧气累积在电解池电堆阳极51的出口，电解池电堆阳极51的出口与蒸发器32的第二通道的入口连通，也能够用于对水进行加热，进一步提升热量的利用率。
[0065] 进一步地，套管气输入子系统包括依次连接的套管气接口11、冷凝器12、储存装置13和脱硫罐14，套管气接口11用于连接套管气的出口，冷凝器12用于去除套管气中的水分，储存装置13用于储存套管气，脱硫罐14用于对套管气进行脱硫处理，且脱硫罐14设置于前置引射器42的上游。具体地，本实施例中，冷凝器12能够去除套管气中的水分，储存装置13用于将套管气进行储存，脱硫罐14能够将套管气中含硫成分去除，避免影响燃料电池子系统的正常工作，前置引射器42的第一入口与脱硫罐14连接，前置引射器42的第二入口与蒸发器32的第二通道的出口连接，水蒸气在前置引射器42中引射套管气后，将混合气体输送至重整器43发生重整反应。过热水蒸气压力与流量皆有富裕、井口套管气压力低，单独添加增压设备成本及系统复杂程度升高，因此采用水蒸气引射套管气或天然气进入重整器43能够节省成本。
[0066] 优选地，本实施例中，经过套管气输入子系统进入燃烧器的套管气只需要进行冷凝处理即可，避免套管气中的水分影响燃烧效果。
[0067] 优选地，在套管气输入子系统中也设置有开关阀和流量阀，开关阀和流量阀设置有两组，用于分别控制进入燃烧器和前置引射器42的套管气的开闭和流量，在此不做赘述。
[0068] 可选地，储存装置13可以是常见的储气罐，也可以是地下储气库等，在此不做赘述。
[0069] 进一步地，供水子系统还包括水泵33、气水分离器34和过热器35，水泵33的出口连接于蒸发器32的第一通道的入口，气水分离器34的入口与蒸发器32的第一通道的出口连通，气水分离器34的气体出口与过热器35的第一通道的入口连通，气水分离器34的液体出口用于输出高温水；过热器35的第一通道的出口与前置引射器42和电解池子系统均连通，过热器35的第二通道与燃烧器连通。具体地，本实施例中，水泵33用于将水源31的液体水泵入蒸发器32的第一通道，确保液态水的提供，蒸发器32的第二通道中的高温尾气能够将液态水进行蒸发，生成高于100℃的水气混合物，水气混合物经过气水分离器34后进行分离，气水分离器34的气体出口连接于过热器35，过热器35的第二通道也与燃烧器连通，能够进一步对水蒸气进行加热，过热器35的第一通道的出口与电解池电堆阴极52的入口连通，进一步加热的水蒸气作为电解反应的反应气体，确保电解过程的正常进行，气水分离器34的液体出口用于输出高温水，通过生活用水接口36输出以供生活用水或者通过供暖用水接口37输出以供暖用水或者其他用途。并且过热器35的第一通道还与前置引射器42的第二入口连通，用于引射经过前置引射器42输入的套管气，用于满足燃料电池子系统的反应条件。
[0070] 优选地，本实施例中，供水子系统的管路上设置的开关阀和流量阀设置于水源31和水泵33之间。
[0071] 具体地，本实施例中，水泵33、气水分离器34和过热器35均为现有技术，在此不做赘述。
[0072] 进一步地，燃烧子系统还包括二氧化碳分离器63和增压器64，二氧化碳分离器63与蒸发器32的第一通道的出口连接，二氧化碳分离器63用于分离高温尾气中的二氧化碳，增压器64用于对二氧化碳进行增压后将二氧化碳输出。具体地，本实施例中，二氧化碳分离器63能够将高温尾气中的二氧化碳进行分离，便于进行二氧化碳的利用，增压器64能够增加二氧化碳的气压，便于将二氧化碳进行输送。
[0073] 可选地，本实施例中，二氧化碳分离器63可以采用二氧化碳膜分离技术，或者是采用深冷分离技术，在此不做赘述，且二氧化碳膜分离技术和深冷分离技术均是现有技术，在此不多做叙述。
[0074] 进一步地，回收利用系统还包括采油子系统70，采油子系统70与气水分离器34的液体出口和增压器64的出口均连接。具体地，本实施例中，气水分离器34的液体出口输出高温液态水，高温液态水通过采油注水接口38输出，增压器64的出口输出二氧化碳，高温液态水和二氧化碳能够作为贫油藏中的水驱和二氧化碳驱，用于提升采用率，进一步提升了能源的利用率。
[0075] 进一步地，回收利用系统还包括新能源发电子系统，新能源发电子系统包括发电组件81，发电组件81与电池组件46、电解池子系统均连接，发电组件81能够向电池组件46供电，和/或，发电组件81能够向所述电解池子系统供电。具体地，本实施例中，由于油田均位于位置偏远的地区，通常具有丰富的风能和太阳能资源，新能源发电子系统为风力发电子系统或者太阳能发电子系统中的一个或者两个，但是由于受风力和天气的影响，新能源发电子系统产生的电能波动较大，通常不能直接发电入网。在发电较为稳定时，发电组件81通过直流变换器47后进入电池组件46，而当发电不稳定时，可以使得发电组件81向电解池子系统供电，将电能进一步转化为氢能，避免电能的浪费。
[0076] 进一步地，回收利用系统还包括可燃气体储存子系统，可燃气体储存子系统包括可燃气体储存罐91，可燃气体储存罐91与电解池子系统连接，用于储存电解池系统产生的可燃气体。具体地，本实施例中，可燃气体储存子系统包括可燃气体储存罐91，可燃气体储存罐91与电解池电堆阴极52的出口连接，用于将电解池电堆阴极52电解产生的可燃气体进行储存，储存的可燃气体能够进入天然气管网92作为能源使用，也能够通过外输管线93进行外输，以供外部场所使用，进而提升能源的利用率。
[0077] 如图3所示，本实施例还公开一种回收利用方法，该回收利用方法具体包括以下步骤：
[0078] S100、使得套管气输入子系统向燃烧子系统提供套管气。
[0079] 具体地，本实施例中，通过套管气输入子系统的开关阀和流量阀控制向燃烧器提供的套管气的流量。
[0080] S200、启动空气输入子系统，使得空气输入子系统向燃烧子系统的燃烧器提供空气。
[0081] 具体地，本实施例中，通过空气输入子系统的开关阀和流量阀控制向燃烧器提供的空气的流量。
[0082] S300、打开燃烧子系统的燃烧器，套管气和空气在燃烧器中燃烧生成高温尾气，高温尾气分别与套管气输入子系统提供的套管气、空气输入子系统提供的空气和供水子系统提供的水发生热量交换，以形成燃料电池子系统和电解池子系统的反应气体。
[0083] 具体地，本实施例中，将燃烧器启动，使得燃烧子系统提供稳定流量的高温尾气，然后，套管气输入系统向燃料电池子系统提供套管气，同时调节套管气输入系统的另一组开关阀和流量阀，用于控制输入的套管气的流量，空气输入子系统向燃料电池子系统提供空气，同时调节空气输入子系统的另一组开关阀和流量阀，用于控制输入的空气的流量，启动供水系统，供水子系统向蒸发器32中提供水。高温尾气流经空气预热器41的第二通道时，能够与空气预热器41的第一通道中的空气换热，进而形成高温空气，以满足燃料电池电堆阴极45的反应需求；高温尾气经过蒸发器32的第二通道时，能够与蒸发器32的第一通道中的液态水发生热量交换，进而将液态水蒸发形成水蒸气，水蒸气经过气水分离器34分离后进入过热器35，再次与高温尾气发生热量交换，温度再次提升，进而水蒸气能够满足燃料电池子系统和电解池子系统的反应需求；高温尾气经过重整器43的第二通道时，能够向重整器43的第一通道中由前置引射器42中提供的套管气和水蒸气的混合气体提供热量，满足套管气和水蒸气的重整反应需要的温度条件，进而形成氢气和一氧化碳等气体，以满足燃料电池电堆阳极44的反应需求。
[0084] S400、启动燃料电池子系统，燃料电池子系统反应产生电能和电解池系统反应需要的反应气体。
[0085] 具体地，本实施例中，当燃料电池子系统开始工作，重整器43输出的氢气和一氧化碳等气体在燃料电池电堆阳极44发生氧化反应，进而产生电能，产生的电能通过直流变换器47储存至电池组件46中，燃料电池电堆阳极44未完全反应的气体则返回燃烧器进行燃烧，确保套管气的完全反应，避免污染空气；燃料电池电堆阴极45的出口产生高温气体，该高温气体输出至电解池电堆阳极51的入口，为电解池子系统提升温度条件。
[0086] S500、启动电解池子系统，燃料电池子系统向电解池子系统供电，电解池子系统发生电解反应生成可燃气体和氧气。
[0087] 具体地，本实施例中，电池组件46向电解池子系统供电，使得水蒸气在电解池电堆阴极52发生电解反应，生成氢气，氢气经过管路输出后被储存在可燃气体储存装置13里，便于后续进行利用，而电解池电堆阳极51生成的气体则与蒸发器32的第一通道连通，用于加热液态水形成水蒸气，提升能源的利用率。
[0088] 实施例2
[0089] 本实施例公开一种回收利用系统，该回收利用系统与实施例1中的回收利用的区别在于，本实施例中的燃料电池子系统和电解池子系统的具体连接方式不同。
[0090] 如图2所示，本实施例中的燃料电池子系统的燃料电池电堆阴极45的入口设置有第一引射器451，电解池电堆阴极52的入口设置有第二引射器521，第一引射器451的第一入口与空气预热器41的第一通道的出口连通，第一引射器451的第二入口与电解池电堆阳极51的出口连通，空气预热器41的第一通道中的高温空气在第一引射器451中引射从电解池电堆阳极51的出口输出的反应气体后，进入燃料电池电堆阴极45的入口，而燃料电池电堆阴极45的出口连接于蒸发器32的第一通道的入口；第二引射器521的第一入口连接于蒸发器32的第一通道的出口，第二引射器521的第二入口连接于燃料电池电堆阳极44的出口，蒸发器32的第一通道输出的水蒸气在第二引射器521中引射从燃料电池电堆阳极44的出口输出的反应气体后，进入电解池电堆阴极52的入口。
[0091] 燃料电池电堆阳极44的入口与重整器43连接，重整器43中的氢气和一氧化碳等组分进入燃料电池电堆阳极44的入口后发生氧化反应，生成二氧化碳和水，生成的二氧化碳和水经过水蒸气引射后进入电解池电堆阴极52发生电解反应，生成氢气和一氧化碳等可燃气体，同时由于电解池子系统中采用了氧离子交换膜，使得电解反应在电解池电堆阳极51生成氧气，电解池电堆阳极51的出口输出的含有氧气的反应气体经过第一引射器451后与高温空气混合，提升了高温空气中的氧气含量，参与燃料电池子系统的氧化反应，有利于提升燃料电池子系统的反应效率，对燃料电池子系统中的氧化反应具有一定的促进作用；而燃料电池电堆阴极45的出口输出的高温气体输出至蒸发器32，能够对水进行加热，提升了能源的利用效率。
[0092] 本实施例还提供一种回收利用方法，其具体步骤与实施例1中的回收利用方法相同，在此不做赘述。
[0093] 显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
