BR112018007167B1

BR112018007167B1 - Método para produzir fluídos condicionados a temperatura e pressão usando uma célula de combustível

Info

Publication number: BR112018007167B1
Application number: BR112018007167-6A
Authority: BR
Inventors: Jose Lourenco; MacKenzie Millar
Original assignee: 1304338 Alberta Ltd.; 1304342 Alberta Ltd
Priority date: 2015-10-08
Filing date: 2015-11-04
Publication date: 2022-08-09
Also published as: DK3360189T3; AU2015411419A1; KR20180073591A; US11149531B2; EP3360189B1; CA2956439C; US10787891B2; US20180320494A1; MX2018004331A; WO2017059515A1; EP3360189A1; BR112018007167A2; KR102580464B1; CA3001254C; JP2018536979A; CA2956439A1; AU2015411419B2; JP6858193B2; US20190071959A1; WO2017059516A1

Abstract

PRODUÇÃO DE FLUÍDOS AQUECIDOS E PRESSURIZADOS USANDO UMA CÉLULA COMBUSTÍVEL. O método para produzir fluídos a temperaturas e pressões condicionadas usando uma célula combustível. A célula combustível produz no anodo um caudal de saída composto de vapor de água e dióxido de carbono. O vapor de água no caudal de saída do anodo é condensado e separado para produzir um caudal de água e um caudal de dióxido de carbono. Uma porção caudal da água é aquecida para produzir um caudal de vapor o qual é combinado com combustível para formar o caudal de entrada para o anodo. Um caudal de dióxido de carbono condensado é obtido por condensação de uma porção do caudal de dióxido de carbono separado. Pelo menos um fluído é pressionado e aquecido a temperaturas e pressões de objectivo para cada fluído, pelo menos um fluído é a segunda porção do caudal de água ó pelo menos a porção condensada do dióxido de carbono.

Description

CAMPO

[001] Isto refere-se a um processo que recupera os componentes do fluxo e a energia térmica do exausto do anodo da célula de combustível para produzir fluídos aquecidos e pressurizados. FUNDAMENTOS

[002] As células de combustível são usadas para produzir corrente elétrica através de uma reação química baseada em mistura de reagentes, ao invés de combustão. Os principais produtos são eletricidade e fluxos de exaustão de gases. Os fluxos de exaustão dependerão do tipo de combustível usado para alimentar a célula de combustível. Um tipo comum de célula de combustível é alimentado por hidrocarbonetos que produz um exausto de água e dióxido de carbono e outros componentes. Pode haver outros componentes no fluxo do exausto, como hidrogênio, etc., dependendo das entradas e da reação na célula de combustível.

[003] Patente dos Estados Unidos no. 8,088,528 (Lourenço), intitulada “Método para condensar e recuperar dióxido de carbono de células a combustível”, refere-se à recuperação de um exausto de célula de combustível em estações de redução de pressão de gás em um sistema de distribuição de gás natural.

RESUMO

[004] De acordo com um aspecto, o método aqui divulgado pode ser utilizado para melhorar a produção de petróleo pesado ou betume a partir de depósitos de petróleo subterrâneos para um oleoduto de produção. O método reduz a viscosidade de um petróleo pesado no reservatório ao injetar gases de exaustão normalmente liberados na atmosfera pelo consumo de gás natural. Esses gases de exaustão e a sua energia térmica são recuperados preferencialmente do fluxo de exaustão do anodo da célula de combustível. A composição do exausto do anodo da célula de combustível a gás natural, ao contrário do exausto de combustão de gás natural, é principalmente dióxido de carbono e água. O fluxo total em unidade de peso do exausto do anodo da célula de combustível é tipicamente inferior a 23% do exausto de um processo de combustão a gás natural e portanto mais fácil de recuperar e reutilizar. No processo divulgado, o exausto do anodo da célula de combustível é arrefecido, condensado, recuperado, bombeado, re-aquecido e enviado para uma conduta para injeção no reservatório à pressão e temperatura de funcionamento ideal do reservatório. Esta é outra característica do processo, capaz de atender a uma ampla gama de parâmetros de operação de temperatura e pressão do reservatório em comparação com processos existentes.

[005] De acordo com um aspecto, o método pode ser usado para melhorar a produção de petróleo pesado ou betume em depósitos subterrâneos de petróleo. O processo recupera o fluxo e a energia térmica do exausto do anodo da célula de combustível a gás natural que produz energia eléctrica para aquecer e mover o petróleo pesado em um reservatório para uma tubulação no poço de produção a condições ideais de pressão e temperatura do reservatório. O processo de produção de electricidade com uma célula de combustível a gás natural difere das usinas de produção de electricidade que usam gás natural. Na célula de combustível, o gás natural é consumido no ânodo por uma reação eletroquímica que produz eletricidade e um exausto de gases de quentes, principalmente vapores de água e dióxido de carbono. As usinas de produção de electricidade queimam o gás natural para produzir eletricidade e um grande exausto de gases quentes, principalmente óxidos de nitrogênio.

[006] O método discutido aqui beneficia da recuperação do exausto e energia térmica do anodo da célula de combustível para aumentar a produção de petróleo pesado. Está bem documentado que a injeção de CO2 nos campos de petróleo resulta em um aumento na produção de óleo pesado. Hoje, as operadoras injetam mais de 1,6 bilhões de pés cúbicos (45,3 milhões de m3) por dia nos campos da Bacia do Permiano, nos EUA, para produzir 170.000 barris (27 mil m3) de petróleo por dia, conforme relatado pelo Laboratório Nacional de Tecnologia de Energia do Departamento de Energia dos EUA. Ao contrário dos métodos atuais de injeção de CO2, ele é processado, comprimido e transportado por uma conduta aos locais dos poços, o processo inventivo produz e bombeia o CO2 no local de uso. O uso de vapor para aquecer depósitos subterrâneos de petróleo está bem documentado e comprovado de acordo com o processo SAGD. Ao contrário dos processos acima citados, o método apresentado pode satisfazer as condições ideais de pressão e temperatura do reservatório com um consumo de energia substancialmente menor.

[007] Alguns aspectos do método podem incluir: produção de electricidade por reação química de gás natural numa célula de combustível num campo de produção de petróleo; eliminação ou redução das emissões de gases de estufa, pois o exausto do anodo da célula de combustível pode ser totalmente recuperado e injetado no reservatório de petróleo, 5 kg de água e dióxido de carbono por Kg de gás metano reagido na célula de combustível; a eliminação ou redução de produção de água por métodos externos, porque a célula de combustível produz água, a reação química no anodo de hidrogênio com oxigênio por estequiometria produz 2,25 kg de água por Kg de metano; produção de dióxido de carbono no local, a reação química no anodo de carbono com oxigênio por estequiometria produz 2,75 kg de dióxido de carbono por kg de metano; recuperação do exausto e energia térmica do anodo da célula de combustível para melhorar a produção de petróleo; a capacidade de recuperar e fornecer o exausto à ótima pressão e temperatura no reservatório; uma redução substancial no consumo de energia em comparação à prática atual dos processos de produção de petróleo.

[008] Em uma modalidade, o processo pode produzir eletricidade para exportação a partir de uma célula a combustível de carbonato e recuperar o exausto do anodo de dióxido de carbono e água para injetar num reservatório de petróleo a condições ótimas de operação de pressão e temperatura para aumentar a produção de petróleo. O processo para a melhoria da produção de petróleo num campo de petróleo pode compreender: redução de pressão de gás natural para o anodo da célula de combustível através de um gerador expansor, produzindo eletricidade e uma fluxo de gás natural refrigerante; fazendo com que o fluxo de fornecimento de gás natural refrigerante para o anodo de célula de combustível entre num permutador de calor e troque a energia térmica com um fluxo em contra-corrente de exaustão do anodo gasoso para resfriar e condensar o dióxido de carbono; fazendo com que o fluxo de fornecimento de gás natural para o anodo da célula de combustível saia do permutador de calor de contra-corrente e seja ainda aquecido num outro permutador de calor de contra-corrente pelo fluxo gasoso de descarga do catodo; fazendo com que o fluxo de abastecimento de gás natural aquecido entre no anodo da célula de combustível onde é convertido por reações de reformação de vapor e reações electroquimícas em electricidade e em um exausto do anodo a alta temperatura, principalmente dióxido de carbono e água; pré-resfriamento do fluxo de gás do exausto do anodo a alta temperatura num permutador de calor de fluxo em contra- corrente com a água recuperada; resfriamento adicional da fluxo de gás do exausto do anodo num permutador de calor de fluxo em contra-corrente com o dióxido de carbono recuperado para condensar a fração de água do fluxo do exausto do anodo; recuperar a fracção de água condensada do fluxo do exausto do anodo num separador de gases / líquidos e enviar o fluxo de dióxido de carbono gasoso do exausto do anodo separado para arrefecimento adicional num permutador de calor de contra-corrente com o fluxo de dióxido de carbono líquido recuperado; arrefecimento adicional do fluxo gasoso de dióxido de carbono do exausto do anodo num permutador de calor de contra-corrente com um fluxo gasoso de dióxido de carbono frio; resfriamento adicional do fluxo de dióxido de carbono gasoso do exausto do anodo num permutador de calor em contra-corrente com o fluxo de gás natural de pressão reduzida refrigerante que alimenta o anodo da célula de combustível para condensar o dióxido de carbon; bombear o fluxo de dióxido de carbono líquido recuperado à pressão ideal do reservatório de petróleo e aquecer o fluxo de dióxido de carbono líquido recuperado numa permuta de calor num fluxo de contra-corrente com o fluxo de exausto do anodo para a temperatura ideal do reservatório de petróleo e enviar para a linha de injeção ao poço; bombear à pressão ideal do reservatório de petróleo o fluxo de água recuperado e aquecer num permutador de calor de fluxo de contra-corrente com o fluxo de exausto do anodo à temperatura ideal do reservatório de petróleo e enviar para a linha de injeção do poço de; misturar o fluxo gasoso de dióxido de carbono do separador de dióxido de carbono com ar fresco e catalisar a mistura em um oxidante catalítico para aquecer esse fluxo oxidante à temperatura do cátodo da célula de combustível, onde o cátodo consome oxigênio do ar e o dióxido de carbono para produzir um carbonato íon que é transferido através da camada de eletrólito da célula de combustível para o anodo para reagir com o hidrogênio produzido no anodo, essas reações no anodo produzem ; água, dióxido de carbono e eletricidade; e enviar uma porção da água recuperada para produzir vapor num permutador de calor em contra-corrente com o fluxo do exausto gasoso do cátodo para fornecer vapor ao reformador do anodo.

[009] O processo aqui descrito pode melhorar a produção de campos petrolíferos recuperando primeiro a água e o dióxido de carbono do exausto do anodo da célula de combustível e, segundo, bombeando e aquecendo-os em permutadores de calor de contra-corrente às condições ideais de operação do reservatório de petróleo eles entram pela linha de injeção no poço para aquecer e reduzir a viscosidade do petróleo num reservatório. O processo pode permitir a eliminação das práticas atuais aa indústria na produção de vapor para operações SAGD e reduzir sibstancialmente os desafios associados ao ambiente. Além disso, recupera e fornece dióxido de carbono no local de usagem, um solvente que enaltece a produção de petróleo.

[0010] Como será descrito a seguir, o método acima pode operar em qualquer local de produção de campo de petróleo, onde aquecimento, água e solventes são necessários para melhorar a produção de petróleo.

[0011] O método aqui descrito foi desenvolvido com vista a fornecer energia térmica, água e dióxido de carbono aos campos de produção de petróleo a partir da recuperação do exausto do anodo de uma célula de combustível, eliminando assim a necessidade de uma fonte de água externa e o seu tratamento para produção de vapor assim como a energia necessária para produzi-lo. O benefício adicional do processo é a recuperação e fornecimento no local de um gás de estufa, dióxido de carbono, um solvente miscível com petróleo que reduz a viscosidade do petróleo e aumenta a produção de petróleo num reservatório.

[0012] Como será adiante descrito, é proporcionado, num aspecto, um processo de melhoramento na produção de petróleo, que inclui um fluxo de fornecimento de gás natural a uma célula de combustível, primeiro reduzindo a pressão do gás natural através de um expansor / gerador de gás, produzindo um fluxo de gás natural refrigerante e eletricidade. O fluxo de gás natural refrigerante é pré-aquecido num premutedor de calor em contra-corrente com um fluxo gasoso do exausto anódico o qual é condensado e separado para produzir dióxido de carbono líquido. O fluxo de gás natural da célula de combustível aquecido é ainda mais aquecido e alimentado ao anodo da célula de combustível onde é reformado com vapor para produzir hidrogênio e dióxido de carbono, o hidrogênio é ainda reagido com um íon de carbonato para produzir água, dióxido de carbono e eletricidade. O fluxo de gás de exausto quente do anodo é arrefecido, condensado, separado, recuperado, bombeado e reaquecido às condições ótimas de pressão e temperatura para operação no reservatório de petróleo antes de injetar no reservatório de petróleo para aquecer e reduzir a viscosidade do petróleo para melhorar a produção deste. As atuais práticas industriais de produção de petróleo utilizam vapor gerado a partir de águas naturais e / ou solventes importados. O objetivo do processo é fornecer o vapor e o solvente necessário para melhorar a produção de petróleo a partir de um subproduto de uma usina de energia, o fluxo do exausto do anodo da célula de combustível.

[0013] De acordo com um aspecto, é fornecido um método de produção de fluidos condicionados à temperatura e pressão usando uma célula de combustível, a célula de combustível tendo uma entrada no anodo, um escape no anodo de escape, uma entrada de cátodo e um escape no cátodo, o método compreendendo: operação da célula de combustível para gerar um fluxo de exaustão do anodo compreendendo vapor de água e dióxido de carbono; condensar e separar a água do fluxo do exausto do anodo para produzir um fluxo de água e um fluxo de dióxido de carbono; aquecer uma porção do fluxo de água para produzir um fluxo de vapor; misturar o fluxo de vapor e o combustível para formar o fluxo de entrada no anodo; obter um fluxo de dióxido de carbono condensado condensando apenas uma porção do dióxido de carbono do fluxo de dióxido de carbono; aquecer e comprimir pelo menos um fluído à temperatura e pressão alvo a de cada fluído, compreendendo pelo menos um fluído da segunda porção do fluxo de água ou pelo menos uma porção do dióxido de carbono condensado.

[0014] De acordo com um aspecto, é fornecido um método para condensar, recuperar, bombear e reaquecer um fluxo de exaustão do anodo de uma célula de combustível a gás natural antes da injetar num reservatório de petróleo para melhorar a produção de petróleo, a célula de combustível tendo um anodo, um cátodo, e um fluxo de exaustão do cátodo, sendo o fluxo de exaustão do anodo vapor de água e dióxido de carbono, sendo o processo o seguinte: proporcionar um fluxo de fornecimento de gás natural refrigerado; passar o fluxo de fornecimento de gás natural refrigerante e um fluxo de exaustão do anodo da célula de combustivel através de um primeiro permutador de calor para condensar dióxido de carbono do fluxo de exaustão do anodo de célula de combustivel e produzir um fluxo de gás natural para a célula de combustivel; condensar um componente do vapor do fluxo do exausto do anodo e separar o vapor condensado do dióxido de carbono gasoso e do hidrogênio residual; condensação e separação de pelo menos uma porção do dióxido de carbono do dióxido de carbono gasoso e do hidrogênio residual que tinha saído do separador de água para produzir um fluxo de dióxido de carbono condensado e um fluxo de dióxido de carbono e hidrogênio residual; misturar o fluxo de dióxido de carbono e hidrogênio residual com um fluxo de ar para formar o fluxo de entrada do cátodo, sendo o fluxo de entrada no cátodo pré-aquecido num forno catalítico antes de ser introduzido no cátodo da célula de combustível; pressurizar e aquecer o dióxido de carbono condensado a condições de operação do reservatório de petróleo para produzir um fluxo de injeçã de dióxido de carbono; pressurizar e aquecer uma parte do vapor condensado para produzir um fluxo de vapor para entrada no anodo; misturar o fluxo de vapor para a entrada do anodo com o fluxo de gás natural para a célula de combustível produzindo o fluxo de entrada no anodo; pressurizar e aquecer uma segunda porção do vapor condensado às condições de operação do reservatório de petróleo para produzir um fluxo de injeção de vapor; e injetando o fluxo de injeção de dióxido de carbono e o fluxo de injeção de vapor no reservatório de petróleo.

[0015] De acordo com um aspecto, é proporcionado um método de injeção de fluidos numa formação subterrânea utilizando fluxos de um exausto de uma célula de combustível, tendo a célula de combustível um anodo e um cátodo, tendo a célula de combustível um fluxo de entrada no anodo sendo pelo menos um combustível e água, um fluxo de entrada no cátodo sendo pelo menos oxigénio e dióxido de carbono, um fluxo de exaustão anódico tendo pelo menos dióxido de carbono e vapor, e um fluxo de exaustão catódico, sendo o processo o segiunte: condensação e separação da água do fluxo de exaustão do anodo produzindo um fluxo de água e um fluxo de dióxido de carbono; aquecer uma primeira porção do fluxo de água para produzir um fluxo de vapor; misturando o fluxo de vapor e o combustível para formar o fluxo de entrada no anodo; produzir um fluxo de vapor de injeção comprimindo e aquecendo uma segunda porção do fluxo de água à temperatura e pressão desejadas; obter um fluxo de dióxido de carbono condensado, condensando pelo menos uma porção do dióxido de carbono do fluxo gasoso de dióxido de carbono; comprimir e aquecer o fluxo de dióxido de carbono condensado à temperatura e pressão desejadas para produzir um fluxo de injeção de dióxido de carbono gasoso; e injetando pelo menos o fluxo de injeção de gás carbônico na formação subterrânea.

[0016] De acordo com um aspecto, é fornecido um método de produção de fluidos supercríticos usando uma célula de combustível, a célula de combustível tendo uma entrada para o anodo, um exuasto do anodo, uma entrada para o cátodo e um exausto do cátodo, o anodo da célula de combustível produz um exausto que contem vapor de água e dióxido de carbono, sendo o método o segiunte: proporcionar um fluxo de fornecimento de gás natural refrigerante; num primeiro permutador de calor, condensando pelo menos uma porção do dióxido de carbono do fluxo de exaustão do anodo da célula de combustível num primeiro percurso e aquecendo o fluxo de fornecimento de gás natural refrigerante num segundo percurso para produzir um fluxo de fornecimento de gás natural de refrigerante aquecido; produzindo um fluxo para entrada no anodo aquecendo mais ainda o fluxo de fornecimento de gás natural e misturando com vapor para fazer com que pelo menos uma porção da mistura resultante seja transformada em hidrogênio e dióxido de carbono; fornecimento do fluxo de entrada do anodo para entrada no anodo da célula de combustível; passar o fluxo de exaustão do anodo através de um ou mais terceiros permutadores de calor para condensar o vapor de água e separar o vapor de água condensado num separador de água; fornecer um separador para recuperar o vapor condensado e separar o dióxido de carbono gasoso e o hidrogênio residual para posterior resfriamento; passar o fluxo do exausto do anodo que sai do separador de água através de um ou mais quartos permutadores de calor para condensar pelo menos uma porção do dióxido de carbono e separar o dióxido de carbono condensado num separador de dióxido de carbono; misturar o fluxo do exausto do anodo que sai do separador de dióxido de carbono com um fluxo de ar para produzir um fluxo para entrada no cátodo e aquecer previamente o fluxo de entrada do cátodo num forno catalítico à temperatura de entrada no cátodo desejada; fornecimento do fluxo de entrada para o cátodo e entrada no cátodo; pressurizar e aquecer o dióxido de carbono condensado para obter um estado supercrítico de dióxido de carbono; pressurizar e aquecer uma porção do vapor de água condensado para produzir vapor para misturar com o fluxo de fornecimento de gás natural aquecido; e pressurizar e aquecer uma porção adicional do vapor de água condensado para obter um estado supercrítico de vapor.

[0017] De acordo com um aspecto, é fornecido um método de produção de fluidos supercríticos usando uma célula de combustível, a célula de combustível tendo uma entrada no anodo, um exausto no anodo, uma entrada no cátodo, e um exausto no cátodo, o método sendo o seguinte: operar a célula de combustível para gerar um fluxo de exaustão no anodo tendo vapor de água e dióxido de carbono; condensar e separar a água do fluxo de exaustão do anodo para produzir um fluxo de água e um fluxo de dióxido de carbono; aquecer uma primeira porção do fluxo de água para produzir um fluxo de vapor; misturar o fluxo de vapor e o combustível para formar o fluxo de entrada do anodo; obter um fluxo de dióxido de carbono condensado, condensando pelo menos uma porção do dióxido de carbono do fluxo de dióxido de carbono; e comprimir e aquecer pelo menos uma de uma segunda porção do fluxo de água e pelo menos uma porção do dióxido de carbono condensado para um estado supercrítico.

[0018] Os métodos podem compreender um ou mais dos seguintes aspectos, conforme apropriado: a segunda porção do fluxo de água e a pelo menos uma porção do dióxido de carbono condensado são, cada um, aquecidos à temperatura e pressão a alvo respectivas; a temperatura e pressão desejadas compreendem um estado supercrítico de pelo menos um fluido; a temperatura e a pressão a alvo têem a temperatura e pressão adequadas para melhorar a produção de petróleo; o combustível do fluxo de entrada no anodo pode ser um fluxo de hidrocarbonetos, tal como gás natural; o gás natural pode ser obtido a partir de um fornecimento de gás natural, sendo o fornecimento de gás natural utilizado como refrigerante para condensar a porção do dióxido de carbono para formar o fluxo de dióxido de carbono condensado; o fornecimento de gás natural pode ser um tanque de gás natural liquefeito (GNL); o fornecimento de gás natural pode ser um fluxo comprimido de gás natural, e em que o fluxo comprimido de gás natural pode ser expandido e arrefecido para produzir temperaturas frias; o fornecimento de gás natural pode ser passado através de pelo menos uma instalação de refrigeração e um condensador e arrefecimento de ar ambiente; o fluxo de dióxido de carbono pode ser comprimido para satisfazer as propriedades de operação desejadas utilizando um diagrama de entalpia; o método pode ainda ser injectar pelo menos água e um solvente no reservatório de de petróleo sendo o solvente a injeção do fluxo de dióxido de carbono e um fluxo de injeção de vapor; após a condensação, o fluxo de dióxido de carbono pode ser separado no fluxo de dióxido de carbono condensado e um fluxo de dióxido de carbono para o cátodo; o método pode ainda combinar oxigénio e a fluxo de dióxido de carbono para o cátodo de dióxido de carbono formando o fluxo de entrada do cátodo; a formação do fluxo de entrada do cátodo pode compreender a combinação da primeira corrente de dióxido de carbono e ar atmosférico; o fluxo de exausto do anodo pode ainda ter hidrogênio residual, e em que o fluxo do cátodo de dióxido de carbono pode ainda ter o hidrogênio residual; a formação do fluxo na entrada catódica pode ainda ter o pré-aquecimento da primeiro fluxo de dióxido de carbono e oxigénio num forno de combustão que é alimentado por um hidrocarboneto e o hidrogênio residual; e o método pode ainda fornecer dióxido de carbono para o fluxo de entrada no cátodo a partir de uma fonte de dióxido de carbono capturado.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0019] Estas e outras características da invenção tornar- se-ão mais evidentes a partir da seguinte descrição, na qual é feita referência aos desenhos anexos, os desenhos são apenas para fins ilustrativos e não pretendem limitar de qualquer forma o âmbito da invenção, invenção para a concretização particular ou concretizações mostradas, em que: FIGURA 1 é um diagrama esquemático de uma célula de combustível com; água, dióxido de carbono e energia térmica do fluxo de exaustão do anodo a serem recuperados; FIGURA 2 é um diagrama esquemático de um método alternativo de recuperar o fluxo de exaustão do anodo da célula de combustível que usa compressão do fluxo de exaustão do anodo separado; FIGURA 3 é um diagrama esquemático de um método alternativo de recuperar o fluxo de exaustão do anodo da célula de combustível que usa uma válvula redutora de pressão no fornecimento de gás natural da célula de combustível em vez de um expansor / gerador; FIGURA 4 é um diagrama esquemático de um método alternativo de recuperação do fluxo de exaustão do anodo da célula de combustível que comprime o fornecimento de gás natural para a célula de combustível e utiliza um permutador de calor de ar do ambiente antes de uma válvula redutora de pressão para produzir um fornecimento de gás natural refrigerante; FIGURA 5 é um diagrama esquemático de um método alternativo de recuperar o fluxo de exaustão do anodo da célula de combustível que proporciona refrigeração adicional ao fornecimento de gás natural da célula de combustível após uma válvula redutora de pressão; FIGURA 6 é um diagrama esquemático de um método alternativo de recuperar o fluxo de exaustão do anodo da célula de combustível que utiliza gás natural liquefeito (GNL) como o fornecimento de gás natural da célula de combustível; FIGURA 7 é um diagrama esquemático de uma célula de combustível que é alimentada por fontes alternativas de combustível, como o biogás; FIGURA 8 é um diagrama esquemático de uma célula de combustível que é utilizada para produzir um fluxo de fluido supercrítico a partir de uma fonte externa de fluido; FIGURA 9 é um diagrama esquemático de uma célula de combustível com a água, dióxido de carbono e sua energia térmica do fluxo de exaustão do anodo, recuperados para injeção num reservatório de produção de petróleo; FIGURA 10 é um diagrama esquemático de um método alternativo de recuperar o fluxo de exaustão do anodo da célula de combustível que usa compressão no fluxo de exaustão do anodo separado; FIGURA 11 é um diagrama esquemático de um método alternativo de recuperação do fluxo de exaustão do anodo da célula de combustível que usa uma válvula redutora de pressão no fornecimento de gás natural da célula de combustível em vez de um expansor / gerador; FIGURA 12 é um diagrama esquemático de um método alternativo de recuperar o fluxo de exaustão do anodo da célula de combustível que comprime o gás natural para a célula de combustível e usa um permutador de calor do ar ambiente antes de uma válvula redutora de pressão para produzir fornecimento de gás natural refrigerante; FIGURA 13 é um diagrama esquemático de um método alternativo de recuperar o fluxo de exaustão do anodo da célula de combustível que fornece refrigeração adicional ao fornecimento de gás natural da célula de combustível após uma válvula redutora de pressão; FIGURA 14 é um diagrama esquemático de um método alternativo de recuperar o fluxo de exaustão do anodo da célula de combustível que usa gás natural liquefeito (GNL) como fornecimento de gás natural da célula de combustível. FIGURA 15 é um diagrama esquemático de uma célula de combustível que é alimentada por fontes alternativas de combustível, como o biogás; e FIGURA 16 é um diagrama esquemático de um método alternativo de recuperar fluxo de exaustão do anodo da célula de combustível que permite que água ou solventes sejam adicionados ao fluxo de injeção recuperado para o reservatório.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA FORMA DE REALIZAÇÃO PREFERIDA

[0020] Agora, será dada uma descrição de um processo que produz fluidos condicionados a partir dos fluxos de exaustão de uma célula de combustível.

[0021] A Figura 1 representa um método preferido de recuperar um fluxo de exaustão do anodo da célula de combustível que inclui água e dióxido de carbono. As células de combustível, como a Célula de Combustível Direto (DFC) fabricada pela Fuel Cell Energy nos EUA, estão disponíveis desde 2003. A maior usina de geração de energia DFC é de 59 MW. Uma grande vantagem de uma usina de geração de energia DFC contra usinas de geração de energia padrão é a produção de fluxo menor com uma alta concentração de dióxido de carbono e água, permitindo facilidade de recuperação e uso.

[0022] No exemplo descrito, o gás natural é transportado através de um gasoduto de transmissão principal através do fluxo 1 e entra em um expansor / gerador 2 para reduzir a pressão do gasoduto de transmissão principal para atender o fluxo de pressão de entrada da célula de combustível 3. A temperatura do fluxo 3 é diminuída cerca de 1,5 a 2 graus Celsius para cada queda de pressão de 15 psi. O fluxo de gás natural 3, mais frio, entra no permutador de calor 4 para libertar o seu arrefecimento para o fluxo 22. Uma porção do fluxo de gás natural 5, é encaminhado através do fluxo 28 para fornecer gás ao ar do pré-aquecedor 29. O restante do fluxo 5 é ainda aquecido no permutador de calor 6 pelo fluxo de exausto 32 do cátodo. O fluxo gasoso aquecido de célula de combustível 7, é misturado com o fluxo de vapor 45, e entra na célula de combustível 9 na secção do anodo 47, através do fluxo 8. No anodo de célula de combustível 47, o fluxo de gás natural / vapor 8 é primeiro reformado para produzir hidrogênio e dióxido de carbono, o hidrogênio através de uma reação eletroquímica com um íon carbonato produzido no cátodo 46 e transferido através de uma camada de eletrólito 50 para o anodo 47. A reação de célula de combustível produz eletricidade 49, e um fluxo quente 10, da exaustão do anodo. O íon carbonatado produzido no cátodo 46 e transferido através da camada electrolítica 50 para o anodo 47 é convertido de volta a dióxido de carbono numa reação electroquímica. Os principais componentes do fluxo de exaustão do anodo quente 10 são vapor e dióxido de carbono com algum hidrogênio residual. O fluxo de exaustão do anodo quente 10 entra no permutador de calor 11 para fornecer parte do seu calor ao fluxo de água 41. O arrefecido fluxo de exaustão do anodo 12 é ainda mais arrefecido no permutador de calor 13 para fornecer mais do seu calor ao fluxo de dióxido de carbono 37. O mais arrefecido fluxo do anodo 14 entra no separador 15 para separar e recolher o componente de água condensada do fluxo de exausto do anodo 14. O fluxo de dióxido de carbono concentrado 16 sai do separador 15 e é arrefecido ainda mais no permutador de calor 17 pelo fluxo de dióxido de carbono 25. O arrefecido exausto de dióxido de carbono concentrado 18, é ainda mais arrefecido no permutador de calor 19 pelo flbuxo de dióxido de carbono liquido 36 e ainda mais arrefecido no permutador de calor 21 pelo fluxo de dióxido de carbono 24, seguido ainda por mais arrefecimento no permutador de calor 4 pelo fluxo de gás natural 3. O arrefecido fluxo de dióxido de carbono concentrado 23 entra no separador de dióxido de carbono 51 aonde o dióxido de carbono condensado é separado do dióxido de carbono gasoso e hidrogênio residual. O fluxo gasoso frio de dióxido de carbono e residual de hidrogênio 24 entram no permutador de calor para ceder parte do seu arrefecimento ao fluxo de exaustão do anodo 20. O fluxo aquecido 25 é ainda mais aquecido no permutador de calor 17 pelo fluxo de exaustão 16 do anodo, o dióxido de carbono gasoso e hidrogênio residual aquecido 26 são misturados com o fluxo de ar 27 no pré-aquecedor de ar 29 onde o hidrogênio residual é cataliticamente oxidado e o fluxo de oxidante 30 é aquecido à temperatura requerida para o cátodo 46. O cátodo 46 da célula de combustível consome o oxigénio do fluxo de ar 27 e o dióxido de carbono circulado do fluxo 26 para produzir iões de carbonato que são transferidos através da camada de electrólito 50 para o anodo da célula de combustível 47. O fluxo quente de exaustão do cátodo 46 sai da célula de combustível atravé do fluxo 31. O fluxo de exaustão do cátodo 31, principalmente azoto com resídiuos de dióxido de carbono, vapor de água e oxigénio, entra no permutador de calor 44 para aquecer o fluxo de água 43 e produzir vapor no fluxo 45, que é misturado com o fluxo de gás natural aquecido 7, o fluxo misto 8 é alimentado ao reformador do anodo 47 da célula de combustível para produzir hidrogênio e dióxido de carbono. O fluxo de exausto do cátodo 32 é ainda mais arrefecido no permutador de calor 6, aquecendo o fluxo de fornecimento de gás natural 5 ao anodo da célula de combustível, e é depois descarregado para a atmosfera através do fluxo 33. O fluxo de água recuperada 39, sai do separador 15 entra na bomba 40 e é bombeado para o fluxo 52. Um fluxo de água circulada 43 é enviado para o permutador de calor 44 para produzir vapor para o reformador do anodo 47 da célula de combustível, como discutido acima. O balanço da água recuperada entra na bomba 53, onde é pressurizado à pressão de operação ideal para o reservatório de petróleo. O fluxo de água pressurizada 41 entra no permutador de calor 11 para produzir vapor no fluxo 42 à pressão e temperatura desejadas. O fluxo líquido de dióxido de carbono recuperado 34 é enviado para a bomba 35 e pressurizada à pressão desejada. O fluxo de dióxido de carbono liquido pressurizado 36 é enviado através do permutador de calor 19 para dar o seu arrefecimento, e o agora aquecido fluxo de dióxido de carbono 37 é ainda mais aquecido no permutador de calor 13 à temperatura desejada.

[0023] O processo permite a recuperação dos componentes água e dióxido de carbono de um fluxo de exaustão do anodo de uma célula de combustível por condensação em uma configuração de processo de troca de calor em contra- corrente. Os fluxos de fluido recuperados podem então ser pressurizados e re-aquecidos em uma configuração de processo de troca de calor de contra-corrente para atender a condições específicas para vários propósitos.

[0024] Os peritos na arte compreenderão que variações do processo acima descrito são possíveis, e que desenhos diferentes dos representados podem ser usados para realizar etapas de processo similares. Alguns exemplos não limitativos são dados abaixo. Referindo a FIGURA 2, o processo é semelhante ao mostrado na FIGURA 1, no entanto, o fluxo de dióxido de carbono 16 do exausto do anodo é comprimido pelo compressor 200 para produzir um fluxo de pressão maior 201. Isto pode ser utilizado para satisfazer as propriedades desejadas de dióxido de carbono no fluxo 16 com base no diagrama de entalpia de pressão para recuperação de dióxido de carbono no estado líquido.

[0025] Com referência à FIGURA 3, é mostrada uma outra variação, em que o fluxo de fornecimento de pressão 1 do gasoduto de gás natural de transmissão principal é fornecida com uma válvula JT (Joules Thompson) 300 em vez de um expensador / gerador para reduzir a pressão do gás natural. O uso de uma válvula JT não é tão eficiente quanto um expansor / gerador, mas é um método alternativo de operação que pode reduzir os requisitos de custo de capital.

[0026] Com referência à FIGURA 4, é mostrada uma outra variação, na qual um compressor 400 é usado para aumentar a pressão no fluxo de fornecimento do gasoduto principal de gás natural de transmissão 1, caso a pressão do gasoduto de gás natural disponível seja menor do que a necessária para gerar um fluxo de gás natural refrigerante como na FIGURA 1. O fluxo de fornecimento de gás natural de transmissão com maior pressão 401 é primeiro arrefecido pelo permutador de calor de ar ambiente 402, o fluxo de fornecimento de gás natural de alta pressão arrefecida por ar ambiente 403 é reduzido em pressão através da válvula JT 404 para produzir um fluxo de gás natural 405. Entende-se que a válvula JT 404 pode ser substituída por um expensador / gerador para produzir um fluxo de refrigerante 405 ainda mais frio, se necessário.

[0027] Com referência à FIGURA 5, outra variação é mostrada na qual uma planta de refrigeração é usada para aumentar as propriedades de refrigeração do fluxo de fornecimento de gás natural. O fluxo de entrada 3 é arrefecido num permutador de calor 500 para produzir um fluxo arrefecido de gás natural 501 que é então passado através do permutador de calor 4 como descrito acima. O permutador de calor 500 arrefecido por um circuito de refrigeração 502 e 503 que é por sua vez arrefecido por uma unidade de refrigeração 504. A unidade de refrigeração 504 e o fluido que circula através das linhas 502 e 503 podem ser seleccionados pelos peritos na arte para satisfazer as exigencias de arrefecimento de um particular processo.

[0028] Com referência à FIGURA 6, é mostrada uma outra variação na qual o gás natural é fornecido a partir de um tanque 600 de gás natural liquefeito (GNL). Esta opção aumenta a refrigeração disponível que pode ser usada para condensar o fluxo de dióxido de carbono 22 quando não há disponibilidade de gás natural por gasoduto ou em tanques pressurizados. Como representado, o GNL do tanque de armazenamento 600 é alimentado através do fluxo 601 para a bomba 602. O fluxo pressurizado 603 é enviado através do permutador de calor 4 para condensar o fluxo de dióxido de carbono 22.

[0029] Como será evidente, o sistema é preferencialmente baseado em gás natural como combustível para o anodo, pois isso fornece uma fonte de combustível previsível e prontamente disponível. Será entendido que outros tipos de combustível também podem ser usados, como o biogás. De preferência, o combustível incluirá uma carga de hidrocarbonetos, exemplos dos quais incluem metano, metanol, biogás, etc., que produza água e dióxido de carbono no fluxo do anodo que pode ser utilizado no processo como aqui descrito. Além disso, enquanto a célula de combustível aqui descrita produz um ião carbonato que atravessa a membrana, podem também ser utilizadas outras células de combustível que operam utilizando uma reacção diferente, tal como uma célula de combustível de óxido sólido. As entradas de cátodo podem ser variadas de acordo com os requisitos da célula de combustível específica a ser utilizada.

[0030] Com referência à FIGURA 7, a linha 700 é usada para representar uma fonte de biogás, embora outras fontes de combustível também possam ser possíveis, como descrito acima. Num biogás típico, a composição pode ser de cerca de 40% de dióxido de carbono, 60% de metano e até 5% de sulfureto de hidrogênio. Como tal, o biogás geralmente deve ser tratado para remover os componentes dióxido de carbono e sulfeto. Ao remover o componente de dióxido de carbono, o conteúdo de calor do volume de biogás fornecido para a célula de combustível 9 é aumentado. Na FIGURA 7, o dióxido de carbono removido pode ser introduzido através da linha 701 no fluxo de entrada do cátodo. Além disso, fontes alternativas de dióxido de carbono podem ser fornecidas via linha 701 para serem usadas para o fluxo de entrada no cátodo. Dependendo da quantidade de dióxido de carbono, o fluxo 701 pode suplementar ou substituir o dióxido de carbono do fluxo 26. Isto pode ser benéfico, por exemplo, para eliminar o dióxido de carbono produzido por um processo industrial diferente. O aquecedor de pré-ar 29 pode ou não ser necessário, dependendo da temperatura e pressão do dióxido de carbono e do ar, e das especificações da célula de combustível.

[0031] Será entendido que as variações descritas em relação à FIGURA 2 - 7 podem ser combinados em várias combinações diferentes daquelas explicitamente descritas e descritas, exceto quando as escolhas de projeto forem claramente mutuamente exclusivas.

[0032] Agora, serão fornecidos dois exemplos de como o processo descrito acima pode ser usado.

Fluidos supercríticos

[0033] Um fluido supercrítico é uma substância a uma temperatura e pressão acima do seu ponto crítico, onde não existem fases distintas de líquido e gás. Ele pode se difundir através de sólidos e dissolver materiais como um líquido, próximo ao ponto crítico pequenas mudanças em pressão ou temperatura resultam em mudanças de densidade, permitindo que muitas propriedades de um fluido supercrítico sejam controladas. Os fluidos supercríticos, devido às suas propriedades, estão agora encontrando aplicações em uma variedade de processos industriais que vão desde ciências alimentícias até produtos farmacêuticos, cosméticos, polímeros, pós, biotecnologia, energia e meio ambiente. O dióxido de carbono e a água são os principais fluidos supercríticos mais usados. O uso de fluidos super críticos é limitado pelo seu custo de produção. O processo descrito acima pode ser usado para produzir fluidos supercríticos para uma variedade de propósitos em vários setores. Embora a descrito abaixo seja dada em termos de produção de dióxido de carbono e água supercrítica, é entendido que o processo pode ser modificado para produzir apenas um ou o outro, ou para produzir uma variedade de temperaturas e pressões em uma ou ambos os fluxos que sejam algo menos do que seu estado supercrítico.

[0034] No sistema descrito anteriormente, o fluxo de dióxido de carbono 38 estará em um estado supercrítico, o que é obtido pressurizando o dióxido de carbono na bomba 35, que pode representar uma série de bombas, a uma pressão desejada, e aquecendo o dióxido de carbono nos permutadores de calor 19 e 13, cada um dos quais pode representar uma série de permutadores de calor, para atingir uma temperatura desejada. Similarmente, o fluxo de água 42 estará num estado supercrítico depois de ser pressurizado pelas bombas 52 e 53, e aquecido no permutador de calor 11 até à temperatura e pressão desejadas. O sistema descrito acima pode ser usado para produzir fluidos supercríticos. É preferível que as bombas sejam usadas para aumentar a pressão antes de aquecer o fluido, pois isso resulta em um processo mais eficiente.

[0035] Os vários exemplos e modificações de processos mostrados na FIGURA 1 - 7 pode ser usado como desejado para produzir fluidos supercríticos, com o entendimento de que os pontos de temperatura e pressão serão modificados de acordo com princípios que são conhecidos na indústria para produzir as temperaturas e pressões desejadas.

[0036] Além disso, referindo-se à FIGURA 8, o processo também pode ser usado para aquecer e pressurizar um fluido externo para produzir um estado supercrítico. Como mostrado, uma fonte externa de fluido 800 é primeiro pressurizado na bomba 801, e o fluxo pressurizado 802 é aquecido no permutador de calor 803 para produzir um fluxo de fluido supercrítico 804. Um benefício da configuração de processo na FIGURA 8 é a capacidade de produzir outros fluidos supercríticos a partir da energia térmica disponível no fluxo de exaustão do anodo da célula de combustível. Embora esta variação seja dada em termos de produção de fluidos supercríticos, será entendido que também pode ser aplicado em outras áreas e produzir fluidos aquecidos e / ou pressurizados que não sejam supercríticos.

Produção de Petróleo

[0038] O exemplo que será agora descrito é capaz de fornecer energia térmica, água e dióxido de carbono para os campos de produção de petróleo a partir de um fluxo de exaustão do anodo da célula de combustível. O método usa uma abordagem diferente para fornecer vapor e / ou solventes para aumento de produção de petróleo. O sistema aqui descrito tira proveito de um fluxo de exaustão de gás quente concentrado de um anodo de uma célula de combustível para; fornecer o vapor e dióxido de carbono necessários nas condições operacionais ideais de temperatura e pressão para reduzir a viscosidade do petróleo e aumentar a sua produção num reservatório de petróleo.

[0037] Atualmente, uma variedade de processos é utilizada para recuperar hidrocarbonetos viscosos, tais como petróleo pesado ou betume de depósitos subterrâneos de petróleo. Típicamente, métodos in situ são usados em petróleo pesado ou betume em profundidades superiores a 50 metros, aonde não é econômico recuperar o hidrocarboneto pelas atuais tecnologias de minas de superfície. Dependendo das condições de operação do processo in situ e da geologia do reservatório, os processos in situ podem recuperar entre 25 e 75% do petróleo.

[0038] O principal foco associado à produção de hidrocarbonetos de tais depósitos é reduzir a viscosidade in situ do petróleo pesado para que ele possa vazar do reservatório para a conduta de produção no poço. A presente prática industrial para reduzir a viscosidade do petróleo pesado in situ envolve aumentar a temperatura do reservatório com vapor e / ou diluição com solventes.

[0039] A Drenagem por Gravidade Assistida por Vapor (SAGD) é um método popular de recuperação de petróleo in situ. A SAGD utiliza duas condutas horizontais (um par por poço) posicionados num reservatório para recuperar os hidrocarbonetos. Este método é mais ambientalmente benigno do que a mineração de areias petrolíferas. No processo SAGD, duas condutas num poço são perfuradas em paralelo à outra por perfuração direcional. A conduta do poço inferior é a conduta de produção e normalmente está localizada logo acima da base do reservatório. A conduta do poço superior é a conduta de injeção e está normalmente localizado entre 15 a 30 pés (4,57 a 9,14 m) acima da conduta de produção. A conduta do poço superior injeta vapor no reservatório da superfície. No reservatório, o vapor injetado sai da conduta de injeção no poço e dá seu calor latente para o petróleo pesado ou betume, resultando na diminuação da viscosidade do petróleo pesado ou betume e o óleo pesado aquecido corre por força da gravidade para a conduta de produção no poço localizada abaixo da conduta de injeção no poço. Em qualquer lugar entre 4 a 20 pares de condutas poços perfurados em poços por seção de terra ou bloco. Todos os pares de condutas nos poços são perfurados paralelamente um ao outro, com cerca de 300 pés (91,44 m) de distância, com metade dos pares de poços orientados em uma direção, e a outra metade dos pares de poços normalmente orientados 180° na direção oposta para maximizar a cobertura do reservatório. Uma separação de 15 pés (4,57 m) entre as condutas de injeção e produção num poço tem sido comprovada como o espaço ideal que permite a produção máxima do reservatório devido ao impacto mais efetivo do vapor injetado. Embora a separação entre as condutas de injeção e de produção esteja planejada para 15 pés (4,57 m), alguns poços têm até 30 pés (9,14m) de espaço, reduzindo a capacidade de produção daquela zona em particular. Normalmente, um processo SAGD é considerado térmicamente eficiente se a sua relação vapor-petróleo (SOR) for 3 ou menor. O processo SAGD requer cerca de 1.200 pés cúbicos (33,98 m3) de gás natural para gerar vapor por cada barril (por cada 0,15 m3) de betume produzido. O Conselho Nacional de Energia do Canadá (NEB) estima um custo de capital de US $ 18 a US $ 22 para produzir um barril (0,15 m3) de betume pelo método SAGD. A alta proporção de necessidade de água para geração de vapor no processo SAGD está forçando a indústria a procurar processos alternativos para reduzir o consumo de água.

[0040] Um processo alternativo para reduzir o uso de vapor é uma extensão do processo SAGD, o Empuxo de Vapor e Gás (SAGP), onde vapor e um gás não condensável são co- injetados no reservatório. O gás não condensável fornece uma camada isolante e melhora a eficiência térmica do processo, resultando em uma redução dos requisitos de vapor.

[0041] Outro processo alternativo, para substituir o uso de vapor é o processo de extração por vapor (VAPEX), onde um solvente é injetado no reservatório. Similar ao SAGD, consiste em duas condutas horizontais posicionados no poço do reservatório, enquanto a conduta superior é a de injeção e a conduta inferior é a de produção. No VAPEX, um solvente gasoso como por exemplo o propano é injetado no reservatório em vez de vapor. O solvente injetado mistura-se com o petróleo pesado ou betume para diluir e reduzir sua viscosidade. Sob a ação da gravidade, a mistura de solvente e betume vaza em direção à conduta de produção no poço e é bombeada para a superfície. A grande preocupação com o processo VAPEX é como controlar as significantes percas de solvente para o reservatório, o qual tem um grande impacto na economia do processo.

[0042] Mais recentemente, novos processos como a Drenagem por Gravidade Assistida por Combustão e a Injeção de Ar por Dedo a Calcanhar (THAI) são promovidos como sendo mais ambientalmente responsáveis, já que nenhuma emissão é liberada na atmosfera. Esses processos empregam a combustão in situ para aquecer o reservatório, comprimindo o ar para combustão no reservatório e suportar a combustão in situ. Em todos os processos descritos, o objetivo é reduzir a viscosidade e aumentar o fluxo do petróleo para a conduta de produção no poço.

[0043] Outro processo usa um poço de injeção e um poço de produção, ambos os quais são verticais. Água, dióxido de carbono ou uma combinação de ambos podem ser usados através do poço de injeção e puxar ou pressionar o petróleo no reservatório para o poço de produção. Isto processo é referido como “huff and puff”.

[0044] O sistema presentemente descrito permite um método aperfeiçoado de recuperação de um fluxo de exaustão de anodo de uma célula de combustível onde ambos os componentes e sua energia térmica são recuperados para uso imediato in situ para substituir as práticas atuais de importação de dióxido de carbono e geração de vapor para injeção em reservatórios de petróleo para aquecer e reduzir a viscosidade do petróleo e melhorar a sua produção. Este novo método recupera um fluxo gasoso de exaustão de água e dióxido de carbono que é normalmente descarregado na atmosfera como um subproduto de uma usina de geração de energia para melhorar substancialmente as exigências térmicas de um reservatório de produção de petróleo. A descrição da aplicação do método deve, portanto, ser considerada como um exemplo.

[0045] O processo tal como modificado para uso em operações nos poços é mostrado na FIGURA 9 - 15. O processo é semelhante ao descrito em relação à FIGURA 1 - 7, mas foi modificado para mostrar o fluxo de dióxido de carbono 38 e o fluxo de água 42 misturados num fluxo 48 para injeção. Em particular, o fluxo de água pressurizada 41 entra no permutador de calor 11 para produzir vapor no fluxo 42 e depois misturado com o fluxo de dióxido de carbono 38. O recuperado fluxo de dióxido de carbono 34 é enviado para a bomba 35 e pressurizado à pressão ideal para a operação no reservatório. O fluxo pressurizado de dióxido de carbono liquido 36 é enviado para o permutador de calor 19 aonde dá o seu arrefecimento e o agora quente fluxo de dióxido de carbono 37 é ainda mais aquecido no permutador de calor 13. A mistura de vapor e dióxido de carbono quente pode então ser injectada no reservatório através do fluxo misturado 48. É entendido que os condicionados fluxos de vapor e o dióxido de carbono também podem ser injetados no poço em condutas separadas.

[0046] Uma variação é mostrada na FIGURA 16. Nesta variação, uma fonte externa de água ou solvente 1600 é aquecida no permutador de calor 1601 e passada através do fluxo 1602 para ser misturado no fluxo 48 juntamente com o dióxido de carbono do fluxo 38 e vapor do fluxo 42 para injeção num reservatório de petróleo. O benefício desta configuração do processo é a capacidade de adicionar mais vapor ou solvente ao reservatório, uma vez que as temperaturas geradas por um exaustor anódico da célula de combustível são tipicamente duas vezes maiores que a temperatura de vapor comum da indústria gerada para operações SAGD. Esta diferença em temperatura permite a adição de água ou solvente a um fluxo de exaustão do anodo da célula de combustível para injeção num reservatório de petróleo. É entendido que esta variação pode ser modificada e aplicada também para outros fins, onde possa ser benéfico introduzir um aditivo a um fluido condicionado, o qual pode incluir um fluido supercrítico.

[0047] O método aqui descrito permite a recuperação eficiente de componentes e sua energia térmica de um fluxo de exaustão do anodo de célula de combustível em usinas de geração de electricidade para fornecer vapor e / ou um solvente para enaltecer a produção de petróleo, o qual pode ser usado para substituir por completo ou em parte, a prática atual de produção de vapor e compra de dióxido de carbono para a estimulação de reservatórios de petróleo para aumentar a produção de petróleo. O método também pode ser usado para outros fins, tais como para o sequestro de dióxido de carbono, no qual o fluxo de dióxido de carbono é injetadoin num poço para armazenagem. O fluxo de água provávelmente não seria injetada no poço neste exemplo, pois poderia ser desviada para outros usos, e o fluxo de dióxido de carbono não tem de ser aquecido às mesmas temperaturas, o que permitiria que a energia térmica fosse usada para outros propósitos.

[0048] Quando se injeta os fluxos de dióxido de carbono e água no poço numa operação do tipo SAGD, ou uma operação na qual o objetivo é melhorar a viscosidade do óleo, mais benefícios podem ser obtidos além da simples transferência do calor para o petróleo. Por exemplo, em certas circunstâncias, o dióxido de carbono pode se misturar ao petróleo e reduzir sua viscosidade. Em outras circunstâncias, o dióxido de carbono e a água podem reagir para formar ácido carbónico, o que pode ajudar a abrir o reservatório e aumentar o fluxo de petróleo. Em outras situações, os produtos da célula a combustível podem ser usados em outras técnicas de produção, como a produção de craqueamento in situ para produzir petróleo mais leve. As altas temperaturas e a energia elétrica produzida pela célula de combustível podem ser usadas para gerar condições favoráveis para promover hidrocraqueamento no reservatório, ou em outras reações que podem aumentar a produção de petróleo, e podem aumentar o valor do petróleo produzido. Alguns processos técnicos podem requerer reagentes adicionais, e será evidente para os especialistas na técnica que o sistema presentemente descrito pode ser adaptado para produzir, aquecer ou de outro modo condicionar os componentes necessários para serem injectados com o dióxido de carbono e / ou água para obter a desejada reação no reservatório.

[0049] A prática atual da indústria é primeiro tratar a água em preparação para a geração de vapor, isso é feito a um custo considerável devido à preocupação de calcificação nas caldeiras. Em segundo lugar, a temperatura do vapor produzido é limitada pela temperatura de evaporação correspondente às pressões de operação, para minimizar a calcificação nas caldeiras, o tipo de caldeira preferida é de fluxo de água em direcção única, o qual resulta na produção de vapor humido.

[0050] O método aqui descrito produz um fluxo misturado de dióxido de carbono e vapor através da reação eletroquímica de hidrogênio e um íon carbonato, este fluxo é condensado, recuperado, bombeado e re-aquecido a ótimas condições de operação do reservatório de petróleo para enaltecer a produção de petróleo.

Outros exemplos

[0051] Os exemplos apresentados acima referem-se geralmente a dois processos industriais que podem beneficiar do uso dos produtos de uma célula a combustível na produção de eletricidade, seja ela para uso no processo industrial ou para venda, e para produção de fluidos pressurizados e quentes os quais seriam bastante caros de produzir se fosse de outra forma, mais ainda considerado que estes ão fluxos recuperados do exausto de uma célula de combustível.

[0052] É entendido que existem outros processos industriais que podem beneficiar da abordagem descrita aqui. Por exemplo, o processo pode ser usado para produzir água supercrítica que pode ser usada em processos de refinação. Alternativamente, fluidos a temperaturas e pressões inferiores a supercríticas também poderiam ser usados em outros processos.

[0053] Neste documento de patente, a palavra "compreendendo" é usada em seu sentido não limitativo para significar que unidades seguindo a palavra estão incluídos, mas unidades não especificamente mencionados não são excluídos. Uma referência a um elemento pelo artigo indefinido "a" não exclui a possibilidade de que mais de um elemento esteja presente, a menos que o contexto claramente exija que haja um e apenas um dos elementos.

[0054] O escopo das reivindicações não deve ser limitado pelas modalidades preferidas apresentadas nos exemplos, mas deve ser dado uma ampla interpretação intencional consistente com a descrição como um todo.

Claims

1. Método para produzir fluídos condicionados a temperatura e pressão usando uma célula de combustível, a célula de combustível possuindo uma entrada de anodo, uma exaustão de anodo, uma entrada de cátodo e uma exaustão de cátodo caracterizado por compreender as etapas de: operar uma célula de combustível para produzir um fluxo de exaustão do anodo compreendendo vapor de água e dióxido de carbono; condensar e separar água do fluxo de exaustão do anodo para produzir um fluxo de água e um fluxo de dióxido de carbono; aquecer uma primeira porção do fluxo de água para produzir um fluxo de vapor; combinar o fluxo de vapor e o fluxo de combustível para formar o fluxo de entrada do anodo; obter um fluxo do dióxido de carbono condensado por condensar pelo menos uma porção do dióxido de carbono no fluxo do dióxido de carbono; e aquecer e pressurizar pelo menos um fluído a temperatura e pressão requeridas para cada fluído, pelo menos um fluído compreendendo um ou ambos de: uma segunda porção do fluxo de água que é aquecido em uma primeira troca de calor em contracorrente que resfria o fluxo de exaustão do anodo; e pelo menos uma porção de dióxido de carbono condensado que é aquecido em uma segunda troca de calor em contracorrente que resfria o fluxo de dióxido de carbono e uma terceira troca de calor em contracorrente que resfria o fluxo de exaustão do anodo.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a segunda porção do fluxo de água e pelo menos uma porção do dióxido de carbono condensado, serem cada qual aquecidos a temperatura e pressão respectivamente requeridas.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por a temperatura e pressão requeridas compreenderem um estado supercrítico de pelo menos um fluído.

4. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por a temperatura e pressão requeridas compreenderem uma temperatura e pressão adequadas para aprimorar a produção de petróleo.

5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por o fluxo de combustível do fluxo de entrada do anodo compreender um fluxo de hidrocarbonetos.

6. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por o fluxo de hidrocarbonetos ser obtido de um abastecimento de gás natural, o abastecimento de gás natural ser usado como um refrigerante para condensar a porção de dióxido de carbono para formar um fluxo de dióxido de carbono condensado.

7. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por o abastecimento de gás natural ser um tanque de gás natural líquido (GNL).

8. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por o abastecimento de gás natural ser um fluxo de gás natural pressurizado, em que o fluxo de gás natural pressurizado é expandido e resfriado para produzir temperaturas frias.

9. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por o abastecimento de gás natural passar através de pelo menos um de uma planta de resfriamento e um condensador e resfriador de ar.

10. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado por a requerida temperatura e pressão serem controladas para obter as requeridas propriedades dos fluídos usando um diagrama de pressão e entalpia de cada fluído.

11. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado por, após condensar, o fluxo de dióxido de carbono ser separado no fluxo de dióxido de carbono condensado e um fluxo de dióxido de carbono do cátodo.

12. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por compreender adicionalmente a etapa de combinar oxigênio e o fluxo de dióxido de carbono do cátodo para formar o fluxo de entrada do cátodo.

13. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por formar o fluxo de entrada do cátodo compreendendo combinar o primeiro fluxo de dióxido de carbono e ar atmosférico.

14. Método, de acordo com a reivindicação 12 ou 13, caracterizado por o fluxo de exaustão do anodo compreender adicionalmente hidrogênio residual e em que o fluxo de dióxido de carbono do cátodo compreende ainda o hidrogênio residual.

15. Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por formar o fluxo de entrada do cátodo, compreendendo adicionalmente pré-aquecer o primeiro fluxo de dióxido de carbono e oxigênio em um forno de combustão que é alimentado por um hidrocarboneto e o hidrogênio residual.

16. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 15, caracterizado por compreender adicionalmente a etapa de abastecimento de dióxido de carbono para o fluxo de entrada do cátodo, vinda da fonte de dióxido de carbono capturado.

17. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender adicionalmente as etapas de: pressurizar e aquecer pelo menos uma porção do fluxo de dióxido de carbono condensado nas condições de operação do reservatório de petróleo para produzir uma corrente de injeção de dióxido de carbono; pressurizar e aquecer uma segunda porção do fluxo de água para as condições de operação do reservatório de petróleo para produzir um fluxo de injeção de vapor; e injetar a corrente de injeção de dióxido de carbono e a corrente de injeção de vapor em um reservatório de petróleo.

18. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender adicionalmente a etapa de injeção de pelo menos um fluxo em uma formação subterrânea.

19. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender adicionalmente pelo menos uma das seguintes etapas: pressurizar e aquecer pelo menos uma porção do fluxo de dióxido de carbono condensado para alcançar um estado supercrítico de dióxido de carbono; e pressurizar e aquecer a segunda porção do fluxo de água para obter um estado supercrítico de vapor.