CN107735624A - 在地热设备中利用含水层流体的内能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在封闭回路中利用含水层流体(A)的内能的方法，所述含水层流体(A)包含与气体(G)和任选的原油(E)混合的地热热水(T)。所述方法应当实现含水层流体(A)的环境中性、无二氧化碳的利用和电能和热能的环境友好的供应。这通过如下实现：借助提取装置(10)从含水层(0)提取含水层流体(A)，在气体分离装置(11)中通过使含水层流体(A)脱气而分离气体(G)，任选地分离可能的原油(E)，将热水(T)的热能用于至少一个利用热能的系统(12‑14)，以及进行提取的气体(G)和任选分离的原油在至少一个燃烧装置(24，24a)中燃烧和通过运行发电机(25)利用气体(G)的内能，其中从废气去除CO2并再循环至含水层中。

Description

在地热设备中利用含水层流体的内能的方法
相关申请的引用
本申请要求2015年4月27日提交的瑞士专利申请0580/15的优先权，其全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明描述了利用来自现有或新的原油和/或天然气源的包含气体的水溶液的内能的方法。这样的矿床尤其包括含水层以及原油和天然气田，其使用用于原油和天然气生产的常规方法部分开采并通过注入水，尤其是盐水稳定。在本发明的范围内，所有这些矿床出于简化的原因将被称为含水层，并且从含水层中取出的所有液体将被称为含水层流体。根据本发明的含水层流体是与气体和任选的原油混合并通过地热能加热的含有或多或少的盐或矿物质的水(随后称为地热水或地热热水或热水)。根据本发明的方法在封闭回路中使用含水层流体的内能。本发明的另一主题是混合型地热设备，所述混合型地热设备用于在封闭回路中利用来自含水层的与气体和任选的原油混合的地热水的内能，以及本发明的另一主题是用于现有地热设备的改进方法以改进利用含水层流体的能量。
背景技术
很长时间以来利用仅来自含水层的地热热水或热的热能。称为含水层的地下水地下层存在于各种地质地层中的地壳的各种深度。除了热水之外，含水层通常还包含气体矿床。由于这些深度的高压，气体溶于热水，在此将这样的溶液称为含水层流体。一般而言，溶于热水的气体是可燃气体，从经济角度来看，其孤立的能量和化学利用不是有利的。溶于热水的气体包括甲烷和其它气态烃，氢气和/或一氧化碳以及其它不可燃组分如水蒸气和/或二氧化碳。在开采含水层流体时，溶解的气体膨胀，从溶液中驱出，并且如果不利用其的话则必须被吹掉或者燃烧，从而排放气候相关的气体。
通过今天的钻井技术，可以产生至深的含水层的钻孔，从而可以从深达数千米的深度获得初始温度超过60℃的含水层流体。除了用于建筑物的加热外，也将热水用于发电。在热水的能量利用后，将冷却的热水通过再循环装置重新引导回到含水层中。
例如，可以从等人，GHC Bulletin，1990年夏季的“Improved utilizationof low temp thermal water rich in hydrocarbon gases”中看到，在过去将包含热水与其中溶解的甲烷的含水层流体在使用热能之前预处理。在这种情况下，采用气体分离装置将甲烷从含水层流体中分离。将热水以能量方式用于利用热能的装置中，和在随后的燃烧过程使得经分离的甲烷的能量可用。该燃烧过程一方面包括经分离的甲烷在气体发动机中的燃烧用于在连接的发电机中发电，另一方面包括利用通过甲烷的直接燃烧获得的热能用于进一步加热所获得的热水。在热水和甲烷的能量利用之后，将经冷却的热水再注入含水层，由此通过甲烷燃烧获得再注入所需的能量。通过这种方法，良好但非最佳地利用含水层流体包含的能量。
根据等人，甲烷的燃烧产生了废气，从而由于释放的废气，这种含水层流体内能的另外的环境友好使用导致了类似于燃烧的环境污染。
另外，今天已经开采了许多油田，且加强努力仅可以产生仍现有的原油量，这使得(成本)有效的生产方法是期望的。这些矿床大量填充有水，使得它们在本发明的意义上是合适的含水层。
由于借助水注入的开采技术，不仅显著开采，而且相对新的油田也是合适的含水层。
发明内容
本发明提出的任务在于优化在封闭回路中与气体和任选的原油混合的地热热水的内能的能量利用，其中应当实现含水层流体的环境中性和无CO2的利用和电能和热能的环境友好供应。在本发明的范围内，将封闭回路理解为其中实践上不产生排放物的方法，然而，其中取出气体和任选的原油(并且可以在其它地方使用)和再循环CO2(任选地还来自其它人为来源)。
在下文中，在天然气和原油一起处理的情况下和在涉及天然气或原油时没有区别情况下，也使用术语“烃”。
用于在封闭回路中利用含水层流体的内能的方法，所述含水层流体包含与可燃气体(后面也仅称为气体)和任选的原油混合的地热热水，特征在于以下步骤
-通过抽取装置从含水层抽取含水层流体，
-在气体分离装置中通过使含水层流体脱气而分离气体，其中得到脱气的热水，
-任选地，在油分离装置中分离原油，其中得到脱气和不含油的热水，
-在至少一个换热器中使用脱气的热水的热能用于加热至少一个在回路中运行的热介质，或用于含盐的水如海水的脱盐，以及
-在至少一个燃烧装置中进行经分离的烃的至少一个燃烧过程和通过运行至少一个发电机而使用烃的内能，
-借助废气净化装置从废气去除不希望的物质，所述废气净化装置包括气体洗涤装置，尤其是胺洗涤设备，用于从经冷却的废气分离CO2，和
-将CO2和经冷却的热水再注入含水层。
CO2和热水的再注入可以单独地进行(在将CO2转变成超临界状态之后)或在将CO2引入经冷却的热水之后进行。
取决于分离器，气体和原油的分离也可以在相同的分离器中进行，其中目前优选两个分开的分离器。
在含水层处于非常高的压力的情况下合理或必要的是，在将含水层流体引入至少一个分离器之前，将其降压到这样的程度，使得其还具有在回路中提供的超压。这可以例如由此进行，引导含水层流体在分离器的上游通过用于发电的装置。对此合适的装置是与发电机连接的涡轮机或反向运转的压缩机。
在含水层流体中含有气体以及原油的含水层的情况下，可以将原油从设备中去除并供应至其它的利用，或者尤其在低原油量的情况下可能合理的是，直接在设备内燃烧和类似地利用气体。
可以例如通过如下优化废气净化：在燃烧装置的上游提供用于混合气体和任选的原油与燃烧空气的混合装置，其中混合装置中的混合比例借助在废气流中设置的氧传感器，并且任选地在气体-(油)-空气混合物供入燃烧装置之前预热来控制。优化废气组成的替代性或另外的可能性包括在燃烧装置下游和气体洗涤装置上游设置的废气净化装置，尤其是催化器。然而，在大多数情况下，借助气体洗涤的废气净化或CO2获取是足够的。
在利用气体以及油的情况下，同样可能并且取决于油的组成可能优选的是，将气体和油在单独的燃烧装置中燃烧。如果应在油燃烧下游而不是在气体燃烧的下游提供另一(催化)废气净化装置，则这是可取的。
替代性或另外地，也可以将原油纯化提供在燃烧的上游，使得在燃烧之前去除可能影响废气净化或燃烧的物质，如重金属，硫化合物等，因此不会沉积在燃烧装置中或进入废气流中。这种方法对于原油工业的本领域技术人员是已知的。
通过本发明的方法实现了含水层流体的局部可用化石矿床的不含废气的电和热利用。
本发明的另一主题是用于在封闭回路中利用来自含水层的与可燃气体和任选的原油混合的地热热水的内能的地热设备，其包括至少一个用于含水层流体的抽取装置；用于将含水层流体分离成热水、气体和任选的原油的气体和任选的油分离器；至少一个换热器，用于将热水中包含的热能用于加热在回路中运行的热介质或用于脱盐设备中；用于经分离的气体的燃烧装置和任选的用于油的燃烧装置，其中至少一个用于发电的发电机连接至每个燃烧装置；用于分离CO2的设置在废气流中在用于废气热利用的装置的下游的气体洗涤器，尤其是胺洗涤器；输入管线，用于将气体洗涤后获得的CO2引入再循环管线，所述再循环管线用于热水离开至少一个换热器，或者直接进入至少一个再循环装置的管线，所述至少一个再循环装置用于将二氧化碳和经冷却的热水通过再注入钻孔再注入含水层中。
CO2的再注入可以以两种不同方式进行：
当热水充分冷却时，可将CO2压缩，然后压入用于从至少一个换热器流出的热水的再循环管线，并与所述热水一起通过再循环装置再注入含水层中。如果非常集约地利用热水的热能，即将热水冷却至低于35℃，并且特别优选地至约27℃或更低，则该方法是特别合适的。
在不太集约地利用热水的情况下，即温度高于27℃，尤其是至少35℃，还可能并优选的是压缩CO2直到达到超临界/过临界状态(scCO2)并且将其与热水分开地再循环至含水层中。这种再循环或再注入通过再注入钻孔来进行，该钻孔向下至含水层中的压力对应于约scCO2的压力(通常至少73bar)的深度。这可以借助井口来完成，该井口除了用于热水的再注入管线还包括用于scCO2的管线。这种用于scCO2的管线可以是例如同心地布置在再注入管线内的管，尤其是由铬或铬合金制成的管。在将scCO2溶于热水之后，可以将溶液更深地引入含水层中，例如直到2000至2500m的深度。
在优选的实施方案中，混合型地热设备另外包括至少一个在至少一个燃烧装置上游设置的混合装置，用于将气体和任选的原油与燃烧空气混合，和/或在燃烧装置的下游设置的废气净化装置，如催化器。
在另一优选的实施方案中，地热设备另外包括至少一个布置在废气废气流中并且在净化装置下游设置的换热器。
在又一个优选的实施方案中，CO2与经冷却的热水的可能的混合在喷淋式洗涤器中，尤其是在用填料至少部分填充的喷淋式洗涤器中进行，在其中气体在期望的高压下存在，并用水“喷淋”，直到用CO2饱和。
在预处理设备中借助胺洗涤预处理的废气通常具有两个对于CO2分离重要的特征：相对高的体积流量和相对低的CO2含量。这意味着为了吸收CO2，需要废气与胺之间的反应的非常大的活性表面。
活性面是废气和胺洗涤溶液进行传质的区域，即在其中使CO2以化学方式通过洗涤溶液吸收。该活性表面优选包括多于一个，例如两个结构化的填料段，它们各配备有附属的流体收集件和分配件。收集和重新分配确保了洗涤溶液在结构化的填料的所有区域中的更均匀浓度。
要考虑的另一方面是胺洗涤溶液具有限定的反应速率。这需要精确限定的足够长的反应距离，所述距离必须考虑温度和压力而确定。在例如约35℃的胺洗涤溶液的温度和例如约16bar的轻微超压，优选的塔高度为约30米。为了确保良好的吸收，废气与洗涤溶液逆流运行。必须为废气和洗涤溶液提供有足够的时间和空间进行反应，这通过塔高和活性表面来保证。为了可以实现经处理的废气中小于1体积％的所需二氧化碳含量和高吸收效率，有必要优化并且精确遵循上述参数。
合适的洗涤塔具有以下组件：
·塔集液池，其用于收集从集液池中去除并引入碳酸铵裂解的富含CO2的洗涤溶液，
·液体入口，
·具有结构化的填料的吸收段和洗涤段，
·洗涤段之间的液体收集器和分配器，
·分滴器(除雾器)
·用于管道和测量装置的多个连接件，以及优选地
·维护开口(人孔)。
因此，对于具有两个吸收段的洗涤塔，在上述参数的情况下产生30m的最小结构高度。
为了减少洗涤塔出口处的贫CO2气体中的胺损失，优选另外将后洗涤器安装在塔的顶部上。
在该后洗涤器中，将贫CO2气体中包含的含胺水蒸气借助换热器冷却，使得胺水蒸气溶液冷凝。该溶液有利地借助除雾器再循环到系统中。
由此也使来自反应过程中的水损失降低至最小，这也明显减少洗涤过程的水需求。
合适的后洗涤器具有约6米的高度，使得包括后洗涤器的洗涤塔在上述参数的情况下产生约36米的总高度。
同样地，本发明的主题是特定的气体分离器，任选地具有利用热气体中包含的热能的下游装置的用途，和/或具有确保最佳清洁燃烧的附加装置的燃烧装置的用途。这样的装置可以适用于改装现有设备并且针对在相应改装方法中使用进行优化。
附图说明
本发明的其它实施方案、优点和应用由所附权利要求和由下文的描述参考附图得出。
图1显示了包括用于进行根据本发明的方法所需或非常期望的装置的地热设备的示意图，
图2显示了用于进行根据本发明的方法的配备多个装置的地热设备的示意图，
图3显示了包括原油生产的过程控制的根据图1的地热设备的一部分的示意图，
图4显示了包括原油生产的过程控制的根据图2的地热设备的一部分的示意图，
图5显示了具有天然气和原油的单独燃烧的根据图2和4的地热设备的一部分的示意图。
图6显示了具有作为scCO2的CO2和热水的替代性单独再注入的根据图1或2的地热设备的一部分的示意图；以及
图7显示了具有用于海水脱盐的热水的替代性利用的根据图1或2的地热设备的一部分的示意图。
实施本发明的方式
在附图中示意性示出了与地质地层中的含水层0连接的混合型地热设备1。该含水层0包含含水层流体A，其为掺入气体G和任选的原油E的热水T。含水层流体A在含水层0中优选具有60℃以上的初始温度Ti以及高于大气压力的初始压力pi。
作为含水层流体A，原则上任何含水层流体A都是合适的，其中优选的是高温和具有高气体含量和任选的高原油含量的含水层流体A。在具有如此低的盐含量使得当供入任选的富含CO2的经冷却的热水时不会发生可能导致再循环管线堵塞的结晶的含水层流体的情况下，维护工作通常低。下文描述一般避免钻孔和管线堵塞的措施。
通过至少一个和优选多个(例如4个)抽取钻孔100(可能达到地表以下数米到几千米的深度)实现至少一个至含水层0的入口。借助在各抽取钻孔100的区域中的抽取装置10，将含水层流体A供入地热设备1中。
优选地，每个抽取钻孔100包括抽取装置10，并且每个抽取装置10包括抽取泵。经由多于一个、优选4个抽取钻孔借助一个泵/钻孔抽取的优点是，在正常运行中，泵可以以减小的功率运行，在4个泵的情况下，例如使用最大功率的2/3。由此可以提高泵的寿命，并且在一个泵关闭的情况下，例如在维护的情况下，输送功率因此可以以简单的方式通过其它泵的功率相应提高而保持恒定。
将借助至少一个抽取装置10从含水层0抽取的含水层流体A引入气体分离装置11。通过该气体分离装置11将气体G且尤其是纯甲烷或可燃烃的份额分别从含水层流体A抽取并与热水T分开引导和利用。
将含水层流体A分成热水T和(富含甲烷)的气体G优选借助分离装置11进行。在这样的分离装置11的一个实施方案中，含水层流体A的表面积极大地增加。由于大的表面积，对应于含水层中发现的温度Ti(通常为60℃或更高)的含水层流体的高温，以及含水层流体A从pi至低得多的压力的降压，例如，20至500hPa(所有的压力信息是指高于环境压力的超压)的轻微超压，气体G完全或至少几乎完全与热水分离。不需要进一步的措施。分离装置11中的表面积的增加可以以不同的方式实现，尤其是例如通过剧烈搅拌使含水层流体A经历强烈运动，或通过将含水层流体A以小水滴的形式喷射到分离装置11中。气体的导出优选连续地进行。
由于经分离的气体G具有高水分含量，所以在将其供入燃烧装置之前在干燥装置22中干燥。由此将最低限度稀释的气体G引入气体燃烧。由于气体另外具有类似于Ti的升高的温度，所以可以将其热能在至少一个利用热能的装置，如换热器21中加以利用，例如用于(预)加热热介质，所述热介质随后在用热水运行的换热器12、13、14中获得其最终热量。
在替代性气体分离装置11中，分离不是在轻微超压下进行，而是例如在104℃约3bar(3000hPa)的实质超压下进行。超压具有这样的效果，即较少的水处于气态并且与气体一起被引开，这导致冷凝器的低得多的负荷。然而，为了获得气体和水的快速分离，优选卧式圆柱形压力容器，即水平维度大于其垂直维度的分离器。也可以将含水层流体A喷洒到该分离器中，然而，最常见地，仅仅将其供入在一个侧面上，例如从顶部，并在压力容器的相对侧上在底部处(尽可能远离入口)引开脱气的热水是足够的。气体的引离还采用该分离器优选以连续的方式进行，而且在该气体分离器11适于高压运行的情况下，优选在下游设置冷凝器。
如果含水层流体A还包含原油E，则优选在另外的分离器中，通常在气体分离器下游设置的分离器中将其分离。取决于量，可以将原油从回路中去除，或也可以将其在回路内引向燃烧。
在处于非常高压力下的含水层流体A的情况下，可能需要将其引入气体分离器11之前部分地降压，即达到在回路中希望的超压。还适合地利用由此释放的能量，例如借助装置如与发电机连接的涡轮机或反向运转的压缩机来发电。
在地热设备1内由此利用不含气体的或脱气的和任选与原油分离的热水T的热能：将热水T借助泵18引向至少一个利用热能的装置12-16。该至少一个利用热能的装置可以尤其是至少一个换热器(示出三个换热器12、13、14)或者用于发电的装置，如低压蒸汽机或废热发电设备或ORC(Organic-Rankine-Cycle，有机朗肯循环)发电设备15、16(见下文)。该利用可以是加热至少一种在回路中运行的热介质或传热介质。在下游过程步骤中，来自换热器12、13、14的热介质/传热介质尤其以几种供暖形式可利用于住房、温室等的供暖或用于发电。
在替代性利用中，将换热器用于运行低温脱盐设备(Low Temperature ThermalDesalination(LTTD)plant)。在这种情况下，可以将盐水在多个串联构造的换热器中首先在一个或多个用热水加热的换热器12、13、14，然后任选地与一个或多个用水蒸气加热的换热器19、19a中分离成水蒸气和经浓缩的盐水(参见图7)。在该方法的情况下要注意的是，热水或水蒸气的能量含量从换热器12开始下降，并且优选压力也下降，这任选地可以通过使用泵18a来促进。作为该方法中的最后步骤是构造冷凝器来冷凝在最后一个换热器的出口处残留的水蒸气。该冷凝器可以例如用新鲜的海水作为冷却介质进行冷却。
如果没有离海水近的水源，则替代海水还可以使用经冷却的热水或其它本身不够清洁的水源，而海水是优选的。
任选和优选地，可以将热水用于在换热器12、13、14上游的换热器15中或任选地在集成到脱盐方法中的换热器中用于发电而例如用于在最后步骤中冷凝水蒸气(图中未示出)。合适的发电方法使用例如低压蒸汽机或废热发电设备或ORC发电设备(15、16)。用于产生电能的特别合适和优选的方法是用于燃气轮机的ORC方法(有机朗肯循环)。在ORC方法中，将传热介质在换热器15中加热到其沸点以上，该传热介质用于运行燃气轮机16，并且在冷凝之后再循环至换热器15。对于这种过程，沸点比热水的温度低大约15至25℃，例如在45至50℃的范围内，如49℃的传热介质是合适的。虽然这种ORC方法的效率很低(通常<20％，大多<15％)，但是已经发现在上游换热器中产生的电力最通常对于泵的功率是足够的，例如必须维持下游换热器12、13、14中的加热回路。
取决于热水的能量含量，可以将利用组合，即用于ORC方法中的发电和/或用于产生集中供暖和/或用于脱盐。
为了优化燃烧过程，燃烧装置24可不供应纯气体G，而是供应在混合装置23中与空气预混合的气体G。
在一个优选的实施方案中，将任选地已经与空气预混合的气体G在其进入燃烧装置24之前预热。这可以借助换热器26进行，将所述换热器26的热介质例如水在废气流中布置的换热器29中通过来自气体燃烧的废气加热。
同样在替代性方法中，其中除了天然气还燃烧原油，与空气预混合可以导致更好的燃烧。然而在这种情况下可能合理的是，提供原油或原油和天然气混合物的另外喷射。
在具有经分离的原油燃烧的另一个实施方案中，通常不发生与空气的预混合，尽管这里也可以应用这种预混合，尤其是如果可以将原油作为细液滴喷入混合室中，然后立即引入燃烧装置。
在根据本发明的方法的一个实施方案中，用氧传感器测量废气中的残余氧含量，然后在混合装置23中和/或直接在燃烧装置24中适当控制供入的燃烧空气与气体G，尤其是甲烷和任选的原油E的比例。可以调节该比例，使得燃烧以高效率和产生尽可能少的有毒气体而进行。为了在随后再注入含水层0时避免含水层0中的任何损害，首先必须注意废气中不存在氧气，因为氧气会导致含水层0中的损害，尤其是由于化学烃降解，如甲烷降解。这可以通过以下实现：在气体洗涤装置，尤其是连接碳酸铵裂解31的胺洗涤设备30(参见下文)中的气体洗涤，任选地连同受控燃烧和/或其后在废气处理装置27中，例如借助催化器的废气处理。
在至少一个燃烧装置24、24a的下游，通过在其中进行的气体G和任选的原油E的燃烧过程来运行至少一个发电机25、25a(优选每个燃烧装置一个发电机)，所述发电机提供电力，该电力可用于运行地热设备内的装置如泵或可供应至电网。可以使用气体发动机或燃气轮机作为燃烧装置24，柴油发动机作为燃烧装置24a。
在至少一个燃烧装置24、24a和至少一个发电机25、25a下游设置的任选的废气处理装置27确保实现了气体G和任选的原油E和空气氧的更好的燃烧，并且还优选去除一氧化碳和氮氧化物，使得所产生的转送的废气不含氧气、烃、氮氧化物和一氧化碳或者它们很低，并且主要包括二氧化碳、氮气和水。作为废气处理装置27，可以使用例如氧传感器连同各种已知的废气催化器。根据所使用燃料的类型和所使用的燃烧装置来选择合适的催化器。对于在λ值为1时运行的燃烧装置，例如受控的催化器是合适的，如三元催化器，贫燃发动机的氧化催化器等。在原油的燃烧的情况下，可以单独或者除了对于气体优选的催化器以外使用由柴油汽车已知的催化器和颗粒过滤器。
在多于一个的燃烧装置24、24a的情况下，废气流在燃烧装置下游，或者在具有不同能力的一种或多种催化器之间或下游组合。
将从至少一个燃烧装置24、24a流出的废气流的能量含量任选地在催化后处理之后另外在至少一个下游设置的废气能量利用装置中加以利用。由燃烧过程产生的废气流具有几百℃的温度，通常高于500℃，其能量含量可用作热源或用于另外的发电，例如，用于一个或多个ORC方法中。目前用作热源是优选的。
对于热源利用，可以将废气流直接用于在一个或多个换热器28、29中加热热介质，例如加热热油或水。因此可以将例如具有大于500℃，如520℃的由燃烧装置或至少一个催化器流出的废气在换热器28中首先用于加热热介质，所述热介质本身可以重新用于在胺洗涤(参见下文)之后回收CO2，和可以将已冷却至低于200℃，如140℃的废气在另外的换热器29中用于加热热介质，所述热介质例如用于在将空气-气体混合物或空气-气体-原油混合物或气体-原油混合物引向燃烧装置24之前预热所述混合物或在可能的空气-原油混合物引向燃烧装置24a之前预热所述混合物，如果提供这样的预热的话。在这个步骤中，通常只需要稍微进一步的冷却，即至稍微高于100℃，如120℃，使得在管线内不发生冷凝。
替代作为载热体的热废气的能量利用，可以将其直接从燃烧装置24或废气净化装置27，或者在换热器28、29的至少一个之后或多个之间用于另外生产电能。例如，可以在汽轮机的一个或多个ORC方法(有机朗肯循环)中进行电能生产(如上所述，但是任选地使用具有较高沸点的传热介质(在一个接一个设置的多个ORC方法的情况下，沸点降低))，而且还通过其它发电装置进行，如低压蒸汽机或废热发电设备。如上所述，在发电之后，燃烧气体的废热可用于加热空气-气体混合物或用于加热经冷却的热水或经冷却的在回路中运行的热介质用于集中供暖。
主要由二氧化碳组成的全部经冷却和能量利用的废气(任选地在预洗之后)引入气体洗涤装置30，用于去除其它气体如氮气以及氮氧化物、一氧化碳和氧气的可能少量的残余物。在该气体洗涤器30中，从气流中去除CO2。优选的气体洗涤器30是胺洗涤设备，在其中将CO2用胺(如式NRxH3-x的胺，例如烷基胺)从气流中去除。然后在用于分解碳酸铵(HNRxH3-x)yH2-yCO3的装置(胺蒸煮器)31(优选借助热介质加热，该热介质通过废气例如在换热器28中加热)中在高于100℃，如140℃的温度分解含有溶解的碳酸铵的溶液。将装置31中释放的胺再循环至气体洗涤器30中。将湿CO2经由冷凝器32(任选的换热器并且在其下游是冷凝器32)引入压缩机33。在一个实施方案中，将经压缩的CO2与经冷却的在再循环管线17中再循环的热水借助混合装置如喷淋式洗涤器34混合。在另一个实施方案中，将CO2在压缩机中压缩至超临界状态，并经由再循环管线17a、再循环装置40和再循环钻孔400直接压入含水层0中，向下至其中流体静压对应于scCO2的压力的深度。可以任选地将在冷凝器32中分离的具有通常低于170℃的温度的水引向热水以获得其中包含的热能，将所述热水用于发电过程如ORC方法15、16和/或在一个或多个换热器12、13、14中用于产生集中供暖。如果在冷凝器32的上游提供换热器，则其中产生的能量可以例如用于加热用于ORC方法15、16的热水或用于ORC方法中直接另外加热传热介质。
包含在来自燃烧过程的废气中的热量(如果过量存在的话)可以在任意位置用于脱盐设备的一个或多个换热器(常规的或根据图7所述的LTTD方法)。
在最后换热器例如换热器14的下游，经冷却的热水T具有温度Tf，基于温度Tf可以确定在热水中溶解二氧化碳所需的压力。已发现合适的温度Tf和再循环热水的温度Tr具有低于35℃，尤其是32℃或更低，更优选30℃或更低，如27℃或更低的值。必须选择压力和温度，使得CO2完全溶于经冷却的热水。为了将燃烧过程中产生的所有二氧化碳溶于经冷却的热水，例如需要在27℃的温度，通常9bar的压力。
在程序方面，必须进行二氧化碳的溶解，从而防止产生气泡，这可以通过冷却热水，选择如上所述的压力和合适的混合装置，尤其是喷淋式洗涤器34来实现。掺入废气或CO2的热水的再循环/再注入压力pr至少通常对应于含水层0中的含水层流体A的初始压力pi。排除废气引入热水时爆炸的风险，因为在燃烧过程中注意废气中不存在可燃的烃或氧气和通过完全封闭的过程管理，从而避免了环境氧气的任何进入。为了将二氧化碳引入热水或将其溶于热水，应在喷淋式洗涤器34中控制气体压力和液位。
通过至少一个并且优选与抽取钻孔100一样多的再注入钻孔400，它们中的每一个与具有至少一个再注入泵35的再循环装置40连接，可以引导在再循环温度Tr和再循环压力pr下的掺入二氧化碳的热水回到含水层0中。各种测量显示，通过生成的二氧化碳的再循环，使来自含水层0的岩层的气体G的释放增产，从而通过进行所述方法可以延长含水层0的使用寿命。
尤其是当最后换热器下游的温度Tf仍然具有35℃或更高的温度时，已经发现有利的是将CO2压缩到超临界状态(scCO2)并且将其与热水分开泵入含水层。然后对应于scCO2的压力(通常在约31℃，约74bar)的压力在含水层内进行热水的引入。主要在700至800m的深度达到这样的压力。在将scCO2引入热水T或溶于热水T之后，可以将该溶液更深地引入含水层中。
由于含有CO2的热水的再注入，抽取的含水层流体中的增加的二氧化碳含量是不可预料的，因为经冷却的再注入的含CO2的热水具有比热含水层流体更高的密度，因此沉入含水层0内，并且由于再循环和抽取之间的距离，使得含水层0上部区中抽取的含水层流体保持贫CO2。根据计算，在平均含水层A规模的情况下，应该可以使用多年，而不必假设CO2含量增加超过2％。
本文中提出的方法是(在本文中指出的例外情况下)封闭回路，其中已经使抽取的含水层流体A的能量利用最大化，并且将利用后的热水和所产生的废气经由至少一个再注入钻孔400再循环至含水层0中。至少一个再注入钻孔400优选地与含水层0中的至少一个抽取钻孔100相距一段距离L。为了最低限度地干扰含水层0，优选的是将抽取钻孔100与再注入钻孔400间隔开数百米至数千米。优选地，抽取装置10和再循环装置40彼此独立，由此一个泵送装置用于抽取含水层流体A，一个用于再注入彼此分开的热水T和CO2。
为了避免抽取钻孔或再注入钻孔的堵塞，已经证明在该方法中可能且优选的是，工艺方向是可逆的，即抽取钻孔100成为再注入钻孔400，和再注入钻孔400成为抽取钻孔100。这可以通过以下实现：每个钻孔或每个抽取装置和再注入装置装备两个泵，它们的一个用于抽取，另一个用于再注入，并且在于每个钻孔设有管，其允许分离装置11的供入或再循环至含水层0，并且可以根据需要来控制它们。进一步必要的是，抽取钻孔100和再注入钻孔400接近地热设备，并且在地表上彼此距离很近，这可以通过钻孔的倾斜执行来实现，例如使得地表处的距离例如为5m至15m，如约10m，并且在含水层0中高达约2km。
在改装中，除了在燃烧装置24中产生的二氧化碳之外，可以另外将来自工业或其它来源的人为CO2溶于热水，并且经由再注入钻孔400引入含水层0并且地质储存。因此，可以实现进一步的二氧化碳封存。
另外的人为CO2的可能引入优选在气体洗涤装置的上游进行，使得也将该CO2净化。
在某些情况下，任选地与废气混合的热水的再循环导致含水层0的增产，从而延长资源的利用。
取决于地热设备的单个部件的设计和含水层的能量含量，上述装置/设备中的多于一个可以并联或串联存在，并且这些也被本发明涵盖，即使没有明确提到。
改造：
对于一些已经现有的地热设备来说，对其进行改造可能是合理的，从而使能源利用方法接近上文描述的优化能源利用方法，或者甚至可以实施这种优化的方法。利用来自含水层0的包含气体G和任选的原油E的热水T的内能的现有地热设备现在一般包括用于含水层流体A的抽取装置10，气体分离装置11，用于经分离气体G的燃烧装置24以及用于将经冷却的热水T再注入含水层0的再循环装置40。
一方面，这样的设备可以通过特别有利的分离装置11之一来改造，
(i)其中气体G与热水T的分离通过产生大的表面、温度和任选的在压力下输送的含水层流体的减压来进行，或者
(ii)其中气体G与热水T的分离在压力下在具有高表面的分离器中进行，和
气体在类似于Ti的温度离开，并且可以任选地在至少一个利用热能的装置，尤其是换热器21中加以利用。
替代地或者另外，现有的设备可以通过包括以下的另外装置中的至少一个的废气净化/利用设备来改造：
(i)至少一个用于发电的装置，如气体发动机，其具有下游设置的发电机和/或ORC发电设备，
(ii)至少一个利用包含在废气中的能量的换热器，
(iii)气体洗涤装置30，其与压缩机连接用于(a)将CO2在其再注入含水层0之前引入经冷却的热水或(b)用于压缩CO2直至超临界状态和直接再注入含水层0，其中气体洗涤器尤其是胺洗涤器30，其具有下游装置用于分解胺洗涤器中形成的碳酸铵(胺蒸煮)31，
(iv)用于将CO2与热水混合的喷淋式洗涤器34，
(v)在燃烧装置24上游设置的用于混合气体和任选的原油与燃烧空气的混合装置23，和/或在至少一个燃烧装置24，24a下游设置的废气净化装置27，所述废气净化装置27包括至少一个催化器和用于控制气体与燃烧空气的燃烧/预混合的氧传感器，
(vi)在含水层流体不包含原油和不包含气体或包含过少的气体时的到天然气管线或原油管线的连接元件，用于将天然气或原油供入混合装置23或燃烧装置24、24a，使得地热设备可以用于CCS(碳捕集和储存)方法，
(vii)到脱盐设备，如按照LTTD方法运行的脱盐设备，尤其是用于海水脱盐的设备的连接件，
(viii)在含水层处于非常高的压力的情况下在分离装置上游设置的降压装置，其将压力转变成电流。
如果至少一个，优选多个，特别优选全部上文提到的另外的装置(i)至(v)以及任选的(vi)至(viii)与现有地热设备连接，含水层流体A的能量含量可以更好地接近完全使用，并且可以在不影响含水层0的情况下进行包含CO2的热水的再循环。
根据本发明的方法或根据本发明的地热设备也可以用于包含少量或不含可燃气体和/或包含少量或不含原油的含水层，条件是外部气体源，尤其是天然气源，如天然气管线是可用的。这种设备取消了气体分离装置11，并且将含水层流体/热水直接引入热能的利用12-16。将外部气体直接引入燃烧装置或引入其上游的燃烧促进装置。作为替代，但不太优选，也可以使用外部原油源。
尽管显示和描述了本发明的当前优选的实施方案，但是应当清楚理解的是，本发明不限于此，而是可以在所附权利要求的范围内以其它方式不同呈现和实施。
附图标记列表
0 含水层/地下水地下层
1 地热设备
10 抽取装置/抽取装置
100 抽取钻孔
11 气体分离装置(分离器)
11a 原油分离装置(油分离器)
12-14 利用热水的热能的装置，尤其是换热器
15、16 利用热水的热能以发电的装置，如低压蒸汽发动机或废热发电设备或尤其是ORC发电设备
17 再循环管线/再注入管线
18 泵
18a 用于在LTTD方法中轻微压力降低的泵
19，19a 在LTTD方法中利用包含在水蒸气中的能量的换热器
20 冷凝器或ORC发电设备
21 利用气体的热能的装置(换热器)
22 在引开冷凝水下干燥气体和任选地利用气体的热能的装置(冷凝器)
23 混合装置
24，24a (气体)燃烧装置
25，25a 发电机
26 用于预热气体的换热器
27 废气处理装置/废气净化装置/废气催化器和氧传感器
28，29 利用废气(废气)中的热能的装置/废气能量利用装置，尤其是换热器
30 气体洗涤装置，气体洗涤器(胺洗涤器，胺洗涤设备)
31 用于分解碳酸铵的装置(胺蒸煮器)
32 冷凝器
33 压缩机
34 混合装置，优选喷淋式洗涤器
35 再注入泵
40 再循环装置/封存装置
400 再注入钻孔
A 含水层流体/掺入气体的热水(T+G)
Ti 含水层流体的初始温度
pi 初始压力
T 热水
Tf 经冷却的脱气的热水的温度
Tr 包含再循环的CO2的热水的温度
pr 掺入废气的热水的再注入压力
G 气体
E 原油
L 抽取钻孔和再注入钻孔之间的距离

Claims (28)

1.在封闭回路中利用含水层流体(A)的内能的方法，所述含水层流体(A)包含与气体(G)和任选的原油(E)混合的地热热水(T)，其特征在于以下步骤
-借助至少一个抽取装置(10)从含水层(0)抽取含水层流体(A)，
-在气体分离装置(11)中通过使含水层流体(A)脱气而分离气体(G)，其中得到脱气的热水(T)，
-任选地，分离原油(E)，其中得到脱气和脱油的热水(T)，
-在至少一个用于利用热能的装置，如换热器(12，13，14)和/或ORC发电设备(15，16)中使用脱气的热水(T)的热能，以及
-在至少一个燃烧装置(24，24a)，尤其是气体发动机和任选的柴油发动机中进行经分离的气体(G)和任选的经分离的原油(E)的燃烧过程，和通过运行至少一个发电机(25，25a)利用气体(G)和任选的原油(E)的内能，
-借助废气净化装置从废气去除不希望的物质，所述废气净化装置包括用于从经冷却的废气分离CO2的气体洗涤设备，尤其是胺洗涤器(30)，其具有用于分解碳酸铵的下游装置(31)，和优选将胺再循环至胺洗涤器(30)，和
-将CO2和经冷却的热水(T)再注入含水层(0)。
2.根据权利要求1所述的利用含水层流体(A)的内能的方法，其中，将用于混合气体和任选的原油(E)与燃烧空气的混合装置(23)设置在至少一个燃烧装置(24，24a)的上游，其中借助在废气流中设置的氧传感器调整混合比例。
3.根据权利要求1或2所述的利用含水层流体(A)的内能的方法，其中，将气体-空气混合物或原油-空气混合物或原油-天然气混合物在供入至少一个燃烧装置(24，24a)之前在换热器(26)中预热。
4.根据前述权利要求任一项所述的利用含水层流体(A)的内能的方法，其中废气净化在燃烧装置(24)的下游的废气净化装置(27)，尤其是催化器中进行。
5.根据前述权利要求任一项所述的利用含水层流体(A)的内能的方法，其中除了运行至少一个发电机(25)以外，利用气体(G)和任选的原油(E)的内能还包括将废气的废热中的热能在发电之后用于至少一个另外的废气能量利用装置中，尤其是在至少一个换热器(28，29)中。
6.根据前述权利要求任一项所述的利用含水层流体(A)的内能的方法，其中将经分离的气体(G)和任选的经分离的原油(E)的热能在其燃烧之前用于至少一个用于利用热能的装置，尤其是在至少一个换热器(21)中。
7.根据前述权利要求任一项所述的利用含水层流体(A)的内能的方法，其中至少一个换热器(12，13，14)用于加热至少一种在回路中运行的热介质和/或用于进行脱盐方法，尤其是根据LTTD方法。
8.根据前述权利要求任一项所述的利用含水层流体(A)的内能的方法，其中将废气的废热中的热能在发电之后在至少一个换热器中用于脱盐。
9.根据前述权利要求任一项所述的利用含水层流体(A)的内能的方法，其中含水层流体(A)的抽取和CO2和热水的再注入经由至少一个抽取钻孔或至少一个再注入钻孔(100，400)进行，其中每个钻孔设有抽取装置或再注入装置(10，40)。
10.根据前述权利要求任一项所述的利用含水层流体(A)的内能的方法，其中构造每个抽取装置或再注入装置，使得其可选地用于抽取或再注入。
11.根据前述权利要求任一项所述的利用含水层流体(A)的内能的方法，其中，含水层流体(A)的抽取同时经由多个抽取钻孔(100)进行和再注入同时经由多个再注入钻孔(400)进行。
12.根据前述权利要求任一项所述的利用含水层流体(A)的内能的方法，其中将CO2在再注入之前压缩至超临界状态并且其中将scCO2和经冷却的热水再注入含水层(0)单独地向下进行至一定深度，其中含水层中的压力使得CO2保持在超临界状态。
13.根据权利要求1至11任一项所述的利用含水层流体(A)的内能的方法，其中将CO2尤其是借助混合装置(34)，如喷淋式洗涤器引入经冷却的热水(T)，之后将掺有CO2的热水再注入含水层(0)。
14.根据权利要求1至11和13任一项所述的利用含水层流体(A)的内能的方法，其中将CO2引入经冷却的热水并且其中避免在再注入掺有CO2的热水时形成气泡，这通过选择二氧化碳的再循环压力(pr)和再循环温度Tr而使得CO2完全溶于热水中来进行。
15.根据前述权利要求任一项所述的利用含水层流体(A)的内能的方法，其中通过完全封闭的过程管理阻止了CO2和经冷却的热水或掺有CO2的经冷却的热水与氧气的混合和由此在再注入时氧气污染含水层(0)。
16.根据前述权利要求任一项所述的利用含水层流体(A)的内能的方法，其中在将含水层流体(A)引入分离装置(11)之前将其在分离装置(11)上游的降压装置中降压，所述降压装置将压力转变成电流。
17.根据前述权利要求任一项所述的利用含水层流体(A)的内能的方法，其中除了天然气(G)以外，含水层流体(A)还包含热水(T)中的原油(E)。
18.在封闭回路中利用来自含水层(0)的与气体(G)和任选的原油(E)混合的地热热水(T)的内能的地热设备，其包括
-至少一个用于含水层流体(A)的抽取装置(10)，
-用于将含水层流体(A)分离成热水(T)和气体(G)的气体分离装置(11)，
-任选地，用于分离原油与任选的已经脱气的热水(T)的分离装置(11a)，
-至少一个用于利用热能的装置，如至少一个换热器(12，13，14)，用于利用包含在热水(T)中的热能以加热在回路中运行的热介质；和/或至少一个装置，其利用热能用于发电，尤其是ORC发电设备(15，16)，和/或用于运行脱盐设备，尤其是根据LTTD方法运行的脱盐设备，
-用于经分离的气体的燃烧装置(24)，尤其是气体发动机，其具有至少一个与其连接的发电机(25)用于发电，
-任选地，用于经分离的原油的燃烧装置(24a)，尤其是柴油发动机，其具有至少一个与其连接的发电机(25a)用于发电，
-至少一个利用废气流中的热能的装置(28，29)，
-设置在废气流中的在至少一个利用废气流的热能的装置(28，29)的下游的用于分离CO2的气体洗涤器(30)，
-输入管线，用于在气体洗涤后获得的CO2进入压缩机和然后经由混合装置，优选喷淋式洗涤器(34)，进入用于从至少一个换热器(14)或ORC发电设备或脱盐设备流出的热水的再循环管线(17)，或者所述输入管线进入用于使CO2转变成超临界状态的压缩机和然后进入用于scCO2的输入管线(17a)，所述输入管线(17a)与用于热水(T)的输入管线(17b)分开并且两者导入含水层(0)，和
-至少一个再循环装置(40)，用于将二氧化碳和经冷却的热水通过再注入钻孔(400)再注入含水层(0)中。
19.根据权利要求18所述的地热设备，其中所述地热设备具有在至少一个燃烧装置(24，24a)上游的混合装置(23)用于混合气体或气体和原油与燃烧空气。
20.根据权利要求18或19所述的地热设备，其中所述地热设备包括在燃烧装置的下游的废空气净化装置(27)，如催化器。
21.根据权利要求18至20任一项所述的地热设备，其中将燃烧装置(24)构造为气体发动机和废气处理装置(27)包括催化器和氧传感器，和在燃烧装置(24)上游设置混合装置(23)，所述混合装置(23)取决于氧传感器的测量调整氧气的混入，从而可进行受控燃烧。
22.根据权利要求18至21任一项所述的地热设备，其中将至少一个换热器(28，29)布置在废气流中。
23.根据权利要求18至22任一项所述的地热设备，其中所述地热设备以这样的方式具有用于来自人为来源的另外的二氧化碳的输入管线，使得可以将所述二氧化碳引入废气，优选在气体洗涤器(30)上游，从而可以使所述二氧化碳与源自废气的CO2一起借助混合装置，尤其是喷淋式洗涤器(34)溶于经冷却的热水和借助再循环装置(40)再循环至含水层(0)中；或可以使得所述二氧化碳与源自废气的CO2一起可以引入压缩机以将CO2转变成超临界状态和然后经由用于scCO2的再循环管线(17a)再循环至含水层(0)中。
24.根据权利要求18至23任一项所述的地热设备，其中至少一个抽取装置(10)和至少一个再循环装置(40)各装备有两个泵，将一个构造来抽取和将另一个构造来再注入，并且其中将用于抽取的泵与分离装置(11)连接和将用于再注入的泵与再循环管线(17，17a，17b)连接，从而使过程控制可转换。
25.根据权利要求18至24任一项所述的地热设备，其中在分离器(11)的下游布置用于发电的装置，尤其是ORC发电设备(15，16)。
26.根据权利要求18至25任一项所述的地热设备，其中利用热水的热能的换热器(12，13，14)的至少一个和/或布置在废气流中的换热器为脱盐设备的一部分，尤其是根据LTTD方法运行的脱盐设备的一部分。
27.根据权利要求18至26任一项所述的地热设备，其中在分离装置(11)的上游设置降压装置，在所述降压装置中将含水层流体(A)中存在的压力部分地转变成电流。
28.现有地热设备的改装方法或改造方法，所述方法用于含水层流体(A)的能量利用，通过用以下的附加装置(i)至(viii)的至少一个，优选多个，特别优选全部来升级：
(i)分离装置(11)，在其中气体(G)与热水(T)的分离通过产生大的表面积、温度和任选的在压力下输送的含水层流体的减压来进行，或在其中气体(G)与热水(T)的分离在具有大的表面积的分离器(11)中在压力下进行，和气体在与Ti相似的温度从其中离开和可以任选地在至少一个利用热能的装置，尤其是换热器/冷凝器(21，22)中利用，
(ii)至少一个用于发电的装置，如气体发动机，其具有下游的发电机和/或ORC发电设备，
(iii)至少一个利用包含在废气中的能量的换热器，
(iv)气体洗涤器(30)，其与压缩机连接用于(a)将CO2在其再注入含水层(0)之前引入经冷却的热水或(b)用于压缩CO2直至超临界状态和直接再注入含水层(0)，其中气体洗涤器尤其是胺洗涤器(30)，其具有下游装置用于分解胺洗涤器中形成的碳酸铵(胺蒸煮)(31)和优选将胺再循环至气体洗涤器，
(v)用于混合CO2与热水的喷淋式洗涤器(34)，
(vi)在至少一个燃烧装置(24，24a)上游设置的用于混合气体和任选的原油与燃烧空气的混合装置(23)，和/或在至少一个燃烧装置(24，24a)下游设置的废气净化装置(27)，所述废气净化装置(27)包括至少一个催化器和用于控制气体与燃烧空气的燃烧/预混合的氧传感器，
(vii)在含水层流体不包含原油和不包含气体或包含过少的气体时的到气体管线或原油管线的连接元件，用于将气体供入混合装置(23)或至少一个燃烧装置(24，24a)，使得地热设备可以用于CCS(碳捕集和储存)方法，
(viii)到脱盐设备，如按照LTTD方法工作的脱盐设备，尤其是用于海水脱盐的设备的连接件，
(ix)在含水层处于非常高的压力的情况下在分离装置上游设置的降压装置，其将压力转变成电流。
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