CN101988384B - 利用烟道气原位干馏地下煤层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用烟道气对地下煤层进行原位干馏的方法，包括将烟道气与氧气共同或先后通入地下煤层中对煤进行原位干馏，从而产生干馏煤气以及保留在原位的干馏后的半焦，然后，向该半焦中通入氧气和/或蒸汽，以进一步对半焦进行气化，其中干馏步骤和进一步气化步骤交替反复进行。

Description

利用烟道气原位干馏地下煤层的方法

技术领域

本发明涉及一种烟道气利用方法，具体地，本发明涉及一种利用烟道气对地下煤层中的煤进行原位干馏的方法。

背景技术

在能源利用过程中，最主要的目的就是通过合理的利用方式把一次能源(如煤炭、石油、天然气等)充分转化为便于使用的各种能源形式(如电能和各种产品等)，并且在能源转化的过程中尽量通过回收利用的方式降低能源损失。在煤炭利用的领域，通常会通过传统电厂燃烧煤炭产生热量转化为电能的方式或者通过整体煤气化联合循环(IGCC)发电转化为电能的方式产生电能，然后将电能输往工厂转化为各种产品。这个过程中，电厂和燃气轮机出口都会产生高温烟道气(500-650℃左右)。同样，在工业窑炉煅烧物料过程也会产生热烟道气，在化工厂气化等工段会产生热的烟道气。这种高温的烟道气在很多行业其实是可以回收利用的，如供热行业、化工行业、水泥行业、钢铁行业等，但是由于这些含碳余热气体的处理和利用需要满足环境和使用成本的要求，因此很少行业对这些烟道气进行合理的使用，这也导致烟道气的热量的大量损失和烟道气热量利用的局限性。一般在后处理工段通过废热锅炉和其它的余热回收系统对该高温烟道气的余热进行回收。但是这样仅能把高温烟道气的余热资源利用50-70％，还是会有大量的余热资源白白浪费掉，不能达到较高的能效。此外，来自电力企业、热力企业以及工业窑炉的烟道气中还含义大量的污染物如NOx、SOx、粉尘和重金属等，如何经济有效地脱除这些污染物使烟道气达到排放标准也一直是人们头疼的问题。

专利CN101063404(锅炉烟道气回收全气态注井采油装置)和专利CN101063406(锅炉烟道气回收二氧化碳液化注井采油装置)设计了一种可以回收锅炉烟道气、液化二氧化碳、氮气并与蒸汽一同注入油井开采稠油的锅炉烟道气回收净化注井采油装置。该发明是主要利用锅炉产生的蒸汽和烟气中净化产生的二氧化碳、氮气来进行注井采油，其中对二氧化碳和氮气的净化耗费了较多的热能，并未对锅炉烟气进行充分的热量利用，反而在烟气出口设置了洗涤塔直接使热量散失掉，其热量没有得到充分的利用。

专利CN200510031682.3、CN201129947、CN1392386分别针对陶瓷工业窑炉、燃煤锅炉、冶炼炉的出口烟道气设计了不同技术对其进行回收利用。这三种专利分别采用为别的企业提供低温热源、采用回收器、预热原材料等方式对进行回收。但是这些技术基本上停留在在一个系统内回收利用或者利用低温的烟气进行回收利用烟气余热，其效率不高，而且不能够将排烟中的污染物进行良好的脱除。

在采集煤层气和采油过程中，常常向地下煤层或油层中通入气体来辅助开采。

专利CN101418679A、CN101503957A介绍了一种通过向地下煤层注入高温高压水蒸气加热煤层来开采煤层气的方法。该技术利用高温高压水蒸气提高煤层的渗透性，针对低渗透性的煤层的煤层气的开采具有很好的效果。但是该技术只适用于煤层气开采领域，对没有煤层气的低阶煤、废弃煤资源无法应用。

专利US4393934介绍了一种通过向煤炭地下气化炉注入CO₂、胺类物质、烟气、酒精等混合物来提高煤层的渗透性的技术。该技术鼓入一些可湿性的挥发性物质或者烟气等来提高煤层的渗透性，可以对烟气进行部分的回收，但是其利用仅限于提高煤层的渗透性，没有对整个系统进行完整的设计和考虑，所以不能完全利用烟气中的热量。

专利CN101113666(一种煤层气开采新技术)设计了一种煤层气开采新技术，该技术通过设置竖井和横向延伸通道的进气井，利用高压流体对煤层进行压裂处理，通过向进气井内注入高压空气或高压氧气，在进气井和出气井之间建立起煤层裂隙构成的气流通道，将出气井排出的部分煤层气燃烧后的高温烟气回注进气井，然后逐步停止向地下煤层中供应氧气，待稳态生产时，仅靠高温烟气对煤进行干馏，并维持出气井的稳定产气。该技术的缺点是利用自身产出的高质量煤层气进行燃烧再回注，降低了煤层气采收率，也同时降低了整个系统的效率。另外，该技术的局限之处在于其只能用在变质程度较高的含煤层气的煤层，例如以烟煤、无烟煤等为主的煤层中。

发明概述

第一方面，本发明公开了一种利用烟道气对地下煤层进行原位干馏的方法，包括将烟道气与氧气共同或先后通入地下煤层中对煤进行原位干馏，从而产生干馏煤气以及保留在原位的干馏后的半焦。

第二方面，本发明公开了一种利用烟道气对地下煤层进行原位干馏的方法，包括以下步骤：

a.设置进气井和出气井，它们均从地面钻进到地下煤层中，并在进气井和出气井之间的地下煤层中打通至少一条气体通道；然后，

b.将烟道气与氧气共同或先后通入到所述气体通道中以对煤进行原位干馏，从而产生干馏煤气以及保留在原位的干馏后的半焦。

第三方面，本发明公开了一种利用烟道气对地下煤层进行原位干馏的方法，包括以下步骤：

a.设置进气井和出气井，它们均从地面钻进到地下煤层中，并在进气井和出气井之间的地下煤层中打通至少一条气体通道；然后，

b.将烟道气与氧气共同或先后通入到所述气体通道中以对煤进行原位干馏，从而产生干馏煤气以及保留在原位的干馏后的半焦；然后，

c.向所述干馏后的半焦中通入另外的氧气和/或蒸汽以进一步对该半焦进行气化；

其中上述步骤b和步骤c以b-c-b-c-......的顺序交替反复地进行。

附图简述

图1是本发明的一种实施方案的示意图。

图2是干馏煤气的气体成分随温度变化的图，其中的数据来自利用烟道气对煤层进行原位干馏的实验。

发明详述

在本发明的第一方面中，本发明提供了一种利用烟道气对地下煤层进行原位干馏的方法，包括将烟道气与氧气共同或先后通入地下煤层中对煤进行原位干馏，从而产生干馏煤气以及保留在原位的干馏后的半焦。以下分别从几个方面对本发明的第一方面进行说明。

所述烟道气来自于火力发电工业、供热业、化工业、水泥业、钢铁业等中的燃气轮机、煅烧炉、窑炉、燃煤锅炉等设备排放的高温尾气，其一般处于高温状态，例如约500-650℃。且该烟道气中一般含有一定量的灰尘，取决于设备类型，烟道气中的灰尘含量差别也比较大，例如，燃煤锅炉产出烟气的灰尘含量较大，可以达到30％以上；而化工厂产出的含碳余热气体灰尘含量可小于0.5％。为了防止灰尘堵塞增压系统，可根据需要设置除尘装置对烟道气进行除尘处理。对于灰尘含量较小的烟道气，不必进行除尘处理。对于灰尘含量较大的烟道气，则优选其在被通入到地下煤层中之前经过除尘处理。若进行除尘处理，则优选在烟道气与氧气混合之前对其进行除尘处理。除尘可在除尘装置中进行，可使用本领域任何合适的除尘装置，例如旋风除尘器等。经过除尘装置后，粒径较大的灰尘可以被脱除90％以上。

氧气则以纯氧气、空气、富氧空气等方式提供。其中富氧空气是指空气与氧气的混合气体，其中氧气的体积百分数大于21％。因此，上述烟道气与氧气的混合物实际上也可以是烟道气与纯氧气、空气、富氧空气等的混合物。

通过任何合适的混合装置例如混合管路等将烟道气与氧气混合，烟道气与氧气的混合比例没有特殊要求，可根据煤种变质程度、地下煤层地质水文情况、二者混合后的混合物温度、沿途热损失、地下煤干馏温度的需要以及是否另行向地下煤层注入氧气等因素综合决定。例如，在一种实施方案中，混合后的混合物中烟道气与氧气的体积比可为85∶15至95∶5，当然也可以采用任何其它合适的体积比。

可通过任何合适的方法将该烟道气与氧气共同或先后送至地下煤层中。一种方法是先将二者混合，然后将所得的混合物送入地下煤层中。在这种方法中，一种常见的方式是将所得的混合物通入进气井井口，然后让其沿进气井输送到地下煤层中。但这样输送的话，烟道气中的热量因为与构成进气井的井壁的岩石材料(例如玄武岩、拌石水泥等)直接接触而沿途散热，故而受到损失，待输送至地下煤层时温度会降低，致使干馏效率下降，故更优选的输送方式是通过管道将所述烟道气与氧气的混合物通入到地下煤层中，因为管道壁与进气井井壁之间有空气存在，故烟道气的散热要首先通过这层空气然后才能到达进气井井壁，而空气的导热系数要低于构成进气井井壁的材料的导热系数，故可以减少沿途热量损失。另一种将烟道气与氧气共同输送到地下煤层的方法是通过各自的管路将二者分别通入地下煤层中然后在地下煤层中原位进行混合。还可以先将烟道气送入地下煤层中，再将氧气送入地下煤层中。

该烟道气与氧气共同或先后进入地下煤层中后，利用烟道气的余热来加热地下煤层以对其进行原位干馏。500-650℃左右的余热气体可以满足部分煤层受热产干馏气的要求，因为部分低变质程度的煤如泥炭、褐煤等，其热解一般在200℃左右开始，在450℃左右达到热解气产气量的峰值，在600℃左右大部分可以热解完成。而氧气的作用是在烟道气提供的高温下与一部分煤发生燃烧反应，以放出热量，用于维持地下煤层的干馏温度。本文所述的干馏是指对煤进行加热处理以使其热解产生挥发性气体成分例如干馏煤气的过程。其中干馏煤气的主要成分是CH₄、CO、H₂、CO₂。此外，本发明的方法中，在干馏过程的同时也伴随着发生一些碳与氧气发生的氧化反应以及二氧化碳与碳反应生成一氧化碳的过程。这些伴随的反应要么提供维持干馏温度所需的热量，要么进一步产生一些可燃气体，均是有益的。这样的干馏过程产生干馏煤气和保留在原位的干馏后的半焦。其中干馏煤气通过出气井采收至地面上，经过进一步处理后作为气体燃料使用。而干馏后的半焦则保留在原位，这可基本保持煤层的原来形状，防止地下水的侵入和地面塌陷。且这样的半焦因其多孔性质而导致渗透性和反应性都大大提高，这有利于接下来对其进行原位气化。

在先将烟道气与氧气混合再输送到地下煤层中的实施方案中，还可通过另外的管道将额外的氧气输入到地下煤层中。这样做的目的也是为了提供额外的氧气以与煤发生原位燃烧反应释放出热量，以便维持地下煤层中的温度处于煤的干馏温度，且提供了操控的灵活性。通过另外的管道输入额外的氧气与将全部氧气都与烟道气混合后再输入到地下煤层中的方案相比有其有益效果。因为工业上通常使用的氧气为常温下的氧气，若将该常温氧气全都先与烟道气混合再通入地下，则在氧气掺入量过大时可能使混合后的混合物的温度过低，导致该混合物在被引入到地下煤层中时难以引发干馏过程，且难以引发氧气与煤的燃烧反应。因此，必要时，可在进气管路上设置辅助加热装置来保证烟道气与氧气的混合物进入煤层时的温度足以引发煤的原位干馏和部分燃烧。但更优选的做法是将一部分氧气与烟道气混合并使得混合物的温度仍足以引发地下煤层的干馏过程，并足以引发煤与氧气的燃烧反应，而另一部分氧气则在地下干馏和燃烧过程引发后，通过另外的管道引入，以维持该燃烧过程，进而维持干馏温度，且可通过单独调整该额外的氧气的供应量来调整干馏温度，这提供了地下温度控制的便利性和灵活性。在一个实施方案中，该额外的氧气的量为烟道气的量的5-15体积％。

在本发明的第二方面中，本发明提供了一种利用烟道气对地下煤层进行原位干馏的方法，包括以下步骤：

a.设置进气井和出气井，它们均从地面钻进到地下煤层中，并在进气井和出气井之间的地下煤层中打通至少一条气体通道；然后，

b.将烟道气与氧气共同或先后通入到所述气体通道中以对煤进行原位干馏，从而产生干馏煤气以及保留在原位的干馏后的半焦。

其中，在步骤a中，可通过任何合适的钻井方法从地面钻井至地下煤层中，并将其中用于输入烟道气与氧气的混合物的井称为进气井，而将用于输出干馏煤气的井称为出气井。通过任何合适的方法在进气井和出气井之间的地下煤层中打通至少一条气体通道，以便建立气体从进气井井口到地下煤层再到出气井井口畅通流动的通道。该气体通道沿途的煤层就是经受原位干馏的煤层。可通过用高压气体压裂法或水力压裂法或钻通法等方法来在进气井和出气井之间的地下煤层中打通所述至少一条气体通道。这些方法都是本领域公知的，在此不再赘述。

在步骤b中，其各方面均与在本发明的第一方面所述的各方面完全相同。

在本发明的第三方面中，本发明提供了一种利用烟道气对地下煤层进行原位干馏的方法，包括以下步骤：

a.设置进气井和出气井，它们均从地面钻进到地下煤层中，并在进气井和出气井之间的地下煤层中打通至少一条气体通道；然后，

b.将烟道气与氧气共同或先后通入到所述气体通道中以对煤进行原位干馏，从而产生干馏煤气以及保留在原位的干馏后的半焦；然后，

c.向所述干馏后的半焦中通入另外的氧气和/或蒸汽以进一步对该半焦进行气化；

其中上述步骤b和步骤c以b-c-b-c-......的顺序交替反复地进行。

其中，该第三方面的步骤a和b与本发明的第二方面的步骤a和b完全相同，不再赘述。

在该第三方面的步骤c中，通过向干馏后的半焦中再通入另外的氧气和/或蒸汽，可使得该氧气和/或蒸汽与多孔且高反应性的半焦发生原位气化反应，进一步产生包含一氧化碳和氢气以及甲烷在内的可燃气体。该可燃气体也通过出气井输出到地面，用作气体燃料。需要说明的是，该步骤c在步骤b之后进行，并按照步骤b-c-b-c-......的顺序交替反复进行。在按照步骤b-c-b-c-......的顺序交替反复进行的情况中，先通过步骤b使气化通道周围的第一层煤干馏变成半焦，再通过步骤c使该半焦进一步反应掉，灰渣脱落，进而暴露出新的原煤层，然后再次进行步骤b，如此反复交替进行，有利于不断使新的煤层参与反应，有利于工艺的长期稳定进行。

在以上本发明的第一方面、第二方面和第三方面中，都要确保气体流动畅通，故要使烟道气与氧气的混合物进入进气井井口时以表压计的压力高于其在从进气井井口经过地下煤层中的气体通道至出气井井口之间的沿途总压力损失。一种办法是扩大进气井、气化通道和出气井的流通面积，以减少流动阻力；另一种方法是使烟道气与氧气的混合物在进入进气井之前被增压装置例如增压机增压，以使得其进入进气井井口时以表压计的压力高于气体在进气井井口和和出气井井口之间的沿途总压力损失；或者二者方法结合进行。

实施例

结合图1对本发明进行示例性说明，实施例和附图均不构成对本发明的限制。

以利用烟道气对煤层进行原位干馏的实验为例。将温度为650℃且含尘量为30％的水泥煅烧窑炉烟道气通入除尘装置1中，除去其中90％的灰尘，然后通过输送管路2输送，并与来自输氧管路3的氧气混合，然后通过进气管路4将混合物送至地下煤层中的气体通道5中，沿途对煤层进行原位干馏和气化，产生的干馏煤气通过出气管路6输送至地面上，以供利用。然后向干馏后的半焦中通入氧气和水蒸气的混合物，通过发生以下反应对半焦进行进一步气化：

C+H₂O→CO+H₂

C+O₂→CO

3H₂+CO→CH₄+H₂O

然后反复交替地进行上述通入烟道气与氧气的混合物对煤进行原位干馏的步骤和通入氧气和水蒸气的混合物对半焦进行进一步气化的步骤。实验中发现，这样的反复交替操作使得气化通道不断扩大，有利于不断有新的煤层参与干馏和气化反应。

图2中示出了不同的煤层温度下获得的干馏煤气的气体组成，以体积百分比计。可根据所需要的干馏煤气的组成来调节煤层温度。

本发明的优点如下：

1、烟道气余热的有效利用：本发明利用将烟道气与氧气共同或先后注入地下煤层对地下煤层进行原位加热，并通过利用煤层受热遇氧气被氧化产生的热量，维持干馏持续进行，通过使煤层干馏产出煤气，开采地下煤层，充分回收利用了烟道气的废热，并可实现地下煤层气或干馏煤气的高采收率。

2、减少污染：烟道气中的一些容易被吸附和参与反应的污染物如重金属元素、SOx、NOx也会在地下煤层中沉积或吸附，消除了直接排放到大气中的污染。

3、减少碳排放：烟道气中的二氧化碳在本发明中与地下煤层原位反应生成一氧化碳，既减少了二氧化碳的直接排放，又可化废为宝，生产气体燃料。

4、简化了烟道气后处理工艺：传统的烟道气后处理过程中，由于环保的要求，需要设置大量除尘、脱硫、脱硝、净化等后处理步骤，才可进一步利用或排放；而本发明则只需要除尘后即可使烟道气得到进一步利用，省略了其余步骤，简化了工艺。

5、适用范围宽：传统煤炭开采过程中，由于受安全、经济性和开采技术条件的限制，不能对“三下”煤层(水体下，路下，城市下)和低变质程度的煤进行开采和利用，造成了资源的浪费。而本发明可以实现“三下”煤层和低变质程度的煤的利用。现有技术方法CN101113666中的方法主要使用在变质程度较高的含煤层气的煤层例如烟煤、无烟煤煤层中，对于低变质煤种(如泥炭、褐煤等)则效果不佳。而本发明是采用烟气和氧气鼓入地下，然后直接加热煤层来产生干馏气，而不管煤层本身是否含煤层气，这一特点使得本发明可适用于低变质的煤种，如泥炭、褐煤、弱粘结性烟煤等，且尤其适用于地质条件恶劣的情况，例如对“三下”煤层(水下、路下、城下)或者是地质水文条件恶劣(尤其是煤层顶板和含水层近、地下采煤存在环境风险的煤层)进行最大程度的利用，可以利用本发明从这些煤层中开采其干馏气，干馏后的半焦可以保证煤层的原位性，防止与地下水导通和地面塌陷。另外针对一些相对好一些的地质条件下的煤层，可以先通过使用本发明的方法将地下煤层干馏，增加煤层的渗透性，然后再进行地下气化，有利于煤炭地下气化过程的稳定控制。

Claims (7)

1.一种利用高温烟道气对地下煤层进行原位干馏的方法，包括以下步骤：

a.设置进气井和出气井，它们均从地面钻到地下煤层中，并在进气井和出气井之间的地下煤层中打通至少一条气体通道；然后，

b.将高温烟道气与氧气共同或先后通入到所述气体通道中以对煤进行原位干馏，从而产生干馏煤气以及保留在原位的干馏后的半焦，所述高温烟道气的温度为500-650℃，所述烟道气来自于火力发电工业、供热业、化工业、水泥业、钢铁业中的燃气轮机、煅烧炉、窑炉、燃煤锅炉设备排放的高温尾气；然后，

c.向所述干馏后的半焦中通入另外的氧气和／或蒸汽以进一步对该半焦进行气化；

其中上述步骤b和步骤c以b-c-b-c-……的顺序交替反复地进行。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，其中先将所述高温烟道气与氧气混合，然后再将所得的混合物通过管道通入到地下煤层中。

3.根据权利要求1的方法，其特征在于，其中通过独立的管道将高温烟道气与氧气分别通入到地下煤层中，再使二者在地下煤层中原位混合。

4.根据权利要求2的方法，其特征在于，还包括通过另外的管道将额外的氧气输入到地下煤层中。

5.根据权利要求4的方法，其特征在于，其中额外的氧气的量为高温烟道气的量的5-15体积％。

6.根据权利要求1的方法，其特征在于，其中通过用高压气体压裂法或水力压裂法或钻通法来在进气井和出气井之间的地下煤层中打通所述至少一条气体通道。

7.根据权利要求1的方法，其特征在于，其中使进入进气井的气体在进入进气井井口时以表压计的压力高于其在从进气井井口经过地下煤层至出气井井口之间的沿途总压力损失。