CN109138952B - 一种超临界煤炭地下气化产出发电的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超临界煤炭地下气化产出发电的系统和方法，所述超临界煤炭地下气化产出发电的系统包括注气井(1)和采气井(2)，采气井(2)中含有内外套设的管柱(3)和井筒(4)，管柱(3)的上端与采气井(2)的井口连接，管柱(3)的下端依次连接有单向控制阀(6)和过滤装置(8)，采气井(2)的井口连接有位于地面的超临界煤炭地下气化产出混合气体三联供发电设备(9)。该超临界煤炭地下气化产出发电的系统和方法实现了地下超临界燃烧状态，提高煤炭地下气化技术的燃烧效率、速度、温度等再采用地下直接超精过滤技术，提高有效气体比例，降低有害气体、粉尘排放对环境带来的危害。

Description

一种超临界煤炭地下气化产出发电的系统和方法
技术领域
本发明涉及煤炭气化技术领域，具体的是一种超临界煤炭地下气化产出发电的系统，还是一种超临界煤炭地下气化产出发电的方法。
背景技术
目前，国际国内超临界技术一般用于地面燃煤发电、水煤浆燃烧气化、注蒸汽锅炉等技术领域，煤炭地下气化燃烧因受到地质条件、设备和技术等多种因素的影响，还未应用到超临界燃烧技术领域。
发明内容
为了充分利用超临界技术生产煤气，本发明提供了一种超临界煤炭地下气化产出发电的系统和方法，该超临界煤炭地下气化产出发电的系统和方法实现了地下超临界燃烧状态，提高煤炭地下气化技术的燃烧效率、速度、温度等再采用地下直接超精过滤技术，提高有效气体比例，降低有害气体、粉尘排放对环境带来的危害，是未来煤炭地下气化真正实现工业化开发最佳技术手段。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超临界煤炭地下气化产出发电的系统，包括注气井和采气井，采气井为直井，注气井为水平井，采气井中含有内外套设的管柱和井筒，管柱和井筒之间套设有封隔器，管柱的上端与采气井的井口连接，管柱的下端依次连接有单向控制阀和过滤装置，注气井的水平段和过滤装置均位于煤层内，注气井内设置有连续点火装置，采气井的井口连接有位于地面的超临界煤炭地下气化产出混合气体三联供发电设备。
所述超临界煤炭地下气化产出发电的系统包括两口注气井，两口注气井的水平段在采气井的左右两侧互为镜像，注气井的水平段位于该煤层的底部，注气井的水平段的端部与采气井之间的距离为2米，单向控制阀的开启压力为25兆帕。
所述超临界煤炭地下气化产出混合气体三联供发电设备包括蒸汽发生装置、压力发电装置、蒸汽发电装置和燃气发电装置，蒸汽发生装置含有可燃热源气体入口、可燃热源气体出口、给水入口和过热蒸汽出口，从可燃热源气体入口进入的高温可燃气体能够将蒸汽发生装置中水加热并生成过热蒸汽，蒸汽发电装置能够以该过热蒸汽作为动力源发电，压力发电装置能够以可燃热源气体出口排出的可燃气体的压力作为动力源发电，燃气发电装置能够以压力发电装置排出的可燃气体作为燃料发电。
压力发电装置含有气体压力源入口和气体压力源出口，压力发电装置的气体压力源入口与蒸汽发生装置的可燃热源气体出口连接；压力发电装置的气体压力源出口通过导气管与燃气发电装置的燃料入口连接。
所述超临界煤炭地下气化产出混合气体三联供发电设备还包括水箱和水泵，燃气发电装置排出的尾气能够加热水箱中的水，水泵能够将水箱中的水泵送至蒸汽发生装置内；蒸汽发生装置的可燃热源气体入口通过输气管线与采气井的井口连接。
压力发电装置、蒸汽发电装置和燃气发电装置均与电网连接，压力发电装置、蒸汽发电装置和燃气发电装置均能够向电网供电。
蒸汽发电装置含有汽轮机，蒸汽发生装置的过热蒸汽出口与该汽轮机的过热蒸汽入口连接，该汽轮机的乏气出口通过注气管道与注气井的井口连接。
一种超临界煤炭地下气化产出发电的方法，所述超临界煤炭地下气化产出发电的方法采用了上述的超临界煤炭地下气化产出发电的系统，所述超临界煤炭地下气化产出发电的方法包括以下步骤：
步骤1、钻采气井，对采气井内与所述煤层相对应的一段进行拓宽作业形成拓宽腔；
步骤2、向采气井中注入高压富氧，使用电点火方式对该拓宽腔进行快速燃烧形成燃烧腔，将压裂砂填充于该燃烧腔中；
步骤3、向采气井内下入管柱，管柱和井筒之间套设有封隔器，管柱的上端与采气井的井口连接，管柱的下端依次连接有单向控制阀和过滤装置，过滤装置位于该燃烧腔中；
步骤4、钻注气井；
步骤5、向注气井内下入所述连续点火装置，利用该连续点火装置实现所述煤层的点火及倒退燃烧。
在步骤1中，所述拓宽腔的直径为0.8米，所述拓宽腔的高度为2米；在步骤2中，所述燃烧腔的直径为2米，所述燃烧腔的高度为4米；过滤装置含有陶瓷滤芯，过滤装置的渗透率为30md至100md。
本发明的有益效果是：该超临界煤炭地下气化产出发电的系统和方法实现了地下超临界燃烧状态，提高煤炭地下气化技术的燃烧效率、速度、温度等再采用地下直接超精过滤技术，提高有效气体比例，降低有害气体、粉尘排放对环境带来的危害，是未来煤炭地下气化真正实现工业化开发最佳技术手段。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明所述超临界煤炭地下气化产出发电的系统的示意图。
图2是超临界煤炭地下气化产出混合气体三联供发电设备的示意图。
图3是蒸汽发生装置的结构示意图。
1、注气井；2、采气井；3、管柱；4、井筒；5、封隔器；6、单向控制阀；7、过滤层；8、过滤装置；9、超临界煤炭地下气化产出混合气体三联供发电设备；
901、水箱；902、盘管；903、蒸汽发生装置；904、压力发电装置；905、气体分离净化设备；906、导气管；907、电网；908、注气泵；909、蒸汽发电装置；910、水泵；911、注气管道；912、燃气发电装置；
921、可燃热源气体入口；922、可燃热源气体出口；923、给水入口；924、过热蒸汽出口。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
一种超临界煤炭地下气化产出发电的系统，包括注气井1和采气井2，采气井2为直井，注气井1为水平井，采气井2中含有内外套设的管柱3和井筒4，管柱3和井筒4之间套设有封隔器5，管柱3的上端与采气井2的井口连接，管柱3的下端依次连接有单向控制阀6和过滤装置8，注气井1的水平段和过滤装置8均位于煤层内，注气井1内设置有连续点火装置，采气井2的井口连接有位于地面的超临界煤炭地下气化产出混合气体三联供发电设备9，如图1所示。
在本实施例中，所述超临界煤炭地下气化产出发电的系统包括两口注气井1，两口注气井1的水平段在采气井2的左右两侧互为镜像，注气井1的水平段位于该煤层的底部，注气井1的水平段的端部与采气井2之间的距离为2米，单向控制阀6的开启压力为25兆帕，也就是煤层内的压力大于25兆帕时(此时煤层内的水处于超临界状态)，高温的可燃气体才能将单向控制阀6开启，从而依次经过单向控制阀6和管柱3后到达采气井2的井口。
下面介绍一种超临界煤炭地下气化产出发电的方法，所述超临界煤炭地下气化产出发电的方法采用了上述的超临界煤炭地下气化产出发电的系统，所述超临界煤炭地下气化产出发电的方法包括以下步骤：
步骤1、钻采气井2，对采气井2内与所述煤层相对应的一段进行拓宽作业形成拓宽腔；所述拓宽腔的直径可以为0.8米，所述拓宽腔的高度可以为2米。
步骤2、向采气井2中注入高压富氧(氧气)，使用电点火方式对该拓宽腔进行快速燃烧形成燃烧腔，将压裂砂填充于该燃烧腔中，该压裂砂形成过滤层7；所述燃烧腔的直径可以为2米，所述燃烧腔的高度可以为4米。
步骤3、向采气井2内下入管柱3，管柱3和井筒4之间套设有封隔器5，封隔器5可以位于煤层的上端，管柱3的上端与采气井2的井口连接，管柱3的下端依次连接有单向控制阀6和过滤装置8，单向控制阀6和过滤装置8位于该燃烧腔中；过滤装置8含有陶瓷滤芯，过滤装置8的渗透率为30md至100md。
步骤4、在采气井2的左右两侧对称的各钻一口注气井1；注气井1的水平段位于煤层的底部，注气井1的水平段的端部与采气井2之间的距离为2米。
步骤5、向注气井1内下入所述连续点火装置，利用该连续点火装置实现所述煤层的点火及倒退燃烧。
通过注气井1向煤层中注入富氧，使用连续点火装置对煤层进行电点火，单向控制阀6设置为25兆帕开启，可使煤层燃烧压力稳定控制在25兆帕以上，燃烧温度控制在450℃-600℃。因为水的超临界压力为22.1兆帕，温度为375℃，所以在燃烧压力控制在25兆帕时候煤层中的水分及注入的水可达到超临界状态。在超临界状态下水的极性发生极大变化，其密度、介电常数、粘度、扩散系数、热导率和溶解性都与普通水不同，此时的水只有少量氢键相连接，其行为与非极性压缩气体相近，其溶剂性质与低极性有机物相似，因此当水达到超临界状态时，碳氢化合物通常有非常高的溶解度，并且超临界水可以与氧气、氮气及有机物以任意比例互溶。因此煤炭中的有机物、碳分子、钙离子与注入的氧气和水充分发生反应，生成氢气、甲烷、及少量二氧化碳。
C+H20→CO+H2吸热反应
CO+H20→CO2+H2放热反应
H20→H2+O2吸热反应
C+O2→CO+O2→CO2放热反应
CXHy+H20→CO2+H2吸热反应
CO2+Ca(OH)2→CaCO3+CH4吸热反应
由于煤层燃烧释放大量热量，燃烧温度可超过1000℃，此时的水将达到超超临界状态，为了控制燃烧温度在450℃-600℃之间，通过注气井1向煤层中燃烧区域脉冲注入水蒸气，已到达控制燃烧温度、增加氢气含量的目的。
当燃烧产生的混合气到达采气井2，并且压力达到25兆帕时，采气井2中单向控制阀6开启，混合气通过采气井2采出，进行净化分离及加工。由于采用超临界燃烧方式，可产生大量的氢气组分，经济价值及燃烧热值远远超过其它煤炭气化方式，并且安全环保零排放。
在进行煤炭地下燃烧气化过程中会产生粉尘杂质，如果伴随混合气从采气井采出会阻塞采气通道并对混合气的净化分离带来困难。所以煤炭地下气化采气井混合煤气井下超精过滤技术是将煤炭地下燃烧气化过程中产生的粉尘阻止于煤层中，防止粉尘与混合气共同采出，降低后续分离加工困难。
煤炭地下燃烧气化产生的混合气到达采气井2时，首先通过过滤层7，压裂砂形成的空隙对气体无阻碍，但对固体颗粒可起到阻挡过滤作用，所以混合气中大颗粒粉尘在经过过滤层7时被过滤阻留在煤层中，达到对混合气初步过滤的目的。
过滤装置8的空隙小渗透率低，可对小颗粒的粉尘进行过滤。当混合气通过外过滤层7过滤后，在压力的作用下混合气与小颗粒粉尘通过精密过滤器，混合气体可从精密过滤器通过，而小颗粒粉尘被阻挡于精密过滤器细小孔道内，达到对混合气的精密过滤作用，使采气井采出的混合气达到无尘状态。
如果发生粉尘将内外净化层阻塞的情况，则通过反向直喷除灰喷管注高压水蒸气或二氧化碳，高压二氧化碳由内向外将阻塞内外净化层的粉尘反向推入煤层中，高压水蒸气与煤层中的粉尘混合，使粉尘沉降于煤层底部，完成反向清洗工作。
下面详细介绍本发明所述超临界煤炭地下气化产出混合气体三联供发电设备9。
所述超临界煤炭地下气化产出混合气体三联供发电设备9包括蒸汽发生装置903、压力发电装置904、蒸汽发电装置909和燃气发电装置912，蒸汽发生装置903含有可燃热源气体入口921、可燃热源气体出口922、给水入口923和过热蒸汽出口924，从可燃热源气体入口921进入的高温可燃气体能够将蒸汽发生装置903中水加热并生成过热蒸汽，蒸汽发电装置909能够以该过热蒸汽作为动力源发电，压力发电装置904能够以可燃热源气体出口922排出的可燃气体的压力作为动力源发电，燃气发电装置912能够以压力发电装置904排出的可燃气体作为燃料发电，如图2和图3所示。
蒸汽发生装置903为汽水换热装置，蒸汽发生装置903内含有储水内腔和盘管902，储水内腔中含有水，盘管902位于该储水内腔中，高温气体能够从盘管902中通过，从而使盘管902中经过的高温气体(温度为350℃～500℃的采气井2的井口排出的高温煤气)与内腔中的水换热，高温气体将加热内腔中的水并产生过热蒸汽。盘管902的一端为可燃热源气体入口921，盘管902的另一端为可燃热源气体出口922，该内腔上设有给水入口923和过热蒸汽出口924，如图3所示。
在本实施例中，蒸汽发生装置903、压力发电装置904(压力发电机)、蒸汽发电装置909(含有汽轮机)和燃气发电装置912(燃气发电机组)均可以为现有的装置设备。压力发电装置904含有气体压力源入口和气体压力源出口，压力发电装置904的气体压力源入口与蒸汽发生装置903的可燃热源气体出口922连接。压力发电装置904是靠气体的强大压力降压发电，如压力发电装置904能够利用压电效应，使进入压力发电装置904的气体压力做功转化为电能。
在本实施例中，压力发电装置904的气体压力源出口通过导气管906与燃气发电装置912的燃料入口连接。导气管906上设有气体分离净化设备905。压力发电装置904排出的煤气进入燃气发电装置912作为发电的燃料，燃气发电装置912将煤气的化学能转换为电能。气体分离净化设备905可以为现有的装置设备，气体分离净化设备905能够去除煤气中的硫化物等杂质。
在本实施例中，所述超临界煤炭地下气化产出混合气体三联供发电设备9还包括水箱901和水泵910，水箱901通过供水管线与蒸汽发生装置903的储水内腔连接，水箱901可以为套筒式结构，如水箱901含有内层筒和外层筒，燃气发电装置912排出的尾气从内层筒和外层筒之间的环形空腔通过，内层筒内设有水，内层筒通过供水管线与蒸汽发生装置903的储水内腔连接。燃气发电装置912排出的尾气能够加热水箱901中的水，水箱901的出水口与蒸汽发生装置903的给水入口923连接，水泵910能够将水箱901中的水泵送至蒸汽发生装置903的储水内腔中，如图1和图2所示。然后，尾气将重新通入注气井1，参与新一轮的注采循环。
在本实施例中，蒸汽发生装置903的可燃热源气体入口921通过输气管线与采气井2的井口连接。采气井2的井口排出的高温煤气将依次通过输气管线可燃热源气体入口921进入蒸汽发生装置903的盘管902中。高温煤气将加热蒸汽发生装置903的内腔中的水并产生过热蒸汽，该过热蒸汽进入蒸汽发电装置909，将该过热蒸汽的机械能转换为电能。蒸汽发电装置909含有汽轮机，蒸汽发生装置903的过热蒸汽出口924与该汽轮机的过热蒸汽入口连接，该汽轮机的乏气出口通过注气管道911与注气井1的井口连接，该注气管道911上设有注气泵908，注气泵908能够将蒸汽发生装置903产生的乏气通过注气管道911和注气井1的井口注入回地下。
在本实施例中，压力发电装置904、蒸汽发电装置909和燃气发电装置912可以均与电网907连接，压力发电装置904、蒸汽发电装置909和燃气发电装置912均能够向电网907供电。所述超临界煤炭地下气化产出发电的系统还可以包括电能储存装置，压力发电装置904、蒸汽发电装置909和燃气发电装置912均能够向该电能储存装置供电。或者，压力发电装置904、蒸汽发电装置909和燃气发电装置912产生的电能也可以直接供现场的用电设备使用。
下面详细介绍该超临界煤炭地下气化产出混合气体三联供发电设备的工作过程。
井下采出的高温高压煤气依次通过采气井2的井口和输气管线进入蒸汽发生装置903，该高温高压煤气通过热量交换，加热蒸汽发生装置903的储水内腔中的水并产生过热蒸汽。该过热蒸汽进入蒸汽发电装置909做功，蒸汽发电装置909将机械能转化为电能，产生的电能可以进入电网907供给他用。该高温高压煤气在蒸汽发生装置903中换热后温度降低，但仍携带巨大的压力，其沿管道继续向前并进入压力发电装置904，该高温高压煤气凭借强大压力推动压力发电装置904做功，利用压电效应将机械能转化为电能，压力发电装置904所发的电能可以进入电网907或给现场设备供电或通过畜电池储存电能已做其它用途。
经过两次发电利用后的煤气，其温度和压力均已降到安全范围，通过气体分离净化设备905去除硫化物等杂质。通过分离净化后的煤气中氢气、甲烷、一氧化碳等清洁能源气体将经导气管906进入燃气发电装置912，并通过燃烧的方式再次发电，将煤气的化学能转换为电能。煤气在燃气发电装置912中燃烧后会产生尾气，经调查研究发现，燃烧的尾气温度扔高达350℃～500℃，但压力已经降低，不发明将尾气通入水箱901，用尾气加热水箱901中的水，然后水泵910将水箱901中被加热后的水送入蒸汽发生装置903的储水内腔中，井下采出的高温高压煤气依次通过采气井2的井口和输气管线进入蒸汽发生装置903，加热蒸汽发生装置903的储水内腔中的水并产生过热蒸汽。蒸汽发电装置909排除的蒸汽尾气(乏气)，再次借助注气管道911和注气泵908注入地下燃烧腔，用以煤炭地下气化蒸汽控温、控压、制氢等作用。
该超临界煤炭地下气化产出混合气体三联供发电设备综合利用了采气井的粗煤气所带有的余热和压力。完美的实现了节能减排(零排放)，充分利用能源的目的。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。

Claims (7)

1.一种超临界煤炭地下气化产出发电的系统，其特征在于，所述超临界煤炭地下气化产出发电的系统包括注气井(1)和采气井(2)，采气井(2)为直井，注气井(1)为水平井，采气井(2)中含有内外套设的管柱(3)和井筒(4)，管柱(3)和井筒(4)之间套设有封隔器(5)，管柱(3)的上端与采气井(2)的井口连接，管柱(3)的下端依次连接有单向控制阀(6)和过滤装置(8)，注气井(1)的水平段和过滤装置(8)均位于煤层内，注气井(1)内设置有连续点火装置，采气井(2)的井口连接有位于地面的超临界煤炭地下气化产出混合气体三联供发电设备(9)；
所述超临界煤炭地下气化产出发电的系统包括两口注气井(1)，两口注气井(1)的水平段在采气井(2)的左右两侧互为镜像，注气井(1)的水平段位于该煤层的底部，注气井(1)的水平段的端部与采气井(2)之间的距离为2米，单向控制阀(6)的开启压力为25兆帕；
所述超临界煤炭地下气化产出混合气体三联供发电设备(9)包括蒸汽发生装置(903)、压力发电装置(904)、蒸汽发电装置(909)和燃气发电装置(912)，蒸汽发生装置(903)含有可燃热源气体入口(921)、可燃热源气体出口(922)、给水入口(923)和过热蒸汽出口(924)，从可燃热源气体入口(921)进入的高温可燃气体能够将蒸汽发生装置(903)中水加热并生成过热蒸汽，蒸汽发电装置(909)能够以该过热蒸汽作为动力源发电，压力发电装置(904)能够以可燃热源气体出口(922)排出的可燃气体的压力作为动力源发电，燃气发电装置(912)能够以压力发电装置(904)排出的可燃气体作为燃料发电。
2.根据权利要求1所述的超临界煤炭地下气化产出发电的系统，其特征在于，压力发电装置(904)含有气体压力源入口和气体压力源出口，压力发电装置(904)的气体压力源入口与蒸汽发生装置(903)的可燃热源气体出口(922)连接；压力发电装置(904)的气体压力源出口通过导气管(906)与燃气发电装置(912)的燃料入口连接。
3.根据权利要求1所述的超临界煤炭地下气化产出发电的系统，其特征在于，所述超临界煤炭地下气化产出混合气体三联供发电设备(9)还包括水箱(901)和水泵(910)，燃气发电装置(912)排出的尾气能够加热水箱(901)中的水，水泵(910)能够将水箱(901)中的水泵送至蒸汽发生装置(903)内；蒸汽发生装置(903)的可燃热源气体入口(921)通过输气管线与采气井(2)的井口连接。
4.根据权利要求1所述的超临界煤炭地下气化产出发电的系统，其特征在于，压力发电装置(904)、蒸汽发电装置(909)和燃气发电装置(912)均与电网(907)连接，压力发电装置(904)、蒸汽发电装置(909)和燃气发电装置(912)均能够向电网(907)供电。
5.根据权利要求1所述的超临界煤炭地下气化产出发电的系统，其特征在于，蒸汽发电装置(909)含有汽轮机，蒸汽发生装置(903)的过热蒸汽出口(924)与该汽轮机的过热蒸汽入口连接，该汽轮机的乏气出口通过注气管道(911)与注气井(1)的井口连接。
6.一种超临界煤炭地下气化产出发电的方法，其特征在于，所述超临界煤炭地下气化产出发电的方法采用了权利要求1所述的超临界煤炭地下气化产出发电的系统，所述超临界煤炭地下气化产出发电的方法包括以下步骤：
步骤1、钻采气井(2)，对采气井(2)内与所述煤层相对应的一段进行拓宽作业形成拓宽腔；
步骤2、向采气井(2)中注入高压富氧，使用电点火方式对该拓宽腔进行快速燃烧形成燃烧腔，将压裂砂填充于该燃烧腔中；
步骤3、向采气井(2)内下入管柱(3)，管柱(3)和井筒(4)之间套设有封隔器(5)，管柱(3)的上端与采气井(2)的井口连接，管柱(3)的下端依次连接有单向控制阀(6)和过滤装置(8)，过滤装置(8)位于该燃烧腔中；
步骤4、钻注气井(1)；
步骤5、向注气井(1)内下入所述连续点火装置，利用该连续点火装置实现所述煤层的点火及倒退燃烧。
7.根据权利要求6所述的超临界煤炭地下气化产出发电的方法，其特征在于，在步骤1中，所述拓宽腔的直径为0.8米，所述拓宽腔的高度为2米；在步骤2中，所述燃烧腔的直径为2米，所述燃烧腔的高度为4米；过滤装置(8)含有陶瓷滤芯，过滤装置(8)的渗透率为30md至100md。
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