CN111827957A - 利用干热岩热能制超临界蒸汽循环发电制氢的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用干热岩热能制超临界蒸汽循环发电制氢的系统及方法，通过在地下干热岩层钻水平井、直井，定向爆燃压裂后形成众多微裂缝，注入水及催化剂利用干热岩的热量，在地下制超临界蒸汽，形成高温高压蒸汽和催化剂混合物，使水强力裂解制取氢气，循环发电，降低制氢成本，充分利用地下干热岩储存的巨大热能资源，提高能源利用率，确保国家能源需求。
Description
技术领域
本发明涉及干热岩资源开发技术领域,具体涉及一种利用地层干热岩所储存的巨大长效热能，注水、催化剂地下制超临界蒸汽循环发电制氢气的方法。
背景技术
干热岩(HDR)，也称增强型地热系统(EGS)，或称工程型地热系统，是一般温度大于200℃、埋深数千米、内部不存在流体或仅有少量地下流体的高温岩体。这种岩体的成分可以变化很大,绝大部分为中生代以来的中酸性侵入岩,但也可以是中新生代的变质岩,甚至是厚度巨大的块状沉积岩。干热岩主要被用来提取其内部的热量,因此其主要的工业指标是岩体内部的温度。
开发干热岩资源的原理是从地表往干热岩中打一眼井,在距注入井合理的位置处钻几口井并贯通人工热储构造,这些井用来回收高温水、汽,称之为生产井。注入的水沿着裂隙运动并与周边的岩石发生热交换,产生了温度高达200-300℃的高温高压水或水汽混合物。从贯通人工热储构造的生产井中提取高温蒸汽,用于地热发电和综合利用。利用之后的温水又通过注入井回灌到干热岩中,从而达到循环利用的目的。
但是这种长效资源如果仅仅如此利用，那就大大浪费了地球送给人类的资源。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种利用干热岩热能制超临界蒸汽循环发电制氢的系统及方法，在地下干热岩层钻水平井直井，定向爆燃压裂后形成众多微裂缝，注入水及催化剂利用干热岩的热量，在地下制超临界蒸汽，形成高温高压蒸汽催化剂混合物，使水强力裂解制取氢气，循环发电，降低制氢成本，充分利用地下干热岩储存的巨大热能资源，提高能源利用率，确保国家能源需求。
为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
利用干热岩热能制超临界蒸汽循环发电制氢的系统，包括井口泄压发电站、热电转换站、气体分离罐、注入井、采气井、高温电热电缆；
所述井口泄压发电站、热电转换站、气体分离罐建设在地面并依次相连通；所述注入井为水平井，其从地面往下延伸至设定深度的深层干热岩；所述采气井为直井，其从地面往下延伸至注入井的水平段的位置并与之相连通；所述高温电热电缆电性连接于所述井口泄压发电站，其从地面下入所述注入井中并延伸至注入井的水平段；所述注入井用于对其水平段位置的深层干热岩进行定向爆燃压裂以在深层干热岩上制造大量微裂缝，并用于注入水及催化剂的混合物，使深层干热岩的微裂缝释放出的地层热量将水及催化剂的混合物加热成高温高压蒸汽和催化剂的混合物；所述高温电热电缆用于对注入井内的高温高压蒸汽进行加热使其形成超临界状态的蒸汽，从而使催化剂与超临界状态的蒸汽迅速反应，水分子裂解为氢气和氧气；所述井口泄压发电站和所述采气井相连通，用于利用经采气井采出的含有氢气、氧气和高温高压蒸汽的高温高压混合气进行发电；所述热电转换站用于对经井口泄压发电站利用后的高温高压混合气进行热-电转换再次发电；所述气体分离罐用于对经热电转换站利用后的混合气中的氧气和氢气进行分离。
进一步地，在上述系统中，高温电热电缆的的加热温度可控范围为500-1500℃。
本发明还提供一种利用干热岩热能制超临界蒸汽循环发电制氢的方法，包括如下步骤：
在地面建设井口泄压发电站、热电转换站和气体分离罐，并使其依次连通；
在深层干热岩内钻水平井作为注入井和钻直井作为采气井，所述注入井从地面开始延伸至设定深度的深层干热岩；采气井从地面往下延伸至注入井的水平段的位置并与之相连通；
通过注入井在注入井的水平段进行定向爆燃压裂，在深层干热岩中制造大量微裂缝，便于深层干热岩的热量释放和利用；
从地面往注入井中下入高温电热电缆，所述高温电热电缆一直延伸至注入井的水平段；
往注入井中注入水及催化剂的混合物，注入压力大于25兆帕；利用深层干热岩的微裂缝释放的热量将水及催化剂的混合物加热至200-280℃，形成高温高压蒸汽和催化剂的混合物；
通过高温电热电缆持续加热至500-1500℃，使高温高压蒸汽形成超临界状态，催化剂与超临界状态的蒸汽迅速反应，使水分子裂解为氢气和氧气；
通过不断持续地往注入井中注入水及催化剂的混合物，使深层干热岩中形成连续反应的状态；
含有氢气、氧气和高温高压蒸汽的高温高压混合气通过采气井采出，控制采出压力大于22兆帕；
采出的高温高压混合气首先通过井口泄压发电站进行利用发电，经井口泄压发电站利用发电后的高温高压混合气通过热电转换站进行热-电转换再次发电；经热电转换站利用后的混合气进入气体分离罐中，气体分离罐对混合气中的氢气及氧气进行分离；
井口泄压发电站及热电转换站发电的电能传输至电网或用作高温电热电缆用电；
经过气体分离后剩余的热水和热蒸汽经过净化后直接回注至注入井中，重新进入深层干热岩中发生反应。
进一步地，上述方法中，通过气体分离罐进行分离的氢气和氧气分别存储在氢气存储罐和氧气存储罐。
本发明的有益效果在于：本发明系统及方法通过在地下干热岩层钻水平井、直井，定向爆燃压裂后形成众多微裂缝，注入水及催化剂利用干热岩的热量，在地下制超临界蒸汽，形成高温高压蒸汽和催化剂混合物，使水强力裂解制取氢气，循环发电，降低制氢成本，充分利用地下干热岩储存的巨大热能资源，提高能源利用率，确保国家能源需求。
附图说明
图1为本发明实施例的实施示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步的描述。需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的描述和具体的实施方式，但是本发明的保护范围不限于本实施例。
实施例1
本实施例提供一种利用干热岩热能制超临界蒸汽循环发电制氢的系统，如图1所示，包括井口泄压发电站1、热电转换站2、气体分离罐3、注入井5、采气井6、高温电热电缆8；
所述井口泄压发电站1、热电转换站2、气体分离罐3建设在地面并依次相连通；所述注入井5为水平井，其从地面往下延伸至设定深度的深层干热岩4(本实施例中为地下2000米处的深层干热岩4)；所述采气井6为直井，其从地面往下延伸至注入井5的水平段的位置并与之相连通；所述高温电热电缆8电性连接于所述井口泄压发电站1，其从地面下入所述注入井5中并延伸至注入井5的水平段；所述注入井5用于对其水平段位置的深层干热岩进行定向爆燃压裂以在深层干热岩上制造大量微裂缝，并用于注入水及催化剂的混合物，使深层干热岩的微裂缝释放出的地层热量将水及催化剂的混合物加热成高温高压蒸汽和催化剂的混合物；所述高温电热电缆8用于对注入井5内的高温高压蒸汽进行加热使其形成超临界状态的蒸汽，从而使催化剂与超临界状态的蒸汽迅速反应，水分子裂解为氢气和氧气；所述井口泄压发电站1和所述采气井6相连通，用于利用经采气井6采出的含有氢气、氧气和高温高压蒸汽的高温高压混合气进行发电；所述热电转换站2用于对经井口泄压发电站1利用后的高温高压混合气进行热-电转换再次发电；所述气体分离罐3用于对经热电转换站2利用后的混合气中的氧气和氢气进行分离。
在本实施例中，高温电热电缆8的最高加热温度为800℃。
实施例2
本实施例提供一种利用干热岩热能制超临界蒸汽循环发电制氢的方法，如图1所示，包括如下步骤：
在地面建设井口泄压发电站1、热电转换站2和气体分离罐3，并使其依次连通；
在深层干热岩内钻水平井作为注入井5和钻直井作为采气井6，所述注入井5从地面开始延伸至设定深度的深层干热岩4(本实施例中为地下2000米处的深层干热岩4)；采气井6从地面往下延伸至注入井5的水平段的位置并与之相连通；
通过注入井5在注入井5的水平段进行定向爆燃压裂，在深层干热岩中制造大量微裂缝7，便于深层干热岩的热量释放和利用；
从地面往注入井5中下入高温电热电缆8，所述高温电热电缆8一直延伸至注入井5的水平段；
往注入井5中注入水及催化剂的混合物，注入压力大于25兆帕；利用深层干热岩4的微裂缝7释放的热量将水及催化剂的混合物加热至230℃，形成高温高压蒸汽和催化剂的混合物；
通过高温电热电缆8持续加热至500℃，使高温高压蒸汽形成超临界状态，催化剂与超临界状态的蒸汽迅速反应，使水分子裂解为氢气和氧气；
通过不断持续地往注入井5中注入水及催化剂的混合物，使深层干热岩4中形成连续反应的状态；
含有氢气、氧气和高温高压蒸汽的高温高压混合气通过采气井采出，控制采出压力为22.5兆帕；
采出的高温高压混合气首先通过井口泄压发电站1进行利用发电，经井口泄压发电站1利用发电后的高温高压混合气通过热电转换站2进行热-电转换再次发电；经热电转换站2利用后的混合气12进入气体分离罐3中，气体分离罐3对混合气中的氢气及氧气进行分离；
井口泄压发电站1及热电转换站2发电的电能传输至电网13或用作高温电热电缆8用电；
经过气体分离后剩余的热水和热蒸汽经过净化后直接回注至注入井5中，重新进入深层干热岩中发生反应。
在本实施例中，通过气体分离罐3进行分离的氢气和氧气分别存储在氢气存储罐10和氧气存储罐11。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (4)
1.利用干热岩热能制超临界蒸汽循环发电制氢的系统，其特征在于，包括井口泄压发电站(1)、热电转换站(2)、气体分离罐(3)、注入井(5)、采气井(6)、高温电热电缆(8)；
所述井口泄压发电站(1)、热电转换站(2)、气体分离罐(3)建设在地面并依次相连通；所述注入井(5)为水平井，其从地面往下延伸至设定深度的深层干热岩(4)；所述采气井(6)为直井，其从地面往下延伸至注入井(5)的水平段的位置并与之相连通；所述高温电热电缆(8)电性连接于所述井口泄压发电站(1)，其从地面下入所述注入井(5)中并延伸至注入井(5)的水平段；所述注入井(5)用于对其水平段位置的深层干热岩进行定向爆燃压裂以在深层干热岩上制造大量微裂缝，并用于注入水及催化剂的混合物，使深层干热岩的微裂缝释放出的地层热量将水及催化剂的混合物加热成高温高压蒸汽和催化剂的混合物；所述高温电热电缆(8)用于对注入井(5)内的高温高压蒸汽进行加热使其形成超临界状态的蒸汽，从而使催化剂与超临界状态的蒸汽迅速反应，水分子裂解为氢气和氧气；所述井口泄压发电站(1)和所述采气井(6)相连通，用于利用经采气井(6)采出的含有氢气、氧气和高温高压蒸汽的高温高压混合气进行发电；所述热电转换站(2)用于对经井口泄压发电站(1)利用后的高温高压混合气进行热-电转换再次发电；所述气体分离罐(3)用于对经热电转换站(2)利用后的混合气中的氧气和氢气进行分离。
2.根据权利要求1所述的利用干热岩热能制超临界蒸汽循环发电制氢的系统，其特征在于，高温电热电缆(8)的加热温度可控范围为500-1500℃。
3.一种利用干热岩热能制超临界蒸汽循环发电制氢的方法，其特征在于，包括如下步骤：
在地面建设井口泄压发电站(1)、热电转换站(2)和气体分离罐(3)，并使其依次连通；
在深层干热岩内钻水平井作为注入井(5)和钻直井作为采气井(6)，所述注入井(5)从地面开始延伸至设定深度的深层干热岩(4)；采气井(6)从地面往下延伸至注入井(5)的水平段的位置并与之相连通；
通过注入井(5)在注入井(5)的水平段进行定向爆燃压裂，在深层干热岩中制造大量微裂缝7，便于深层干热岩的热量释放和利用；
从地面往注入井(5)中下入高温电热电缆(8)，所述高温电热电缆(8)一直延伸至注入井(5)的水平段；
往注入井(5)中注入水及催化剂的混合物，注入压力大于25兆帕；利用深层干热岩(4)的微裂缝(7)释放的热量将水及催化剂的混合物加热至200-280℃，形成高温高压蒸汽和催化剂的混合物；
通过高温电热电缆(8)持续加热至500-1500℃，使高温高压蒸汽形成超临界状态，催化剂与超临界状态的蒸汽迅速反应，使水分子裂解为氢气和氧气；
通过不断持续地往注入井(5)中注入水及催化剂的混合物，使深层干热岩(4)中形成连续反应的状态；
含有氢气、氧气和高温高压蒸汽的高温高压混合气通过采气井采出，控制采出压力大于22兆帕；
采出的高温高压混合气首先通过井口泄压发电站(1)进行利用发电，经井口泄压发电站(1)利用发电后的高温高压混合气通过热电转换站(2)进行热-电转换再次发电；经热电转换站(2)利用后的混合气(12)进入气体分离罐(3)中，气体分离罐(3)对混合气中的氢气及氧气进行分离；
井口泄压发电站(1)及热电转换站(2)发电的电能传输至电网(13)或用作高温电热电缆(8)用电；
经过气体分离后剩余的热水和热蒸汽经过净化后直接回注至注入井(5)中，重新进入深层干热岩中发生反应。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过气体分离罐(3)进行分离的氢气和氧气分别存储在氢气存储罐(10)和氧气存储罐(11)。
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2020
- 2020-07-23 CN CN202010716409.9A patent/CN111827957A/zh active Pending
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