CN113073967B - 一种煤层原位转化制氢的通道布置方式和制氢方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种煤层原位转化制氢的通道布置方式和制氢方法，涉及采矿工程技术领域，优化了气化炉的气化反应界面结构，实现了稳定制氢的目的。该方法包括：注水钻孔在水平方向上位于排气钻孔和注气钻孔中间，在垂直方向上位于排气钻孔和注气钻孔上方；煤层点火，煤层中的碳发生多相化学反应产生大量的热使气化炉达到气化反应温度条件，持续注气形成稳定的温度场；注水通道注水进行煤层气化制氢，雾化水注入点回退移动，控制氢气质量；温度场的温度降低，氢气产量下降后停止雾化注水；重复注气和雾化注水的过程，完成煤层制氢的生产。该方法有效避免了可燃气体的燃烧损耗而降低煤气品质的问题，还具有成本低、产氢效率高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及采矿工程技术领域，尤其是一种煤层原位转化制氢的通道布置方式，以及制氢的方法。
背景技术
根据地质勘探结果，大部分煤田地质构造复杂，开采困难，煤炭资源回采率较低，从而导致废弃矿井中残留有大量的煤炭资源。氢作为一种新型的二次能源，燃烧后的产物是水，不产生影响环境的污染物，不排放可能导致全球变暖的温室气体，不破坏地球的物质循环，被公认的一种非常重要的洁净能源。随着经济的发展，可循环利用且绿色高效的氢能能源成为发展重点。可再生能源制氢、氢能与燃料电池技术创新将作为重点任务；氢的制取、储运及加氢站等方面的研发与攻关、燃料电池分布式发电等成为了氢能与燃料电池技术创新的方向，大规模制氢技术、分布式制氢技术、氢气储运技术、氢能燃料电池技术等创新行动正在进行。目前主要的制氢工艺主要为两个方式：电解水制氢是用铁为阴极面，镍为阳极面的串联电解槽(外形似压滤机)来电解苛性钾或苛性钠的水溶液。该方法虽所制的氢气纯度高，但消耗的电能过大，成本过高，造成资源的浪费；水煤气法制氢是以煤炭为原料，将其与水蒸气在高温下进行化学反应：C+H2O→CO+H2+Q，这种方法需要设备较多，成本高，且对环境的污染严重。
针对传统的残留煤回收方法存在资源回收率低以及对氢能的需求的两种现实情况，依据煤炭地下气化原理提出了利用残滞留煤进行原位化学转化制氢，通过合理布设条带式注水通道和条带式注排气通道，使气化炉内形成顺畅的气化燃烧状态和合理的气化反应界面形态结构，通过温度监测以及气体成分监测对注气时间进行控制，往气化炉中循环鼓入空气以及雾化水，使水进行分解和变换反应制取氢气。煤炭原位气化技术(In-situCoal Gasification,ICG)又称原地煤气化，其工艺是将赋存于地下的煤层由物理采煤变为化学采气，其实质是将煤中的有用物质(挥发分、固定碳等)通过热解、燃烧、气化等物理和化学转化的方式转变为可燃气体，是一种高碳资源低碳化开发清洁能源新技术，是资源与环境协调的煤炭绿色开采技术，也是我国低品位煤炭资源及不可采、不经济开采煤炭资源的重要利用方式。煤炭地下气化过程实际上是一种自热平衡过程，依靠煤燃烧释放大量的热，在地下气化炉内建立稳定的温度场，形成适宜发生氧化反应、还原反应、分解反应的氧化带、还原带和干馏干燥带，反应生成混合气体。
现有技术中中国专利(CN111378507A)公开了一种煤气化制氢的工艺方法，将载氧体结合到煤制氢技术中，简化变换、脱酸性气体和气体净化过程，制得高纯度的氢气。该技术的缺点是煤气化制氢能效低、经济性差、不环保。中国专利(CN207227355U)公开了一种燃煤气化制氢设备，其中燃煤气化制氢设备包括第一等离子发生器、第二等离子发生器、气化炉和过氧化物填充箱，利用氧化催化剂将煤充分气化制氢。该技术的缺点是若氧气和水蒸气电离后通过气化炉中的比例不合理，会使得煤燃烧不充分从而产生一氧化碳气体，一氧化碳气体用于燃烧产生的二氧化碳会给环境造成一定的污染。中国专利(CN106675600B)公开了煤气化制氢方法，其构建的进行氢气生产的煤气化装置包括上段气化室和下段燃烧气化室，上段气化室的周壁上设有多个上喷嘴，下段燃烧气化室的周壁上设有多个下喷嘴，多个上喷嘴中的至少一个为水蒸汽喷嘴，在下段燃烧气化室被预热后，通过下喷嘴往下段燃烧气化室内通入煤燃料和气化剂，以产生燃烧和气化反应，并且通过上喷嘴往上段气化室内通入水蒸汽，以产生水煤气变换反应。但是该装置是在气化过程的阶段控制没办法进行准确的控制，氢气不能进行大批量的生产以及对煤样的燃烧热值要求较高，在对煤炭进行采购以及运输上耗费人力物力。
为了解决现阶段煤矿中残留煤面临的问题，需要设计一种与地质环境和煤层赋存条件相适应的煤层原位化学转化制氢的通道布置方式和生产方法，使残留的废弃煤炭得到充分利用，节约能源，避免资源浪费。
发明内容
为了优化了气化炉的气化反应界面结构，实现了稳定制氢的目的，本发明提供了一种煤层原位转化制氢的通道布置方式和制氢方法，具体的技术方案如下。
一种煤层原位转化制氢的通道布置方式，包括注水钻孔、注水通道、注水管路、排气钻孔、排气通道、排气管路、井下排气管路、注气钻孔、注气管路和注气通道；所述注气通道、排气通道和注水通道在同一平面内钻孔布置，气化炉内形成的气流依次经过注气通道或注水通道、气化通道和排气通道；所述注气通道和排气通道布置在煤层底部，注水通道在长度方向上平行于注气通道，注水通道布置在注气通道的上方；注水通道和注气通道构建条带式煤炭地下原位气化制氢的气化炉，气化反应界面为俯斜界面结构；所述注水管路为移动式注水装置，注水管路的水蒸气注入口随气化反应界面的移动而回退移动。
优选的是，注水通道沿注水钻孔布置，注水管路配置伸入注水通道内；排气通道沿排气钻孔布置，排气管路伸入排气通道内，排气管路还与井下排气管路相连；注气通道沿注气钻孔布置，注气管路伸入注气通道内。
还优选的是，气化炉由注气管路输入空气至点火位置，煤层中的碳燃烧产生大量的热，监测气化炉内形成的温度场。
还优选的是，排气钻孔和注气钻孔分别位于煤层底板的两侧，监测排气钻孔排出气体的CO和CO2含量，以及H2的含量。
进一步优选的是，注水管路向气化炉内注入雾化水，根据监测到的H2含量移动水蒸气注入口在气化炉内的位置；监测H2含量的最大时间间隔是30min；当H2的含量降低至小于峰值的1/3时，H2的生产速率降低，停止注入雾化水。
进一步优选的是，煤层的顶板和底板之间的距离为L，注水钻孔布置在距离底板L/3位置处的高温区；所述注气钻孔和排气钻孔之间的距离为S，注水钻孔和注气钻孔之间的水平距离为S/4。
一种煤层原位转化制氢的方法，利用上述的一种煤层原位转化制氢的通道布置方式，步骤包括：
S1.完成煤层原位转化制氢的通道布置后，形成气化炉，在煤层点火；
S2.通过注气通道向煤层注气，注气管路输送气化剂至点火位置，煤层中的碳发生多相化学反应产生大量的热使气化炉达到气化反应温度条件，持续注气形成稳定的温度场；
S3.通过注水通道向气化炉内注水，进行煤层气化制氢，根据监测到的H2含量移动水蒸气注入口在气化炉内的位置，雾化水的注入点逐步回退移动；
S4.温度场的温度降低，氢气产量下降后停止雾化注水，并重复步骤S2和步骤S3中的煤层注气和注水的过程，控制煤层稳定制氢。
还进一步优选的是，注气管路不断向气化炉注入空气，气化炉内的高温区范围扩大，当煤气热值达到800kcal后稳定注气2小时，完成蓄热阶段。
还进一步优选的是，气化炉内的气化反应界面上，在煤层的下部形成火焰，火焰加热煤体；雾化水在气化反应截面上发生分解反应和水煤气制氢气反应，反应吸热，气化通道内温度降低。
本发明提供的一种煤层原位转化制氢的通道布置方式和制氢方法有益效果包括：
(1)相对于传统电解水制氢工艺，利用煤炭地下气化技术进行制氢是新型矿井低品质煤炭资源开采重要方法；煤炭地下气化环境需满足内部空间和外部自由空间保持隔绝，使反应空间内存在气体压力，防止气体泄漏并有利于反应的进行。
(2)该方法中利用注气通道-反应通道-排气通道的合理布置，形成顺畅的气流状态，“三带”的布置集中稳定，即氧化带、还原带和干馏干燥带具有稳定的尺寸范围和形态结构，保证了制氢反应的稳定进行。
(3)通过合理布置注水钻孔、注气钻孔、排气钻孔的相对位置，使注水钻孔分布在温度较高的氧化区、还原区，能够使第一阶段积累的大量热量有效的用于氢气生产，达到矿井低品质煤地下气化高效稳定制氢的生产要求。
(4)该方法通过建立条带式煤炭地下气化反应炉，使其具备较好的氢气产出及控制效果；通过合理布设条带式注气通道和条带式排气通道的数量、位置等，使气化炉内形成顺畅的气流状态和合理的气化反应界面形态结构；通过温度和气体成分检测，确定明确的制氢过程注气、注水切换控制指标，使地下气化制氢实现可导可控。
附图说明
图1是煤层原位转化制氢的通道布置方式示意图；
图2是煤层原位转化制氢的通道布置中的A-A截面示意图；
图3是注气通道向煤层注气阶段的示意图；
图4是向气化炉内注水阶段的示意图；
图5是煤层原位转化制氢的方法的布置示意图；
图6是煤层原位转化制氢的方法原理示意图；
图中：1-注水钻孔，2-注水通道，3-注水管路，4-排气钻孔，5-排气通道，6-排气管路，7-井下排气管路，8-注气钻孔，9-井下注气管路，10-注气通道，11-煤层，12-煤层顶板，13-煤层底板。
具体实施方式
结合图1至图6所示，对本发明提供的一种煤层原位转化制氢的通道布置方式和制氢方法具体实施方式进行说明。
针对煤矿开采后的残留煤条件，以及低品质煤炭的地下开采条件，提供一种与地质环境和煤层赋存条件相适应的煤层原位化学转化制氢生产方法。主要解决煤矿中的低品质煤炭在原位进行气化过程的通道布置问题。通过对注气时间进行指标控制，以充分燃烧煤炭，提高氢气产率；通过合理布设注水通道和注排气通道，使气化炉内形成顺畅的气化燃烧状态和合理的气化反应界面形态结构；通过温度监测以及气体成分监测，往气化炉中不断循环鼓入空气以及雾化水，使水进行分解和变换反应制取氢气。
提供的一种煤层原位转化制氢的通道布置方式，具体包括注水钻孔、注水通道、注水管路、排气钻孔、排气通道、排气管路、井下排气管路、注气钻孔、注气管路和注气通道。其中注水通道沿注水钻孔布置，注水管路配置伸入注水通道内，实现注水；排气通道沿排气钻孔布置，排气管路伸入排气通道内，排气管路还与井下排气管路相连，完成排气；注气通道沿注气钻孔布置，注气管路伸入注气通道内，实现对气化炉的注气。其中各个通道的护管、注气管路和排气管路单节长度要根据钻井参数和现场安装条件而定，且不同安装位置可以不同，一般合理的单节长度范围在3m-6m的范围内。
注气通道、排气通道和注水通道在同一平面内钻孔布置，气化炉内形成的气流依次经过注气通道或注水通道、气化通道和排气通道。其中注气通道和气化通道内的空气不与所产可燃气体混合，有效避免可燃气体的燃烧损耗并降低煤气品质。另外注气通道钻孔、排气通道钻孔的孔径及定向钻井参数要根据具体的煤层赋存状态(如煤层倾角、厚度等)以及气化炉地质储量、气化规模、服务年限、产气规模等确定，其合理的尺寸区间一般在100-300mm之间即可。另外注气通道和排气通道钻孔的掘进位置不限于位于煤层底部紧邻底板岩层位置，可以根据设计需要，位于煤层底板的下部、中下部或者中间位置，距离煤层底板岩层有一定距离；还可以在受煤层底板褶皱起伏影响时，将注气通道和排气通道钻孔部分布置于煤层底板岩石中。
注气通道和排气通道布置在煤层底部，注水通道在长度方向上平行于注气通道，注水通道布置在注气通道的上方。注水通道和注气通道构建条带式煤炭地下原位气化制氢的气化炉，气化反应界面为俯斜界面结构。注水管路为移动式注水装置，注水管路的水蒸气注入口随气化反应界面的移动而回退移动；该移动式注水装置及可以移动水蒸气注入口的水管，移动式注水装置使水蒸气注入点能够回退控制，使其具备较好的产气控制效果。
气化炉由注气管路输入空气至点火位置，煤层中的碳燃烧产生大量的热，监测气化炉内形成的温度场以及排气钻孔出气的组分检测。第一阶段由排气钻孔排出的气体主要是CO、CO2、N2，其中N2占80％左右，CO和CO2大约占20％，此时注水钻孔封闭；第二阶段由排气钻孔排出的气体主要是CO、H2，其中，H2的含量最高可达70％-80％左右，此时注气钻孔封闭。如图3和图4所示，注气通道向煤层注气阶段和向气化炉内注水阶段的分别为第一阶段和第二阶段。
排气钻孔和注气钻孔分别位于煤层底板的两侧，监测排气钻孔排出气体的CO和CO2含量，以及H2的含量。注水管路向气化炉内注入雾化水，根据监测到的H2含量移动水蒸气注入口在气化炉内的位置；监测H2含量的最大时间间隔是30min；当H2的含量降低至小于峰值的1/3时，H2的生产速率降低，停止注入雾化水。其中通过温度监测以及气体成分监测对注气时间进行控制，往气化炉中循环鼓入空气以及雾化水，满足了矿井低品质煤地下气化可导可控和稳定制氢的生产要求。
合理布置注气钻孔、注水钻孔、排气钻孔的位置，煤层的顶板和底板之间的距离为L，注水钻孔布置在距离底板L/3位置处的高温区。注气钻孔和排气钻孔之间的距离为S，注水钻孔和注气钻孔之间的水平距离为S/4。注水钻孔布置在温度较高的氧化区和还原区，保证了第一阶段燃烧反应产生的大量热量用于第二阶段H2的生产。
一种煤层原位转化制氢的方法，利用上述的一种煤层原位转化制氢的通道布置方式，步骤包括：
S1.完成煤层原位转化制氢的通道布置后，形成气化炉，在煤层点火。
S2.通过注气通道向煤层注气，注气管路输送气化剂至点火位置，煤层中的碳发生多相化学反应产生大量的热使气化炉达到气化反应温度条件，持续注气形成稳定的温度场。
具体的是，先向注气通道内的注气管路输入气化剂，气化剂可以直接使用空气，气化剂输送至点火点位置，继续使煤层燃烧气化，与煤层中的碳发生多相化学反应产生大量的热使气化炉达到气化反应所必需的温度条件，形成理想的温度场。随着不断注入空气，高温区范围不断扩大，热量向煤壁扩散，在煤气热值达到800kcal之后继续注气稳定2h，此时形成了理想的温度场，蓄热阶段结束，停止注气。
S3.通过注水通道向气化炉内注水，进行煤层气化制氢，根据监测到的H2含量移动水蒸气注入口在气化炉内的位置，雾化水的注入点逐步回退移动。
具体的是，停止注气后，由注水管路注入雾化水，使炽热的炭与雾化水在高温下发生分解反应C+H2O(g)→H2↑+CO↑、以及水煤气制氢气的反应H2O(g)+CO↓→H2↑+CO2产生大量氢气，水的分解反应为吸热反应，使气化通道温度降低。利用回拉管在注水管道内布置可移动的注水装置，使雾化水注入点能回退控制，当气化空腔扩大到无法维持化学反应条件，引起H2质量下降时，注水点后撤重新形成新的气化过程。通过煤气抽样检测，每隔30min测一次H2浓度，在H2浓度降低至峰值浓度的1/3时，H2生产速率降低最快，停止注雾化水。合理控制注气、注水时间是地下原位气化法制氢工艺的关键，若注雾化水时间过短，H2生产率会大大降低，若持续通入水蒸气时间过，会由于温度场过低，不能发生期望的化学反应，使得制氢效率低下。
其中，在气化炉内的气化反应界面上，在煤层的下部形成火焰，火焰加热煤体；雾化水在气化反应截面上发生分解反应和水煤气制氢气反应，反应吸热，气化通道内温度降低。通过布设条带式注水通道和条带式注排气通道，将注排气通道和气化制氢通道设置于煤层底部，此时火焰工作面的形态结构为俯斜的界面结构，火焰在下煤层在上，火焰高温烘烤煤体，给煤体加热，使气化炉内形成顺畅的气化燃烧状态和合理的气化反应界面形态结构。
S4.温度场的温度降低，氢气产量下降后停止雾化注水，并重复步骤S2和步骤S3中的煤层注气和注水的过程，控制煤层稳定制氢。
该方法中，煤层原位化学转化制氢分为两个阶段，第一阶段为待反应区煤体被充分预热之后，通过注气通道向气化炉中注入空气，使煤层燃烧升温，产生低热值煤气，提高温度差，为第二阶段的雾化水与煤反应创造高温反应条件。随着不断注入空气，高温区范围不断扩大，热量向煤壁扩散，在煤气热值达到800kcal之后继续注气稳定2h，此时形成了理想的温度场，蓄热阶段结束，停止空气的鼓入。第二反应阶段通过注水通道注雾化水，使炽热的炭与雾化水在高温下发生分解反应C+H2O(g)→H2↑+CO↑、以及水煤气制氢气反应H2O(g)+CO↓→H2↑+CO2产生大量氢气，水的分解反应为吸热反应，使气化通道温度降低。通过煤气抽样检测，每隔30min测一次H2浓度，在H2浓度降低至峰值浓度的1/3时，H2生产速率降低最快，停止注雾化水，重新鼓入空气。该工艺可交替生产，以此来生产氢气。两阶段的注气时间控制以及反应过程的可导可控是煤层原位化学转化制氢工艺的基本要求。
以往所构建的煤炭地下气化炉及生产系统，在通道布置方式以及制氢过程切换控制指标及标准方面，存在很多不足。一是通道布置方式设计不合理，导致气化炉内不能形成顺畅的气流状态，尤其是祝雾化水阶段，雾化水不能有效地注入到气化炉内高温反应界面，导致氢气的产率低；二是缺乏注气时间控制的指标及标准。合理控制注气、注水时间是地下原位气化制氢工艺的关键，若注气时间太短，第一阶段反应生成的热量过少，不能形成理想的温度场，使第二阶段不可能持续足够长的时间维持氢气生产，若注雾化水时间过短，H2生产率会大大降低。
一种煤层原位转化制氢的通道布置方式和制氢方法，通过建立条带式煤炭地下气化反应炉，使其具备较好的氢气产出及控制效果；通过合理布设条带式注气通道和条带式排气通道的数量、位置等，使气化炉内形成顺畅的气流状态和合理的气化反应界面形态结构；通过温度和气体成分检测，确定明确的制氢过程注气、注水切换控制指标，使地下气化制氢实现可导可控。本发明专利设计了一种煤层原位化学转化制氢的通道布置方式和生产方法，满足了煤炭地下气化可导可控和高效稳定产气的生产要求。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种煤层原位转化制氢的通道布置方式，其特征在于，包括注水钻孔、注水通道、注水管路、排气钻孔、排气通道、排气管路、井下排气管路、注气钻孔、注气管路和注气通道；所述注气通道、排气通道和注水通道在同一平面内钻孔布置，注水通道和注气通道构建条带式煤炭地下原位气化制氢的气化炉，气化反应界面为俯斜界面结构；气化炉内进出气体形成的气流依次经过注气通道、气化通道和排气通道，或是注水通道、气化通道和排气通道；所述注气通道和排气通道布置在煤层底部，注水通道在长度方向上平行于注气通道，注水通道布置在注气通道的上方；所述注水管路为移动式注水装置，注水管路的水蒸气注入口随气化反应界面的移动而回退移动；所述气化炉由注气管路输入空气至点火位置，煤层中的碳燃烧产生大量的热，监测气化炉内形成的温度场；所述排气钻孔和注气钻孔分别位于煤层底板的两侧，监测排气钻孔排出气体的CO和CO2含量，以及H2的含量；所述注水管路向气化炉内注入水蒸气，根据监测到的H2含量移动水蒸气注入口在气化炉内的位置；监测H2含量的最大时间间隔是30min；当H2的含量降低至小于H2含量峰值的1/3时，H2的生产速率降低，停止注入水蒸气。
2.根据权利要求1所述的一种煤层原位转化制氢的通道布置方式，其特征在于，所述注水通道沿注水钻孔布置，注水管路伸入注水通道内；排气通道沿排气钻孔布置，排气管路伸入排气通道内，排气管路还与井下排气管路相连；注气通道沿注气钻孔布置，注气管路伸入注气通道内。
3.根据权利要求1所述的一种煤层原位转化制氢的通道布置方式，其特征在于，所述煤层的顶板和底板之间的距离为L，注水钻孔布置在距离底板L/3位置处的高温区；所述注气钻孔和排气钻孔之间的距离为S，注水钻孔和注气钻孔之间的水平距离为S/4。
4.一种煤层原位转化制氢的方法，其特征在于，利用权利要求1至3任一项所述的一种煤层原位转化制氢的通道布置方式，步骤包括：
S1.完成煤层原位转化制氢的通道布置后，形成气化炉，在煤层点火；
S2.通过注气通道向煤层注气，注气管路输送空气至点火位置，煤层中的碳发生多相化学反应产生大量的热使气化炉达到气化反应温度条件，持续注气形成稳定的温度场；
S3.通过注水通道向气化炉内注水，进行煤层气化制氢，根据监测到的H2含量移动水蒸气注入口在气化炉内的位置，水蒸气的注入点逐步回退移动；
S4.温度场的温度降低，氢气产量下降后停止雾化注水，并重复步骤S2和步骤S3中的煤层注气和注水的过程，控制煤层稳定制氢。
5.根据权利要求4所述的一种煤层原位转化制氢的方法，其特征在于，所述注气管路不断向气化炉注入空气，气化炉内的高温区范围扩大，当煤气热值达到800kcal后稳定注气2小时，完成蓄热阶段。
6.根据权利要求4所述的一种煤层原位转化制氢的方法，其特征在于，所述气化炉内的气化反应界面上，在煤层的下部形成火焰，火焰加热煤体；水蒸气在气化反应截面上发生分解反应和水煤气制氢气反应，反应吸热，气化通道内温度降低。
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