CN114718534B - 一种富油煤自生热与电加热耦合的原位热解系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种富油煤自生热与电加热耦合的原位热解系统，包括风‑光互补发电装置，注热井/空气冷却通入井，生产井/空气冷却通出井，电加热井，温度监测井，高温换热器，一级分离装置，二级分离装置，中温煤焦油储罐，低温煤焦油储罐等。针对富油煤地下直接热解所需周期长，本发明采用煤缓慢氧化自生热辅助电加热井升温地块的方法，针对地下直接热解富油煤产生的大量余热，构建了空气冷却系统，有效将余热传递至一下地块使用。为达到煤缓慢氧化所需条件，预热空气需进行二次预热，并由温控系统严格控制温度与进入煤层区的氧气量。本发明全系统输入电能，输出了油，捕集了CO2并进行地质封存，减缓大气污染与温室效应，其余部分能量被充分利用。
Description
技术领域
本发明涉及一种富油煤自生热与电加热耦合的原位热解系统。
背景技术
集煤油气属性为一体的富油煤资源，富油煤在提高油气转化效率、降低经济成本方面具有更好优势。现阶段富油煤的清洁高效地面热解一体化开采技术趋于成熟，位于浅层的富油煤资源也日趋匮乏，位于深层的富油煤因开采难度大、经济效益低而未得到有效利用，同时富油煤地上热解会产生大量废气与固体污染物。富油煤地下直接热解技术具有绿色低碳开发的巨大潜力，并已有一定的技术积累，目前已知的地下直接热解技术仍存在热能利用率低、热解周期长、能源消耗巨大问题，其中，地下煤层开采存在的自燃问题带来巨大安全隐患，煤焦油在常温条件下易凝固形成粘稠状、半固结状，因此，如何精确控制煤层原位热解温度，实现煤焦油在煤层中长距离保温运移，采取合理布井方式，缩短地下直接热解周期以及热解过程结束后的余热利用问题亟需解决。
发明内容
针对位于地下深层区的富油煤，可以采用原位热解法将其中的油气提取出来利用，但地下直接热解存在技术尚不成熟、热能利用率低、热解周期长、能源消耗巨大等问题。因此，本发明提供了一种富油煤自生热与电加热耦合的原位热解系统，其利用新型立体组合布井方式和煤的自生热放热与新能源电加热耦合系统对富油煤进行高效原位热解。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种富油煤自生热与电加热耦合的原位热解系统，包括风-光互补发电装置、注热井/空气冷却通入井、生产井/空气冷却通出井、电加热井、温度监测井、高温换热器、一级分离装置、二级分离装置、中温煤焦油储罐、低温煤焦油储罐、燃烧室、气体分离装置和风机；
对初始地块，通过风-光互补发电装置供电，通过电加热井对煤层区地块进行升温，促使煤层区富油煤依次热解，产生高温油气混合物并从生产井/空气冷却通出井中提取收集；
每一地块由以生产井/空气冷却通出井为中心，与四个注热井/空气冷却通入井构成的四边形为基本单元的布井结构构成，注热井/空气冷却通入井深入煤层区，在煤层区，每一注热井/空气冷却通入井与其相邻的两个本单元注热井/空气冷却通入井以及相邻单元的两个注热井/空气冷却通入井间通过横向井相连；每个布井基本单元还包括四个电加热井，两个温度监测井与若干横向井构成，每相邻两个注热井/空气冷却通入井连线中点设置一个电加热井，两个温度监测井分别设置在单元对角线上，一个注热井/空气冷却通入井与生产井/空气冷却通出井连线中点设置一个温度监测井，每一温度监测井自上而下均匀布置若干温度测点，用于监测本地块煤层区任意一点温度，并及时进行反馈至控制中心，及时调整电加热井输出功率；
生成的油气混合物经高温换热器、一级分离装置、二级分离装置将油、气分离，油分为中温煤焦油与低温煤焦油，分别输运至中温煤焦油储罐和低温煤焦油储罐存贮，混合气继续经气体分离装置分为三路：第一路为CO2捕集并进行地质封存，第二路为变压吸附分离N2，第三路为烷烃类可燃气体的提纯并输运至下一地块燃烧室；
提纯后的烷烃类可燃气体将进入下一地块的燃烧室，与由风机鼓入的空气混合点燃，加热吸收了本地块余热的空气，以此进行下一地块的初始升温，并促使下一地块煤层区的富油煤缓慢加热氧化。
本发明进一步的改进在于，本地块富油煤原位热解完毕后，启动本地块风机鼓入空气吸收本地块余热，并经注热井/空气冷却通入井、生产井/空气冷却通出井直至输运至下一地块燃烧室用作助燃剂。
本发明进一步的改进在于，对初始地块的下一地块，在升温开始阶段不启用电加热井，而是利用预热空气对本地块的富油煤进行缓慢氧化，一旦温度超过着火点，煤层区温度将急剧上升，使用温度监测井实时监测本地块煤层温度，并控制进入地块预热空气的输运量与温度，当富油煤温度临近着火点时，则启用电加热井辅助加热本地块，并保持富油煤氧化温度为安全值，实现缓慢氧化自生热法与电加热法耦合使用。
本发明进一步的改进在于，多个注热井/空气冷却通入井之间呈十字状排布。
本发明进一步的改进在于，该系统采用以生产井/空气冷却通出井为中心的四边形立体布井方式，以一个生产井/空气冷却通出井、四个注热井/空气冷却通入井、四个电加热井、两个温度监测井与若干煤层区横向井为一个基本布井单元，在一个地块有序排布，实现地块空间资源利用最大化。
本发明进一步的改进在于，该系统引入温度监测系统对整个地块温度进行实时监测与控制，在温度监测井内自上而下按设定规律布置多个温度测点，实现煤层区温度监测全覆盖，辅以自动控制系统，对煤缓慢氧化的温度与氧气量条件进行严格控制。
本发明进一步的改进在于，在任意地块富油煤原位热解阶段结束后，注热井/空气冷却通入井、生产井/空气冷却通出井与其连接的横向井内将由风机鼓入空气，对地块内部余热进行吸收，并输送至下一地块进行二次预热，此时注热井/空气冷却通入井用作空气冷却通入井，生产井/空气冷却通出井用作空气冷却通出井，实现一井两用，避免额外钻井造成空间资源浪费。
本发明进一步的改进在于，预热空气输运至下一地块前需进行二次预热，生产开始前第二次预热能量来源为光热，生产开始后第二次预热能量来源为光热与燃烧室内烃类气体燃烧放热。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
(1)利用煤缓慢氧化的机理对地块进行升温，传统热解方法需要防止煤自燃产生的危害，本系统引入严格的温控系统，配合以生产井为中心的四边形立体布井方式，有效将煤缓慢氧化自生热的能量合理利用。
(2)注热井、生产井与其连接的横向井在热解的不同阶段作用不同，一井两用，避免额外钻井，合理利用地块空间，减少资源浪费。
(3)煤层区块热解结束后的地层中含有大量热能，通过在热解结束后通入空气的方式将本地块热量充分吸收，并通入下一地块的燃烧室内助燃，降低燃烧室所需额外热量
(4)采用风-光互补的新能源发电手段，并采用电加热法进行富油煤地下直接热解，提高了热解效率，减少有机污染物的排放，具有广泛的应用前景。
(5)该系统自外部输入电能进行电加热，结合煤自生热能量，便可以持续从地下煤层中提取油气，通过变压吸附的方式将混合气中CO2、N2分离，并将CO2捕集后地质封存，减少了大量的碳排放，从而减缓环境污染与温室效应。
附图说明
图1是本发明一种富油煤自生热与电加热耦合的原位热解系统的结构示意图；
图2、图3是本发明一种富油煤自生热与电加热耦合的原位热解系统的布井结构侧视图；
图4、图5是本发明一种富油煤自生热与电加热耦合的原位热解系统的布井结构俯视图。
附图标记说明：
1为风-光互补发电装置，2为注热井/空气冷却通入井，3为生产井/空气冷却通出井，4为电加热井，5为温度监测井，6为高温换热器，7为一级分离装置，8为二级分离装置，9为中温煤焦油储罐，10为低温煤焦油储罐，11为CO2地质封存过程，12为N2分离过程，13为油气混合物，14为预热空气输入，15为预热空气输出，16为燃烧室，17为气体分离装置，18为风机，19为温度测点，20为地块，21为预热空气。
图1、4、5中虚线只表示布井几何形状，井间连接方式在图1中实线表示。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详述：
参见图1，本发明提供的富油煤自生热与电加热耦合原位热解系统，包括风-光互补发电装置1，注热井/空气冷却通入井2，生产井/空气冷却通出井3，电加热井4，温度监测井5，高温换热器6，一级分离装置7，中温煤焦油储罐9，二级分离装置8，低温煤焦油储罐10，燃烧室16，气体分离装置17，以及风机18。该系统综合考虑到富油煤通过缓慢氧化所需的空气供给，温度监测与控制，高效布井方式，地块余热利用过程，结合了变压吸附法分离N2与碳捕集技术，设计出由电加热法与自生热法的耦合方式将富油煤原位热解，结合一井多用，最大限度利用现有资源与空间布井，富油煤热解后产物进行分离提纯，并将分离可燃气体引入燃烧室点燃，对即将进入地块的空气进行预热。
本发明所提出的一种富油煤自生热与电加热耦合的原位热解系统，具体是指：
(1)对初始地块，需要风-光互补发电装置1供电，通过电加热井4对煤层区地块进行迅速升温，促使煤层区富油煤依次热解，产生高温油气混合物并从生产井/空气冷却通出井3中提取收集。此时无预热空气存在，无法对煤层进行加热。
(2)每一地块由以生产井/空气冷却通出井3为中心，与四个注热井/空气冷却通入井2构成的四边形为基本单元的布井结构构成，注热井/空气冷却通入井2深入煤层区，在煤层区，每一注热井与其相邻的两个本单元注热井/空气冷却通入井2、相邻单元的两个注热井/空气冷却通入井2间通过横向井相连，呈十字状排布。其中，每个布井基本单元还包括四个电加热井4，两个温度监测井5与若干横向井构成，每相邻两个注热井/空气冷却通入井2连线中点设置一个电加热井4，两个温度监测井5分别设置在单元对角线上，一个注热井与生产井连线中点设置一个温度监测井5，每一温度监测井5自上而下均匀布置若干温度测点19，保证实时、准确监测本地块煤层区任意一点温度，并及时进行反馈至控制中心，及时调整电加热井输出功率。
(3)富油煤热解生成的高温油气混合自煤层区经由生产井/空气冷却通出井3输运至地表，经由油气输运通道首先进入高温换热器6降温至400℃左右，并在一级分离装置7中实现中温煤焦油与气的分离，并在一级分离装置中适当进行热交换，将油气温度降低至200℃左右，在二级分离器8中将低温煤焦油与气分离。
(4)分离后的混合气在二级分离装置8出口处降温至25℃左右，在气体分离装置17中通过变压吸附发分离N2，同时提纯烷烃类可燃气体，捕集CO2并进行地质封存，避免温室气体排放至大气造成污染。
(5)提纯后的烷烃类可燃气体将进入下一地块的燃烧室16，与由风机18鼓入的空气混合点燃，加热吸收了本地块余热的空气，以此进行下一地块的初始升温，并促使下一地块煤层区的富油煤缓慢氧化。
(6)本地块富油煤原位热解完毕后，启动本地块风机6鼓入空气吸收本地块余热，并经由注热井/空气冷却通入井2、生产井/空气冷却通出井3直至输运至下一地块燃烧室16用作助燃剂。
(7)对初始地块的下一地块，在升温开始阶段不启用电加热井4，而是利用预热空气对本地块的富油煤进行缓慢氧化，该预热空气来自初始地块，并根据温度需要进行二次预热，生产开始前仅采用光热二次预热，生产开始后经燃烧室进行二次预热，一旦温度超过着火点发生，煤层区温度将急剧上升，故需使用温度监测井5实时监测本地块煤层温度，并控制进入地块预热空气的输运量与温度，当富油煤达到着火点，则适时启用电加热井4辅助加热本地块，实现缓慢氧化自生热法与电加热法耦合使用，此方法在地块升温初期将极大节省能源，并且能使煤层区均匀受热。
结合附图1，本发明的具体工作如下所示：
对初始地块进行加热时，采用风-光互发电装置1直接为电加热井4供电，使地块迅速升温至富油煤热解，生成油气混合物并经生产井/空气冷却通出井3提取。对于该地块，不采用煤自生热与电加热耦合的方法进行富油煤原位热解。
因富油煤地下热解时，周围岩层温度在中、低温，即200℃至600℃左右条件下热稳定性相对较好、渗透性较高，有利于油气产物的输运与产出，生成的油气混合物经高温换热器6、一级分离装置7、二级分离装置8将油、气分离，油分为中温煤焦油与低温煤焦油，分别输运至中温煤焦油储罐9和低温煤焦油储罐10存贮，混合气继续经气体分离装置分为三路：一路为CO2捕集并进行地质封存；一路为变压吸附分离N2；一路为烷烃类可燃气体的提纯并输运至下一地块燃烧室16。在一级分离装置7与二级分离装置8临近出口处均设置有内部换热器，便于控制油气混合物的温度。
对下一地块的升温开始阶段，与初始地块不同的是，此时有经燃烧室预热的空气由风机18鼓入系统，此时不启用电加热井4，仅依靠预热空气对本地块进行缓慢升温，由温度监测井5实时控制地块温度，直至富油煤达到适当温度，适时启用电加热井5辅助升温地块，促使本地块富油煤原位热解直至完全，对于后续地块，热解过程相同。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (1)
1.一种富油煤自生热与电加热耦合的原位热解系统，其特征在于，包括风-光互补发电装置(1)、注热井/空气冷却通入井(2)、生产井/空气冷却通出井(3)、电加热井(4)、温度监测井(5)、高温换热器(6)、一级分离装置(7)、二级分离装置(8)、中温煤焦油储罐(9)、低温煤焦油储罐(10)、燃烧室(16)、气体分离装置(17)和风机(18)；
对初始地块，通过风-光互补发电装置(1)供电，通过电加热井(4)对煤层区地块进行升温，促使煤层区富油煤依次热解，产生高温油气混合物并从生产井/空气冷却通出井(3)中提取收集；
每一地块由以生产井/空气冷却通出井(3)为中心，与四个注热井/空气冷却通入井(2)构成的四边形为基本单元的布井结构构成，注热井/空气冷却通入井(2)深入煤层区，在煤层区，每一注热井/空气冷却通入井(2)与其相邻的两个本单元注热井/空气冷却通入井(2)以及相邻单元的两个注热井/空气冷却通入井(2)间通过横向井相连；每个布井基本单元还包括四个电加热井(4)，两个温度监测井(5)与若干横向井构成，每相邻两个注热井/空气冷却通入井(2)连线中点设置一个电加热井(4)，两个温度监测井(5)分别设置在单元对角线上，一个注热井/空气冷却通入井(2)与生产井/空气冷却通出井(3)连线中点设置一个温度监测井(5)，每一温度监测井(5)自上而下均匀布置若干温度测点，用于监测本地块煤层区任意一点温度，并及时进行反馈至控制中心，及时调整电加热井(4)输出功率；
生成的油气混合物经高温换热器(6)、一级分离装置(7)、二级分离装置(8)将油、气分离，油分为中温煤焦油与低温煤焦油，分别输运至中温煤焦油储罐(9)和低温煤焦油储罐(10)存贮，混合气继续经气体分离装置(17)分为三路：第一路为CO2捕集并进行地质封存，第二路为变压吸附分离N2，第三路为烷烃类可燃气体的提纯并输运至下一地块燃烧室(16)；
提纯后的烷烃类可燃气体将进入下一地块的燃烧室(16)，与由风机(18)鼓入的空气混合点燃，加热吸收了本地块余热的空气，以此进行下一地块的初始升温，并促使下一地块煤层区的富油煤缓慢加热氧化；
本地块富油煤原位热解完毕后，启动本地块风机(18)鼓入空气吸收本地块余热，并经注热井/空气冷却通入井(2)、生产井/空气冷却通出井(3)直至输运至下一地块燃烧室(16)用作助燃剂；
多个注热井/空气冷却通入井(2)之间呈十字状排布；
该系统采用以生产井/空气冷却通出井(3)为中心的四边形立体布井方式，以一个生产井/空气冷却通出井(3)、四个注热井/空气冷却通入井(2)、四个电加热井(4)、两个温度监测井(5)与若干煤层区横向井为一个基本布井单元，在一个地块有序排布，实现地块空间资源利用最大化；
在任意地块富油煤原位热解阶段结束后，注热井/空气冷却通入井(2)、生产井/空气冷却通出井(3)与其连接的横向井内将由风机(18)鼓入空气，对地块内部余热进行吸收，并输送至下一地块进行二次预热，此时注热井/空气冷却通入井(2)用作空气冷却通入井，生产井/空气冷却通出井(3)用作空气冷却通出井，实现一井两用，避免额外钻井造成空间资源浪费；
对初始地块的下一地块，在升温开始阶段不启用电加热井(4)，而是利用预热空气对本地块的富油煤进行缓慢氧化，一旦温度超过着火点，煤层区温度将急剧上升，使用温度监测井(5)实时监测本地块煤层温度，并控制进入地块预热空气的输运量与温度，当富油煤温度临近着火点时，则启用电加热井(4)辅助加热本地块，并保持富油煤氧化温度为安全值，实现缓慢氧化自生热法与电加热法耦合使用；
该系统引入温度监测系统对整个地块温度进行实时监测与控制，在温度监测井(5)内自上而下按设定规律布置多个温度测点，实现煤层区温度监测全覆盖，辅以自动控制系统，对煤缓慢氧化的温度与氧气量条件进行严格控制；
预热空气输运至下一地块前需进行二次预热，生产开始前第二次预热能量来源为光热，生产开始后第二次预热能量来源为光热与燃烧室内烃类气体燃烧放热。
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