CN114876437B - 一种利用超临界水的煤层原位制氢方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于地下能源开采技术领域，具体涉及一种利用超临界水的煤层原位制氢方法。一种利用超临界水的煤层原位制氢方法，具体步骤为：将均相腔布置在垂直钻井的井筒底部，均相腔敞开的底部与煤层直接连接，在均相腔的外部设有环形电加热器；混合浆液从注入均相腔，然后开启环形电加热器加热，当均相腔内水达到超临界状态时，向均相腔内持续注入氧气；均相腔底部直接连接的煤体与水和氧气在超临界水环境中发生化学反应，反应产生的二氧化碳和氢气溶于超临界水中；当直接连接的煤层区域反应完成后，通过一号管路的管口泄压，并进行氢气采收。本发明具有开采方法的实施过程简单，制氢成本低，制备过程中不会生产CO2排放等优点。
Description
技术领域
本发明属于地下能源开采技术领域，具体涉及一种利用超临界水的煤层原位制氢方法。
背景技术
氢是一种清洁能源，燃烧生成水，不会产生任何污染物。煤炭制氢技术是以煤炭为还原剂，水蒸汽为氧化剂，通过煤炭与空气燃烧放出的热量提供了反应所需要的热量，在高温下将碳转化为CO和H2为主的合成气，然后经过煤气净化、CO转化以及H2提纯等主要生产环节生产氢气。由于世界煤炭储量丰富，煤炭制氢是目前氢气的主要制取方法。但事实上现有煤炭制氢技术不仅实施过程比较复杂，制氢成本高，而且制备过程中生产的CO2会造成大量碳排放。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供了一种利用超临界水的煤层原位制氢方法，解决现有开采方法的实施过程比较复杂，制氢成本高，制备过程中会生产大量的CO2排放等技术问题。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现的：
一种利用超临界水的煤层原位制氢方法，具体步骤为：
①从地面施工垂直钻井至煤层顶部，将均相腔布置在垂直钻井的井筒底部，通过一号管路和二号管路将均相腔的顶部连接至地面，将均相腔敞开的底部与煤层直接连接，将环形电加热器设置在均相腔的外部；
②将水和盐岩粉末的混合浆液从一号管路加压注入均相腔，直至均相腔和与其底部连接的煤层区域均被灌满时停止，然后开启环形电加热器加热混合浆液，当均相腔内水达到超临界状态时，从二号管路向均相腔内持续注入氧气；
③均相腔底部直接连接的煤体与水和氧气在超临界水环境中发生化学反应，反应产生的二氧化碳和氢气溶于超临界水中；
④当与均相腔底部直接连接的煤层区域反应完成后，停止注入氧气；
⑤通过一号管路的地面管口泄压，并进行氢气采收。
进一步的，所述步骤①中二号管路与均相腔连接处装设耐高温高压的止逆阀；所述环形电加热器与煤层之间采用封隔器分隔。
进一步的，所述步骤②中盐岩粉末难溶于超临界水；所述盐岩粉末的平均粒径与钻孔底部原始煤体主要渗流孔隙的平均宽度相等。
进一步的，所述步骤②中混合浆液的注入压力≥22.1MPa，混合浆液加热的温度＞374℃；所述混合浆液的浓度是依据煤体原始孔隙率、发生化学反应区域大小、化学反应速率等参数确定并动态调整。
进一步的，所述步骤②中向均相腔内注入氧气的注入速率是依据煤体与氧气的反应速率和超临界水的温度确定并动态调整。
进一步的，所述步骤③中煤体与水和氧气发生化学反应为：
C+O2→CO2+ΔQ1和C+H2O+ΔQ2→CO2+H2
进一步的，所述步骤⑤中泄压后均相腔内压力保持在＞7.29MPa且＜22.1MPa。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)使煤层在原位与氧气发生反应，且反应产生热量作为煤炭制氢反应能量而有效利用，与将井工方式开采的煤炭作为燃料和反应物的地面煤炭制氢技术相比，大幅降低了制氢的经济成本。
(2)保留在地层中的半焦化煤体作为超临界水、盐岩粉末、氧气、氢气的的渗流通道，保证了制氢反应的持续性，避免了煤炭全部气化造成通道坍塌导致开采终止。
(3)留在地层中的半焦化煤体以多孔的结构形式保留在原位，可支撑上覆的岩层，避免了传统的井工方式煤炭开采造成地层破坏导致地下水流失引起的土地荒漠化等，以及传统的煤炭资源利用造成的环境污染
(4)制氢过程中将反应产生的二氧化碳完全保留在地层中，避免了碳排放对大气环境的损害。
(5)通过利用盐岩粉末调节钻井下部煤体渗透率、以及利用煤与氧气反应热维持水的温度，实现煤体在原位的超临界水环境中与水发生持续可控的氧化还原制氢反应，煤层经过氧化后产生的半焦化煤体转变为孔隙发育的多孔骨架，在氢气制取与采收过程中作为超临界水、盐岩粉末、氧气、氢气的渗流通道，保证制氢反应的持续发生。
(6)通过降压将超临界水转变为过热水，实现氢气与二氧化碳原位分离，从而有效解决了氢气采收与二氧化碳地质封存的技术问题；氢气提取完成后，残余的半焦化煤体能够支撑上覆地层的压力，防止地面沉降，消除开采对地层环境的破坏和影响。
附图说明
图1为本发明垂向平行布置注热井和排采井的示意图。
具体实施方式
为更好的理解本发明所述的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但是本发明的实施方式不局限于此，本发明要求保护的范围也不局限于实施例表示的范围。
如图1所示，在一个厚度为10m以上，埋藏深度100m以上的近水平的单一中厚煤层中，一种利用超临界水的煤层原位制氢方法，具体步骤如下：
①从地面6施工垂直钻井1至煤层2顶部，将均相腔3布置在垂直钻井1的井筒底部，通过一号管路4和二号管路5将均相腔3的顶部连接至地面6，二号管路5与均相腔3连接处装设耐高温高压的止逆阀7；将均相腔3敞开的底部与煤层2直接连接，将环形电加热器8设置在均相腔3的外部，所述环形电加热器8与煤层2之间采用封隔器9分隔。
②将水和盐岩粉末的混合浆液从一号管路4以≥22.1MPa的压力注入均相腔3，直至均相腔3和与其底部连接的煤层2区域均被灌满时停止，所述盐岩粉末难溶于超临界水，所述盐岩粉末的平均粒径与钻孔底部原始煤体主要渗流孔隙的平均宽度相等，即在水压作用下使得反应区煤体部分孔隙裂隙内堵塞，降低煤体渗透率，从而保证煤体处于不低于22.1MPa的流体压力中；所述混合浆液的浓度是依据煤体原始孔隙率、发生化学反应区域大小、化学反应速率等参数确定并动态调整；然后开启环形电加热器8加热混合浆液，当加热的温度＞374℃时均相腔3内水达到超临界状态，从二号管路5向均相腔3内持续注入氧气，使氧气在超临界水中溶解，所述氧气的注入速率是依据煤体与氧气的反应速率和超临界水的温度确定并动态调整。
③均相腔3底部直接连接的煤体与水和氧气在超临界水环境中发生化学反应，反应产生的二氧化碳和氢气溶于超临界水中，煤体与水和氧气发生化学反应为：C+O2→CO2+ΔQ1和C+H2O+ΔQ2→CO2+H2；随着化学反应进行煤体中形成已反应区10，反应进行区11和待反应区12。待反应区12为未被-盐岩粉末封堵且未发生化学反应的原始煤体区域，具有煤层原始渗透性；反应进行区11为在水流压力梯度作用下盐岩粉末运移过程中形成孔隙裂隙堵塞的煤体区域，具有远低于原始煤层渗透性的特征；已反应区10为化学反应使煤体发生半焦化且产生大量孔隙裂隙，使盐岩粉末对孔隙裂隙的堵塞作用失效的区域，具有远高于煤层原始渗透性的特征。
④当与均相腔3底部直接连接的煤层2区域反应完成后，停止注入氧气；
⑤通过一号管路4的地面管口进行泄压，使均相腔3内压力保持＞7.29MPa且＜22.1MPa，由于压力的降低将煤层中超临界水转变为过热水，使得溶解于超临界水中的氢气析出，并在浮力作用下沿一号管路4上升至地面，实现氢气的采收；氢气采收结束后封闭钻井口，实现二氧化碳的原位封存。
Claims (3)
1.一种利用超临界水的煤层原位制氢方法，其特征在于，具体步骤为：
①从地面（6）施工垂直钻井（1）至煤层（2）顶部，将均相腔（3）布置在垂直钻井（1）的井筒底部，通过一号管路（4）和二号管路（5）将均相腔（3）的顶部连接至地面（6），所述一号管路（4）和二号管路（5）在垂直钻井的井筒内从均相腔的顶部延伸至地面，将均相腔（3）敞开的底部与煤层（2）直接连接，将环形电加热器（8）设置在均相腔（3）的外壁与垂直钻井的井筒的内壁之间；
②将水和盐岩粉末的混合浆液从一号管路（4）以压力≥22.1MPa的压力注入均相腔（3），直至均相腔（3）和与其底部连接的煤层区域均被灌满时停止，所述盐岩粉末难溶于超临界水，所述盐岩粉末的平均粒径与钻孔底部原始煤体主要渗流孔隙的平均宽度相等，即在水压作用下使得反应区煤体部分孔隙裂隙堵塞，降低煤体渗透率，从而保证煤体处于不低于22.1MPa的流体压力中；然后开启环形电加热器（8）加热所述混合浆液，当均相腔（3）内水达到超临界状态时，从二号管路（5）向均相腔（3）内持续注入氧气；
③均相腔（3）底部直接连接的煤体与水和氧气在超临界水环境中发生化学反应，反应产生的二氧化碳和氢气溶于超临界水中；随着化学反应进行煤体中形成已反应区（10）、反应进行区（11）和待反应区（12）；待反应区（12）为未被盐岩粉末封堵且未发生化学反应的原始煤体区域，具有煤层原始渗透性；反应进行区（11）为在水流压力梯度作用下盐岩粉末运移过程中形成孔隙裂隙堵塞的煤体区域，具有远低于原始煤层渗透性的特征；已反应区（10）为化学反应使煤体发生半焦化且产生大量孔隙裂隙，使盐岩粉末对孔隙裂隙的堵塞作用失效的区域，具有远高于煤层原始渗透性的特征；
④当与均相腔（3）底部直接连接的煤层区域反应完成后，停止注入氧气；
⑤通过一号管路（4）的地面管口泄压，使均相腔（3）内压力保持在＞7.29MPa且＜22.1MPa，并进行氢气采收；
所述步骤②中混合浆液加热的温度＞374℃；
所述步骤②中向均相腔（3）内注入氧气的注入速率是依据煤体与氧气的反应速率和超临界水的温度确定并动态调整。
2.根据权利要求1所述的一种利用超临界水的煤层原位制氢方法，其特征在于，所述步骤①中二号管路（5）与均相腔（3）连接处装设耐高温高压的止逆阀（7）；所述环形电加热器（8）与煤层（2）之间采用封隔器（9）分隔。
3.根据权利要求1所述的一种利用超临界水的煤层原位制氢方法，其特征在于，所述步骤③中煤体与水和氧气发生化学反应为：
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