CN114991740B - 一种煤炭地下气化产出气降温节能方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于石油化工技术领域，公开了一种煤炭地下气化产出气降温节能方法与系统，所述方法包括以下步骤：煤炭气化气混合气通过节流装置后，进入重整化反应器中进行甲烷二氧化碳重整化反应，重整化反应器内部具有树杈结构，树杈结构表面设置有重整化反应催化剂，其中部分树杈结构上设置有甲烷喷口。本发明从温度、压力、能量和二氧化碳排放四个角度出发，采用强吸热反应及先进的节流结构将煤气进行降温降压，防止生产井井筒发生由高温导致的变形断裂等破坏，同时有效利用粗煤气所携带的热量，减小损，提高燃气热值，降低二氧化碳排放。

Description

一种煤炭地下气化产出气降温节能方法与系统

技术领域

本发明属于石油化工技术领域，具体涉及一种煤炭地下气化产出气降温节能方法与系统。

背景技术

煤炭地下气化(UCG)的实质是将赋予地下的煤层由物理采煤变为化学采气。其过程十分复杂，涉及流动、传热、传质、化学及固体力学等多个学科。本质上来说是通过煤的热解以及煤与氧气、水蒸气发生的一系列化学反应，产生可燃的粗煤气，并将粗煤气导出地面加以利用。UCG能够省去煤炭开采、运输、选洗和气化等繁杂的工艺设备，具有安全性好、投资少、效益高及污染少等优点。但是在气化过程中，粗煤气携带大量热量，对于生产井筒会产生较大危害。

现有的煤炭地下气化过程是将煤炭在原位进行有控制的燃烧，通过煤的热解以及煤与氧气、水蒸气发生的一系列化学反应，产生氢气，一氧化碳和甲烷等可燃气体的粗煤气。在气化腔燃烧区温度可达1000℃以上，高温的混合气体使得井筒面临套管变形、腐蚀穿孔、井口抬升、环空带压等问题，影响正常生产运行。

通常，解决粗煤气温度过高的办法有以下几种：一是冷水喷淋，利用水的蒸发作用以及一小部分甲烷和水的反应吸取热量，基于水的蒸发潜热吸取热量，增加了生产过程的损失，不符合能量阶梯利用原则，且降低了采出气的燃烧热值，降低了能量品质。二是井筒使用特殊材料，克服高温的影响，延长生产井的使用寿命，此办法投资过高、建设周期长且无法解决生产井的安全生产问题，因此未得到广泛使用。三是设置多层生产井结构，通过注入低温惰性气体的方式，通过气气混合的方式进行降温，换热效果不理想，同时增加了后续系统处理难度。

此外，气化后的粗煤气中二氧化碳含量在20％-40％，影响燃气热值。近些年，各大天然气公司都陆续将天然气标况流量计费升级为能量计费，而二氧化碳含量过高势必会导致燃气热值降低，在目前普遍采用能量计费的前提下，低热值燃气必然会失去市场，提高燃气热值提升燃气热量品质已成为燃气行业的大势所趋。且为降低碳排放及二氧化碳的再利用等问题需要在后续工序中进行二氧化碳捕集等工序复杂，大大提升成本。

并且，在产出气完成热解后含有大量粉尘杂质，且较大的压力也使得气化气流动速度较快，对气化气地面处理设备提出较高的要求。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种煤炭地下气化产出气降温节能方法与系统。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种煤炭地下气化产出气降温节能方法，包括以下步骤：煤炭气化气混合气通过节流装置后，进入重整化反应器中进行甲烷二氧化碳重整化反应，所述重整化反应器内部具有多层非均匀树杈结构，树杈结构表面设置有重整化反应催化剂，其中部分树杈结构上设置有甲烷喷口。

进一步地，经过重整化反应器后，气化气混合气在流出井口的过程中，全部或一部分混合气进行甲烷分离，其余混合气体直接进入后续工序处理。

进一步地，分离后得到的甲烷循环到重整化反应器回用，分离甲烷后的剩余气体进入后续工序处理。

本发明还涉及一种煤炭地下气化产出气降温节能系统，包括设置于气化腔后的井下节流装置、控制系统、温度压力变送器和气体组分分析仪，所述井下节流装置后设置有重整化反应器，所述重整化反应器内部具有树杈结构，树杈结构表面设置有重整化反应催化剂，其中部分树杈结构上设置有甲烷喷口；所述重整化反应器分别连接甲烷分离捕集系统和气化气混合气出口，所述甲烷分离捕集系统连接压缩甲烷储罐，所述压缩甲烷储罐连接重整化反应器，所述压缩甲烷储罐输送甲烷至重整化反应器的管道上设置有减压阀和智能控制阀，所述温度压力变送器用于测量重整化反应器中温度和压力，所述气体组分分析仪用于测量重整反应器中的二氧化碳浓度，并将数据实时反馈控制系统，所述控制系统远程控制智能控制阀，调整注入甲烷的流量和压力。

进一步地，重整化反应器通过支管连接甲烷分离捕集系统，所述支管上设置有逆止阀。

进一步地，甲烷分离捕集系统分离甲烷后的剩余气体，通过分支泵回到气化气出口进入后续工序处理设备中。

进一步地，所述树杈结构可以采用蜂窝状结构或多孔结构代替。

进一步地，所述节流装置设置在重整化反应器内或单独布置于重整化反应器前。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明克服了煤炭地下气化采出气温度过高问题，有效预防了井筒温度过高引起的套管变形、腐蚀穿孔、井口抬升、环空带压等问题。采用化学降温办法代替物理降温，利用甲烷重整化反应的强吸热特性，降低煤炭地下气化过程中产出气体的温度，代替汽水喷淋降温，降低损，提高产出气体热量品质，保护井口结构热损伤；

2、本发明能够降低粗煤气中二氧化碳含量，提升燃气热值，并简化后续处理环节；以及降低空气中碳排放，提升环境质量；

3、重整化反应器内设计有独特的树杈结构等，能够有效增加气化气与催化剂的接触面积，延长与催化剂接触时间，并具有一定的降压作用，减轻地面后序工序负担；

4、安装井下节流装置，有效降低气化气温度和压力，不仅有利于提高甲烷二氧化碳重整化反应效率，同时能够防止井口气体压力过高对于地面设备带来的危害。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明煤炭地下气化产出气降温节能系统示意图；

图中标记：1-压缩甲烷储罐；2-甲烷分离捕集系统；3-逆止阀；4-减压阀；5-智能控制阀；6-控制系统；7-温度压力变送器，7-1温度、压力传感器安装位置；8-气体组分分析仪，8-1二氧化碳浓度检测位置，9-重整化反应器；10-树杈结构；11-甲烷喷口；12-节流装置；13-分支泵。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

一种煤炭地下气化产出气降温节能方法，包括以下步骤：煤炭气化气混合气体通过节流装置后，进入重整化反应器中进行甲烷二氧化碳重整化反应，所述重整化反应器内部具有树杈结构，树杈结构表面设置有重整化反应催化剂，其中部分树杈结构上设置有甲烷喷口，经过重整化反应器后，气化气在流出井口的过程中，进行甲烷分离，分离后得到的甲烷循环到重整化反应器回用，剩余气体通过气化气出口进入后续工序处理。

具体地，将气化剂注入到地下煤炭区域，固体碳分解为气化气混合气。

如图1所示，一种煤炭地下气化产出气降温节能系统，包括设置于气化腔后的井下节流装置12、控制系统6、温度压力变送器7和气体组分分析仪8，所述井下节流装置后设置有重整化反应器9，所述重整化反应器内部具有树杈结构10，树杈结构表面设置有重整化反应催化剂，其中部分树杈结构上设置有甲烷喷口11；所述重整化反应器通过支管连接甲烷分离捕集系统2，所述支管上设置有逆止阀3；所述甲烷分离捕集系统连接压缩甲烷储罐1，所述压缩甲烷储罐1连接重整化反应器9，所述压缩甲烷储罐输送甲烷至重整化反应器9的管道上设置有减压阀4和智能控制阀5，所述温度压力变送器7用于测量重整化反应器进口处温度和压力，所述气体组分分析仪8用于测量重整反应器出口处的二氧化碳浓度，图1中7-1为温度、压力传感器安装位置，8-1为二氧化碳浓度检测位置，并将数据实时反馈控制系统6，所述控制系统远程控制智能控制阀，调整注入甲烷的流量和压力。甲烷分离捕集系统2分离甲烷后的剩余气体，通过分支泵13回到气化气出口进入后续工序处理设备中。

本发明中，重整化反应所需甲烷气体可通过在气化气出口进行甲烷分离工艺得到。在煤炭地下气化井出口处，气化气部分或者全部进入甲烷分离捕集系统，将分离得到的甲烷存储在压缩罐内，分离后的其余气化气由泵输送到后续工艺。进入甲烷分离捕集系统的气化气比例可由控制系统中的数据及后续工序要求而定。

本发明中，所述树杈结构也可以采用蜂窝状结构或多孔结构代替；所述节流装置也可以设置在重整化反应器内。

具体，如图1所示，气化剂通过气化剂注入口注入到地下煤炭区域也即气化腔，通过煤炭和气化剂的热解作用，固体碳分解为具有较高温度和较高压力的气化气混合气体(主成分为一氧化碳、氢气、二氧化碳等)，其中二氧化碳含量可达20％-40％，最高压力可达到6～10Mpa，温度可达700～1000℃。

混合气化气在压差的作用下从热解区流向出口，过程中首先经过井下节流装置12，将高温高压气化气进行节流降压，在节流过程中温度也会相应降低，重整化反应在550～1000℃时转化率最高，且高压会抑制反应发生，因此本发明对气化气体进行节流降压，将温度控制在700～850℃，压力降低到1～2Mpa。

通过节流装置后，气化气混合气在重整化反应器9中进行甲烷二氧化碳重整化反应，反应如下：

采用镍基催化剂或其他催化剂中活性金属的作用促进反应发生提高反应速率。与其他重整技术相比，甲烷二氧化碳重整技术工艺投资少，效率高。重整化反应器内部具有树杈结构，能够将气化气压力进一步降低到0.1～1Mpa，树杈结构10遍布重整化反应催化剂如NixCaOy/γ-Al2O3等，其中部分树杈结构10上具有甲烷气体喷口，可持续注入甲烷气体，使甲烷充分与气化气中的二氧化碳进行重整化反应。

经过重整化反应器后，气化气中二氧化碳含量大幅降低，且温度和压力也降低减少了地面后续处理工序。开始工作时，气化气在流出井口的过程中，会有分支将全部气化气引流出，通过逆止阀3进入甲烷分离捕集设备中进行甲烷分离，并进入到甲烷分离捕集系统2中进行甲烷分离，并将分离出的甲烷储存在压缩甲烷储罐1中备用，其他部分气体通过分支泵13回到气化气出口进入后续工序处理设备中。待运行稳定后，可通过智能控制系统中的数据将气化气进入甲烷分离捕集系统的比例进行适当调整。压缩甲烷储罐1中的甲烷经过减压阀4和智能控制阀5，通过管道输送到重整化反应器中，利用甲烷喷口11将甲烷注入反应器。过程中，智能控制阀5连接控制系统6，利用温度压力变送器7和气体组分分析仪8测量重整化反应器中的温度压力以及二氧化碳浓度，并将数据实时反馈控制系统6，控制系统经过数据计算分析，远程控制智能控制阀5，以调整注入甲烷的流量和压力，以减少积碳反应发生。为提高二氧化碳转化率，甲烷和二氧化碳体积比应为2：1。若积碳严重或催化剂失去活性，可将重整化反应器内部结构重新镀上催化剂也可以将树杈结构或蜂窝结构整体更换，对煤炭地下气化工艺整体影响较小。

采用本发明装置和方法，在重整化反应器压力为1atm时，甲烷和二氧化碳的转化率都在90％以上，且随温度升高转化率也略有升高，在850℃左右达到最佳效果。随着压力升高，转化率有一定下降，但仍具备工业化生产潜力。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种煤炭地下气化产出气降温节能方法，其特征在于，包括以下步骤：气化剂通过气化剂注入口注入到地下煤炭区域也即气化腔，通过煤炭和气化剂的热解作用，固体碳分解为具有较高温度和较高压力的气化气混合气体，其中二氧化碳含量可达20％-40％，最高压力可达到6～10Mpa，温度可达700～1000℃；混合气化气在压差的作用下从热解区流向出口，过程中首先经过井下节流装置，将高温高压气化气进行节流降压，将温度控制在700～850℃，压力降低到1～2Mpa，煤炭气化气混合气通过节流装置后，进入重整化反应器中进行甲烷二氧化碳重整化反应，所述重整化反应器内部具有多层非均匀树杈结构，树杈结构表面设置有重整化反应催化剂，其中部分树杈结构上设置有甲烷喷口。

2.根据权利要求1所述煤炭地下气化产出气降温节能方法，其特征在于，经过重整化反应器后，气化气混合气在流出井口的过程中，全部或一部分混合气进行甲烷分离，其余混合气体直接进入后续工序处理。

3.根据权利要求2所述煤炭地下气化产出气降温节能方法，其特征在于，分离后得到的甲烷循环到重整化反应器回用，分离甲烷后的剩余气体进入后续工序处理。

4.一种煤炭地下气化产出气降温节能系统，其特征在于，包括设置于气化腔后的井下节流装置、控制系统、温度压力变送器和气体组分分析仪，所述井下节流装置后设置有重整化反应器，所述重整化反应器内部具有树杈结构，树杈结构表面设置有重整化反应催化剂，其中部分树杈结构上设置有甲烷喷口；所述重整化反应器分别连接甲烷分离捕集系统和气化气混合气出口，所述甲烷分离捕集系统连接压缩甲烷储罐，所述压缩甲烷储罐连接重整化反应器，所述压缩甲烷储罐输送甲烷至重整化反应器的管道上设置有减压阀和智能控制阀，所述温度压力变送器用于测量重整化反应器中温度和压力，所述气体组分分析仪用于测量重整反应器中的二氧化碳浓度，并将数据实时反馈控制系统，所述控制系统远程控制智能控制阀，调整注入甲烷的流量和压力。

5.根据权利要求4所述煤炭地下气化产出气降温节能系统，其特征在于，重整化反应器通过支管连接甲烷分离捕集系统，所述支管上设置有逆止阀。

6.根据权利要求4所述煤炭地下气化产出气降温节能系统，其特征在于，甲烷分离捕集系统分离甲烷后的剩余气体，通过分支泵回到气化气出口进入后续工序处理设备中。

7.根据权利要求4所述煤炭地下气化产出气降温节能系统，其特征在于，所述树杈结构采用蜂窝状结构或多孔结构代替。

8.根据权利要求4所述煤炭地下气化产出气降温节能系统，其特征在于，所述节流装置设置在重整化反应器内或单独布置于重整化反应器前。