CN116002617A - 一种适用于气井井下工况的甲烷原地重整制氢方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种适用于气井井下工况的甲烷原地重整制氢方法和系统，涉及甲烷重整制氢技术领域，通过将过热蒸汽空化发生装置和甲烷重整装置采用油管连接下入井下气藏所在位置，通过采用过热蒸汽空化发生装置为井下气藏产出的甲烷提供重整制氢反应所需的过量过热蒸汽，进而实现了甲烷重整装置的小型化设计，实现了将甲烷水蒸气重整反应由大型炼化厂转移到每口气井井下来实施；而且液体空化加热技术的引入大大提升了过热蒸汽制作过程中的能量利用效率，同时通过将甲烷水蒸气重整制氢工艺由地上大型化工厂转移到气井井下，节省了甲烷处理、运输的费用。
Description
技术领域
本发明涉及甲烷重整制氢技术领域，尤其涉及一种适用于气井井下工况的甲烷原地重整制氢方法和系统。
背景技术
绿色低碳战略是顺应全球工业和能源行业绿色低碳化发展趋势的必然选择。技术创新使能源应用转型升级来到了新的历史节点上：氢能、风能、太阳能等绿色可再生能源的技术创新越来越快，成本越来越低，能源的利用效率显著提升。油气行业全价值链从开采、运输、储存到终端应用都会产生大量碳排放，全链温室气体排放量达到全球总排放量的40％以上，其中生产阶段的排放占20％，使用阶段的排放占80％。要实现碳中和目标，油气行业势必成为减排的主体。
同传统化工燃料汽油和柴油相比，氢能具有三大优势。一是较高的能量密度：除核燃料外，氢的燃烧热值居所有化工燃料榜首，燃烧1kg氢释放的热量，可释放12MJ(28.6Mcal)热量约为汽油的三倍；二是较高的能量转化效率：氢能可以通过燃料电池直接转化为电能，转化过程中产生的热可进一步利用，综合效率可达83％。氢气燃烧不仅热值高，而且火焰传播速度快，点火能量低，氢能汽车比燃油车燃料综合利用率可提高20％；三是碳的零排放：化石能源燃烧或反应后会释放大量有毒有害气体，而氢燃料电池在发电过程中不会产生碳排放，对环境零污染，从而实现良性循环。
如今，对低成本天然气进行重整可为燃料电池电动汽车及其他应用提供氢气。天然气制氢随着可再生能源、核能和其他低碳能源的生产而增加。燃料电池电动汽车排放产物只有水蒸气。美国能源部测算，与燃油车相比，即使将天然气重整制氢、氢气输运与储存等费用都考虑进去，燃料电池电动汽车仍能减少90％的原油消耗和50％的温室气体排放。在碳中和背景下，氢能是新能源领域中与油气行业现有业务结合最紧密的一类，也是帮助油气行业早日实现碳达峰、碳中和的最佳路径之一。
现在使用的氢气大多来自天然气加工厂，工厂将净化后的天然气与高温蒸汽在催化剂存在下反应，生成氢气及其他气体混合物，经分离后获得纯度较高的氢气。这种天然气加工厂初期投资巨大，若远离天然气源，物流运输成本较高。
现有的甲烷制氢技术主要有甲烷水蒸气重整制氢、甲烷催化部分氧化制氢、甲烷自热重整制氢等方法。以甲烷为原料制备氢气主要通过以下2种方法：一种是首先制备合成气(H2和CO的混合气)，然后分离得到氢气；另一种则是将甲烷直接分解以获取氢气。上述方法都需要首先活化甲烷分子，而由于甲烷分子惰性很强，故反应条件十分苛刻。尽管在温度低于700K(427℃)时，甲烷就可以生成合成气，但只有在高于1100K(827℃)的温度下，才能得到较高产率的氢气。各种甲烷制氢技术的优缺点见表1。表1甲烷制氢技术对比
根据氢来源的不同，制氢方式可分为：化石燃料制氢(天然气制氢、煤制氢)、工业副产物制氢(焦炉气制氢、氯碱制氢)、电解水制氢、生物质及其他制氢。各种制氢方式各存优劣，具体优缺点如表2所示。
表2制氢方式对比
上述制氢方式各有优劣，但天然气制氢是主流。天然气制氢中的甲烷水蒸气重整是工业上较为成熟的制氢技术，世界制氢量的70％来自该技术。我国天然气价格受资源赋存影响较大，天然气资源集中的中西部盆地价格最低。新疆、青海等地区天然气门站价格低至1.2元/千立方米左右(人民币，下同)。据测算，当天然气价格为2元/Nm3时，天然气制氢成本为1.35元/Nm3，同电解水制氢具有明显的成本优势。
我国煤炭资源格局是西多东少、北富南贫。内蒙古、山西原煤产量领先，煤炭价格较低。当煤炭价格为600元/吨时，大规模煤气化制氢成本为1.1元/Nm3。在煤炭资源丰富的地区，当煤炭价格降至200元/吨时，制氢成本能降到0.34元/Nm3。但由于煤炭价格下降空间有限，且煤气化制氢企业已形成较大规模，未来煤气化制氢成本下降的空间有限。
综上分析可知：天然气制氢方式是目前工业上较为成熟且应用最为广泛的制氢技术，也是最简单、经济的制氢方法。随着化石燃料产量下降、可持续发展理念的深化，氢能市场在远期应形成以可再生能源为主体的多元供氢格局。目前天然气制氢存在的初期设备投资大、运输成本高、能量需求高等问题，已成为影响天然气制氢技术发展和广泛应用的障碍，本发明就是在上述背景下提出的。
发明内容
本发明提供一种适用于气井井下工况的甲烷原地重整制氢方法和系统，通过引入液体空化加热技术大大提升了过热蒸汽制作过程中的能量利用效率，而且将甲烷水蒸气重整制氢工艺由地上大型化工厂转移到气井井下，节省了甲烷处理、运输的费用。
本发明提供的具体技术方案如下：
一方面，本发明提供的一种适用于气井井下工况的甲烷原地重整制氢系统，所述甲烷原地重整制氢系统包括采用油管连接下入井下气藏所在位置的过热蒸汽空化发生装置和甲烷重整装置，所述过热蒸汽空化发生装置为所述甲烷重整装置提供过热蒸汽，所述过热蒸汽空化发生装置包括水箱、高压水泵、空化发生系统、加热器、控制系统、泄压阀、流量计和测温仪，其中，所述空化发生系统采用空化喷嘴实现液体空化，所述加热器为所述空化发生系统提供辅助加热。
可选的，所述甲烷重整装置采用Ni/A12O3作为催化剂，在井下气藏所在位置原地对井下气藏产出的甲烷进行重整反应得到氢气、一氧化碳和二氧化碳混合气体，其中，采用所述甲烷重整装置进行重整反应后的混合气体中二氧化碳的含量小于氢气或一氧化碳的含量。
可选的，所述高压水泵的进水管道与所述水箱连接，所述高压水泵的出水管道与所述空化喷嘴连接，所述控制系统与所述高压水泵、所述空化喷嘴和所述加热器之间连接，所述泄压阀、所述流量计和所述测温仪设置在所述空化发生系统的出口处。
可选的，所述空化发生系统包括壳体，所述空化喷嘴的尖端设置在所述壳体的内部，所述壳体为倒立的圆锥凸台结构。
可选的，所述空化喷嘴的尖端朝向所述圆锥凸台结构的小端设置，所述空化喷嘴出口平面外法线垂直于圆锥凸台结构内表面，所述空化喷嘴出口处形成的空化泡和液滴的流体束高速撞击所述壳体的壁面。
另一方面，本发明还提供一种适用于气井井下工况的甲烷原地重整制氢方法，所述甲烷原地重整制氢方法采用上述的适用于气井井下工况的甲烷原地重整制氢系统，所述甲烷原地重整制氢方法包括：
(1)将过热蒸汽空化发生装置和甲烷重整装置采用油管连接下入井下气藏所在位置；
(2)启动过热蒸汽空化发生装置，制造过热蒸汽，并判断所述过热蒸汽是否达到预设温度阈值；
(3)若所述过热蒸汽低于预设温度阈值，则启动所述加热器对所述过热蒸汽进行辅助加热，直至所述过热蒸汽达到预设温度阈值；
(4)若所述过热蒸汽达到预设温度阈值，将所述过热蒸汽空化发生装置产生的过热蒸汽同气藏中析出的甲烷气在甲烷重整装置内催化剂的作用下发生重整反应，生成含有氢气、一氧化碳和二氧化碳的混合气体；
(4)井下重整反应产生的一氧化碳与水蒸气继续反应，生成二氧化碳和氢气，并为甲烷气重整反应提供部分反应所需热量；
(5)最终反应后的气体混合物从井底向井口流动，经安装于井口的气体分离系统进行水气置换净化反应后，得到高纯度的氢气以及二氧化碳。
可选的，所述步骤(5)中得到的高纯度二氧化碳经回收后可再次注入井下实现二氧化碳驱油以便提高采收率，同时降低温室气体排放。
可选的，所述步骤(3)中的重整反应在井下气藏所在位置进行，所述预设温度阈值为750℃～920℃。
可选的，所述步骤(2)中由水转化为水蒸气的速率为2.5-4.5l/min，根据水的比热容/液态水转化为水蒸气的膨胀率、吸热量、泵的机械效率、容积效率，最终反推计算出高压水泵的功率范围为15kW-55kW，用于指导工程中高压水泵的选型。
可选的，所述过热蒸汽空化发生装置采用液体空化加热技术实现所述过热蒸汽的井下制备。
本发明的有益效果如下：
本申请的一种适用于气井井下工况的甲烷原地重整制氢方法和系统，通过将过热蒸汽空化发生装置和甲烷重整装置采用油管连接下入井下气藏所在位置，通过采用过热蒸汽空化发生装置为井下气藏产出的甲烷气提供重整制氢反应所需的过量过热蒸汽，进而实现了甲烷重整装置的小型化设计，实现了将甲烷水蒸气重整反应由大型炼化厂转移到每口气井井下来实施；而且液体空化加热技术的引入大大提升了过热蒸汽制作过程中的能量利用效率，同时通过将甲烷水蒸气重整制氢工艺由地上大型化工厂转移到气井井下，节省了甲烷处理、运输的费用。该设备放置于井下，初期投资少，后期可根据实际需要起出该设备，用于其他气井的重整制氢。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的甲烷水蒸气重整工艺流程示意图；
图2为本发明实施例的一种过热蒸汽空化发生装置的结构示意图；
图3为本申请示例性示出的一种过热蒸汽空化发生装置的蒸汽发生原理示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面将结合图1～图3对本发明实施例的一种适用于气井井下工况的甲烷原地重整制氢方法和系统进行详细地说明。
参考图1所示，甲烷水蒸气重整工艺包括：原料(CH4)预热和预处理、甲烷重整、水气置换(包括高低温转换)、CO的去除和氢气净化处理。参考图1所示，甲烷重整制氢反应中，有3步核心反应：甲烷的水蒸气重整、水气置换和甲烷的部分氧化。甲烷的水蒸气重整是强吸热反应，而水气置换、部分氧化则是温和的放热反应。反应方程式如下：
吸热反应：CH4+H2O→CO+3H2(1)
ΔH298K＝+205.7kJ/mol
放热反应：CO+H2O→CO2+2H2(2)
ΔH298K＝-41kJ/mol
放热反应：2CH4+O2→2CO+4H2(3)
ΔH298K＝-35.5kJ/mol
甲烷水蒸气重整反应所需的大量热量由天然气燃烧或者其他方式输入，重整反应温度750℃～920℃，反应压力2～3MPa，催化剂采用Ni/A12O3。为防止甲烷水蒸气反应转化过程中碳元素析出，在催化剂里加入一定量的钾或碱土金属(镁、钙等)，同时反应进料采用过量的水蒸气。
其中，优选的，工业转化中过热水蒸气与甲烷的摩尔比一般为3～5，生成的H2与CO之比约为3。甲烷水蒸气转化后得到的合成气，进入水气置换反应器，经过高、低温转换反应将CO进一步转化为CO2和额外的H2，以提高氢气产率。
现有技术中的甲烷水蒸气重整制氢过程能耗很高，仅燃料成本就占生产总成本的50％以上，且反应需要在昂贵的耐高温不锈钢反应器内进行。同时，因为水蒸气重整反应速度慢，单位体积制氢能力较低，通常需要建造大规模装置，导致初期投资居高不下。考虑到氢气应用越来越广泛，特别是在未来能源领域中的应用，市场需求将急剧增加，甲烷水蒸气重整制氢工艺技术从经济上尚无法满足未来大规模制氢的要求，开发新的高效低成本制氢工艺迫在眉睫。
正是为了解决上述技术问题，实现油气井井下高效制氢工艺，本发明实施例在现有制氢工艺原理的基础上，提出了一种适用于气井井下工况的甲烷原地重整制氢方法和系统。本发明实施例通过将甲烷水蒸气重整制氢系统小型化，在现有气井正常生产过程中下入井内，为气藏产出的甲烷在井下位置完成图1所示的整个制氢生产流程。具体来说，甲烷水蒸气重整制氢系统为井下气藏产出的甲烷提供反应所需的过量过热蒸汽和催化剂，混合生成气经油管运移到井口，由安装在井口处的分离装置分离，获取纯度较高的氢气和CO2。分离回收的CO2可再次注入井下，实现CO2驱油提高采收率并有效降低温室气体排放。
参考图1～图3所示，本发明实施例提供的一种适用于气井井下工况的甲烷原地重整制氢系统包括采用油管连接下入井下气藏所在位置的过热蒸汽空化发生装置和甲烷重整装置，过热蒸汽空化发生装置为甲烷重整装置提供过热蒸汽，过热蒸汽空化发生装置包括水箱1、高压水泵2、空化发生系统3、加热器4、控制系统5、泄压阀6、流量计7和测温仪8，其中，空化发生系统采用空化喷嘴9实现液体空化，加热器4为空化发生系统提供辅助加热。
进一步的，本发明实施例在过热蒸汽空化发生装置的撞击腔上敷设一层催化剂，这样射流喷出高速撞击腔室内壁产生蒸汽的同时，在催化剂作用下可重整甲烷。同时，本发明实施例为了避免甲烷重整装置中或多或少存在的积碳现象降低催化剂活性，进而在制蒸汽时采用高速射流，对撞击腔内壁的催化剂起到清洗的作用，进而提高催化剂的活性。
进一步的，甲烷重整装置采用Ni/A12O3作为催化剂，在井下气藏所在位置原地对井下气藏产出的甲烷进行重整反应得到氢气、一氧化碳和二氧化碳混合气体，其中，采用所述甲烷重整装置进行重整反应后的混合气体中二氧化碳的含量小于氢气或一氧化碳的含量。
参考图1、图2所示，高压水泵2的进水管道与水箱1连接，高压水泵2的出水管道与空化喷嘴9连接，控制系统5与高压水泵2、空化喷嘴9和加热器4之间连接，泄压阀6、流量计7和测温仪8设置在空化发生系统的出口处。空化发生系统3采用液体空化加热技术提供过热水蒸气，其中，空化发生系统3不需要任何加热元件，只单纯利用液体空化现象释放能量、加热流体。空化现象的原理是液体高速流经喷嘴或节流孔板时自身势能转化为动能，导致孔喉处静压下降产生负压，低于相应温度下该液体的饱和蒸汽压，使液体汽化而产生数以万计的微小气泡，即空化泡。随着流动的进行，包含空化泡的流体压力逐步回升，空化泡在泡内外巨大压差作用下急剧坍塌破裂、相互摩擦，对空化泡附近液体的分子键产生强烈的撕裂作用，同时瞬间形成爆裂点局部的极端高温、高压，形成强大的冲击波和微射流，释放巨大能量。空泡溃灭释放的巨大能量使爆裂点附近的流体微团迅速汽化，温度升高。
进一步的，空化发生系统3包括壳体10，空化喷嘴9的尖端设置在壳体10的内部，壳体10为倒立的圆锥凸台结构，空化喷嘴9的尖端朝向圆锥凸台结构的小端设置，空化喷嘴9出口平面外法线同壳体10圆锥凸台结构内壁面垂直，空化喷嘴9出口处形成的包含空化泡和液滴的流体束高速撞击壳体10的壁面，空化泡溃灭释放能量，同时，高速液滴所具有的动能转换为自身内能，流体在上述多种效应协同作用下直接转变为高温蒸汽。
参考图2所示，水箱1中的水经高压水泵2增压作用后经空化喷嘴9调制后喷出，形成包含大量微小空化泡和液滴的混合流体，混合流体携带空化泡和液滴高速碰撞到壳体10的内壁，空泡溃灭，释放能量，液滴所具有的动能转换为自身内能，温度升高。喷射流体在上述多种效应共同作用下由液态直接转换为气态，产生反应所需的过热蒸汽。高压水泵1为流体提供高速运动的动力，空化喷嘴9将高速流动的流体调制成包含大量微小空化泡与一定尺寸液滴的混合流体。撞击壳体10的内壁加速了空化泡的溃灭过程，并将液滴动能转换为自身内能。同时，壳体10的下部空间可为产生的蒸汽提供储集空间。喷射初期，整个系统温度偏低，为加速制蒸汽速度，采用加热器4为整个系统提供辅助加热的功能。
参考图3所示，根据伯努利原理，流体流动过程中其自身的机械能守恒，即流体动能、压能或势能与内能的总和保持不变。流体经空化喷嘴9的调制作用，形成高速射流喷出时，流体的动能增加，其压能与内能的总和势必减小。当流体内能变化可忽略时，即表现为流体压能的降低或者流体压力的下降。当射流速度足够高，对应位置处的流体静压力会下降相当幅度，甚至降低到液体在当前温压条件下的饱和蒸汽压，此时，原先溶解于流体内的微小气泡开始聚集、膨胀，形成大量空化泡。随着流体向下游运动，流速降低，压力恢复，空化泡逐渐溃灭，释放能量。连续流体从空化喷嘴9喷出后，形成了包含空化泡和液滴的流体束，当流体束高速撞向壳体10的内壁面时，空化泡的溃灭程度增强，同时，高速运动的液滴撞击壁面后，其所包含的动能转化为自身的内能，导致温升。同单纯的空化喷嘴射流相比，本发明实施例将空化喷嘴9的尖端设置在壳体10的内部，壳体10为倒立的圆锥凸台结构，空化喷嘴9的尖端朝向圆锥凸台结构的小端设置，可以大大提高空化热效应的升温效果，从而将液滴直接转化为过热蒸汽输出。
具体的，本发明实施例通过将壳体10设置为倒立的圆锥凸台结构，进而将空化喷嘴9的尖端朝向圆锥凸台结构的小端设置，可以提升流体束撞击圆锥凸台结构内壁面的速度，加速空化泡的溃灭程度和速度，提高液滴自身动能转化内能的转化率，进而可以大大提高空化热效应的升温效果。
基于相同的发明构思，本发明实施例还提供一种适用于气井井下工况的甲烷原地重整制氢方法，该甲烷原地重整制氢方法采用上述的甲烷原地重整制氢系统，本发明实施例的甲烷原地重整制氢方法包括：
(1)将过热蒸汽空化发生装置和甲烷重整装置采用油管连接下入井下气藏所在位置。其中，过热蒸汽空化发生装置采用液体空化加热技术实现所述过热蒸汽的井下制备。
(2)启动过热蒸汽空化发生装置，制造过热蒸汽，并判断所述过热蒸汽是否达到预设温度阈值；其中，预设温度阈值为750℃～920℃。
(3)若所述过热蒸汽低于预设温度阈值，则启动所述加热器对所述过热蒸汽进行辅助加热，直至所述过热蒸汽达到预设温度阈值。
(4)过热蒸汽制造过程中，液态水转化为水蒸气的速率在2.5-4.5l/min，对应的高压水泵功率范围为15-55kW。
(5)若所述过热蒸汽达到预设温度阈值，将所述过热蒸汽空化发生装置产生的过热蒸汽同气藏中析出的甲烷气在甲烷重整装置内催化剂的作用下发生重整反应，生成含有氢气、一氧化碳和二氧化碳的混合气体；本发明实施例的整个重整反应在井下气藏所在位置进行。
(6)井下重整反应产生的一氧化碳与水蒸气继续反应，生成二氧化碳和氢气。
(7)最终反应后的气体混合物从井底向井口流动，经安装于井口的气体分离系统进行水气置换净化反应后，得到高纯度的氢气以及二氧化碳。二氧化碳经捕集后可直接注入井下，恢复地层压力，提高油气采收率，降低温室气体排放。分离得到纯度较高的氢气则经管线或其他储运装置运送至工厂或氢气站，完成整个制氢流程。
本申请的一种适用于气井井下工况的甲烷原地重整制氢方法和系统，通过将过热蒸汽空化发生装置和甲烷重整装置采用油管连接下入井下气藏所在位置，通过采用过热蒸汽空化发生装置为井下气藏产出的甲烷提供重整制氢反应所需的过量过热蒸汽，实现了甲烷重整装置的小型化设计，进而实现了将甲烷水蒸气重整反应由大型炼化厂转移到气井井下来实施；而且液体空化加热技术的引入大大提升了过热蒸汽制作过程中的能量利用率，能效比能够达到1.27～4.40，同时通过将甲烷水蒸气重整制氢工艺由地上大型炼化厂转移到气井井下，节省了甲烷处理、运输的费用。该设备放置于井下，初期投资少，后期可根据实际需要起出回收该设备，用于其他气井的重整制氢。
本申请的一种适用于气井井下工况的甲烷原地重整制氢方法和系统，可以从源头解决天然气化工厂初期投资大、天然气运输以及水蒸气制备成本高以及制备过热蒸汽过程中产生的环境污染大等问题，空化蒸汽发生系统采用液体空化加热技术，以电能驱动空化发生系统制作过热蒸汽，可实现零排放，无污染，具有良好的环保性能。液体空化加热技术利用液体自身的空化效应加热流体，省去了外部循环设备，使发热与流体输运合为一体，蒸汽生产效率高、系统结构简单、设备投资成本低。针对偏远油田等氢气供应地区，该甲烷原地重整制氢方法能实现甲烷的即产即用，减少了中间过程，极大地降低了物流运输成本，可为高效制氢工艺提供一种新的可行思路。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求书指出。
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了装置的若干单元或子单元，但是这种划分仅仅是示例性的并非强制性的。实际上，根据本申请的实施方式，上文描述的两个或更多单元的特征和功能可以在一个单元中具体化。反之，上文描述的一个单元的特征和功能可以进一步划分为由多个单元来具体化。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储模块、CD-ROM、光学存储模块等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程图像缩放设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程图像缩放设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程图像缩放设备以特定方式工作的计算机可读存储模块中，使得存储在该计算机可读存储模块中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程图像缩放设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种适用于气井井下工况的甲烷原地重整制氢系统，其特征在于，所述甲烷原地重整制氢系统包括采用油管连接下入井下气藏所在位置的过热蒸汽空化发生装置和甲烷重整装置，所述过热蒸汽空化发生装置为所述甲烷重整装置提供过热蒸汽，所述过热蒸汽空化发生装置包括水箱、高压水泵、空化发生系统、加热器、控制系统、泄压阀、流量计和测温仪，其中，所述空化发生系统采用空化喷嘴实现液体空化，所述加热器为所述空化发生系统提供辅助加热。
2.根据权利要求1所述的适用于气井井下工况的甲烷原地重整制氢系统，其特征在于，所述甲烷重整装置采用Ni/A12O3作为催化剂，在井下气藏所在位置原地对井下气藏产出的甲烷进行重整反应得到氢气、一氧化碳和二氧化碳混合气体，其中，采用所述甲烷重整装置进行重整反应后的混合气体中二氧化碳的含量小于氢气或一氧化碳的含量。
3.根据权利要求1所述的适用于气井井下工况的甲烷原地重整制氢系统，其特征在于，所述高压水泵的进水管道与所述水箱连接，所述高压水泵的出水管道与所述空化喷嘴连接，所述控制系统与所述高压水泵、所述空化喷嘴和所述加热器之间连接，所述泄压阀、所述流量计和所述测温仪设置在所述空化发生系统的出口处。
4.根据权利要求1所述的适用于气井井下工况的甲烷原地重整制氢系统，其特征在于，所述空化发生系统包括壳体，所述空化喷嘴的尖端设置在所述壳体的内部，所述壳体为倒立的圆锥凸台结构。
5.根据权利要求4所述的适用于气井井下工况的甲烷原地重整制氢系统，其特征在于，所述空化喷嘴的尖端朝向所述圆锥凸台结构的小端设置，所述空化喷嘴出口平面外法线垂直于圆锥凸台结构内表面，所述空化喷嘴出口处形成的空化泡和液滴的流体束高速撞击所述壳体的壁面。
6.一种适用于气井井下工况的甲烷原地重整制氢方法，所述甲烷原地重整制氢方法采用所述权利要求1~5任一项所述的适用于气井井下工况的甲烷原地重整制氢系统，其特征在于，所述甲烷原地重整制氢方法包括：
（1）将过热蒸汽空化发生装置和甲烷重整装置采用油管连接下入井下气藏所在位置；
（2）启动过热蒸汽空化发生装置，制造过热蒸汽，并判断所述过热蒸汽是否达到预设温度阈值；
（3）若所述过热蒸汽低于预设温度阈值，则启动所述加热器对所述过热蒸汽进行辅助加热，直至所述过热蒸汽达到预设温度阈值；
（4）若所述过热蒸汽达到预设温度阈值，将所述过热蒸汽空化发生装置产生的过热蒸汽同气藏中析出的甲烷气在甲烷重整装置内催化剂的作用下发生重整反应，生成含有氢气、一氧化碳和二氧化碳的混合气体；
（4）井下重整反应产生的一氧化碳与水蒸气继续反应，生成二氧化碳和氢气，并为甲烷气重整反应提供部分反应所需热量；
（5）最终反应后的气体混合物从井底向井口流动，经安装于井口的气体分离系统进行水气置换净化反应后，得到高纯度的氢气以及二氧化碳。
7.根据权利要求6所述的适用于气井井下工况的甲烷原地重整制氢方法，其特征在于，所述步骤（5）中得到的高纯度二氧化碳经回收后可再次注入井下实现二氧化碳驱油以便提高采收率，同时降低温室气体排放。
8.根据权利要求6所述的适用于气井井下工况的甲烷原地重整制氢方法，其特征在于，所述步骤（3）中的重整反应在井下气藏所在位置进行，所述预设温度阈值为750℃~920℃。
9.根据权利要求6所述的适用于气井井下工况的甲烷原地重整制氢方法，其特征在于，液态水到水蒸气的转化速率为2.5-4.5l/min，根据水的比热容/液态水转化为水蒸气的膨胀率、吸热量、泵的机械效率、容积效率反推计算得到高压水泵的功率范围为15kW-55kW。
10.根据权利要求6所述的适用于气井井下工况的甲烷原地重整制氢方法，其特征在于，所述过热蒸汽空化发生装置采用液体空化加热技术实现所述过热蒸汽的井下制备。
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