CN116291351B - 一种自持式富油煤原位热解系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自持式富油煤原位热解系统及方法，属于富油煤原位热解技术领域。该自持式富油煤原位热解系统包括高温高压氮气供应系统，用于提供高温高压的氮气；注入井，设于待热解富油煤层中，入口端与高温高压氮气供应系统的输出端连接；高温燃料电池堆，设于待热解富油煤层中，与所述注入井之间通过第一裂隙连通；生产井，设于待热解富油煤层中，与所述高温燃料电池堆之间通过第二裂隙连通；热解产物处理收集系统，与所述生产井的出口连接。本发明的自持式富油煤原位热解系统能够显著缩短原位热解周期、且整个系统能够实现自持运行，减少外部能量消耗、提升整体效益。
Description
技术领域
本发明涉及富油煤原位热解技术领域，具体涉及一种自持式富油煤原位热解系统及方法。
背景技术
富油煤广义上是指焦油产率高于7％的煤炭。富油煤通过热解可以得到煤焦油、热解气以及半焦，是集煤、油、气属性为一体的煤炭资源。我国富油煤资源储量大，合理高效开发利用富油煤资源不仅能够在一定程度上缓解我国油气资源紧张的现状，减小原油对外依存度，而且能够助力我国“双碳”目标的实现。因此，加快推进富油煤向油气产品的工业转化是实现煤炭绿色低碳开发，增加我国油气供给的战略选择。
富油煤热解是实现其高效清洁利用的重要手段和组成部分，目前富油煤热解技术主要包括地上热解和原位热解两大类，相较于地上热解，原位热解是对富油煤“留碳取油”的重要方式，因其具有绿色低碳开发的巨大潜力等优势而具有广阔的应用前景。然而目前的原位热解技术普遍存在热解周期长、外部能量消耗大和整体效益较低等问题。因此，如何显著缩短原位热解周期、有效减少外部能量的消耗、提升整体效益成为亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的问题，提供一种自持式富油煤原位热解系统及方法，能够显著缩短原位热解周期、减少外部能量消耗、提升能源的利用效率和系统的整体效益。
本发明提供了一种自持式富油煤原位热解系统，包括高温高压氮气供应系统，用于提供高温高压的氮气；
注入井，设于待热解富油煤层中，入口端与高温高压氮气供应系统的输出端连接；
高温燃料电池堆，设于待热解富油煤层中，与所述注入井之间通过第一裂隙连通；
生产井，设于待热解富油煤层中，与所述高温燃料电池堆之间通过第二裂隙连通；
热解产物处理收集系统，与所述生产井的出口连接。
较佳地，高温高压氮气供应系统包括储气罐、加热器、高温储气罐、第二增压装置和高温高压储气罐，所述储气罐的第一输出端与所述加热器的输入端连接，所述加热器的输出端与所述高温储气罐的输入端连接，所述高温储气罐的输出端与所述第二增压装置的第一输入端连接，所述第二增压装置的输出端与所述高温高压储气罐的输入端连接，所述高温高压储气罐的输出端与所述注入井的入口连接。
较佳地，所述注入井和高温燃料电池堆以生产井为中心呈六边形布置。高温燃料电池堆通过导线与电力系统控制柜连接。
较佳地，所述高温高压氮气供应系统还包括空气分离装置和第一增压装置，所述空气分离装置的氮气输出端与所述第一增压装置的第一输入端连接，所述空气分离装置的氧气输出端与所述高温燃料电池堆的阴极入口连接，所述第一增压装置的输出端与所述储气罐的输入端连接。
较佳地，所述储气罐的第二输出端与所述第二增压装置的第二输入端连接，所述储气罐的第一输出端与所述加热器的输入端之间设置有第一阀门，所述储气罐的第二输出端与所述第二增压装置的第二输入端之间设置有第二阀门。
较佳地，所述热解产物处理收集系统包括气固分离装置、换热器、气液分离装置、储油罐和CO2储罐，所述气固分离装置的输入端与所述生产井的出口连接，所述气固分离装置的气体输出端与所述换热器的第一输入端连接，所述储气罐的第三输出端与所述换热器的第二输入端连接，所述换热器的第一输出端与所述气液分离装置的输入端连接，所述换热器的第二输出端与下一地块的待热解富油煤层的注入井的入口连接，所述气液分离装置的第一输出端与所述储油罐的输入端连接，所述气液分离装置的第二输出端与所述CO2储罐的输入端连接。
较佳地，所述气液分离装置的第三输出端经第三阀门后与所述高温燃料电池堆的阳极入口连接，所述气液分离装置的第三输出端经第四阀门后与下一地块的高温燃料电池堆的阳极入口连接，所述气液分离装置的第四输出端与所述第一增压装置的第二输入端连接。
较佳地，自持式富油煤原位热解方法，通过高温高压氮气供应系统将高温高压氮气输入到所述注入井，所述注入井中的高温高压氮气经过第一和第二裂隙进入待热解富油煤层并与其进行对流换热，同时高温燃料电池堆在工作过程中产生的反应热对富油煤层进行传导加热，高温高压氮气携带富油煤热解产生的热解气经裂隙后通过所述生产井进入所述热解产物处理收集系统，所述热解产物处理收集系统对热解气进行处理并收集焦油。热解结束后，通过低温高压氮气对热解后富油煤层中的余热及残留油气进行回收利用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的自持式富油煤原位热解系统在使用时，高温高压氮气供应系统将高温高压氮气输入到注入井，注入井中的高温高压氮气经过裂隙进入待热解富油煤层并与其进行对流换热，同时高温燃料电池堆在工作过程中产生的反应热对富油煤层进行传导加热，高温高压氮气携带富油煤热解产生的热解气经裂隙后通过生产井进入热解产物处理收集系统，热解产物处理收集系统对热解气进行处理并收集焦油。传统的原位热解加热方式需要消耗大量的外部能量，且加热周期长，整体效益低下。本发明采用将氮气对流加热和高温燃料电池堆在工作过程中产生的反应热传导加热结合起来的方式，显著的缩短了加热周期；同时，高温燃料电池堆在工作过程中，还能产生大量的电能，这些电能可用于维持整个系统中耗电设备的运转，从而实现系统的自持运行，减少了大量外部能量的消耗，仅需外部输入少量电能作为启动能量即可，显著提高了能源的利用效率和系统的整体效益。
本发明的储气罐的第二输出端与第二增压装置的第二输入端连接，储气罐的第一输出端与加热器的输入端之间设置有第一阀门，储气罐的第二输出端与第二增压装置的第二输入端之间设置有第二阀门。气液分离装置的第三输出端经第三阀门后与高温燃料电池的阳极入口连接，气液分离装置的第三输出端经第四阀门后与下一地块的高温燃料电池的阳极入口连接。当待热解富油煤层热解完成后，关闭第三阀门，打开第四阀门，气液分离装置的第三输出端切换到与下一地块高温燃料电池堆的阳极入口连接，关闭加热器以及第一阀门，打开第二阀门，未被加热的氮气增压后依次通过注入井输入到裂隙中，然后携带煤层中的剩余热量以及残留的油气后通过生产井进入热解产物处理收集系统中收集利用，实现了热解后富油煤层的余热回收利用，同时将残余的热解油气携带出来，提高了能源利用效率，减少了油气产物的损耗。
本发明的气液分离装置的第三输出端经第三阀门后与高温燃料电池堆的阳极入口连接，经第四阀门后与下一地块的高温燃料电池堆的阳极入口连接，气液分离装置的第四输出端与所述第一增压装置的第二输入端连接。该设计将分离出来的烃类等可燃气体送入高温燃料电池堆的阳极作为燃料，同时将空气分离过程中产生的氧气送入高温燃料电池的阴极，从而维持高温燃料电池的持续运转，实现了能源的分级利用，显著提高了能源的利用效率。从储气罐中引出一股低温氮气进入换热器与油气进行换热，经过换热后的氮气通过管道送入下一个地块的注入井对下一地块的富油煤层进行预热，实现了余热的利用，减少了能量的浪费，提高了能量的利用率，高温油气经过换热后变成液态，便于后续的分离操作。
本发明将热解气中分离出来的二氧化碳从注入井或生产井注入到热解后的煤层中，实现了二氧化碳的封存处理，有效减少了二氧化碳的排放。
附图说明
图1为本发明一种自持式富油煤原位热解系统的示意图；
图2为本发明布井示意图。
附图标记说明：
1-空气分离装置；2-第一增压装置；3-储气罐；4-第一阀门；5-第二阀门；6-加热器；7-高温储气罐；8-第二增压装置；9-高温高压储气罐；10-注入井；11-富油煤层；12-第一裂隙；13-高温燃料电池堆；14-第二裂隙；15-生产井；16-气固分离装置；17-换热器；18-气液分离装置；19-储油罐；20-CO2储罐；21-第三阀门；22-第四阀门；23-电力系统控制柜。
具体实施方式
下面结合附图1-2，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的一种自持式富油煤原位热解系统，结合图1所示，包括开设在待热解富油煤层11中的注入井10、高温燃料电池堆13和生产井15，所述注入井10、高温燃料电池堆13和生产井15之间分别通过第一裂隙12和第二裂隙14连通，所述注入井10的入口连接有高温高压氮气供应系统，所述生产井15的出口连接有热解产物处理收集系统。
具体地说，在进行富油煤层热解时，高温高压氮气供应系统将高温高压氮气输入到注入井10，注入井10中的高温高压氮气经过第一裂隙12和第二裂隙14进入待热解富油煤层11并与其进行对流换热，同时高温燃料电池堆13在工作过程中产生的反应热对富油煤层11进行传导加热，产生的电能供给电力系统控制柜23，保障整个系统用电设备的用电需求。高温高压氮气携带富油煤热解产生的热解气通过第一裂隙12、第二裂隙14和生产井15进入热解产物处理收集系统，热解产物处理收集系统对热解气进行处理并收集焦油。
在上述实施方式的基础上，作为更加优选的实施方式，本实施例的高温高压氮气供应系统包括储气罐3、加热器6、高温储气罐7、第二增压装置8和高温高压储气罐9，储气罐3的第一输出端与加热器6的输入端连接，加热器6的输出端与高温储气罐7的输入端连接，高温储气罐7的输出端与第二增压装置8的第一输入端连接，第二增压装置8的输出端与高温高压储气罐9的输入端连接，高温高压储气罐9的输出端与注入井10的入口连接。
具体地说，储气罐3中储存有氮气，储气罐3中的氮气经过加热器6加热后进入到高温储气罐7中，高温储气罐7中的高温氮气经过第二增压装置8增压后进入到高温高压储气罐9进行储存，高温高压储气罐9中储存的高温高压氮气输入到注入井10中。
在上述实施方式的基础上，作为更加优选的实施方式，所述注入井10和高温燃料电池堆13以生产井15为中心呈六边形布置，更显著的缩短原位热解周期、有效减少外部能量的消耗、提升整体效益。
在上述实施方式的基础上，作为更加优选的实施方式，高温高压氮气供应系统还包括空气分离装置1和第一增压装置2，空气分离装置1的氮气输出端与第一增压装置2的第一输入端连接，空气分离装置1的氧气输出端与高温燃料电池堆13的阴极入口连接，第一增压装置2的输出端与储气罐3的输入端连接。
具体地说，通过空气分离装置1实时的生成氮气和氧气，生成的氮气通过第一增压装置2进行初步增压后进入到储气罐3中进行储存。
在上述实施方式的基础上，作为更加优选的实施方式，热解产物处理收集系统包括气固分离装置16、换热器17、气液分离装置18、储油罐19和CO2储罐20，所述气固分离装置16的输入端与所述生产井15的出口连接，所述气固分离装置16的气体输出端与所述换热器17的第一输入端连接，所述储气罐3的第三输出端与所述换热器17的第二输入端连接，所述换热器17的第一输出端与所述气液分离装置18的输入端连接，所述换热器17的第二输出端与下一地块的待热解富油煤层11的注入井10的入口连接，所述气液分离装置18的第一输出端与所述储油罐19的输入端连接，所述气液分离装置18的第二输出端与所述CO2储罐20的输入端连接。
具体地说，热解气首先进入到气固分离装置16中，气固分离装置16将热解气中的固体杂质进行分离，分离后的热解气从换热器17的第一输入端进入，并与从换热器17的第二输入端进入的冷的氮气进行换热，吸收热量后的氮气从换热器17的第二输出端输入到下一地块的待热解富油煤层11的注入井10中，对下一地块的富油煤层进行预热，实现了余热的利用。被吸收热量后的热解气冷凝出焦油，冷凝出的焦油进入到气液分离装置18中，气液分离装置18将焦油和剩余气体进行分离，分离出的焦油进入到储油罐19中被收集。
在上述实施方式的基础上，作为更加优选的实施方式，气液分离装置18的第三输出端经第三阀门21后与所述高温燃料电池堆13的阳极入口连接，经第四阀门22后与下一地块高温燃料电池堆13的阳极入口连接，具体的说，分离出来的烃类等可燃气体作为燃料供应给高温燃料电池13。气液分离装置18的第四输出端与第一增压装置2的第二输入端连接。具体地说，分离出的氮气再次进入到第二增压装置2进行循环利用。
在上述实施方式的基础上，作为更加优选的实施方式，储气罐3的第二输出端与第二增压装置8的第二输入端连接，储气罐3的第一输出端与加热器6的输入端之间设置有第一阀门4，储气罐3的第二输出端与第二增压装置8的第二输入端之间设置有第二阀门5。
具体地说，当待热解富油煤层11热解完成后，关闭第三阀门21，打开第四阀门22，气液分离装置18的第三输出端切换到与下一地块高温燃料电池堆13的阳极入口连接，关闭第一阀门4和加热器6，打开第二阀门5，未被加热的冷的氮气增压后通过注入井10输入到第一裂隙12和第二裂隙14中，然后携带煤层中的剩余热量以及残留的油气后通过生产井15进入热解产物处理收集系统中被处理收集利用。
具体地说，气液分离装置18将油气混合物进行分离时，可分离出烃类等可燃气体，分离出的烃类等可燃气体通过气液分离装置18的第三输出端输入到高温燃料电池堆13的阳极入口，作为高温燃料电池堆13的燃料进行转化利用，与此同时，高温燃料电池堆13通过导线与电力系统控制柜23相连，高温燃料电池堆13在工作过程中产生的电能可供给系统中的耗电设备，实现整个系统的自持运转。
本实施例提供更加具体的一种自持式富油煤原位热解方法，具体如下：
空气分离装置1产生的氮气经第一增压装置2加压后储存在储气罐3中，当进行富油煤原位热解时，打开第一阀门4，关闭第二阀门5，储气罐3中的氮气经过加热器6加热后储存在高温储气罐7中，高温储气罐7中的氮气经过第二增压装置8加压后储存在高温高压储气罐9中，高温高压储气罐9中的氮气在经过管道输送至生产井10。高温高压的氮气经过第一裂隙12和第二裂隙14进入富油煤层并与其进行对流换热，同时，同时高温燃料电池堆13在工作过程中产生的反应热对富油煤层11进行传导加热；随后，氮气携带富油煤热解产生的热解气进入生产井15被抽采出富油煤层。
氮气和热解气的混合物从生产井15抽采出来后进入气固分离装置16中进行气固分离，分离出氮气和热解油气的混合物中携带的固体颗粒，随后进入换热器17中进行换热，从储气罐3中引出一股低温氮气进入换热器17与高温氮气和热解油气的混合物进行换热，使焦油液化，便于后续焦油的分离。经换热后的氮气和油气进入气液分离装置18，分离出来的焦油送入储油罐19储存；分离出来的CO2送入CO2储罐20储存，便于后续的CO2处理工作；分离出来的烃类等可燃气体经管道送入高温燃料电池堆13的阳极，实现了产物的分级利用；分离出来的氮气送入第一增压装置2加压，实现氮气的循环利用。在热解及余热回收工作结束后，将CO2储罐中的CO2输入到注入井10或生产井15中进行地质封存，从而有效减少了CO2的排放。
当富油煤原位热解结束后，关闭第三阀门21，打开第四阀门22，气液分离装置18的第三输出端切换到与下一地块高温燃料电池堆13的阳极入口连接，关闭第一阀门4及加热器6，打开第二阀门5，从储气罐3出来的氮气直接通过管道送入第二增压装置8进行二次加压，随后送入储气罐中，从储气罐出来的低温氮气进入注入井10，经第一裂隙12和第二裂隙14进入富油煤层，低温氮气与热解后的煤层进行换热，实现煤层的余热回收利用，同时将残余的热解油气携带出来，随后进入生产井15中，从生产井15抽采出来的氮气及热解油气混合物进入气固分离装置16，将混合物中携带的固体颗粒分离出来。随后将氮气和油气混合物送入换热器17中进行换热，从储气罐3中引出一股低温氮气进入换热器17与高温氮气和油气的混合物进行换热，使焦油液化，便于后续焦油的分离。经换热后的氮气和油气进入气液分离装置18，分离出来的焦油送入储油罐19储存；分离出来的CO2送入CO2储罐20中储存；分离出来的烃类等可燃气体送入下一地块的高温燃料电池堆13的阳极；分离出来的氮气送入第一增压装置2加压，实现氮气的循环利用。待余热回收结束后，将CO2储罐中的CO2注入到注入井10或生产井15进行地质封存，从而有效减少了CO2的排放。
本发明中加热器6在加热时的设定温度为500～650℃。
本发明注入井10和高温燃料电池堆13以生产井15为中心呈六边形布置。
本发明提供的一种自持式富油煤原位热解系统综合考虑了富油煤的原位热解部分和余热利用部分，而且将氮气对流加热和高温燃料电池传导加热结合起来，同时采用了分离技术和碳捕集技术，开发了采用氮气对流加热耦合高温燃料电池传导加热富油煤提油法，热解后产物分离提纯，并采用氮气进行余热回收利用。整个系统仅需外界输入少量能量启动系统运行，待系统启动后便可自持运行，无需外界能量的持续输入。采用了对流加热和传导加热相结合的方法，使被加热富油煤层的温度场更加均匀，显著缩短了加热周期，同时对系统中产生的烃类等可燃气体加以利用，减少了能源的浪费，捕集了系统中产生的CO2并进行地质封存，有效降低了系统的碳排放。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种自持式富油煤原位热解系统，其特征在于，包括：
高温高压氮气供应系统，用于提供高温高压的氮气；
注入井(10)，设于待热解富油煤层(11)中，入口端与高温高压氮气供应系统的输出端连接；
高温燃料电池堆(13)，设于待热解富油煤层(11)中，与所述注入井(10)之间通过第一裂隙(12)连通；
生产井(15)，设于待热解富油煤层(11)中，与所述高温燃料电池堆(13)之间通过第二裂隙(14)连通；
热解产物处理收集系统，与所述生产井(15)的出口连接；
高温高压氮气供应系统包括储气罐(3)、加热器(6)、高温储气罐(7)、第二增压装置(8)和高温高压储气罐(9)，所述储气罐(3)的第一输出端与所述加热器(6)的输入端连接，所述加热器(6)的输出端与所述高温储气罐(7)的输入端连接，所述高温储气罐(7)的输出端与所述第二增压装置(8)的第一输入端连接，所述第二增压装置(8)的输出端与所述高温高压储气罐(9)的输入端连接，所述高温高压储气罐(9)的输出端与所述注入井(10)的入口连接。
2.如权利要求1所述的自持式富油煤原位热解系统，其特征在于，所述注入井(10)和高温燃料电池堆(13)以生产井(15)为中心呈六边形布置；高温燃料电池堆(13)通过导线与电力系统控制柜(23)连接。
3.如权利要求1所述的自持式富油煤原位热解系统，其特征在于，所述高温高压氮气供应系统还包括空气分离装置(1)和第一增压装置(2)，所述空气分离装置(1)的氮气输出端与所述第一增压装置(2)的第一输入端连接，所述空气分离装置(1)的氧气输出端与所述高温燃料电池堆(13)的阴极入口连接，所述第一增压装置(2)的输出端与所述储气罐(3)的输入端连接。
4.如权利要求1所述的自持式富油煤原位热解系统，其特征在于，所述储气罐(3)的第二输出端与所述第二增压装置(8)的第二输入端连接，所述储气罐(3)的第一输出端与所述加热器(6)的输入端之间设置有第一阀门(4)，所述储气罐(3)的第二输出端与所述第二增压装置(8)的第二输入端之间设置有第二阀门(5)。
5.如权利要求3所述的自持式富油煤原位热解系统，其特征在于，所述热解产物处理收集系统包括气固分离装置(16)、换热器(17)、气液分离装置(18)、储油罐(19)和CO2储罐(20)，所述气固分离装置(16)的输入端与所述生产井(15)的出口连接，所述气固分离装置(16)的气体输出端与所述换热器(17)的第一输入端连接，所述储气罐(3)的第三输出端与所述换热器(17)的第二输入端连接，所述换热器(17)的第一输出端与所述气液分离装置(18)的输入端连接，所述换热器(17)的第二输出端与下一地块的待热解富油煤层(11)的注入井(10)的入口连接，所述气液分离装置(18)的第一输出端与所述储油罐(19)的输入端连接，所述气液分离装置(18)的第二输出端与所述CO2储罐(20)的输入端连接。
6.如权利要求5所述的自持式富油煤原位热解系统，其特征在于，所述气液分离装置(18)的第三输出端经第三阀门(21)后与所述高温燃料电池堆(13)的阳极入口连接，所述气液分离装置(18)的第三输出端经第四阀门(22)后与下一地块高温燃料电池堆(13)的阳极入口连接，所述气液分离装置(18)的第四输出端与所述第一增压装置(2)的第二输入端连接。
7.采用如权利要求1所述的富油煤原位热解系统实现富油煤原位热解的方法，其特征在于，
通过高温高压氮气供应系统将高温高压氮气输入到所述注入井(10)，所述注入井(10)中的高温高压氮气经过第一裂隙(12)和第二裂隙(14)进入待热解富油煤层(11)并与其进行对流换热，同时高温燃料电池堆(13)对富油煤层(11)进行传导加热，高温高压氮气携带富油煤热解产生的热解气通过所述生产井(15)进入所述热解产物处理收集系统，所述热解产物处理收集系统对热解气进行处理并收集焦油，热解结束后，通过低温高压氮气对热解后富油煤层(11)中的热量及残留油气进行回收利用。
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