CN117085456B - 一种井内烟气捕集装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种井内烟气捕集装置及方法，属于烟气净化处理技术领域；包括注入井和注入管；注入管与固井套管之间且与封存岩层对应的区域内填充有用于吸附CO2的捕集结构；注入管内设置有制冷管；烟道气通过钻井入口经过冷却通过注入管底部进入捕集结构，烟道气中的CO2被捕集结构捕集之后在烟道气注入压力的作用下进入封存岩层，并被封存岩层封存；本发明实现了烟道气钻井内CO2捕集与封存的同步连续进行；省掉了地面大型的CO2捕集结构和压缩运输装置，降低CO2捕集与封存成本，同时简化了工艺步骤。
Description
技术领域
本发明属于烟气净化处理技术领域，涉及一种井内烟气捕集装置及方法。
背景技术
CO2的过度排放无疑会造成全球温室效应，从而使极端天气频繁发生，造成土地荒漠化、海平面上升等环境问题。目前，煤炭仍是主要的消费能源，而煤炭的燃烧会产生大量的CO2。煤炭燃烧主要集中在火电、钢铁、水泥等行业，主要以烟道气的形式进行废气排放，是最集中的CO2排放源。
CO2的捕集、利用和封存（CCUS）是降低大气中CO2浓度、抑制温室效应的重要手段，主要包括四个步骤：CO2的捕集、压缩、运输和封存。其中，开发高效、经济的 CO2捕集技术是最重要的一步。目前，捕集煤炭燃烧后产生的CO2的主要技术有吸收法、吸附法、膜分离法和低温分离法，而现有技术普遍存在设备庞大、步骤繁琐、能耗较高等问题，因而成本极高而难于推广。例如：1）以燃煤发电厂为例，烟道气中CO2捕集成本为300～900元/吨。一般1吨标煤排放CO2为2.66～2.72吨，则1吨标煤产生CO2的捕集费用远远高于其煤价，目前技术条件进行碳捕集得不偿失。2）一个普通600 MW的电厂每天排放的CO2量达12000吨，1吨CO2的常压体积约为500m3，烟道中CO2的浓度按照15％计算，则600 MW电厂每天排放的烟道气高达4000×104m3（4000万方）。如此巨大的烟道气排放量，需要在地面建造超巨型的CO2捕集装置，要求处理量大且捕集率高，捕集后还需进行连续压缩，所以设备建造和运行成本投入巨大，现有经济技术条件基本无法实现。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提出一种井内烟气捕集装置及方法。在钻井内对烟道气中CO2进行捕集同时完成封存，以降低CO2捕集成本和投入。
为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。
一种井内烟气捕集装置，包括封存岩层、伸入封存岩层内的注入井和设置在注入井内的固井套管，所述固井套管与封存岩层对应的管壁上设置有射孔；固井套管内设置有注入管；注入管与固井套管之间且与封存岩层对应的区域内填充有用于吸附CO2的捕集结构；所述注入管内设置有制冷管；所述制冷管用于对注入管内的烟道气进行冷却；所述注入管设置有用于注入烟道气的钻井入口；所述注入井设置有用于烟道气排出的钻井出口；烟道气通过钻井入口经过冷却通过注入管底部进入捕集结构，烟道气中的CO2被捕集结构捕集，之后在注入压力的作用下烟道气进入封存岩层，并被封存岩层封存。
进一步的，所述的捕集结构包括吸附捕集结构和膜捕集结构，所述吸附捕集结构包括多级多孔吸附材料，多级多孔吸附材料的粒径范围为3.0mm～50mm；孔径范围为0.3μm～1000μm；膜捕集结构包括多级膜材料，孔径范围为10nm～300nm；吸附捕集结构位于膜捕集结构下方。
进一步的，多级多孔吸附材料由下向上排列，从一级开始逐渐由粗粒粗孔级变到细粒细孔级；多级多孔吸附材料逐级置于注入管和固井套管之间的间隙内，多级多孔吸附材料为多孔炭材料、沸石分子筛、MOFs材料、活性氧化铝、类水滑石基、硅基介孔材料中的一种或多种组合。
进一步的，吸附捕集结构为由下向上排列的三级多孔吸附材料，第一级为活性碳材料；第二级为沸石分子筛材料，第三级为MOFs材料；活性碳材料的粒径为30mm、孔径为100μm；沸石分子筛材料的粒径为15mm、孔径为20μm；MOFs材料的粒径为4.0mm、孔径为2.0μm。
更进一步，膜捕集结构包括多孔纳米材料和聚合物材料；多孔纳米材料的孔径为50nm，聚合物材料的孔径为20nm；多孔纳米材料位于聚合物材料的下方。
进一步的，注入管下部连接有多孔塞，多孔塞的开孔孔径小于多级多孔吸附材料的孔径。
进一步的，制冷管为一体式内U型管，制冷管设置有内U型管入口和内U型管出口；内U型管入口与地面制冷机的冷水出口连接，内U型管出口与地面制冷机的热水入口连接，形成封闭制冷循环系统；根据地下岩层温度环境，通过地面制冷机对水冷却后压入制冷管内，将钻井内的注入管内部温度降低。
进一步的，还包括备用钻井，所述备用钻井内设置有与注入井内相同的捕集结构，备用钻井内的捕集结构与注入井内的捕集结构相串联，用于对烟道气的二次捕集吸附。
进一步的，所述的注入井设置在烟道气排放源附近区域。
基于所述的一种井内烟气捕集装置的烟气捕集方法，包括以下步骤：
1）对钻井内封存岩层全厚度段的固井套管进行射孔作业，在注入管下部安装多孔塞，并沿固井套管放入钻井内部，使多孔塞到达封存岩层底部位置；
2）通过伸入固井套管和注入管间隙的送料管，逐级将捕集结构中的多孔吸附材料沿送料管输送至与封存岩层对应的位置；
3）将制冷管置于注入管内，制冷管连接制冷装置形成制冷循环结构，根据地下岩层温度环境，将钻井内注入管内部温度降低到10℃～45℃范围内；
4）将烟道气加压后不断输入注入管和制冷管之间的间隙内，烟道气通过下部多孔塞进入捕集结构，捕集结构逐级束缚烟道气中的CO2；富集后的CO2在压差作用下不断沿射孔进入封存岩层，烟道气中滤离的N2通过吸附装置后沿固井套管和注入管之间的间隙向上运移排出地面；
5）检测排出烟道气中CO2的浓度，当CO2的浓度超过3.0％，则继续将该烟道气注入另一备用钻井内，按照上述步骤1）～4）继续对烟道气中的剩余CO2进行富集封存；
6）封存岩层对CO2封存结束后，移出制冷管，沿注入管压入水泥浆，水泥浆充满吸附装置，直至达到上一级封存岩层底部后停止注浆，抬升注入管至地表，待水泥浆固结后完成封存岩层的封闭；
7）按照上述步骤1）～6），继续对上一级封存岩层实施烟道气捕集与封存。
本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：
1、本发明通过在烟道气排放源附近区域施工钻井，在钻井内对烟道气中CO2进行捕集，分别通过钻井内的吸附捕集结构、膜捕集结构和制冷装置实现高效率CO2捕集，实现了CO2地下捕集与封存的同步进行。
2、采用本发明的装置和方法，由传统地面设备捕集转变到地下井内捕集，不需要在地面建造巨型的CO2捕集结构，不需要化学捕集药剂的投入，不需要CCUS项目捕集后的压缩运输环节，极大降低了运营成本，简化了工艺步骤，实现了烟道气钻井内CO2捕集与封存的同步连续进行。
附图说明
图1是钻井内捕集结构的安装结构示意图；
图2是钻井内烟道气捕集与封存过程；
图3是钻井内封存岩层的封闭过程；
图中：1-固井套管；2-封存岩层；3-射孔段；4-注入管；5-多孔塞；6-吸附捕集结构；601-活性碳材料；602-沸石分子筛材料；603-MOFs材料；7-送料管；8-膜捕集结构；801-多孔纳米材料；802-聚合物材料；9-制冷管；10-内U型管入口；11-冷水出口；12-内U型管出口；13-热水入口；14-钻井入口；15-钻井出口；16-水泥浆；17-第二封存岩层；18-备用钻井；19-第二射孔段；20-地面制冷机。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。
实施例1
本实施例提出一种烟道气钻井内捕集装置及方法，如图1、2和3所示，其具体步骤如下：
1）在烟道气排放源附近区域施工一口钻井，钻井深度3000m，封存岩层2的厚度为80.1m。钻井完成后在钻井内安装固井套管1并固井，并对与封存岩层2位置对应的固井套管1上进行射孔作业，形成射孔段3。
2）在注入管4下部安装多孔塞5，并沿固井套管1中间位置放入钻井内部，使多孔塞5到达封存岩层2底部位置。
3）在固井套管1与注入管4之间形成的环形区域内安装吸附捕集结构6，钻井内的吸附捕集结构6为由下向上排列的三级多孔吸附材料，第一级为活性碳材料601（活性碳材料601的粒径为30mm；孔径为100μm）；第二级为沸石分子筛材料602（沸石分子筛材料602的粒径为15mm；孔径为20μm），第三级为MOFs材料603（MOFs材料603的粒径为4.0mm；孔径为2.0μm）。计算吸附捕集结构6内每一级多孔吸附材料的使用量，通过伸入固井套管1和注入管4间隙的送料管7，逐级将多孔吸附材料沿送料管7输送至预定位置，第一级的活性碳材料601厚度为30m；第二级的沸石分子筛材料602厚度为25m；第三级的MOFs材料603的厚度25m。
4）在固井套管1与注入管4之间形成的环形区域内还安装有圆环形的膜捕集结构8，膜捕集结构8包括下部的多孔纳米材料801（孔径50nm）和上部的聚合物材料802（孔径20nm）的组合，多孔纳米材料801和聚合物材料802的厚度均为5.0cm，沿井口垂直向下放至于吸附捕集结构6上部。
5）将制冷管9置于注入管4中部，制冷管9为一体式内U型管，制冷管9设置有内U型管入口10和内U型管出口12；内U型管入口10与地面制冷机20的冷水出口11连接，内U型管出口12与地面制冷机20的热水入口13连接，形成封闭制冷循环系统。根据地下岩层温度环境，通过地面制冷机20对水冷却后压入制冷管9内，将钻井内的注入管4内部温度降低到30℃附近。
6）烟道气中初始CO2浓度为15％，对烟道气加压后不断从钻井入口14输入注入管4和制冷管9之间的间隙内，并通过下部多孔塞5进入吸附捕集结构6，多级多孔吸附材料逐级对烟道气中CO2进行吸附，烟道气向上运移通过膜捕集结构8，进一步被吸附捕集。被富集的CO2在压差作用下不断沿固井套管1上的射孔段3进入封存岩层2，烟道气中滤离的大部分N2通过膜捕集结构8后沿固井套管1和注入管4间隙向上运移排出地面。
7）检测钻井出口15排出烟道气中CO2的浓度为1.5％，CO2封存率达到90％，已达到较好封存效果。
8）对该封存岩层2封存结束后，移出制冷管9，沿注入管4压入水泥浆16，水泥浆16充满吸附捕集结构6和膜捕集结构8，直至达到第二封存岩层17底部后停止注浆，缓慢抬升注入管4至地表，待水泥浆16固结后确认封存岩层2已封闭。
9）同样按照上述步骤，对钻井内第二封存岩层17段进行射孔作业，形成第二射孔段19，实施烟道气井内捕集与封存。
实施例2
一种烟道气钻井内捕集装置与方法，如图1、2和3所示，其具体步骤如下：
1）在烟道气排放源附近区域施工两口钻井，主钻井深度3000m，封存岩层2厚度60.1m；备用钻井18深度2000m，封存岩层厚度30.06m。完井后分别在主、备钻井内安装固井套管1并固井，并对两井与封存岩层2位置对应的固井套管1段进行射孔作业，形成射孔段3。
2）分别在主钻井和备用钻井18的注入管4下部安装多孔塞5，并沿固井套管1中间位置放入钻井内部，使多孔塞5到达各自对应的封存岩层2底部位置。
3）主钻井内吸附捕集结构6与实施例1中所述的吸附捕集结构6结构相同。计算吸附捕集结构6内每一级多孔吸附材料的使用量，通过伸入固井套管1和注入管4间隙的送料管7，逐级将多孔吸附材料沿送料管7输送至预定位置，第一级的活性碳材料601的厚度为20m；第二级的沸石分子筛材料602的厚度为20m；第三级的MOFs材料603的厚度为20m。备用钻井18内的吸附捕集结构6设计为三级多孔吸附材料，第一级为活性碳材料601（粒径30mm；孔径100μm），第二级的沸石分子筛材料602（粒径15mm；孔径20μm），第三级为MOFs材料603（粒径4.0mm；孔径2.0μm），第一级、第二级和第三级多孔吸附材料在备用钻井18内的厚度都是10m。
4）圆环形的膜捕集结构8结构与实施例1相同。主钻井和备用钻井18中均设置有膜捕集结构8。主钻井中的膜捕集结构8，多孔纳米材料801和聚合物材料802的厚度均为5.0cm；备用钻井18中多孔纳米材料801和聚合物材料802的厚度分别为3.0cm，均依次穿过注入管4，沿井口垂直向下放置于吸附捕集结构6上部。
5）分别将主钻井和备用钻井18的制冷管9置于注入管4中部，制冷管9为一体式内U型管，制冷管9设置有内U型管入口10和内U型管出口12；内U型管入口10与地面制冷机20的冷水出口11连接，内U型管出口12与地面制冷机20的热水入口13连接，形成内循环。根据地下岩层温度环境，通过地面制冷机20将水冷却后压入制冷管9内，将主钻井内的和备用钻井18内的注入管4内部温度降低到35℃附近。
6）烟道气中初始CO2浓度为15％，对烟道气加压后不断从钻井入口14输入至主钻井内的注入管4和制冷管9之间的间隙，并通过下部多孔塞5进入吸附捕集结构6，三级多孔吸附材料进行逐级束缚烟道气中的CO2，烟道气向上运移通过膜捕集结构8。富集的CO2在压差作用下不断沿射孔段3进入封存岩层2，烟道气中滤离的大部分N2通过膜捕集结构8后沿固井套管1和注入管4的间隙向上运移排出地面。
7）检测主钻井的钻井出口15排出的烟道气中CO2的浓度为4.0％，CO2封存率为73.3％，仍有较多CO2没有得到有效封存，继续将该浓度烟道气注入备用钻井18的钻井入口14，通过备用钻井18内的捕集结构对CO2进行富集连续封存。检测备用钻井18出口排出的烟道气中CO2的浓度为0.5％，CO2封存率达到97％，封存效果显著。
8）当主钻井和备用钻井18中封存岩层2封存结束后，先后移出两井中的制冷管9，沿注入管4压入水泥浆16，水泥浆16充满吸附捕集结构6和膜捕集结构8中，直至达到第二封存岩层17底部后停止注浆，缓慢抬升注入管4至地表，待水泥浆16固结后确认封存岩层2已封闭。
9）同样按照上述步骤，对主钻井和备用钻井18内的第二封存岩层17段进行射孔作业，形成第二射孔段19，实施烟道气井内捕集与封存。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，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 (9)
1.一种井内烟气捕集装置，包括封存岩层（2）、伸入封存岩层（2）内的注入井和设置在注入井内的固井套管（1），所述固井套管（1）与封存岩层（2）对应的管壁上设置有射孔；固井套管（1）内设置有注入管（4）；其特征在于，注入管（4）与固井套管（1）之间且与封存岩层（2）对应的区域内填充有用于吸附CO2的捕集结构；所述注入管（4）内设置有制冷管（9）；所述制冷管（9）用于对注入管（4）内的烟道气进行冷却；所述注入管（4）设置有用于注入烟道气的钻井入口（14）；所述注入井设置有用于烟道气排出的钻井出口（15）；烟道气通过钻井入口（14）经过冷却通过注入管（4）底部进入捕集结构，烟道气中的CO2被捕集结构捕集，之后在注入压力的作用下烟道气进入封存岩层（2），并被封存岩层（2）封存；
所述的捕集结构包括吸附捕集结构（6）和膜捕集结构（8），所述吸附捕集结构（6）包括多级多孔吸附材料，多级多孔吸附材料的粒径范围为3.0mm～50mm；孔径范围为0.3μm～1000μm；膜捕集结构（8）包括多级膜材料，孔径范围为10nm～300nm；吸附捕集结构（6）位于膜捕集结构（8）下方。
2.根据权利要求1所述的一种井内烟气捕集装置，其特征在于，多级多孔吸附材料由下向上排列，从一级开始逐渐由粗粒粗孔级变到细粒细孔级；多级多孔吸附材料逐级置于注入管（4）和固井套管（1）之间的间隙内，多级多孔吸附材料为多孔炭材料、沸石分子筛、MOFs材料、活性氧化铝、类水滑石基、硅基介孔材料中的一种或多种组合。
3.根据权利要求2所述的一种井内烟气捕集装置，其特征在于，吸附捕集结构（6）为由下向上排列的三级多孔吸附材料，第一级为活性碳材料（601）；第二级为沸石分子筛材料（602），第三级为MOFs材料（603）；活性碳材料（601）的粒径为30mm、孔径为100μm；沸石分子筛材料（602）的粒径为15mm、孔径为20μm；MOFs材料（603）的粒径为4.0mm、孔径为2.0μm。
4.根据权利要求3所述的一种井内烟气捕集装置，其特征在于，膜捕集结构（8）包括多孔纳米材料（801）和聚合物材料（802）；多孔纳米材料（801）的孔径为50nm ，聚合物材料（802）的孔径为20nm；多孔纳米材料（801）位于聚合物材料（802）的下方。
5.根据权利要求1所述的一种井内烟气捕集装置，其特征在于，注入管（4）下部连接有多孔塞（5），多孔塞（5）的开孔孔径小于多级多孔吸附材料的孔径。
6.根据权利要求1所述的一种井内烟气捕集装置，其特征在于，制冷管（9）为一体式内U型管，制冷管（9）设置有内U型管入口（10）和内U型管出口（12）；内U型管入口（10）与地面制冷机（20）的冷水出口（11）连接，内U型管出口（12）与地面制冷机（20）的热水入口（13）连接，形成封闭制冷循环系统；根据地下岩层温度环境，通过地面制冷机（20）对水冷却后压入制冷管（9）内，将钻井内的注入管（4）内部温度降低。
7.根据权利要求1所述的一种井内烟气捕集装置，其特征在于，还包括备用钻井（18），所述备用钻井（18）内设置有与注入井内相同的捕集结构，备用钻井（18）内的捕集结构与注入井内的捕集结构相串联，用于对烟道气的二次捕集吸附。
8.根据权利要求1所述的一种井内烟气捕集装置，其特征在于，所述的注入井设置在烟道气排放源附近区域。
9.基于如权利要求1-8任意一项所述的一种井内烟气捕集装置的烟气捕集方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）对钻井内封存岩层（2）全厚度段的固井套管（1）进行射孔作业，在注入管（4）下部安装多孔塞（5），并沿固井套管（1）放入钻井内部，使多孔塞（5）到达封存岩层（2）底部位置；
2）通过伸入固井套管（1）和注入管（4）间隙的送料管（7），逐级将捕集结构中的多孔吸附材料沿送料管（7）输送至与封存岩层（2）对应的位置；
3）将制冷管（9）置于注入管（4）内，制冷管（9）连接制冷装置形成制冷循环结构，根据地下岩层温度环境，将钻井内注入管（4）内部温度降低到10℃～45℃范围内；
4）将烟道气加压后不断输入注入管（4）和制冷管（9）之间的间隙内，烟道气通过下部多孔塞（5）进入捕集结构，捕集结构逐级束缚烟道气中的CO2；富集后的CO2在压差作用下不断沿射孔进入封存岩层（2），烟道气中滤离的N2通过吸附装置后沿固井套管（1）和注入管（4）之间的间隙向上运移排出地面；
5）检测排出烟道气中CO2的浓度，当CO2的浓度超过3.0％，则继续将该烟道气注入另一备用钻井内，按照上述步骤1）～4）继续对烟道气中的剩余CO2进行富集封存；
6）封存岩层（2）对CO2封存结束后，移出制冷管（9），沿注入管（4）压入水泥浆（16），水泥浆（16）充满捕集结构，直至达到上一级封存岩层底部后停止注浆，抬升注入管（4）至地表，待水泥浆（16）固结后完成封存岩层（2）的封闭；
7）按照上述步骤1）～6），继续对上一级封存岩层实施烟道气捕集与封存。
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