CN117165332A - 煤层原位生产绿氢系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种煤层原位生产绿氢系统和方法，系统中，生产井自地面朝煤层向下延伸且进入煤层中；注气井其自地面向下延伸至煤层底部并定向钻孔至所述生产井下部，与所述生产井连通，且所述注气井间隔所述生产井；柔性卷曲管安装于悬挂式注入管内，柔性卷曲管的上端位于地面且柔性卷曲管随悬挂式注入管延伸至煤层中，柔性卷曲管经由地面驱动装置在悬挂式注入管中移动；水蒸气等离子发生器安装于柔性卷曲管下端的端部以随柔性卷曲管移动而移动，液体水经由加热器加热转化为水蒸气以扩散于阴极和阳极之间，并经由电离形成用于与煤层气化反应生成氢气的水蒸气粒子。本系统气化高效和精准可控，降低了制氢的成本，解决了化石能源制氢碳排放问题。
Description
技术领域
本发明涉及煤层气化技术领域，尤其涉及一种煤层制氢系统和方法。
背景技术
氢气作为一种清洁绿色的二次零碳能源，是未来国家能源体系的重要组成部分，是用能终端实现绿色低碳转型的重要载体。相对化石能源制氢，以太阳能、风能等作为电力来源电解水制氢为代表的可再生能源制氢路径更为清洁和绿色，但其在实际应用中仍面临一些挑战，其中最主要的是氢气生产的规模化问题。目前，世界氢气产量以化石能源制氢为主，可再生能源来源的氢气产量仅占比5%左右。主流的化石能源制氢技术，如地面煤气化制氢、天然气重整制氢等，虽然可规模化生产氢气，且直接制氢成本较低，但目前普遍存在高碳排放的问题，所产氢气为“灰氢”；进一步地，需要耦合CCUS技术来减排二氧化碳，以制取“蓝氢”，但使得制氢成本大大提高。
煤层原位气化技术集建井、采煤与转化为一体，省去机械开采、运输、洗选以及利用过程中的建炉等过程，可有效降低煤炭气化制氢过程碳排放。由于煤层气化为吸热反应，传统煤层原位气化技术注入气化剂主要有空气、纯氧或富氧与水或二氧化碳的组合，也即必须在煤层中注入氧气，以燃烧部分煤层为气化反应提供热量。气化过程煤层由干燥带、还原带和氧化带组成，其中氧化带产物为二氧化碳，导致传统煤层气化煤气中二氧化碳含量达到40%左右。此外，由于地下煤层致密，气化反应速率低，生产强度小；传统煤层气化反应通过注入的气化剂来调节，气化面的扩展难以控制，造成低的资源回采率，间接导致单位煤层开发能耗和碳排放量的提高，亦需要耦合CCUS技术来降低二氧化碳排放，缩小了与可再生能源制氢的成本优势，现有技术的制氢技术存在的规模化、高碳排放和高成本的问题，亟需一种可规模化低成本制取“绿氢”技术，将传统化石能源转化为新能源，以助力绿色制氢。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的目的是提供一种煤层原位生产绿氢系统和方法，采用高焓值高能量密度水蒸气等离子气化技术，结合可再生能源电力，为煤层气化反应同时提供气化热源以及高活性气化剂，将地下煤层高效转化为氢气和一氧化碳，同时，气化面控制程度大大提高，启停方便，使得气化过程更为高效和精准可控，降低了大规模制氢的成本和碳排放，实现绿色制氢。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明的一种煤层原位生产绿氢系统包括：
生产井，其自地面朝煤层向下延伸且进入所述煤层中；
注气井，其自地面向下延伸至煤层底部并定向钻孔至所述生产井下部，与所述生产井连通，且所述注气井间隔所述生产井；
悬挂式注入管，其上端设于注气井井口，下端延伸到所述煤层中的钻孔直到连通所述生产井；
柔性卷曲管，其安装于悬挂式注入管内，柔性卷曲管的上端位于地面且柔性卷曲管随悬挂式注入管延伸至煤层中，柔性卷曲管经由地面驱动装置在悬挂式注入管中移动；
水蒸气等离子发生器，其安装于柔性卷曲管下端的端部以随柔性卷曲管移动而移动，所述水蒸气等离子发生器包括水蒸气发生系统和等离子体发生系统，其中，
等离子体发生系统包括，
等离子发生器本体，其固定连接柔性卷曲管，
阳极，其设于所述等离子发生器本体的底部，所述阳极经由阳极接线柱连接电源阳极，
阴极，其设于所述等离子发生器本体中且相对地间隔所述阳极布置，所述阴极包括相对所述阳极的阴极头和连接阴极头的阴极杆，所述阴极杆经由阴极接线柱连接电源阴极，
水蒸气发生系统包括，
绝缘棒，其为套设于等离子发生器本体内以隔离水蒸气发生系统的环管式结构，绝缘棒在靠近阴极杆一端设有绝缘柱，
加热器，其为套设于绝缘棒与等离子发生器本体之间的环管式结构，加热器包括连接绝缘柱且朝阳极方向延伸的加热棒，加热棒一端与加热棒正极连接，另一端与加热棒负极连接，所述加热器与等离子发生器本体之间填充吸水材料，
液态水注入口，其设于等离子发生器本体远离阳极的一端且连通所述吸水材料，液体水经由加热器加热转化为水蒸气以扩散于阴极和阳极之间，并经由电离形成用于与煤层气化反应生成氢气的水蒸气粒子。
所述的一种煤层原位生产绿氢系统中，还包括连接于悬挂式注入管与柔性卷曲管之间的环形空隙的辅助口，辅助口可控地将惰性气体输送至钻孔中进行吹扫以在气化反应前空气置换。
所述的一种煤层原位生产绿氢系统中，所述液态水注入口经由液态水注入管连接地面上的储水装置以可控地输送液态水。
所述的一种煤层原位生产绿氢系统中，所述悬挂式注入管的上端经由悬挂器悬挂，所述悬挂式注入管包括位于注气井的垂直段、位于钻孔中的水平段以及连接所述垂直段与水平段的弯曲段，水平段的外壁与所述钻孔内壁之间存在间隙。
所述的一种煤层原位生产绿氢系统中，所述注气井还包括，
表层套管，其上端连接于地面，下端在地面以下自由悬挂，
生产套管，其设置于表层套管内部，生产套管上端连接于地面，下端在地面以下自由悬挂且延伸到所述弯曲段，悬挂式注入管设置于生产套管内部。
所述的一种煤层原位生产绿氢系统中，所述阳极为拉法尔结构，阳极螺纹连接等离子发生器本体，阳极接线柱与等离子发生器本体连接。
所述的一种煤层原位生产绿氢系统中，阴极位于等离子发生器本体中心轴线上，阴极头螺纹连接所述阴极杆。
所述的一种煤层原位生产绿氢系统中，所述阴极头中心镶嵌耐高温金属块，所述耐高温金属块包括钨、铪或钼及其合金。
一种煤层原位生产绿氢系统的制氢方法包括，
步骤1，设置水蒸气等离子发生器电流参数，启动等离子发生器，液体水经由加热器加热转化为水蒸气以扩散于阴极和阳极之间，水蒸气经由电离形成水蒸气粒子，水蒸气粒子与煤层气化反应生成氢气和一氧化碳且经由生产井输出，
步骤2，根据生产井出口的氢气组分及流量变化，逐渐提高水蒸气等离子发生器的水流量和电流，使之满负荷运行，当流量小于预定流量值，判断气化反应结束，关闭水蒸气等离子发生器；
步骤3，地面驱动装置移动柔性卷曲管预定距离，重复步骤1-2周期性进行气化反应以气化煤层。
所述的方法中，水蒸气等离子发生器的实际电流与预定电流相差±10A以内，则水蒸气等离子发生器启动起弧成功，如实际电流为零或者低于预定电流，则起弧失败，重复水蒸气等离子发生器启动操作。
在上述技术方案中，本发明提供的一种煤层原位生产绿氢系统和方法，具有以下有益效果：采用高焓值高能量密度水蒸气等离子气化技术，结合可再生能源电力，为煤层气化反应同时提供气化热源以及高活性气化剂，改变传统煤气化技术原理，将地下煤层高效转化为氢气和一氧化碳；依靠等离子体热量传递和水蒸气活性粒子控制煤层还原反应，气化面控制程度大大提高，启停方便，使得煤层气化过程更为高效和精准可控，系统解决传统能源制取“绿氢”技术壁垒。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种煤层原位生产绿氢系统的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的一种煤层原位生产绿氢系统的水蒸气等离子发生器的结构示意图。
图3为本发明实施例提供的一种煤层原位生产绿氢系统的制氢方法的生产工艺路线示意图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
参见图1-3所示，在一个实施例中，本发明的一种煤层原位生产绿氢系统包括，
生产井14，其自地面17朝煤层16向下延伸且进入所述煤层16中；
注气井18，其自地面17向下延伸至煤层16底部并定向钻孔至所述生产井14下部，与所述生产井14连通，且所述注气井18间隔所述生产井14；
悬挂式注入管3，其上端设于注气井18井口，下端延伸到所述煤层16中的钻孔直到连通所述生产井14；
柔性卷曲管4，其安装于悬挂式注入管3内，柔性卷曲管4的上端位于地面且柔性卷曲管4随悬挂式注入管3延伸至煤层16中，柔性卷曲管4经由地面驱动装置8在悬挂式注入管3中移动；
水蒸气等离子发生器5，其安装于柔性卷曲管4下端的端部以随柔性卷曲管4移动而移动，所述水蒸气等离子发生器5包括水蒸气发生系统和等离子体发生系统，其中，
等离子体发生系统包括，
等离子发生器本体21，其固定连接柔性卷曲管4，
阳极23，其设于所述等离子发生器本体21的底部，所述阳极23经由阳极接线柱20连接电源阳极，
阴极，其设于所述等离子发生器本体21中且相对地间隔所述阳极23布置，所述阴极包括相对所述阳极23的阴极头22和连接阴极头22的阴极杆24，所述阴极杆24经由阴极接线柱29连接电源阴极，
水蒸气发生系统包括，
绝缘棒27，其为套设于等离子发生器本体21内以隔离水蒸气发生系统的环管式结构，绝缘棒27在靠近阴极杆24一端设有绝缘柱33，
加热器26，其为套设于绝缘棒27与等离子发生器本体21之间的环管式结构，加热器26包括连接绝缘柱33且朝阳极23方向延伸的加热棒，加热棒一端与加热棒正极32连接，另一端与加热棒负极31连接，所述加热器26与等离子发生器本体21之间填充吸水材料25，
液态水注入口28，其设于等离子发生器本体21远离阳极23的一端且连通所述吸水材料25，液体水经由加热器26加热转化为水蒸气以扩散于阴极和阳极23之间，并经由电离形成用于与煤层16气化反应生成氢气的水蒸气粒子。
所述的一种煤层原位生产绿氢系统的优选实施例中，还包括连接于悬挂式注入管3与柔性卷曲管4之间的环形空隙的辅助口13，辅助口13可控地将惰性气体输送至钻孔中进行吹扫以在气化反应前空气置换。
所述的一种煤层原位生产绿氢系统的优选实施例中，所述液态水注入口28经由液态水注入管9连接地面上的储水装置10以可控地输送液态水。
所述的一种煤层原位生产绿氢系统的优选实施例中，所述悬挂式注入管3的上端经由悬挂器7悬挂，所述悬挂式注入管3包括位于注气井18的垂直段、位于钻孔中的水平段以及连接所述垂直段与水平段的弯曲段，水平段的外壁与所述钻孔内壁之间存在间隙。
所述的一种煤层原位生产绿氢系统的优选实施例中，所述注气井18还包括，
表层套管1，其上端连接于地面17，下端在地面以下自由悬挂，
生产套管2，其设置于表层套管1内部，生产套管2上端连接于地面17，下端在地面以下自由悬挂且延伸到所述弯曲段，悬挂式注入管3设置于生产套管2内部。
所述的一种煤层原位生产绿氢系统的优选实施例中，所述阳极23为拉法尔结构，阳极23螺纹连接等离子发生器本体21，阳极接线柱20与等离子发生器本体21连接。
所述的一种煤层原位生产绿氢系统的优选实施例中，阴极位于等离子发生器本体21中心轴线上，阴极头22螺纹连接所述阴极杆24。
所述的一种煤层原位生产绿氢系统的优选实施例中，所述阴极头22中心镶嵌耐高温金属块，所述耐高温金属块包括钨、铪或钼及其合金。
在一个实施例中，水蒸气等离子发生器5包括水蒸气发生系统和等离子体发生系统。其中水蒸气发生系统由液态水注入口28、吸水材料25、加热器26、加热棒负极31、加热棒正极32和绝缘棒27组成。由注入口注入的液态水由吸水材料25存留，并通过加热棒高温加热转化为水蒸气，由绝缘棒27避免水蒸气发生系统与等离子发生系统短路。等离子体发生系统由阴极头22、阳极23、阴极杆24、阴极接线柱29、阳极接线柱20组成。水蒸气扩散至等离子发生器本体21内的阴极和阳极23之间，受高压放电作用，电离产生高焓值高能量密度高活性水蒸气粒子。等离子发生器本体21采用嵌入式固定装置34与煤层原位气化柔性卷曲管4连接，实现煤层气化通道伸缩控制。
在一个实施例中，加热器26为环管式，伸入等离子发生器本体21内，左端与绝缘柱33连接，另一端自由悬挂，避免受热作用伸缩。加热器26外侧贴紧吸水材料25，便于液态水蒸发，内侧贴紧绝缘棒27，避免水蒸气发生系统与等离子发生系统短路。加热棒一端与加热棒正极32连接，一端与加热棒负极31连接，正负极接电即可通电。加热棒材料可选用但不限于铜、银、金、铁等金属或铁铬铝、镍铬合金材料。加热器26规格根据功率和水蒸气气量设计，长度可为100~2000 mm，直径可为50~300 mm。绝缘棒27为环管式，外侧贴紧加热棒，避免水蒸气发生系统与等离子发生系统短路。绝缘棒27可选用耐高温绝缘材质，包括但不限于石英、刚玉等材料。绝缘棒27的规格与加热器26配套，结合加热器26尺寸匹配。
在一个实施例中，阳极23位于等离子发生器本体21底部，采用拉法尔结构，便于将工作介质气体转化为高压低速状态，便于高压电离。阳极23规格根据功率和水蒸气气量设计，长度可为100~1000 mm，直径可为50~200 mm。阳极23可选用耐高温导电性强材质，包括但不限于铜、银、金、铁等金属。阳极23与水蒸气等离子发生器5本体通过螺纹连接，阳极接线柱20与等离子发生器本体21连接，接线柱接上电源阳极23即可通电。阴极头22位于阳极23左侧，通过螺纹与阴极杆24连接。阴极头22与阴极杆24位于水蒸气等离子发生器5本体中心。阴极杆24一端与阴极连接，另一端焊接于等离子发生器本体21，并设置阴极接线柱29，接线柱接上电源阴极即可通电。阴极规格根据功率和水蒸气气量设计，长度可为20~100mm，直径可为20-50 mm。阴极可选用耐高温导电性强材质，包括但不限于铜、银、金、铁等金属。为提高阴极寿命，在阴极头22中心即放电核心位置可镶嵌入耐高温金属块，包括但不限于钨、铪、钼等金属或合金。
在一个实施例中，系统由注气井18、水蒸气等离子发生器5、气化通道和生产井14组成。其中，注气井18由表层套管1、生产套管2、悬挂式注入管3和柔性卷曲管4构成。表层套管1采用水泥浇筑，上端连接于地面17，下端位于地面以下自由悬挂，所述表层套管1用于固定松散层。生产套管2采用水泥浇筑，设置于表层套管1内部，上端连接于地面17，下端自由悬挂，位于地面以下至接近于垂直段末端，所述生产套管2用于固定各岩层。悬挂式注入管3为悬挂式，上端位于井口，与悬挂器7相连，下端随钻孔延伸到煤层直至与生产井14底部连通，所述悬挂式注入管3在水平段的位置稍靠近于煤层底部，水平段悬挂式注入管3上部、下部与煤层有一定间隙，便于悬挂式注入管3下入煤层。所述悬挂式注入管3在煤层内起支护作用，防止煤层塌落，影响柔性卷曲管4伸缩。所述悬挂式注入管3材质为可燃材料，可随煤层气化反应进行逐步燃烧，不影响悬挂式注入管3周围煤层气化反应。柔性卷曲管4安装于悬挂式注入管3内，上端位于地面，与地面驱动装置8相连，通过注入头6延伸至煤层中，并于下端端部安装水蒸气等离子发生器5。所述柔性卷曲管4由地面驱动装置8控制伸缩，地面驱动装置8将柔性卷曲管4伸入煤层中，生产过程中根据工艺控制需要，由地面驱动装置8将柔性卷曲管4间歇后撤。水蒸气等离子发生器5连接柔性卷曲管4末端，可随柔性卷曲管4伸缩实现在煤层中移动。等离子发生器电缆11一端位于地面电源控制设备，使用可再生能源电力12，另一端与等离子发生器本体21相连。等离子发生器工作介质为水蒸气，液态水注入口28位于地面，液态水注入管9在柔性卷曲管4内，另一端连接等离子发生器本体21，液态水进入等离子发生器本体21，被吸水材料25吸收，并通过加热棒高温加热转化为水蒸气，水蒸气扩散至等离子发生器本体21内的阴极和阳极23之间，受高压放电作用，电离产生高焓值高能量密度高活性水蒸气粒子。所述液态水应选用去离子水，避免结垢问题，以延长等离子发生器使用寿命。液态水通过地面阀门和流量计控制注入流量。生产过程中根据工艺需求，可调控等离子发生器电源功率以及液态水注入量，来调节煤层气化强度。水蒸气等离子发生器5实现移动式任意位置随时启动煤层气化反应，在每次柔性卷曲管4后退一定距离后，可快速建立气化反应区，提高气化效率，强化气化过程。生产井14位于气化煤层另一端，用于将地下反应区煤气输送至地面，通过阀门15控制煤气输送流量和气化区压力。结合生产井14出口煤气产量，可反映煤炭地下气化反应进行状况，为调控煤层气化反应强度提供依据。辅助口13连接于悬挂式注入管3与柔性卷曲管4的环空，注入口和阀门位于地面，通过地面控制，可将氮气等惰性气体输送至煤层气流通道内，用于煤层水蒸气气化开始前空气置换。由于水蒸气等离子煤层气化产生煤气氢气和一氧化碳浓度高，为保障煤层气化安全，气化开始前，应对煤气化通道进行吹扫，将通道内空气置换完全。
一种煤层原位生产绿氢系统的制氢方法包括，
步骤1，设置水蒸气等离子发生器5电流参数，启动等离子发生器，液体水经由加热器26加热转化为水蒸气以扩散于阴极和阳极23之间，水蒸气经由电离形成水蒸气粒子，水蒸气粒子与煤层16气化反应生成氢气和一氧化碳且经由生产井14输出，
步骤2，根据生产井14出口的氢气组分及流量变化，逐渐提高水蒸气等离子发生器5的水流量和电流，使之满负荷运行，当流量小于预定流量值，判断气化反应结束，关闭水蒸气等离子发生器5；
步骤3，地面驱动装置8移动柔性卷曲管4预定距离，重复步骤1-2周期性进行气化反应以气化煤层16。
所述的方法的优选实施方式中，水蒸气等离子发生器5的实际电流与预定电流相差±10A以内，则水蒸气等离子发生器5启动起弧成功，如实际电流为零或者低于预定电流，则起弧失败，重复水蒸气等离子发生器5启动操作。
在一个实施例中，将煤炭地下气化目标区域附近的太阳能或风能电力输送至生产园区，为水蒸气等离子发生器5供电。水蒸气等离子发生器5与煤炭地下气化井下设备连接，由地面输送液态水和电力，开展煤层水蒸气气化反应，产生H2和CO体积浓度达到98%以上的煤气产品。将煤气产品H2分离净化后，中短距离输送至目标用户，作为绿氢供应，也可将H2和CO合成为甲醇，远距离输送至目标用户，作为绿色甲醇产品或者绿氢载体。
在一个实施例中，方法包括，
1）安装
表层套管1上端位于地面17，下端位于地面17以下，具体位置依据第四系松散层深度决定，表层套管1长度由地面至第四系松散层附近。
生产套管2位于表层套管1内部，上端位于地面17，下端延伸至注气井18的垂直段与弯曲段连接处。
悬挂式注入管3由若干管段组成，其中，本实施例注气井18中垂直段及弯曲段悬挂式注入管3管材采用钢材质，水平段悬挂式注入管3采用玻璃钢材质。根据注气井18的垂直段、弯曲段、水平段长度，在地面将若干管段由梯形扣等专用连接方式连接组成悬挂式注入管3，使悬挂式注入管3下端由玻璃钢材质组成，玻璃钢材质悬挂式注入管3长度等于注气井18水平段长度，此后，再连接上钢材质悬挂式注入管3，钢材质悬挂式注入管3长度由注气井18垂直段与弯曲段决定。采用边下悬挂式注入管3边连接方式，由地面悬挂器7逐渐下入煤层中。
悬挂式注入管3下入完毕后，再通过地面设备下入柔性卷曲管4。首先，将水蒸气等离子发生器电缆、液态水注入管9一端穿入柔性卷曲管4内，安装于柔性卷曲管4驱动装置上，等离子发生器电缆11、液态水注入管9另一端穿过柔性卷曲管4。柔性卷曲管4位于悬挂式注入管3内部，一端位于地面，连接于地面驱动装置8，另一端穿过注入头6后，将等离子发生器电缆11、液态水注入管9与等离子发生器本体21连接，再将柔性卷曲管4与等离子发生器本体21用嵌入式固定装置34连接，由驱动装置逐渐下入到悬挂式注入管3内部，延伸直至生产井14底部左侧。
2）气化通道吹扫
由于水蒸气等离子煤层气化产生煤气氢气和一氧化碳浓度高，为保障煤层气化安全，气化开始前，应对煤气化通道进行吹扫，将通道内空气置换完全。从辅助口13注入氮气等惰性气体，持续一段时间，并检测出气井出口气体组成，直至气体中氧气含量低于1%，则置换完成。
3）水蒸气等离子发生器启动操作
水蒸气等离子发生器5启动时，在液态水注入口28控制注入去离子水，设置等离子发生器电流参数，启动等离子发生器电源，观察等离子发生器电源控制系统实际电流参数，电流参数与设置参数接近，则表明等离子发生器启动起弧成功；如实际电流为零或者远低于设置电流，则起弧失败，重复等离子发生器起弧操作。
4）气化过程操作
水蒸气等离子发生器5启动成功后，进行正常气化。
根据生产井14出口煤气流量和组分变化，逐渐提高水蒸气等离子发生器5的水流量和电流，使之满负荷运行。
气化反应进行一段时间后，依据生产井14出口煤气产量下降情况，判定该区域煤层完成气化反应过程。关闭等离子发生器电源，将水蒸气等离子发生器5电流输入参数设置为0，关闭液态水入口阀门。通过地面柔性卷曲管4驱动装置后撤柔性卷曲管4一定距离，重启水蒸气等离子发生器5，继续进行正常气化反应。
在一个实施例中，系统包括注气井18、水蒸气等离子发生器5、钻孔形成的气化通道和生产井14组成。其中，注气井18由表层套管1、生产套管2、悬挂式注入管3和柔性卷曲管4构成。水蒸气等离子发生器5电力来源于风力发电，液态水使用工业园区中水进一步过滤产生的去离子水。注气井18用于注入液态水，经等离子发生器高压电离，高温高能高活性水蒸气粒子与煤层快速反应产出富氢气和一氧化碳煤气，通过生产井14将煤气输送至地面。表层套管1上端位于地面，下端位于地面以下，具体位置依据第四系松散层深度决定，表层套管1长度由地面至第四系松散层以下1~5米。生产套管2位于表层套管1内部，上端位于地面，下端延伸至注气井18的垂直段与弯曲段连接处。悬挂式注入管3由若干管段组成，其中，本实施例注气井18中垂直段及弯曲段悬挂式注入管3管材采用钢材质，水平段悬挂式注入管3采用玻璃钢材质。根据注气井18垂直段、弯曲段、水平段长度，在地面将若干管段由梯形扣等专用连接方式连接组成悬挂式注入管3，使悬挂式注入管3下端由玻璃钢材质组成，玻璃钢材质悬挂式注入管3的长度等于注气井18长度，此后，再连接上钢材质悬挂式注入管3，钢材质悬挂式注入管3长度由注气井18垂直段与弯曲段决定。采用边下悬挂式注入管3边连接方式，由地面悬挂器7逐渐下入煤层中。悬挂式注入管3下入完毕后，再通过地面设备下入柔性卷曲管4。首先，将水蒸气等离子发生器电缆、液态水注入管9一端穿入柔性卷曲管4内，安装于地面驱动装置8上，等离子发生器电缆11、液态水注入管9另一端穿过柔性卷曲管4。柔性卷曲管4位于悬挂式注入管3内部，一端位于地面，连接于地面驱动装置8，另一端穿过注入头6后，将等离子发生器电缆11、液态水注入管9与等离子发生器本体21连接，再将柔性卷曲管4与等离子发生器本体21用嵌入式固定装置34连接，由地面驱动装置8逐渐下入到悬挂式注入管3内部，延伸直至生产井14底部左侧。从辅助口13注入氮气等惰性气体，持续一段时间，并检测出气井出口气体组成，直至气体中氧气含量低于1%，则开始水蒸气等离子发生器5的启动操作。水蒸气等离子发生器5启动时，在液态水注入口28控制注入去离子水，设置水蒸气等离子发生器5电流参数，启动水蒸气等离子发生器5电源，观察水蒸气等离子发生器5电源控制系统实际电流参数，如实际电流与设置电流相差±10A以内，则表明水蒸气等离子发生器5启动起弧成功。水蒸气等离子发生器5启动成功后，开始煤层气化反应，产生氢气和一氧化碳，随着气化通道温度的提高以及氮气的置换，煤气中H2体积分率达到50%左右，CO体积分率达到48%以上，开始煤层正常气化。根据生产井14出口煤气流量和组分变化，逐渐提高水蒸气等离子发生器5水流量和电流，使之满负荷运行。气化反应进行一段时间后，依据生产井14出口煤气产量下降情况，判定该区域煤层完成气化反应过程。关闭等离子发生器电源，将水蒸气等离子发生器5电流输入参数设置为0，关闭液态水入口阀门。通过地面驱动装置8后撤柔性卷曲管4一定距离，重启水蒸气等离子发生器5，继续进行正常气化反应。
在一个实施例中，地面驱动装置8包括卷绕机。
最后应该说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本申请中的实施例，本领域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它实施例，都属于本申请保护的范围。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。
Claims (10)
1.一种煤层原位生产绿氢系统，其特征在于，其包括，
生产井，其自地面朝煤层向下延伸且进入所述煤层中；
注气井，其自地面向下延伸至煤层底部并定向钻孔至所述生产井下部，与所述生产井连通，且所述注气井间隔所述生产井；
悬挂式注入管，其上端设于注气井井口，下端延伸到所述煤层中的钻孔直到所述生产井底部附近；
柔性卷曲管，其安装于悬挂式注入管内，柔性卷曲管的上端位于地面且柔性卷曲管随悬挂式注入管延伸至煤层中，柔性卷曲管经由地面驱动装置在悬挂式注入管中移动；
水蒸气等离子发生器，其安装于柔性卷曲管下端的端部以随柔性卷曲管移动而移动，所述水蒸气等离子发生器包括水蒸气发生系统和等离子体发生系统，其中，
等离子体发生系统包括，
等离子发生器本体，其固定连接柔性卷曲管，
阳极，其设于所述等离子发生器本体的底部，所述阳极经由阳极接线柱连接电源阳极，
阴极，其设于所述等离子发生器本体中且相对地间隔所述阳极布置，所述阴极包括相对所述阳极的阴极头和连接阴极头的阴极杆，所述阴极杆经由阴极接线柱连接电源阴极，
水蒸气发生系统包括，
绝缘棒，其为套设于等离子发生器本体内以隔离水蒸气发生系统的环管式结构，绝缘棒在靠近阴极杆一端设有绝缘柱，
加热器，其为套设于绝缘棒与等离子发生器本体之间的环管式结构，加热器包括连接绝缘柱且朝阳极方向延伸的加热棒，加热棒一端与加热棒正极连接，另一端与加热棒负极连接，所述加热器与等离子发生器本体之间填充吸水材料，
液态水注入口，其设于等离子发生器本体远离阳极的一端且连通所述吸水材料，液体水经由加热器加热转化为水蒸气以扩散于阴极和阳极之间，并经由电离形成用于与煤层气化反应生成氢气的水蒸气粒子。
2.根据权利要求1所述的一种煤层原位生产绿氢系统，其特征在于，还包括连接于悬挂式注入管与柔性卷曲管之间的环形空隙的辅助口，辅助口可控地将惰性气体输送至钻孔中进行吹扫以在气化反应前空气置换。
3.根据权利要求1所述的一种煤层原位生产绿氢系统，其特征在于，所述液态水注入口经由液态水注入管连接地面上的储水装置以可控地输送液态水。
4.根据权利要求1所述的一种煤层原位生产绿氢系统，其特征在于，所述悬挂式注入管的上端经由悬挂器悬挂，所述悬挂式注入管包括位于注气井的垂直段、位于钻孔中的水平段以及连接所述垂直段与水平段的弯曲段，水平段的外壁与所述钻孔内壁之间存在间隙。
5.根据权利要求4所述的一种煤层原位生产绿氢系统，其特征在于，所述注气井还包括，
表层套管，其上端连接于地面，下端在地面以下自由悬挂，
生产套管，其设置于表层套管内部，生产套管上端连接于地面，下端在地面以下自由悬挂且延伸到所述弯曲段，悬挂式注入管设置于生产套管内部。
6.根据权利要求1所述的一种煤层原位生产绿氢系统，其特征在于，所述阳极为拉法尔结构，阳极螺纹连接等离子发生器本体，阳极接线柱与等离子发生器本体连接。
7.根据权利要求1所述的一种煤层原位生产绿氢系统，其特征在于，阴极位于等离子发生器本体中心轴线上，阴极头螺纹连接所述阴极杆。
8.根据权利要求1所述的一种煤层原位生产绿氢系统，其特征在于，所述阴极头中心镶嵌耐高温金属块，所述耐高温金属块包括钨、铪或钼及其合金。
9.一种利用权利要求1-8中任一项所述的一种煤层原位生产绿氢系统的制氢方法，其特征在于，其包括，
步骤1，液体水经由加热器加热转化为水蒸气以扩散于阴极和阳极之间，设置水蒸气等离子发生器电流参数，启动等离子发生器，水蒸气经由电离形成水蒸气粒子，水蒸气粒子与煤层气化反应生成氢气和一氧化碳且经由生产井输出，
步骤2，根据生产井出口的氢气组分及流量变化，逐渐提高水蒸气等离子发生器的水流量和电流，使之满负荷运行，当流量小于预定流量值，判断气化反应结束，关闭水蒸气等离子发生器；
步骤3，地面驱动装置移动柔性卷曲管预定距离，重复步骤1-2周期性进行气化反应以气化煤层。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，水蒸气等离子发生器的实际电流与预定电流相差±10A以内，则水蒸气等离子发生器启动起弧成功，如实际电流为零或者低于预定电流，则起弧失败，重复水蒸气等离子发生器启动操作。
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