CN117305855A - 一种地热井温差芯片发电生产液氢和液氧的产业链系统 - Google Patents
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Abstract
一种地热井温差芯片发电生产液氢和液氧的产业链系统，其主要包括六大部分：采空矿区地热改造部分、地热温差芯片发电部分、大储能电站、催化电解制液氧、液氢部分、液氧、液氢储运调配部分、氢燃料电池发电部分；其采空矿区地热改造部分中开凿人工圈闭，通过空压机、增压机将空气和人工圈闭连通，人工圈闭的出口和装置楼内的地热温差芯片发电部分连通而利用温差进行发电；而地热温差芯片发电部分产生的电能通过大储能电站调频调压后接入催化电解制液氧、液氢部分生产液氧、液氢；该液氧、液氢通过液氧、液氢储运调配部分进入氢燃料电池组进行发电。本发明打造了一条低成本生产液氢和液氧的产业链，能持续向市场提供低价的液氢和液氧绿色能源。
Description
技术领域
本发明涉及液氧液氢生产技术领域，尤其指利用采空矿区进行生产的一种地热井温差芯片发电生产液氢和液氧的产业链系统。
背景技术
地壳内部岩石层蕴藏着取之不尽用之不竭的高温高压地热，免费取热不用烧煤烧油、更不用排放二氧化碳。在全球碳达峰、碳中和共识战略下，地热开采成本最低、可以昼夜恒定提供热能发电。这是风能及光伏发电所无法比拟的。
我国地壳下面有大量可利用的采空油井、天然气井及其他矿井。许多井内储藏有丰富的地热能没有被利用；这些地热能源因远离工厂和居民生活地区＞3000米以外，偶然有冬季取暖、大棚蔬菜养植及牲畜养殖利用取热模式粗放。
也有如中国专利CN108361677A一种干热岩层人工圈闭蒸汽生产装置是开发利用地热的装置，但只是单纯的生产热蒸汽，还有中国专利CN217327251U一种改进的干热岩层人工圈闭温差芯片发电系统也只是单纯的利用地热进行温差发电的装置，现有技术中没有对这些废弃的地热资源加以利用的完整的全产业链。
发明内容
本发明提供一种地热井温差芯片发电生产液氢和液氧的产业链系统，利用采空矿区有地热资源的井场打造一条低成本生产液氢和液氧的产业链，利于矿产资源枯竭但还有地热资源的矿区企业实现经济新生，持续向市场提供低价的液氢和液氧绿色能源。
本发明的技术方案如下：
一种地热井温差芯片发电生产液氢和液氧的产业链系统，所述产业链系统主要包括如下六大部分：采空矿区地热改造部分、地热温差芯片发电部分、大储能电站、催化电解制液氧、液氢部分、液氧、液氢储运调配部分、氢燃料电池发电部分；其中：
所述采空矿区地热改造部分，在采空矿区指定井位，开凿人工圈闭，地面上指定点位建造泵房，泵房中设置有串联的空压机和增压机，增压机通过管道和人工圈闭连通，人工圈闭的出口通过热空气管道和地面上的装置楼内的地热温差芯片发电部分连通而利用温差进行发电；
而所述地热温差芯片发电部分产生的电能通过装置楼内设置的大储能电站调频调压后接入催化电解制液氧、液氢部分生产液氧、液氢；该液氧、液氢通过液氧、液氢储运调配部分进入氢燃料电池组进行发电。
所述产业链系统包括设置于装置楼中的蒸馏水生产单元，装置楼中从上而下设置有第一空气冷却器、冷却盘管、蒸馏水器及其内部安装的加热盘管、工业蒸馏水储罐；从采空矿区地热改造部分的人工圈闭中产生的热空气通过热空气管道和加热盘管连通，而蒸馏水器和饮用水管道连通，加热盘管的换热出口和温差芯片发电模块组连通，温差芯片发电模块组的冷端和第二空气冷却器连通；所述蒸馏水器的热出口和冷却盘管热入口连通，该冷却盘管的出口通过工业蒸馏水管道和工业蒸馏水储罐连通，该工业蒸馏水储罐通过蒸馏水管道和催化电解制液氧、液氢部分连接。
所述工业蒸馏水管道和加热盘管的出口管道上均设置有温差芯片，该温差芯片通过输电线和大储能电站连接。
所述催化电解制液氧、液氢部分包括电解槽，该电解槽通过电缆和所述大储能电站的多组大储能液态电池组电连接，同时该电解槽和工业蒸馏水储罐通过蒸馏水管道连通。
所述电解槽中的氢气、氧气分别依次经过氢压缩机组、氧压缩机组，液态氢进入干燥罐、液态氧进入干燥罐，氢超滤罐、氧超滤罐后接入储液氢罐、储液氧罐。
所述液态氢进入干燥罐、液态氧进入干燥罐中均填充装块状工业氯化钙；且罐体上分别设有储氢罐热空气吹扫口、储氧罐热空气吹扫口。
所述液氧、液氢储运调配部分包括液氧助燃的氢燃料电池载重卡车，其驾驶室中安装有北斗导航的电脑程序控制AI驾驶系统，驾驶室后方设有隔离框，该隔离框后方的牵引车底盘上安装有密闭运行的氢燃料电池电堆，该氢燃料电池电堆和液氢罐、液氧罐连通，同时和储能电池组电连接；拖挂车底盘上安装液氢和液氧储罐。
本发明中人工圈闭能持续恒定大量供热；用高压缩空气做热载体防止塌井堵井；用低成本热空气低成本生产蒸馏水；用低成本热空气驱动温差芯片低成本发电；用催化电解蒸馏水长时间低成本生产液氢和液氧；用大型液体储能电站和大型氢燃料电池组平衡电流电压；用液氧助燃的氢燃料电池发动机重卡，长时间昼夜不停AI无人自动驾驶运输。是一种高效率开发利用地热的全产业链。
本发明有利于矿产资源枯竭的，还有地热资源的矿区企业实现经济新生，持续向市场提供低价的液氢和液氧绿色能源。液氢及液氧是继石油天然气之后，中国乃至世界“双碳”背景下，又一重要的绿色能源；有利于消除因能源引发的战争危机。
附图说明
图1为本发明的整体系统框图；
图2为本发明地热温差芯片发电部分结构示意图；
图3为本发明催化电解制液氢液氧部分结构示意图；
图4为本发明液氧、液氢储运调配部分结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明及其效果进一步说明。
参照图1，一种地热井芯片发电生产液氢和液氧的产业链系统，所述产业链系统主要包括如下六大部分：采空矿区地热改造部分A、地热温差芯片发电部分B、大储能电站C、催化电解制液氧、液氢部分D、液氧、液氢储运调配部分E、氢燃料电池发电部分F；其中：
所述采空矿区地热改造部分A，在采空矿区指定井位，开凿人工圈闭，地面上指定点位建造泵房，泵房中设置有串联的空压机和增压机，该增压机输出的高压缩空气通过管道和人工圈闭连通，人工圈闭的出口通过热空气管道1和地面上的装置楼15内的地热温差芯片发电部分B连通而利用温差进行发电。
而所述地热温差芯片发电部分B产生的电能通过装置楼15内设置的大储能电站C调频调压后接入催化电解制液氧、液氢部分D生产液氧、液氢；该液氧、液氢出现压库时，通过液氧、液氢储运调配部分E进入氢燃料电池组F进行发电。生成的副产水排入指定储罐。
现有采空矿区有地热资源的井场通过本发明的架构可以打造一条低成本生产液氢和液氧的产业链。采空矿区包括含有地热资源的石油天然气采空区，煤炭采空区及其他矿产采空井地块，均可以建设温差芯片发电及液氢、液氧生产销售联合体。
采空矿区中人工闭圈的设置参照ZL201810361046.4原理开凿，如：进行水平钻孔扩容，采用空气钻井机具构造成四个方向的干热岩内人工圈闭。人工圈闭内直径大于100mm；商业使用温度大于100℃；钻井队在卸除钻探机械的同时，原地建设标准泵房安置钻探用的空压机和增压机。通过泵房中的空压机和增压机，将空气向下压入人工圈闭加热，热空气自压向上经热空气管道1进入装置楼15内的地热温差芯片发电部分B。地面上建设三层以上多框架钢筋砼框架楼作为装置楼15。参照图2，装置楼钢筋砼单框架为：长X宽X高大于5MX5MX4M安装玻璃窗、采暖及照明等设施封闭。
参照图2，所述产业链系统包括蒸馏水生产装置，该蒸馏水生产装置设置于装置楼15中，从上而下设置有第一空气冷却器9-1、冷却盘管5、蒸馏水器2及其内部安装的加热盘管3、工业蒸馏水储罐7；从采空矿区地热改造部分A通过热空气管道1和加热盘管3连通，而蒸馏水器2和饮用水管道4连通，加热盘管3的换热出口和温差芯片发电模块组连通，温差芯片发电模块组的冷端和第二空气冷却器9-2出口连通；所述蒸馏水器2的热出口和冷却盘管5热入口连通，该冷却盘管5的出口通过工业蒸馏水管道6和工业蒸馏水储罐7连通，该工业蒸馏水储罐7通过蒸馏水管道8和催化电解制液氧、液氢部分D连接。
所述工业蒸馏水管道6和加热盘管3的出口管道上均设有温差芯片14，该温差芯片14通过输电线和大储能电站C连接。图2所示，用来自热空气管道1的大于100℃的热空气通过纯度大于99.5%紫铜制造的加热盘管3加热管壁，同时用小于60℃冷凝水冷却紫铜制造的工业蒸馏水管道6外壁，加热盘管3、工业蒸馏水管道6出口端外壁分别焊接紫铜和铝纯度大于99.85%、型号1060导线供温差芯片14发电。市售的温差发电芯片14因地制宜设置。产生的新发电量18进入大储能电站部分C备用。
地热温差芯片发电部分B如图2所示，被干热岩人工圈闭加热至大于100℃的热空气，通过热空气管道1自压输往装置楼15各楼层中安装的发电装置，参照专利2022207274801原理结构，改造为热空气管道1内的热空气直上装置楼15顶楼层，自上而下进入蒸馏水器2及加热盘管3。蒸馏水器2内通过饮用水管道4泵入饮用水被加热到大于100℃变水蒸汽后上升进入冷却盘管5，被第一空气冷却器9-1中小于40℃冷风冷凝为工业蒸馏水，通过工业蒸馏水管道6输出，单组蒸馏水器出水量大于200L/h进入工业蒸馏水储罐7。该工业蒸馏水用作电解生产工艺用水。
热空气（经过加热盘管3的热空气）向下串联或并联进入温差芯片发电模组13（图中只表达了第一温差芯片发电组13-1、第二温差芯片发电组13-2，实际中根据需要可以设置N组温差芯片发电组）热端管口；同时，经第二空气冷却器9-2制冷的冷空气12成为小于40℃冷空气后，进入温差芯片发电模组13的冷端管口。新发电量18进入大储能电站部分C备用。
大储能电站部分C结构如图3所示，包括若干大储能电池组，图3中只表达了第一、第二大储能液态电池组16、17，实际中根据需要可以设置N组大储能液态电池组。新发电量18输往各大储能电池组。室内保持15℃—35℃恒温，大储能电池组柜选用液流大储能电池模块BMS、PCS及EMS集成系统。该系统EMS设置了调峰上网端口19备用。各大储能电池组采用电化学储能柜组成，单组的电化学储能柜的容量大于2兆瓦时；平均充放效率大于82%；一次冲放电大于1500度电。室内恒温的液流储能电池组可实现全天候、低成本、安全运行。
按图3所示，所述催化电解制液氧、液氢部分D包括电解槽22，该电解槽22通过电缆20和所述大储能电站C的多组大储能液态电池组电连接，为电解槽22以及更多电解槽供电，同时该电解槽22和工业蒸馏水储罐7通过蒸馏水管道8连通。
所述电解槽22中的氢气、氧气分别依次经过氢压缩机组23、氧压缩机组24，液态氢进入干燥罐25、液态氧进入干燥罐26，氢超滤罐31、氧超滤罐32后接入储液氢罐33、储液氧罐35。
所述液态氢进入干燥罐25、液态氧进入干燥罐26中均填充装块状工业氯化钙；且罐体上分别设有储氢罐热空气吹扫口30、储氧罐热空气吹扫口29。定期用热空气管道1中的热空气通过储氢罐热空气吹扫口30、储氧罐热空气吹扫口29除去水分27和杂质28，达到干燥标准备用。
所述第一、第二大储能液态电池组16、17连续输出额定电流电压进入电解槽22；该电解槽22中泵入常规规定的配料：蒸馏水和液体催化剂，在强制混合器21中强制混合后，同时输入大于500Nm3/h碱性水ALK电解槽或大于200Nm3/h质子交换膜PEM电解槽，分别产出气体氢和氧。
用氢压缩机组23将气态氢压缩脱水成为液态氢进入干燥罐25和超滤罐31纯化至纯度99.99%、压力大于70MPa的液态氢，输入大于20M3碳纤维复合材质储氢罐33，再通过液氢管道34输往指定库房集中仓储。
同时，用Y210氧压缩机组24将气态氧压缩脱水进入干燥罐26和超滤罐32纯化至纯度99.99%、压力大于35MPa的液态氧后输入大于20M3碳纤维复合材质储罐35，再通过液氧管道36输往指定库房集中仓储。
如图4，所述液氧、液氢储运调配部分E包括液氧助燃的氢燃料电池载重卡车，其驾驶室44中安装有北斗导航的电脑程序控制AI驾驶系统43，驾驶室44后方设有隔离框42，该隔离框42后方的牵引车底盘45上安装有密闭的氢燃料电池电堆37，该氢燃料电池电堆37和液氢罐38、液氧罐39连通，同时和储能电池组40电连接，该储能电池组40为电动机41供电；拖挂车底盘47上安装纤维复合材质的液氢和液氧储罐48，所述氢燃料电池载重卡车还包括牵引车轮胎46及拖挂构件49。
液氢液氧储运调配部分E采用AI电脑程序指挥氢燃料电池及电机做动力的、全自动无人驾驶＞30吨载重卡车全天候运输。将储存于耐高压大于70MPa储罐48内的液氢和液氧运往指定库房。用市售的氢燃料电池载重卡车底盘。参照专利ZL202020268592.6原理改造为液氧助燃的车载动力系统，液氧做助剂，电堆在密闭状态下运行寿命长。氢燃料电池电堆37在密闭状态下运行，可使重卡续航能力增加15%以上。而全部现有的氢燃料电池从压缩空气中获得氧气，电堆开放催化剂易受污染失活。
氢燃料电池发电部分F：商品液氢液氧销售出现积压时，可以参照专利ZL202020268592.6的原理，将多余液氢液氧输入图4所示的液氢罐38、液氧罐39中，并和氢燃料电池电堆37连接从而实现自体循环发电，为液氢液氧储运调配部分E提供电能。同时氢燃料电池电堆37和储能电池组40连接，该储能电池组40为电动机41供电。
本发明的实际应用场景如下：
实施例1，在青海油气田规定的、含地热资源的油气采空井场建设温差芯片发电和液氢、液氧联合生产体。
地热温差芯片发电部分B，采用专利201810361046.4原理，启动市售XR型空气锤钻机和直径＞200毫米钻头向地下钻探至＞1800米进入干热岩层内；再水平钻探＞600米构造人工圈闭形成四个方向隧洞式结构。在卸除钻具的同时，按国家标准GBJ29-90就地单独建泵房安置空压机和增压机。将大于1.0MPa高压缩空气及比例大于15%的二氧化碳输往地下人工圈闭加热。
如图2所示，采用专利2022207274801原理，加热后的热空气自热空气管道1自压通往温差芯片14组成的发电模块进行发电作业。用中国地质大学李克文团队研发的温差芯片发电集成模块，单组大模块芯片发电量＞30千瓦时，平均发电效率＞16%。
空气加热生产蒸馏水系统用本发明图2所示，该工业蒸馏水生产工艺，单组蒸馏水器出水量＞500L/h。
大储能电站部分C。如图3所示， 采用大连融科公司＞5MWh全钒液流储能系统，保持室内恒温25℃5可实现液流储能电池组全天候安全运行。大储能柜调压后输出功率380V/>10%和＞100A作为工业用电，也可以将储能柜调压后输出功率220V和＞2.5A作为民用电。系统EMS设置了调峰上网端口19，可以进行错峰商业运作，赚取差价。
催化电解制液氢液氧部分D，按图3所示，第一、第二大储能电池组16、17连续输出额定电流电压进入电解槽22；连续泵入规定配料的工业蒸馏水和液体氢氧化钾催化剂，做强制混合后，同时输入中船八一七所单槽产氢量＞300Nm3/h碱性水电解装置。用中船八一七所Y5010氢压缩机组将气态氢压缩为纯度99.99%、压力＞70MPa的液态氢；用Y210氧压缩机组将气态氧压缩为纯度99.99%、压力＞35MPa的液态氧。产出的液态氢和液态氧分别干燥和净化。各自输入＞20M3储罐。
液氢液氧储运调配部分E。AI程序控制系统接入油田总部大数据物联网。其中，如图4所示载重卡车，采用上汽红岩H6型智能重卡车。搭载中集安瑞科公司大于20 M3液氢储罐；内置C-V2X终端自动导航驾驶系统。
为重卡氢燃料电池和发动机配套的，是市售的京城股份两具氢气储罐和四具液氧储罐。按规定配比的氢气和氧气在车载程序控制系统指挥下，同时进入密闭状态的氢燃料电池堆。此处用宁德时代额定功率＞120KW的凝聚态电解液氢燃料电池、在规定压力下强制电堆进行密闭电化学反应产生电量。增设宁德时代ENERONE＞300MWh动力电池组以调节电机系统负荷；其中凝聚态电解液用硫磷酸分子端基有机聚合物分子量为800-1200。有液氧助燃的氢燃料电池，电堆在密闭状态下运行，可以让电池使用寿命大于2.2万小时。
这种线性绿色能源开发产业链，能让采空矿区重建地热井实现长于30年的长周期运行。持续为市场提供低价的可再生能源液氢、液氧和上网电力。
本发明的实际应用场景二：
在陕西榆林煤矿采空区用保定顺昌公司的空气钻机，在废弃的含地热矿井规定地点施工并完钻。建设单位启动增压水泵，将规定标准的水经管道泵入地下被干热岩层人工圈闭加热，产生＞120℃高温及＞1.0MPa高压的水蒸气，通过钢管道输往发电装置。用图2所示，进行制蒸馏水及温差芯片发电联动作业。＜0.2KPa蒸汽冷凝水净化后回灌地下重复使用。
地热温差芯片发电部分B。如图2所示，采用专利2022207274801原理产生中压水蒸气，用管道自压通往温差芯片发电模块进行发电作业。用中国地质大学李克文团队研发的温差芯片发电集成模块，单组大模块芯片发电量＞30千瓦时，平均发电效率＞16%。
大储能电站部分C。参照图3所示，在室内恒温25℃5环境下，用巨安科技＞100KW全铁液流储能电堆。系统效率＞80%。
催化电解制液氢液氧部分D，将市售大连化物所PEM质子交换膜＞220Nm3/h电解槽。参照图2布局，电解工艺用水改用蒸馏水。可以延长电解催化剂使用寿命15%以上。
液氢液氧储运调配部分E，用陕汽德龙X6000底盘参照图4再改进。产业链后续液氢及液氧储运系统运行方法雷同本发明实际应用场景一。
这种线性深度开采产业链，能让煤矿采空矿区改造后的地热井实现长周期运行。每年大检修＜10天。可持续为市场提供低价的绿色能源液氢和液氧。
Claims (7)
1.一种地热井温差芯片发电生产液氢和液氧的产业链系统，其特征在于：所述产业链系统主要包括如下六大部分：采空矿区地热改造部分（A）、地热温差芯片发电部分（B）、大储能电站（C）、催化电解制液氧、液氢部分（D）、液氧、液氢储运调配部分（E）、氢燃料电池发电部分（F）；其中：
所述采空矿区地热改造部分（A），在采空矿区指定井位，开凿人工圈闭，地面上指定点位建造泵房，泵房中设置有串联的空压机和增压机，增压机通过管道和人工圈闭连通，人工圈闭的出口通过热空气管道（1）和地面上的装置楼（15）内的地热温差芯片发电部分（B）连通而利用温差进行发电；
而所述地热温差芯片发电部分（B）产生的电能通过装置楼（15）内设置的大储能电站（C）调频调压后接入催化电解制液氧、液氢部分（D）生产液氧、液氢；该液氧、液氢通过液氧、液氢储运调配部分（E）进入氢燃料电池组（F）进行发电。
2.根据权利要求1所述的一种地热井温差芯片发电生产液氢和液氧的产业链系统，其特征在于：所述产业链系统包括设置于装置楼（15）中的蒸馏水生产单元，装置楼（15）中从上而下设置有第一空气冷却器（9-1）、冷却盘管（5）、蒸馏水器（2）及其内部安装的加热盘管（3）、工业蒸馏水储罐（7）；从采空矿区地热改造部分（A）的人工圈闭中产生的热空气通过热空气管道（1）和加热盘管（3）连通，而蒸馏水器（2）和饮用水管道（4）连通，加热盘管（3）的换热出口和温差芯片发电模块组连通，温差芯片发电模块组的冷端和第二空气冷却器（9-2）连通；所述蒸馏水器（2）的热出口和冷却盘管（5）热入口连通，该冷却盘管（5）的出口通过工业蒸馏水管道（6）和工业蒸馏水储罐（7）连通，该工业蒸馏水储罐（7）通过蒸馏水管道（8）和催化电解制液氧、液氢部分（D）连接。
3.根据权利要求2所述的一种地热井温差芯片发电生产液氢和液氧的产业链系统，其特征在于：所述工业蒸馏水管道（6）和加热盘管（3）的出口管道上均设置有温差芯片（14），该温差芯片（14）通过输电线和大储能电站（C）连接。
4.根据权利要求1所述的一种地热井温差芯片发电生产液氢和液氧的产业链系统，其特征在于：所述催化电解制液氧、液氢部分（D）包括电解槽（22），该电解槽（22）通过电缆（20）和所述大储能电站（C）的多组大储能液态电池组电连接，同时该电解槽（22）和工业蒸馏水储罐（7）通过蒸馏水管道（8）连通。
5.根据权利要求4所述的一种地热井温差芯片发电生产液氢和液氧的产业链系统，其特征在于：所述电解槽（22）中的氢气、氧气分别依次经过氢压缩机组（23）、氧压缩机组（24），液态氢进入干燥罐（25）、液态氧进入干燥罐（26），氢超滤罐（31）、氧超滤罐（32）后接入储液氢罐（33）、储液氧罐（35）。
6.根据权利要求5所述的一种地热井温差芯片发电生产液氢和液氧的产业链系统，其特征在于：所述液态氢进入干燥罐（25）、液态氧进入干燥罐（26）中均填充装块状工业氯化钙；且罐体上分别设有储氢罐热空气吹扫口（30）、储氧罐热空气吹扫口（29）。
7.根据权利要求1所述的一种地热井温差芯片发电生产液氢和液氧的产业链系统，其特征在于：所述液氧、液氢储运调配部分（E）包括液氧助燃的氢燃料电池载重卡车，其驾驶室（44）中安装有北斗导航的电脑程序控制AI驾驶系统（43），驾驶室（44）后方设有隔离框（42），该隔离框（42）后方的牵引车底盘（45）上安装有密闭运行的氢燃料电池电堆（37），该氢燃料电池电堆（37）和液氢罐（38）、液氧罐（39）连通，同时和储能电池组（40）电连接；拖挂车底盘（47）上安装液氢和液氧储罐（48）。
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