专利名称：一种开采深海可燃冰的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种开采深海可燃冰的方法和装置，特别涉及一种利用超临界水氧化法开采深海可燃冰的方法，属于能源与环境技术领域。
背景技术：
可燃冰，学名天然气水合物，是由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质，分布于深海沉积物中。可燃冰中甲烷占80%-99. 9%，可直接点燃，燃烧值高，清洁无污染。可燃冰的诞生至少要满足三个条件第一是温度不能太高，如果温度高于20°C，它就会“烟消云散”，所以，深海的温度最适合可燃冰的形成；第二是压力要足够大，深海越深压力就越大，可燃冰也就越稳定；第三是要有甲烷气源，深海古生物尸体的沉积物，被细菌分解后会产生甲烷。所以，可燃冰在世界各大洋中均有分布。 评价结果表明，仅仅在深海区域，可燃冰的分布面积就达4000万平方公里，占地球海洋总面积的I / 4。目前，世界上已发现的可燃冰分布区多达116处，其矿层之厚、规模之大，是常规天然气田无法相比的。仅仅是现在探明的可燃冰储量，就比全世界煤炭、石油和天然气加起来的储量还要多几倍。可燃冰呈固态，不会像石油开采那样自喷流出。如果把它从深海一块块搬出，在从深海到海面的运送过程中，甲烷就会挥发殆尽，同时还会给大气造成巨大危害。为了获取这种清洁能源，世界各国都在研究可燃冰的开采方法。目前的开采方案主要有三种。方案一是热解法。利用“可燃冰”在加温时分解的特性，使其由固态分解出甲烷蒸汽。但此方法难处在于不好收集。方案二是降压法。有科学家提出将核废料埋入地底，利用核辐射效应使其分解。方案三是“置换法”。将二氧化碳注射入深海的甲烷水合物储层，因二氧化碳较之甲烷易于形成水合物，因而就可能将甲烷水合物中的甲烷分子“挤走”，从而将其置换出来。但它们都面临着和热解法同样布设管道并高效收集的问题。目前，国际上对于可燃冰的开采只处于研究和试验阶段。超临界水氧化法是在超过水的临界温度374°C和临界压力22. IMPa的高温高压条件下，以空气或其他氧化剂，将有机物或还原性无机物在水相中“燃烧”氧化的方法。超临界水具有类似液体的密度、溶解能力和良好的流动性，同时又具有类似气体的扩散系数和低黏度。在超临界水中，气液两相的相界面消失，有机物及氧气在超临界水中完全混溶，形成均一相体系，反应速度大大加快。大量实践证明，在很短的反应停留时间内，99. 99%以上的有机物迅速燃烧氧化成二氧化碳、水和其他无毒无害的终端产物。整个燃烧过程，产生大量的热，在满足自身反应所需热量的前提下，还有大部分热量可供利用。
发明内容
本发明的目的是提供一种开采深海可燃冰的方法和装置，解决可燃冰开采过程中甲烷逸出无法收集的问题，利用超临界水氧化法将可燃冰在深海就地氧化，放出热量加热水用来发电，为深海可燃冰的开采提供新的思路。
本发明采取的技术方案为一种开采深海可燃冰的方法，将可燃冰输送至位于海底的超临界水氧化反应器内，超临界水氧化反应器内有水介质，从外界泵送预热氧气至超临界水氧化反应器，氧气压力等于或略高于超临界水氧化反应器内压力，超临界水氧化反应器内点火，可燃冰发生氧化反应，反应产生的热量通过深海蒸汽加热器加热水蒸汽送至海平面上带动汽轮机发电，深海蒸汽加热器出来的凝结物和不凝物经分离，分离出的水一部分返回超临界水氧化反应器用作蒸发水。所述的氧气压力及反应器内压力均高于22. IMPa0汽轮机出来的冷凝水经回热再次进入深海蒸汽加热器被加热。所述的氧气预热利用反应器底部排出的盐水预热。
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一种开采深海可燃冰的装置，包括位于海底的内外压力平衡的超临界水氧化反应器，超临界水氧化反应器通过深海氧气加热器与氧气加压泵及氧气制备装置相连，超临界水氧化反应器的下部连有可燃冰给料装置和点火装置，超临界水氧化反应器的顶端连接深海蒸汽加热器，深海蒸汽加热器的热汽出口与海平面以上的汽轮机相连，汽轮机连接发电机，深海蒸汽加热器的底部通过气液分离器、蒸发水泵、深海蒸发水加热器与超临界水氧化反应器相通。所述的汽轮机同时通过凝汽器、凝结水泵将凝结水通入低压海面汽轮机回热系统，低压海面汽轮机回热系统通过除氧器、高压水泵连接高压海面汽轮机回热系统，高压海面汽轮机回热系统与深海蒸汽加热器相通。所述的气液分离器出水口有一路与除氧器相连。所述的超临界水氧化反应器的底部与深海氧气加热器相连。本发明的优势在于(I)将可燃冰在深海超临界水状态下氧化，利用氧化放热来发电，避免了将可燃冰运至海平面以上的过程中的挥发，消除环境隐患；(2)反应器内最初反应的启动热由外界热源供应，氧化反应开始后实现自给热量供应；氧气由反应器底部排出的含盐水预热；降温后的氧化反应产物，其中一部分被引至海平面以上，将水与二氧化碳及其他不凝气体分离，得到淡水，除供应蒸发水以形成反应器内壁的水膜及系统工艺水补给外，还可用于生活用水，大部分反应产物直接排放于深海，二氧化碳以液态形式存在，能量的利用率高，基本无损耗；(3)在深海的反应器和蒸汽加热器，内外压力均为超临界，可不采用耐高压的材质，降低了材质的选择要求。
图I为本发明方法流程图；图2为本发明装置图；其中，1.可燃冰给料装置、2.超临界水氧化反应器、3.氧气制备装置、4.氧气加压泵、5.深海氧气加热器、6.深海蒸汽加热器，7深海蒸发水加热器、8、蒸发水泵、9.气液分离器、10.汽轮机、11.发电机、12.凝汽器、13.凝结水泵、14.低压海面汽轮机回热系统、15.除氧器、16.高压水泵、17.高压海面汽轮机回热系统，18点火装置。
具体实施例方式下面结合具体实施方式
进一步说明。一种开采深海可燃冰的装置，包括位于海底的内外压力平衡的超临界水氧化反应器2，超临界水氧化反应器2通过深海氧气加热器5与氧气加压泵4及氧气制备装置3相连，超临界水氧化反应器2的下部连有可燃冰给料装置I和点火装置18，超临界水氧化反应器2的顶端连接深海蒸汽加热器6，深海蒸汽加热器6的热汽出口与海平面以上的汽轮机10相连，汽轮机10连接发电机11，深海蒸汽加热器6的底部通过气液分离器9、蒸发水泵8、深海蒸发水加热器7与超临界水氧化反应器2相通。汽轮机10同时通过凝汽器12、凝结水泵13将凝结水通入低压海面汽轮机回热系统14，低压海面汽轮机回热系统14通过除氧器15、高压水泵16连接高压海面汽轮机回热系统17，高压海面汽轮机回热系统17与深海蒸汽加热器6相通。气液分离器9出水口有一路与除氧器15相连。超临界水氧化反应器2的底部与深海氧气加热器5相连。
以海平面下2250m为例，对此发明的方法进行说明在海平面下2250m设置超临界水氧化反应器2，基于内外压力平衡，将可燃冰通过可燃冰给料装置I输送至超临界水氧化反应器2内。氧气在海平面以上通过氧气制备装置3获得，利用氧气加压泵4增压，氧气压力与超临界水氧化反应器所处位置的压力基本相同(高于22. IMPa)，利用超临界水氧化反应器底部排出的盐水，通过深海氧气加热器5预热后进入超临界水氧化反应器2内部。最初反应的启动热由外界热源供应，如点火装置18，氧化反应开始后可实现自给热量供应。氧化反应后的产物主要为二氧化碳和水及少部分不凝气体，携带热量，通过深海蒸汽加热器6将由海平面以上供给的汽轮10排汽凝结水(高于22. 5MPa)加热。氧化反应产物降温后，将其中一部分引至海面，通过气液分离器9进行气液分离，凝结水中不含盐分，其中一部分通过蒸发水泵8打入深海蒸发水加热器7进行预热，然后进入超临界水氧化反应器2，在内壁形成一层亚临界水膜，用于保护反应器壁；另一部分作为补给水进入除氧器15，进入系统；剩余凝结水作为生活用水。大部分氧化产物预热蒸发水后排入海中，二氧化碳以液态形式存在。汽轮机排汽经过凝汽器冷凝为凝结水，由凝结水泵13打入低压海面汽轮机回热系统14中预热，联同补给水通过除氧器15后进入循环系统，通过高压水泵16加压至高于22. 5MPa后，进入高压海面汽轮机回热系统17继续加热，其中海面汽轮机回热系统由汽轮机抽汽提供热源。经过多级加热的水进入深海通过深海蒸汽加热器6加热至540°C，进入汽轮机10带动发电机11发电。
权利要求
1.一种开采深海可燃冰的方法，其特征是，将可燃冰输送至位于海底的超临界水氧化反应器内，超临界水氧化反应器内有水介质，从外界泵送预热氧气至超临界水氧化反应器，氧气压力等于或略高于超临界水氧化反应器内压力，超临界水氧化反应器内点火，可燃冰发生氧化反应，反应产生的热量通过深海蒸汽加热器加热水蒸汽送至海平面上带动汽轮机发电，深海蒸汽加热器出来的凝结物和不凝物经分离，分离出的水一部分返回超临界水氧化反应器用作蒸发水。
2.根据权利要求I所述的开采深海可燃冰的方法，其特征是，所述的氧气压力及反应器内压力均高于22. IMpa0
3.根据权利要求I所述的开采深海可燃冰的方法，其特征是，汽轮机出来的冷凝水经回热再次进入深海蒸汽加热器被加热。
4.一种开采深海可燃冰的装置，其特征是，包括位于海底的内外压力平衡的超临界水氧化反应器，超临界水氧化反应器通过深海氧气加热器与氧气加压泵及氧气制备装置相连，超临界水氧化反应器的下部连有可燃冰给料装置和点火装置，超临界水氧化反应器的顶端连接深海蒸汽加热器，深海蒸汽加热器的热汽出口与海平面以上的汽轮机相连，汽轮机连接发电机，深海蒸汽加热器的底部通过气液分离器、蒸发水泵、深海蒸发水加热器与超临界水氧化反应器相通。
5.根据权利要求4所述的开采深海可燃冰的装置，其特征是，所述的汽轮机同时通过凝汽器、凝结水泵将凝结水通入低压海面汽轮机回热系统，低压海面汽轮机回热系统通过除氧器、高压水泵连接高压海面汽轮机回热系统，高压海面汽轮机回热系统与深海蒸汽加热器相通。
6.根据权利要求4所述的开采深海可燃冰的装置，其特征是，所述的气液分离器出水口有一路与除氧器相连。
7.根据权利要求4所述的开采深海可燃冰的装置，其特征是，所述的超临界水氧化反应器的底部与深海氧气加热器相连。
全文摘要
本发明涉及一种开采深海可燃冰的方法和装置，将可燃冰输送至位于海底的超临界水氧化反应器内，超临界水氧化反应器内有水介质，从外界泵送预热氧气至超临界水氧化反应器，氧气压力等于或略高于超临界水氧化反应器内压力，超临界水氧化反应器内点火，可燃冰发生氧化反应，反应产生的热量通过深海蒸汽加热器加热水蒸汽送至海平面上带动汽轮机发电，深海蒸汽加热器出来的凝结物和不凝物经分离，分离出的水一部分返回超临界水氧化反应器用作蒸发水。本发明将可燃冰在深海超临界水状态下氧化，利用氧化放热来发电，避免了将可燃冰运至海平面以上的过程中的挥发，消除环境隐患。
文档编号E21B43/01GK102787830SQ201210293368
公开日2012年11月21日 申请日期2012年8月17日 优先权日2012年8月17日
发明者张凤鸣, 张勇, 徐纯燕, 陈守燕, 陈桂芳, 马春元 申请人:山东大学