动力煤原位L型供气燃烧、H型高效采热及碳封存系统的制作方法

动力煤原位l型供气燃烧、h型高效采热及碳封存系统
技术领域
1.本实用新型涉及煤炭开采的热能利用及环保技术领域。


背景技术：

2.目前，动力煤主要通过煤炭开采作业采出到地表，经洗选后运至热电厂、供热厂等电力和热能供应厂家，经燃烧产热、发电，为电力和热能需求者提供能源。中国已承诺在2030年二氧化碳排放达到峰值；2060年前，通过植树造林和节能减排等手段，将排放的二氧化碳全部抵消。根据国内外相关研究机构的估计，我国能源行业是碳排放的主要行业，煤炭燃烧利用过程排放的co2是我国能源行业碳排放的主体，占我国碳排放的55％以上。动力煤的主要利用方向是燃烧产生热能，其热能主要用于发电，是煤炭排放co2的主体。为实现2030年碳达峰、2060年碳中和目标，需要发展低排放至零排放动力煤的燃烧及热利用技术，从根本上解决动力煤燃烧利用过程中的碳排放问题。
3.煤炭地下燃烧技术已经发展了几十年，近十年来，煤炭地下燃烧主要用于煤炭地下气化，获取煤制气等物质产物。煤炭地下气化产生大量热能，但由于不是煤炭地下气化关注的重点，气化产生热能没有得到很好的利用，造成极大的热能浪费，另外获取的煤制气在再次燃烧的过程中仍存在碳排放问题。


技术实现要素：

4.本实用新型旨在提供一种煤层地下原位可控持续燃烧，能将燃烧热充分采出和利用，并将碳进行地下原位封存的系统。
5.为此，本实用新型所采用的技术方案为：一种动力煤原位l型供气燃烧、h型高效采热及碳封存系统，包括竖直井、水平井、助燃供气管、热交换循环液管和电点火装置，所述水平井位于实施原位燃烧煤层内靠底部位置处，水平井与竖直井相通，助燃供气管通过竖直井后沿水平井铺设，热交换循环液管通过竖直井沿水平井铺设后再由竖直井接出，所述电点火装置安装在助燃供气管的前端，助燃供气管的前端设置有正对电点火装置的出气口，助燃供气管的水平段采用筛管结构并采用高温自融材料封孔，所述助燃供气管、热交换循环液管与竖直井的井壁之间设置有封孔结构，井内安装有压力传感器，所述热交换循环液管与地面热交换器相连用于发电或供热；所述竖直井两个，水平井一个，水平井的两端分别与各自对应的竖直井的下端相通，整体呈“u”型；所述热交换循环液管呈“u”型并沿着两个竖直井和一个水平井铺设，所述助燃供气管呈“l”型并沿着一个竖直井和一个水平井铺设，助燃供气管平行铺设在热交换循环液管的“l”外或套装在热交换循环液管的“l”段外。
6.作为上述方案的优选，所述水平井采用多个分水平井的结构形式，每个水平井的两端分别与各自对应的竖直井的下端相通；相应地，所述热交换循环液管、助燃供气管的水平段采用分支管结构，并在每个分水平井内布置一个分支管。
7.进一步优选为，所述助燃供气管、热交换循环液管与竖直井的井壁之间采用混凝土封孔结构。
8.进一步优选为，所述压力传感器安装在助燃供气管靠井口的内壁上。
9.进一步优选为，所述筛管结构采用耐500—700℃的高温材料进行封孔。
10.进一步优选为，所述筛管结构的管径不小于65mm。
11.为实现动力煤地下原位可控燃烧、热交换采热及自动碳封存，需要解决三方面问题：(1)煤层地下原位可控持续燃烧，包括燃烧范围可控、燃烧可持续；地下深部的煤层处于缺氧状态，维持煤层的持续稳定燃烧，需要不间断地提供助燃气体(如氧气)，并通过筛管在高温下自动打开的结构形式，限定助燃气体的供应位置并引导燃烧蔓延方向，可以确保燃烧范围可控和燃烧的可持续性；(2)将煤层燃烧控制在采热装置范围内，保证燃烧热的充分采出和利用，将助燃供气管与热交换循环液管配合部署，同时在燃烧熄火后利于余热继续采热，可以实现煤层可控燃烧及燃烧热的充分最大化利用；(3)具体施工时，需要选择有利于碳封存的煤层分布区，燃烧完成后再进行井口管道的封闭，结合燃烧腔、井壁的封孔结构及周边岩层将碳进行地下原位封存，保证煤层地下原位燃烧产生的co2、so2、nox及废渣能够直接封存。
12.本实用新型的有益效果：采用煤炭地下原位控制燃烧、助燃供气管的高温自融材料封孔的筛管结构，燃烧区内预设热交换循环液管进行采热，确保完全燃烧不熄火的同时，引导燃烧火焰沿着助燃供气管的水平段向根部蔓延，采集的热量用于发电、供热设备等需求；实施动力煤地下原位可控燃烧产热、热交换采热、热发电或供热利用，同时将燃烧产生的co2、so2、nox等气体首先封存在燃空区，并逐步通过周围地层及地层中的咸水吸收、固化并永久封存，实现动力煤的零排放至极低排放利用，从而达到煤炭的利用量满足国家能源整体需求的同时，碳排放量大幅度降低的战略目标。
附图说明
13.图1为本实用新型的第一种结构形式示意图。
14.图2为本实用新型的第二种结构形式示意图。
15.图3为本实用新型的第三种结构形式示意图。
具体实施方式
16.下面通过实施例并结合附图，对本实用新型作进一步说明：
17.结合图1—图3所示，一种动力煤原位l型供气燃烧、h型高效采热及碳封存系统，主要由竖直井1、水平井2、助燃供气管3、热交换循环液管4和电点火装置(图中未示出)、地面热交换器7、压力传感器(图中未示出)、封孔结构组成。
18.水平井2位于实施原位燃烧煤层6内靠底部位置处，水平井2与竖直井1相通。助燃供气管3通过竖直井1后沿水平井2铺设，热交换循环液管4通过竖直井1沿水平井2铺设后再由竖直井1接出。水平管段要部署于目标煤层底部，在煤层中的延伸长度一般在1000m-1500m以上，防止燃烧过程中产生形变。
19.电点火装置安装在助燃供气管3的前端，助燃供气管3的前端设置有正对电点火装置的出气口，点火时正好供气。助燃供气管3的水平段采用筛管结构3a，即在水平段上从前到后依次间隔开设若干筛孔；并采用高温自融材料进行封孔，最好选用耐500—700℃的高温材料进行封孔。当温度超过融化时，封堵材料融化，筛孔打开供气，向燃烧区及附近供气，
控制燃烧范围和燃烧扩展方向。筛管的管径最好是不小于65mm。
20.助燃供气管3、热交换循环液管4与竖直井1的井壁之间设置有封孔结构，用于对井口位置处进行封孔。最好是，助燃供气管3、热交换循环液管4与竖直井1的井壁之间采用高强度水泥砂浆封孔，能承受燃控区的高压气体。井内安装有压力传感器，最好是，压力传感器安装在助燃供气管3靠井口的内壁上，压力传感器用于检测井内压力，井内压力与助燃供气管3内压力相当，要确保注气压力大于井内压力，才能将助燃气体注入燃烧区。热交换循环液管4与地面热交换器7相连用于发电或供热。地面热交换器7安装在地面5上。
21.具体的结构形式之一：如图1所示，竖直井1两个，水平井2一个，水平井2的两端分别与各自对应的竖直井1的下端相通，整体呈“u”型。热交换循环液管4呈“u”型并沿着两个竖直井1和一个水平井2铺设，助燃供气管3呈“l”型并沿着一个竖直井1和一个水平井2铺设。助燃供气管3套装在热交换循环液管4的“l”段外。一个竖直井1用于供水、供气，另一个竖直井1用于热水的采出。热水的温度则通过控制燃烧区范围和水的流量进行控制。由于是通过两个竖直实现水循环，进入的低温水不影响采出的高温水水温，热利用的效率高。
22.具体的结构形式之二：如图2所示，与结构形式之一基本相同，区别仅在于：助燃供气管3平行铺设在热交换循环液管4的“l”外。
23.具体的结构形式之三：如图3所示，与结构形式之一基本相同，区别仅在于：水平井2采用多个分水平井的结构形式，每个水平井2的两端分别与各自对应的竖直井1的下端相通。相应地，热交换循环液管4、助燃供气管3的水平段采用分支管结构，并在每个分水平井内布置一个分支管。助燃供气管3既可以与热交换循环液管4套装在一起，也可以与热交换循环液管4平行设置。
24.一种动力煤地下原位可控燃烧采热和碳封存一体方法，包括以下步骤：
25.第一步，选择适合进行碳封存的煤层分布区，避免选择存在裂隙带等影响碳封存的煤层。
26.第二步，进行上述的动力煤原位l型供气燃烧、h型高效采热及碳封存系统的安装。
27.第三步，向热交换循环液管4内注入循环液作为取热介质，优选水。
28.第四步，向助燃供气管3内注入助燃气体，接通电点火装置，由助燃供气管3前端出气口出来的气体点火燃烧，电点火装置既可以是电加热点火装置，也可以是电磁点火装置。
29.第五步，燃烧过程中，目标煤层内的温度逐渐升高，加热后的循环液在井外换热利用后再循环送入井内；在燃烧过程中，通过压力传感器监测井内压力，确保足够压力的氧气能注入井内，使煤层持续燃烧不熄火，同时通过压力传感器监测井内压力变化，井内压力先持续升高，达到峰值后开始下降，说明此时地层出现压裂；在燃烧过程中，助燃供气管3的温度逐渐升高，当达到筛管上高温自融材料的融化温度时，筛管上的筛孔由前向后依次打开，引导燃烧火焰沿着助燃供气管3的水平段向根部蔓延。在步骤五中，可利用广域电磁法等地球物理监测手段监测燃控区形态，确保符合设计要求；也可以在筛管上由前向后依次间隔布置若干温度传感器，筛管上的筛孔由前向后依次打开的过程中，温度传感器逐渐破坏，从而判断煤层是否燃烧到水平段根部。
30.第六步，当煤层燃烧到水平段根部时，停止助燃气体的供给，使燃烧区熄火，热交换循环液管4利用余热继续取热，完成后再进行井口管道的封闭；井口管道的封闭结合燃烧腔、井壁的封孔结构及周边岩层将碳进行地下原位封存，也叫永久封存。
31.本方法替代煤炭井工开采技术，同时煤炭井工开采的安全问题和地下水疏干问题也得到了根本解决；替代动力煤发电技术，同时替代热电厂污染治理技术和燃烧后碳捕获和碳封存技术；替代以发电为目的煤地下气化技术，不再采出混合气，直接采出热能；直接输送电力，减少了大量运力；可利用1000m以下深煤炭资源。
32.本实用新型采用的技术路线是，通过在燃烧区内预先埋设或通过钻井布设助燃供气管和热交换循环液管，煤层点火后，通过控制煤层可持续燃烧和燃烧方向，确保煤层完全可控燃烧，通过预设的热交换循环液管采集煤层燃烧热，采集的热量再经过热交换，用于发电、供热等热能利用，燃烧产生的co2、so2、氮氧化物及燃烧废渣直接自动封存在地下并被地层和地层水吸收固化。本方案的实施，将形成全新的动力煤利用技术路线，改变目前的煤炭开采、运输、发电及供热格局，形成全新的煤炭地下原位燃烧、采热、发电及供热新格局，并大幅度减少动力煤开采、运输、利用过程中的co2、so2、氮氧化物的排放，消除动力煤燃烧废渣排放，实现动力煤低排放至零排放绿色开发利用目标。如果通过钻井实施，满足三层套管需求的水平段井眼直径应在244.5mm以上，直管段对应的井径在此基础上增加。
33.如果氧气供应停止，燃烧的煤层因缺氧会自动熄灭，煤层原位燃烧停止，因此燃烧过程中确保可持续供氧特别重要。同时，燃烧产生的高温高压(或超临界)co2、so2、氮氧化物等气体在压差作用下，通过裂隙及孔隙，快速渗透到周围相对低压地层中，并被地层及地层水中的ca+、mg+、fe+等阳离子中和，形成碳酸钙、碳酸镁等固体矿物，永久封存；燃烧产生的固体废弃物直接封存在燃空区。这一全新的动力煤地下原位燃烧产热-碳封存技术，全面改变了传统的煤炭开采、洗选、运输、电厂燃烧产热发电、脱硫、脱销、碳捕获及碳封存等复杂的动力煤燃烧发电技术路线，实现了既获取动力煤的热能、又将动力煤燃烧产生的co2等温室气体和固体废弃物直接封存的绿色环保利用方式。