深层及超厚层煤反式布井一注多采超临界燃烧气化制氢方法与流程

本发明涉及一种制氢方法，尤其涉及一种深层及超厚层煤反式布井一注多采超临界燃烧气化制氢及燃料方法。

背景技术：

煤气化是煤炭转化的重要形式之一，它在各类生产过程中起着承前启后的作用。煤制化工合成原料气在煤化工中有着重要的地位。国内外正在把煤化工发展成为以煤炭气化为基础的c1化学工业，使煤化工由能源型转向化工型。煤气化制得的合成气(co+h2)作为化学工业的基本原料，在与石油化工的竞争中不断发展和提高。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：受煤层和地质影响大，容易造成井井之间相互漏水窜气及地下各种装置工具由于高温变形和失灵无法操作等情况：气化后出来的气体组分不稳定，热值低等必须改变的问题、需要改变注入的气化剂种类与含量。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种深层及超厚层煤反式布井一注多采超临界热裂解燃烧气化制氢方法，采用整体超临界技术路线完井工艺路线，其具有气化后的气体成分稳定，采气井与注气井之间稳定等优点，并能实现地下气化工业化发展。

本发明实施例提供了一种深层及超厚层煤反式布井一注多采超临界燃烧气化制氢方法，所述深层及超厚层煤反式布井一注多采超临界热裂解燃烧气化制氢方法包括：

在深层及超厚煤层中，布置注气井和采气井；

在注入井井底进行爆燃定向作业，使煤层在井底范围内存在微裂缝隙，采出煤层中的煤层气；

由注气井注入空气、氧气和蒸汽，保持地层压力在22.17兆帕以上；

在井底点燃煤层，使得煤层温度达到385-900摄氏度范围内；采用自动蒸汽直喷调温的方法。

氧气与煤燃烧产生二氧化碳和热量，并达到高温状态；

当燃烧反应达到所需温度时，通过直喷蒸汽，氧气全部消耗，二氧化碳和煤在热量的作用下产生一氧化碳和氢气；

热量作用于干燥区的煤层，释放出煤层气；一氧化碳与氢气、二氧化碳和氢气反应产生甲烷；

通过采气井排出一氧化碳、氢气、甲烷、二氧化碳。

优选的，所述深层及超厚层煤反式布井一注多采超临界燃烧气化制氢技术方法适用于煤层埋深大于500米的地层。

优选的，所述深层及超厚层煤反式布井一注多采超临界燃烧气化制氢技术方法采用九点法布置井网，即由相邻的四口采气井构成正方形的四个角点，每个正方形的边上设置一口采气井，共八口采气井，边长为100米，正方形中心为注气井。

优选的，采用多个九点法布井形成的正方形结合形成矩形井网，相邻两个正方形共用一条边。

优选的，蒸汽的注入量达到设定要求通过如下公式计算：

根据公式qr＝πr2h(pc)(tavg-tr)

其中，qr——蒸汽注入量，单位为吨，r——注入半径，单位为米，h——地层厚度，单位为米，pc——注入强度，单位为mpa，tavg——蒸汽带温度，单位为摄氏度，tr——地层温度单位为摄氏度，π为圆周率。

优选的，qr为800吨——1200吨。

上述技术方案具有如下有益效果：因为采用通过注气井井底注入蒸汽、空气、氧气并在井下点火的技术手段，所以达到了气化后的气体成分稳定，采气井与注气井之间稳定的技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的布置井网的俯视图；

图2是本发明的九点法布置井网的主视方向的立体图；

附图标号：1、第一采气井；2、第二采气井；3、第三采气井；4、第四采气井；5、第五采气井；6、第六采气井；7、第七采气井；8、第八采气井；9、注气井；10、煤层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种深层及超厚层煤反式布井一注多采超临界燃烧气化制氢及燃料方法，所述深层及超厚层煤反式布井一注多采超临界燃烧气化制氢及燃料方法包括：

在深层及超厚煤层中，布置注气井9和采气井，注气井用于注入空气、氧气和水蒸气，采气井用户采出氢气、一氧化碳和甲烷；

在注入井井底进行爆破压力作业，使煤层在井底范围内存在缝隙，采出煤层10中的煤层气；即通过爆破使得煤层破碎，采出煤层缝隙中的游离煤层气；

由注气井注入空气、氧气和蒸汽，保持地层压力在22.17兆帕以上；该压力是发生下述化学反应的条件之一；

在井底点燃煤层，使得煤层温度达到578摄氏度以上；该温度是发生下述化学反应的条件之一；

氧气与煤燃烧产生二氧化碳和热量；所产生的热量作为下述化学反应的条件；

当燃烧反应结束后，氧气全部消耗，二氧化碳和煤在热量的作用下产生一氧化碳和氢气；即二氧化碳的还原反应，co2+c＝＝2co—162.4mj/kmol；

热量作用于干燥区的煤层，释放出煤层气；一氧化碳与氢气、二氧化碳和氢气反应产生甲烷；甲烷化反应：co+3h2＝＝ch4+h2o+206.4mj/kmol；2co+2h2＝＝ch4+co2+247.4mj/kmol；co2+4h2＝＝ch4+2h2o+165.4mj/kmol；

通过采气井排出一氧化碳、氢气、甲烷；所述采气井、注气井底部设置有多个封隔器，用于防火。

优选的，所述深层及超厚层煤反式布井一注多采超临界燃烧气化制氢及燃料方法适用于煤层埋深大于800米的地层；当煤层埋深大于800米时，产生的压力才足够发生上述化学反应。

优选的，所述深层及超厚层煤反式布井一注多采超临界燃烧气化制氢及燃料方法采用九点法布置井网，即由相邻的四口采气井构成正方形的四个角点，每个正方形的边上设置一口采气井，共八口采气井，边长为100米，正方形中心为注气井；这样布置井网，一进八采，提高了采气的效率，提高了注气井的利用率；所述八口采气井分别为第一采气井1、第二采气井2、第三采气井3、第四采气井4、第五采气井5、第六采气井6、第七采气井7、第八采气井8。

优选的，采用多个九点法布井形成的正方形结合形成矩形井网，相邻两个正方形共用一条边；即可以共用三口采气井，通过多个九点法使得多个注气井和多个采气井形成井网，有利于注气井和采气井的有效利用，便于区域化管理。

优选的，过热蒸汽的注入量：根据公式qr＝πr2h(pc)(tavg-tr)

其中，qr——蒸汽注入量，单位为吨，r——注入半径，单位为米，h——地层厚度，单位为米，pc——注入强度，单位为mpa，tavg——蒸汽带温度，单位为摄氏度，tr——地层温度单位为摄氏度，π为圆周率。根据计算，qr为800吨——1200吨时，达到蒸汽注入的要求，优选为qr为1000吨，较为合理，一般情况下，能够满足废弃及停产油田、超稠油、页岩油、油页岩的注气需要，而且节约能源，节约成本。

由进气孔鼓入气化剂(空气、o2和h2o(g))，并在进气侧点燃煤层，气化剂中的o2遇煤燃烧产生co2，并释放大量的反应热，燃烧区称为氧化区，当气流中o2浓度接近于零时，燃烧反应结束、氧化区结束。主要反应列式如下:

氧化反应(燃烧反应)：

c+o2＝＝co2+393.8mj/kmol

碳的部分氧化反应(不完全燃烧反应)：

2c+o2＝＝2co+221.1mj/kmol

co氧化反应(co燃烧反应)：

2co+o2＝＝2co2+570.1mj/kmol

氧化区结束后，则进入还原区，氧化区使还原区煤层处于炽热状态，在还原区co2与炽热的c还原成co，h2o(g)与炽热的c还原成co、h2等，由于还原反应是吸热反应，使煤层和气流温度逐渐降低，当温度降低到使还原反应程度较弱时，还原区结束。主要反应列式如下:

co2还原反应(发生炉煤气反应)：

co2+c＝＝2co—162.4mj/kmol

水蒸汽分解反应(水煤气反应)：

h2o+c＝＝h2+co—131.5mj/kmol

水蒸汽分解反应：

2h2o+c＝＝2h2+co2—90.0mj/kmol

co变换反应：

co+h2o＝＝h2+co2+41.0mj/kmol

碳的加氢反应：

c+2h2＝＝ch4+74.9mj/kmol

还原区结束后，气流温度仍然很高，对下流即干馏干燥区煤层进行加热，释放出热解煤气，同时产生甲烷化反应。主要反应列式如下:

煤热解反应：

煤------ch4+h2+h2o+co+co2+……

甲烷化反应：

co+3h2＝＝ch4+h2o+206.4mj/kmol

2co+2h2＝＝ch4+co2+247.4mj/kmol

co2+4h2＝＝ch4+2h2o+165.4mj/kmol

从化学反应角度来讲，三个区域没有严格的界限，氧化区、还原区也有煤的热解反应，三个区域的划分只是说在气化通道中氧化、还原、热解反应的相对强弱程度。经过这三个反应区以后，生成了含可燃组分主要是h2、co、ch4的煤气，气化反应区逐渐向出气口移动，因而保持了气化反应过程的不断进行。由此可见可燃气体的产生主要来源于三个方面：即煤的燃烧热解、co2的还原和水蒸汽的分解，这三个方面作用的程度，正比于反应区温度和反应比表面积，同时也决定了出口煤气组分和热值。

根据煤层厚度反五点布井(反九点布井)，中间一口注入井，周边四口(八口)产气井，形成边长一百米的正方形井网，如煤层厚度大可在四边形边长中心点加密四口产气井。多个生产单元可形成规模化生产。

在注入井井底进行爆燃压力作业，使煤层在井底范围内存在微裂缝隙，此时产气井可开采煤层气。随后在注入井井底进行点火，点燃煤层，同时注入富氧气体，会后注入蒸汽进行调温使煤层温度达到水的超临界温度(578摄氏度)，同时注入空气保持地层压力在22.17兆帕以上(且小于地层破裂压力)，使得近井煤层达到水的超临界状态，使蒸汽与煤发生反应产出氢气及其它有效气体，由于压差和裂缝的纯在，使得所产气体想周边产气井方向移动，从生产井采出。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。