一种煤炭地下气化与热解一体化油氢联产系统和方法与流程

1.本文涉及煤炭地下热解技术领域，尤指一种煤炭地下气化与热解一体化油氢联产系统和方法。


背景技术：

2.随着我国经济的高速发展，对油气资源的需求量日益增大，然而我国能源结构“缺油、少气、富煤”的特性制约着我国的能源安全问题。且常规浅层煤炭资源的利用日进枯竭，煤炭的开采利用也逐渐向深部煤层迈进。据统计我国将近70％的煤炭资源分布在中深层以下，1000-3000m深的煤炭资源量将近达到3.77
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t。因此，研究如何高效无污染将这部分深层煤炭资源向煤基油气资源转化是十分有必要的，可以增加油气资源供给渠道和供给量，保障我国能源的安全。
3.煤炭地下原位化学开采技术是我国未来绿色低碳化开采煤炭资源的发展方向，主要包含地下煤层原位热解和原位气化技术，煤炭地下原位热解技术是指将煤层在高温无氧环境中发生热解反应，生产出油气资源，煤炭地下原位气化技术则是对煤层在高温高压下进行可控燃烧，进而生产出合成气资源。相比于传统的地面处理工艺，煤炭地下原位处理技术不仅可以省去大量的运输和人工成本，而且可以将部分污染物直接保留在地下进而降低污染物的排放。同时地面煤制油工艺由于油尘堵塞分离困难的限制一直未得到大规模应用，而煤炭地下原位热解技术则有望避免这一问题，最终实现煤制油工艺的稳定生产。
4.一些技术中，深部煤层原位方法多为单一的气化或热解技术的研究，而并没有将气化和热解技术这两种技术进行有机的结合。亟待需要一种可以将气化和热解技术这两种技术进行有机结合的煤炭地下气化与热解一体化油氢联产系统和方法。


技术实现要素：

5.本技术提供了一种煤炭地下气化与热解一体化油氢联产系统和方法，该系统将地下煤层气化气的热量直接热解上层煤层，以实现深部煤层的原位气化和热解一体化联产，同时实现深部煤层的清洁高效利用，获取了高价值的油相产品和氢能。
6.本技术提供了一种煤炭地下气化与热解一体化油氢联产系统，所述系统包括：注入井、深部煤层气化和热解单元、油气处理单元、以及二氧化碳捕集单元；其中，所述深部煤层气化和热解单元包括下层煤层水平气化通道、连接通道、上层煤层水平热解通道以及生产井；
7.所述下层煤层水平气化通道用于接收来自于所述注入井的气化剂，并进行气化，气化后得到粗煤气经过所述连接通道传输到所述上层煤层水平热解通道；
8.所述上层煤层水平热解通道用于被所述粗煤气进行原位加热热解得到油气混合物并由所述生产井排出；
9.所述油气处理单元用于将油气混合物进行分离处理得到油相产品、氢气和二氧化碳混合气；
10.所述二氧化碳捕集单元用于将所述油气处理单元得到的氢气和二氧化碳混合气进行分离处理，得到分离的氢气和二氧化碳，并将分离出的部分二氧化碳循环输入到所述注入井。
11.一种示例性的实施例中，所述油气处理单元包括冷凝器、分离器；
12.所述冷凝器用于将所述生产井排出的油气混合物进行换热冷却，并传输给所述分离器；
13.所述分离器用于将所述冷凝器冷却后的油气混合物分离为油相产物和气相产物。
14.一种示例性的实施例中，所述油气处理单元还包括脱硫塔、蒸汽重整和水煤气变换模块；
15.所述脱硫塔用于将所述分离器分离出的气相产物进行脱硫处理，并将脱硫处理后的合成气中的部分传输给所述蒸汽重整和水煤气变换模块；
16.所述蒸汽重整和水煤气变换模块，用于将接收到的合成气中的甲烷和一氧化碳转换为氢气和二氧化碳。
17.一种示例性的实施例中，所述蒸汽重整和水煤气变换模块包括：蒸汽重整反应器、水煤气变换反应器；
18.所述蒸汽重整反应器用于将接收到的合成气利用预定的催化剂进行重整反应处理，得到一氧化碳和氢气；
19.所述水煤气变换反应器用于将所述一氧化碳和蒸汽转换为氢气和二氧化碳的混合气。
20.一种示例性的实施例中，所述二氧化碳捕集单元，还用于采用聚乙二醇二甲醚溶液将氢气和二氧化碳的混合气分离出二氧化碳，得到氢气；并将分离出的部分二氧化碳输入到所述注入井，将剩余部分的co2进行地质封存。
21.一种示例性的实施例中，所述油气处理单元还包括燃烧器；
22.所述燃烧器用于将脱硫处理后的合成气中的剩余部分进行燃烧以生产出蒸汽，供所述蒸汽重整反应器、所述水煤气变换反应器使用。
23.一种示例性的实施例中，所述油气处理单元还包括第一换热器、第二换热器；
24.所述第一换热器用于热端与所述燃烧器相连，冷端与水相连；
25.所述第二换热器用于热端与所述水煤气变换反应器相连，冷端与所述co2捕集单元相连。
26.本技术还提供了一种煤炭地下气化与热解一体化油氢联产方法，应用上述实施例中任一项所述的煤炭地下气化与热解一体化油氢联产系统，所述方法包括：
27.将气化剂由注入井输入到下层煤层水平气化通道进行气化；
28.将气化所得的粗煤气输入到上层煤层水平热解通道，并对上层煤层进行原位加热热解得到油气混合物；
29.将所述油气混合物通过生产井排出以获得氢气。
30.一种示例性的实施例中，所述将所述油气混合物通过生产井排出以获得氢气，包括：
31.利用冷凝器和分离器将所述油气混合物进行油气分离，得到的油相产物和气相产物；
32.对所述气相产物输送到脱硫塔进行脱硫，得到合成气；
33.将所述合成气中的一部分传输到蒸汽重整和水煤气变换模块得到氢气。
34.一种示例性的实施例中，所述对所述气相产物输送到脱硫塔进行脱硫，得到合成气后，方法还包括：
35.将所述合成气中的剩余部分输送给燃烧器以生产出蒸汽，该蒸汽供蒸汽重整反应器、水煤气变换反应器使用。
36.与相关技术相比，本技术提供一种煤炭地下气化与热解一体化油氢联产系统和方法，所述系统包括：注入井、深部煤层气化和热解单元、油气处理单元、以及二氧化碳捕集单元；其中，所述深部煤层气化和热解单元包括下层煤层水平气化通道、连接通道、上层煤层水平热解通道以及生产井；所述下层煤层水平气化通道用于接收来自于所述注入井的气化剂，并进行气化，气化后得到粗煤气经过所述连接通道传输到所述上层煤层水平热解通道；所述上层煤层水平热解通道用于被所述粗煤气进行原位加热热解得到油气混合物并由所述生产井排出；所述油气处理单元用于将油气混合物进行分离处理分别得到油相产品、氢气和二氧化碳混合气；所述二氧化碳捕集单元用于将所述油气处理单元得到的氢气和二氧化碳混合气进行分离处理，得到分离的氢气和二氧化碳，并将分离出的部分二氧化碳循环输入到所述注入井。通过本发明的技术方案，该系统将地下煤层气化气的热量直接热解上层煤层，实现了深部煤层的原位气化和热解一体化联产；同时能将深部煤层的清洁高效利用，获取了高价值的油相产品和氢能；该系统还能够实现二氧化碳捕集与封存，实现碳减排的需求。
37.本技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本技术而了解。本技术的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。
附图说明
38.附图用来提供对本技术技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本技术的实施例一起用于解释本技术的技术方案，并不构成对本技术技术方案的限制。
39.图1为本技术实施例的煤炭地下气化与热解一体化油氢联产系统示意图；
40.图2为本技术实施例的煤炭地下气化与热解一体化油氢联产方法流程图；
41.图3为一些示例性实施例中的煤炭地下气化与热解一体化油氢联产系统示意图。
具体实施方式
42.本技术描述了多个实施例，但是该描述是示例性的，而不是限制性的，并且对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在本技术所描述的实施例包含的范围内可以有更多的实施例和实现方案。尽管在附图中示出了许多可能的特征组合，并在具体实施方式中进行了讨论，但是所公开的特征的许多其它组合方式也是可能的。除非特意加以限制的情况以外，任何实施例的任何特征或元件可以与任何其它实施例中的任何其他特征或元件结合使用，或可以替代任何其它实施例中的任何其他特征或元件。
43.本技术包括并设想了与本领域普通技术人员已知的特征和元件的组合。本技术已经公开的实施例、特征和元件也可以与任何常规特征或元件组合，以形成由权利要求限定
的独特的发明方案。任何实施例的任何特征或元件也可以与来自其它发明方案的特征或元件组合，以形成另一个由权利要求限定的独特的发明方案。因此，应当理解，在本技术中示出和/或讨论的任何特征可以单独地或以任何适当的组合来实现。因此，除了根据所附权利要求及其等同替换所做的限制以外，实施例不受其它限制。此外，可以在所附权利要求的保护范围内进行各种修改和改变。
44.此外，在描述具有代表性的实施例时，说明书可能已经将方法和/或过程呈现为特定的步骤序列。然而，在该方法或过程不依赖于本文所述步骤的特定顺序的程度上，该方法或过程不应限于所述的特定顺序的步骤。如本领域普通技术人员将理解的，其它的步骤顺序也是可能的。因此，说明书中阐述的步骤的特定顺序不应被解释为对权利要求的限制。此外，针对该方法和/或过程的权利要求不应限于按照所写顺序执行它们的步骤，本领域技术人员可以容易地理解，这些顺序可以变化，并且仍然保持在本技术实施例的精神和范围内。
45.一些技术中，深部煤层、原位方法多为单一的气化或热解技术的研究，而并没有将气化和热解技术这两种技术进行有机的结合。单一的煤层气化或热解都会造成大量的热能无法得到有效的利用，进而散失到地层岩石中甚至对地层稳定性造成威胁，无法实现深部煤层的梯级利用。因此，将深部煤层原位气化的热量用以热解煤层的技术可以有效的提高热能和资源的利用率，促进深部煤层的高效清洁开采。且热解气的补充可以进一步提高气化气的有效气组分，可以为后续制氢工艺提供更多原料。
46.本公开实施例提供了一种煤炭地下气化与热解一体化油氢联产系统，如图1所示，系统包括：100注入井、110深部煤层气化和热解单元、120油气处理单元、以及130二氧化碳捕集单元；其中，110深部煤层气化和热解单元包括1101下层煤层水平气化通道、1102连接通道、1103上层煤层水平热解通道以及1104生产井；
47.所述下层煤层水平气化通道用于接收来自于所述注入井的气化剂，并进行气化，气化后得到粗煤气经过所述连接通道传输到所述上层煤层水平热解通道；
48.所述上层煤层水平热解通道用于对所述粗煤气进行原位加热热解得到油气混合物并由所述生产井排出；
49.所述油气处理单元用于将油气混合物进行分离处理得到氢气和二氧化碳混合气；
50.所述二氧化碳捕集单元用于将所述油气处理单元得到的氢气和二氧化碳混合气进行分离处理，得到分离的氢气和二氧化碳，并将分离出的部分二氧化碳循环输入到所述注入井。
51.在本实施例中，换热升温的气化剂(氧气、水)经注入井导入下层煤层水平气化通道，并点燃下层煤层进行原位气化，产生的高温高压粗合成气经过所述连接通道传输到上层煤层水平热解通道，对其进行原位加热热解。
52.一种示例性的实施例中，所述油气处理单元包括冷凝器、分离器；所述冷凝器用于将所述生产井排出的油气混合物进行换热冷却，并传输给所述分离器；所述分离器用于将所述冷凝器冷却后的油气混合物分离为油相产物和气相产物。
53.一种示例性的实施例中，所述油气处理单元还包括脱硫塔、蒸汽重整和水煤气变换模块；所述脱硫塔用于将所述分离器分离出的气相产物进行脱硫处理，并将脱硫处理后的合成气中的大部分传输给所述蒸汽重整和水煤气变换模块；比如：可以将脱硫处理后的合成气中70％部分传输给蒸汽重整和水煤气变换模块；蒸汽重整和水煤气变换模块用于将
接收到的合成气中的甲烷和一氧化碳转换为氢气。
54.一种示例性的实施例中，所述蒸汽重整和水煤气变换模块包括：蒸汽重整反应器、水煤气变换反应器；其中，水煤气变换反应器包括第一wgs反应器和第二wgs反应器；所述蒸汽重整反应器用于将接收到的合成气利用预定的催化剂进行重整反应处理，得到一氧化碳和氢气；所述水煤气变换反应器用于将所述一氧化碳和蒸汽转换为氢气和二氧化碳的混合气即依次通过第一wgs反应器和第二wgs反应器的两级反应处理可以将一氧化碳和蒸汽转换更加充分，以得到更纯的氢气。
55.一种示例性的实施例中，所述二氧化碳捕集单元还用于采用聚乙二醇二甲醚溶液将氢气和二氧化碳的混合气分离出二氧化碳，得到高纯度的氢气，比如：纯度大于98％的氢气产品是高纯度；并将部分分离出的部分二氧化碳输入到所述注入井，将剩余部分的co2进行地质封存。
56.一种示例性的实施例中，所述油气处理单元还包括燃烧器；所述燃烧器用于将脱硫处理后的合成气中的剩余部分进行燃烧以生产出蒸汽，供所述蒸汽重整反应器、所述水煤气变换反应器使用。
57.一种示例性的实施例中，所述油气处理单元还包括第一换热器、第二换热器；所述第一换热器用于热端与所述燃烧器相连，冷端与水相连；所述第二换热器用于热端与所述第二wgs反应器的相连，冷端与所述二氧化碳捕集单元相连。
58.本实施例中，该系统将下层煤层气化通道与上层煤层热解通道进行串联，通过气化气的高温热能来热解上层煤层，最终实现深部煤层的原位气化和热解一体化联产。本套工艺不仅能实现深部煤层的原位清洁梯级利用，又能降低co2的排放实现碳中和，获取高品质的油相产品和氢能，减少了能源的浪费。
59.本技术还提供了一种煤炭地下气化与热解一体化油氢联产方法，如图2所示，该方法应用上述实施例中任一项所述的煤炭地下气化与热解一体化油氢联产系统，所述方法包括步骤s200-s220：
60.s200.将气化剂由注入井输入到下层煤层水平气化通道进行气化；
61.s210.将气化所得的粗煤气输入到上层煤层水平热解通道，并对上层煤层进行原位加热热解得到油气混合物；
62.s220.将所述油气混合物通过生产井排出以获得氢气。
63.一种示例性的实施例中，所述将所述油气混合物通过生产井排出以获得氢气，包括：利用冷凝器和分离器将所述油气混合物进行油气分离，得到的油相产物和气相产物；对所述气相产物输送到脱硫塔进行脱硫，得到合成气；将所述合成气中的一部分传输到蒸汽重整和水煤气变换模块得到h2气。
64.一种示例性的实施例中，，所述对所述气相产物输送到脱硫塔进行脱硫，得到合成气后，方法还包括：将所述合成气中的剩余部分输送给燃烧器以生产出蒸汽，该蒸汽供蒸汽重整反应器、水煤气变换反应器使用。
65.示例一
66.如图3所示为一种高温高压煤炭地下气化与热解一体化油氢联产系统示意图；该系统包括：注入井300、深部煤层气化和热解单元310、油气处理单元320、以及二氧化碳捕集单元330；其中：
67.所述深部煤层气化和热解单元包括下层煤层水平气化通道3101、连接通道3102、上层煤层水平热解通道3103以及生产井3104；
68.所述油气处理单元320包括冷凝器3201、分离器3202、脱硫塔3203、蒸汽重整和水煤气变换模块3204、燃烧器3205、第一换热器3206、第二换热器3207；
69.所述蒸汽重整和水煤气变换模块3204包括：蒸汽重整反应器32041、水煤气变换反应器32042；
70.所述水煤气变换反应器32042包括第一wgs反应器换热器、第二wgs反应器。
71.基于上述高温高压煤炭地下气化与热解一体化油氢联产系统进行煤炭地下气化与热解一体化油氢联产方法的过程如下：
72.第一步、将气化剂(o2和水)经与气化/热解产物换热后与由注入井300通入到下层煤层水平气化通道3101，采用注入点后移工艺对下层煤层进行高温高压点火气化，气化后得到粗煤气经过所述连接通道3102传输到上层煤层水平热解通道3103；上层煤层水平热解通道对所述粗煤气进行原位加热热解得到油气混合物并由所述生产井3104排出。
73.在本步骤中，气化剂o2和水经过加热升温到200℃-300℃后，经注入井送入到下层煤层水平气化通道即下层深部煤层气化腔中，利用crip工艺对深部煤层(是指深度大于＞800m的煤层)进行高温高压可控燃烧、以进行气化反应；其中，该煤层压力约为8mpa左右，气化剂中o2和水的摩尔比可以在在1:2-1:4之间，co2的循环量(co2:o2比)可以为0.2-0.4之间，气化腔内的煤层气化燃烧温度可以在1200℃以内。
74.气化后得到粗煤气经过所述连接通道传输到上层煤层水平热解通道内；在高温气化气的作用下，上部煤层在平均约500℃下被缓慢稳定的热解，热解产生的油气经煤层裂隙孔隙进入到负压的热解通道内，与气化气进行混合，然后由生产井排出。
75.第二步、生产井3104排出的油气产物通过油气处理单元320和二氧化碳捕集单元330得到高浓度的h2产品。
76.在本步骤中，生产井3104排出的油气产物经冷凝器换热常温，进一步输送到分离器中分离得到油相产品和气相产物，该油相产品可以加工处理供工业使用，而气相产物需要进一步的处理。气相产物中在脱硫装置中脱去其中含硫组分h2s，获得干净的净合成气。对于获得的净合成气可用将一部分输入燃烧器，另一部分换热升温后在甲烷蒸汽重整炉内发生重整反应。比如：将约占30％的净合成气输入燃烧器进行燃烧，燃烧的高温烟气加热水分别生产出400℃和300℃蒸汽以供蒸汽重整反应器和水煤气变换反应器中两个wgs反应器使用。另一部分约占70％的净合成气经换热升温后在甲烷蒸汽重整炉内发生重整反应，然后经两级wgs水煤气变换反应器将co和蒸汽转换为高浓度的h2和co2。其中，蒸汽重整反应器中可以采用ni/tio2催化剂，反应温度为700℃，两级wgs反应温度分别为250℃和225℃。
77.在通过油气处理单元处理完成后获得高浓度h2、co2的合成气，进入co2捕集装置中，可以采用selexol溶液物理吸收分离co2，最终得到高浓度的h2产品。
78.同时对分离所得co2与燃烧器出口的烟气进行混合一起可以通入废弃的气化腔中进行地质封存，最终实现co2零排放和“碳中和”。另外，将部分co2经回热之后回注到地下煤层中强化煤焦的气化反应，进而促进气化腔的高效稳定扩展。
79.本实施例的技术效果包括：
80.1)通过贯通下部煤层气化通道和上部煤层热解通道，形成了先后串联式的原位高
温高压气化系统和热解系统，分别对下层煤层进行原位气化，并充分利用气化产生的热能对上层煤层进行原位热解，实现了深部煤层的气化热解一体化，增加了气相产物的有效组分，并避免了热能的浪费；
81.2)本实施例对上部煤层进行原位热解利用，不仅最大限度的避免了油气资源的浪费，同时能够有效地避免了地上煤热解工艺中油尘分离的难点，有望获得更为清洁的油相产品；
82.3)本实施例中煤炭地下气化与热解一体化油氢联产系统采用selexol物理吸收法来实现富氢气体中co2的捕集，不仅能够获得高品质的清洁能源h2，更能降低co2的排放，最终实现碳捕集；
83.4)本实施例中煤炭地下气化与热解一体化油氢联产系统系统采用部分co2回注方案不仅回收系统中的热能，而且有利于高温高压下煤焦的还原反应发生，进而强化气化腔的高效扩展。
84.本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于ram、rom、eeprom、闪存或其他存储器技术、cd-rom、数字多功能盘(dvd)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。