利用煙道氣原位乾餾地下煤層的方法

2023-10-04 09:00:04 3

專利名稱：利用煙道氣原位乾餾地下煤層的方法
技術領域：
本發明涉及一種煙道氣利用方法，具體地，本發明涉及一種利用煙道氣對地下煤 層中的煤進行原位乾餾的方法。
背景技術：
在能源利用過程中，最主要的目的就是通過合理的利用方式把一次能源(如煤 炭、石油、天然氣等)充分轉化為便於使用的各種能源形式(如電能和各種產品等)，並且在 能源轉化的過程中儘量通過回收利用的方式降低能源損失。在煤炭利用的領域，通常會通 過傳統電廠燃燒煤炭產生熱量轉化為電能的方式或者通過整體煤氣化聯合循環(IGCC)發 電轉化為電能的方式產生電能，然後將電能輸往工廠轉化為各種產品。這個過程中，電廠和 燃氣輪機出口都會產生高溫煙道氣(500-650°C左右)。同樣，在工業窯爐煅燒物料過程也 會產生熱煙道氣，在化工廠氣化等工段會產生熱的煙道氣。這種高溫的煙道氣在很多行業 其實是可以回收利用的，如供熱行業、化工行業、水泥行業、鋼鐵行業等，但是由於這些含碳 餘熱氣體的處理和利用需要滿足環境和使用成本的要求，因此很少行業對這些煙道氣進行 合理的使用，這也導致煙道氣的熱量的大量損失和煙道氣熱量利用的局限性。一般在後處 理工段通過廢熱鍋爐和其它的餘熱回收系統對該高溫煙道氣的餘熱進行回收。但是這樣僅 能把高溫煙道氣的餘熱資源利用50-70%，還是會有大量的餘熱資源白白浪費掉，不能達到 較高的能效。此外，來自電力企業、熱力企業以及工業窯爐的煙道氣中還含義大量的汙染物 如N0x、S0x、粉塵和重金屬等，如何經濟有效地脫除這些汙染物使煙道氣達到排放標準也一 直是人們頭疼的問題。專利CN101063404(鍋爐煙道氣回收全氣態注井採油裝置)和專利 CNlO 1063406 (鍋爐煙道氣回收二氧化碳液化注井採油裝置)設計了一種可以回收鍋爐煙 道氣、液化二氧化碳、氮氣並與蒸汽一同注入油井開採稠油的鍋爐煙道氣回收淨化注井採 油裝置。該發明是主要利用鍋爐產生的蒸汽和煙氣中淨化產生的二氧化碳、氮氣來進行注 井採油，其中對二氧化碳和氮氣的淨化耗費了較多的熱能，並未對鍋爐煙氣進行充分的熱 量利用，反而在煙氣出口設置了洗滌塔直接使熱量散失掉，其熱量沒有得到充分的利用。專利CN200510031682. 3、CN201129947、CN1392386 分別針對陶瓷工業窯爐、燃煤 鍋爐、冶煉爐的出口煙道氣設計了不同技術對其進行回收利用。這三種專利分別採用為別 的企業提供低溫熱源、採用回收器、預熱原材料等方式對進行回收。但是這些技術基本上停 留在在一個系統內回收利用或者利用低溫的煙氣進行回收利用煙氣餘熱，其效率不高，而 且不能夠將排煙中的汙染物進行良好的脫除。在採集煤層氣和採油過程中，常常向地下煤層或油層中通入氣體來輔助開採。專利CN101418679A、CN101503957A介紹了一種通過向地下煤層注入高溫高壓水 蒸氣加熱煤層來開採煤層氣的方法。該技術利用高溫高壓水蒸氣提高煤層的滲透性，針對 低滲透性煤層的煤層氣的開採具有很好的效果。但是該技術只適用於煤層氣開採領域，對 沒有煤層氣的低階煤、廢棄煤資源無法應用。
專利US4393934介紹了一種通過向煤炭地下氣化爐注入CO2、胺類物質、煙氣、酒精 等混合物來提高煤層的滲透性的技術。該技術鼓入一些可溼性的揮發性物質或者煙氣等來 提高煤層的滲透性，可以對煙氣進行部分的回收，但是其利用僅限於提高煤層的滲透性，沒 有對整個系統進行完整的設計和考慮，所以不能完全利用煙氣中的熱量。專利CN101113666(—種煤層氣開採新技術)設計了一種煤層氣開採新技術，該 技術通過設置豎井和橫向延伸通道的進氣井，利用高壓流體對煤層進行壓裂處理，通過向 進氣井內注入高壓空氣或高壓氧氣，在進氣井和出氣井之間建立起煤層裂隙構成的氣流通 道，將出氣井排出的部分煤層氣燃燒後的高溫煙氣回注進氣井，然後逐步停止向地下煤層 中供應氧氣，待穩態生產時，僅靠高溫煙氣對煤進行乾餾，並維持出氣井的穩定產氣。該技 術的缺點是利用自身產出的高質量煤層氣進行燃燒再回注，降低了煤層氣採收率，也同時 降低了整個系統的效率。另外，該技術的局限之處在於其只能用在變質程度較高的含煤層 氣的煤層，例如以煙煤、無煙煤等為主的煤層中。發明概述第一方面，本發明公開了一種利用煙道氣對地下煤層進行原位乾餾的方法，包括 將煙道氣與氧氣共同或先後通入地下煤層中對煤進行原位乾餾，從而產生乾餾煤氣以及保 留在原位的乾餾後的半焦。第二方面，本發明公開了一種利用煙道氣對地下煤層進行原位乾餾的方法，包括 以下步驟a.設置進氣井和出氣井，它們均從地面鑽進到地下煤層中，並在進氣井和出氣井 之間的地下煤層中打通至少一條氣體通道；然後，b.將煙道氣與氧氣共同或先後通入到所述氣體通道中以對煤進行原位乾餾，從而 產生乾餾煤氣以及保留在原位的乾餾後的半焦。第三方面，本發明公開了一種利用煙道氣對地下煤層進行原位乾餾的方法，包括 以下步驟a.設置進氣井和出氣井，它們均從地面鑽進到地下煤層中，並在進氣井和出氣井 之間的地下煤層中打通至少一條氣體通道；然後，b.將煙道氣與氧氣共同或先後通入到所述氣體通道中以對煤進行原位乾餾，從而 產生乾餾煤氣以及保留在原位的乾餾後的半焦；然後，或與步驟b同時地，c.向所述乾餾後的半焦中通入另外的氧氣和/或蒸汽以進一步對該半焦進行氣 化。附圖簡述

圖1是本發明的一種實施方案的示意圖。圖2是乾餾煤氣的氣體成分隨溫度變化的圖，其中的數據來自利用煙道氣對煤層 進行原位乾餾的實驗。發明詳述在本發明的第一方面中，本發明提供了一種利用煙道氣對地下煤層進行原位乾餾 的方法，包括將煙道氣與氧氣共同或先後通入地下煤層中對煤進行原位乾餾，從而產生幹 餾煤氣以及保留在原位的乾餾後的半焦。以下分別從幾個方面對本發明的第一方面進行說 明。
所述煙道氣來自於火力發電工業、供熱業、化工業、水泥業、鋼鐵業等中的燃 氣輪機、煅燒爐、窯爐、燃煤鍋爐等設備排放的高溫尾氣，其一般處於高溫狀態，例如約 500-650°C。且該煙道氣中一般含有一定量的灰塵，取決於設備類型，煙道氣中的灰塵含量 差別也比較大，例如，燃煤鍋爐產出煙氣的灰塵含量較大，可以達到30%以上；而化工廠產 出的含碳餘熱氣體灰塵含量可小於0. 5%。為了防止灰塵堵塞增壓系統，可根據需要設置除 塵裝置對煙道氣進行除塵處理。對於灰塵含量較小的煙道氣，不必進行除塵處理。對於灰 塵含量較大的煙道氣，則優選其在被通入到地下煤層中之前經過除塵處理。若進行除塵處 理，則優選在煙道氣與氧氣混合之前對其進行除塵處理。除塵可在除塵裝置中進行，可使用 本領域任何合適的除塵裝置，例如旋風除塵器等。經過除塵裝置後，粒徑較大的灰塵可以被 脫除90%以上。氧氣則以純氧氣、空氣、富氧空氣等方式提供。其中富氧空氣是指空氣與氧氣的混 合氣體，其中氧氣的體積百分數大於21 %。因此，上述煙道氣與氧氣的混合物實際上也可以 是煙道氣與純氧氣、空氣、富氧空氣等的混合物。通過任何合適的混合裝置例如混合管路等將煙道氣與氧氣混合，煙道氣與氧氣的 混合比例沒有特殊要求，可根據煤種變質程度、地下煤層地質水文情況、二者混合後的混合 物溫度、沿途熱損失、地下煤乾餾溫度的需要以及是否另行向地下煤層注入氧氣等因素綜 合決定。例如，在一種實施方案中，混合後的混合物中煙道氣與氧氣的體積比可為85 15 至95 5，當然也可以採用任何其它合適的體積比。可通過任何合適的方法將該煙道氣與氧氣共同或先後送至地下煤層中。一種方法 是先將二者混合，然後將所得的混合物送入地下煤層中。在這種方法中，一種常見的方式是 將所得的混合物通入進氣井井口，然後讓其沿進氣井輸送到地下煤層中。但這樣輸送的話， 煙道氣中的熱量因為與構成進氣井的井壁的巖石材料(例如玄武巖、拌石水泥等)直接接 觸而沿途散熱，故而受到損失，待輸送至地下煤層時溫度會降低，致使乾餾效率下降，故更 優選的輸送方式是通過管道將所述煙道氣與氧氣的混合物通入到地下煤層中，因為管道壁 與進氣井井壁之間有空氣存在，故煙道氣的散熱要首先通過這層空氣然後才能到達進氣井 井壁，而空氣的導熱係數要低於構成進氣井井壁的材料的導熱係數，故可以減少沿途熱量 損失。另一種將煙道氣與氧氣共同輸送到地下煤層的方法是通過各自的管路將二者分別通 入地下煤層中然後在地下煤層中原位進行混合。還可以先將煙道氣送入地下煤層中，再將 氧氣送入地下煤層中。該煙道氣與氧氣共同或先後進入地下煤層中後，利用煙道氣的餘熱來加熱地下煤 層以對其進行原位乾餾。500-650°C左右的餘熱氣體可以滿足部分煤層受熱產乾餾氣的要 求，因為部分低變質程度的煤如泥炭、褐煤等，其熱解一般在200°C左右開始，在450°C左右 達到熱解氣產氣量的峰值，在600°C左右大部分可以熱解完成。而氧氣的作用是在煙道氣提 供的高溫下與一部分煤發生燃燒反應，以放出熱量，用於維持地下煤層的乾餾溫度。本文所 述的乾餾是指對煤進行加熱處理以使其熱解產生揮發性氣體成分例如乾餾煤氣的過程。其 中乾餾煤氣的主要成分是CH4、C0、H2、C02。此外，本發明的方法中，在乾餾過程的同時也伴隨 著發生一些碳與氧氣發生的氧化反應以及二氧化碳與碳反應生成一氧化碳的過程。這些伴 隨的反應要麼提供維持乾餾溫度所需的熱量，要麼進一步產生一些可燃氣體，均是有益的。 這樣的乾餾過程產生乾餾煤氣和保留在原位的乾餾後的半焦。其中乾餾煤氣通過出氣井採收至地面上，經過進一步處理後作為氣體燃料使用。而乾餾後的半焦則保留在原位，這可基 本保持煤層的原來形狀，防止地下水的侵入和地面塌陷。且這樣的半焦因其多孔性質而導 致滲透性和反應性都大大提高，這有利於接下來對其進行原位氣化。在先將煙道氣與氧氣混合再輸送到地下煤層中的實施方案中，還可通過另外的管 道將額外的氧氣輸入到地下煤層中。這樣做的目的也是為了提供額外的氧氣以與煤發生原 位燃燒反應釋放出熱量，以便維持地下煤層中的溫度處於煤的乾餾溫度，且提供了操控的 靈活性。通過另外的管道輸入額外的氧氣與將全部氧氣都與煙道氣混合後再輸入到地下煤 層中的方案相比有其有益效果。因為工業上通常使用的氧氣為常溫下的氧氣，若將該常溫 氧氣全都先與煙道氣混合再通入地下，則在氧氣摻入量過大時可能使混合後的混合物的溫 度過低，導致該混合物在被引入到地下煤層中時難以引發乾餾過程，且難以引發氧氣與煤 的燃燒反應。因此，必要時，可在進氣管路上設置輔助加熱裝置來保證煙道氣與氧氣的混合 物進入煤層時的溫度足以引發煤的原位乾餾和部分燃燒。但更優選的做法是將一部分氧氣 與煙道氣混合併使得混合物的溫度仍足以引發地下煤層的乾餾過程，並足以引發煤與氧氣 的燃燒反應，而另一部分氧氣則在地下乾餾和燃燒過程引發後，通過另外的管道引入，以維 持該燃燒過程，進而維持乾餾溫度，且可通過單獨調整該額外的氧氣的供應量來調整乾餾 溫度，這提供了地下溫度控制的便利性和靈活性。在一個實施方案中，該額外的氧氣的量為 煙道氣的量的5-15體積％。在本發明的第二方面中，本發明提供了一種利用煙道氣對地下煤層進行原位乾餾 的方法，包括以下步驟a.設置進氣井和出氣井，它們均從地面鑽進到地下煤層中，並在進氣井和出氣井 之間的地下煤層中打通至少一條氣體通道；然後，b.將煙道氣與氧氣共同或先後通入到所述氣體通道中以對煤進行原位乾餾，從而 產生乾餾煤氣以及保留在原位的乾餾後的半焦。其中，在步驟a中，可通過任何合適的鑽井方法從地面鑽井至地下煤層中，並將其 中用於輸入煙道氣與氧氣的混合物的井稱為進氣井，而將用於輸出乾餾煤氣的井稱為出氣 井。通過任何合適的方法在進氣井和出氣井之間的地下煤層中打通至少一條氣體通道，以 便建立氣體從進氣井井口到地下煤層再到出氣井井口暢通流動的通道。該氣體通道沿途的 煤層就是經受原位乾餾的煤層。可通過用高壓氣體壓裂法或水力壓裂法或鑽通法等方法來 在進氣井和出氣井之間的地下煤層中打通所述至少一條氣體通道。這些方法都是本領域公 知的，在此不再贅述。在步驟b中，其各方面均與在本發明的第一方面所述的各方面完全相同。在本發明的第三方面中，本發明提供了一種利用煙道氣對地下煤層進行原位乾餾 的方法，包括以下步驟a.設置進氣井和出氣井，它們均從地面鑽進到地下煤層中，並在進氣井和出氣井 之間的地下煤層中打通至少一條氣體通道；然後，b.將煙道氣與氧氣共同或先後通入到所述氣體通道中以對煤進行原位乾餾，從而 產生乾餾煤氣以及保留在原位的乾餾後的半焦；然後，或與步驟b同時地，c.向所述乾餾後的半焦中通入另外的氧氣和/或蒸汽以進一步對該半焦進行氣 化。
其中，該第三方面的步驟a和b與本發明的第二方面的步驟a和b完全相同，不再 贅述。在該第三方面的步驟c中，通過向乾餾後的半焦中再通入另外的氧氣和/或蒸汽， 可使得該氧氣和/或蒸汽與多孔且高反應性的半焦發生原位氣化反應，進一步產生包含一 氧化碳和氫氣以及甲烷在內的可燃氣體。該可燃氣體也通過出氣井輸出到地面，用作氣體 燃料。需要說明的是，該步驟c可在步驟b之後進行，也可以與步驟b同時進行。在以上本發明的第一方面、第二方面和第三方面中，都要確保氣體流動暢通，故要 使煙道氣與氧氣的混合物進入進氣井井口時以表壓計的壓力高於其在從進氣井井口經過 地下煤層中的氣體通道至出氣井井口之間的沿途總壓力損失。一種辦法是擴大進氣井、氣 化通道和出氣井的流通面積，以減少流動阻力；另一種方法是使煙道氣與氧氣的混合物在 進入進氣井之前被增壓裝置例如增壓機增壓，以使得其進入進氣井井口時以表壓計的壓力 高於氣體在進氣井井口和和出氣井井口之間的沿途總壓力損失；或者二者方法結合進行。
實施例結合圖1對本發明進行示例性說明，實施例和附圖均不構成對本發明的限制。以利用煙道氣對煤層進行原位乾餾的實驗為例。將溫度為650°C且含塵量為30% 的水泥煅燒窯爐煙道氣通入除塵裝置1中，除去其中90%的灰塵，然後通過輸送管路2輸 送，並與來自輸氧管路3的氧氣混合，然後通過進氣管路4將混合物送至地下煤層中的氣體 通道5中，沿途對煤層進行原位乾餾和氣化，產生的乾餾煤氣通過出氣管路6輸送至地面 上，以供利用。圖2中示出了不同的煤層溫度下獲得的乾餾煤氣的氣體組成，以體積百分比計。 可根據所需要的乾餾煤氣的組成來調節煤層溫度。本發明的優點如下1、煙道氣餘熱的有效利用本發明利用將煙道氣與氧氣共同或先後注入地下煤層 對地下煤層進行原位加熱，並通過利用煤層受熱遇氧氣被氧化產生的熱量，維持乾餾持續 進行，通過使煤層乾餾產出煤氣，開採地下煤層，充分回收利用了煙道氣的廢熱，並可實現 地下煤層氣或乾餾煤氣的高採收率。2、減少汙染煙道氣中的一些容易被吸附和參與反應的汙染物如重金屬元素、 SOx, NOx也會在地下煤層中沉積或吸附，消除了直接排放到大氣中的汙染。3、減少碳排放煙道氣中的二氧化碳在本發明中與地下煤層原位反應生成一氧化 碳，既減少了二氧化碳的直接排放，又可化廢為寶，生產氣體燃料。4、簡化了煙道氣後處理工藝傳統的煙道氣後處理過程中，由於環保的要求，需要 設置大量除塵、脫硫、脫硝、淨化等後處理步驟，才可進一步利用或排放；而本發明則只需要 除塵後即可使煙道氣得到進一步利用，省略了其餘步驟，簡化了工藝。5、適用範圍寬傳統煤炭開採過程中，由於受安全、經濟性和開採技術條件的限 制，不能對「三下」煤層(水體下，路下，城市下)和低變質程度的煤進行開採和利用，造成 了資源的浪費。而本發明可以實現「三下」煤層和低變質程度的煤的利用。現有技術方法 CN101113666中的方法主要使用在變質程度較高的含煤層氣的煤層例如煙煤、無煙煤煤層 中，對於低變質煤種(如泥炭、褐煤等)則效果不佳。而本發明是採用煙氣和氧氣鼓入地下，然後直接加熱煤層來產生乾餾氣，而不管煤層本身是否含煤層氣，這一特點使得本發明可 適用於低變質的煤種，如泥炭、褐煤、弱粘結性煙煤等，且尤其適用於地質條件惡劣的情況， 例如對「三下」煤層(水下、路下、城下)或者是地質水文條件惡劣(尤其是煤層頂板和含 水層近、地下採煤存在環境風險的煤層)進行最大程度的利用，可以利用本發明從這些煤 層中開採其乾餾氣，乾餾後的半焦可以保證煤層的原位性，防止與地下水導通和地面塌陷。 另外針對一些相對好一些的地質條件下的煤層，可以先通過使用本發明的方法將地下煤層 乾餾，增加煤層的滲透性，然後再進行地下氣化，有利於煤炭地下氣化過程的穩定控制。
權利要求
一種利用煙道氣對地下煤層進行原位乾餾的方法，包括將煙道氣與氧氣共同或先後通入地下煤層中對煤進行原位乾餾，從而產生乾餾煤氣以及保留在原位的乾餾後的半焦。
2.一種利用煙道氣對地下煤層進行原位乾餾的方法，包括以下步驟a.設置進氣井和出氣井，它們均從地面鑽進到地下煤層中，並在進氣井和出氣井之間 的地下煤層中打通至少一條氣體通道；然後，b.將煙道氣與氧氣共同或先後通入到所述氣體通道中以對煤進行原位乾餾，從而產生 乾餾煤氣以及保留在原位的乾餾後的半焦。
3.一種利用煙道氣對地下煤層進行原位乾餾的方法，包括以下步驟a.設置進氣井和出氣井，它們均從地面鑽到地下煤層中，並在進氣井和出氣井之間的 地下煤層中打通至少一條氣體通道；然後，b.將煙道氣與氧氣共同或先後通入到所述氣體通道中以對煤進行原位乾餾，從而產生 乾餾煤氣以及保留在原位的乾餾後的半焦；然後，或與步驟b同時地，c.向所述乾餾後的半焦中通入另外的氧氣和/或蒸汽以進一步對該半焦進行氣化。
4.權利要求1-3中任一項的方法，其中先將所述煙道氣與氧氣混合然後再將所得的混 合物通過管道通入到地下煤層中。
5.權利要求1-3中任一項的方法，其中通過獨立的管道將煙道氣與氧氣分別通入到地 下煤層中再使二者在地下煤層中原位混合。
6.權利要求4的方法，還包括通過另外的管道將額外的氧氣輸入到地下煤層中。
7.權利要求6的方法，其中額外的氧氣的量為煙道氣的量的5-15體積％。
8.權利要求2或3的方法，其中通過用高壓氣體壓裂法或水力壓裂法或鑽通法來在進 氣井和出氣井之間的地下煤層中打通所述至少一條氣體通道。
9.權利要求1-3中任一項的方法，其中使進入進氣井的氣體在進入進氣井井口時以表 壓計的壓力高於其在從進氣井井口經過地下煤層至出氣井井口之間的沿途總壓力損失。
全文摘要
本發明公開了一種利用煙道氣對地下煤層進行原位乾餾的方法，包括將煙道氣與氧氣共同或先後通入地下煤層中對煤進行原位乾餾，從而產生乾餾煤氣以及保留在原位的乾餾後的半焦。在上述步驟之後或同時，向該半焦中通入氧氣和/或蒸汽，以進一步對半焦進行氣化。
文檔編號E21B43/30GK101988383SQ20101026801
公開日2011年3月23日 申請日期2010年8月31日 優先權日2010年8月31日
發明者劉洪濤, 劉淑琴, 潘霞, 陳 峰 申請人:新奧科技發展有限公司