煤层气田清洁取能系统.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 202020743443.0 (22)申请日 2020.05.08 (73)专利权人 新疆维吾尔自治区煤田地质局煤 层气研究开发中心 地址 830000 新疆维吾尔自治区乌鲁木齐 市南昌路155号 (72)发明人 王刚杨曙光李瑞明王月江 张娜来鹏 (74)专利代理机构 郑州豫开专利代理事务所 (普通合伙) 41131 代理人 朱俊峰 (51)Int.Cl. E21B 43/243(2006.01) E21B 43/24(2006.01) E21B 43/295(2006.01) 。

2、E21B 43/30(2006.01) C10L 3/08(2006.01) (ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利 (54)实用新型名称 煤层气田清洁取能系统 (57)摘要 煤层气田清洁取能系统， 在煤层气田选取两 个进入衰退期的煤层气井和一个仍在生产阶段 的煤层气井， 两个进入衰退期的煤层气井分别为 第一煤层气井和第二煤层气井， 仍在生产阶段的 煤层气井为第三煤层气井， 第一煤层气井、 第二 煤层气井和第三煤层气井的深度依次增加， 包括 第一变压吸附分离装置、 注气泵、 超临界水气化 制氢装置、 气固液分离装置、 热交换装置和气体 分离与提纯液化装置； 本实用新型有效实施了衰 退期煤层。

3、气田的二次开发利用， 并省略了气化炉 建炉、 燃烧控制及监测等各项设备， 大幅降低了 煤炭地下气化成本， 低碳排放， 而且获得新的高 附加值产品。 权利要求书1页 说明书5页 附图1页 CN 212177118 U 2020.12.18 CN 212177118 U 1.煤层气田清洁取能系统， 在煤层气田选取两个进入衰退期的煤层气井和一个仍在生 产阶段的煤层气井， 两个进入衰退期的煤层气井分别为第一煤层气井和第二煤层气井， 仍 在生产阶段的煤层气井为第三煤层气井， 第一煤层气井、 第二煤层气井和第三煤层气井的 深度依次增加， 其特征在于： 包括第一变压吸附分离装置、 注气泵、 超临界水气化制氢。

4、装置、 气固液分离装置、 热交换装置和气体分离与提纯液化装置； 第一变压吸附分离装置的粗氧气出口通过注气管与第一煤层气井的井口连接， 注气泵 安装在注气管上， 第二煤层气井的井口通过混合煤气排气管与超临界水气化制氢装置的进 气口连接， 第三煤层气井的井口通过甲烷气体排气管与超临界水气化制氢装置的进气口连 接， 超临界水气化制氢装置的出气口通过高温混合气体输送管与热交换装置的高温进气口 连接， 第三煤层气井的井口通过煤层水排出管与热交换装置的低温进水口连接， 热交换装 置的低温出气口与气固液分离装置的进口连接， 热交换装置的高温水出口通过水蒸气管道 分别与超临界水气化制氢装置的进气口和注气管的下。

5、部连接， 气固液分离装置的出气口通 过混合气体管道与气体分离与提纯液化装置的进气口连接， 气体分离与提纯液化装置的可 燃气体出口通过可燃气体管道与超临界水气化制氢装置的进气口连接。 2.根据权利要求1所述的煤层气田清洁取能系统， 其特征在于： 气体分离与提纯液化装 置包括串联的第二变压吸附分离装置和深冷液化提纯分离装置， 第二变压吸附分离装置的 二氧化碳气体出口连接有二氧化碳液化装置， 第二变压吸附分离装置的进气口与混合气体 管道的出气口连接， 深冷液化提纯分离装置和第二变压吸附分离装置的可燃气体出口均与 可燃气体管道连接。 3.根据权利要求1所述的煤层气田清洁取能系统， 其特征在于： 热交换。

6、装置包括串联的 低温热交换器和高温热交换器， 低温热交换器的高温水出口与高温热交换器的低温水进口 连接， 低温热交换器的高温气体进口与高温热交换器的低温气体出口连接。 权利要求书 1/1 页 2 CN 212177118 U 2 煤层气田清洁取能系统 技术领域 0001 本实用新型属于煤层气与煤炭地下气化的综合开发利用技术领域， 具体涉及一种 煤层气田清洁取能系统。 背景技术 0002 煤炭是我国赋存量最大、 开采量最大的化石能源， 开采历史已达数百年， 尤其是改 革开放以来的高强度开采， 浅部煤层已基本开采完成， 而中深部煤层开采难度大、 成本高， 丰富的中深部煤炭资源的高效、 低成本开发成。

7、为研究方向。 经过数十年的探索实践， 煤炭地 下气化成为最主要的原位开采手段。 煤炭地下气化通过直井/水平井钻井、 地下气化炉及燃 烧主通道建设、 A井注入空气、 地下可控燃烧生成粗煤气、 B井产出粗煤气、 粗煤气地面发电 或提纯利用。 0003 近年来， 绿色经济发展对环境保护提出更高要求， 煤炭作为化石能源， 其燃烧废弃 物复杂、 高碳的特征对环境不利。 煤炭地下气化技术作为中深部煤炭资源高效开发的重要 技术方向， 存在新钻井及地下气化炉建炉成本高、 综合热效率低、 粗煤气深加工利用不足、 碳排放高等重大缺陷。 虽然有文献、 专利在煤炭地下气化技术基础上创新提出了制氢工艺， 但其地下气化过。

8、程仍存在低效、 控制难度大、 综合热效率低等重要缺陷。 实用新型内容 0004 本实用新型为了解决现有技术中的不足之处， 提供一种技术成熟、 流程可控、 适用 面广、 热效率高、 产品丰富且能够有效利用的煤层气田清洁取能系统， 本实用新型以大幅降 低煤炭地下气化建炉成本、 提高煤炭气化制氢的效率及技术可控性、 提高综合热效率、 低碳 排放、 制备焦油、 液氢及液态/固态二氧化碳等高附加值产品为目标， 实现了中深部煤层气 及煤炭资源的综合清洁取能。 0005 为解决上述技术问题， 本实用新型采用如下技术方案： 煤层气田清洁取能系统， 在 煤层气田选取两个进入衰退期的煤层气井和一个仍在生产阶段的煤。

9、层气井， 两个进入衰退 期的煤层气井分别为第一煤层气井和第二煤层气井， 仍在生产阶段的煤层气井为第三煤层 气井， 第一煤层气井、 第二煤层气井和第三煤层气井的深度依次增加， 包括第一变压吸附分 离装置、 注气泵、 超临界水气化制氢装置、 气固液分离装置、 热交换装置和气体分离与提纯 液化装置； 0006 第一变压吸附分离装置的粗氧气出口通过注气管与第一煤层气井的井口连接， 注 气泵安装在注气管上， 第二煤层气井的井口通过混合煤气排气管与超临界水气化制氢装置 的进气口连接， 第三煤层气井的井口通过甲烷气体排气管与超临界水气化制氢装置的进气 口连接， 超临界水气化制氢装置的出气口通过高温混合气体输。

10、送管与热交换装置的高温进 气口连接， 第三煤层气井的井口通过煤层水排出管与热交换装置的低温进水口连接， 热交 换装置的低温出气口与气固液分离装置的进口连接， 热交换装置的高温水出口通过水蒸气 管道分别与超临界水气化制氢装置的进气口和注气管连接， 气固液分离装置的出气口通过 说明书 1/5 页 3 CN 212177118 U 3 混合气体管道与气体分离与提纯液化装置的进气口连接， 气体分离与提纯液化装置的可燃 气体出口通过可燃气体管道与超临界水气化制氢装置的进气口连接。 0007 气体分离与提纯液化装置包括串联的第二变压吸附分离装置和深冷液化提纯分 离装置， 第二变压吸附分离装置的二氧化碳气体。

11、出口连接有二氧化碳液化装置， 第二变压 吸附分离装置的进气口与混合气体管道的出气口连接， 深冷液化提纯分离装置和第二变压 吸附分离装置的可燃气体出口均与可燃气体管道连接。 0008 热交换装置包括串联的低温热交换器和高温热交换器， 低温热交换器的高温水出 口与高温热交换器的低温水进口连接， 低温热交换器的高温气体进口与高温热交换器的低 温气体出口连接。 0009 采用上述技术方案， 煤层气田清洁取能系统的清洁取能方法， 包括以下步骤： 0010 （1） 选择并确定衰退期的煤层气田； 0011 （2） 地下煤炭无控燃烧气化； 0012 （3） 地面可控超临界水气化制氢； 0013 （4） 两级交。

12、换器梯级取热； 0014 （5） 两级分离梯级提纯、 液化。 0015 步骤 （1） 具体为， 第一煤层气井、 第二煤层气井已历时多年开采， 先后疏干煤层水 分、 煤层压裂主通道及裂隙均张开、 气井产量大幅降低或停产， 深度更深的第三煤层气井仍 在生产阶段， 产出煤层水及以CH4为主的煤层气。 0016 步骤 （2） 具体为， 通过技术成熟、 低成本但分离效果一般的第一变压吸附分离装置 将空气简单分离剔除氮气后制备为粗氧气， 注气泵将粗氧气及高温热交换器制备的高温水 蒸气通过注气管注入到第一煤层气井内部， 在第一煤层气井至第二煤层气井间的地下煤层 沿煤层压裂主通道及裂隙进行无控燃烧气化， 从第。

13、二煤层气井中抽取混合煤气， 通过混合 煤气排气管输送到超临界水气化制氢装置内， 第三煤层气井产出的煤层水及煤层气， 为地 下气化、 地面可控的超临界水气化制氢装置提供水源及部分甲烷 （CH4） 原料。 0017 步骤 （3） 具体为， 超临界水气化制氢装置在800、 25MPa以上的温度、 压力控制下， 通过调整混合煤气、 水蒸气原料的配比， 实现甲烷 （CH4） 、 水蒸气 （H2O） 、 一氧化碳 （CO） 、 二氧 化碳 （CO2） 的化学重整反应， 实现工程可控的最高氢气 （H2） 产率。 0018 步骤 （4） 具体为， 由于超临界水气化制氢装置所产出的气体为750-850的高温 气。

14、体， 其蕴含的大量热量能够将第三煤层气井产出的煤层水制备为水蒸气； 通过高温热交 换器和低温热交换器的两级热交换梯级取热， 将750-850的高温气体的高温气体降温 为30-50的低温气体， 30-50的低温气体通入到第二变压吸附分离装置内； 煤层水 经两级热交换梯级增热后制备为高温水蒸气通入第一煤层气井及超临界水气化制氢装置 内， 以供地下煤炭无控燃烧气化及超临界水气化制氢过程， 实现系统的最小热损失； 随着高 温气体经高温热交换器和低温热交换器的梯级取热、 降温后进入到气固液分离装置内， 焦 油凝结为液体产出， 高矿化度煤层水中的盐类结晶析出， 混合盐类及粉尘安全的固体废弃 物填埋处理， 。

15、焦油作为高附加值产品可供应炼钢业。 0019 步骤 （5） 具体为， 两级分离梯级提纯、 液化考虑到气流量大、 最小能耗制备液氢的 因素， 以技术成熟、 低成本的第二变压吸附分离装置对大流量30-50低温气体中的CO2、 CO、 CH4进行初步剔除分离， 再次以深冷液化提纯分离装置进行小流量粗制氢气的二次提 说明书 2/5 页 4 CN 212177118 U 4 纯、 液化， 制备为高纯度液氢的产品； 0020 该步骤所分离的二氧化碳 （CO2） 经二氧化碳液化装置冷凝后所制备的液态CO2或固 态CO2可供食品业、 冷链运输业的低温保鲜、 油气开采业的化学驱油、 二氧化碳压裂、 碳指标 交易。

16、平台的碳封存需求， 分离出的少量CO、 CH4作为原料气再次导入超临界水气化制氢装置 进行再次反应。 0021 本实用新型不仅克服了目前煤炭地下气化技术的建设成本高、 综合热效率低、 有 效产品单一、 碳排放高、 工艺控制难度大等五项缺陷， 而且为煤层气田开发的高矿化度水环 保处理提供新途径， 实现煤层气开发与煤炭地下气化的科学衔接。 0022 本实用新型相比目前煤炭地下气化技术， 具有的优点具体如下： 0023 （1） 利用衰退期煤层气田及其煤层气井网开展煤炭地下气化， 不仅规避了目前煤 炭地下气化需要新钻井、 建设地下气化炉、 燃烧主通道及预抽水所导致的成本过高缺陷， 而 且衰退期煤层气田。

17、的中浅部煤层已疏干煤层水、 压裂主通道及裂隙张开， 能够高效进行煤 层地下燃烧， 也实现了衰退期煤层气田的二次开发； 0024 （2） 煤层气田深部气井可为中浅部煤层地下气化提供水源， 解决了高矿化度煤层 水的环保处理费用问题， 实现煤层气开发与煤炭地下气化的科学配套和衔接； 0025 （3） 将目前地下煤炭气化革新为 “地下煤炭无控燃烧气化+地面可控超临界水气化 制氢” ， 不仅避免了地下煤炭有控气化所带来的技术难度大、 工艺不成熟、 设备费用投入高 的缺陷， 而且通过地面工程设备与化学反应的可控性使制氢效率实现最大化； 0026 （4） 低温热交换器和高温热交换器两级热交换装置大大提高了系。

18、统综合热效率， 并且实现了焦油的有效回收利用； 0027 （5） 变压吸附初步分离-深冷液化分离提纯两级分离梯级提纯、 液化， 能够有效减 小深冷液化分离装置规模及投资成本， 降低制冷运行能耗， 依次分离、 科学液化有效产品组 分， 制备高纯度液氢产品； 0028 （6） 将煤炭中的碳源通过合理流程转化为液态或固态C02， 不仅实现本清洁取能工 艺的低碳排放， 而且获得新的高附加值产品； 0029 （7） 该地下无控燃烧气化工艺有效实施了衰退期煤层气田的二次开发利用， 并省 略了气化炉建炉、 燃烧控制及监测等各项设备， 大幅降低了煤炭地下气化成本。 附图说明 0030 图1为本实用新型的结构示。

19、意图。 具体实施方式 0031 下面将结合本实用新型实施例中的附图， 对本实用新型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实用新型一部分实施例， 而不是全部的 实施例。 基于本实用新型中的实施例， 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， 都属于本实用新型保护的范围。 0032 如图1所示， 本实用新型的煤层气田清洁取能系统， 在煤层气田选取两个进入衰退 期的煤层气井和一个仍在生产阶段的煤层气井， 两个进入衰退期的煤层气井分别为第一煤 层气井1和第二煤层气井2， 仍在生产阶段的煤层气井为第三煤层气井3， 第一煤层气井1、 第 说。

20、明书 3/5 页 5 CN 212177118 U 5 二煤层气井2和第三煤层气井3的深度依次增加， 所述的系统包括第一变压吸附分离装置4、 注气泵5、 超临界水气化制氢装置6、 气固液分离装置7、 热交换装置和气体分离与提纯液化 装置； 0033 第一变压吸附分离装置4的粗氧气出口通过注气管与第一煤层气井1的井口连接， 注气泵5安装在注气管8上， 第二煤层气井2的井口通过混合煤气排气管9与超临界水气化制 氢装置6的进气口连接， 第三煤层气井3的井口通过甲烷气体排气管10与超临界水气化制氢 装置6的进气口连接， 超临界水气化制氢装置6的出气口通过高温混合气体输送管11与热交 换装置的高温进气口。

21、连接， 第三煤层气井3的井口通过煤层水排出管12与热交换装置的低 温进水口连接， 热交换装置的低温出气口与气固液分离装置7的进口连接， 热交换装置的高 温水出口通过水蒸气管道13分别与超临界水气化制氢装置6的进气口和注气管8连接， 气固 液分离装置7的出气口通过混合气体管道14与气体分离与提纯液化装置的进气口连接， 气 体分离与提纯液化装置的可燃气体出口通过可燃气体管道15与超临界水气化制氢装置6的 进气口连接。 0034 气体分离与提纯液化装置包括串联的第二变压吸附分离装置16和深冷液化提纯 分离装置17， 第二变压吸附分离装置16的二氧化碳气体出口连接有二氧化碳液化装置18， 第二变压吸附。

22、分离装置16的进气口与混合气体管道14的出气口连接， 深冷液化提纯分离装 置17和第二变压吸附分离装置16的可燃气体出口均与可燃气体管道15连接。 0035 热交换装置包括串联的低温热交换器19和高温热交换器20， 低温热交换器19的高 温水出口与高温热交换器20的低温水进口连接， 低温热交换器19的高温气体进口与高温热 交换器20的低温气体出口连接。 0036 本实用新型中的第一变压吸附分离装置4、 注气泵5、 超临界水气化制氢装置6、 气 固液分离装置7、 低温热交换器19、 高温热交换器20、 第二变压吸附分离装置16和深冷液化 提纯分离装置17均为现有成熟技术， 市场上可购置， 因此其。

23、具体构造及原理不再赘述。 0037 煤层气田清洁取能系统的清洁取能方法， 包括以下步骤， 0038 （1） 选择并确定衰退期的煤层气田； 0039 （2） 地下煤炭无控燃烧气化； 0040 （3） 地面可控超临界水气化制氢； 0041 （4） 两级交换器梯级取热； 0042 （5） 两级分离梯级提纯、 液化。 0043 步骤 （1） 具体为， 第一煤层气井1、 第二煤层气井2已历时多年开采， 先后疏干煤层 水分、 煤层压裂主通道及裂隙均张开、 气井产量大幅降低或停产， 深度更深的第三煤层气井 3仍在生产阶段， 产出煤层水及以CH4为主的煤层气。 0044 步骤 （1） 具体为， 通过技术成熟、。

24、 低成本但分离效果一般的第一变压吸附分离装置 4将空气简单分离剔除氮气后制备为粗氧气， 注气泵5将粗氧气及高温热交换器20制备的高 温水蒸气通过注气管8注入到第一煤层气井1内部， 在第一煤层气井1至第二煤层气井2间的 地下煤层沿煤层压裂主通道及裂隙进行无控燃烧气化， 从第二煤层气井2中抽取混合煤气， 通过混合煤气排气管9输送到超临界水气化制氢装置6内， 第三煤层气井3产出的煤层水及 煤层气， 为地下气化、 地面可控的超临界水气化制氢装置6提供水源及部分甲烷 （CH4） 原料。 该无控燃烧气化工艺省略了气化炉建炉、 燃烧控制及监测等各项设备， 大幅降低了地下气 说明书 4/5 页 6 CN 21。

25、2177118 U 6 化成本。 0045 步骤 （3） 具体为， 超临界水气化制氢装置6在800左右、 25MPa以上的温度、 压力控 制下， 通过调整混合煤气、 水蒸气原料的配比， 实现甲烷 （CH4） 、 水蒸气 （H2O） 、 一氧化碳 （CO） 、 二氧化碳 （CO2） 的化学重整反应， 实现工程可控的最高氢气 （H2） 产率。 0046 步骤 （4） 具体为， 由于超临界水气化制氢装置6所产出的气体为750-850的高 温气体， 其蕴含的大量热量能够将第三煤层气井3产出的煤层水制备为水蒸气； 通过高温热 交换器20和低温热交换器19的两级热交换梯级取热， 将750-850的高温气体。

26、的高温气 体降温为30-50的低温气体， 30-50的低温气体通入到第二变压吸附分离装置16 内； 煤层水经两级热交换梯级增热后制备为高温水蒸气通入第一煤层气井1及超临界水气 化制氢装置6内， 以供地下煤炭无控燃烧气化及超临界水气化制氢过程， 实现系统的最小热 损失； 随着高温气体经高温热交换器20和低温热交换器19的梯级取热、 降温后进入到气固 液分离装置7内， 焦油凝结为液体产出， 高矿化度煤层水中的盐类结晶析出， 混合盐类及粉 尘安全的固体废弃物填埋处理， 焦油作为高附加值产品可供应炼钢业等。 0047 步骤 （5） 具体为， 两级分离梯级提纯、 液化考虑到气流量大、 最小能耗制备液氢的。

27、 因素， 以技术成熟、 低成本的第二变压吸附分离装置16对大流量30-50低温气体中的 CO2、 CO、 CH4进行初步剔除分离， 再次以深冷液化提纯分离装置17进行小流量粗制氢气的二 次提纯、 液化， 制备为高纯度液氢的产品； 0048 该步骤所分离的二氧化碳 （CO2） 经二氧化碳液化装置18冷凝后所制备的液态CO2或 固态CO2可供食品业、 冷链运输业的低温保鲜、 油气开采业的化学驱油、 二氧化碳压裂、 碳指 标交易平台的碳封存需求， 分离出的少量CO、 CH4作为原料气再次导入超临界水气化制氢装 置6进行再次反应。 0049 尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例， 对于本领域的普通技术人员而言， 可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、 修 改、 替换和变型， 本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。 说明书 5/5 页 7 CN 212177118 U 7 图1 说明书附图 1/1 页 8 CN 212177118 U 8 。