一种富油煤温和氧化自生热与水蒸气加热耦合的原位热解系统的制作方法
1.本发明属于煤炭开采技术领域，具体涉及一种富油煤温和氧化自生热与水蒸气加热耦合的原位热解系统。
背景技术：
2.煤炭的传统开采利用过程会产生严峻的环境污染，对人体健康造成危害，诱发如：肺癌、下呼吸道感染等疾病。
3.富油煤是焦油产率7～12％的煤炭类型。富油煤作为一种公认的特殊煤炭资源，摒弃传统的直接开采方式，直接在地下进行原位热转化，是近年来兴起的一项新技术。与原位气化相比，原位热解没有地下火灾失控蔓延的风险，热解后的地表也不易沉降，因此，原位热解技术是比原位气化技术更具吸引力的概念。
4.传统的加热技术分为三类：传导加热、对流加热和辐射加热。传导加热技术成熟且加热可控，但易造成大量热量损失；辐射加热速度快，但技术复杂且成本较高。对流加热工艺成熟，但流体的接触换热易不充分。
技术实现要素：
5.针对上述问题，本发明提供了一种富油煤温和氧化自生热与水蒸气加热耦合的原位热解系统。通过在煤层中开挖若干水蒸气注入井、注热井、生产井和水平井，并辅以温度监测井的设立，联合缓慢氧化和高温水蒸气对流作为热解反应的加热方式，通过上一地块的余热利用和当前地块燃烧后烟气从下一地块注热井的通入，实现多个富油煤地块的联合运行，并将反应产生的co2封存于上一地块中。整个过程实现了富油煤地下原位热解系统中自生热与水蒸气对流加热的耦合，对热解过程中的余热进行了充分利用，从而提高了富油煤的开采利用率。
6.本发明采用如下技术方案来实现的：
7.一种富油煤温和氧化自生热与水蒸气加热耦合的原位热解系统，包括蒸汽发生器、加热装置、换热器、气液分离装置、水蒸气分离装置、燃烧发电装置、风机和co2捕集装置；
8.在富油煤煤层开挖生产井，并在生产井四周按照四边形的布井方式分别开挖水蒸气注入井和注热井，在水蒸气注入井和生产井之间以及注热井和生产井之间开挖水平井，其中第一地块不挖设注热井，在处于对角线的两个水蒸气注入井各自和生产井的中心位置开挖温度监测井；
9.采用水力压裂技术对富油煤煤层进行体积压裂改造，在水平井中开挖小孔，经水蒸气注入井注入压裂液，水平井上产生大量裂缝，为保持裂缝开度，在压裂液中加入mm级支撑剂陶粒；
10.第一地块中，蒸汽发生器产生高温水蒸气，通过加热器升温至目标温度后，从水蒸
气注入井注入富油煤煤层，水蒸气加热富油煤并发生热解反应，通过温度监测井进行监测和调控，使热解温度保持在焦油产率最大的温度范围，水蒸气携带热解产物从生产井流出并进入换热器，同时，风机将过量空气鼓入换热器，热解产物与过量空气在换热器中换热后热解产物温度降低，以防止焦油冷凝粘附在换热器管壁，换热后的热解产物进入气液分离装置，分离得到焦油产物并收集，剩余气体进入水蒸气分离装置，将分离的水蒸气输送至蒸汽发生器循环使用，剩余热解气与预热后的过量空气在燃烧发电装置中混合燃烧，并对蒸汽发生器、加热器和风机进行供能；
11.第一块地热解气燃烧后的烟气从第二地块注入井流入，第一块地热解气燃烧后的烟气携带热量加热富油煤并发生缓慢氧化反应，氧化放出的热量即自生热不断加热周围煤层，辅以温度监测井实时监测，当周围煤层温度达到自燃点时，从水蒸气注入井注入高温水蒸气，实现自生热与水蒸气对流加热的耦合运行，热解产物从生产井流出，与第一地块的流经路径相同，热解产物依次通过换热器、气液分离装置、水蒸气分离装置和燃烧发电装置，燃烧后的烟气从水蒸气注入井进入第一地块，充分吸收煤层热解余热，然后从生产井流出，进入co2捕集装置，将捕获得到的co2从水蒸气注入井注入第一地块进行封存，剩余烟气作为第三地块的缓慢氧化气氛从注热井流入。
12.本发明进一步的改进在于，还包括储液装置，分离得到焦油产物并收集在储液装置中。
13.本发明进一步的改进在于，第一地块采用水蒸气对流加热，后续地块耦合自生热与水蒸气对流加热。
14.本发明进一步的改进在于，第一地块未注入烟气发生缓慢氧化反应，因此无自生热，全程采用水蒸气对流加热；第二地块的缓慢氧化反应气氛是第一块地热解气燃烧后的烟气；第二地块之后所有地块的缓慢氧化反应气氛均是上一地块的热解气燃烧后的烟气在吸收上上个地块的热解余热后，分离co2所得到的气体。
15.本发明进一步的改进在于，第一块地热解气燃烧后的烟气直接注入第二地块，后续地块燃烧后的烟气在吸收上一地块余热并分离co2后，注入下一地块，加热富油煤并发生缓慢氧化反应，煤层达到自燃点后辅以高温水蒸气对流加热，氧化放出的热量即自生热使周围煤层升温，同时耦合水蒸气进行对流加热。
16.本发明进一步的改进在于，从生产井流出的高温热解产物被用于燃烧发电所需的空气预热，燃烧后烟气所携带的热量和上一地块热解余热均作为下一地块煤层缓慢氧化的热量来源，从而实现全系统余热的回收利用。
17.本发明进一步的改进在于，在处于富油煤煤层以上的岩石部分的井壁加设绝热材料层，避免热量散失。
18.本发明进一步的改进在于，在处于富油煤煤层部分的井壁加设导热材料层，增强导热能力。
19.本发明进一步的改进在于，对富油煤煤层进行水力压裂，加入mm级的支撑剂陶粒来支撑裂缝，增大对流接触面积和渗透率，进而提高富油煤的热解效率。
20.本发明进一步的改进在于，生产井位于中心，第一地块中，水蒸气注入井在生产井周围呈四边形排列，后续所有地块中，注热井和水蒸气注入井在生产井周围分别呈四边形排列；两个温度监测井分别布置在处于对角线的两个水蒸气注入井各自和生产井的中心位
置，对热解区域的温度进行实时反馈和调控，准确把控煤层缓慢氧化到达自燃点的时刻，以及控制热解最终温度为焦油产率最大的温度范围500～600℃，从而实现富油煤开采区井孔的有序排布。
21.本发明至少具有如下有益的技术效果：
22.(1)热解气与过量空气混合燃烧产生的高温烟气注入上一地块，吸收利用煤层热解余热，避免了热量浪费，降低了生产成本。
23.(2)当前地块的高温燃烧烟气作为当前下一地块缓慢氧化的反应气氛，促进煤层氧化放热，周围煤层达到自燃点后辅以高温水蒸气对流加热，实现自生热与水蒸气对流加热的耦合，丰富了富油煤地下原位热解的加热途径。
24.(3)采用四边形的布井方式，同一地块挖设多个水蒸气注入井和注热井，使得富油煤煤层充分热解，实现了地块资源的有效利用。
25.(4)单独收集热解产物冷凝产生的焦油，即本系统的目标产物；同时，热解气与预热后的过量空气混合燃烧，对蒸汽发生器、加热器和风机供能，从而实现了热解产物的分级利用，减少了系统的外部能量输入。
26.(5)煤热解后残留的固体物质半焦具备较大的比表面积和丰富的孔隙结构，因此拥有较强的吸附能力，分离捕集第一块地热解气燃烧后的烟气中的co2，并将其封存于上一地块中，实现co2零排放，有效遏制全球温室效应。
27.(6)通过水蒸气分离器分离热解气中的水蒸气，并将其输送至蒸汽发生器，实现整个系统的水蒸气循环利用。
28.(7)在处于煤层以上的岩石部分的井壁加设绝热材料层，避免热量散失，以及在处于煤层部分的井壁加设导热材料层，增强导热能力，提高富油煤的热解效率。
29.(8)开挖小孔并注入压裂液，在水平井上形成大量裂缝，增大了煤层的对流加热接触面积和渗透率，增强了传热及传质，从而提高了富油煤的开采利用率。
30.(9)在处于对角线的两个水蒸气注入井各自和生产井的中心位置布置两个温度监测井，从而对热解区域的温度进行实时反馈和调控。
附图说明
31.图1是本发明一种富油煤温和氧化自生热与水蒸气加热耦合的原位热解系统的结构示意图；
32.图2是本发明一种富油煤温和氧化自生热与水蒸气加热耦合的原位热解系统的水蒸气注入井结构俯视图。
33.图3是本发明一种富油煤温和氧化自生热与水蒸气加热耦合的原位热解系统的注热井结构俯视图。
34.附图标记说明：
35.1为岩石，2为水蒸气注入井，3为生产井，4为温度监测井，5为水平井，6为富油煤煤层，7为绝热材料层，8为注热井，9为导热材料层，10为裂缝，11为支撑剂陶粒，12为蒸汽发生器，13为加热装置，14为换热器，15为气液分离装置，16为水蒸气分离装置，17为储液装置，18为风机，19为燃烧发电装置，20为co2捕集装置，21为过量空气，22为第一地块热解气燃烧后的烟气，23为第一地块，24为第二地块，25为第三地块。
36.图2和图3中箭头所指虚线为剖面线，观看结果即图1，图2和图3中其他虚线只表示布井几何形状，井间连接方式由图1中实线表示。
具体实施方式
37.下面结合附图对本发明做进一步详述：
38.参见图1至图3，本发明提供的一种富油煤温和氧化自生热与水蒸气加热耦合的原位热解系统，包括岩石1、水蒸气注入井2、生产井3、温度监测井4、水平井5、富油煤煤层6、绝热材料层7、注热井8、导热材料层9、裂缝10、支撑剂陶粒11、蒸汽发生器12、加热装置13、换热器14、气液分离装置15、水蒸气分离装置16、储液装置17、风机18、燃烧发电装置19、co2捕集装置20、过量空气21、第一地块热解气燃烧后生成的烟气22、第一地块23、第二地块24和第三地块25。该系统综合考虑了煤层的缓慢氧化放热部分、水蒸气对流加热部分、煤层间的联合运行、余热的充分利用、以及co2封存过程，结合交错布置的四边形布井方式，充分利用了空间资源，提高了富油煤的油气开采率。
39.本发明所提出的一种富油煤温和氧化自生热与水蒸气加热耦合的原位热解系统，具体是指：
40.(1)开挖生产井3，并在生产井3四周按照四边形的布井方式分别开挖水蒸气注入井2和注热井8，在水蒸气注入井2和生产井3之间、以及注热井8和生产井3之间开挖水平井5。其中，第一地块23不挖设注热井8。在富油煤煤层6以上岩石1中的井壁加设绝热材料层7，避免热量散失；在处于富油煤煤层6中的井壁加设导热材料层9，增强导热能力，从而提高富油煤的热解效率，增加油气产率。
41.(2)在生产井3附近开挖温度监测井4，对热解区域的温度进行实时调控，准确把控煤层缓慢氧化到达自燃点的时刻，以及控制热解最终温度为焦油产率最大的温度范围500～600℃。
42.(3)增强原位热解效率的关键是提高富油煤煤层6的渗透率和对流接触面积，因此，采用水力压裂技术对富油煤煤层6进行人工压裂。在水平井5中开挖小孔，经水蒸气注入井2注入压裂液，水平井5上形成大量裂缝10，增强富油煤煤层中的传质和传热。为保持裂缝开度，在压裂液中加入一定量的mm级支撑剂陶粒11。
43.(4)第一地块23中，蒸汽发生器12产生水蒸气，经加热器13升温至目标温度后从水蒸气注入井2注入，高温水蒸气加热富油煤使其发生热解反应。水蒸气携带热解产物从生产井3流出，进入换热器14。风机18将过量空气21鼓入换热器14与热解产物进行热量交换，换热后热解产物温度降低，但仍保持在350℃以上，以防止焦油冷凝粘附于换热器14管壁。换热后的热解产物进入气液分离装置15，冷凝得到产物焦油，并收集在储液装置17中，剩余气体进入水蒸气分离装置16，将分离的水蒸气输送至蒸汽发生器12循环使用。
44.(5)分离水蒸气后的热解气与预热后的过量空气在燃烧发电装置19中燃烧，对蒸汽发生器12、加热器13和风机18供能，从而减少系统的外部能量输入，降低能耗和成本。
45.(6)第一块地热解气燃烧后的烟气22从第二地块24的注入井8流入，第一块地热解气燃烧后的烟气22作为反应气氛使富油煤煤层6缓慢氧化，放出的热量作为自生热加热周围煤层。在这个过程中，温度监测井实时监测，在周围煤层温度达到自燃点时，从水蒸气注入井2注入高温水蒸气，通过耦合自生热与高温水蒸气对流加热，从而获得富油煤原位热解
的新方式。
46.(7)与第一地块的流经途径相同，热解产物依次通过换热器14、气液分离装置15、水蒸气分离装置16和燃烧发电装置19，燃烧后的烟气从水蒸气注入井2进入第一地块23，充分吸收煤层热解余热，然后从生产井3流出，进入co2捕集装置20。原位热解形成的多孔碳基质具备良好的吸附性能，从而能够对co2进行碳封存，实现全程co2零排放。因此，将捕获得到的co2从水蒸气注入井2注入第一地块23封存在半焦层中，剩余烟气继续注入第三地块25。
47.结合附图1，本发明的具体工作过程如下所示：
48.第一地块23开挖生产井3，在生产井3四周按照四边形的布井位置开挖水蒸气注入井2，并在水蒸气注入井2和生产井3之间开挖水平井5。第二地块24、第三地块25及后续所有地块开挖生产井3，并在生产井3四周按照四边形的布井位置分别开挖注热井8和水蒸气注入井2，在水蒸气注入井2和生产井3之间、以及注热井8和生产井3之间开挖水平井5。在处于富油煤煤层6以上岩石1部分的井壁加设绝热材料层7，避免热量散失；在处于富油煤煤层6中的井壁加设导热材料层9，增强导热能力，以提高富油煤热解效率。此外，在生产井3附近开挖温度监测井4，以实现对富油煤煤层6温度的实时调控。
49.采用水力压裂技术对富油煤煤层6进行人工压裂。在水平井5中开挖小孔，经水蒸气注入井2注入压裂液，小孔位置开裂并在水平井5上形成大量裂缝10。为保持裂缝的开度，在压裂液中加入一定量的mm级支撑剂陶粒11，用以支撑裂缝。
50.第一地块23中，蒸汽发生器12产生高温水蒸气，经加热器13升温至目标温度，然后从水蒸气注入井2进入富油煤煤层6，高温水蒸气对流加热富油煤并使其发生热解反应。为了实现高效率热解提油，通过温度监测井4监测并控制热解温度，使之保持在焦油产率最大的温度范围(500～600℃)。水蒸气携带热解产物沿水平井5不断移动，最后从生产井3流出，进入换热器14。同时，风机18将过量空气21鼓入换热器14，热解产物与过量空气21在换热器14中进行热量交换，热解产物温度降低，但仍保持在350℃以上，以防止焦油冷凝粘附于换热器14管壁。换热后的热解产物进入气液分离装置15，冷凝得到焦油产物，并收集在储液装置17中，剩余气体进入水蒸气分离装置16，分离得到水蒸气，并将其输送至蒸汽发生器12循环使用。分离水蒸气后的热解气与预热后的过量空气在燃烧发电装置19中混合燃烧，同时对蒸汽发生器12、加热器13和风机18供能。
51.第一块地热解气燃烧后的烟气22从第二地块24的注入井8流入，第一块地热解气燃烧后的烟气22余热加热富油煤煤层6，进而发生缓慢氧化反应，氧化放出的热量作为自生热加热周围煤层。在这个过程中，温度监测井实时监测，在周围煤层温度达到自燃点时，从水蒸气注入井2注入高温水蒸气，通过耦合自生热与高温水蒸气对流加热，从而获得富油煤原位热解的新方式。在充分考虑生产成本和热解油产量的前提下，通过温度监测井4监测并控制热解温度，使之保持在焦油产率最大的温度范围(500～600℃)。
52.同样的，产物从生产井3流出，在换热器14中与过量空气21进行热量交换，并保持热解产物温度始终大于350℃。换热后的气体进入气液分离装置15，冷凝得到焦油产物，收集在储液装置17中，剩余气体进入水蒸气分离装置16，分离得到水蒸气以循环使用。分离水蒸气后的气体与预热后的过量空气在燃烧发电装置19中混合燃烧，燃烧发电装置19对蒸汽发生器12、加热器13和风机18进行供能。燃烧后的烟气从水蒸气注入井2进入第一地块23，吸收利用地块的热解反应余热，然后从生产井3流出，进入co2捕集装置20。原位热解形成的
多孔碳基质具备良好的吸附性能，从而能够对co2进行碳封存，实现全程co2零排放。因此，将分离得到的co2从水蒸气注入井2注入第一地块23中，剩余烟气继续通入第三地块25。
53.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
技术特征：
1.一种富油煤温和氧化自生热与水蒸气加热耦合的原位热解系统，其特征在于，包括蒸汽发生器(12)、加热装置(13)、换热器(14)、气液分离装置(15)、水蒸气分离装置(16)、燃烧发电装置(19)、风机(18)和co2捕集装置(20)；在富油煤煤层(6)开挖生产井(3)，并在生产井(3)四周按照四边形的布井方式分别开挖水蒸气注入井(2)和注热井(8)，在水蒸气注入井(2)和生产井(3)之间以及注热井(8)和生产井(3)之间开挖水平井(5)，其中第一地块(23)不挖设注热井(8)，在处于对角线的两个水蒸气注入井(2)各自和生产井(3)的中心位置开挖温度监测井(4)；采用水力压裂技术对富油煤煤层(6)进行体积压裂改造，在水平井(5)中开挖小孔，经水蒸气注入井(2)注入压裂液，水平井(5)上产生大量裂缝(10)，为保持裂缝开度，在压裂液中加入mm级支撑剂陶粒(11)；第一地块(23)中，蒸汽发生器(12)产生高温水蒸气，通过加热器(13)升温至目标温度后，从水蒸气注入井(2)注入富油煤煤层(6)，水蒸气加热富油煤并发生热解反应，通过温度监测井(4)进行监测和调控，使热解温度保持在焦油产率最大的温度范围，水蒸气携带热解产物从生产井(3)流出并进入换热器(14)，同时，风机(18)将过量空气(21)鼓入换热器(14)，热解产物与过量空气(21)在换热器(14)中换热后热解产物温度降低，以防止焦油冷凝粘附在换热器(14)管壁，换热后的热解产物进入气液分离装置(15)，分离得到焦油产物并收集，剩余气体进入水蒸气分离装置(16)，将分离的水蒸气输送至蒸汽发生器(12)循环使用，剩余热解气与预热后的过量空气在燃烧发电装置(19)中混合燃烧，并对蒸汽发生器(12)、加热器(13)和风机(18)进行供能；第一块地热解气燃烧后的烟气(22)从第二地块(24)注入井(8)流入，第一块地热解气燃烧后的烟气(22)携带热量加热富油煤并发生缓慢氧化反应，氧化放出的热量即自生热不断加热周围煤层，辅以温度监测井(4)实时监测，当周围煤层温度达到自燃点时，从水蒸气注入井(2)注入高温水蒸气，实现自生热与水蒸气对流加热的耦合运行，热解产物从生产井(3)流出，与第一地块的流经路径相同，热解产物依次通过换热器(14)、气液分离装置(15)、水蒸气分离装置(16)和燃烧发电装置(19)，燃烧后的烟气从水蒸气注入井(2)进入第一地块(23)，充分吸收煤层热解余热，然后从生产井(3)流出，进入co2捕集装置(20)，将捕获得到的co2从水蒸气注入井(2)注入第一地块(23)进行封存，剩余烟气作为第三地块(25)的缓慢氧化气氛从注热井流入。2.根据权利要求1所述的一种富油煤温和氧化自生热与水蒸气加热耦合的原位热解系统，其特征在于，还包括储液装置(17)，分离得到焦油产物并收集在储液装置(17)中。3.根据权利要求1所述的一种富油煤温和氧化自生热与水蒸气加热耦合的原位热解系统，其特征在于，第一地块(23)采用水蒸气对流加热，后续地块耦合自生热与水蒸气对流加热。4.根据权利要求1所述的一种富油煤温和氧化自生热与水蒸气加热耦合的原位热解系统，其特征在于，第一地块(23)未注入烟气发生缓慢氧化反应，因此无自生热，全程采用水蒸气对流加热；第二地块(24)的缓慢氧化反应气氛是第一块地热解气燃烧后的烟气(22)；第二地块(24)之后所有地块的缓慢氧化反应气氛均是上一地块的热解气燃烧后的烟气在吸收上上个地块的热解余热后，分离co2所得到的气体。5.根据权利要求1所述的一种富油煤温和氧化自生热与水蒸气加热耦合的原位热解系
统，其特征在于，第一块地热解气燃烧后的烟气(22)直接注入第二地块(24)，后续地块燃烧后的烟气在吸收上一地块余热并分离co2后，注入下一地块，加热富油煤并发生缓慢氧化反应，煤层达到自燃点后辅以高温水蒸气对流加热，氧化放出的热量即自生热使周围煤层升温，同时耦合水蒸气进行对流加热。6.根据权利要求1所述的一种富油煤温和氧化自生热与水蒸气加热耦合的原位热解系统，其特征在于，从生产井(3)流出的高温热解产物被用于燃烧发电所需的空气预热，燃烧后烟气所携带的热量和上一地块热解余热均作为下一地块煤层缓慢氧化的热量来源，从而实现全系统余热的回收利用。7.根据权利要求1所述的一种富油煤温和氧化自生热与水蒸气加热耦合的原位热解系统，其特征在于，在处于富油煤煤层(6)以上的岩石(1)部分的井壁加设绝热材料层(7)，避免热量散失。8.根据权利要求1所述的一种富油煤温和氧化自生热与水蒸气加热耦合的原位热解系统，其特征在于，在处于富油煤煤层(6)部分的井壁加设导热材料层(9)，增强导热能力。9.根据权利要求1所述的一种富油煤温和氧化自生热与水蒸气加热耦合的原位热解系统，其特征在于，对富油煤煤层(6)进行水力压裂，加入mm级的支撑剂陶粒(11)来支撑裂缝(10)，增大对流接触面积和渗透率，进而提高富油煤的热解效率。10.根据权利要求1所述的一种富油煤温和氧化自生热与水蒸气加热耦合的原位热解系统，其特征在于，生产井(3)位于中心，第一地块(23)中，水蒸气注入井(2)在生产井(3)周围呈四边形排列，后续所有地块中，注热井(8)和水蒸气注入井(2)在生产井(3)周围分别呈四边形排列；两个温度监测井(4)分别布置在处于对角线的两个水蒸气注入井(2)各自和生产井(3)的中心位置，对热解区域的温度进行实时反馈和调控，准确把控煤层缓慢氧化到达自燃点的时刻，以及控制热解最终温度为焦油产率最大的温度范围500～600℃，从而实现富油煤开采区井孔的有序排布。
技术总结
本发明公开了一种富油煤温和氧化自生热与水蒸气加热耦合的原位热解系统，包括气液分离装置和CO2捕集装置等。本发明耦合煤层自生热和高温水蒸气对流加热，将当前地块燃烧发电后的烟气作为下一地块缓慢氧化反应气氛，促进煤层氧化放热，在周围煤层达到自燃点后辅以高温水蒸气对流加热；热解反应结束后，将CO2封存于上一地块的半焦层中，实现CO2零排放。本发明在自生热与水蒸气加热耦合运行过程中，将目标产物焦油收集起来，同时，将热解气燃烧发电后的烟气和上一地块余热继续用于下一地块的缓慢氧化反应，从而实现了热解产物的分级利用和系统热量的有效回收，提高了富油煤的油气转化效率。效率。效率。
