[發明專利]一種煤層原位轉化制氫的通道布置方式和制氫方法

有效

• 申請號: 202110273272.9
• 申請日: 2021-03-15
• 公開（公告）號: CN113073967B
• 公開（公告）日: 2023-04-28
• 發明（設計）人: 辛林;吳景;程衛民;馮洺澤;胡相明;王剛;李凱旋;徐敏;李佳澤;亓冠圣;孔彪;劉震;倪冠華
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: E21B43/295
• 分類號: E21B43/295
• 代理公司: 青島智地領創專利代理有限公司 37252
• 代理人: 張凱

本發明提供了一種煤層原位轉化制氫的通道布置方式和制氫方法，涉及采礦工程技術領域，優化了氣化爐的氣化反應界面結構，實現了穩定制氫的目的。該方法包括：注水鉆孔在水平方向上位于排氣鉆孔和注氣鉆孔中間，在垂直方向上位于排氣鉆孔和注氣鉆孔上方；煤層點火，煤層中的碳發生多相化學反應產生大量的熱使氣化爐達到氣化反應溫度條件，持續注氣形成穩定的溫度場；注水通道注水進行煤層氣化制氫，霧化水注入點回退移動，控制氫氣質量；溫度場的溫度降低，氫氣產量下降后停止霧化注水；重復注氣和霧化注水的過程，完成煤層制氫的生產。該方法有效避免了可燃氣體的燃燒損耗而降低煤氣品質的問題，還具有成本低、產氫效率高等優點。

技術領域

本發明涉及采礦工程技術領域，尤其是一種煤層原位轉化制氫的通道布置方式，以及制氫的方法。

背景技術

根據地質勘探結果，大部分煤田地質構造復雜，開采困難，煤炭資源回采率較低，從而導致廢棄礦井中殘留有大量的煤炭資源。氫作為一種新型的二次能源，燃燒后的產物是水，不產生影響環境的污染物，不排放可能導致全球變暖的溫室氣體，不破壞地球的物質循環，被公認的一種非常重要的潔凈能源。隨著經濟的發展，可循環利用且綠色高效的氫能能源成為發展重點。可再生能源制氫、氫能與燃料電池技術創新將作為重點任務；氫的制取、儲運及加氫站等方面的研發與攻關、燃料電池分布式發電等成為了氫能與燃料電池技術創新的方向，大規模制氫技術、分布式制氫技術、氫氣儲運技術、氫能燃料電池技術等創新行動正在進行。目前主要的制氫工藝主要為兩個方式：電解水制氫是用鐵為陰極面，鎳為陽極面的串聯電解槽(外形似壓濾機)來電解苛性鉀或苛性鈉的水溶液。該方法雖所制的氫氣純度高，但消耗的電能過大，成本過高，造成資源的浪費；水煤氣法制氫是以煤炭為原料，將其與水蒸氣在高溫下進行化學反應：C+H₂O→CO+H₂+Q，這種方法需要設備較多，成本高，且對環境的污染嚴重。

針對傳統的殘留煤回收方法存在資源回收率低以及對氫能的需求的兩種現實情況，依據煤炭地下氣化原理提出了利用殘滯留煤進行原位化學轉化制氫，通過合理布設條帶式注水通道和條帶式注排氣通道，使氣化爐內形成順暢的氣化燃燒狀態和合理的氣化反應界面形態結構，通過溫度監測以及氣體成分監測對注氣時間進行控制，往氣化爐中循環鼓入空氣以及霧化水，使水進行分解和變換反應制取氫氣。煤炭原位氣化技術(In-situCoal?Gasification,ICG)又稱原地煤氣化，其工藝是將賦存于地下的煤層由物理采煤變為化學采氣，其實質是將煤中的有用物質(揮發分、固定碳等)通過熱解、燃燒、氣化等物理和化學轉化的方式轉變為可燃氣體，是一種高碳資源低碳化開發清潔能源新技術，是資源與環境協調的煤炭綠色開采技術，也是我國低品位煤炭資源及不可采、不經濟開采煤炭資源的重要利用方式。煤炭地下氣化過程實際上是一種自熱平衡過程，依靠煤燃燒釋放大量的熱，在地下氣化爐內建立穩定的溫度場，形成適宜發生氧化反應、還原反應、分解反應的氧化帶、還原帶和干餾干燥帶，反應生成混合氣體。

現有技術中中國專利(CN111378507A)公開了一種煤氣化制氫的工藝方法，將載氧體結合到煤制氫技術中，簡化變換、脫酸性氣體和氣體凈化過程，制得高純度的氫氣。該技術的缺點是煤氣化制氫能效低、經濟性差、不環保。中國專利(CN207227355U)公開了一種燃煤氣化制氫設備，其中燃煤氣化制氫設備包括第一等離子發生器、第二等離子發生器、氣化爐和過氧化物填充箱，利用氧化催化劑將煤充分氣化制氫。該技術的缺點是若氧氣和水蒸氣電離后通過氣化爐中的比例不合理，會使得煤燃燒不充分從而產生一氧化碳氣體，一氧化碳氣體用于燃燒產生的二氧化碳會給環境造成一定的污染。中國專利(CN106675600B)公開了煤氣化制氫方法，其構建的進行氫氣生產的煤氣化裝置包括上段氣化室和下段燃燒氣化室，上段氣化室的周壁上設有多個上噴嘴，下段燃燒氣化室的周壁上設有多個下噴嘴，多個上噴嘴中的至少一個為水蒸汽噴嘴，在下段燃燒氣化室被預熱后，通過下噴嘴往下段燃燒氣化室內通入煤燃料和氣化劑，以產生燃燒和氣化反應，并且通過上噴嘴往上段氣化室內通入水蒸汽，以產生水煤氣變換反應。但是該裝置是在氣化過程的階段控制沒辦法進行準確的控制，氫氣不能進行大批量的生產以及對煤樣的燃燒熱值要求較高，在對煤炭進行采購以及運輸上耗費人力物力。