CN113738325B - 一种富油煤原位热解与碳捕集耦合的*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种富油煤原位热解与碳捕集耦合的***，包括电站富氧燃烧锅炉、压缩机、空气分离装置、换热器、气液分离装置和锅炉空气预热器。针对富油煤等焦油产率高的燃料，受热易分解生成油气，本发明采用富氧燃烧电站锅炉尾部烟气加热地下煤层，实现煤的原位热解提油，并完成了原位煤热解过程中的能量梯级利用。热解过程中产生的油被提取，其余物质被充分利用，并捕集了二氧化碳。实现了全***中输入燃料，输出了包括电能和油的过程，而未排放污染物和二氧化碳。该***在原位热解的过程中，实现了对富油煤的清洁高效利用，并推动了能源碳中和的目标。
Description
技术领域
本发明涉及一种富油煤原位热解与碳捕集耦合的***。
背景技术
开发非常规的油气资源对石油的供应提供了另一条路径，对其进行加热热解能制出相当数量的油气产品。将这些煤炭进行热解转化可以避免直接燃烧煤炭，减少对大气产生污染，并且增强了国家能源的安全性。常规开采至地面上再在炼化炉中进行制油的过程产生了大量的污染，并且热解后的低挥发分热解残余物也是一个数量巨大的固体废弃物，若处理不当会对地表土壤产生污染。而地下原位热解作为一种新兴的模式可以减少对大气及土壤的污染，加热热解提取的过程均在地下进行，但是由于热解过程需要大量的热能来加热地层，因此加热过程中的***热能利用以及加热结束后的热能回收显得十分重要。
富氧燃烧也称为O2/CO2燃烧，可以高效地捕集CO2，减少对大气的碳排放。由于热解过程需要热能进入地层，由富氧燃烧产生的烟气对地层进行加热可以减少热解***整体对外的碳排放，有助于实现未来碳中和的目标。因此开发富氧燃烧与地下煤原位热解提油的***具有重大的意义。
发明内容
针对富油煤这类具有高挥发分的固态燃料，可以通过热解的方法将其中的油气提取出来，但由于地上煤热解会产生大量的污染。本发明一种富油煤原位热解与碳捕集耦合的***，该***通过抽取电站富氧燃烧锅炉的尾部烟气来加热地下煤层，进行富油煤的原位热解制取油气并对烟气进行充分余热利用的方法，从而实现了在电站锅炉中高效掺烧污泥，其中主要包括原位煤热解部分、产物的余热利用部分、富氧燃烧电站锅炉、空气分离装置等设备。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种富油煤原位热解与碳捕集耦合的***，包括电站富氧燃烧锅炉、压缩机、空气分离装置、换热器、气液分离装置和锅炉空气预热器；
电站富氧燃烧锅炉燃烧生成高温CO2，燃烧加热的锅炉热蒸汽用于发电，烟道中燃烧产生的高温CO2烟气用于地下煤热解；利用压缩机对烟道中抽取的CO2进行加压，高温加压的超临界CO2能够渗透进煤层进行充分热解并溶解热解产生的有机质；
利用富氧燃烧电站中空气分离装置的冷能，将空分出来的低温纯氧通入地下煤层中，制造煤层的冷冻墙，隔离热解区和非热解区，冷冻墙内的换热器出来后的纯氧通入气液分离器中，与热解产物换热，充分降低热解产物中的温度，热解产物由此冷凝形成液态油从而分离，同时提高纯氧的温度，煤热解后的产物送入用以加热给水的换热器中；
再将提取气体送入气液分离器降温到常温，分离出油产物，同时将热解气中的水也脱除，热解产物中未冷凝的气体中含有有机气体，送入锅炉再燃区中继续燃烧，并且形成富燃料区可以还原部分燃烧产生的NOx；
纯氧和循环二氧化碳经过了气液分离器的换热后混合形成一次风，送入锅炉的空气预热器中继续加热一次风，一次风携带燃料进入炉膛进行燃烧；
在第一煤层区块开采到设定值时，打开第一阀门，让高温气体通入第二煤层区块中开始预热第二煤层区块，同时第二煤层区块的预热时间提前，以便第一煤层区块产油结束后，第二煤层区块能够同步跟进产油；在第一煤层区块原位热解提取油气结束后，采油结束后，关闭第一阀门，第二阀门，打开第三阀门，将锅炉尾部的烟气通入煤层，将煤层余热吸收到烟气中，然后将烟气送回锅炉炉膛；锅炉尾部烟道一部分CO2被抽取加热煤层，并且能够循环回炉膛内，将多余的部分进行二氧化碳捕集。
本发明进一步的改进在于，溶解热解产生的有机质是混合物，包括常温下的液体油和气体。
本发明进一步的改进在于，有机气体中含有CH4、C2H6这类小分子。
本发明进一步的改进在于，采用电站富氧燃烧锅炉产生的高温CO2烟气通入第一煤层区块进行热解，通过抽取电站富氧燃烧锅炉尾部烟道中的部分CO2减少额外的加热设备投入。
本发明进一步的改进在于，煤热解后的产物送入用以加热给水的换热器中，热解产物的温度能够降低到350℃。
本发明进一步的改进在于，当第一煤层区块采油结束后，将电站富氧燃烧锅炉最末端不高于120℃的低温烟气通入煤层，将煤层600℃的余热吸收到烟气中，然后将烟气送回电站富氧燃烧锅炉，实现烟气再循环。
本发明进一步的改进在于，高温CO2在第一煤层区块中的流动通道呈蛇形。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
(1)通过抽取富氧燃烧电站锅炉尾部的烟气加热地下煤层进行油气的制取，可以减少额外的能源输入，并且将锅炉的烟气热能得到充分的利用，减少了整体***的能源消耗。
(2)由于富氧燃烧技术需要大量的纯氧，因此空气分离装置中有大量闲置的冷能，将空气分离装置中产生的纯氧冷能用于冷冻煤层下的冷冻墙，既利用了空分装置的冷能，又生成了冷冻墙，减少了热解过程对地下产生的污染。
(3)原位热解过程中产生的各部分余热均在***中被各项装置利用，如电站富氧燃烧锅炉(1)，加热给水的换热器(7)以及气液分离装置(8)，实现了能量的梯级利用。
(4)该***中仅输入了燃料，输出了油产物和电能，没有产生额外的污染物，同时所有的二氧化碳均被循环捕集，对外实现了碳中和。
(5)该***采用了蛇形气流通道的设计以及提前预热第二煤层区块的方法，有助于缩短产油所需的时间，提高单位时间的油产率。
(6)原位热解在地下进行，减少了对地面和大气的污染，通过对低附加值的煤炭进行热解，产生了高附加值且热值更高的油气，提供了更好的经济效益，并且单位热值油气的碳排放量相较煤更低。
附图说明
图1是本发明一种富油煤原位热解与碳捕集耦合的***的结构示意图。
附图标记说明：
1为电站富氧燃烧锅炉，2为压缩机，3为空气分离装置，4为第一煤层区块，5为第二煤层区块，6为冷冻墙，7为加热给水的换热器，8为气液分离装置，9为油产物，10为循环二氧化碳，11为纯氧，12为一次风，13为有机气体，14为燃料，15为捕集二氧化碳，16为第一阀门，17为第二阀门，18为第三阀门，19为锅炉空气预热器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明提供的一种富油煤原位热解与碳捕集耦合的***，包括由电站富氧燃烧锅炉1，压缩机2，空气分离装置3，第一煤层区块4，第二煤层区块5，冷冻墙6，燃料14组成的原位煤热解部分；加热给水的换热器7，气液分离装置8，油产物9，循环二氧化碳10，纯氧11，一次风12，有机气体13，燃料14，捕集二氧化碳15，第一阀门16，第二阀门17，第三阀门18，锅炉空气预热器19的余热利用部分。该***综合考虑了原位热解部分、余热利用部分以及碳捕集的优化，开发了烟气热解煤层，热解后产物余热综合利用并分离油气以及全***碳捕集的过程。
本发明所提出的一种富油煤原位热解与碳捕集耦合的***，具体是指：
(1)空气分离装置3产生的纯氧11温度低，将这部分低温纯氧送入煤层进行换热，一方面冷却了煤层形成了冷冻墙6，另一方面提高了纯氧11的温度，便于达到后续纯氧11进入电站富氧燃烧锅炉1的一次风12温度。空气分离装置产生的纯氧温度低，将这部分低温纯氧送入煤层进行换热，一方面冷却了煤层形成了冷冻墙，减少渗水，污染等问题，另一方面提高了纯氧的温度，便于达到后续纯氧进入炉膛成为一次风的温度。
(2)电站富氧燃烧锅炉1产生的高温烟气(约600℃)经压缩后进入第一煤层区块4，在实际运行中由于煤层中的剩余产物挥发分含量随时间变化，可以适当调整抽取烟气的含量。
(3)热解产物进入加热给水的换热器7中，提高了给水温度，提高了发电效率，并且降低了热解产物的温度，便于后续油气的分离。加热给水过程可以将热解产物降低到350℃左右，气液分离装置采用了边降温边旋转的方式，将热解产物降低到油的液化温度以下，使其中的油产物冷凝，再通过旋转的方式将其甩出。在气液分离器中冷却热解产物的冷源气体是循环的二氧化碳和纯氧，将这二者预热并混合成为一次风，送入电站富氧燃烧锅炉的炉膛。
(4)热解产物进入气液分离装置8中进一步降低温度，冷凝产生油，并被气液分离装置分离出，形成了油产物。
(5)热解产物中分离出的有机气体13与热解过程中的烟气掺混不易分离，因此将其进入电站富氧燃烧锅炉1的再燃区进行燃烧，充分利用了气体的热值，同时在炉膛中产生富燃料区域，减少NOx生成。有机气体为小分子碳氢化合物(如CH4，C2H6等)，将这些气体送入电站富氧燃烧锅炉再燃区中有利于炉膛形成还原性气氛，减少NOx产生，同时利用了有机气体的热值，减少了原有燃料的供应。
(6)第二煤层区块5和第一煤层区块4的工作过程大致相同，唯一的不同点在于第二煤层区块5提前进行了预热，以保证产油不间断。
(7)各个部分产生的CO2循环后进入电站富氧燃烧锅炉1，最终在炉膛最末端烟道中进行统一捕集。当煤层采油结束后，将电站富氧燃烧锅炉最末端的低温烟气(不高于120℃)通入煤层，将煤层600℃的余热吸收到烟气中，从煤层中出来的烟气与进去时相比只多了热量，成分几乎不发生改变，然后将烟气送回电站富氧燃烧锅炉，实现烟气再循环，相当于将煤层当成了一个低温炉膛。封存的CO2是全***产生的所有CO2，所有部分产生的CO2都被循环进入电站富氧燃烧锅炉炉膛，而没有直接释放入大气，因此封存锅炉尾部产生的CO2即实现了全***的碳捕集。
其中，煤层中形成了蛇形的气流通道，在烟气通过时增大了换热接触面积，强化了传热，便于更短的时间达到热解温度，并且热解温度分布更均匀。同时采用压裂技术，通入压裂液，将煤层压裂出各个方向的微小裂缝，便于热解产物的释放。
结合附图1，本发明的具体工作过程如下所示：
热解的过程发生在地下的许多煤层区块中，由于不同煤层区块中的工作工程相似，为了简化附图中只画了第一煤层区块4和第二煤层区块5来说明***的工作流程。电站富氧燃烧锅炉1燃烧生成高温CO2，燃烧加热的锅炉热蒸汽可以用于发电，烟道中燃烧产生的高温CO2烟气用于地下煤热解。利用压缩机2对烟道中抽取的CO2进行加压，高温加压的超临界CO2可以高效的渗透进煤层进行充分热解并溶解热解产生的有机质。热解的物质是混合物，包括常温下的液体(油)和气体，超临界CO2的溶解性能很好，可以高效溶解油气，相当于萃取了热解产物，避免分子量大的有机质在管道中凝固，粘住热解产物运输的管道壁面。利用富氧燃烧电站中空气分离装置3(ASU)的冷能，将空分出来的低温纯氧11通入地下煤层中，制造煤层的冷冻墙6，隔离热解区和非热解区，防止渗水，污染等问题。从冷冻墙内的换热器出来后的纯氧11温度仍然较低，不足以满足燃烧时一次风12的温度要求，因此将这部分纯氧11通入气液分离器8中，与热解产物换热，充分降低热解产物中的温度，热解产物由此冷凝形成液态油从而分离，同时提高纯氧11的温度。打开第二阀门17，关闭第一阀门16与第三阀门18，煤热解后的产物送入用以加热给水的换热器7中，给水的温度一般在300℃以上，热解产物换热结束后还能保持在350℃以上，防止热解气液化产生油黏附在换热器上，同时给水升温后，降低了炉膛的吸热量，提升了总的发电效率，降低了煤耗。再将350℃以下的提取气体送入气液分离器8降温到常温，分离出液体(油产物)，同时将热解气中的水也脱除，热解产物中未冷凝的气体中含有CH4，C2H6这类小分子的有机气体13，可以送入锅炉再燃区中继续燃烧，提升了燃料利用效率，并且形成富燃料区可以还原部分燃烧产生的NOx。纯氧和循环的CO2经过了气液分离器8的换热后混合形成一次风12，预热温度仍然较低，因此送入锅炉的空气预热器19中继续加热一次风12。在第一煤层区块4开采到60％时，便打开第一阀门16，让高温气体通入第二煤层区块5中开始预热第二煤层区块5，可以让第一煤层区块4的废热更早被利用，同时第二煤层区块5的预热时间提前，以便第一煤层区块4产油结束后，第二煤层区块5可以同步跟进产油(由于第二煤层区块5的工作过程与第一煤层区块4相同，相同的工作流程便在图中省略未画出)。
在第一煤层区块4原位热解提取油气结束后，采油结束后，关闭第一阀门16，第二阀门17，打开第三阀门18，将锅炉尾部的烟气通入煤层，将煤层600℃的余热吸收到烟气中，从煤层中出来的烟气与进去时相比只多了热量，成分几乎不发生改变，然后将烟气送回锅炉炉膛1，可以减少煤耗量。锅炉尾部烟道只有一部分CO2被抽取加热煤层，并且会循环回炉膛内，因此燃烧产生的CO2会越来越多，将多余的部分进行二氧化碳捕集15，从全***来看，CO2没有释放到大气中，被完全捕集或封存。实现了发电，产油，捕集二氧化碳的功效，实现碳减排。
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。
Claims (7)
1.一种富油煤原位热解与碳捕集耦合的***，其特征在于，包括电站富氧燃烧锅炉(1)、压缩机(2)、空气分离装置(3)、换热器(7)、气液分离装置(8)和锅炉空气预热器(19)；
电站富氧燃烧锅炉(1)燃烧生成高温CO2，燃烧加热的锅炉热蒸汽用于发电，烟道中燃烧产生的高温CO2烟气用于地下煤热解；利用压缩机(2)对烟道中抽取的CO2进行加压，高温加压的超临界CO2能够渗透进煤层进行充分热解并溶解热解产生的有机质；
利用富氧燃烧电站中空气分离装置(3)的冷能，将空分出来的低温纯氧(11)通入地下煤层中，制造煤层的冷冻墙(6)，隔离热解区和非热解区，冷冻墙内的换热器出来后的纯氧(11)通入气液分离装置(8)中，与热解产物换热，充分降低热解产物中的温度，热解产物由此冷凝形成液态油从而分离，同时提高纯氧(11)的温度，煤热解后的产物送入用以加热给水的换热器(7)中；
再将提取气体送入气液分离装置(8)降温到常温，分离出油产物(9)，同时将热解气中的水也脱除，热解产物中未冷凝的气体中含有有机气体(13)，送入锅炉再燃区中继续燃烧，并且形成富燃料区可以还原部分燃烧产生的NOx；
纯氧和循环二氧化碳(10)经过了气液分离装置(8)的换热后混合形成一次风(12)，送入锅炉的空气预热器(19)中继续加热一次风(12)，一次风(12)携带燃料(14)进入炉膛进行燃烧；
在第一煤层区块(4)开采到设定值时，打开第一阀门(16)，让高温气体通入第二煤层区块(5)中开始预热第二煤层区块(5)，同时第二煤层区块(5)的预热时间提前，以便第一煤层区块(4)产油结束后，第二煤层区块(5)能够同步跟进产油；在第一煤层区块(4)原位热解提取油气结束后，采油结束后，关闭第一阀门(16)，第二阀门(17)，打开第三阀门(18)，将锅炉尾部的烟气通入煤层，将煤层余热吸收到烟气中，然后将烟气送回锅炉(1)炉膛；锅炉尾部烟道一部分CO2被抽取加热煤层，并且能够循环回炉膛内，将多余的部分进行二氧化碳捕集(15)。
2.根据权利要求1所述的一种富油煤原位热解与碳捕集耦合的***，其特征在于，溶解热解产生的有机质是混合物，包括常温下的液体油和气体。
3.根据权利要求1所述的一种富油煤原位热解与碳捕集耦合的***，其特征在于，有机气体(13)中含有CH4、C2H6这类小分子。
4.根据权利要求1所述的一种富油煤原位热解与碳捕集耦合的***，其特征在于，采用电站富氧燃烧锅炉(1)产生的高温CO2烟气通入第一煤层区块(4)进行热解，通过抽取电站富氧燃烧锅炉(1)尾部烟道中的部分CO2减少额外的加热设备投入。
5.根据权利要求1所述的一种富油煤原位热解与碳捕集耦合的***，其特征在于，煤热解后的产物送入用以加热给水的换热器(7)中，热解产物的温度能够降低到350℃。
6.根据权利要求1所述的一种富油煤原位热解与碳捕集耦合的***，其特征在于，当第一煤层区块(4)采油结束后，将电站富氧燃烧锅炉(1)最末端不高于120℃的低温烟气通入煤层，将煤层600℃的余热吸收到烟气中，然后将烟气送回电站富氧燃烧锅炉(1)，实现烟气再循环。
7.根据权利要求1所述的一种富油煤原位热解与碳捕集耦合的***，其特征在于，高温CO2在第一煤层区块(4)中的流动通道呈蛇形。
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