一种利用电加热在天然气采气管柱中制氢方法

本发明涉及制氢，尤其涉及一种利用电加热在天然气采气管柱中制氢方法。

背景技术：

1、目前，利用天然气制氢的主要方法是将深埋于地下的天然气通过生产井采出后，集中输送到地面制氢装置，经压缩脱硫等预处理工序，与水蒸汽混合送入燃气加热转化炉内发生催化反应制氢。在工业级的天然气地面制氢装置上，通常需要建造上百条数十米长的反应管线，典型的管道直径约为5cm，其内通常填充了附着有催化剂的颗粒物，以保证制氢过程中反应物与催化剂充分接触。制氢反应的第一步水蒸气甲烷重整是强吸热反应，需要吸收大量的热量，因此这些管线阵列还须置于大型的燃气炉中通过燃烧石化燃料对其进行加热，以维持制氢反应所需的温度，由于热辐射是主要的传热机制，热梯度较大，因此热源的温度需远高于最佳反应温度，才能向反应提供稳定的热流，从而导致热损失较大，该制氢装置运行的能源效率仅为50％左右。为了提高能量的综合利用率，通常还需建造相应的保温和热能回收设施。这种传统天然气制氢方式需要建造复杂的地面设备，且石化燃料的燃烧会产生大量二氧化碳温室气体，增加碳排放。此外，上述制氢反应所需的主要原料天然气，几乎都来自于深埋地下的天然气藏，需对其进行钻井开采。在开采的过程中，天然气生产井由于地层出水，导致井底积液，天然气产能降低，严重时导致停产；还有部分井产出的天然气中携带少量气化的地层水，随着沿井筒上升的热损失会导致温度下降，出现凝析水，从而导致气井积液风险，抑制天然气的产出。本发明提出一种在天然气采气管柱中制氢的方法，能简化地面制氢设备，提高制氢过程中热能和催化剂的利用率，并同时有效降低天然气井开采过程中井底积液的风险。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种利用电加热在天然气采气管柱中制氢方法，旨在解决现有技术中的制氢过程热量损失较大及地面设施复杂的问题，此外还能有效降低天然气井开采过程中井底积液的风险。

2、为实现上述目的，本发明采用的一种利用电加热在天然气采气管柱中制氢方法，包括如下步骤：

3、设计制造可嵌入生产油管的电加热催化制氢反应通道阵列；

4、在施工前，将电加热装置放入生产井底部，并将制造的制氢反应通道阵列嵌入生产油管底部后，送入至井下目标位置，同时采用电缆与油管壁进行捆绑的方式，将电热装置所用的电缆同时送入井下；

5、在含硫的天然气藏中，向井下注入脱硫剂，以减少储层中的硫化氢随天然气采出过程中对催化剂涂层的伤害；

6、通过生产油管向井下注入惰性气体，以此排除井下的氧气，保护催化剂涂层，同时消除加热后发生爆炸的隐患；

7、开启生产井底部的电热装置，对近井地带进行加热，将流向井底的制氢反应物的温度预热至200～300℃，防止产生凝析液体；

8、开启电加热催化制氢装置，升温至水蒸气甲烷重整制氢反应温度600～1000℃，让预热的反应物流入生产油管内的制氢反应通道阵列中，在催化剂涂层的作用下发生反应，产生氢气和副产物；

9、实时监测生产井井口产出物的组分和含量，调整产出速度，确保催化制氢反应在制氢流动通道中充分进行，并根据集成于制氢反应通道阵列的温度监测装置反馈，调节输入电功率，维持最佳制氢反应温度。

10、其中，在设计制造可嵌入生产油管的电加热制氢反应通道阵的步骤中，设计制作过程为：

11、选择具有一定耐温耐压能力的电热材料制备制氢反应通道阵列；

12、根据生产油管的尺寸，在电热材料的横截面合理分布若干直径相等的制氢流动通道，较小的制氢流动通道直径能提高热利用率、催化剂利用率以及制氢转化速率，从而能够缩短制氢流动通道的长度；

13、将制氢反应通道阵列与电加热装置进行集成，在制氢反应通道阵列的端部留有与供电电缆相连的接头，电缆与电源接通，并将温度传感器集成于制氢反应通道阵列的入口、中部和出口处；

14、在制氢反应通道阵列的外部包裹一层绝热绝缘密封材料；

15、通过涂层技术，将制氢催化剂固定于制氢流动通道中段的内壁，形成数百微米厚度的催化剂涂层，得到电加热催化制氢反应通道阵列。

16、其中，在选择具有一定耐温耐压能力的电热材料制备制氢反应通道阵列的步骤中：

17、若采用电阻加热的方式，可采用高电阻系数的合金材料，例如铬镍合金，若采用微波加热方式，可选择碳化硅等具有较高介电损耗的材料。

18、其中，在根据生产油管的尺寸，在电热材料的横截面合理分布若干直径相等的制氢流动通道，较小的制氢流动通道直径能提高热利用率、催化剂利用率以及制氢转化速率，从而能够缩短制氢流动通道的长度的步骤中：

19、为避免较大的压力损失，及过细的制氢流动通道会增大堵塞的风险，因此需根据具体使用条件对设计的制氢流动通道直径和长度进行优化，必要时还可以采取单通道的形式。

20、其中，在开启电加热催化制氢装置，升温至水蒸气甲烷重整制氢反应温度600～1000℃，让预热的反应物流入生产油管内的制氢反应通道阵列中，在催化剂涂层的作用下发生反应，产生氢气和副产物的步骤之后：

21、当制得的氢气及副产物从制氢反应通道阵列的末端流出后，通过生产油管采至生产井井口，并通过地表面的氢气分离装置获得纯净的氢气。

22、本发明的一种利用电加热在天然气采气管柱中制氢方法，通过设计制造可嵌入生产油管的电加热催化制氢反应通道阵列，在施工前，将电加热装置放入生产井底部，并将制造的制氢反应通道阵列嵌入生产油管底部后，送入至井下目标位置，同时采用电缆与油管壁进行捆绑的方式，将电热装置所用的电缆同时送入井下，在含硫的天然气藏中，向井下注入脱硫剂，以减少储层中的硫化氢随天然气采出过程中对催化剂涂层的伤害，通过生产油管向井下注入惰性气体，以此排除井下的氧气，保护催化剂涂层，同时消除加热后发生爆炸的隐患，开启生产井底部的电热装置，对近井地带进行加热，将流向井底的制氢反应物的温度预热至200～300℃，防止产生凝析液体，开启电热装置，升温至水蒸气甲烷重整制氢反应温度600～1000℃，让预热的反应物流入生产油管内的制氢反应通道阵列中，在催化剂涂层的作用下发生反应，产生氢气和副产物，实时监测生产井井口产出物的组分和含量，调整产出速度，确保催化制氢反应在制氢流动通道中充分进行，并根据集成于制氢反应通道阵列的温度监测装置反馈，调节输入电功率，维持最佳制氢反应温度；将天然气采气井筒内的流动通道作为制氢场所，在采出气体的过程中进行制氢反应，加强了对流动通道的利用，减少了在地面建立复杂制氢装置的需要；利用电加热技术为采气井筒内进行的天然气转化制氢反应提供热量，相比于传统的燃气炉供热，能够显著降低碳排放，减少了供热装置的体积，显著降低对热量回收的需求，提高生成热的利用率，同时更有利于反应装置的快速重启，此外，结合井下温度检测技术，能够实现对反应温度的准确控制，避免温度过低导致反应不能充分进行，以及温度过高造成催化剂失活的问题；通过催化剂在制氢通道内壁与电热材料的集成，实现电热源和催化活性点的直接接触，有效减少热量传递过程造成的能量损失，同时也提高了催化剂的催化效率；利用地层水产生高温蒸汽进行制氢反应，消耗了部分地层水，减少了井底积液的风险，有利于井筒内气体的采出，实现了地面制氢设备的简化以及催化剂和热能的高效利用。