一种煤炭原位热解及空气直接捕集二氧化碳系统及方法与流程

1.本发明属于煤炭地下热解技术领域，特别涉及一种煤炭原位热解及空气直接捕集二氧化碳系统及方法。


背景技术：

2.我国能源结构呈现“缺油、少气、相对富煤”的分布格局以及风能、太阳能、核能、生物质能等新能源在短期内难以取代传统能源的局面，这决定了在未来相当长的一段时间内，煤炭的主体能源地位依然难以改变。2019年我国碳排放量达98亿吨，超过全球二氧化碳排放总量的四分之一，已成为全球碳排放量最大的国家。过去十年，我国碳排放量复合增速同样快于全球平均水平，而我国碳排放来源主要是传统能源的使用，其中2020年使用煤炭所产生的碳排放量占比达71.1％。
3.目前传统的煤炭热解技术均为地面热解，即煤炭通过井下开采运输，经洗选加工后进入地面热解设备，经热解转化为焦油、煤气以及半焦产品。但是地面热解存在占地面积大、热解半焦转换利用难、开采时破坏地面、大气粉尘污染、地下水污染等问题。“碳达峰”、“碳中和”的目标不仅对煤炭高质量发展提出了更高的要求，同时也对煤的清洁高效利用问题提出了新的挑战。煤炭地下热解是一种煤炭直接在地下通过热载体传递热量进行原位热解。一方面可以将煤炭在地下通过直接热解转换为油气资源，缓解油气资源匮乏对外依存度高的局面，另一方面热解后的地下煤层依然存在大量余热，可以回收利用。
4.当前有关二氧化碳捕集的技术路线主要有富氧燃烧捕集、燃烧前捕集、燃烧后捕集，有关二氧化碳吸收方法有物理吸收、化学吸收等吸收分离法以及变温吸附、变压吸附等吸附分离法等方法。但这些方法主要用于固定源的二氧化碳捕集，如电厂、化工厂等，并且存在捕集装置占地面积大、捕集成本高等问题。因此一种煤炭原位热解及空气直接捕集二氧化碳系统及方法对能源开发有重要意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种煤炭原位热解及空气直接捕集二氧化碳系统及方法，以解决现有二氧化碳捕集技术成本高，步骤繁杂的技术问题。
6.为了实现上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
7.第一方面，一种煤炭原位热解及空气直接捕集二氧化碳系统，包括煤炭原位热解模块、产物分离加工模块、空气直接捕集二氧化碳模块和余热回收模块；
8.煤炭原位热解模块，用于压裂地下煤层，通过注入高温高压热载体以及温和氧化供热使地下煤层原位热解生产，并将热解产物送入产物分离加工模块，高温蒸汽送入空气直接捕集二氧化碳模块；
9.产物分离加工模块，用于将热解产物进行分离加工利用，并将热解产物中的热解气用来发电，供给煤炭原位热解系统和空气直接捕集二氧化碳模块；
10.空气直接捕集二氧化碳模块，用于从空气中捕集二氧化碳，利用煤炭原位热解模
块产出的高温蒸汽或地下煤层余热回收的高温蒸汽循环脱附二氧化碳并收集；
11.余热回收模块，用于利用热解完成后地下煤层所余留的热量供给空气直接捕集二氧化碳模块。
12.本发明的进一步改进在于：所述煤炭原位热解模块，包括第一注入井、水平井、第二注入井、生产井、温和氧化供热带、内构件涡旋换热装置、加压装置、加热装置、点火装置和换热器；
13.所述加压装置输出口与加热装置输入口相连，加热装置输出口分别与第一注入井输入口和第二注入井输入口相连，第一注入井出口和第二注入井出口之间设有水平井，水平井中心处设有生产井，生产井输出口与换热器的输入口c相连，换热器的输入口d与第二分离装置第二输出口相连，换热器的输出口a与空气直接捕集二氧化碳模块的第二输入口相连，换热器的输出口b与产物分离加工模块相连，换热器输入口c与输出口b相连，换热器输入口d与输出口a相连，点火装置分别与第一注入井输入口和第二注入井输入口相连，第一注入井、第二注入井、生产井和水平井设置在煤层顶板和煤层底板之间的煤层中，煤层中有若干煤层裂隙和温和氧化供热带，第一注入井、第二注入井底部和水平井内部设有内构件涡旋换热装置。
14.本发明的进一步改进在于：所述产物分离加工模块包括，冷凝器、气液分离器、第二分离装置、第三分离装置、重质焦油储罐和轻质焦油储罐；
15.冷凝器输入口与换热器输出口b相连，冷凝器的输出口与气液分离器的输入口相连，气液分离器的第一输出口与第二分离器的输入口相连，气液分离器的第二输出口与燃气轮机21相连，燃气轮机21输出口与空气直接捕集二氧化碳模块相连，第二分离装置第一输出口与第三分离装置输入口相连，第二分离装置的第二输出口与分别与换热器的输入口d以及加热装置输入口相连，第三分离装置的第一输出口与重质焦油储罐相连，第三分离装置的第二输出口与轻质焦油储罐相连。
16.本发明的进一步改进在于：所述空气直接捕获二氧化碳模块，包括二氧化碳储罐、引风机、吸附室、吸附剂、换热管、脱附室、控制阀和真空泵；
17.所述引风机出风口与吸附室相连，所述吸附室内设有若干根换热管，所述每根换热管上均设有吸附剂，所述脱附室与吸附室外壁相连，所述若干脱附室出口通过若干个控制阀和通气管与真空泵相连，所述真空泵输出口与二氧化碳储罐相连。
18.本发明的进一步改进在于：所述余热回收模块包括，第三注入井、采集井、第二换热器、循环水泵；
19.所述第三注入井出口与第二换热器入口a相连，第二换热器出口d与循环水泵相连，第二换热器出口c与空气直接捕集二氧化碳装置换热管入口相连，空气直接捕集二氧化碳装置换热管出口与循环水泵入口相连，循环水泵出口与第三注入井入口相连。
20.本发明的进一步改进在于：所述空气直接捕获二氧化碳模块出气口设有二氧化碳浓度检测装置。
21.本发明的进一步改进在于：所述吸附剂为固态胺，形状为圆饼状。
22.第二方面，一种煤炭原位热解及空气直接捕集二氧化碳方法，包括以下步骤：
23.s1、通过第一注入井和第二注入井对煤层进行压裂，使煤层中产生煤层裂隙和温和氧化供热带；
24.s2、通过第一注入井和第二注入井向煤层裂隙注入支撑剂，通过水平井连通第一注入井、第二注入井和生产井，并在第一注入井、第二注入井底部和水平井内部布置内构件涡旋换热装置；
25.s3、通过点火装置控制温和氧化供热带进行燃烧,升温待热解煤层。通过加压装置和加热装置生产高温高压热载体并注入煤层，在水平井中内构件涡旋换热装置和支撑剂强化换热作用下使煤炭在地下完成原位热解；
26.s4、通过生产井提取热解产物，并通过换热器将热解产物送入产物分离加工模块，同时利用换热器中产生的热量生产高温热载体输送至空气直接捕集二氧化碳模块；
27.s5、加工分离后的部分热解气用于燃气轮机发电，其余热解气再次注入煤层中作为热载体进行循环加热；
28.s6、燃气轮机部分电量输送给空气直接捕获二氧化碳模块，空气直接捕获二氧化碳模块捕集空气中的二氧化碳送入二氧化碳储罐中；
29.s7、通过循环水泵将热载体通入热解完成后的煤层中，利用余热经换热器产生高温热载体输送至空气直接捕集二氧化碳模块。
30.本发明的进一步改进在于：s6中通过空气直接捕获二氧化碳模块捕集空气中的二氧化碳送入二氧化碳储罐中具体包括以下步骤：
31.s61、引风机将空气送入脱附室，空气中的二氧化碳被脱附室内的若干吸附剂(26)吸附，吸附后的空气经二氧化碳浓度检测器检测达标后从尾部排出；
32.s62、若干小时后，吸附室内吸附剂吸附饱和后，关闭引风机，吸附室关闭进气口；
33.s63、换热管通过高温蒸汽加热含饱和二氧化碳的吸附剂，使吸附剂上吸附的二氧化碳受热脱附；
34.s64、打开所有控制阀和真空泵，将脱附室内的脱附的二氧化碳送入二氧化碳储罐中。
35.本发明的进一步改进在于：通入换热管的蒸汽温度为40-120℃。
36.与现有技术相比，本发明至少包括以下有益效果：
37.1、本发明通过煤炭原位热解，可以不经开采利用地下煤炭资源，有效解决传统煤炭利用方式中环境污染大、安全风险高、地下塌陷等问题。
38.2、本发明通过空气直接捕集二氧化碳模块直接从空气中捕集二氧化碳，产物分离加工模块产出的热解气发电供应装置及系统电能，并利用煤炭原位热解产物及余热回收模块产生热量生产的高温蒸汽脱附二氧化碳，可在空气环境中持续捕集二氧化碳，安全环保。
39.3、本发明通过将煤炭在地下通过直接热解转换为油气资源，缓解油气资源匮乏对外依存度高的问题。
40.4、本发明通过热解后的地下余热生产高温蒸汽，供给空气直接捕集二氧化碳的装置，用来脱附装置中捕集到的二氧化碳气体，做到能源的循环利用。
附图说明
41.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
42.图1为本发明一种煤炭原位热解及空气直接捕集二氧化碳系统的系统流程图；
43.图2为本发明一种煤炭原位热解及空气直接捕集二氧化碳系统的结构示意图；
44.图3为本发明一种煤炭原位热解及空气直接捕集二氧化碳系统中空气直接捕集二氧化碳模块结构示意图；
45.图4为本发明一种煤炭原位热解及空气直接捕集二氧化碳系统中吸附剂和换热管位置结构示意图；
46.图5为本发明一种煤炭原位热解及空气直接捕集二氧化碳系统中空气直接捕集二氧化碳装置与余热利用结合的结构示意图；
47.图6为本发明一种煤炭原位热解及空气直接捕集二氧化碳系统中多回路示意图。
48.图中：1、煤层顶板2、煤层；3、煤层底板；4、第一注入井；5、水平井；6、第二注入井；7、生产井；8、温和氧化供热带；9、煤层裂隙；10、内构件涡旋换热装置；11、加压装置；12、加热装置；13、点火装置；14、换热器；15、冷凝器；16、气液分离器；17、第二分离装置；18、第三分离装置；19、重质焦油储罐；20、轻质焦油储罐；21、燃气轮机；22、空气直接捕集二氧化碳模块；23、二氧化碳储罐；24、引风机；25、吸附室；26、吸附剂；27、换热管；28、脱附室；29、控制阀；30、真空泵；31、第三注入井；32、采出井；33、第二换热器；34、循环水泵。
具体实施方式
49.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
50.以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本发明所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
51.实施例1
52.如图1所示，一种煤炭原位热解及空气直接捕集二氧化碳系统，包括煤炭原位热解模块、产物分离加工模块、余热回收模块和空气直接捕集二氧化碳模块；
53.如图2所示，煤炭原位热解模块，包括煤层顶板1、煤层2、煤层底板3、第一注入井4、水平井5、第二注入井6、生产井7、温和氧化供热带8、煤层裂隙9、内构件涡旋换热装置10、加压装置11、加热装置12、点火装置13和换热器14；
54.加压装置11输出口与加热装置12第一输入口相连，加热装置12输出口分别与第一注入井4输入口和第二注入井6输入口相连，第一注入井4出口和第二注入井6出口之间设有水平井5，水平井5中心处设有生产井7，生产井7输出口与换热器14的输入口c相连，换热器14的输入口d与第二分离装置17第二输出口相连，换热器的输出口a与空气直接捕集二氧化碳模块22的第二输入口相连，换热器14的输出口b与冷凝器15输入口相连，换热器输入口c与输出口b相连，换热器输入口d与输出口a相连，点火装置13分别与第一注入井4输入口和第二注入井6输入口相连，第一注入井4、第二注入井6、生产井7和水平井5设置在煤层顶板1和煤层底板3之间的煤层中，煤层2中有若干煤层裂隙9和温和氧化供热带8，第一注入井4、第二注入井6底部和水平井5内部设有内构件涡旋换热装置10，所述生产井设有保温套管。
55.煤炭地下热解模块通过第一注入井4和第二注入井6对待开采煤层2进行压裂，形成煤层裂隙9以及温和氧化供热带8；通过第一注入井4和第二注入井6向煤层裂隙9注入支
撑剂；通过水平井5连通第一注入井4、第二注入井6和生产井7，并在第一注入井、第二注入井底部和水平井内部布置内构件涡旋换热装置10；通过第一注入井4和第二注入井6向煤层2及煤层裂隙9中注入高温高压热载体并在支撑剂和内构件涡旋强化换热的作用下使煤炭储层发生原位热解；热解后使用点火装置13通过第一注入井4和第二注入井6对温和氧化供热带8进行可控温和氧化燃烧；将热解产物由生产井7采出至地面进行后续加工分离；
56.高温高压热载体为氮气、水蒸气、含烃气体等的一种，含烃气体来自产物中部分热解气。
57.加热装置12所需的能耗来自于太阳能、风能等清洁能源提供。
58.支撑剂的制作方法：将载体材料以及赤泥混合研磨，然后进行均化细化处理得到混合粉料，混合粉料粒径范围在0.4～2.0mm；将混合粉料与粘合剂混合均匀后送入造粒机中进行造粒，获得球粒；将球粒烘干后在1000-1200℃下进行煅烧，得到用于煤炭地下原位热解的支撑剂。
59.所述混合物料中载体材料占混合粉料质量的35％～60wt.％；赤泥占混合粉料质量的40％～65wt.％。载体材料为陶粒、金属铝球、树脂覆膜砂中的一种或多种、粘合剂为酚醛树脂、聚胺酯、硅酸钠中的一种或多种。
60.产物分离加工模块，包括冷凝器15、气液分离器16、第二分离装置17、第三分离装置18、重质焦油储罐19和轻质焦油储罐20；
61.冷凝器15输入口与换热器14输出口b相连，冷凝器15的输出口与气液分离器16的输入口相连，气液分离器16的第一输出口与第二分离器17的输入口相连，气液分离器16的第二输出口与燃气轮机21相连，燃气轮机21输出口与空气直接捕集二氧化碳模块22相连，第二分离装置17第一输出口与第三分离装置18输入口相连，第二分离装置17的第二输出口与二氧化碳储罐23相连，第三分离装置18的第一输出口与重质焦油储罐19相连，第三分离装置18的第二输出口与轻质焦油储罐20相连；
62.产物分离加工模块，用于将油气产品进行分离加工利用，煤炭地下原位热解模块油气产品进行冷凝分离，焦油产品进行提纯加工，气体产品分离后，通入发电装置21用于发电；
63.发电装置21为燃气轮机。
64.如图3-5所示，空气直接捕获二氧化碳模块22，包括二氧化碳储罐23、引风机24、吸附剂26、换热管27、脱附室28、控制阀29和真空泵30；
65.引风机24出风口与吸附室25相连，吸附室25内设有若干根换热管27，每根换热管27上均设有吸附剂26，脱附室27与吸附室25外壁相连，若干脱附室28出口通过若干个控制阀29和通气管与真空泵30相连，真空泵30输出口与二氧化碳储罐23相连。
66.吸附剂26为固态胺。
67.引风机24将空气送入脱附室28，空气中的二氧化碳被脱附室28内的若干吸附剂26吸附，然后吸附后的空气从尾部排出，若干小时后，吸附剂26吸附饱和，关闭引风机24，脱附室28关闭进气口，换热管27通过蒸汽给吸附剂26加热，使吸附剂26上吸附的二氧化碳受热脱附，打开所有控制阀29和真空泵，将脱附室28内的气态二氧化碳送入二氧化碳储罐23中。
68.引风机24为离心式引风机。
69.吸附剂26为圆饼状。
70.换热管27入口与蒸汽管道相连，通入40-120℃的蒸汽，使得被吸附剂26吸附的二氧化碳吸热脱附；
71.二氧化碳的胺吸收剂的吸收原理为：
[0072][0073][0074]
采用温和氧化供热带，可控地燃烧部分煤层，通过内构件涡旋换热装置强化地下煤层热解，提高热解效率。
[0075]
余热回收模块，用于利用热解后地下煤层所余留的热量供给空气直接捕集二氧化碳模块22。
[0076]
余热回收模块包括，第三注入井31、采集井32、第二换热器33、循环水泵34；
[0077]
第三注入井31出口与第二换热器33入口a相连，第二换热器33出口d与循环水泵34相连，第二换热器33出口c与空气直接捕集二氧化碳装置换热管27入口相连，空气直接捕集二氧化碳装置换热管27出口与循环水泵34入口相连，循环水泵34出口与第三注入井31入口相连。
[0078]
实施例2
[0079]
一种煤炭原位热解及空气直接捕集二氧化碳方法，包括以下步骤：
[0080]
s1、通过第一注入井4和第二注入井6对煤层2进行压裂，使煤层2中产生煤层裂隙9和温和氧化供热带8；
[0081]
s2、通过第一注入井4和第二注入井6向煤层裂隙9注入支撑剂，并通过水平井5连通第一注入井4、第二注入井6和生产井7，并在第一注入井、第二注入井底部和水平井内部布置内构件涡旋换热装置10；
[0082]
s3、通过点火装置13控制温和氧化供热带进行燃烧,升温待热解煤层。通过加压装置11和加热装置12生产高温高压热载体并注入煤层2，在水平井5中内构件涡旋换热装置10和支撑剂强化换热作用下使煤炭在地下完成原位热解；
[0083]
s4、通过生产井7提取热解产物，并通过换热器将热解产物送入产物分离加工模块，同时利用换热器中产生的热量生产高温蒸汽输送至空气直接捕集二氧化碳模块22；
[0084]
s5、加工分离后的热解产物部分用于燃气轮机21发电，其余热解气再次注入煤层2中作为热载体进行循环加热。；
[0085]
s6、燃气轮机21部分电量输送给空气直接捕获二氧化碳模块22，空气直接捕获二氧化碳模块22捕集空气中的二氧化碳送入二氧化碳储罐23中；
[0086]
s7、通过循环水泵34将水通入热解完成后的煤层2中，利用余热经换热器33产生高温蒸汽输送至空气直接捕集二氧化碳模块22。
[0087]
在s6中通过空气直接捕获二氧化碳模块22捕集空气中的二氧化碳送入二氧化碳储罐23中具体包括以下步骤：
[0088]
s61、引风机24将空气送入脱附室28，空气中的二氧化碳被脱附室28内的若干吸附剂26吸附，吸附后的空气经二氧化碳浓度检测器检测达标后从尾部排出；
[0089]
s62、若干小时后，吸附室内吸附剂26吸附饱和后，关闭引风机24，吸附室25关闭进气口；
[0090]
s63、换热管27通过蒸汽给吸附剂26加热，使吸附剂26上吸附的二氧化碳受热脱
附；
[0091]
s64、打开所有控制阀29和真空泵30，将脱附室28内的脱附的二氧化碳送入二氧化碳储罐23中。
[0092]
二氧化碳储罐23中的二氧化碳用于工业用途或者进行地质封存。
[0093]
实施例3
[0094]
如图5所示，一种煤炭原位热解及空气直接捕集二氧化碳系统中空气直接捕集二氧化碳装置与余热利用结合的结构示意图。包括23、二氧化碳储罐；24、引风机；25、吸附室；26、吸附剂；27、换热管；28、脱附室；29、控制阀；30、真空泵；31、第三注入井；32、采出井；33、第二换热器；34、循环水泵。
[0095]
热解完成后，通过循环水泵34向第三注入井31注入水，利用热解后煤层余热生产水蒸气，并从采出井32提取过热水蒸气，通过第二换热器33换热产生二次蒸汽并进入空气直接捕集二氧化碳装置中换热管27，在脱附室28中进行吸附剂26捕集二氧化碳升温脱附环节，脱附完成后打开控制阀29，所得气态二氧化碳经真空泵30抽取进入二氧化碳储罐。换热后的水经出口管道通过循环水泵34再次通过第三注入井31注入地下煤层。
[0096]
实施例4
[0097]
图6所示，一种煤炭原位热解及空气直接捕集二氧化碳系统中多回路示意图。含有三层吸附室，空气经一层吸附后离开进入第二层吸附室，之后再进入第三层吸附室，最后由第三层吸附室尾端检测空气中二氧化碳浓度合格后排出。
[0098]
通过空气在吸附室中的循环吸附，提高装置对二氧化碳的捕集效率，减小装置占地面积。
[0099]
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
[0100]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。