一种煤层原位直燃取能系统和方法

本发明属于煤炭开采，具体涉及一种煤层原位直燃取能系统和方法。

背景技术：

1、煤炭地下气化技术已经发展了大几十年，煤炭地下原位气化是指将煤炭在原地条件下进行有控制地燃烧，通过对煤中固体有机物的热作用及化学作用产生混合气体，这种混合气经地面分级后可转化为各种燃料或原料，例如发电用的天然气、合成乙醇的一氧化碳和氢气，是煤炭清洁利用与生产化工原料的新技术。我国70％的煤炭资源分布在2000m以深，向深部进军开采煤炭资源是今后发展的必然趋势，煤炭地下气化技术为开采深部煤炭资源提供理论支撑。

2、cn202110074115.5披露了一种深层煤原位热解开采利用的工艺，其在目标煤层内部署煤炭热解区，从地面利用定向钻井方式建立热解工作面，产出通道，但其将煤层内井眼作为热解热源的输入通道，井壁煤层作为热量接受面，存在大部分热量散失严重的技术问题。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，本发明的第一个目的是提供一种煤层原位直燃取能系统，本发明的第二个目的是提供一种煤层原位直燃取能方法。

2、为达到上述第一个目的，本发明采用如下技术方案：一种煤层原位直燃取能系统，包括伸入至煤层中的热交换循环液管、与热交换循环液管连接且相通的从煤层中伸出至地面的热交换循环蒸汽管、以及用于点燃煤层的点火装置；热交换循环液管用于输送液态的取热介质，煤层燃烧使液态的取热介质气化为过热蒸汽并由热交换循环蒸汽管输出，热交换循环蒸汽管输出的过热蒸汽供汽轮发电设备发电。

3、上述技术方案，通过设置热交换循环液管来输送取热介质，通过设置热交换循环蒸汽管来输送液态的取热介质气化后的过热蒸汽，过热蒸汽输出到地面进行发电，实现煤层地下原位取能采热发电利用，相比现有技术，本方案可减少煤层燃烧产生热量的损失，提高煤层燃烧效率。

4、在本发明的一种优选实施方式中，取热介质为氟利昂或异丁烷。

5、上述技术方案，氟利昂或异丁烷的沸点为零下十几度，远低于水的沸点，将氟利昂或异丁烷加热至过热蒸汽所耗能量少，运用氟利昂或异丁烷蒸汽进行发电，能够极大地提高能量利用率。

6、在本发明的一种优选实施方式中，点火装置安装有定时引燃装置，点火装置为位于煤层中且具有化学凝固剂的化学凝固剂点火装置。

7、上述技术方案，采用化学凝固剂点火法，该种点火方法高效低廉，适合深部煤炭环境。

8、在本发明的一种优选实施方式中，该取能系统还包括伸入至煤层中的用于输送高温的空气/富氧空气的氧化剂供气管，氧化剂供气管输送的高温的空气/高温富氧空气能够排至煤层中，点火装置位于氧化剂供气管的前端。

9、上述技术方案，对于深部煤层还可以采取强制氧化法点火，通过氧化剂供气管将高温的空气/富氧空气输送到煤层，可直接点燃煤层，利于煤层的燃烧。

10、在本发明的一种优选实施方式中，氧化剂供气管与热交换循环液管采用双层套管结构，氧化剂供气管包裹在热交换循环液管外；和/或氧化剂供气管与热交换循环蒸汽管采用双层套管结构，氧化剂供气管包裹在热交换循环蒸汽管外。

11、上述技术方案，高温的热交换循环蒸汽管能够进一步加热氧化剂供气管中的气体，以提高热交换循环液管内空气或富氧空气的温度，更快速的点燃煤层。

12、在本发明的另一种优选实施方式中，煤层中钻设有水平井，水平井的两端分别通过第一竖井和第二竖井与地面连通，热交换循环液管通过第一竖井沿水平井铺设，热交换循环蒸汽管通过水平井沿第二竖井铺设至地面，点火装置位于水平井中。

13、在本发明的另一种优选实施方式中，热交换循环液管包括总液管、以及与总液管出口连通的位于煤层中的多根并联连接的水平分支液管，多根水平分支液管的出口与热交换循环蒸汽管相连。

14、上述技术方案，通过设置多根水平分支液管，以扩大热交换循环液管与煤层热量的接触面积。

15、在本发明的另一种优选实施方式中，煤层中钻设有若干水平盲井，每一个水平盲井通过一个第三竖井与地面连通，一个水平盲井与一个第三竖井组成一个“l”型钻井，若干“l”型钻井周向间隔分布，每一个第三竖井和水平盲井中均铺设有热交换循环液管和热交换循环蒸汽管，每个水平盲井中均安装有点火装置。

16、上述技术方案，周向间隔分布若干“l”型钻井，每个“l”型钻井中布置管道，增大煤层燃烧的利用效率。

17、在本发明的另一种优选实施方式中，在煤层燃烧蔓延的方向构建有阻断燃烧的阻燃墙；阻燃墙为注入高压水形成的地下水墙，或者阻燃墙为注入高压水泥浆形成的地下水泥墙。

18、上述技术方案，阻燃墙的设置使得煤层燃烧的边界可控。

19、为达到上述第二个目的，本发明采用如下技术方案：一种煤层原位直燃取能方法，包括如下步骤：

20、第一步，根据煤层赋存特征、煤层地质构造、煤阶与煤类、水文地质条件选择合适的直燃取能煤层；

21、第二步，钻井，包括竖井和水平井；

22、第三步，在钻井中布置管道，管道包括氧化剂供气管、热交换循环液管和热交换循环蒸汽管；

23、第四步，向热交换循环液管中注入取热介质；

24、第五步，向氧化剂供气管内注入富氧空气，接通点火装置，由氧化剂供气管前端出气口出来的气体点火燃烧；

25、第五步，在燃烧过程中，煤层燃烧的氧化区温度逐渐升高，加热热交换循环液管中的取热介质，使其转换为过热蒸汽并沿着热交换循环蒸汽管道输出至地面进行发电；在燃烧过程中，在燃烧区采集多个采样点的温度、多个采样点目标气体含量和气体产生速度，确定持续可控燃烧指数：

26、

27、且有

28、其中，tb为燃烧区的平均温度，δt为相邻采样点之间温度差的最大值，n为采样点的总数量，i为采样点的序号，hi为第i个采样点的目标气体的单位时间的产量，hb为目标气体单位时间的总产量，ox为富氧空气单位时间的总输入量，v为燃烧区的体积，η为单位体积内的目标气体的安全占比限值，δh为相邻采样点之间目标气体单位时间的产量差的最大值；

29、第六步，若f<fmax,则加大富氧空气的供给量或提高温度，并实时监测煤层燃烧情况，当煤层燃烧至水平井端部时，停止富氧空气的供给，fmax为实验获取的持续可控燃烧指数的安全限值。

30、上述技术方案，可控快速地实现煤层原位直燃取能，通过设置持续可控燃烧指数，保证煤层安全高效地快速燃烧，在提高燃烧效率的前提下，提高了直燃取能的安全性。

31、相比现有技术，本发明较优的技术方案具有如下有益效果：本发明通过设置热交换循环液管来输送取热介质，通过设置热交换循环蒸汽管来输送液态的取热介质气化后的过热蒸汽，过热蒸汽输出到地面进行发电，实现煤层地下原位取能采热发电利用，可减少煤层燃烧产生热量的损失，提高煤层燃烧效率，同时将以co2为主的燃烧产物气体固化并永久封存，从而实现碳达峰碳中和的战略目标。

32、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。