способ получения водорода из угольного пласта

Формула изобретения

Способ получения водорода из угольного пласта, включающий бурение нагнетательной и газоотводящей скважин с поверхности земли в угольный пласт, установку колонны труб, соединение скважины по пласту гидроразрывом, розжиг пласта нагнетательной скважины вокруг забоя, через нагнетательную скважину поочередную подачу воздуха для разогрева угольного пласта до температуры 1250°С и подачу подогретой воды в нагретый угольный пласт, поочередный отвод образующихся в угольном пласте продуктов горения и синтез-газа через газоотводящую скважину, отличающийся тем, что на стадии разогрева угольного пласта колонну труб в газоотводящей скважине заполняют с поверхности отработанным сорбентом, из которого заранее извлечен оксид углерода для его регенерации газами горения, и на стадии получения синтез-газа для сорбции оксида углерода поддерживают температуру 65-70°С и давление 1,3-1,4 МПа с последующим выведением отработанного сорбента на поверхность для извлечения из него оксида углерода газами горения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к угледобывающей промышленности и может найти применение при геотехнологической разработке угольных пластов способами подземной газификации для получения молекулярного водорода.

Из науки и техники известны способы бесшахтной подземной газификации угольного пласта «in situ» способом геотехнологическим, посредством скважин, которые бурят с поверхности земли, патент США № 4313499, C10J 5/00, 1982 и патент Украины № 4483, SU 1481409, Е21С 43/0, C10j 5/00, 1994, опубл. 27.12.94, Б.И. № 6-1. Основным недостатком этих способов является невозможность получения технически чистого водорода.

Известны также способы получения синтетических веществ (Шелдон Р.А. Химические продукты на основе синтез-газа: Пер. с англ. / Под. ред. С.М.Локтева. - М.: Химия, 1987, С.23-24. Гойхрах И.М., Пинягин Н.Б. Химия и технология искусственного жидкого топлива. - М.: Гос. науч-техн. изд-во нефт. и горно-топл. л-ры. 1954, С.189-202), например синтез-газа (СО+Н₂), с помощью подземной газификации угля, с процессом получения диоксида углерода CO₂ - на первой стадии, и далее с последующим максимальным разогревом пласта для получения смеси газов СО+H₂ - на второй стадии. При выполнении указанных способов используют специальное оборудование, приведенное в (Степанчиков А.Е., Гвоздевич О.В., Баширов В.В., Темнов Г.М. Скважинные гидроструйные аппараты для интенсификации процесса нефтеизвлечения. - М.: ВНИИОЭНГ, 1990, С.44) и в (Гвоздевич О.В., Стефаник Ю.В., Степанчиков А.Е. О розжиге углесодержащих массивов при геотехнологических разработках месторождений // Сб. науч. тр. АН УССР. Ин-т геологии и геохимии ископаемых / Отв. ред. Э.Б.Чекалюк.- Киев: Наук. Думка, 1989. - С.25-32).

К недостаткам таких способов подземного получения смеси газов СО+Н₂ из угля следует отнести повышенную энергозатратность и неприспособленность к переработке угольных пластов на месте их залегания.

Наиболее близким по технической сути к заявленному способу рассмотрен способ подземной газификации угля для получения смеси газов СО+Н₂ (Патент SU 1390238, C10j 5/00, 1994, Б.И. № 6-1, опубл. 27.12.94). Известный способ имеет следующие существенные признаки, которые являются общими с признаками заявленного технического решения:

- бурение нагнетательной и газоотводящей скважин на угольный пласт;

- соединение скважин по пласту гидроразрывом с последующим бутированием щели гидроразрыва крупнозернистым песком;

- розжиг пласта вокруг забоя нагнетательной скважины;

- поочередную подачу через нагнетательную скважину воздуха для разогрева пласта до температуры 1250°С и подачу подогретой воды в нагретый пласт;

- поддержание заранее заданных термодинамических условий в пласте для получения целевых продуктов.

Используя известный способ, получают требуемые газовые смеси (СH₄, СО₂, Н₂, СО и др.), однако способ по прототипу не позволяет получать технически чистый водород Н₂ и поэтому является малоэффективным.

В процессе создания изобретения поставлена задача повышения эффективности процесса получения водорода, в частности более чистого водорода и в большем количестве, снижения энергоемкости геотехнологического процесса посредством улучшения термодинамических условий в угольном пласте и более эффективного регулирования процессом.

Поставленная задача решается тем, что предложен способ получения водорода из угольного пласта, включающий бурение нагнетательной и газоотводящей скважин с поверхности земли в угольный пласт, установку колонны труб, соединение скважины по пласту гидроразрывом, розжиг пласта нагнетательной скважины вокруг забоя, через нагнетательную скважину поочередную подачу воздуха для разогрева угольного пласта до температуры 1250°С и подачу подогретой воды в нагретый угольный пласт, поочередный отвод образующихся в угольном пласте продуктов горения и синтез-газа через газоотводящую скважину, в котором на стадии разогрева угольного пласта колонну труб в газоотводящей скважине заполняют с поверхности отработанным сорбентом, из которого заранее извлечен оксид углерода для его регенерации газами горения, и на стадии получения синтез-газа для сорбции оксида углерода поддерживают температуру 65-70°С и давление 1,3-1,4 МПа с последующим выведением отработанного сорбента на поверхность для извлечения из него оксида углерода газами горения.

Причинно-следственная связь между признаками, которые есть существенными отличительными и характеризуют изобретение, и достигаемым техническим результатом заключается в следующем:

- размещение колонны труб, заполненных сорбентом в газоотводящей скважине, дает возможность получать водород непосредственно в этой скважине, поддерживая и регулируя в ней термодинамические условия сорбции СО, что является необходимым и достаточным для получения технически чистого водорода;

- поддержание температуры 65-70°С и давления 1,3-1,4 МПа для получения из синтез-газа (СО+Н₂) водорода обеспечивает максимальную чистоту получения водорода;

- выведение из газоотводящей скважины отработанного сорбента на поверхность дает возможность путем сбрасывания давления выделить из него СО и направить вместе с окислителем в нагнетательную скважину на стадии разогрева, что повысит температуру разогрева пласта за счет экзотермической реакции 2СО+O₂ 2СО₂;

- заполнение колонны труб газоотводящей скважины на стадии разогрева пласта отработанным сорбентом, из которого удален СО, обеспечивает полностью регенерирование сорбента за счет физического тепла газов горения угля.

Технико-экономическими преимуществами предлагаемого способа являются получение технически чистого водорода и повышение эффективности процесса за счет проведения регенерации сорбента в угольном пласте. Следовательно, предлагаемый способ является экономически и экологически целесообразным, поскольку направлен на энерго- ресурсообеспечение, а также позволяет получать водород из преимущественно некондиционных угольных пластов, в том числе маломощных, глубокозалегающих, сильно обводненных, высокозольных и т.д.

На чертеже изображена технологическая схема способа получения водорода из угольного пласта.

Технологическая схема состоит из угольного пласта 1, на котором пробурены нагнетательная 2 и газоотводящая 3 скважины, колонны труб 4, вокруг которой размещен трубный змеевик 5, соединенный на выходе с патрубком 6, служащим для подачи горячей воды для разогрева отработанного сорбента; заслонок 7, 8 на колонне труб 4 и на газоотводящей 3 скважине; насоса-компрессора 9; патрубка 10, узла отвода CO₂ - 11; накопителя 12, трубопровода отвода технического водорода 13; подвижной зоны розжига (газификации) 14 угольного пласта; канала гидроразрыва 15; сорбента 16; термопары 17; манометра 18; заслонок 19, 20, 21 на трубопроводе отвода Н₂; накопителя 22 отработанного сорбента; вакуум-насоса 23; компрессора 24; трубопроводов 25, 26, 27; газгольдера 28. Патрубок 6 служит для подвода горячей воды из накопителя 12 до змеевика 5.

Способ реализуется следующим образом.

Для геотехнологической разработки в соответствии с заявленным способом используют преимущественно некондиционные, маломощные, например мощностью менее 0,5 м, угольные пласты 1, пригодные для скважинной разработки с поверхности земли способом подземного сжигания. В соответствии с заявленным способом с поверхности земли на угольный пласт 1 бурят до подошвы нагнетательную 2 и газоотводящую 3 скважины на расстоянии 80-100 м друг от друга, которые соединяются между собой каналом газификации 15, созданным методом гидроразрыва и бутированным крупнозернистым песком, создают забой 14 в качестве подвижной зоны розжига (газификации) угольного пласта. Для этого на забой 14 скважины 2 опускают скважинный гидромонитор, как описано в (Степанчиков А.Е., Гвоздевич О.В., Баширов В.В., Темнов Г.М. Скважинные гидроструйные аппараты для интенсификации процесса нефтеизвлечения. - М.: ВНИИОЭНГ, 1990, С.44), (на чертеже не показан), с целью проведения ориентированного соединения скважин 2 и 3. Скважинный гидромонитор имеет гибкий рабочий орган - зонд, который продвигают по пласту 1 в направлении от нагнетательной 2 к газоотводящей 3 скважине, после этого в созданные каналы под давлением выше геостатистического нагнетают воду, осуществляя гидроразрыв, и бутируют трещины крупнозернистым песком. Потом скважинным устройством, как описано в (Гвоздевич О.В., Стефаник Ю.В., Степанчиков А.Е. О розжиге углесодержащих массивов при геотехнологических разработках месторождений // Сб. науч. тр. АН УССР. Ин-т геологии и геохимии ископаемых / Отв. ред. Э.Б.Чекалюк.- Киев: Наук. Думка, 1989. - С.25-32., аналог) (чертеже не показан), или другим известным способом, на забое нагнетательной скважины 2 формируют зону 14 розжига (газификации) с температурой 1250°С, для чего насос-компрессором 9 через патрубок 10 на устье скважины 2 подают в зону разжигания 14 окислитель - воздух или технический кислород. Далее на патрубке колонны труб 4, заполненных отработанным сорбентом, например [Cu₂(NH₃)₂ 2Н₂О]Cl ₂, из которого на поверхности извлечен СО, с закрытой заслонкой 7, открывают заслонку 8 на газоотводящей 3 скважине, и созданный в результате процесса сжигания угольного пласта 1 газ (С+0,5 O₂ СО₂) отводят через накопитель 12 воды. При этом в колонне 4 труб происходит регенерация сорбента по приведенной схеме:

При достижении в подвижной зоне розжига 14 угольного пласта 1 температуры 1250°С прекращают подачу воздуха в нагнетательную скважину 2 и через патрубок 10 в нее подают подогретую в накопителе 12 воду для получения в угольном пласте 1 синтез-газа - оксида углерода СО и водорода Н₂ по реакции С+Н₂О СО+Н₂. На этой стадии работ перекрывают заслонку 8, открывают заслонку 7 и синтез-газ направляют через перфорационные отверстия в колонну 4 труб, выполняющую роль сорбента СО. В случае, когда зона горения 14 находится достаточно далеко от газоотводящей скважины 3, и газы горения (СО₂) поступают в ее полость с температурой, меньшей чем температура, необходимая для эффективной сорбции СО в колонне 4, в змеевик 5, расположенный вокруг колонны 4, через патрубок 6 закачивают горячую воду, полученную в накопителе 12 и подогретую проходящими через толщу воды в нем газами горения (СО₂). При этом тем самым поддерживают температурный режим в колонне 4 труб и обеспечивают достижение температуры в ее полости примерно равной 65-70°С, то есть такой температуры, которая необходима для наиболее эффективного сорбирования СО в колонне 4 труб из смеси газов СО и Н₂. При этой температуре и давлении обеспечивают максимальную сорбцию СО в колонне 4 труб. Давление 1,3-1,4 МПа процесса сорбции СО в колонне 4 регулируют заслонкой 7.

Наполнение колонны 4 труб пористым сорбентом 16 позволяет провести получение водорода непосредственно в этой колонне, поддерживая в ней также термодинамические условия процесса сорбции СО, которые являются необходимыми и достаточными для получения технически чистого водорода.

Полученный технический водород с температурой 65-70°С через открытый патрубок 7 подают по трубопроводу 13 в охладитель, а далее через компрессор закачивают в баллоны или другие емкости для хранения и дальнейшего транспортирования потребителям (на чертеже охладитель, компрессор и баллоны не показаны).

Перед окончанием подачи воды в нагнетающую скважину 2 закрывают заслонку 7 и создают в пласте 1 избыточное давление, которое энергией сжатых в пласте 1 газов выдавливает отработанный сорбент 16 через заслонку 19 в накопитель 22 отработанного сорбента. Далее, при закрытых заслонках 19 и 20 открывают заслонку 21 и вакуум-насосом 23 откачивают из накопителя 22 отработанный сорбент, и через трубопровод 27 подают его в газгольдер 28. После прекращения вакууммирования закрывают заслонку 21, открывают заслонку 20 и компрессором 24 через трубный змеевик 5 подают в колонну 4 труб отработанный сорбент 16, из которого извлечен СО, после этого заслонку 20 закрывают.

Рабочий цикл получения технически чистого водорода (подачу воды в угольный пласт 1) прекращают, когда продуктивность получения чистого водорода резко падает. Тогда снова начинают розжиг зоны 14 и разогрев пласта до температуры 1250°С, при этом насосом-компрессором 9 нагнетают в пласт 1 вместе с воздухом накопленный в газгольдере 28 диоксид углерода, после чего процесс продолжают подачей и нагнетанием новых порций воды, как описано выше.

Таким образом, заявленный способ получения технически чистого водорода из угольного пласта обеспечивает выполнение поставленной задачи.