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富油煤原位热解技术研究现状及进展

2024-12-19


创新点
在缓解我国能源危机和“碳达峰,碳中和”双重目标要求下,富油煤原位热解技术不仅可以提取煤中的油气资源,而且可实现煤炭的绿色低碳化开采,但该技术目前主要处于概念性提出阶段,已开展先导性试验的单位较少。在完成大量研究资料的收集整理后,结合本团队已开展的部分研究工作,本文对富油煤的煤质特性及分布特性进行了阐述,并对原位热解加热方式、余热利用、储层压裂以及地下体系封闭技术等方面的研究现状及进展进行了总结,分析了各工艺技术在富油煤原位热解技术中的适用性及面临的技术难点,并对富油煤原位热解技术今后的发展方向进行了展望。


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富油煤原位热解技术研究现状及进展

作者:王苗 , 王长安 , 宁星 , 陈美静 , 黄笑乐 , 薛香玉 , 毛崎森 , 邓磊 , 车得福
单位:西安交通大学 能源与动力工程学院
研究背景
 RESEARCH  BACKGROUND 

我国石油和天然气资源总量相对较低,人均石油和天然气资源占有量约为世界平均水平的1/15,2020年原油对外依存度为73.5%,天然气对外依存度为43.2%,能源供给安全成为制约经济发展的重要影响因素。我国能源结构呈现“缺油、少气、相对富煤”的资源禀赋特征,短期内煤炭仍将作为我国的主体能源。我国低阶煤约占煤炭储量的50%以上,富油煤主要赋存于中低变质煤中,富含较多的可生成油气产物的富氢结构,是一种煤基油气资源,在500~700 ℃热解时所得焦油产率介于7%~12%。

王双明等提出按照优先生产油气的原则开发利用富油煤资源,通过热解将高碳含量的煤转化为碳含量较低、热值较高的合成气或液体燃料,将实现富油煤从燃料向“燃料+原料”的转化。煤炭在应对能源危机的同时,也面临着“碳达峰、碳中和”目标要求下清洁高效低碳利用的重大挑战。赵阳升等提出了原位改性流体化采矿方法,即采用物理或化学的方法在原位对矿物进行流体化,实现清洁开采的目的。葛世荣等提出煤炭地下原位热解技术方案,将热量导入地下使煤炭受热生成液态和气态有机质。富油煤地下原位热解可缓解我国能源安全,且可实现煤炭的绿色低碳化开采。

国内外学者对煤热解技术开展了大量研究工作,但富油煤原位热解技术近年来随着能源安全问题的逐渐凸显而受到了越来越多的关注,目前主要处于概念性提出和实验室研究阶段,已知仅有陕西煤田地质集团有限公司联合西安交通大学等单位在开展富油煤原位热解先导性试验过程中。因此,目前尚未有关于富油煤原位热解技术研究现状的相关总结分析。在完成对大量研究资料的收集整理后,笔者结合本团队已经开展的部分研究工作,对富油煤的煤质特性及分布特性、原位热解加热方式、余热利用、储层压裂以及地下体系封闭技术等方面进行了概述,重点分析了不同原位加热技术的特点以及目前所面临的技术难点,为富油煤原位热解过程的高效加热及热能利用提供一定的理论参考,有望推动富油煤原位热解技术的进一步研发与应用。

摘要
ABSTRACT
我国富油煤资源量丰富,原位热解提取油气不仅可以实现富油煤的高效清洁低碳利用,还可以缓解油气对外依存度,是未来富油煤开采利用的重要发展方向之一。简述了富油煤的热物理性质及分布特性,地面热解和原位热解的工艺特点,重点阐述了富油煤原位热解(布井方式、加热方式、原位气化热解一体化、余热利用、储层压裂、地下封闭技术)的研究现状及进展,最后对富油煤原位热解技术的发展方向进行了展望。① 梯级利用是富油煤地面热解的重要途径,井工式原位热解可实现井下收油,但需解决长距离输运管道保温问题,钻孔式原位热解是通过高温介质或电加热进行热解,可采用矿区的分布式能源加热载热流体。② 推荐采用对流加热为主,其他加热方式为辅的复合加热技术,可利用原位热解后的余热预热载热流体,也可将煤层局部氧化反应的热量用于富油煤原位热解过程,降低载热流体的注热能耗。③ 原位气化热解一体化技术可有效提高热能利用率,但气化空腔需进行填充。④ 综合考虑储层压裂和富油煤原位热解孔隙变化规律,控制煤层裂缝生成路径,形成裂缝网络,以增强煤层热传导效率,降低油气产物在煤层中的运移难度。⑤ 根据富油煤热解工艺特点,选择适宜的地下体系封闭技术,可促进富油煤原位热解过程中能量的高效利用及生态环境保护,其中CO2气驱止水技术在实现地下体系封闭的同时,还可以进行油气驱替并实现CO2的地质封存。
部分图表

图 1   地下原位热处理概念示意


图 2   富油煤井工式原位热解工艺示意

图 3   富油煤钻孔式原位热解工艺示意

图 4   多煤层原位协同热解共采

图 5   传导加热技术示意

图 6   对流加热技术示意

图 7   辐射加热技术示意

图 8   TSA技术

图 9   原位气化与热解一体化示意

图 10   原位气化−热解−余热利用一体化示意

图 11   气驱止水系统

表 1   不同岩石热物理参数

表 2   富油煤原位热解不同热载体优缺点

表 3   不同原位加热技术基本原理及技术特点


作者简介

王苗,女,1988年4月26日生,陕西渭南人,西安交通大学城市学院教师,副教授,入选西安交通大学城市学院腾飞人才,西安交通大学在职博士。

研究方向

富油煤原位热解技术、直接空气碳捕集技术

主要成果

致力于能源化工过程优化的相关研究,聚焦富油煤原位热解提质、直接空气碳捕集利用方向。曾发表学术论文7篇,主持市厅级科研项目1项。


来源:

王苗,王长安,宁星,等. 富油煤原位热解技术研究现状及进展[J]. 煤炭学报,2024,49(9):3969−3984.
WANG Miao,WANG Chang’an,NING Xing,et al. Research progress of in-situ pyrolysis technology for tar-rich coal[J]. Journal of China Coal Society,2024,49(9):3969−3984.


责编丨钱小静

编辑丨李莎

审核丨郭晓炜

  责任编辑:宫在芹
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