專利名稱：低溫固體氧化物燃料電池法開采天然氣水合物及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低溫固體氧化物燃料電池法開采天然氣水合物及其裝置，屬于天 然氣開采領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
天然氣水合物是一種儲(chǔ)量巨大的能源。天然氣水合物廣泛存在于全球的深海地層 和永久結(jié)冰帶，據(jù)估計(jì)其總含量為2 X1016m3，海洋沉積天然氣水合物的儲(chǔ)量為(1 5) X IO15 m3,因其儲(chǔ)量巨大、能量密度高、分布廣、規(guī)模大等特點(diǎn)，被認(rèn)為是21世紀(jì)最理想的替 代能源，水合物的勘探和開發(fā)利用已成為全球性競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)，但是隨著過去幾百年來，大 氣中CO2濃度從280ppm上升到370 ppm,導(dǎo)致全球溫度逐漸上升，地球生態(tài)系統(tǒng)受到嚴(yán)重 的破壞。在海底，開采天然氣水合物時(shí)所要面臨的保護(hù)儲(chǔ)層的問題，及其考慮水合物開采的 經(jīng)濟(jì)性，適用性問題上，傳統(tǒng)的開采方法無法解決，就迫切需要提出一種新的開采方法來解 決當(dāng)前所面臨的問題。根據(jù)水合物的形成原理，用于水合物分解開采的理論方法有如下幾種
(1)熱開采法將熱量注入水合物沉積層，水合物吸收熱量后溫度升高引起水合物顆 粒的分解。Kamath認(rèn)為，可以從地面將熱的液體如水、鹽水、蒸汽注入到水合物開采層，或者 在水合物開采層燃燒高能量物質(zhì)以及采用電磁加熱，微波加熱等方法。巴斯尼耶夫和庫利 契茨基提出了運(yùn)用雙筒大水平距定向?qū)又悄芫夹g(shù)，利用放射性廢料(核廢料)放出的熱 量開采天然氣水合物的方法。熱開采技術(shù)需要額外的熱能提供，同時(shí)各種加熱設(shè)備的投入，以及全井范圍內(nèi)的 流體的循環(huán)都將大幅增加生產(chǎn)成本。(2)抑制劑刺激法該方法通過注入化學(xué)試劑使水合物熱動(dòng)力相平衡發(fā)生改變從 而引起水合物分解。但由于抑制劑成本比較高，這一方法只限于少量開發(fā)水合物時(shí)采用。前 蘇聯(lián)麥索雅哈水合物氣田使用了水合物抑制劑開采天然氣水合物的方法，得到了持久的具 有開采價(jià)值的天然氣，是目前世界上唯一的商業(yè)開采。抑制劑刺激法方法簡(jiǎn)單，使用方便；缺點(diǎn)是費(fèi)用昂貴，作用緩慢，不宜在開采大洋 水合物時(shí)使用，同時(shí)大規(guī)模的化學(xué)試劑的使用，將給環(huán)境帶來巨大的影響。
(3)減壓法即在一定溫度下，降低水合物礦藏的壓力到水合物相平衡壓力以下， 改變水合物的相平衡條件，促使水合物處在相平衡穩(wěn)定區(qū)域以外從而發(fā)生分解。Mallik 2006-2008使用了降壓開采法，在Mallik 2008開發(fā)測(cè)試項(xiàng)目中，連續(xù)6天(139 h)的開發(fā)， 天然氣產(chǎn)量達(dá)到2000 4000m3/d，累計(jì)產(chǎn)量約為13000 m3。但是由于沒有額外的熱量注入到水合物開采層，而水合物分解具有自保護(hù)效 應(yīng)，分解需要吸收熱量，且必須要外部熱量注入，開采緩慢，效率不高。同時(shí)，在Mallik 2006-2008項(xiàng)目中遇到了水合物分解所產(chǎn)出的流砂阻止了天然氣的連續(xù)泵出的問題。(4)氣體提升法這是日本學(xué)者提出的一種全新的開采方法，即將水合物以固態(tài) 形式從海底提升上來而不是原地分解。將一根管子插入到海底含水合物層，氣體從管子的中央吹入，氣體抬升使管子內(nèi)產(chǎn)生上升氣流，固體水合物隨著氣流上升，當(dāng)其接近海水表面 時(shí)，管道中的水合物因溫度的升高和壓力的降低而分解。過去幾百年以來，大量化石燃料的使用導(dǎo)致大氣中CO2濃度從280 ppm上升到370 ppm，全球溫室效應(yīng)加劇，引起海平面上升，并已經(jīng)嚴(yán)重的威脅到整個(gè)人類的生存和發(fā)展。我 國(guó)政府按照《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》和《京都議定書》制定了節(jié)能減排指標(biāo)，規(guī)定到2020 年全國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降40%-45%。所以，傳統(tǒng)的天然氣水合 物開采方法將面臨開采出的甲烷氣體燃燒后產(chǎn)生的溫室氣體的排放問題。同時(shí)，水合物的 開采可能使地層塌陷，尤其在海洋環(huán)境中，水合物在地層中起“粘合劑”的作用，水合物的開 采將導(dǎo)致地層的破壞，引起海洋地質(zhì)災(zāi)害，將對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境和沿海地區(qū)的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)產(chǎn)生 巨大影響。著名的挪威Storegga滑坡是世界上最大、最典型，研究最多的海底滑坡之一，就 是由水合物分解所導(dǎo)致的，并產(chǎn)生巨大的海嘯。如何既能開采水合物中所需要的甲烷，又不破壞儲(chǔ)層，同時(shí)也又不排放溫室氣體， 是目前所面臨的一個(gè)迫切問題。利用CO2置換天然氣水合物中CH4為我們指明了方向。2.1 CO2置換天然氣水合物開采法可行性分析
CH4水合物分解反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，且生成單位摩爾量CO2水合物放出的熱量大于分解 單位摩爾量CH4水合物吸收的熱量，反應(yīng)式如下
CO2 ( g) +nH20— CO2 (H2O) η Δ Hf = - 57.98 kj /mol (1) CH4(H2O) n— CH4( g) +ηΗ20 Δ Hf = 54. 49kJ /mol (2)
Ebinum從理論上指出，如果把海水和CO2氣體在一定溫度和壓力下分別注入CH4水 合物中，CO2傳遞給CH4水合物的熱量是海水傳遞的5. 7倍，在CO2水合物分解熱和注入 CO2時(shí)帶入熱量的作用下，CH4水合物發(fā)生分解。Anderson做了 CH4、CO2、H2O三元系統(tǒng)的相平衡圖，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度低于283 K時(shí)， CO2水合物的相平衡壓力比CH4水合物的低，說明CO2水合物的熱力學(xué)穩(wěn)定性比CH4水合 物強(qiáng)。Akihiro測(cè)量冰點(diǎn)以下CH4與CO2混和氣體水合物的平衡壓力與溫度時(shí)也發(fā)現(xiàn)了相 同的規(guī)律。通過實(shí)驗(yàn)證明CO2置換CH4水合物的可行性。Ohgaki等人用實(shí)驗(yàn)證明了 CO2置 換CH4水合物的可能性。在氣體交換過程中，人們發(fā)現(xiàn)CO2在水合物中的摩爾分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)大于 其在氣相中的摩爾分?jǐn)?shù)。Seo等人發(fā)現(xiàn)，在C02_CH4混合氣中，當(dāng)CO2的摩爾百分?jǐn)?shù)高于 40%時(shí)，水合物中的CO2摩爾百分?jǐn)?shù)將大于90%。隨著壓力的增加，CO2水合物濃度和水合 物相中它與甲烷的相關(guān)性將隨之增加。2.2 CO2置換天然氣水合物開采法存在的問題
CO2置換法開采天然氣水合物是當(dāng)今的一個(gè)研究熱點(diǎn)，具有遠(yuǎn)大的前途。但是，CO2置 換天然氣水合物中CH4也存在著多種需要解決的問題
(1)開采用CO2的生產(chǎn)，儲(chǔ)存，運(yùn)輸問題。從公式(1)，(2)中我們可以看出，開采出一定 摩爾質(zhì)量的甲烷，需要同等摩爾質(zhì)量的CO2，那么當(dāng)商業(yè)規(guī)模開采水合物時(shí)，就需要規(guī)模巨 大的CO2氣體，這么多的氣體的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸將增加大量的成本。(2)開采出甲烷的儲(chǔ)存，運(yùn)輸問題。商業(yè)規(guī)模開采天然氣水合物，開采出的甲烷氣 體的儲(chǔ)存和運(yùn)輸將帶來巨大的成本。同時(shí)，由于甲烷是可燃性氣體，又必將帶來很大的安全 急 ^^ ο
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(3)現(xiàn)有熱機(jī)效率問題。在當(dāng)今全球能源危機(jī)的情況下，傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)效率效率低 下，使用現(xiàn)有的天然氣發(fā)電機(jī)組，發(fā)電效率都在40%以下，不能有效的利用能源。(4)利用CO2置換法開采天然氣水合物，需要消耗大量的CO2氣體，同時(shí)，產(chǎn)出的甲 烷燃燒后又產(chǎn)生CO2,對(duì)開采用CO2的生產(chǎn)和甲烷燃燒排放的CO2的碳捕捉和儲(chǔ)存技術(shù)還不 成熟，同時(shí)也將耗費(fèi)大量的資金，大幅的增加成本。(5)大范圍置換開采能源效率問題。Masakiota在3. 6 MPa,273. 2 K下的實(shí)驗(yàn)結(jié) 果表明，在此溫度、壓力條件下，此置換反應(yīng)的反應(yīng)速率很慢。雖然水合物分解出的014摩 爾量隨著反應(yīng)時(shí)間的增加而增加，但反應(yīng)速率隨著時(shí)間的增加而迅速降低；同樣，形成 的CO2水合物的摩爾量和反應(yīng)速率也隨時(shí)間呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)。由于CO2置換開采甲烷 速率隨著時(shí)間的增加而迅速降低，從井口注入CO2，再?gòu)膬?chǔ)層抽出甲烷氣體，這種大范圍的 流體循環(huán)，將耗費(fèi)大量的能量，增加成本。CO2置換法開采天然氣水合物具有遠(yuǎn)大的前途，是當(dāng)今的研究熱點(diǎn)，但是如何解 決上述問題，是CO2置換法商業(yè)開采天然氣水合物的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種天然氣水合物開采方法以及裝置，利用低 溫固體氧化物燃料電池開采天然氣水合物實(shí)現(xiàn)了天然氣水合物的循環(huán)開采，克服了傳統(tǒng)開 采方法的缺點(diǎn)，同時(shí)也克服了 CO2置換開采速率隨時(shí)間的增加而急劇減小的缺點(diǎn)，能源轉(zhuǎn)化 效率高，安全環(huán)保，裝置簡(jiǎn)單，開采裝置可循環(huán)利用。本發(fā)明為解決上述提出的問題所采用解決方案為低溫固體氧化物燃料電池法開 采天然氣水合物，其特征是利用CO2置換開采出的CH4通入到低溫固體氧化物燃料電池中產(chǎn) 生電化學(xué)反應(yīng)后，產(chǎn)生電能，然后將反應(yīng)后產(chǎn)生的CO2通入到水合物儲(chǔ)層中，置換出CH4，使 整個(gè)裝置持續(xù)循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)，其具體步驟是先在水合物埋藏區(qū)域鉆水合物開采井，下入生產(chǎn)套 管至水合物儲(chǔ)層所在位置，在生產(chǎn)套管和水合物開采井的井壁之間注入525號(hào)早強(qiáng)低熱礦 渣水泥，進(jìn)行固井；然后對(duì)水合物儲(chǔ)層進(jìn)行射孔；在完井的時(shí)候，使用壓裂液對(duì)水合物儲(chǔ)層 進(jìn)行充分的壓裂；在生產(chǎn)井上方組裝高低溫吸氣泵、饒絲篩管、輸氣管道、加熱電纜和低溫 固體氧化物燃料電池，下入到生產(chǎn)套管內(nèi)，并利用固定封隔器封隔生產(chǎn)套管和繞絲篩管之 間的環(huán)狀空間，使低溫固體氧化物燃料電池產(chǎn)生的CO2和置換出的CH4不能溢出；再將CO2 所置換天然氣水合物產(chǎn)生的CH4通入到低溫固體氧化物燃料電池陽極，并從地面通入空氣 到低溫固體氧化物燃料電池陰極，使CH4和O2在低溫固體氧化物燃料電池中產(chǎn)生電化學(xué)反 應(yīng)，產(chǎn)生電能；然后將低溫固體氧化物燃料電池產(chǎn)生的CO2通入到水合物儲(chǔ)層中，置換出甲 烷，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的持續(xù)循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)。按上述方案，所述的壓裂液中含有PVP K90 (聚乙烯吡咯烷酮)1%、SDS(十二烷基 硫酸鈉)0. 028%和THF (四氫呋喃)0. 05%，質(zhì)量百分比計(jì)。用于低溫固體氧化物燃料電池法開采天然氣水合物的裝置，其特征在于包括有輸 氣管道、進(jìn)氣口空氣泵、高低溫吸氣泵、直流電-交流電轉(zhuǎn)化裝置(DC/AC)、加熱電纜、電源、 出氣口空氣泵、隔熱層、固定封隔器、水合物開采井、生產(chǎn)套管、饒絲篩管、射孔、管堵和低溫 固體氧化物燃料電池，
其中生產(chǎn)套管位于水合物開采井中水合物儲(chǔ)層位置處，饒絲篩管位于生產(chǎn)套管內(nèi)水合物儲(chǔ)層位置處；固定封隔器位于生產(chǎn)套管和饒絲篩管之間；低溫固體氧化物燃料電池位于 饒絲篩管內(nèi)部，所述的低溫固體氧化物燃料電池包括低溫固體氧化物燃料電池陽極、低溫 固體氧化物燃料電池陰極和低溫固體氧化物燃料電池電解質(zhì)，低溫固體氧化物燃料電池電 解質(zhì)位于低溫固體氧化物燃料電池陽極和低溫固體氧化物燃料電池陰極之間；直流電_交 流電轉(zhuǎn)化裝置通過電纜與低溫固體氧化物燃料電池陽極和低溫固體氧化物燃料電池陰極 相連；輸氣管道連接低溫固體氧化物燃料電池陽極的進(jìn)氣口和高低溫吸氣泵，高低溫吸氣 泵位于饒絲篩管內(nèi)部和低溫固體氧化物燃料電池上方，高低溫吸氣泵通過輸氣管道將固定 封隔器所封隔的生產(chǎn)套管和饒絲篩管之間的上部環(huán)狀空間與低溫固體氧化物燃料電池陽 極相連；低溫固體氧化物燃料電池陽極的出氣口與固定封隔器所封隔的生產(chǎn)套管和饒絲篩 管之間的下部環(huán)狀空間相連；低溫固體氧化物燃料電池陰極的進(jìn)氣口與地面的進(jìn)氣口空氣 泵相連，出氣口與出氣口空氣泵相連；加熱電纜緊貼低溫固體氧化物燃料電池，電源與加熱 電纜連接；射孔均勻布置于水合物儲(chǔ)層中；管堵位于饒絲篩管的底端。按上述方案，所述的生產(chǎn)套管和井壁之間的環(huán)狀空間注有525號(hào)早強(qiáng)低熱礦渣水 泥，以進(jìn)行固井，在饒絲篩管和生產(chǎn)套管之間的環(huán)狀空間填充礫石，用于防止水合物分解產(chǎn) 生的泥沙涌入低溫固體氧化物燃料電池內(nèi)。按上述方案，所述的饒絲篩管內(nèi)部設(shè)置有隔熱層，其緊附在饒絲篩管的內(nèi)壁和低 溫固體氧化物燃料電池的外部，隔熱層用于隔絕低溫固體氧化物燃料電池產(chǎn)生的熱擴(kuò)散到 水合物儲(chǔ)層，防止水合物大量分解產(chǎn)生泥沙，進(jìn)而涌入至裝置內(nèi)部，堵塞整個(gè)管道。按上述方案，所述的固定封隔器包括有上部封隔器、中部封隔器和下部封隔器，所 述的上部封隔器、中部封隔器和下部封隔器把生產(chǎn)套管和饒絲篩管之間的環(huán)狀空間分為兩 段，上部封隔器位于水合物儲(chǔ)層之上，下部封隔器位于水合物儲(chǔ)層之下，中部封隔器位于上 部封隔器和下部封隔器中間；上部封隔器和下部封隔器用于封隔被置換出的CH4和低溫固 體氧化物燃料電池產(chǎn)生的CO2，使之不能擴(kuò)散到固定封隔器之外，中部封隔器和上部封隔 器、下部固定封隔器聯(lián)用，分隔從地層中被置換出的CH4和通入到水合物儲(chǔ)層中的CO2，在整 個(gè)裝置和天然氣水合物儲(chǔ)層形成循環(huán)的回路。本發(fā)明的生產(chǎn)套管為單層，直徑273. Imm,對(duì)水合物儲(chǔ)層進(jìn)行高密度(30孔/m)、小 孔徑(3 7mm)的射孔，射孔遍布整個(gè)水合物儲(chǔ)層。然后對(duì)水合物儲(chǔ)層進(jìn)行充分壓裂，所述 的壓裂液中含有PVP K90 (聚乙烯吡咯烷酮)1%、SDS (十二烷基硫酸鈉)0. 028%和THF (四 氫呋喃)0. 05%，質(zhì)量百分比計(jì)，以加快CO2置換天然氣水合物生成速度。饒絲篩管在生 產(chǎn)套管內(nèi)部水合物儲(chǔ)層位置，用礫石充填饒絲篩管與生產(chǎn)套管之間的空隙，用于防止井壁 坍塌和水合物分解產(chǎn)生的泥沙涌入至開采裝置中，堵塞輸氣管道。所采用的礫石尺寸為 1. 19(T0. 584mm之間，圓度和球度大于0. 6 ；所采用的饒絲篩管為不銹鋼饒絲篩管，直徑為 142mm，饒絲縫隙為0. 3^0. 38mm。并利用固定封隔器封隔生產(chǎn)套管和繞絲篩管之間的環(huán)狀空 隙，使燃料電池產(chǎn)生的CO2和置換出的CH4不能溢出。進(jìn)氣口空氣泵用于抽取地面上的空氣， 通入至低溫固體氧化物燃料電池的陰極，為低溫固體氧化物燃料電池發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)提供 氧化劑，并為空氣在整個(gè)裝置中的循環(huán)提供動(dòng)能；出氣口空氣泵抽取低溫固體氧化物燃料 電池的陰極中反應(yīng)后的空氣，為空氣在整個(gè)裝置中的循環(huán)提供動(dòng)能。加熱電纜用于防止當(dāng) 整個(gè)裝置停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，輸氣管道和送氣管道中CH4、C02和水產(chǎn)生水合物堵塞管道；低溫固體 氧化物燃料電池的正常工作需要的一定的溫度，在200°C以上，加熱電纜用于使低溫固體氧化物燃料電池達(dá)到啟動(dòng)溫度，同時(shí)，利用隔熱層隔熱。低溫固體氧化物燃料電池電解質(zhì)是摻 雜DCO (氧化鈰)的氧化釓(⑶C)作電解質(zhì)，低溫固體氧化物燃料電池采用NiO-GDC作為陽 極，鑭鍶鈷鐵氧化物(LSCF)-GDC作為陰極，管徑為1.6 mm、陰極長(zhǎng)度為10 mm的S0FC，數(shù)個(gè) 微管式低溫固體氧化物燃料電池串聯(lián)共同組成整個(gè)電池系統(tǒng)。本發(fā)明利用低溫固體氧化物燃料電池產(chǎn)生的帶有一點(diǎn)熱量的CO2通入到已經(jīng)壓裂 的，壓裂液中含有PVP K90、SDS和THF的天然氣水合物地層中，循環(huán)置換出甲烷，低溫固體 氧化物燃料電池同時(shí)產(chǎn)生電能發(fā)電，其具體步驟是先在水合物埋藏區(qū)域鉆水合物開采井， 開采井直徑444. 5mm，下入生產(chǎn)套管至水合物儲(chǔ)層所在位置，在生產(chǎn)套管和水合物開采井的 井壁之間注入525號(hào)早強(qiáng)低熱礦渣水泥，進(jìn)行固井；然后對(duì)水合物儲(chǔ)層進(jìn)行射孔；在完井的 時(shí)候?qū)λ衔飪?chǔ)層進(jìn)行充分的壓裂得到壓裂液，壓裂液中含有PVP K90(聚乙烯吡咯烷酮) 1%+SDS (十二烷基硫酸鈉)0. 028%+THF(四氫呋喃)0. 05% ；在生產(chǎn)井上方組裝高低溫吸氣 泵、饒絲篩管、輸氣管道、加熱電纜和低溫固體氧化物燃料電池，下入生產(chǎn)套管內(nèi)，并利用固 定封隔器封隔生產(chǎn)套管和繞絲篩管之間的環(huán)狀空間，使燃料電池產(chǎn)生的CO2和置換出的CH4 不能溢出；連接高低溫吸氣泵和電源，連接地面上進(jìn)氣口空氣泵、出氣口空氣泵和低溫固體 氧化物燃料電池陰極，連接加熱電纜和電源；開通電源，加熱電纜工作，使溫度達(dá)到低溫固 體氧化物燃料電池的啟動(dòng)溫度，同時(shí)，開啟進(jìn)氣口空氣泵和出氣口空氣泵，泵送空氣到低溫 固體氧化物燃料電池陰極，開啟高低溫吸氣泵，從水合物儲(chǔ)層中抽取CH4 ；低溫固體氧化物 燃料電池工作，低溫固體氧化物燃料電池陽極對(duì)甲烷CH4進(jìn)行內(nèi)部重整，使CH4在陽極生成 C02+2H20。通過輸送管道，輸送至水合物儲(chǔ)層中。同時(shí)，反應(yīng)過后的空氣抽出排放至地面。 發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)方程式為
2C0+02=2C02(3)；
2H2+02=2H20(4)；
由于低溫固體燃料電池工作具有一定的溫度(>200°C)，從燃料電池陽極排出的CO2和 H2O具有一定的熱量，通入到水合物地層中，于天然氣水合物進(jìn)行置換反應(yīng)，置換出CH4。由 于一個(gè)CH4分子發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)CO2和2H20，天然氣水合物的結(jié)構(gòu)分為I型和II 型，I型結(jié)構(gòu)天然氣水合物的晶胞由46個(gè)水分子組成，形成2個(gè)小空腔和6個(gè)大空腔，可安 置8個(gè)CH4或者C02，II型由136個(gè)水分子和16個(gè)小空腔和8個(gè)大空腔，可以安置24個(gè)CH4 或者CO2，所以當(dāng)天然氣水合物晶格所有空腔均被氣體分子充填時(shí)，水分子和天然氣水合物 形成劑分子的極限比(η值)I型為5. 75，II型為17，然而在實(shí)際條件下，由于天然氣水合 物晶格空隙沒有完全被充填，故η值要高很多。所以燃料電池陽極排出的H2O分子對(duì)CO2置 換天然氣水合物影響不大；帶有一定熱量的CO2在含有SDS+THF+PVP Κ90的天然氣水合物 地層進(jìn)行置換反應(yīng)，置換出CH4(此一步兼具有加熱開采和抑制劑開采的特點(diǎn)，目的是為了 提高CO2置換天然氣水合物反應(yīng)的速率)
CO2 ( g) +nH20— CO2 (H2O) η Δ Hf = - 57.98 kj /mol(5)
CH4(H2O) η — CH4( g) +ηΗ20 Δ Hf = 54. 49kJ /mol(6)
同時(shí)，高低溫吸氣泵把置換出的CH4抽出，送至低溫固體氧化物燃料電池的陽極，進(jìn)行 循環(huán)反應(yīng)；低溫固體氧化物燃料電池產(chǎn)生的電能經(jīng)過DC/AC (直流電/交流電)裝置，轉(zhuǎn)化 為交流電，并入電網(wǎng)。低溫固體氧化物燃料電池法開采天然氣水合物綜合了傳統(tǒng)開采方法和CO2置換天
8然氣水合物方法的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了不需要外部熱流體或者外部CO2的注入，實(shí)現(xiàn)整個(gè)開 采的連續(xù)循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)。采用低溫固體氧化物燃料電池法開采天然氣水合物，克服了傳統(tǒng)水合 物開采方法破壞水合物地層的難題，實(shí)現(xiàn)了 CO2氣體的零排放，解決了化石燃料燃燒后二氧 化碳的捕捉和儲(chǔ)存問題，同時(shí)，也解決了單純使用CO2置換天然氣水合物反應(yīng)效率低下，不 具備大規(guī)模商業(yè)開采的限制。再次，利用低溫固體氧化物燃料電池法開采天然氣水合物解 決了開采出來的甲烷的儲(chǔ)存與運(yùn)輸問題。最后，利用低溫固體氧化物燃料電池法開采水合 物，直接產(chǎn)生電能，能量轉(zhuǎn)化的效率遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的發(fā)電方法，同時(shí)可靠性高，環(huán)境效益好，具 有很大的應(yīng)用前景。 相對(duì)于傳統(tǒng)的水合物開采方法，利用低溫固體氧化物燃料電池法開采天然氣水合 物具有以下優(yōu)點(diǎn)
(1)低溫固體氧化物燃料電池法開采天然氣水合物，利用燃料電池生成的CO2置換水合 物地層的甲烷，在不破壞水合物地層的條件下開采出甲烷。有效的解決了傳統(tǒng)水合物開采 方法破壞地層導(dǎo)致的凍土地區(qū)地面沉降和海底地質(zhì)災(zāi)害的問題；
(2)低溫固體氧化物燃料電池法開采天然氣水合物，通過CO2置換水合物地層的甲 烷，使反應(yīng)在水合物地層中進(jìn)行，不破壞地層，有效的解決了降壓法開采導(dǎo)致的砂堵塞的問 題；
(3)低溫固體氧化物燃料電池法開采天然氣水合物，通過燃料電池進(jìn)行發(fā)電，在開采出 水合物地層中所蘊(yùn)藏的能量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了 CO2的零排放，對(duì)當(dāng)今全球溫室效應(yīng)問題的解決 具有重大的意義；
(4)利用低溫固體氧化物燃料電池法開采天然氣水合物進(jìn)行發(fā)電，在得到了水合物地 層中甲烷所蘊(yùn)藏的能量的同時(shí)，又解決了傳統(tǒng)開采方法開采出甲烷的儲(chǔ)存和運(yùn)輸問題，也 解決了只用CO2置換法開采水合物所需的巨大體積的CO2的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸問題；
(5)利用低溫固體氧化物燃料電池法開采天然氣水合物，由于燃料電池的組裝很方便， 能循環(huán)利用，有效的降低了設(shè)備的投入，減低了成本；
(6)利用低溫固體氧化物燃料電池法開采天然氣水合物可以使用廣泛的的碳?xì)淙剂稀?同時(shí)低溫固體氧化物燃料電池可以實(shí)現(xiàn)碳?xì)淙剂系闹苯觾?nèi)部重整，而不必像質(zhì)子交換膜燃 料電池(PEMFC)那樣，需要復(fù)雜、昂貴的外部燃料重整器。內(nèi)部重整可以提高效率，簡(jiǎn)化系 統(tǒng)的復(fù)雜性，從而降低成本；
(7)運(yùn)用低溫固體氧化物燃料電池開采水合物還具有燃料電池所具有的優(yōu)點(diǎn)①發(fā)電 效率高。從理論上講，因此其能量轉(zhuǎn)換效率不受“卡諾循環(huán)”的限制，能量轉(zhuǎn)換效率可高達(dá) 60%-80%，固體氧化物燃料電池的效率更高。而且，燃料電池的效率與其規(guī)模無關(guān)，因而在保 持高燃料效率時(shí)，燃料電池可在其半額定功率下運(yùn)行。常壓運(yùn)行的小型SOFC發(fā)電效率能達(dá) 到45%-50%。高壓SOFC與燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)合，發(fā)電效率能達(dá)到70%。國(guó)外的公司及研究機(jī)構(gòu)相 繼開展了 SOFC電站的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)，IOOkff管式SOFC電站己經(jīng)在荷蘭運(yùn)行。Westinghouse 公司不但試驗(yàn)了多個(gè)kW級(jí)S0FC，而且正在研究麗級(jí)SOFC與燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)。日本的 三菱重工及德國(guó)的Siemens公司都進(jìn)行了 SOFC發(fā)電系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。②可靠性高。與燃 燒渦輪機(jī)循環(huán)系統(tǒng)或內(nèi)燃機(jī)相比，燃料電池動(dòng)部件很少，因而系統(tǒng)更加安全可靠。燃料電池 從未發(fā)生過像燃燒渦輪機(jī)或內(nèi)燃機(jī)因轉(zhuǎn)動(dòng)部件失靈而發(fā)生惡性事故。③良好的環(huán)境效益。 利用燃料電池發(fā)電是一種滿足環(huán)境需求的高效潔凈能源技術(shù)，可以避免傳統(tǒng)火力發(fā)電廠排
9放的廢棄物，如顆粒物(粉塵)、硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)、碳?xì)浠衔?HC)以及廢 水、廢渣等。燃料電池是各種能量轉(zhuǎn)換裝置中危險(xiǎn)性最小的。同時(shí)因?yàn)樗拿靠谏a(chǎn)井的 規(guī)模小，無燃燒循環(huán)系統(tǒng)，污染物排放量極少，環(huán)境友好性強(qiáng)，具有遠(yuǎn)大的前途。④良好的操 作性能。燃料電池具有其它技術(shù)無可比擬的優(yōu)良的操作性能，這也節(jié)省了運(yùn)行費(fèi)用。動(dòng)態(tài) 操作性能包括對(duì)負(fù)荷的響應(yīng)性、發(fā)電參數(shù)的可調(diào)性、突發(fā)性停電時(shí)的快速響應(yīng)能力、線電壓 分布及質(zhì)量控制。⑤發(fā)展?jié)摿薮?。燃料電池在效率上的突破，使其可與所有的傳統(tǒng)發(fā)電 技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)。世界各國(guó)都投入了大量的人力、物力進(jìn)行研究，低溫固體氧化物燃料電池的操作 溫度，效率，穩(wěn)定性大幅提高，并取得飛躍的進(jìn)展。


圖1是低溫固體氧化物燃料電池開采天然氣水合物原理圖； 圖2是低溫固體氧化物燃料電池示意圖。圖中1.低溫固體氧化物燃料電池陽極、2.低溫固體氧化物燃料電池陰極、3.低 溫固體氧化物燃料電池電解質(zhì)、4.輸氣管道、5.進(jìn)氣口空氣泵、6.高低溫吸氣泵、7.直流 電-交流電轉(zhuǎn)化裝置(DC/AC)、8.加熱電纜、9.電源、10.出氣口空氣泵、11.隔熱層、12.固 定封隔器、13.水合物開采井、14.生產(chǎn)套管、15.水合物儲(chǔ)層、16.饒絲篩管、17.礫石、 18. 525號(hào)早強(qiáng)低熱礦渣水泥、19.射孔、20.管堵、21.低溫固體氧化物燃料電池。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的描述。用于低溫固體氧化物燃料電池法開采天然氣水合物的裝置，包括有輸氣管道4、進(jìn) 氣口空氣泵5、高低溫吸氣泵6、直流電-交流電轉(zhuǎn)化裝置(DC/AC) 7、加熱電纜8、電源9、出 氣口空氣泵10、隔熱層11、固定封隔器12、水合物開采井13、生產(chǎn)套管14、饒絲篩管16、射 孔19、管堵20和低溫固體氧化物燃料電池21，
其中生產(chǎn)套管14位于水合物開采井13中水合物儲(chǔ)層15位置處，饒絲篩管16位于生 產(chǎn)套管14內(nèi)水合物儲(chǔ)層15位置處；固定封隔器12位于生產(chǎn)套管14和饒絲篩管16之間； 低溫固體氧化物燃料電池21位于饒絲篩管16內(nèi)部，所述的低溫固體氧化物燃料電池21包 括低溫固體氧化物燃料電池陽極1、低溫固體氧化物燃料電池陰極2和低溫固體氧化物燃 料電池電解質(zhì)3，低溫固體氧化物燃料電池電解質(zhì)3位于低溫固體氧化物燃料電池陽極1和 低溫固體氧化物燃料電池陰極2之間；直流電-交流電轉(zhuǎn)化裝置7通過電纜與低溫固體氧 化物燃料電池陽極1和低溫固體氧化物燃料電池陰極2相連；輸氣管道4連接低溫固體氧 化物燃料電池陽極1的進(jìn)氣口和高低溫吸氣泵6，高低溫吸氣泵6位于饒絲篩管16內(nèi)部和 低溫固體氧化物燃料電池21上方，高低溫吸氣泵6通過輸氣管道4將固定封隔器12所封 隔的生產(chǎn)套管14和饒絲篩管16之間的上部環(huán)狀空間與低溫固體氧化物燃料電池陽極1相 連；低溫固體氧化物燃料電池陽極1的出氣口與固定封隔器12所封隔的生產(chǎn)套管14和饒 絲篩管16之間的下部環(huán)狀空間相連；低溫固體氧化物燃料電池陰極2的進(jìn)氣口與地面的進(jìn) 氣口空氣泵5相連，出氣口與出氣口空氣泵10相連；加熱電纜8緊貼低溫固體氧化物燃料 電池21，電源9與加熱電纜8連接；射孔19均勻布置于水合物儲(chǔ)層15中；管堵20位于饒 絲篩管16的底端。
所述的生產(chǎn)套管14和井壁之間的環(huán)狀空間注有525號(hào)早強(qiáng)低熱礦渣水泥18，以進(jìn) 行固井，在饒絲篩管16和生產(chǎn)套管14之間的環(huán)狀空間填充礫石17，用于防止水合物分解產(chǎn) 生的泥沙涌入低溫固體氧化物燃料電池21內(nèi)。所述的饒絲篩管16內(nèi)部設(shè)置有隔熱層11，其緊附在饒絲篩管16的內(nèi)壁和低溫固 體氧化物燃料電池21的外部，隔熱層11用于隔絕低溫固體氧化物燃料電池21產(chǎn)生的熱擴(kuò) 散到水合物儲(chǔ)層15，防止水合物大量分解產(chǎn)生泥沙，進(jìn)而涌入至裝置內(nèi)部，堵塞整個(gè)管道。所述的固定封隔器12包括有上部封隔器、中部封隔器和下部封隔器，所述的上部 封隔器、中部封隔器和下部封隔器把生產(chǎn)套管14和饒絲篩管16之間的環(huán)狀空間分為兩段， 上部封隔器位于水合物儲(chǔ)層15之上，下部封隔器位于水合物儲(chǔ)層15之下，中部封隔器位于 上部封隔器和下部封隔器中間；上部封隔器和下部封隔器用于封隔被置換出的CH4和低溫 固體氧化物燃料電池產(chǎn)生的CO2,使之不能擴(kuò)散到固定封隔器12之外，中部封隔器和上部封 隔器、下部固定封隔器聯(lián)用，分隔從地層中被置換出的CH4和通入到水合物儲(chǔ)層中的0)2，在 整個(gè)裝置和天然氣水合物儲(chǔ)層形成循環(huán)的回路。本發(fā)明的生產(chǎn)套管14為單層，直徑273. Imm,對(duì)水合物儲(chǔ)層15進(jìn)行高密度(30孔/ m)、小孔徑(3 7mm)的射孔，射孔19遍布整個(gè)水合物儲(chǔ)層15。然后對(duì)水合物儲(chǔ)層15進(jìn)行充 分壓裂，所述的壓裂液中含有PVP K90 (聚乙烯吡咯烷酮)1%、SDS (十二烷基硫酸鈉)0. 028% 和THF(四氫呋喃)0. 05%，質(zhì)量百分比計(jì)，以加快CO2置換天然氣水合物生成速度。饒絲篩 管16在生產(chǎn)套管14內(nèi)部水合物儲(chǔ)層15位置，用礫石17充填饒絲篩管16與生產(chǎn)套管14之 間的空隙，用于防止井壁坍塌和水合物分解產(chǎn)生的泥沙涌入至開采裝置中，堵塞輸氣管道。 所采用的礫石17尺寸為1. 19(T0. 584mm之間，圓度和球度大于0. 6 ；所采用的饒絲篩管16 為不銹鋼饒絲篩管，直徑為142mm，饒絲縫隙為0. 3^0. 38mm。并利用固定封隔器12封隔生 產(chǎn)套管14和繞絲篩管16之間的環(huán)狀空隙，使燃料電池產(chǎn)生的CO2和置換出的CH4不能溢 出。進(jìn)氣口空氣泵5用于抽取地面上的空氣，通入至低溫固體氧化物燃料電池的陰極2，為 低溫固體氧化物燃料電池發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)提供氧化劑，并為空氣在整個(gè)裝置中的循環(huán)提供 動(dòng)能；出氣口空氣泵10抽取低溫固體氧化物燃料電池的陰極2中反應(yīng)后的空氣，為空氣在 整個(gè)裝置中的循環(huán)提供動(dòng)能。加熱電纜8用于防止當(dāng)整個(gè)裝置停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，輸氣管道和送 氣管道中CH4、C02和水產(chǎn)生水合物堵塞管道；低溫固體氧化物燃料電池21的正常工作需要 的一定的溫度，在200°C以上，加熱電纜8用于使低溫固體氧化物燃料電池21達(dá)到啟動(dòng)溫 度，同時(shí)，利用隔熱層11隔熱。低溫固體氧化物燃料電池電解質(zhì)3是摻雜DCO (氧化鈰)的 氧化釓(⑶C)作電解質(zhì)，低溫固體氧化物燃料電池21采用NiO-GDC作為陽極，鑭鍶鈷鐵氧 化物(LSCF)-GDC作為陰極，管徑為1.6 mm、陰極長(zhǎng)度為10 mm的S0FC，數(shù)個(gè)微管式低溫固 體氧化物燃料電池串聯(lián)共同組成整個(gè)電池系統(tǒng)。
如圖1所示，先在水合物埋藏區(qū)域，通過鉆井平臺(tái)鉆一水合物開采井13，下入生產(chǎn)套管 14至水合物儲(chǔ)層15所在位置，在生產(chǎn)套管和水合物開采井13的井壁之間的環(huán)狀空間中注 入525號(hào)早強(qiáng)低熱礦渣水泥18，進(jìn)行固井；通過定向射孔槍射穿套管，在水合物儲(chǔ)層15里 形成深度約20 40cm，平均直徑在3cm 7cm之間的若干個(gè)洞穴，射孔的洞穴均勻分布在 整個(gè)水合物儲(chǔ)層15中，在完井的時(shí)候，對(duì)水合物儲(chǔ)層15進(jìn)行充分的壓裂，壓裂液中含有PVP K90 (聚乙烯吡咯烷酮)1%+SDS (十二烷基硫酸鈉)0. 028%+THF(四氫呋喃)0. 05%,質(zhì)量百分比計(jì)；PVP K90、SDS和THF能夠克服CO2置換天然氣水合物速率隨時(shí)間的增加而急劇降 低的缺點(diǎn)；在地面上生產(chǎn)井上方把高低溫氣泵6、輸氣管道4、加熱電纜8、低溫固體氧化物 燃料電池21和饒絲篩管16 —起組裝，下入到生產(chǎn)套管14內(nèi)水合物儲(chǔ)層15的位置；生產(chǎn) 套管14和饒絲篩管16之間的環(huán)狀空間用礫石17填充，礫石17尺寸在1. 19(T0. 584mm之 間，圓度和球度大于0. 6 ；所采用的饒絲篩管為不銹鋼饒絲篩管，直徑為142mm，饒絲縫隙為 0. 3^0. 38mm ；生產(chǎn)套管14和饒絲篩管16之間的環(huán)狀空間用固定封隔器12封隔成如圖1所 示的兩端空間。低溫固體氧化物燃料電池21分為低溫固體氧化物燃料電池陽極1、低溫固體氧化 物燃料電池陰極2和低溫固體氧化物燃料電池電解質(zhì)3。在低溫固體氧化物燃料電池陽極 1，利用高低溫吸氣泵6從水合物儲(chǔ)層15中抽取已經(jīng)置換出的甲烷，進(jìn)入低溫固體氧化物燃 料電池陽極1。在低溫固體氧化物燃料電池陰極2，進(jìn)氣口空氣泵5從地表抽取的空氣進(jìn)入 陰極，在合適的操作溫度下，氧離子通過低溫固體氧化物燃料電池電解質(zhì)3傳到低溫固體 氧化物燃料電池陽極1，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能。產(chǎn)生的電能通過直流電-交流電轉(zhuǎn)化 裝置(DC/AC) 7并入到電網(wǎng)。產(chǎn)生的CO2通過輸氣管道4，輸送至水合物儲(chǔ)層15，置換出甲 烷，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的持續(xù)循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)，反應(yīng)過后的空氣通過出氣口空氣泵10抽出， 排放至地面。由于CO2帶有一定的熱量，在含有SDS和THF溶液的水合物儲(chǔ)層15中，能夠 大幅的加快CO2反應(yīng)的速率。在水合物儲(chǔ)層中主要進(jìn)行的是置換反應(yīng)。反應(yīng)的方程式如下 CO2 ( g) +nH20— CO2 (H2O) η Δ Hf = - 57.98 kj /mol (1)
CH4(H2O) η — CH4( g) +ηΗ20 Δ Hf = 54. 49kJ /mol (2)
由于置換反應(yīng)為放熱反應(yīng)，所以可以在水合物地層中自發(fā)進(jìn)行。產(chǎn)出的甲烷，通過壓裂 的通道，輸送至低溫固體氧化物燃料電池陽極1的進(jìn)氣口，為低溫固體氧化物燃料電池21 的持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)提供燃料。由于水合物儲(chǔ)層15溫度很低，大約在0°C左右，同時(shí)，當(dāng)?shù)蜏毓腆w氧化物燃料電池 21工作的時(shí)候，整個(gè)裝置的工作溫度在200°C以上，所以，加熱電纜8有兩個(gè)作用(1)當(dāng)整 個(gè)裝置停止工作時(shí)，裝置中CH4和CO2和管道中所含有的水蒸氣在合適的溫度和壓力下生成 甲烷水合物或者二氧化碳水合物，堵塞整個(gè)裝置，加熱電纜8加熱整個(gè)裝置，消除水合物； (2)由于低溫固體氧化物燃料電池21的工作溫度在200°C以上，通過加熱電纜8，使整個(gè)裝 置的溫度高于200°C，從而達(dá)到低溫固體氧化物燃料電池21的啟動(dòng)溫度，使整個(gè)開采裝置 正常工作。電源9負(fù)責(zé)為加熱電纜8提供電能。隔熱層11是為了防止低溫固體氧化物燃 料電池工作產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)水合物儲(chǔ)層15中去，從而導(dǎo)致天然氣水合物的大量分解，同時(shí) 也防止置換反應(yīng)生成的CO2水合物分解。
圖2是低溫固體氧化物燃料電池示意圖。低溫固體氧化物甲烷燃料電池21包括有低溫固體氧化物燃料電池陽極1，低溫 固體氧化物燃料電池陰極2和低溫固體氧化物燃料電池電解質(zhì)3。低溫固體氧化物燃料電 池21所用的電解質(zhì)是低溫下具有較高離子電導(dǎo)率摻雜DCO (氧化鈰)的氧化釤(SDC)或氧 化釓(GDC)作電解質(zhì)，操作溫度可以低至200°C。從水合物儲(chǔ)層15中分解的甲烷經(jīng)過送氣 管道進(jìn)入低溫固體氧化物燃料電池陽極1，同時(shí)，從地面的進(jìn)氣口空氣泵送空氣進(jìn)入低溫固體氧化物燃料電池陰極2 (多孔氧化劑極);經(jīng)過反應(yīng)，在低溫固體氧化物燃料電池陽極1生 成H2O和CO2,經(jīng)過陽極輸氣管道輸送至水合物儲(chǔ)層15進(jìn)行反應(yīng)。而在低溫固體氧化物燃 料電池陰極2，部分氧氣參與了反應(yīng)，剩余空氣從輸氣管道送至地面。低溫固體氧化物燃料 電池21采用NiO-GDC作為低溫固體氧化物燃料電池陽極1，鑭鍶鈷鐵氧化物(LSCF) -GDC作 為低溫固體氧化物燃料電池陰極2，管徑為1. 6 mm、陰極長(zhǎng)度為7 mm的S0FC。在低溫固體氧化物燃料電池陽極1中，低溫固體氧化物燃料電池陽極1對(duì)甲烷CH4 進(jìn)行內(nèi)部重整，這個(gè)內(nèi)部重整直接通過陽極來實(shí)現(xiàn)。在直接內(nèi)部重整中，低溫固體氧化物燃 料電池陽極1首先是作為碳?xì)淙剂系闹卣呋瘎?，催化碳?xì)淙剂限D(zhuǎn)化為H2和C0，然后作為 電催化劑分別將H2和CO電化學(xué)氧化成H2O和CO2,同時(shí)還要作為導(dǎo)電電極。低溫固體氧化 物燃料電池陰極2把的氧氣催化成02_，低溫固體氧化物燃料電池電解質(zhì)3傳送氧離子，使 CH4在陽極生CO2和H2O。2CH4 + O2 — 2C0 + 4H2
整個(gè)低溫固體氧化物燃料電池21反應(yīng)機(jī)理如下 陽極CH4+402-=C02+2H20+8e-陰極202+8e-=402_
產(chǎn)生的電能通過直流電-交流電轉(zhuǎn)化裝置(DC/AC) 7，并入到電網(wǎng)。
1權(quán)利要求
低溫固體氧化物燃料電池法開采天然氣水合物，其特征在于利用CO2置換開采出的CH4通入到低溫固體氧化物燃料電池中產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)后，產(chǎn)生電能，然后將反應(yīng)后產(chǎn)生的CO2通入到水合物儲(chǔ)層中，置換出CH4，使整個(gè)裝置持續(xù)循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)，其具體步驟是先在水合物埋藏區(qū)域鉆水合物開采井(13)，下入生產(chǎn)套管(14)至水合物儲(chǔ)層(15)所在位置，在生產(chǎn)套管(14)和水合物開采井(13)的井壁之間注入525號(hào)早強(qiáng)低熱礦渣水泥(18)，進(jìn)行固井；然后對(duì)水合物儲(chǔ)層(15)進(jìn)行射孔；在完井的時(shí)候，使用壓裂液對(duì)水合物儲(chǔ)層(15)進(jìn)行充分的壓裂；在生產(chǎn)井上方組裝高低溫吸氣泵(6)、饒絲篩管(16)、輸氣管道(4)、加熱電纜(8)和低溫固體氧化物燃料電池(21)，下入到生產(chǎn)套管(14)內(nèi)，并利用固定封隔器(12)封隔生產(chǎn)套管(14)和繞絲篩管(16)之間的環(huán)狀空間，使低溫固體氧化物燃料電池產(chǎn)生的CO2和置換出的CH4不能溢出；再將CO2所置換天然氣水合物產(chǎn)生的CH4通入到低溫固體氧化物燃料電池陽極(1)，并從地面通入空氣到低溫固體氧化物燃料電池陰極(2)，使CH4和O2在低溫固體氧化物燃料電池中產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能；然后將低溫固體氧化物燃料電池(21)產(chǎn)生的CO2通入到水合物儲(chǔ)層(15)中，置換出甲烷，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的持續(xù)循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)。
2.按權(quán)利要求1所述的低溫固體氧化物燃料電池法開采天然氣水合物，其特征是所述 的壓裂液中含有PVP K90 1%、SDS 0. 028%和THF 0. 05%,質(zhì)量百分比計(jì)。
3.用于低溫固體氧化物燃料電池法開采天然氣水合物的裝置，其特征在于包括有輸 氣管道(4)、進(jìn)氣口空氣泵(5)、高低溫吸氣泵(6)、直流電-交流電轉(zhuǎn)化裝置(7)、加熱電纜 (8)、電源(9)、出氣口空氣泵(10)、隔熱層(11)、固定封隔器(12)、水合物開采井(13)、生產(chǎn) 套管(14)、饒絲篩管(16)、射孔(19)、管堵(20)和低溫固體氧化物燃料電池(21)，其中生產(chǎn)套管(14)位于水合物開采井(13)中水合物儲(chǔ)層(15)位置處，饒絲篩管(16) 位于生產(chǎn)套管(14)內(nèi)水合物儲(chǔ)層(15)位置處；固定封隔器(12)位于生產(chǎn)套管(14)和饒絲 篩管(16)之間；低溫固體氧化物燃料電池(21)位于饒絲篩管(16)內(nèi)部，所述的低溫固體 氧化物燃料電池(21)包括低溫固體氧化物燃料電池陽極(1)、低溫固體氧化物燃料電池 陰極(2)和低溫固體氧化物燃料電池電解質(zhì)(3)，低溫固體氧化物燃料電池電解質(zhì)(3)位于 低溫固體氧化物燃料電池陽極(1)和低溫固體氧化物燃料電池陰極(2)之間；直流電-交 流電轉(zhuǎn)化裝置(7)通過電纜與低溫固體氧化物燃料電池陽極(1)和低溫固體氧化物燃料電 池陰極(2)相連；輸氣管道(4)連接低溫固體氧化物燃料電池陽極(1)的進(jìn)氣口和高低溫 吸氣泵(6)，高低溫吸氣泵(6)位于饒絲篩管(16)內(nèi)部和低溫固體氧化物燃料電池(21)上 方，高低溫吸氣泵(6)通過輸氣管道(4)將固定封隔器(12)所封隔的生產(chǎn)套管(14)和饒絲 篩管(16)之間的上部環(huán)狀空間與低溫固體氧化物燃料電池陽極(1)相連；低溫固體氧化物 燃料電池陽極(1)的出氣口與固定封隔器(12)所封隔的生產(chǎn)套管(14)和饒絲篩管(16)之 間的下部環(huán)狀空間相連；低溫固體氧化物燃料電池陰極(2)的進(jìn)氣口與地面的進(jìn)氣口空氣 泵(5)相連，出氣口與出氣口空氣泵(10)相連；加熱電纜(8)緊貼低溫固體氧化物燃料電池 (21)，電源(9)與加熱電纜(8)連接；射孔(19)均勻布置于水合物儲(chǔ)層(15)中；管堵(20) 位于饒絲篩管(16)的底端。
4.按權(quán)利要求3所述的用于低溫固體氧化物燃料電池法開采天然氣水合物的裝置，其 特征在于所述的生產(chǎn)套管(14)和井壁之間的環(huán)狀空間注有525號(hào)早強(qiáng)低熱礦渣水泥(18)， 以進(jìn)行固井，在饒絲篩管(16)和生產(chǎn)套管(14)之間的環(huán)狀空間填充礫石(17)，用于防止水 合物分解產(chǎn)生的泥沙涌入低溫固體氧化物燃料電池(21)內(nèi)。
5.按權(quán)利要求3或4所述的用于低溫固體氧化物燃料電池法開采天然氣水合物的裝 置，其特征在于所述的饒絲篩管(16)內(nèi)部設(shè)置有隔熱層(11 )，其緊附在饒絲篩管(16)的內(nèi) 壁和低溫固體氧化物燃料電池(21)的外部，隔熱層(11)用于隔絕低溫固體氧化物燃料電 池(21)產(chǎn)生的熱擴(kuò)散到水合物儲(chǔ)層(15)，防止水合物大量分解產(chǎn)生泥沙，進(jìn)而涌入至裝置 內(nèi)部，堵塞整個(gè)管道。
6.按權(quán)利要求3或4所述的用于低溫固體氧化物燃料電池法開采天然氣水合物的裝 置，其特征在于所述的固定封隔器(12)包括有上部封隔器、中部封隔器和下部封隔器，所 述的上部封隔器、中部封隔器和下部封隔器把生產(chǎn)套管(14)和饒絲篩管(16)之間的環(huán)狀 空間分為兩段，上部封隔器位于水合物儲(chǔ)層(15)之上，下部封隔器位于水合物儲(chǔ)層(15)之 下，中部封隔器位于上部封隔器和下部封隔器中間；上部封隔器和下部封隔器用于封隔被 置換出的CH4和低溫固體氧化物燃料電池產(chǎn)生的CO2,使之不能擴(kuò)散到固定封隔器(12)之 外，中部封隔器和上部封隔器、下部固定封隔器聯(lián)用，分隔從地層中被置換出的CH4和通入 到水合物儲(chǔ)層中的CO2，在整個(gè)裝置和天然氣水合物儲(chǔ)層形成循環(huán)的回路。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種低溫固體氧化物燃料電池法開采天然氣水合物及其裝置，利用CO2置換開采出的CH4通入到低溫固體氧化物燃料電池中產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)后，產(chǎn)生電能，然后將反應(yīng)后產(chǎn)生的CO2通入到水合物儲(chǔ)層中，置換出CH4，使整個(gè)裝置持續(xù)循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1)不會(huì)破壞地層；2)實(shí)現(xiàn)了CO2的零排放；3)得到了水合物地層中甲烷所蘊(yùn)藏的能量的同時(shí)，又解決了巨大體積的CO2的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸問題；4)燃料電池的組裝很方便，能循環(huán)利用，有效的降低了設(shè)備的投入，減低了成本；5)利用低溫固體氧化物燃料電池法開采天然氣水合物可以使用廣泛的碳?xì)淙剂希瑥亩档统杀尽?br> 文檔編號(hào)E21B33/13GK101915075SQ20101026924
公開日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2010年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月1日
發(fā)明者劉力, 寧伏龍, 張凌, 涂運(yùn)中, 范勇, 蔣國(guó)盛, 辜幕丹, 陸洪志, 韓博 申請(qǐng)人:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)