本發(fā)明涉及一種天然氣水合物開采領(lǐng)域，尤其涉及一種利用電廠煙氣置換開采天然氣水合物的方法及裝置。

背景技術(shù)：

天然氣水合物是地球上最豐富非傳統(tǒng)能源資源之一，作為一種在高壓低溫條件下形成的籠型晶體水合物，普遍存在于深海地層和永久凍土層中。目前天然氣水合物的單一開采方法主要有注熱法、降壓法、化學(xué)試劑法以及置換法。其中置換法作為一種新型的開采天然氣水合物的方法，其封存氣體的同時(shí)穩(wěn)定低層的優(yōu)勢(shì)倍受研究，一般選擇的置換氣體多為CO₂，研究表明，相同條件下，CO₂與N₂的混合氣比CO₂氣體置換開采天然氣水合物的效果好。

工業(yè)上電廠產(chǎn)生的煙氣主要成分為CO₂和N₂，將煙氣尾氣經(jīng)過換熱和分離，將CO₂提濃后，注入熱的混合氣到水合物層置換開采天然氣水合物，較單純注入煙氣置換開采天然氣水合物，能夠減少煙氣與水合物層的接觸阻力，提高天然氣水合物的置換率。

針對(duì)傳統(tǒng)煙氣置換開采天然氣水合物置換效率低及成本問題，本發(fā)明提出了用電廠煙氣輔熱置換開采天然氣水合物的方法，整個(gè)過程實(shí)現(xiàn)原料氣及能效的循環(huán)利用，經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)傳統(tǒng)煙氣置換開采天然氣水合物置換效率低及成本問題，本發(fā)明提出了用煙氣輔熱置換開采天然氣水合物的方法及裝置。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種煙氣輔熱置換開采天然氣水合物的方法，將電廠煙氣尾氣進(jìn)入水合物分離塔進(jìn)行水合分離，對(duì)CO₂進(jìn)行提濃，然后將經(jīng)水合分離后得到的CO₂與N₂混合氣體進(jìn)行多級(jí)壓縮后，再在換熱器內(nèi)換熱，換熱后的CO₂與N₂混合氣注入開采井內(nèi)，在一定壓力和溫度下在水合物層中置換開采天然氣水合物，置換開采出的CO₂、N₂與CH₄的混合氣體從采出井出來進(jìn)入膜分離塔，分離出高濃度的N2，同時(shí)分離出CO₂、N₂與CH₄的混合氣體直接進(jìn)入電站燃燒，進(jìn)行發(fā)電，產(chǎn)生的煙氣尾氣用于下一循環(huán)；所述壓力為5～16MPa，所述溫度為200～250℃。

上述方法中，所述水合分離包括水合和分解兩個(gè)過程，大量易水合的氣體形成水合物，同時(shí)分離難水合的氣體，然后將形成的水合物分解，釋放出較易形成水合物的氣體。

上述方法中，所述的水合物分離塔為船載式水合物塔，便捷。

上述方法中，所述的膜分離塔為多級(jí)膜分離塔，且為船載式膜分離塔，便捷。

上述方法中，所述的多級(jí)壓縮為三級(jí)壓縮，包括第一級(jí)壓縮機(jī)、第二級(jí)壓縮機(jī)和第三級(jí)壓縮機(jī)。

上述方法中，所述的分離出的N₂直接收集到儲(chǔ)罐。

上述方法中，所述的開采井和采出井均為水平井，且在水合物層內(nèi)的開采井位于采出井的下方。

上述方法中，所述天然氣水合物儲(chǔ)層處于上下地層之間。

上述方法中，包括以下步驟：

（1）鉆井階段：將開采井和采出井打入天然氣水合物儲(chǔ)層，并在井內(nèi)安置溫度和壓力的檢測(cè)裝置；

（2）水合分離階段：將換熱后的電廠煙氣進(jìn)入到水合物分離塔，在相同的條件下CO₂比N₂更易形成水合物，即CO₂水合物生成的更多。待水合物生成后，排出N₂，分解所生成的混合CO₂與N₂水合物，得到高濃度CO₂與低濃度N₂混合氣體；所述電廠煙氣為CO₂與N₂的混合氣；

（3）壓縮階段：將水合分離后的CO₂與N₂混合氣體經(jīng)過多級(jí)壓縮壓縮后，得到高溫高壓的CO₂與N₂混合氣；

（4）換熱階段：將壓縮后的CO₂與N₂混合氣經(jīng)第一換熱器進(jìn)行換熱；

（5）輔熱置換開采水合物階段：將換熱后得到的CO₂與N₂的混合熱氣注入到天然氣水合物儲(chǔ)層，封閉開采井和采出井井口，控制井內(nèi)的溫度和壓力，置換開采天然氣水合物；

（6）膜分離階段：待開采井內(nèi)溫壓條件平穩(wěn)時(shí)，打開采出井井口，將采出的CO₂、CH₄與N₂的混合氣體通入到膜分離塔，經(jīng)過分離后得到的CH₄和CO₂混合氣體直接進(jìn)入電站燃燒發(fā)電，進(jìn)入到下一循環(huán)；

（7）氣體收集階段：將水合分離階段和膜分離階段得到的N₂收集并儲(chǔ)備到N₂儲(chǔ)罐中。

一種煙氣輔熱置換開采天然氣水合物的裝置，包括開采井溫壓裝置、采出井溫壓裝置、采出井、水合分離塔、第一壓縮機(jī)，第二換熱器、第一閃蒸器、第二壓縮機(jī)、第三換熱器、第三壓縮機(jī)、第二閃蒸器、第一換熱器、燃燒式加熱器和膜分離塔；所述開采井溫壓裝置設(shè)置于開采井內(nèi)部，所述采出井溫壓裝置設(shè)置于采出井內(nèi)部；所述第一換熱器與開采井的入口連接，所述第一換熱器與水合分離塔、第一壓縮機(jī)，第二換熱器、第一閃蒸器、第二壓縮機(jī)、第三換熱器、第二閃蒸器、第三壓縮機(jī)順次連接，所述第三壓縮機(jī)再與第一換熱器連接，形成循環(huán)；所述第一換熱器還和燃燒式加熱器、膜分離塔順次連接。

本發(fā)明對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

采用熱的煙氣開采置換天然氣水合物，減少煙氣與水合物層的接觸阻力，提高天然氣水合物的置換率。天然氣水合物開采產(chǎn)出氣體直接進(jìn)入電站產(chǎn)電，能效利用高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種煙氣輔熱置換開采天然氣水合物方法的框架圖。

圖2是本發(fā)明一種煙氣輔熱置換開采天然氣水合物的裝置圖。

圖中所示為：天然氣水合物儲(chǔ)層1，開采井2，開采井溫壓裝置3，采出井溫壓裝置4，采出井5，水合分離塔6，第一壓縮機(jī)7，第二換熱器8，第一閃蒸器9，第二壓縮機(jī)10，第三換熱器11，第三壓縮機(jī)12，第二閃蒸器13，第一換熱器14，燃燒式加熱器15，膜分離塔16。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：

如圖2所示一種煙氣輔熱置換開采天然氣水合物的裝置圖。本實(shí)施例提供一種煙氣輔熱置換開采天然氣水合物的方法，其步驟如下：

（1）鉆井階段：將開采井和采出井打入天然氣水合物儲(chǔ)層，并在井內(nèi)安置溫度和壓力的檢測(cè)裝置。

（2）水合分離階段：將換熱后的電廠煙氣（主要是CO₂與N₂的混合氣）進(jìn)入到水合物分離塔，在相同的條件下CO₂比N₂更易形成水合物，即CO₂水合物生成的更多。待水合物生成后，排出N₂，分解所生成的混合CO₂與N₂水合物，得到高濃度CO₂與低濃度N₂混合氣體。

（3）壓縮階段：將水合分離后的CO₂與N₂混合氣體經(jīng)過多級(jí)壓縮壓縮后，得到高溫高壓的CO₂與N₂混合氣。

（4）換熱階段：將壓縮后的CO₂與N₂混合氣經(jīng)第一換熱器進(jìn)行換熱。

（5）輔熱置換開采水合物階段：將換熱后得到的CO₂與N₂的混合熱氣注入到天然氣水合物儲(chǔ)層，封閉開采井和采出井井口，控制井內(nèi)的溫度和壓力，置換開采天然氣水合物。

（6）膜分離階段：待開采井內(nèi)溫壓條件平穩(wěn)時(shí)，打開采出井井口，將采出的CO₂、CH₄與N₂的混合氣體通入到膜分離塔，經(jīng)過分離后得到的CH₄和CO₂混合氣體直接進(jìn)入電站燃燒發(fā)電，進(jìn)入到下一循環(huán)。

（7）氣體收集階段：將水合分離階段和膜分離階段得到的N₂收集并儲(chǔ)備到N₂儲(chǔ)罐中。

一種煙氣輔熱置換開采天然氣水合物的裝置，包括開采井溫壓裝置3、采出井溫壓裝置4、采出井5、水合分離塔6、第一壓縮機(jī)7，第二換熱器8、第一閃蒸器9、第二壓縮機(jī)10、第三換熱器11、第三壓縮機(jī)12、第二閃蒸器13、第一換熱器14、燃燒式加熱器15和膜分離塔16；所述開采井溫壓裝置3設(shè)置于開采井內(nèi)部，所述采出井溫壓裝置4設(shè)置于采出井內(nèi)部；所述第一換熱器14與開采井的入口連接，所述第一換熱器14與水合分離塔6、第一壓縮機(jī)7，第二換熱器8、第一閃蒸器9、第二壓縮機(jī)10、第三換熱器11、第二閃蒸器13、第三壓縮機(jī)12順次連接，所述第三壓縮機(jī)12再與第一換熱器14連接，形成循環(huán)；所述第一換熱器14還和燃燒式加熱器15、膜分離塔16順次連接。

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供的一種煙氣輔熱置換開采天然氣水合物的方法：

開采水合物之前，將開采井和采出井打入水合物層，并在井內(nèi)安置溫度和壓力檢測(cè)裝置。將得到的電廠煙氣尾氣20%CO₂+80%N₂的混合氣進(jìn)入水合分離塔分離，得到53%N₂+47%CO₂混合氣。然后將經(jīng)水合分離后得到的53% N₂+47%CO₂混合氣體進(jìn)行多級(jí)壓縮，混合氣體進(jìn)口壓力為0.1MPa，進(jìn)口溫度為45℃，經(jīng)過一級(jí)壓縮后，出口壓力為0.5MPa，出口溫度為255℃，經(jīng)第二換熱器換熱后，溫度為30℃，再進(jìn)入二級(jí)壓縮，出口壓力為2.4MPa，出口溫度為232℃，再經(jīng)第三換熱器后，溫度為60℃，經(jīng)三級(jí)壓縮后，出口壓力為12MPa,出口溫度為274℃。此時(shí)得到的混合熱氣經(jīng)第一換熱器后，溫度為200℃，注入到水合物層置換開采天然氣水合物。置換開采后，從采出井采出的1%CO₂、24%N₂與75%CH₄的混合氣體進(jìn)入膜分離塔，分離出高濃度的N₂，同時(shí)將最終分離得到的1.9%CO₂、0.1%N₂與98%CH₄的混合氣體直接進(jìn)入電站燃燒，進(jìn)行發(fā)電，產(chǎn)生的煙氣尾氣可用于下一循環(huán)。

實(shí)施例2

本實(shí)施例提供的一種煙氣輔熱置換開采天然氣水合物的方法：

開采水合物之前，將開采井和采出井打入水合物層，并在井內(nèi)安置溫度和壓力檢測(cè)裝置。將得到的電廠煙氣尾氣22%CO₂+78%N₂的混合氣進(jìn)入水合分離塔分離，得到53%N₂+47%CO₂混合氣。然后將經(jīng)水合分離后得到的53% N₂+47%CO₂混合氣體進(jìn)行多級(jí)壓縮，混合氣體進(jìn)口壓力為0.1MPa，進(jìn)口溫度為45℃，經(jīng)過一級(jí)壓縮后，出口壓力為0.5 MPa，出口溫度為260℃，經(jīng)第二換熱器換熱后，溫度為34℃，再進(jìn)入二級(jí)壓縮，出口壓力為2.9MPa，出口溫度為237℃，再經(jīng)第三換熱器后，溫度為65℃，經(jīng)三級(jí)壓縮后，出口壓力為16MPa,出口溫度為279℃。此時(shí)得到的混合熱氣經(jīng)第一換熱器后，溫度為211℃，注入到水合物層置換開采天然氣水合物。置換開采后，從采出井采出的1%CO₂、23%N₂與76%CH₄的混合氣體進(jìn)入膜分離塔，分離出高濃度的N₂，同時(shí)將最終分離得到的0.9%CO₂、0.1%N₂與99%CH₄的混合氣體直接進(jìn)入電站燃燒，進(jìn)行發(fā)電，產(chǎn)生的煙氣尾氣可用于下一循環(huán)。

實(shí)施例3

本實(shí)施例提供的一種煙氣輔熱置換開采天然氣水合物的方法：

開采水合物之前，將開采井和采出井打入水合物層，并在井內(nèi)安置溫度和壓力檢測(cè)裝置。將得到的電廠煙氣尾氣21%CO₂+79%N₂的混合氣進(jìn)入水合分離塔分離，得到52%N₂+48%CO₂混合氣。然后將經(jīng)水合分離后得到的52% N₂+48%CO₂混合氣體進(jìn)行多級(jí)壓縮，混合氣體進(jìn)口壓力為0.1MPa，進(jìn)口溫度為46℃，經(jīng)過一級(jí)壓縮后，出口壓力為0.5 MPa，出口溫度為257℃，經(jīng)第二換熱器換熱后，溫度為32℃，再進(jìn)入二級(jí)壓縮，出口壓力為2.4 MPa，出口溫度為248℃，再經(jīng)第三換熱器后，溫度為73℃，經(jīng)三級(jí)壓縮后，出口壓力為12MPa,出口溫度為280℃。此時(shí)得到的混合熱氣經(jīng)第一換熱器后，溫度為224℃，注入到水合物層置換開采天然氣水合物。置換開采后，從采出井采出的1%CO₂、25%N₂與74%CH₄的混合氣體進(jìn)入膜分離塔，分離出高濃度的N₂，同時(shí)將最終分離得到的1.5%CO₂、0.5%N₂與98%CH₄的混合氣體直接進(jìn)入電站燃燒，進(jìn)行發(fā)電，產(chǎn)生的煙氣尾氣可用于下一循環(huán)。