[发明专利]一种煤炭原位转化制氢控制装置及连续制氢工艺

说明书

本发明公开了一种煤炭原位转化制氢控制装置及连续制氢工艺。控制装置中第一注气通道的出气端设置有节流喷嘴，节流喷嘴的出气端的截面积小于第一注气通道的出气端的截面积；节流喷嘴位于流体动力负压腔中，流体动力负压腔的远离高温煤层的第一端包裹在节流喷嘴的外侧，靠近高温煤层的第二端与水气混合室的第一端连接；水气混合室的第二端靠近高温煤层设置；流体动力负压腔中设置有通孔，注水管的出水端与该通孔相连。本发明通过控制注水方式和气流方向，可以使液态水被节流喷嘴的出气端的高速气流分散为小液滴，被快速携带至高温煤层，发生高效的分解反应产生氢气，从而提高了水的分解率和利用率，降低了水耗及制氢成本。

技术领域

本发明涉及一种煤炭原位转化技术领域，具体涉及一种煤炭原位转化制氢控制装置及一种煤炭原位转化连续制氢工艺。

背景技术

氢气作为最清洁的能源，广泛应用于化工合成、石油炼化、金属冶炼、氢燃料电池等领域。现阶段主要制氢方法是以天然气、石油或煤等化石能源作为原料，通过水蒸气转化法、部分氧化法、煤气化等工艺生产获得，但以上方法存在工艺路线复杂、能耗高等问题。还有一种制氢方法是电解水，该方法可以产生较高纯度的氢气，但生产成本受电价限制，且难以实现规模化生产。

其中，以煤为原料的制氢过程，主要包括以下两个化学反应：

C+H₂O→CO+H₂ (1)

CO+H₂O→H₂+CO₂ (2)基于以上两个化学反应，若要获得高纯度的氢气，需到满足两个条件：1)反应区温度足够高；2)水能与高温碳质资源充分接触，进行化学反应。

煤炭原位气化是基于注入井将气化剂由地面注入至地下煤层的反应工作面，地下煤层在地下原位进行有控制的燃烧，即煤与氧气、水蒸气等发生一系列化学反应，产生含有氢气、一氧化碳和甲烷等组分的粗煤气，粗煤气再通过生产井到达地面，从而得到富氢煤气。与其他制氢技术相比，煤炭原位气化制氢技术无须进行原材料(煤炭)开采、运输、预处理等步骤，在经济上有较大的优势，总体上具有安全、环保、节能等优点。

现有煤层原位气化制氢技术主要包括两个工艺阶段：1)向煤层中鼓入空气等气化剂，煤层与气化剂发生氧化反应，使煤层升温到较高温度；2)向煤层中鼓入高温水蒸气，煤层与水蒸气发生还原反应生成氢气，依次重复以上两个阶段生产氢气。由于现有煤层原位气化制氢技术通常是向地下煤层中鼓入高温水蒸气，然而高温水蒸气在从地面向地下煤层的长距离输运过程中，可能会由于散热降温、冷凝等造成热量损失而冷凝为液态水。相比高温水蒸气，液态水难以与高温煤层充分接触以进行还原反应，从而使得水的分解率和利用率较低，煤气中氢气含量较低，导致水耗及制氢成本较高。

因此，亟需一种可以提高水的分解率和利用率，进而可以降低水耗及制氢成本的控制装置。

发明内容

本发明提供了一种煤炭原位转化制氢控制装置及一种煤炭原位转化连续制氢工艺，用以提高水的分解率和利用率，降低水耗及制氢成本。

第一方面，本发明提供了一种煤炭原位转化制氢控制装置，所述控制装置本体的第一端与多介质并输管路连接，所述控制装置本体的第二端呈开放式朝向高温煤层方向；所述控制装置包括：流体动力负压腔、水气混合室、第一注气通道和注水管；

其中，所述第一注气通道的出气端设置有节流喷嘴，所述节流喷嘴的出气端的截面积小于所述第一注气通道的出气端的截面积；

所述节流喷嘴位于所述流体动力负压腔中；所述流体动力负压腔的远离高温煤层的第一端包裹在所述节流喷嘴的外侧，所述流体动力负压腔的靠近高温煤层的第二端与所述水气混合室的远离高温煤层的第一端连接；所述水气混合室的第二端靠近高温煤层设置；

所述流体动力负压腔上设置有通孔，所述注水管的出水端与所述通孔相连；