本发明涉及从煤矿回收甲烷气体以及常规的天然气的技术领域。更具体地， 本发明涉及从煤矿中经济地回收甲烷气体并将其运输至终端用户或其它位置的 装置和方法。本发明还提供了用于经济地回收那些由于含有较多需要处理的杂质 而难于回收的天然气和/或不在管道附近的天然气的装置和方法。

当挖掘煤的时候，大量的甲烷气体积聚在煤矿中。有时，只是将这些甲烷气 体排放到大气中或者燃烧掉。而在另外的一些场合中，可以将甲烷积聚起来。
近来，排放标准特别是高排放的公用事业如发电厂的排放标准受到很多关 注。发电厂通常使用共燃锅炉来发电。然而，在美国可用的许多煤都含有大量的 二氧化硫或者二氧化氮，这两种物质的排放对环境特别不利。许多环境法规都要 求在公用事业中减少使用高硫含量的煤。满足这些排放标准的另一种途径就是接 受对排放这些二氧化硫的处罚。因此，本发明的目的就是提供一种经济的方法， 从而取代接受由于含二氧化硫的煤的燃烧而引起的环境处罚。
在美国通常使用煤粉锅炉，这些锅炉会排放二氧化硫、二氧化氮和温室气体。 然而，用很低的成本就可以很容易地把这些锅炉转换成共燃系统。这种方便的转 换以及转换后的系统的经济价值，使得煤与气体共燃成为具有较低风险的使用煤 矿气体作为煤的替代品的尝试。与气体共燃提高了灰烬质量，降低了炉渣量，并 且能够略微提高锅炉效率。气体燃料的输入量可以在低于全部燃料输入量的3％ 到100％之间变化，从而提高燃煤燃烧器的短期峰值能力。
现在，许多公用事业的锅炉都具有共燃能力，且其中很多公用事业的锅炉就 位于含气煤矿附近。含气煤矿就是煤矿中存在大量的甲烷气体。甲烷气体被吸收 在地下煤层中，并以可回收的量渗出。
为了确定哪些锅炉是可以与煤矿气体共燃的理想锅炉，操作者必须考虑气体 需求量和可供应性、管道距离以及锅炉转换成本。由于共燃是不同品质的煤矿气 体的理想的应用，因此美国环保署(EPA)正在研究将新的共燃锅炉安置在含气 煤矿附近，以利用煤、煤矿气体和排放气作为燃料的经济潜能。除了将这些锅炉 安置在含气煤矿或附近，另一种可选择的方法就是发展一种经济型方式，从煤矿 中回收甲烷气体并将其经济地运输至现有的锅炉位置。
因此，本发明的一个目的就是提供一种运输煤矿气体的可选择的装置，该装 置包括一套特别设计的罐车，以把甲烷煤矿气体从煤矿运输至耗用地点。
虽然在共燃工业锅炉和公用事业锅炉中共燃气体是受经济驱动的，但迄今为 止，把煤矿气体运输到合适的终端用户设施一直存在非常大的困难。如果能够设 计一种方法，可以比较经济地把煤矿气体收集到罐中，并且如果能够缩减运输成 本，那么使用煤矿气体的经济性将大大提高。另外，排放信誉和可避免的处罚都 可充分地提高大部分煤矿气体项目的经济效果，从而可稳定公用事业中煤的应 用。因此，本发明的另一个目的就是提供一种用来运输回收的煤矿气体的合适的 装置，其中部分使用回收的煤矿气体作为运输装置的燃料。
本发明还有一个目的是提供一种用来运输回收的煤矿气体的合适的装置，其 中，该煤矿气体被运输到气体处理装置，在这里除去惰性气体如氮气、二氧化碳 和硫化氢以及水。除去惰性气体后，气体具有管道输送的气体质量，可以输入到 天然气公司的主管道。
采集煤矿气体的一个主要问题是由于含气煤矿在很大范围内延伸，所以不能 进行经济的采集和运输。所述的大面积将需要数英里的管线。然而，由于甲烷气 体中氮气和二氧化碳的含量水平相对于管道气体的质量来说太高了，所以不能使 用现有的公用事业管道。此外，除非使用低温冷凝法将甲烷冷冻至-210℃，否则 甲烷不能像丙烷气体一样液化。低温冷冻的方案其耗费是相当高的。
此外，还发现一个区域内生产的煤矿气体不够有代表性，不能经济地证明安 装小型气体处理装置是正确的。这便需要几个离得很远的区域，要布置管道将这 些区域结合成一个气体处理装置在经济上不可行。
如果将甲烷气体引入到大型运输系统或者天然气公司(CNG)的罐车(在下 文中用术语“罐车”表示)来运输，由于要在等于或者大于3000psi的高压装载气 体的罐车的罐很昂贵，因此成本就非常高。由于在压缩场所容纳气体的容器中要 容纳两倍的体积，这样才能快速装载运输车，场地容器也会很昂贵。同样，卸载 要花费时间，终端用户如气体处理装置以合理的速度将气体从罐车输送到工厂进 行加工，运输器将停留。为了快速卸载，卸载设施便需要昂贵的罐，并且典型的 罐需要具有罐车两倍的体积，使得罐车可以快速卸载。

根据本发明一个优选的方面，本发明使用现有的商业CNG运输拖车或罐车； 然而，所述罐车不必在装载或卸载的场所停留较长时间。可以快速且有效地完成 装载和卸载。因此，可以使用一辆罐车来代替多辆罐车，从而具有成本优势。
在进行采矿的大多数区域内存在许多不用的或废弃的油井，并且在某些情况 下，油井遍布于乡村地区。例如，在美国的伊利诺斯州的南部地区和肯塔基州， 很多这样的油井大约3000英尺深，具有8英寸的已经固定到地下的套管。它们 生成的或者以前生成的结构可以很容易地密封起来，以保持流体流出并且气体进 入。此外，这些油井可以承受高压，如4000psi的高压。
因此，根据本发明，在诸如3000psi的高压下，可以使用仅两个油井，例如 直径为8英寸，深度为3000英尺的油井作为地下容器，用来容纳最大最高的运 输罐车的两倍的压缩气体。在此压力下用作容器的两个油井中装满600,000立方 英尺的气体(600mcf)，具有300mcf容量的罐车可以非常快速地从中装载气体 至该压力，例如少于半个小时。
如果无用的或者放弃的油井没有运转，便需要将其堵塞。由于堵塞的成本高 达每口油井5000美元，因此许多公司愿意将其放弃。因此，作为一个实例，使 用油井作为地下容器可以使压缩机24小时运转以充满容器，这使得可以使用较 小的压缩机，稳定生产井中的流速，并且快速地装载到运输罐车内，将气体传送 给终端用户。另外，仅仅需要一个运输器，而不是三个。
相似地，在卸载设施中，可以使用一个或者多个地下容器，例如，一个或者 多个正在开采的或者非开采的油井、不用的矿井、地下结构或者地下管筒。本文 所述的“地下管筒”是指在大小、尺寸和结构上与油井相似的地下结构。例如，“地 下管筒”可以由钻到地下的钻孔组成，该孔被诸如几英寸的水泥套管围绕。钻孔 最好是用材料例如钢铁或者其它任何合适的衬里材料覆盖里层。为了从正在开采 的油井中抽取气体并将气体储存在地下管筒中，可以将地下管筒构建在正在开采 的油井附近。换句话说，为了储存气体，本发明使用除了废弃的油井外，可在开 采的油井附近构建新的地下管筒。本文所使用的“正在开采的油井”指甲烷气体、 天然气及其组合和/或其组分的来源井。
由于用户使用气体的速度通常比以300mcf/小时的速度卸载所供给的速度要 低，所以使用根据本发明的地下容器的优点就是它将快速地装载气体，但是却能 缓慢地放出气体，而这正是典型的终端用户所需要的。
废弃的或者不用的煤矿作为容器具有非常大的容量，并且可以非常快地接收 气体。可以将多个地下管筒和/或油井集中起来，以使卸载迅速。油井钻探时以 330-660英尺的间距是普遍的，这使得油井足够靠近，因此在卸载设施中可非常 经济地使用高压管将其连接起来。
根据本发明的卸载和装载方法降低了所用的运输器的数量，消除了昂贵的储 存设备，并且利用了资产，也就是废弃的油井或者矿井，而这些废井目前是没有 价值的。这种方法在经济效果上产生巨大的不同，并且使得难以回收使用的气体 被带到市场上，减少对其它能源的依赖。
压缩气体装在大容器中的优点
使用地下管筒和/或现存的不用的或者废弃的油井作为地下容器将气体压缩 至一定的高压，如3000psi，使容器具有地热的优势。使用深入地下很深的井， 井周围的地质区域在几天后，将最终加热周围的岩石。这将根据本发明得到有利 的利用，因为周围的土壤可用作容器内气体的热绝缘体，以保存其热量。作为对 比，如果气体流过几英里的地下管道，地热作用将使得气体变凉。压缩机以3000 psi的压力每天24小时运转，将产生巨大的热量，可高达200度。如果每天从地 面储罐向外装载，很难捕获该热量，热量将损耗到大气中。当把气体卸载到运输 器中的时候，通常必须使用绝缘体和/或加热器。然而，在使用本发明容器，即使 每天装载运输器，由于绝缘效应，周围的岩石进行加热，并且保持热量。这可与 石制壁炉相比，石头由火受热，然后在火熄灭以后，石头将持续一段时间放出热 量。因此，地热作用使得储存在容器中的气体保持高温，即使在容器频繁卸载的 情况下，例如每24小时一次。
本发明的另一个优点是在从容器中进行运输器装载期间，可以使气体保持高 温，装载是通过气体容器的向外排放进行的。最初把3000psi的气体热放到0psi 的空的运输器中时，与气体流动的速度一样，压力差非常大。这就产生了冻结作 用，结果是压力每降15psi，气体的温度通常就会下降1华氏度。在整个卸载的 过程中，通常会使温度降低200度。这可能使调节阀冻结，即使对调节阀进行绝 热，仍然会冻结。气体在零下220度时还将液化，而这也是要防止的。由于容器 是绝缘的，因此储存在容器中的气体将长时间保留其大部分压缩热，当将气体转 移到罐车时，气体仍然处于高温。因此，当从一个或者多个容器装载到初始低压 的罐车时，温度的降低起始于高的温度，其远远高于例如环境空气温度，因此， 可以避免冻结作用。与冻结相关的主要问题是容器中的气体为没有进行加工的井 源气体。气体容器是设在矿区为方便运输井源气体去进行处理的。没有处理前， 气体中会含有湿气，这是在处理期间必须除去的。如果装载期间，气体温度低于 零度的话，这些湿气将会造成问题。由于围绕气体容器的土壤或者地层的绝缘特 性，能够延迟或者减缓气体的冷却，因此，温度不会剧烈地降低，所以本发明的 气体容器利用地热的能力将减轻该问题。由于装载时的气体温度较高，这也使卸 载容易，即使在运输几个小时以后，如1～2小时后，卸载时罐车中的气体仍然是 温的。
运输器卸载的气体容器
气体从例如3000psi压力的容器中卸载，装载到运输罐车中，气体将会变冷。 在气体达到处理装置之前，该温度将导致冻结问题。在卸载点使用若干井(或地 下管筒)作为容器，例如三个井(或地层、无用的或废弃的煤矿、或一个或多个 地下管筒)，容器的地下环境的标准温度的地热作用，例如约58华氏度，将有 利地加热气体。
此外，利用与地层如砂岩相连的井或者地下管筒作为气体容器，使得气体能 装载到地层中，同时保持容器中的压力。这便保留了在矿井处发生的用于压缩的 压力，可以使得卸载点不需要压缩机。该压力然后可以用来使气体从气体容器释 放出，传送到气体处理装置或者终端用户。通过减压阀，而不是压缩机，可控制 从气体容器输送到气体处理装置的气体压力。可以预期，容器的地下部分能够在 接受几个罐车的气体装载量之后，一部分气体开始从容器中移出。只要在诸如24 小时期间排出的气体的量与同样24小时期间装载到容器中的量相同，这就在系 统中提供了缓冲，在排出气体期间，将驱动气体和/或节省压力。
附图说明
图1是现有技术的用来回收和运输甲烷气体的方法和装置的简化示意图；
图2是本发明的用来回收和运输甲烷气体的方法和装置的简化示意图；
图3是适合于用作本发明容器的油井的简化侧视图。

现在参考附图，其中相同的数字表示相同的部件。图1示出了已知的现有技 术的装置和方法，用来从气源，例如与一个或多个下层煤矿结合的一个或多个气 井，回收和运输甲烷气体，并且将甲烷气体运输到终端用户，例如发电设备、管 道等，但不局限于此。通常，在一个或多个气井10的点上，用于回收甲烷气体 的已知装置典型地包括压缩机12，该压缩机12通过使用合适的管道(如虚线所 示)连接气井10，用来从气井10中接收或者吸取甲烷气体，并且将气体压缩进 合适的运输罐车14中。这些罐车14也属于常规的构造和操作，通常能容纳压缩 至大约3000psi的气体。在甲烷气体可被抽出和压缩的典型速度下，通常要花24 小时把300mcf的甲烷气体压缩到该压力下的罐车14中，而这是罐车的常规容量。 在终端用户，例如共燃发电厂16，常规的300mcf罐车在大约8小时内卸载，如 虚箭头所示。因此，相对三个气井10，通常需要四个罐车14向终端用户例如共 燃发电厂16连续供给甲烷气体。从成本上讲，这可能是相当昂贵的，因为罐车， 例如罐车14，每辆的花费要数十万美元。
在装载点，罐车14的装载必须相对较慢地进行，例如，可耗时长达24小时 的时间，如果装得太快的话，由于气体的压缩导致气体的加热，而这可能使得罐 车14发生危险的过热。在终端用户地点，当气体进行卸载时，如果卸载得太快 的话，卸载装置以及罐车14区域可能出现冻结，这也可能是极其危险的和/或有 破坏性的。作为另外一个选择，已有考虑使用地上气体贮罐与一个或多个气井如 图示的井10相连。然而，地上气体贮罐也必须要慢慢地充满，并且意味着巨大 的成本费用。另一个因素就是，在装载端，如果环境温度很热，并且/或者罐车 14暴露在强烈的太阳光下，可能降低罐车14散热的能力，因此需要更慢地装载。 同样地，在卸载端，如果环境温度很低，并且/或者是阴天或者多云，必须降低卸 载速度以将罐车和卸载装置的冻结降到最低。同样在卸载端，已有考虑利用地上 气体贮罐。然而，通常必须把气体压进地上气体贮罐中。因此，成本费用和操作 费用非常巨大，使得这成为一种不经济的方案。
参见图2，该图示出了本发明系统的元件、方法和装置18，用来从气源例如 正在开采的井，诸如一个或多个气井10，回收和运输甲烷气体到终端用户，例如 共燃发电厂16，但不局限于此。本发明系统的装置18最好在每个气井10的附近 包括至少一个、最好两个或多个地下容器20，向这些地下容器20中，通过诸如 所示的压缩机12等压缩机或者其它适合的装置，可以压缩装入来自生产井10的 甲烷气体。每个容器20可以为不生产的油井、正在开采的油井(图3)或者地下 管筒，在合适的增压下，例如运输罐车的压力，如罐车14中通常使用的3000psi 压力下，具有接收和容纳压缩的甲烷气体的能力。已经发现，某些油井具有容纳 增压到4000psi的气体的能力，而油井没有明显的渗漏。适合用作容器20的典 型的油井(或者地下管筒)几百英尺深，最好几千英尺深，例如3000英尺深， 而这是美国南伊利诺斯州和西肯塔基州地区的煤矿附近的油井的通常深度，在这 里的煤矿中通常发现了可抽出的大量的甲烷，并且通过使用气井如井10现在已 经抽出了甲烷。可用作本发明的容器20的合适的油井(或地下管筒)直径为几 英寸，例如4～10英寸，通常直径为8英寸，并且围在钢套管内。用作容器20的 油井(或地下管筒)还可以包括直径较小的生产管，该生产管向下延伸。油井(或 地下管筒)通常也可用水泥或者混凝土衬套。如上所述，通常可在产气的煤矿附 近发现诸如此类的油井，并且油井所有者有义务，可能要花费几千美元来堵塞这 些油井。因此，这些油井的所有者经常渴望并且愿意将这些油井作为其它用途。
现已发现，具有直径为8英寸的套管的3000英尺深的油井(或地下管筒) 在3000psi的增压情况下，能够接收和容纳300mcf的甲烷气体。因此，可以预 计，在开采的气井10附近的两个容器20能够容纳600mcf的甲烷气体，而这等 于两个罐车14的容量。使用至少一个、最好两个或多个容器20用来接收和容纳 从气井10中抽取的气体，其特别的优点就是不需要运输罐车14或者地上气体贮 罐，并且可以连续地或者一天24小时地将气体压缩到一个或者多个容器中。现 已发现，与用来把气体压缩到运输罐车14的典型压缩机相比，可以使用较小的 压缩机12。
另外，围绕着每个容器20并与其紧密接触的土壤将具有与该地区的平均温 度相等的标准温度，如在50°左右或稍高的范围，这是南伊利诺斯州和西肯塔基 州地区的通常温度。因此，现已发现，周围的土壤可被用作极好的热绝缘体，可 以保持压缩气体中的热量，因此，气体的失热将是非常缓慢的，因而将保持在较 高的温度。而且，由于没有把气体压缩到罐车中，不必过于关注过热问题。波状 箭头表示热量从每个容器20散入到周围的土壤中。这表示由周围土壤的绝缘效 应导致的延缓的热量转移。
此外，特别的优点就是，当将罐车与一个或者多个容器20相连时，可以快 速地完成装载，因为从容器20中抽取气体基本不需要压缩或者不需要压缩，容 器20中的气体已经被压缩到或者接近于理想的3000psi。
此外还发现，诸如上述容纳600mcf甲烷气体的两个容器20可以相对较快地 进行装载，例如，在半个小时以内或者少于半个小时可装载完。其中的一个原因 就是，由于转移到罐车的初始低压环境中而经受的温降是从容器的高温降低的， 而不是从环境空气温度开始的，因此，最终温度就不会接近于气体的冻结温度。
在终端用户或者其它卸载地点，也可以有利地利用根据本发明的一个或多个 容器20。容器20可以是几种不同形式中的一个或者多个形式。例如，如上所述， 容器20可以为现有的井，如正在开采的或者不开采的油井。容器20还可以包括 废弃的或者不用的煤矿22，或者地下岩石地层结构24，如砂岩地层等。此外， 容器20还可以包括地下管筒，将地下管筒建造在正在开采的井10附近，仅用于 接收和储存气体。将装载的罐车如罐车14与卸载地点或终端用户地点的容器20 连接之前，可以用增压气体对容器20进行预装载。这具有几个优点，包括卸载 到已经增压的环境内，卸载的气体不会像卸载到更低的压力环境内那样冷却或过 于冷却，但不局限于此。容器20，特别是较大的砂岩地层或者煤矿的气体容纳能 力可以是非常大的，例如，比单一的罐车的容量大。因此，当从容器20中抽出 气体时，容器20中的剩余的增压气体可以为气体的卸载提供足够的压力。因此， 地层中的气体可以作为气体容纳系统中的气垫，或者提供一种缓冲，可以使气体 易于吸收到系统中，然后再驱动气体从系统中卸载。此外，通过把气体从罐车卸 载到已经增压的容器20内，发生的降压较小，这导致气体中的温降较小。如波 状箭头所示，一旦进入容器20，可以将来自周围地层的热量吸收到容器20内容 纳的增压气体中，以提高其温度，那么当把气体从中取出时，很少会发生调节阀 和其它装置的冻结。当容器是油井(或地下管筒)的情况下，优选使用这样的油 井(或地下管筒)，其具有直径为几英寸，如8英寸的套管，并且至少几百英尺 深，最好几千英尺深，如3000英尺深，这在美国南伊利诺斯州和肯塔基州地区 的不用的油井中是很常见的。
此外，在卸载端，当把增压的气体从罐车14卸载到已经增压的容器20内时， 初始装载过程中的压力只损失了非常少的量，并且当把气体从容器20取出时， 通常希望是在显著低的压力下，如小于100psi，以致在该地点不需要压缩机。在 该地点还可避免额外压缩气体的成本。如果想要或者需要在卸载地点进一步把气 体压缩进入容器20，当使用压缩机并且气体最终会被加热时，如上所述，周围的 地层可以同样作为接受器，用来散发多余的热量。
参见图3，该图图示了根据本发明教导的用作容器20的正在开采的油井10。 井10包括套管26，该套管26直径为几英寸，例如在南伊利诺斯州和肯塔基州地 区常用于套井的8英寸的直径。井10可以几千英尺深，例如在这些地区普遍为 3000英尺深。井10经常包括直径更小的、在其中延伸的管28，例如直径约为2 英寸的管，管28从井口32延伸至下层气体或石油层32，如箭头所示，用于从中 抽取气体或者石油，例如利用地层压力和/或通过泵压。为了使之适于用作容器 20，可以将塞子34插入油井10的石油层30上方的理想深度，在石油层30上围 绕着管28隔出与石油层30分开的环形空间36，将空间36用作容器，如箭头A 所示，通过端口38来接收和容纳进入空间36的压缩气体。以上述方式，端口38 也可以用于容器20的卸载。因此，很明显，根据本发明，正在开采的井或者不 开采的井都可以用作为容器20。已经发现，这样的井具有4000psi的加压能力， 这就使得这些井适合用作理想压力为3000psi的容器。
在诸如美国南伊利诺斯州和肯塔基州地区的油田通常包括以预定模式钻孔 的井，例如井的间距为330英尺至660英尺。这样的距离足够小，因此，可通过 高压管把两个或者多个井经济地连在一起。在装载地点和终端用户等卸载地点都 是可行的。
因此，本发明已经图示并且说明了一种用来回收和运输甲烷气体的新型方法 和装置，其可以克服前面提出的许多问题。然而，显而易见，对于本领域的技术 人员而言，本发明的装置可以进行诸多改变、变更、改进以及用于其它使用和应用。 所有不背离本发明的主旨和范围的这些改变、变更、改进以及其它使用和应用都 被包括在由随后的权利要求所限定的本发明的范围内。