CN100420824C - 深层地下煤炭气化工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深层地下煤炭气化工艺方法，其工艺方法步骤包括在待气化的煤层建设地下气化炉、在地下气化炉的一端钻设与地面连通的进气通道、在地下气化炉的另一端钻设与地面连通的出气通道，然后通过点火装置点燃气化炉内煤层，并对产生的煤气进行收集和处理，其中，气化炉外钻设有排水孔，排水孔一端伸出地面，另一端与地下气化炉的钻孔联通，以构成地下气化炉的排水系统，其中所述排水孔的孔底低于气化炉底10米以上，并作水封措施。藉此，可以明显提高地下气化炉排水效力，并节省大量能源，降低煤气生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种深层地下煤炭气化工艺方法，具体而言，尤其涉及一种煤层在大约地下1000米以下的具有较佳排水方案的无井式煤炭气化工艺方法。
背景技术
煤炭地下气化是将处于地下的煤炭进行有控制的燃烧，通过对煤的热作用和化学作用产生可燃气体，集建井、采煤、气化工艺方法于一体的多学科开发洁净能源与化工原料的新技术，其实质是提取煤中的含能成分，变物理采煤为化学采煤，从而具有安全性好、投资少、效率高、污染少等特点，被誉为第二代采煤方法。
请参阅图1，地下煤炭气化技术是在煤层中开凿气流与气化通道，在地面上从气流通道口鼓入空气或富氧或水蒸气，并使用点火器点燃地下煤层，并持续供给气化剂，煤层不断燃烧，使在底层的气化通道内的煤层在高温下发生化学反应，可产生的大量的可燃性气体以作为工业能源或民用能源。
实现煤炭地下气化过程，可用两种技术路线完成，①有井式；②无井式。
一、“有井式”：
所谓“有井式”，即在建立地下气化炉时，人工下井到煤层中，进行巷道施工，建造地下气化炉的气流与燃烧通道，地下的一切工程施工都由人工下井完成。
“有井式”煤炭地下气化建炉工艺，适用于井下工程开采技术并针对无法回采的煤炭资源(即被遗弃报废的煤炭，如各种煤柱等)，因为可以利用现有矿井的各种巷道及井工采煤时建立的设施，所以实施煤炭地下气化炉的建设工程的气化通道大且容易形成规模生产，既减少了建设地下气化炉的成本，又充分利用了煤矿的固定资产，实现了煤矿的存量经营。
“有井式”的优点，就是受技术条件限制程度低，人工可以直接干预建炉过程中的各种环节，保证地下气化炉按要求建设。
二、“无井式”：
所谓“无井式”，就是无须人工下井，利用钻孔技术，如大口径钻井，定向钻孔等技术，完成地下气化炉的建设工程。由于深部煤层井工开采成本高，可采用这种方法进行深部煤层(1000米以下)的回采工作。
“无井式”的优点，建炉工艺简单，建设周期短，可用于深部及水下煤层气化。其缺点由于气流通道窄小，影响出气量，钻孔成本高，在建炉过程中，无法用人工作业，受钻井技术的限制，及地下深部高地压、高地下水压等的影响，使得地下气化炉在建设中，必须利用高压气体与地压建立平衡。目前国外很多国家如前苏联、美国、英国、法国、比利时和东欧，都对该技术进行研究与开发，只有前苏联建设了大规模工业化生产地下气化站，其他国家只进行小规模的工业性试验。
在对深部煤层进行气化时，首先要对气化煤层进行排水以方便其进行引燃；当然，在气化过程中，只要煤层的水况不适合燃烧气化，就可以进行排水处理。但是，目前对深部无井式气化炉还没有较佳的排水方案，只是简单地采用高压风，将炉内积水直接全部压入炉壁周围的煤体中。这种方法不但耗能而且排水效果差。
另外，在对深部地下煤层进行气化开采的过程中，由于深部极高的地应力、极高的深部地下水压、频繁出现的瓦斯突出事故和复杂的地质结构等因素，使得地下深部的气化炉出现地下水不断渗入气化炉中、气化炉在深部高地压下发生变形、失稳后导致气流通道不畅通等问题。
目前，我国的能源危机问题日益突出，如不能被有效解决，将会对我国经济的发展带来重重阻碍；而我国千米深的煤炭资源，预测储量有数万亿吨以上，实有开发的必要，为了解决上述在深部无井式地下煤炭气化工艺中存在的问题，本发明特提出新的千米以下深地下煤炭气化工艺方法。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种降低煤气生产成本、效率较高的用于深部地下煤炭气化炉排水的方法。
本发明的目的之二在于提供一种连接在气化炉出气通道的、缓冲并存储煤炭气化产生的气体的装置。
本发明的目的之三在于提供一种能够在高压钻孔内将引燃器顺利投放到高压气化炉内的新的点火装置及方法。
本发明的目的之四在于提供一种使气化工作面沿煤层倾斜向上燃烧，不断扩大燃烧面积，将大面积的煤炭充分气化，以提高产气量，延长气化炉的服务年限的鼓风式燃烧方法。
本发明的目的之五在于通过在不同时间对进气通道、出气通道以及辅助出气通道的热电偶温度的测量，并结合物探技术可以收集到温度梯度等参数，计算出氧化、还原、干馏带的长度、移动速度、以及其气体组分的变化等科学数据。
为了实现上述目的，本发明是这样设计的：
一种深层地下煤炭气化工艺方法，该工艺方法步骤包括在待气化的煤层中建设地下气化炉，在地下气化炉的一端钻设与地面连通的进气通道，在地下气化炉的另一端钻设与地面连通的出气通道，然后通过点火装置点燃气化炉内某一端的煤层，同时向气化炉内供给气化剂，最后在地面对产生的煤气进行收集和处理，其中气化炉外设有排水孔，该排水孔一端伸出地面，而另一端与所述地下气化炉相联通，以构成地下气化炉的排水系统，其中所述排水孔的孔底低于气化炉底10米以上，并作水封处理。
本发明优选的点火装置包括过渡管，该过渡管的一端插入与气化炉连通的通道中并与其保持连通，而另一端延伸出地面并加盖密封盖，在所述的过渡管的中部设有阀门，在阀门和过渡管之间形成过渡室，在过渡管外围安装有一输送装置，该输送装置利用绳索在过渡室内悬吊一引燃器，所述绳索通过插在过渡管密封盖的密封滑管进入过渡室，以在过渡管密封的情况下实现引燃器的上升和下降运动。
本发明优选在出气通道输出端连接至少一个储气罐，以缓冲并存放气化炉产生的气体。
本发明优选采用边气化边充填工艺方法，利用地面的充填设备，将可凝固的流体填充材料注入燃空区，所述填充材料在气化炉的高温条件下固化以形成实体，达到支护气化工作面不失稳的目的；在特厚煤层中建气化炉群进行气化时，各上下层之间，同水平各炉之间，不需要预留煤柱，充填物就可将各炉间的隔离煤柱置换，达到充分利用煤炭资源的目的，使煤炭资源不被遗弃，而且地下水流动的路线不通过地下气化炉，就不会污染地下水了；除此之外，本发明还可利用高压气体注入炉内及向地下气化炉内燃空区进行局部充填，这两种方法可为深部地下煤炭气化炉提供有效支护方法，一旦发生供气管漏气或停电时，可减少造成炉体失稳塌陷的事故风险。
本发明优选采用正反向鼓风(即周期性的将进气通道与出气通道功能互换)使线状的气化工作面，沿煤层倾斜向上燃烧，不断扩大燃烧面积，将大面积的煤炭充分气化，以提高产气量，延长气化炉的服务年限；
本发明优选在进气通道、出气通道以及辅助出气通道的外部安装不同深度的热电偶串，通过不同时间，对进气通道、出气通道以及辅助出气通道的热电偶温度的测量，并结合物探技术可以收集到温度梯度等参数，计算出氧化、还原、干馏带的长度、移动速度、以及其气体组分的变化等科学数据。
通过采用上述技术方案，可以明显提高地下气化炉排水效力，优化点燃煤层的手段，提高深部煤层气化效果，为气化炉提供有效支护，并节省大量能源，降低煤气生产成本。
图1是煤炭地下气化工艺方法的原理示意图；
图2A是本发明的深部无井式煤炭地下气化炉系统截面的主视图的示意图；
图2B是本发明的深部无井式煤炭地下气化炉系统截面的侧视图的示意图；
图2C是本发明的深部无井式煤炭地下气化炉系统截面的俯视图的示意图；
图3A是本发明的深部无井式煤炭地下气化炉排水系统截面的主视图的示意图；
图3B是本发明的深部无井式煤炭地下气化炉排水系统截面的侧视图的示意图；
图4是本发明的深部无井式煤炭地下气化炉燃空区填充技术的示意图；
图5是本发明的深部无井式煤炭地下气化炉点火装置的示意图。
具体实施方式
请参阅图2A、2B、3A、3B和图4，本发明的深层(如1000米以下)地下无井式煤炭气化工艺方法包括在待气化的煤层5中建设地下气化炉8、在地下气化炉8的一端钻设与地面连通的进气通道2、而在其另一端钻设与地面连通的出气通道4，所述地下气化炉8与进气通道2和出气通道4构成U形结构，在该U形结构中部设有辅助出气通道3。事实上，气化炉8与进气通道2和出气通道4之间构成的形状并不局限于U形，只要是进气通道2和出气通道4与气化炉8相连通，且利于煤层气化燃烧和煤气排出即可，因此，可以根据实际需要对进气通道2、出气通道4气化炉8的布置进行调整。
在完成上述建设工程后，建设排水孔1，该排水孔1从地面向下延伸，在进入煤层后逐渐水平延伸并通过气化炉8炉底，要求孔底到达炉底的距离至少大于10米，并作水封措施，达到只能排水、不能排气的目的。这样，气化炉8的钻孔与气化炉8外的排水孔1连通，达炉底的距离至少大于10米，并作水封措施，达到只能排水、不能排气的目的。这样，气化炉8的钻孔与气化炉8外的排水孔1连通，从而使地下深部的气化炉8与地面贯通，以构成气化炉8的排水系统6。
在对于气化炉8进行排水时，可以采用加压装置对上述与气化炉8连通的通道1、2、3、4中的至少一个加压，而关闭其余的通道；在加压装置的作用下，气化炉8内的气压增大，从而气化炉8内的水会在高压的作用下相应地流向排水孔1的底部，并进而渗入孔底煤层；作为另外一种优选的方案，可以对与气化炉8连通的通道2、3、4中的至少一个加压，而只打开排水孔1，在加压装置的作用下，气化炉8内的气压增大，从而气化炉8内的水会在高气压的作用下相应地流向排水孔1的底部，随着气化炉内气压的增大，排水孔1内的水位会继续下降，进而从排水孔1至少部分流出。利用上述技术方案，长期将地下气化炉8内的积水外排，可使地下气化炉8附近的水位下降，而水位下降，自然就减小了地下水对气化炉8的压力，并减少电耗，降低煤气生产成本。
在排水工作完毕之后，通过点火装置9(请参阅图5)点燃煤层5。该点火装置9包括插入进气通道2内的过渡管94，该过渡管94的一端插入进气通道2，而另一端延伸出地面。其中该过渡管94插入进气通道2的一端与进气通道2内保持连通，而其另一端加盖密封盖93。在所述的过渡管94的中部设有阀门97，在阀门97和过渡管94之间形成过渡室。在过渡管94外围安装有一输送装置92，例如绞车装置等，该输送装置92包括一个定滑轮，输送装置92利用通过该定滑轮的绳索在过渡室内悬吊一引燃器96，所述绳索通过插在过渡管94密封盖93的密封滑管90进入过渡室，这样，在保证过渡管密封(即与外界空气隔离)的情况下，实现绳索的运动，即实现引燃器96的上升和下降运动。其中输送装置92优选但并不局限于使用绞车、滑轮和绳索装置，本领域普通技术人员能够联想到的其他常规替代装置都可以作为本发明的输送装置92。
使用所述点火装置9时，需先关闭阀门97，然后通过输送装置92把引燃器96送入过渡室；然后密封过渡管94露出地面的一端，输送装置92的绳索通过密封滑管90进入过渡室，并加盖密封盖93；接下来打开阀门97，使过渡室与进气通道2连通，在过渡室与钻孔内气压均衡之后，放引燃器96进入进气通道2，并进而进入气化炉8；最后，启动该引燃器96，以点燃气化炉8内的煤层。具体的点火方法为：利用放炮或钻头将在气化炉8的煤层粉碎，并通过引燃器96在被粉碎的煤层上喷洒易燃物质，然后点燃被粉碎的煤层，以形成大面积燃烧的条件。点火前为了保证出气通道4的畅通，必须把出气通道4底的障碍物清除干净，经过冷态通风阻力测定合格后，即可点火，供风量初期要小(如10米3/h)，逐渐增加供风量，点火一段时间后开始检测煤气组分，直到煤气组分达到设计指标后，点火工序才算结束。
在气化炉8的煤层开始燃烧后，需对其燃烧进行监测和控制。在进气通道、出气通道以及辅助出气通道的外部安装不同深度的热电偶串(未示出)，通过在不同时间对进气通道、出气通道以及辅助出气通道的热电偶的温度进行测量，并结合物探技术可以收集到温度梯度等参数，可以计算出氧化、还原、干馏带的长度、移动速度、以及其气体组分的变化等科学数据。
另外，作为本发明优选的技术方案，在气化炉8煤层燃烧过程中，可采用正反向鼓风，即周期性的将进气通道1与出气通道4功能互换，使线状的气化工作面，沿煤层倾斜向上燃烧，不断扩大燃烧面积，将大面积的煤炭充分气化，达到提高产气量，延长气化炉的服务年限的目的，并取消了国外为了气化大面积内的煤炭而采用密布许多钻孔法的费用。
在特厚煤层中建气化炉群进行气化时，各上下层之间，同水平各炉之间，不需要预留煤柱，充填物就可将各炉间的隔离煤柱置换，以达到充分利用煤炭资源的目的，使煤炭资源不被遗弃，而且地下水流动的路线不通过地下气化炉，以避免被污染。
因为煤体是弹塑性物质，外力极容易将地下气化炉8的空间压迫成高强度的支护体，起到支撑作用，保证气化通道畅通。地面所用的充填设备7可采用大功率泥浆泵和一定长度的导料管。由于充填的落差在1000米左右，具有足够大的势能，利用充填材料的重力势能就可以完成充填过程，当充填材料注入燃空区后，由于本身是流体的，具有向凹处流的特点，自然就将燃空区的低洼处填平，当充填材料凝固成固体后，其抗压强度大大高于煤层，因此就起到了支护气化通道，保证通道畅通的作用。
另外，作为本发明的优选的技术方案，可以通过对气化炉8内加压以防止地下气化炉8的通道变形与堵塞，如在深部地下煤层气化过程中，当地应力大于地下水压时，气化炉8内的气体压力必须大于地应力，这时关闭排水孔1出口处阀门(未示出)，并从其他通道加压以提高地下气化炉8内气体压力，例如通过进气通道1输入气化剂(如空气、氧气、水蒸汽等)。在此过程中，暂时关闭出气通道4的排气阀门(未示出)，并在一段时间内保持气化炉8煤层燃烧。在其燃烧到一定阶段后即可能完成自我支护，如煤炭在燃烧过程中产生的焦炭其抗压强度比煤炭高很多，所以可作为地下气化炉气化通道支护体，使气化通道保持一定的空间，才能使气化炉8稳定气化。在气化炉8稳定后，即可开启排水孔1和出气通道4的阀门，继续进行连续气化。因为气化炉8内的燃烧十分复杂，而且会因不同的煤质和地质特点产生不同的燃烧情况，因此，在具体对地下煤层气化的过程中，可根据实际情况采用上述填充式支护或增加气化炉8内压的方法完成气化炉8的支护，或者在气化的不同阶段分别采取不同的方法，只要能保证气化炉8煤层燃烧气化顺利，并且出气通道4出气连续顺畅即可。
在特厚煤层中必须进行分层气化，即实现有控的燃烧气化，因为进气通道1处煤被燃烧完后，氧化带必然向出气通道1处移动，当本层气化炉8内煤体燃烧气化完毕后，燃空区必须及时充填，以作为下层炉的顶板，这是不可缺少的工序，并可节约由于采取预留煤柱的方法，避免资源浪费。
本发明的深层地下无井式煤炭气化工艺方法所涉及到的地下部分的构建可以通过钻孔技术、地下贯通技术完成，从而在煤层中为煤炭燃烧与热化学反应提供充分的空间。钻孔技术包括垂直钻孔，以从地面接近待气化煤层；而贯通技术包括反向燃烧和定向钻井。
在产生气体之后，要对排出的气体进行收集和利用。本发明优选采用至少一个储气罐(未示出)来储存产生的气体。采用该储气罐，不但使气化产生的气体得到缓冲，而且确保由该储气罐输出的气体连续且气压平稳，从而方便用户使用。在应用燃烧煤气时，需根据产生的煤气的质量，来进行不同的用途，例如被直接连接到化工厂作为气体燃料或大型炼钢车间的工业能源，或者通过煤气管道输送到居民家中作为民用能源。
Claims (7)
1. 一种深层地下煤炭气化工艺方法，其工艺方法步骤包括在待气化的煤层中建设地下气化炉，在地下气化炉的一端钻设与地面连通的进气通道，在地下气化炉的另一端钻设与地面连通的出气通道，然后通过点火装置点燃气化炉内的一端的煤层，同时向气化炉内供给气化剂，最后在地面对产生的煤气进行收集和处理，其特征在于：气化炉外设有排水孔，该排水孔一端伸出地面，而另一端与所述地下气化炉相联通，以构成地下气化炉的排水系统，其中所述排水孔的孔底低于气化炉底10米以上，并作水封处理，在对所述气化炉进行排水时，对与气化炉连通的通道中的至少一个加压，而只打开排水孔，以增加气化炉内压，使排水孔内的水位会下降并从排水孔排出。
2. 如权利要求1所述的深层地下煤炭气化工艺方法，其特征在于，所述点火装置包括过渡管，该过渡管的一端插入与气化炉连通的通道中并与其保持连通，而另一端延伸出地面并加盖密封盖，在所述的过渡管的中部设有阀门，在阀门和过渡管之间形成过渡室，在过渡管外围安装有一输送装置，该输送装置利用绳索在过渡室内悬吊一引燃器，所述绳索通过插在过渡管密封盖的密封滑管进入过渡室，以在过渡管密封的情况下实现引燃器的上升和下降运动。
3. 如权利要求2所述的深层地下煤炭气化工艺方法，其特征在于：在出气通道输出端连接至少一个缓冲并存放气化炉产生的气体的储气罐。
4. 如权利要求3所述的深层地下煤炭气化工艺方法，其特征在于：在进行煤层气化的同时进行充填，将可凝固流体物质用充填设备注入燃空区内，这些流体充填物在地下炉内的高温条件下，凝固成高强度、用来支撑气化通道的支护体。
5. 如权利要求4所述的深层地下煤炭气化工艺方法，其特征在于：在气化工艺方法过程中，通过关闭设置在排水孔出口处的阀门，并从其他通道向地下气化炉加压以提高地下气化炉内气体压力，以对气化通道提供支护。
6. 如权利要求5所述的深层地下煤炭气化工艺方法，其特征在于：在深层地下煤层气化过程中，采用正反向鼓风，即周期性的将进气通道与出气通道功能互换，使气化炉反复燃烧气化以构成大面积气化。
7. 如权利要求6所述的深层地下煤炭气化工艺方法，其特征在于：在进气通道、出气通道以及辅助出气通道外部安装不同深度的热电偶串，通过不同时间所测的温度值及收集温度梯度参数，以得到氧化、还原、干馏带的长度、移动速度、以及其气体组分变化。
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