CN102486085A - 一种用于含碳有机质地下气化的气化剂输配系统及工艺 - Google Patents

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本发明提供了一种用于含碳有机质地下气化的气化剂输配系统，其包括：与进气钻孔的孔壁接合且延伸至含碳有机质中预定位置的进气钻孔套管；以及在进气钻孔套管中延伸的氧气/富氧气体输送管；所述氧气/富氧气体输送管用于输送氧气/富氧气体，且所述进气钻孔套管与所述氧气/富氧气体输送管之间的环空用于输送空气、水蒸气、富氧气体和/或二氧化碳。本发明提供了与之对应的气化剂输配工艺。

Description

一种用于含碳有机质地下气化的气化剂输配系统及工艺
技术领域
本发明涉及一种用于例如煤炭、油页岩等含碳有机质地下气化的气化剂输配系统及工艺。
背景技术
例如煤炭、油页岩等含碳有机质地下气化就是利用气化剂使处于地下的煤炭、油页岩等含碳有机质受控制地燃烧、通过对含碳有机质的热作用及化学作用而产生可燃气体的过程。生产的可燃气体可用作发电气体或化工合成气。在含碳有机质地下气化产生可燃气体的过程中，气化剂的种类在很大程度上决定了可燃气体质量的好坏。在实际应用中，含碳有机质地下气化气化剂种类通常包括空气、氧气、水蒸气和CO2等。
目前最常用的气化剂是空气。这主要由于空气成本低廉、输送方便，但其气化产生的可燃气体热值和有效组分(H2、CO、CH4)的含量都比较低，只能用来燃烧产生蒸汽供蒸汽轮机发电，不能满足化工合成的需要。
与利用空气作为气化剂的情形形成对比的是，利用富氧-水蒸气作为气化剂可以利用高浓度富氧与含碳有机质反应产生的热量加大水蒸气的分解量，产生更多的H2和CO，从而改善可燃气体质量，生产的可燃气体可以利用于化工合成领域；利用富氧-二氧化碳作为气化剂一方面可以鼓入富氧，燃烧生产高热值的可燃气体，另一方面利用富氧燃烧产生的热能还原CO2增加可燃气体中CO的含量，改善可燃气体质量，同时利用二氧化碳作为气化剂还可以研究含碳有机质地下气化技术能否用于CO2的减排，对环境保护具有重要意义。
因此，利用富氧-水蒸气混合物或者富氧-二氧化碳混合物作为气化剂的方案正在越来越广泛地被关注。
利用富氧作为气化剂具有如下优势：①富氧气化可以提高反应区的温度，强化CO2的还原，从而改善可燃气体质量；②反应区温度的增加，水蒸气的分解速率也增加，这就增加了可燃气体中的可燃成分H2和CO的含量；③反应区温度的增加，当含碳有机质为煤时，煤的干馏范围增加，产生更多的含有H2、CH4、CO的干馏煤气；④富氧气化可以减少出口可燃气体的N2含量，提高能量利用效率，改善可燃气体质量。
然而，利用富氧作为气化剂需要考虑安全方面的问题。例如，氧气输送应在无油的环境下进行，需要考虑防火、防爆特殊设计保护。
目前，在例如煤炭的含碳有机质地下气化过程中气化剂的输配主要有两种方式：一种是在地面经过混合器混配然后直接通过钻井套管输送至例如煤层的含碳有机质层，这种方式只能输送空气、CO2或低浓度富氧，并不适合高浓度富氧；另一种是在定向孔内布放特殊、可移动管道将气化剂输送至例如煤层的含碳有机质层，这种方式主要在国外控制注气点后退工艺技术(CRIP)中广泛使用，可输送高压氧气等气化剂，但其实施技术难度大、操作控制复杂、成本造价高。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种安全有效、成本低廉的气化剂输配系统及工艺，其尤其适合进行高浓度富氧和富氧-水蒸气等气化剂安全有效的输配。
鉴于在高浓度氧的输送过程中存在例如与套管壁残存油污混合进而发生爆炸的危险，本发明提出了将氧气输送与空气、水蒸气或二氧化碳输送分开，分别经各自的输送管道输送进入含碳有机质地下气化炉内，在钻孔底部进行混合。通过该输送方式可避免高浓度氧气输送的爆炸危险，保证各种气化剂安全有效地输送到地下气化炉内。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于含碳有机质地下气化的气化剂输配系统，其包括：与进气钻孔的孔壁接合且延伸至含碳有机质中预定位置的进气钻孔套管；以及在进气钻孔套管中延伸的氧气/富氧气体输送管；所述氧气/富氧气体输送管用于输送氧气，且所述进气钻孔套管与所述氧气/富氧气体输送管之间的环空用于输送空气、水蒸气和/或二氧化碳。
根据本发明的一个方面，所述氧气/富氧气体输送管的下端比所述进气钻孔套管的下端更靠近钻孔底部。
根据本发明的一个方面，在所述氧气/富氧气体输送管的下端设置有氧气喷嘴，所述氧气喷嘴包括上部柱体和下部锥体结构，上部柱体的上端适于连接至氧气/富氧气体输送管的下端，上部柱体下侧面和下部锥体底部都开有一个或多个作为氧气出口的喷嘴孔。
根据本发明的一个方面，该气化剂输配系统还设置有氧气阻火器，所述氧气阻火器设置在氧气/富氧气体输送管的下端，并且通过一段耐高温管连接至氧气喷嘴。
根据本发明的一个方面，各管道设有管道扶正器，以在钻孔内固定。
根据本发明的一个方面，该气化剂输配系统还包括放置于所述钻孔中的温度感测装置以及与之关联的氧气供给截断装置，使得一旦孔底温度超过预设的安全范围，则使所述氧气供给截断装置工作来中断氧气的供给。
根据本发明的一个方面，该气化剂输配系统还设置有数字控制系统，以对各种操作进行自动控制。
本发明还提供了一种利用如上所述的气化剂输配系统来进行气化剂输配的工艺，其通过所述氧气/富氧气体输送管输送氧气；且通过所述进气钻孔套管与所述氧气/富氧气体输送管之间的环空输送空气、水蒸气和/或二氧化碳。
需要说明的是，本发明中的术语“含碳有机质”包括但不限于：
煤，包括所有种类的煤，例如无烟煤、烟煤、褐煤、泥煤、藻煤等，还包括由煤产生的半焦，焦油，蜡，沥青等煤基产品；
石油，包括各种石油以及石油炼制过程中生产的航煤，汽油，煤油，柴油，蜡、焦油、沥青等石油基产品；
油页岩；
生物质，包括秸秆等；
其它有机物质，包括废轮胎，废塑料等废弃有机物质，以及有机生活垃圾；
或者，所述含碳有机质还可以包括上面列举的各物质的混合物。
另外，本发明中所述的“油页岩”是指干酪根含量高，并可以分馏出相当量石油的细粒沉积岩，灰分的质量分数大于40％，含油率在3.5％～30％之间的固体可燃有机物质。油页岩和煤的区别在于它的灰分质量分数大40％。油页岩经加热能从中释放出烃类气体和液体。
通过下面结合附图的详细描述，本领域技术人员可以了解本发明的其他进一步的特征。
附图说明
图1是根据本发明优选实施例的气化剂输送系统的示意图。
图2是氧气喷嘴的示意性结构图。
图3是氧气供给通路的一个示例性示意图。
图4示意性地示出了温度感测装置以及氧气供给截断装置的工作简图。
具体实施方式
鉴于在高浓度氧的输送过程中存在与套管壁残存油污混合而发生爆炸的危险，本发明提出了将氧气/富氧气体输送与空气、水蒸气或二氧化碳输送分开，分别经各自的输送管道输送进入含碳有机质地下气化炉内，在钻孔底部进行混合。通过该输送方式可避免高浓度氧气输送时与套管壁残存油污混合发生爆炸的危险，保证各种气化剂安全有效的输送到地下气化炉内。
下面以煤层的地下气化为例描述本发明，不过应当理解的是，本发明的装置及方法也同样适合于其他含碳有机质例如油页岩的地下气化。
图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的气化剂输送系统，其中，附图标记1表示氧气/富氧气体输送管，附图标记2表示空气、水蒸气或二氧化碳输送管，附图标记3表示法兰，附图标记4表示进气钻孔套管，附图标记5表示氧气喷嘴，附图标记6表示煤层顶板，附图标记7表示煤层，附图标记8表示煤层底板。
如图1所示，进气钻孔套管4与进气钻孔的孔壁接合，且延伸至煤层7中的预定位置。氧气/富氧气体输送管1具有小于进气钻孔套管4的横截面尺寸，并且例如通过法兰3连接至进气钻孔套管4，并在进气钻孔套管4中延伸，形成“管中管”结构。优选地，所述氧气/富氧气体输送管的下端至少与进气钻孔套管的下端基本齐平。进一步优选地，所述氧气/富氧气体输送管的下端比所述进气钻孔套管的下端更靠近钻孔底部。通过使氧气/富氧气体输送管的下端比进气钻孔套管的下端齐平或者更靠近钻孔底部，能够使氧气/富氧气体与空气、水蒸气、二氧化碳的混合操作在尽量靠近钻孔底部的位置进行，从而能够避免过早混合地向下输送所存在的风险。
空气、水蒸气或二氧化碳输送管2与进气钻孔套管4连通，用于通过进气钻孔套管4与氧气/富氧气体输送管1间的环空向下输送空气、水蒸气或二氧化碳。不过这里需要特别说明的是，在一些实施例中，输送管2也可以用于输送富氧气体，进而通过所述环空向下输送富氧气体。空气、水蒸气、富氧气体或二氧化碳与经氧气/富氧气体输送管1输送的高浓度氧气/富氧气体在钻孔底部(更具体而言是在煤炭地下气化炉中)进行混合。如上所述，通常用于地下气化的富氧气体是指氧浓度按体积计算21％-70％的气体，高浓度氧气是指氧浓度按体积计算在70％-98％的气体。
根据本发明的一个实施例，在氧气/富氧气体输送管1的下端设置了耐高温氧气喷嘴5。图2示意性地示出了氧气喷嘴5的一种示例性结构。如图2所示，根据本发明的氧气喷嘴5由耐高温材料加工成，例如包括上部柱体51和下部锥体52，上部柱体51的上端适于连接至氧气/富氧气体输送管1的下端，上部柱体51下侧面和下部锥体52底部都开有一个或多个作为氧气/富氧气体出口的喷嘴孔53。氧气喷嘴5的下放位置及喷嘴孔53的个数依据氧气进气流量、压力及钻孔井底结构和煤层结构确定。适当设计的氧气喷嘴能够确保气化剂的均匀输送、混配及防火防爆安全。
本发明的另一个重要特征在于，在氧气供给通路上还设置有氧气阻火器，以降低氧气和可燃气体的混合物回火燃烧或爆炸的风险。在一个可能的实施例中，如图3所示，氧气阻火器14连接至氧气/富氧气体输送管1的下端，进而通过一段耐高温管15连接至氧气喷嘴5。氧气/富氧气体输送管1、氧气阻火器14、耐高温管15、耐高温氧气喷嘴5例如采用焊接或螺纹连接在一起，以作为氧气/富氧气体的输送管道。在氧气/富氧气体的输送过程中，氧气依次通过氧气/富氧气体输送管1、氧气阻火器14、耐高温管15、氧气喷嘴5到达钻孔底部(例如煤炭地下气化炉)，经氧气喷嘴孔与空气、水蒸气或二氧化碳进行混合。通过此种方式输送可进一步保证气化剂混合均匀，并且能够进一步防止氧气/富氧气体和可燃气体的回火燃烧。在一个优选的实施方式中，各管道设有管道扶正器，以在钻孔内固定。
本发明的另一个特征在于，钻孔中下放有温度感测装置，并且氧气供给回路中设置有与之关联的供给截断装置。所述温度感测装置例如为热电偶，其用于测量井底气化剂温度，实现氧气/富氧气体输送过程的气化剂温度在线监控，一旦孔底温度超过预设的安全范围，则可以通过自动控制程序自动关闭所述供给截断装置(例如氧气调节阀)，杜绝氧气/富氧气体输送过程的回火燃烧、爆炸隐患。
图4示出了一个示例性的实施方式。当钻孔底部的煤层发生燃烧时，钻孔底部的热电偶9测得温度信息反馈给数字控制系统(DCS)10，若温度超过DCS设定的温度时，数字控制系统自动关闭氧气/富氧气体输送管上的氧气电动阀11，停止对煤炭地下气化炉输送氧气/富氧气体，以此防止氧气/富氧气体与煤气混合物的回火燃烧。
根据本发明，优选采用数字控制系统来对整个系统进行自动控制。例如，所述数字控制系统的操作方式分为联锁和解锁两种控制模式。联锁控制模式利用控制程序可自动控制气化剂进气总量、氧浓度、水汽比等。根据需求设定试验氧浓度和进气总量、水汽比，DCS系统自动控制程序计算氧气和其余气化剂(空气、蒸汽、二氧化碳或其它类别气化剂)需求量，并根据气化剂生产系统压力和气化炉压力分别自动调节阀门开度，稳定控制单一气化剂压力、流量，确保气体按工艺要求输送到孔底混合后进入气化炉内。解锁模式则为根据工艺生产需求人工设定单一气化剂需求量，利用DCS系统自动控制进气流量和压力。
<实例一>
以下为向具有一定孔深和直径的进气钻孔输送富氧为例说明本发明的实施步骤：
首先，通知供气部门开启压缩空气、液氧气化生产系统，先将DCS系统设定在解锁自控模式下，缓慢开启空气调节阀向钻孔内通入空气气化剂，待进气稳定后缓慢开启氧气调节阀通入氧气，依据氧浓度需求和孔底温度变化情况，调节富氧总进气量。待进气稳定后，启动DCS系统自动控制程序及安全联锁装置。DCS自动控制程序计算空气、氧气需求量，并根据气化剂供气系统压力和气化炉压力自动调节电动阀开度。其中，空气经进气钻孔内氧气管与钻孔套管间的环空到达钻孔底部；纯氧通过进气钻孔内的氧气管、氧气阻火器、耐高温管和氧气喷嘴进入钻孔底部与空气进行混合，混合后气化剂经气化通道进入气化工作面参与气化反应。待流量稳定后，DCS自动控制程序根据流量计测量结果计算实际配比情况，并校对其控制参数，确保各进气流量按需求进入气化炉内。如发现孔底温度超温报警，DCS系统安全联锁装置在保证进气总量不变的情况下自动缓慢减少氧气进气量，确保气化剂输配系统安全。

Claims (9)

1.一种用于含碳有机质地下气化的气化剂输配系统，其特征在于，包括：与进气钻孔的孔壁接合且延伸至含碳有机质中预定位置的进气钻孔套管；以及在进气钻孔套管中延伸的氧气/富氧气体输送管；所述氧气/富氧气体输送管用于输送氧气或富氧气体，且所述进气钻孔套管与所述氧气/富氧气体输送管之间的环空用于输送空气、水蒸气、富氧气体和/或二氧化碳。
2.如权利要求1所述的气化剂输配系统，其特征在于，所述氧气/富氧气体输送管的下端比所述进气钻孔套管的下端更靠近钻孔底部。
3.如权利要求1所述的气化剂输配系统，其特征在于，在所述氧气/富氧气体输送管的下端设置有氧气喷嘴，所述氧气喷嘴包括上部柱体和下部锥体结构，上部柱体的上端适于连接至氧气/富氧气体输送管的下端，上部柱体下侧面和下部锥体底部都开有一个或多个作为氧气出口的喷嘴孔。
4.如权利要求1所述的气化剂输配系统，其特征在于，还设置有氧气阻火器，所述氧气阻火器设置在氧气/富氧气体输送管的下端，并且通过一段耐高温管连接至氧气喷嘴。
5.如权利要求4所述的气化剂输配系统，其特征在于，各管道设有管道扶正器，以在钻孔内固定。
6.如权利要求1所述的气化剂输配系统，其特征在于，还包括放置于所述钻孔中的温度感测装置以及与之关联的氧气供给截断装置，使得一旦孔底温度超过预设的安全范围，则使所述氧气供给截断装置工作来中断氧气的供给。
7.如权利要求1所述的气化剂输配系统，其特征在于，所述含碳有机质是煤层或者油页岩。
8.如前述权利要求中任一项所述的气化剂输配系统，其特征在于，还设置有数字控制系统，以对各种操作进行自动控制。
9.一种利用如权利要求1-8中任一项所述的气化剂输配系统来进行气化剂输配的工艺，其特征在于，通过所述氧气/富氧气体输送管输送氧气或富氧气体；且通过所述进气钻孔套管与所述氧气/富氧气体输送管之间的环空输送空气、水蒸气、富氧气体和/或二氧化碳。
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