CN103422848A - 煤炭地下气化方法及注浆装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种煤炭地下气化方法及注浆装置。方法的步骤包括：建立进气通道、出气通道以及气化通道；通过进气通道将气化剂注入到气化通道，并点燃煤层；将水煤浆输送至气化通道中的火焰工作面。用于该地下气化方法的注浆装置包括可移动的注浆组件（6）；驱动装置（7）；煤浆混合发生装置（8）；测温装置（9）。将水煤浆直接注入到火焰工作面（5），可以提高了火焰工作面的温度，促进产生氢气的反应进行，使煤气中的氢气含量提高。还可以使水煤浆中的水直接与碳反应生成氢气，从而进一步提高了煤气中氢气的含量。

Description

煤炭地下气化方法及注浆装置

技术领域

本发明涉及一种煤炭地下气化方法及注浆装置。

背景技术

煤炭地下气化首先自地面向下打钻孔到煤层，再在煤层内部将钻孔连结起来，以其中一个钻孔将气化剂(如空气、水蒸汽、富氧空气等)输出到煤层，气化剂在煤层内进行不完全燃烧，并连续发生气化，把产生的可燃气体从另一个钻孔输送到地面。在两钻孔间的气化通道中进行煤燃烧的反应，此处的燃烧反应主要为：

C+H₂O(g)=CO+H₂-131.5MJ/kmol   （1）

C+2H₂O=CO₂+2H₂-90.5MJ/kmol   （2）

C+1/2O₂=CO+110.9kJ/mol   （3）

在地下气化过程中，煤层水及地下水有一部分进入了气化通道，但是由于气化过程本身具有一定压力，并且具有较高的温度，造成大部分水都气化成了水蒸气被煤气携带到地面，并没有参与碳与水的反应产生氢气，反而带走了大量的热量降低了反应区整体的温度，并且降低了煤气中氢气的含量。

CN101382063公开了一种新型煤炭气化炉型。本煤炭气化炉型通过定向钻孔与两个或两个以上垂直钻孔在煤层中的对接构建气化炉，通过定向钻孔与两个或两个以上垂直钻孔在煤层底板的对接构建煤层排水通道。气化炉垂直钻孔分别用于气化炉点火、气化炉排气以及正反向鼓风气化，气化炉定向钻孔用于生产煤气及煤气流通。虽然气化炉排出水以防止水气化带走热量，但是也降低了煤气中氢气的含量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤炭地下气化方法及注浆装置，其可以提高反应区的温度。

为实现上述目的，本发明一方面提供一种煤炭地下气化方法：建立进气通道、出气通道以及气化通道；通过进气通道将气化剂注入到气化通道，并点燃煤层；将水煤浆输送至气化通道中的火焰工作面。由此方法，可以使水煤浆中的碳与气化通道中的氧气反应放热，一方面提高了火焰工作面的温度，另一方面增加了煤气中一氧化碳的含量。水煤浆中的水直接注入到火焰工作面参与碳与水的反应生成氢气，提高了煤气中氢气的含量，改善了煤气的质量。

根据本发明，通过将注浆组件送入气化通道，将水煤浆输送至气化通道；其中注浆组件通过进气通道或出气通道送入气化通道中；或建立用于贯通进气通道和出气通道的水平井，将注浆组件通过水平井送入气化通道中。由此，可利用地下气化炉的进气通道和出气通道或者贯通二者的水平井进行注浆，不必单独设立注浆通道。

根据本发明，测量注浆组件位于气化通道的端口处的环境温度；将测量得到的温度与预定温度值相比较；当测量温度达到预定温度值时，停止调节注浆组件并注入水煤浆；或当测量温度低于预定温度值时，调节注浆组件，使其靠近火焰工作面。由此方法，以温度为依据找到火焰工作面的位置，既可以用于注浆前，又可以用于在火焰工作面移动后继续寻找火焰工作面，以使注浆组件跟随火焰工作面的移动，始终保持在火焰工作面注浆。

根据本发明，测量温度达到900℃-1300℃时，停止调节注浆组件。

根据本发明，测量温度达到900℃-1300℃时，增加水煤浆中煤粉含量；测量注浆口处的环境温度；当增加煤粉含量后的测量温度较增加煤粉含量前的测量温度的提高值大于或等于100℃时，停止调节注浆组件；或当增加煤粉含量后的测量温度较增加煤粉含量前的测量温度的提高值小于100℃时，继续调节注浆组件，使其靠近火焰工作面。

根据本发明，在继续调节注浆位置时，通过设置在注浆组件中的牵引索调节喷射的方向。

根据本发明，通过位于注浆组件端口上的测温装置测量环境温度。

根据本发明，计算燃煤量；当燃煤量达到预定值之后，通过移动注浆组件引导火焰工作面移动。

根据本发明，通过注浆组件向气化通道分别注入水煤浆、气化剂、含碳粉末状物质。

根据本发明，采集气化通道中的煤气；根据所采集到的煤气中的氢气含量调节水煤浆中水的比例。

根据本发明，在水煤浆中添加催化剂或含碳粉末状物质，其中，所述催化剂包括铁渣、石灰石或氢氧化钙中的一种或它们的任意组合。

另一方面提供一种注浆装置，其包括可移动的注浆组件、驱动装置、煤浆混合发生装置、测温装置，驱动装置与注浆组件可驱动地接触，煤浆混合发生装置和注浆组件流体连接。

根据本发明，测温装置位于注浆组件的端口处。

根据本发明，注浆装置还包括煤气取样装置，煤气取样装置设置在注浆组件的端口处。

根据本发明，驱动装置为绞盘，注浆组件为注浆管，注浆管设置有至少两个通道。该结构简单，可有效的驱动注浆组件的移动。

采用这样的结构后，本发明的有益效果在于：

将水煤浆直接注入到火焰工作面，水煤浆中的碳与水反应生成一氧化碳并放热，从而提高了火焰工作面的温度，促进产生氢气的反应进行，使煤气中的氢气含量提高，从而提高了煤气的品质。另外，将水煤浆直接注入到火焰工作面，可以使水煤浆中的水直接与碳反应生成氢气，从而进一步提高了煤气中氢气的含量。

附图说明

图1是本发明的注浆装置位于第一种煤炭地下气化炉的示意图；

图2是本发明的注浆装置位于第二种煤炭地下气化炉的示意图；

图3是本发明的注浆装置位于第三种煤炭地下气化炉的示意图；

图4是本发明的注浆装置位于第四种煤炭地下气化炉的示意图。

具体实施方式

参照图1描述本发明的煤炭地下气化方法。

首先建立进气通道2、出气通道1以及气化通道10，在煤炭地下气化过程中，进气通道2用于向煤层4注入气化剂，出气通道1用于导出煤气，而煤层4的燃烧反应位于气化通道10中。

当上述三个通道建立完成后，即地下气化炉建立完毕，通过进气通道2将气化剂注入到气化通道10，并点燃煤层4。即，当气化剂进入气化通道10中，用点火器点燃煤层，煤层中的碳与气化剂中的氧发生反应，开始燃烧。

在煤层4燃烧过程中，将水煤浆输送至气化通道10中的火焰工作面5。输送水煤浆的过程可以在地下气化全生命周期中进行。换言之，可以在检测到由出气通道1输送出的煤气品质不理想时再注入水煤浆，或者在煤层4开始燃烧时直接注入水煤浆。由此方法，可以使水煤浆中的碳与气化通道中的氧气反应放热，一方面提高了火焰工作面的温度，另一方面增加了煤气中一氧化碳的含量。水煤浆中的水直接注入到火焰工作面参与碳与水的反应生成氢气，提高了煤气中氢气的含量，改善了煤气的质量。

在将水煤浆输送到气化通道10后，测量水煤浆注浆口12处（即注浆组件6位于气化通道10中的端口处）的温度。此测量可以通过将测温装置9设置在水煤浆的注浆口12处进行。这样测温装置9测得的温度即为水煤浆注浆口12处的温度，从而判断水煤浆的注浆口12是否位于火焰工作面5。

然后，将测量得到的温度与预定温度值相比较，当测量温度达到预定温度值时，停止调节注浆组件并注入水煤浆。当测量温度低于预定温度值时，调节注浆组件，使其靠近火焰工作面5。此处，对于煤炭地下气化过程中，由于火焰工作面5是在不断运动的，很难找到精确的火焰工作面5的位置，通过温度测量，调节注浆口12的位置，使其不断靠近火焰工作面5，即表现为测量的温度值不断升高，当达到预定温度值时，则理解为已经到达了火焰工作面5。

在本具体实施例中，预定温度值的范围在900℃-1300℃。当测量得到的温度在此预定温度值的范围内，理解为水煤浆的注浆口12已位于火焰工作面5，可以停止调节。若测量得到的温度未位于此预定温度值的范围内，则水煤浆的注浆口12没有位于火焰工作面5，调节注浆口12的位置，使其靠近火焰工作面5。不仅根据测温装置的温度显示，还可以鼓风量作为参考，调整注浆口12喷射煤浆的位置，保证气化的正常进行。

当然，对于煤炭地下气化过程，决定火焰工作面5的温度的因素有很多，根据下述方法可更准确的判断注浆位置是否位于火焰工作面5。测量温度达到900℃-1300℃时，增加水煤浆中煤粉含量，然后再次测量水煤浆注浆口12处的温度，若增加煤粉含量后的测量温度较增加煤粉含量前的测量温度的提高值大于或等于100℃时，则已经位于火焰工作面注浆，停止调节水煤浆的注浆口12。若增加煤粉含量后的测量温度较增加煤粉含量前的测量温度的提高值小于100℃时，则理解为虽然符合预定温度值，但是在此煤层4的气化过程中，仍可继续调节水煤浆的注浆口12，使其靠近火焰工作面5。在继续调节注浆位置时，通过设置在注浆组件6中的牵引索调节喷射的方向。例如，通过拉动注浆组件6，使其与水平面的夹角增大或减小，从而更准确的喷射到火焰工作面；或者通过拉动注浆组件6，使其与竖直面的夹角增大或减小，从而更准确的喷射到火焰工作面5。

在找到火焰工作面5并喷射水煤浆后，可以定期的或连续的测量注浆口12处的温度，由此来判断火焰工作面5是否已经移动（即由于煤层的燃烧是不断移动的，所以火焰工作面5也不断的移动）。若测得的温度下降，或者已经低于预定温度值，则证明火焰工作面5已经移动，继续重复上述过程（即，测量注浆口12处的温度，将测量得到的温度与预定温度值相比较，当测量温度达到预定温度值时，停止调节注浆组件并注入水煤浆，当测量温度低于预定温度值时，调节注浆组件，使其靠近火焰工作面5），直到找到火焰工作面为止。由此方法，以温度为依据找到火焰工作面的位置，既可以用于注浆前，又可以用于在火焰工作面移动后继续寻找火焰工作面，以使注浆组件跟随火焰工作面的移动，始终保持在火焰工作面注浆。

或者，在找到火焰工作面5后，同时喷射水煤浆并且计算燃煤量，当燃煤量达到预定量时，调节注浆组件6。优选地，注浆组件6具有至少两个通道，在本具体实施例中注浆组件6具有三个通道，三个通道分别用于输送水煤浆、含碳粉末状物质、气化剂。其中，含碳粉末状物质选择煤粉或者焦炭粉末。由此，由于水煤浆中含碳粉末状物质比煤层更易燃烧，所以当注浆组件在偏离火焰工作面5的位置注浆时，引起此处煤层的剧烈燃烧，温度升高，从而将火焰工作面5引导至此处。根据此方法，可在通过注入水煤浆改善煤气品质的同时人为控制煤层的燃烧状况，并且在良好的燃烧状况下，煤气品质能够得到进一步提高。应当理解，虽然注浆组件移动的位置偏离火焰工作面5，但是此处仍具有引起含碳粉末状物质燃烧的温度。而含碳粉末状物质、气化剂的通入，不局限于需要引导火焰工作面5时，还可用于其他需要的情况（例如，需要进一步补入气化剂）。

当然，上述两种方法（跟随火焰工作面5移动和引导火焰工作面5移动）可以单一的或交替的使用。

另外，在注浆过程中，可以采集气化通道10中的煤气，测量煤气中氢气的含量从而调节水煤浆中水的比例。利用这个方法，进一步提高煤气中氢气的含量，从而提高煤气的品质。

在水煤浆中可进一步添加催化剂或含碳粉末状物质。由此可以促进气化通道中煤炭的气化反应，进一步提高温度、产生更多的氢气。优选地，催化剂包括铁渣、石灰石或氢氧化钙中的一种或它们的任意组合。碳粉末状物质可为煤炭粉末，焦炭粉末等。水煤浆可以是地下气化过程中的污水或是其他化工污水制作，这种污水里应包括一定含量的碳，能够在反应区内发生燃烧。或者在制作水煤浆时加入地下气化过程中的污水或是其他化工污水，从而节约资源和成本。

图1示出了本发明的注浆装置位于第一种煤炭地下气化炉的示意图。该注浆装置适用于实现上述煤炭地下气化方法。其包括可移动的注浆组件6、驱动装置7、煤浆混合发生装置8、测温装置9。驱动装置7驱动注浆组件6移动，煤浆混合发生装置8和注浆组件6流体连接。在煤浆混合发生装置8中生成水煤浆，通过注浆组件6将水煤浆注入到气化通道10中。注浆组件6通过水平井3伸入气化通道10中。而通过驱动装置7，拉动或推动注浆组件6在水平井3中移动。优选地，注浆组件6为具有多个通道的注浆管，驱动装置7为绞盘。然而，为了更好的调节注浆组件6的喷射位置，可以在注浆组件6中设置有牵引索（例如，耐高温、高强度的金属丝）。其中注浆组件6使用耐高温材料制作，保证在高温区和长时间与高温煤气接触不发生损坏。

另外，在本具体实施方式中，将测温装置9设置于注浆组件6的端口处，即位于注浆组件6伸入到气化通道10内的端口处，也就是注浆口12处。并且测温装置9可以位于注浆组件6的外部或者内部。优选地，测温装置9为热电偶。由此其可以在注浆组件上装配简单、更换方便，并且在靠近火焰工作面5时耐高温、热相应时间快。可以更加有效地、可靠地测量温度。更加优选的，热电偶为铂铑铂热电偶。

进一步参照图1，注浆装置还包括煤气取样装置11，煤气取样装置11设置在注浆组件6的端口处。即位于注浆组件6伸入到气化通道10内的端口处，也就是注浆口12处。煤气取样装置11采集气化通道10中的煤气，由此是位于注浆口12位置的煤气，通过检测此煤气中氢气的含量，调节水煤浆中水的比例，从而促进产生氢气的反应（如碳与水反应）发生。

结合图1，描述利用本注浆装置注浆的具体过程。

通过进气通道2鼓入气化剂，煤气从出气通道1输出，火焰工作面5由进气通道2缓慢向出气通道1移动。即燃烧方向由进气通道2向出气通道1移动。注浆组件6的注浆口12处设置有热电偶9进行温度测量，热电偶的温度显示若在预定温度（如，900℃-1300℃）的范围内，停止移动注浆组件6，开始注浆。若热电偶的温度显示没有在预定温度的范围内，则可以通过驱动装置7移动注浆组件6或者通过牵引索进行喷射角度的微调。当然，注浆与调节位置可以同时进行，从而利用上述装置可以使注浆口12跟随火焰工作面移动。由此实现了水煤浆直接进入反应区域，提高反应区的整体温度，促进氢气的产生。在注浆组件6的注浆口同时设置有煤气取样装置11，以便对这一区域煤气的含氢量进行监测。通过测量结果，调节水煤浆中水的比例，从而进一步提高煤气中氢气的含量。通过此注浆装置，利用现有的地下煤炭气化炉，将水煤浆注入到火焰工作面上，提高了煤层4燃烧的温度、水的利用率和促进了产生氢气的反应，从而提高了水煤浆的品质。另外，若需要引导火焰工作面5移动，则移动注浆组件6，并通过注浆组件6中的不同通道通入水煤浆、含碳粉末状物质、气化剂。

图2是本发明的注浆装置位于第二种煤炭地下气化炉的示意图。参考图2，从进气通道2注入氧化剂，由水平井3输出煤气，水平井3与进气通道2连接并且水平井3的水平段作为气化通道10，水平井3的竖直部分作为出气通道1。火焰工作面5在气化通道10中由进气通道2向出气通道1移动（即图2中由左至右移动）。即燃烧方向由进气通道2向出气通道1移动。通过驱动装置7拉动注浆组件6跟随火焰工作面5的移动。

图3是本发明的注浆装置位于第三种煤炭地下气化炉的示意图。参考图3，从水平井3注入氧化剂，由出气通道1输出煤气，水平井3与出气通道1连接并且水平井3的水平段作为气化通道10，水平井3的竖直部分作为进气通道2。火焰工作面5在气化通道10中由进气通道2向出气通道1移动（即图3中由右至左移动）。即燃烧方向由进气通道2向出气通道1移动。通过驱动装置7推动注浆组件6跟随火焰工作面5的移动。

图4是本发明的注浆装置位于第四种煤炭地下气化炉的示意图。参考图4，从水平井3注入氧化剂，由出气通道1输出煤气，水平井3与出气通道1连接并且水平井3的水平段作为气化通道10，水平井3的竖直部分作为进气通道2。火焰工作面5在气化通道10中由出气通道1向进气通道2移动（即图4中由左至右移动）。即燃烧方向由出气通道1向进气通道2移动。通过驱动装置7拉动注浆组件6跟随火焰工作面5的移动。

本发明的注浆装置可以广泛的应用于各种地下气化炉型。成本低，且不会造成污染。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种煤炭地下气化方法，包括以下步骤：

建立进气通道、出气通道以及气化通道；

通过进气通道将气化剂注入到气化通道，并点燃煤层；

将水煤浆输送至气化通道中的火焰工作面。

2.根据权利要求1所述的煤炭地下气化方法，其特征在于：

通过将注浆组件送入气化通道，将水煤浆输送至气化通道；

其中注浆组件通过进气通道或出气通道送入气化通道中；或

建立用于贯通进气通道和出气通道的水平井，将注浆组件通过水平井送入气化通道中。

3.根据权利要求2所述的煤炭地下气化方法，其特征在于：

测量注浆组件位于气化通道的端口处的环境温度；

将测量得到的温度与预定温度值相比较；

当测量温度达到预定温度值时，停止调节注浆组件并注入水煤浆；或

当测量温度低于预定温度值时，调节注浆组件，使其靠近火焰工作面。

4.根据权利要求3所述的煤炭地下气化的方法，其特征在于：测量温度达到900℃-1300℃时，停止调节注浆组件。

5.根据权利要求3所述的煤炭地下气化的方法，其特征在于：

测量温度达到900℃-1300℃时，增加水煤浆中煤粉含量；

测量注浆口处的环境温度；

当增加煤粉含量后的测量温度较增加煤粉含量前的测量温度的提高值大于或等于100℃时，停止调节注浆组件；或

当增加煤粉含量后的测量温度较增加煤粉含量前的测量温度的提高值小于100℃时，继续调节注浆组件，使其靠近火焰工作面。

6.根据权利要求5所述的煤炭地下气化的方法，其特征在于：在继续调节注浆位置时，通过设置在注浆组件中的牵引索调节喷射的方向。

7.根据权利要求3所述的煤炭地下气化的方法，其特征在于：通过位于注浆组件所述端口上的测温装置测量环境温度。

8.根据权利要求2所述的煤炭地下气化的方法，其特征在于：

计算燃煤量；

当燃煤量达到预定值之后，通过移动注浆组件引导火焰工作面移动。

9.根据权利要求2所述的煤炭地下气化的方法，其特征在于：通过注浆组件向气化通道分别注入水煤浆、气化剂、含碳粉末状物质。

10.根据权利要求1至9中的任一项所述的煤炭地下气化的方法，其特征在于：

采集气化通道中的煤气；

根据所采集到的煤气中的氢气含量调节水煤浆中水的含量。

11.根据权利要求1至9中的任一项所述的煤炭地下气化的方法，其特征在于：在水煤浆中添加催化剂或含碳粉末状物质，其中，所述催化剂包括铁渣、石灰石或氢氧化钙中的一种或它们的任意组合。

12.一种用于实施权利要求1-11任一项所述方法的注浆装置，其特征在于，包括：

可移动的注浆组件（6）；

驱动装置（7）；

煤浆混合发生装置（8）；

测温装置（9）；

所述驱动装置（7）与所述注浆组件（6）可驱动地接触，所述煤浆混合发生装置（8）和所述注浆组件（6）流体连接。

13.根据权利要求12所述的注浆装置，其特征在于：所述测温装置（9）位于注浆组件（6）的端口处。

14.根据权利要求12所述的注浆装置，其特征在于：还包括煤气取样装置（11），所述煤气取样装置（11）设置在注浆组件（6）的端口处。

15.根据权利要求12所述的注浆装置，其特征在于：所述驱动装置（7）为绞盘，所述注浆组件（6）为注浆管，所述注浆管设置有至少两个通道。

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