CN103556980B - 煤炭地下气化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种煤炭地下气化方法，其包括以下步骤：（1）测量静水压力值，建立进气通道、出气通道和将所述进气通道与所述出气通道连通的气化通道；（2）通过所述进气通道注入气化剂；（3）点燃煤层；（4）提高气化通道内的压力并维持其恒定；（5）降低气化通道内的压力。通过提高气化通道内的压力并维持其恒定，在气化通道中建立高压环境，使高压气体经灰层与其后方的煤层反应，产生高压煤气。之后通过降低气化通道内的压力，使灰层两侧（即气化通道侧和煤层侧）产生压差，位于灰层与煤层之间的高压煤气对灰层产生冲击，从而将灰层从煤层表面剥离，由此提高了气化效率，改善煤气组分，尤其提高了氢气、一氧化碳和甲烷的含量。

Description

煤炭地下气化方法

技术领域

本发明涉及一种煤炭地下气化方法。

背景技术

煤炭地下气化技术是一种将埋藏在地下的煤炭进行直接的、有控制的燃烧，通过煤的热作用及化学作用，产生可燃气体的过程。在煤炭地下气化工艺过程中，煤层的燃烧和气化是在含有矿物质的情况下进行的，而灰层就是煤层中的可燃部分烧掉后得到的矿物质转化为固体的产物附着在煤层表面，灰层的存在会对气化过程造成一定的影响。SateeshDaggupati,RameshMandapati,SanjayM.Mahajani等在Laboratorystudiesoncombustioncavitygrowthinlignitecoalblocksinthecontextofundergroundcoalgasification(Energy,2010)文章中指出燃烧通道周围的煤壁上通常会附着一层煤灰，该灰层阻碍气流与新鲜煤层的接触，进而影响煤层的燃烧或气化效果。V.Prabu,S.Jayanti两人在文章Simulationofcavityformationinundergroundcoalgasificationusingboreholecombustionexperiments(Energy,2011)中说在煤块内部燃烧后的空腔呈梨形，壁面附着薄薄的一层煤灰。随着气化过程的发生，灰层的厚度只要达到几个毫米，就能使气化过程恶化，使得气体扩散过程阻力增加，导致气化效率下降，进而也影响了工作面拓展，因此，应该采取必要的措施消除灰层对气化过程的影响。在煤炭地下气化试验室的中试模型试验炉内进行大块煤模拟煤层地下气化结束后，揭开气化通道，同样也发现煤壁上附着一层煤灰。灰层的存在，阻碍了气化剂与煤层的接触和反应，从而使得气化效率降低。

CN101608136公开了一种用于生产煤气的高效煤炭气化炉。该气化炉使用单一高温过热蒸汽做气化剂将煤炭连续气化成高热值的优质水煤气，煤气中仅含微量的N₂、CO₂。在气化炉的气化段使用循环煤气，并将中温循环煤气首先经过汽化除尘装置回收煤气显热产生大量蒸汽，煤气中的灰尘被清除，煤气与水蒸气均匀混合,形成温度70～130℃低温混合气体，然后经高温气体发生器产生1000℃以上的高温混合气体做为热载体和气化剂送入炉内，使气化反应连续进行。同时大幅度增加炉内的对流传热与传质，反应速度大大提高，显著提高气化效率及热效率。气化段气化反应产生的气化煤气向上通过干馏段与煤炭进行热交换，对煤炭进行低温干馏与预热,充分利用煤气显热提高热效率，煤炭气化效率及系统热效率均比目前公知使用的煤炭气化炉有大幅度的提高。该煤炭气化炉虽然可以提高煤气气化的效率，但一方面，其需要额外的装置进行预处理，从而加大了成本和复杂的操作，另一方面，其并不会去除煤层上附着的灰层，当灰层产生并不断增厚时，上述高温混合气体仍会被灰层阻碍，无法与煤层反应。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以提高气化效率的燃烧煤炭地下气化方法。

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，包括以下步骤：（1）测量静水压力值，建立进气通道、出气通道和将进气通道与出气通道连通的气化通道；（2）通过进气通道注入气化剂；（3）点燃煤层；（4）提高气化通道内的压力并维持其恒定；（5）降低气化通道内的压力。

根据本发明，在步骤（4）中：（4.1）减小出气通道的出气量，直至将其完全关闭；（4.2）通过增大气化剂的注入量，提高进气通道口的压力直至其位于静水压力值的0.5-0.75倍的范围内；（4.3）通过调节进气通道的进气量，保持进气通道口的压力在静水压力值的0.5-0.75倍的范围内并维持预定时间；（4.4）通过调节出气通道的出气量，调节出气通道口的压力直至其位于0.5MPa-0.8MPa范围内；（4.5）保持出气通道口的压力在0.5MPa-0.8MPa范围内并维持预定时间。

根据本发明，在步骤（4.2）中：通过增大气化剂注入量，保证进气通道口压力以0.4MPa/12h的速度提高直至其位于静水压力值的0.5-0.75倍的范围内。

根据本发明，在步骤（4.3）中：通过调节进气通道的进气量，保持进气通道口的压力在静水压力值的0.5-0.75倍的范围内持续18小时至22小时。

根据本发明，在步骤（4.5）中：保持出气通道口的压力在0.5MPa-0.8MPa范围内持续26小时至30小时。

根据本发明，在步骤（5）中：通过保持气化剂的注入量恒定，增大出气通道的出气量，降低气化通道内的压力。

根据本发明，增大出气通道的出气量，直至出气通道口的压力降低至位于小于0.15MPa的范围内。

根据本发明，通过调节出气通道的出气量，保持出气通道口的压力以0.2MPa/h的速度下降。

根据本发明，通过调节出气通道的阀门增大或减小出气量。

根据本发明，提高气化通道压力在煤层的静水压头的0.5倍至0.75倍之间。

根据本发明，采集煤气；对煤气组分进行分析；若一氧化碳体积百分数低于2%、或氧气体积百分数超过2%，执行步骤（4）和步骤（5）；或者根据煤气组分计算热值，若热值下降，则执行步骤（4）和步骤（5）。

根据本发明，通过气相色谱分析获得煤气组分。

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

（1）通过提高气化通道内的压力并维持其恒定，在气化通道中建立高压环境，使高压气体经灰层与其后方的煤层反应，产生高压煤气。之后通过降低气化通道内的压力，使灰层两侧（即气化通道侧和煤层侧）产生压差，位于灰层与煤层之间的高压煤气对灰层产生冲击，从而将灰层从煤层表面剥离。也就是说，通过改变气化通道运行压力，借助高压气流波动产生的渗透及压力冲击将附着在煤层表面的灰层剥离。从而降低气化剂向煤层内部扩散的阻力，由此提高了气化效率，改善煤气组分，尤其提高了氢气、一氧化碳和甲烷的含量。

（2）由于在利用本发明的地下气化方法时，将煤层表面的灰层剥离，由此保证了煤层与气化剂较容易的接触并燃烧，进而扩展了工作面。

（3）本发明的地下气化方法仅需通过调节进气通道进气量和出气通道出气量便可达到提高气化效率的目的，无需额外的设备，且不需改变原进出气口，不引入新的气体，其操作简单，成本低，并且效果明显。

附图说明

图1是本发明的第一个具体实施例的示意图；

图2是本发明的第二个具体实施例的示意图；

图3是本发明的第三个具体实施例的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式进行描述。

参照图1，本发明的地下气化方法的步骤为：步骤（1）测量静水压力值，建立进气通道、出气通道和将进气通道与出气通道连通的气化通道；步骤（2）通过进气通道注入气化剂；步骤（3）点燃煤层；步骤（4）提高气化通道内的压力并维持其恒定；步骤（5）降低气化通道内的压力。

具体而言，执行步骤（1）：首先测量静水压力值、建立进气通道1、出气通道2和将进气通道1与出气通道2连通的气化通道3。在煤炭地下气化过程中，进气通道1用于向煤层4注入气化剂，出气通道2用于导出煤气，而煤层4的燃烧反应位于气化通道3中。其中，图1中竖直向下指向的箭头表示通入气化剂，图1中竖直向上指向的箭头表示导出煤气。当上述三个通道建立完成后，即地下气化炉建立完毕，执行步骤（2）和步骤（3），即通过进气通道1将气化剂注入到气化通道3，并点燃煤层4。即，当气化剂进入气化通道3中，用点火器点燃煤层4，煤层4中的碳与气化剂中的氧发生反应，开始燃烧。

在煤层燃烧的过程中，采集煤气，例如通过气相色谱对煤气的组分进行分析，获得煤气中各组分的含量，其中包括氢气、二氧化碳、氧气、甲烷和一氧化碳中的一项或多项。当分析结果为一氧化碳体积百分数低于2%或氧气体积百分数超过2%时，即采集的煤气中，一氧化碳的体积占煤气总体积的百分数低于2%或氧气的体积占煤气总体积的百分数高于2%时，表示煤层表面已附着有灰层。由于灰层的存在，使附着有灰层的煤层区域难以与气化剂反应燃烧，从而影响了气化效率，使气化剂不能充分的反应而导致采集的煤气中氧气含量较高，也由于气化效率的降低，使采集的煤气中的一氧化碳含量较低。当然也可通过其他方法判断是否出现气化效率降低的现象。例如，通过计算煤气的热值判断是否存在由于灰层的产生而导致的气化效率降低的现象。即，通过煤气中各组分的含量检测结果，计算煤气的热值，并且多次进行检测和计算，当煤气的热值有下降的现象出现时，说明已出现气化效率降低的现象。

当出现上述现象时，执行步骤（4），即提高气化通道3内的压力并维持其恒定。由此，在气化通道中建立高压环境，使高压气化剂经灰层与其后方的煤层反应，产生高压煤气。而后降低气化通道3内的压力，使灰层两侧（即气化通道3侧和煤层4侧）产生压差。位于灰层与煤层4之间的高压煤气对灰层产生冲击，从而将灰层从煤层4表面剥离。也就是说，通过改变气化通道3的运行压力，借助高压气流波动产生的渗透及压力冲击将附着在煤层表面的灰层剥离。

其中，高压气化剂、高压煤气以及高压环境中高压的意思应当理解为与提高气化通道3内的压力之前相比，压力提升到更高的值。高压气化剂为位于气化通道中，可渗入灰层的气化剂；高压煤气为位于煤层4和灰层之间，由高压气化剂与煤层4反应生成的煤气；高压环境为具有高压气化剂的气化通道3内的环境。

在本实施例中，通过如下步骤提高气化通道3内的压力并维持其恒定。

步骤（4.1）：减小出气通道2的出气量直至将其完全关闭，即减小出气通道2的出气量，直至将出气通道2完全关闭，禁止煤气由出气通道口2导出。优选地，可以通过在出气通道口设置阀门以控制出气通道2的出气量，即通过关小阀门减小出气通道2的出气量以及通过关闭阀门来禁止出气通道2排出煤气。在后续步骤加大气化剂注入量，会使出气通道2导出的气体中氧气的含量提升，而出气通道2导出的气体中氧气浓度超标会造成安全隐患，所以必须在增大气化剂的注入量前气体禁止由出气通道2口导出。

步骤（4.2）：通过增大气化剂的注入量，提高进气通道口的压力直至其位于1.2MPa-1.5MPa范围内，其中维持进气通道口压力以0.4MPa/12h的速度提高。由于地下气化过程复杂、温度高，快速加压可能导致气化过程过于猛烈而产生爆炸，也可能导致气化炉坍塌等不良后果，所以优选地维持以恒定的速度缓慢的提高进气通道口的压力。

步骤（4.3）：通过调节进气通道1进气量，保持进气通道口的压力在1.2MPa-1.5MPa范围内维持18小时至22小时。此时出气通道口仍保持关闭状态。通过关闭出气通道口，一方面可以保持气化通道3内的高压状态，从而使由进气通道1进入的大量气化剂可以向煤层渗透，另一方面，由于此时气化通道3内还留有大量的煤气（其中，大部分煤气为执行步骤（4）之前所产生的未从出气通道导出的煤气，小部分为执行步骤（4.1）至步骤（4,2）的过程中产生的煤气），若此时打开出气通道口，大量煤气与未反应的气化剂混合后由出气通道口导出可能会引起爆炸，从而存在带来安全隐患。

通过上述步骤在气化通道3中建立一个高压的环境，通过保持气化通道3内的高压维持18小时至22小时，保证高压气化剂穿过灰层与煤层接触，即保证高压气化剂可以渗透到灰层。

步骤（4.4）：通过调节出气通道2的出气量，调节出气通道口的压力直至其位于0.5MPa-0.8MPa范围内。即，在保持进气通道口的压力位于1.2MPa-1.5MPa范围内的同时，调节出气通道2的出气量，使出气通道口的压力位于0.5MPa-0.8MPa范围内。

步骤（4.5）：保持出气通道口的压力在0.5MPa-0.8MPa范围内维持26小时至30小时。其中，保持时间26-30小时既可以保证新注入的气化剂通过灰层、又可以保证已通过灰层的气化剂有足够的与煤层的反应时间。另外，气化剂与煤层的反应是体积增大的反应，气化通道3内的压力会逐渐升高，所以此时需要通过调节出气通道的出气量保证出气通道口的压力在0.5MPa-0.8MPa，从而保证气化通道内具有稳定的高压环境，以在后续步骤中产生较大的压差使灰层剥离。此外，由于此时进入的空气已与煤层反应了一段时间，导出的煤气中仅混合有极少量气化剂，所以安全隐患较小。

通过步骤（4.4）和步骤（4.5）再次保持气化通道3内的高压环境，保证高压气化剂与煤层4发生充分地反应生成高压煤气。

通过上述步骤（4.1）至步骤（4.5），可提高气化通道3内的压力并维持其恒定。由于气化通道3中的压力由气化剂的注入量、煤层的燃烧情况、煤气的生成量等多种因素决定，所以应当理解，此处维持气化通道3内的压力恒定意为保持气化通道3提高后的压力值在一个压力范围内恒定，以保证气化剂渗入灰层。优选地，提高气化通道3的压力直至其达到该煤层处静水压头的0.5倍至0.75倍的范围内，并且将气化通道3的压力保持在此范围内。而煤层处静水压头为开采煤矿前必须测量以及计算的数值。

在本实施例中，完成上述步骤后，执行步骤（5），即保持气化剂的注入量恒定，增大出气通道2的出气量，直至出气通道口的压力降低至位于小于0.15MPa的范围内，其中，保持出气通道口的压力以0.2MPa/h速度下降。由此，灰层两侧（即气化通道侧和煤层侧）产生压差，使得位于煤层侧的高压煤气释放到气化通道3中，在此过程，高压煤气将灰层从煤层3表面剥离。

可在上述过程中对由出气通道2导出的煤气进行采集和检测。优选地，每6个小时进行一次采集和检测。如上述方法，对采集的煤气的组分进行分析，当例如一氧化碳和氢气的体积百分比提高，或者氧气的体积百分比下降时，表明气化效率提高，进一步表明，部分高压的气化剂已渗透到灰层并与煤层4反应，少量高压煤气会穿过灰层进入气化通道3中，之后由出气通道2口导出，由此改善煤气的组分。周期性的检测煤气组分，可以了解气化剂进入灰层的情况以及之后与煤层4反应的情况，从而调节进气通道口的压力在1.2MPa-1.5MPa范围内维持的时间以及出气通道2口的压力在0.5MPa-0.8MPa范围内维持的时间。另外，若操作一次上述过程对煤气组分的改善不明显（如一氧化碳的体积百分比并没有超过2%、氧气的体积百分比仍大于2%或者虽然二者满足要求，但仍有气化效率再次降低的趋势时），可反复进行2-3次。

最后，通过调节进气通道1的进气量和出气通道2的出气量，使该煤层的气化回到原始工况，例如进气通道1的进气量、出气通道2的出气量、进气通道口的压力、出气通道口的压力等于提高气化通道3内的压力之前的数值。

参照图2，本发明的第二个实施例为在内蒙某处埋深300m、水平厚10m的煤层进行本发明的煤炭地下气化方法的操作，判断是否产生气化效率降低的步骤以及此步骤之前的步骤与上述相同，不在重复描述。

在气化效率降低的时候，进行了如下步骤：

步骤（4.1），逐渐减小出气通道2的出气量直至禁止煤气由出气通道2排出。

步骤（4.2），由进气通道1注入空气，以0.4MPa/12h的速度提高进气通道口的压力，直至其达到1.3MPa。

步骤（4.3），通过调节进气通道1的进气量，维持22小时保持进气通道口的压力为1.3MPa。

步骤（4.4），通过调节出气通道2的出气量，调节出气通道口的压力达到0.6MPa。

步骤（4.5），维持28小时保持出气通道2口的压力为0.6MPa。

通过上述过程，增大气化通道3中的压力，在气化通道3中形成高压空气，并保证部分高压空气穿过灰层和煤层4接触，产生高压煤气。

步骤（5），增大出气通道2的出气量，使出气通道口的压力降低到0.15MPa。

通过此步骤，降低气化通道3中的压力，由此在灰层两侧（煤层侧和气化通道侧）产生压力差，使得高压煤气冲击灰层从而将灰层从煤层4表面剥离。

在本实施例中，操作两次步骤（4.1）至步骤（5）。在此期间，需要在出气通道2设置取样口，在操作前进行了两次取样（之间间隔6小时）、第一次操作后进行了三次取样（之间间隔6小时）、第二次操作后进行三次取样（之间间隔6小时）分析，煤气组分分析结果对比见表1。

表1气体组分监测表

表1示出，通过本发明的煤炭地下气化方法，可提高煤气中氢气、一氧化碳和甲烷等气体的体积百分比，从而改善煤气的组分。另一方面，由于气化效率的提高，氧气和二氧化碳的体积百分比下降。尤其，操作前第一次取样一氧化碳的体积百分比为1.98%，已经低于2%，而操作前第二次取样一氧化碳的体积百分比为1.62%，比第一次更低，表明煤炭地下气化的气化效率降低。在操作本发明的地下气化方法一次后的第一次取样分析结果中可看出，一氧化碳的体积百分比明显高于操作前，氧气的体积百分比也明显低于操作前，说明气化效率已经得到改善。在操作本发明的地下气化方法一次后的三次取样中可看出，第二次检测的一氧化碳的体积百分比高于第一次检测的一氧化碳的体积百分比，第二次检测的氧气的体积百分比低于第一次检测的氧气的体积百分比，说明地下气化效率继续提高。但第一次操作后的第三次取样分析较第二次取样分析，一氧化碳的体积百分比降低并且氧气的体积百分比提高，说明地下气化效率降低，仍有部分灰层阻碍煤层气化的进行。再次进行第二次操作后，一氧化碳的体积百分比进一步提高，氧气的体积百分比进一步降低，并且在三次取样分析中一氧化碳的体积百分比都保持相对较高的数值，氧气的体积百分比都保持相对较低的数值。

参照图3，本发明的另一个实施例，其以内蒙某处285m埋深的、水平12m厚的煤层进行本发明的煤炭地下气化方法的操作。

在本实施例中，建立两个进气通道（第一进气通道1和第二进气通道5）和两个出气通道（第一出气通道2和第二出气通道6）。连通两个进气通道和两个出气通道形成气化通道3。

然后通过第一进气通道1和第二进气通道5注入气化剂，之后点燃煤层。

在气化效率降低的时候，进行了如下步骤：

步骤（4.1），逐渐减小第一出气通道2和第二出气通道6的出气量直至禁止煤气由第一出气通道2和第二出气通道6导出。

步骤（4.2），由第一进气通道1和第二进气通道5注入空气，以0.4MPa/12h的速度提高第一进气通道口的压力和第二进气通道口的压力，直至其均达到1.3MPa。

步骤（4.3），通过调节第一进气通道1和第二进气通道5的进气量，维持22小时保持第一进气通道口和第二进气通道口的压力均为1.3MPa。

步骤（4.4），通过调节第一出气通道2和第二出气通道6的出气量，调节第一出气通道口和第二出气通道口的压力均达到0.6MPa。

步骤（4.5），维持28小时保持第一出气通道口和第二出气通道口的压力为0.6MPa。

通过上述过程，增大气化通道3中的压力，在气化通道3中形成高压空气，并保证部分高压空气穿过灰层和煤层4接触，产生高压煤气。

步骤（5），增大第一出气通道2和第二出气通道6的出气量，使第一出气通道口和第二出气通道口的压力均降低到0.15MPa。

通过此步骤，降低气化通道中的压力，由此在灰层两侧（煤层侧和气化通道侧）产生压力差，使得高压生成气冲击灰层从而将灰层从煤层表面剥离。

在本实施例中，操作两次步骤（4.1）至步骤（5）。在此期间，需要在第一出气通道和第二出气通道设置取样口，在操作前进行两次取样分析（之间间隔6小时）、第一次操作后进行三次取样分析（之间间隔6小时）和第二次操作后进行三次取样分析（之间间隔6小时），煤气组分分析结果对比见表2。

表2气体组分监测表

表2示出，通过本发明的煤炭地下气化方法，可提高煤气中氢气、一氧化碳和甲烷等气体的体积百分比，从而改善煤气的组分。另一方面，由于气化效率的提高，氧气和二氧化碳的体积百分比下降。

优选地，在出气通道口设置阀门，通过调节阀门增大或减小出气量以及通过关闭阀门来禁止煤气由出气通道口导出。

另外，实施本发明的煤气地下气化方法时，可如上述实施例利用注入气化剂的进气通道和导出煤气的出气通道，也可以单独建立辅助的进气通道，专门用于增大气化剂的注入量，或者单独建立辅助的出气通道，专门用于当出现气化效率降低时调节出气量。而原有的进气通道和出气通道可以有选择地，依据不同情况使用。

以上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 (9)

1.一种煤炭地下气化方法，包括以下步骤：

(1)测量静水压力值，建立进气通道、出气通道和将所述进气通道与所述出气通道连通的气化通道；

(2)通过所述进气通道注入气化剂；

(3)点燃煤层；

(4)提高气化通道内的压力并维持其恒定；

(5)降低气化通道内的压力；

其中，在所述步骤(4)中：

(4.1)减小出气通道的出气量，直至将其完全关闭；

(4.2)通过增大气化剂的注入量，提高进气通道口的压力直至其位于静水压力值的0.5-0.75倍的范围内；

(4.3)通过调节进气通道的进气量，保持进气通道口的压力在静水压力值的0.5-0.75倍的范围内并维持预定时间；

(4.4)通过调节出气通道的出气量，调节出气通道口的压力直至其位于0.5MPa-0.8MPa范围内；

(4.5)保持出气通道口的压力在0.5MPa-0.8MPa范围内并维持预定时间。

2.根据权利要求1述的煤炭地下气化方法，其特征在于，在所述步骤(4.2)中：

通过增大气化剂注入量，保证进气通道口压力以0.4MPa/12h的速度提高直至其位于静水压力值的0.5-0.75倍的范围内。

3.根据权利要求1所述的煤炭地下气化方法，其特征在于，在所述步骤(4.3)中：

通过调节进气通道的进气量，保持进气通道口的压力在静水压力值的0.5-0.75倍的范围内维持18小时至22小时。

4.根据权利要求1所述的煤炭地下气化方法，其特征在于，在所述步骤(4.5)中：

保持出气通道口的压力在0.5MPa-0.8MPa范围内维持26小时至30小时。

5.根据权利要求1所述的煤炭地下气化方法，其特征在于，在所述步骤(5)中：

通过保持气化剂的注入量恒定，增大出气通道的出气量，降低气化通道内的压力。

6.根据权利要求5所述的煤炭地下气化方法，其特征在于，增大出气通道的出气量，直至出气通道口的压力降低至位于小于0.15MPa的范围内。

7.根据权利要求6所述的煤炭地下气化方法，其特征在于，通过调节出气通道的出气量，保持出气通道口的压力以0.2MPa/h的速度下降。

8.根据权利要求5所述的煤炭地下气化方法，其特征在于，通过调节出气通道的阀门增大或减小出气量。

9.根据权利要求1所述的煤炭地下气化方法，其特征在于，

采集煤气；

对煤气组分进行分析；

若一氧化碳体积百分数低于2％、或氧气体积百分数超过2％，执行步骤(4)和步骤(5)；或者

根据煤气组分计算热值，若热值下降，则执行步骤(4)和步骤(5)。