CN103742121A - 地下气化注气装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种地下气化注气装置和方法，包括：注气管（3），注气管（3）具有外管（25）和位于外管（25）中并与外管（25）相间隔的内管（24）；以及设置在注气管（3）一端的雾化喷嘴（21），雾化喷嘴（21）具有内层喷口和外层喷口，内层喷口与内管（24）连通，外层喷口与外管（25）连通。本发明的目的在于提供一种地下气化注气装置和方法，以至少实现降低注气输送过程中的热量损耗。

Description

地下气化注气装置和方法

技术领域

本发明涉及煤炭地下气化领域，更具体地，涉及一种地下气化注气装置。

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、注气方式在很大程度上决定了可燃气体质量的好坏、产气稳定性。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。各种气化剂输配主要有两种，包括采用分开输送炉内混合或地面混合输送至气化炉内两种方式，具体装置设计则按照气化炉实际进行选择。

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以下几种方式：

一种是各种气化剂在地面经过混合器混配然后通过钻井套管直接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；

第二种是将氧气输送与空气、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，这种方式适合在垂直或斜井结构的注气井应用；

对于定向钻孔注气，在第二种方案基础上通过定向孔内布放特殊、可移动管道将气化剂（氧气/富氧、水蒸气）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，可输送高压氧气和高浓度富氧等气化剂。

上述方案都通过输送富氧/氧气和水蒸气并调节其比例提高气化剂品质、控制注气位置，以进一步提升地下气化制合成气品质。但在实施中存在气化剂中水蒸气输送等效率不高，大部分水蒸气在井内长距输送冷却产生冷凝水，到反应区位置水或水蒸气不能与氧气/富氧气化剂很好混合均匀送入反应工作面，影响了地下煤气化效率和稳定生产工艺控制。

发明内容

针对相关技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种地下气化注气装置和方法，以至少实现降低注气输送过程中的热量损耗。

为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种地下气化注气装置，包括：注气管，注气管具有外管和位于外管中并与外管相间隔的内管；以及设置在注气管一端的雾化喷嘴，雾化喷嘴具有内层喷口和外层喷口，内层喷口与内管连通，外层喷口与外管连通。

根据本发明，该地下气化注气装置还包括：相互连接的钻孔套管和支护套管，注气管至少部分地从钻孔套管一端的管口伸入，钻孔套管的另一端与支护套管连通，其中，注气管具有雾化喷嘴的一端穿过钻孔套管并可移动地位于支护套管中。

根据本发明，钻孔套管的侧壁设置有输送管，钻孔套管的管口与注气管的外管的外壁之间通过密封件密封。

根据本发明，注气管的另一端连接有注水管和氧气管，其中，注水管与内管连通，氧气管与外管连通。

根据本发明，内管和外管之间的区域设置有信号电缆，信号电缆一端设置有至少一个用于感测注气温度值的温度测点热电偶，信号电缆的上述一端位于雾化喷嘴中。

根据本发明，注气管位于钻孔套管外部和支护套管外部的管段设置有提升装置，提升装置驱动注气管在钻孔套管和支护套管中移动。

根据本发明，该地下气化注气装置还包括可转动的滚筒，其中，位于提升装置和注气管另一端之间的注气管的管段，卷绕在滚筒上。

根据本发明，信号电缆的另一端电连接有用于接收注气温度值的控制器，注水管上设置有注水调节装置，氧气管上设置有氧气调节与截断装置，输送管上设置有二氧化碳供给调节装置，其中，注水调节装置、氧气调节与截断装置以及二氧化碳供给调节装置分别与控制器电连接，其中，控制器根据接收的注气温度值，控制注水调节装置、氧气调节与截断装置以及二氧化碳供给调节装置分别调节注水管、氧气管以及输送管的流量。

根据本发明，支护套管为整个管段均具有筛孔的筛管；或者支护套管为部分管段具有筛孔的套管。

根据本发明，支护套管为可烧蚀的有机材料制成的套管。

另一方面，本发明还提供了一种地下气化注气方法，包括如下步骤：a建立通向地下气化反应区的输送通道；b将具有外管和内管的注气管送入输送通道；c向内管中注入液态水，同时向外管和内管之间的环空通道中注入氧气；以及d通过雾化喷嘴将液态水和氧气混合并雾化喷出。

根据本发明，在步骤c中还包括：向输送通道中输送空气和二氧化碳；以及在向内管中注入液态水之前，向水中混合煤气化催化剂。

根据本发明，在步骤b之后还包括：当注气管移动至地下气化反应区中的预定位置时，通过控制器控制液态水、氧气以及空气和二氧化碳分别流入内管、环空通道以及输送通道。

根据本发明，在步骤b中还包括：利用提升装置驱动注气管进入输送通道，并由提升装置调节注气管进入输送通道内的位置。

根据本发明，在步骤d之后还包括：e利用温度测点热电偶感测雾化喷嘴处的注气温度值，并将注气温度值经由信号电缆传输至控制器；以及f控制器根据接收的注气温度值，控制液态水、氧气以及空气和二氧化碳分别流入内管、环空通道以及输送通道的流量。

本发明的有益技术效果在于：

本发明的地下气化注气装置包括具有内管和外管的注气管，以及设置在注气管一端的雾化喷嘴，雾化喷嘴具有与内管连通的内层喷口和与外管连通的外层喷口。由此，本发明改变现有注入水蒸气方式为直接注入液态水，并将液态水经过雾化喷嘴雾化后喷出，降低了输送过程热量损耗，即避免了注入水蒸气的过程中其冷凝成液态水之后注入到反应工作面。此外，采用氧气与水直接雾化混合后送至反应工作面，能显著的提高气化剂注入效率，保证气化反应稳定性，进而改善合成气的品质。

对于本发明的地下气化方法来说，同时向内管中注入液态水，向外管和内管之间的环空通道中注入氧气，并通过雾化喷嘴将液态水和氧气混合并雾化喷出。与现有技术中注入水蒸气的方式相比，本发明通过这种方法可直接注入液态水，并在注气管喷口处再进行液态水和氧气的混合及雾化喷出，因此降低了输送过程热量损耗，即避免了注入水蒸气的过程中水蒸气冷凝成液态水之后注入到反应工作面。

附图说明

图1是本发明的地下气化注气装置的一个实施例的示意图；

图2是图1示出的地下气化注气装置中的注气管具有雾化喷嘴的一端的局部示意图；

图3是图1示出的地下气化注气装置中的注气管的局部内部示意图；

图4是图3示出的注气管沿A-A截面的示意图。

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的实施例。

如图1和图2所示，本发明的地下气化注气装置包括注气管3和设置在注气管3一端的雾化喷嘴21。其中，注气管3具有外管25和内管24，内管24设置在外管25中并与外管25相间隔，换句话说，在注气管3中形成了两个可通入反应物的通道：由内管24构成的第一通道、以及由内管24外壁和外管25内壁之间空间构成的第二通道。

参照图2所示，雾化喷嘴21具有内层喷口和外层喷口，其中内层喷口和注气管3的内管24连通，外层喷口与外管25连通。在本发明注气装置的实际应用中，可以直接向内管24中注入液态水，同时向外管25中注入氧气。此时液态水直接由内管24流至内层喷口处，而氧气由内管24外壁和外管25内壁之间的通道流至外层喷口处，然后将液态水经过雾化喷嘴21雾化后喷出。

优选地，雾化喷嘴21可以由耐高温、耐腐蚀材料加工成。更具体地如图2所示，雾化喷嘴21的内层喷口和外层喷口均可设置成锥体状。

通过这种结构，与现有技术中注入水蒸气相比，本发明的注气装置可以降低物料在输送过程中的热量损耗，即避免了注入水蒸气的过程中其冷凝成液态水之后注入到地下气化反应工作面。此外，采用氧气与液态水直接雾化混合后送至地下气化反应工作面，能显著的提高气化剂注入效率，保证气化反应稳定性，进而改善合成气的品质。

继续参照图1，本发明的地下气化注气装置还包括相互连接的钻孔套管5和支护套管4。其中，注气管3至少部分地从钻孔套管5一端的管口伸入，而钻孔套管5的另一端与支护套管4连通。更具体地，注气管3具有雾化喷嘴21的一端，穿过钻孔套管5并可移动地位于支护套管4中。即，注气管3由钻孔套管5一端伸入，然后延伸至支护套管4中并且注气管3可以在支护套管4中移动。通过这种方式，由于注气管3可以在支护套管4中移动，从而可以改变设置在注气管3端部的雾化喷嘴21在支护套管4中的位置，即，改变了地下气化反应区中注气点的位置，因此可以显著的降低气化建炉、运行成本，同时提升气化生产连续性和稳定性能。

进一步参照图1，在钻孔套管5的侧壁可以设置有输送管6，并且钻孔套管5的上述管口和注气管3的外管25的外壁之间可以通过密封件7密封。其中，输送管6用于输送空气或二氧化碳。如图所示，输送管6设置在钻孔套管5靠近其上述管口处的侧壁，密封件7的设置可以保证周围环境中的空气不会进入钻孔套管5中。在可选的实施例中，可应用输送管6输送空气或输送保护气体，其中，保护气体主要指不可燃/不含氧化剂气体，如氮气、水蒸气等。换言之，根据具体的地下气化的情况，可选择应用输送管6交替地输送空气、二氧化碳或保护气体，或同时输送多种气体。

此外，在注气管3的另一端连接有注水管9和氧气管11，并且注水管9与注气管3的内管24连通，而氧气管11和注气管3的外管25连通。即，注水管9用于向内管24中通入液态水，而氧气管11可用于向外管25内壁和内管24外壁之间的通道中通入氧气。

如图2至图4所示，在内管24和外管25之间的区域中可以设置有信号电缆23，即，信号电缆23设置在内管24外壁和外管25内壁之间的通道中。具体地，信号电缆23一端可以设置有至少一个温度测点热电偶22，并且信号电缆23设置有温度测点热电偶22的一端可以位于雾化喷嘴21中。在本发明注气装置的实际应用中，该温度测点热电偶22可感测用于表示雾化喷嘴21周围煤层气化燃烧区温度或注入气化剂温度值。如果雾化喷嘴21周围的煤层气化温度过高，会烧损雾化喷嘴21和注气管3，因此需要温度测点热电偶22对该位置的煤层气化和注气温度值进行监测，从而调节物料注入的流量，以保证该温度值在安全范围内，该过程会在以下进行具体描述。另外，当设置多个温度测点热电偶22时，则可以实现多组测量或不同位置的测量。

再次参照图1，注气管3位于钻孔套管5外部和支护套管4外部的管段上设置有提升装置8，提升装置8可驱动注气管3在钻孔套管5和支护套管4中移动，从而可以实现上述的改变设置在注气管3端部的雾化喷嘴21在支护套管4中的位置。

另外，在可选的实施例中，本发明的地下气化注气装置还包括可转动的滚筒12。位于提升装置8和注气管3的上述另一端（即，连接有注水管9和氧气管11的一端）之间的注气管3的管段可以卷绕在滚筒12上。从而可以防止注气管3过长而占用过多空间。

再次参照图1，在本发明的一个优选实施例中，信号电缆23的另一端可以电连接有用于接收上述温度测点热电偶22感测的注气温度值的控制器43。此外，在注水管9上可以设置有注水调节装置44，在氧气管11上可以设置有氧气调节与截断装置42，在输送管6上可以设置有二氧化碳供给调节装置46。具体地，注水调节装置44、氧气调节与截断装置42以及二氧化碳供给调节装置46可分别与控制器43电连接。而控制器43可以根据接收的注气温度值，控制注水调节装置44、氧气调节与截断装置42以及二氧化碳供给调节装置46分别调节注水管9的流量、氧气管11的流量以及输送管6的流量。

换句话说，温度测点热电偶22实时感测雾化喷嘴21周围气化温度，当该温度过高时，温度测点热电偶22会将相应的注气温度值反馈到控制器43中。此时，控制器43会控制注水调节装置44、氧气调节与截断装置42和二氧化碳供给调节装置46来分别调节注水管9的流量、氧气管11的流量以及输送管6的流量，即，控制通入注水管9中液态水的流量，通入氧气管11中氧气的流量以及通入输送管6中空气或二氧化碳的流量。应当理解，作为可选的实施例，上述各调节装置可以为已知的装置，例如，通过电磁阀、节流阀等部件实现，这可以根据具体使用情况而定，本发明并不局限于此。

具体地，当雾化喷嘴21的附近煤层发生气化燃烧时，温度测点热电偶22测得的注气温度值会发送给控制器43，若温度超过控制器43预设的安全范围值，则控制器43会控制氧气调节与截断装置42调节或中断氧气的供给，控制注水调节装置44和二氧化碳供给调节装置46增加液态水和二氧化碳的供给，从而进行降温保护、防止烧损雾化喷嘴21及注气管3。可理解，在地下气化的实际过程中，氧气与碳的反应为放热反应，减少或停止氧气的供给可减少氧气与碳反应的放热，而碳与水的反应以及碳和二氧化碳的反应均为吸热反应，由此增加水和二氧化碳的供给可以实现降温的作用。此外应当理解，控制器43对注水调节装置44、氧气调节与截断装置42以及二氧化碳供给调节装置46的控制可以为同时控制或分别控制，即，同时启动上述装置进行控制或仅启动其中几个装置进行控制，这可以根据具体使用情况而定。在一个实施例中，控制器43可以为数值式控制系统（DCS系统），当然其他控制装置或控制系统也是可选的。

因此，在本发明中通过在注气管3的内管24和外管25之间的区域设置信号电缆23，并在信号电缆23的一端设置至少一个温度测点热电偶22，从而可以实时监测控制雾化喷嘴21周围气化温度。另外，通过在注水管9上设置的注水调节装置44，氧气管11上设置有氧气调节与截断装置42，输送管6上设置有二氧化碳供给调节装置46，根据温度测点热电偶22测量的温度由控制器43调节注入的水、氧气和二氧化碳的量，以保证设备的安全稳定运行，并可按工艺需求设定和调节注入量、比例等，进而提高气化生产过程稳定性。

此外，在可选的实施例中，支护套管4可以为整个管段均具有筛孔的筛管；或者在另外的实施例中，支护套管4可以为部分管段具有筛孔的套管。可选的，支护套管4可以为可烧蚀的有机材料制成的套管。该材料优选为玻璃钢或聚乙烯。由此，在本发明的实际应用中，部分气化剂可通过筛孔与煤层接触，为煤层提供燃烧所需要的氧，在煤层开始燃烧时，对应具有筛孔的管段进行燃烧。

另一方面，本发明还提供了一种地下气化注气方法，包括如下步骤：步骤a：建立通向地下气化反应区的输送通道；步骤b：将具有外管25和内管24的注气管3送入该输送通道；步骤c：向内管24中注入液态水，同时向外管25和内管24之间相间隔设置而形成的环空通道中注入氧气；以及步骤d：通过雾化喷嘴21将液态水和氧气混合并雾化喷出。具体地，雾化喷嘴21可以具有与内管24连通的内层喷口以及与外管25连通的外层喷口。

此外，在步骤c中还包括：向输送通道中输送空气和二氧化碳；以及在向内管24中注入液态水之前，向水中混合煤气化催化剂，以促进地下气化反应。

进一步，在步骤b之后还包括：当注气管3移动至地下气化反应区中的预定位置时，通过控制器43控制液态水流入内管24、控制氧气流入内管24和外管25之间形成的环空通道、以及控制空气和二氧化碳流入上述输送通道。此外应当理解，该预定位置为地下气化反应区中气化反应工作面的位置，即，地下气化开始进行的位置。

优选地，在步骤b中还包括：利用提升装置8驱动注气管3进入输送通道，并由提升装置8调节注气管3进入输送通道内的位置，即，实现注气点在地下气化反应区中的移动。

此外优选地，在步骤d之后还可以包括步骤e：利用温度测点热电偶22感测雾化喷嘴21处的注气温度值，并将注气温度值经由信号电缆23传输至控制器43；以及步骤f：控制器43根据接收的注气温度值，控制液态水流入内管24的流量、控制氧气流入上述环空通道的流量、以及控制空气和二氧化碳流入上述输送通道的流量。此外可选的，该温度测点热电偶22还可用于感测注入内管24和环空通道中的气化剂的温度值。

综上，对于本发明的地下气化方法来说，同时向内管24中注入液态水、向外管25和内管24之间的环空通道中注入氧气，并通过雾化喷嘴21将液态水和氧气混合并雾化喷出。与现有技术中注入水蒸气的方式相比，本发明通过这种方法可直接注入液态水和氧气，并在注气管喷口处再进行液态水和氧气的混合及雾化喷出，因此降低了输送过程热量损耗，即避免了注入水蒸气的过程中水蒸气冷凝成液态水之后注入到反应工作面。

在本发明地下气化注气装置的实际应用中，可在注入内管24的液态水中添加催化剂并一起通过注气装置进行雾化、混合后送入地下煤气化反应工作面。与水雾共同注入，可提高了催化剂分布的均匀性、改善反应条件，进而提高合成气品质。其中催化剂主要有碱金属、碱土金属及铁系金属的盐类和碱类，优选可溶性的碱金属盐和碱类及碱土金属盐类。而上述的液态水可来自现有的高压供水系统，当然也可以采用一般性生产用水，或可以使用经过过滤的工业废水/污水、煤层疏干水、燃空区污水等一切可方便取用的生产废水。

在本发明地下气化注气装置的实际应用中，可在注入内管24的液态水中添加可燃物与水形成浆液混合物，并一起通过注气装置进行雾化、混合后送入地下煤气化反应工作面。可燃物与水雾共同注入，可提高了地下气化反应区温度来强化地下气化反应，进而提高合成气品质。其中可燃物主要有煤浆/煤粉、高浓度有机废水及其他可燃有机液体燃料，优选煤浆、高浓度有机废水。而上述的液态水可来自现有的高压供水系统，当然也可以采用一般性生产用水，或可以使用经过过滤的工业废水/污水、煤层疏干水、燃空区污水等一切可方便取用的生产废水。

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 (15)

1.一种地下气化注气装置，其特征在于，包括：

注气管（3），所述注气管（3）具有外管（25）和位于所述外管（25）中并与所述外管（25）相间隔的内管（24）；以及

设置在所述注气管（3）一端的雾化喷嘴（21），所述雾化喷嘴（21）具有内层喷口和外层喷口，所述内层喷口与所述内管（24）连通，所述外层喷口与所述外管（25）连通。

2.根据权利要求1所述的地下气化注气装置，其特征在于，还包括：

相互连接的钻孔套管（5）和支护套管（4），所述注气管（3）至少部分地从所述钻孔套管（5）一端的管口伸入，所述钻孔套管（5）的另一端与所述支护套管（4）连通，

其中，所述注气管（3）具有所述雾化喷嘴（21）的一端，穿过所述钻孔套管（5）并可移动地位于所述支护套管（4）中。

3.根据权利要求2所述的地下气化注气装置，其特征在于，

所述钻孔套管（5）的侧壁设置有输送管（6），所述钻孔套管（5）的所述管口与所述注气管（3）的所述外管（25）的外壁之间通过密封件（7）密封。

4.根据权利要求1所述的地下气化注气装置，其特征在于，

所述注气管（3）的另一端连接有注水管（9）和氧气管（11），

其中，所述注水管（9）与所述内管（24）连通，所述氧气管（11）与所述外管（25）连通。

5.根据权利要求1所述的地下气化注气装置，其特征在于，

所述内管（24）和所述外管（25）之间的区域设置有信号电缆（23），所述信号电缆（23）一端设置有至少一个用于感测注气温度值的温度测点热电偶（22），所述信号电缆（23）的所述一端位于所述雾化喷嘴（21）中。

6.根据权利要求2所述的地下气化注气装置，其特征在于，

所述注气管（3）位于所述钻孔套管（5）外部和所述支护套管（4）外部的管段设置有提升装置（8），

所述提升装置（8）驱动所述注气管（3）在所述钻孔套管（5）和所述支护套管（4）中移动。

7.根据权利要求6所述的地下气化注气装置，其特征在于，还包括可转动的滚筒（12），

其中，位于所述提升装置（8）和所述注气管（3）另一端之间的所述注气管（3）的管段，卷绕在所述滚筒（12）上。

8.根据权利要求5-7中任一项所述的地下气化注气装置，其特征在于，

所述信号电缆（23）的另一端电连接有用于接收所述注气温度值的控制器（43），所述注水管（9）上设置有注水调节装置（44），所述氧气管（11）上设置有氧气调节与截断装置（42），所述输送管（6）上设置有二氧化碳供给调节装置（46），

其中，所述注水调节装置（44）、所述氧气调节与截断装置（42）以及所述二氧化碳供给调节装置（46）分别与所述控制器（43）电连接，

其中，所述控制器（43）根据接收的所述注气温度值，控制所述注水调节装置（44）、所述氧气调节与截断装置（42）以及所述二氧化碳供给调节装置（46）分别调节所述注水管（9）、所述氧气管（11）以及所述输送管（6）的流量。

9.根据权利要求2所述的地下气化注气装置，其特征在于，

所述支护套管（4）为整个管段均具有筛孔的筛管；或者所述支护套管（4）为部分管段具有筛孔的套管。

10.根据权利要求2所述的地下气化注气装置，其特征在于，

所述支护套管（4）为可烧蚀的有机材料制成的套管。

11.一种地下气化注气方法，其特征在于，包括如下步骤：

（a）建立通向地下气化反应区的输送通道；

（b）将具有外管（25）和内管（24）的注气管（3）送入所述输送通道；

（c）向所述内管（24）中注入液态水，同时向所述外管（25）和所述内管（24）之间的环空通道中注入氧气；以及

（d）通过雾化喷嘴（21）将所述液态水和所述氧气混合并雾化喷出。

12.根据权利要求11所述的地下气化注气方法，其特征在于，在所述步骤（c）中还包括：

向所述输送通道中输送空气和二氧化碳；以及

在向所述内管（24）中注入液态水之前，向水中混合煤气化催化剂。

13.根据权利要求12所述的地下气化注气方法，其特征在于，在所述步骤（b）之后还包括：

当所述注气管（3）移动至所述地下气化反应区中的预定位置时，通过控制器（43）控制所述液态水、所述氧气以及所述的空气和二氧化碳分别流入所述内管（24）、所述环空通道以及所述输送通道。

14.根据权利要求11所述的地下气化注气方法，其特征在于，在所述步骤（b）中还包括：

利用提升装置（8）驱动所述注气管（3）进入所述输送通道，并由所述提升装置（8）调节所述注气管（3）进入所述输送通道内的位置。

15.根据权利要求13所述的地下气化注气方法，其特征在于，在所述步骤（d）之后还包括：

（e）利用温度测点热电偶（22）感测所述雾化喷嘴（21）处的注气温度值，并将所述注气温度值经由信号电缆（23）传输至所述控制器（43）；以及

（f）所述控制器（43）根据接收的所述注气温度值，控制所述液态水、所述氧气以及所述的空气和二氧化碳分别流入所述内管（24）、所述环空通道以及所述输送通道的流量。

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