CN104295282A - 后退式煤层气化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种后退式煤层气化方法。包括如下步骤。步骤1、将气化剂输送管线的喷嘴下放至气流通道中的第一注气点，从所述喷嘴喷出气化剂对所述第一注气点前端煤层进行气化；还包括：步骤2、获得所述第一注气点前端煤层气化时煤气中有效组分百分数和值下降到预定值时的燃烧区宽度，设定为燃烧区拓展宽度；步骤3、移动所述气化剂输送管线，以将所述喷嘴后退至下一个预定注气点并将其作为当前注气点继续进行气化；步骤4、当所述当前注气点对应的当前燃烧区的宽度达到所述燃烧区拓展宽度时，重复所述步骤3直至目标煤层气化结束。上述方法能够保证该目标煤层气化得到的煤气组分稳定且较好。
Description
技术领域
本发明涉及煤炭地下气化领域，尤其涉及一种后退式煤层气化方法。
背景技术
煤炭地下气化就是将处于地下的煤炭进行有控制的燃烧，通过对煤的热作用及化学作用而产生可燃气体(即煤气)的过程，并且在煤层气化过程中形成燃烧区并会随着燃烧区地移动的煤层中形成燃空区。在后退式气化过程中，气化初始阶段煤气组分较好，煤气热值较高。但随着气化运行进行，在某一时间后，煤气中有效组分百分数和值开始下降，即煤气组分变差。通过增加氧浓度、气化剂量的方法仍无法改变煤气组分变差。在注入气化剂的位置后退一定距离后，即在由当前的注气点后退至下一注气点后，重复上一工艺操作仍出现这一问题。煤气组分的变化会导致煤炭地下气化系统运行不稳定，经过分析，导致煤气组分不稳定的主要因素为燃空区扩展形态，而现有技术中所采用的通过观测煤气组分的方法来变换气化剂的注入位置所带来的滞后性，使得无法保证煤气组分的稳定，进而影响煤气的质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够保证煤气组分稳定的后退式煤层气化方法。
为实现上述目的，本发明提供一种后退式煤层气化方法，包括：步骤1，将气化剂输送管线的喷嘴下放至气流通道中的第一注气点，从喷嘴喷出气化剂对第一注气点前端煤层进行气化；还包括：步骤2，获得第一注气点前端煤层气化时煤气中有效组分百分数和值下降到预定值时的燃烧区宽度，设定为燃烧区拓展宽度；步骤3，移动气化剂输送管线，以将喷嘴后退至下一个预定注气点并将其作为当前注气点继续进行气化；步骤4，当当前注气点对应的当前燃烧区的宽度达到燃烧区拓展宽度时，重复步骤3直至目标煤层气化结束。
根据本发明，步骤2执行为如下子步骤：持续监测燃烧区的宽度、采集第一注气点前端煤层气化时产生的煤气并获得煤气中有效组分百分数和值；当煤气中有效组分百分数和值下降到预定值时，以当前所监测到的燃烧区的宽度作为燃烧区拓展宽度。
根据本发明，通过设置在喷嘴处的成像系统，监测燃烧区的宽度。
根据本发明，所述煤气中有效组分百分数和值为煤气中的氢气、甲烷和一氧化碳的体积百分比之和。。
根据本发明，预定值为40％。
根据本发明，在步骤1之前，由地面向目标煤层中建立监测孔，以通过监测孔采集第一注气点前端煤层气化时产生的煤气。
根据本发明，在第一注气点和所有预定注气点中的任一个注入气化剂时，同时向气流通道中注入惰性气体。
根据本发明，在步骤1之前，围绕气流通道的内周壁设置支护管。
根据本发明，第一注气点和所有预定注气点中的每相邻两个注气点等间距设置，并相邻两个注气点的间距位于4-8m的范围内。
根据本发明，第一注气点为目标煤层的气化起始点。
相比于现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明的后退式煤层气化方法，首先将第一注气点所对应的燃烧区的宽度和煤气组分相关联，以获得煤气中有效组分百分数和值下降到预定值时(即煤气组分变差之前)所对应的燃烧区拓展宽度。然后将后退式注入气化剂和当前燃烧区的宽度相关联，以燃烧区拓展宽度作为依据依次后退至各个注入气化剂的注气点。由此，实现了对工艺调节的提前预警，即在煤气组分变差之前改变当前注气点的位置，解决了工艺调节滞后的问题，进而能够获得具有较好的、稳定的煤气组分的煤气，同时提高气化炉的回采率。
附图说明
图1是使用本发明的后退式煤层气化方法的第一个实施例的示意图，其中，气化剂输送管线5的喷嘴位于第一注气点a处；
图2是图1所示出的实施例中的气化剂输送管线5的喷嘴位于第一注气点A处的示意图；
图3是使用本发明的后退式煤层气化方法的第二个实施例的示意图。
具体实施方式
如下参照附图描述本发明的实施例。
参照图1和图2，本发明的后退式煤层气化方法，包括如下步骤：
步骤1，将气化剂输送管线5的喷嘴7下放至气流通道6中的第一注气点a，从喷嘴7喷出气化剂对第一注气点a前端煤层进行气化；
步骤2，获得第一注气点a前端煤层气化时煤气中有效组分百分数和值下降到预定值时的燃烧区3宽度，设定为燃烧区拓展宽度；
步骤3，移动气化剂输送管线5，以将喷嘴7后退至下一个预定注气点并将其作为当前注气点继续进行气化；
步骤4，当当前注气点对应的当前燃烧区2的宽度达到燃烧区拓展宽度时，重复步骤3直至目标煤层气化结束。
上述后退式煤层气化方法，首先将第一注气点a所对应的燃烧区2的宽度和煤气组分相关联，以获得煤气中有效组分百分数和值下降到预定值时(即煤气组分变差之前)所对应的燃烧区拓展宽度。然后将后退式注入气化剂和当前燃烧区2的宽度相关联，以燃烧区拓展宽度作为依据依次后退至各个注入气化剂的注气点。由此，实现了对工艺调节的提前预警，即在煤气组分变差之前改变当前注气点的位置，解决了工艺调节滞后的问题，进而能够获得具有较好的、稳定的煤气组分的煤气，同时提高气化炉的回采率。
具体地，参照图1，在本实施例中，首先执行如下步骤。
首先，选定目标煤层8，即在煤层中，设定一个区域的煤层作为即将进行气化采集煤气的煤层，该煤层区域即为目标煤层8。
然后，在目标煤层8中通过机械方法建立气流通道1，该气流通道1将作为之后煤层燃烧的气化通道，换言之，将对该气流通道1四周的煤层进行气化，以使得该部分煤层燃烧形成煤气。其中，气流通道1具有相反的两端，分别为第一端和第二端，该第一端指向第二端的方向为延伸方向L，并在图1中以箭头示出，此外，在如下两个实施例中所涉及到的“前”和“后”，均定义为：由“前”指向“后”的方向与延伸方向L相同。
其中，在本实施例中，煤层埋深300m且厚10m。在该煤层中建立定向孔，定向孔位于煤层中的水平段构成气流通道1。
在该气流通道1建立完毕后，围绕气流通道1的内周壁设置支护管6。支护管6由可燃材料(优选的为玻璃钢)制成。支护管6对气流通道1进行支护，防止煤层垮落堵塞气流通道1。当然，设置该支护管6的时间不局限于此，只要在对煤层进行气化前，即煤层燃烧前即可。
此外，由地面向目标煤层8中建立监测孔4，以通过监测孔4采集之后煤层燃烧所产生的煤气。该监测孔4的孔底位于气流通道1附近以在之后引燃煤层后可将煤气导出。当然，建立监测孔4的时间不局限于此，只要在对煤层进行气化前，即煤层燃烧前即可。
如图1示出的，沿着气流通道1、并沿着延伸方向L，依次设置有第一注气点a和多个预定注气点。图1中示出了三个预定注气点，沿延伸方向L分别为第一预定注气点A、第二预定注气点B、第三预定注气点C。当然，预定注气点的数量不局限于三个。在其他可选的实施例中，可包括多于三个或少于三个的预定注气点。在本实施例中，第一注气点a和多个预定注气点(第一预定注气点A、第二预定注气点B、第三预定注气点C)中每相邻两个注气点等间距布置，即，多个预定注气点中每相邻两个预定注气点的之间距离相等，第一注气点a和与之相邻的预定注气点(第一预定注气点A)之间的距离与每相邻两个预定注气点之间的距离相等。换言之，第一注气点a和多个预定注气点可视为等间距地布置的多个注气点。此外，第一注气点a和多个预定注气点中的每相邻两个注气点的间距位于4-8m的范围内。优选的，上述相邻两个注气点的间距为6m。
优选的，第一注气点a和多个预定注气点(第一预定注气点A、第二预定注气点B和第三预定注气点C)布置在目标煤层8沿气流通道1的整个长度上。
然后执行步骤1，在本实施例中，具体如下。
将气化剂输送管线5(优选地为连续油管)逆向于延伸方向L下放至气流通道6中，并且将气化剂输送管线5的喷嘴7下放至气流通道6中的第一注气点a，从喷嘴7喷出气化剂，其中，通过喷嘴7实现气化剂输送管线5内的气体成一定扩展角度作用于煤层上。由此，气化剂逆向于延伸方向L喷出。并且同时向气流通道1中注入惰性气体，惰性气体从气流通道6和气化剂输送管线5之间的环隙输送至第一注气点a前端煤层(即第一注气点a逆向于延伸方向L一侧的煤层)。
引燃第一注气点a前端煤层(通过本领域技术人员熟知的点火方法)，以对第一注气点a前端煤层进行气化。可理解，此时，第一注气点a作为目标气化煤层8的气化起始点，即目标气化煤层8的气化开始于气化第一注气点a前端煤层。当然，在其他可选的实施例中，可在目标煤层8已经进行气化的过程中开始执行上述步骤1，而第一注气点a前端煤层的引燃由与其相邻的煤层的燃烧完成。
第一注气点a前端煤层引燃后开始燃烧，并形成宽度逐渐增大的燃烧区3，随着燃烧区3的不断增加，产生煤气和灰渣9。其中，燃烧区3的宽度的方向垂直于气流通道1的轴线且垂直于由地面指向煤层的竖直方向。而在后退式气化过程中，燃烧区的形状可理解为由半圆形和长方形组成，半圆形的弧线面向注气点。其中，长方形的宽度(垂直于气流通道的方向上的宽度)等于半圆形的直径d(图1中清晰示出)。可理解，地下气化中的煤层燃烧形成的燃烧区的形状，通过下述的成像系统获得燃烧区的在该半圆形的直径处的煤层内壁之间的距离，此距离即为燃烧区的宽度。也可理解为，该半圆形的直径d即为燃烧区的宽度。在实际地下气化过程中，燃烧区的形状可能并非严格意义上的半圆形和长方形，此时，以近似于其的规则的半圆形和规则的长方形为准。
在上述第一注气点a前端煤层燃烧的过程中，气化剂和惰性气体一起进入到燃烧区3中。在本实施例中，气化剂为氧气，惰性气体为二氧化碳，二氧化碳和氧气的总进气流量在3000Nm3/h，氧浓度控制在65％。而在煤层燃烧进行气化的过程中，气化压力控制在0.6MPa。可选的，总进气流量可根据气化炉的产能调节。一般情况下氧浓度在45-65％时，进气的体积流量和出气的体积流量的比值为1:2.5。也就是说进100Nm3浓度为45-65％气化剂，会产生250Nm3干煤气，并且此时煤气组分较好。此外，气化剂在气流通道中的流速可通过气化炉的压力进行调节，具体地，依据下面的公式进行调节：
气化剂流速＝气化剂总量/(气化压力*10+1)/(3600*3.14*r2)，其中，r指气流通道半径。
优选地，气化剂流速控制在2-14m/s，以防止出现回火和火不后退。
同时，在上述第一注气点a前端煤层燃烧的过程中，执行步骤2，具体为：持续监测燃烧区3的宽度、采集第一注气点a前端煤层气化时产生的煤气并获得煤气中有效组分百分数和值，当煤气中有效组分百分数和值下降到预定值时，以当前所监测到的燃烧区3的宽度作为燃烧区拓展宽度。
具体而言，燃烧区3产出的煤气由监测孔4导出以采集，然后可检测其中的组分的体积百分比。在本实施例中，煤气中有效组分百分数和值为煤气中的氢气、甲烷和一氧化碳的体积百分比之和，即为氢气占所采集的煤气的体积百分比、甲烷占所采集的煤气的体积百分比和一氧化碳占所采集的煤气的体积百分比之和。上述预定值为40％。
而在本实施例中，通过设置在喷嘴7处的成像系统采集燃烧区3获得燃烧区3的宽度。其中，该成像系统安装在喷嘴7处，所以成像系统距离燃烧区的火焰有一定距离。加之由喷嘴喷出的气化剂具有冷却的作用，以及气流通道内部通入惰性气体以起到保护的作用。综上，在实际气化过程中，成像系统所处于的喷嘴处的温度与外界环境的温度相差不大，故成像系统不会面临高温的问题。进一步，上述成像系统以及利用该成像系统测得注气点前所对应的燃烧区的宽度的方法，均是本领域技术人员所熟知的。
此处，仅简述一种成像系统和利用该成像系统测得注气点前所对应的燃烧区的宽度的方法，当然，本发明不局限于这种系统和方法，可以任何本领域技术人员公知的系统和方法替代。
在本实施例中，成像系统为红外激光成像设备。例如，手提式测距仪(激光测距仪)。该红外激光成像设备包括相连接的能量源、探测头和导线。其中，探测头设置在喷嘴的前端壁上，以向采集喷嘴前方的燃烧区发出激光束，进而获得当前燃烧区图像信息。导线将探测头采集的当前燃烧区图像信息传输至位于地上的计算机中。计算机分析该当前燃烧区图像信息，自动找出距离最宽处(即上述半圆形的直径处)的宽度作为当前燃烧区的宽度。
优选地，设置多个(例如4个)红外激光成像设备。其中，两个红外激光成像设备用于测量当前燃烧区宽度，另两个红外激光成像设备用于测量注气点至顶板高度。测量注气点至顶板高度用于校正测量宽度时激光束与水平面产生的角度。则测得的当前燃空区实际宽度D＝sinα*d。α为竖直方向与测量顶板激光束夹角(取值0-90度)。d为激光所测的宽度。同时，可对于测量当前燃烧区和注气点至顶板高度的激光设备和进行互调。
可理解，本发明的测量是利用了红外激光多点测量形成测量物件(在本发明中，测量物件为当前燃烧区的轮廓)，通过计算机处理形成测量物件的图像。该红外激光测量成像技术为本领域技术人员公知的技术，故仅在此做如上简要描述。
综上，在持续监测燃烧区3的宽度和煤气中有效组分百分数和值的过程中，煤气组分会随着煤层8的燃烧而逐渐变化，当煤气中有效组分百分数和值下降至预定值时，以燃烧区3的宽度为燃烧区拓展宽度。由此，通过上述步骤，寻找出保持煤气组分稳定的后退依据，即燃烧区拓展宽度。在本实施例中，所测得的燃烧区拓展宽度为12m。
然后，在获得燃烧区拓展宽度后，执行步骤3和步骤4，具体描述如下。
沿延伸方向L移动气化剂输送管线5，直至喷嘴7后退至下一个预定注气点(即第一预定注气点A)停止移动，以第一预定注气点A作为当前注气点继续进行气化，即喷嘴7在第一预定注气点A向前喷出气化剂，以引导煤层的燃烧沿着延伸方向L移动，进一步对目标煤层8进行继续燃烧。可理解，在第一预定注气点A作为当前注气点时，煤层的燃烧由燃烧区3逐渐移动到第一预定注气点A前端，形成了当前燃烧区2并且当前燃烧区2的宽度逐渐增大。换言之，在此第一预定注气点A注入气化剂时，与第一预定注气点A对应地形成一个逐渐扩大的当前燃烧区2，该当前燃烧区2位于之前的燃烧区3和第一预定注气点A之间。可理解，由于在本实施例中，煤层8是连续燃烧的，故当前燃烧区2和燃烧区3连通。至此，步骤3执行完毕。
在此过程中，持续监测当前燃烧区2的宽度，其中，当前燃烧区2的宽度的方向垂直于气流通道1的轴线且垂直于由地面指向煤层8的竖直方向，并且与燃烧区3相同，当前燃烧区2的形状近似为半圆形，该半圆形的直径即为当前燃烧区2的宽度。同样，在本实施例中，通过设置在喷嘴7处的成像系统获得当前燃烧区2的宽度。当当前燃烧区2的宽度等于上述燃烧区拓展宽度时，逆向于延伸方向L移动气化剂输送管线5，直至喷嘴7位于第二预定注气点B处(即移动至相对于第一预定注气点A的沿延伸方向后退的下一个预定注气点)。在第二预定注气点B处注入气化剂。此时，第二预定注气点B成为新的当前注入点，并且在该当前注入点的前端逐渐形成新的当前燃烧区。该新的燃烧区即为对应于当前注入点第二预定注气点B的当前燃烧区。可理解，此处为循环执行了步骤3。
同样，持续检测第二预定注气点B所对应的当前燃烧区的宽度，当第二预定注气点B所对应的当前燃烧区的宽度等于上述燃烧区拓展宽度时，逆向于延伸方向L移动气化剂输送管线5，直至喷嘴7位于第三预定注气点C处停止。在第三预定注气点C处注入气化剂。可理解，此时，第三预定注气点C成为新的当前注入点。而在位于第二预定注气点B所对应的当前燃烧区和第三预定注气点C形成新的燃烧区，该新的燃烧区即作为对应于第三预定注气点C的当前燃烧区。可理解，此处为循环执行了步骤3。
同样，通过设置在喷嘴7处的成像系统获得第三预定注气点C所对应的当前燃烧区的宽度。当第三预定注气点C所对应的当前燃烧区的宽度等于上述燃烧区拓展宽度时，围绕气流通道1需要气化的目标煤层8气化完毕，停止再次循环步骤3。
上述对于步骤3和步骤4的描述，可进一步描述为，沿延伸方向L，多个预定注气点(第一预定注气点A、第二预定注气点B和第三预定注气点C)依次作为当前注气点注入气化剂，并依次形成了彼此连通的分别对应于三个预定注气点的三个当前燃烧区，由此引导目标煤层8的燃烧沿延伸方向L移动。其中，以燃烧区拓展宽度为移动气化剂输送管线5的时间依据。综上，在目标煤层8燃烧并采集煤气的过程中，由于燃烧区拓展宽度为在第一注气点a进行试验确定的、并以燃烧区拓展宽度为依据移动气化剂输送管线5以变换当前注气点的位置，使得煤气具有稳定的、较好的煤气组分。
优选地，在从第一注气点a、第一预定注气点A、第二预定注气点B到第三预定注气点C的过程中，注入气化剂和惰性气体的工艺条件以及气化压力均不变。
在其他可选的实施例中，可不在气化剂输送管线5上设置成像系统。而是例如通过对应每个注气点(第一注气点和预定注气点)设置竖直井，并在每个竖直井的井底同时或依次设置成像系统而实现监测燃烧区3和每个预定注气点作为当前注气点时所对应的当前燃烧区的宽度。
在其他可选的实施例中，支护管6为PE管。
在其他可选的实施例中，惰性气体为N2。
此外，在气化剂输送管线5移动的过程中，可停止注入气化剂或持续注入气化剂。惰性气体的注入时间不局限于上述，在第一注气点a和所有预定注气点中的任一个注入气化剂时，均可开始注入惰性气体。而由于惰性气体可以防止煤层燃烧时爆炸，优选地在第一注气点a注入气化剂时或注入气化剂之前便开始向气流通道1中注入惰性气体，以在第一注气点a和所有预定注气点中的任一个注入气化剂的同时，均注入惰性气体。换言之，在注入气化剂的同时注入惰性气体。
参照图3，本发明的后退式煤层气化方法的第二个实施例，其中与第一个实施例相同之处不再赘述。
在本实施例中，在步骤a中，构建5个同一方向且等间距的定向孔，分别为第一定向孔b、第二定向孔c、第三定向孔d、第四定向孔e、第五定向孔f。两条相邻定向孔的距离L1为25m。同时通过与上述第一实施例相同的步骤气化第一定向孔b和第二定向孔c，第一定向孔b和第二定向孔c分别形成均匀宽度的通道。通道宽度L2约为16m。第一定向孔b和第二定向孔在气化后形成的通道之间预留煤柱，宽度L3约9m。由此，通过控制当前燃烧区的宽度等于燃烧区拓展宽度而控制目标煤层8燃烧后所形成的通道的宽度，进而避免了因相邻两个定向孔的距离L1变小而导致煤层8燃烧后形成的通道导通，从而影响气化正常运行。故此方法提高了气化炉回采率。
当然，第三定向孔d、第四定向孔e、第五定向孔f与上述第一定向孔b和第二定向孔c的气化过程相同。
综上，在上述两个实施例中，本发明的方法通过设置成像系统而有效获得燃烧区3和当前燃烧区2的拓展形态并将其用于保证煤气组分的稳定。成像系统替代了目前对燃烧区扩展形态的检测方法(主要为热电偶煤层测温、测氡等手段)。由此，采用热电偶测温手段因钻孔构建偏差、煤层构造结构不同、受煤层水等因素影响，很多测温孔不能起到测温作用、且温度并不能真实反应火区扩展形状的缺点被克服。而测氡方法只能反应出燃烧面的轮廓、且滞后时间较长、干扰因素较多，不能反映气化炉实际运行情况和燃烧区扩展的缺点被克服。
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 (10)
1.一种后退式煤层气化方法，包括：
步骤1，将气化剂输送管线(5)的喷嘴(7)下放至气流通道(6)中的第一注气点(a)，从所述喷嘴(7)喷出气化剂对所述第一注气点(a)前端煤层进行气化；
其特征在于，还包括：
步骤2，获得所述第一注气点(a)前端煤层气化时煤气中有效组分百分数和值下降到预定值时的燃烧区(3)宽度，设定为燃烧区拓展宽度；
步骤3，移动所述气化剂输送管线(5)，以将所述喷嘴(7)后退至下一个预定注气点并将其作为当前注气点继续进行气化；
步骤4，当所述当前注气点对应的当前燃烧区(2)的宽度达到所述燃烧区拓展宽度时，重复所述步骤3直至目标煤层(8)气化结束。
2.根据权利要求1所述的后退式煤层气化方法，其特征在于，
所述步骤2执行为如下子步骤：
持续监测所述燃烧区(3)的宽度、采集所述第一注气点(a)前端煤层气化时产生的煤气并获得煤气中有效组分百分数和值；
当所述煤气中有效组分百分数和值下降到预定值时，以当前所监测到的所述燃烧区(3)的宽度作为所述燃烧区拓展宽度。
3.根据权利要求2所述的后退式煤层气化方法，其特征在于，
通过设置在所述喷嘴(7)处的成像系统，监测所述燃烧区(3)的宽度。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的后退式煤层气化方法，其特征在于，
所述煤气中有效组分百分数和值为煤气中的氢气、甲烷和一氧化碳的体积百分比之和。
5.根据权利要求4所述的后退式煤层气化方法，其特征在于，
所述预定值为40％。
6.根据权利要求1所述的后退式煤层气化方法，其特征在于，
在所述步骤1之前，由地面向所述目标煤层(8)中建立监测孔(4)，以通过所述监测孔(4)采集所述第一注气点(a)前端煤层气化时产生的煤气。
7.根据权利要求1所述的后退式煤层气化方法，其特征在于，
在第一注气点(a)和所有所述预定注气点中的任一个注入所述气化剂时，同时向所述气流通道(1)中注入惰性气体。
8.根据权利要求1所述的后退式煤层气化方法，其特征在于，
在所述步骤1之前，围绕所述气流通道(1)的内周壁设置支护管(6)。
9.根据权利要求1所述的后退式煤层气化方法，其特征在于，
第一注气点(a)和所有所述预定注气点中的每相邻两个注气点等间距设置，并相邻两个注气点的间距位于4-8m的范围内。
10.根据权利要求1所述的后退式煤层气化方法，其特征在于，
所述第一注气点(a)为所述目标煤层(8)的气化起始点。
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