CN104533378A - 地下污水控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种地下污水控制方法，用于将煤炭地下气化后形成的燃空区中的污水固化，所述煤层气化涉及多个井，所述井包括注入井和监测井，所述地下污水控制方法包括处理步骤。本发明通过对所述注入井和所述监测井注入冷却剂的方法，使所述污水和冷却剂发生热交换，注入的冷却剂会迅速吸热气化变成气体并保存在所述燃空区内，从而保证了污水能够完全形成冰体，使所述污水原位被固化，保证了污水的稳定性，从而避免了污水的被迫迁移问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤炭地下气化技术领域，尤其是指煤炭地下气化燃空区的污水控制方法。
背景技术
煤炭地下气化技术主要是指煤、焦炭或者半焦等固体燃料在高温常压或者加压条件下与气化剂发生反应，转化为气体产物或少量残渣的过程。所述气化剂主要是水蒸气、空气(或者氧气)或者它们的混合气。煤炭气化过程可用于生产燃料煤气，作为工业窑炉用气或者城市煤气，也可用于制造混合气，作为合成氨、合成甲醇和合成液体燃料的原料，因此煤炭气化技术是煤化工的重要技术之一。
目前常用的煤炭地下气化技术一般在原始煤层中通过从地面打煤层钻孔实现，在气化过程中会产生大量污染物，这些污染物在气化结束后会进入地下水造成污染，因此，需要对煤层燃烧后形成的燃空区中水体里存在的污染物进行处理。现有处理手段包括，将地下污水抽提到地面上进行处理、使用化学剂中和污染物以及使用吸附剂包裹污染物等方法，这些方法可能造成污染物迁移及二次污染风险。
为了克服上述问题，现有文献(CN1012811A49A)公开了一种煤炭地下气化燃空区污染修复的方法，从地面通过废弃气化炉钻孔输送低浓度双氧水至燃空区水体底部，双氧水在水中产生OH自由基，具有很强的氧化性，可以将废水中的酚类有机污染物氧化分解生成二氧化碳和水，从根本上避免了酚类污染物迁移渗透造成的地下水污染。上述文献所述工艺简单、反应时间短、去除效率高；而且双氧水作为强氧化剂，使用后易分解无残留，不会造成二次污染；但是上述方法仍旧存在以下问题：由于燃空区污水量巨大，需要注入的双氧水量也是巨大的，由此注入的化学试剂在注入过程中就可能导致燃空区充满，迫使污染物或者化学药剂迁移到其他含水层；另外由于燃空区并不是规则的储水体系，加入的化学物质很有可能对死角的污水没有处理作用，导致对污染修复不全面。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术中所述污水处理过程中污染物会迁移从而导致二次污染的问题从而提供一种可克服污水迁移且可对燃空区的全部污水整体控制的地下污水控制方法。
为解决上述技术问题，本发明所述的一种地下污水控制方法，用于将煤炭地下气化后形成的燃空区中的污水固化，所述煤层气化涉及多个井，所述井包括注入井和监测井，所述地下污水控制方法包括处理步骤，所述处理步骤包括向所述注入井内注入冷却剂，监测所述监测井排出气体的流量变化，待所述监测井排出的气体流量变小时，提高对所述注入井或者所述监测井注入冷却剂的剂量，根据所述监测井的井口压力以及井下温度的变化判断所述污水是否被固化。
在本发明的一个实施例中，所述地下污水控制方法还包括测量步骤，所述测量步骤利用第一测量装置测量各个井的水位和泥位，利用第二测量装置测量所述监测井的压力、流量和温度。
在本发明的一个实施例中，所述确定注入井和监测井的位置选择采用水位判断时，将水位较低的井作为注入井，将水位较高的井作为监测井。
在本发明的一个实施例中，所述处理步骤中，若所述监测井的井口压力超过2MPa，则关闭所述监测井，当所述井下温度降低到零下5度至零度时，污水固态逐渐形成。
在本发明的一个实施例中，所述处理步骤中，首先向所述注入井内注入冷却剂的剂量控制在1m3/h至2m3/h之间，提高对所述注入井注入冷却剂的剂量控制在4m3/h至6m3/h之间。
在本发明的一个实施例中，所述处理步骤中，选择最边缘的两个井作为注入井注入冷却剂，然后根据其它井的出气量将次边缘的两个井作为注入井注入冷却剂，依次顺序，最后向所述监测井注入冷却剂。
在本发明的一个实施例中，所述处理步骤中，所述冷却剂直接通过注入管注入所述注入井内。
在本发明的一个实施例中，所述地下污水控制方法还包括维护步骤，通过对所述监测井温度和压力的监测判断是否需要补充冷却剂。
在本发明的一个实施例中，所述维护步骤中，若所述监测井的温度持续上升至零下5度至零度时，且温度还有上升趋势时，则需要对所述监测井补充注入冷却剂。
在本发明的一个实施例中，所述维护步骤中，若所述监测井的压力持续上升到2.5Mpa至3.0Mpa时，则需要对所述监测井补充注入冷却剂。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明通过对所述注入井和所述监测井注入冷却剂的方法，使所述污水和冷却剂发生热交换，注入的冷却剂会迅速吸热气化变成气体并保存在所述燃空区内，从而保证了污水能够完全形成冰体，使所述污水原位被固化，保证了污水的稳定性，从而避免了污水的被迫迁移问题。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明实施例1的地下污水控制装置示意图；
图2是本发明实施例2的地下污水控制装置示意图；
图3是本发明实施例2中处理步骤的装置示意图；
图4是本发明实施例3的地下污水控制装置示意图；
图5是本发明所述地下污水控制装置示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本实施例提供了一种地下污水控制方法，用于将煤炭地下气化后形成的燃空区12中的污水13固化，所述煤层气化涉及多个井，所述井包括注入井和监测井，所述地下污水控制方法包括处理步骤，所述处理步骤包括向所述注入井内注入冷却剂，监测所述监测井排出气体的流量变化，待所述监测井排出的气体流量变小时，提高对所述注入井或者所述监测井注入冷却剂的剂量，根据所述监测井的井口压力以及井下温度的变化判断所述污水13是否被固化。
本发明所述的地下污水控制方法主要包括处理步骤，所述处理步骤包括前期向所述注入井内注入冷却剂，所述污水和冷却剂发生热交换，所述冷却剂吸热后产生大量气体从所述监测井中排出，此时监测所述监测井中气体的排出量，待所述监测井排出的气体流量变小时，说明已注入的冷却剂和地下污水的热交换量开始减少，换热效果从剧烈变为平缓，此时需要关闭监测井的出气，提高对所述注入井或者所述监测井注入冷却剂的剂量，最终将全部液氮注入至所述燃空区，并根据所述监测井的井口压力以及井下温度的变化判断所述污水是否被固化。由于前期注入的冷却剂流量较小，会和所述污水发生缓慢的热交换作用，注入的冷却剂会迅速吸热气化变成气体并保存在所述燃空区内，不至将水层大面积扰动，从而保证了污水能够完全形成冰体，使所述污水原位被固化，保证了污水的稳定性，避免了污水的被迫迁移；提高对所述注入井或者所述监测井注入冷却剂的剂量后，即使处于燃空区死角处的污水，通过提高所述冷却剂的注入，也能很快和污水发生热交换，因此对污水的修复更加全面、完整，避免燃空区内污水随地下水迁移造成进一步污染。另外，由于地下燃空区被冰体和气体完全填充，从而避免了煤层气化过程中顶板冒落引起的地面塌陷的问题；污水原位被固化后，由于地下没有热源，也没有明显的热量迁移，因此形成冰体后的稳态可以维持很长时间。
本发明所述地下污水控制方法还包括测量步骤，所述井上设有测量井内的水位和泥位的第一测量装置14以及测量井的压力、流量和温度的第二测量装置15，所述测量步骤利用所述第一测量装置14测量各个井的水位和泥位，从而确定出所述注入井和所述监测井的位置，利用所述第二测量装置15测量所述监测井的压力、流量和温度。
为了获取所述各个井的水位和泥位，所述第一测量装置14上设有探头，通过所述探头可以测量各个井的水位和泥位，所述第二测量装置15包括热电偶16，将所述热点偶16置入所述监测井中，且所述热电偶16置入所述监测井的深度大于所述污水13的深度，通过所述热电偶16就可以获取所述污水13的温度，从而根据所述监测井的井口压力以及井下温度的变化判断所述污水是否被固化。另外，由于地下燃空区为联通状态，各个井口的压力差很低，所述第二测量装置15所获得的压力数据可以认为是燃空区内的压力数据。
下面具体说明若所述井的数量不同时采用本发明所述地下污水控制方法如何固化地下污水：
实施例一：
参考图1所示，所述井包括进气井11A和出气井11B，在煤层气化过程中，所述进气井11A和所述出气井11B地下连通的区域形成燃空区12，所述燃空区12下方堆积有煤层气化过程中形成的污水13。
所述测量步骤中，将所述第一测量装置14分别放入所述进气井11C和所述出气井11B中测量各个井的水位和泥位，通过所述水位估算所述燃空区充水程度并根据燃煤量估算污水总量，从而确定出所需冷却剂的总剂量，通过所述泥位确定水层较浅的井作为注入井，本实施例中，经过所述测量步骤后，可以确定所述进气井11A作为注入井，所述出气井11B作为监测井。
所述处理步骤中，首先向所述进气井11A注入冷却剂，初期注入的液态量控制在小流量，如注入量是2m3/h，具体地，注入的流量控制在1m3/h至2m3/h之间，小流量的注入方式使较浅水层会较快形成冰层，初期能够对燃空区整体起到包裹作用，使其保持原状，有益于原位固化，防止提高注入冷却剂的剂量后污水被迫迁移的问题，保证了地下污水的稳定性；首次，通过所述第二测量装置15监测从所述出气井11B的井口排出气体的流量和压力，由于所述冷却剂和污水13发生热交换后，所述冷却剂会产生大量气体并从所述出气井11B的井口排出，随着热交换的不断进行，换热程度逐渐由剧烈变为平缓，导致从所述出气井11B的井口排出的气体流量减小，说明此时所述燃空区12内的污水外壁已经被固化，此时关闭所述出气井11B，需要向所述进气井11A内补充注入剩余冷却剂，此时提高所述进气井11A内的冷却剂，如注入量加至5m3/h，具体地，注入的流量控制在4m3/h至6m3/h之间，直至将全部冷却剂注入完毕；或所述冷却剂的注入量提高后，通过所述第二测量装置15监测出所述出气井11B的井口压力变化，如压力变大且超过2.0MPa时，所述冷却剂和所述污水13交换热量后形成的气体会积压在所述燃空区12内，导致所述燃空区12内的压力出现缓慢上升，随着冷却剂吸热后含量不断减少，说明冷却剂和所述污水13的换热开始减弱，当通过所述热电偶16检测出的温度降低至零度时，具体地，若温度已降低到-5℃至0℃时，说明所述污水13的冰态已逐渐形成，若此时冷却剂仍未注入完毕应停止注入冷却剂。
本实施例中，所述地下污水控制方法经过处理步骤后形成的冰体虽然可以维持很长时间，但是随时间的推移，所述井下污水的温度可能发生变化，导致固态的污水融化，为了避免污水融化引起的污水流动的问题，所述地方污水控制方法还包括维护步骤，所述维护步骤中，通过所述第二测量装置15持续对所述出气井11B的压力及井底温度进行监测，当压力上升至3.0MPa，具体地，当压力上升到2.5MPa至3.0MPa时，需要对地下及时补充冷却剂；若温度从停止注入冷却剂持续上升至零度时，具体地，温度上升到-5℃至0℃时，且温度还有上升趋势时，则需要对地下及时补充冷却剂，从而保证所述地下污水形成冰块的稳态。
实施例二：
参考图2所示，所述井包括第一井11C、第二井11D和第三井11E,其中所述第二井11D位于所述第一井11C和所述第三井11E的中间，在煤层气化过程中，所述第一井11C、所述第二井11D以及所述第三井11E地下连通的区域形成燃空区12，所述燃空区12下方堆积有煤层气化过程中形成的污水13。
所述测量步骤中，将所述第一测量装置14分别放入所述第一井11C、所述第二井11D以及所述第三井11E中测量各个井的水位和泥位，通过所述水位估算所述燃空区充水程度并根据燃煤量估算污水总量，从而确定出所述冷却剂的剂量，通过所述泥位确定水层较浅的井，本实施例中，所述第一井11C和所述第三井11E为边缘井作为注入井，为了便于监测，所述第二井11D为中央井作为监测井，将所述热电偶16放入所述第二井11D中，通过所述第二测量装置15获得所述污水13的温度。
如图3所示，所述处理步骤中，同时使用冷却剂注入装置17对所述第一井11C和所述第三井11E内注入冷却剂，由于注入的冷却剂会迅速吸热气化变成气体，所述气体会从所述第二井11D中大量排出，随着热交换的不断进行，换热程度逐渐由剧烈变为平缓，导致从所述第二井11D的井口排出的气体流量减小，说明此时所述燃空区12内的污水外壁已经被固化，此时关闭所述第二井11D，使用所述冷却剂注入装置17向所述第二井11D内补充注入剩余冷却剂，并提高所述第二井11D内注入冷却剂的剂量，并通过所述第二测量装置15对所述第二井11D的井下污水以及井口压力继续进行监测，当监测出所述热电偶16测量的温度降低至零度时，具体地，若监测出温度降低到-5℃至0℃时，说明冷冻污水稳态逐渐形成，应停止注入冷却剂。
本实施例所述维护步骤中，通过对所述监测井温度和压力的监测判断是否需要补充冷却剂，具体地，通过所述第二测量装置15继续监测所述第二井11D，若地下冰层温度上升至零度时，具体地，温度上升到-5℃至0℃时，且温度还有上升趋势时，需要对所述第二井11D补充冷却剂，保证所述地下污水形成冰块的稳态；若所述第二井11D的井口压力也持续上升且升至3.0MPa，具体地，当压力上升到2.5MPa至3.0MPa时，也需要对所述第二井11D补充冷却剂，进而保证所述地下污水形成冰块的稳态。
实施例三：
参考图4所示，所述井包括第四井11F、第五井11H、第六井11G、第七井11K以及第八井11L，依次排列，其中所述第六井11G位于正中间，在煤层气化过程中，所述第四井11F、所述第五井11H、所述第六井11G、所述第七井11K以及第八井11L地下连通的区域形成燃空区12，所述燃空区12下方堆积有煤层气化过程中形成的污水13。
在本实施例中，所述测量步骤与实施例二相同，不再具体论述，所述处理步骤中，首先将位于最边缘的所述第四井11F和第八井11L作为注入井，将所述第五井11H、所述第六井11G以及所述第七井11K作为监测井，监测方法同实施例二，监测其余井的出气量，待需要注入冷却剂时，将所述第五井11H和所述第七井11K作为注入井，所述第六井11G作为监测井，待再次需要注入冷却剂时，向所述第六井11G注入冷却剂。根据上述顺序注入冷却剂的方法，可以保证所述井下所有污水都转换为冰态的稳固形式，在加入同样剂量的冷却剂时，地下污水的固化效果最好。
所述维护步骤中，所述维护方法和实施例一以及实施例二相同，根据所述监测井温度和压力的监测判断是否需要补充冷却剂，需要指出的是：为了有利于监测地下污水形成冰块的状态，每隔一个井并选择下一个井作为监测井用于监测地下冰块的状态可较全面的反映整个冰块的状态，具体地，通过监测所述第五井11H以及所述第七井11K的压力和温度来判断是否需要补充冷却剂。
本发明所述井的数量根据煤层气化的需求设置，对于具有更多的井，所述地下污水控制方法不限于实施例三所述的情况，为了保证固化效果，在所述处理步骤中，优先选择最边缘的两个井作为注入井注入冷却剂，然后根据其它井的出气量将次边缘的两个井作为注入井注入冷却剂，依次顺序，最后向所述监测井注入冷却剂，从而可以保证地下污水完全被固化。
参考图5所示，在本发明中，无论在实施例一、实施例二还是实施例三中，在处理步骤中对所述井,无论是注入井还是所述监测井中注入冷却剂时，由于原有的井在煤层气化过程中经过进气和出气的长时间工作可能出现裂纹或者断裂的情况，直接通过井注入冷却剂时，会导致冷却剂的流失，造成冷却剂的浪费，为使冷却剂能够直接到达燃空区，所述冷却剂可以直接通过注入管18注入所述注入井内，从而使所述冷却剂直接到达燃空区，更有利于地下污水的固化；另外，相比由井口注入到污水上部，加入所述注入管18后可以注入到污水底部，增加了污水和冷却剂的换热效率。
需要注意的是：本发明所述确定注入井和监测井的位置优先选择采用水位判断，将水位较低的井作为注入井，将水位较高的井作为监测井。另外，在煤层气化过程中，通常会有多个进气井和出气井与多条水平井相连，气化完成后所述进气井和出气井互通且燃空区所存留的污水也是互通状态，因此在冷却剂注入与监测井的选择上遵循边缘井注入，中心井监测的原则。
本发明所述冷却剂是液氮，所述液氮经过和污水的热交换后变成氮气，而氮气属于惰性气体，即使直接排入到空气中，也不会对环境造成污染，而氮气的临界压力为3.3MPa，远小于地压，注入的氮气可以保存在燃空区内，从而保证污水能够完全的形成冰体，因此本发明所述的地下污水控制方法更加节能环保，当然本发明不限于液氮，其它环保型冷却剂都是本发明的考虑范围。
本发明中，所述监测井选择中央井和泥位较低的井，由于这种井水层较厚，冷冻时不易全部形成冰层，容易发生融化，因此通过监测所述监测井的压力、流量和温度就可以判断地下污水的固化程度，所述注入井选择水层较浅的井口和边缘井进行注入冷却剂，可使较浅水层会较快的形成冰层，使污水原位被固化，从而保证了污水的稳定性，防止了污水的被迫迁移问题。所述井上均设有孔口，通过所述孔口可以对地下压力及温度进行检测，从而实现对原位固定污水实时监控。
综上，本发明所述的地下污水控制方法具有以下优点：
1.在本发明的地下污水控制方法中，所述处理步骤中向所述注入井内注入冷却剂，所述污水和冷却剂发生热交换，所述冷却剂吸热后产生大量气体从所述监测井中排出，此时监测所述监测井中气体的排出量，待所述监测井排出的气体流量变小时，说明已注入的冷却剂和地下污水的热交换量开始减少，换热效果从剧烈变为平缓，需要关闭监测井的出气，提高对所述注入井或者所述监测井注入冷却剂的剂量，根据所述监测井的井口压力以及井下温度的变化判断所述污水是否被固化。由于前期注入的冷却剂流量较小，会和所述污水发生缓慢的热交换作用，注入的冷却剂会迅速吸热气化变成气体并保存在所述燃空区内，不至将水层大面积扰动，从而保证了污水能够完全形成冰体，使所述污水原位被固化，保证了污水的稳定性，避免了污水的被迫迁移；提高对所述注入井或者所述监测井注入冷却剂的剂量后，即使处于燃空区死角处的污水，通过提高所述冷却剂的注入，也能很快和污水发生热交换，因此对污水的修复更加全面、完整，避免燃空区内污水随地下水迁移造成进一步污染。另外，由于地下燃空区被冰体和气体完全填充，从而避免了煤层气化过程中顶板冒落引起的地面塌陷的问题；污水原位被固化后，由于地下没有热源，也没有明显的热量迁移，因此形成冰体后的稳态可以维持很长时间。
2.在本发明的地下污水控制方法的一个实施例中，所述地下污水控制方法经过处理步骤后形成的冰体虽然可以维持很长时间，但是随时间的推移，所述井下污水的温度可能发生变化，导致固态的污水融化，为了避免污水融化引起的污水流动的问题，所述地方污水控制方法还包括维护步骤。
3.在本发明的地下污水控制方法的一个实施例中，所述处理步骤中，无论是注入井还是所述监测井中注入冷却剂时，由于原有的井在煤层气化过程中经过进气和出气的长时间工作可能出现裂纹或者断裂的情况，直接通过井注入冷却剂时，会导致冷却剂的流失，造成冷却剂的浪费，为使冷却剂能够直接到达燃空区，所述冷却剂可以直接通过注入管注入所述注入井内，从而使所述冷却剂直接到达燃空区，更有利于地下污水的固化；另外，相比由井口注入到污水上部，加入所述注入管后可以注入到污水底部，增加了污水和冷却剂的换热效率。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围中。
Claims (10)
1.一种地下污水控制方法，用于将煤炭地下气化后形成的燃空区(12)中的污水(13)固化，所述煤层气化涉及多个井，所述井包括注入井和监测井，所述地下污水控制方法包括处理步骤，其特征在于：所述处理步骤包括向所述注入井内注入冷却剂，监测所述监测井排出气体的流量变化，待所述监测井排出的气体流量变小时，提高对所述注入井或者所述监测井注入冷却剂的剂量，根据所述监测井的井口压力以及井下温度的变化判断所述污水(13)是否被固化。
2.根据权利要求1所述的地下污水控制方法，其特征在于：所述地下污水控制方法还包括测量步骤，所述测量步骤利用第一测量装置(14)测量各个井的水位和泥位，利用第二测量装置(15)测量所述监测井的压力、流量和温度。
3.根据权利要求2所述的地下污水控制方法，其特征在于：所述确定注入井和监测井的位置选择采用水位判断时，将水位较低的井作为注入井，将水位较高的井作为监测井。
4.根据权利要求1所述的地下污水控制方法，其特征在于：所述处理步骤中，若所述监测井的井口压力超过2MPa，则关闭所述监测井，当所述井下温度降低到零下5度至零度时，污水固态逐渐形成。
5.根据权利要求4所述的地下污水控制方法，其特征在于：所述处理步骤中，首先向所述注入井内注入冷却剂的剂量控制在1m3/h至2m3/h之间，提高对所述注入井注入冷却剂的剂量控制在4m3/h至6m3/h之间。
6.根据权利要求1所述的地下污水控制方法，其特征在于：所述处理步骤中，选择最边缘的两个井作为注入井注入冷却剂，然后根据其它井的出气量将次边缘的两个井作为注入井注入冷却剂，依次顺序，最后向所述监测井注入冷却剂。
7.根据权利要求1所述的地下污水控制方法，其特征在于：所述处理步骤中，所述冷却剂直接通过注入管(18)注入所述注入井内。
8.根据权利要求1所述的地下污水控制方法，其特征在于：所述地下污水控制方法还包括维护步骤，通过对所述监测井温度和压力的监测判断是否需要补充冷却剂。
9.根据权利要求8所述的地下污水控制方法，其特征在于：所述维护步骤中，若所述监测井的温度持续上升至零下5度至零度时，且温度还有上升趋势时，则需要对所述监测井补充注入冷却剂。
10.根据权利要求8所述的地下污水控制方法，其特征在于：所述维护步骤中，若所述监测井的压力持续上升到2.5Mpa至3.0Mpa时，则需要对所述监测井补充注入冷却剂。
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