CN104632177A - 一种无井式煤炭地下气化系统及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无井式煤炭地下气化系统及工艺。包括气化剂注入钻孔、煤气出口钻孔、钻孔支撑管、点火及注气装置、注气点后退装置和抽水装置。所述系统设有多个竖直钻入煤层的煤气出口钻孔，所述煤气出口钻孔通过一条沿煤层钻进的气化剂注入钻孔来连通，所述点火及注气装置从气化剂注入钻孔进入煤层所述抽水装置从煤气出口钻孔进入煤层；气化工艺是：点火，注气点后退；判断是否调整气化剂注入量和各气化剂比例；判断是否向后移动点火点；启动点火点移动装置；判断是否改变煤气出口，继续燃烧；本发明的优点：可以加大钻孔间距，提高钻孔的利用率；控制气化过程产生的污染物的扩散和残留，降低了煤炭地下气化过程对地下水的污染。

Description

一种无井式煤炭地下气化系统及工艺

技术领域

本发明涉及煤炭地下气化生产领域，特别涉及一种无井式煤炭地下气化系统及工艺。

背景技术

煤炭地下气化技术可回收人工不能开采以及开采不经济的煤炭资源，人们很早就已经开始研究。煤炭地下气化分为有井式和无井式，有井式利用现有巷道进行地下气化过程，公开号CN101315026A的中国专利“一种煤炭地下气化系统及其生产工艺”、公开号CN1169501A的中国专利“矿井长通道大断面煤炭地下气化”、公开号CN103277082A的中国专利“一种注气点后退式煤炭地下气化系统及工艺”等均为有井式煤炭地下气化技术，装置安装时需人工下井安装，安装不便，安全问题无法保障。无井式煤炭地下气化实现了地下无人操作，保证生产过程的安全性，公开号CN101382063A的中国专利“一种新型煤炭地下气化炉型”在煤层底板下钻设多个排水钻孔，且相邻钻孔间采用单次点火方式，钻井工程量大，钻孔利用率低；公开号CN102434142A的中国专利“一种煤炭地下气化方法”为一进一出式，钻孔间距虽然较长，但采用单次点火方式易导致熄炉，气化过程不稳定，且无排水设施；公开号CN103670361A的中国专利“注气装置、煤炭地下气化系统及煤炭地下气化方法”为简单U型式气化炉，主要提供水蒸气注入方法，采用单次点火方式；公开号CN101382065A的中国专利“无井式地下气化工艺”相邻钻孔间气化采用单次点火方式，钻孔间距较小，钻孔利用率低，且单独钻设抽水井，工程量较大，煤气成本较高；并且以上无井式煤炭地下气化专利均无法控制地下气化过程中污染物对地下水资源的污染。

发明内容

本发明的目的是针对无井式煤炭地下气化过程钻孔间距较小，钻孔利用率低，且无法控制气化过程中污染物的产生对地下水造成污染的问题，而提出的一种无井式煤炭地下气化系统及工艺。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种无井式煤炭地下气化系统，包括气化剂注入钻孔、煤气出口钻孔、钻孔支撑管、点火及注气装置、注气点后退装置和抽水装置；所述系统设有多个竖直钻入煤层的煤气出口钻孔，所述煤气出口钻孔竖直钻入煤层，直至所需气化煤层底板以下2～5米；所述气化剂注入钻孔竖直钻入煤层，直至煤层底板以上20～30厘米，再延煤层钻进，连通所有煤气出口钻孔；所述钻孔支撑管铺设于所有气化剂注入钻孔和煤气出口钻孔；所述点火及注气装置从气化剂注入钻孔进入煤层；所述抽水装置从煤气出口钻孔进入煤层，且与煤气出口管道分支通过煤气管法兰、抽水管双面密封法兰和抽水管法兰及金属垫片进行密封；所述抽水装置包括过滤器、单向开关和自吸式高压污水泵；所述过滤器设在抽水管道进口处，包围管道进口，所述过滤器包括外套管和内套管；所述单向开关装在过滤器内的抽水管道内，高度在干燥器外套管筛孔区内，所述单向开关包括转轴、单向叶片、角度控制片和支撑件。

方案进一步是，所述煤气出口钻孔在煤层相对较深处竖直钻入煤层；所述气化剂注入钻孔在煤层相对较浅处竖直钻入煤层；生产时，相对较浅处的煤气出口钻孔可作为相对较深处煤气出口钻孔的气化剂注入钻孔。

方案进一步是，所述气化剂注入钻孔在有露头煤的煤层中施工时，可在煤层露头处直接延煤层钻设。

方案进一步是，所述煤气出口钻孔相邻钻孔的间距根据所需气化煤层的具体条件确定，确定方法为燃烧区从相对较深处的钻孔底部后退到相对较浅处的钻孔底部时，在相对较浅的钻孔底部点火并充分燃烧时，煤气从相对较深处钻孔出来时温度要高于地下气化煤气的露点温度，煤气的露点温度与煤气的硫含量成正比，因而具体的温度值需要现场测定，一般，煤气露点温度大于80度。

方案进一步是，所述气化剂注入钻孔内的钻孔支撑管在沿煤层铺设段为花管；所述煤气出口钻孔内的钻孔支撑管在与气化剂注入钻孔的钻孔支撑管连接处的下方以及钻孔底部灌浆面的上方段为花管。

方案进一步是，所述过滤器外套管上部与内套管通过焊接密封，并且外套管低于内套管，内套管和外套管之间充满过滤填料；所述外套管在顶部及侧面均有筛孔，侧面设置筛孔的位置高于抽水管道10厘米以上；所述内套管包含在外套管内的部分全部设有筛孔，内套管和外套管筛孔的直径均小于过滤填料的最小直径。

方案进一步是，所述单向叶片由半圆片和锯齿环两部分构成，两个单向叶片的锯齿环交叉穿在转轴上；所述转轴固定在支撑件上，支撑件在与单向叶片重叠的地方向下凹。

方案进一步是，所述锯齿环的宽度为单向叶片半圆片的半径与支撑件内圆环半径差值的1/3-2/3。

方案进一步是，所述角度控制片位于单向叶片上表面半圆片与锯齿环的交接处，调节角度控制片的厚度可控制两个单向叶片的最小夹角；所述角度控制片的长度大于转轴的直径，且小于单向叶片的直径；角度控制片的宽度是单向叶片半圆片直径的0.05-0.35倍。

方案进一步是，所述抽水管双面密封法兰一面的密封螺纹与煤气管法兰相匹配，另一面的密封螺纹与抽水管法兰相匹配。

上述气化系统实现的煤炭地下气化工艺：

a.在煤层相对较深处竖直向煤层中打煤气出口钻孔2-1，直至所需气化煤层底板以下2～5米，返浆封堵钻孔支撑管与岩层间隙；在煤层相对较浅处竖直向煤层中打气化剂注入钻孔，直至煤层底板以上20～30厘米，再延煤层钻进，直至与煤气出口钻孔连通；气化剂注入钻孔口和煤气出口钻孔口的钻孔支撑管与岩层的间隙灌浆密封；

b.将抽水装置从煤气出口钻孔下放，抽出气化区囤积水；

c.将点火及注气装置从气化剂注入钻孔下放到煤层中，距离煤气出口钻孔10-30米；

d.注入氧气，启动点火装置点火，当点火装置的测温点达到400℃以上时，煤层引燃成功，关闭点火装置，停止注氧气，注入气化剂，启动注气点后退装置，将注气点向后退10-30米，气化过程开始；

e.检测煤气出口钻孔产出煤气的温度和含氧量，当煤气中氧的含量低于1％，增大注入气化剂的流量，当煤气中氧的含量高于1％，减小注入气化剂的流量；当煤气的温度低于地下气化煤气的露点温度时，煤气出口钻孔与该点火点间的煤层气化结束；

f.再次点火，重复步骤d、e后，该点火点与上一个点火点间的煤层气化结束，重复步骤d、e直到在点火点处点火后，煤气温度一直低于地下气化煤气的露点温度时，在该点火点处竖直打煤气出口钻孔2-2，向煤气出口钻孔2-1中灌浆封堵，则煤气出口钻孔2-2与2-1的距离即为各煤气出口钻孔的间距，依次打好煤气出口钻孔2-3、2-4等；

g.煤气出口钻孔2-2打好后，以煤气出口钻孔2-2作为煤气出口钻孔继续生产，重复步骤b、c、d、e，直至将所有钻孔间的煤层全部气化完毕。

本发明与现有技术相比：

1.本技术方案由于采用了多钻孔布置与相邻钻孔间多次点火方式结合的气化方式，加大了相邻钻孔间的距离，提高了钻孔的平均气化煤量，提高了钻孔的利用率，即气化相同煤量时减少了钻孔数量，降低了气化成本；

2.本技术方案由于采用了控制煤气出口温度高于地下气化煤气的露点温度，产品煤气将煤炭地下气化过程中产生的焦油、酚等污染物大部分带出到地面，进行集中处理，可避免气化过程中产生的污染物对地下水的污染；

3.本技术方案由于采用了煤气出口钻孔在煤层相对较深处钻设，气化剂注入钻孔在煤层相对较浅处钻设，气化剂在较浅的气化剂注入钻孔被高压注入煤层，增大了气化剂在煤层中的渗透率，提高了参与气化反应的煤量，提高煤炭资源的回收率；

4.本技术方案由于采用了注气点在燃烧煤层上游的方式，避免了注气管道长时间的灼烧，延长了管道的使用年限，同时，高温气化剂可预热未燃烧的煤层，且防止气化剂中氧气与产品煤气混合，避免产品煤气中氧含量超高，产生爆炸的危险；

5.本技术方案由于采用了注气点后退的方式气化，使产生的高温煤气在经过未反应完全的煤层时，进行还原反应，提高煤气品质和煤层的气化率，并且产品煤气经过之前的高温燃空区，保持高温，提高污染物的带出率，降低气化过程中产生的污染物对地下水资源的污染；

6.本技术方案由于采用了抽水装置从煤气出口钻孔下放到煤层中抽水，避免了专门抽水钻孔的设置，降低了煤气生产的工程量和成本，并且抽水装置可拆卸可重复利用；

下面结合附图和实施例对本发明作一详细描述。

附图说明

图1为本发明无井式地下气化系统示意图；

图2为本发明在露头煤中施工时地下气化系统示意图；

图3为本发明煤气出口钻孔底部钻孔支撑管示意图；

图4为本发明过滤器结构示意图；

图5为本发明过滤器外套管侧面筛孔布置示意图；

图6为本发明过滤器俯视图；

图7为本发明单向开关关闭状态结构示意图；

图8为本发明单向开关结构示意图；

图9为图8中A-A线剖面图；

图10为本发明单向叶片的结构示意图；

图11为本发明抽水装置与煤气出口管道分支密封结构示意图。

具体实施方式

实施例

一种无井式煤炭地下气化系统实施例，如图1、图2所示，该地下气化系统包括气化剂注入钻孔1、煤气出口钻孔2、钻孔支撑管3、点火及注气装置4、注气点后退装置5和抽水装置6；所述系统设有多个竖直钻入煤层的煤气出口钻孔2，所述煤气出口钻孔2竖直钻入煤层，直至所需气化煤层底板以下2～5米，返浆封堵钻孔支撑管与岩层间隙；所述气化剂注入钻孔1竖直钻入煤层，直至煤层底板以上20～30厘米，再延煤层钻进，连通所有煤气出口钻孔2；所述气化剂注入钻孔1和煤气出口钻孔2的钻孔支撑管3与岩层的间隙在接近地面一定深度处灌浆密封；所述钻孔支撑管3铺设于所有气化剂注入钻孔1和煤气出口钻孔2；所述点火及注气装置4从气化剂注入钻孔1进入煤层；所述抽水装置6从煤气出口钻孔2进入煤层，且与煤气出口管道分支8通过煤气管法兰7-1、抽水管双面密封法兰7-2和抽水管法兰7-3及金属垫片进行密封，如图11所示；如图1、图4所示，所述抽水装置6包括过滤器6-1、单向开关6-2和自吸式高压污水泵6-3；所述过滤器6-1设在抽水管道进口处，包围管道进口，所述过滤器包括外套管6-1-1和内套管6-1-2；所述单向开关6-2装在过滤器6-1内的抽水管道内，高度在干燥器外套管6-1-1筛孔区内，所述单向开关6-2包括转轴6-2-1、单向叶片6-2-2、角度控制片6-2-3和支撑件6-2-4，如图7、图8所示。

本实施例中，如图1所示，所述煤气出口钻孔2在煤层相对较深处竖直钻入煤层；所述气化剂注入钻孔1在煤层相对较浅处竖直钻入煤层；生产时，相对较浅处的煤气出口钻孔可作为相对较深处煤气出口钻孔的气化剂注入钻孔，例如，煤气出口钻孔2-2可作为煤气出口钻孔2-1的气化剂注入钻孔。

本实施例中，如图2所示，所述气化剂注入钻孔1在有露头煤的煤层中施工时，可在煤层露头处直接延煤层钻设。

本实施例中，所述煤气出口钻孔2相邻钻孔的间距根据所需气化煤层的具体条件确定，确定方法为燃烧区从相对较深处的钻孔底部后退到相对较浅处的钻孔底部时，在相对较浅的钻孔底部点火并充分燃烧时，煤气从相对较深处钻孔出来时温度要高于地下气化煤气的露点温度，煤气的露点温度与煤气的硫含量成正比，因而具体的温度值需要现场测定，一般，煤气露点温度大于80度。

本实施例中，所述气化剂注入钻孔1内的钻孔支撑管3-1在沿煤层铺设段为花管；如图3所示，所述煤气出口钻孔内的钻孔支撑管3-2在与气化剂注入钻孔的钻孔支撑管3-1连接处的下方以及钻孔底部灌浆面的上方段为花管。

本实施例中，如图4、图5、图6所示，所述过滤器外套管6-1-1上部与内套管6-1-2通过焊接密封，并且外套管6-1-1低于内套管6-1-2，内套管6-1-2和外套管6-1-1之间充满过滤填料6-1-3；所述外套管6-1-1在顶部及侧面均有筛孔，侧面设置筛孔的位置高于抽水管道10厘米以上；所述内套管6-1-2包含在外套管6-1-1内的部分全部设有筛孔，内套管6-1-2和外套管6-1-1筛孔的直径均小于过滤填料6-1-3的最小直径。

本实施例中，如图8、图9、图10所示，所述单向叶片6-2-2由半圆片6-2-2-1和锯齿环6-2-2-2两部分构成，两个单向叶片6-2-2的锯齿环6-2-2-2交叉穿在转轴6-2-1上；所述转轴6-2-1固定在支撑件6-2-4上，所述支撑件6-2-4在与单向叶片6-2-2重叠的地方向下凹。

本实施例中，所述锯齿环6-2-2-2的宽度为单向叶片半圆片6-2-2-1的半径与支撑件6-2-4内圆环半径差值的1/3-2/3。

本实施例中，如图7、图8所示，所述角度控制片6-2-3位于单向叶片6-2-2上表面半圆片6-2-2-1与锯齿环6-2-2-2的交接处，调节角度控制片6-2-3的厚度可控制两个单向叶片6-2-2的最小夹角；所述角度控制片6-2-3的长度大于转轴6-2-1的直径，且小于单向叶片6-2-2的直径；角度控制片6-2-3的宽度是单向叶片半圆片6-2-2-1直径的0.05-0.33倍。

本实施例中，如图11所示，所述抽水管双面密封法兰7-2一面的密封螺纹与煤气管法兰7-1相匹配，另一面的密封螺纹与抽水管法兰7-3相匹配。

根据上述无井式煤炭地下气化系统的结构，地下气化的生产工艺步骤如下：

a.在煤层相对较深处竖直向煤层中打煤气出口钻孔2-1，直至所需气化煤层底以下2～5米，返浆封堵钻孔支撑管与岩层间隙；在煤层相对较浅处竖直向煤层中打气化剂注入钻孔1，直至煤层底板以上20～30厘米，再延煤层钻进，直至与煤气出口钻孔2-1连通；气化剂注入钻孔口1和煤气出口钻孔口2的钻孔支撑管3与岩层的间隙灌浆密封；

b.将抽水装置6从煤气出口钻孔2-1下放，抽出气化区囤积水；

c.将点火及注气装置4从气化剂注入钻孔1下放到煤层中，与煤气出口钻孔2-1相距10-30米；

d.注入氧气，启动点火装置点火，当点火装置的测温点达到400℃以上时，煤层引燃成功，关闭点火装置，停止注氧气，注入气化剂，启动注气点后退装置5，将注气点向后退10-30米，气化过程开始；

e.检测煤气出口钻孔2-1产出煤气的温度和含氧量，当煤气中氧的含量低于1％，增大注入气化剂的流量，当煤气中氧的含量高于1％，减小注入气化剂的流量；当煤气的温度低于地下气化煤气的露点温度时，煤气出口钻孔2-1与该点火点间的煤层气化结束；

f.再次点火，重复步骤d、e后，该点火点与上一个点火点间的煤层气化结束，重复步骤d、e直到在点火点处点火后，煤气出口钻孔2-1产出煤气温度一直低于地下气化煤气的露点温度时，在该点火点处竖直打煤气出口钻孔2-2，向煤气出口钻孔2-1中灌浆封堵，则煤气出口钻孔2-2与2-1的距离即为各煤气出口钻孔的间距，依此打好煤气出口钻孔2-3、2-4等；

g.煤气出口钻孔2-2打好后，以煤气出口钻孔2-2作为煤气出口钻孔继续生产，重复步骤b、c、d、e，直至将所有钻孔间的煤层全部气化完毕。

Claims (11)

1.一种无井式煤炭地下气化系统，其特征在于，所述地下气化系统包括气化剂注入钻孔、煤气出口钻孔、钻孔支撑管、点火及注气装置、注气点后退装置和抽水装置；所述系统设有多个竖直钻入煤层的煤气出口钻孔，所述煤气出口钻孔竖直钻入煤层，直至所需气化煤层底板以下2～5米；所述气化剂注入钻孔竖直钻入煤层，直至煤层底板以上20～30厘米，再延煤层钻进，连通所有煤气出口钻孔；所述钻孔支撑管铺设于所有气化剂注入钻孔和煤气出口钻孔；所述点火及注气装置从气化剂注入钻孔进入煤层；所述抽水装置从煤气出口钻孔进入煤层，且与煤气出口管道分支通过煤气管法兰、抽水管双面密封法兰和抽水管法兰及金属垫片进行密封；所述抽水装置包括过滤器、单向开关和自吸式高压污水泵；所述过滤器设在抽水管道进口处，包围管道进口，所述过滤器包括外套管和内套管；所述单向开关装在过滤器内的抽水管道内，高度在干燥器外套管筛孔区内，所述单向开关包括转轴、单向叶片、角度控制片和支撑件。

2.根据权利要求1所述一种无井式煤炭地下气化系统，其特征在于，所述煤气出口钻孔在煤层相对较深处竖直钻入煤层；所述气化剂注入钻孔在煤层相对较浅处竖直钻入煤层；生产时，相对较浅处的煤气出口钻孔可作为相对较深处煤气出口钻孔的气化剂注入钻孔。

3.根据权利要求1所述一种无井式煤炭地下气化系统，其特征在于，所述气化剂注入钻孔在有露头煤的煤层中施工时，可在煤层露头处直接延煤层钻设。

4.根据权利要求1所述一种无井式煤炭地下气化系统，其特征在于，所述煤气出口钻孔相邻钻孔的间距根据所需气化煤层的具体条件确定，确定方法为燃烧区从相对较深处的钻孔底部后退到相对较浅处的钻孔底部时，在相对较浅的钻孔底部点火并充分燃烧时，煤气从相对较深处钻孔出来时温度要高于地下气化煤气的露点温度，煤气的露点温度与煤气的硫含量成正比，因而具体的温度值需要现场测定，一般，煤气露点温度大于80度。

5.根据权利要求1所述一种无井式煤炭地下气化系统，其特征在于，所述气化剂注入钻孔内的钻孔支撑管在沿煤层铺设段为花管；所述煤气出口钻孔内的、钻孔支撑管在与气化剂注入钻孔的钻孔支撑管连接处的下方以及钻孔底部灌浆面的上方段为花管。

6.根据权利要求1所述一种无井式煤炭地下气化系统，其特征在于，所述过滤器外套管上部与内套管通过焊接密封，并且外套管低于内套管，内套管和外套管之间充满过滤填料；所述外套管在顶部及侧面均有筛孔，侧面设置筛孔的位置高于抽水管道10厘米以上；所述内套管包含在外套管内的部分全部设有筛孔，内套管和外套管筛孔的直径均小于过滤填料的最小直径。

7.根据权利要求1所述一种无井式煤炭地下气化系统，其特征在于，所述单向叶片由半圆片和锯齿环两部分构成，两个单向叶片的锯齿环交叉穿在转轴上；所述转轴固定在支撑件上，支撑件在与单向叶片重叠的地方向下凹。

8.根据权利要求8所述一种无井式煤炭地下气化系统，其特征在于，所述锯齿环的宽度为单向叶片半圆片的半径与支撑件内圆环半径差值的1/3-2/3。

9.根据权利要求1所述一种无井式煤炭地下气化系统，其特征在于，所述角度控制片位于单向叶片上表面半圆片与锯齿环的交接处，调节角度控制片的厚度可控制两个单向叶片的最小夹角；所述角度控制片的长度大于转轴的直径，且小于单向叶片的直径；角度控制片的宽度是单向叶片半圆片直径的0.05-0.35倍。

10.根据权利要求1所述一种无井式煤炭地下气化系统，其特征在于，所述抽水管双面密封法兰一面的密封螺纹与煤气管法兰相匹配，另一面的密封螺纹与抽水管法兰相匹配。

11.根据权利要求1所述系统实现的一种无井式煤炭地下气化工艺，其特征在于，气化生产的工艺步骤如下：

a.在煤层相对较深处竖直向煤层中打煤气出口钻孔2-1，直至所需气化煤层底板以下2～5米，返浆封堵钻孔支撑管与岩层间隙；在煤层相对较浅处竖直钻入煤层，直至煤层底板以上20～30厘米，再延煤层钻进，直至与煤气出口钻孔连通；气化剂注入钻孔口和煤气出口钻孔口的钻孔支撑管与岩层的间隙灌浆密封；

b.将抽水装置从煤气出口钻孔下放，抽出气化区囤积水；

c.将点火及注气装置从气化剂注入钻孔下放到煤层中，距离煤气出口钻孔10-30米；

d.注入氧气，启动点火装置点火，当点火装置的测温点达到400℃以上时，煤层引燃成功，关闭点火装置，停止注氧气，注入气化剂，启动注气点后退装置，将注气点向后退10-30米，气化过程开始；

e.检测煤气出口钻孔产出煤气的温度和含氧量，当煤气中氧的含量低于1％，增大注入气化剂的流量，当煤气中氧的含量高于1％，减小注入气化剂的流量；当煤气的温度低于地下气化煤气的露点温度时，煤气出口钻孔与该点火点间的煤层气化结束；

f.再次点火，重复步骤d、e后，该点火点与上一个点火点间的煤层气化结束，重复步骤d、e直到在点火点处点火后，煤气温度一直低于地下气化煤气的露点温度时，在该点火点处竖直打煤气出口钻孔2-2，向煤气出口钻孔2-1中灌浆封堵，则煤气出口钻孔2-2与2-1的距离即为各煤气出口钻孔的间距，依次打好煤气出口钻孔2-3、2-4等；

g.煤气出口钻孔2-2打好后，以煤气出口钻孔2-2作为煤气出口钻孔继续生产，重复步骤b、c、d、e，直至将所有钻孔间的煤层全部气化完毕。