CN104895545A - 一种地下燃料气化方法、气化剂输送管及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了地下燃料气化方法、气化剂输送管及其系统。所述地下燃料气化方法是将水和助燃气分别连续地输送到地下燃料气化反应区，利用水从地面到地下之间的压力势能将输送到地下燃料气化反应区中的水进行雾化，将雾化后生成的水汽与输送到地下燃料气化反应区中的助燃气混合形成雾状气化剂，雾状气化剂在地下燃料气化反应区中与地下燃料通过燃烧加热进行气化反应生成燃气。所述气化剂输送管包括水输送管和气输送管。所述地下燃料气化系统，包括地下气化炉和前面所述的气化剂输送管和雾化混合喷头。本发明不需要热量就可在地下燃料气化反应区中将水和助燃气混合形成雾状气化剂，实现地下气化过程的正常和稳定，大大降低生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃料气化方法、气化剂输送管及其系统，尤其涉及一种地下燃料气化方法、气化剂输送管及其系统。
背景技术
根据中国煤田地质总局（1999）统计，我国埋深2000m以浅的煤炭资源量共计45521.04亿吨。其中：埋深1000m以浅的煤炭资源量为18440.48亿吨，其中可靠级9169.10亿吨，占预测总量的40.5％；埋深1000-1500m的为13403.75亿吨，其中可靠级6676.91亿吨，占预测总量的29.4％；埋深1500-2000m的为13676.81亿吨，其中可靠级3292.29亿吨，占30.1％。深部资源（1000m以深）占我国煤炭资源储量的59.5％，其中大部分分布在新疆和内蒙古自治区。深部煤炭资源由于受地温和冲击地压等因素的影响，开采技术、安全性、经济性难以保证。利用煤炭地下气化技术可以实现深部煤炭资源的开发，将为深部煤炭资源的开采利用开创一条新的途径。
煤炭地下气化是一种高效清洁利用低品质煤炭资源的能源转化技术，就是将处于地下的煤炭直接进行有控制地燃烧，通过对煤（油或油岩层）的热作用及化学作用而产生可燃气体的过程。
煤炭地下气化燃料层不能移动，而是要依靠气化工作面的移动而保持气化过程的连续，同时，要将含碳较高的固态煤转化成含氢高的气态能源，通常是添加水蒸气，但煤层在地下百米甚至千米以下，地面水蒸气到达地下后又冷凝成水，难以参加气化反应；在地下气化炉出口煤气中含有大量的水蒸气，在地面冷凝后成为污染废水，同时在地下气化燃空区抽提处理时也会产生大量的污染废水。
现有技术：美国CRIP（Controlled Retraction Injection Point）工艺，参见图1。该工艺中，生产井为直井，注入井为连通了生产井的定向井，一旦井之间的通道建立起来后，单通道的气化剂输送管直接将高温蒸汽状的气化剂送到气化工作面，注入到井末端在煤层内的水平段处开始进行气化反应，当反应腔附近的煤燃烧用尽后（通过煤气组分测量仪确认），注入点就被收回，新的气化反应区就又形成（此时需要重新点火）。通过该方法，就可以实现控制注气点随着气化工作面的后退而向后移动。
现有技术中，由于必须将水加热成高温水蒸汽（温度高于100摄氏度），再将高温水蒸汽与氧气混合生成高温蒸汽状的气化剂，然后，将高温蒸汽状的气化剂从地面输送到地下进行气化反应生产合成气，所以，需要消耗大量的热能，同时还消耗很大的外部压力能将高温蒸汽状的气化剂压入地下，大大增加了生产成本。由于煤层中气化炉的地下煤层气化反应区在距离地表300米以深的地方，任何气化剂的输送必须借助深埋于地层的管道，然而管道处于地层中，无法对管道实施保温措施，且管道在伸入到煤层的行程中，还需经过若干含水层，所以，管道的管壁与高温蒸汽状的气化剂之间的温差极大。综合上述原因，高温蒸汽状的气化剂在经过管道流动到地下煤层气化反应区的过程中，必然会损失大量的热量，这些热量通过管壁扩散到地层白白地浪费掉。因此，当高温蒸汽状的气化剂通过气化炉的进气口到达煤层气化反应区时，其中一部分高温蒸汽状的气化剂散热后温度低于10摄氏度变为水和从水分离出的氧气，失去了高温蒸汽状的气化剂的功能，当这部分液态水在煤层气化反应区通过煤层燃烧重新加热再与氧气结合成气化剂参与气化反应时，煤层气化反应区将消耗大量的能量，这样，会导致气化工作面温度降低而使气化反应速率减小。
现有技术中的CRIP工艺，由于后退注气点建立新的煤层气化反应区的时刻确定在煤层气化反应区的煤层燃尽之后（仅根据煤气组分测量仪测得的煤气组分及含量进行确认），每后退一次注气点建立新的煤层气化反应区都要重新点燃新的煤层气化反应区中的煤层，点火的过程占去了相当长的生产燃气的时间，大大降低了燃气生产的效率。将煤层气化反应区的进气管道后退不是连续稳定的过程，而是长距离（20米以上），控制过程和指标不明确。
现有技术中，对煤气冷凝析出的大量污水未经任何处理直接通入气化炉，将会对气化炉产生一定的负面影响，影响气化炉的正常燃烧和气化，严重的时候将会导致气化炉熄灭。
发明内容
本发明要解决的第一个技术问题是提供一种地下燃料气化方法，该方法不必消耗外部压力能就可将水输送到地下燃料气化反应区，仅消耗少量的外部压力能就可将助燃气输送到地下燃料气化反应区，不需要热量就可在地下燃料气化反应区中将水和助燃气混合形成雾状气化剂，实现地下气化过程的正常和稳定，大大降低生产成本。
本发明要解决的第二个技术问题是提供一种气化剂输送管，该气化剂输送管不必消耗外部压力能就可将水输送到地下燃料气化反应区，仅消耗少量的外部压力能就可将助燃气输送到地下燃料气化反应区，不需要热量就可在地下燃料气化反应区中将水和助燃气混合形成雾状气化剂，实现地下气化过程的正常和稳定，大大降低生产成本。
本发明要解决的第三个技术问题是提供一种地下燃料气化系统，该系统不必消耗外部压力能就可将水输送到地下燃料气化反应区，仅消耗少量的外部压力能就可将助燃气输送到地下燃料气化反应区，不需要热量就可在地下燃料气化反应区中将水和助燃气混合形成雾状气化剂，实现地下气化过程的正常和稳定，大大降低生产成本。
就方法而言，为了解决上述技术问题，本发明的地下燃料气化方法是，将水和助燃气分别连续地输送到地下燃料气化反应区，利用水从地面到地下之间的压力势能将输送到地下燃料气化反应区中的水进行雾化，将雾化后生成的水汽与输送到地下燃料气化反应区中的助燃气混合形成雾状气化剂，雾状气化剂在地下燃料气化反应区中与地下燃料通过燃烧加热进行气化反应生成燃气，将生成的燃气排出。
输送到地下燃料气化反应区的水是净水或污水或由净水和污水混合后的水。所述污水是燃气排出后经冷凝析出的冷凝水、在施工中产生的地面污水、煤气净化和燃空处理产生的污水、非饮用地下水和/或自然降水，所述自然降水是雨水和雪水，所述污水经净化处理后得到净化水，所述净化水输送到地下燃料气化反应区。所述净化处理是通过污水沉淀和/或过滤的方式进行的。
以排出的燃气组分和气化反应区的温度为指标，调整气水比和气化反应区注气点后退的时间和速度，实现连续后退和循环气化，从而实现地下气化过程的连续和稳定。
本发明的地下燃料气化方法与现有技术相比具有以下有益效果。
1、本技术方案由于采用了将水和助燃气分别连续地输送到地下燃料气化反应区，利用水从地面到地下之间的压力势能将输送到地下燃料气化反应区中的水进行雾化，将雾化后生成的水汽与输送到地下燃料气化反应区中的助燃气混合形成雾状气化剂，雾状气化剂在地下燃料气化反应区中与地下燃料通过燃烧加热进行气化反应生成燃气，将生成的燃气排出的技术手段，所以不必消耗外部压力能就可将水输送到地下燃料气化反应区，仅消耗少量的外部压力能就可将助燃气输送到地下燃料气化反应区，不需要热量就可在地下燃料气化反应区中将水和助燃气混合形成雾状气化剂，实现地下气化过程的正常和稳定，大大降低生产成本。
2、本技术方案由于采用了输送到地下燃料气化反应区的水是净水或污水或由净水和污水混合后的水的技术手段，所以，不但可变废为宝，节约大量的水资源，而且，有利于保护环境。又由于采用了所述污水经净化处理后得到净化水，所述净化水输送到地下燃料气化反应区的技术手段，所以，可大大减小对气化炉产生的负面影响，不影响气化炉的正常燃烧和气化，避免气化炉熄灭。还由于采用了所述净化处理是通过污水沉淀和/或过滤的方式进行的技术手段，所以，可大大减小对污水进行净化处理的成本。
3、本技术方案由于采用了以排出的燃气组分和气化反应区的温度为指标，调整气水比和气化反应区注气点后退的时间和速度的技术手段，所以，不但可根据排出的燃气组分确定地下燃料气化反应区中的燃料是否燃尽，而且，还可以根据气化反应区的温度判断出地下燃料气化反应区中的燃料是否仍在燃烧，这样，在地下燃料气化反应区中的燃料快燃尽时且仍处于燃烧状态下，不用重复点火过程，可实现注气点连续后退和连续气化，从而实现地下气化过程的连续和稳定，在提高地下燃料气化反应区中的燃料利用率前提下，提高燃气的生产效率。
就输送管而言，为了解决上述第二个技术问题，本发明的气化剂输送管包括水输送管和气输送管，所述水输送管和气输送管组合在一起，所述水输送管的管腔和气输送管的管腔相互隔离，当所述气化剂输送管从直线状态变为弯曲状态或从弯曲状态变为直线状态时，所述水输送管的管腔和气输送管的管腔分别处于导通状态。
所述气输送管位于所述水输送管内或所述水输送管位于所述气输送管内；或者，所述气输送管与所述水输送管并行连接；或者，所述气化剂输送管内设置有连续的轴向隔板，所述轴向隔板将所述气化剂输送管的内腔分为两个子内腔，其中，一个所述子内腔构成所述水输送管内腔，另一个所述子内腔构成所述气输送管的内腔。
所述水输送管的内腔间隔地设置有支撑骨架；和/或，所述气输送管的内腔间隔地设置有支撑骨架。
气化剂输送管的出口端设置有雾化混合喷头；所述雾化混合喷头是防回火雾化混合喷头，所述防回火雾化混合喷头设有混气头，所述混气头是前端为半球形的圆柱型壳体，混气头的前端分布有多个喷嘴，在混气头的前端还设有热电偶孔；混气头的后端连接一只中连管的前端，所述中连管的中心设有助燃剂喷孔，所述助燃剂喷孔的后端向后延伸形成助燃剂接管，在中连管上环绕所述助燃剂喷孔设有多个轴向雾化喷孔，在中连管上沿轴向还设有热电偶通孔，在中连管的外径上设有外喷雾锥面，所述外喷雾锥面的前端直径大于后端直径；中连管的后端连接一只注水接管的前端，所述注水接管的内腔与中连管的所述轴向雾化喷孔、热电偶通孔连通，注水接管的前端设有与中连管的所述外喷雾锥面相对应的前锥面，在所述注水接管的前锥面与中连管的外喷雾锥面之间设有喷雾间隙，形成狭缝喷嘴，在注水接管上设有连通所述狭缝喷嘴与注水接管内腔的径向雾化喷孔；助燃剂接管穿过注水接管的内腔；防回火雾化混合喷头还设有端口三通，所述端口三通设有连通口、进水口、助燃气接口，所述连通口与注水接管连通，所述助燃气接口穿出有所述助燃气接管的进气口，所述进气口连通有所述气输送管的出气口，所述进水口连接有所述水输送管的出水口；在混气头的所述热电偶孔安装有热电偶，所述热电偶的导线穿过中连管的所述热电偶通孔、注水接管的内腔从端口三通的助燃气接口引出。
本发明的气化剂输送管与现有技术相比具有以下有益效果。
1、本技术方案由于采用了气化剂输送管包括水输送管和气输送管，所述水输送管和气输送管组合在一起，所述水输送管的管腔和气输送管的管腔相互隔离，当所述气化剂输送管从直线状态变为弯曲状态或从弯曲状态变为直线状态时，所述水输送管的管腔和气输送管的管腔分别处于导通状态的技术手段，所以，不必消耗外部压力能就可将水输送到地下燃料气化反应区，同时，仅消耗少量的外部压力能就可将助燃气输送到地下燃料气化反应区，为后面不需要热量就可在地下燃料气化反应区中将水和助燃气混合形成雾状气化剂提供必要的条件，进而实现地下气化过程的正常和稳定，大大降低生产成本。
2、本技术方案由于采用了所述气输送管位于所述水输送管内或所述水输送管位于所述气输送管内；或者，所述气输送管与所述水输送管并行连接；或者，所述气化剂输送管内设置有连续的轴向隔板，所述轴向隔板将所述气化剂输送管的内腔分为两个子内腔，其中，一个所述子内腔构成所述水输送管内腔，另一个所述子内腔构成所述气输送管的内腔的技术手段，所以，可根据客户的不同需求制作出多种气化剂输送管。
3、本技术方案由于采用了所述水输送管的内腔间隔地设置有支撑骨架；和/或，所述气输送管的内腔间隔地设置有支撑骨架的技术手段，所以，可以有效地防止水输送管的内腔和气输送管的内腔在处于弯曲状态时闭合阻塞水和助燃气的通路，同时，也不妨碍气化剂输送管的卷绕。
4、本技术方案由于采用了气化剂输送管的出口端设置有雾化混合喷头的技术手段，所以，可以利用水从地面到地下之间的压力势能将输送到地下燃料气化反应区中的水通过雾化混合喷头进行雾化，将雾化后生成的水汽与输送到地下燃料气化反应区中的助燃气混合形成雾状气化剂。又由于采用了所述雾化混合喷头是防回火雾化混合喷头的技术手段，所以，在气化反应过程中，可防止生成的燃气流向气化炉进气孔侧燃烧造成回火。还由于采用了所述防回火雾化混合喷头设有混气头，所述混气头是前端为半球形的圆柱型壳体，混气头的前端分布有多个喷嘴，在混气头的前端还设有热电偶孔；混气头的后端连接一只中连管的前端，所述中连管的中心设有助燃剂喷孔，所述助燃剂喷孔的后端向后延伸形成助燃剂接管，在中连管上环绕所述助燃剂喷孔设有多个轴向雾化喷孔，在中连管上沿轴向还设有热电偶通孔，在中连管的外径上设有外喷雾锥面，所述外喷雾锥面的前端直径大于后端直径；中连管的后端连接一只注水接管的前端，所述注水接管的内腔与中连管的所述轴向雾化喷孔、热电偶通孔连通，注水接管的前端设有与中连管的所述外喷雾锥面相对应的前锥面，在所述注水接管的前锥面与中连管的外喷雾锥面之间设有喷雾间隙，形成狭缝喷嘴，在注水接管上设有连通所述狭缝喷嘴与注水接管内腔的径向雾化喷孔；助燃剂接管穿过注水接管的内腔；防回火雾化混合喷头还设有端口三通，所述端口三通设有连通口、进水口、助燃气接口，所述连通口与注水接管连通，所述助燃气接口穿出有所述助燃气接管的进气口，所述进气口连通有所述气输送管的出气口，所述进水口连接有所述水输送管的出水口；在混气头的所述热电偶孔安装有热电偶，所述热电偶的导线穿过中连管的所述热电偶通孔、注水接管的内腔从端口三通的助燃气接口引出的技术手段，所以，不但可防止回火现象的发生，而且还可以实时地检测出地下燃料气化反应区的温度，可在地下燃料气化反应区中的燃料快燃尽时且仍处于燃烧状态下，不用重复点火过程，实现注气点连续后退和连续气化，从而实现地下气化过程的连续和稳定，在提高地下燃料气化反应区中的燃料利用率前提下，提高燃气的生产效率。
就系统而言，为了解决上述第三个技术问题，本发明的地下燃料气化系统，包括地下气化炉，所述地下气化炉有位于煤层中的炉腔、与该炉腔连通并通向地面的进气孔、与该炉腔连通并通向地面的出气孔和从该进气孔可进退地伸向该炉腔内的气化剂输送管，所述气化剂输送管是前面所述的气化剂输送管，所述雾化混合喷头位于所述炉腔中，所述气化剂输送管中水输送管的进水口与水源连通，所述气化剂输送管中气输送管的进气口与助燃气源连通，所述出气孔连通有水气分离器的进气口。
所述水气分离器的污水出口连通有污水沉淀池的污水进口，所述污水沉淀池的净化水出口连通有变频污水泵的进水口，所述变频污水泵的出水口连通所述水输送管的进水口。
所述水气分离器的出气口连通有煤气组分测量仪的进气口，所述气化剂输送管的后部通过输送管卷筒装置卷绕，所述气化剂输送管的前部通过输送管驱动装置和防喷器送入地下，所述输送管卷筒装置的液压接口与液压站中第一液压缸的液压接口通过油路连通，所述输送管驱动装置的液压接口与液压站中第二液压缸的液压接口通过油路连通，所述防喷器的液压接口与液压站中第二液压缸的液压接口通过油路连通，三个所述液压缸通过三个控制阀分别控制，三个所述控制阀的控制信号输入端与控制器的三个控制信号输出端分别电连接，所述煤气组分测量仪的信号输出端与所述控制器的信号输入端电连接，所述热电偶的信号输出端与所述控制器的信号输入端电连接。
本发明的地下燃料气化系统与现有技术相比具有以下有益效果。
1、本技术方案由于采用了所述气化剂输送管是前面所述的气化剂输送管，所述雾化混合喷头位于所述炉腔中，所述气化剂输送管中水输送管的进水口与水源连通，所述气化剂输送管中气输送管的进气口与助燃气源连通的技术手段，所以，不必消耗外部压力能就可将水输送到地下燃料气化反应区，仅消耗少量的外部压力能就可将助燃气输送到地下燃料气化反应区，不需要热量就可在地下燃料气化反应区中将水和助燃气混合形成雾状气化剂，实现地下气化过程的正常和稳定，大大降低生产成本。
2、本技术方案由于采用了所述水气分离器的污水出口连通有污水沉淀池的污水进口，所述污水沉淀池的净化水出口连通有变频污水泵的进水口，所述变频污水泵的出水口连通所述水输送管的进水口的技术手段，所以，不但可变废为宝，节约大量的水资源，而且，有利于保护环境，同时，可大大减小对气化炉产生的负面影响，不影响气化炉的正常燃烧和气化，避免气化炉熄灭，可大大减小对污水进行净化处理的成本。
3、本技术方案由于采用了所述水气分离器的出气口连通有煤气组分测量仪的进气口，所述气化剂输送管的后部通过输送管卷筒装置卷绕，所述气化剂输送管的前部通过输送管驱动装置和防喷器送入地下，所述输送管卷筒装置的液压接口与液压站中第一液压缸的液压接口通过油路连通，所述输送管驱动装置的液压接口与液压站中第二液压缸的液压接口通过油路连通，所述防喷器的液压接口与液压站中第二液压缸的液压接口通过油路连通，三个所述液压缸通过三个控制阀分别控制，三个所述控制阀的控制信号输入端与控制器的三个控制信号输出端分别电连接，所述煤气组分测量仪的信号输出端与所述控制器的信号输入端电连接，所述热电偶的信号输出端与所述控制器的信号输入端电连接的技术手段，所以，不但可根据排出的燃气组分确定地下燃料气化反应区中的燃料是否燃尽，而且，还可以根据气化反应区的温度判断出地下燃料气化反应区中的燃料是否仍在燃烧，这样，在地下燃料气化反应区中的燃料快燃尽时且仍处于燃烧状态下，不用重复点火过程，可实现注气点连续后退和连续气化，从而实现地下气化过程的连续和稳定，在提高地下燃料气化反应区中的燃料利用率前提下，提高燃气的生产效率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明的下燃料气化方法、气化剂输送管及其系统作进一步的详细描述。
图1为现有技术中美国CRIP工艺结构示意图。
图2为本发明地下燃料气化方法的流程示意图。
图3为本发明第一种气化剂输送管的横截面结构示意图。
图4为图3中A-A线的剖视结构示意图。
图5为本发明第二种气化剂输送管的横截面结构示意图。
图6为本发明第三种气化剂输送管的横截面结构示意图。
图7为本发明中防回火雾化混合喷头的结构示意图。
图8为本发明地下燃料气化系统的结构示意图。
图9为水和助燃气在气化区中形成本发明的气化剂的原理示意图。
图10为本发明中控制系统的连接结构示意图。
图中标记说明如下。
1~煤层；
2~地下气化炉；
2-1~炉腔；
2-2~进气孔；
2-3~出气孔；
2-4~地下气化反应区；
2-5~集气腔；
3~水气分离输送管；
3-1~水输送管；
3-2~气输送管；
3-3~支撑骨架；
3-4~轴向隔板；
4~防回火雾化混合喷头；
4-1~混气头；
4-2~花洒喷嘴；
4-3~热电偶；
4-4~中连管；
4-5~助燃剂喷孔；
4-6~轴向雾化喷孔；
4-7~注水接管；
4-8~径向雾化喷孔；
4-9~狭缝喷嘴；
4-10~进水口；
4-11~进气口；
4-12~助燃剂接管；
4-13~端口三通；
5~输送管驱动装置；
5-1~防喷器；
6~导向槽；
7~输送管卷筒装置；
8~水气分离供给装置；
9~进水口；
10~进气口；
11~液压站；
11-1~液压缸；
11-2~控制阀；
12~水气分离器；
13~污水沉淀池；
13-1~过滤装置；
14~变频污水泵；
15~煤气组分测量仪；
16~流量计；
17~压力表；
18~控制器。
具体实施方式
如图8至图9所示，本实施方式提供了一种地下燃料气化方法，将水和助燃气分别连续地输送到地下燃料气化反应区，利用水从地面到地下之间的压力势能将输送到地下燃料气化反应区中的水进行雾化，将雾化后生成的水汽与输送到地下燃料气化反应区中的助燃气混合形成雾状气化剂，雾状气化剂在地下燃料气化反应区中与地下燃料通过燃烧加热进行气化反应生成燃气，将生成的燃气排出。
作为一种优选，所述水在输送到地下燃料气化反应区之前其温度在50摄氏度度至100摄氏度之间。这样可以提高气化效率。
作为进一步的优选，所述水在输送到地下燃料气化反应区之前通过太阳能加热。这样，不但清洁环保，而且，能源成本低廉。
本实施方式由于采用了将水和助燃气分别连续地输送到地下燃料气化反应区，利用水从地面到地下之间的压力势能将输送到地下燃料气化反应区中的水进行雾化，将雾化后生成的水汽与输送到地下燃料气化反应区中的助燃气混合形成雾状气化剂，雾状气化剂在地下燃料气化反应区中与地下燃料通过燃烧加热进行气化反应生成燃气，将生成的燃气排出的技术手段，所以不必消耗外部压力能就可将水输送到地下燃料气化反应区，仅消耗少量的外部压力能就可将助燃气输送到地下燃料气化反应区，不需要热量就可在地下燃料气化反应区中将水和助燃气混合形成雾状气化剂，实现地下气化过程的正常和稳定，大大降低生产成本。
作为本实施方式的种改进，如图8所示，输送到地下燃料气化反应区的水可以是净水或污水、非饮用地下水，也可以是由净水和污水混合后的水。所述污水是燃气排出后经冷凝析出的冷凝水、在施工中产生的地面污水、煤气净化和燃空处理产生的污水，也可以是自然降水，所述自然降水是雨水和雪水，所述污水经净化处理后得到净化水，所述净化水输送到地下燃料气化反应区。所述净化处理可以通过污水沉淀的方式进行，也可以是通过污水过滤的方式进行，还可以是通过污水沉淀和过滤的方式进行。
本实施方式由于采用了输送到地下燃料气化反应区的水是净水或污水或由净水和污水混合后的水的技术手段，所以，不但可变废为宝，节约大量的水资源，而且，有利于保护环境。又由于采用了所述污水经净化处理后得到净化水，所述净化水输送到地下燃料气化反应区的技术手段，所以，可大大减小对气化炉产生的负面影响，不影响气化炉的正常燃烧和气化，避免气化炉熄灭。还由于采用了所述净化处理是通过污水沉淀和/或过滤的方式进行的技术手段，所以，可大大减小对污水进行净化处理的成本。
作为本实施方式进一步的改进，如图8和图10所示，以排出的燃气组分和气化反应区的温度为指标，调整气水比和气化反应区注气点后退的时间和速度，实现连续后退和循环气化，从而实现地下气化过程的连续和稳定。
经过多次循环后，气化反应区注气点后退到入煤点时，停止注气，只注入水，利用气化反应区的余热分解水汽，在降低气化反应区温度的同时回收水煤气，进一步提高气化过程热效率。
在气化反应进行之前，先将自燃气体与助燃气相隔离地输送到地下燃料气化反应区，再使自燃气体与助燃气混合燃烧，点燃地下燃料气化反应区中的燃料。
所述助燃气是富氧和/或纯氧和/或空气，所述地下燃料是中低热值的煤层、油层或油页岩层。
将水分别沿径向和轴向雾化，径向水汽喷向井壁或煤壁，防止煤层回火燃烧，轴向水汽与富氧或纯氧在地下混合后作为气化剂，喷向气化反应区。
具体地，如图2所示，双套管分离控制注气点后退-水雾化装置的喷头起始位置在定向水平井内距离集气腔1-10米，首先用惰性气体置换内套管内的空气，然后由内套管内注入自燃气体，在内外套管环形空间内注入空气，自燃气体在混合喷头与空气相遇燃烧点燃煤层，调整空气流量过余系数在1.5-2之间，当出口煤气组分中有效气体（H2+CO+CH4）达到25%、喷头温度达到煤层着火点时，停止注入自燃气体，用惰性气体置换内套管内的自燃气体，切换成注入富氧或氧气，内外套管环形空间内切换成注入水，进入正常气化阶段。
调节富氧或氧气流量达到设计生产值，检测出口煤气组分，当煤气组分中氢含量大于30%时，继续注入富氧或氧气，当煤气组分中氢含量小于30%、CO含量大于10%时，启动水泵注水，逐渐提高注水量，控制气量和水量的体积比在500:1以下。
当气水比接近500:1时，连续检测出口煤气组分和喷头温度，当出口煤气组分的有效气体（H2+CO+CH4）大于45%时，继续维持气水比气化；当出口煤气组分的有效气体（H2+CO+CH4）小于45%时，喷头温度大于200度时，启动注气点后退操作。
当出口煤气组分的有效气体（H2+CO+CH4）小于45%时，喷头温度大于200度时，给出控制信号，启动液压系统，打开防喷盒，同时注入头牵引双套管水雾化装置，使注气点连续后退，转盘转动，收起双套管。
控制后退移动距离在0.5米至L米（L=（1-3）H，H为煤层厚度，米），当喷头温度接近地温时，停止注入头和转盘运动，关闭防喷盒，同时停止注入水，实现一次移动和循环。
以同样的控制流程，经过多次循环后，当喷头移动到定向孔的入煤点时，停止注气，注入水，利用气化炉的余热和余压，分解水汽，在降低炉温的同时，回收水煤气，进一步提高气化过程热效率。
在注水条件下，气化炉出口煤气量小于100m3/h时，停止注水，气化过程结束。提出双套管分离控制注气点后退-水雾化装置。
本实施方式由于采用了以排出的燃气组分和气化反应区的温度为指标，调整气水比和气化反应区注气点后退的时间和速度的技术手段，所以，不但可根据排出的燃气组分确定地下燃料气化反应区中的燃料是否燃尽，而且，还可以根据气化反应区的温度判断出地下燃料气化反应区中的燃料是否仍在燃烧，这样，在地下燃料气化反应区中的燃料快燃尽时且仍处于燃烧状态下，不用重复点火过程，可实现注气点连续后退和连续气化，从而实现地下气化过程的连续和稳定，在提高地下燃料气化反应区中的燃料利用率前提下，提高燃气的生产效率。
如图3至6所示，一种气化剂输送管3，包括水输送管3-1和气输送管3-2，所述水输送管3-1和气输送管3-2组合在一起，所述水输送管3-1的管腔和气输送管3-2管腔相互隔离，当所述气化剂输送管从直线状态变为弯曲状态或从弯曲状态变为直线状态时，所述水输送管3-1的管腔和气输送管3-2管腔分别处于导通状态。
本实施方式由于采用了气化剂输送管包括水输送管和气输送管，所述水输送管和气输送管组合在一起，所述水输送管的管腔和气输送管的管腔相互隔离，当所述气化剂输送管从直线状态变为弯曲状态或从弯曲状态变为直线状态时，所述水输送管的管腔和气输送管的管腔分别处于导通状态的技术手段，所以，不必消耗外部压力能就可将水输送到地下燃料气化反应区，同时，仅消耗少量的外部压力能就可将助燃气输送到地下燃料气化反应区，为后面不需要热量就可在地下燃料气化反应区中将水和助燃气混合形成雾状气化剂提供必要的条件，进而实现地下气化过程的正常和稳定，大大降低生产成本。
作为本实施方式的一种改进，如图3至图4所示，所述气输送管3-2位于所述水输送管3-1内，当然，也可以是所述水输送管3-1位于所述气输送管3-2内。还可以是如图3所示，所述气输送管3-2与所述水输送管3-1并行连接；更可以是如图4所示，所述气化剂输送管3内设置有连续的轴向隔板3-4，所述轴向隔板将所述气化剂输送管3的内腔分为两个子内腔，其中，一个所述子内腔构成所述水输送管3-1内腔，另一个所述子内腔构成所述气输送管3-2的内腔。
作为一种优选，如图3至图4所示，所述水输送管3-1横截面的形状呈圆形，也可以是椭圆形、也可是如图5至6所示，所述水输送管3-1横截面的形状呈矩形或正方形。同理，如图3至图5所述气输送管3-2横截面的形状呈圆形，也可以是椭圆形。也可是如图5至6所示，所述气输送管3-2横截面的形状呈矩形或正方形。显然，还可以是，所述水输送管3-1横截面的形状呈圆形，所述气输送管3-2横截面的形状呈正方形，还可以是，所述水输送管3-1横截面的形状呈正方形，所述气输送管3-2横截面的形状呈圆形。类似的组合还有很多种。
本实施方式由于采用了所述气输送管位于所述水输送管内或所述水输送管位于所述气输送管内；或者，所述气输送管与所述水输送管并行连接；或者，所述气化剂输送管内设置有连续的轴向隔板，所述轴向隔板将所述气化剂输送管的内腔分为两个子内腔，其中，一个所述子内腔构成所述水输送管内腔，另一个所述子内腔构成所述气输送管的内腔的技术手段，所以，可根据客户的不同需求制作出多种气化剂输送管。
作为本实施方式进一步的改进，如图3至图6所示，所述水输送管3-1的内腔间隔地设置有支撑骨架3-3。所述气输送管3-1的内腔间隔地设置有支撑骨架3-3。
本实施方式由于采用了所述水输送管的内腔间隔地设置有支撑骨架；和/或，所述气输送管的内腔间隔地设置有支撑骨架的技术手段，所以，可以有效地防止水输送管的内腔和气输送管的内腔在处于弯曲状态时闭合阻塞水和助燃气的通路，同时，也不妨碍气化剂输送管的卷绕。
作为本实施方式再进一步的改进，如图3至图9所示，气化剂输送管3的出口端设置有雾化混合喷头4。所述雾化混合喷头4是防回火雾化混合喷头4，所述防回火雾化混合喷头4设有混气头4-1，所述混气头4-1是前端为半球形的圆柱型壳体，混气头4-1的前端分布有多个喷嘴4-2，在混气头4-1的前端还设有热电偶孔；混气头4-1的后端连接一只中连管4-4的前端，所述中连管4-4的中心设有助燃剂喷孔4-5，所述助燃剂喷孔4-5的后端向后延伸形成助燃剂接管4-12，在中连管4-4上环绕所述助燃剂喷孔4-5设有多个轴向雾化喷孔4-6，在中连管4-4上沿轴向还设有热电偶通孔，在中连管4-4的外径上设有外喷雾锥面，所述外喷雾锥面的前端直径大于后端直径；中连管4-4的后端连接一只注水接管4-7的前端，所述注水接管4-7的内腔与中连管4-4的所述轴向雾化喷孔4-6、热电偶通孔连通，注水接管4-7的前端设有与中连管4-4的所述外喷雾锥面相对应的前锥面，在所述注水接管4-7的前锥面与中连管4-4的外喷雾锥面之间设有喷雾间隙，形成狭缝喷嘴4-9，在注水接管4-7上设有连通所述狭缝喷嘴4-9与注水接管4-7内腔的径向雾化喷孔4-8；助燃剂接管4-12穿过注水接管4-7的内腔；防回火雾化混合喷头4还设有端口三通4-13，所述端口三通4-13设有连通口、进水口4-10、助燃气接口，所述连通口与注水接管连通，所述助燃气接口穿出有所述助燃气接管4-12的进气口4-11，所述进气口4-11连通有所述气输送管3-2的出气口，所述进水口4-10连接有所述水输送管3-1的出水口；在混气头4-1的所述热电偶孔安装有热电偶4-3，所述热电偶4-3的导线61穿过中连管4-4的所述热电偶通孔、注水接管4-7的内腔从端口三通4-13的助燃气接口引出。
本实施方式由于采用了气化剂输送管的出口端设置有雾化混合喷头的技术手段，所以，可以利用水从地面到地下之间的压力势能将输送到地下燃料气化反应区中的水通过雾化混合喷头进行雾化，将雾化后生成的水汽与输送到地下燃料气化反应区中的助燃气混合形成雾状气化剂。又由于采用了所述雾化混合喷头是防回火雾化混合喷头的技术手段，所以，在气化反应过程中，可防止生成的燃气流向气化炉进气孔侧燃烧造成回火，起到保护防回火雾化混合喷头的作用。还由于采用了所述防回火雾化混合喷头设有混气头，所述混气头是前端为半球形的圆柱型壳体，混气头的前端分布有多个喷嘴，在混气头的前端还设有热电偶孔；混气头的后端连接一只中连管的前端，所述中连管的中心设有助燃剂喷孔，所述助燃剂喷孔的后端向后延伸形成助燃剂接管，在中连管上环绕所述助燃剂喷孔设有多个轴向雾化喷孔，在中连管上沿轴向还设有热电偶通孔，在中连管的外径上设有外喷雾锥面，所述外喷雾锥面的前端直径大于后端直径；中连管的后端连接一只注水接管的前端，所述注水接管的内腔与中连管的所述轴向雾化喷孔、热电偶通孔连通，注水接管的前端设有与中连管的所述外喷雾锥面相对应的前锥面，在所述注水接管的前锥面与中连管的外喷雾锥面之间设有喷雾间隙，形成狭缝喷嘴，在注水接管上设有连通所述狭缝喷嘴与注水接管内腔的径向雾化喷孔；助燃剂接管穿过注水接管的内腔；防回火雾化混合喷头还设有端口三通，所述端口三通设有连通口、进水口、助燃气接口，所述连通口与注水接管连通，所述助燃气接口穿出有所述助燃气接管的进气口，所述进气口连通有所述气输送管的出气口，所述进水口连接有所述水输送管的出水口；在混气头的所述热电偶孔安装有热电偶，所述热电偶的导线穿过中连管的所述热电偶通孔、注水接管的内腔从端口三通的助燃气接口引出的技术手段，所以，不但可防止回火现象的发生，而且还可以实时地检测出地下燃料气化反应区的温度，可在地下燃料气化反应区中的燃料快燃尽时且仍处于燃烧状态下，不用重复点火过程，实现注气点连续后退和连续气化，从而实现地下气化过程的连续和稳定，在提高地下燃料气化反应区中的燃料利用率前提下，提高燃气的生产效率。
如图1至图9所示，一种地下燃料气化系统，包括地下气化炉2，所述地下气化炉2有位于煤层1中的炉腔2-1、与该炉腔2-1连通并通向地面的进气孔2-2、与该炉腔2-1连通并通向地面的出气孔2-3和从该进气孔2-2可进退地伸向该炉腔2-1内的气化剂输送管，所述气化剂输送管是前面所述的气化剂输送管3，所述雾化混合喷头4位于所述炉腔2-1中，炉腔2-1中位于雾化混合喷头4的前方为地下燃料气化反应区2-4，所述气化剂输送管3中水输送管3-1的进水口与水源连通，所述气化剂输送管3中气输送管3-2的进气口与助燃气源连通，所述出气孔2-3连通有水气分离器12的进气口。
本实施方式由于采用了所述气化剂输送管是前面所述的气化剂输送管，所述雾化混合喷头位于所述炉腔中，所述气化剂输送管中水输送管的进水口与水源连通，所述气化剂输送管中气输送管的进气口与助燃气源连通的技术手段，所以，不必消耗外部压力能就可将水输送到地下燃料气化反应区，仅消耗少量的外部压力能就可将助燃气输送到地下燃料气化反应区，不需要热量就可在地下燃料气化反应区中将水和助燃气混合形成雾状气化剂，实现地下气化过程的正常和稳定，大大降低生产成本。
作为本实施方式的一种改进，如图8所示，所述水气分离器12的污水出口连通有污水沉淀池13的污水进口，所述污水沉淀池13的净化水出口连通有变频污水泵14的进水口，所述变频污水泵14的出水口连通所述水输送管3-1的进水口，所述变频污水泵14的出水口和所述水输送管3-1的进水口之间配置有压力表17和流量表16。
作为一种优选，如图8所示，所述污水沉淀池13设置有过滤装置13-1，所述过滤装置13-1位于所述污水沉淀池13的污水进口和所述污水沉淀池13的净化水出口之间。
本实施方式由于采用了所述水气分离器的污水出口连通有污水沉淀池的污水进口，所述污水沉淀池的净化水出口连通有变频污水泵的进水口，所述变频污水泵的出水口连通所述水输送管的进水口的技术手段，所以，不但可变废为宝，节约大量的水资源，而且，有利于保护环境，同时，可大大减小对气化炉产生的负面影响，不影响气化炉的正常燃烧和气化，避免气化炉熄灭，可大大减小对污水进行净化处理的成本。
作为本实施方式的一种改进，如图8和图10所示，水气分离器12的出气口连通有煤气组分测量仪15的进气口，所述气化剂输送管3的后部通过输送管卷筒装置7卷绕，所述气化剂输送管3的前部通过输送管驱动装置5和防喷器5-1送入地下，所述输送管卷筒装置7的液压接口与液压站11中第一液压缸11-1的液压接口通过油路连通，所述输送管驱动装置5的液压接口与液压站11中第二液压缸11-1的液压接口通过油路连通，所述防喷器5-1的液压接口与液压站11中第二液压缸11-1的液压接口通过油路连通，三个所述液压缸11-1通过三个控制阀11-2分别控制，三个所述控制阀11-1的控制信号输入端与控制器18的三个控制信号输出端分别电连接，所述煤气组分测量仪15的信号输出端与所述控制器18的信号输入端电连接，所述热电偶4-3的信号输出端与所述控制器18的信号输入端电连接。
所述气化剂输送管3的进口端设置在位于地面上的输送管卷筒装置7卷筒上中心部，所述气化剂输送管3的后部卷绕在所述输送管卷筒装置7的卷筒上，所述输送管卷筒装置7设置有水气分离供给装置8，所述水气分离供给装置8的出水口连通有所述水输送管3-1进水口，所述水气分离供给装置8的出气口连通有所述气输送管3-2的进气口，所述水气分离供给装置8的进气口4-11连通有助燃气源，所述水气分离供给装置8的进水口4-10连通有水源，所述进气孔2-2的上方自上而下依次设置有导向槽6、防喷器5-1、输送管驱动装置5，所述输送管卷筒装置7的前部经过所述导向槽6，在所述输送管驱动装置5的驱动下，穿过所述防喷器5-1、依次伸入到所述进气孔2-2和所述炉腔2-1内。
如图9所示，所述气化炉有一条或多条定向井（即进气孔2-2）和两个或两个以上的出气井（即出气孔2-3），出气井可以是垂直井，也可以是定向斜井。利用两个或两个以上的出气井压裂或干馏的方法，形成集气腔2-5。在定向井内设置双套管分离控制注气点后退-水雾化装置。
本实施方式由于采用了所述水气分离器的出气口连通有煤气组分测量仪的进气口，所述气化剂输送管的后部通过输送管卷筒装置卷绕，所述气化剂输送管的前部通过输送管驱动装置和防喷器送入地下，所述输送管卷筒装置的液压接口与液压站中第一液压缸的液压接口通过油路连通，所述输送管驱动装置的液压接口与液压站中第二液压缸的液压接口通过油路连通，所述防喷器的液压接口与液压站中第二液压缸的液压接口通过油路连通，三个所述液压缸通过三个控制阀分别控制，三个所述控制阀的控制信号输入端与控制器的三个控制信号输出端分别电连接，所述煤气组分测量仪的信号输出端与所述控制器的信号输入端电连接，所述热电偶的信号输出端与所述控制器的信号输入端电连接的技术手段，所以，不但可根据排出的燃气组分确定地下燃料气化反应区中的燃料是否燃尽，而且，还可以根据气化反应区的温度判断出地下燃料气化反应区中的燃料是否仍在燃烧，这样，在地下燃料气化反应区中的燃料快燃尽时且仍处于燃烧状态下，不用重复点火过程，可实现注气点连续后退和连续气化，从而实现地下气化过程的连续和稳定，在提高地下燃料气化反应区中的燃料利用率前提下，提高燃气的生产效率。
Claims (10)
1.一种地下燃料气化方法，其特征在于：将水和助燃气分别连续地输送到地下燃料气化反应区，利用水从地面到地下之间的压力势能将输送到地下燃料气化反应区中的水进行雾化，将雾化后生成的水汽与输送到地下燃料气化反应区中的助燃气混合形成雾状气化剂，雾状气化剂在地下燃料气化反应区中与地下燃料通过燃烧加热进行气化反应生成燃气，将生成的燃气排出。
2.根据权利要求1所述的地下燃料气化方法，其特征在于：输送到地下燃料气化反应区的水是净水或污水或非饮用地下水或由净水和污水混合后的水；
所述污水是燃气排出后经冷凝析出的冷凝水、在施工中产生的地面污水、煤气净化和燃空处理产生的污水和/或自然降水，所述自然降水是雨水和雪水，所述污水经净化处理后得到净化水，所述净化水输送到地下燃料气化反应区；
所述净化处理是通过污水沉淀和/或过滤的方式进行的。
3.根据权利要求1所述的地下燃料气化方法，其特征在于：以排出的燃气组分和气化反应区的温度为指标，调整气水比和气化反应区注气点后退的时间和速度，实现连续后退和循环气化，从而实现地下气化过程的连续和稳定。
4.一种气化剂输送管(3)，其特征在于：所述气化剂输送管(3)包括水输送管(3-1)和气输送管(3-2)，所述水输送管(3-1)和气输送管(3-2)组合在一起，所述水输送管(3-1)的管腔和气输送管(3-2)管腔相互隔离，当所述气化剂输送管从直线状态变为弯曲状态或从弯曲状态变为直线状态时，所述水输送管(3-1)的管腔和气输送管(3-2)管腔分别处于导通状态。
5.根据权利要求4所述的气化剂输送管(3)，其特征在于：
所述气输送管(3-2)位于所述水输送管(3-1)内或所述水输送管(3-1)位于所述气输送管(3-2)内；或者，
所述气输送管(3-2)与所述水输送管(3-1)并行连接；或者，
所述气化剂输送管(3)内设置有连续的轴向隔板(3-4)，所述轴向隔板将所述气化剂输送管(3)的内腔分为两个子内腔，其中，一个所述子内腔构成所述水输送管(3-1)内腔，另一个所述子内腔构成所述气输送管(3-2)的内腔。
6.根据权利要求4所述的气化剂输送管(3)，其特征在于：所述水输送管(3-1)的内腔间隔地设置有支撑骨架(3-3)；和/或，所述气输送管(3-1)的内腔间隔地设置有支撑骨架(3-3)。
7.根据权利要求4所述的气化剂输送管(3)，其特征在于：气化剂输送管(3)的出口端设置有雾化混合喷头(4)；
所述雾化混合喷头(4)是防回火雾化混合喷头(4)，所述防回火雾化混合喷头(4)设有混气头(4-1)，所述混气头(4-1)是前端为半球形的圆柱型壳体，混气头(4-1)的前端分布有多个喷嘴(4-2)，在混气头(4-1)的前端还设有热电偶孔；混气头(4-1)的后端连接一只中连管(4-4)的前端，所述中连管(4-4)的中心设有助燃剂喷孔(4-5)，所述助燃剂喷孔(4-5)的后端向后延伸形成助燃剂接管(4-12)，在中连管(4-4)上环绕所述助燃剂喷孔(4-5)设有多个轴向雾化喷孔(4-6)，在中连管(4-4)上沿轴向还设有热电偶通孔，在中连管(4-4)的外径上设有外喷雾锥面，所述外喷雾锥面的前端直径大于后端直径；中连管(4-4)的后端连接一只注水接管(4-7)的前端，所述注水接管(4-7)的内腔与中连管(4-4)的所述轴向雾化喷孔(4-6)、热电偶通孔连通，注水接管(4-7)的前端设有与中连管(4-4)的所述外喷雾锥面相对应的前锥面，在所述注水接管(4-7)的前锥面与中连管(4-4)的外喷雾锥面之间设有喷雾间隙，形成狭缝喷嘴(4-9)，在注水接管(4-7)上设有连通所述狭缝喷嘴(4-9)与注水接管(4-7)内腔的径向雾化喷孔(4-8)；助燃剂接管(4-12)穿过注水接管(4-7)的内腔；防回火雾化混合喷头4还设有端口三通(4-13)，所述端口三通(4-13)设有连通口、进水口(4-10)、助燃气接口，所述连通口与注水接管连通，所述助燃气接口穿出有所述助燃气接管(4-12)的进气口(4-11)，所述进气口(4-11)连通有所述气输送管(3-2)的出气口，所述进水口(4-10)连接有所述水输送管(3-1)的出水口；在混气头(4-1)的所述热电偶孔安装有热电偶(4-3)，所述热电偶(4-3)的导线61穿过中连管(4-4)的所述热电偶通孔、注水接管(4-7)的内腔从端口三通(4-13)的助燃气接口引出。
8.一种地下燃料气化系统，包括地下气化炉(2)，所述地下气化炉(2)有位于煤层(1)中的炉腔(2-1)、与该炉腔(2-1)连通并通向地面的进气孔(2-2)、与该炉腔(2-1)连通并通向地面的出气孔(2-3)和从该进气孔(2-2)可进退地伸向该炉腔(2-1)内的气化剂输送管，其特征在于：所述气化剂输送管是如权利要求7所述的气化剂输送管(3)，所述雾化混合喷头(4)位于所述炉腔(2-1)中，所述气化剂输送管(3)中水输送管(3-1)的进水口与水源连通，所述气化剂输送管(3)中气输送管(3-2)的进气口与助燃气源连通，所述出气孔(2-3)连通有水气分离器(12)的进气口。
9.根据权利要求8所述的地下燃料气化系统，其特征在于：所述水气分离器(12)的污水出口连通有污水沉淀池(13)的污水进口，所述污水沉淀池(13)的净化水出口连通有变频污水泵(14)的进水口，所述变频污水泵(14)的出水口连通所述水输送管(3-1)的进水口。
10.根据权利要求8所述的地下燃料气化系统，其特征在于：所述水气分离器(12)的出气口连通有煤气组分测量仪(15)的进气口，所述气化剂输送管(3)的后部通过输送管卷筒装置(7)卷绕，所述气化剂输送管(3)的前部通过输送管驱动装置(5)和防喷器(5-1)送入地下，所述输送管卷筒装置(7)的液压接口与液压站(11)中第一液压缸（11-1）的液压接口通过油路连通，所述输送管驱动装置(5)的液压接口与液压站(11)中第二液压缸（11-1）的液压接口通过油路连通，所述防喷器(5-1)的液压接口与液压站(11)中第二液压缸（11-1）的液压接口通过油路连通，三个所述液压缸（11-1）通过三个控制阀(11-2)分别控制，三个所述控制阀(11-1)的控制信号输入端与控制器(18)的三个控制信号输出端分别电连接，所述煤气组分测量仪(15)的信号输出端与所述控制器(18)的信号输入端电连接，所述热电偶(4-3)的信号输出端与所述控制器(18)的信号输入端电连接。
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