CN105178935B - 一种中心水管式气化采煤装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中心水管式气化采煤装置，其包括外圈组件和内圈组件，外圈组件包括上接头、密封环、上外筒、下外筒和喷头，上接头上端设有压环槽，中部设有固定螺钉，下端安装有螺套，其底部与密封环焊接定位；上外筒为中空圆柱形，其上端与螺套螺纹连接，其底部设有活门机构；下外筒为中空圆柱形，其上端与上外筒的下端相连，其下端连接有喷头；内圈组件包括输水管、卡套直通终端接头、中间水管和雾化喷嘴，输水管上成对设置有喉箍，固定螺钉插入成对设置的喉箍之间，用于限制输水管的轴向窜动；中间水管的外表面周向均布有多个对输送的氧气进行造旋的螺旋叶片。本发明具有结构简单，耐高温，抗氧化，一次下井持续工作周期较长等优点。

Description

一种中心水管式气化采煤装置

技术领域

本发明属于煤田矿藏采煤作业技术领域，更具体地，涉及一种中心水管式气化采煤装置。

背景技术

水煤气属于一种低碳清洁能源，其使用需求量日益增长，气化采煤技术包括常规气化采煤技术和地下气化采煤技术。常规气化采煤技术是通过常规挖坑采矿的坑道作业方式，将地下的煤炭资源采集输送到地面来进行气化处理，形成水煤气；地下气化采煤方式是直接将地下的煤层矿藏，进行点火燃烧，并通过地面往煤层供氧、输水处理，在地下生成水煤气，最后将生成的水煤气收集起来形成工业产品留待使用，而燃烧后的煤层矿藏所形成的煤灰和矿渣仍然被深埋藏于地下，不会给地面环境带来污染，从而实现煤炭资源清洁化利用的目标，因此该技术得到广泛的利用。

管式气化采煤装置是地下气化采煤技术的应用装置，现有技术中对于管式气化采煤装置方面已经做出一些设计方案。例如，实用新型专利CN204126625 U公开了一种抗高温防烧坏多通道连续管，连续管整体由A段、B段、C段依次连接，水通过毛细钢管送到B段的外管和内管之间的空腔，从A段的内壁上四个小孔喷出，B段成为内部充满水的锅炉管，以避免火焰四窜时注入管被烧坏。

然而，进一步的研究，上述现有技术仍然存在以下的缺陷或不足：首先，上述技术所述的工具与连续管通过焊接方式连接在一起，工具不能重复使用，且管壁较薄，焊接工艺较复杂；其次，工具中气流、水流不具有造旋和雾化功能，气液两相混合不均匀，影响水煤气的生成效率；再次，该技术所述的工具不具备防回火装置，在地下煤层中工作时，当氧气停止输送时，容易造成回火，烧坏工具。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种中心水管式气化采煤装置，其中通过压环槽的连接方式使采煤装置与连续管前端可靠连接，通过设置结构简单的喉箍固定限位装置，有效防止输水管轴向窜动；同时通过设置带螺旋叶片的中间水管以及雾化喷嘴，实现氧气造旋、清水雾化的功能，给工具进行高效降温，同时使气液二相流混合充分后喷向煤层，方便水煤气生成，保证给地下燃烧煤层持续供氧，达到气化采煤的工业目的，实现煤炭能源的清洁利用，适用于煤炭行业的煤炭地下气化采煤作业。

为实现上述目的，本发明提出了一种中心水管式气化采煤装置，其特征在于，包括外圈组件和内圈组件，所述外圈组件套装于所述内圈组件的外部，其中：

所述外圈组件包括由上至下依次分布的上接头、密封环、上外筒、下外筒和喷头，所述上接头为中空圆柱形，其上端的外侧设有用于连接连续管的压环槽，其中部设有固定螺钉，其下端的外侧安装有螺套，其底部与所述密封环焊接定位；所述上外筒为中空圆柱形，其上端与所述螺套螺纹连接，其底部设有活门机构；所述下外筒为中空圆柱形，其上端与所述上外筒的下端相连，其下端与所述喷头相连；

所述内圈组件包括由上至下依次连接的输水管、卡套直通终端接头、中间水管和雾化喷嘴，所述输水管上成对设置有喉箍，所述固定螺钉插入所述成对设置的喉箍之间，用于限制输水管的轴向窜动；所述中间水管的外表面周向均布有多个对输送的氧气进行造旋的螺旋叶片。

作为进一步优选的，所述活门机构包括套装在活门销上的凹活门、凸活门和扭转弹簧，所述扭转弹簧位于所述凹活门和凸活门之间。

作为进一步优选的，所述上接头上端设有用于安装柔性石墨编织填料的密封沟槽，该柔性石墨编织填料用于密封所述上接头和连续管之间的间隙。

作为进一步优选的，所述密封环上设有用于安装柔性石墨编织填料的密封沟槽，该柔性石墨编织填料用于密封所述密封环和上外筒之间的间隙。

作为进一步优选的，所述螺套上设有用于安装紧定螺钉的螺钉孔，该紧定螺钉用于将所述螺套锁紧在所述上接头上，防止与所述螺套连接的所述上外筒相对于所述上接头随意转动。

作为进一步优选的，所述卡套直通终端接头上端具有卡套结构，下端具有螺纹，其通过所述卡套结构与所述输水管相连，通过所述螺纹与所述中间水管相连。

作为进一步优选的，所述螺旋叶片优选为四个，其导程为480mm。

作为进一步优选的，所述喷头中部具有直径为30mm的圆柱形喷孔，所述圆柱形喷孔的上端设有半径为6mm的圆角，出口端设有圆锥角为16°的圆锥形孔。

作为进一步优选的，所述采煤装置还设有热电偶，所述热电偶沿着所述上外筒和下外筒的内壁安装，并通过快插接头与信号电缆进行快速连接。

作为进一步优选的，所述热电偶优选为两个，第一个所述热电偶设置在所述喷头中，第二个所述热电偶安装在距离所述第一个热电偶500mm轴向长度位置处。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明采用压环槽的连接方式使采煤装置与连续管前端相连，简单可靠；通过设置结构简单的喉箍固定限位装置，有效防止输水管轴向窜动；通过设置带螺旋叶片的中间水管以及雾化喷嘴，实现氧气造旋、清水雾化的功能，给工具进行高效降温，同时使气液二相流混合充分后喷向煤层，方便水煤气生成，保证给地下燃烧煤层持续供氧，辅助燃烧，喷水雾化后能高效地与地下燃烧的煤层形成水煤气，达到气化采煤的工业目的，实现煤炭能源的清洁利用。

2.本发明还对活门机构进行研究与设计，设计了可正向开启、反向关闭的活门机构，防止氧气停止输送时，煤层回火烧坏损毁工具；本发明的输水管与工具零件采用卡套直通终端接头连接，能耐压密封，连接方便快捷；热电偶信号电缆采用快插接头连接，方便简单。

3.本发明采煤装置能承受6～10MPa的工作压力，满足耐高温、抗氧化的工况环境，满足氧气输送量2000Nm³/h，压力降小于0.2Mpa，满足水输送量0.8～2t/h，压力降小于3MPa，具有结构简单，耐高温，抗氧化，一次下井持续工作周期较长等优点。

附图说明

图1是本发明装置下井时活门关闭的状态示意图；

图2是本发明装置工作时活门打开的状态示意图；

图3是本发明装置F-F处截面示意图；

图4是本发明装置G-G处中间水管的结构示意图；

图5是本发明装置H-H处活门机构的结构示意图；

图6是本发明装置喷头的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明的一种中心水管式气化采煤装置，其包括外圈组件和内圈组件，外圈组件套装于内圈组件的外部，通过外圈组件和内圈组件的配合，实现向地下燃烧的煤层输送氧气和水，并生成水煤气，达到气化采煤的工业目的，实现煤炭能源的清洁利用，满足耐高温、抗氧化的工况环境。

下面将对本发明的关键组件逐一进行更为具体的说明。

作为本发明的关键组件之一，外圈组件包括由上至下依次分布的上接头1、密封环8、上外筒10、下外筒18和喷头19，上接头1为中空圆柱形，便于输氧流通及输水管B的安装通过，其上端的外侧设有压环槽1-1和错筋槽1-2，用于与连续管A连接，通过专用滚压装置将连续管A管体挤压进压环槽1-1中，形成悬挂连接，错筋槽1-2用于错开连续管上的焊筋，便于插入安装；上接头1中端具有螺钉孔1-4，固定螺钉5通过该螺钉孔1-4连接安装在上接头1上，二者之间用密封垫4密封；上接头1下端的圆柱台阶面1-5上安装有螺套6，上接头1的底部与密封环8焊接定位；该螺套6安装在上接头1与密封环8之间，螺套6可相对于上接头1、密封环8进行周向旋转，形成活接方式，便于与上外筒10进行螺纹连接；上外筒10为中空圆柱形，中间为圆柱形台阶孔，可安装中间水管11，中间水管11与上外筒10之间间隙安装，上外筒10上端具有普通螺纹，与螺套6螺纹连接，上外筒10下端具有对称分布的圆柱形孔10-1，用于安装活门机构；下外筒18为中空圆柱形，其上端与上外筒10的下端相连，其下端连接有喷头19。

更具体而言，上接头1上端设有用于安装柔性石墨编织填料2的密封沟槽1-3，该柔性石墨编织填料2用于密封上接头1和连续管A之间的间隙；密封环8上具有密封沟槽8-1，用于安装柔性石墨编织填料2，密封密封环8和上外筒10之间的间隙。螺套6上具有螺钉孔6-1，紧定螺钉7安装在螺钉孔6-1中，用于将螺套6锁紧在上接头1上，防止与螺套6连接的上外筒10相对于上接头1随意转动。下外筒18上端具有普通螺纹，与上外筒10相连，二者之间用密封垫13密封，下外筒18下端具有普通螺纹，与喷头19相连，二者之间用密封垫13密封。如图6所示，喷头19中部具有直径为30mm的圆柱形喷孔，喷孔上端具有半径为6mm的圆角，出口端具有圆锥形孔，圆锥角为16°，喷头19本体上具有安装工艺孔19-1，用于安装热电偶20。热电偶20沿着上外筒10、下外筒18内壁安装，并用一个快插接头D与信号电缆C进行快速连接。

具体的，本发明装置共安装有两个热电偶20，第一个安装在喷头19本体上的安装工艺孔19-1内(即本发明装置的最前端)，第二个安装在距离第一个500mm轴向长度的位置，当本发明装置在地下工作时，两处的热电偶20会检测到装置附近的温度，并通过快插接头D、信号电缆C传输到地面监测设备，让地面的操作人员判断出煤层的燃烧状况及燃烧位置的变化，然后通过地面连续管作业机上提或下放本发明装置，调节本发明装置在煤层中合适的位置，方便给燃烧的煤层持续供氧和水，方便生成水煤气。

进一步的，活门机构包括凹活门14、凸活门15和扭转弹簧16，凹活门14、凸活门15及扭转弹簧16以串入的方式安装在活门销17上，活门销17插装在圆柱形孔10-1中，如图5所示，扭转弹簧16位于凹活门14和凸活门15之间，以形成一套单向开启的活门机构，用于氧气断流时防止回火，以免回火烧坏损毁本发明装置，活门机构的开启压力和关闭动作由扭转弹簧16决定和完成。

作为本发明的另一关键组件，内圈组件包括由上至下依次连接的输水管B、卡套直通终端接头9、中间水管11和雾化喷嘴12，输水管B上成对的紧固安装有喉箍3，本实施例中，喉箍3的数量譬如为六个，固定螺钉5插入成对紧固安装在输水管B上的喉箍3之间，用于限制输水管B的轴向窜动；中间水管11的外表面周向均布有多个对输送的氧气进行造旋的螺旋叶片11-1。

具体而言，卡套直通终端接头9上端具有卡套结构，与输水管B通过卡套结构相连接，下端具有NPT1/2螺纹，与中间水管11相连接。中间水管11外表面周向均布有四个螺旋叶片11-1，可对输送的氧气进行造旋，螺旋叶片11-1的导程为480mm，中间水管11下端具有NPT1/4螺纹，与雾化喷嘴12相连接。

下面将对本发明采煤装置的具体装配过程进行详细的说明。

如图1所示，本发明采煤装置的具体安装过程如下：先将六个喉箍3成对分布拧紧固定在输水管B外表面的合适位置上，再通过专用滚压装置将上接头1与连续管A的前端滚压连接在一起，然后将固定螺钉5拧进上接头1的螺钉孔1-4中，并使固定螺钉5的前端嵌入成对分布的喉箍3之间的间隙中，防止输水管B轴向窜动；将雾化喷嘴12安装在中间水管11前端，再利用卡套直通终端接头9将中间水管11与输水管B连接起来；将凹活门14、凸活门15、扭转弹簧16及活门销17安装在上外筒10上，形成一套活门机构；再将下外筒18、密封垫13、喷头19与上外筒10组装在一起；将热电偶20沿着上外筒10、下外筒18内壁安装，并用一个快插接头D将热电偶20与信号电缆C进行快速连接；将前述连接好的上外筒10、下外筒18、密封垫13、喷头19与上接头1、螺套6、密封环8组合而成的活结接头连接在一起；最后用紧定螺钉7将螺套6锁紧在上接头1上，防止与螺套6连接的上外筒10相对于上接头1随意转动。

下面将具体解释本发明采煤装置的具体操作过程及其优点。

如图2所示，本发明装置的工作过程如下：利用连续管A将本发明装置顺着井眼下入到地下300米深的煤层中，通过输水管B往地下输水，通过连续管A与输水管B的环空往地下输氧气，被输送的水通过雾化喷嘴12雾化后，和通过中间水管11螺旋叶片造旋后的氧气，在上外筒10和下外筒18的空腔内充分混合；氧气和水混合的二相流在空腔内会产生一定压力，当空腔内的压力大于凹活门14、凸活门15、扭转弹簧16及活门销17形成的活门机构的开启压力时，活门向下打开，形成流通通道，氧气和水混合的二相流最后通过喷头19喷入到地下燃烧的煤层中，与煤层环境形成水煤气，水煤气再通过另外一个与该燃烧煤层“U”型连通的井眼排出到地面，从而完成整个气化采煤的施工目的，实现煤炭资源的清洁利用；当装置在地下煤层中工作时长约180天，达到180天后，通过地面的连续管作业机将本发明装置起出地面，然后用专用切割装置将本发明装置从连续管前端切除掉，再按前述安装过程，重新安装一套本发明装置，即可完成一个施工作业周期。

综上，本发明提供的采煤装置用于辅助煤炭地下气化作业，可实现给地下燃烧的煤炭层持续输送氧气和水，辅助燃烧并形成水煤气，达到气化采煤的工业目的，实现煤炭能源的清洁利用。本发明装置可满足氧气输送量2000Nm/h，压力降小于0.2MPa，满足水输送量0.8～2t/h，压力降小于3MPa，在地下煤层中工作时长可达180天左右，具有结构简单，耐高温，抗氧化，一次下井持续工作周期长等优点，适用于煤炭行业的煤炭地下气化采煤作业。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种中心水管式气化采煤装置，其特征在于，包括外圈组件和内圈组件，所述外圈组件套装于所述内圈组件的外部，其中：

所述外圈组件包括由上至下依次分布的上接头(1)、密封环(8)、上外筒(10)、下外筒(18)和喷头(19)，所述上接头(1)为中空圆柱形，其上端的外侧设有用于连接连续管(A)的压环槽(1-1)，其中部设有固定螺钉(5)，其下端的外侧安装有螺套(6)，其底部与所述密封环(8)焊接定位；所述上外筒(10)为中空圆柱形，其上端与所述螺套(6)螺纹连接，其底部设有活门机构；所述下外筒(18)为中空圆柱形，其上端与所述上外筒(10)的下端相连，其下端与所述喷头(19)相连；所述密封环(8)上设有用于安装柔性石墨编织填料(2)的密封沟槽(8-1)，该柔性石墨编织填料(2)用于密封所述密封环(8)和上外筒(10)之间的间隙；所述螺套(6)上设有用于安装紧定螺钉(7)的螺钉孔(6-1)，该紧定螺钉(7)用于将所述螺套(6)锁紧在所述上接头(1)上，防止与所述螺套(6)连接的所述上外筒(10)相对于所述上接头(1)随意转动；所述喷头(19)中部具有直径为30mm的圆柱形喷孔，所述圆柱形喷孔的上端设有半径为6mm的圆角，出口端设有圆锥角为16°的圆锥形孔；

所述内圈组件包括由上至下依次连接的输水管(B)、卡套直通终端接头(9)、中间水管(11)和雾化喷嘴(12)，所述输水管(B)上成对设置有喉箍(3)，所述固定螺钉(5)插入所述成对设置的喉箍(3)之间，用于限制输水管(B)的轴向窜动；所述卡套直通终端接头(9)上端具有卡套结构，下端具有螺纹，其通过所述卡套结构与所述输水管(B)相连，通过所述螺纹与所述中间水管(11)相连；所述中间水管(11)的外表面周向均布有多个对输送的氧气进行造旋的螺旋叶片(11-1)。

2.如权利要求1所述的中心水管式气化采煤装置，其特征在于，所述活门机构包括套装在活门销(17)上的凹活门(14)、凸活门(15)和扭转弹簧(16)，所述扭转弹簧(16)位于所述凹活门(14)和凸活门(15)之间。

3.如权利要求1或2所述的中心水管式气化采煤装置，其特征在于，所述上接头(1)上端设有用于安装柔性石墨编织填料(2)的密封沟槽(1-3)，该柔性石墨编织填料(2)用于密封所述上接头(1)和连续管(A)之间的间隙。

4.如权利要求1所述的中心水管式气化采煤装置，其特征在于，所述螺旋叶片(11-1)为四个，其导程为480mm。

5.如权利要求1所述的中心水管式气化采煤装置，其特征在于，所述采煤装置还设有热电偶(20)，所述热电偶(20)沿着所述上外筒(10)和下外筒(18)的内壁安装，并通过快插接头(D)与信号电缆(C)进行快速连接。

6.如权利要求5所述的中心水管式气化采煤装置，其特征在于，所述热电偶(20)为两个，第一个所述热电偶(20)设置在所述喷头(19)中，第二个所述热电偶(20)安装在距离所述第一个热电偶(20)500mm轴向长度位置处。