CN106121617A - 用于煤炭地下气化工艺的余热回收产品井系统及操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种新型余热回收产品井系统及其操作方法,该余热回收产品井系统包括：产品管、夹套管、水冷管、监测仪表系统、产品井套管、高温高压井口设备和地面余热回收装置等，该产品井系统内各个部件都容易回收、再次利用，井下高温高压蒸气携带出来的热量可用于地面生产工艺、汽轮机发电、锅炉发电、其他地面公用设施或厂区生活自用等。通过本发明不仅可以实现对产品井的有效监测、控制与保护，而且对高温粗合成气的余热进行了可靠有效的回收及综合利用，显著的减少了冷却水用量及降低了对下游废水处理的要求，真正实现了煤炭综合高效利用，降低整个煤炭地下气化工艺（ISC）的能耗，最终解决现有煤炭地下气化工艺（ISC）面临的技术难题。
Description
技术领域
本发明涉及一种余热回收系统及操作方法，具体的说涉及一种用于煤炭地下气化工艺的余热回收产品井系统及操作方法。
背景技术
煤炭地下气化（ISC）是一种通过对地下煤层的可控燃烧（不完全燃烧）和气化反应，把煤直接转化为气体产品的工艺过程。产品气通常被称为合成气，可以作为燃料生产、化工生产、发电等下游工艺的原料。该工艺过程集合了建井完井、地下采煤和煤气化工艺技术，具有安全性好、投资小、效益高、污染少等优点。
通过地面钻井直通煤层，给氧化剂注入和产品气输出提供了有效通道。一个用于氧化剂注入的钻井称为“注入井”，另外一个用于生产产品气的钻井称为“产品井”。定向钻井和垂直钻井都可作为注入井或产品井。
当煤层中有注入井、产品井和水平通道将二者连接起来时，此构造被称为一个煤炭地下气化（ISC）单元或井对。ISC单元包括燃烧区，气化区和热解区。通过煤炭地下气化生成的产品气（粗合成气）通常含有合成气（CO、CO2、 H2、 CH4等）以及其他杂质成分（固体颗粒、水、煤焦油、H2S、NH4、 COS等）。其成分复杂程度取决于多个方面，其中包括：煤炭地下气化所使用的氧化剂（空气或其他氧化剂如氧气、富氧空气或蒸汽混合物）、煤炭地下气化工艺的操作参数（如温度，压力，流量等）、煤层中的内在水或周边地层渗入煤层中的水、煤质等。
煤炭地下气化技术的主要瓶颈之一是运行过程中产品井的有效流量限制以及产品井的损坏。这些问题的主要原因包括产品井的错误选型，突发高温情况，散热设计考虑不足，防腐设计考虑不足以及出现堵塞情况等。根据已有专利文献，目前面临的具体技术问题包括：
（1）由于高热负荷直接作用在产品井上造成的其绝对高温（可高达700oC）。当该温度超过产品井套管材料的屈服应力失效温度，最终造成产品井的损坏。
（2）由于水泥固井套管受限热膨胀（热伸长）造成的套管和/或水泥胶结位置的损坏。
（3）由于未考虑垂直或定向产品井内产品管的自由悬挂（自重）热伸长而造成的产品管弯曲变形。
（4）由于湿腐蚀性合成气造成产品井完整性的恶化及损坏。其中包括颗粒和高速气体侵蚀，氢脆或氢致开裂，氯离子点腐蚀，硫化物（H2S）应力腐蚀开裂，CO2腐蚀，异种金属电化腐蚀及其他腐蚀机理。
（5）点火过程中，由于产品井温度较低，煤的挥发分和热解产物重组分（焦油，沥青等）容易在产品井内冷凝并与固体颗粒及煤灰混合，最终造成产品井的部分或完全堵塞。类似的，在地下气化降负荷运行时，由于产品井温度降低以及气流夹带固、液体杂质不完全造成的产品井堵塞。
（6）产品井地下监控仪表系统不足，造成无法提前检测并处理产品井堵塞和/或损坏问题。
（7）产品井没有足够的安全系统设备和处理方法，来应对高温产品井损坏，气体污染物泄漏以及系统异常运行情况的设计和配置不足造成的地层压力过高等问题。
（8）没有容易回收且可重新利用的产品井设备。
（9）没有合适的工艺方法回收井下粗合成气中的余热来降低整个煤炭地下气化（ISC）工艺的能耗。
发明内容
本发明的目的之一在于解决现有技术的不足，提供一种用于煤炭地下气化工艺的余热回收产品井系统。
本发明的目的之二在于提供一种用于煤炭地下气化工艺的余热回收产品井系统的操作方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种用于煤炭地下气化工艺的余热回收产品井系统，基于煤炭地下气化单元（ISC）的垂直余热回收产品井，所述余热回收产品井系统包括如下组件：
井口悬挂器，固定设于产品井井口，用于悬挂余热回收产品井系统的相关组件；
产品管，位于产品井内，自由悬挂于井口悬挂器，产品管的末端部分采用开孔设计，设有若干气孔，形成开孔产品管管段，其余部分为完整产品管管段，开孔产品管管段方便粗合成气通过气孔进入产品管流向地面出口；
夹套管，自由悬挂于井口悬挂器，位于产品管外部且与产品管同轴心设置，夹套管和产品管之间形成环形通道，夹套管末端管径逐步减小至与产品管外壁紧密接触，接触部位形成一金属-金属密封结构（产品管和夹套管通过环形面接触，接触部位之间较紧密的贴合，达到密封的效果）；当冷却水连续注入到环形通道内时，与高温粗合成气进行热交换形成高温高压蒸气，蒸气通过环形通道流向地面，进行余热回收；
水冷管，通过偏心的井口悬挂器内圈，平行自由悬挂于产品管旁，且位于夹套管内，用于往夹套管和产品管之间的环形通道内注入冷却水、不饱和蒸汽和/或防腐蚀防结垢介质，所述水冷管延伸至夹套管和产品管之间环形通道的底部，水冷管端部设有喷嘴，水冷管内设有止回阀，止回阀用于维持水冷管内水柱高度和防止逆向蒸汽进入水冷管；冷却水注入量通过产品管顶端测量的粗合成气温度来控制，确保粗合成气温度低于设定温度（300-350℃）；
监测仪表系统，包括分布式温度传感器、压力传感器和声波传感器，所述监测仪表系统固定设于产品管外围，且处于和水冷管喷嘴等高的位置，所述分布式温度传感器用于通过监测产品井井下温度进而控制水冷管内冷却水流量，分布式压力传感器用于监测产品井井下和夹套管内压力，分布式声波传感器用于监测产品井井下突发情况，例如套管或产品管损坏（开裂、弯曲等），固体颗粒或液栓进入产品管以及产品管堵塞等；
产品井套管，通过高温水泥套固定在产品井周边的地层中，所述产品井套管作为产品管、夹套管、水冷管和监测仪表系统的外壳，从产品井井口开始延伸至煤层顶部附近，剩余垂直煤层钻孔不设置套管，产品井套管与夹套管间的环形通路作为系统异常运行过程的备用泄压通道；具体来讲，产品井套管由若干段产品井套管本体通过耐高温接箍与螺纹连接而成。
耐高温高压的井口设备（其中压力设定额定范围以满足静岩压力为准，温度满足180-350℃的操作温度范围），包含至少一个仪表压紧接头端口，用于连接监测仪表系统；还包括至少四组流通通道端口和阀门，所述四组流通通道端口和阀门的作用如下：一流通通道端口和阀门用于系统正常运行时作为产品管内的粗合成气出口，一流通通道端口和阀门用于系统异常运行时作为产品井套管和夹套管之间环形通道的出口，一流通通道端口和阀门用于系统正常运行时作为夹套管和产品管之间环形通道的出口，供环形通道内的高压蒸汽流出，一流通通道端口和阀门连通水冷管的介质注入口，用于往水冷管内注入介质，所述井口设备还设有温度表和压力表，用于直接显示井口各通道的温度和压力数值，以及数据传输装置，用于监测合成气、高压蒸汽和冷却水流通通路的情况，并将各传感器获取的数据信号反馈至控制系统并存储于数据库；
地面余热回收装置，连通产品管和夹套管之间环形通道出口和水冷管注入口，将产品管和夹套管之间环形通道内的高温高压饱和蒸气携带出来的余热用于地面生产工艺，（如空分装置、空气压缩机、合成气压缩机、下游净化或合成工艺等）、汽轮机发电或直接替代电机驱动机泵、锅炉发电、其它地面公用设施或厂区生活自用等。
本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案如下：
用于煤炭地下气化工艺的余热回收产品井系统，基于煤炭地下气化单元的定向余热回收产品井，所述产品井包括垂直段、弧形段和水平段，所述余热回收产品井系统包括如下组件：
井口悬挂器，固定设于产品井井口，用于悬挂余热回收产品井系统的相关组件；
产品管，位于产品井内，产品管的末端部分采用开孔设计，设有若干气孔，形成开孔产品管管段，其余部分为完整产品管管段，方便粗合成气通过气孔进入产品管流向地面出口；
夹套管，位于产品管外部且与产品管同轴心设置，夹套管和产品管之间形成环形通道，夹套管末端管径逐步减小至与产品管外壁紧密接触，接触部位形成一金属-金属密封结构；当冷却水连续注入到环形通道内时，与高温粗合成气进行热交换形成高温高压蒸气，蒸气通过环形通道流向地面，进行余热回收；
水冷管，平行设于产品管旁，且位于夹套管内，用于往夹套管和产品管之间的环形通道内注入冷却水、不饱和蒸汽和/或防腐蚀防结垢介质，所述水冷管延伸至夹套管和产品管之间环形通道底部，水冷管端部设有喷嘴，水冷管内部设有止回阀，用于维持水冷管内水柱高度和防止逆向蒸汽进入水冷管；冷却水注入量通过产品管顶端测量的粗合成气温度来控制，确保粗合成气温度低于设定温度（300-350℃）；
监测仪表系统，包括分布式温度传感器、压力传感器和声波传感器，所述监测仪表系统固定设于产品管外围，且处于和水冷管喷嘴等高的位置，所述分布式温度传感器用于通过监测产品井井下温度控制水冷管内冷却水流量，分布式压力传感器用于监测产品井井下和夹套管内压力，分布式声波传感器用于监测产品井井下突发情况，例如套管或产品管损坏（开裂、弯曲等），固体颗粒或液栓进入产品管以及产品管堵塞等；
产品井套管，通过高温水泥套固定在产品井周边的地层中，所述产品井套管作为产品管、夹套管、水冷管和监测仪表系统的外壳，从产品井井口开始延伸至煤层内部，产品井套管与夹套管间的环形通路作为系统异常运行过程的备用泄压通道；
耐高温高压的井口设备（其中压力设定额定范围满足静岩压力为准，温度满足180-350℃的操作温度范围），包含至少一个监测仪表接头端口，用于连接监测仪表系统；还包括至少四组流通通道端口和阀门，其中：一流通通道端口和阀门用于系统正常运行时作为产品管内的粗合成气出口，一流通通道端口和阀门用于系统异常运行时作为产品井套管和夹套管之间环形通道的出口，一流通通道端口和阀门用于系统正常运行时作为夹套管和产品管之间环形通道的出口，供环形通道内的高压蒸汽流出，一流通通道端口和阀门连通水冷管的介质注入口，用于往水冷管内注入介质，所述井口设备还设有温度表和压力表，用于直接显示井口各通道的温度和压力数值，以及数据传输装置，用于监测合成气、高压蒸汽和冷却水流通通路的情况，并将各传感器获取的数据信号反馈至控制系统；
地面余热回收装置，连通产品管和夹套管之间环形通道出口和水冷管注入口，将产品管和夹套管之间环形通道内的高温高压饱和蒸气携带出来的余热用于地面生产工艺；（如空分装置、空气压缩机、合成气压缩机、下游净化或合成工艺等）、汽轮机发电或直接替代电机驱动机泵、锅炉发电、其它地面公用设施或厂区生活自用等；
本技术方案中，所述产品管、夹套管、水冷管和产品井套管均与定向余热回收产品井的形状一致，也即均包括垂直段、弧形段和水平段，产品管、夹套管和水冷管的垂直段均通过井口悬挂器自由悬挂，弯曲段通过产品井套管弯曲段支撑，水平部分通过产品井套管水平部分支撑；
产品井套管的垂直段和弧形段通过高温水泥套固定在产品井周边的地层中，所述开孔产品管管段自产品管弧形段末端开始，延伸至无套管煤层钻孔内的定向井顶端，并与注入井水平开孔内衬管相交。
优选的，所述开孔产品管管段长度为1-3个管段长（即6-18米），开孔的孔径为5-35mm，开孔以交错间隔模式布局，开孔总面积占管壁面积的5-35%。
优选的，所述垂直产品井内完整产品管管段和开孔产品管管段均采用耐腐蚀高镍铬合金材料（如科乃尔合金600，蒙奈尔合金400及以上等）加工而成，在最大热伸情形下，开孔产品管管段的末端与产品井底部之间的距离大于零。
优选的，所述定向产品井内完整产品管管段和开孔产品管管段均采用耐腐蚀高镍铬合金材料（如科乃尔合金600，蒙奈尔合金400及以上等）加工而成，水平开孔内衬管在煤炭地下气化过程中能逐步消耗，材质选用碳钢管。
优选的，所述开孔产品管管段直径小于完整产品管管段直径，以便于完井过程中开孔产品管管段和完整产品管管段连接部接箍顺利通过夹套管管径缩小部分；或者位于夹套管管径缩小部分的完整产品管管段选用比产品管其他部分管段直径大的尺寸。
优选的，在热膨胀和自由悬挂自重造成的最大轴向伸长距离情形下，金属-金属密封结构的位置仍位于完整产品管管段。
优选的，所述止回阀（4）位于开孔产品管管段与完整产品管管段接合处上方1-3个管段长的低温区位置，每个管段长的长度为6m，止回阀（4）设有若干个，实现多重保护功能，维持水柱适宜高度和防止高温高压蒸气泄露。
优选的，金属-金属密封结构与产品管的接触部分之间存在适量缝隙结构（产品管和夹套管通过环形面接触，接触部位之间较紧密的贴合，达到密封的效果，但由于均是刚性面，存在少许缝隙，即缝隙结构），冷却水从水冷管注入到产品管与夹套管之间后，少量的水通过金属-金属密封接合处的缝隙结构处泄漏到高温粗合成气流，以起到部分骤冷作用降低粗合成气的温度。
本发明的有益效果：该产品井系统内各个部件都容易回收、再次利用，井下高温高压蒸气携带出来的热量可用于地面生产工艺、汽轮机发电、锅炉发电、其他地面公用设施或厂区生活自用等；通过本发明不仅可以实现对产品井的有效监测、控制与保护，而且对高温粗合成气的余热进行了可靠有效的回收及综合利用，显著的减少了冷却水用量及降低了对下游废水处理的要求，真正实现了煤炭综合高效利用，降低整个煤炭地下气化工艺（ISC）的能耗，最终解决现有煤炭地下气化工艺（ISC）面临的技术难题。
附图说明
图1是本发明的第一种实现方案的结构示意图；
图2是本发明的第二种实现方案的结构示意图。
图中：1、产品管，1a、开孔产品管管段，1b、完整产品管管段，2、水冷管，3、止回阀，4、喷嘴，5、夹套管，6、金属-金属密封结构，7、产品井套管，8、高温水泥套，9、监测仪表系统，10、监测仪表接头端口，11、粗合成气出口，12、产品井套管和夹套管之间环形通道的出口，13、高温高压饱和蒸汽的出口，14、介质注入口，15、地面余热回收装置，16、地面生产工艺，17、水平开孔内衬管。
具体实施方式
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。
本发明的系统具体描述包括可在不同供应商处购买的标准部件，以及特定设计和制造的部件。本发明的创新之处，根据单个部件和特制部件的不同特性和功能，筛选出最合适的部件整合出一套独有的设备系统。
实施例1：
如图1所示的，一种用于煤炭地下气化工艺的余热回收产品井系统，基于煤炭地下气化单元（ISC）的垂直余热回收产品井，所述余热回收产品井系统包括如下组件：
一个井口悬挂器，固定设于产品井井口，用于悬挂余热回收产品井系统的相关组件；
一个产品管1，位于产品井内，自由悬挂于井口悬挂器，产品管1的末端部分采用开孔设计，设有若干气孔，方便粗合成气通过气孔进入产品管流向地面出口；
一个夹套管5，自由悬挂于井口悬挂器，位于产品管1外部且与产品管1同轴心设置，夹套管5和产品管1之间形成环形通道，夹套管5末端管径逐步减小至与产品管1外壁紧密接触，接触部位形成一金属-金属密封结构6；当冷却水连续注入到环形通道内时，与高温粗合成气进行热交换形成高温高压蒸气，蒸气通过环形通道流向地面，进行余热回收；
水冷管2，通过偏心的井口悬挂器内圈，平行自由悬挂于产品管1旁，且位于夹套管5内，用于往夹套管5和产品管1之间的环形通道内注入冷却水、不饱和蒸汽和/或防腐蚀防结垢介质，所述水冷管2延伸至夹套管5和产品管1之间环形通道底部，水冷管2端部设有喷嘴4，水冷管2内设有止回阀3，用于维持水冷管2内水柱高度和防止逆向蒸汽进入水冷管2；冷却水注入量通过产品管1顶端测量的粗合成气温度来控制，确保粗合成气温度低于设定温度（300-350℃）；
监测仪表系统9，包括分布式温度传感器、压力传感器和声波传感器，所述监测仪表系统9固定设于产品管1外围，且处于和水冷管2的喷嘴4等高的位置，所述分布式温度传感器用于通过监测产品井井下温度进而控制水冷管2内冷却水流量，分布式压力传感器用于监测产品井井下和夹套管5内压力，分布式声波传感器用于监测产品井井下突发情况，例如套管或产品管损坏（开裂、弯曲等），固体颗粒或液栓进入产品管以及产品管堵塞等；
产品井套管7，由若干段产品井套管本体通过耐高温接箍与螺纹连接而成，并通过高温水泥套8固定在产品井周边的地层中，所述产品井套管7作为产品管1、夹套管5、水冷管2和监测仪表系统9的外壳，从产品井井口开始延伸至煤层顶部附近，剩余垂直煤层钻孔不设置套管，产品井套管7与夹套管5间的环形通路作为系统异常运行过程的备用泄压通道；
耐高温高压的井口设备（其中压力设定额定范围满足静岩压力为准，温度满足180-350℃的操作温度范围），包含至少一个仪表压紧接头端口10，用于连接监测仪表系统9；还包括至少四组流通通道端口和阀门，所述四组流通通道端口和阀门的作用如下：一流通通道端口和阀门用于系统正常运行时作为产品管内的粗合成气出口11，一流通通道端口和阀门用于系统异常运行时作为产品井套管和夹套管之间环形通道的出口12，一流通通道端口和阀门用于系统正常运行时作为夹套管5和产品管1之间环形通道的出口13，供环形通道内的高压蒸汽流出，一流通通道端口和阀门连通水冷管的介质注入口14，用于往水冷管内注入介质，所述所述井口设备还设有温度表和压力表，用于直接显示井口各通道的温度和压力数值，以及数据传输装置，用于监测合成气、高压蒸汽和冷却水流通通路的情况；
地面余热回收装置15，连接井口设备供高压蒸汽流出的流通通道端口和供介质注入的流通通道端口，将夹套管5内的高温高压饱和蒸气携带出来的余热用于地面生产工艺16（如空分装置、空气压缩机、合成气压缩机、下游净化或合成工艺等）、汽轮机发电或直接替代电机驱动机泵、锅炉发电、其它地面公用设施或厂区生活自用等。
本发明中，产品管1的主要功能是作为冷却粗合成气输送到地面的主要流通通道，高温粗合成气经过两种方式冷却到设定的温度，夹套管5和产品管1的金属-金属密封结构6的渗漏结构漏水骤冷过程和产品管1内的热传导/交换过程。通过产品管1和充满冷却水或蒸汽的夹套管5可以保护产品井套管7，避免瞬时高温变化，为产品井套管7提供了缓慢加热以及对湿腐蚀性酸性气体的保护。位于产品井内的产品管1的选型和选材要求如下：
（a）根据每个ISC单元的最大生产能力确定产品管内径（ID）尺寸。以满足合成气最大流量、最高温度以及夹套管和产品管金属-金属密封结构6的渗漏结构的最大漏水量要求。
（b）根据自由悬挂重量、最大产品管内设计压力和最大夹套管内设计压力（饱和蒸气压）确定产品管外径（OD）尺寸和壁厚。同时满足多次井下作业要求。
（c）确定热膨胀和自由悬挂自重造成的最大轴向伸长距离。确保产品管1有足够的自由度，防止产品管1弯曲以及开孔产品管1a进入到夹套管5内。
（d）根据每个ISC单元的最小降负荷操作生产能力来确定最小合成气流量范围和最小氧化剂注入流量范围。合成气流速需要足够夹带其中的液体和固体杂质到地面。
（e）产品管1的选材方面，内壁需要满足高温湿腐蚀性酸性气体作业要求，外壁需要满足高温高压蒸汽作业要求。材料防腐主要考虑高温氢腐蚀、应力腐蚀开裂（如氢脆或氢致开裂、硫化物应力腐蚀开裂、氯化物应力腐蚀开裂等）、酸性气体腐蚀 (如CO2, H2S,H2SO4, HCl, 等)、露点腐蚀、氯化铵与硫氢化铵腐蚀、硫化腐蚀、碳化腐蚀、异种金属电化腐蚀等。
（f）开孔产品管管段1a长度为1-3个管段长（即6-18米），开孔的孔径为5-35mm，开孔以交错间隔模式布局，开孔总面积占管壁面积的5-35%。
实施例1中，系统基于垂直产品井，产品管1的顶端需要安装一部分高度耐腐蚀材料的开孔产品管（也即前面所述的产品管1由完整产品管管段1b和开孔产品管管段1a组成）。为了防止气化过程中产品管1的弯曲，在考虑其最大热伸后，开孔产品管1a的末端不能与产品井底部接触（也即距离大于零）。开孔产品管尺寸要比完整产品管略小，便于完井过程中开孔产品管管段1a和完整产品管管段1b连接部的接箍顺利通过夹套管5管径缩小的部分。
此结构部分可以采用其它替代方案，如在夹套管5管径缩小部分的完整产品管管段1b（相对于开孔产品管段1a，此段是无开孔设计的）选用比产品管1其他部分管段（同样尺寸）略大的尺寸。
本发明中，完整产品管管段1b（即非开孔管段）选用较高级别的耐腐蚀性材料，气化过程结束后可回收并重复使用；位于金属-金属密封结构6位置的接箍（非开孔管段）可以通过打磨抛光后重复使用。
本发明中，夹套管5安装在产品井套管7内。其选型和选材要求如下：
（a）夹套管5的内径(ID)足够大，能装下产品管1、水冷管2和监测仪表系统9。夹套管5与这些管路之间的环形通道大小能生产足够的蒸汽，满足地面余热回收装置所需的最大蒸气要求。
（b）根据自由悬挂重量、井下作业要求、最大夹套管5内设计压力（饱和蒸气压）和最大ISC单元操作压力确定产品管1外径（OD）尺寸和壁厚。
（c）夹套管5管径缩小部分和产品管1紧密配合，形成一个金属-金属密封结构6。夹套管5管径缩小部分的管段内壁需要打磨抛光形成一个光滑表面使得产品管1更易进入井下并提高金属-金属密封结构6的密封性。
（d）确定热膨胀和自由悬挂自重造成的最大轴向伸长距离，以保证金属-金属密封结构6一直在完整产品管1b上（非开孔设计部分），防止开孔产品管1a进入到夹套管5内。
（e）夹套管5的选材方面满足高温高压蒸汽作业要求，以及能够提供良好金属-金属密封性能的材料。
本发明中，水冷管2由以下部分组成：
水冷管2的尺寸满足其流量和相应结构完整性的要求（适用于高压水和高温高压蒸汽工作环境）。材料方面选择不锈钢或更高级别的材质，气化过程结束后回收并重复使用。水冷管2位于夹套管5内，通过井口悬挂器偏心内圈，平行自由悬挂于产品管1旁。水冷管2顶端要延伸至夹套管5缩小部分底部。
一个设有开启压力的止回阀3安装在水冷管2上。当地面冷却水注入系统出问题时可维持管内水柱高度，防止逆向蒸汽进入水冷管。同时当水冷管2内蒸汽压力过高时可向夹套管5方向泄压。为了保证止回阀3的完整性，止回阀3安装在温度相对较低的区域（位于金属-金属密封结构7上方1个以上管段长）。与此同时，作为优选方案，可以安装多个止回阀3，同时使用来实现备用功能。
水冷管2端部的喷嘴4装置能够喷射或喷洒足够的冷却水到产品管1和夹套管5间的环形通道内。冷却水、余热回收后的循环冷凝水、不饱和蒸汽和添加剂/抑制剂（防腐蚀防结垢）通过该管注入到夹套管5作为循环冷却剂。
冷却水（蒸汽）循环过程如下：冷却水从产品井井口设备注入到与产品管1通过金属-金属密封接合的夹套管5内。少量的水从金属-金属密封结构6处的渗漏结构泄漏到高温粗合成气流，可略微降低粗合成气的温度起到部分骤冷作用。在夹套管5内，注入水在转变为蒸汽前形成一定高度的水柱。转化后的蒸汽通过井口设备进入地面余热回收装置15，用于地面生产工艺16（如汽轮机/锅炉发电、蒸汽热交换器、其他地面工艺蒸汽涡轮等）进行热能回收利用。最后，余热回收后的冷凝水通过井口设备循环注入到夹套管5内。
本实施例中，水冷管2选用较高级别的材料，气化过程结束后可回收并重复使用.
本发明中，监测仪表系统9固定在完整产品管管段1b（非开孔设计部分）的顶端，开孔产品管1a的上方。监测仪表系统9的传感器安置在一个保护套管内后进入井下工作区，气化过程结束后可回收并重复使用。监测仪表系统9包括以下功能：
温度传感器监测产品管1顶端的温度，用于控制和调节冷却水的注入流量，最终确保控制该位置的温度低于设定温度300-350℃。该位置的温度同时用于整个工艺的安全系统，一旦该温度超过安全设定温度时可立刻切断氧化剂注入。本发明具体采用分布式温度传感器，一个分布式温度传感器安装在产品管1上用于测量整个产品管的温度分布，同时可以指示夹套管5内冷却水液面高度。
压力传感器采用分布式传感器用于监测产品井的井下压力情况。同时可以发现由于蒸气压或操作压力造成的仪表系统护套的挤压或损坏。
声波传感器采用分布式传感器。可以用于监测和发现产品井井下突发情况，例如套管或产品管1损坏（如开裂，弯曲等），固体颗粒或液栓进入产品管1以及产品管1堵塞等。同时可以监测夹套管5内冷却水沸腾（冒泡）的位置范围，可判定夹套管5内冷却水液面的高度。
本发明中，产品井套管7包括以下设备和固井方法：
（a）产品井套管7尺寸需要足够大以安置产品管1，夹套管5，水冷管2和监测仪表系统9（例如产品管4.5英寸，夹套管8.625英寸，水冷管2英寸，监测仪表系统0.75英寸，套管10.75英寸）。同时需要根据地层的具体特点如含水层，疏松地层等情况来确定在外圈产品井套管7的数量和尺寸（例如导管16-36英寸，表层套管13.375-20英寸，技术套管9.625-13.375英寸等）。
（b）产品井套管7壁厚的选择要满足钻井和完井作业要求，同时要求能承受大于静岩压的压力。
（c）产品井套管7接箍、螺纹和固井水泥套8选择满足高温井工作环境的要求。产品井套管7选材主要针对内管壁作为异常操作气流通路的环形通路，需要确保整个生产周期内井的完整性。该周期包括ISC单元停车，设备拆除和封井废井。
对于本实施例基于的垂直产品井，产品井套管7通过高温水泥套8一直固定到煤层顶部附近。对于定向产品井，产品井套管7通过高温水泥套8一直固定到煤层中水平位置附近（针对于有倾角的煤层则固定到与煤层底板平行的位置附近）。
本发明中，产品井井口设备要满足以下功能和要求：
（a）井口设备适合高温井工作环境，在最大操作压力情况下，其操作温度可达180-350℃ 。
（b）井口设备选材方面，与井下产品接触的出口区域考虑固体/微粒撞击高温高压蒸气和高温湿腐蚀性酸性气体的工作环境因素。
井口设备包含一个或多个监测仪表端口以及相应的合成气、冷却水、蒸气等井下产品的进出口。
井口设备安装可直接显示数值的温度、压力表以及数据传输装置，以确保即使其他所有系统处于故障或脱机状态时，也能直接监测井内情况。温度和压力信号传输装置可同时把数据信号反馈到控制系统并储存于数据库。井口温度信号提供了产品管1内合成气温度和夹套管5内蒸汽的温度。当井口温度达到设定的280-350℃ 时，系统将自动切断氧化剂的注入。同时，井口温度也可作为冷却水流量的串级控制来增加冷却水的注入流量，确保井口温度低于设定温度。由于井口压力始终低于井下压力，因此井口压力信号数据可以作为井下产品管1以及夹套管5环形区间压力的指示。
井口设备在封井废井后可移除翻新、重复使用。
本发明中，地面余热回收装置15连接井口设备高温高压蒸汽出口和冷却水注入口。该地面余热回收装置15可将夹套管5内的高温高压饱和蒸气携带出来的热量用于地面生产工艺16（如空分装置，空气压缩机，合成气压缩机，下游净化或合成工艺等）、汽轮机发电或直接替代电机驱动机泵、锅炉发电、其他地面公用设施或厂区生活自用等（如蒸汽热交换器，供暖等）。
如图1所示，实施例1的工作方式如下：
高温粗合成气从ISC气化区进入注入井水平煤层钻孔和注入井水平开孔内衬管17，流向产品井垂直煤层钻孔。之后，高温粗合成气进入开孔产品管1a和完整产品管1b，与其外壁的由井口设备冷却水注入口注入的冷却水进行热交换冷却。冷却水注入到水冷管2，经过止回阀3和喷嘴4，喷洒到包围产品管的夹套管5的环形通道内。在夹套管5的末端，减小夹套管5的直径使其和产品管1紧密接合形成一个金属-金属密封结构6。这样在夹套管5内部环形通道内可以储存足够的冷却水并形成一定高度的水柱。冷却水吸收产品管1和粗合成气的热量，冷却产品管1内的粗合成气。吸收足够热量的水转化为高温高压蒸汽通过井口设备蒸汽出口进入到地面余热回收装置15，用于汽轮机发电、地面生产工艺或其他公用设施等。余热回收后的冷凝水通过井口设备冷却水注入口循环注入到井下。冷却水的注入流量由安装在产品管1上的温度传感器控制，确保产品管1的温度低于预设的温度300-350℃ 。止回阀3设有一个开启压力，在井口冷却水注入口无流量时能保证水冷管2内的水柱高度。在金属-金属密封机构6处设有渗漏结构，通过渗漏结构会有少量的冷却水泄漏到高温粗合成气和注入井水平开孔内衬管17，可略微降低粗合成气的温度。产品管1、水冷管2和监测仪表系统9安装在夹套管5内部。夹套管5处于产品井套管7的同心圆内部。该产品井套管7通过高温水泥套8固定在地层中，从地面一直延伸到煤层顶部附近。产品井套管7与夹套管5之间的环形通路作为系统异常运行过程的备用泄压通道，合成气通过井口设备上合成气环形通路出口流出。
实施例2
如图2所示，一种用于煤炭地下气化工艺的余热回收产品井系统，基于煤炭地下气化单元的定向余热回收产品井，包括垂直段、弧形段和水平段，所述余热回收产品井系统包括组件的组件及技术要求基本同实施例1，不同之处如下：
（a）所述产品管1、夹套管5、水冷管2和产品井套管7均与定向余热回收产品井的形状一致，也即均包括垂直段、弧形段和水平段，产品管1、夹套管5和水冷管2的垂直段均通过井口悬挂器自由悬挂，弯曲段通过产品井套管7弯曲段支撑，水平部分通过产品井套管7水平部分支撑；
（b）监测仪表系统9固定在完整产品管1b（非开孔）的顶端，开孔产品管1a的后方（本实施例基于的是定向产品井）。
（c）高温水泥套8自弧形段尾端终止，所述开孔产品管管段1a自高温水泥套8末端开始，延伸至无高温水泥套8的煤层钻孔内的定向井顶端，并与注入井水平设置的具有开孔设计的水平开孔内衬管17相交。具体的说，本实施例基于定向产品井，开孔产品管1a从高温水泥套8末端（夹套管5和产品管1金属-金属密封结构6位置后方）开始，一直延伸通过无套管煤层钻孔直到与注入井具有开孔设计的水平开孔内衬管17相交。位于煤层钻孔内的开孔产品管（也称为产品井水平开孔内衬管17）的主要功能是防止气化过程中煤层钻孔崩塌堵塞气化通道。该水平开孔内衬管17随着煤炭地下气化工艺的进程同时被消耗。由于在煤炭地下气化过程中被消耗，位于煤层钻孔内的水平开孔内衬管17的选材并不重要，一般采用碳钢管即可满足要求。位于夹套管5内的开孔产品管管段1a需要选择高度耐腐蚀性材料来保持产品井的完整性。
如图2所示，实施例2的工作方式如下：
夹套管5管径缩小的管段位于产品井水平无水泥套管内。高温粗合成气从ISC气化区通过产品井水平开孔内衬管17和产品井水平煤层钻孔流向产品管1直到地面。产品管1通过一个含有水冷管2的夹套管5冷却。在夹套管5内，冷却水吸收产品管1和粗合成气的热量转化为高温高压蒸汽。之后蒸汽通过夹套管5环形通道进入到地面余热回收装置15，用于汽轮机发电、地面生产工艺16或其他公用设施等。对于定向产品井，其产品井套管7通过高温水泥套8固定在地层中，从地面一直延伸到产品井套管7平行于煤层底板的位置。
以上所述提及的“一个实施方案”包括在实施方案中描述的相关特性、结构、特征都与本发明的其中至少一个实施方案相关。因此，以上所述多次提及“一个实施方案中”的地方并非都特指同一个实施方案。此外，在实施方案中描述的相关特性、结构、特征可以以任何合适的方式一个或多个组合。
Claims (10)
1.用于煤炭地下气化工艺的余热回收产品井系统，基于煤炭地下气化单元的垂直余热回收产品井，其特征在于：所述余热回收产品井系统包括如下组件：
井口悬挂器，固定设于产品井井口，用于悬挂余热回收产品井系统的相关组件；
产品管（1），位于产品井内，自由悬挂于井口悬挂器，产品管（1）的末端部分采用开孔设计，设有若干气孔，形成开孔产品管管段（1a），其余部分为完整产品管管段（1b）；
夹套管（5），自由悬挂于井口悬挂器，位于产品管（1）外部且与产品管（1）同轴心设置，夹套管（5）和产品管（1）之间形成环形通道，夹套管（5）末端管径逐步减小至与产品管（1）外壁紧密接触，接触部位形成一金属-金属密封结构（6）；
水冷管（2），通过偏心的井口悬挂器内圈，平行自由悬挂于产品管（1）旁，且位于夹套管（5）内，用于往夹套管（5）和产品管（1）之间的环形通道内注入冷却水、不饱和蒸汽和/或防腐蚀防结垢介质，所述水冷管（3）延伸至夹套管（5）和产品管（1）之间环形通道的底部，水冷管（2）端部设有喷嘴（4），水冷管（2）内设有止回阀（3），止回阀（3）用于维持水冷管（2）内水柱高度和防止逆向蒸汽进入水冷管（2）；
监测仪表系统（9），包括分布式温度传感器、压力传感器和声波传感器，所述监测仪表系统（9）固定设于产品管（1）外围，且处于和水冷管（2）的喷嘴（4）等高的位置，所述分布式温度传感器用于通过监测产品井井下温度控制水冷管（2）内冷却水流量，分布式压力传感器用于监测产品井井下和夹套管（5）内压力，分布式声波传感器用于监测产品井井下突发情况；
产品井套管（7），通过高温水泥套（8）固定在产品井周边的地层中，产品井套管（7）作为产品管（1）、夹套管（5）、水冷管（2）和监测仪表系统（9）的外壳，从产品井井口开始延伸至煤层顶部，产品井套管（7）与夹套管（6）间的环形通路作为异常运行过程的备用泄压通道；
耐高温高压的井口设备，包含至少一个监测仪表接头端口（10），用于连接监测仪表系统（9）；还包括至少四组流通通道端口和阀门，其中：一流通通道端口和阀门用于系统正常运行时作为产品管内的粗合成气出口（11），一流通通道端口和阀门用于系统异常运行时作为产品井套管和夹套管之间环形通道的出口（12），一流通通道端口和阀门用于系统正常运行时作为夹套管和产品管之间环形通道内高温高压饱和蒸汽的出口（13），一流通通道端口和阀门连通水冷管的介质注入口（14），所述井口设备还设有温度表和压力表，用于直接显示井口各通道的温度和压力数值，以及数据传输装置，用于监测合成气、高压蒸汽和冷却水流通通路的情况，并将各传感器获取的数据信号反馈至控制系统并存储于数据库；
地面余热回收装置（15），连通产品管（1）和夹套管（5）之间环形通道出口和水冷管（2）注入口，将产品管（1）和夹套管（5）之间环形通道内的高温高压饱和蒸汽携带出来的余热用于地面生产工艺（16）。
2.用于煤炭地下气化工艺的余热回收产品井系统，基于煤炭地下气化单元的定向余热回收产品井，所述定向余热回收产品井包括垂直段、弧形段和水平段，其特征在于：所述余热回收产品井系统包括如下组件：
井口悬挂器，固定设于产品井井口，用于悬挂余热回收产品井系统的相关组件；
产品管（1），位于产品井内，产品管（1）的末端部分采用开孔设计，设有若干气孔，形成开孔产品管管段（1a），其余部分为完整产品管管段（1b）；
夹套管（5），位于产品管（1）外部且与产品管（1）同轴心设置，夹套管（5）和产品管（1）之间形成环形通道，夹套管（5）末端管径逐步减小至与产品管（1）外壁紧密接触，接触部位形成一金属-金属密封结构（6）；
水冷管（2），平行设于产品管（1）旁，且位于夹套管（5）内，用于往夹套管（5）和产品管（1）之间的环形通道内注入冷却水、不饱和蒸汽和/或防腐蚀防结垢介质，所述水冷管（2）延伸至夹套管（5）和产品管（1）之间环形通道的底部，水冷管（2）端部设有喷嘴（3），水冷管（2）内部设有止回阀（4），止回阀（4）用于维持水冷管（2）内水柱高度和防止逆向蒸汽进入水冷管（2）；
监测仪表系统（9），包括分布式温度传感器、压力传感器和声波传感器，所述监测仪表系统（9）固定设于产品管（1）外围，且处于和水冷管（2）的喷嘴（3）等高的位置，所述分布式温度传感器用于通过监测产品井井下温度控制水冷管（2）内冷却水流量，分布式压力传感器用于监测产品井井下和夹套管（5）内压力，分布式声波传感器用于监测产品井井下突发情况；
产品井套管（7），通过高温水泥套（8）固定在产品井周边的地层中，所述产品井套管（7）作为产品管（1）、夹套管（5）、水冷管（2）和监测仪表系统（9）的外壳，从产品井井口开始延伸至煤层内部，产品井套管（7）与夹套管（5）间的环形通路作为系统异常运行过程的备用泄压通道；
耐高温高压的井口设备，包含至少一个监测仪表接头端口（10），用于连接监测仪表系统（9）；还包括至少四组流通通道端口和阀门，其中：一流通通道端口和阀门用于系统正常运行时作为产品管内的粗合成气出口（11），一流通通道端口和阀门用于系统异常运行时作为产品井套管和夹套管之间环形通道的出口（12），一流通通道端口和阀门用于系统正常运行时作为夹套管和产品管之间环形通道内高温高压饱和蒸汽的出口（13），一流通通道端口和阀门连通水冷管的介质注入口（14），所述井口设备还设有温度表和压力表，用于直接显示井口各通道的温度和压力数值，以及数据传输装置，用于监测合成气、高压蒸汽和冷却水流通通路的情况，并将各传感器获取的数据信号反馈至控制系统；
地面余热回收装置（15），连通产品管（1）和夹套管（5）之间环形通道出口和水冷管（2）注入口，将产品管（1）和夹套管（5）之间环形通道内高温高压饱和蒸汽携带出来的余热用于地面生产工艺（16）；
所述产品管（1）、夹套管（5）、水冷管（2）和产品井套管（7）均与定向余热回收产品井的形状一致，均包括垂直段、弧形段和水平段，产品管（1）、夹套管（5）和水冷管（2）的垂直段均通过井口悬挂器自由悬挂，弯曲段通过产品井套管（7）弯曲段支撑，水平部分通过产品井套管（7）水平部分支撑；
产品井套管（7）的垂直段和弧形段通过高温水泥套（8）固定在产品井周边的地层中，所述开孔产品管管段自产品管（1）弧形段末端开始，延伸至无套管煤层钻孔内的定向井顶端，并与注入井水平开孔内衬管（17）相交。
3.根据权利要求1或2所述的用于煤炭地下气化工艺的余热回收产品井系统，其特征在于：所述开孔产品管管段（1a）长度为1-3个管段长，每个管段长的长度为6m，开孔的孔径为5-35mm，开孔以交错间隔模式布局，开孔总面积占管壁面积的5-35%。
4.根据权利要求1所述的用于煤炭地下气化工艺的余热回收产品井系统，其特征在于：所述完整产品管管段（1b）和开孔产品管管段（1a）均采用耐腐蚀高镍铬合金材料加工而成，在最大热伸情形下，开孔产品管管段（1a）的末端与产品井底部之间的距离大于零。
5.根据权利要求2所述的用于煤炭地下气化工艺的余热回收产品井系统，其特征在于：所述完整产品管管段（1b）和开孔产品管管段（1a）均采用耐腐蚀高镍铬合金材料加工而成，水平开孔内衬管（17）在煤炭地下气化过程中能逐步消耗，材质选用碳钢管。
6.根据权利要求1或2所述的用于煤炭地下气化工艺的余热回收产品井系统，其特征在于：所述开孔产品管管段（1a）直径小于完整产品管管段（1b）直径，以便于完井过程中开孔产品管管段（1a）和完整产品管管段（1b）连接部接箍顺利通过夹套管（5）管径缩小部分；或者位于夹套管（5）管径缩小部分的完整产品管管段（1b）选用比产品管（1）其他部分管段直径大的尺寸。
7.根据权利要求1或2所述的用于煤炭地下气化工艺的余热回收产品井系统，其特征在于：在热膨胀和自由悬挂自重造成的最大轴向伸长距离情形下，金属-金属密封结构（6）的位置仍位于完整产品管管段（1b）。
8.根据权利要求1或2所述的用于煤炭地下气化工艺的余热回收产品井系统，其特征在于：所述止回阀（4）位于开孔产品管管段与完整产品管管段接合处上方1-3个管段长的低温区位置，每个管段长的长度为6m，止回阀（4）设有若干个，实现多重保护功能，维持水柱适宜高度和防止高温高压蒸气泄露。
9.根据权利要求7所述的用于煤炭地下气化工艺的余热回收产品井系统，其特征在于：金属-金属密封结构（6）与产品管（1）的接触部分之间存在适宜的缝隙结构，冷却水从水冷管（2）注入到产品管（1）与夹套管（5）之间后，少量的水通过金属-金属密封结构（6）处的缝隙结构处泄漏到高温粗合成气流，以起到部分骤冷作用降低粗合成气的温度。
10.一种用于煤炭地下气化工艺的余热回收产品井系统的操作方法，其特征在于：所述操作方法如下：
基于权利要求1的余热回收产品井系统，高温粗合成气从煤炭地下气化单元的气化区进入注入井水平煤层钻孔和注入井水平开孔内衬管（17），流向产品井垂直煤层钻孔，之后，高温粗合成气通过开孔产品管段进入产品管（1），与其外壁的由井口设备冷却水注入口注入的冷却水介质进行热交换冷却； 冷却水注入到水冷管（2），经过止回阀（4）和喷嘴（3），喷洒到包围产品管（1）的夹套管（5）的环形通道内，以金属-金属密封结构（6）为界，夹套管（5）内部环形通道内储存足够的冷却水并形成一定高度的水柱；冷却水吸收产品管（1）和粗合成气的热量，冷却产品管（1）内的粗合成气，吸收足够热量的水转化为高温高压蒸汽通过井口设备蒸汽出口进入到地面余热回收装置（15），用于汽轮机发电、地面生产工艺（16）或其他公用设施；余热回收后的冷凝水通过井口设备冷却水注入口循环注入到井下，冷却水的注入流量由安装在产品管（1）上的分布式温度传感器控制，止回阀（4）设有开启压力，在井口冷却水注入口无流量时保证水冷管（2）内的水柱高度，通过金属-金属密封结构（6）处设置的渗漏结构，少量的冷却水泄漏到高温粗合成气和注入井水平开孔内衬管（17），以降低粗合成气的温度；
或者，基于权利要求2的余热回收产品井系统，高温粗合成气从煤炭地下气化单元的气化区通过产品井水平开孔内衬管（17）和产品井水平煤层钻孔流向产品管（1），与其外壁的由井口设备冷却水注入口注入的冷却水介质进行热交换冷却； 冷却水注入到水冷管（2），经过止回阀（4）和喷嘴（3），喷洒到包围产品管（1）的夹套管（5）的环形通道内，以金属-金属密封结构（6）为界，夹套管（5）内部环形通道内储存足够的冷却水并形成一定高度的水柱；冷却水吸收产品管（1）和粗合成气的热量，冷却产品管（1）内的粗合成气，吸收足够热量的水转化为高温高压蒸汽通过井口设备蒸汽出口进入到地面余热回收装置（15），用于汽轮机发电、地面生产工艺（16）或其他公用设施；余热回收后的冷凝水通过井口设备冷却水注入口循环注入到井下，冷却水的注入流量由安装在产品管（1）上的分布式温度传感器控制，止回阀（4）设有开启压力，在井口冷却水注入口无流量时保证水冷管（2）内的水柱高度，通过金属-金属密封结构（6）处设置的渗漏结构，少量的冷却水泄漏到高温粗合成气和注入井水平开孔内衬管（17），以降低粗合成气的温度。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |