CN107558983B - 煤炭地下气化同轴管道装置及其气化方法 - Google Patents

Abstract

煤炭地下气化同轴管道装置，包括设置在地面上并位于钻孔周围的支架，钻孔内设置有冲孔管，冲孔管下端伸入到煤层上部边缘，冲孔管上端同轴向连接有下外管，下外管的下端伸入到钻孔上端口内并与冲孔管上端螺纹连接，下外管上设置有上外管，上外管上端口固定设置有上堵板，内管下端伸入到距离煤层底部，内管上螺纹连接有位于上堵板上的螺母，下外管固定设置在支架上，上外管的侧部沿径向方向连接有产气管接头。本发明只需从地面向地下目标煤层中钻取单个钻孔，气化剂通过同轴内管导入地下目标煤层中，内管可以上下滑动来调节气化剂注气孔的位置，生产的煤气可以由内管和同轴外管之前的圆环空腔排出地表，实现同时注入气化剂和回收气化煤气。

Description

煤炭地下气化同轴管道装置及其气化方法

技术领域

本发明属于煤炭气化技术领域，尤其涉及煤炭地下气化同轴管道装置及其气化方法。

背景技术

煤炭地下气化是一种通过对地下煤层的可控燃烧和气化反应，把煤直接转化为可燃性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。

目前传统煤炭开采方法的资源回收率低（约30%）、普通煤矿开采中，会遗留大量地下的保护煤柱、边角煤，“三下压煤”，等，而且对于一些地质条件复杂，开采成本较高煤炭资源，则不能开采。由于人工作业而且地下环境复杂，导致事故频繁造成人员的伤亡。但普通的煤炭地下气化方法要求精准的地下气化通道贯通技术，并对煤层厚度和地理、地质赋存条件也有一定的要求。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种成本低、安全可靠性强、易于操作、对煤层厚度及地质赋存条件要求条件小的煤炭地下气化同轴管道装置及其气化方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

煤炭地下气化同轴管道装置，包括设置在地面上并位于钻孔周围的支架，钻孔的下端伸入到煤层内部，钻孔内设置有冲孔管，冲孔管下端伸入到煤层上部边缘，冲孔管上端同轴向连接有下外管，下外管的下端伸入到钻孔上端口内并与冲孔管上端螺纹连接，下外管上端同轴向设置有上外管，下外管上部和上外管下部套设有管箍，管箍内圈均与下外管上部及上外管下部的外圆螺纹连接，上外管上端口固定设置有上堵板，上堵板的中心处开设有圆孔，圆孔内穿设有内管，内管下端伸入到距离煤层底部10-20cm的位置，内管下端低于冲孔管下端，内管上螺纹连接有位于上堵板上的螺母，螺母下端面与上堵板上表面之间设置有环形的密封垫板，下外管固定设置在支架上，上外管的侧部沿径向方向连接有产气管接头。

内管的下端口固定设置有下堵板，下堵板上开设有下注气孔，内管下端侧部沿圆周方向开设有若干个均位于煤层内的侧注气孔。

产气管接头的内侧设置有温度传感器。

冲孔管下端紧挨目标煤层的上表面。

下外管与冲孔管之间的螺纹连接处、管箍内圈与下外管上部及上外管下部的外圆的螺纹连接处均设置有螺纹密封胶。

内管和冲孔管均由多节同轴向螺纹连接而成。

煤炭地下气化同轴管道装置的气化方法，包括以下步骤：

（1）在地面垂直或一定倾角向下钻孔，钻到煤层底部后，即到达目标深度后停止钻进；

（2）向钻孔内下入冲孔管，冲孔管的外径与钻孔的内径相当，冲孔管下端伸入到煤层上表面后停止下冲孔管，然后将下外管的下端拧到最上一节下冲孔管的上端，螺纹连接拧紧后，将下外管固定到支架上；

（3）将上外管同轴向放置到下外管上，将内管穿过上堵板上的圆孔向下下入到下外管和冲孔管内，当内管的下端低于冲孔管下端并距离煤层底部10-20cm后停止下外管，并将最上一节内管上套上密封垫板，然后拧上螺母，将圆孔密封，并限定内管的位置；

（4）将上外管和内管向上抬起，通过内管与冲孔管之间的环形空腔下入抽水管将煤层底部暂存的水抽出，然后再对煤层底部进行干燥，干燥后在下外管上方将远距离电子打火器送入到内管下端侧部的侧注气孔附近的上方；

（5）通过内管上端口向内管内源源不断地注入空气和纯氧混合气体，空气和纯氧混合气体通过侧出注气孔和下注气孔排到煤层内部时，启动电子打火器，点燃煤层，然后撤收远距离电子打火器；

（6）煤层点燃后，通过产气管接头处的温度传感器若气体温度上升并保持不再下降说明点火成功，同时用气相测谱仪分析产气管接头气体成分，若气体中的氢气，一氧化碳，甲烷含量符合要求也说明点火成功；点火不成功就重复步骤（5）再次启动远距离电子打火器点火，直到点燃为止；

（7）然后将上外管放置到下外管上并用管箍螺纹连接紧固，在产气管接头的外端连接上煤气收集管道，煤炭气化燃烧后产生的含有氢气、一氧化碳、甲烷气体的可燃气体由内管与冲孔管之间向上经上外管侧部设置的产气管接头和煤气收集管道后收集起来；

（8）当本次气化区域的煤炭已经完全气化之后，拧动螺母，使内管向上移动一定长度后对煤层上部区域进行气化，直到将内管下端周围的煤层自下而上依次气化完全。

空气和纯氧混合气体的流速为20-50升每分钟，确保煤炭在氧气不足的情况下一直气化燃烧，并且不会熄火，从而使煤炭在气化过程中产生更多的氢气、一氧化碳、甲烷气体。

步骤（２）中将下外管固定到支架上后，先使用螺纹密封胶将下外管内壁与冲孔管上端外壁之间进行密封，然后在下外管的外壁与钻孔上端口之间的间隙填充水泥砂浆进行密封。

步骤（７）中上外管放置到下外管上并用管箍螺纹连接紧固后，再使用螺纹密封胶将管箍内壁分别与上外管和下外管的外壁之间进行密封。

采用上述技术方案，本发明各个结构的作用分别为：

内管为空气和纯氧混合气体（气化剂）的注入管道，分段组成，每段2到5米且每段的下端部有内螺纹上端部有外螺纹方便其依次连接。内管的端头侧面均布四个侧注气孔，下堵板的中心处开设有向下喷气的下注气孔；

冲孔管的作用为防止钻孔内壁垮塌，堵塞管路；冲孔管内壁与内管的外壁一起形成煤气（氢气、一氧化碳、甲烷气体）输出通道，冲孔管也采用如内管的螺纹连接的分段结构组成；

下外管用于连接上外管和冲孔管，支架用于固定下外管，防止冲孔管和内管下沉；

上外管的作用是固定内管同时通过拧动螺母方便内管的上下移动。同时上外管的侧部同时提供煤气的输出端口（即产气管接头），方便气体收集；

温度传感器起到监测煤炭气化燃烧持续的作用。

综上所述，本发明不需要成本较高技术比较复杂的地下贯通技术，只需从地面向地下目标煤层中钻取单个钻孔。在本发明中，气化剂通过同轴内管导入地下目标煤层中，内管可以上下滑动来调节气化剂注气孔的位置，生产的煤气可以由内管和同轴外管之前的圆环空腔排出地表，实现同时注入气化剂和回收气化煤气。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图２是图１中内管下端的放大示意图。

具体实施方式

如图1和图２所示，本发明的煤炭地下气化同轴管道装置，包括设置在地面上并位于钻孔1周围的支架2，钻孔1的下端伸入到煤层3上部边缘，钻孔1内设置有冲孔管4，冲孔管4下端伸入到煤层3内，冲孔管4上端同轴向连接有下外管5，下外管5的下端伸入到钻孔1上端口内并与冲孔管4上端螺纹连接，下外管5上端同轴向设置有上外管6，下外管5上部和上外管6下部套设有管箍7，管箍7内圈均与下外管5上部及上外管6下部的外圆螺纹连接，上外管6上端口固定设置有上堵板8，上堵板8的中心处开设有圆孔，圆孔内穿设有内管9，内管9下端伸入到距离煤层3底部10-20cm的位置，内管9下端低于冲孔管4下端，内管9上螺纹连接有位于上堵板8上的螺母10，螺母10下端面与上堵板8上表面之间设置有环形的密封垫板11，下外管5固定设置在支架2上，上外管6的侧部沿径向方向连接有产气管接头12。

内管9的下端口固定设置有下堵板16，下堵板16上开设有下注气孔15，内管9下端侧部沿圆周方向开设有若干个均位于煤层3内的侧注气孔13。

产气管接头12的内侧设置有温度传感器14。

冲孔管4下端紧挨目标煤层3的上表面。

下外管5与冲孔管4之间的螺纹连接处、管箍7内圈与下外管5上部及上外管6下部的外圆的螺纹连接处均设置有螺纹密封胶。

内管9和冲孔管4均由多节同轴向螺纹连接而成。

采用煤炭地下气化同轴管道装置的气化方法，包括以下步骤：

（1）在地面垂直或一段倾角向下钻孔1，钻到煤层3底部后，即到达目标深度后停止钻进；

（2）向钻孔1内下入冲孔管4，冲孔管4的外径与钻孔1的内径相当，冲孔管4下端伸入到煤层3上表面10-20cm后停止下冲孔管4，然后将下外管5的下端拧到最上一节下冲孔管4的上端，螺纹连接拧紧后，将下外管5固定到支架2上；

（3）将上外管6同轴向放置到下外管5上，将内管9穿过上堵板8上的圆孔向下下入到下外管5和冲孔管4内，当内管9的下端低于冲孔管4下端并距离煤层3底部10-20cm后停止下外管5，并将最上一节内管9上套上密封垫板11，然后拧上螺母10，将圆孔密封，并限定内管9的位置；

（4）将上外管6和内管9向上抬起，通过内管9与冲孔管4之间的环形空腔下入抽水管将煤层3底部暂存的水抽出，然后再对煤层3底部进行干燥，干燥后在下外管5上方将远距离电子打火器（打火器自带具有一定刚度的细管道，无需绳索）送入到内管9下端侧部的侧注气孔13附近的上方；

（5）通过内管9上端口向内管9内源源不断地注入空气和纯氧混合气体，空气和纯氧混合气体通过侧出注气孔和下注气孔15排到煤层3内部时，启动电子打火器，点燃煤层3，然后撤收远距离电子打火器；

（6）煤层3点燃后，通过产气管接头12处的气体温度传感器14若温度上升并保持不再下降说明点火成功，同时用气相测谱仪分析产气管接头12气体成分，若气体中的氢气，一氧化碳，甲烷含量符合要求也说明点火成功；点火不成功就重复步骤（5）再次启动启动远距离电子打火器点火，直到点燃为止；

（7）然后将上外管6放置到下外管5上并用管箍7螺纹连接紧固，在产气管接头12的外端连接上煤气收集管道，煤炭气化燃烧后产生含有氢气、一氧化碳、甲烷气体的可燃气体由内管9与冲孔管4之间向上经上外管6侧部设置的产气管接头12和煤气收集管道后收集起来；

（8）当本次气化区域的煤炭已经完全气化之后，拧动螺母10，使内管9向上移动一定长度后对煤层3上部区域进行气化，直到将内管9下端周围的煤层3自下而上依次气化完全。

空气和纯氧混合气体的流速为20-50升每分钟，确保煤炭在氧气不足的情况下一直气化燃烧，并且不会熄火，从而使煤炭在气化过程中产生更多的氢气、一氧化碳、甲烷气体。

步骤（２）中将下外管5固定到支架2上后，先使用螺纹密封胶将下外管5内壁与冲孔管4上端外壁之间进行密封，然后在下外管5的外壁与钻孔1上端口之间的间隙填充水泥砂浆进行密封。

步骤（７）中上外管6放置到下外管5上并用管箍7螺纹连接紧固后，再使用螺纹密封胶将管箍7内壁分别与上外管6和下外管5的外壁之间进行密封。

本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.煤炭地下气化同轴管道装置的气化方法，其特征在于：所述的煤炭地下气化同轴管道装置包括设置在地面上并位于钻孔周围的支架，钻孔的下端伸入到煤层内部，钻孔内设置有冲孔管，冲孔管下端伸入到煤层上部边缘，冲孔管上端同轴向连接有下外管，下外管的下端伸入到钻孔上端口内并与冲孔管上端螺纹连接，下外管上端同轴向设置有上外管，下外管上部和上外管下部套设有管箍，管箍内圈均与下外管上部及上外管下部的外圆螺纹连接，上外管上端口固定设置有上堵板，上堵板的中心处开设有圆孔，圆孔内穿设有内管，内管下端伸入到距离煤层底部10-20cm的位置，内管下端低于冲孔管下端，内管上螺纹连接有位于上堵板上的螺母，螺母下端面与上堵板上表面之间设置有环形的密封垫板，下外管固定设置在支架上，上外管的侧部沿径向方向连接有产气管接头；

内管的下端口固定设置有下堵板，下堵板上开设有下注气孔，内管下端侧部沿圆周方向开设有若干个均位于煤层内的侧注气孔；

产气管接头的内侧设置有温度传感器；

冲孔管下端紧挨目标煤层的上表面；

下外管与冲孔管之间的螺纹连接处、管箍内圈与下外管上部及上外管下部的外圆的螺纹连接处均设置有螺纹密封胶；

内管和冲孔管均由多节同轴向螺纹连接而成；

所述的气化方法包括以下步骤：

（1）在地面垂直或一定倾角向下钻孔，钻到煤层底部后，即到达目标深度后停止钻进；

（2）向钻孔内下入冲孔管，冲孔管的外径与钻孔的内径相当，冲孔管下端伸入到煤层上表面后停止下冲孔管，然后将下外管的下端拧到最上一节冲孔管的上端，螺纹连接拧紧后，将下外管固定到支架上；

（3）将上外管同轴向放置到下外管上，将内管穿过上堵板上的圆孔向下下入到下外管和冲孔管内，当内管的下端低于冲孔管下端并距离煤层底部10-20cm后停止下放内管，并将最上一节内管上套上密封垫板，然后拧上螺母，将圆孔密封，并限定内管的位置；

（4）将上外管和内管向上抬起，通过内管与冲孔管之间的环形空腔下入抽水管将煤层底部暂存的水抽出，然后再对煤层底部进行干燥，干燥后在下外管上方将远距离电子打火器送入到内管下端侧部的侧注气孔附近的上方；

（5）通过内管上端口向内管内源源不断地注入空气和纯氧混合气体，空气和纯氧混合气体通过侧注气孔和下注气孔排到煤层内部时，启动电子打火器，点燃煤层，然后撤收远距离电子打火器；

（6）煤层点燃后，通过产气管接头处的温度传感器若气体温度上升并保持不再下降说明点火成功，同时用气相测谱仪分析产气管接头气体成分，若气体中的氢气，一氧化碳，甲烷含量符合要求也说明点火成功；点火不成功就重复步骤（5）再次启动远距离电子打火器点火，直到点燃为止；

（7）然后将上外管放置到下外管上并用管箍螺纹连接紧固，在产气管接头的外端连接上煤气收集管道，煤炭气化燃烧后产生的含有氢气、一氧化碳、甲烷气体的可燃气体由内管与冲孔管之间向上经上外管侧部设置的产气管接头和煤气收集管道后收集起来；

（8）当本次气化区域的煤炭已经完全气化之后，拧动螺母，使内管向上移动一定长度后对煤层上部区域进行气化，直到将内管下端周围的煤层自下而上依次气化完全。

2.根据权利要求1所述的煤炭地下气化同轴管道装置的气化方法，其特征在于：空气和纯氧混合气体的流速为20-50升每分钟，确保煤炭在氧气不足的情况下一直气化燃烧，并且不会熄火，从而使煤炭在气化过程中产生更多的氢气、一氧化碳、甲烷气体。

3.根据权利要求1所述的煤炭地下气化同轴管道装置的气化方法，其特征在于：步骤（２）中将下外管固定到支架上后，先使用螺纹密封胶将下外管内壁与冲孔管上端外壁之间进行密封，然后在下外管的外壁与钻孔上端口之间的间隙填充水泥砂浆进行密封。

4.根据权利要求1所述的煤炭地下气化同轴管道装置的气化方法，其特征在于：步骤（７）中上外管放置到下外管上并用管箍螺纹连接紧固后，再使用螺纹密封胶将管箍内壁分别与上外管和下外管的外壁之间进行密封。