CN107630694A - 一种获得煤炭地下气化燃空区体积的方法 - Google Patents

Abstract

一种获得煤炭地下气化燃空区体积的方法，包括如下步骤：S1：获得煤炭地下气化某一个小的时间段的实际燃空区大小；S2：将每个阶段的燃空区体积相加；S3：获得某个阶段煤炭地下气化实际燃空区体积。所述方法可以实时监测地下燃空区的体积变化、使得操作人员可以根据燃空区的变化采取相应的控制措施，从而保证气化炉的稳定运行。

Description

一种获得煤炭地下气化燃空区体积的方法

技术领域

本发明涉及地下资源勘探、开发技术领域，具体涉及一种地下煤炭资源的气化、采掘技术领域，特别涉及一种煤炭地下气化技术中的燃空区体积的计算技术，尤其是在线获得燃空区体积的方法。

背景技术

煤炭地下气化技术是一种将埋藏在地下的煤炭进行直接的、有控制的燃烧，通过煤的热作用及化学作用，产生可燃气体的过程。煤炭地下气化变传统的物理采煤为化学采煤，代替传统的建井、采煤、地面气化过程，具有安全性好、投资少、效益高、污染少等优点。

为了使地下气化炉能大规模的产业化，需要对气化炉多列进气，气化反应后通过出气列将煤气输出。如图1所示：有n条进气列J1、J2、……Jn、一条点火列D1、一条出气列C1组成。其中进气列J1具有J11、J12、J13……J1m共m个进气孔、进气列J2具有J21、J22、J23……J2m共m个进气孔、进气列Jn具有Jn1、Jn2、Jn3……Jnm共m个进气孔；出气列C1上安装有压力检测、温度检测、流量检测、组分检测等各种所需的不同类型的检测装置。工艺运行时气化剂从J11进入气化炉燃烧，产生的气体经点火列D1后，由出气列C1汇集到煤气储存装置，以备后续系统处理和利用。当进气孔J11进的气化剂使地下煤炭燃烧到一定程度没有新鲜的煤层参与反应时，启动J12进气孔，气化剂通过J12进气孔注入气化炉，这样才能保证出气列C1的气体组分和流量保持相对稳定，依次类推，一直使J1m孔完成。然后再进气列J2的J21、J22、J23……J2m个逐次参与反应……，直到进气列Jn有Jn1、Jn2、Jn3……Jnm逐次完全参与反应，本气化炉的生命周期完成。

由于煤炭燃烧就会产生燃空区，随着反应的进行由J11、J12、J13……J1m燃烧过后形成的燃空区会越来越大，当进气列J1完成后，进气列J2也面临着如此的情况，一直到进气列Jn。越来越大的燃空区储存了越来越多的气体在地下，为了使气化炉的出气能通过C1出气列出来地面，维持地下气化炉的正常出气，就必须使进入气化炉气化剂的压力或流量越来越大，另一方面越来越大的燃空区会导致煤层的顶板垮塌会使地下水进入，导致气化炉无法正常进行工艺运行。

如CN 102567649A公开一种煤层地下燃空区的体积建模方法，从热传导基本理论出发，基于燃空区的高温与常规地下温度场的相对恒温，通过分析渗流对温度场的影响机理，推导出渗流作用下的温度场控制方程；引入贝塞尔函数，推导出燃烧通道周围温度场分布方程，并给出有限元数值求解，借助现场温度探测资料，用有限元数值软件反演渗流作用下的温度场分布，并确定燃烧通道的高温影响边界；通过调整燃空区的截面尺寸，获得与现场探测拟合性最佳的煤层温度分布，反演出煤炭地下燃烧燃空区形状及尺寸，进而计算出燃空区的近似体积。上述方法计算过程过于复杂，过于理论化，在实际的工程应用中实用性较差。

CN 102607663A公开了一种探测地下空腔体积的方法和装置，具体方法是使所述地下空腔充满水或者所述地下空腔中原本已经充满水，向所述地下空腔中加入已知量为A₀mg的可检测试剂；使可检测试剂在水中分布均匀后检测水中的可检测试剂的浓度C′mg/L；根据V＝V′＝A₀/C′/1000m³。由于需要往空腔内充水，所以在工艺正常运行的时候无法探测。

由于燃空区的体积关系到地下气化反应的稳定进行，所以实时观测燃空区的体积对于工艺参数的调节、其他手段的辅助控制燃烧、保证煤气化气体的稳定输出是非常必要的。

发明内容

为此，本发明的目的在于提供一种获得煤炭地下气化燃空区体积的方法，其可以实时监测地下燃空区的体积变化、使得操作人员可以根据燃空区的变化采取相应的控制措施，从而保证气化炉的稳定运行。

为达上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种获得煤炭地下气化燃空区体积的方法，包括如下步骤：

S1：获得煤炭地下气化某一个小的时间段的实际燃空区大小；

S2：将每个阶段的燃空区体积相加；

S3：获得某个阶段煤炭地下气化实际燃空区体积。

作为优选实施例，所述步骤S1包括：

S11)建立煤炭地下气化煤气出气量、煤气组分与实际燃空区之间的函数关系；

S12)获得煤炭地下气化炉实时的出气量、煤气组分；

S13)根据实时获得的煤炭地下气化炉实时的出气量、煤气组分计算煤炭地下气化炉实际燃空区体积。

作为优选实施例，所述步骤S11)包括

S111)：建立地上气化炉煤气出气量、组分与理想燃空区之间的函数关系；

S112)：获得地上气化炉实际的燃空区；

S113)：建立地上气化炉煤气出气量、组分与实际燃空区之间的函数关系。

作为优选实施例，所述步骤S111)中建立地上气化炉所采用的煤层为从待地下气化区取样获得的煤层。

作为优选实施例，所述步骤S111)包括：

S1111)：建立地上煤气出气量、组分与理想燃煤量之间的函数关系；

S1112)：获得地上气化炉的理想燃空区；

S1113)：建立地上煤气出气量、组分与理想燃空区之间的函数关系；

作为优选实施例，所述步骤S112)包括：

S1121)：使煤炭在地上试验炉内燃烧气化以形成燃空区；

S1122)：地上气化炉冷却后注入加成型高温模具硅胶；

S1123)：去掉非燃烧部分的加成型高温模具硅胶；

S1124)：获得地上气化炉实际燃空区的体积。

作为优选实施例，所述步骤S113)包括：

S1131)：根据步骤S1113)获得的地上煤气出气量、组分与理想燃空区之间的关系；步骤S1124)获得的地上气化炉实际燃空区的体积得到理想燃空区和实际燃空区之间的函数关系。

作为优选实施例，所述步骤S113)进一步包括：根据步骤S1131)获得的结构得到实际燃空区与煤气出气量、组分之间的函数关系。

作为优选实施例，所述将每个阶段的燃空区体积相加采用积分计算的方式。

作为优选实施例，所述获得煤炭地下气化燃空区体积是实时获得获得煤炭地下气化燃空区体积。

本发明提供一种煤炭地下气化燃空区体积监测方法，通过地上气化炉试验得出实际燃空区和产出的煤气量和组分之间的关系，然后通过实际运行工艺参数中煤气量和组分的实时检测计算得出煤炭地下气化燃空区的大小，该方法无需另外设备无需工艺停止运行或等到气化炉生命周期完成，便于操作人员实时监测燃空区，及时根据燃空区的大小采取控制措施来稳定气化炉的运行。

附图说明

图1为气化炉的原理性结构示意图。

图2为本发明所构建的气化炉截面结构示意图。

具体实施方式

为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅用于帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制，本发明所列的附图仅是为了说明问题方便而给出的示例性结构示意图，。

经过本申请发明人潜心研究发现，在煤炭气化过程中，保持气化压力，在气化剂种类和浓度不变的情况下实际燃空区与理想燃空区之间存在着一定的比例关系。因此，本发明提出了一种煤炭地下气化在线获得燃空区体积的方法，该方法通过地上气化炉试验建立煤气量、组分与实际燃空区之间的定量关系，然后，通过现场对煤气流量、煤气组分的实时监测，得到煤炭地下气化炉实际燃空区体积，从而实现对煤炭地下气化燃空区的有效监控。

在本发明中，术语“燃空区”应当理解为煤炭地下气化工艺燃烧完成后留下的空腔。

根据本发明的一个实施例，在地下气化区域取煤炭样品，测量煤炭样品的含C量、密度；利用从上述地下气化区域获取的煤炭样品建立地上气化炉。本次构建的地上气化炉如图2所示，图2中附图标记含义如下：1-气化炉、2-出气孔、3-进气孔、4-煤、5-隔热层、21-组分分析仪、22-压力检测装置、23-流量检测装置、24-温度检测装置。

一、工作准备

地上气化炉是一个长10m，直径为3m的圆柱形特种压力容器，该气化炉耐压2.5MPa、耐温1500℃。其炉膛为长方体形，炉膛内设有隔热层5，上部隔热层表示顶板，下部隔热层表示底板。炉膛内部铺设地下气化区取样来的煤层4，煤层4中设有气化通道。炉体1上设进气孔3和出气孔2。在出气孔2管道上设置温度检测装置24、压力检测装置22、流量检测装置23和组分检测装置21。在试验中在线测出的数据采集后实时存储，根据存储的上述数据可以方便地计算出，标况体积的出口煤气量体积，并可累积，可以做出任意一段时间的流量差值；组分分析仪21可以检测到出口煤气中CH₄、CO、CO₂的体积百分含量，并可以做出任意时间段内CH₄、CO、CO₂的加和均值，上述采集到的数据和计算结构可以根据需要实时地显示在显示装置上。这里需要特别说明的是：在所述出气孔2的出气管道上设置的检测装置不限于：21-组分分析仪、22-压力检测装置、23-流量检测装置、24-温度检测装置，其可以根据需要设置其它任何需要的检测装置；另外，检测结果的分析计算也可以根据需要进行设定。

按照煤炭地下气化的工艺流程，在地上气化炉上使用和煤炭地下气化炉相同的压力、气化剂种类、气化剂同一浓度进行点火、气化、灭炉等操作，等气化炉内温度降温后，(一般等待约168小时温度可降到室温)，通过进气孔3往气化炉内加成型高温模具硅胶，加注的量以进气孔3达到设定高度和出气孔2达到设定高度为止。所述设定高度应当确保燃空区被完全填充，例如，设定的高度为硅胶到达出气孔2的与隔热层顶板齐平的位置。等待约6个小时，致使加成型高温模具硅胶完全固化。这里需要特别说明的是往气化炉内加注的材料不必局限于高温模具硅胶，其它任何与所述高温模具硅胶性能相似的、能够实现本发明发明目的的材料均在本发明的保护范围之内。所述性能相似、能够实现本发明发明目的是指：所述填充的材料应当是易于填充、填充后易于被所述燃空区模制固化成型的材料。

二、地上气化炉实际燃空区体积

解剖气化炉1，取出固化的加成型高温模具硅胶，将设定高度的加成型高温模具硅胶和进气孔3、出气孔2、气化通道中分别相同的部分去掉即可以得到气化炉1中此次燃空区的形状。测量计算代表燃空区形状的加成型高温模具硅胶的体积即可得到燃空区的体积。

所述硅胶模型的体积的获取方式列举如下：例如，取一长方形不带盖容器，往里加入设定体积V11的清水，将得到的代表燃空区形状的加成型高温模具硅胶放入所述容器中，清水水面升高，当清水浸没加成型高温模具硅胶后得到体积V12，那么地上气化炉燃空区的实际体积为(V12-V11)。

三、地上气化炉理想燃空区体积

在地上气化炉1工艺运行中，在出气孔2管道上设置温度检测装置24、压力检测装置23、流量检测装置22和组分分析仪21。在试验中在线测出的数据采集后实时存储，出气孔2出口煤气量可以显示标况下的体积，并可以累积，可以计算任意一段时间的流量差值；煤气组分可以检测到出气孔2出口煤气中CH₄、CO、CO₂的体积百分含量，并可以计算得出任意时间段内CH₄、CO、CO₂的加和均值。很显然，在越小的时间段内CH₄、CO、CO₂的体积百分比加和均值越接近当时的体积百分比加和。根据质量守恒，气化工艺燃烧前、后由于没有C元素的损失，所以在某一小的时间段内根据C元素平衡可以建立如下方程：

理想燃煤质量＝Q₁*12*W₁/(22.4*P1)

其中：

W₁：某一小的时间段内地上气化炉出口煤气中三种含碳气体CH₄、CO、CO₂的体积百分含量占比和；

Q₁：某一小的时间段内地上气化炉出口煤气量，单位为L；

P1：单位待气化区域煤的碳含量(例如：可以为一吨待气化区域煤含碳量，可以化验取得)；

12：碳的相对分子量；

22.4：气体的摩尔体积(L/mol)。

那么根据质量、密度、体积之间的关系公式，可以获得地上气化炉的理想燃空区体积：

理想燃空区体积＝理想燃煤质量/ρ

其中：ρ为地上气化炉煤的密度，单位为t/m³。

所以可以获得地上气化炉每个阶段煤气出气量、组分与理想燃空区之间的关系，即

理想燃空区体积＝Q₁*12*W₁/(22.4*P1*ρ)

四、地下气化炉理想燃空区体积

在地下气化炉工艺运行中，在出气孔管道上的温度检测、压力检测、流量检测和组分检测可以实时得到，出口煤气量可以显示成标准状况下的量Q2，并可以累积，可以做出任意一段时间的流量差值；煤气组分可以检测到出口煤气中CH₄、CO、CO₂的百分含量，并可以显示任意时间段中并可以得出任意时间段内CH₄、CO、CO₂的加和W2。根据质量守恒，气化工艺燃烧前、后由于没有C元素的损失，所以根据C元素平衡可以建立如下方程：

理想燃煤质量＝Q₂*12*W₂/(22.4*P1)

其中：

W2：某一小的时间段内地下气化炉出口煤气中三种含碳气体CH₄、CO、CO₂的体积百分含量占比和；

Q2：某一小的时间段内地下气化炉出口煤气量，单位为L；

P1：单位待气化区域煤的碳含量(例如：可以为一吨待气化区域煤含碳量，可以化验取得)；

12：碳的相对分子量；

22.4：气体的摩尔体积(L/mol)。

那么根据质量、密度、体积之间的关系公式，可以获得地下气化炉的理想燃空区体积：

理想燃空区体积＝理想燃煤质量/ρ

其中：ρ为地上气化炉煤的密度即地下气化炉煤的密度，单位为t/m³。

所以可以获得地下气化炉煤气出气量、组分与理想燃空区之间的关系，即

理想燃空区体积＝Q₂*12*W₂/(22.4*P1*ρ)

五、某一小的时间段内地下气化炉实际燃空区体积

在气化炉工艺运行的过程中，在气化压力、气化剂的种类和浓度一定的情况下理想燃煤量和实际燃煤量的比为一定值，即理想燃空区体积和实际燃空区的体积比为一定值k，假设地下气化炉的实际燃空区体积为V2，所以有：

(Q₁*12*W₁/(22.4*P1*ρ))：(V12-V11)＝k＝(Q₂*12*W₂/(22.4*P1*ρ)):V2

即

V2＝(Q₂*12*W₂/(22.4*P1*ρ))*(V12-V11)/(Q₁*12*W₁/(22.4*P1*ρ))＝

Q₂*W₂*(V₁₂-V₁₁)/(Q₁*W₁)＝Q₂*12*W₂/(22.4*P1*ρ*k)

六、地下气化炉实际燃空区体积

w为地下气化炉出口煤气中三种含碳气体CH₄、CO、CO₂的体积百分含量实时占比和。q为在地下气化炉运行过程中出口实时煤气流量，由于煤炭地下气化炉的煤气量和出口组分都可以实时得到，所以多个小的时间段内地下气化炉实际燃空区的和就是由多个Q₂*12*W₂/(22.4*P1*ρ*k)相加而成，即∑(Q₂*12*W₂/(22.4*P₁*ρ*k))，也就是t1到t2的阶段时间内地下气化炉实际燃空区体积是在t1到t2内每个小时间段的燃空区的体积和，即：

本发明提供一种煤炭地下气化燃空区体积监测方法，通过地上气化炉试验得出实际燃空区和产出的煤气量和组分之间的关系，然后通过实际运行工艺参数中煤气量和组分的实时检测计算得出煤炭地下气化燃空区的大小，该方法无需另外设备无需工艺停止运行或等到气化炉生命周期完成，便于操作人员实时监测燃空区，及时根据燃空区的大小采取控制措施来稳定气化炉的运行。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种获得煤炭地下气化燃空区体积的方法，包括如下步骤：

S1：获得煤炭地下气化某一个小的时间段的实际燃空区大小；

S2：将每个阶段的燃空区体积相加；

S3：获得某个阶段煤炭地下气化实际燃空区体积。

2.如权利要求1所述的方法，所述步骤S1包括：

S11)建立煤炭地下气化煤气出气量、煤气组分与实际燃空区之间的函数关系；

S12)获得煤炭地下气化炉实时的出气量、煤气组分；

S13)根据实时获得的煤炭地下气化炉实时的出气量、煤气组分计算煤炭地下气化炉实际燃空区体积。

3.如权利要求2所述的方法，所述步骤S11)包括

S111)：建立地上气化炉煤气出气量、组分与理想燃空区之间的函数关系；

S112)：获得地上气化炉实际的燃空区；

S113)：建立地上气化炉煤气出气量、组分与实际燃空区之间的函数关系。

4.如权利要求3所述的方法，所述步骤S111)中建立地上气化炉所采用的煤层为从待地下气化区取样获得的煤层。

5.如权利要求3所述的方法，所述步骤S111)包括：

S1111)：建立地上煤气出气量、组分与理想燃煤量之间的函数关系；

S1112)：获得地上气化炉的理想燃空区；

S1113)：建立地上煤气出气量、组分与理想燃空区之间的函数关系。

6.如权利要求5所述的方法，所述步骤S112)包括：

S1121)：使煤炭在地上试验炉内燃烧气化以形成燃空区；

S1122)：地上气化炉冷却后注入加成型高温模具硅胶；

S1123)：去掉非燃烧部分的加成型高温模具硅胶；

S1124)：获得地上气化炉实际燃空区的体积。

7.如权利要求6所述的方法，所述步骤S113)包括：

S1131)：根据步骤S1113)获得的地上煤气出气量、组分与理想燃空区之间的关系和步骤S1124)获得的地上气化炉实际燃空区的体积得到理想燃空区和实际燃空区之间的函数关系。

8.如权利要求7所述的方法，所述步骤S113)进一步包括：根据步骤S1131)获得的结果得到实际燃空区与煤气出气量、组分之间的函数关系。

9.如权利要求1-8任一项所述的方法，所述将每个阶段的燃空区体积相加采用积分计算的方式。

10.如权利要求1-8任一项所述的方法，所述获得煤炭地下气化燃空区体积是实时获得煤炭地下气化燃空区体积。