CN114704236A - 煤炭地下气化用点火燃烧器及点火方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种煤炭地下气化用点火燃烧器及点火方法，煤炭地下气化用点火燃烧器包括中空的外套管，外套管的第二端密封连接喷嘴结构，外套管内设有相互隔离的氧气通道和燃料通道；喷嘴结构内设有燃烧腔和第一氧气通孔，燃烧腔用于氧气和混有点火剂的燃料混合燃烧形成一次燃气，燃烧腔的第二端设置喷射口；第一氧气通孔的第一端连通氧气通道，经第一氧气通孔喷出的氧气与经喷射口喷出的一次燃气进行二次燃烧；外套管内设有热电偶。本发明的煤炭地下气化用点火燃烧器能够随连续管下放至地下中深部煤层，通过化学燃料点燃煤层，实现中深部煤层的煤炭气化开采；本发明操作过程简单，能重复点火，可靠性高。

Description

煤炭地下气化用点火燃烧器及点火方法

技术领域

本发明涉及煤炭地下气化开采技术领域，尤其涉及一种煤炭地下气化用点火燃烧器及点火方法。

背景技术

煤炭地下气化是煤炭清洁开发利用的重要形式之一，煤制化工合成原料气在煤化工中有着重要的地位。煤炭地下气化技术不仅可以回收矿井遗弃的煤炭资源，而且还可以用于常规机械采煤法难以开采或开采经济性、安全性较差的薄煤层、深部煤层、“三下”压煤和高硫、高灰、高瓦斯煤层。

煤炭地下气化是将埋藏于地下的煤就地进行有控制地燃烧，通过煤的热化学作用而生产煤气的过程。煤炭地下气化的首要问题之一是煤层的点火。目前，煤炭地下气化试验项目主要集中在浅部煤层，对于中深部煤层很少涉及。目前常用的电点火方式因腐蚀、高温等因素可靠性不高，难以满足中深部煤层作业要求。

煤炭地下气化过程一般包含注入井和生产井，从注入井注入氮气、氧气、水等介质，达到地下煤炭稳定气化对温度、压力、氧化剂、气化剂的要求后实现煤炭气化，最后从生产井排出、收集。为了提高单井的产气量，需要在地下气化通道中多次重复点火，建立多个气化腔，增大煤炭地下气化工作面。因此，多次重复点火是煤炭地下气化规模化开采现实要求。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种煤炭地下气化用点火燃烧器及点火方法，以满足煤炭地下气化规模化开采需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤炭地下气化用点火燃烧器及点火方法，本发明的煤炭地下气化用点火燃烧器能够随连续管下放至地下中深部煤层，通过化学燃料点燃煤层，实现中深部煤层的煤炭气化开采；本发明操作过程简单，能重复点火，可靠性高。

本发明的目的是这样实现的，一种煤炭地下气化用点火燃烧器，包括中空的外套管，所述外套管的第一端用于密封连接连续管外管，所述外套管的第二端密封连接喷嘴结构，所述外套管内设有相互隔离的氧气通道和燃料通道；所述喷嘴结构内设有相互隔离的燃烧腔和第一氧气通孔，所述燃烧腔的第一端分别通过喷嘴内燃料通道和第二氧气通孔连通燃料通道和氧气通道，所述燃烧腔用于氧气和混有点火剂的燃料混合燃烧形成一次燃气，所述燃烧腔的第二端设置喷射口；所述第一氧气通孔的第一端连通氧气通道，经所述第一氧气通孔喷出的氧气与经喷射口喷出的一次燃气进行二次燃烧；所述外套管内设有热电偶。

在本发明的一较佳实施方式中，燃烧腔和喷射口之间通过第一过渡圆角连接，喷射口内设置瓶颈部，喷射口的横截面直径尺寸自燃烧腔向瓶颈部呈渐缩设置，喷射口的横截面直径尺寸自瓶颈部向外呈渐扩设置。

在本发明的一较佳实施方式中，所述喷嘴内燃料通道的第一端依次连通设置中空的螺旋管、阻火器、燃料单向阀、过滤器和连接接头，螺旋管、阻火器、燃料单向阀、过滤器和连接接头的内腔连通构成所述燃料通道，螺旋管、阻火器、燃料单向阀、过滤器和连接接头的外壁与外套管之间的环空构成所述氧气通道。

在本发明的一较佳实施方式中，所述喷嘴结构的第一端设置氧气过渡槽，所述氧气过渡槽连通所述第一氧气通孔和所述第二氧气通孔；所述外套管内设置氧气单向阀，氧气单向阀的出口连通所述氧气过渡槽，氧气单向阀的入口连通所述氧气通道。

在本发明的一较佳实施方式中，所述连接接头和所述过滤器通过第一钢管连通，所述过滤器和所述燃料单向阀通过第二钢管连通，所述燃料单向阀和所述阻火器通过第三钢管连通。

在本发明的一较佳实施方式中，所述连接接头为双卡套接头，双卡套接头的第一端用于密封连通且卡接连续管内管，双卡套接头的第二端密封连通且卡接所述第一钢管。

在本发明的一较佳实施方式中，所述外套管内穿设有中间套管，所述中间套管的内壁上连接第一卡套接头，所述第一卡套接头上连接一所述热电偶。

在本发明的一较佳实施方式中，所述喷嘴结构的第一端连接第二卡套接头，所述第二卡套接头上连接一所述热电偶。

在本发明的一较佳实施方式中，所述外套管的第二端内壁和所述喷嘴结构的外壁之间设置压环，所述压环的外壁和所述外套管的内壁之间通过螺纹连接，所述压环的外壁通过穿设通过所述外套管的顶紧销顶紧。

在本发明的一较佳实施方式中，所述喷嘴结构的外壁上设置第一台阶部，所述压环的端面和所述第一台阶部之间设置垫环和密封圈。

本发明的目的还可以这样实现，一种点火方法，包括以下步骤：

步骤a、将前述的煤炭地下气化用点火燃烧器连接于连续管，煤炭地下气化用点火燃烧器随连续管下放至目标煤层；

步骤b、向燃料通道和氧气通道内注入氮气进行持续吹扫；

步骤c、分别向氧气通道和燃料通道注入氧气和混合点火剂的燃料；

步骤d、混合点火剂的燃料和氧气在喷嘴结构内完成化学反应后喷出稳定的火焰点燃煤层；热电偶实时检测煤炭地下气化用点火燃烧器的温度。

由上所述，本发明的煤炭地下气化用点火燃烧器及点火方法具有如下有益效果：

本发明的煤炭地下气化用点火燃烧器，能够随连续管下放至地下中深部煤层，通过化学燃料进行点火，实现中深部煤层的煤炭气化开采；

喷嘴结构内设计燃烧腔，部分氧气与燃料在燃烧腔内混合燃烧形成高温的一次燃气，一次燃气喷出后与另一部分直接排出的氧气进行二次燃烧，采用该方式点火形成的火焰稳定可靠且温度能完全达到煤层燃点；

热电偶实时监测煤炭地下气化用点火燃烧器的温度变化，既能通过热电偶传回的检测数据判断煤层点火情况，也能在温度过高时及时使煤炭地下气化用点火燃烧器后退，有效避免煤炭地下气化用点火燃烧器超温使用导致损坏，能够实现多次重复点火；

本发明在地下煤炭气化过程中起到点火、测温等重要功能，具有可重复点火、可靠性高、安装简便等特点；

本发明的点火方法操作过程简单，能重复点火，可靠性高。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为本发明的煤炭地下气化用点火燃烧器的结构图。

图2：为本发明的喷嘴结构的俯视图。

图3：为图2中A-A剖视图。

图4：为图2中B-B剖视图。

图5：为图3中C-C剖视图。

图中：

100、煤炭地下气化用点火燃烧器；

101、燃料通道；102、氧气通道；

1、喷嘴结构；1001、第一氧气通孔；1002、第二氧气通孔；1003、燃烧腔；1004、喷嘴内燃料通道；1005、氧气过渡槽；1006、喷射口；1007、第一台阶部；1008、第二台阶部；

2、氧气单向阀；3、燃料单向阀；4、阻火器；5、过滤器；6、热电偶；7、第一卡套接头；8、连接接头；9、密封圈；10、压环；11、垫环；12、螺旋管；13、中间套管；14、外套管；15、顶紧销。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明提供一种煤炭地下气化用点火燃烧器100，包括中空的外套管14，外套管14的第一端用于密封连接连续管外管(现有技术，外套管14的第一端可通过锥螺纹密封连接连续管外管)，外套管14的第二端密封连接喷嘴结构1，外套管14内设有相互隔离的氧气通道102和燃料通道101；喷嘴结构1内设有相互隔离的燃烧腔1003和第一氧气通孔1001，燃烧腔1003的第一端分别通过喷嘴内燃料通道1004和第二氧气通孔1002连通燃料通道101和氧气通道102，燃烧腔1003用于氧气和混有点火剂的燃料混合燃烧形成一次燃气，燃烧腔1003的第二端设置喷射口1006；第一氧气通孔1001的第一端连通氧气通道102，经第一氧气通孔1001喷出的氧气与经喷射口喷出的一次燃气进行二次燃烧；外套管14内设有热电偶6，热电偶6能够实时监测点煤炭地下气化用点火燃烧器100温度变化，既能通过热电偶传回的检测数据判断煤层点火情况，也能在温度过高时及时使煤炭地下气化用点火燃烧器100后退，有效避免煤炭地下气化用点火燃烧器100超温使用导致损坏。

本发明的煤炭地下气化用点火燃烧器，能够随连续管下放至地下中深部煤层，通过化学燃料进行点火，实现中深部煤层的煤炭气化开采；喷嘴结构内设计燃烧腔，部分氧气与燃料在燃烧腔内混合燃烧形成高温的一次燃气，一次燃气喷出后与另一部分直接排出的氧气进行二次燃烧，采用该方式点火形成的火焰稳定可靠且温度能完全达到煤层燃点；热电偶实时监测煤炭地下气化用点火燃烧器的温度变化，既能通过热电偶传回的检测数据判断煤层点火情况，也能在温度过高时及时使煤炭地下气化用点火燃烧器后退，有效避免煤炭地下气化用点火燃烧器超温使用导致损坏，能够实现多次重复点火；本发明在地下煤炭气化过程中起到点火、测温等重要功能，具有可重复点火、可靠性高、安装简便等特点。

进一步，如图1、图3、图4所示，燃烧腔1003和喷射口1006之间通过第一过渡圆角连接，喷射口1006内设置瓶颈部，喷射口1006的横截面直径尺寸自燃烧腔向瓶颈部呈渐缩设置，喷射口1006的横截面直径尺寸自瓶颈部向外呈渐扩设置。混有点火剂的燃料和氧气在燃烧腔1003内完成化学反应后形成一次燃气，一次燃气经喷射口1006喷出形成稳定的类火炬形火焰，火焰的长度和外径根据需求可通过改变喷射口1006结构而变化。

进一步，如图1所示，喷嘴内燃料通道1004的第一端依次连通设置中空的螺旋管12、阻火器4、燃料单向阀3、过滤器5和连接接头8，螺旋管12、阻火器4、燃料单向阀3、过滤器5和连接接头8的内腔连通构成燃料通道101，螺旋管12、阻火器4、燃料单向阀3、过滤器5和连接接头8的外壁与外套管14之间的环空构成氧气通道102。螺旋管12能够在安装时提供轴向尺寸的微小调节，确保密封连接部位安装到位、密封可靠；过滤器5在燃料注入时可将连续管内管中的多余物阻挡住，避免杂质堵塞喷嘴结构1。

进一步，如图1、图2、图3所示，喷嘴结构1的第一端设置氧气过渡槽1005，氧气过渡槽1005连通第一氧气通孔1001和第二氧气通孔1002；外套管14内设置氧气单向阀2，氧气单向阀2的出口连通氧气过渡槽1005，氧气单向阀2的入口连通氧气通道102。

进一步，连接接头8和过滤器5通过第一钢管连通，过滤器5和燃料单向阀3通过第二钢管连通，燃料单向阀3和阻火器4通过第三钢管连通。

在本实施方式中，连接接头8为双卡套接头，双卡套接头的第一端用于密封连通且卡接连续管内管(现有技术)，双卡套接头的第二端密封连通且卡接第一钢管。

进一步，如图1所示，外套管14内穿设有中间套管13，中间套管13的内壁上连接第一卡套接头7，第一卡套接头7上连接一热电偶6。

进一步，如图1所示，喷嘴结构1的第一端连接第二卡套接头，第二卡套接头上连接一热电偶6。第二卡套接头与第一卡套接头7结构呈相同设置。

热电偶6通过固定在喷嘴结构1的第一端和中间套管13的内壁两处，热电偶6的连接电缆布置于连续管内且与连续管一起下井实现数据传输。

进一步，如图1所示，外套管14的第二端内壁和喷嘴结构1的外壁之间设置压环10，压环10的外壁和外套管14的内壁之间通过螺纹连接，压环10的外壁通过穿设通过外套管的顶紧销15顶紧。

进一步，如图1、图3所示，喷嘴结构1的外壁上设置第一台阶部1007，压环10的端面和第一台阶部1007之间设置垫环11和密封圈9。喷嘴结构1的外壁上还设置第二台阶部1008，中间套管13的端面轴向顶抵于第二台阶部1008。压环10通过垫环11和密封圈9轴向顶紧喷嘴结构1，喷嘴结构1轴向顶紧中间套管13，使其与连续管上的密封结构轴向密封顶抵，保证连接密封性。

本发明还提供一种点火方法，包括以下步骤：

步骤a、将前述的煤炭地下气化用点火燃烧器100连接于连续管，煤炭地下气化用点火燃烧器100随连续管下放至目标煤层(煤炭地下气化用点火燃烧器100和连续管位于煤层套管内)，通过地面供应系统(现有技术)控制燃料与氧气输入；

步骤b、向燃料通道101和氧气通道102内注入氮气进行持续吹扫后，保证所有通道内均无杂质；

步骤c、分别向氧气通道102和燃料通道101注入氧气和混合点火剂的燃料，外套管14与煤层套管之间的环空部分持续保持氮气输送，用于降低煤炭地下气化用点火燃烧器100的温度，避免超温损坏；

步骤d、通过第二氧气通孔1002的氧气和混合点火剂的燃料在燃烧腔1003内混合燃烧形成一次燃气，经第一氧气通孔1001喷出的氧气与经喷射口1006喷出的一次燃气进行二次燃烧，形成稳定的火焰点燃煤层，第一氧气通孔1001喷出的多余的氧气能够保证煤的持续燃烧。

混有点火剂的燃料和氧气在喷嘴结构内完成化学反应后喷出稳定的类火炬形火焰，火焰的长度和外径根据需求可通过改变喷嘴结构的喷射口1006而变化。地面供应系统持续通入燃料和氧气，能够保证燃烧火焰稳定，停止供应燃料后，火焰会在短时间内熄灭。

热电偶6实时检测煤炭地下气化用点火燃烧器的温度，通过热电偶6传回的检测数据判断煤层点火情况，成功点火并达到稳定燃烧状态后，外套管14与煤层套管之间的环空部分注入气化剂，与燃烧的煤共同作用生成煤气并从另一端排出、收集，实现地下煤炭气化。

由上所述，本发明的煤炭地下气化用点火燃烧器及点火方法具有如下有益效果：

本发明的煤炭地下气化用点火燃烧器，能够随连续管下放至地下中深部煤层，通过化学燃料进行点火，实现中深部煤层的煤炭气化开采；

喷嘴结构内设计燃烧腔，部分氧气与燃料在燃烧腔内混合燃烧形成高温的一次燃气，一次燃气喷出后与另一部分直接排出的氧气进行二次燃烧，采用该方式点火形成的火焰稳定可靠且温度能完全达到煤层燃点；

热电偶实时监测煤炭地下气化用点火燃烧器的温度变化，既能通过热电偶传回的检测数据判断煤层点火情况，也能在温度过高时及时使煤炭地下气化用点火燃烧器后退，有效避免煤炭地下气化用点火燃烧器超温使用导致损坏，能够实现多次重复点火；

本发明在地下煤炭气化过程中起到点火、测温等重要功能，具有可重复点火、可靠性高、安装简便等特点；

本发明的点火方法操作过程简单，能重复点火，可靠性高。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (11)

1.一种煤炭地下气化用点火燃烧器，其特征在于，包括中空的外套管，所述外套管的第一端用于密封连接连续管外管，所述外套管的第二端密封连接喷嘴结构，所述外套管内设有相互隔离的氧气通道和燃料通道；所述喷嘴结构内设有相互隔离的燃烧腔和第一氧气通孔，所述燃烧腔的第一端分别通过喷嘴内燃料通道和第二氧气通孔连通燃料通道和氧气通道，所述燃烧腔用于氧气和混有点火剂的燃料混合燃烧形成一次燃气，所述燃烧腔的第二端设置喷射口；所述第一氧气通孔的第一端连通氧气通道，经所述第一氧气通孔喷出的氧气与经喷射口喷出的一次燃气进行二次燃烧；所述外套管内设有热电偶。

2.如权利要求1所述的煤炭地下气化用点火燃烧器，其特征在于，燃烧腔和喷射口之间通过第一过渡圆角连接，喷射口内设置瓶颈部，喷射口的横截面直径尺寸自燃烧腔向瓶颈部呈渐缩设置，喷射口的横截面直径尺寸自瓶颈部向外呈渐扩设置。

3.如权利要求2所述的煤炭地下气化用点火燃烧器，其特征在于，所述喷嘴内燃料通道的第一端依次连通设置中空的螺旋管、阻火器、燃料单向阀、过滤器和连接接头，螺旋管、阻火器、燃料单向阀、过滤器和连接接头的内腔连通构成所述燃料通道，螺旋管、阻火器、燃料单向阀、过滤器和连接接头的外壁与外套管之间的环空构成所述氧气通道。

4.如权利要求3所述的煤炭地下气化用点火燃烧器，其特征在于，所述喷嘴结构的第一端设置氧气过渡槽，所述氧气过渡槽连通所述第一氧气通孔和所述第二氧气通孔；所述外套管内设置氧气单向阀，氧气单向阀的出口连通所述氧气过渡槽，氧气单向阀的入口连通所述氧气通道。

5.如权利要求3所述的煤炭地下气化用点火燃烧器，其特征在于，所述连接接头和所述过滤器通过第一钢管连通，所述过滤器和所述燃料单向阀通过第二钢管连通，所述燃料单向阀和所述阻火器通过第三钢管连通。

6.如权利要求5所述的煤炭地下气化用点火燃烧器，其特征在于，所述连接接头为双卡套接头，双卡套接头的第一端用于密封连通且卡接连续管内管，双卡套接头的第二端密封连通且卡接所述第一钢管。

7.如权利要求1所述的煤炭地下气化用点火燃烧器，其特征在于，所述外套管内穿设有中间套管，所述中间套管的内壁上连接第一卡套接头，所述第一卡套接头上连接一所述热电偶。

8.如权利要求1所述的煤炭地下气化用点火燃烧器，其特征在于，所述喷嘴结构的第一端连接第二卡套接头，所述第二卡套接头上连接一所述热电偶。

9.如权利要求1所述的煤炭地下气化用点火燃烧器，其特征在于，所述外套管的第二端内壁和所述喷嘴结构的外壁之间设置压环，所述压环的外壁和所述外套管的内壁之间通过螺纹连接，所述压环的外壁通过穿设通过所述外套管的顶紧销顶紧。

10.如权利要求9所述的煤炭地下气化用点火燃烧器，其特征在于，所述喷嘴结构的外壁上设置第一台阶部，所述压环的端面和所述第一台阶部之间设置垫环和密封圈。

11.一种点火方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a、将权利要求1至10任一项所述的煤炭地下气化用点火燃烧器连接于连续管，煤炭地下气化用点火燃烧器随连续管下放至目标煤层；

步骤b、向燃料通道和氧气通道内注入氮气进行持续吹扫；

步骤c、分别向氧气通道和燃料通道注入氧气和混合点火剂的燃料；

步骤d、混合点火剂的燃料和氧气在喷嘴结构内完成化学反应后喷出稳定的火焰点燃煤层；热电偶实时检测煤炭地下气化用点火燃烧器的温度。

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