CN207194879U - 一种煤炭地下气化深孔点火系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种煤炭地下气化深孔点火系统，双套管输气管的一端伸出点火钻孔外且该端外管与供氧装置及/或送风装置连接，该端内管与自燃剂输送装置及助燃剂输送装置连接；点火装置包括外套管、内套管、喷嘴座和至少3个点火喷嘴，外套管和内套管分别与双套管的外管和内管连接，内套管下部与喷嘴座固连；内套管圆周方向等间距设置有数量和位置与点火喷嘴相适应的螺纹通孔，每个点火喷嘴的一端均安装在相应的螺纹通孔上；在与每个点火喷嘴另一端位置相对应处的外套管上分别形成有相应的孔，该孔与点火喷嘴端面之间形成间隙；外套管底部封闭，在该底部放有石蜡包裹的金属钠；点火钻孔顶部由管道可选择地封闭，在该管道上安装有压力计和阀门。

Description

一种煤炭地下气化深孔点火系统

技术领域

本实用新型涉及煤炭地下气化工艺技术领域，特别是涉及一种煤炭地下气化深孔点火系统。

背景技术

煤炭地下气化就是将处于地下的煤炭进行有控制的燃烧，通过对煤的热解作用以及化学作用而产生可燃气体的过程，要实现煤炭地下气化首先就要将地下煤层中的煤点燃。煤炭地下气化工艺从大的方面分主要有两种：矿井式地下气化和钻井式地下气化。

矿井式地下气化是通过人工开拓巷道，在煤层中布置地下气化炉，人可以下到煤层中，在煤层中为气化做充分的准备工作。而钻井式气化是通过钻孔打到煤层中，然后在钻孔中点燃煤层。由于两种工艺不同，所以对点火技术的要求也不同。矿井式地下气化炉的点火，由于人可以下到煤层中，在煤层中准备好点火设施，所以点火比较容易。钻井式地下气化炉的点火是钻井式地下气化的一项关键技术，相对来说要困难得多，主要体现在：1、钻孔的直径有限，一般在100-300mm之间，所揭露的煤层表面较小，点火空间狭小；2、钻孔比较深，一般深度在300-1000mm之间，对于深部煤层，钻孔深度甚至大于1000m，点火器材难以下放；3、钻孔底部常常积水，点火区煤层被水浸泡。因此，开发特殊条件下的深孔点火技术对煤炭地下气化来说十分必要。

目前钻井式地下气化钻孔点火常用的方法有二种：焦炭点火和电点火。

焦炭点火就是将焦炭在地面燃烧成炽热状后，直接投入钻孔，炽热的焦炭自由下落到孔底煤层中，立即向钻孔压风，利用炽热的焦炭将煤层点燃。这种方法的缺点是：(1)当钻孔较深是，焦炭有可能在下落过程中燃尽熄灭；(2)当钻孔底部有水时，炽热的焦炭遇水熄灭；(3)焦炭有可能堵塞钻孔，影响下次的点火工作,增加气化过程的阻力，继而增加运行费用，因此，焦炭点火有时并不能将煤层点燃，且风险较大。

电点火方法是用电阻丝做成密闭的电点火器，用导线连接下放到钻孔底部的煤穴中，通电后先加热点火器，再加热煤层而点燃。电点火具有简单安全的优点，但有时点火器不能与煤层很好的接触，在存在地下水的情况下，点火时间较长。因此需要开发一种更适合的点火技术，提高点火的可靠性和有效性。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种点火的可靠性和有效性较高的煤炭地下气化深孔点火系统。

为此，本实用新型的技术方案如下：

一种煤炭地下气化深孔点火系统，包括双套管输气管、点火装置、供氧装置、送风装置、自燃剂输送装置和助燃剂输送装置，所述双套管输气管的一端伸入点火钻孔内，并与所述点火装置连接；双套管输气管的一端伸出点火钻孔外，且该端的外管选择性地与所述供氧装置及/或送风装置连通，该端的内管选择性地与所述自燃剂输送装置及助燃剂输送装置连通；

所述点火装置包括外套管、内套管、喷嘴座和至少3个点火喷嘴，所述外套管和内套管分别与双套管的外管和内管连接，内套管下部与所述喷嘴座螺纹连接或焊接；在内套管的圆周方向等间距设置有数量和位置与所述点火喷嘴相适应的螺纹通孔，每个点火喷嘴的一端均安装在相应的螺纹通孔上；在与每个点火喷嘴另一端的位置相对应处的外套管上分别形成有相应的孔，所述的孔与点火喷嘴端面之间形成间隙；所述外套管的底部封闭，在该底部上放置有金属钠，所述金属钠由石蜡包裹；所述点火钻孔的顶部由管道可选择地封闭，在该管道上安装有压力计和阀门。

其中，所述供氧装置包括氧气瓶和连接氧气瓶与双套管输气管的外管的送氧管道，在所述送氧管道上安装有氧气阀和氧气流量表；所述送风装置包括空压机和连接空压机与双套管输气管的外管的送风管道，在所述送风管道上安装有空气流量控制阀和空气流量计；所述自燃剂输送装置包括自燃剂罐和连接自燃剂罐与双套管输气管的内管的自燃剂管道，在所述自燃剂管道上安装有自燃剂流量表和自燃剂控制阀；所述助燃剂输送装置包括助燃剂罐和连接助燃剂罐与双套管输气管的内管的助燃剂管道，在所述助燃剂管道上安装有助燃剂流量表和助燃剂控制阀。

优选的是，在与所述外套管上孔的下口平齐的位置处还设置有水位检测探头。

优选的是，所述外套管和内套管的长度为3～6m，材质为耐高温不锈钢或合金刚。

利用上述煤炭地下气化深孔点火系统进行点火的方法包括以下步骤：

1)将所述点火装置下放至点火钻孔内，直至下放到煤层，并用水位检测探头测量钻孔中的水位高度；

2)关闭所述阀门，由空压机注入高压空气，测量点火钻孔内的压力，使压力上升到大于钻孔里的水头压力，迅速打开所述阀门，气水混合物在高气压作用下由点火钻孔的孔口喷出，重复该过程，直至点火钻孔内的水位降低到点火喷嘴以下；

3)用氮气吹扫所述内套管内的空气，当氮气通入量达到或大于内套管体积的2-4倍后，关闭氮气阀门，停止吹扫；

4)启动所述空压机，向内套管和外套管之间的环形空间内注入空气，打开氧气阀，注入氧气，调整氧气和空气的比例，使氧气浓度为21％～50％(V/V)，其间，保持点火钻孔孔口阀门打开；同时打开自燃剂控制阀和助燃剂阀门，调整自燃剂和助燃剂的流量比为1:(2～5)(V/V)，保持自燃剂和助燃剂的总流量是氧化剂流量的1/(10～20)；

5)自燃剂和助燃剂的混合可燃气体由喷嘴喷出，遇到氧化剂后自燃剂自燃产生火焰，点燃助燃剂，自燃剂和助燃剂燃烧产生的火焰喷向煤壁，点燃煤层；

6)喷嘴燃烧的高温使点火装置底部的积水蒸发，金属钠浮出水面，密封的蜡融化，金属钠遇水后燃烧，产生二次火焰，确保点燃助燃剂；

7)井下燃烧产生的烟气通过点火装置与双套管输气管之间的空间返到地面，并排到大气中，通过分析烟气中的O₂和CO含量，来判断地下煤层是否被点燃，如果氧含量低，则增大氧化剂的供给量，通过氧气消耗量的大小来判断煤层燃烧范围；

8)当烟气中的CO的含量大于5％时，说明煤层已燃烧并达到了一个较大的范围，此时，停止注入自燃剂和助燃剂，使氧化剂的氧气全部用于煤层燃烧；

9)逐步关闭点火钻孔孔口的阀门，提高点火孔的压力，同时提高氧化剂的压力和流量，使火焰工作面向煤层内部渗透，扩大煤层燃烧范围；

10)根据出口烟气中的碳含量，计算煤层燃烧量，当燃烧煤量达到设计值后维持12～24小时的燃烧时间，进一步扩大煤层燃烧范围；

11)点火成功后，经点火钻孔的孔口泄压，提出点火装置，并立即向孔内注入氧化剂，过渡到气化炉正常气化阶段。

所述自燃剂为硅烷，所述助燃剂为液化气或天然气，所述氧化剂为氧气和空气。

本实用新型的点火系统将自燃剂和助燃剂的混合气体以及遇水自燃的金属钠送到钻孔底部的煤穴中，同时将空气或氧气输送到点火煤穴中，自燃气体在点火装置处遇氧气自燃，同时金属钠遇到水后自燃，两种自燃物质产生的明火点燃助燃气体，助燃气体燃烧后点燃煤层，实现煤炭的地下气化深孔点火，可广泛应用于深井等远距离点火领域。

本实用新型具有以下有益效果：

1、利用自燃剂遇氧自燃和金属钠遇水自燃的特点点燃助燃剂，助燃剂燃烧再点燃煤层，避免了其他点火方式向钻孔里下放点火材料、易产生钻孔堵塞的问题；

2、自燃剂和氧化剂的通入量、通入比例和通入时间可以在地面控制，能够提供足够的温度和点火时间，直至把煤层点燃，并形成大范围的点火区，避免了其他点火方法因点火源存在时间短而难以点燃煤层的风险；

3、利用双套管点火系统，可以吹扫钻孔里积水，避免了水对点火过程的影响。

附图说明

图1是本实用新型中点火装置的结构示意图；

图2是图1中喷嘴处的剖面结构示意图；

图3是本实用新型的点火系统的结构示意图。

图中：

1、外套管 2、喷嘴座 3、点火喷嘴 4、内套管 5、孔 6、水位检测探头 7、金属钠块8、阀门 9、压力计 10、氧气瓶 11、氧气阀 12、氧气流量表 13、空气流量计 14、空气流量控制阀 15、空压机 16、自燃剂流量表 17、自燃剂控制阀 18、自燃剂罐 19、助燃剂流量表20、助燃剂控制阀 21、助燃剂罐 22、双套管输气管 23、岩层和表土层 24、点火钻孔 25、煤层

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的点火系统的结构进行详细说明。

如图1-图3所示，本实用新型的点火系统包括双套管输气管22、点火装置、供氧装置、送风装置、自燃剂输送装置和助燃剂输送装置。双套管输气管22的一端伸入点火钻孔24内，并与所述点火装置连接。双套管输气管22的一端伸出点火钻孔24外，且该端的外管选择性地与所述供氧装置及/或送风装置连通(即：可以只与供氧装置或送风装置连通，也可以同时与供氧装置和送风装置连通，通过管道上的阀门控制管道的开度)，该端的内管选择性地与所述自燃剂输送装置及助燃剂输送装置连通(即：该端的内管与自燃剂输送装置和助燃剂输送装置连接，需要连通时，内管与自燃剂输送装置和助燃剂输送装置同时连通，通过管道上的阀门控制管道的开度)。

所述点火装置包括外套管1、内套管4、喷嘴座2和至少3个点火喷嘴3。外套管1和内套管4分别与双套管输气管22的外管和内管连接，内套管4的下端与喷嘴座2螺纹连接或焊接。在内套管4的圆周方向等间距设置有数量和位置与点火喷嘴3相适应的螺纹通孔，每个点火喷嘴3的一端均安装在相应的螺纹通孔上；在与每个点火喷嘴3另一端的位置相对应处的外套管1上分别形成有相应的孔5，孔5与点火喷嘴3的端面之间形成间隙，以便空气及/或氧气通过。外套管1的底部封闭，在该底部上放置有金属钠7，金属钠7由石蜡包裹。点火钻孔24的顶部由管道可选择地封闭，在该管道上安装有压力计9和阀门8。

所述供氧装置包括氧气瓶10和连接氧气瓶10与双套管输气管22外管的送氧管道，在所述送氧管道上安装有氧气阀11和氧气流量表12。所述送风装置包括空压机15和连接空压机15与双套管输气管的外管的送风管道，在所述送风管道上安装有空气流量控制阀14和空气流量计13。所述自燃剂输送装置包括自燃剂罐18和连接自燃剂罐18与双套管输气管22的内管的自燃剂管道，在所述自燃剂管道上安装有自燃剂流量表16和自燃剂控制阀17。助燃剂输送装置包括助燃剂罐21和连接助燃剂罐21与双套管输气管22的内管的助燃剂管道，在所述助燃剂管道上安装有助燃剂流量表19和助燃剂控制阀20。

另外，在与外套管1上的孔5的下沿平齐的位置处还设置有水位检测探头6，以探测点火钻孔24内的水位并判断点火喷嘴3是否在水位以上。

优选的是，外套管1和内套管4的长度为3～6m，材质为耐高温不锈钢或合金刚。

利用上述点火系统进行点火的方法包括以下步骤：

1)将所述点火装置下放至点火钻孔24内，直至下放到煤层25处，并用水位检测探头6测量钻孔24中的水位高度；

2)关闭点火钻孔24顶部管道上的阀门8，由空压机15注入高压空气，测量点火钻孔24内的压力，使压力上升到大于钻孔内的水头压力，然后迅速打开阀门8，气水混合物在高气压作用下由点火钻孔24的孔口喷出。重复该过程，直至点火钻孔内的水位降低到点火喷嘴3以下；

3)用氮气吹扫内套管4内的空气，当氮气通入量达到或大于内套管体积的2-4倍后，关闭氮气阀门，停止吹扫；

4)启动空压机15，向内套管4和外套管1之间的环形空间内注入空气，打开氧气阀11，注入氧气，调整氧气和空气的比例，使氧气浓度为21％～50％(V/V)，总流量达到设计值，一般保持在500～1000m³/h。其间，保持点火钻孔孔口阀门8打开；同时打开自燃剂控制阀17和助燃剂阀20，调整自燃剂和助燃剂的流量比为1:(2～5)(V/V)，保持自燃剂和助燃剂的总流量是氧化剂流量的1/(10～20)；

5)自燃剂和助燃剂的混合可燃气体由点火喷嘴3喷出，遇到氧化剂后自燃剂自燃产生火焰，点燃助燃剂，助燃剂燃烧，形成20-50cm长的火焰，喷向钻孔煤壁，点燃煤层(可燃气体由喷嘴喷出产生负压的作用，使可燃气体和氧化剂很好的混合，产生高温火焰，同时由于氧化剂过量，多余的氧气用于煤层燃烧)；

6)喷嘴燃烧的高温使点火装置底部的积水蒸发，金属钠块7浮出水面，密封的蜡融化，金属钠遇水后燃烧，产生二次火焰，确保点燃助燃剂；

7)井下燃烧产生的烟气通过点火装置与双套管输气管22之间的空间返到地面，并排到大气中，通过分析烟气中的O₂和CO含量来判断地下煤层是否被点燃，如果氧含量低，则增大氧化剂的供给量，通过氧气消耗量的大小来判断煤层燃烧范围；

8)当烟气中的CO的含量大于5％时，说明煤层已燃烧并达到了一个较大的范围，此时，停止注入自燃剂和助燃剂，使氧化剂的氧气全部用于煤层燃烧；

9)逐步关闭点火钻孔孔口的阀门，提高点火孔的压力，同时提高氧化剂的压力和流量，使火焰工作面向煤层内部渗透，扩大煤层燃烧范围；

10)根据出口烟气中的碳含量，计算煤层燃烧量，当燃烧煤量达到设计值后维持12～24小时的燃烧时间，进一步扩大煤层燃烧范围；

11)点火成功后，经点火钻孔的孔口泄压，提出点火装置，并立即向孔内注入氧化剂，过渡到气化炉正常气化阶段。

在该实施例中，所使用的自燃剂为硅烷；所使用的助燃剂为液化气或天然气；送风装置输送的是空气。所述氧化剂为氧气及/或空气。

在本实用新型的一个实施例中，喷嘴座2的材质为耐高温不锈钢或合金刚；喷嘴3的材质为耐高温不锈钢或合金刚。喷嘴3的外伸长度等于外套管1的内径；在外套管1与喷嘴对应的位置上开4个直径大于喷嘴外径4～8mm的孔5，以便空气或氧气在此与自燃剂相遇而自燃，引燃助燃剂。

Claims (7)

1.一种煤炭地下气化深孔点火系统，其特征在于：包括双套管输气管、点火装置、供氧装置、送风装置、自燃剂输送装置和助燃剂输送装置，

所述双套管输气管的一端伸入点火钻孔内，并与所述点火装置连接；双套管输气管的一端伸出点火钻孔外，且该端的外管选择性地与所述供氧装置及/或送风装置连通，该端的内管选择性地与所述自燃剂输送装置及助燃剂输送装置连通；

所述点火装置包括外套管、内套管、喷嘴座和至少3个点火喷嘴，所述外套管和内套管分别与双套管的外管和内管连接，内套管下部与所述喷嘴座螺纹连接或焊接；在内套管的圆周方向等间距设置有数量和位置与所述点火喷嘴相适应的螺纹通孔，每个点火喷嘴的一端均安装在相应的螺纹通孔上；在与每个点火喷嘴另一端的位置相对应处的外套管上分别形成有相应的孔，所述的孔与点火喷嘴端面之间形成间隙；

所述外套管的底部封闭，在该底部上放置有金属钠，所述金属钠由石蜡包裹；

所述点火钻孔的顶部由管道可选择地封闭，在该管道上安装有压力计和阀门。

2.根据权利要求1所述的煤炭地下气化深孔点火系统，其特征在于：所述供氧装置包括氧气瓶和连接氧气瓶与双套管输气管的外管的送氧管道，在所述送氧管道上安装有氧气阀和氧气流量表。

3.根据权利要求2所述的煤炭地下气化深孔点火系统，其特征在于：所述送风装置包括空压机和连接空压机与双套管输气管的外管的送风管道，在所述送风管道上安装有空气流量控制阀和空气流量计。

4.根据权利要求3所述的煤炭地下气化深孔点火系统，其特征在于：所述自燃剂输送装置包括自燃剂罐和连接自燃剂罐与双套管输气管的内管的自燃剂管道，在所述自燃剂管道上安装有自燃剂流量表和自燃剂控制阀。

5.根据权利要求4所述的煤炭地下气化深孔点火系统，其特征在于：所述助燃剂输送装置包括助燃剂罐和连接助燃剂罐与双套管输气管的内管的助燃剂管道，在所述助燃剂管道上安装有助燃剂流量表和助燃剂控制阀。

6.根据权利要求5所述的煤炭地下气化深孔点火系统，其特征在于：在与所述外套管上孔的下口平齐的位置处设置有水位检测探头。

7.根据权利要求6所述的煤炭地下气化深孔点火系统，其特征在于：所述外套管和内套管的长度为3～6m，材质为耐高温不锈钢或合金刚。