CN112431582B - 能够实现多种介质并输的煤炭地下气化系统及气化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够实现多种介质并输的煤炭地下气化系统，包括一根连续不断的复合材料连续管，复合材料连续管的前端连接气水混合燃烧器，复合材料连续管的后端与井上待输介质接口相连接；所述复合材料连续管包括外管，外管的管腔内分布有至少三根内管；各所述内管与外管之间设置有填充体；第一内管为金属管，第一内管的外壁设置有隔热层；第一内管的管腔作为液氧灌注通道；第二内管为非金属管；第二内管的管腔作为输水通道；所述填充体采用隔热材料。本发明利用多孔复合材料连续管，能够实现液氧、水、气等多介质并输，以保证拥有足够流量的助燃气体和水蒸汽参与煤炭地下气化。本发明还公开了一种多种介质并输的煤炭地下气化方法。

Description

能够实现多种介质并输的煤炭地下气化系统及气化方法

技术领域

本发明涉及一种煤炭地下气化设备，具体涉及一种能够实现多种介质并输的煤炭地下气化系统。本发明还涉及一种多种介质并输的煤炭地下气化方法。

背景技术

中国是煤炭储存大国，煤炭一直是中国的能源主角，大规模应用于发电、采暖、冶炼、化肥等领域。但是，煤炭的空间分布并不均衡，开采、运输、燃烧，需要巨大的成本，甚至造成惊人的浪费和粉尘污染。随着浅层煤炭资源的枯竭，开采成本不断提高，埋深于800米以下的煤层，用传统井工方式开采，不仅技术难度大，也不经济。煤炭的传统开采和使用方式已越来越不符合现代社会的环境治理标准。然而，煤炭资源被人类有效利用的仅是一小部分，难采的边边角角和薄煤层都放弃了；埋深于800～2000米的煤炭储量因传统井工开采困难都还沉睡在地球深部。为使煤炭资源得到清洁利用、以及能够把埋深800米以下煤炭资源经济地开采出来，煤炭地下气化是主要的技术发展方向。

早在100多年前，煤炭地下气化技术就有人提出，苏联、美国、澳大利亚和欧洲等主要工业发达国家曾持续几十年开展研究，而最近二、三十年，中国成为煤炭地下气化技术研究的重镇。煤炭地下气化涉及较多技术领域，地球深部煤层建炉技术、煤层水控制技术和向井底输送足量助燃气液物质，是实现可控燃烧的三项关键技术。上世纪在油气领域发展起来的水平钻井技术，已使煤层水平建炉和煤层水控制的难题迎刃而解；唯有向井底输送足量助燃物质实现可控燃烧，仍然难以实现。

有意义的可控燃烧需要将足量的助燃气体从地面高效送入井下，满足经济规模效益；同时又有可控量的水蒸气参与气化，以保证获得高品质组分的混合气体。煤层出水状况的控制是煤炭地下气化成功与否的关键因素之一，足量的水蒸气参与气化，可以提高混合气体的组分品质，不能太少，但是，也不能太多。来自目标气化煤层周围的水量，或者是经过井筒沿途汇集流入炉膛的水量，难以控制，都会影响煤炭气化品质。随着水平井技术的发展，使得在煤层底板处合理分布水平井网成为易事。整个井场的煤层所含水量均可借这些疏水通道汇集于低处，建若干采水井通过电潜泵抽取到地面，经沉淀池沉淀后，沿多孔管的一孔或两孔回注下井，参与煤炭气化，恰好还可以解决煤炭气化的水资源问题。同时，还要实现随时点火和对炉膛温度等燃烧状况的监控。所以，相关传感器的安放和信号传输，都极富技术挑战。

目前，用金属管线分别实现的气水并注，只在浅部地层的实验型项目里可以实现，只能是小规模的。而理想的经济炉体长度需要长达1000米，加上井深尺度，管线连续长度至少需要达到1500米以上，甚至2000～3000米。

要保证有足够大的氧气和水的注入量，又能将相关敷缆、传感器集成于一体，随管体安全送入地下炉体内，要么需要高压泵送氧气，要么需要有足够大口径的通道用于输送富氧气体。而在金属管道内高压高速输送氧气，极易引起爆炸；大口径金属管下井，每十米左右就需要连接，存在腐蚀泄漏等问题，都难以达到安全要求；传感器、数据线、电缆等综合功能器件更难以集于一身，难以安全起下井。这些技术障碍的存在，成为煤炭地下气化技术迟迟难以商业化的最主要原因。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够实现多种介质并输的煤炭地下气化系统，它可以使煤炭地下气化技术实现商业化应用。

为解决上述技术问题，本发明能够实现多种介质并输的煤炭地下气化系统的技术解决方案为：

包括一根连续不断的复合材料连续管，复合材料连续管的前端连接气水混合燃烧器，复合材料连续管的后端通过连接金具与井上待输介质接口相连接；所述复合材料连续管包括外管，外管的管腔内分布有至少三根内管；各所述内管与外管之间设置有填充体；第一内管为金属管，第一内管的外壁设置有隔热层；第一内管的管腔作为液氧灌注通道；第二内管为非金属管；第二内管的管腔作为输水通道；所述填充体采用隔热材料。

在另一实施例中，所述复合材料连续管的前端通过井下金具连接过渡管节；

位于所述复合材料连续管前端的第一内管的出口端通过所述过渡管节连接井下液氧管线的入口端，井下液氧管线上设置有高压单向阀和电控阀，井下液氧管线的出口端连接初级液氧气化器的一端，初级液氧气化器的另一端经第一单向阀连接多级液氧气化器的一端，多级液氧气化器的另一端连接所述气水混合燃烧器；位于所述复合材料连续管前端的第二内管的出口端通过所述过渡管节及另一电控阀连接绝热水管的一端，绝热水管的另一端经第二单向阀连接耐高温金属水管的一端，耐高温金属水管的另一端连接所述气水混合燃烧器；所述第一单向阀和第二单向阀的外部套设有电控封隔器，从而将气水混合燃烧器和多级液氧气化器所在的第一井筒环空与初级液氧气化器所在的第二井筒环空分隔开。

在另一实施例中，所述隔热层的厚度不小于3mm；和/或所述隔热层的外壁采用耐低温超高分子材料制作而成，隔热层的外壁内充填有真空隔热材料。

在另一实施例中，所述隔热层的外壁外设置有保温层。

在另一实施例中，所述外管采用非金属材料制成。

在另一实施例中，所述第二内管的管壁内铺设有沿管体的长度方向延伸的多模测温光纤。

在另一实施例中，所述复合材料连续管通过夹持悬挂机构固定悬挂于注入井的井口，复合材料连续管的后端卷绕于设置在地面的收卷机构上；设置于所述收卷机构一侧的夹持机构通过上提运动能够带动所述复合材料连续管的前端后退。

在另一实施例中，所述复合材料连续管的第三内管为金属管，第三内管的外壁设置有隔热层。

在另一实施例中，所述复合材料连续管的第三内管为非金属管。

本发明还提供一种多种介质并输的煤炭地下气化方法，其技术解决方案为，包括以下步骤：

第一步，将气水混合燃烧器下放至生产井的底部；

第二步，将液态氧通过复合材料连续管的液氧灌注通道从地面输送至井下，将常温水通过复合材料连续管的输水通道从地面输送至井下；

第三步，液态氧从第一内管的出口端通过高压单向阀和电控阀进入初级液氧气化器，在初级液氧气化器内进行初步气化；常温水从第二内管的出口端通过另一电控阀进入绝热水管；

第四步，初步气化的液态氧通过第一单向阀进入多级液氧气化器，在沿多级液氧气化器向前流动的过程中逐步气化，在进入气水混合燃烧器之前完全气化；

绝热水管内的常温水通过第二单向阀进入耐高温金属水管，在沿耐高温金属水管向前流动的过程中，接受炉膛高温热辐射而达沸腾，在进入气水混合燃烧器后气化为水蒸气；

第五步，氧气和水蒸气进入气水混合燃烧器后发生混合，受热、体积膨胀升压，混合气水一起喷向炉膛，对煤炭进行燃烧；

第六步，当气水混合燃烧器将其所在位置的煤炭燃尽，使复合材料连续管的前端向后运动，从而带动气水混合燃烧器后退，由于炉膛还处于高温状态，恢复供氧即可恢复燃烧，实现渐退式持续燃烧。

本发明可以达到的技术效果是：

本发明利用多孔复合材料连续管，能够实现液氧、水、气等多介质并输。

本发明液氧和水并输，能够保证拥有足够流量的助燃气体和水蒸汽参与煤炭地下气化的精准可控燃烧气化。

本发明通过多孔复合材料连续管改变富氧气体和水蒸气的注入方式，直接注入液氧和液态水；液氧通过井下多节气化器气化，与雾化水在气水混合燃烧器内混合，一起喷向高温炉膛；喷射出去的含氧气水雾立即蒸发为水蒸汽，参与煤炭的燃烧气化过程。

本发明改大排量鼓风注气为直接注入液氧，极大缩减了对炉体孔径和注入井套管直径的要求，节约了钻井建炉投资；使多孔复合连续管以一小孔径管即可注入可达经济规模的氧气以满足生产要求、简化了地面大功率鼓风设备，节约了投资；液氧虽比低压氧气成本高，却可以省去鼓风机运行成本。而液氧下井膨胀气化后的纯氧助燃，可使煤层在高温环境下气化，更有利于获得高热值混合气，提高了经济效益；并且高温燃烧后，煤焦油等可能会在煤炭气化后给地下水带来污染的有害残留物大幅减少。

塑料管耐高温性能差。本发明能够有效保护纤维增强塑料管在井下与高温区有效隔离，安全工作。第一，设计足够长度的汽化燃烧管节串，使塑料管体与高温炉膛保有安全距离；第二，设隔热封隔器，阻挡来自炉膛的热辐射；第三，液氧管道处于工作状态时，利用井筒内渗流的地层水或从注水管内引出水流，利用液氧的气化吸热物理特性，能够在封隔器和第一节气化管节与井筒管壁之间形成冻结冰层，该冰封封隔恰好为多孔复合材料连续管提供了隔热保护。

附图说明

本领域的技术人员应理解，以下说明仅是示意性地说明本发明的原理，所述原理可按多种方式应用，以实现许多不同的可替代实施方式。这些说明仅用于示出本发明的教导内容的一般原理，不意味着限制在此所公开的发明构思。

结合在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施方式，并且与上文的总体说明和下列附图的详细说明一起用于解释本发明的原理。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明能够实现多种介质并输的煤炭地下气化系统的示意图；

图2是图1中的A部放大示意图；

图3是本发明的复合材料连续管的截面示意图；

图4是本发明的复合材料连续管的另一实施例的截面示意图。

图中附图标记说明：

1为外管， 2为填充体，

3为第一内管， 4为隔热层，

5为液氧灌注通道， 6为第二内管，

7为输水通道， 8为第三内管，

9为二氧化碳气体和氮气灌注通道， 10为复合材料连续管，

11为高压单向阀， 12为电控阀，

13为初级液氧气化器， 14为电控封隔器，

15为多级液氧气化器， 16为气水混合燃烧器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

如图1、图2所示，本发明能够实现多种介质并输的煤炭地下气化系统，包括一根连续不断的复合材料连续管10，复合材料连续管10的前端通过井下金具连接过渡管节；复合材料连续管10的后端通过连接金具与井上各种待输介质接口相连接；

如图3所示，复合材料连续管10包括外管1，外管1的管腔内分布有至少三根内管，即第一内管3、第二内管6、第三内管8；第一内管3的外壁设置有隔热层4；内管与外管1之间设置有填充体2；第一内管3的管腔作为液氧灌注通道5，第二内管6的管腔作为输水通道7，第三内管8的管腔作为煤炭气化所需的惰性气体，如二氧化碳气体和氮气灌注通道9；根据需要，还可以增设更多内管，如第四甚至第五内管，作为煤炭气化所需的其它催化剂的注入通道；

位于复合材料连续管10前端的第一内管3的出口端通过过渡管节连接井下液氧管线的入口端，井下液氧管线上设置有高压单向阀11和电控阀12，井下液氧管线的出口端连接初级液氧气化器13的一端，初级液氧气化器13的另一端通过第一单向阀连接多级液氧气化器15的一端，多级液氧气化器15的另一端连接气水混合燃烧器16；高压单向阀11能够防止液态氧在初级液氧气化器13初级汽化后压力升高而对井下液氧管线构成回压；高压单向阀11可以设置于电控阀12的上游或下游，且位于初级液氧气化器13的上游；

位于复合材料连续管10前端的第二内管6的出口端通过过渡管节连接绝热水管17的一端，绝热水管17的另一端通过第二单向阀连接耐高温金属水管18的一端，耐高温金属水管18的另一端连接气水混合燃烧器16；

第一单向阀和第二单向阀的外部套设有电控封隔器14，从而将气水混合燃烧器16和多级液氧气化器15所在的第一井筒环空与初级液氧气化器13所在的第二井筒环空分隔开。

本发明采用电控封隔器14将气水混合燃烧器16和多级液氧气化器15所在的第一井筒环空与初级液氧气化器13所在的第二井筒环空分隔开，避免第一井筒环空的温度传递给第二井筒环空，以使初级液氧气化器13处于相对较低的温度环境下。

绝热水管17的外层具有绝热保温层，以避免绝热水管17外部的低温进入内部导致水结冰。

初级液氧气化器13具有一组气化管节；多级液氧气化器15由多组气化管节组成，相邻气化管节之间均由单向压力阀连接；为使多级液氧气化器15形成明显的温度梯度，多级液氧气化器15的总长不小于10米。

复合材料连续管10通过夹持悬挂机构固定悬挂于注入井I的井口，复合材料连续管10的后端卷绕于设置于地面的收卷机构上，收卷机构通过旋转运动能够带动复合材料连续管10的前端运动，使复合材料连续管10的前端通过注入井I沿水平井II前后运动；

本发明利用收卷机构实现复合材料连续管的渐退式上收。

隔热层4的厚度不小于3mm，优选为3～8mm；隔热层4能够为第一内管3建立真空隔温屏障，保证第一内管3内的液氧在运输过程中不会受井筒温升的干扰而气化；隔热层4采用耐低温超高分子材料制作而成；优选地，隔热层4的外壁设置有一层保温层，以保证第一内管3的低温不会外溢，避免相邻通道内的液体遇低温结冰；

外管1、第二内管6、第三内管8采用非金属材料；

第二内管6、第三内管8采用纤维/树脂复合材料缠绕形成纤维增强层，能够满足高达30兆帕的工作压力；

第二内管6的管壁内铺设有沿管体的长度方向延伸的多模测温光纤，能够对工作状态的管道全程测温，监测液氧灌注通道5的低温对输水通道7的影响。

第一内管3采用金属材料，如铜、不锈钢等；

填充体2采用隔热材料，使管体环空达到最佳的隔热效果，保证液氧在下注途中不会受井筒温升干扰而气化；

作为一实施例，第三内管8也可以采用不锈钢，且第三内管8-1的外壁设置有隔热层8-2，此时第三内管8的管腔可以用于注入其他液体或气体介质，如液态二氧化碳、煤炭气化所需的催化剂等。

本发明多种介质并输的煤炭地下气化方法，包括以下步骤：

第一步，将气水混合燃烧器16下放至生产井III的底部；

由于本发明所采用的复合材料连续管10是柔性管，不能承受推力，将长达1000米长的复合材料连续管10及其前端几吨重的气化管节和气水混合燃烧器16安装至水平井II中非常困难的；本发明利用注入井I、水平井II和生产井III所形成的U型井，从生产井III下放一爬行机器人，使爬行机器人爬行至注入井I的井底并挂住位于气水混合燃烧器16前端的圆环挂钩19，就能够使用设置于生产井III井口地面的卷扬机将气水混合燃烧器16及其后部的连续管系统拖拽至点火部位；

第二步，将高压低温的液态氧通过复合材料连续管10的液氧灌注通道5从地面输送至井下，将常温水通过复合材料连续管10的输水通道7从地面输送至井下；

第三步，液态氧从第一内管3的出口端通过高压单向阀11和电控阀12进入初级液氧气化器13，在初级液氧气化器13内进行初步气化；

常温水从第二内管6的出口端通过另一电控阀进入绝热水管17；

第四步，初步气化的液态氧通过第一单向阀进入多级液氧气化器15，在沿多级液氧气化器15向前流动的过程中逐步气化，在进入气水混合燃烧器16之前完全气化；

绝热水管17内的常温水通过第二单向阀进入耐高温金属水管18，在沿耐高温金属水管18向前流动的过程中，接受炉膛高温热辐射而达沸腾，在进入气水混合燃烧器后气化为水蒸气；

第五步，氧气和水蒸气进入气水混合燃烧器16后发生混合，因受热、体积膨胀升压，混合气水一起喷向炉膛，对煤炭进行燃烧；

第六步，当气水混合燃烧器16将其所在位置的煤炭燃尽，通过电控阀门关闭井上和井下各种介质输送管道的出口，通过设置于注入井I井口的夹持悬挂机构和特种起吊设备提升复合材料连续管10，使其前端向后运动，从而带动气水混合燃烧器16后退一个定长距离；由于炉膛还处于高温状态，恢复供氧即可恢复燃烧，实现渐退式持续燃烧；图1中气水混合燃烧器16已将其前方的煤炭燃尽，此时处于水平井II的中部。

本发明的气化原理如下：

液态氧在初级液氧气化器13内初步气化的过程中会大量吸热，导致位于初级液氧气化器13周围以及电控封隔器14后侧的第二井筒环空内的液体结冰，使初级液氧气化器13被冰封在第二井筒环空内，该冰封封隔能够进一步为液氧灌注通道提供隔热保护，避免液态氧在进入多级液氧气化器15之前遇高热急速膨胀而爆炸；

气水混合燃烧器16燃烧时在第一井筒环空内产生热辐射，多级液氧气化器15的气化管节外壳吸收该热辐射，促使气化管节内的液态氧气化膨胀，气化腔内的压力升高，推开气化管节之间的单向阀，已膨胀的氧气进入下一气化管节；下一气化管节距离气水混合燃烧器16更近，其外壳承受更高热辐射，会使氧气继续膨胀，推开下一节的单向阀；氧气依次进入气水混合燃烧器16，最后喷向炉膛；

常温水在沿耐高温金属水管18向前流动的过程中，能够随着温度逐步升高而逐步气化，在达到气水混合燃烧器16时气化为水蒸气；

氧气和水蒸气在气水混合燃烧器16内混合，对煤炭进行燃烧。

气水混合燃烧器16采用现有技术，在此不做赘述。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形，而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

Claims (9)

1.一种能够实现多种介质并输的煤炭地下气化系统，其特征在于：包括一根连续不断的复合材料连续管，复合材料连续管的前端连接气水混合燃烧器，复合材料连续管的后端通过连接金具与井上待输介质接口相连接；

所述复合材料连续管包括外管，外管的管腔内分布有至少三根内管；各所述内管与外管之间设置有填充体；

第一内管为金属管，第一内管的外壁设置有隔热层；第一内管的管腔作为液氧灌注通道；

第二内管为非金属管；第二内管的管腔作为输水通道；

所述填充体采用隔热材料；

所述复合材料连续管的前端通过井下金具连接过渡管节；

位于所述复合材料连续管前端的第一内管的出口端通过所述过渡管节连接井下液氧管线的入口端，井下液氧管线上设置有高压单向阀和电控阀，井下液氧管线的出口端连接初级液氧气化器的一端，初级液氧气化器的另一端经第一单向阀连接多级液氧气化器的一端，多级液氧气化器的另一端连接所述气水混合燃烧器；

位于所述复合材料连续管前端的第二内管的出口端通过所述过渡管节及另一电控阀连接绝热水管的一端，绝热水管的另一端经第二单向阀连接耐高温金属水管的一端，耐高温金属水管的另一端连接所述气水混合燃烧器；

所述第一单向阀和第二单向阀的外部套设有电控封隔器，从而将气水混合燃烧器和多级液氧气化器所在的第一井筒环空与初级液氧气化器所在的第二井筒环空分隔开。

2.根据权利要求1所述的能够实现多种介质并输的煤炭地下气化系统，其特征在于：所述隔热层的厚度不小于3mm；和/或所述隔热层的外壁采用耐低温超高分子材料制作而成，隔热层的外壁内充填有真空隔热材料。

3.根据权利要求1或2所述的能够实现多种介质并输的煤炭地下气化系统，其特征在于：所述隔热层的外壁外设置有保温层。

4.根据权利要求1所述的能够实现多种介质并输的煤炭地下气化系统，其特征在于：所述外管采用非金属材料制成。

5.根据权利要求1所述的能够实现多种介质并输的煤炭地下气化系统，其特征在于：所述第二内管的管壁内铺设有沿管体的长度方向延伸的多模测温光纤。

6.根据权利要求1所述的能够实现多种介质并输的煤炭地下气化系统，其特征在于：所述复合材料连续管通过夹持悬挂机构固定悬挂于注入井的井口，复合材料连续管的后端卷绕于设置在地面的收卷机构上；设置于所述收卷机构一侧的夹持机构通过上提运动能够带动所述复合材料连续管的前端后退。

7.根据权利要求1所述的能够实现多种介质并输的煤炭地下气化系统，其特征在于：所述复合材料连续管的第三内管为金属管，第三内管的外壁设置有隔热层。

8.根据权利要求1所述的能够实现多种介质并输的煤炭地下气化系统，其特征在于：所述复合材料连续管的第三内管为非金属管。

9.一种多种介质并输的煤炭地下气化方法，其特征在于，利用权利要求1所述的能够实现多种介质并输的煤炭地下气化系统，包括以下步骤：

第一步，将气水混合燃烧器下放至生产井的底部；

第二步，将液态氧通过复合材料连续管的液氧灌注通道从地面输送至井下，将常温水通过复合材料连续管的输水通道从地面输送至井下；

第三步，液态氧从第一内管的出口端通过高压单向阀和电控阀进入初级液氧气化器，在初级液氧气化器内进行初步气化；常温水从第二内管的出口端通过另一电控阀进入绝热水管；

第四步，初步气化的液态氧通过第一单向阀进入多级液氧气化器，在沿多级液氧气化器向前流动的过程中逐步气化，在进入气水混合燃烧器之前完全气化；

绝热水管内的常温水通过第二单向阀进入耐高温金属水管，在沿耐高温金属水管向前流动的过程中，接受炉膛高温热辐射而达沸腾，在进入气水混合燃烧器后气化为水蒸气；

第五步，氧气和水蒸气进入气水混合燃烧器后发生混合，受热、体积膨胀升压，混合气水一起喷向炉膛，对煤炭进行燃烧；

第六步，当气水混合燃烧器将其所在位置的煤炭燃尽，使复合材料连续管的前端向后运动，从而带动气水混合燃烧器后退，由于炉膛还处于高温状态，恢复供氧即能恢复燃烧，实现渐退式持续燃烧。

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