注氣裝置、煤炭地下氣化系統(tǒng)及煤炭地下氣化方法
【專利摘要】本發(fā)明一方面涉及一種用于煤炭地下氣化的注氣裝置，包括：注水管、筒狀霧化器，在其器壁上圍繞其軸線設(shè)置有噴嘴。另一方面，提供一種煤炭地下氣化系統(tǒng)，設(shè)置有上述注氣裝置。本發(fā)明還提供一種使用上述注氣裝置的煤炭地下氣化方法，通過所述注氣裝置向所述進氣通道中噴射水霧，以吸收進氣通道中的熱量形成水蒸氣進入氣化通道中。經(jīng)注氣裝置的霧化器的噴嘴將液態(tài)水以霧化的形式噴到進氣通道的內(nèi)壁，并在與進氣通道的內(nèi)壁換熱后進一步汽化形成水蒸氣參與氣化工作面的煤層氣化反應(yīng)。由此，有效地保證水蒸氣進入氣化通道，控制氣化工作面溫度，提高煤氣中有效氣體的組分含量。煤炭地下氣化系統(tǒng)可實現(xiàn)由氣化產(chǎn)生的污水的有效地循環(huán)利用。
【專利說明】注氣裝置、煤炭地下氣化系統(tǒng)及煤炭地下氣化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種注氣裝置、一種煤炭地下氣化系統(tǒng)及一種煤炭地下氣化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]煤炭地下氣化是一種高效清潔地利用低品質(zhì)煤炭資源的能源轉(zhuǎn)化技術(shù)，即將處于地下的煤炭直接進行有控制地燃燒，通過對煤的熱作用及化學(xué)作用而產(chǎn)生可燃?xì)怏w的過程。由于不同煤層所處水文地質(zhì)條件的差別，煤炭地下氣化技術(shù)實施后的效果優(yōu)劣有別。尤其在含水較為豐富的煤層中，由于煤層氣化過程是一個體積自膨脹的化學(xué)過程，煤層燃燒過程中放出大量的熱，放出的熱量使煤層中存在的大量的水汽化形成水蒸氣，并在體積膨脹過程中將水蒸氣沿氣化通道驅(qū)送到氣化爐外，使得轉(zhuǎn)化而成的水蒸氣并未能全部有效參與煤層氣化反應(yīng)，由此降低了煤氣中氫氣的含量，從而降低了煤氣的質(zhì)量。
[0003]另外，由于工業(yè)氣化爐氣化通道較長，一般長度范圍從幾十米到幾百米之間。水蒸氣沿氣化通道行進過程中，由于通道壁面的冷卻作用，水蒸氣在到達(dá)氣化爐出氣口時，已形成冷凝污水，形成的冷凝污水隨煤氣排出氣化爐，并經(jīng)地面水氣分離設(shè)備分離后進入污水池。工業(yè)氣化爐規(guī)模大，每天由氣化爐排出大量的冷凝污水，且污水中含有大量的有機污染組分，如果設(shè)置若干大型的污水池，并對冷凝污水進行凈化處理，不僅增加了地下氣化煤氣的生產(chǎn)成本，而且有悖于保護地下水資源的法律法規(guī)。
[0004]專利CN102587884A公開了一種用于地下氣化煤氣冷凝液的利用工藝，該工藝通過在出氣孔設(shè)置高溫煤氣冷卻裝置，將帶有大量水的高溫煤氣冷卻，以獲得較為凈化的干煤氣和煤氣冷凝液，并且將煤氣冷凝液的部分或全部轉(zhuǎn)化進行收集，通過凈化設(shè)備的處理后，利用蒸汽發(fā)生器將冷凝水轉(zhuǎn)化為低壓飽和蒸汽，并通過蒸汽管道將其輸送至煤炭地下氣化爐，以調(diào)節(jié)煤氣的有效氣組分。由于煤炭地下氣化爐的核心反應(yīng)空間在距離地表300米深的地方，任何氣化劑的輸送必須借助深埋于地層的管道，然而管道處于地層中，無法對管道實施保溫措施，且管道在伸到煤層的行程中，還需經(jīng)過若干含水層。綜合上述原因，氣化劑在經(jīng)過管道流動的過程中，必然要與管道壁產(chǎn)生熱量的交換。故而，當(dāng)?shù)蛪赫羝ㄟ^氣化爐的進氣口到達(dá)煤層反應(yīng)區(qū)時，將被重新冷卻變?yōu)樗?，無法實現(xiàn)最初蒸汽的功能，同時消耗了大量的電能產(chǎn)生低壓蒸汽。
[0005]專利CN102606127A公開了一種煤炭地下氣化氣化爐地下水防控方法及裝置，該工藝直接將由煤氣經(jīng)冷卻后的冷凝水收集，然后利用輸送設(shè)備將冷凝水通過管道直接排到地下氣化爐進氣孔底部。該方法中，將大量的水直接通入氣化爐，將會對氣化爐產(chǎn)生一定的負(fù)面影響，影響氣化爐的正常燃燒和氣化，嚴(yán)重的時候?qū)?dǎo)致氣化爐熄滅。在小流量的情況下，由于地下氣化爐的反應(yīng)空間產(chǎn)生一定壓力膜，小流量的水在壓力膜的作用下無法參與到氣化反應(yīng)中。綜上，該專利的方法并沒有將水蒸氣送入氣化通道中，從而并沒有實現(xiàn)改善煤氣組分的作用。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種可以有效地將水蒸氣送入氣化通道的注氣裝置，以及具有該注氣裝置的煤炭地下氣化系統(tǒng)以及煤炭地下氣化方法。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，一方面提供一種用于煤炭地下氣化的注氣裝置，包括:注水管；筒狀霧化器，其兩端分別設(shè)置為敞開的開口端和封閉的封閉端，并且在其器壁上圍繞其軸線設(shè)置有多個噴嘴；其中，注水管的出口流體連通筒狀霧化器的開口端。
[0008]根據(jù)本發(fā)明，沿筒狀霧化器的軸線方向設(shè)置有至少一圈噴嘴，同一圈中的噴嘴均勻地圍繞筒狀霧化器軸線布置并位于同一平面內(nèi)，平面垂直于筒狀霧化器的軸線。
[0009]根據(jù)本發(fā)明，多個噴嘴圍繞筒狀霧化器的軸線布置成至少兩圈，在每相鄰的上下兩圈噴嘴中，下圈中所有噴嘴繞筒狀霧化器的軸線相對于上圈噴嘴旋轉(zhuǎn)恒定角度。
[0010]根據(jù)本發(fā)明，多個噴嘴呈螺旋狀地布置在筒狀霧化器的器壁上，且每相鄰兩個噴嘴圍繞筒狀霧化器的軸線相夾恒定角度。
[0011]根據(jù)本發(fā)明，恒定角度大于5°且小于15°。
[0012]根據(jù)本發(fā)明，噴嘴為貫通的錐形孔，沿著從筒狀霧化器內(nèi)周壁指向其外周壁的方向漸縮。
[0013]根據(jù)本發(fā)明，還包括:設(shè)置于筒狀霧化器的外周壁上的扶正器。
[0014]另一方面，提供一種煤炭地下氣化系統(tǒng)，包括:進氣通道、出氣通道、連通進氣通道和出氣通道的氣化通道；還包括:與出氣通道的出氣口連通的水氣分離器，水氣分離器設(shè)置有排水口 ；與排水口連通的污水池；伸入進氣通道中的注氣裝置，注氣裝置為上述任一項注氣裝置；以及連通污水池和注氣裝置中注水管的污水泵。
[0015]根據(jù)本發(fā)明，還包括:與進氣通道的內(nèi)壁形狀配合地設(shè)置的套管，所述注氣裝置伸入所述套管中，套管與所述注氣裝置中注水管之間空間形成氣化劑注入通道；其中，套管的一端從進氣通道突出并設(shè)置有第一法蘭盤；注水管的入口的外周壁上套設(shè)有第二法蘭盤，第一法蘭盤連接于第二法蘭盤。
[0016]此外，本發(fā)明還提供一種使用有上述中任一項注氣裝置的煤炭地下氣化方法，包括以下步驟:a.建立進氣通道、出氣通道和連通所述進氣通道和所述出氣通道的氣化通道；b.將所述注氣裝置伸入所述進氣通道中；c.通過所述進氣通道注入助燃劑并點燃煤層；d.通過所述進氣通道通入氣化劑；e.通過所述注氣裝置中噴嘴向所述進氣通道中噴射水霧，以吸收進氣通道中的熱量形成水蒸氣，所述水蒸氣由噴入的氣化劑送入氣化通道中。
[0017]根據(jù)本發(fā)明，在所述步驟b中:所述筒狀霧化器的封閉端距離所述氣化通道的底部的距離，位于300mm至IOOOmm的范圍內(nèi)，并根據(jù)煤層所處地質(zhì)條件及煤層厚度的差異，在上述范圍內(nèi)選擇適當(dāng)距離值。
[0018]根據(jù)本發(fā)明，還包括如下步驟:收集由所述出氣通道排出的煤氣中的水蒸氣；將所述水蒸氣冷凝成液態(tài)水；將所述液態(tài)水注入注氣裝置中經(jīng)由所述噴嘴噴出。
[0019]相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果為:
[0020]本發(fā)明的用于煤炭地下氣化過程中的注氣裝置，利用從地面到筒狀霧化器的封閉端的勢能，通過筒狀霧化器的噴嘴將液態(tài)水以霧化的形式噴到進氣通道的內(nèi)壁，并在與進氣通道的內(nèi)壁換熱后(即吸收進氣通道內(nèi)壁的熱量)進一步汽化，形成水蒸氣。上述形成的水蒸氣隨氣化劑進入氣化通道中，并參與氣化工作面的煤層氣化反應(yīng)。由此，一方面水與煤層發(fā)生的吸熱反應(yīng)可降低氣化工作面的反應(yīng)溫度，使不會因氣化工作面的反應(yīng)溫度過高而形成貼附在煤層上的灰層，阻礙煤層氣化。另一方面，水蒸氣與煤層生成氫氣以提高煤氣中有效氣體的組分含量，從而提高了煤氣質(zhì)量。另外，在水與煤層發(fā)生的水解反應(yīng)中，碳原子以一氧化碳分子的形式固定，隨著參與反應(yīng)的液態(tài)水的增加，煤層中的碳也被有效利用，進而提高了煤層的利用率，實現(xiàn)煤炭資源的最大化利用。
[0021 ] 本發(fā)明的煤炭地下氣化系統(tǒng)，將由出氣通道排出的煤氣中的水蒸氣冷凝后循環(huán)經(jīng)注氣裝置以水霧的形式向進氣通道中噴射，并吸熱成水蒸氣進入氣化通道中參與煤層的氣化反應(yīng)，而生成的煤氣中帶有的水蒸氣再次冷凝注入注氣裝置中，由此實現(xiàn)了對于煤層水的資源利用，提高地下氣化系統(tǒng)的能效，尤其是在降低生產(chǎn)成本的前提下，改善煤氣成分和提聞地下氣化系統(tǒng)效率。
[0022]本發(fā)明的煤炭地下氣化方法，注氣裝置向進氣通道的內(nèi)壁噴射的水霧吸收進氣通道內(nèi)壁的熱量形成水蒸氣，該水蒸氣隨氣化劑共同進入氣化通道中。由此，可有效地保證水蒸氣到達(dá)氣化通道中的氣化工作面并參與煤層的燃燒。由于水蒸氣與煤層的燃燒是吸熱反應(yīng)，所以可以通過水蒸氣有效地到達(dá)控制氣化工作面的溫度，防止氣化工作面的溫度過高而引起灰分附著于煤層上阻礙氣化。此外，水蒸氣與煤層的反應(yīng)生成一氧化碳和氫氣，從而改善了煤氣中的有效組分，提高了煤氣的質(zhì)量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明的注氣裝置的一個實施例用于煤炭地下氣化過程中的示意圖；
[0024]圖2是圖1示出的設(shè)置霧化器設(shè)置于套管中的橫截面圖；
[0025]圖3是本發(fā)明的煤炭地下氣化系統(tǒng)的第一個實施例的示意圖；
[0026]圖4是本發(fā)明的煤炭地下氣化系統(tǒng)的第二個實施例的示意圖；
[0027]圖5是使用本發(fā)明的煤炭地下氣化方法的一個實施例的示意圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明【具體實施方式】進行描述。
[0029]參照圖1，本發(fā)明的用于煤炭地下氣化的注氣裝置12的一個實施例，其包括:注水管I和筒狀霧化器2，其兩端分別設(shè)置為敞開的開口端和封閉的封閉端，并且在其器壁上圍繞其軸線設(shè)置有噴嘴，其中，注水管I的出口流體連通筒狀霧化器2的開口端。
[0030]如圖1示出的，是將注氣裝置12用于一個實例性的地層中，該地層由地面依次向下為上覆蓋層18、含水層17、頂板巖層16和煤層18，進氣通道5由地面貫通到煤層15中，并與煤層18中的氣化通道7連通，氣化通道7中的煤層燃燒，并形成氣化工作面，即煤層進行氣化燃燒的區(qū)域，另外，在進氣通道5的內(nèi)表面可貼合地設(shè)置有套管13。
[0031]本發(fā)明的用于煤炭地下氣化過程中的注氣裝置，利用從地面到筒狀霧化器的封閉端的勢能，通過筒狀霧化器的噴嘴將液態(tài)水以霧化的形式噴到進氣通道的內(nèi)壁(當(dāng)設(shè)置有上述套管13是，為套管13的內(nèi)周壁)，并在與進氣通道的內(nèi)壁換熱后(即吸收進氣通道內(nèi)壁的熱量)進一步汽化，形成水蒸氣。上述形成的水蒸氣隨氣化劑進入氣化通道中，并參與氣化工作面的煤層氣化反應(yīng)。由此，一方面水與煤層發(fā)生的吸熱反應(yīng)可降低氣化工作面的反應(yīng)溫度，使不會因氣化工作面的反應(yīng)溫度過高而形成貼附在煤層上的灰層，阻礙煤層氣化。另一方面，水蒸氣與煤層生成氫氣以提高煤氣中有效氣體的組分含量，從而提高了煤氣質(zhì)量。另外，在水與煤層發(fā)生的水解反應(yīng)中，碳原子以一氧化碳分子的形式固定，隨著參與反應(yīng)的液態(tài)水的增加，煤層中的碳也被有效利用，進而提高了煤層的利用率，實現(xiàn)煤炭資源的最大化利用。
[0032]進一步，在本實施例中，筒狀霧化器2沿其軸線方向設(shè)置有至少一圈噴嘴3，同一圈中的噴嘴3均勻地圍繞軸線布置并其軸線位于同一平面內(nèi)，平面垂直于筒狀霧化器2的軸線。并且，多個噴嘴3圍繞軸線布置成至少兩圈，在每相鄰的上下兩圈噴嘴中，下圈中所有噴嘴繞軸線相對于上圈所有噴嘴旋轉(zhuǎn)恒定角度。例如，相鄰兩圈噴嘴中，沿筒狀霧化器2的封閉端指向開口端的方向，最靠近封閉端的一圈為上圈，最遠(yuǎn)離封閉端的一圈為下圈，以上圈中所有嗔嘴為基準(zhǔn)，下圈中的所有嗔嘴相對于上圈中的所有嗔嘴轉(zhuǎn)到恒定角度。更具體地，沿封閉端指向開口端的方向，以第一層噴嘴(最靠近封閉端的一層噴嘴)基準(zhǔn)，第二層噴嘴與第一層噴嘴設(shè)置的噴嘴個數(shù)完全相同，第二層噴嘴相對第一層噴嘴轉(zhuǎn)動一個角度形成。第三層噴嘴以第二層噴嘴基準(zhǔn)，第三層噴嘴與第二層噴嘴設(shè)置的噴嘴個數(shù)完全相同，第三層噴嘴相對第二層噴嘴轉(zhuǎn)動一個與第一層和第二層相夾角度相同的角度形成。以此類推，直至最后一層噴嘴。由此，噴嘴3在筒狀霧化器2的器壁上呈多條螺旋線狀地設(shè)置。呈螺旋線狀的設(shè)置噴嘴3，可以更均勻地吸收進氣通道內(nèi)壁的熱量，確保了有足夠的熱量使全部的水霧蒸發(fā)為水蒸氣進入氣化通道中。另外，當(dāng)進氣通道中設(shè)置有套管時，由呈螺旋形布置的噴嘴噴射出的水霧可以均勻地吸收套管上的熱量，避免僅對于套管上豎直方向的一個或幾個條形管壁降溫。當(dāng)然，也可以是由沿筒狀霧化器2的開口端指向封閉端的方向，最靠近開口端的一圈為上圈，最遠(yuǎn)離開口端的一圈為下圈。另外，優(yōu)選地，恒定角度大于5°且小于 15°。
[0033]進一步參照圖1，注氣裝置還包括設(shè)置于筒狀霧化器2的外周壁上的扶正器4。扶正器4可保證筒狀霧化器2的外周面與進氣通道4的內(nèi)壁具有間隙，即在筒狀霧化器2的外周面與進氣通道4的內(nèi)壁之間形成環(huán)隙(圖2中清晰地示出)，使得通入進氣通道的氣化劑能夠經(jīng)此環(huán)隙進入到氣化通道中，并且將環(huán)隙中的水霧汽化而成的水蒸氣帶到氣化通道中。
[0034]參照圖2，在本實施例中，每層噴嘴設(shè)置有4個噴嘴3，4個噴嘴3均勻地圍繞筒狀霧化器的軸線(在圖2中，軸線為圓心點)設(shè)置。即，4個噴嘴3中每相鄰的兩個噴嘴3之間的夾角為90°。另外，如圖2示出的，噴嘴3為貫通的錐形孔，沿著從筒狀霧化器2內(nèi)周壁指向其外周壁的方向漸縮，即沿由筒狀霧化器內(nèi)周壁指向外周壁的方向，噴嘴3的截面面積逐漸變小。
[0035]當(dāng)然，噴嘴3在筒狀霧化器2器壁上的布置形式不局限于上述方式，可選地，噴嘴3呈螺旋狀地布置在筒狀霧化器2的器壁上，且每相鄰兩個噴嘴3圍繞筒狀霧化器2的軸線相夾恒定角度。優(yōu)選地，恒定角度為大于5°且小于15°。換言之，間隔的垂直于筒狀霧化器軸線的每個平面中只有一個噴嘴3，在筒狀霧化器2的器壁上的噴嘴3形成了一條螺旋線。由此，也可理解，在本實施例中的每層中有多個噴嘴的時候，在筒狀霧化器2的器壁上的噴嘴3形成了多條間隔開地，相同的螺旋線。
[0036]另外，每層噴嘴依次圍繞筒狀霧化器2的軸線向同一方向旋轉(zhuǎn)90°設(shè)置時，噴嘴3在筒狀霧化器2的器壁上呈多條平行于筒狀霧化器2的直線形設(shè)置。當(dāng)然，噴嘴3也可以不規(guī)則的設(shè)置在筒狀霧化器2的表面。[0037]優(yōu)選地，筒狀霧化器2和注氣管I之間通過法蘭連接或者螺紋連接。
[0038]參照圖3，本發(fā)明的一種煤炭地下氣化系統(tǒng)的一個實施例，包括進氣通道5、出氣通道6、連通進氣通道5和出氣通道6的氣化通道7，還包括伸入進氣通道5中的上述任一項的注氣裝置12、與出氣通道6的出氣口連通的水氣分離器9，其中，水氣分離器9設(shè)置有排水口，排水口連通至污水池10，污水泵11將污水池10和注氣裝置12中注水管I入口連通。
[0039]如圖3示出的，是將在一個實例性的地層中建立本實施例的煤炭地下氣化系統(tǒng)，該地層由地面依次向下為上覆蓋層18、含水層17、頂板巖層16和煤層18，進氣通道5由地面貫通到煤層15中，并與煤層18中的氣化通道7連通，氣化通道7中的煤層燃燒，并形成氣化工作面，即煤層進行氣化燃燒的區(qū)域，另外，在進氣通道5的內(nèi)表面可貼合地設(shè)置有套管13。
[0040]在本實施例中，還包括:與進氣通道5的內(nèi)壁形狀配合地設(shè)置的套管13，注氣裝置12伸入套管13中，套管13與注氣裝置12中注水管I之間空間形成氣化劑注入通道(注水管I和套管13之間的環(huán)隙)。其中，套管13的一端相對進氣通道5突出，并設(shè)置有第一法蘭盤；注水管I入口的外周壁上套設(shè)有第二法蘭盤；第一法蘭盤連接于第二法蘭盤。本實施例的煤炭地下氣化系統(tǒng)還包括氣化劑供應(yīng)裝置，氣化劑供應(yīng)裝置連通至套管13管壁上以將氣化劑8通入氣化劑注入通道中。
[0041]具體為:在進氣通道5里下放帶有筒狀霧化器2的注水管1，其中，筒狀霧化器2連接在注水管I下部，根據(jù)工藝的需要，配置注水管1，選用一般鋼材即可。由于進氣通道5較長，所以可使用多根管道經(jīng)法蘭連接以形成一個長度較長的注水管1，注水管I的總長度取決于煤層的埋深和頂板巖層的深度，筒狀霧化器2的長度取決于煤層厚度和頂板巖層厚度，也就是說，優(yōu)選地，筒狀霧化器2在放置在進氣通道5中使用時，筒狀霧化器2的開口端位于頂板巖層的中間位置。因為頂板巖層的中間以上區(qū)域的溫度較低，使得此處與進氣通道5的內(nèi)壁貼合的套管13的內(nèi)周面溫度較低，由筒狀霧化器2的噴嘴3噴出的水霧遇到此處的低溫內(nèi)壁不會產(chǎn)生熱交換形成水蒸氣。
[0042]連接有筒狀霧化器2的注水管I在套管13的下放深度取決于煤層厚度和深度，筒狀霧化器的封閉端距離氣化通道7底部300mm至1000mm，在本實施例中，根據(jù)所處地質(zhì)條件及煤層厚度的差異，選擇筒狀霧化器的封閉端距離氣化通道7底部的距離為500mm。具體地，本實施例中的煤層所處的地質(zhì)條件及煤層厚度如圖3示出的，地層分別由下到上依次為煤層15、頂板巖層16、含水層17、上覆蓋層18，本實施例中的煤層15的深度在280米，煤層厚度平均為8米，為確保充分利用煤層15的熱量，確定筒狀霧化器2的軸向長度為9米。而綜合考慮筒狀霧化器2下放到煤層15中時，其開口端優(yōu)選地與頂板巖層16的中間位置平齊，選擇筒狀霧化器2的封閉端距離氣化通道7底部500mm。由此，可計算出注水管I和筒狀霧化器2軸向總長為279.5m。當(dāng)然，可理解，在煤層15厚度大于本實施例中的煤層厚度且頂板巖層16的厚度大于本實施例的頂板巖層16時，可適當(dāng)增大筒狀霧化器2的封閉端到氣化通道7底部的距離。反之，減小距離。當(dāng)然根據(jù)不同的地質(zhì)條件和煤層厚度，只要滿足使筒狀霧化器2的開口端位于頂板巖層16的中間位置且其可充分吸收煤層15的熱量的距離即為適當(dāng)距離值。確定下放深度后，即放置到距離氣化通道7底部500mm的位置時，將注水管I頂端(遠(yuǎn)離筒狀霧化器2的一端)穿過預(yù)加工的第二法蘭盤，第二法蘭盤一端預(yù)留與地面注水管道連接的接口，然后將第二法蘭盤與注水管I焊接在一起，并與套管13上的第一法蘭盤連接。另外，筒狀霧化器2底端加裝扶正器4，以確保注水管與套管13之間的環(huán)空間隙均勻，保證氣化劑流動的穩(wěn)定。
[0043]注水管I下放到指定位置后，注水管I入口處利用法蘭將注水管I與套管13連接在一起，并通過管道將入口與污水池10連通，套管13上高于地面的管壁上設(shè)置有氣化劑入口，將該入口與氣化劑供應(yīng)裝置連通，氣化劑順注水管I和套管13之間的環(huán)隙(即，氣化劑注入通道)流動，并與霧化后的污水混合，隨氣化劑進入煤層反應(yīng)區(qū)。
[0044]注水管與污水池連接牢固后，套管13與氣化劑供應(yīng)裝置連接后，可開啟注水管閥門，利用污水泵11將污水池10中的污水泵入注水管1，并利用水的自重沿注水管I向下流動至筒狀霧化器2，由于筒狀霧化器2的封閉段封閉，污水在到達(dá)筒狀霧化器2的封閉端后，借助水的勢能轉(zhuǎn)化為側(cè)向流動的水的動能，利用噴嘴3直射流，將污水霧化，并噴射到套管13的內(nèi)周壁上。
[0045]經(jīng)過霧化的污水在高速噴射條件下，到達(dá)熾熱的套管13的內(nèi)周壁，霧化的污水吸收套管13的熱量之后汽化形成蒸汽，由于持續(xù)不斷的霧化污水吸收大量的熱，使得套管13被降溫，消除了套管13熱漲冷縮的現(xiàn)象，避免了由于套管13熱漲而引起的固井水泥產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)象，進而保證了地下氣化的正常穩(wěn)定運行。另外，還可以延長套管13的使用壽命。汽化之后的蒸汽與從注水管I和套管13環(huán)隙流動而來的氣化劑混合，并在氣體壓力的帶動下，隨氣化劑一起被送到煤層燃燒氧化反應(yīng)區(qū)，參與煤層氣化反應(yīng)，水蒸汽參與反應(yīng)不僅可以調(diào)節(jié)氣化工作面的溫度，同時也可以促進煤氣有效組分的優(yōu)化。
[0046]另外，由出氣通道6排出的煤氣進入氣液分離器9，氣液分離器9將煤氣中的水蒸氣冷凝后形成液態(tài)水(污水)導(dǎo)入污水池10儲存，污水泵11將污水池10中的污水泵入注氣裝置12中的注水管I中，由霧化器2上的噴嘴噴出后形成霧化再吸熱變成水蒸氣，由氣化劑攜帶進入氣化通道7，至此完成一個循環(huán)。由此實現(xiàn)了對于煤層水的資源利用，提高地下氣化系統(tǒng)的能效，尤其是在降低生產(chǎn)成本的前提下，改善煤氣成分和提高地下氣化系統(tǒng)效率，實現(xiàn)了污水的資源化利用。
[0047]當(dāng)然，煤炭地下氣化系統(tǒng)也可建立如圖4所示出的兩個進氣通道5，可分別在兩個進氣通道中設(shè)置注氣裝置，或在其中一個進氣通道中設(shè)置注氣裝置，當(dāng)完成此進氣通道附近范圍內(nèi)的煤層的燃燒后，將注氣裝置取出放入另一進氣通道中。另外，還可設(shè)置具有水平段和傾斜段的定向通道14，定向通道14的水平段連通進氣通道5和出氣通道6，即定向通道14的水平段為氣化通道7。
[0048]另外，在污水泵11和注水管I的入口之間連接的管道上設(shè)置有壓力計21和流量計22。
[0049]參照圖5，本發(fā)明的煤炭地下氣化方法的一個實施例，包括以下步驟:a.建立進氣通道5、出氣通道6和連通進氣通道5和出氣通道6的氣化通道7 ;b.將注氣裝置伸入進氣通道5中；c.通過所述進氣通道注入助燃劑并點燃煤層；d.通過進氣通道5通入氣化劑；
e.通過注氣裝置中的噴嘴向進氣通道5中噴射水霧，以吸收進氣通道5中的熱量形成水蒸氣，水蒸氣由噴入的氣化劑送入氣化通道7中。其中，助燃劑可選地為空氣。
[0050]可選地，在步驟b中:將注氣裝置伸入進氣通道5，直至筒狀霧化器的封閉端距離氣化通道7的底部的距離位于300mm至IOOOmm的范圍內(nèi)，并根據(jù)煤層所處地質(zhì)條件及煤層厚度的差異，在上述范圍內(nèi)選擇適當(dāng)距離值。在本實施例中，距離值選擇500mm。應(yīng)當(dāng)理解，適當(dāng)距離值即為下放到該位置的筒狀霧化器既可充分的利用煤層的熱量，其開口端又位于頂板巖層16的中間位置。另外，還可包括收集由出氣通道6排出的煤氣中的水蒸氣，將水蒸氣冷凝成液態(tài)水，將液態(tài)水注入注氣裝置中，液態(tài)水經(jīng)由噴嘴噴出。由此，可實現(xiàn)由出氣通道6排出的污水的循環(huán)利用。
[0051 ] 進一步參照圖5，具體地，本實施例中，執(zhí)行步驟a，在待開采煤層中建立用于注入氣化劑的進氣通道5、用于排出煤氣的出氣通道6和連通進氣通道5和出氣通道6的氣化通道7，氣化通道7中的煤層氣化燃燒，產(chǎn)生煤氣。另外，在進氣通道5的內(nèi)壁設(shè)置套管13，SP氣化劑注入后不與進氣通道5的內(nèi)壁接觸，而是與套管13的內(nèi)周壁接觸。在執(zhí)行步驟b之前，根據(jù)現(xiàn)場煤層地質(zhì)條件(在本實施例中，地層分別如圖5示出的由下到上依次為:煤層15、頂板巖層16、含水層17、上覆蓋層18)，本實施例中的煤層15的深度在280米，煤層厚度平均為8米，確定筒狀霧化器2的軸向長度為9米?？紤]到上述地質(zhì)條件和優(yōu)選地筒狀霧化器2的開口端頂板巖層16的中間位置平齊，筒狀霧化器2經(jīng)進氣通道5下放到距離氣化通道7底部500mm。由此，可計算出注水管I和筒狀霧化器2軸向總長為279.5m。另外，本實施例中的筒狀霧化器2設(shè)置為:在其器壁上布置18圈噴嘴，每圈噴嘴均勻地布置4個噴嘴，每相鄰兩圈嗔嘴中，下圈中所有嗔嘴相對于上圈中所有嗔嘴旋轉(zhuǎn)10°設(shè)直(以兩圈中最靠近封閉端的一圈為上圈，最遠(yuǎn)離封閉端的一圈為下圈)。依次類推，共布置18圈噴嘴，共計72個噴嘴，噴嘴為貫通霧化器2器壁的錐形噴嘴。
[0052]由此，在確定如何根據(jù)地質(zhì)條件確定注氣裝置的尺寸及筒狀霧化器的結(jié)構(gòu)后，執(zhí)行步驟b，即利用提升機將多個用于形成注水管I的管道通過法蘭收尾順序連接后依次下放，當(dāng)下放到指定位置后(即，當(dāng)筒狀霧化器2的封閉端距離氣化通道7底部500mm時)，將與注水管I連接的法蘭和套管13的法蘭連接，并將注水管I進口經(jīng)過污水泵11與地面污水池10連通，將套管13的氣化劑入口與氣化劑供應(yīng)裝置(圖5中未示出)連接。氣化劑8可通過氣化劑入口與氣化劑供應(yīng)裝置之間的管道進入進氣通道5中。當(dāng)然，還需將出氣通道6與水氣分離器9連通，使得由出氣通道6排出的煤氣可經(jīng)水氣分離器9冷卻，使其中的水蒸氣冷凝成液態(tài)水，去除水蒸汽后的煤氣20進入下一個裝置收集(未示出)。
[0053]執(zhí)行步驟C，通過進氣通道5通入氣化劑，此時通入的氣化劑為空氣。
[0054]執(zhí)行步驟d，點燃煤層。待氣化爐穩(wěn)定后，以純氧(O2)和二氧化碳(CO2)為氣化劑繼續(xù)通入進氣通道5中。兩種氣體以一定比例混合形成氣化爐的氣化劑，可以適當(dāng)加入一定比例的氮氣(N2)以調(diào)節(jié)純氧和二氧化碳的濃度。上述氣化劑在混合器中以一定比例混合后，即可按照工業(yè)性生產(chǎn)方案通入進氣通道5中。氣化劑通入到氣化通道7中的反應(yīng)煤層后，首先與煤層進行燃燒-氧化反應(yīng)，該反應(yīng)放出大量的熱，并生成煤氣。煤層發(fā)生燃燒-氧化反應(yīng)之后，放出的熱量將煤層中的水蒸發(fā)，形成水蒸氣，水蒸氣沿氣化通道7行進過程中被通道壁冷卻后匯集于出氣通道6底部，并隨煤氣排出到地面，經(jīng)過地面水氣分離器9分離后，煤氣經(jīng)過管道送入凈化脫硫工段進行處理加工。分離后的污水首先儲存于污水池10。
[0055]在污水池10中蓄有可注入注氣裝置的污水時，執(zhí)行步驟e，通過注氣裝置向進氣通道5中噴射水霧，以吸收進氣通道5中的熱量形成水蒸氣進入氣化通道7中。具體地，污水通過污水泵進入注水管I之后，沿管道軸向流動進入筒狀霧化器2，由于筒狀霧化器2的封閉端封堵，污水在水流重力勢能的作用下，污水在管道底部通過噴嘴向側(cè)面噴射而出，并全部轉(zhuǎn)化為水的動能。
[0056]因煤層燃燒氧化反應(yīng)，套管13內(nèi)壁被加熱而達(dá)到熾熱狀態(tài)，經(jīng)過噴嘴霧化后的污水遇到熾熱的套管13內(nèi)壁之后，污水吸收熱量被汽化，降低了套管13的壁面溫度，對套管形成了冷卻保護作用，保護了套管免受高溫的影響和破壞，同時實現(xiàn)了污水的資源化利用，確保了地下氣化爐的長周期運行。
[0057]另外，通過此方法可有效地保證水蒸氣到達(dá)氣化通道7中的氣化工作面并參與煤層的燃燒。由于水蒸氣與煤層的燃燒是吸熱反應(yīng)，所以可以通過水蒸氣有效地到達(dá)控制氣化工作面的溫度，防止氣化工作面的溫度過高而引起灰分附著于煤層上阻礙氣化。此外，水蒸氣與煤層的反應(yīng)生成一氧化碳和氫氣，從而改善了煤氣中的有效組分，提高了煤氣的質(zhì)量。
[0058]以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于煤炭地下氣化的注氣裝置，其特征在于，包括: 注水管(I); 筒狀霧化器(2)，其兩端分別設(shè)置為敞開的開口端和封閉的封閉端，并且在其器壁上圍繞其軸線設(shè)置有多個噴嘴(3)； 其中，所述注水管(I)的出口流體連通所述筒狀霧化器(2)的所述開口端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的注氣裝置，其特征在于， 沿所述霧化器(2)的軸線方向設(shè)置有至少一圈所述噴嘴(3)，同一圈中的噴嘴(3)均勻地圍繞所述軸線布置并位于同一平面內(nèi)，所述平面垂直于霧化器(2)的軸線。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的注氣裝置，其特征在于， 所述多個噴嘴(3)圍繞所述軸線布置成至少兩圈，在每相鄰的上下兩圈噴嘴中，下圈中所有噴嘴繞所述軸線相對于上圈所有噴嘴旋轉(zhuǎn)恒定角度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的注氣裝置，其特征在于， 所述多個噴嘴(3)呈螺旋狀地布置在所述筒狀霧化器(2)的器壁上，且每相鄰兩個所述噴嘴(3)圍繞所述軸線相夾恒定角度。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的注氣裝置，其特征在于， 所述恒定角度大于5°且小于15°。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的注氣裝置，其特征在于， 所述噴嘴(3)為貫通的錐形孔，沿著從所述筒狀霧化器(2)內(nèi)周壁指向其外周壁的方向漸縮。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的注氣裝置，其特征在于，還包括: 設(shè)置于所述筒狀霧化器(2)的外周壁上的扶正器(4)。
8.一種煤炭地下氣化系統(tǒng)，包括: 進氣通道(5)、出氣通道(6)、連通所述進氣通道(5)和所述出氣通道(6)的氣化通道(7)； 其特征在于，還包括: 與所述出氣通道(6)的出氣口連通的水氣分離器(9)，所述水氣分離器(9)設(shè)置有排水Π ； 與所述排水口連通的污水池(10)； 伸入所述進氣通道(5)中的注氣裝置(12)，所述注氣裝置(12)為上述權(quán)利要求1 一 7中任一項所述的注氣裝置；以及 連通所述污水池(10)和所述注氣裝置(12)中注水管(I)的污水泵(11)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的煤炭地下氣化系統(tǒng)，其特征在于， 還包括:與所述進氣通道(5)的內(nèi)壁形狀配合地設(shè)置的套管(13)，所述注氣裝置(12)伸入所述套管(13)中，所述套管(13)與所述注氣裝置(12)中注水管(I)之間空間形成氣化劑注入通道； 其中，所述套管(13)的一端從所述進氣通道(5)突出并設(shè)置有第一法蘭盤； 所述注水管(I)的入口的外周壁上套設(shè)有第二法蘭盤， 所述第一法蘭盤連接于所述第二法蘭盤。
10.一種使用上述權(quán)利要求1-7中任一項所述注氣裝置的煤炭地下氣化方法，包括以下步驟: a.建立進氣通道、出氣通道和連通所述進氣通道和所述出氣通道的氣化通道； b.將所述注氣裝置伸入所述進氣通道中； c.通過所述進氣通道注入助燃劑并點燃煤層； d.通過所述進氣通道通入氣化劑； e.通過所述注氣裝置中噴嘴向所述進氣通道中噴射水霧，以吸收進氣通道中的熱量形成水蒸氣，所述水蒸氣由噴入的氣化劑送入氣化通道中。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的煤炭地下氣化方法，其特征在于， 在所述步驟b中:所述筒狀霧化器的封閉端距離所述氣化通道的底部的距離，位于300mm至1000mm的范圍內(nèi)，并根據(jù)煤層所處地質(zhì)條件及煤層厚度的差異，在上述范圍內(nèi)選擇適當(dāng)距離值。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的煤炭地下氣化方法，其特征在于，還包括如下步驟: 收集由所述出氣通道排出的煤氣中的水蒸氣； 將所述水蒸氣冷凝成液態(tài)水； 將所述液態(tài)水注入注氣裝`置中經(jīng)由所述噴嘴噴出。
【文檔編號】E21B43/295GK103670361SQ201310641272
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月2日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月2日
【發(fā)明者】梁杰, 席建奮, 劉淑琴, 錢路新, 王張卿, 崔勇, 梁鯤 申請人:新奧氣化采煤有限公司