本實用新型提供了一種用于煤炭地下氣化工藝的噴頭設(shè)備。特別地，本實用新型提供了一種在煤炭地下氣化工藝中可以連續(xù)注入高濃度氧化劑的噴頭設(shè)備，還提供了該噴頭設(shè)備在煤炭地下氣化工藝中的操作方法。

背景技術(shù)：

煤炭地下氣化（ISC）是一種通過對地下煤層的可控燃燒（不完全燃燒）和氣化反應(yīng)，把煤直接轉(zhuǎn)化為氣體產(chǎn)品的工藝過程。產(chǎn)品氣通常被稱為合成氣，可以作為燃料生產(chǎn)、化工生產(chǎn)、發(fā)電等下游工藝的原料。該工藝過程集合了建井完井、地下采煤和煤氣化工藝技術(shù)，具有安全性好、投資小、效益高、污染少等優(yōu)點。

通過地面鉆井直通煤層，給氧化劑注入和產(chǎn)品氣輸出提供了有效通道。一個用于氧化劑注入的鉆井稱為“注入井”，另外一個用于生產(chǎn)產(chǎn)品氣的鉆井稱為“產(chǎn)品井”。定向水平鉆井和垂直鉆井都可作為注入井或產(chǎn)品井。

當煤層中有注入井、產(chǎn)品井和水平通道將二者連接起來時，此構(gòu)造被稱為一個煤炭地下氣化（ISC）單元或井對。ISC單元包括燃燒區(qū)，氣化區(qū)和熱解區(qū)。通過煤炭地下氣化生成的產(chǎn)品氣（粗合成氣）通常含有合成氣（CO, CO₂, H₂, CH₄及其他氣體的混合物）以及其他成分固體顆粒，水，煤焦油，烴類蒸汽，其他微量組分包括H₂S, NH₄, COS等）。其成分復(fù)雜程度取決于多個方面：煤炭地下氣化所使用的氧化劑（空氣或其他氧化劑，比如氧氣、富氧空氣或蒸汽混合物）、煤層中的內(nèi)在水或周邊地層滲入煤層中的水、煤質(zhì)、以及煤炭地下氣化工藝的操作參數(shù)，包括溫度，壓力等。

在煤炭地下氣化過程中，產(chǎn)品氣質(zhì)量如熱值通常隨著氧化劑的氧濃度升高而升高，但氧濃度太高容易導(dǎo)致燃燒區(qū)溫度太高、回燒強度過大等危險。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，在噴頭設(shè)備上仍存在一定技術(shù)挑戰(zhàn)，尤其是其在高濃度氧化劑應(yīng)用上存在的問題。

公開號為CN103541714A的中國發(fā)明專利說明書公開了一種噴頭及煤炭地下氣化方法。該噴頭設(shè)備包含一種圓柱形殼體，殼體包括兩個部分并通過前孔流通連通。殼體第二部分側(cè)壁上設(shè)有側(cè)孔。噴頭內(nèi)部包括滑動開啟或關(guān)閉側(cè)孔的密封組件和彈簧。該噴頭不適應(yīng)于高濃度氧化劑的煤炭地下氣化工藝。其一，該噴頭氧化劑通道內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通過滑動控制側(cè)孔開啟。較高氧濃度下，金屬件之間的摩擦易產(chǎn)生金屬顆粒，造成顆粒沖擊自燃并燒毀設(shè)備；其二，通過側(cè)孔提高噴頭周圍的煤炭利用率，實際操作存在較多不確定性。噴頭進入煤層鉆孔或套管內(nèi)易發(fā)生旋轉(zhuǎn)，側(cè)孔位置無法定位。當側(cè)孔位于煤層垂直方向，其垂直方向的熱輻射容易造成設(shè)備的熔融或回燒。當側(cè)孔位于煤層水平方向兩側(cè)的預(yù)定位置，實際運行過程中較難控制燃空區(qū)寬度，易造成地層塌陷；其三，當通過注入壓力控制側(cè)孔開關(guān)時，壓力的波動易造成高溫可燃的合成氣逆向流入噴頭并與氧化劑直接接觸，在噴頭內(nèi)部發(fā)生燃燒或爆炸。

公開號為CN104533377A的中國發(fā)明專利說明書公開了一種噴嘴及氣化方法。該噴嘴本體為套管結(jié)構(gòu)，包括中心管和外環(huán)套管，噴嘴頂帽上設(shè)有注氣口，外環(huán)套管設(shè)有多個噴水孔。在此基礎(chǔ)上，公開號為CN104564008A的中國發(fā)明專利說明書公開了一種煤炭地下氣化裝置及氣化方法，即在噴嘴本體周圍安裝射水控制套和控制裝置，并利用高壓射水在氣化前切割新鮮煤層，形成較多裂縫。然而該噴嘴設(shè)備的氧化劑輸送通道為環(huán)隙空間，直接暴露在可能的高溫環(huán)境，且同心設(shè)置的中心管由于自重與外環(huán)套管發(fā)生機械磨損易在氧化劑通道（環(huán)隙空間）產(chǎn)生金屬顆粒，尤其是當噴嘴設(shè)備及裝置在地下煤層內(nèi)前進和后撤進程中，容易造成顆粒沖擊自燃并損毀設(shè)備。噴嘴本體直接暴露與煤層中，當噴嘴在進入工作面的過程中，容易被煤灰，焦油，煤渣等堵塞。整個設(shè)備對于高溫可燃合成氣無逆流保護機制，防止可燃氣體逆向進入噴嘴本體。其注水壓力為燃空區(qū)壓力的1-1.5倍，15-30MPa，遠遠超過常規(guī)煤層的靜水壓。這種情況下，高壓水壓裂在破裂煤層的同時造成煤層上覆和下伏巖層的破壞，易引發(fā)氣化爐突水和泄露危險。

CN205243495U公開了一種噴嘴及氣化劑輸送系統(tǒng)。其中，噴嘴包括陶瓷本體和金屬保護套。該噴嘴僅依靠金屬保護套實現(xiàn)防回燒保護，無任何主動冷卻機制。同時，整個噴嘴和輸送系統(tǒng)無逆流保護機制。因此無法安全有效地使用高濃度氧化劑如純氧進行煤炭地下氣化過程。

CN204455019U公開了一種工藝燒嘴總成，包括燒嘴主體（燒嘴管、輸水管、冷卻管盤）、氣體取樣構(gòu)件（中心管、冷卻管盤）。同心設(shè)置的三條管線由內(nèi)至外分別為輸水管、吹氣管（取樣通道）和燒嘴管（氣化劑通道），同時在三條管線內(nèi)每隔30米左右設(shè)置了3個一組的鋼筋支撐件。然而，氣化劑通道內(nèi)復(fù)雜的金屬結(jié)構(gòu)易發(fā)生機械磨損造成顆粒沖擊自燃，并且整個燒嘴和輸送系統(tǒng)無逆流保護機制。特別是對于專利中提及的以氧氣作為氣化劑，該設(shè)備無法安全地用于高濃度氧化劑如純氧的輸送。其次，燒嘴和取樣構(gòu)件外表面纏繞著大量的冷卻管盤，導(dǎo)致無法滿足設(shè)備多次進出井下和后撤的高強度工作要求。冷卻管盤在進出井下以及后撤過程中容易被定向井彎道套管、巖石塊、煤焦塊等固體顆?？ㄋ?。同時，燒嘴自身的散熱要求又限制了冷卻管盤的管壁厚度，在井下苛刻的工作環(huán)境中易損壞。更重要的是氣體取樣構(gòu)件的使用，高壓易燃的合成氣樣品通過位于氧氣通道內(nèi)的吹氣管及位于地面的真空泵輸送至地表。在燃燒區(qū)上游取樣是極其危險的，取樣構(gòu)件太短（位于燒嘴的噴射范圍內(nèi)）容易收集合成氣與氧氣的爆炸性混合氣，取樣構(gòu)件太長意味著設(shè)備暴露于高溫燃燒區(qū)極易被燒毀。

WO2014/043747A1公開了一種用于實施富氧地下煤氣化過程的設(shè)備和方法，具體為氧注入設(shè)備和方法，其中使用特別設(shè)計的氧槍向地下煤層注入氧化劑，所述氧槍包括：具有內(nèi)部通道的槍體，所述內(nèi)部通道內(nèi)插有止回閥；槍體尾端的連續(xù)油管接合器，所述接合器上有用于通熱電偶的孔；連至槍體前端的至少一段間隔管；連到間隔管前端的注入噴嘴；和監(jiān)測注入噴嘴溫度的熱電偶。盡管該專利中提到了富氧地下煤氣化，但是該設(shè)備自身缺少主動冷卻機制，不適用于高濃度氧化劑的煤炭地下氣化。

WO2014/186823A1公開了一種用于煤炭地下氣化過程中向煤層供應(yīng)氧化劑和水的設(shè)備和方法，其中所述設(shè)備包括氧化劑通道和套管密封，所述氧化劑通道包括至少一個井下端部開孔和至少一個井上端部開孔，井下端部開孔用于向地下煤氣化區(qū)注入氧化劑，井上端部開孔用于與連續(xù)油管流體連接，所述套管密封用于密封氧化劑通道和井孔套管之間的環(huán)形通道，套管密封上具有一個或多個用于向地下煤氣化區(qū)注入水的通道。然而，該套管密封導(dǎo)致供氧設(shè)備進出井口控制設(shè)備以及通過定向井彎道區(qū)域變得極為困難。盡管該專利中氧化劑可以為基本純的氧，但由于其注水通道內(nèi)水柱自身的壓力，導(dǎo)致其回退實施過程復(fù)雜，實際上采用的是受控回退注入點概念，這對應(yīng)的是現(xiàn)有技術(shù)中由若干回退階段間隔開的煤炭地下氣化過程。

綜上所述，現(xiàn)有煤炭地下氣化噴頭設(shè)備及其應(yīng)用仍需要進一步改進，以實現(xiàn)氧化劑的連續(xù)注入以及高濃度氧化劑的安全使用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的之一在于解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種在煤炭地下氣化工藝中可以連續(xù)注入高濃度氧化劑的噴頭設(shè)備。

本實用新型的目的之二在于提供一種可以連續(xù)注入高濃度氧化劑的噴頭設(shè)備的操作方法。

本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

用于煤炭地下氣化工藝的噴頭設(shè)備，基于注入井內(nèi)襯管作為移動通道，所述噴頭設(shè)備包括如下部件：

（a）止回閥，用于阻止逆向易燃易爆氣體污染、損壞上游設(shè)備；

（b）機械剪切裝置，設(shè)于止回閥下游，用于在必要時剪斷噴嘴以撤回其它設(shè)備；

（c）噴嘴，設(shè)于機械剪切裝置下游，包括噴嘴主體和噴嘴外殼，二者之間設(shè)有環(huán)形間隙，噴嘴主體處于低溫環(huán)境，用于向燃燒和氣化區(qū)噴射高濃度氧化劑，噴嘴外殼處于高溫環(huán)境，用于向燃燒和氣化區(qū)噴射冷卻劑，噴嘴外殼遠端裝有氣密性密封的快速連接器，用于在點火階段連接、輸送和斷開地下點火設(shè)備；

（d）支撐件，包括止回閥支撐件和噴嘴外殼支撐件，分別設(shè)于止回閥外殼和噴嘴外殼的外部，用于噴頭設(shè)備的扶正定位和環(huán)隙密封；止回閥支撐件由3-4個支撐部件組成，支撐部件之間的夾角為90-120°，距離止回閥近端0-30mm，支撐部件包括U型支撐腳、彈簧和滾輪；噴嘴外殼支撐件為環(huán)狀支撐圈，距離噴嘴外殼遠端0-30mm，支撐件包括U型支撐圈、彈簧和密封圈；

（e）分布式溫度、壓力和聲波傳感器，分別設(shè)于注入井內(nèi)襯管外部，噴頭設(shè)備外部和噴嘴主體內(nèi)部，用于噴頭設(shè)備工藝參數(shù)的監(jiān)測和控制；

（f）氣動保護塞，設(shè)于噴嘴的頂端，用于噴頭設(shè)備進入井下時保護噴嘴設(shè)備；

噴頭設(shè)備的各部件通過外部抓鉤連接器或快速連接器或帶有卡口/定位螺栓的螺紋或法蘭螺栓實現(xiàn)非焊接連接并提供有效地氣密性密封，止回閥中心、機械剪切裝置中心和噴嘴主體中心構(gòu)成噴頭氧化劑通道，噴頭設(shè)備與注入井內(nèi)襯管之間的環(huán)隙空間以及噴嘴主體與噴嘴外殼之間的環(huán)隙空間構(gòu)成噴頭冷卻劑通道。

優(yōu)選的，所述噴嘴外殼與噴嘴主體通過非閉合螺紋連接，以在噴嘴內(nèi)部為冷卻劑提供螺旋式液壓流動通道，噴嘴外殼近端設(shè)有若干個冷卻劑入口，噴嘴外殼遠端外圈設(shè)有若干個冷卻劑出口，每個進出口都與螺旋式液壓流動通道連通。

優(yōu)選的，所述噴嘴外殼遠端內(nèi)圈設(shè)有一個或多個氧化劑噴射孔，單噴射孔的尺寸基于出口最大噴射速度確定，以優(yōu)化氧化劑在燃燒和氣化區(qū)內(nèi)的噴射輸送距離；多個噴射孔的多個孔按中心和外周分布且外周各孔與中心孔平行或按照與中心孔成5-35°角向外發(fā)散，以優(yōu)化氧化劑在燃燒和氣化區(qū)內(nèi)的噴射分散范圍。

優(yōu)選的，在氧化劑通道上位于機械剪切裝置上游和氧化劑噴射孔內(nèi)均安裝有止回閥，在冷卻劑通道上，位于噴嘴外殼的冷卻劑入口和出口均安裝有止回閥。

優(yōu)選的，位于止回閥外殼的支撐件的支撐部件，通過焊接或固定螺栓或一體成型方式安裝在止回閥外殼；U型支撐腳和注入井內(nèi)襯管內(nèi)圈留有5-10mm的縫隙，滾輪和注入井內(nèi)襯管內(nèi)圈直接接觸。

優(yōu)選的，位于噴嘴外殼的支撐件，通過焊接或固定螺栓或一體成型方式安裝在噴嘴外殼，U型支撐圈和注入井內(nèi)襯管內(nèi)圈留有5-10mm的縫隙，密封圈厚度大于縫隙，密封圈的內(nèi)部空間與所述噴嘴的環(huán)隙空間連通，密封圈的伸縮由冷卻劑的注入壓力控制。

優(yōu)選的，所述機械剪切裝置由剪切裝置主體、剪切裝置外殼和剪切鞘組成，采用自斷機構(gòu)，通過剪切鞘剪斷剪切裝置主體和剪切裝置外殼。

優(yōu)選的，所述噴嘴外殼上從支撐件開始，經(jīng)過冷卻劑出口至氧化劑噴射孔設(shè)有多條2-3mm深的微型文丘里/引流紋路，用于引導(dǎo)冷卻劑到達所述噴嘴外殼遠端及氧化劑噴射孔以實施冷卻保護。

優(yōu)選的，所述分布式溫度、壓力和聲波傳感器均為基于光纖時域反射測量技術(shù)的分布式感應(yīng)光纖，或者在噴嘴主體內(nèi)部附加或替代地固定雙金屬護套K型雙探頭熱電偶，以獲得該點溫度并基于該溫度控制冷卻劑注入流量。

本實用新型的噴頭設(shè)備的操作方法，基于在地下煤層中已設(shè)有ISC井對的完井系統(tǒng)，所述操作方法如下：

（a）噴頭設(shè)備的止回閥與上游連續(xù)油管設(shè)備連接，采用氣密性密封的外部抓鉤連接器或快速連接器或帶有卡口/定位螺栓的螺紋連接或法蘭螺栓連接；

（b）噴頭設(shè)備的噴嘴與地下點火設(shè)備連接，采用快速連接器連接；

（c）將噴頭設(shè)備通過井口控制設(shè)備和連續(xù)油管設(shè)備推進至預(yù)定點火位置；

（d）通過噴頭冷卻劑通道注入低流量空氣，通過氧化劑通道注入壓力或流速啟動并斷開地下點火設(shè)備，實施地下煤層點火；

（e）點火成功后，后撤噴頭設(shè)備至安全位置；

（f）通過噴頭冷卻劑通道注入冷卻劑，并利用冷卻劑注入壓力和/或流量密封注入井內(nèi)襯管與噴頭設(shè)備的環(huán)隙空間；

（g）通過噴頭氧化劑通道注入氧化劑，實施煤炭地下氣化；

（h）通過調(diào)整冷卻劑注入壓力和/或流量開啟注入井內(nèi)襯管與噴頭設(shè)備的環(huán)隙空間，實施噴頭設(shè)備的回退操作，直至消耗沿注入井內(nèi)襯管方向的所有煤藏。

本實用新型的有益效果是：按照本實用新型，當利用本實用新型的噴頭設(shè)備和操作方法可向地下煤層連續(xù)注入高濃度氧化劑，其中所述高濃度氧化劑為包含至少80vol%氧，優(yōu)選至少90vol%氧的富氧空氣或純氧；所述冷卻劑為水、水蒸汽或二氧化碳，此時該冷卻劑同時用作煤氣化過程的氣化劑。

按照本實用新型，當利用本實用新型的噴頭設(shè)備進行煤炭地下氣化過程時，不再需要在中斷氧化劑和冷卻劑注入的情況下直接通過控制冷卻劑注入壓力和/或流量實施連續(xù)回退過程。相對而言操作起來更為靈活方便，從而可以大幅縮短現(xiàn)有技術(shù)回退法的回退周期和/或回退距離，實現(xiàn)煤炭地下氣化工藝的連續(xù)穩(wěn)定運行。利用本實用新型的噴頭設(shè)備可以安全穩(wěn)定地使用高濃度氧化劑如純氧，從而可以獲得高質(zhì)量且質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品氣，為現(xiàn)有技術(shù)帶來了進步。

附圖說明：

圖1為本實用新型噴頭設(shè)備的縱向截面圖；

圖2(a)為圖1的A-A剖視圖;

圖2(b)為圖1的B-B剖視圖；

圖3(a)為本實用新型的止回閥支撐件的剖視圖；

圖3(b)為本實用新型的噴嘴外殼支撐件的剖視圖；

圖4為本實用新型噴頭設(shè)備操作方法的示意圖。

在各附圖中，相同的附圖標記指相同部件。具體地，各附圖中涉及的附圖標記含義如下：

1、注入井內(nèi)襯管；2、連續(xù)油管；3、分布式溫度、壓力和聲波傳感器(分別固定在注入井內(nèi)襯管外部、噴嘴外殼和噴嘴主體)；4、止回閥；5、機械剪切裝置；6、剪切裝置主體；7、剪切裝置外殼；8、剪切鞘；9、噴嘴主體；10、噴嘴外殼；11、氧化劑通道；12、冷卻劑通道；13、非閉合螺紋（噴嘴內(nèi)部的冷卻劑通道）；14、燃燒和氣化區(qū)；15、冷卻劑入口；16、冷卻劑出口；17、氧化劑噴射孔；18、止回閥支撐件；19、噴嘴外殼支撐件；20、外部抓鉤連接器；21、氣動保護塞；22、微型文丘里/引流紋路；23、U型支撐腳；24、彈簧；25、滾輪；26、U型支撐圈；27、密封圈；28、氧化劑和冷卻劑混合物；29、煤層；30、燃空區(qū)。

具體實施方式

下面通過具體實施例，并結(jié)合附圖，對本實用新型的技術(shù)方案作進一步的具體說明。

用于煤炭地下氣化工藝的噴頭設(shè)備，基于注入井內(nèi)襯管作為移動通道，所述噴頭設(shè)備包括如下部件：

（a）止回閥，用于阻止逆向易燃易爆氣體污染、損壞上游設(shè)備；

（b）機械剪切裝置，設(shè)于止回閥下游，用于在必要時剪斷噴嘴以撤回其它設(shè)備；

（c）噴嘴，設(shè)于機械剪切裝置下游，包括噴嘴主體和噴嘴外殼，二者之間設(shè)有環(huán)形間隙，噴嘴主體處于低溫環(huán)境，用于向燃燒和氣化區(qū)噴射高濃度氧化劑，噴嘴外殼處于高溫環(huán)境，用于向燃燒和氣化區(qū)噴射冷卻劑，噴嘴外殼遠端裝有氣密性密封的快速連接器，用于在點火階段連接、輸送和斷開地下點火設(shè)備；

（d）支撐件，包括止回閥支撐件和噴嘴外殼支撐件，分別設(shè)于止回閥外殼和噴嘴外殼的外部，用于噴頭設(shè)備的扶正定位和環(huán)隙密封；止回閥支撐件由3-4個支撐部件組成，支撐部件之間的夾角為90-120°，距離止回閥近端0-30mm，支撐部件包括U型支撐腳、彈簧和滾輪；噴嘴外殼支撐件為環(huán)狀支撐圈，距離噴嘴外殼遠端0-30mm，支撐件包括U型支撐圈、彈簧和密封圈；

（e）分布式溫度、壓力和聲波傳感器，分別設(shè)于注入井內(nèi)襯管外部，噴頭設(shè)備外部和噴嘴主體內(nèi)部，用于噴頭設(shè)備工藝參數(shù)的監(jiān)測和控制；

（f）氣動保護塞，設(shè)于噴嘴的頂端，用于噴頭設(shè)備進入井下時保護噴嘴設(shè)備；

噴頭設(shè)備的各部件通過外部抓鉤連接器或快速連接器或帶有卡口/定位螺栓的螺紋或法蘭螺栓實現(xiàn)非焊接連接并提供有效地氣密性密封，止回閥中心、機械剪切裝置中心和噴嘴主體中心構(gòu)成噴頭氧化劑通道，噴頭設(shè)備與注入井內(nèi)襯管之間的環(huán)隙空間以及噴嘴主體與噴嘴外殼之間的環(huán)隙空間構(gòu)成噴頭冷卻劑通道。

對于用于煤炭地下氣化工藝ISC井對的完井系統(tǒng)，注入井內(nèi)襯管是很重要的組成部分，是煤炭地下氣化過程中流體流動和噴頭設(shè)備移動的重要通道。按照本實用新型，注入井內(nèi)襯管屬于犧牲性消耗品，通常情況碳鋼或以上材料可滿足操作環(huán)境要求。同時，根據(jù)冷卻劑的性質(zhì)，需對注入井內(nèi)襯管內(nèi)壁進行一定程度的防腐處理。注入井內(nèi)襯管的尺寸一般為4.5、5.0、5.5、6.0、6.625或者7.0英寸。其管壁厚度（內(nèi)徑）可以依據(jù)靜巖壓和靜水壓、冷卻劑的流量、噴頭設(shè)備支撐件的外徑等進行選型。注入井內(nèi)襯管的連接方式以最后完井性能為最高優(yōu)先級，可選用焊接連接、螺紋連接、卡箍溝槽連接、法蘭連接、卡套式連接或卡壓連接等。當噴頭設(shè)備在注入井內(nèi)襯管里拉回時，通過控制冷卻劑的流量使這部分在噴頭設(shè)備前方的注入井內(nèi)襯管被燃燒和氣化過程消耗，從而曝露出“新鮮”的煤層進行地下氣化。該過程將被一直持續(xù)來控制合成氣質(zhì)量以及注入井內(nèi)襯管周圍的煤炭消耗量。

本實用新型的技術(shù)方案中，止回閥用于阻止逆向易燃易爆氣體污染、損壞上游設(shè)備。在氧化劑通道上位于機械剪切裝置上游和氧化劑噴射孔內(nèi)都安裝有止回閥。在冷卻劑通道上，位于噴嘴外殼的冷卻劑入口和出口都安裝有止回閥。止回閥和上游連續(xù)油管設(shè)備通過外部抓鉤連接器、或快速連接器、或帶有卡口/定位螺栓的螺紋連接、或法蘭螺栓連接，實現(xiàn)非焊接連接和提供有效地氣密性密封。止回閥可以是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知適用于高濃度氧化劑如純氧環(huán)境的任何類型的止回閥，例如可以為彈簧擋板閥或球+彈簧型等。

本實用新型的技術(shù)方案中，止回閥外殼裝有支撐件，起到噴頭設(shè)備在注入井內(nèi)襯管內(nèi)的扶正作用。所述支撐件選用316L不銹鋼或以上材料，由3-4個支撐部件沿徑向分布組成，避免對冷卻劑造成限流。每個支撐部件之間的夾角為90-120^o，距離止回閥近端0-30mm。支撐部件包括U型支撐腳、彈簧和滾輪。支撐部件可以通過焊接、或固定螺栓或一體成型方式安裝在止回閥外殼。U型支撐腳和注入井內(nèi)襯管內(nèi)圈留有5-10mm的縫隙，滾輪和注入井內(nèi)襯管內(nèi)圈直接接觸。采用彈簧滾輪設(shè)計可以方便噴頭設(shè)備通過定向井彎道和在注入井內(nèi)襯管內(nèi)自由移動，且方便跨越注入井內(nèi)襯管內(nèi)的障礙物，例如注入井內(nèi)襯管安裝過程造成的變形，噴頭設(shè)備回撤過程造成的固體顆?；蚪褂屠淠锏?。

本實用新型的技術(shù)方案中，機械剪切裝置由剪切裝置主體、剪切裝置外殼和剪切鞘組成。采用自斷機構(gòu)，通過剪切鞘剪斷主體和外殼。用于在必要時剪斷噴嘴以撤回上游設(shè)備，例如注入井內(nèi)襯管熔融或由于注入井內(nèi)襯管變形造成的機械性卡死。這樣就能確保其它上游設(shè)備可以快速拉回、及時維護和更換，從而在一定程度上減少了煤炭地下氣化工藝中的設(shè)備損耗。

本實用新型的技術(shù)方案中，噴嘴位于機械剪切裝置下游，包括噴嘴主體和噴嘴外殼。噴嘴主體處于低溫環(huán)境，用于向燃燒和氣化區(qū)噴射高濃度氧化劑如純氧。噴嘴外殼處于高溫環(huán)境，用于向燃燒和氣化區(qū)噴射冷卻劑如水、蒸汽或二氧化碳。于此同時，冷卻劑在噴嘴外殼和噴嘴主體間形成一個冷卻隔離帶，用于保護噴嘴主體。噴嘴外殼端部裝有氣密性密封的快速連接器，用于在點火階段連接、輸送和斷開地下點火設(shè)備。

噴嘴的制造材料必須適合高溫高壓純氧應(yīng)用以及高速的氧氣流動環(huán)境，例如選用黃銅、鉻鎳鐵合金、蒙乃爾銅-鎳合金等。噴嘴主體的高濃度氧化劑流動通道必須干凈且適用純氧環(huán)境，無微粒或碳氫化合物污染。整個噴頭設(shè)備所有內(nèi)部表面都需要經(jīng)過特殊加工處理來防止在高純度氧化劑環(huán)境下金屬內(nèi)表面出現(xiàn)顆粒沖擊自燃的危險。

噴嘴外殼需有足夠的壁厚（10-20mm），來滿足由高溫區(qū)產(chǎn)生的反向熱輻射、熱對流和熱傳導(dǎo)的散熱和冷卻要求，防止出現(xiàn)任何可能的反向燃燒，保證整個噴頭設(shè)備的完整性和可靠性。噴嘴外殼和噴嘴主體通過非閉合螺紋連接，以在噴嘴內(nèi)部為冷卻劑提供螺旋式液壓流動路徑，非閉合螺紋之間的間隔為2-10mm深和寬。非閉合螺紋間隔作為冷卻劑輸送的主要通道，并對噴嘴起環(huán)繞冷卻和散熱作用。螺紋的間隔密集度由噴嘴要求的散熱要求和冷卻效率共同決定。同時，由于采用螺紋連接，便于根據(jù)不同煤礦的實際運行情況和操作要求對噴嘴外殼進行更換和維護。例如，損壞更換、調(diào)整冷卻劑出口數(shù)目、調(diào)整氧化劑噴射孔數(shù)目、調(diào)整噴嘴外殼厚度等。

噴嘴外殼近端（上游）設(shè)有4-12個冷卻劑入口，噴嘴外殼遠端（下游）外圈設(shè)有4-12個冷卻劑出口。每個進出口都與內(nèi)部螺紋通路連通，且安裝有止回閥，防止由于噴頭設(shè)備回撤過程中冷卻劑壓力的降低而造成易燃易爆氣體逆向進入冷卻劑通道給上游設(shè)備造成的污染和潛在威脅。

噴嘴外殼遠端內(nèi)圈設(shè)有一個或多個氧化劑噴射孔。單噴射孔的尺寸基于出口最大噴射速度確定，以優(yōu)化氧化劑在燃燒和氣化區(qū)內(nèi)的噴射輸送距離。多個噴射孔的多個孔按中心和外周分布且外周各孔與中心孔平行或按照與中心孔成5-35°角、優(yōu)選8-20°角向外發(fā)散，以優(yōu)化氧化劑在燃燒和氣化區(qū)內(nèi)的噴射分散范圍。

噴嘴外殼裝有支撐件，所述支撐件為同心設(shè)置的環(huán)狀支撐圈，距離噴嘴外殼遠端（下游）0-30mm，用于在正常操作下密封注入井內(nèi)襯管和噴頭設(shè)備的環(huán)隙空間，使得氣化過程中噴頭設(shè)備完全被冷卻劑包覆。所述支撐件選用耐高溫防腐的特殊雙相鋼材，例如鉻鎳鐵合金、蒙乃爾銅-鎳合金、鎢合金等。支撐件包括U型支撐圈、彈簧和密封圈。支撐件可以通過焊接、或固定螺栓或一體成型方式安裝在噴嘴外殼。U型支撐圈和注入井內(nèi)襯管內(nèi)圈留有5-10mm的縫隙，密封圈厚度大于縫隙。密封圈的內(nèi)部空間與所述噴嘴內(nèi)部的冷卻劑螺旋式液壓流動路徑連通，密封圈的伸縮由冷卻劑的注入壓力和/或流量控制。

噴嘴外殼上從支撐件開始，經(jīng)過冷卻劑出口至氧化劑噴射孔設(shè)有多條2-3mm深的微型文丘里/引流紋路，用于引導(dǎo)冷卻劑到達所述噴嘴外殼遠端端及氧化劑噴射孔以實施冷卻保護。

噴頭設(shè)備的外部需要保持平整光滑，其外徑的任何變化必須有個逐漸過渡的過程。以便其在注入井內(nèi)襯管內(nèi)順利插入和拉回，且可以確保其通過井口控制設(shè)備時的氣密性。

本實用新型的技術(shù)方案中，分布式溫度、壓力和聲波傳感器均可以為基于光纖時域反射測量技術(shù)(Optical Time-Domain Reflectometry--OTDR)的分布式感應(yīng)光纖。所述分布式溫度、壓力和聲波傳感器分別安裝在注入井內(nèi)襯管外部、噴頭設(shè)備外部和噴嘴主體內(nèi)部，用于獲取燃燒和氣化區(qū)、噴嘴外殼、冷卻劑通道和氧化劑通道的溫度、壓力和聲波信號并反饋給井口附近的控制系統(tǒng)。在噴嘴主體內(nèi)部可以附加或替代地固定雙金屬護套K型雙探頭熱電偶，以獲得該點溫度并基于該溫度控制冷卻劑注入流量。按照本實用新型，基于如上所述設(shè)計的溫度、壓力和聲波信號采集系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對整個煤炭地下氣化過程的良好控制。

噴頭設(shè)備還可以帶有氣動保護塞，所述氣動保護塞一般為圓形，放置在噴嘴頂端，用于在多次進入注入井時保護氧化劑噴嘴，避免其進出注入井時發(fā)生的機械磨損和污染（如油脂、鉆井泥漿、煤顆粒等）。在開始注入氧化劑時可以被高壓氧化劑流吹掉而不會防礙氧化劑注入。

本實用新型的噴頭設(shè)備的操作方法，基于在地下煤層中已設(shè)有ISC井對的完井系統(tǒng)，所述操作方法如下：

（a）噴頭設(shè)備的止回閥與上游連續(xù)油管設(shè)備連接，采用氣密性密封的外部抓鉤連接器或快速連接器或帶有卡口/定位螺栓的螺紋連接或法蘭螺栓連接；

（b）噴頭設(shè)備的噴嘴與地下點火設(shè)備連接，采用快速連接器連接；

（c）將噴頭設(shè)備通過井口控制設(shè)備和連續(xù)油管設(shè)備推進至預(yù)定點火位置；

（d）通過噴頭冷卻劑通道注入低流量空氣，通過氧化劑通道注入壓力或流速啟動并斷開地下點火設(shè)備，實施地下煤層點火；

（e）點火成功后，后撤噴頭設(shè)備至安全位置；

（f）通過噴頭冷卻劑通道注入冷卻劑，并利用冷卻劑注入壓力和/或流量密封注入井內(nèi)襯管與噴頭設(shè)備的環(huán)隙空間；

（g）通過噴頭氧化劑通道注入氧化劑，實施煤炭地下氣化；

（h）通過調(diào)整冷卻劑注入壓力和/或流量開啟注入井內(nèi)襯管與噴頭設(shè)備的環(huán)隙空間，實施噴頭設(shè)備的回退操作，直至消耗沿注入井內(nèi)襯管方向的所有煤藏。

當利用本實用新型的噴頭設(shè)備和操作方法可向地下煤層連續(xù)注入高濃度氧化劑，其中所述高濃度氧化劑為包含至少80vol%氧，優(yōu)選至少90vol%氧的富氧空氣或純氧。所述冷卻劑為水、水蒸汽或二氧化碳，此時該冷卻劑同時用作煤氣化過程的氣化劑。

在所述操作方法中，通過環(huán)隙空間和螺旋式液壓流動通道注入冷卻劑可實現(xiàn)雙重冷卻功效：噴頭設(shè)備在環(huán)隙空間內(nèi)被冷卻劑包覆可實現(xiàn)第一層冷卻功效；進入螺旋式液壓流動通道內(nèi)部的冷卻劑以高流速環(huán)繞冷卻噴嘴主體實現(xiàn)第二層冷卻功效，且冷卻效率可根據(jù)噴頭設(shè)備的測量溫度來主動控制冷卻劑流量，實現(xiàn)可控冷卻機制，避免噴嘴外殼和/或噴嘴主體溫度過高。

在采用回退法進行煤炭地下氣化過程中，環(huán)隙空間的密封可由冷卻劑注入壓力和/或流量控制。通過調(diào)整冷卻劑注入壓力和/或流量，打開密封圈，便于同時采用連續(xù)油管拉回噴頭設(shè)備。同時，回撤到位后可以通過減少冷卻劑的注入流量，例如減小冷卻劑流量10-80%，加快噴頭設(shè)備前方內(nèi)襯管的燃燒速率，使得新鮮煤層暴露在高溫燃燒和氣化區(qū)。由于本實用新型噴頭設(shè)備的操作靈活性，回退周期和回退距離都可以大幅縮短，并且可以在回退過程中仍保持氧化劑如純氧和冷卻劑的注入，實現(xiàn)煤炭地下氣化工藝的連續(xù)穩(wěn)定運行。

下面參考附圖進一步描述本實用新型的實施方案。

圖1-3給出了本實用新型噴頭設(shè)備的示意圖，包括噴頭設(shè)備剖視圖、A-A剖視圖、B-B剖視圖、止回閥支撐件剖視圖和噴嘴外殼支撐件剖視圖。如圖1所示，連續(xù)油管2通過外部抓鉤連接器20與止回閥4相連。止回閥4外殼安裝有止回閥支撐件18，該支撐件由3個支撐部件組成（圖2（a）A-A），起到噴頭設(shè)備的扶正作用。支撐部件包括U型支撐腳23、彈簧24和滾輪25（圖3（a））。止回閥4下游連接機械剪切裝置5，該機械剪切裝置5包含剪切裝置主體6、剪切裝置外殼7和剪切鞘8，用于在必要時剪斷噴嘴以撤回上游連續(xù)油管2等設(shè)備。機械剪切裝置5下游與噴嘴主體9和噴嘴外殼10相連。噴嘴外殼10和噴嘴主體9通過非閉合螺紋13連接，螺紋13間隙作為冷卻劑的主要通道對噴嘴9、10起環(huán)繞冷卻和散熱作用。噴嘴外殼10近端設(shè)有8個冷卻劑入口15，噴嘴外殼10遠端外圈設(shè)有8個冷卻劑出口16，每個進出口都與內(nèi)部螺紋通道13連通，且安裝有止回閥（圖2）。噴嘴外殼遠端內(nèi)圈設(shè)有9個氧化劑噴射孔17（圖2（b）B-B），其中中心氧化劑噴射孔17裝有氣密性密封的快速連接器（圖中未標出），用于在點火階段連接、輸送和斷開地下點火設(shè)備。噴嘴外殼10裝有噴嘴外殼支撐件19，該噴嘴外殼支撐件為環(huán)狀支撐圈（圖2（b）B-B），包括U型支撐圈26、彈簧24和密封圈27（圖3（b）），用于在正常操作下密封內(nèi)襯管1和噴頭設(shè)備的環(huán)隙空間，使得噴頭設(shè)備完全被冷卻劑包覆。當噴頭設(shè)備進入地下時，需加裝氣動保護塞21，以防止污染物侵入噴頭設(shè)備。分布式溫度、壓力和聲波傳感器3分別固定在注入井內(nèi)襯管1、噴嘴外殼10和噴嘴主體9，用于獲取燃燒和氣化區(qū)14、噴嘴外殼10、冷卻劑通道12和氧化劑通道11的溫度、壓力和聲波信號并反饋給控制系統(tǒng)實施煤炭地下氣化工藝控制操作。

圖4給出了本實用新型噴頭設(shè)備操作方法的示意圖（正常生產(chǎn)過程）。通過噴頭冷卻劑通道12注入冷卻劑，并利用冷卻劑注入壓力和/或流量密封內(nèi)襯管1與噴頭設(shè)備的環(huán)隙空間（密封圈19）。通過噴頭氧化劑通道11注入氧化劑，將氣動保護塞21吹開后，實施煤炭地下氣化。氧化劑和冷卻劑（氣化劑）在噴頭設(shè)備前端混合后28，進入燃燒和氣化區(qū)14實施煤炭地下氣化過程。

以上所述的實施例只是本實用新型的一種較佳的方案，并非對本實用新型作任何形式上的限制，在不超出權(quán)利要求所記載的技術(shù)方案的前提下還有其它的變體及改型。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，只要不偏離本實用新型的精神和原則，所述變化和調(diào)整均應(yīng)在本實用新型范圍內(nèi)。