[實用新型]用于煤炭地下氣化工藝的噴頭設備

有效

• 申請號: 201720035540.2
• 申請日: 2017-01-12
• 公開（公告）號: CN206608160U
• 公開（公告）日: 2017-11-03
• 發明（設計）人: 閔振華;卡斯珀·揚·亨德利克·伯格;汪原理
• 申請（專利權）人: 中為（上海）能源技術有限公司
• 主分類號: E21B43/295
• 分類號: E21B43/295
• 代理公司: 杭州賽科專利代理事務所(普通合伙)33230
• 代理人: 馮年群

技術領域

本實用新型提供了一種用于煤炭地下氣化工藝的噴頭設備。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注入高濃度氧化劑的噴頭設備，還提供了該噴頭設備在煤炭地下氣化工藝中的操作方法。

背景技術

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，把煤直接轉化為氣體產品的工藝過程。產品氣通常被稱為合成氣，可以作為燃料生產、化工生產、發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，具有安全性好、投資小、效益高、污染少等優點。

通過地面鉆井直通煤層，給氧化劑注入和產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”，另外一個用于生產產品氣的鉆井稱為“產品井”。定向水平鉆井和垂直鉆井都可作為注入井或產品井。

當煤層中有注入井、產品井和水平通道將二者連接起來時，此構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，氣化區和熱解區。通過煤炭地下氣化生成的產品氣（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）、煤層中的內在水或周邊地層滲入煤層中的水、煤質、以及煤炭地下氣化工藝的操作參數，包括溫度，壓力等。

在煤炭地下氣化過程中，產品氣質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致燃燒區溫度太高、回燒強度過大等危險。根據現有技術，在噴頭設備上仍存在一定技術挑戰，尤其是其在高濃度氧化劑應用上存在的問題。

公開號為CN103541714A的中國發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。殼體第二部分側壁上設有側孔。噴頭內部包括滑動開啟或關閉側孔的密封組件和彈簧。該噴頭不適應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部金屬結構復雜，通過滑動控制側孔開啟。較高氧濃度下，金屬件之間的摩擦易產生金屬顆粒，造成顆粒沖擊自燃并燒毀設備；其二，通過側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易發生旋轉，側孔位置無法定位。當側孔位于煤層垂直方向，其垂直方向的熱輻射容易造成設備的熔融或回燒。當側孔位于煤層水平方向兩側的預定位置，實際運行過程中較難控制燃空區寬度，易造成地層塌陷；其三，當通過注入壓力控制側孔開關時，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，在噴頭內部發生燃燒或爆炸。

公開號為CN104533377A的中國發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構，包括中心管和外環套管，噴嘴頂帽上設有注氣口，外環套管設有多個噴水孔。在此基礎上，公開號為CN104564008A的中國發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。然而該噴嘴設備的氧化劑輸送通道為環隙空間，直接暴露在可能的高溫環境，且同心設置的中心管由于自重與外環套管發生機械磨損易在氧化劑通道（環隙空間）產生金屬顆粒，尤其是當噴嘴設備及裝置在地下煤層內前進和后撤進程中，容易造成顆粒沖擊自燃并損毀設備。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壓力的1-1.5倍，15-30MPa，遠遠超過常規煤層的靜水壓。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。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。