一种条带式煤炭地下气化系统及生产方法技术方案

本发明专利技术属于煤炭开采技术领域，公开了一种条带式煤炭地下气化系统及生产方法，通过构建窄条带气化炉，定向注气通道末端钻进并贯通形成注排气通路，通过在气化炉注气管路内行进点火管至注排气通道贯通点，由点火管输入高热值可燃气体和氧气，进行气化炉内煤层点火；通过在注气通道内注气管路上等间距布置热熔式弹性连接器的方式，进行注气控制，使注气点随火焰工作面的定向移动而间隔回退；通过布置温度监测钻孔并监测温度值的变化。本发明专利技术利用矿井煤层底板岩石巷道进行建炉施工和气化炉运行操作，既减小了对气化区域煤层的干扰和破坏，保证了气化炉内的密闭性，又降低了气化炉建炉成本，提高了气化炉建炉效率。

【技术实现步骤摘要】
一种条带式煤炭地下气化系统及生产方法
本专利技术属于煤炭开采
，尤其涉及一种条带式煤炭地下气化系统及生产方法。
技术介绍
煤炭地下气化技术(UndergroundCoalGasification,UCG)又称原地煤气化，其工艺是将赋存于地下的煤层由物理采煤变为化学采气，其实质是将煤中的有用物质(挥发分、固定碳等)通过热解、燃烧、气化等物理和化学转化的方式转变为可燃气体。UCG将建井、采煤、气化三大工艺合而为一，具有产气成本低、安全性高和环境效益好的优点。UCG所产煤气成本仅为地面气化炉气化的25～50％，可以作为燃气发电、锅炉燃料以及合成化工产品的原料气，显著降低发电或合成化工产品的成本。UCG还具有显著的环境效益，大大减小燃煤污染、煤矸石及灰渣的排放，有效解决目前燃煤引发的大气雾霾问题，且与碳捕集和封存技术相结合，可有效减少温室气体排放。UCG在世界范围内受到了广泛的重视，前苏联、欧洲、美国、日本、澳大利亚、中国及亚洲多个国家进行了大量的理论研究和工业性试验。因此，煤炭地下气化首先是一种煤炭的开发方法，是对传统煤炭开采方式的创新，被誉为第二代采煤法；从其效益来看，又是一种高碳资源低碳化开发清洁能源新技术。该技术在低品质(高硫、高灰)、急倾斜、薄煤层、深部煤层、“三下”压煤以及常规技术经济不可采等残滞留煤的开采利用方面具有广阔的应用前景。近年来世界主要产煤国都加大了煤炭地下气化的工业性试验以及产业化推广力度，美国、澳大利亚、加拿大、南非、中国等进行了大量的现场试验，拉开了煤炭地下气化商业化推广及产业化的序幕。我国煤炭地下气化试验开始于上世纪60年代，至今已进行了二十几次的现场试验，形成了有井式和无井式煤炭地下气化工艺。现阶段煤炭地下气化尚没有实现产业化生产，其中一个重要原因就是煤炭地下气化的规模小，产气不稳定。一方面是受外部水文和地质环境的影响，气化煤层条件(煤厚、煤质等)和赋存条件(地质、水文、构造等)复杂多变，给煤炭地下气化过程增加了难度，需要人为进行调控的因素多；二是煤炭地下气化过程控制手段有限，受地下气化空间的高温、气体、煤体热破裂、围岩应力、覆岩垮落、裂隙带发育等因素影响，难以像地下煤气发生炉一样采取有效的监测和控制手段，增加了人为调控的难度。因此，为了解决现阶段煤炭地下气化炉生产系统面临的问题，需要研发一种与地质环境相适应的，具有可导可控功能的煤炭地下气化炉生产系统和工艺，为进一步实现煤炭地下气化的产业化提供技术支持。现有技术方案针对不同的煤层赋存条件，国内外学者提出了不同类型的煤炭地下气化炉型结构和气化生产方法。在气化炉型构建方面，从注气通道、气化通道和排气通道的分布位置来看，可以把地下气化炉分为几种炉型，即盲孔炉、一线炉、V型炉、U型炉和E型炉等，后来又专利技术了多孔炉、可转换注排气操作的长壁炉。国外地下气化的研究方向主要是无井式煤炭地下气化工艺，通过在地面钻井构建煤炭地下气化炉，比较成熟的无井式气化工艺包括线性注入点后退工艺(ControlledRetractionInjectionPoint,CRIP)以及平行定向钻井CRIP工艺。上世纪四十年大前苏联首先进行了现场地下气化试验，采用相邻的两个垂直钻井分别作为气化剂的注入井和产气井，然后采用多种贯通方法(如火力贯通、电力贯通、反向燃烧、空气压裂等)使两个垂直钻井底部在煤层中贯通形成气化通道，然后由注气井鼓入气化剂，由产气井生产煤气。该气化炉建炉工艺缺点在于贯通速度慢、贯通方向性差，垂直井间距大时贯通困难或无法贯通；垂直钻井间距较小，接替生产时，垂直钻井数量多，投资大；气化炉内没有注气装置，气化剂在整个气化炉内扩散燃烧，导致燃烧范围和边界无法有效控制，产气品质低；扩大的燃烧范围导致覆岩大面积垮落，围岩稳定性控制效果差。上世纪七八十年代以来，以美国为代表的欧美国家，主要研发的是无井式CRIP工艺，在注气控制方面采用拉管式移动注气点装置，周期性的后退拉动注气点，每次将注气点后退移动一段距离，该工艺需要在地面搭建大型的注气弯管螺旋拉动装置，设备投资高，工艺操作复杂，注气弯管在地面端密闭困难，当煤层埋深较大时，受地质应力以及钻孔变形的影响，移动注气装置操作可靠性降低。公开号CN101382065A的中国专利“无井式地下气化工艺”构建了L型气化炉，主要特点在于首先通过定向钻贯通多个垂直钻孔，形成“一”线炉作为出气列，火力贯通另外多个垂直钻孔形成“一”线炉作为气化列，二者共同组成“L”型炉。在扩大再生产阶段，继续补加钻孔扩展气化炉。该技术的缺点是构建气化炉所需的钻孔数量多，水平定向钻井与多个垂直钻井的贯通难度大；多个垂直钻井在煤层中需要多批次的高压火力贯通，尤其是在气化炉燃烧形成燃空区且垮落带、裂隙带发育的情况下，难以保证高压火力贯通的有效性，贯通难度大。因此该气化炉建炉和运行方式操作复杂、可靠性差。公开号CN1121138A的中国专利“矿井长通道大断面煤炭地下气化”构建了长通道、大断面地下气化炉，主要特点是可在矿井报废煤层构建气化炉，需要人工掘进煤层巷道作为气化巷道，气化巷道长度一般大于150m，气化巷道断面大(2.5～4m2)。该技术的缺点是需要人工到气化炉内施工巷道，建炉机械水平低，存在人员安全隐患；在人员退出气化炉巷道施工后，需要构建气化炉隔离密闭，受气化炉内高温、气体、覆岩垮落等恶劣环境影响，难以有效做到气化炉内气体的密闭；气化巷道内缺乏有效的注气装置，气化剂在整个巷道内扩散，燃烧气化反应界面在整个气化巷道内蔓延，气流紊乱且气化炉燃烧范围和边界难以有效控制。根据公开号CN103277082B的中国专利“一种注气点后退式煤炭地下气化系统及工艺”构建了一种E型结构气化炉，该专利技术主要特点是每个气化炉包括一条位于中间位置的气化剂注入巷道和两条煤气输送巷道，三条巷道平行布置，三条巷道一端连接煤层中的通风巷道，另一端连接气化巷道。该气化炉构建方式的缺点是需要人工在煤层中施工掘进出气化炉内巷道，在人员退出后需要在三条巷道连接通风巷道的一端构筑隔离墙。在煤巷中高温热解干裂环境下，对高温气体进行有效隔离是有相当大难度的，甚至是难以进行有效隔离。通风巷道内不但有注气管路、煤气管路，还有空气，一旦隔离失效煤气泄漏，则容易引起严重的事故。该专利确定的煤气输送巷与气化剂注入巷道间隔距离为30m(15m～50m)，但是并未给出相应地设计依据。当气化通道长度达到60m(30m×2)时，已经远大于上覆直接顶、老顶的极限跨距，因此将会引起覆岩的大面积垮落，裂隙带过度发育，严重会沟通上覆含水层，使气化炉内涌水过大造成淹炉事故，甚至导致裂隙贯通地表引起煤气泄漏，造成安全事故。现有技术存在以下缺陷：现有的建炉方式需要人工在气化炉掘进煤层巷道作为气化剂注入巷、气化通道和煤气输送巷，在人员退出后需要构建气化炉与外界通道的隔离密闭，在煤巷中高温热解干裂环境下难以构筑有效的密闭对高温气体进行完全隔离，而且通道断面越大，进行完全隔离的难度越大，一旦隔离失效将会引起严重的有毒有害气体泄漏等安全事故。现有的气化炉注气巷道内缺乏有效的注气管路及移动注气装置。如果注气通道内没有注气管路，则气化剂由煤层内的裸孔(或巷道)传输，导致火焰工作面燃烧界面逆注气风流而上，将燃烧范围扩大到本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种条带式煤炭地下气化的生产方法，其特征在于，所述条带式煤炭地下气化的生产方法包括：通过在井下煤层底板岩石巷朝向煤层打定向钻井的方法构建窄条带气化炉，排气通道钻井定向注气通道末端钻进并贯通形成注排气通路，注排气通道均布置于煤层底部；通过在气化炉注气管路内行进点火管至注排气通道贯通点，由点火管输入高热值可燃气体和氧气，由点火管前端有电子打火装置点燃可燃气体的方式，进行气化炉内煤层点火；通过在注气通道内注气管路上等间距布置热熔式弹性连接器的方式，进行注气控制，使注气点随火焰工作面的定向移动而间隔回退；通过布置温度监测钻孔并监测温度值的变化，确定火焰工作面是否移动到停采线位置，当煤层顶板煤岩交界点和煤层底板煤岩交界点的温度值先后达到接近于火焰工作面高温800～1000℃时，进行气化炉停止操作。

【技术特征摘要】
1.一种条带式煤炭地下气化的生产方法，其特征在于，所述条带式煤炭地下气化的生产方法包括：通过在井下煤层底板岩石巷朝向煤层打定向钻井的方法构建窄条带气化炉，排气通道钻井定向注气通道末端钻进并贯通形成注排气通路，注排气通道均布置于煤层底部；通过在气化炉注气管路内行进点火管至注排气通道贯通点，由点火管输入高热值可燃气体和氧气，由点火管前端有电子打火装置点燃可燃气体的方式，进行气化炉内煤层点火；通过在注气通道内注气管路上等间距布置热熔式弹性连接器的方式，进行注气控制，使注气点随火焰工作面的定向移动而间隔回退；通过布置温度监测钻孔并监测温度值的变化，确定火焰工作面是否移动到停采线位置，当煤层顶板煤岩交界点和煤层底板煤岩交界点的温度值先后达到接近于火焰工作面高温800～1000℃时，进行气化炉停止操作。2.如权利要求1所述的条带式煤炭地下气化的生产方法，其特征在于，所述条带式煤炭地下气化系统的生产方法具体包括：气化炉内煤层点火：在井下通风行人巷内，沿注气通道内的注气管路内行进点火管至注气通道末端点火点位置，由点火管输入高热值可燃气体和氧气，由点火管前端有电子打火装置点燃可燃气体，将点火点位置的煤层引燃，完成气化炉内煤层点火；气化剂注入及形成气化通道：煤层引燃后，点火管退出注气通道；燃烧气化位置由注气通道和排气通道连接点逐渐扩展，在注气通道和排气通道之间形成气化通道，形成火焰工作面；火焰工作面后退移动与注气点回退：在气化炉正常运行期间，火焰工作面沿着窄条带气化炉的长度方向后退移动，注气通道内注气管路上等间距布置的热熔式弹性连接器依次处于火焰工作面位置，在火焰工作面附近高温作用下，热熔式弹性连接器依次断开，在注气管路上依次形成新的注气口，由新的注气口继续给火焰工作面提供气化剂；使气化剂注入点随着火焰工作面的后退移动而间隔回退；煤气的排输：气化炉内生产的煤气依次经火焰工作面、排气通道、排气管路、通风行人巷内排气管路、排气钻井管路、地面排气管路到达地面煤气用气点；温度监测与气化炉停止运行：实时监测温度监测钻孔内三个温度测点的温度值，当煤层顶板煤岩交界点和煤层底板煤岩交界点的温度值达到接近于火焰工作面高温800～1000℃时，火焰工作面达到气化炉停采线位置，停止向气化炉内注入氧气或空气，改...

【专利技术属性】
技术研发人员：辛林，程卫民，谢军，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东,37