专利名称：煤炭地下气化标志气体的检测与调控方法
技术领域：
本发明属地下煤炭开发利用的方法，特别涉及一种煤炭地下气化标志气体的检测与调控方法。
背景技术：
煤炭地下气化最初是由德国化学家威廉·西蒙斯于1868年提出的设想，俄国化学家门捷列夫等人于1888年正式提出了煤炭地下气化的工艺设想，并实施了现场实验。二十世纪三十年代，前苏联建立了第一个有井式实验气化站及无井式实验气化站；1935年，在莫斯科近郊、顿巴斯和库兹巴斯建成了五个试验区；1936年便由实验性阶段进入工业性试验阶段；1940年在顿巴斯和莫斯科近郊有两个UCG站投入生产，1941年莫斯科近郊气化站从技术上第一次解决了无井式地下气化问题，并第一个变成UCG工业企业。美国七十年代能源危机期间，组织了28个大学和科研机构，在俄情明州进行了大规模、有计划科研工作，1987年进行的洛基山1号矿试验，获得了中热值煤气。英国、法国、德国、比利时和东欧许多国家也十分重视UCG技术，六、七十年代，连续进行了较深入的试验研究，最终目标是建立UCG电站联合企业。
1988年6个欧共体成员国家组成了一个欧洲UCG工作小组，提出了一个新的发展计划建议书，项目实施从1991年10月至1998年12月，该计划的长远目标是通过现场试验和半商业计划论证在典型欧洲煤层进行UCG商业应用的可行性。在欧洲共同体合作框架下，在西班牙的Alcorisa进行了现场联合试验，项目的总经费为17.48*106欧元，总共气化了301小时，计划在10～15年内商业发电，并将技术向中国、印度、东欧等富煤国家出口。
我国于五、六十年代，由煤炭科学院、东北工学院等单位与现场合作，在鹤岗、大同、蛟河等十六个矿区进行了UCG试验，成功地进行了电力贯通、火力试验。1985年以来，中国矿业大学在江苏徐州、河北开滦进行了UCG半工业性试验，并获得成功，创造了“大断面、长通道、双火源、两段式”的地下气化工艺，生产出中热值煤气，技术上有所突破。在前期研究的基础上，在黑龙江的依兰、河南的鹤壁、义马等矿进行了有井式地下气化试验，在河北唐山市刘诗煤矿进行生产化研究，主要进行新型可推进式炉体、钻孔保护、地下燃烧空间扩展煤矿完成生产化研究试验，气化炉稳定产气12个月，煤气热值9.45～11.3MJ/m3，煤气流量1350～1650m3/h，煤气供工业生产和居民生活用。
综上所述，在UCG的研究与实践中，关于地下气化方法，地下气化工艺等方面均取得了可喜成果，由于受经济、技术及社会环境等多方面的影响，各国UCG研究的方向与进展差异较大。俄罗斯在方法、工艺及传统调控方面取得了较全面的成果；美国提倡“气化矿井”；加拿大热衷于“煤地下干馏气化”；法国主张“深井(1200m以上)开采，利用深钻孔气化”；英国则开创了“单孔气化”法，同时在UCG技术的研究与实践中也暴露出国内外普遍存在的一些问题，它们是1、无调控手段或调控手段落后，常常使气化过程中处于失控状态；2、气化炉规模小、单炉产气量小、服务时间短；3、混合气体中的可燃成分含量低；4、混合气体中煤气热值偏低，难以形成商业开发；5、可燃气体的浓度、组分及热值变动较之地面气化炉气化差别大；6、气化工作面中氧化带、还原带、干馏带(简称三带)的范围随燃烧区的推进而变动，加之可燃气体浓度、热值的波动，致使煤气的生产不稳定。一般称之三个不稳定，即热值不稳定、可燃组分不稳定和产气量不稳定。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种在煤炭地下气化过程中，调控手段先进，服务时间长，煤气热值高，氧化带、还原带、干馏带的热值、可燃组分和产气量稳定，能形成商业开发的煤炭地下气化标志气体检测与调控方法。
本发明解决技术问题采用的技术方案是一种由气化剂入口钻孔、煤气出口钻孔、岩土覆盖层、顶、底板岩层、气化通道和地下煤层组成的煤炭地下气化系统，其特点是根据煤层在地下的储存厚度和倾角，确保煤炭地下气化连续稳定进行的气化空间，确定煤炭地下气化系统中的气化通道长度LqLq＝Ly+Lh+Vst式中Ly-氧化通道长度，m；Lh-还原带长度，m；
Vs-燃烧工作面推进速度，m/d；t-气化单程作业时间，day；Ly＝16Re0.16dn式中Re-Reynolds数；d-流体当量值；d＝2hw/(h+w)式中h-通道高度，m；w-通道宽度，m；Lh通过物料平衡方法、热能平衡法计算及实验确定为80～120m；在满足气化工艺要求，通过计算气化通道长度Lq取120～160m。
标声气体的调控方法在氧化剂入口钻孔和煤气出口钻孔之间，利用计算机仿真技术手段，根据产出煤气中可燃组分(co、H2)的摩尔浓度作为优化参数，沿气流方向，确定第一个至n个调控钻孔位置；标志气体的检测方法根据最高温度燃烧点与煤及岩石的导热及衰减，在第一个调控钻孔1.5m间隔布置热电欧、温度传感器；在煤气出口设置流量计、气体分析仪；在氧化剂入口钻孔底部的地下煤层点火处，每间隔5mim采集一次数据，根据采集的数据绘出地下气化温度场仿真曲线图，计算出煤的燃烧速度、温度分布、气体流量，混合气各组分浓度；调控气化的实施过程为在构筑地下气化通道的同时，依据煤层厚度、倾角，气化系统及气化反应化学平衡、气化过程能量平衡、气化过程物料平衡关系，沿气化通道出气方向，在调控还原带范围内布置数个调控钻孔；当气化进行到标声气体(co2)达到11.2～14.5％时，第一个调控钻孔间歇供风，当第一调控钻孔达到氧化边界时，进入第二个调控钻孔调控，依此类推，直至气化结束。
本发明的有益效果是该方法提供了一种在煤炭地下气化过程中，可实施的调控手段，服务时间长，煤气热值高，气化带、还原带、干馏带的热值、可燃组分和产气量稳定，能形成商业开发的煤炭地下气化产生，为煤炭工业的发展提供了一个新的方向。
以下结合附图以实施例具体说明。
图1示煤炭地下气化标志气体的检测与调控方法的模型示意图。
图2示图1的煤炭地下气化温度场等温线示意图。
图3示图1的煤气组分浓度曲线4示图1的调控升温气化工艺流程框图。
图中，1-气化剂入口钻孔；2-第一个调控钻孔；3-煤气出口钻孔；4-岩土覆盖层；5-顶板光层；6-地下煤层；7-底板岩层；8-调控干燥区；9-调控干馏区；10-调控还原带；11-调控氧化带；12-燃烧区氧化区；13-气化通道具体实施方式
参照附图1，一种由氧化剂入口钻孔1、煤气出口钻孔3、岩土覆盖层4、顶、底板岩层5、7和地下煤层6组的煤炭地下气化系统，其特点是根据地下煤层6的厚度和倾角，确保煤碳地下气化连续稳定进行的气化空间，确定煤碳地下气化系统中的气化通道13的长度LqLq≥Ly+Lh+Vst式中Ly-调控氧化带长度，m；Lh-调控还原带长度，m；
Vs-燃烧工作面推进速度，m/d；t-气化单程作业时间，day；Ly＝16Re0.16dn式中Re-Reynolds数；d-流体当量值；d＝2hw/(h+w)式中h-气化通道13高度，m；w-气化通道13宽度，m；Lh通过物料平衡法和热能平衡法计算和实验确定，本实施例为120m。调控还原带10长度Lh是指调控氧化氧化带11下边界到co2还原率降至最低点这段距离。在满足气化工艺要求，通过计算确定气化爱道13的长度Lq为160m。
标志气体的调控方法以co2为标志气体，采取钻孔调控的煤炭地下气化的控制机制，即调控升温气化法；标志气体检测及调控钻孔2的建立，提高了co2还原率30～50％，增加了还原带10长度Lh的39.5％，有效地解决了热值、可燃组分和产气量的不稳定。其具体方法在气化剂入口钻孔1和煤气出口钻孔3之间，利用计算机仿真技术手段，根据产出气化中可燃组分(co、H2)的摩尔浓度作为优化参数，沿气流方向，确定第一个调控钻孔2至第n个调控钻孔位置；本实施例沿气流方向间隔2.5m设一调控钻孔，标志气体co2的检测方法根据最高温度燃烧点与煤及岩石的导热衰减原理，在第一个调控钻孔2的1.5m间隔布置热电欧、温度传感器，在煤气出口钻孔3设置流量计、气体分析仪；在气化剂入口钻孔1底部的地下煤层点火处，每间隔5min采集一次数据，根据采集的数据绘出煤炭地下气化温度场等温线示意图(见附图2)和可燃组分相对浓度曲线图(见附图3)。附图2中的纵坐标y为氧化剂入口钻孔1的高度(m)，横坐标y为距气化剂入口钻孔1的距离(m)，曲线为温度变化曲线；附图3中的纵坐标y为可燃组分相对浓度(％)，横坐标x为距气化剂入口钻孔1的距离(m)，N2、co、H2、H2O、O2、CO2、为可燃组分的曲线；计算出煤的燃烧速度及控制参数。
调控气化的实施过程为在构筑地下气化通道13的同时依据煤层储存条件、煤质、气化系统情况及气化反应化学平衡、气化过程能量平衡、气化过程物料平衡的关系，沿气化通道13在调控还原带10范围内布置三个调控名孔2；当气化进行到标志气体(co2)达到设定值时，第一个调控钻孔2间歇供风，当第一个调控钻孔2达到气化边界时，进入第二个调控钻孔调控，依此类推，直至气化结束。调控升温工艺流程如附图3所示。
煤炭地下气化过程分析首先在气化剂入口钻孔1底部附近点火，同时鼓入气化剂，此时即在气化通道13左端形成一燃烧氧化区12，生成高温气体沿气化通道13向右渗透，同时把携带的热量传递给周围的煤层，随着时间的推移，在气化通道13中逐渐形成了调控还原带11、调控还原带10和调控干馏区9调控干燥区8.在氧化区12中，气化剂中的氧气在与煤的热化学反应中逐渐消耗，同时生成二氧化碳，在氧气耗尽以后，气流在鼓风气的推动下向煤气出口钻孔3流动，进入调控还原带10；在还原带10中二氧化碳与炽热的焦碳或半焦碳(650℃～900℃)进行化学反应，被还原成一氧化碳，同时水蒸汽也与半焦碳作用生成氢气和一氧化碳，由于还原反应的强烈地吸热，从而使温度逐渐下降，气流进入干馏区9、干燥区8(200～650℃)。此时，气流与煤中析出的挥发分和水蒸汽相混合，该挥发分可作为焦油向煤气出口钻孔3移动，也可进一步热解，生成一氧化碳、氢气和轻质的碳氢化合物，进入煤气流中。如上所述的煤炭地下气化区按起不同的功能划分为“三带”，即氧化带11、还原带10、和干馏干燥带(干馏区9+干燥区8)，氢化带11通过煤炭燃烧，提供热量，形成气化温度场；还原带10是co2还原区域，co2与煤中炽热的C反应和成co，是煤炭气化的主导区域；干馏干燥带9、8是煤的热能反应区，主要生成高热值的H2、CH4及挥发分，煤炭地下气化的调控升温气化工艺流程如附图3所示。以co2为标志气体，并对其实时检测，采用调控钻孔对煤炭气化过程的调控达到服务时间长、煤气热值高、调控氧化带11、调控还原带、干馏干燥带的热值、可燃阻分和产气量稳定。
权利要求
1.一种煤矿地下气化标志气体的检测与调控方法，由气化剂入口钻孔(1)、煤气出口钻孔(3)、岩土覆盖层(4)、顶、底板岩层(5)、(7)、气化通道(13)和地下煤层(6)组成的煤炭地下气化系统，其特征是a、根据煤层在地下的储存厚度和倾角，确定煤炭地下气化连续稳定进行的气化空间，确定煤炭地下气化系统中的气化通道(13)的长度LqLq＝Ly+Lh+Vst式中Ly-调控氧化带(11)的长度，m；Lh-调控还原带(10)的长度，m；Vs-燃烧工作面推进速度，m/d；t-气化单程作业时间，day；Ly＝16Re0.16dn式中Re-Reynolds数；d-流体当量值；d＝2hw/(h+w)式中h-气化通道(13)高度，m；w-气化通道(13)宽度，m；Lh通过物料平衡方法、热能平衡法计算及实验确定为80～120m；在满足气化工艺要求，通过计算气化通道(13)的长度Lq取120～160m；b、标声气体的调控方法在氧化剂入口钻孔(1)和煤气出口钻孔(3)之间，利用计算机仿真技术手段，根据产出煤气中可燃组分(co、H2)的摩尔浓度作为优化参数，沿气流方向，确定第一个至n个调控钻孔(2)位置；c、标志气体的检测方法根据最高温度燃烧点与煤及岩石的导热及衰减，在第一个调控钻孔(2)间隔1.5m布置热电欧、温度传感器；在煤气出口(3)设置流量计、气体分析仪；在氧化剂入口钻孔(1)底部的地下煤层点火处，每间隔5mim采集一次数据，根据采集的数据绘出地下气化温度场仿真曲线图，计算出煤的燃烧速度、温度分布、气体流量，混合气各组分浓度；d、调控气化的实施过程为在构筑地下气化通道(13)的同时，依据煤层厚度、倾角，气化系统及气化反应化学平衡、气化过程能量平衡、气化过程物料平衡关系，沿气化通道出气方向，在调控还原带(10)范围内布置数个调控钻孔；e、当气化进行到标声气体co2达到11.2～14.5％时，第一个调控钻孔(2)间歇供风，当第一调控钻孔(2)达到氧化边界时，进入第二个调控钻孔调控，依此类推，直至气化结束。
全文摘要
本发明属地下煤炭开发利用的方法，特别涉及一种煤炭地下气化标志气体的检测与调控方法，由气化剂入口钻孔(1)、煤气出口钻孔(3)、岩土覆盖层(4)、顶、底板岩层(5)、(7)、气化通道(13)和地下煤层(6)组成的煤炭地下气化系统，该方法提供了一种在煤炭地下气化过程中，可实施的调控手段，服务时间长，煤气热值高，气化带、还原带、干馏带的热值、可燃组分和产气量稳定，能形成商业开发的煤炭地下气化产生，为煤炭工业的发展提供了一个新的方向。
文档编号E21B47/00GK1667241SQ20051004584
公开日2005年9月14日 申请日期2005年2月2日 优先权日2005年2月2日
发明者张彬, 孙宝铮, 许振良, 姜福川 申请人:辽宁工程技术大学