专利名称：煤炭地下气化炉熄炉方法
技术领域：
本发明涉及煤炭地下气化过程控制领域，尤其涉及一种煤炭地下气化炉熄炉方法。
背景技术：
煤炭地下气化就是使地下煤炭通过热化学反应原地转化为可燃气体的技术，它是集建井、采煤、转化三大工艺为一体，多学科开发能源及化工原料的新技术。其将物理采煤方法转化为化学采煤，抛弃了全部庞大的、笨重的采煤设备与地面气化设备，并将传统的地面燃烧转化为地下有控制地燃烧，因而是一种洁净煤综合利用技术，具有安全性好、投资少、效率闻、污染小、效益闻等优点。煤炭地下气化首先自地面向下打钻孔到煤层，再在煤层内部将钻孔连结起来，以其中一个钻孔将气化剂(如空气、水蒸汽、富氧空气等)输入到煤层，煤层在气化剂的作用下不完全燃烧，并连续发生气化，产生的可燃气体从另一个钻孔输送到地面。上述地下气化系统也称作地下气化炉。随着地下气化过程的进行，燃煤量逐步累加，留下的燃空区(指煤炭地下气化过程中由于煤层燃烧和气化而在煤层中留下的空腔)越来越大，地下气化炉出口温度逐渐升高。并且随着煤层表面灰层的累积，煤层的气化强度也逐步下降，煤层顶底板稳定性也随着燃空区的增大逐渐变差，地下气化炉燃空区周围环境含水层水也会逐步渗入地下燃空区， 产出气体组分中有效煤气产出量会逐渐减少，煤气含水量也会越来越高。这种情况就表明， 该地下气化炉进入了气化过程的后期，其生命周期即将结束。在结束地下气化时，需要将地下气化炉熄灭，以防止煤层持续燃烧浪费资源，以及增加地下燃空区的稳定性，并防止燃空区与含水层导通。在一定条件下，还需要对燃空区进行充填，以防止燃空区的大规模塌陷。以往采取的灭炉方法有注水、注入水蒸气、注入氮气等惰性气体等方法。但是多数方法熄炉时间较长，并需要大量的气体循环注入以降温，成本高昂。例如，现有技术一，专利201010103397 “用于煤层火灾治理的复合凝胶防灭火材料”，介绍了一种防治煤炭矿井火灾的复合凝胶防灭火材料，是由水玻璃基料、促凝剂、复合骨料和增稠剂材料组成。所添加的增稠剂可以增加胶体的稠度，并提高混合浆体的悬浮性。 该复合凝胶制备工艺简单，易于现场实施应用；形成的凝胶具有一定强度，能起到堵漏作用；原材料来源丰富，价格低廉；产品无毒无害无味，不污染井下矿井，对人体无毒副作用。 但是其只适用于矿井的堵漏和防灭火，如果用于地下气化燃烧后的大空腔，其操作性不强， 基本很难实现。现有技术二，专利200910015535 “地下气化炉充氮灭炉方法”，该方法在地面安装制氮机，制出的氮气通过进气通道充入气化炉内，从而断绝气化炉氧气进行灭火，并在不断地充入过程中，将炉内热量置换出来，从排气管道排出地面进行降温。该发明的优点是，由于氮气不燃烧不助燃，可以起到断氧的目的，而且在不断地充入过程中将炉内剩余热量置换出来，使炉内残煤不再复燃，实现彻底灭炉。但由于地下气化炉空腔体积较大，需要的氮
3气较多，且使用过程中循环降温，其经济性相对较差。现有技术三，专利200910015541 (地下气化炉喷雾灭炉方法)是在地面进气通道的进气孔口内布置喷头，喷头连接在进水管道上，边向炉内鼓风边喷水，风流与水混合成水雾进入气化炉中，水雾遇炽热气化煤层被气化形成蒸汽，从排气通道排出，在上述过程进行中，炉内热量不断转移给蒸汽，从而降低炉温和置换出氧气，达到灭炉目的。该发明灭炉方法简单，仅在孔口进气通道内安装上几个喷头即可，在炉中形成的蒸气不助燃不燃烧，使炉内热量快速置换出来不再复燃，且使用水量极小，不会造成矿井透水威胁。但该方法喷头下放过程复杂，可操作性差。现有技术四，专利200910015542 “地下气化炉蒸汽灭炉方法”，该方法是在地面布置蒸汽设备和蒸汽管道，蒸汽管道连接在原进气通道上，通过进气通道向气化炉内充入蒸汽，蒸汽遇炉内高温进一步气化反应，从而断绝气化炉内氧气进行灭火，在不断充入过程中吸热降温，将炉内热量置换出来，从排气通道排出地面进行降温，达到快速安全彻底灭炉的目的。该发明灭炉方法实现了彻底快速灭炉，而且不会受透水威胁的目的。但由于地下气化煤层较深，在蒸汽鼓入地下燃空区的过程中被冷却，导致进入燃空区的蒸汽基本变成水， 其只对部分区域的冷却效果较好，但生产蒸汽的能耗却较大，因此经济性和灭炉效果均相对较差。现有技术五，专利200910015540 “地下气化炉综合灭炉方法”，该方法首先采用蒸汽灭炉熄火，然后用喷水雾进行空气降温，最后采用注浆法用注浆材料封闭地下气化炉所有进出气通道，使地下气化炉与大气隔绝。该发明综合灭炉方法，比单一的灭炉方法快，一般两个月左右即可彻底灭炉，因用水有限且全部转化为蒸汽排出，不会造成矿井透水威胁。 但该方法过程复杂，需要的附属设备较多，操作性也相对比较差。现有技术六，文献“鹤煤五矿二 I煤自然发火原因分析与综合防治技术”，“利用凝胶阻化剂防灭火技术处理井下高冒点煤炭自燃”，“浅谈凝胶防灭火在煤矿生产中的应用” 等，介绍了化学凝胶处理高温点及堵漏技术、罗克休/马丽散封闭技术、煤矿防灭火剂MEA 与快速砌垒材料FSA联合压注封闭技术等煤矿地下火区自燃处理措施。但是这些措施都是针对矿井火灾预防和治理的，很难适用于地下气化炉熄炉，基本不可实现。现有技术七，专利US 20050011653A1 “PROCESS FOREXTINGUISHMENT 0FUNDERGR0UND COAL SEAM FIRES”提出一种利用地下火区本身热量来加热石灰石浆液，使得浆液受热产生C02，进而达到灭火的方法。该方法成本较低，实现也较容易，该方法采用的石灰石浆液灭火，其用量较大，虽然成本不高，但是很难与距离输送口较远的火区充分接触，适用于地下小范围火区的灭火。现有技术八，专利US005909777A “METHOD AND APPARATUS F0RST0PPING THE SPREAD OF A FH2E IN AN UNDERGROUND MINE”提出一种在煤矿下预制可移动水管和喷嘴， 以解决地下火灾发生时消防队员很难进入的问题。该专利主要是针对煤矿生产中发生火灾或者废矿井复燃的情况提出的一种解决方法，由于地下气化炉很难有人下井操作，因此在地下气化熄炉过程基本不具备可行性。
发明内容
本发明旨在克服上述现有技术中的至少一个缺陷。
本发明提出一种煤炭地下气化炉熄炉方法，其利用负压提高地下水或者煤层水向气化炉空腔(燃空区)的渗透性，进而使水进入燃空区，通过水的蒸发吸热和水蒸汽与高温煤层反应吸热达到熄炉目的。在本发明中，负压是指煤炭地下气化炉内燃空区内的气体压强小于燃空区周围环境中的静水压强的状态。燃空区周围环境包括燃空区周围的煤层、岩层、水层等。根据本发明的一个方面，提出一种煤炭地下气化炉熄炉方法，所述煤炭地下气化炉包括燃空区和从燃空区延伸到地面的至少一个管道，所述方法包括在所述至少一个管道的出口处连接抽风机；操作抽风机以抽出燃空区内的气体并在燃空区内形成负压，从而使燃空区周围环境中的水进入燃空区以实现熄炉，其中，在使用至少一个管道抽负压的过程中，不使用的其它管道被封闭。所述燃空区周围环境中的水可以包括地下含水层、煤层内部、煤层周围岩体中的水中的至少一种。根据本发明的一个实施例的煤炭地下气化炉熄炉方法，其中，通过设置在所述管道中的压强测量装置监测燃空区内的气体压强，在燃空区内形成负压包括将燃空区内的气体压强抽至不高于预定压强。根据本发明的一个实施例的煤炭地下气化炉熄炉方法，其中， 所述预定压强为40kpa。根据本发明的一个实施例的煤炭地下气化炉熄炉方法，其中，所述预定压强为 Okpa。根据本发明的一个实施例的煤炭地下气化炉熄炉方法，其中，通过设置在所述管道中的测温计监测抽出气体的温度，当抽出气体的温度降至90°C以下时，停止抽出气体。根据本发明的一个实施例的煤炭地下气化炉熄炉方法，其中，在停止抽出气体后， 封闭所述管道的出口。根据本发明的一个实施例的煤炭地下气化炉熄炉方法，其中，在气化炉区域的不同位置设置多个管道。可选地，通过多个管道同时抽出燃空区内的气体。可选地，通过多个管道轮流抽出燃空区内的气体。优选地，所述管道是在煤炭地下气化过程中使用的管道。所述管道可以是进气管道或出气管道，所述进气管道在煤炭地下气化过程中用于通入气化剂，所述出气管道在煤炭地下气化过程中用于排出气化产物。本发明的熄炉方法，与传统方法相比，操作简便，易于控制，不需要外加过多设备， 成本低，易于实施。
图I示出了可以实施本发明的方法的煤炭地下气化炉的示意图。
具体实施例方式总的来说，本发明的煤炭地下气化炉熄炉方法是在地下气化炉生命周期的后期， 通过抽出燃空区内的气体以在燃空区内形成负压，利用负压提高燃空区周围环境中的水向燃空区内的渗透性，从而将水引入燃空区，通过水本身的降温作用以及水的蒸发吸热作用和水蒸汽与高温煤层进行吸热反应产生的吸热作用来降低煤层的温度，达到熄炉的目的。
本发明应用了达西定律。达西定律^ =以#·=以·/其中，q表示单位时间渗透量,k表示渗透系数,A表示渗透面积，Ah表示压头差, I表示渗透路径的长度，i表示单位长度的压头差。根据达西定律，水在煤层中的渗透量与压力梯度(压头差)成正比，因此，在煤层、 煤层周围岩体及含水层渗透系数不变化的情况下，由于燃空区内产生负压，导致压头差增大，从而单位渗透面积向燃空区内渗入的水量会增大。水在进入燃空区后，在燃空区原有的高温作用下蒸发吸热；进而，水蒸气有可能会与还在燃烧或者处于高温的碳发生如下强吸热反应(水煤气反应)C+H20 — C0+H2-131. 5MJ/kmol结果，地下气化炉内热量被水蒸气蒸发吸热和水煤气反应吸热带走，另外抽风机抽负压的过程也可以将炉内的部分热量带走，造成炉内温度下降，从而达到熄炉的目的。以下结合具体例子说明本发明的熄炉方法。实施例I图I示出了可以实施本发明的方法的煤炭地下气化炉的示意图。如图I所示，典型的煤炭地下气化炉包括分布在气化炉区域的不同位置的若干进出气钻孔1、2和3、煤层4 和燃空区5。进出气钻孔1、2和3从地面6经由地层7延伸到煤层4中。在煤炭气化过程中，钻孔I用作进气通道，用于通入促使煤层燃烧气化的各种气化剂，钻孔2或3用作出气通道，用于排出煤层燃烧气化后的气体产物。钻孔2或3中的另一个也可以为用于其它目的例如观测用的通道。在气化过程中，随着煤的燃烧在煤层中逐渐形成的燃空区5分别与进出气钻孔I、 2和3连通。在煤炭地下气化过程末期，随着气化炉运行时间的持续，燃空区5扩大，地下气化炉中气化强度下降，煤气热值降低，气化可控性变弱，这时表示该地下气化炉已经近于气化炉运行的末期，需要对其进行熄炉处理，以保证地下煤层不继续燃烧，节省资源，也有利于防止地下环境中污染物的聚集、扩散，以及防止因燃空区扩展引发的地表沉降从而影响地层的稳定。具体的熄炉过程为在气化过程的末期，当需要熄炉时，在地下气化炉的原有进出气钻孔1、2和3的出口处连接抽风机；操作抽风机以从进出气钻孔1、2和3持续或间断向外抽出燃空区内的气体，使燃空区内产生负压，从而将燃空区周围环境中的水引入燃空区，以实现熄炉。所述燃空区周围环境中的水包括地下含水层、煤层内部、煤层周围岩体中的水等。将燃空区周围环境中的水引入燃空区是指使燃空区周围环境中的水通过煤层、地层、岩层等孔隙、裂隙或通道，通过涌水、渗透等方式进入燃空区。根据该实施例，可以在进出气钻孔1、2和3中分别设置压强测量装置，以持续监测抽出气体的压强，从而监测燃空区的压强。压强测量装置可以采用公知的压力计、真空计等，并且可以设置在钻孔的出口附近，以便于测量。当将燃空区内的压强抽至预定压强时， 可以在燃空区内形成负压状态。所述预定压强取决于燃空区周围环境中的静水压强。例如， 燃空区所处地层的深度不同，静水压强不同，则所述预定压强也可能不同。
但是，发明人发现，对于不同煤层深度，当燃空区内的压强降至不高于40kpa时， 钻孔出口处水蒸汽含量显著增加，出口处气体温度显著下降，表明燃空区内进入大量涌水。 因此，可以选择将燃空区内的压强抽至不高于40kpa。优选将燃空区内的压强抽至低于 Okpa0因为，将燃空区抽至更低的压强，有利于增加压力梯度，提高水的渗透速度，从而有助于快速熄炉。根据该实施例，还可以在进出气钻孔1、2和3中例如出口附近分别设置测温计，例如热电偶温度计，以监测抽出气体的温度。例如，当抽出气体的温度降至90°C以下时，表明气化炉内温度降至煤的燃点以下，基本达到熄炉目的。这时，关闭抽风机，停止抽出气体。随后，可以封闭进出气钻孔1、2和3，切断外部空气供给，以实现彻底熄炉。根据该实施例的熄炉方法，通过三个进出气钻孔同时抽气，有利于快速降低炉内压力，因而提高周围环境中的水向燃空区的渗透速度；同时，三个进出气钻孔位于气化炉区域的不同位置，有助于均匀地实现抽负压，从而实现快速熄炉。并且，利用气化炉本身的进出气钻孔进行抽气，不必增加其它附加设备，熄炉操作简单方便。实施例2实施例2的熄炉方法与实施例I基本相同，唯一不同的是，在图I所示的煤炭地下气化炉的熄炉过程中，通过三个进出气钻孔1、2和3轮流抽出燃空区5内的气体，在此过程中，除了被使用以抽出燃空区内的气体的管道外，其它管道被封闭。该方法也可以实现快速和均匀抽负压，因而能够实现快速熄炉。其它实施例实施例I和2以具体的气化炉为例说明了本发明的煤炭地下气化炉的熄炉方法。 但是，本发明不限于特定的实施例。例如，根据实施例I或2的变形实施方式，也可以只通过一个或两个进出气钻孔进行抽气，同时封闭其它的进出气钻孔，也能达到在燃空区内形成负压，从而使周围环境中的水流入燃空区，达到熄炉目的。另外，进出气钻孔的数量也不限于三个，而是可以根据需要设置为一个、两个、或更多个。另外，在上述实施例I和2中，利用气化炉本身的进出气钻孔进行抽气，但是，根据需要，也可以采用其它的通向燃空区的管道进行抽气，也能实现本发明的目的。总之，只要能维持炉内的负压条件，促进地下含水层、煤层内部、煤层周围岩体中的水渗流入炉内，然后通过水蒸发和水煤气反应以及抽气携带热量的过程将炉内的温度降低，均可以实现本发明的熄炉目的。在不偏离本发明的实质的情况下，对本发明所作的任何变形都在本发明的范围内。本发明的煤炭地下气化炉熄炉方法，与传统方法相比，操作简便，易于控制，不需要外加过多设备，成本低，易于实施。
权利要求
1.一种煤炭地下气化炉熄炉方法，所述煤炭地下气化炉包括燃空区和从燃空区延伸到地面的至少一个管道，所述方法包括在所述至少一个管道的出口处连接抽风机；以及操作抽风机以抽出燃空区内的气体并在燃空区内形成负压，从而使燃空区周围环境中的水进入燃空区以实现熄炉，其中，在使用至少一个管道抽负压的过程中，不使用的其它管道被封闭。
2.根据权利要求I所述的煤炭地下气化炉熄炉方法，其中，通过设置在所述管道中的压强测量装置监测燃空区内的气体压强，在燃空区内形成负压包括将燃空区内的气体压强抽至不高于预定压强。
3.根据权利要求2所述的煤炭地下气化炉熄炉方法，其中，所述预定压强为40kpa。
4.根据权利要求2所述的煤炭地下气化炉熄炉方法，其中，所述预定压强为Okpa。
5.根据权利要求I 4中任一项所述的煤炭地下气化炉熄炉方法，其中，通过设置在所述管道中的测温计监测抽出气体的温度，当抽出气体的温度降至90°C以下时，停止抽出气体。
6.根据权利要求5所述的煤炭地下气化炉熄炉方法，其中，在停止抽出气体后，封闭所述管道的出口。
7.根据权利要求I所述的煤炭地下气化炉熄炉方法，其中，在气化炉区域的不同位置设置多个所述管道。
8.根据权利要求7所述的煤炭地下气化炉熄炉方法，其中，通过多个管道同时抽出燃空区内的气体。
9.根据权利要求7所述的煤炭地下气化炉熄炉方法，其中，通过多个管道轮流抽出燃空区内的气体。
10.根据权利要求I所述的煤炭地下气化炉熄炉方法，其中，所述管道是在煤炭地下气化过程中使用的管道。
11.根据权利要求10所述的煤炭地下气化炉熄炉方法，其中，所述管道可以是进气管道或出气管道，所述进气管道在煤炭地下气化过程中用于通入气化剂，所述出气管道在煤炭地下气化过程中用于排出气化产物。
12.根据权利要求I所述的煤炭地下气化炉熄炉方法，其中，所述燃空区周围环境中的水包括地下含水层、煤层内部、煤层周围岩体中的水中的至少一种。
全文摘要
一种煤炭地下气化炉熄炉方法，所述煤炭地下气化炉包括燃空区和从燃空区延伸到地面的至少一个管道，所述方法包括在所述管道的出口处连接抽风机；操作抽风机以抽出燃空区内的气体并在燃空区内形成负压，从而将燃空区周围环境中的水引入燃空区以实现熄炉，其中，在使用至少一个管道抽负压的过程中，不使用的其它管道被封闭。该方法操作简便，易于控制，不需要外加过多设备，成本低，易于实施。
文档编号E21B43/295GK102587883SQ20111038628
公开日2012年7月18日 申请日期2011年11月29日 优先权日2011年11月29日
发明者刘洪涛, 潘霞, 陈 峰 申请人:新奥气化采煤有限公司