本发明涉及一种地下气化炉煤层点火装置及后退重复点火气化方法。
背景技术
煤炭地下气化过程主要包括气化炉建设、煤层点火、煤层气化三个步骤。气化炉一般由进气井、生产井和气化通道组成。
目前气化炉的生产通常采用的是在出气井侧一次点火，在水平井分段设置注气点，随着从一次点火点向后燃烧气化区随之后退，后退的过程中注气点被依次触发打开分段注气实现煤层的气化生产。上述是理想的生产过程，然而地下煤层千变万化，在实际的生产过程中，当燃烧空腔发展到一定程度后，往往会出现不能触发下一个注气点而出现灭火不能连续生产或者反应条件破坏，燃烧不充分煤气品质下降，这时就需重新建立气化反应区，而如何快速在水平通道内任一点建立火区是建立新气化反应区的关键。需要从出气井侧伸进装置重新点火，工序复杂，操作难度大。而且上述后撤气化的方式，在引火过程中，会因为煤层结构变化、夹矸等无法引火或引火时间过长，导致在引火过程中出现煤气组分差，运行不稳定的问题，影响地面系统的稳定运行。
技术实现要素：
本发明的目的在于提出一种地下气化炉煤层点火装置及后退重复点火气化方法，通过在水平气化通道中设置一个可重复点火装置，采用后退任一点点火的工艺方法提高地下气化炉的出气质量和稳定性。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种地下煤层点火装置，包括装置本体，其中，在装置本体轴向两侧分别设置有气体输出混合室和气体输入混合室，气体输出混合室和气体输入混合室之间设置有气体混合通道，气体输入混合室包括相互连接的复合连续接口管和气体输入预混室，在所述气体混合通道的两端分别连接设置有直径逐渐放大的圆锥敞口空腔，在气体混合通道气体输入端的圆锥敞口空腔是所述气体输入预混室，在气体混合通道气体输出端的圆锥敞口空腔是所述气体输出混合室，在复合连续接口管中、轴向通过支架固定设置有燃料输送接口管，所述燃料输送接口管与所述气体混合通道同轴、间隔设置，环绕所述气体混合通道与所述气体混合通道平行设置有多个通孔，通孔贯通气体输入预混室和气体输出混合室，一个点火枪的点火头从气体输出混合室的侧壁伸出，点火枪的控制线从所述复合连续接口管引出，一个温度传感器从所述气体输出混合室的侧壁伸出设置在气体输出混合室中，温度传感器的信号引出线从所述复合连续接口管引出。
方案进一步是：所述燃料输送接口管的直径小于或等于所述气体混合通道直径，所述燃料输送接口管的出口与所述气体混合通道输入口的间隔距离是3cm至10cm。
方案进一步是：所述输入预混室的圆锥敞口空腔是起始30°至尾端70°弧形收口的圆锥敞口空腔，所述气体输出混合室的圆锥敞口空腔是起始30°夹角的抛物线弧形圆锥敞口空腔。
一种地下气化炉，是后退可重复点火地下气化炉，包括进气井和生产出气井，进气井和生产出气井在地面间隔设置、垂直向下延伸到煤层，在煤层中通过定向钻孔设置有水平气化通道，气化通道与进气井和生产出气井连通，其特征在于，在气化通道中设置有所述的煤层点火装置，煤层点火装置的复合连续接口管和燃料输送接口管分别连接相套的复合连续管和燃料输送管，相套的复合连续管和燃料输送管从进气井的井口引出连接在一个升降卷管机上，升降卷管机的卷动拖动煤层点火装置从气化通道的生产出气井侧向进气井侧移动，复合连续管的输入口连接气化剂注入系统，燃料输送管的输入口连接燃料注入系统，煤层点火装置的点火枪的控制线和温度传感器的信号引出线从复合连续管引出连接至一个控制器，所述控制器同时连接控制所述气化剂注入系统和燃料注入系统，在所述生产出气井的井口通过管路连接气化气回收系统，在回收系统中设置有参数分析仪，参数分析仪的参数分析信号连接至所述控制器。
方案进一步是：所述煤层点火装置中的燃料输送接口管的直径小于或等于所述气体混合通道直径，所述煤层点火装置中的燃料输送接口管的出口与所述气体混合通道输入口的间隔距离是3cm至10cm。
一种地下气化炉后退重复点火气化方法，是基于所述地下气化炉的后退重复点火气化方法，所述方法步骤是：
第一步：将点火装置放置在气化通道中接近生产出气井煤层端口的位置，向复合连续管注入气化剂，向燃料输送管注入燃料，点火，点火成功后进入气化生产；
第二步：实时监测气化生产的煤气组份参数，当测得的煤气组份低于一个设定的阈值时认为气化的煤层气化接近完成；
第三步：启动进气井口的升降卷管机拖动点火装置向后移动一个设定的煤层燃烧段距离的位置，向复合连续管注入气化剂，向燃料输送管注入燃料，再次点火，点火成功后进入气化生产并返回第二步。
所述方法步骤是：所述点火的过程是：在向复合连续管注入气化剂，向燃料输送管注入燃料后；
a,触发点火枪的点火头，判断燃料是否点燃，当气体输出混合室的温度持续上升至一个设定温度以上，则燃料已点燃，关闭触发，否则持续触发点火头；
b，提高注入的气化剂和燃料的流量，将点燃的火焰从气体输出混合室推至煤层，检测气体输出混合室温度和生产出气井出口的煤气组份含量，当气体输出混合室的温度下降至设定温度或以下，则维持此时注入的气化剂和燃料的流量直至煤气组份含量达到或超过煤气组份含量设定阈值；
c，在煤气组份含量达到或超过气体组份含量设定阈值后，停止向燃料输入管注入燃料，调整气化剂注入量或气化剂组份，维持煤层的燃烧，使生产出气井出口的煤气组份含量保持或超过煤气组份含量设定阈值。
所述方法步骤是：当停止向燃料输入管注入燃料后，向燃料输入管注入气化剂。
所述方法步骤是：所述气化剂是含氧浓度为20%至80%的气体，所述燃料是气体燃料或液体燃料，所述气体燃料是天然气、液化石油气、煤气、乙烷、丙烷、丁烷、乙炔中的一种，所述液体燃料是柴油、汽油、酒精中的一种。
所述方法步骤是：所述复合连续管与进气井侧壁以及气化通道侧壁之间形成有环空通道，在气化生产期间向所述环空通道注入气体或者液体，所述的气体是惰性气体、或氧气浓度小于40%的混合气体，所述液体是水。
本发明的有益效果是：
通过对气化过程中的点火方法进行改进，实现了任意点快速、可控、安全的点火，点火装置可多次重复使用，无需多次在地面安装，缩短点火的时间，保证气化炉稳定运行，使煤气组分更加稳定，更好地与地面煤气系统匹配，加快煤炭地下气化工业化生产的步伐。
下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。
附图说明
图1本发明点火装置轴侧剖面结构示意图；
图2本发明点火装置轴断剖面结构示意图；
图3本发明地下气化炉结构示意图；
图4本发明地下气化炉结构后退点火示意图；
图5本发明地下气化炉结构后退后煤层燃烧后的示意图。
具体实施方式
实施例1：
一种地下煤层点火装置，如图1和2所示，点火装置包括装置本体1，其中，在装置本体轴向两侧分别设置有气体输出混合室101和气体输入混合室102，气体输入混合室包括相互连接的复合连续接口管104和气体输入预混室102-1，图1示意了复合连续接口管104与复合连续管2的连接方式，即复合连续接口管104通过子口插在复合连续管2中，插接后可以通过螺丝在管壁上固定。气体输出混合室和复合连续接口管104之间设置有气体混合通道103，气体混合通道103是等直径通道，在所述气体混合通道的两端分别连接设置有直径逐渐放大的圆锥敞口空腔，在气体混合通道气体输入端的圆锥敞口空腔是所述气体输入预混室102-1，在气体混合通道气体输出端的圆锥敞口空腔是所述气体输出混合室101，气体输入预混室的圆锥敞口空腔的敞口端连接所述复合连续接口管104，在复合连续接口管104中、轴向与复合连续接口管104同轴通过支架固定设置有燃料输送接口管3，所述燃料输送接口管与所述气体混合通道同轴、间隔设置，所述燃料输送接口管的直径小于或等于所述气体混合通道直径，所述燃料输送接口管的出口与所述气体混合通道输入口的间隔距离是3cm至10cm。具体距离尺寸根据使用具体燃料决定，主要取决于燃料的火焰传播速度。所述燃料主要指可燃烧的气体或液体，气体包括但不限定于天然气，液化石油气，煤气，乙烷，丙烷，丁烷，乙炔等，优选天然气，煤气和乙烷，液体包括但不限定于柴油，汽油，酒精等。如选用液态燃料，燃料管出口需增加设置雾化装置。
燃料输送接口管外侧壁与复合连续接口管104内侧壁之间形成的是气化剂输入通道，如图2所示，环绕所述气体混合通道与所述气体混合通道平行设置有多个通孔105，通孔贯通气体输入预混室和气体输出混合室，通孔用于输送气化剂并冷却装置本体，一个点火枪4穿过装置本体1，点火枪的点火头401从气体输出混合室的侧壁伸出，点火枪的控制线通过插头6从所述气化剂输入通道、即复合连续接口管104引出，一个温度传感器7从所述气体输出混合室的侧壁伸出设置在气体输出混合室中，温度传感器的信号引出线8穿过装置本体1从所述气化剂输入通道、即复合连续接口管104引出。温度传感器优选可以测量高温的铠装热电偶。
实施例中装置本体1采用的是拉法尔结构，即在气体混合通道103前、后分别连接的是圆锥敞口空腔，并且预混室圆锥敞口空腔的长度小于气体输出混合室圆锥敞口空腔的长度，装置本体一般设计长度为0.3至1m。气化剂和燃料可在本体内进行充分混合，同时在混合室存在紊流区域有利于点火。因此其优选方案是：所述输入预混室的圆锥敞口空腔是从气体混合通道进口起始30°至尾端70°弧形收口的圆锥敞口空腔，所述气体输出混合室的圆锥敞口空腔是从气体混合通道出口起始30°夹角的抛物线弧形圆锥敞口空腔。
其中：所述通孔至少有6个，6个通孔环绕气体混合通道均匀分布设置；通孔设置目的是：1.增大气化剂在该位置的通量，降低该处的阻力，2.点火时起到对点火枪和测温导线降温保护的作用。3.燃料在混合室内与燃料在此混合，起到助燃，稳焰。通孔尺寸主要根据气化剂总量及阻力降决定。
实施例中的气体输入预混室104采用从气体混合通道起始30°至尾端70°弧形收口设计，便于气化剂和燃料在燃料管前端的空间内进行初步混合。
实施例中的气体混合通道103直径大于或等于燃料输送接口管3，且与燃料输送管同轴，气化剂和燃料在气体混合通道内充分混合，同时对混合气进行整流。
实施例中的气体输出混合室101设计为弧形结构，当混合气进入混合室后，气体分布均匀，速度降低，且在弧形设计较其他形状更容易在边缘形成回流区，利于点火和起到稳火的作用。混合室出口处外壁设置斜口结构，便于下放，防止出现下放时卡顿等问题
实施例2：
一种地下气化炉，是后退可重复点火地下气化炉，如图3所示，所述地下气化炉包括进气井9和生产出气井10，进气井和生产出气井在地面间隔设置、垂直向下延伸到煤层11，在煤层中通过定向钻孔设置有水平气化通道12，气化通道与进气井和生产出气井连通，在气化通道中设置有实施例1所述的煤层点火装置，因此，实施例1中的内容应做为本实施例的内容；即：点火装置包括装置本体1，在装置本体轴向两侧分别设置有气体输出混合室101和气体输入混合室102，气体输入混合室包括相互连接的复合连续接口管104和气体输入预混室102-1，图1示意了复合连续接口管104与复合连续管2的连接方式，即复合连续接口管104通过子口插在复合连续管2中，插接后可以通过螺丝在管壁上固定。气体输出混合室和复合连续接口管104之间设置有等直径的气体混合通道103，在所述气体混合通道的两端分别连接设置有直径逐渐放大的圆锥敞口空腔，在气体混合通道气体输入端的圆锥敞口空腔是所述气体输入预混室102-1，在气体混合通道气体输出端的圆锥敞口空腔是所述气体输出混合室101，气体输入预混室的圆锥敞口空腔的敞口端连接所述复合连续接口管104，在复合连续接口管104中、轴向与复合连续接口管104同轴通过支架固定设置有燃料输送接口管3，所述燃料输送接口管与所述气体混合通道同轴、间隔设置，所述燃料输送接口管的直径小于或等于所述气体混合通道直径，所述燃料输送接口管的出口与所述气体混合通道输入口的间隔距离是3cm至10cm。具体距离尺寸根据使用具体燃料决定，主要取决于燃料的火焰传播速度；所述燃料主要指可燃烧的气体或液体。其中：所述的复合连续管是指外侧为气化剂输入管（或者称为连续管），内侧是燃料输送管，并且，点火枪控制线及温度传感器的信号线位于连续管与燃料输送管之间的管线。
煤层点火装置的复合连续接口管和燃料输送接口管分别连接相套的复合连续管2和燃料输送管13，复合连续管与进气井侧壁以及复合连续管与气化通道侧壁之间形成环空通道14，相套的气化剂输入管和燃料输送管从进气井的井口引出连接在一个升降卷管机15上，升降卷管机的卷动拖动煤层点火装置从气化通道的生产出气井侧向进气井侧移动，复合连续管（气化剂输入管）的输入口连接气化剂注入系统16，燃料输送管的输入口连接燃料注入系统17，煤层点火装置的点火枪的控制线和温度传感器的信号引出线从复合连续管引出连接至一个控制器18，所述控制器同时连接控制所述气化剂注入系统和燃料注入系统，在所述生产出气井的井口通过管路和阀门19连接气化气回收系统，在回收系统中设置有参数分析仪，参数分析仪的参数分析信号连接至所述控制器。
为了保证水平气化通道12的稳定：在所述水平气化通道的侧壁上设置有支护管，所述支护管是随着定向钻孔的过程中向井壁喷涂快速凝固浆料形成的支护管，快速凝固浆料是混有快速凝固剂、煤粉和水泥的浆料。
为了在停止注入燃料后迅速更换向燃料输送管注入气化剂：所述燃料输送管的输入口通过一个阀门开关连接气化剂注入系统，也就是通过此阀门开关在关闭燃料注入后，可以通过开启此阀门开关向燃料输送管注入气化剂。
实施例3：
一种地下气化炉后退重复点火气化方法，是基于实施例1点火装置和实施例2所述地下气化炉的后退重复点火气化方法，因此实施例1和实施例2中的内容应做为本实施例内容。为了简化，本实施例不在重复描述实施例1和实施例2中的内容，所述方法步骤包括：
第一步：将实施例1所述的点火装置放置在气化通道中接近生产出气井煤层端口的位置，例如在距离生产出气井煤层端口3米至5米的位置，向复合连续管注入气化剂，向燃料输送管注入燃料，进行第一次点火，第一次点火成功后进入气化生产；
第二步：实时监测气化生产的煤气组份参数，当测得的煤气组份低于一个设定的阈值时认为燃烧气化的煤层已被气化接近完成，或者说煤层已被燃烧尽、完成气化；
第三步：启动进气井口的升降卷管机拖动点火装置向后移动一个设定的煤层燃烧段距离的位置，向复合连续管注入气化剂，向燃料输送管注入燃料，再次点火，再次点火成功后进入气化生产并返回第二步；其中的设定的煤层燃烧段距离可以根据实际煤层以及周围环境的情况确定，优选在10米至40米的范围之内。
在第一次点火之前，首先在气化炉内建立完整的循环系统，所述的建立循环系统是指在气化炉内建立起气体循环；即气体从进气井进气，气体通过进气井、煤层气化通道、生产井后排出气化炉的过程；所述的气体是指空气或惰性气体，气体通过复合连续管与进气井侧壁以及复合连续管与气化通道侧壁之间环空通道注入，或通过气化剂输入管注入，或二者同时注入，优选使用两者同时进气。在建立循环过程中，通过调节生产井口阀门19进行炉内压力控制，一般控制气化炉内压力为微正压，例如100pa至0.1mpa。然后，将燃料输送管13内原有气体置换干净，防止下一步注燃料过程中因燃料和原有气体在狭小的空间内混合出现爆炸的可能，置换时使用惰性气体置换，置换气量不小于燃料输送管总体积的3倍，置换是否彻底以燃料监测仪器指示为准。
其中注入的气化剂的量和燃料的量是按配比注入。燃料是指可燃烧发出大量热的气体或液体。气体包括但不限定于天然气，液化石油气，煤气，乙烷，丙烷，丁烷，乙炔等，优选天然气，煤气和乙烷，液体包括但不限定于柴油，汽油，酒精等。如选用液态燃料，燃料输送接口管出口需增加设置雾化装置。燃料的配比按气化剂输送管内通入的气化剂量进行配比，配比时氧气过量按照化学比的10%以下。
其中的点火是通过控制地面电源，进行点火。点火前，通过计算燃料流速得出燃料到达输出混合室的时间，当混合气进入混合室后电源供电，供电后点火枪会产生高能电弧，在混合室内引燃燃料。
其中点火过程是采用间隔放电的方式进行多次重复点火，可以提高点火的成功率，频次通常在5秒/次；通过温度传感器测量气体输出混合室的温度，可以判断点火是否成功，点火成功后，停止通电。若为第一次点火，计算燃料气进入气体输出混合室一分钟后，温度传感器未测到温度，停止燃料通入，然后重复上述点火动作过程。防止因燃气浓度过大，引起安全事故。或者，在燃料管线上安装监测装置来指示燃料是否到达点火装置，并且依靠检测装置的信号来自动通电点火。
在点火成功后，火焰主要在混合室内燃烧，为了引燃煤层，依靠空燃比手动/自动控制系统调节燃料和气化剂供应量（加大压力），将主火焰推至混合腔室外，使火焰充分与煤层接触。
初次点火时，判断煤层点燃的标准为出气井中h2、co含量，其中h2含量大于5%，co大于3%可判断为引燃。若不是初次点火，除了上述判断方式，还可通过燃烧热量的计算，确定燃料气在煤层持续燃烧时间进行煤层是否引燃的判断，一般选择燃烧时间不小于10分钟可视为煤层被引燃，也可以通过点火前后的气体组分的变化来判断。
点火成功后，关闭燃料供给，调节气化剂量，转入气化生产。
其中，在确定煤层点燃后，关闭燃料输送管，用少量惰性气体置换燃料输送管，置换完成后，为了加强气化剂的注入量，所述燃料输送管可以注入气化剂。在气化的过程中，根据气化时所需的气化剂种类，对气化剂进行调整，调整包括流量和气化剂种类，转入气化环节。
实施例中：所述点火（包括第一次点火和再次点火）的过程是：在向复合连续管注入气化剂，向燃料输送管注入燃料后；
a,触发点火枪的点火头，检测气体输出混合室中的温度传感器，判断燃料是否点燃，当气体输出混合室的温度持续上升至一个设定温度以上，则燃料已点燃，关闭触发，否则持续触发；
b，提高注入的气化剂和燃料的流量（压力），将点燃的火焰从气体输出混合室推出至煤层，检测气体输出混合室温度和生产出气井出口的煤气组份含量（例如co或h2的含量），当气体输出混合室的温度下降至设定温度或以下，则维持此时注入的气化剂和燃料的流量直至煤气组份含量达到或超过煤气组份含量设定阈值（例如co或h2的含量为7%）；
c，在煤气含量达到或超过煤气组份含量设定阈值后，停止向燃料输入管注入燃料，调整气化剂注入量或气化剂组份，例如可以将气化剂注入燃料输送管以提高气化剂的注入量，维持煤层的燃烧，使生产出气井出口的煤气组份含量保持或超过煤气组份含量设定阈值。
其中：当是再次点火时，向燃料输送管注入燃料后，首先通过检测判断生产出气井出口的煤气组份含量，当煤气组份含量升高说明煤层已被点燃，在煤气组份含量达到或超过煤气组份含量设定阈值后，停止注入燃料，保持气化剂输入管注入气化剂，调整气化剂注入量或气化剂组份，维持煤层的燃烧，使生产出气井出口的煤气组份含量保持或超过煤气组份含量设定阈值；如果煤气组份含量无变化或下降，则顺序执行步骤a、b、c。
上述实施例中的所述气化剂是含氧浓度为20%至80%的气体，气体中可以含有水蒸汽，水蒸汽注入量要经过物料衡算决定。一般地，生产1nm3空气煤气需要0.1～0.3克的水蒸汽。所述燃料是气体燃料或液体燃料，所述气体燃料是天然气、液化石油气、煤气、乙烷、丙烷、丁烷、乙炔中的一种，所述液体燃料是柴油、汽油、酒精中的一种。
其方法还包括：所述复合连续管与进气井侧壁以及气化通道侧壁之间形成有环空通道，在气化生产期间向所述环空通道注入气体或者液体，使其始终为正压，防止产生的煤气、从点火装置出来的气化剂回流至所述的环空通道，防止出现安全事故（爆炸），所述的气体是惰性气体、或氧气浓度小于40%的混合气体，所述液体是水。
以下是举例具体的实施过程：
在地下800m处有一约6m厚的煤层，通过定向井下煤层内建立一长度为500m的煤层通道（气化通道），定向井作为进气井使用。在煤层水平通道一端打一垂直井，垂直井作为生产井使用。
在地面将点火装置与复合连续管以及燃料输送管连接后，将点火装置沿进气井下放至生产井附近，距离生产井距离为5m。
打开生产井阀门，通过进气井和复合连续管连续通入300nm3/h量的空气，观察生产井出气情况，当生产井连续稳定出气后，关小生产井上的阀门，通过生产井处的压力表观察压力变化，控制生产井压力为0.1mpa。
向燃料输送管注入n2，注入量为50nm3/h，5分钟后，停止注入n2,注入ch4气体，注入流量为100nm3/h。注入3分钟后，地面通电开始进行点火，3分钟后，发现热电偶温度开始上升在100摄氏度以上，说明混合区内ch4已被点燃，停止通电。
加大ch4流量至100nm3/h，同时将空气流量调整至1000nm3/h，10分钟后生产井开始取样分析，发现生产井中气体中h2含量在7%，停止ch4气体的注入。调节空气流量至2000nm3/h，进行气化生产。
在气化炉处于气化阶段，如图4所示，注气点位置在a点，主要使用的气体为氧气和二氧化碳混合气，混合后的浓度为80%。其中复合连续管和燃料输送管进的是富氧气体，复合连续管和进气井之间的环空充进氧气和二氧化碳的混合气，总进气量为2000nm3/h。当位于a点前端的煤层完成气化时，会留下空腔（燃空区）和灰渣。其中燃空区和生产井连接，气体通过燃空区后经生产井排出。
当a前段煤层被气化完成后，测到的煤气组分开始下降，下降到煤气组份含量设定阈值一个点，例如50%的煤气组份含量设定阈值时，将点火装置移到b点，其中a点到b点的距离为30m。当点火装置置于b点后，停止燃料输送管中氧气的注入，二氧化碳气体注入燃料输送管，清洗管道，10分钟后开始充入甲醇液体，甲醇量为50kg/小时，5分钟后，地面开始通电点火，当热电偶测到上升温度后，停止供电同时增加甲醇量至100kg/小时，十分钟后停止甲醇供给。观察出气井煤气组分变化，若煤气组分有上升变化，说明煤层已被点燃，用二氧化碳置换燃料输送管后在通入氧气，煤层再次气化运行。
在气化炉运行正常时，此时复合连续管和进气井之间环空通道除了注入气体还可以注入水，复合连续管和燃料输送管内注入的是氧气，注入总量在1500nm3/h。而当系统需要进行检修时，需要将气化炉暂停气化，此时在该位置煤层没有完全被气化，为了配合系统检修，如图5所示，后撤复合连续管2m，复合连续管和燃料输送管停止进氧气，环空停止进水，同时通过进气井通入co2,保持气化剂输送管内压力大于气化区压力、防止煤气进入气化剂输送管内。地面检修期间，复合连续管和燃料输送管充入200nm3/h的co2，通过调节气化炉产气井阀门开度，维持气化炉的压力。
当地面检修完成后，将复合连续管移动至原气化位置，复合连续管开始进氧气，控制氧气流量在200nm3/h，燃气输送管通入液化石油气，气量控制在150nm3/h，通入液化石油气后，采用间歇放电的方法进行点火，检测生产井出口的煤气组分，发现组分中出现co或h2时，停止液化石油气的注入，同时使用co2吹扫燃气输送管线。缓慢增加复合连续管氧气流量至1500nm3/h。复合连续管和进气井之间环空注入的一定量的水，转入正常生产过程。