地下热-气联产气化设备、煤田火区前沿治理系统和方法与流程

本发明涉及一种地下热-气联产气化设备、煤田火区前沿治理系统和方法，属于煤炭火区治理与气化领域。

背景技术：

煤炭是人类发展过程中不可或缺的能源，其燃烧产生的热能推动着整个人类的进步和发展。但是，它不受控制的燃烧也带来了很大难题。世界上现存最古老的煤火是澳大利亚的burningmountain火区，相关学者认为它已经燃烧了6000多年。在我国，煤田火灾也普遍存在，其中属新疆火区最为严重。根据新疆煤田灭火工程局第四次火区普查显示，新疆煤田火区总面积可达701.4万平方米，每年烧损煤炭资源471.5万吨。

目前，煤炭依然在我国能源体系中占据着重要的位置，煤田火区的大面积燃烧不仅给国家乃至世界资源带来了巨大损失，而且还会对大气环境造成很大的破坏，对人民所造成的经济、财产以及健康损失更是难以估计。一般性的灭火措施如注黄泥、注液氮，甚至注三相泡沫对于大面积火区治理而言都只是杯水车薪、效果很不理想，对于大面积的煤田火灾的治理迫切需要更为行之有效的治理方法。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种地下热-气联产气化设备、煤田火区前沿治理系统和方法，能够控制煤田火区大面积的燃烧、阻断火区进一步发展，且能够实现对地下煤火燃烧资源的清洁化可控利用，可以减少煤炭资源的浪费和对生态环境的破坏。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种地下热-气联产气化设备，包括设在火区边界的钻孔，所述钻孔穿过岩层且钻孔孔底延伸至煤层的底板，钻孔中安装有热提取装置，所述热提取装置包括置入钻孔中的环形超长重力热管，所述环形超长重力热管的中空管壁中填充有换热工质，环形超长重力热管由下至上分为吸热段和绝热段，且环形超长重力热管露出钻孔口的中空管壁通过蒸汽输送管连接至一换热利用系统的入口，换热利用系统的出口通过冷凝工质输送管与环形超长重力热管吸热段的中空管壁连通；

所述环形超长重力热管中设有液态二氧化碳致裂增透装置和液化气点火引燃装置，所述液态二氧化碳致裂增透装置包括液态二氧化碳输送隔热套管，液化气点火引燃装置包括点火丝、液化气输送套管和点火液氧输送套管，所述液态二氧化碳输送隔热套管、点火丝、液化气输送套管和点火液氧输送套管与环形超长重力热管的延伸方向一致且各套管、点火丝伸入钻孔一端与钻孔孔底之间的距离小于环形超长重力热管伸入钻孔一端与钻孔孔底之间的距离，所述液态二氧化碳输送隔热套管露出钻孔的一端外接至液态二氧化碳供给系统，点火丝、液化气输送套管和点火液氧输送套管露出钻孔的一端外接至点火供气系统；

一气化液氧输送套管和一气体收集套管与液态二氧化碳输送隔热套管并列置入环形超长重力热管中，且气化液氧输送套管、气体收集套管伸入钻孔一端与钻孔孔底之间的距离小于环形超长重力热管伸入钻孔一端与钻孔孔底之间的距离，气化液氧输送套管和气体收集套管露出钻孔的一端分别外接至一供气装置和产气收集装置。

进一步的，所述气体收集套管伸入钻孔的末端设有大分子分离膜。大分子分离膜由纳米材料制造而成，物质的透过依靠膜两边的浓度压力差，直径大于等于二氧化碳的物质不能通过，小分子才能通过，从而将大分子烃类和二氧化碳阻隔在了气化区域，使得大分子烃类物质在钻孔内持续分解为有益小分子烃类，二氧化碳与煤持续发生反应生产有益的一氧化碳，加速了气化过程，并保证气体产物中绝大部分为h2和co。

环形超长重力热管内与环形超长重力热管垂直设有一固定支架板，所述固定支架板表面开设有供点火丝和各套管穿过的限位通孔。用以固定所用的各个套管；且固定支架板可以起到封闭的作用，把大分子气体挡在固定支架板的下方继续参与反应，确保煤气化的持续性。

优选的，所述液态二氧化碳输送隔热套管外套设有隔热保温环，隔热保温环中填充有隔热保温材料如二氧化硅气凝胶以隔绝外部高温，防止二氧化碳运输过程中发生爆炸。液态二氧化碳输送隔热套管上设有输送阀门ⅰ用于控制液态二氧化碳的流量；所述气化液氧输送套管上设有输送阀门ⅱ用于控制液氧的流量。

优选的，所述点火丝伸入钻孔一端与钻孔底部之间的距离小于液化气输送套管伸入钻孔一端与钻孔底部之间的距离但大于点火液氧输送套管伸入钻孔一端与钻孔底部之间的距离。液化气输送套管伸入钻孔一端的出口高于点火液氧输送套管伸入钻孔一端的出口避免了液化气与液氧直接混合，使得液化气在点火处发生的是扩散燃烧，降低了预混燃烧发生不可控爆炸的可能性。

优选的，所述点火丝为电极丝，电极丝伸入钻孔的末端设有点火钝体，且电极丝外包裹有陶瓷管。向液化气输送套管和液氧输送套管分别注入液化气和液氧，再通过点火钝体对陶瓷管放电产生的火花引燃液化气实现点火，在这个过程中通过控制点火液氧输送套管中液氧的供给速度来实现对气化火源的温度控制。

优选的，各套管和固定支架板可以采用不锈钢材质，不锈钢耐高温、强度高，确保装置至少在1000℃下能够正常工作，而且还需能承受高压气体所产生的压力。

进一步的，本设备还包括一用于在置入环形超长重力热管前对钻孔内壁煤岩致裂增透的脉动水力致裂装置，所述脉动水力致裂装置包括脉动注水泵系统和与之相连的水力输送套管，水力输送套管外沿其长度方向间隔分布多个封孔器，各封孔器通过高压细软管与一手压泵相连，所述水力输送套管在相邻封孔器之间的管壁上分布设有多个筛孔。钻孔后，将脉动水力致裂装置的水力输送套管置入钻孔中，利用手压泵向各个封孔器注水使之膨胀承压，封孔器膨胀后可以封堵其表面接触的钻孔表面孔隙；钻孔在相邻封孔器之间的部位为致裂部，启动脉动注水泵系统注水、通过水力输送套管和筛孔向致裂部注入压力水，压力水从筛孔流出并喷到致裂部表面，注水频率和水压值需要与实际情况相符，从而达到对钻孔内壁脉动致裂的效果。致裂部可以根据需要设有多个，实际使用时可根据情况上下调整封孔器的位置从而对致裂部的位置进行上下调整。在气化之前对煤层进行一定范围内的致裂增透，可以增加煤层的渗透性以加速煤的气化过程。

本发明还公开了一种煤田火区前沿治理系统，包括分布设在煤田火区边界的多个钻孔，每个钻孔中均设置有上述的地下热-气联产气化设备。

利用上述煤田火区前沿治理系统的煤田火区前沿治理方法包括如下步骤：

a.利用钻机在煤田火区边界的施工地点打钻孔，钻孔直径与环形超长重力热管外径相适应，钻孔从岩层表面钻至煤层的底板；

b.将脉动水力致裂装置的水力输送套管置入钻孔中，打开手压泵向各个封孔器注水使之膨胀承压，封孔器膨胀后可以封堵其表面接触的钻孔表面孔隙；启动脉动注水泵系统，通过水力输送套管和筛孔向致裂部注入压力水，压力水从筛孔流出并喷到致裂部表面对钻孔内壁的煤层部分脉动水力致裂；致裂后关闭手压泵撤压，取出水力输送套管；

c.将热提取装置的环形超长重力热管置入钻孔中，环形超长重力热管底端延伸至煤层的底板上方；再将液态二氧化碳输送隔热套管、点火丝、液化气输送套管、点火液氧输送套管、气化液氧输送套管、气体收集套管并列置入环形超长重力热管中并被固定支架板固定住；

d.通过点火供气系统向液化气输送套管和液氧输送套管中分别注入液化气和液氧，并对点火丝点火引燃液化气，液化气持续燃烧产生高温；

e.启动供气装置向气化液氧输送套管内注入液氧，在高温环境下钻孔壁的煤与氧气直接快速反应，逐步完全气化；

f.启动热提取装置，气化过程中产生大量的热量使环形超长重力热管的中空管壁中的换热工质受热蒸发，携带热量进入绝热段，并通过蒸汽输送管输送至换热利用系统，换热工质中的热量被换热利用系统吸收后经冷凝工质输送管输送至环形超长重力热管吸热段的中空管壁中继续吸热循环；

g.煤与氧气气化的产物以h2和co为主，启动产气收集装置，将气化产物由气体收集套管抽出并收集起来；

h.煤体从底部向上逐步气化的过程必定存在着垮落现象，在开始气化一段时间后，向液态二氧化碳输送套管中注入液态二氧化碳，出口处的高温使液态二氧化碳汽化从而致裂垮落堆积的煤岩；

i.根据实际现场测试确定气化半径，并沿煤田火区边界继续布置多个钻孔，相邻钻孔之间的设置间距为气化半径的两倍，按上述步骤a～h依次对各钻孔进行设置和操作对钻孔壁的煤进行气化；

j.各钻孔气化完成后继续利用气化液氧输送套管输入液氧对相应的钻孔进行降温，同时继续利用液态二氧化碳输送套管通入液态二氧化碳加强降温效果，降温后撤离各钻孔中的气化设备，对钻孔充填阻燃材料。

相对于现有技术，本发明有如下优势：

(1)采用地下热-气联产气化设备进行煤气化时，脉动水力致裂装置在气化之前对煤层预先进行一定范围内的致裂增透；液态二氧化碳致裂增透装置则是在气化过程中对垮落掩埋的煤岩进行致裂增透，目的都是增加钻孔壁处煤层的渗透性，使得煤层中的气体更容易向致裂处(装置所在的钻孔地点)流动，氧气向四周的扩散也更为流畅，加速了煤气化过程，利于煤的气化以及对气化产物的收集。

本发明煤气化生热后，热提取装置中的换热工质受热蒸发，在换热利用系统中被冷凝放热和利用，并且冷凝后的换热工质经冷凝工质输送管可重新回到热管中，实现了循环利用。利用此气化设备不仅可以对钻孔一定范围内的煤层实现气化，而且可以尽可能的利用煤层在气化过程中产生的热能，并直接对气化产物进行收集利用，对气化气体的收集也避免了直接排放到空气中对生态环境(空气、人体健康)的破坏，实现了综合多联产和清洁化利用地下煤火燃烧资源。

(2)本发明地下热-气联产气化设备通过控制点火液氧输送套管中液氧的供给速度可以实现对气化火源的温度控制；气化过程中煤层的持续燃烧范围可以通过控制气化液氧输送套管的液氧供给量来进行控制，具体地，控制气化液氧输送套管向钻孔中注入液氧量增大可增大煤层气化的横向范围，从而提升了气化过程的可控性；在气化达到所需程度后可利用液氧对相应的钻孔进行降温，同时继续通入液态二氧化碳加强降温效果，降温后撤出设备并充填阻燃材料即可堵住钻孔、避免对地表的破坏。

(3)本发明在实现对煤田火区边缘煤体的气化和利用的同时可以治理大面积火区，在煤火边界处布置的各个钻孔中的煤燃烧气化后可制造出大片阻燃隔离带，从而使得火灾蔓延到火区边缘时因缺少可燃物而熄灭，从而达到大面积阻隔灭火的效果，使得大面积煤田火区周围的煤资源得以重新规划开采，带来巨大的经济效益和环保效益。这种方法通过地面钻孔便可以对煤田火区进行治理，且气化后地下热-气联产气化设备可以重复利用，从而节省了很大的原料投入及施工开支，具有广阔的发展前景。

附图说明

图1为本发明地下热-气联产气化设备的结构与内部流体流动示意图；

图2为本发明中采用的气体收集套管和气化液氧输送套管的示意图；

图3为图1中a-a处的剖视图；

图4为本发明中的脉动水力致裂装置对钻孔脉动水力致裂的结构示意图；

图中，

1、热提取装置，11、环形超长重力热管，11-1、吸热段，11-2、绝热段，12、换热工质，14、蒸汽输送管，15、换热利用系统，16、冷凝工质输送管，17、固定支架板，

2、液态二氧化碳致裂增透装置，21、液态二氧化碳输送隔热套管，22、隔热保温环，23、输送阀门ⅰ，24、液态二氧化碳供给系统，

3、液化气点火引燃装置，31、点火丝，32、点火钝体，33、陶瓷管，34、液化气输送套管，35、点火液氧输送套管，36、点火供气系统，

4、脉动水力致裂装置，41、脉动注水泵系统，42、水力输送套管，43、封孔器，44、高压细软管，45、筛孔，46、手压泵，

51、大分子分离膜，52、气体收集套管，53、产气收集装置，

61、气化液氧输送套管，62、输送阀门ⅱ，63、供气装置，

7、岩层，8、煤层，81、底板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1至图3所示，一种地下热-气联产气化设备，包括设在火区边界的钻孔，所述钻孔穿过岩层7且钻孔孔底延伸至煤层8的底板81，钻孔中安装有热提取装置1，所述热提取装置1包括置入钻孔中的环形超长重力热管11，所述环形超长重力热管11的中空管壁中填充有换热工质12，环形超长重力热管11由下至上分为吸热段11-1和绝热段11-2，且环形超长重力热管11露出钻孔口的中空管壁通过蒸汽输送管14连接至一换热利用系统15的入口，换热利用系统15的出口通过冷凝工质输送管16与环形超长重力热管11的吸热段11-1的中空管壁连通；

所述环形超长重力热管11中设有液态二氧化碳致裂增透装置2和液化气点火引燃装置3，所述液态二氧化碳致裂增透装置2包括液态二氧化碳输送隔热套管21，液化气点火引燃装置3包括点火丝31、液化气输送套管34和点火液氧输送套管35，所述液态二氧化碳输送隔热套管21、点火丝31、液化气输送套管34和点火液氧输送套管35与环形超长重力热管11的延伸方向一致且各套管、点火丝31伸入钻孔一端与钻孔孔底之间的距离小于环形超长重力热管11伸入钻孔一端与钻孔孔底之间的距离，所述液态二氧化碳输送隔热套管21露出钻孔的一端外接至液态二氧化碳供给系统24，液态二氧化碳供给系统24可以采用液态二氧化碳储罐，点火丝31、液化气输送套管34和点火液氧输送套管35露出钻孔的一端外接至点火供气系统36；

如图2所示的一气化液氧输送套管61和一气体收集套管52与液态二氧化碳输送隔热套管21并列置入环形超长重力热管11中，且气化液氧输送套管61、气体收集套管52伸入钻孔一端与钻孔孔底之间的距离小于环形超长重力热管11伸入钻孔一端与钻孔孔底之间的距离，气化液氧输送套管61和气体收集套管52露出钻孔的一端分别外接至一供气装置63和产气收集装置53，供气装置63可以采用液氧存储罐，产气收集装置53可以采用吸尘收集袋或集气袋。

进一步的，所述气体收集套管52伸入钻孔的末端设有大分子分离膜51。大分子分离膜51由纳米材料制造而成，物质的透过依靠膜两边的浓度压力差，直径大于等于二氧化碳的物质不能通过，小分子才能通过，从而将大分子烃类和二氧化碳阻隔在了气化区域，使得大分子烃类物质在钻孔内持续分解为有益小分子烃类，二氧化碳与煤持续发生反应生产有益的一氧化碳，加速了气化过程，并保证气体产物中绝大部分为h2和co。

环形超长重力热管11内与环形超长重力热管11垂直设有一固定支架板17，所述固定支架板17表面开设有供点火丝31和各套管穿过的限位通孔，如图3所示。用以固定所用的各个套管；且固定支架板17可以起到封闭的作用，把大分子气体挡在固定支架板17的下方继续参与反应，确保煤气化的持续性。

上述固定支架板17还可以设有多块，在环形超长重力热管11内沿其长度方向等间距设置。多个固定支架板17具有更好的封闭作用，保证气化的持续性更好。

优选的，所述液态二氧化碳输送隔热套管21外套设有隔热保温环22，隔热保温环22中填充有隔热保温材料如二氧化硅气凝胶以隔绝外部高温，防止二氧化碳运输过程中发生爆炸。液态二氧化碳输送隔热套管21上设有输送阀门ⅰ23用于控制液态二氧化碳的流量；所述气化液氧输送套管61上设有输送阀门ⅱ62用于控制液氧的流量。

优选的，所述点火丝31伸入钻孔一端与钻孔底部之间的距离小于液化气输送套管34伸入钻孔一端与钻孔底部之间的距离但大于点火液氧输送套管35伸入钻孔一端与钻孔底部之间的距离。液化气输送套管34伸入钻孔一端的出口高于点火液氧输送套管35伸入钻孔一端的出口避免了液化气与液氧直接混合，使得液化气在点火处发生的是扩散燃烧，降低了预混燃烧发生不可控爆炸的可能性。

优选的，所述点火丝31为电极丝，电极丝伸入钻孔的末端设有点火钝体32，且电极丝外包裹有陶瓷管33。向液化气输送套管34和液氧输送套管35分别注入液化气和液氧，再通过点火钝体32对陶瓷管33放电产生的火花引燃液化气实现点火，在这个过程中通过控制点火液氧输送套管35中液氧的供给速度来实现对气化火源的温度控制。

优选的，各套管和固定支架板17可以采用不锈钢材质，不锈钢耐高温、强度高，确保装置至少在1000℃下能够正常工作，而且还需能承受高压气体所产生的压力。

换热工质可以选择蒸汽密度大、拥有较高汽化潜热的物质。优选的，上述换热工质12具体可以是水，可以满足工作环境为1000℃左右的实际要求。

本发明绝热段11-2为外壁包裹绝热材料的管路，能够尽量减少热量传递过程中的能量散失，保证热管的工作效率；蒸汽输送管14由绝热材料制成也可减少热量损失。绝热材料具体可以选用硅酸铝纤维和硅纤维。

进一步的，本设备还包括如图4所示的用于在置入环形超长重力热管11前对钻孔内壁煤岩致裂增透的脉动水力致裂装置4，所述脉动水力致裂装置4包括脉动注水泵系统41和与之相连的水力输送套管42，水力输送套管42外沿其长度方向间隔分布多个封孔器43，各封孔器43通过高压细软管44与一手压泵46相连，所述水力输送套管42在相邻封孔器43之间的管壁上分布设有多个筛孔45。钻孔后，将脉动水力致裂装置4的水力输送套管42置入钻孔中，利用手压泵46向各个封孔器43注水使之膨胀承压，封孔器43膨胀后可以封堵其表面接触的钻孔表面孔隙；钻孔在相邻封孔器43之间的部位为致裂部，启动脉动注水泵系统41注水、通过水力输送套管42和筛孔45向致裂部注入压力水，压力水从筛孔45流出并喷到致裂部表面，注水频率和水压值需要与实际情况相符，从而达到对钻孔内壁脉动致裂的效果。致裂部可以根据需要设有多个，实际使用时可根据情况上下调整封孔器43的位置从而对致裂部的位置进行上下调整。在气化之前对煤层进行一定范围内的致裂增透，可以增加煤层的渗透性以加速煤的气化过程。

煤田火区前沿治理系统，包括分布设在煤田火区边界的多个钻孔，每个钻孔中均设置有上述的地下热-气联产气化设备。

利用煤田火区前沿治理系统的煤田火区前沿治理方法具体操作为：

a.利用钻机在煤田火区边界的施工地点打钻孔，钻孔直径与环形超长重力热管11外径相适应，钻孔从岩层7表面钻至煤层8的底板81；

b.将脉动水力致裂装置4的水力输送套管42置入钻孔中，打开手压泵46向各个封孔器43注水使之膨胀承压，封孔器43膨胀后可以封堵其表面接触的钻孔表面孔隙；启动脉动注水泵系统41，通过水力输送套管42和筛孔45向致裂部注入压力水，压力水从筛孔45流出并喷到致裂部表面对钻孔内壁的煤层部分脉动水力致裂；致裂后关闭手压泵46撤压，取出水力输送套管42；

c.将热提取装置1的环形超长重力热管11置入钻孔中，环形超长重力热管11底端延伸至煤层8的底板81上方；再将液态二氧化碳输送隔热套管21、点火丝31、液化气输送套管34、点火液氧输送套管35、气化液氧输送套管61、气体收集套管52并列置入环形超长重力热管11中并被固定支架板17固定住；

d.通过点火供气系统36向液化气输送套管34和液氧输送套管35中分别注入液化气和液氧，并对点火丝31点火引燃液化气，液化气持续燃烧产生高温；

e.启动供气装置63向气化液氧输送套管61内注入液氧，在高温环境下钻孔壁的煤与氧气直接快速反应，逐步完全气化；

f.启动热提取装置1，气化过程中产生大量的热量使环形超长重力热管11的中空管壁中的换热工质12受热蒸发，携带热量进入绝热段11-2，并通过蒸汽输送管14输送至换热利用系统15，换热工质12中的热量被换热利用系统15吸收后经冷凝工质输送管16输送至环形超长重力热管11吸热段11-1的中空管壁中继续吸热循环；上述换热利用系统15主要包括换热器及与其相连的热利用装置，热利用装置可以是热泵、压缩机等，换热器中的低温流体吸收热量后温度升高、甚至于汽化为水蒸汽，若需要取暖，则将换热器与热泵相连，为井上工业广场提供用暖所需；若发电，可将换热器与压缩机或相关发电设备相连利用汽化的水蒸汽进行热量发电，从而依据实际情况对其进行相关利用；

g.煤与氧气气化的产物以h2和co为主，启动产气收集装置53，将气化产物由气体收集套管52抽出并收集起来；

h.煤体从底部向上逐步气化的过程必定存在着垮落现象，在开始气化一段时间后，向液态二氧化碳输送套管21中注入液态二氧化碳，出口处的高温使液态二氧化碳汽化从而致裂垮落堆积的煤岩；

i.根据实际现场测试确定气化半径，并沿煤田火区边界继续布置多个钻孔，相邻钻孔之间的设置间距为气化半径的两倍，按上述步骤a～h依次对各钻孔进行设置和操作对钻孔壁的煤进行气化；

j.各钻孔气化完成后继续利用气化液氧输送套管61输入液氧对相应的钻孔进行降温，同时继续利用液态二氧化碳输送套管21通入液态二氧化碳加强降温效果，降温后撤离各钻孔中的气化设备，对钻孔充填阻燃材料。