一种矿井式煤炭地下气化炉及气化方法与流程

本发明涉及煤炭资源回收开发利用技术领域，特别涉及一种矿井式煤炭地下气化炉及气化方法，是矿井遗弃煤炭资源地下气化开采技术，适用于化工合成气和中热值煤气的生产。

背景技术：

废弃矿井煤炭资源，系指煤层在地下开采过程中，能够利用，却被丢在井下，不能采出的那一部分煤炭，目前我国矿井遗弃煤炭资源达到240亿吨。

随着矿井废弃和退出，大量的地面及井下设施闲置，利用矿井井上、下设施，开展煤炭地下气化，可回收老矿井遗弃煤炭资源，提升我国煤炭资源的利用率及利用水平。为此急需对废弃井进行气化利用的方案出台。现有技术cn103277082a公布了一种注气点后退式煤炭地下气化系统及工艺，该方案虽然用巷道法建设地下气化炉，而且采用后退注气，但存在的缺点是：

（1）采用多管后退注气，要人工下井换管，因而不能实现连续后退注气，工作不安全；

（2）气化炉只有一个气化工作面，单炉产量小；

（3）气化炉没有测温系统，操作指标不明确；

（4）没有安全保护煤柱和监测系统，对矿井式气化不能保证安全。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种矿井式煤炭地下气化炉及气化方法，是一种利用现有主巷道对废弃煤层进行气化实现能源回收的系统和方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种矿井式煤炭地下气化炉，设置在煤层区，包括矿井大巷，气化炉有多个炉盘区，多个炉盘区沿矿井大巷两侧设置，其中，所述炉盘区包括沿矿井大巷一侧边间隔平行设置的操作巷和回风巷，在操作巷和回风巷之间设置有与之连通的联络巷，联络巷平行于矿井大巷；矿井大巷、操作巷、回风巷和联络巷水平围成了煤层地下气化炉盘区，在矿井大巷和联络巷之间设置有多条气化通道，多条气化通道相互间隔平行设置，气化通道尾端与操作巷连通，在操作巷中对应每一条气化通道分别设置有操作硐室，操作硐室中设置有盘管机，从注气站来的注水、气管经盘管机铺设在气化通道中，盘管机用于注水、气管后退注水气，气化通道首端连接集气通道，集气通道水平垂直于气化通道设置，在气化通道与矿井大巷之间设置有出气巷，出气巷与矿井大巷平行相邻设置，出气巷与集气通道连通，出气巷和集气通道中分别间隔交错设置有煤堆，交错设置的煤堆对流过的煤气形成扰动，在联络巷的侧壁上面向气化通道方向设置有温度探测孔，温度探测孔为多个，多个温度探测孔沿气化通道间隔排列，在温度探测孔中前后间隔设置有多个第一温度传感器，多个第一温度传感器用以监测煤层从气化通道向外的燃烧宽度，在所述集气通道和出气巷中顺着气体流动方向间隔设置有第二温度传感器，在注水、气管的出口端设置有第三温度传感器，出气巷中的煤气通过与出气巷连通的煤气出气管路经矿井大巷输送至地面储站，在气化通道首端与集气通道的连接口设置点火硐室，点火硐室里按放电点火器，在点火器上面堆积易燃材料，在地面设置有控制站，温度传感器信号、点火器控制信号以及盘管机控制信号连接至控制站。

方案进一步是：所述注水、气管是双层管，外层管通过支撑与内层管相套，内层管通气，外层管通水。

方案进一步是：在气化通道中铺设可融性支护管，在可融性支护管中铺设注水、气管后，所述气化通道中由散煤填充封堵，并在气化通道尾端至少有20米厚的密封封堵墙。

方案进一步是：所述气化通道两侧分别留有气化工作面，在两个相邻气化通道的相邻气化工作面之间留有气化工作面隔离煤柱墙，所述联络巷和与其相邻的气化工作面之间留有安全隔离煤柱墙，所述出气巷与矿井大巷之间留有安全隔离煤柱墙，所述出气巷和与之相邻的气化工作面之间留有安全隔离煤柱墙，所述集气通道与回风巷之间留有安全隔离煤柱墙，所述气化工作面的宽度是煤层厚度的5至15倍，所述气化工作面隔离煤柱墙厚度是煤层厚度的3至5倍，所述安全隔离煤柱墙厚度是煤层厚度的5至10倍。

方案进一步是：所述注水、气管在气化通道中距离煤层底面0.3米至1米的距离铺设。

方案进一步是：所述煤堆设置的间隔距离是10米至20米，集气通道中煤堆断面面积是集气通道断面面积的二分之一，出气巷中煤堆断面面积是出气巷断面面积的二分之一。

方案进一步是：在所述集气通道和出气巷中顺着气体流动方向间隔设置的第二温度传感器的间隔距离是20～50m。

方案进一步是：在回风巷、联络巷、操作巷、矿井大巷中布置h2、co、ch4监测点和可视化探头，用以在气化过程中监测煤气的泄漏。

一种基于上述矿井式煤炭地下气化炉的气化方法，包括静态试压检测、动态试压检测以及生产过程控制，其中：

所述静态试压检测是：打开气化炉注水、气管进气阀，关闭煤气出气管路出口的出气阀，向炉内注入氮气或空气，记录气化炉压力上升速率，当炉体压力升至0.05～1.0mpa时，关闭进气阀，维持这一压力，记录压力下降速率，压力下降速率不大于2kpa/min，则通过，否则不通过；

所述动态试压检测是：打开该气化炉注水、气管进气阀、煤气出气管路出口的出气阀，向炉内注入氮气或空气，记录氮气或空气进、出口流量及差值，计算气化炉漏失量，当化炉相对漏失率小于1%时，则通过，否则不通过；

所述生产过程控制是：

一，点火：

由注水、气管注入21～30%的富氧空气，煤气出气管路出口接入放散管，调整水、气管的进气流量为500m³/h，并检测出口气体中ch4、h2、co含量，直至含量达到小于混合气体爆炸极限值的一个设定值，启动点火；

测量出口煤气组分和热值，测量出口煤气中o2、ch4、h2、co、co2含量，测量气化炉各点火硐室温度，当点火硐室温度大于600℃、出气口煤气中o2含量低于0.1%、煤气热值大于2.5mj/m³，或者出口气体中可燃煤气组分ch4+h2+co大于20%时，点火成功；

二，运行：

第一步：提高富氧空气的注入量、调整注水流量维持注气管出口温度小于600℃，直至出口煤气组分达到预设值，将煤气出气管路出口接入煤气储罐，实时监测煤气出气管路出口的煤气组分和注水、气管的出口端温度，当出口煤气有效组分ch4+h2+co大于预设值60%时，维持注入气化的气水比；

第二步：当出口煤气有效组分小于预设值60%时，启动注气点后退操作，启动盘管机使注水、气管的出口端后退，同步监测注水、气管的出口端温度，当注水、气管的出口端温度等于或低于100度时，停止盘管机，停止后退；

第三步：调整富氧空气的注入量，监测煤气出气管路出口的煤气组分直至达到预设值，完成注水、气管的出口端一次后退；

第四步：返回第二步直至注水、气管的出口端后退到设定的后退距离。

方案进一步是：当所述静态试压检测或者动态试压检测不通过时：在炉内注入含有sf6气体的氮气或空气，通过对sf6气体的检测找出漏点，对漏点进行注浆处理密封。

本发明的有益效果是：

1、在气化区四周留设隔离煤柱墙，保证气化过程的安全。

2、在一个气化炉盘里设置多个气化工作面，提高气化炉的产能。

3、在操作巷里施工操作硐室，将连续注气装置放在井下，在地面操作连续气管绞盘，实现井下注气点连续后退，提高了气化过程的稳定性。

4、用一条集气通道和一条出气巷收集多工作面的煤气，减少了建炉投资，同时集气通道和出气巷中的煤堆参与气化反应，提高了煤气有效组分。

5、在隔离煤柱墙和集气通道、出气巷中设置测温热电偶，掌握了气化工作面的扩展宽度和移动速度。

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是地下气化炉平面结构示意图；

图2是炉盘区平面结构示意图。

具体实施方式

一种矿井式煤炭地下气化炉，一种利用现有主巷道对废弃煤层进行气化实现能源回收的系统，如图1所示，所述矿井式煤炭地下气化炉包括已有的矿井大巷1，矿井大巷可以是原有的亦可以是新开挖的；气化炉有多个炉盘区2，地面控制站3对多个炉盘区集中控制，地面控制站设置有煤气储站以及注气注水源站，多个炉盘区沿矿井大巷两侧设置，其中，如图2所示，所述炉盘区包括沿矿井大巷一侧边间隔平行设置的操作巷4和回风巷5，在操作巷和回风巷之间设置有与之连通的联络巷6，联络巷6平行于矿井大巷1；矿井大巷、操作巷、回风巷和联络巷水平围成了矩形的煤层地下气化炉盘区，在矿井大巷和联络巷之间开挖设置有气化通道7，气化通道可以根据现场条件设置多条，例如3条、4条或者更多条，多条气化通道相互间隔平行设置，气化通道7的尾端与操作巷4连通，在操作巷中对应每一条气化通道分别设置有操作硐室8，操作硐室中设置有盘管机9，从注气站来的注水、气管10经盘管机铺设在气化通道中，它是通过主管支管10-1连接盘管机9铺设在气化通道中的，盘管机用于注水、气管后退注水气，在气化通道中的注水、气管用可融性套管支护或者用木支架支护在气化通道中距离煤层底面0.3米至1米的距离铺设，可融性套管可以采用玻璃管。气化通道首端连接集气通道11，集气通道水平垂直于气化通道设置，在气化通道与矿井大巷之间设置有出气巷12，出气巷与矿井大巷1平行相邻设置，出气巷与集气通道连通，集气通道断面小于出气巷，集气通道和出气巷底部铺0.5m厚的浮煤，并且，出气巷和集气通道中分别间隔交错设置有煤堆13，交错设置的煤堆对流过的煤气流形成扰动，所述煤堆设置的间隔距离是10米至20米，集气通道中煤堆断面面积是集气通道断面面积的二分之一，出气巷中煤堆断面面积是出气巷断面面积的二分之一。

在联络巷的侧壁上面向气化通道方向设置有温度探测孔14，温度探测孔为多个，多个温度探测孔沿气化通道间隔排列，在温度探测孔的顶端接近气化通道至2米左右，在温度探测孔中从内向外前后间隔1～3m设置有多个第一温度传感器14-1，多个第一温度传感器14-1用以监测煤层从气化通道向外的燃烧宽度，在所述集气通道和出气巷中顺着气体流动方向间隔设置有第二温度传感器，第二温度传感器的间隔距离是20～50m。

在注水、气管的出口端设置有第三温度传感器，出气巷中的煤气通过与出气巷连通的煤气出气管路15经矿井大巷输送至地面储站，在气化通道首端与集气通道的连接口设置点火硐室16，点火硐室里按放电点火器，点火器由1000～2000w的电阻丝缠绕木棍组成，在点火器上面堆积易燃材料，点火器导线有矿井巷道引至地面，在地面设置有控制站，温度传感器信号、点火器控制信号以及盘管机控制信号连接至控制站。

其中：所述注水、气管是双层管，外层管通过支撑与内层管相套，内层管通气，外层管通水，外层管通水除了冷却内层管外还兼顾与高含氧气体一起形成水雾向炉内喷射。

在气化通道中铺设可融性支护管，在可融性支护管中铺设注水、气管后，所述气化通道中由散煤填充封堵，并在气化通道尾端至少有与两侧隔离煤柱墙连成成一体的20米厚的密封封堵墙701。

实施例中：所述气化通道两侧分别留有气化工作面17和18，在两个相邻气化通道的相邻气化工作面之间留有气化工作面隔离煤柱墙19，所述联络巷和与其相邻的气化工作面之间留有安全隔离煤柱墙20，所述出气巷与矿井大巷之间留有安全隔离煤柱墙21，所述出气巷和与之相邻的气化工作面之间留有安全隔离煤柱墙22，所述集气通道与回风巷之间留有安全隔离煤柱墙23，所述气化工作面的宽度是煤层厚度的5至15倍，所述气化工作面隔离煤柱墙厚度是煤层厚度的3至5倍，所述安全隔离煤柱墙厚度是煤层厚度的5至10倍。

实施例中：操作巷和操作硐室要求永久性支护，并挂网喷浆，在回风巷、联络巷、操作巷、矿井大巷中布置h2、co、ch4监测点和可视化探头，用以在气化过程中监测煤气的泄漏。

一种基于上述矿井式煤炭地下气化炉的气化方法，包括静态试压检测、动态试压检测以及生产过程控制，其中：

所述静态试压检测是：多个气化通道同时进行静态泄压试验，打开气化炉注水、气管进气阀，关闭煤气出气管路出口的出气阀，向炉内注入氮气或空气，记录气化炉压力上升速率，当炉体压力升至0.05～1.0mpa时，关闭进气阀，维持这一压力，记录压力下降速率，压力下降速率不大于2kpa/min，则通过，否则不通过；试验中用肥皂水检查进气管、出气管和排水管和密闭墙之间的漏失情况，检测法兰、热电偶、压力计、取样点出口线孔等处的漏失情况，发现有漏气严重的地方，必须降压处理，处理完毕后，重复上述试验。使气化炉再升压到0.05～1.0mpa，关闭进气孔，记录压力下降速率，要求气化炉压力下降速率不大于2kpa/min。如果发现气化炉压力下降速率过快，要对该气化炉进行sf6示踪气体试验。

所述动态试压检测是：对气化炉都要进行动态漏失率测定，打开该气化炉注水、气管进气阀、煤气出气管路出口的出气阀，向炉内注入氮气或空气，记录氮气或空气进、出口流量及差值，计算气化炉漏失量，当化炉相对漏失率小于1%时，则通过，否则不通过；测试中观察气化炉进出及炉体压力变化。冷态试验鼓风量确定在设计注气量以上，计算气化炉相对漏失率：

其中：η—气化炉相对漏失率，%；

qin—进气流量，m³/h；

qout—出气流量，m³/h。

当化炉相对漏失率小于1%时，方能进入点火阶段，如果气化炉的平均相对漏失率大于1%，则需要进行示踪气体试验，以了解气体的漏失去向

sf6示踪气体试验

sf6气体不参加任何化学反应，在气流中含有极微量的sf6都可以用色谱将其测量出来，因此常用来作示踪气体。某一时刻由进气注入一定量sf6气体，sf6与气化剂混合后，随气化剂一起流动，它将随着气流流动、扩散。当在某个气化炉进行示踪气体试验时，在所有密闭墙随近取样检测，必要时在采空区采样，如果在密闭墙附近或巷道检测到sf6气体，根据情况就需要对密闭墙重新进行注浆处理、巷道壁面喷浆处理或制定更严格的回风方案。如果在采空区检测到sf6示踪气体，则需要控制相对应的气化炉的煤层气化率。

所述生产过程控制是：

一，点火：

矿井式气化炉施工时，点火器由1000～2000w的电阻丝缠绕木棍组成，覆盖易燃材料，点火器导线有矿井巷道引至地面，多列要保持同步点火。点火时氧浓度为30%比较合适，因此首先在地面将氧浓度调整到30%，地面制氧装置要具备调节氧气浓度的能力。

由注水、气管注入21～30%的富氧空气，煤气出气管路出口接入放散管，调整水、气管的进气流量为500m³/h，并检测出口气体中ch4、h2、co含量，直至含量达到小于混合气体爆炸极限值的一个设定值，启动点火；其中：所述混合气体爆炸极限值通过计算公式和方法是可以计算出来，分为下限值和上限值，是本行业中已知的计算方法，通常将有效气体浓度，即：可燃煤气组分ch4+h2+co达到15%时作为混合气体爆炸下限值，上述的小于混合气体爆炸极限值的一个设定值是将达到下限值的50%作为启动点火设定值。

测量出口煤气组分和热值，测量出口煤气中o2、ch4、h2、co、co2含量，测量气化炉各点火硐室温度，当点火硐室温度大于600℃、出气口煤气中o2含量低于0.1%、煤气热值大于2.5mj/m³（600kcal/m³），或者出口气体中可燃煤气组分h2+co+ch4大于20%时，点火成功；

提高每个气化通道的进气流量，每次增加为100m³/h，最终达到每个气化通道的设计流量，每次增加流量1h时后，检测出口气体中o2、ch4、h2、co和含量，并观测点火区的温度，当点火区的温度持续上升，出气口煤气中o2含量接近于零时，则提高注气量，否则维持上一个注气量，直至出口气体中氧含量小于0.5%，再提高进气流量。

在维持21～30%的氧浓度的情况下，通过上述步骤将注气量提高到设计注气量。

气化炉点火成功后则开始全部参数测量，进入数据采集系统中，并进入气化炉调试阶段。

通过设置在注气管出口和集气通道中的温度传感器和气化炉出口、地面煤气站的煤气成分检测设备检测气化区的温度变化和所产煤气的成分变化，进行气化炉调试，气化炉调试主要任务时将氧气浓度调整到设计浓度（如80%～100%），注水流量调整到设计值，维持注气管出口温度小于600℃，同时使煤气组分达到设计值。

二，运行：

第一步：提高富氧空气的注入量、调整注水流量维持注气管出口温度小于600℃，直至出口煤气组分达到预设值，将煤气出气管路出口接入煤气储罐，实时监测煤气出气管路出口的煤气组分和注水、气管的出口端温度，当出口煤气有效组分ch4+h2+co大于预设值60%时，维持注入气化的气水比；其中：富氧流量达到设计生产值时，检测出口煤气组分，当煤气组分中氢含量大于30%时，继续注入富氧，当煤气组分中氢含量小于30%、co含量大于10%时，启动水泵注水，逐渐提高注水量，控制气量和水量的体积比为（300～669）：1；

第二步：当出口煤气有效组分小于预设值60%时，启动注气点后退操作，启动盘管机使注水、气管的出口端后退，同步监测注水、气管的出口端温度，当注水、气管的出口端温度等于或低于100度时，停止盘管机，停止后退；

第三步：调整富氧空气的注入量，监测煤气出气管路出口的煤气组分直至达到预设值，完成注水、气管的出口端一次后退；

第四步：返回第二步直至注水、气管的出口端后退到设定的后退距离，通常后退到气化通道的密封隔离墙，即：安全隔离墙处。

其中：当所述静态试压检测或者动态试压检测不通过时：在炉内注入含有sf6气体的氮气，通过对sf6气体的检测找出漏点，对漏点进行注浆处理密封。

在点火成功后进行运行前还有一个气化炉调试阶段，具体步骤是：

（1）检测气化炉出口煤气组分，当出口煤气中o2含量小于0.5%时，由地面调整注气氧浓度，由30%调整到40%。

（2）间隔5小时后，检测出气口煤气组分，当出口煤气中o2含量大于0.5%时，维持原有的氧气浓度，并连续测量出口煤气中的氧含量，当出口煤气中o2含量小于0.5%时，再次提高氧浓度到50%；

（3）间隔5小时后，再次检测出气口煤气组分，当出口煤气中o2含量大于0.5%时，维持原有的氧浓度，并连续测量出口煤气中的氧含量，当出口煤气中o2含量小于0.5%时，再次增加氧浓度到60%；

（4）以此类推，逐渐将氧浓度调整到设计值（如80%～100%）。在提高氧浓度的同时，测量注气管出口温度，当注气管出口温度大于600℃时，启动注水，保持注气管出口温度小于600℃。

（5）连续检测出口煤气中的氧含量，当出口煤气中o2含量始终小于0.1%时，打开煤气总管阀门，关闭放散阀门，启动引风机，向煤气净化系统送气。