一种煤炭地下气化与固废热解的一体化装置及方法与流程

1.本发明属于煤炭地下气化技术领域，具体涉及一种煤炭地下气化与固废热解的一体化方法。


背景技术：

2.地下煤层气化燃烧后形成燃空区，燃空区上覆地层会发生塌陷，引起煤层上部含水层破坏，燃空区塌陷也会造成地面沉陷，影响地面建筑物安全；同时采煤分选的矸石堆积到地面形成固废，会对地面环境造成污染，长时间堆积的矸石氧化发生自燃散发二氧化碳等气体污染环境，传统的解决方法是，采用在燃空区上方施工垂直井和在煤层顶板施工水平井组成充填路径，结合地面矸石粉粹系统，将煤矸石充填至地下气化燃空区，防治地面沉陷。
3.而现有技术手段只是采用钻孔将煤矸石送至地下气化燃空区，对燃空区进行回填，但是，回填至燃空区的煤矸石不仅可以充当燃空区上覆地层的支撑剂，在气化工作面推进过程中产生的高温气体会对煤矸石加热，产生用于的热解气组分，在现有的技术中未予以重视。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种煤炭地下气化与固废热解的一体化方法。
5.为达上述目的，本发明提供了一种煤炭地下气化与固废热解的一体化装置，包括从上到下依次水平设置的煤层顶板、煤矿层与煤层底板，其特征在于：所述煤层顶板上方从左往右依次竖直设置有注气井与出气井，所述注气井与所述出气井下端均贯穿所述煤层顶板且插入到所述煤矿层内，所述煤矿层内水平设有气化通道，所述注气井的下端与所述出气井的下端通过所述气化通道连接；所述注气井与所述出气井之间水平方向间隔设置有若干竖向的垂直井，若干所述垂直井均垂直贯穿所述煤层顶板，所述垂直井的底部均用水泥封闭填充设置。
6.进一步的，所述注气井的上端固定连接有进气流量计，所述出气井的上端依次固定连接有出气流量计与气体在线分析仪。
7.进一步的，所述注气井的上端连接有供气装置。
8.进一步的，还包括送料管，所述送料管可安装在每个所述垂直井内，所述送料管的下端贯穿所述水泥且位于所述煤矿层内，所述送料管下端连接有旋转喷头，所述旋转喷头的喷嘴弯曲设置。
9.进一步的，所述旋转喷头上设置有震动装置。
10.进一步的，若干所述垂直井内均竖直设有u型的导热管，所述导热管的u型闭合端插入到所述水泥内固定连接，所述导热管位于所述水泥内的一端的外侧壁上均匀设置有若干传热片。
11.进一步的，每个所述垂直井上端均设置有煤矸石粉碎装置与煤矸石泵入装置。
12.进一步的，所述气化通道内设置有点火装置。
13.一种煤炭地下气化与煤矸石热解的一体化方法，其特征在于：包括如下步骤：
14.s1：施工建设注气井、出气井与气化通道，形成地下气化炉，注气井的井口安装有进气流量计，出气井的井口安装有出气流量计；
15.s2：地面施工建设若干垂直井，垂直井内注入水泥密封，地面建设有煤矸石粉碎装置与煤矸石泵入装置；
16.s3：地下煤矿气化采用的方法是注气后退式气化，地下气化炉内的点火装置从出气井往注气井方向的顺序，依次对垂直井下方的煤矿层的工作面进行气化，煤矿层的第一个工作面气化完成后形成燃空区，将预留的垂直井内的水泥钻开；
17.s4：通过步骤s2的煤矸石粉碎装置与煤矸石泵入装置，将煤矸石粉碎充填至第一个工作面的燃空区内；
18.s5：点火装置后退至第二个垂直井下方的煤矿层的工作面进行气化，产生的热解气体流经气化第一个工作面形成的燃空区内，热解气体与充填到燃空区的煤矸石发生热解反应，产生气体，顺着出气井排出地面；
19.s6：重复步骤s5，完成后续工作面的气化和煤矸石的充填。
20.本发明的优点是：本发明提供了一种煤炭地下气化燃空区充填和煤矸石热解的一体化装置及方法，通过地面装置将煤矸石粉粹后送入燃空区，地下气化煤层时产生大量高温气体会对煤矸石进行加热发生热解气化反应，将煤矸石中有用组分通过热解气化的方式提取至地面，使得煤矸石输送到煤矿层内的燃空区中，不仅减少污染，还可以起到支撑固定，防止地面塌陷的作用，同时也最大限度的利用地下气化热能，将煤矸石中含有的有用组分再次利用，从而与现有技术方法相比，进一步降低了成本低，提高了资源利用率与环境保护效果。
21.下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。
附图说明
22.图1是本发明结构示意图。
23.图2是本发明煤炭地下气化与固废热解的一体化的流程图。
24.附图标记说明：1、煤层顶板；2、煤矿层；3、煤层底板；4、注气井；5、出气井；6、气化通道；7、垂直井；8、水泥；9、进气流量计；10、出气流量计；11、气体在线分析仪；12、旋转喷头；13、送料管；14、导热管；15、传热片。
具体实施方式
25.为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
27.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“对齐”、“重叠”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
28.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
29.本实施例提供了如图1与图2所示的一种煤炭地下气化与固废热解的一体化装置，包括从上到下依次水平设置的煤层顶板1、煤矿层2与煤层底板3，煤层顶板1上方从左往右依次竖直设置有注气井4与出气井5，注气井4与出气井5下端均贯穿煤层顶板1且插入到煤矿层2内，煤矿层2内水平设有气化通道6，注气井4的下端与出气井5的下端通过气化通道6连接；注气井4与出气井5之间水平方向间隔设置有若干竖向的垂直井7，若干垂直井7均垂直贯穿煤层顶板1，垂直井7的底部均用水泥8封闭填充设置，每个垂直井7上端均设置有煤矸石粉碎装置与煤矸石泵入装置，气化通道6内设置有点火装置。通过施工钻孔建设注气井4、出气井5与气化通道6，形成地下气化炉，同时在地面等间距施工大口径(d＝298mm)的垂直井7，垂直井7井底用水泥8封孔，防止气化过程产生的气体顺着钻孔流出地面，同时在垂直井7内放入热管利用气化与热解过程中的热能；地下煤矿气化采用的方法是注气后退式气化，即从地面施工水平井和垂直井7，水平井为注气井4和地下气化通道6，水平井采用筛管完井，垂直井7为出气井5，垂直井7完成采用半筛管完井，地下气化炉内的点火装置从出气井5往注气井4方向的顺序，依次对垂直井7下方的煤矿层2的工作面进行气化，气化第一工作面为靠近出气井5一侧。
30.将地下气化点火装置送至地下气化第一工作面进行点火，地面供气装置输入气化剂，点燃煤层发生氧化-还原反应(600℃-1200℃)：
31.c+o2
→
co2+q
32.c+1/2o2
→
co+q
33.co+1/2o2
→
co2+q
34.co2+c
→
co-q
35.h2o(g)+c
→
h2+co+q
36.h2o(g)+co
→
h2+co2+q
37.c+h2
→
ch4+q
38.低温热解反应(200℃-600℃)：
39.煤
→
ch4+h2o(g)+h2+......
40.煤气化产生气体组分包括ch4、co、co2、h2、h2o(g)、烃类及其他。
41.地下气化第一工作面完成后，点火装置后退至地下气化第二工作面，将地下气化第一工作面燃空区上部大口径垂直井7
⑥
内预留的水泥8钻开，下入震动装置；地面固废粉粹装置将地面煤矸石粉碎后由泵入装置输送至燃空区内，燃空区内预留的震动装置震动送入的煤矸石使煤矸石尽量充满燃空区，待不能泵入后，将震动装置提出至地面，同时采用水泥8将垂直井7
⑥
封闭，防止气体泄露。
42.将地下气化第二工作面的点火装置点火，同时通入气化剂，地下气化第二工作面煤层燃烧发生反应与上述反应类似，地下气化第二工作面产生的高温气体向生产井流动会流经地下气化第一工作面燃空区内充填的煤矸石，煤矸石和高温气体发生热解反应产生ch4、co、co2、h2及烃类等，由于在气化第二工作面煤层产生的气体中含有ch4、h2组分促进煤矸石的热解，气化第二工作面完成后，重复气化第一工作面注入煤矸石的步骤，以此完成其余气化工作面燃空区的煤矸石充填和热解。
43.本发明通过地面装置将煤矸石粉粹后送入燃空区，地下气化煤层时产生大量高温气体会对煤矸石进行加热发生热解气化反应，将煤矸石中有用组分通过热解气化的方式提取至地面，使得煤矸石输送到煤矿层2内的燃空区中，不仅减少污染，还可以起到支撑固定，防止地面塌陷的作用，同时也最大限度的利用地下气化热能，将煤矸石中含有的有用组分再次利用，从而与现有技术方法相比，进一步降低了成本低，提高了资源利用率与环境保护效果。
44.进一步的，注气井4的上端固定连接有进气流量计9，出气井5的上端依次固定连接有出气流量计10与气体在线分析仪11，注气井4的上端连接有供气装置，供气装置和注气井4间连接有进气流量计9，进气流量计9用来记录输入气化剂的量，出气井5出口设置有出气流量计10，出气流量计10用于记录地下气化产生的气体的量，后接气体在线分析仪11用于分析地下产生气体组分。
45.进一步的，还包括送料管13，送料管13可安装在每个垂直井7内，送料管13的下端贯穿水泥8且位于煤矿层2内，送料管13下端连接有旋转喷头12，旋转喷头12的喷嘴弯曲设置，旋转喷头12上设置有震动装置。
46.地面大口径的垂直井7井间距l为燃空区内煤矸石锥形体地面直径d。
47.煤矸石从地面大口径垂直井7输送至燃空区内形成锥形体，煤矸石锥形体体积v计算方法如下：
48.其中，h为锥形体的高度，近似于燃空区高度h；r为锥形体底面半径。
49.r＝h/tanα
50.其中，α为煤矸石充填至燃空区的安息角
°
，煤矸石自然堆积稳定后其坡面与地面形成的夹角α≤50
°
。
51.可注入煤矸石重量m为
52.m＝ρ
·v53.其中，ρ为煤矸石容重，取值约2t/m3。
54.以α＝50
°
、h＝10m计算锥形体底面半径r1＝7m，地面大口径垂直井7井间距l1＝14m，可注入煤矸石体积v1＝514m3，煤矸石重量m1＝1028t。
55.以α＝20
°
、h＝10m计算锥形体底面半径r2＝28m，地面大口径垂直井7井间距l2＝56m，可注入煤矸石体积v2＝8206m3，煤矸石重量m2＝16411t。
56.由以上计算可知，地下煤层厚度一定情况下，减小安息角α有利于煤矸石的充填。而煤矸石从地面注入燃空区内，属于自然堆放，堆积稳定后安息角α最大不超过50
°
，为了减小安息角α可在注入过程中采用旋转喷头12向燃空区不同方向进行导向输送煤矸石，旋转喷头12可以360
°
调整方向，同时在输送过程中采用震动装置可以将煤矸石堆积面积增加减小安息角α，采用这种方式安息角可减小至20
°
甚至更小。
57.进一步的，若干垂直井7内均竖直设有u型的导热管14，导热管14的u型闭合端插入到水泥8内固定连接，导热管14位于水泥8内的一端的外侧壁上均匀设置有若干传热片15。
58.在地下气化工作面上部施工的大口径钻孔内放入u型的导热管14，导热管14u型闭合部位嵌入有若干传热片15，在地下气化煤层或煤矸石热解过程中气化腔内的热量传递至煤层顶板1岩层内，通过大口径钻孔内放入的导热管14将热能吸收并加以利用
59.一种煤炭地下气化与煤矸石热解的一体化方法，包括如下步骤：
60.s1：施工建设注气井4、出气井5与气化通道6，形成地下气化炉，注气井4的井口安装有进气流量计9，出气井5的井口安装有出气流量计10；
61.s2：地面施工建设若干垂直井7，垂直井7内注入水泥8密封，地面建设有煤矸石粉碎装置与煤矸石泵入装置；
62.s3：地下煤矿气化采用的方法是注气后退式气化，地下气化炉内的点火装置从出气井5往注气井4方向的顺序，依次对垂直井7下方的煤矿层2的工作面进行气化，煤矿层2的第一个工作面气化完成后形成燃空区，将预留的垂直井7内的水泥8钻开；
63.s4：通过步骤s2的煤矸石粉碎装置与煤矸石泵入装置，将煤矸石粉碎充填至第一个工作面的燃空区内；
64.s5：点火装置后退至第二个垂直井7下方的煤矿层2的工作面进行气化，产生的热解气体流经气化第一个工作面形成的燃空区内，热解气体与充填到燃空区的煤矸石发生热解反应，产生气体，顺着出气井5排出地面；
65.s6：重复步骤s5，完成后续工作面的气化和煤矸石的充填。
66.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。