本發(fā)明屬于自然資源開發(fā)、煤炭地下氣化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種穩(wěn)定煤炭地下氣化燃控區(qū)的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

煤炭地下氣化技術(shù)是一種將埋藏在地下的煤炭進(jìn)行直接的、有控制的燃燒，通過煤的熱作用及化學(xué)作用，產(chǎn)生可燃?xì)怏w的過程。煤炭地下氣化變傳統(tǒng)的物理采煤為化學(xué)采煤，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的建井、采煤、地面氣化過程，具有安全性好、投資少、效益高、污染少等優(yōu)點(diǎn)。

為了大規(guī)模的開采地下煤炭，就需要對(duì)氣化爐進(jìn)行很好的設(shè)計(jì)。目前最常用的就是條狀開采，其基本設(shè)計(jì)為：有多個(gè)進(jìn)氣孔；一條氣化通道和一個(gè)出氣孔組成。氣化劑漸次通過進(jìn)氣孔進(jìn)入氣化通道中，與氣化通道表面的煤發(fā)生反應(yīng)。隨著反應(yīng)的不斷進(jìn)行，形成的燃空區(qū)會(huì)越來越大。越來越大的燃空區(qū)儲(chǔ)存了越來越多的氣體在地下。為了維持地下氣化爐的正常出氣，使反應(yīng)產(chǎn)生的氣體能通過出氣孔出來地面，就必須使進(jìn)入氣化爐的氣化劑流量越來越大。但是在生產(chǎn)中配置的輸送氣化劑的設(shè)備能力不可能無限變大，從而導(dǎo)致氣化爐無法正常運(yùn)行。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種穩(wěn)定煤炭地下氣化燃空區(qū)的系統(tǒng)和方法，通過漸次填充燃空區(qū)，使燃空區(qū)的體積相對(duì)穩(wěn)定，保證氣化反應(yīng)始終在一個(gè)體積相對(duì)固定的區(qū)域內(nèi)，利于設(shè)備的有效利用，使地下氣化工藝長周期穩(wěn)定運(yùn)行。

為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種穩(wěn)定煤炭地下氣化燃空區(qū)的系統(tǒng)，包括：變壓填充裝置和采氣化爐；

其中采氣化爐含有：n個(gè)進(jìn)氣孔，其中n為大于等于1的任意自然數(shù)；氣化通道，所述氣化通道位于采氣化爐的頂板和底板之間的煤層中；出氣孔；所述進(jìn)氣孔和出氣孔均與氣化通道相連通；

變壓填充裝置包括常壓斗、變壓斗、放空閥、第一閥門；所述常壓斗用于存放填充物料，所述填充物料用于填充燃空區(qū)；所述常壓斗通過管路與變壓斗連通，所述變壓斗內(nèi)部的壓強(qiáng)可以通過其上設(shè)置的放空閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，所述變壓斗通過管路與進(jìn)氣孔連接，在上述連接的管路上設(shè)置有第一閥門；

所述進(jìn)氣孔還與用于輸入氣化劑的輸入管路連通，所述輸入管路上具有第二閥門；所述出氣孔的出口處設(shè)置有出氣管路。

作為優(yōu)選實(shí)施例，所述進(jìn)氣孔的數(shù)量為多個(gè)，所述多個(gè)進(jìn)氣孔在沿著所述氣化通道的方向上距離所述出氣孔由遠(yuǎn)到近順序排列。

作為優(yōu)選實(shí)施例，所述氣化劑輸入管路上設(shè)置有氣化劑流量檢測裝置，用于檢測氣化劑的輸入量。

作為優(yōu)選實(shí)施例，在所述出氣管路上設(shè)置有氣體檢測裝置，所述氣體檢測裝置為：組分分析儀、壓力檢測裝置、流量監(jiān)測裝置、溫度監(jiān)測裝置中的一個(gè)或多個(gè)。

一種穩(wěn)定煤炭地下氣化燃空區(qū)的方法，包括：a)確定煤炭地下氣化爐燃空區(qū)的體積；b)填充煤炭地下氣化爐燃空區(qū)。

作為優(yōu)選實(shí)施例，其中步驟b)包括:

b1)確定煤炭地下氣化爐燃空區(qū)填充井口；

b2)安裝變壓填充裝置；

b3)確定煤炭地下氣化爐燃空區(qū)填充量；

b4)確定燃空區(qū)填充速率。

作為優(yōu)選實(shí)施例，其中b3)包括:

b31)燃空區(qū)充填物高溫固化試驗(yàn)；

b32)確定燃空區(qū)充填物體積與受熱固化后的體積比。

作為優(yōu)選實(shí)施例，其中b4)包括:

b41)確定填充時(shí)間；

b42)根據(jù)確定的燃空區(qū)填充量求出燃空區(qū)填充速率。

作為優(yōu)選實(shí)施例，其中a)包括：

a1)確定煤炭地下氣化爐出氣孔產(chǎn)生煤氣量；

a2)檢測煤炭地下氣化爐出氣孔煤氣組分；

a3)確定煤炭地下氣化反應(yīng)區(qū)已燃燒煤量；

a4)確定煤炭地下氣化反應(yīng)區(qū)已燃燒煤體積；

a5)確定煤炭地下氣化反應(yīng)區(qū)燃燒后灰密度。

作為優(yōu)選實(shí)施例，其中a1)包括：流量檢測中可以為任意兩個(gè)時(shí)刻的流量差。

作為優(yōu)選實(shí)施例，其中a2)包括：出口煤氣中二氧化碳的體積含量百分比檢測、一氧化碳的體積含量百分比檢測、甲烷的體積百分比檢測。

作為優(yōu)選實(shí)施例，其中a5)包括：

a51)煤炭地下氣化反應(yīng)區(qū)煤試驗(yàn)燃燒；

a52)標(biāo)定量煤炭地下氣化反應(yīng)區(qū)煤試驗(yàn)燃燒后體積；

a53)獲得煤炭地下氣化反應(yīng)區(qū)煤試驗(yàn)燃燒灰密度。

本發(fā)明公布的穩(wěn)定煤炭地下氣化燃空區(qū)的系統(tǒng)和方法，通過合適的條件判斷燃空區(qū)充填的時(shí)間，根據(jù)燃空區(qū)的大小確定填充物的體積，通過控制變壓填充裝置出口閥門將填充物有控制的填充到燃空區(qū)，從而使燃空區(qū)的體積始終保持在設(shè)定范圍之內(nèi)，有利于煤炭地下氣化設(shè)備的正常使用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述的穩(wěn)定煤炭地下氣化燃空區(qū)的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖并通過具體實(shí)施方式來進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。這里需要特別說明的是本發(fā)明說明書所列的實(shí)施例和附圖僅是為了說明問題方便給出的示例性實(shí)施方式，附圖僅是示例性的結(jié)構(gòu)示意圖，其不得解釋成為是本發(fā)明的唯一正確實(shí)施方式，亦不得解釋成為是對(duì)本發(fā)明的限制。

在條采氣化爐工藝過程中，燃空區(qū)會(huì)越燒越大，造成地下儲(chǔ)存的氣體越來越多，亦即反應(yīng)產(chǎn)生的氣體越來越多留在地下而無法及時(shí)通過出氣孔輸送到地面，造成了原設(shè)計(jì)輸送氣化劑的設(shè)備能力跟不上，降低煤炭地下氣化爐的生產(chǎn)效率。因此，本發(fā)明提出了一種穩(wěn)定煤炭地下氣化燃空區(qū)的方法，該方法通過確定燃空區(qū)體積，依靠變壓填充裝置將填充物填充到燃空區(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤炭地下氣化燃空區(qū)的有效充填，使燃空區(qū)的體積保持在設(shè)定范圍之內(nèi)，利于煤炭地下氣化工藝的穩(wěn)定運(yùn)行。

在本發(fā)明中，術(shù)語“燃空區(qū)”應(yīng)當(dāng)理解為煤炭地下氣化工藝燃燒后留下的空腔。

圖1是所述的穩(wěn)定煤炭地下氣化燃空區(qū)的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，所述系統(tǒng)包括：變壓填充裝置63和采氣化爐；

其中采氣化爐含有：若干個(gè)進(jìn)氣孔31、32、33…3n，其中n為大于等于1的任意自然數(shù)；氣化通道4，所述氣化通道4的數(shù)量可以為一個(gè)，也可以為多個(gè)，所述氣化通道4位于采氣化爐的頂板51和底板52之間的煤層中；出氣孔2，所述出氣孔2的數(shù)量可以為一個(gè)，也可以為多個(gè)；所述進(jìn)氣孔和出氣孔均與氣化通道4相連通；

變壓填充裝置63包括常壓斗632、變壓斗631、放空閥6a、第一閥門8a；所述常壓斗632用于存放填充物料，所述填充物料用于填充燃空氣；所述常壓斗632通過管路與變壓斗631連通，所述變壓斗631內(nèi)部的壓強(qiáng)可以通過放空閥6a進(jìn)行調(diào)節(jié)，所述放空閥6a為調(diào)節(jié)閥，所述變壓斗631通過管路與進(jìn)氣孔31、32、33…3n連接，在上述連接的管路上設(shè)置有第一閥門8a、8b、8c…，所述第一閥門8a、8b、8c…為調(diào)節(jié)閥；

所述進(jìn)氣孔31、32、33…3n還具有用于輸入氣化劑的輸入管路，所述輸入管路上具有第二閥門8a、8b…；在所述輸入管路上還可以設(shè)置有流量監(jiān)測裝置8c；

所述出氣孔2的出口處設(shè)置有出氣管路，在所述出氣管路上設(shè)置有組分分析儀21、壓力檢測裝置22、流量監(jiān)測裝置23、溫度監(jiān)測裝置24，這里需要特別說明的是上述監(jiān)測裝置并不是必須、唯一確定的，其可以根據(jù)對(duì)輸出的氣體的檢測需要設(shè)置不同數(shù)量、不同種類的檢測裝置。

下面詳細(xì)描述上述穩(wěn)定煤炭地下氣化燃空區(qū)的系統(tǒng)的工作方式和采用所述系統(tǒng)穩(wěn)定煤炭地下氣化燃空區(qū)的方法：

a)確定煤炭地下氣化爐燃空區(qū)體積；詳細(xì)確定過程如下：

在進(jìn)行煤炭地下氣化區(qū)域取m01質(zhì)量的煤炭樣品，檢測其體積為v01，根據(jù)公知可以得到煤炭密度r1＝m01/v01。將其送入化驗(yàn)室化驗(yàn)，可以得到煤炭的工分，其中灰含量設(shè)為u，c的含量為h。然后將全部樣品放入地上試驗(yàn)爐內(nèi)燃燒，燃燒完后得到灰，等灰冷卻后，稱量質(zhì)量為m02，檢測體積為v02，根據(jù)公知可以得到地下氣化區(qū)域煤炭燃燒后灰的密度r2＝m02/v02。

在煤炭地下氣化運(yùn)行時(shí)，氣化方向從進(jìn)氣孔31、進(jìn)氣孔32、…進(jìn)氣孔3n往出氣孔2推進(jìn)，氣化劑從通過安裝有第二閥門8a和流量檢測裝置8c的管道進(jìn)入進(jìn)氣孔31，到達(dá)氣化通道4后，氣化通道4表面的煤炭進(jìn)行氣化反應(yīng)，產(chǎn)出的氣體通過出氣孔2送到地面以上進(jìn)行后續(xù)處理利用。在出氣孔2上安裝有組分分析儀21、壓力檢測裝置22、流量監(jiān)測裝置23、溫度監(jiān)測裝置24，其中組分分析儀21可以檢測出口煤氣中二氧化碳的體積含量百分比g1、一氧化碳的體積含量百分比g2、甲烷的體積含量百分比g3。

在燃空區(qū)的體積小于第一預(yù)定值的時(shí)候，氣化劑的進(jìn)氣流量q1與出氣流量q2之間存在著如下關(guān)系(q2-q1)/q1在0與第二預(yù)定值之間，所述第二預(yù)定值大于0。所以填充燃空區(qū)，判斷所述第一預(yù)定值是比較關(guān)鍵的。

隨著氣化反應(yīng)的進(jìn)行，氣化方向從進(jìn)氣孔31、進(jìn)氣孔32、…進(jìn)氣孔3n往出氣孔2推進(jìn)，假設(shè)氣化劑已經(jīng)從進(jìn)氣孔32開始進(jìn)入煤炭地下氣化爐。當(dāng)q2小于q1且維持第一預(yù)定時(shí)間時(shí)，此時(shí)燃空區(qū)就是需要開始填充的時(shí)間，記從工藝開始運(yùn)行時(shí)刻t1到此刻t2的出氣累計(jì)流量q2，進(jìn)氣累計(jì)流量為q1。

需要填充的體積也就是燃空區(qū)的體積v，也就是燃燒煤的體積減去煤燃燒后灰的體積。可以采取這樣的方式確定：根據(jù)質(zhì)量守恒定律，煤燃燒前后的c元素的質(zhì)量是不變的。根據(jù)克拉伯龍方程基本原理，可以得到從t1到t2燃燒煤質(zhì)量為m1＝q2*12*(g1+g2+g3)/(22.4*h)

由體積、密度和質(zhì)量之間的關(guān)系可以得到從t1到t2的燃燒煤體積為v1＝m1/r1＝q2*12*(g1+g2+g3)/(22.4*h*r1)

其中：q2：t1到此刻t2的出氣累計(jì)流量

12：c的原子量

g1：二氧化碳在煤氣中體積含量百分比

g2：一氧化碳在煤氣中體積含量百分比

g3：甲烷在煤氣中體積含量百分比

h：c在煤炭地下氣化煤中的含量百分比

r1：煤炭地下氣化煤炭密度

煤的工分中，灰的占比為u，所以煤炭地下氣化煤從t1到t2燃燒后得到的灰的質(zhì)量為m2＝m1*u＝q2*12*u*(g1+g2+g3)/(22.4*h)，而灰的密度為r2。根據(jù)體積、質(zhì)量與密度之間的關(guān)系可以得到從t1到t2燃燒后得到的灰的體積v2＝m2/r2＝q2*12*u*(g1+g2+g3)/(22.4*h*r2)

至此可以得到燃空區(qū)的體積v＝v1-v2＝q2*12*(g1+g2+g3)/(22.4*h*r1)-q2*12*u*(g1+g2+g3)/(22.4*h*r2)。

b)填充煤炭地下氣化爐燃空區(qū)；詳細(xì)過程如下：

取體積v03的燃空區(qū)填充物，將其高溫凝固后測得的體積為v04，可以得出燃空區(qū)填充物填充前后的收縮比k＝v04/v03。

由于燃空區(qū)填充物的收縮比為k，所以需要的高溫固化填充物的體積v1為

v1＝v*k＝k*(q2*12*(g1+g2+g3)/(22.4*h*r1)-q2*12*u*(g1+g2+g3)/(22.4*h*r2))

可以得到填充速率v2為：

v2＝v*k/(t2-t1)＝(k*(q2*12*(g1+g2+g3)/(22.4*h*r1)-q2*12*u*(g1+g2+g3)/(22.4*h*r2)))/(t2-t1)。

在確定上述填充體積v1和填充速率v2后，案裝變壓填充裝置63到最初的進(jìn)氣孔口，此處是進(jìn)氣孔31。此時(shí)將填充物裝入632常壓斗中。

關(guān)閉進(jìn)氣孔31的第二閥門8a，使氣化劑不再進(jìn)入。打開變壓斗631的放空閥6a，使其壓力為0，則常壓斗632的填充物依靠重力落入變壓斗631中。后關(guān)閉變壓斗631的放空閥6a打開變壓斗631下方的第一閥門8a，使變壓斗631的壓力等于氣化爐的壓力，變壓斗631的填充物依靠重力落入燃空區(qū)。

通過第二閥門8a調(diào)節(jié)填充速率使在t1到t2的時(shí)間間隔內(nèi)填充體積為v1的高溫固化填充物從而保證隨著工藝的正常進(jìn)行保持燃空區(qū)體積的基本穩(wěn)定。

需要引起注意的是，填充孔口的選擇是隨著氣化工藝不斷進(jìn)行中的，從最先運(yùn)行的進(jìn)氣孔，次先運(yùn)行的進(jìn)氣孔……，以此類推。

本發(fā)明公布的穩(wěn)定煤炭地下氣化燃空區(qū)的系統(tǒng)和方法，通過合適的條件判斷燃空區(qū)充填的時(shí)間，根據(jù)燃空區(qū)的大小確定填充物的體積，通過控制變壓填充裝置出口閥門將填充物有控制的填充到燃空區(qū)，從而使燃空區(qū)的體積始終保持在設(shè)定范圍之內(nèi)，有利于煤炭地下氣化設(shè)備的正常使用。

雖然已參照幾個(gè)典型實(shí)施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解，所用的術(shù)語是說明和示例性、而非限制性的術(shù)語。由于本發(fā)明能夠以多種形式具體實(shí)施而不脫離發(fā)明的精神或?qū)嵸|(zhì)，所以應(yīng)當(dāng)理解，上述實(shí)施例不限于任何前述的細(xì)節(jié)，而應(yīng)在隨附權(quán)利要求所限定的精神和范圍內(nèi)廣泛地解釋，因此落入權(quán)利要求或其等效范圍內(nèi)的全部變化和改型都應(yīng)為隨附權(quán)利要求所涵蓋。