煤炭地下氣化熄爐方法

專利名稱：煤炭地下氣化熄爐方法
技術領域：
本發明涉及煤炭地下氣化過程控制領域，尤其涉及一種煤炭地下氣化熄爐方法。
背景技術：
煤炭地下氣化就是使地下煤炭通過熱化學反應原地轉化為可燃氣體的技術，它是集建井、采煤、轉化三大工藝為一體，多學科開發能源及化工原料的新技術。其將物理采煤方法轉化為化學采煤，拋棄了全部龐大的、笨重的采煤設備與地面氣化設備，并將傳統的地面燃燒轉化為地下有控制地燃燒，因而是一種潔凈煤綜合利用技術，具有安全性好、投資少、效率聞、污染小、效益聞等優點。煤炭地下氣化首先自地面向下打鉆孔到煤層，再在煤層內部將鉆孔連結起來，以其中一個鉆孔將氣化劑(如空氣、水蒸汽、富氧空氣等)經地面管路輸入到煤層，煤層在氣 化劑的作用下不完全燃燒，并連續發生氣化，產生的可燃氣體從另一個鉆孔輸送到地面。上述地下氣化系統一般稱為地下氣化爐。隨著地下氣化過程的進行，燃煤量逐步累加，留下的燃空區(指煤炭地下氣化過程中由于煤層燃燒和氣化而在煤層中留下的空腔)越來越大，地下氣化爐煤氣出口溫度逐漸升高。并且，隨著煤層表面灰層的累積，煤層的氣化強度也逐步下降，煤層頂底板穩定性也隨著燃空區的增大逐漸變差，地下氣化爐燃空區周圍環境含水層水也會逐步滲入地下燃空區，產出氣體組分中有效煤氣產出量會逐漸減少，煤氣含水量也會越來越高。這種情況就表明，該地下氣化爐進入了氣化過程的后期，其生命周期即將結束。在結束地下氣化時，需要將地下氣化爐熄滅，以防止煤層持續燃燒浪費資源，以及增加地下燃空區的穩定性，并防止燃空區與含水層導通。在一定條件下，還需要對燃空區進行充填，以防止燃空區的大規模塌陷。以往采取的熄爐方法有向氣化爐內注水、注入水蒸氣、注入氮氣等阻燃或者不助燃的氣體(稱為熄爐介質)等方法。但是多數方法熄爐時間較長，并需要大量的氣體循環注入以降溫，成本高昂。例如，現有技術一，專利201010103397 “用于煤層火災治理的復合凝膠防滅火材料”，介紹了一種防治煤炭礦井火災的復合凝膠防滅火材料，是由水玻璃基料、促凝劑、復合骨料和增稠劑材料組成。所添加的增稠劑可以增加膠體的稠度，并提高混合漿體的懸浮性。該復合凝膠制備工藝簡單，易于現場實施應用；形成的凝膠具有一定強度，能起到堵漏作用；原材料來源豐富，價格低廉；產品無毒無害無味，不污染井下礦井，對人體無毒副作用。但是其只適用于礦井的堵漏和防滅火，如果用于地下氣化燃燒后的大空腔，其操作性不強，基本很難實現。現有技術二，專利200910015535 “地下氣化爐充氮滅爐方法”，該方法在地面安裝制氮機，制出的氮氣通過進氣通道充入氣化爐內，從而斷絕氣化爐氧氣進行滅火，并在不斷地充入過程中，將爐內熱量置換出來，從排氣管道排出地面進行降溫。該發明的優點是，由于氮氣不燃燒不助燃，可以起到斷氧的目的，而且在不斷地充入過程中將爐內剩余熱量置換出來，使爐內殘煤不再復燃，實現徹底滅爐。但由于地下氣化爐空腔體積較大，需要的氮氣較多，且使用過程中循環降溫，其經濟性相對較差。現有技術三，專利200910015541 (地下氣化爐噴霧滅爐方法)是在地面進氣通道的進氣孔口內布置噴頭，噴頭連接在進水管道上，邊向爐內鼓風邊噴水，風流與水混合成水霧進入氣化爐中，水霧遇熾熱氣化煤層被氣化形成蒸汽，從排氣通道排出，在上述過程進行中，爐內熱量不斷轉移給蒸汽，從而降低爐溫和置換出氧氣，達到滅爐目的。該發明滅爐方法簡單，僅在孔口進氣通道內安裝上幾個噴頭即可，在爐中形成的蒸氣不助燃不燃燒，使爐內熱量快速置換出來不再復燃，且使用水量極小，不會造成礦井透水威脅。但該方法噴頭下放過程復雜，可操作性差。現有技術四，專利200910015542 “地下氣化爐蒸汽滅爐方法”，該方法是在地面布置蒸汽設備和蒸汽管道，蒸汽管道連接在原進氣通道上，通過進氣通道向氣化爐內充入蒸汽，蒸汽遇爐內高溫進一步氣化反應，從而斷絕氣化爐內氧氣進行滅火，在不斷充入過程中吸熱降溫，將爐內熱量置換出來，從排氣通道排出地面進行降溫，達到快速安全徹底滅爐的目的。該發明滅爐方法實現了徹底快速滅爐，而且不會受透水威脅的目的。但由于地下氣 化煤層較深，在蒸汽鼓入地下燃空區的過程中被冷卻，導致進入燃空區的蒸汽基本變成水，其只對部分區域的冷卻效果較好，但生產蒸汽的能耗卻較大，因此經濟性和滅爐效果均相對較差。現有技術五，專利200910015540 “地下氣化爐綜合滅爐方法”，該方法首先采用蒸汽滅爐熄火，然后用噴水霧進行空氣降溫，最后采用注漿法用注漿材料封閉地下氣化爐所有進出氣通道，使地下氣化爐與大氣隔絕。該發明的綜合滅爐方法，比單一的滅爐方法快，因用水有限且全部轉化為蒸汽排出，不會造成礦井透水威脅。但該方法過程復雜，需要的附屬設備較多，操作性也相對比較差。現有技術六，文獻“鶴煤五礦二 I煤自然發火原因分析與綜合防治技術”，“利用凝膠阻化劑防滅火技術處理井下高冒點煤炭自燃”，“淺談凝膠防滅火在煤礦生產中的應用”等，介紹了化學凝膠處理高溫點及堵漏技術、羅克休/馬麗散封閉技術、煤礦防滅火劑MEA與快速砌壘材料FSA聯合壓注封閉技術等煤礦地下火區自燃處理措施。但是這些措施都是針對礦井火災預防和治理的，很難適用于地下氣化爐熄爐，基本不可實現。現有技術七，專利US20050011653A1 “PROCESS FOR EXTINGUISHMENT0FUNDERGR0UND COAL SEAM FIRES”提出一種利用地下火區本身熱量來加熱石灰石漿液，使得漿液受熱產生C02，進而達到滅火的方法。該方法成本較低，實現也較容易，該方法采用的石灰石漿液滅火，其用量較大，雖然成本不高，但是很難與距離輸送口較遠的火區充分接觸，適用于地下小范圍火區的滅火。現有技術八，專利US005909777A “METHOD AND APPARATUS FOR STOPPING THESPREAD OF A FH2E IN AN UNDERGROUND MINE”提出一種在煤礦下預制可移動水管和噴嘴，以解決地下火災發生時消防隊員很難進入的問題。該專利主要是針對煤礦生產中發生火災或者廢礦井復燃的情況提出的一種解決方法，由于地下氣化爐很難有人下井操作，因此在地下氣化熄爐過程基本不具備可行性
發明內容
本發明旨在克服上述現有技術中的至少一個缺陷。本發明提出一種煤炭地下氣化熄爐方法，其在地下氣化爐生命周期的后期，利用在熄爐氣體中添加堿金屬碳酸氫鹽、磷酸銨鹽等可以遇熱產生CO2等阻燃氣體的化學產品，達到加速地下氣化爐熄爐過程，控制熄爐時間的目的。這里的熄爐氣體一般是指向地下氣化爐內注入的用于熄爐的氣體，例如水蒸氣、氮氣、CO2等能夠阻燃或者不助燃的氣體。根據本發明的一個方面，提出一種煤炭地下氣化熄爐方法，包括以下步驟利用煤炭地下氣化爐的原有進出氣管路向地下氣化爐內注入熄爐氣體；在注入熄爐氣體的過程中，向熄爐氣體中添加有助于熄爐的添加劑。根據本發明的一個實施例，所述添加劑包括堿金屬碳酸氫鹽，優選碳酸氫鈉。
根據本發明的一個實施例，所述添加劑包括磷酸銨鹽。根據本發明的一個實施例，向熄爐氣體中添加添加劑的步驟包括在地下氣化爐的原有進出氣管路上設置添加劑加入裝置，通過所述添加劑加入裝置將添加劑加入所述進出氣管路中。根據本發明的一個實施例，在所述添加劑加入裝置中設置加壓槽，在注入熄爐氣體和加入添加劑的過程中，在使加壓槽中的氣體壓力大于通過進出氣管路注入的熄爐氣體的壓力。根據本發明的一個實施例，在所述添加劑加入裝置中設置攪拌器，用于攪拌添加劑加入裝置中的添加劑。根據本發明的一個實施例，向熄爐氣體中添加添加劑的步驟包括設置與地下氣化爐的原有進出氣管路連通的總管，在所述總管中設置添加劑預混裝置，將熄爐氣體注入添加劑預混裝置中，與添加劑預混裝置中的添加劑預先混合，然后分別通過各進出氣管路將混合后的熄爐氣體和添加劑輸送入地下氣化爐中。根據本發明的一個實施例，通過多個進出氣管路依次向氣化爐內注入熄爐氣體和添加劑。根據本發明的一個實施例，通過多個進出氣管路同時向氣化爐內注入熄爐氣體和添加劑。本發明的地下氣化熄爐方法，通過加入添加劑，能夠加速熄爐過程，減少熄爐氣體用量，節約熄爐氣體成本。并且，能夠利用原有進出氣管路，不需要添加過多復雜的設備，易于實施。


圖I示出了實施根據本發明的第一實施例的煤炭地下氣化熄爐方法的設備的示意圖。圖2示出了實施根據本發明的第二實施例的煤炭地下氣化熄爐方法的設備的示意圖。圖3示出了實施根據本發明的第三實施例的煤炭地下氣化熄爐方法的設備的示意圖。
具體實施例方式本發明提出一種技術方案，實現對煤炭地下氣化過程的快速或者可控熄爐。具體實現過程為利用煤炭地下氣化爐的原有進出氣管路向地下氣化爐內注入熄爐氣體(一般為水蒸氣、氮氣、CO2或者水霧噴淋等)；在注入熄爐氣體的過程中，向熄爐氣體中添加有助于熄爐的添加劑。添加劑例如為堿金屬碳酸氫鹽、磷酸銨鹽等可以遇熱產生C02、H2O等阻燃或不助燃氣體的化學產品。堿金屬碳酸氫鹽、磷酸銨鹽是滅火器中常見的阻燃物質，無毒，所以進入燃空區后不會對地下水造成污染。在注入熄爐氣體的過程中，添加劑被攜帶入地下氣化爐中，與氣化爐內高溫火區接觸，達到加速滅爐的效果。并且，注入的堿金屬碳酸氫鹽、磷酸銨鹽等的粉末能夠吸附在燃空區表面或者熔融后凝固在表面，一定程度上阻止了地下水的涌入，關少透水威脅。加入的堿金屬碳酸氫鹽、磷酸銨鹽，如碳酸氫鈉干粉、改性鈉鹽干粉、磷酸二氫銨干粉、磷酸氫二銨干粉、磷酸干粉等，主要通過在熄爐氣體的攜帶下與火焰接觸、混合時發 生的物理、化學作用滅火。即，第一，堿金屬碳酸氫鹽、磷酸銨鹽等的揮發性分解物，包括水和二氧化碳，發生吸熱反應使燃燒所需要的熱量不足，從而抑制燃燒；第二，產生的大量的二氧化碳使氧氣濃度降低迫使燃燒中斷；第三，堿金屬碳酸氫鹽、磷酸銨鹽等的粉末落到可燃物表面上，并在高溫作用熔融后(270°C)形成一層覆蓋層，從而隔絕氧窒息滅火。考慮到經濟性，添加劑優選碳酸氫鈉，由進出氣管路鼓入的熄爐氣體優選為純度在98%以上的氮氣。以下以碳酸氫鈉為例說明添加劑在煤炭地下氣化爐內所發生的化學和物理作用。碳酸氫鈉在50°C開始緩慢分解，在270°C迅速分解，產生CO2、水和碳酸鈉，反應方程式為2NaHC03 = = Na2C03+H20+C02其中水和二氧化碳都能與煤炭中的碳發生吸熱反應，降低火區溫度，從而抑制煤炭的燃燒。產生的大量的二氧化碳使氧氣濃度降低迫使燃燒中斷。碳酸氫鈉的粉末落到可燃物表面上，并在高溫作用熔融后形成一層覆蓋層，從而隔絕氧窒息滅火。可以以C02作為熄爐的主要控制指標。國家標準GB 50193-93規定，煤氣和天然氣滅火，二氧化碳濃度為37%。參照該標注，檢測出口氣體組分(主要為氮氣和二氧化碳)，當二氧化碳濃度大于37%可認為基本達到了熄爐目的；隨后監控出氣孔氣體溫度，待出口氣體溫度降至90°C以下時，說明氣化爐內溫度降至燃點以下，熄爐成功。然后封閉出口，繼續鼓入過量熄爐氣體，待氣化爐內壓力達到0. 5MPa時，密閉各進出氣口，熄爐完成。實踐中，氣化后期的燃空區的體積可以估算出來，從而可獲得所需要的二氧化碳的量，進而獲得需要通入的碳酸氫鈉的量。另外，通過控制通入氣體的流速，也可以對熄爐的時間進行控制，從而使熄爐過程可控。例如，假設在地下氣化工藝末期，通過燃煤量反推出燃空區體積為1000m3，CO2濃度需要達到大約40%才能達到滅火的要求，因此計算得出需要CO2至少400m3，進而得出至少需要碳酸氫鈉3000kg。考慮到損失問題，需要碳酸氫鈉的量需要乘以經驗系數I. 2即3600kgo根據經驗，滅爐后期燃空區需保持約0. 5MPa，即需要鼓入常壓氮氣使體積為IOOOm3的燃空區壓力達到0. 5MPa，則需要鼓入的常壓氮氣體積可由下述方法解得根據理想氣體狀態方程即克拉伯龍方程(此計算中忽略產生的CO2) pV = nRT變換可得出P帶壓V燃空區=P常壓V常壓其中P常壓為常壓下氮氣壓力；P帶壓為燃空區需要達到的壓力；V燃空區為燃空區體積即V常壓=(0. 5 X 1000)/0. I = 5000Nm3
在鼓入滅爐氣體和添加劑時建議氮氣和碳酸氫鈉兩者的摩爾比為63 74，為增加滅爐速度可適當增加氮氣流速和其比例。以下結合具體例子說明本發明的熄爐方法。實施例I圖I示出了實施根據本發明的第一實施例的煤炭地下氣化熄爐方法的設備的示意圖。如圖I所示，典型的煤炭地下氣化爐包括分布在氣化爐區域的不同位置的若干進出氣管路1、2和3、煤層4和燃空區5。進出氣管路1、2和3從地面20經由地層21延伸到煤層4中。在煤炭氣化過程中，進出氣管路1、2和3可分別用作進氣通道，用于通入促使煤層燃燒氣化的各種氣化劑，或出氣通道，用于排出煤層燃燒氣化后的氣體產物，或用于其它目的，例如作為觀測用通道。雖然圖I中示出了 3個進出氣管路，但進出氣管路的數量可以為更多個。在氣化過程中，隨著煤的燃燒在煤層中逐漸形成的燃空區5分別與進出氣管路I、2和3連通。在煤炭地下氣化過程末期，隨著氣化爐運行時間的持續，燃空區5擴大，地下氣化爐中氣化強度下降，煤氣熱值降低，氣化可控性變弱，這時表示該地下氣化爐已經近于氣化爐運行的末期，需要對其進行熄爐處理，以保證地下煤層不繼續燃燒，節省資源，也有利于地下環境中污染物和地層的穩定。為了實現熄爐，如圖I所示，在原進出氣管路1-3上設置添加劑加入裝置6。開始熄爐時，通過進出氣管路1-3向地下氣化爐內注入熄爐氣體；在注入熄爐氣體的過程中，通過添加劑加入裝置6將添加劑8通過添加劑加入口 9注入進出氣管路1-3中。從而，添加劑8被熄爐氣體攜帶并通過進出氣管路1-3注入氣化爐的燃空區5內，用于熄爐。添加劑8可以為為粉末狀碳酸氫鈉，通過進出氣管路1-3注入的熄爐氣體可以為氮氣。通常認為CO2濃度達到40%左右滅火效果明顯，如前所述可計算得到氮氣和碳酸氫鈉兩者的摩爾比例大約為63 74。因為要控制爐內壓力，氮氣要過量。可選地，如圖I所示，可以在該添加劑加入裝置6上方設置加壓槽7，通過加壓槽7向添加劑加入裝置6中的添加劑8的上方注入加壓氣體。從而，通過使加壓槽7中的氣體壓力大于通過進出氣管路1-3注入的熄爐氣體的壓力，使得通過進出氣管路1-3注入的熄爐氣體易于將添加劑8攜帶至氣化爐的燃空區5內，達到熄爐的目的。圖I中示出了在三個進出氣管路1-3中分別設置有添加劑加入裝置6。因此，在熄爐過程中，可以通過3個進出氣管路1、2、3按一定時間間隔依次向氣化爐內注入熄爐氣體和添加劑，并可以循環作業；或者，也可以通過3個進出氣管路1、2、3同時向氣化爐內注入熄爐氣體和添加劑，以加速熄爐。為此，可以在各個進出氣管路1、2、3中設置控制閥，以控制熄爐氣體和添加劑的注入。當然，添加劑加入裝置6也可以僅設置在I個或任意多個進
出氣管路上。在如上所述注入熄爐氣體和添加劑并持續一定時間后，監控氣化爐出氣孔出口氣體的溫度，待出口氣體溫度降至90°C以下時，說明氣化爐內溫度降至燃點以下，熄爐成功。然后封閉出口，繼續鼓入過量熄爐氣體，待氣化爐內壓力達到0. 5MPa時，密閉各進出氣口，熄爐完成。這里，溫度和壓力的測量可以利用氣化爐原有的溫度測量裝置和壓力測量裝置。實施例I的添加劑加入裝置較簡單，投入較小，易于實施。實施例2圖2示出了實施根據本發明的第二實施例的煤炭地下氣化熄爐方法的設備的示 意圖。實施例2的熄爐過程與實施例I基本相同。但是，在實施例2中，如圖2所示，在添加劑加入裝置6中設置有攪拌器15，用于攪拌添加劑加入裝置6中的添加劑8，以便于將添加劑通過添加劑加入口 9注入進出氣管路中。具體地，攪拌器15包括旋轉軸11和設置在旋轉軸11上的旋動裝置10。通過旋轉旋轉軸11，使旋動裝置10攪動添加劑，從而使添加劑通過添加劑加入口 9進入進出氣管路的過程更為順暢，不易發生堵塞，從而熄爐過程能夠穩定進行。實施例2的其它方面與實施例I相同，這里不再贅述。實施例3圖3示出了實施根據本發明的第三實施例的煤炭地下氣化熄爐方法的設備的示意圖。實施例3的熄爐過程與實施例I和2基本相同。不同之處在于，如圖3所示，代替實施例I和2的添加劑加入裝置6，根據實施例3，設置與地下氣化爐的原有進出氣管路I、
2、3連通的總管18，在所述總管18中設置添加劑預混裝置16，將熄爐氣體注入添加劑預混裝置16中，與添加劑預混裝置16中的添加劑預先混合，然后將混合后的熄爐氣體和添加劑分別通過進出氣管路1、2、3輸送入地下氣化爐中。具體而言，熄爐時首先熄爐氣體從熄爐氣體進口 12進入添加劑預混裝置16，在添加劑預混裝置16中將熄爐氣體和添加劑進行混合，混合的熄爐氣體和添加劑分別進入進出氣管路1、2、3中，經進出氣管路1、2、3注入氣化爐的燃空區5中，用于熄爐。可選地，可以在各個進出氣管路1、2、3中設置控制閥14，從而可以控制混合的熄爐氣體和添加劑依次進入進出氣管路1、2、3或同時進入進出氣管路1、2、3。根據實施例3，只需要一個預混裝置，熄爐設備相對簡單。實施例3的其它方面與第I和第2實施例相同，這里不再贅述。如上所述，本發明提供通過一種相對簡單、易于實施的煤炭地下氣化熄爐方法，通過在熄爐過程中在熄爐氣體進入地下時加入適量的添加劑(堿金屬碳酸氫鹽、磷酸銨鹽等)，使得熄爐過程加速，從而達到控制熄爐時間的目的。并且，本發明的熄爐方法不會對地下造成污染，成本相對較低。以上說明了本發明的若干示例性實施例，本領域的技術人員將明白，在不偏離本發明的原理和實質的情況下，可以對實施例進行各種變更。本發明的保護范圍由權利要求限定。
權利要求
1.一種煤炭地下氣化熄爐方法，包括以下步驟 利用煤炭地下氣化爐的原有進出氣管路向地下氣化爐內注入熄爐氣體； 在注入熄爐氣體的過程中，向熄爐氣體中添加有助于熄爐的添加劑。
2.根據權利要求I所述的煤炭地下氣化爐熄爐方法，其中，所述添加劑包括堿金屬碳酸氫鹽。
3.根據權利要求I所述的煤炭地下氣化爐熄爐方法，其中，所述添加劑包括磷酸銨鹽。
4.根據權利要求I所述的煤炭地下氣化爐熄爐方法，其中，所述添加劑包括碳酸氫鈉。
5.根據權利要求I所述的煤炭地下氣化爐熄爐方法，其中，向熄爐氣體中添加添加劑的步驟包括在地下氣化爐的原有進出氣管路上設置添加劑加入裝置，通過所述添加劑加入裝置將添加劑加入所述進出氣管路中。
6.根據權利要求5所述的煤炭地下氣化爐熄爐方法，其中，在所述添加劑加入裝置中設置加壓槽，在注入熄爐氣體和加入添加劑的過程中，使加壓槽中的氣體壓力大于通過進出氣管路注入的熄爐氣體的壓力。
7.根據權利要求6所述的煤炭地下氣化爐熄爐方法，其中，在所述添加劑加入裝置中設置攪拌器，用于攪拌添加劑加入裝置中的添加劑。
8.根據權利要求I所述的煤炭地下氣化爐熄爐方法，其中，向熄爐氣體中添加添加劑的步驟包括設置與地下氣化爐的原有進出氣管路連通的總管，在所述總管中設置添加劑預混裝置，將熄爐氣體注入添加劑預混裝置中以與添加劑預混裝置中的添加劑預先混合，然后分別通過各進出氣管路將混合后的熄爐氣體和添加劑輸送入地下氣化爐中。
9.根據權利要求1-8中任一項所述的煤炭地下氣化爐熄爐方法，其中，通過多個進出氣管路依次向氣化爐內注入熄爐氣體和添加劑。
10.根據權利要求1-8中任一項所述的煤炭地下氣化爐熄爐方法，其中，通過多個進出氣管路同時向氣化爐內注入熄爐氣體和添加劑。
全文摘要
本發明提出一種煤炭地下氣化熄爐方法，其在地下氣化爐生命周期的后期，利用在熄爐氣體中添加堿金屬碳酸氫鹽、磷酸銨鹽等可以遇熱產生CO2等阻燃氣體的化學產品，達到加速地下氣化爐熄爐過程，控制熄爐時間的目的。該方法不需要外加過多設備，成本低，易于實施。
文檔編號E21B43/295GK102748002SQ20121026057
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月26日 優先權日2012年7月26日
發明者劉洪濤, 姚凱, 王媛媛 申請人:新奧氣化采煤有限公司