本发明专利技术提供了一种用于煤炭地下气化工艺(ISC)的接合管注入系统，包括氧化剂注入系统和辅助通道，氧化剂注入系统包括如下组件：接合管，用于输送氧化剂及移送喷嘴和点火设备到达地下煤层内的预设气化点；机械剪切装置，设于接合管尾端，用于喷嘴在地下由于故障造成机械性卡死而无法移动时剪断喷嘴；喷嘴，设于机械剪切装置后端；至少一个止回阀，设于机械剪切装置上游的接合管上；点火设备，设于喷嘴前端；还包括设于辅助通道内的地下仪表监测系统和设于注入井井口附近的控制系统。本发明专利技术通过接合管注入系统使得在煤炭地下气化过程中可以不间断地连续注入氧化剂，实现真正连续运行的煤炭地下气化过程，从而可以获得稳定质量和产量的产品气。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术提供了一种用于煤炭地下气化工艺(ISC)的接合管注入系统和操作方法。特别地，本专利技术提供了一种在煤炭地下气化工艺(ISC)中用于定点注入空气或低浓度氧化剂的接合管注入系统，还提供了这种接合管注入系统在煤炭地下气化过程中的操作方法(离散回退注气点法，DRIP)，具体可用于煤炭地下气化过程的点火及正常操作过程。
技术介绍
煤炭地下气化(ISC)是在氧化剂存在下通过地下煤层的燃烧和气化反应将煤直接转化为产品气的过程，所述产品气通常称为合成气，该合成气可以随后用作多种应用的原料，包括燃料生产、化学品生产和发电等。这种煤炭地下气化技术对于大多数煤藏都是适用的。鉴于有关采矿业的环保要求越来越严格和考虑到相关的人工成本和基建成本，这种技术无疑是很有吸引力的。煤炭气化工艺是将煤炭通过一系列的化学反应转变为合成气的过程。其中主要的反应包括：C+O2→CO2(完全氧化反应)C+1/2O2→CO(部分氧化反应)C+H20→H2+CO(水蒸气气化反应)C+2H2→CH4(氢气气化反应)C+CO2→2CO(二氧化碳气化反应)(水煤气变换反应)(甲烷化反应)地面钻井直通煤层，给氧化剂注入和产品气产出提供有效通道。一对钻井在地下连通或水平延伸构成一个实质上水平钻井通道(也可简称为煤层井道或连通通道)。该通道有助于氧化剂注入，燃空区生长和产品气输送。一个用于氧化剂注入的钻井称为“注入井”，另外一个用于生产产品气的钻井称为“产品井”。定向水平钻井和垂直钻井都可作为注入井或产品井。煤炭地下气化(ISC)可能在注入井和产品井之间还需要使用到一个或多个的垂直井(例如：功能井和辅助井)。当煤层中有注入井、产品井和水平通道将二者连接起来时，此构造被称为一个煤炭地下气化(ISC)单元或井对。ISC单元包括燃烧区，气化区和热解区。其中，燃烧区在煤层中氧化剂注入点附近；气化区以放射状形态围绕在燃烧区周围或者在燃烧区下游，煤炭在气化区被气化、部分被氧化，从而生成产品气；热解区在气化区下游，煤的热解反应一般在这里发生。高温的产品气从气化区往下游流动，并最终从产品井井口输送到地面。在煤燃烧或气化的同时，煤层中的ISC燃空区会生长变大。通过煤炭地下气化生成的产品气(粗合成气)通常含有合成气(CO,CO2,H2,CH4及其他气体的混合物)以及其他成分固体颗粒，水，煤焦油，烃类蒸汽，其他微量组分包括H2S,NH4,COS等)。其成分复杂程度取决于多个方面：煤炭地下气化所使用的氧化剂(空气或其他氧化剂，比如氧气、富氧空气或蒸汽混合物)、煤层中的内在水或周边地层渗入煤层中的水、煤质、以及煤炭地下气化工艺的操作参数，包括温度，压力等。针对某些煤炭地下气化下游应用，如合成气发电，采用空气或低浓度氧化剂气化是一个可行的低成本方案。根据已有专利文献，空气或低浓度氧化剂气化工艺仍存在一定技术挑战。例如，公开号为CN104066926A(WO2014004324A3)和CN104220693A(WO2014004323A1)的中国专利技术专利申请书公开了一种煤炭地下气化注气管的牺牲性衬里连接件和缩短注气管炉的方法。其中牺牲性连接件的材料为低熔点、易燃、易分解的材料如玻璃纤维或树脂，其熔点为350℃远低于钢的熔点。每个牺牲性连接件之间设有6-8米的周期性间隔。实际应用时采用该设备和方法存在一定问题。首先，当完井过程中铺设该注气管时，该连接件的强度无法满足长距离推送，尤其是对于埋深较深的煤层和/或水平距离较长的ISC单元。容易造成部件损坏，破坏注气管完整性，最终无法实现可控的自动牺牲回缩过程。其次，地下气化炉燃烧区和气化区的逆向辐射高温区(>350℃)范围远远大于该设计的周期性间隔，容易造成该部件的意外消耗，直接在新的位置开始新的反应。整个工艺过程、燃空区尺寸、煤炭消耗量等不可控，对煤炭资源浪费较大，降低了煤炭地下气化的经济性。再次，采用煤层水平钻孔和注入井内衬管之间的环隙注入氧化剂容易造成煤层不可控回烧，减少气化炉寿命，降低经济效益。公开号为CN104024569A(WO2013090975A1)的中国专利技术专利申请书公开了一种煤炭地下气化井衬管。该井衬管采用开孔管和完整管分段交替结构，由金属、玻璃纤维、碳纤维、塑料或可燃材料制成。在开孔管外壁包覆可燃鞘层。类似的，开孔管外部可燃鞘层易收到机械外力损坏，熔点低易造成氧化剂直接泄漏到后方煤层，最终造成整个工艺过程的不可控，对煤炭资源浪费较大，降低了煤炭地下气化的经济性。综上所述，采用空气或低浓度氧化剂气化工艺面临的主要技术问题包括：a)控制产品气组成和流量的稳定性。现有技术通常需要在注入井水平段内进行多次点火来重新定位气化区位置。每次重新定位气化区位置都涉及到井的功能性变换与相应的操作，往往需要中断正常运行过程，如降低空气注入流量以及相应的降低产品气产量和质量。b)控制注气点的准确位置，避免意外回烧造成的气化炉寿命缩短和产品气产量降低等问题。同时最大化煤炭资源消耗量，提高项目的经济效益。c)连续油管技术操作方便，但对于空气或低浓度氧化剂气化的工艺来说，整体成本较高，经济性较差。且连续油管自身材料和尺寸有限，容易对空气或低浓度氧化剂流造成不必要的限流，降低产品气产量。因此，现有技术中的煤炭地下气化过程仍需要进一步改进，尤其需要实现低成本的空气或低浓度氧化剂的连续注入，以及真正可控的回退注入点法，如本专利技术改进的离散回退注气点法(DRIP)。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种用于煤炭地下气化工艺(ISC)的接合管注入系统和操作方法。具体的说，本专利技术提供了一种在煤炭地下气化工艺(ISC)中用于定点注入空气或低浓度氧化剂的接合管注入系统，还提供了这种接合管注入系统在煤炭地下气化过程中的操作方法(离散回退注气点法，DRIP)，具体可用于煤炭地下气化过程的点火及正常操作过程。按照本专利技术，所述接合管注入系统优化组合了各部件的相应特性和功能，包括接合管和多个止回阀的组合使用，机械剪切装置，喷嘴以及相应的井口控制设备和地下仪表系统。通过接合管注入系统可将地下点火设备输送到设定位置。在设定点火位置，通过压力激活延迟点火引信并断开点火设备。当点火成功后，可通过接合管注入系统的氧化剂通道或/和辅助通道注入空气或低浓度氧化剂。通过接合管注入系统使得在煤炭地下气化过程中可以不间断地连续注入氧化剂，实现真正连续运行的煤炭地下气化过程，从而可以获得稳定质量和产量的产品气，为现有技术带来了进步。按照本专利技术，当采用离散回退注气点法(DRIP)进行煤炭地下气化时，由于利用了本专利技术的接合管注入系统，不再需要在中断氧化剂注入的情况下实施对气化区进行重新定位的繁琐操作，相对而言操作起来更为灵活方便。当实施气化区重新定位时，通过接合管注入系统的氧化剂通道注入高浓度氧化剂/纯氧，对喷嘴前方的注入井内衬管水平段实施回烧。当回烧成功后，采用空气或低浓度氧化剂替换高浓度氧化剂/纯氧并回归正常运行过程。其中，在实施回烧过程中，可通过辅助通道注入空气，保持整个气化过程的稳定产品气，真正实现煤炭地下气化过程的连续运行。因此，按照本专利技术，可以实现短周期小距离回退的离散回退注气点法煤炭地下气化过程，所述回退周期可以灵活控制，例如可以由现有技术的至少30天本文档来自技高网...
【技术保护点】
用于煤炭地下气化工艺的接合管注入系统，基于注入井，所述注入井包括注入井内衬管，其特征在于：所述接合管注入系统包括氧化剂注入系统和辅助通道，氧化剂注入系统包括如下组件：接合管，由若干管段可拆卸密封连接而成，用于输送氧化剂及移送喷嘴和点火设备到达地下煤层内的预设气化点；机械剪切装置，设于接合管尾端，用于喷嘴在地下由于故障造成机械性卡死而无法移动时剪断喷嘴；喷嘴，设于机械剪切装置后端；至少一个止回阀，设于机械剪切装置上游的接合管上，用于防止逆向气流进入接合管；点火设备，设于喷嘴前端；辅助通道由接合管与注入井内衬管之间的环隙形成，用于在回撤氧化剂注入系统过程中继续注入氧化剂；设于辅助通道内的地下仪表监测系统和设于注入井井口附近的控制系统。
【技术特征摘要】
1.用于煤炭地下气化工艺的接合管注入系统，基于注入井，所述注入井包括注入井内衬管，其特征在于：所述接合管注入系统包括氧化剂注入系统和辅助通道，氧化剂注入系统包括如下组件：接合管，由若干管段可拆卸密封连接而成，用于输送氧化剂及移送喷嘴和点火设备到达地下煤层内的预设气化点；机械剪切装置，设于接合管尾端，用于喷嘴在地下由于故障造成机械性卡死而无法移动时剪断喷嘴；喷嘴，设于机械剪切装置后端；至少一个止回阀，设于机械剪切装置上游的接合管上，用于防止逆向气流进入接合管；点火设备，设于喷嘴前端；辅助通道由接合管与注入井内衬管之间的环隙形成，用于在回撤氧化剂注入系统过程中继续注入氧化剂；设于辅助通道内的地下仪表监测系统和设于注入井井口附近的控制系统。2.根据权利要求1所述的用于煤炭地下气化工艺的接合管注入系统，其特征在于：接合管的各管段之间以及接合管与地面氧化剂注入管和机械剪切装置之间均通过螺纹密封连接，接合管的各管段均设有止回阀。3.根据权利要求1所述的用于煤炭地下气化工艺的接合管注入系统，其特征在于：所述喷嘴采用单孔或多孔设计，喷嘴的材料选自黄酮、铬镍铁合金或蒙乃尔铜-镍合金，喷嘴的外部形状变化部位均为平滑过渡，喷嘴内部具有适合高浓度氧化剂的流动通道，喷嘴的外径可调节，喷嘴的壁厚大于7.5mm。4.根据权利要求1所述的用于煤炭地下气化工艺的接合管注入系统，其特征在于：接合管的总长度能抵达煤层所在深度及设计的水平长度，外径尺寸根据预先设计的静液压流量及允许的压降进行选择。5.根据权利要求2所述的用于煤炭地下气化工艺的接合管注入系统，其特征在于：接合管各管段的连接处用符合氧气作业标准的油酯进行辅助密封，接合管作业前进行预处理以保证接合管内清洁，材质选用316L不锈钢或蒙乃尔400、镍铬合金或其它铬含量>13％的合金。6.根据权利要求1所述的用于煤炭地下气化工艺的接合管注入系统，其特征在于：所述仪表监测系统包括温度、压力和声波传感器，其中设于注入井内衬管外部的温度、压力和声波传感器，用于监测燃烧区和气化区温度和煤炭地下气化区的压力，温度、压力...
【专利技术属性】
技术研发人员：汪原理，卡斯珀·扬·亨德利克·伯格，闵振华，
申请(专利权)人：中为上海能源技术有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31
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