用于煤炭地下气化工艺的喷头设备制造技术

本实用新型专利技术提供了一种用于煤炭地下气化工艺的喷头设备，基于注入井内衬管作为移动通道，包括如下部件：（a）止回阀；（b）机械剪切装置；（c）喷嘴；（d）支撑件；（e）分布式温度、压力和声波传感器；（f）气动保护塞；止回阀中心、机械剪切装置中心和喷嘴主体中心构成喷头氧化剂通道，喷头设备与注入井内衬管之间的环隙空间以及喷嘴主体与喷嘴外壳之间的环隙空间构成喷头冷却剂通道。本实用新型专利技术进行煤炭地下气化过程时，操作起来更为灵活方便，可以大幅缩短现有技术回退法的回退周期和/或回退距离，实现煤炭地下气化工艺的连续稳定运行。利用本实用新型专利技术的喷头设备可以安全稳定地使用高浓度氧化剂，可以获得高质量且质量稳定的产品气。

Head for equipment of underground coal gasification technology

The utility model provides a nozzle device for underground coal gasification process, the injection wells liner as a mobile based channel includes the following components: (a) the check valve (b); mechanical shearing device; nozzle; (c) (d) support; (E) distributed temperature, pressure and sound the sensor (f); pneumatic protection plug; check valve center, mechanical shearing device and a nozzle body is formed in the center of the center nozzle oxidant channel, annular space between the nozzle and the injection equipment annulus space between wells and liner nozzle body and the nozzle shell of the nozzle coolant channel. The utility model of underground coal gasification process, the operation is more flexible and convenient, can greatly shorten the existing technology back back cycle and / or rollback distance, continuous and stable operation of the underground coal gasification process. By using the nozzle equipment of the utility model, the high concentration oxidant can be used safely and stably, and the product gas with high quality and stable quality can be obtained.

【技术实现步骤摘要】
用于煤炭地下气化工艺的喷头设备
本技术提供了一种用于煤炭地下气化工艺的喷头设备。特别地，本技术提供了一种在煤炭地下气化工艺中可以连续注入高浓度氧化剂的喷头设备，还提供了该喷头设备在煤炭地下气化工艺中的操作方法。
技术介绍
煤炭地下气化（ISC）是一种通过对地下煤层的可控燃烧（不完全燃烧）和气化反应，把煤直接转化为气体产品的工艺过程。产品气通常被称为合成气，可以作为燃料生产、化工生产、发电等下游工艺的原料。该工艺过程集合了建井完井、地下采煤和煤气化工艺技术，具有安全性好、投资小、效益高、污染少等优点。通过地面钻井直通煤层，给氧化剂注入和产品气输出提供了有效通道。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。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。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。在煤炭地下气化过程中，产品气质量如热值通常随着氧化剂的氧浓度升高而升高，但氧浓度太高容易导致燃烧区温度太高、回烧强度过大等危险。根据现有技术，在喷头设备上仍存在一定技术挑战，尤其是其在高浓度氧化剂应用上存在的问题。公开号为CN103541714A的中国专利技术专利说明书公开了一种喷头及煤炭地下气化方法。该喷头设备包含一种圆柱形壳体，壳体包括两个部分并通过前孔流通连通。壳体第二部分侧壁上设有侧孔。喷头内部包括滑动开启或关闭侧孔的密封组件和弹簧。该喷头不适应于高浓度氧化剂的煤炭地下气化工艺。其一，该喷头氧化剂通道内部金属结构复杂，通过滑动控制侧孔开启。较高氧浓度下，金属件之间的摩擦易产生金属颗粒，造成颗粒冲击自燃并烧毁设备；其二，通过侧孔提高喷头周围的煤炭利用率，实际操作存在较多不确定性。喷头进入煤层钻孔或套管内易发生旋转，侧孔位置无法定位。当侧孔位于煤层垂直方向，其垂直方向的热辐射容易造成设备的熔融或回烧。当侧孔位于煤层水平方向两侧的预定位置，实际运行过程中较难控制燃空区宽度，易造成地层塌陷；其三，当通过注入压力控制侧孔开关时，压力的波动易造成高温可燃的合成气逆向流入喷头并与氧化剂直接接触，在喷头内部发生燃烧或爆炸。公开号为CN104533377A的中国专利技术专利说明书公开了一种喷嘴及气化方法。该喷嘴本体为套管结构，包括中心管和外环套管，喷嘴顶帽上设有注气口，外环套管设有多个喷水孔。在此基础上，公开号为CN104564008A的中国专利技术专利说明书公开了一种煤炭地下气化装置及气化方法，即在喷嘴本体周围安装射水控制套和控制装置，并利用高压射水在气化前切割新鲜煤层，形成较多裂缝。然而该喷嘴设备的氧化剂输送通道为环隙空间，直接暴露在可能的高温环境，且同心设置的中心管由于自重与外环套管发生机械磨损易在氧化剂通道（环隙空间）产生金属颗粒，尤其是当喷嘴设备及装置在地下煤层内前进和后撤进程中，容易造成颗粒冲击自燃并损毁设备。喷嘴本体直接暴露与煤层中，当喷嘴在进入工作面的过程中，容易被煤灰，焦油，煤渣等堵塞。整个设备对于高温可燃合成气无逆流保护机制，防止可燃气体逆向进入喷嘴本体。其注水压力为燃空区压力的1-1.5倍，15-30MPa，远远超过常规煤层的静水压。这种情况下，高压水压裂在破裂煤层的同时造成煤层上覆和下伏岩层的破坏，易引发气化炉突水和泄露危险。CN205243495U公开了一种喷嘴及气化剂输送系统。其中，喷嘴包括陶瓷本体和金属保护套。该喷嘴仅依靠金属保护套实现防回烧保护，无任何主动冷却机制。同时，整个喷嘴和输送系统无逆流保护机制。因此无法安全有效地使用高浓度氧化剂如纯氧进行煤炭地下气化过程。CN204455019U公开了一种工艺烧嘴总成，包括烧嘴主体（烧嘴管、输水管、冷却管盘）、气体取样构件（中心管、冷却管盘）。同心设置的三条管线由内至外分别为输水管、吹气管（取样通道）和烧嘴管（气化剂通道），同时在三条管线内每隔30米左右设置了3个一组的钢筋支撑件。然而，气化剂通道内复杂的金属结构易发生机械磨损造成颗粒冲击自燃，并且整个烧嘴和输送系统无逆流保护机制。特别是对于专利中提及的以氧气作为气化剂，该设备无法安全地用于高浓度氧化剂如纯氧的输送。其次，烧嘴和取样构件外表面缠绕着大量的冷却管盘，导致无法满足设备多次进出井下和后撤的高强度工作要求。冷却管盘在进出井下以及后撤过程中容易被定向井弯道套管、岩石块、煤焦块等固体颗粒卡死。同时，烧嘴自身的散热要求又限制了冷却管盘的管壁厚度，在井下苛刻的工作环境中易损坏。更重要的是气体取样构件的使用，高压易燃的合成气样品通过位于氧气通道内的吹气管及位于地面的真空泵输送至地表。在燃烧区上游取样是极其危险的，取样构件太短（位于烧嘴的喷射范围内）容易收集合成气与氧气的爆炸性混合气，取样构件太长意味着设备暴露于高温燃烧区极易被烧毁。WO2014/043747A1公开了一种用于实施富氧地下煤气化过程的设备和方法，具体为氧注入设备和方法，其中使用特别设计的氧枪向地下煤层注入氧化剂，所述氧枪包括：具有内部通道的枪体，所述内部通道内插有止回阀；枪体尾端的连续油管接合器，所述接合器上有用于通热电偶的孔；连至枪体前端的至少一段间隔管；连到间隔管前端的注入喷嘴；和监测注入喷嘴温度的热电偶。尽管该专利中提到了富氧地下煤气化，但是该设备自身缺少主动冷却机制，不适用于高浓度氧化剂的煤炭地下气化。WO2014/186823A1公开了一种用于煤炭地下气化过程中向煤层供应氧化剂和水的设备和方法，其中所述设备包括氧化剂通道和套管密封，所述氧化剂通道包括至少一个井下端部开孔和至少一个井上端部开孔，井下端部开孔用于向地下煤气化区注入氧化剂，井上端部开孔用于与连续油管流体连接，所述套管密封用于密封氧化剂通道和井孔套管之间的环形通道，套管密封上具有一个或多个用于向地下煤气化区注入水的通道。然而，该套管密封导致供氧设备进出井口控制设备以及通过定向井弯道区域变得极为困难。尽管该专利中氧化剂可以为基本纯的氧，但由于其注水通道内水柱自身的压力，导致其回退实施过程复杂，实际上采用的是受控回退注入点概念，这对应的是现有技术中由若干回退阶段间隔开的煤炭地下气化过程。综上所述，现有煤炭地下气化喷头设备及其应用仍需要进一步改进，以实现氧化剂的连续注入以及高浓度氧化剂的安全使用。
技术实现思路
本技术的目的之一在于解决现有技术的不足，提供一种在煤炭地下气化工艺中可以连续注入高浓度氧化剂的喷头设备。本技术的目的之二在于提供一种可以连续注入高浓度氧化剂的喷头设备的操作方法。本技术解决其技术问题所采用的技术方案是：用于煤炭地下气化工艺的喷头设备，基于注入井内衬管作为移动通道，所述喷头设备包括如下部件：（a）止回阀，用于阻本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于煤炭地下气化工艺的喷头设备，基于注入井内衬管作为移动通道，其特征在于：所述喷头设备包括如下部件：（a）止回阀，用于阻止逆向易燃易爆气体污染、损坏上游设备；（b）机械剪切装置，设于止回阀下游，用于在必要时剪断喷嘴以撤回其它设备；（c）喷嘴，设于机械剪切装置下游，包括喷嘴主体和喷嘴外壳，二者之间设有环形间隙，喷嘴主体处于低温环境，用于向燃烧和气化区喷射高浓度氧化剂，喷嘴外壳处于高温环境，用于向燃烧和气化区喷射冷却剂，喷嘴外壳远端装有气密性密封的快速连接器，用于在点火阶段连接、输送和断开地下点火设备；（d）支撑件，包括止回阀支撑件和喷嘴外壳支撑件，分别设于止回阀外壳和喷嘴外壳的外部，用于喷头设备的扶正定位和环隙密封；止回阀支撑件由3‑4个支撑部件组成，支撑部件之间的夹角为90‑120°，距离止回阀近端0‑30mm，支撑部件包括U型支撑脚、弹簧和滚轮；喷嘴外壳支撑件为环状支撑圈，距离喷嘴外壳远端0‑30mm，支撑件包括U型支撑圈、弹簧和密封圈；（e）分布式温度、压力和声波传感器，分别设于注入井内衬管外部，喷头设备外部和喷嘴主体内部，用于喷头设备工艺参数的监测和控制；（f）气动保护塞，设于喷嘴的顶端，用于喷头设备进入井下时保护喷嘴设备；喷头设备的各部件通过外部抓钩连接器或快速连接器或带有卡口/定位螺栓的螺纹或法兰螺栓实现非焊接连接并提供有效地气密性密封，止回阀中心、机械剪切装置中心和喷嘴主体中心构成喷头氧化剂通道，喷头设备与注入井内衬管之间的环隙空间以及喷嘴主体与喷嘴外壳之间的环隙空间构成喷头冷却剂通道。...

【技术特征摘要】
1.用于煤炭地下气化工艺的喷头设备，基于注入井内衬管作为移动通道，其特征在于：所述喷头设备包括如下部件：（a）止回阀，用于阻止逆向易燃易爆气体污染、损坏上游设备；（b）机械剪切装置，设于止回阀下游，用于在必要时剪断喷嘴以撤回其它设备；（c）喷嘴，设于机械剪切装置下游，包括喷嘴主体和喷嘴外壳，二者之间设有环形间隙，喷嘴主体处于低温环境，用于向燃烧和气化区喷射高浓度氧化剂，喷嘴外壳处于高温环境，用于向燃烧和气化区喷射冷却剂，喷嘴外壳远端装有气密性密封的快速连接器，用于在点火阶段连接、输送和断开地下点火设备；（d）支撑件，包括止回阀支撑件和喷嘴外壳支撑件，分别设于止回阀外壳和喷嘴外壳的外部，用于喷头设备的扶正定位和环隙密封；止回阀支撑件由3-4个支撑部件组成，支撑部件之间的夹角为90-120°，距离止回阀近端0-30mm，支撑部件包括U型支撑脚、弹簧和滚轮；喷嘴外壳支撑件为环状支撑圈，距离喷嘴外壳远端0-30mm，支撑件包括U型支撑圈、弹簧和密封圈；（e）分布式温度、压力和声波传感器，分别设于注入井内衬管外部，喷头设备外部和喷嘴主体内部，用于喷头设备工艺参数的监测和控制；（f）气动保护塞，设于喷嘴的顶端，用于喷头设备进入井下时保护喷嘴设备；喷头设备的各部件通过外部抓钩连接器或快速连接器或带有卡口/定位螺栓的螺纹或法兰螺栓实现非焊接连接并提供有效地气密性密封，止回阀中心、机械剪切装置中心和喷嘴主体中心构成喷头氧化剂通道，喷头设备与注入井内衬管之间的环隙空间以及喷嘴主体与喷嘴外壳之间的环隙空间构成喷头冷却剂通道。2.根据权利要求1所述的用于煤炭地下气化工艺的喷头设备，其特征在于：所述喷嘴外壳与喷嘴主体通过非闭合螺纹连接，以在喷嘴内部为冷却剂提供螺旋式液压流动通道，喷嘴外壳近端设有若干个冷却剂入口，喷嘴外壳远端外圈设有若干个冷却剂出口，每个进出口都与螺旋式液压流动通道连通。3.根据权利要求2所述的用于煤炭地下气化工艺的喷头设备，其特征在于：所述喷...

【专利技术属性】
技术研发人员：闵振华，卡斯珀·扬·亨德利克·伯格，汪原理，
申请(专利权)人：中为上海能源技术有限公司，
类型：新型
国别省市：上海,31