[发明专利]用于煤炭地下气化工艺的喷头设备及其操作方法

权利要求书

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，用于选择性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：所述喷嘴外壳远端内圈设有一个或多个氧化剂喷射孔，单喷射孔的尺寸基于出口最大喷射速度确定，以优化氧化剂在燃烧和气化区内的喷射输送距离；多个喷射孔的多个孔按中心和外周分布且外周各孔与中心孔平行或按照与中心孔成5-35°角向外发散，以优化氧化剂在燃烧和气化区内的喷射分散范围。

4.根据权利要求3所述的用于煤炭地下气化工艺的喷头设备，其特征在于：在氧化剂通道上位于机械剪切装置上游和氧化剂喷射孔内均安装有止回阀，在冷却剂通道上，位于喷嘴外壳的冷却剂入口和出口均安装有止回阀。

5.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：位于止回阀外壳的支撑件的支撑部件，通过焊接或固定螺栓或一体成型方式安装在止回阀外壳；U型支撑脚和注入井内衬管内圈留有5-10mm的缝隙，滚轮和注入井内衬管内圈直接接触。

6.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：位于喷嘴外壳的支撑件，通过焊接或固定螺栓或一体成型方式安装在喷嘴外壳，U型支撑圈和注入井内衬管内圈留有5-10mm的缝隙，密封圈厚度大于缝隙，密封圈的内部空间与所述喷嘴的环隙空间连通，密封圈的伸缩由冷却剂的注入压力和/或流量控制。

7.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：所述机械剪切装置由剪切装置主体、剪切装置外壳和剪切鞘组成，采用自断机构，通过剪切鞘剪断剪切装置主体和剪切装置外壳。

8.根据权利要求3所述的用于煤炭地下气化工艺的喷头设备，其特征在于：所述喷嘴外壳上从支撑件开始，经过冷却剂出口至氧化剂喷射孔设有多条2-3mm深的微型文丘里/引流纹路，用于引导冷却剂到达所述喷嘴外壳远端及氧化剂喷射孔以实施冷却保护。