[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

说明书

本发明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。本发明的喷头设备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。利用本发明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。

技术领域

本发明提供了一种用于煤炭地下气化工艺的喷头设备。特别地，本发明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。

背景技术

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的中国发明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。