CN113863910A - 一种煤炭地下原位气化与热能共采一体化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤炭地下原位气化与热能共采一体化方法，该方法包括：一、向煤层中开挖进气通道、出气通道和水平气体通道；二、向热能开采地层中开挖注入管道、流出管道和热能开采管道；三、向煤层中通入气化剂后点燃原位气化，气化产物气体经出气通道排出，产生的热量传导进入热能开采地层中；四、导热物流入热能开采管道中后吸收热能开采地层中的热量经流出管道流出。本发明通过在煤层以及与煤层间隔的热能开采地层中分别开挖进出及连通通道，向煤层中通入气化剂进行原位气化，且原位气化产生热量传导进入热能开采地层聚集并经导热物吸收开采利用，实现了煤炭地下原位气化与热能共采一体化和低碳清洁利用，提高了煤炭资源的利用率。
Description
技术领域
本发明属于煤炭开采技术领域，具体涉及一种煤炭地下原位气化与热能共采一体化方法。
背景技术
长期以来，我国能源资源“缺油、少气、相对富煤”的禀赋特征对经济发展与工业建设造成了一定的限制，如何充分利用能源资源缓解能源安全隐藏的问题，已经成为了能源领域的重点。煤炭作基础能源，是能源安全的战略保障，也是今后很长一段时间内我国的主要能源。因此，推进煤炭绿色开采和高效利用成为保障国家能源安全的重要举措。提高煤炭资源利用率可以加快能源结构优化与高效开发利用。加快煤炭开发利用技术的研究可以优化能源结构，增加油气供给渠道和供给量，有效减小油气资源方面的需求缺口。
地下原位气化是煤炭绿色低碳化开采和高效利用的重要方向，在高温环境中向煤层中输送氧气，使煤与氧气发生化学反应，将煤炭转化为各类气态物质，减小了传统煤炭开采过程中的资源浪费，从而提高煤炭利用率。目前，我国煤炭原位地下气化技术经过长期的论证与试验，已成功应用在新疆等地的煤矿之中，真正做到“煤不出地面，井下无人，井下选矿”。相比于地面气化技术，具有回采率高、经济成本低、环境影响小、安全性高等优势，极大地避免了煤炭资源的浪费。
煤炭地下原位气化过程中，煤炭燃烧所产生的大量热能一部分随产生的气体排出井外，剩余的大部分热量聚集在地层中，并不断向上传递。对煤炭气化的剩余热能进行开发利用，能够最大限度地利用资源，可用于生产生活供热、发电、育种养殖等多种用途。
因此，针对目前煤炭清洁高效开发和绿色低碳化综合利用领域的问题与挑战，亟需一种煤炭地下原位气化与热能共采一体化的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种煤炭地下原位气化与热能共采一体化方法。该方法通过在煤层以及与煤层间隔的热能开采地层中分别开挖进出及连通通道，向煤层中通入气化剂进行原位气化，且原位气化产生热量传导进入热能开采地层聚集并经导热物吸收开采利用，实现了煤炭地下原位气化与热能共采一体化，提高了煤炭资源的利用率，进而实现了低碳清洁利用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种煤炭地下原位气化与热能共采一体化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、沿着纵向方向从地面向煤层中开挖进气通道和出气通道，然后在煤层中开挖连通进气通道与出气通道的水平气体通道；所述煤层介于煤层上覆地层和煤层下伏地层之间；
步骤二、沿着纵向方向从地面向热能开采地层中开挖注入管道和流出管道，然后在热能开采地层中开挖连通注入管道与流出管道的热能开采管道；所述热能开采地层位于煤层上覆地层的上方；
步骤三、通过进气通道向煤层中通入气化剂，然后点燃进气通道末端附近的煤炭，使得煤炭在气化剂作用下发生原位气化，原位气化产生的气化产物气体依次沿着水平气体通道、出气通道排出，原位气化产生的热量依次通过煤层、煤层上覆地层传导进入热能开采地层中；
步骤四、向注入管道中通入导热物，导热物流入热能开采管道中后吸收热能开采地层中的热量，然后经流出管道流出。
本发明通过在煤层中开挖设置进气通道、水平气体通道和出气通道，向煤层中通入气化剂，使得煤炭在气化剂作用下发生原位气化，且原位气化产生的气化产物经水平气体通道从出气管道中流出，经收集后进行利用；同时，通过在与煤层间隔煤层上覆地层的热能开采地层中开挖设置注入管道、热能开采管道和流出管道，使得原位气化产生热量经传导作用依次经煤层、煤层上覆地层传导进入热能开采地层中，使得热能开采地层内的热量聚集、温度升高，向注入管道中通入的导热物流入热能开采管道中后充分吸收热能开采地层中的热量，随着导热物在热能开采管道中的流动，其吸收蕴藏的热能不断增大，当导热物从流出管道中流出时，其携带的热能从煤层中不断开采出来，经收集后用于后续利用，如地暖供热等，从而实现了煤炭地下原位气化与热能共采一体化，减少了煤残留，降低了煤炭资源的浪费，提高了煤炭资源的利用率，进而实现了低碳清洁利用。
通常，本发明的煤层上方设置有煤层上覆地层，且将热能开采地层设置在煤层上覆地层的上方，一方面使得煤层与热能开采地层之间具有一定的间隔地层，以保证煤层中煤炭地下原位气化与热能开采地层中热能开采相对独立进行，提高气化与开采的稳定性，另一方面，通过控制煤层与热能开采地层之间的传导路径，以及导热物的注入和流出路径，减少热能开采中的热能损失，进一步提高热能开采利用率。
上述的一种煤炭地下原位气化与热能共采一体化方法，其特征在于，步骤一中同一所述水平气体通道上设置有二个以上的进气通道或/和出气通道。本发明通过在同一水平气体通道上设置二个以上的进气通道或/和出气通道，同时向煤层中通入气化剂对煤炭进行多点原位气化，有效提高了煤层中煤炭的气化效率，并有利于气化产物的快速流出收集。
上述的一种煤炭地下原位气化与热能共采一体化方法，其特征在于，步骤一中同一所述进气通道上对应设置有两个以上的出气通道，且该进气通道与两个以上的出气通道之间均分别设置有水平气体通道。本发明通过该设置增加了原位气化产生的气化产物的流出通道，提高了气化产物的流出收集效率，进而增加气化效率，促进了原位气化反应的持续稳定进行。
上述的一种煤炭地下原位气化与热能共采一体化方法，其特征在于，步骤二中所述热能开采管道为蛇形管道。本发明的热能开采管道优选为蛇形管道，蛇形管道的表面积大、长度长，导热物流入热能开采管道中与热能开采地层的接触面积与接触时间均得到延长，从而充分吸收热能开采地层中的热量，提高了热能开采利用率，实现了对原位气化产生的热能的高效利用。
上述的一种煤炭地下原位气化与热能共采一体化方法，其特征在于，步骤二所述热能开采地层中设置有二个以上的注入管道、流出管道和热能开采管道。通过在热能开采地层中设置二个以上的注入管道、流出管道和热能开采管道，提高与原位气化产生热能的接触面积，进而提供热能利用效率，同时优选确保上述管道布设在水平气体通道的正上方，以进一步减少热能在传导过程中的损失率。
上述的一种煤炭地下原位气化与热能共采一体化方法，其特征在于，步骤二中所述热能开采地层与煤层上覆地层之间设置有热能开采下垫地层。本发明通过在热能开采地层与煤层上覆地层之间设置热能开采下垫地层，进一步提高了对热能的利用效率，保证了煤炭地下原位气化与热能开采的稳定性，同时通过设置热能开采下垫地层，以增强承载热能开采管道的地层强度，提高对热能开采管道的承载能力，避免湿陷性土层等不利因素导致热能开采设备的沉降风险。
上述的一种煤炭地下原位气化与热能共采一体化方法，其特征在于，步骤三中所述气化剂为氧气。采用氧气作为气化剂，有效促进了气化反应的程度，充分将煤炭中的有机质转化为煤气，残留杂质少，并充分释放大量热量，进一步提高了煤矿地下原位气化与热能开采的效率。
上述的一种煤炭地下原位气化与热能共采一体化方法，其特征在于，步骤四中所述导热物为水。本发明采用比热容较大且容易获得、用途广泛的水作为导热物，有效提高了导热物对热能的吸收、携带能力，从而提高了对煤炭低下原位气化产生的热能的利用率，且水的安全性高，对煤炭危害小，提高了一体化方法的安全性。通常，水吸收热能后从流出管道中流出，可直接用于供给地暖。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过在煤层以及与煤层间隔的热能开采地层中分别开挖进出及连通通道，向煤层中通入气化剂进行原位气化，且原位气化产生热量传导进入热能开采地层聚集并经导热物吸收开采利用，实现了煤炭低下原位气化与热能共采一体化，减少了煤残留，降低了煤炭资源的浪费，提高了煤炭资源的利用率，进而实现了低碳清洁利用。
2、本发明采用比热容较大且容易获得、用途广泛的水作为导热物，有效提高了导热物对热能的吸收、携带能力，从而提高了对煤炭低下原位气化产生的热能的利用率，以及一体化方法的安全性。
3、本发明通过原位地下气化实现了煤炭资源的高效清洁开采利用，极大地增加燃气能源供给量，同时实现了对煤炭地下原位气化过程中产生的热能的高效综合利用
4、本发明将煤炭地下原位气化技术和地热能开发利用技术有机结合起来，丰富了能源综合开发利用模式，优化了能源开发利用结构，为煤炭资源的低碳开采和清洁高效利用提供了新思路。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明煤炭地下原位气化与热能共采一体化方法的示意图。
图2为本发明热能开采管道的结构布置示意图。
附图标记说明:
1—进气通道； 2—注入管道； 3—热能开采管道；
4—流出管道； 5—出气通道； 6—热能开采地层；
7—热能开采下垫地层； 8—煤层上覆地层； 9—煤层；
10—水平气体通道； 11—煤层下伏地层。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本实施例包括以下步骤：
步骤一、沿着纵向方向从地面向煤层9中开挖进气通道1和出气通道5，然后在煤层9中开挖连通进气通道1与出气通道5的水平气体通道10；所述煤层9介于煤层上覆地层8和煤层下伏地层11之间；
步骤二、沿着纵向方向从地面向热能开采地层6中开挖注入管道2和流出管道4，然后在热能开采地层6中开挖连通注入管道2与流出管道4的热能开采管道3；所述热能开采地层6位于煤层上覆地层8的上方；
步骤三、通过进气通道1向煤层9中通入气化剂氧气，然后点燃进气通道1末端附近的煤炭，使得煤炭在气化剂作用下发生原位气化，原位气化产生的气化产物气体依次沿着水平气体通道10、出气通道5排出，气化产生的热量依次通过煤层9、煤层上覆地层8传导进入热能开采地层6中；
步骤四、向注入管道2中通入导热物水，导热物水流入热能开采管道3中后吸收热能开采地层6中的热量，然后经流出管道4流出。
进一步地，本实施例中同一所述水平气体通道10上设置有二个以上的进气通道1或/和出气通道5。
进一步地，本实施例中同一所述进气通道1上对应设置有两个以上的出气通道5，且该进气通道1与两个以上的出气通道5之间均分别设置有水平气体通道10。
如图2所示，进一步地，本实施例中所述热能开采管道3为蛇形管道。
进一步地，本实施例中所述热能开采地层中设置有二个以上的注入管道2、流出管道4和热能开采管道3。
进一步地，本实施例中所述热能开采地层6与煤层上覆地层8之间设置有热能开采下垫地层7。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (8)
1.一种煤炭地下原位气化与热能共采一体化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、沿着纵向方向从地面向煤层(9)中开挖进气通道(1)和出气通道(5)，然后在煤层(9)中开挖连通进气通道(1)与出气通道(5)的水平气体通道(10)；所述煤层(9)介于煤层上覆地层(8)和煤层下伏地层(11)之间；
步骤二、沿着纵向方向从地面向热能开采地层(6)中开挖注入管道(2)和流出管道(4)，然后在热能开采地层(6)中开挖连通注入管道(2)与流出管道(4)的热能开采管道(3)；所述热能开采地层(6)位于煤层上覆地层(8)的上方；
步骤三、通过进气通道(1)向煤层(9)中通入气化剂，然后点燃进气通道(1)末端附近的煤炭，使得煤炭在气化剂作用下发生原位气化，原位气化产生的气化产物气体依次沿着水平气体通道(10)、出气通道(5)排出，原位气化产生的热量依次通过煤层(9)、煤层上覆地层(8)传导进入热能开采地层(6)中；
步骤四、向注入管道(2)中通入导热物，导热物流入热能开采管道(3)中后吸收热能开采地层(6)中的热量，然后经流出管道(4)流出。
2.根据权利要求1所述的一种煤炭地下原位气化与热能共采一体化方法，其特征在于，步骤一中同一所述水平气体通道(10)上设置有二个以上的进气通道(1)或/和出气通道(5)。
3.根据权利要求1所述的一种煤炭地下原位气化与热能共采一体化方法，其特征在于，步骤一中同一所述进气通道(1)上对应设置有两个以上的出气通道(5)，且该进气通道(1)与两个以上的出气通道(5)之间均分别设置有水平气体通道(10)。
4.根据权利要求1所述的一种煤炭地下原位气化与热能共采一体化方法，其特征在于，步骤二中所述热能开采管道(3)为蛇形管道。
5.根据权利要求1所述的一种煤炭地下原位气化与热能共采一体化方法，其特征在于，步骤二所述热能开采地层中设置有二个以上的注入管道(2)、流出管道(4)和热能开采管道(3)。
6.根据权利要求1所述的一种煤炭地下原位气化与热能共采一体化方法，其特征在于，步骤二中所述热能开采地层(6)与煤层上覆地层(8)之间设置有热能开采下垫地层(7)。
7.根据权利要求1所述的一种煤炭地下原位气化与热能共采一体化方法，其特征在于，步骤三中所述气化剂为氧气。
8.根据权利要求1所述的一种煤炭地下原位气化与热能共采一体化方法，其特征在于，步骤四中所述导热物为水。
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