0 引言

煤炭地下气化(UCG)就是将处于地下的煤炭进行有控制地燃烧，通过对煤的热作用及化学作用产生可燃气体的过程。它集建井、采煤及气化3大工艺为一体，变传统物理采煤为化学采煤，具有如下技术优势：①高效，可回收老矿井遗弃煤炭资源，开采低品位、难采和深部煤炭资源，资源利用率由井工方法的15%~50%提高到70%~90%；②安全，该技术实现了地下无人生产，避免了人身伤害和各种矿井事故的发生；③环保，矸石和灰渣留在地下，减少了地表塌陷。煤炭地下气化针对中国“富煤少油气”资源赋存特点，利用地下煤炭资源生产甲烷和氢气，对中国天然气工业发展极具战略性意义。通过“煤炭地下气化-石化炼厂用氢-CO₂提高原油采收率及埋存”产业链，可将煤炭资源清洁化利用，缓解天然气供应紧张局面，还能解决煤炭燃烧排放CO₂带来的环境问题^[1]。

我国自1958年开始进行自然条件下煤炭地下气化试验。20世纪80年代后，中国矿业大学(北京)利用矿井中现成的井筒、巷道、通风和运输设施与系统，有井式与无井式气化工艺相结合，并借鉴地面煤气发生炉鼓水蒸气生产水煤气的工艺原理，提出了“长通道、大断面、两阶段”煤炭地下气化新工艺。到了20世纪90年代中后期，提出了“气化矿井”的建议，在黑龙江、河南矿区进行的试验也获得了成功^[2]。该技术是在现有或新矿井中，采用巷道掘进方式构筑若干个气化炉(气化工作面)，气化剂就近通过管道注入气化炉。与传统的煤层地下气化工艺相比，它避免了从地面钻进构筑气化炉施工困难、钻进精度控制难、单炉气化能力弱、不适合规模化生产、气化炉运行难以监控、气化通道小、故障处理难、煤气产量小以及投资大等不足^[3]。

进入21世纪，世界范围内的煤炭地下气化在技术上基本采用石油与天然气技术、合成气净化技术，在改善环境方面取得了很好的效果。近些年，全球正在开展的UCG试验项目已有50多个。乌兹别克斯坦安格连(Angren)UCG厂生产合成气，从1962年运行至今。澳大利亚已有12个以上UCG商业项目。英国在煤炭地下气化、碳俘获和储存、碱性燃料电池的结合方面，在全球起到了引领作用，从2009年至今批准了18个UCG项目。欧盟组织的UCG制氢项目和带有CO₂俘获、储存的UCG项目都在计划中进行^[4]。国内有多家企业、高校和科研院所参与了UCG项目，开展了煤碳地下气化选址研究、炉型及工艺研究、煤碳地下气化模型试验和数值模拟试验研究^[5-12]。2006年新奥能源集团开始与中国矿业大学(北京)合作，共同开展煤炭原位气化技术的研究与应用，并在内蒙古乌兰察布市选址进行“无井式煤炭地下气化技术”试验研究。中石油江汉机械研究所有限公司于2015年参与了该项目连续管气化采煤作业装备的研制与试验，获得了2种气化剂注入工具的发明专利^[13-14]。目前煤炭地下气化技术已基本成熟，但工艺工具本身的影响导致其产业化进展缓慢^[1]。为此，本文介绍了2种注入工具的情况，目的是为相关研究提供参考，以促进国内UCG技术的产业化发展。

1 技术分析 1.1 连续管气化采煤工艺

连续管气化采煤作业装备主要包括连续管作业橇、多井作业远程监控中心、井口举升装置及气化剂注入工具等4个部分^[6-8]，采用受控注入点后退(CRIP)气化工艺，把定向钻井和反向燃烧结合在一起。先从地面向煤层钻垂直注入井和生产井，再从注入井沿煤层底板钻水平井与生产井底部相交，形成气化通道。图 1为UCG的建炉示意图。

气化开始时，监控中心控制连续管作业撬，用连续管将注入工具(喷嘴)沿着注入井和水平井下放到靠近生产井的第一个注入点处，用点火器在第一个注入点点燃煤体，地面设备通过连续管，对燃烧的煤体注入空气或氧/蒸汽，煤炭发生热解、还原和氧化等气化反应，产生的煤气从生产井引出。注入空气和蒸汽产生低热值(3.9~6.3 MJ/m³)煤气；注入氧和蒸汽可得中热值(8.2~11.0 MJ/m³)煤气。点燃的煤体一直燃烧到煤层顶板，一段煤体烧完后，连续管拖动注入工具(喷嘴)后退到下一个注入点，煤层的燃烧面会朝着注入点后退的方向推进，形成新的燃烧带，如图 2所示。

1.2 工具结构

气化剂注入工具分为水夹套式和中心水管式，结构分别如图 3和图 4所示。热电偶安装在工具前端，通过信号线将煤层的温度传输到地面的多井作业远程监控中心，信号线安装在连续管与注水管之间的环空内。

1.3 工作原理

水夹套式气化剂注入工具工作时，氧气通过连续管与注水管之间的环空被输送到外筒空腔中，经过分流体进入直管的内腔，在氧气压力的作用下，单向阀板正向打开，混合气体进入喷管内腔，最后经过喷管喷出。水通过注水管，经过分流体进入外筒与直管之间的环腔，最后经过喷管前端的孔眼喷射出去。喷出的水射流与氧气流在注入工具的前端进行混合，与被点燃的煤层发生热解、还原和氧化等气化反应，产生煤气。当气化剂注入停止时，单向阀板反向截止，会阻隔煤层中的高温气体倒流进入工具内烧毁工具，即防回火。注入工具内安装的热电偶用来监测注入点附近的温度，地面的多井作业远程监控中心通过信号线适时接收温度信号，利用温度来判断煤层燃烧带的状况与位置，通过连续管控制注入工具后退，调整注入点位置。

中心管式气化剂注入工具工作时，氧气通过连续管与注水管之间的环空被输送到外筒空腔中，经过旋流体的造旋作用形成旋转的氧气流；水通过注水管被输送到雾化喷嘴前端进行雾化。雾化的水和旋转的氧气流在外筒右端的空腔中进行混合，在氧气压力的作用下单向阀板正向打开，混合气体进入下筒，最后经过喷头喷出，与被点燃的煤层发生热解、还原和氧化等气化反应，产生煤气。该型工具也设计有单向阀板和热电偶，功能及安装方式与水夹套式工具相同。

1.4 技术特点

两种气化剂注入工具通过热电偶、信号线和监控中心，适时监控煤层燃烧带工况，并控制注入点与燃烧带之间保持适当距离，保证工具在正常工作的同时避免被烧毁。针对易发的回火烧毁情况，设计有防回火装置。通过优化结构与材料优选，工具还具有低压降和耐高温等特点。此外，水夹套式注入工具在工作时，由于外筒和内筒之间的夹层会有注入的水流通过，对工具外筒具有较好的降温作用，能保护工具不易被地下高温烧毁。中心水管式注入工具配备有雾化喷嘴和旋流体，雾化喷嘴让注入的水形成水雾，旋转体使输入的氧气变成旋转气流，与水雾充分混合，有利于气化反应完成，水雾也有利于工具降温使其不被烧毁。

2 关键技术

UCG气化剂注入工具技术参数：输氧气量Q=2 000 m³/h，气体压降最大值Δp_max=0.5 MPa，井深300 m，井底压力1.5 MPa。由于输气量较大，需要对工具的气体压降进行校核。

2.1 水夹套式工具气体压降Δp_sq校核

水夹套式工具气体压降由喷管和直管两段流道的压降之和组成。首先校核喷管段气体压降，文献[15]中变截面管流量压差计算公式为：

(1)

理想气体的定压比热容为：

(2)

克拉伯龙方程为：

(3)

根据式(3)可得进口氧气密度为：

(4)

将式(4)代入式(1)中并将两端平方可得：

(5)

式中：为氧气质量流量，kg/s，在25 ℃，标准大气压下，氧气密度ρ=1.292 kg/m³， kg/s；R为氧气气体常数，J/(kg·K)，取值为259.7 J/(kg·K)；T为井底温度，K，取值为307 K；κ为绝热指数，取值为1.4；A为喷管段流道截面积，mm²，取值530.929 mm²；p₀为喷管段进口氧气压力，MPa；p为喷管段出口氧气压力，即井底压力，MPa，取值为1.5 MPa。

将各参数代入式(5)，利用Maple 10进行计算，则可以得出进口氧气压力的数值解，处理后取p₀=1.54 87 MPa。

校核直管段气体压降，由参考文献[15]可知，直管进口处马赫数为：

(6)

本方案中，气体流速较低，与周围介质处于热平衡状态，可视为等温流动，等温管流压差计算公式为^[15]：

(7)

将式(6)代入式(7)中，两端进行简化和积分，可得：

(8)

式中：A₁为直管段截面积，mm²，此处直管段直径D=31 mm，；D₁为4倍的流道水力半径，mm，取31 mm；p₁为直管段进口氧气压力，MPa；x₀为喷管段进口处(直管段出口处)沿流动方向位置坐标，x₁为直管段进口处沿流动方向位置坐标，x₀与x₁之差为直管段长度，取1 500 mm；f为流体摩擦因数，取值为0.02。

将各参数代入式(8)，利用Maple 10进行计算，可得出直管段进口氧气压力的数值解，此方程有2个数值解，即0.576 9×10^-7与1.571 8 MPa，根据实际情况，直管段进口压力应大于直管段出口压力p₀=1.548 7 MPa，所以取p₁=1.571 8 MPa。则工具总气压降Δp_sq=p₁-p=0.071 8 MPa＜Δp_max=0.5 MPa，满足使用要求。

2.2 中心管式工具气压降Δp_zq校核

中心管式工具气压降由喷管和旋流体两段流道的压降组成，旋流体段简化为圆环形流道。参考前述水夹套式工具喷管段和直管段计算方法，将各设计参数分别代入式(5)和式(8)，利用Maple 10进行计算，可得出喷管段进口氧气压力的数值解p₀=1.527 5 MPa，旋流体段进口氧气压力的数值解p₁=1.531 5 MPa。工具总气压降Δp_zq=p₁-p=0.031 5 MPa＜Δp_max=0.5 MPa，满足使用要求。

3 工具的试制及试验

本工具在起下管柱及工作时，需要承受一定的载荷在纯氧环境下长时间工作。设计试制时，主要零部件材料选309S，该材料抗氧化性和抗腐蚀性较好，其余零件材料选304或316L。由于气化剂注入过程中带有压力，各零部件之间连接处需要密封处理，径向密封选用能耐600 ℃的柔性石墨编织填料(RBTN2-600)，轴向密封选用304不锈钢金属密封垫，具有良好的耐腐蚀和抗氧化能力，使用温度-196~800 ℃。金属密封垫安装时，在密封垫两侧面均匀涂抹耐高温密封胶(使用温度-80~1 280 ℃)，保证密封可靠^[16-17]。

工具试制及基本性能测试完成后，2015年12月1—7日，在内蒙古乌兰察布市新奥能源集团试验基地进行了气体压降测试。为节约成本，本次试验介质采用空气代替氧气，因为两者之间的物理性质包括气体常数R、绝热指数κ、定压比热容C_p及动力黏度η接近。空压机共计7组，最大总输出流量2 100 m³/h。试验现场照片如图 5和图 6所示。

试验分两个阶段，首先是地面单元压降测试，空压机总输出流量为1 833~1 866 m³/h时，水夹套式工具气体压降为0.070 0 MPa，与设计校核值0.071 8 MPa基本一致；中心管式工具气体压降为0.040 0 MPa，比设计校核值0.031 5 MPa略大。两种工具均满足气体压降不大于0.5 MPa的使用要求。用连续管携带水夹套式工具下入井下50 m，共测试5组数据，试验结果如表 1所示。

系统压降为0.85~1.08 MPa，均小于3 MPa，满足使用要求。

4 结论

(1) 两种UCG气化剂注入工具通过井下测温和地面监控联合工作，解决了注入点不受控制的问题。

(2) 通过设计防回火装置，解决了工具被回火烧毁问题。针对低压降要求，对工具内气化剂流道结构进行了设计优化，使工具压降不大于0.5 MPa，系统压降不大于3 MPa。

(3) 工具整体具有低压降、耐高温、防回火及防烧毁等功能特性，满足现场需求。