[D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2013.01.004 第35卷第1期 北京科技大学学报 Vol.35 No.1 2013年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan.2013 深部煤层地下气化化学点火方法研究及数值模拟 梁新星)网，孙春宝)，梁杰2)，沈芳2) 1)北京科技大学土木与环境工程学院.北京1000832)中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京1003 ☒通信作者，E-mail:liangxinxing507@163.com 摘要通过对适合地下气化点火煤层的条件和煤质进行分析，设计了深部煤层地下气化化学点火装置以及化学点火模 型试验台.当点火剂中硅烷与氧气的体积比为1：3.33、点火剂压力保持在0.3MPa时，点火区温度上升速率600℃【， 最高温度达到8O0℃，完全能够将模拟深部煤层点燃.利用数值模拟软件FEMLAB对点火过程中煤层温度场做了计算 机数值模拟.当煤层点火区温度设定为1366℃时，温度场的扩展速率为28.75℃n~1,与采用模型试验得到的温度变 化趋势基本一致. 关键词煤炭地下气化：深部煤层：化学点火；计算机模拟 分类号TD843:TQ546.1 Research and numerical simulation of the chemical ignition of underground coal gasification in a deep coal seam LIANG Xin-ring 1),SUN Chun-bao 1),LIANG Jie 2).SHEN Fang 2) 1)School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083.China 2)School of Chemical&Environmental Engineering.China University of Mining Technology.Beijing 100083.China Corresponding author,E-mail:liangxinxing507163.com ABSTRACT The equipment and model test rig were designed for the chemical ignition of nderground coal gasifi- cation(UCG)in a deep coal seam after analyzing the coal seam condition and coal quality which were suitable for UCG ignition.When the volume ratio of silane to oxygen in the igniting composition keeps 1:3.33 and the pressure of the igniting composition maintains 0.3 MPa,the temperature rise rate in the ignition zone reaches 600C.h.the maximum temperature rises to 800 C,which can achieve UGC ignition in a deep coal seam.The temperature ficld of the coal scam was simulated on computer by the numerical simulation software FEMLAB.When the temperature in the ignition zone of the coal seam sets to 1366 C,the growth rate of the temperature field is 28.75 C.min.which is consistent with the temperature change trend in model experiment. KEY WORDS underground coal gasification (UCG):deep coal seams:chemical ignition:computer simmlation 煤炭资源随着煤层埋藏深度的增加，开采条件 传统的物理采煤为化学采煤，省去了庞大的煤炭开 就愈趋恶劣，主要因素有冲击地压变大，煤层瓦斯 采、运输、洗选、气化等工艺的设备，因而具有安 量逐渐增多，工作面煤尘发生量显著增加，岩层温 全性好、投资少、效益高、污染少等优点，深受世 度升高，以及地下水影响等，所以深部煤层资源的 界各国的重视，被誉为第二代采煤方法四 利用一直是一个亟待解决的难点， 无井式煤炭地下气化方法是按一定距离向煤 煤炭地下气化就是将处于地下的煤炭直接进 层垂直钻孔，形成气流通道，再使用贯通方法将各 行有控制地燃烧，通过对煤的热作用及化学作用产 孔间煤层贯通形成气化通道，然后通过一个钻孔把 生可燃气体的过程.该过程集建井、采煤和地面气煤层点燃，注入空气或者氧气·水蒸气混合气体，使 化三大工艺为一体，将煤的开采和转化相结合，变 煤层发生热解、氧化和还原等气化反应.煤炭地下 收稿日期：2011-12-10 基金项目：国家高技术研究发展计划“煤炭地下气化产业化关键技术“项目(2011AA050106)
第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 深部煤层地下气化化学 火方法研究及数值模拟 口尸勺一…户曰、 ,`﹄ 夕确︸ 梁新 星 网, 孙春 宝`, 梁 杰 , 沈 北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 中国矿业大学 北京 化学与环境工程学院 北京 困 通信作者, 匕 摘 要 通 过对 适合地下气 化点 火煤 层 的条件和煤 质进 行分析 , 设计 了深部煤 层地下 气化化学 点 火装 置以及化 学点火模 型试 验 台 当点 火剂中硅烷 与氧气 的体积 比为 、点火 剂压 力保持在 时 , 点火 区温度 几升速率 ℃ 一` 最高温度达到 ℃, 完全能够将模拟深部煤层点燃 利用数值模拟软件 对点火过程中煤层温度场做了计算 机数值 模拟 当煤层 点火区温 度设 定为 ℃时, 温 度场 的扩 展速率 为 ℃·, 一`, 与采 用模 型试验 得到 的温度 变 化趋 势基本 一致 关键词 煤炭地下气化 深部煤层 化学点火 计算机模拟 分类 号 石 万 ` ,卜二 夕 困 , 卿 贷 。 一乙 , 五从 万 ` 五 , 刀百万 夕 , , 。 ,, , 。,, 助 , ,, `〔〔 , , , , , 、 卜工 肠 , , 〔 匕 , 一 全全 ￡ 一 、 一 、一 、 、 韶 , 。 , 、 , 〔玉, 、 〔· 、、, 一 , 。、 、一 · · 入 , , · · 一 一 、 , , 叩 , 一 、、 。· 、。 、川 、 一一 一 、 一 , · 一 、 劝一 、 。 , , , 〕, 、 、 , 、。, 煤炭资源随着煤层埋藏深度 的增加 , 开采条件 传统的物理采煤为化学采煤 , 省去了庞大的煤炭开 就愈趋恶劣 , 主要因素有冲击地压变大, 煤层瓦斯 采 、运输 、 洗选 、 气化等工艺的设备, 因而具有安 量逐渐增多, 工作面煤尘发生量显著增加, 岩层温 全性好 、投资少 、 效益 高 、 污染少等优点, 深受世 度升高 , 以及地下水影响等, 所以深部煤层资源的 界各国的重视 , 被誉为第二代采煤方法 利用一直是一个函待解决的难点 无 井式煤炭地下气化 方法是按一定距 离向煤 煤炭地 下气化就是将 处于地 下的煤炭直接进 层垂直钻孔 , 形成气流通道, 再使用贯通方法将各 行有控制地燃烧 , 通过对煤的热作用及化学作用产 孔间煤层贯通形成气化通道 , 然后通过一个钻孔把 生可燃气体的过程 该过程集建井 、采煤和地面气 煤层点燃 , 注入空气或者氧气 一水蒸气混合气体, 使 化三大工艺为一体, 将煤的开采和转化相结合, 变 煤层发生热解 、氧化和还 原等气化反应 煤炭地下 收稿 日期 一 一 基金项 目 国家高技术研究发展计划 “煤炭地下气化产业化关键技术一项 目 即 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2013.01.004
第1期 梁新星等：深部煤层地下气化化学点火方法研究及数值模拟 9 气化原理图见图1. 证地下工程的正常使用，应采取必要的防治措施保 采用无井式地下气化开采的优势在于深部煤 护钻井套管及其他金属管件. 层赋存状况的影响性较小.地下瓦斯经过钻孔可以 收集并加以利用：地下温度的升高及地压的增加， 2试验部分 都不影响气化反应的进行，反而有利于气化所需要 地下气化煤层点火方式分为电点火、化学点 的温度和压力条件：适量的地下水有助于提高地下 火、强制氧化点火等.电点火及强制氧化点火方式 煤气的质量：地下深部围岩的渗透性小，增加了发 只适用于浅部干燥煤层，由于深部煤层的赋存状态 生炉的密闭性，减少鼓风和煤气在地下的漏损？.但 (高温高压、渗水等)，本文考虑采用化学点火方法 是，地下气化的点火过程较浅部干燥煤层更为复杂 点燃模拟的深部煤层). 和困难，所以有必要选择性的模拟深部煤层环境， 2.1试验煤样 进行深部煤层地下气化点火模型试验.本文即利用 本次试验煤样为褐煤，取自内蒙古大雁三矿西 深部煤层无井式地下气化化学点火模型试验台进行 二采区17号煤层2.试验用大雁褐煤的成分见表1. 化学点火试验，以此获得深部煤层化学点火工艺参 表1大雁褐煤的成分（质量分数） 数及煤层温度场的扩展规律，从而指导现场深部煤 Table 1 Composition of Dayan lignite 号 层无井式地下气化炉的点火过程 Mt Mad Aad Vdaf C H O S N 进气孔 排气孔 27.019.5031.6047.1574.474.8018.340.981.41 注：M:为全水分：Mad为空气干燥基水分：Aad为空气干燥基 灰分：Vdat为干燥无灰基挥发分 气化煤 完化道 2.2点火剂的选择 现场煤层深达千米，地下气化钻孔内没有火 氧化区 还原区 干馏干燥区- 源，需要用点火剂将煤层点燃后才能气化.深部煤 C+02+C0, C+,0,一Cd68i0288煤一9H,+H+H,0 层地下状况复杂，普通的固态点火剂很难输送到地 C0+号02→C0, LH. C0+H,0=C02+H 煤+0C0,C+2H,→CH 下并将煤层点燃，所以深部煤层地下气化所用点火 +C0+H,0 剂应满足两个条件：一是点火剂通过管路能够输送 图1煤炭地下气化原理示意图 到地下钻井内：二是地下点火工艺尽量简单和易操 Fig.1 Schematic diagram of underground coal gasification 作.为此，选择遇氧自燃的气体硅烷作为点火剂硅 (UCG) 烷是在常温常压下具有恶臭的无色气体，该气体与 空气或者其他含氧气体接触便会引起燃烧并放出很 1深部煤层地下气化影响因素 浓的白色无定型二氧化硅烟雾.其燃烧反应方程式 1.1煤质条件 如下： 煤质是煤炭地下气化首要考虑条件，通常褐煤、 SiH4+202→Si02+2H2O. 烟煤和无烟煤均可用于地下气化，无烟煤的反应活 2.3硅烷及空气输送方法 性和煤层透气性较差，在地下直接气化难度大.烟 考虑到硅烷及地下环境的特殊性，硅烷输送过 煤具有较强的黏结性及膨胀性，在地下气化过程中 程中要保持管路的密封性、耐压性和抗腐蚀性，具 会影响气流在煤层内流动的畅通性和在煤层截面分 体方法如下：(1)用特制的减压阀与硅烷钢瓶相连， 布的均匀性，从而影响气化强度和煤气质量.褐煤 以避免硅烷在减压阀中燃烧，氮气与硅烷之间安装 煤层气化反应性高，煤层透气性好，适合地下气化 转换阀，输送管线用专用不锈钢软管(3/8)NPT转 因此，要获得好的经济和技术指标以及稳定的气化 (1/16)卡套直接接点火直管，点火点处采用不锈钢 过程，一般选择多孔而松软的褐煤 直管；(2)在点火前用氮气吹扫；(3)氧化剂为空气 1.2水文地质环境 或氧气.点火系统装置平面布置见图2.图中A为 深部煤层地下气化要面临更加复杂的高地压， 点火剂入口，B为氧化剂入口，C为点火点，D为 以及随时可能发生的地下水涌入，气化控制方法不 管路出口，E为出口，T1、T2为测温点 当会恶化点火及气化效果.地下水中的各种离子、 2,4点火模型试验台的建设 地应力和温度会对点火钻孔及其他地下部件产生不 深部煤层无井式气化不同于浅部煤层矿井式 同程度危害作用，为延长地下部件的使用寿命，保 地下气化，矿井式地下气化可以用人工下井布置点
第 期 梁新星等 深部煤层地下气化化学点火方法研究及数值模拟 气化原理图见 图 采用无井 式地下气化开采 的优势在于深部煤 层赋存状况 的影响性较小 地下瓦斯经过钻孔可以 收集并加 以利用 地下温度的升高及地压的增加 , 都不影响气化反应 的进行 , 反而有利于气化所需要 的温度和压 力条件 适量的地下水有助于提高地下 煤气 的质量 地下深部围岩的渗透性小, 增加了发 生炉 的密闭性, 减少鼓风和煤气在地下的漏损冈 但 是 , 地下气化的点火过程较浅部干燥煤层更为复杂 和 困难 , 所 以有必要选择 性的模拟深部煤层环境 , 进行深部煤层地下气化 点火模型试验 本文即利用 深部煤层无井式地下气化化学点火模型试验台进行 化学点火试验, 以此获得深部煤层化学点火工艺参 数及煤层温 度场 的扩展规律 , 从而指导现场深部煤 层无井式地下气化炉的点火过程 证地下工程的正常使用 , 应采取必要的防治措施保 护钻井套管及其他金属管件 试验部分 地 下气化煤层 点火方式 分为电点火 、 化学点 火 、强制氧 化点火等 电点火及强制氧化点火方式 只适用于浅部干燥煤层, 由于深部煤层的赋存状态 高温高压 、 渗水等 , 本文考虑采用化学点火方法 点燃模拟的深部煤层 试验煤样 本次试验煤样为褐煤 , 取 自内蒙古大雁三矿西 二采 区 号煤层 试验用大雁褐煤的成分见表 表 大雁褐煤的成分 质量分数 「丁 界 一 , 理, , 又、 、 一 氧化区一 一一 还原区一 注 为全水分 为空气干燥基水分 为空气干燥基 灰分 为干燥无灰基挥发分 , 图 煤炭地下气化原理示意图 朋 深部煤层地下气化影响因素 煤质条件 煤质是煤炭地下气化首要考虑条件 通常褐煤 、 烟煤和无烟煤均可用于地下气化, 无烟煤的反应活 性和煤层透气性较差 , 在地下直接气化难度大 烟 煤具有较强 的戮结性及膨胀性 , 在地下气化过程中 会影响气流在煤层 内流动的畅通性和在煤层截面分 布 的均匀性 , 从而影响气化强度和煤气质量 褐煤 煤层气化反应性高 , 煤层透气性好 , 适合地下气化 因此 , 要获得好的经济和技术指标 以及稳定的气化 过程 , 一般选择多孔而松软的褐煤 水文地质环境 深部煤层地下气化要面临更加复杂的高地压 , 以及 随时可能发生的地下水涌入 , 气化控制方法不 当会恶化 点火及气化效果 地下水中 的各种离子 、 地应力和温度会对点火钻孔及其他地下部件产生不 同程度危害作用 , 为延长地下部件 的使用寿命, 保 点火剂的选择 现场煤 层深达千米 , 地 下气化钻孔 内没有火 源 , 需要用点火剂将煤层 点燃后才能气化 深部煤 层地下状况复杂 , 普通的固态点火剂很难输送到地 下并将煤层点燃 , 所以深部煤层地下气化所用 点火 剂应满足两个条件 一是点火剂通过管路能够输送 到地下钻井内 二是地下点火工艺尽量简单和易操 作 为此 , 选择遇氧 自燃的气体硅烷作为点火剂 硅 烷是在常温 常压下具有恶臭的无色气体, 该气体与 空气或者其他含氧气体接触便会引起燃烧并放 出很 浓的 白色无定型二氧化硅烟雾 其燃烧反应 方程式 如下 一 硅烷及空气输送方法 考虑到硅烷及地下环境的特殊性, 硅烷输送过 程中要保持管路 的密封性 、耐压性和抗腐蚀性 , 具 体方法如下 用特制的减压阀与硅烷钢瓶相连, 以避免硅烷在减压阀中燃烧 , 氮气与硅烷之间安装 转换 阀, 输送管线用专用不锈钢软管 ` 转 卡套直接接点火直管, 点火点处采用不锈钢 直管 在点火前用氮气 吹扫 氧化剂为空气 或氧气 点火系统装置平面布置见图 图中 为 点火剂入 口, 为氧化剂入 口, 为点火点, 为 管路出口, 为出口, 、 为测温点 点火模型试验台的建设 深部煤 层无井 式气化不 同于浅部煤层矿井 式 地下气化, 矿井式地下气化可以用人工下井布置点
.10 北京科技大学学报 第35卷 火器和引火材料，而深部煤层气化只能通过拐弯钻 定的指导作用，缺点是不能完全模拟地下钻孔的实 孔下放点火器或点火剂来引燃煤层.深部煤层气化 际工况及深部煤层的初始温度.图3和图4为深部 时，为了克服地下水的压力，必须采用一定鼓风压 煤层点火试验台的示意图 力来点火.因此，深部煤层气化点火是在有水和有 硅烷 压力的情况下进行的，难度较大，点火过程也是气 化过程是否能够进行的关键. 氧气（空气） 出气口 控制阀 喷淋水 喷淋水 1 1号阀门 2 2号阀门 B8 B7 B6B5 B4 B3 B2 B1 3 3号阀门 硅烷 4号阀门 55号阀门 鱼鱼 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 D(o ☑煤层 国保温层 T1/ \T2 空气 图3化学点火模型试验台剖面图 B Fig.3 Profile of the chemical ignition model test rig 2.5试验步骤 图2点火装置平面布置图 (1)连接好各管路.(2)冷态试验：打开点火装 Fig.2 Plane layout of the ignitron device 置空气进口阀门，关闭点火剂入口，从进气孔鼓风， 为了模拟深部煤层气化的点火过程，探索好的 配合肥皂水检测方法判断点火装置各个阀门漏失情 点火方法和点火过程工艺参数，建立了点火模型试 况.(3)按要求打开点火剂输送系统下部管路阀门2 验台.试验台包括三个部分：(1)炉体；(2)气化剂 同时关闭上部管路阀门1，打开阀门3，打开氧化剂 供给及工艺管路：（③）参数采集系统.其中主体设备 气路上部阀门5，关闭下部阀门4，连接好硅烷、氮 炉体由三部分构成：(1)90·弯定向钻孔和后退金 气和风机.(4)打开减压阀通入氮气10mi,对管路 属不锈钢软管：(2)燃烧腔体：③)模拟高压淋水箱。进行吹扫，将管路中的空气置换出来.（⑤）关闭氨气 在炉腔上安装两个高压淋水箱，在煤层全部长度上阀门，打开硅烷阀门.(6)通入硅烷后，打开风机， 安装喷淋管.点火时随着炉内压力增高，用压缩空通空气.(7)调节硅烷和风机流量，观察点火点处测 气将水压进煤层，以模拟深部煤层项部来水.该模 温系统变化，并记录下整个过程中温度的变化.（⑧） 型试验台能够模拟深部煤层复杂的水文情况及点火试验完成后先关闭硅烷气瓶上的开关，放掉残存硅 装置的输送方式，对深部煤层地下气化点火有着一 烷，再关闭减压阀，最后关闭风机 图4深部煤层点火试验台数据采集界面 Fig.4 Data acquisition interface of the chemical ignition model test rig
第1期 粱新星等：深部煤层地下气化化学点火方法研究及数值模拟 11· 3 点火试验过程分析 3.293%富氧与硅烷的反应 为了模拟地下的高压环境，在试验过程中利用 93%富氧由于氧含量比空气、60%富氧高，在 高压空气瓶和氧气瓶给系统加压，试验过程中压力 流量一定时，一般可加快硅烷与氧的反应速率且反 保持在0.3MPa. 应完全.93%富氧与硅烷的试验过程如下：鼓入富 3.1空气及60%富氧与硅烷的反应 氧(10Lmim-1)并加入硅烷气体(2Lmin1),点火 空气与硅烷的反应过程如下：向炉内通入空 0.25h后氧气鼓入量加大到12L-min-1,硅烷鼓入 气，使炉体内部充满空气，当炉体系统压力升到0.3 量加大为3.6Lmim1并保持硅烷与氧气的体积比 Pa时，打开控制硅烷气体阀门向系统提供硅烷气 为1：3.33.点火1h后，通过采集软件所测得的温 体，此时在系统内部的硅烷与空气发生自燃，且释 度数据持续升高，各热电偶温度普遍高于260℃， 放出大量的热量，空气及硅烷通入时间为5h.A排 可以判断煤层已经开始燃烧，此时停止通入硅烷气 (A1~A8)热电偶温度变化趋势见图5和图6所示.体，开始鼓93%富氧进行气化反应.图7和图8为 由图可以看出，在空气及硅烷点火5h内，煤层中 鼓93%富氧后燃烧时间对A排热电偶(A1~A8)的 测温点A1~A4最高温度不高于150℃，供气管口 温度影响图，图9为C排气化通道热电偶(C1C4) 处A5~A8热电偶的温度值低于20℃，由于地下煤 的温度变化趋势图. 层的最低着火点在260~400℃之间，所以在输送硅 从图7中可以看出：在点火0.75h后，煤层中 烷的管口处很难快速地将煤层点燃.此时关闭空气 测温点A1、A2和A4的温度迅速升高，均维持在 阀门，供入60%富氧(02体积分数为60%，下同)助 150℃以上：反应前3h测温点A1、A2和A4的 燃反应一段时间后，煤层中测温点A1~A4最大值 温度波动很大，3h后趋于稳定，测温点A3的温 均低于250℃，管口处A5~A8温度均低于100℃， 度在气化过程中一直稳定在50℃以下.从图8可 所以利用空气硅烷点火法及后续通入60%富氧也 以看出：硅烷出口处（气流通道）A5~A8温度在点 不易立即将煤层点燃 火0.5h后普遍升高，最高温度达到了800℃，足 300 以将煤层点燃；虽然温度在300800℃之间波动， 但该温度高于褐煤的着火点275℃，即使温度不稳 250 定，也可以点燃煤层.从图9中可以看出，鼓入富 200 A好 氧0.25h后，气化通道中C1~C4热电偶的温度都 有升高，但升高的幅度不同，首先升高的是位于管 100 口附近的C3,然后逐渐向C1延展，但C1最高温 50 度可达700℃，整个气化过程热电偶温度值波动较 567891011121314151617 大.这是因为在试验过程中，硅烷与氧反应产生了 时间/h 大量的二氧化硅，二氧化硅通过氧气沉积于管口附 图5燃烧时间对A1A4热电偶温度的影响 近的煤层中，阻碍了煤层的燃烧，降低了煤层燃烧 Fig.5 Effects of burning time on the temperature of thermo- 率，所以温度波动较大.另一个主要原因是顶部淋 couples Al to A4 水会干扰点火过程.深部煤层往往处于含水较为丰 富的地层，如果采用普通点火方法，地下水会使点 120 火器短路，造成点火器的损坏；采用化学点火方式， 100 +A57 如果在钻井煤层处通过保持一定的压力控水，使点 动 -A6 A7 火区煤层尽量不受水的影响，就可以使用该法将煤 A8 层顺利点燃 40 通过试验数据表明，93%富氧-硅烷化学点火法 20 较空气·硅烷点火法点火效果明显，它可以将煤层 OL 1234567891011121314151617 快速点燃，在点火点附近煤层温度上升较快，燃烧 时间/h 比较充分.温度场从气流通道逐渐向气化通道以及 图6燃烧时间对A5~A8热电偶温度的影响 煤层扩散，气流通道的温度最高.通过调整两种气 Fig.6 Effects of burning time on the temperature of thermo- 体的比例，当硅烷与氧气的体积比为1：3.33时，温度 couples A5 to A8 上升最快，所以该比例的混合气体是点火剂的最佳
第 期 梁新星等 深部煤层地下气化化学点火方法研究及数值模拟 点 火试 验 过程 分析 为 了模拟地下的高压环境, 在试验过程 中利用 高压空气瓶和氧气瓶给系统加压 , 试验过程 中压力 保持在 空气及 富氧与硅烷的反应 空气与硅烷 的反应过程如下 向炉内通入 空 气 , 使炉体 内部充满空气 , 当炉体系统压力升到 时, 打开控制硅烷气体阀门向系统提供硅烷气 体, 此时在系统 内部的硅烷与空气发生 自燃, 且释 放 出大量的热量, 空气及硅烷通入时间为 排 热 电偶温度变化趋势见 图 和图 所示 由图可 以看 出, 在空气及硅烷点火 内, 煤层中 测温点 最高温度不高于 ℃, 供气管 口 处 、 热 电偶的温度值低于 ℃, 由于地下煤 层的最低着火点在 、 ℃之间, 所以在输送硅 烷的管 口处很难快速地将煤层点燃 此时关 闭空气 阀门, 供入 富氧 体积分数为 , 下同 助 燃反应一段时间后 , 煤层中测温点 、 最大值 均低于 ℃, 管 口处 、 温度均低于 ℃, 所 以利用空气一硅烷点火法及后续通入 富氧也 不易立即将煤层点燃 小 十 一 自`孟曰自﹄目曰自︺ 赵夔护 时间 图 燃烧 时间对 、 热电偶温度的影响 瓜 富氧与硅烷的反应 富氧 由于氧含量 比空气 、 富氧 高, 在 流量一定时 , 一般可加快硅烷与氧的反应速率且反 应完全 富氧与硅烷 的试验过程如下 鼓入富 氧 犯 , 一` 并加入硅烷气体 · , 一` , 点火 后氧气鼓入量加大到 一`, 硅烷鼓入 量加大为 厂 并保持硅烷与氧气的体积比 为 点火 , 后 , 通过采集软件所测得 的温 度数据持续升高 , 各热 电偶温度普遍高于 ℃, 可 以判断煤层 己经开始燃烧 , 此时停止通入硅烷气 体 , 开始鼓 富氧进行气化反应 图 和 图 为 鼓 富氧后燃烧时间对 排热 电偶 、 的 温度影响图, 图 为 排气化通道热 电偶 的温度变化趋势 图 从图 中可以看出 在 点火 后, 煤层 中 测温 点 、 和 的温度迅速升高 , 均维持在 ℃以上 反应前 测温点 、 和 的 温度波动很大 , 后趋于稳定 , 测温 点 的温 度在气化过程 中一直稳定在 ℃以下 从图 可 以看 出 硅烷 出口处 气流通道 、 温度在点 火 后普遍升高 , 最 高温度达到 了 ℃, 足 以将煤层点燃 虽然温度在 、 ℃之间波动 , 但该温度高于褐煤的着火点 ℃, 即使温度不稳 定, 也可 以点燃煤层 从图 中可以看 出, 鼓入富 氧 后 , 气化通道 中 、 热 电偶的温度都 有升高, 但升高的幅度不同, 首先升高的是位于管 口附近的 , 然后逐渐 向 延展 , 但 最高温 度可达 ℃, 整个气化过程热 电偶温度值波动较 大 这是因为在试验过程中, 硅烷与氧反应产生 了 大量的二氧化硅 , 二氧化硅通过氧气沉积于管 口附 近的煤层中, 阻碍 了煤层的燃烧 , 降低了煤层燃烧 率 , 所 以温度波动较大 另一个主要原因是顶部淋 水会干扰点火过程 深部煤层往往处于含水较为丰 富的地层, 如果采用普通点火方法, 地下水会使 点 火器短路, 造成点火器的损坏 采用化学点火方式 , 如果在钻井煤层处通过保持一定的压力控水, 使点 火区煤层尽量不受水的影响, 就可 以使用该法将煤 层顺利点燃 通过试验数据表明 , 富氧一硅烷化学点火法 较空气 一硅烷点火法点火效果明显 , 它可 以将煤层 快速点燃 , 在 点火点 附近煤层温度上升较快, 燃烧 比较充分 温度场从气流通道逐渐 向气化通道 以及 煤层扩散 , 气流通道的温度最高 通过调整两种气 体的比例 , 当硅烷与氧气的体积比为 时, 温度 上升最快, 所 以该比例的混合气体是点火剂的最佳 铡蛆︺ 时间 图 燃烧 时间对 、 热电偶温度的影响 瓜
12 北京科技大学学报 第35卷 选择.随着煤层的温度场扩展按煤层走向进行，这 气化，通过地下气化将深部煤层在地下直接转变为 时如关闭硅烷输送阀，加大鼓氧量，可使煤层成功 煤气输送至地面. 350 ◇A1 300 0-A2 250 6A3 +A4 200 I50 100 50 0.25 0.751.251.752.252.753.253.754.25 时间/h 图7鼓93%富氧后燃烧时间对A1~A4排热电偶温度的影响 Fig.7 Influence of burning time on the temperature of thermocouples Al to A4 with 93%O2 900 800 700 -A5 600 0-A6 -A7 100 0.25 0.75 1.251.752.252.75 3.25 3.75 4.25 时间/h 图8鼓93%言氧后燃烧时间对A5A8热电偶温度的影响 Fig.8 IInfluence of burning time on the temperature of thermocouples A5 to A8 with 93%O2 800 700 0-C2 C3 +C1 100 000 0.25 0.751.251.752.252.753.253.75 4.25 时间/h 图9鼓93%富氧后燃烧时间对C1~C4热电偶温度的影响 Fig.9 Influence of burning time on the temperature of thermocouples Cl to C4 with 93%O2
1 2 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 选择 随着煤层 的温度场扩展按煤层走 向进行, 这 时如关 闭硅烷输送阀, 加大鼓氧量, 可使煤层成功 气化 , 通过地下气化将深部煤层在地下直接转变为 煤气输送至地面 翻啼卜 。 亡 令 八几一 门尸刁﹄曰门︺ , 时 」八, 图 鼓 富氧后燃烧时间对 、 排热电偶温度的影响 , 二 一 `卜 一 丫, 一 八阳了曰日︸︺﹃门曰︹︺ 八乙门门︺ 刨照护 龙 了 时间 图 鼓 富氧后燃烧时间对 、 热电偶温度的影响 ︸门︵︺曰﹃ 刨明舒 , 卫 时间 图 鼓 富氧后燃烧时间对 、 热电偶温度的影响