一种用于地下气化炉的燃烧点火装置及点火方法

技术领域

本发明涉及煤炭地下气化技术领域，尤其涉及一种用于地下气化炉的燃烧点火装置及点火方法。

背景技术

煤炭地下气化技术可将处于原位的煤炭进行可控燃烧，通过对煤的热作用以及化学作用产生将煤炭转化为可燃气体的过程。地下气化炉通常由进气井、气化通道、出气井及辅助监测井所组成，气化剂从进气井注入，在气化通道中与煤层发生复杂的热化学反应，生成的煤气沿气化通道和出气井输送至地面。地下气化炉将传统意义上的物理采煤转化为化学采气，具有产气成本低、安全性高和环境效益好等优点，该技术在低品质（高硫、高灰）、急倾斜、薄煤层、深部煤层以及常规技术经济不可采等残滞留煤的开采利用具有广阔的应用前景。

在地下煤层建立起地下气化炉结构后，首要条件就是解决煤层的点燃问题，点火作业的顺利实施是影响地下气化炉成功与否的关键。中国专利CN108729916A公开了“一种地下气化炉煤层点火装置及后退重复点火气化方法”，该点火装置与同类点火装置通常存在燃烧火焰与地下气化炉的进气井或气化通道接触面积不佳，导致点火能量低、点火速度慢、点火成功率低的问题，难以实现稳定可靠的高效点火；点火过程中煤层涌水增加会消耗点火能量，水分蒸发吸热难以有效加热煤层至着火点，导致点火可靠性低；现有点火装置可移动性差，点火及注气装置集成性差，无法同步移动，难以实现在气化中止或工作面调整时及时进行二次点火。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种集成度高、可增加燃烧火焰与气化通道燃烧锋面的燃烧点火装置，提高点火装置的可移动性和点火效率。

技术方案：本发明所述的一种用于地下气化炉的燃烧点火装置，燃烧点火装置包括连续管、同轴设于连续管内的注气管以及同轴设于注气管内的燃料管；所述注气管前端设有燃烧头，所述燃烧头内缩颈形成锥形的混合腔体，所述混合腔体前端设有喷火口，所述燃烧头位于喷火口处设有火花塞；所述燃料管前端形成锥形封闭端，所述锥形封闭端外圆周与混合腔体形成锥形通道，且燃料管位于混合腔体后端圆周向设有若干组燃料喷嘴；所述燃料管外壁与注气管内壁之间固定设有旋流机构，且旋流机构位于燃料喷嘴后侧。

优选的，所述注气管与连续管管径比为1:1.7-1:2.6，所述燃料管与注气管管径比为1:2-1:3.3。

优选的，所述旋流机构包括沿着燃料管圆周向均匀设置的5-9个弧形叶片，且弧形叶片与注气管内径向夹角为15°-75°。

优选的，所述的混合腔体的锥度为1:0.7-1:2。

优选的，所述燃烧头位于喷火口处圆周向设有若干组热电偶，所述热电偶通过数据传输电缆与控制中心电性连接。

优选的，所述燃烧头位于喷火口处圆周向设有气体检测探头，所述气体检测探头通过数据传输电缆与控制中心电性连接。

优选的，所述注气管进气端口分别与供氧管路、供氮管路连通。

优选的，所述连续管和注气管之间形成安装腔体，所述安装腔体内沿着注气管外壁圆周呈螺旋状分布有冷却管。

优选的，所述安装腔体内沿着管体长度方向间隔1-3m设有若干组支撑结构，所述支撑结构包括沿着注气管圆周向设置的3-5组连接支架。

一种地下气化炉的点火方法，包括以下步骤：

步骤1：开启供氮管路，向注气管中通入氮气，同时检测地下气化炉点火位置的二氧化碳和甲烷浓度，待可燃气体浓度低于理论爆炸极限下限后关闭供氮管路；

步骤2：开启供氧管路，向注气管中通入高压富氧空气，高压富氧空气流经旋流机构后进入混合腔体，同时检测地下气化炉点火位置的氧气浓度；

步骤3：待地下气化炉点火位置氧气浓度达到预期点火浓度后，开启燃料管路向燃料管输送燃料，燃料与富氧空气在混合腔体内充分混合；向火花塞通电，点燃混合燃气，形成稳定的螺旋状燃烧锋面对煤层进行加热；

步骤4：在对煤层进行持续加热时，热电偶检测煤层燃烧点；当煤层燃烧温度和产气成分达到预期标准时，判定煤层进入自燃状态后，停止富氧空气和燃料的供应，关闭火花塞；

步骤5：若地下发生涌水，煤层燃烧温度和产气成分未达到预期标准，点火失败；通过控制中心驱动连续管后退并使得注气点后移，重复步骤1-4进行二次点火。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：1、结构紧凑，燃料管与注气管一体设置，提高燃烧点火装置的移动性能，便于在不同点火位置进行高效点火；2、燃料管与注气管在燃烧头内进行高效混合，并形成螺旋状火焰锋面，增大与地下气化炉的气化通道接触面积和接触力度，提高点火能量、点火速度和点火成功率。

附图说明

图1为本发明的燃烧点火装置内部结构示意图；

图2为图1的A处径向结构示意图。

附图标记：

1、连续管；2、注气管；3、燃料管；4、安装腔体；5、冷却管；6、旋流机构；7、燃料喷嘴；8、混合腔体；9、连接支架；10、点火电缆；11、火花塞；12、燃烧头；13、热电偶；14、数据传输电缆；15、喷火口；16、锥形封闭端；17、气体检测探头；18、锥形通道。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图1-2所示，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1所示，本发明的一种用于地下气化炉的燃烧点火装置，燃烧点火装置包括连续管1、同轴设于连续管内的注气管2；注气管2与连续管1管径比为1:1.7-1:2.6，即连续管1和注气管2之间形成环形结构的安装腔体4，安装腔体4内沿着连续管1或注气管2的管体长度方向设有多组支撑结构，相邻两组支撑机构之间间隔1-3m设置，支撑结构包括沿着注气管2圆周向设置的3-5组连接支架9；连接支架9可以采用片状支架或工字型支架，从而实现注气管2与连续管1牢固连接。在安装腔体4内沿着注气管2外壁圆周向呈螺旋状分布有冷却管5，冷却管5内可注入冷却水，满足对燃烧点火装置冷却。

结合图1所示，注气管2内同轴设有燃料管3，燃料管3与注气管2管径比为1:2-1:3.3，适当增加注气管与燃料管的管径比，可调节燃料与高压富氧空气的配比范围，从而获得良好的燃空比。注气管2前端设有燃烧头12，燃烧头12内缩颈形成锥形的混合腔体8，混合腔体8的锥度为1:0.7-1:2；混合腔体8前端设有喷火口15，燃烧头12位于喷火口处设有火花塞11，沿着安装腔体4内设有连接火花塞11的点火电缆10，点火电缆10与底面上的控制中心连接，通过点火电缆10可实现火花塞11点火。燃料管3前端形成锥形封闭端16，锥形封闭端16的锥度与混合腔体内锥度基本一致，从而使得燃料管3前端的锥形封闭端16圆周向与燃烧头12内避免形成环状的锥形通道，燃料管3位于混合腔体8后端圆周向设有3组、6组或9组燃料喷嘴7，燃料管3内燃料通过燃料喷嘴7喷射进入注气管2前端并与注气管内的高压富氧空气均匀混合，混合后的混合燃气自锥形封闭端16与燃烧头12之间的锥形通道通过时进行加压，形成高压射流喷出。

结合图1和图2所示，燃料管3外壁与注气管2内壁之间固定设有旋流机构6，旋流机构6位于燃料喷嘴7后侧，旋流机构6包括沿着燃料管3圆周向均匀设置的5-9个弧形叶片，且弧形叶片与注气管2内径向夹角为15°-75°，由于弧形叶片沿着燃料管3外圆周径向弧形面是逐渐变化的，且弧形叶片与注气管2内径向夹角由内而外逐渐增加。在高压富氧空气流经旋流机构时使得气流在管径方向形成向外旋转的旋流速度；当经由燃料喷嘴7喷出的燃料与高压富氧空气混合后流经锥形通道18可进一步进行加压，并使得经由燃烧头12喷出的火焰形成旋流效果，燃烧火焰在前进过程中在径向扩张，从而增加与煤层通道接触火焰锋面，提高对点火效果。

燃烧头12位于喷火口处圆周向设有热电偶13、气体检测探头17，热电偶13和气体检测探头17的数量可以为1根、2根、3根甚至更多根，可以依据燃烧头12的直径尺寸布置。热电偶13、气体检测探头17均通过数据传输电缆14与控制中心电性连接，热电偶13用于检测煤层燃烧点，气体检测探头17用于检测煤层中甲烷、一氧化碳等气体含量。当煤层燃烧温度和产气成分达到预期标准时，即可关闭燃烧点火装置，煤层通过自燃产生燃气输出。

注气管2进气端口分别与供氧管路、供氮管路连通；供氮管路用于向煤层内提供惰性气体，以稀释可燃气体含量，控制煤层内可燃气体浓度低于理论爆炸极限下限，降低可能的爆炸风险。供氧管路用于向注气管输送高压富氧空气，高压富氧空气可与燃料在混合腔体内进行充分混合并充分燃烧。

本发明的燃烧点火装置应用于地下气化炉的点火方法：

首先，开启供氮管路，向注气管2中通入氮气，同时燃烧头12前端的气体检测探头17可检测地下气化炉点火位置的二氧化碳和甲烷浓度，注入氮气稀释可燃气体的浓度，待可燃气体浓度低于理论爆炸极限下限后关闭供氮管路，停止氮气的供应。

其次，开启供氧管路，向注气管2中通入高压富氧空气，高压富氧空气流经旋流机构6后进入混合腔体8，在高压富氧空气流经旋流机构时使得气流在管径方向形成向外旋转的旋流速度。同时检测地下气化炉点火位置的氧气浓度。

再次，待地下气化炉点火位置氧气浓度达到预期点火浓度后，开启燃料管路向燃料管3输送燃料，当经由燃料喷嘴7喷出的燃料与高压富氧空气充分混合后流经锥形通道18可进一步进行加压；向火花塞11通电，点燃混合燃气，经由燃烧头12喷出的火焰形成旋流效果，燃烧火焰在前进过程中在径向扩张，增加与煤层通道接触火焰锋面，对煤层进行加热。

再次，在对煤层进行持续加热时，热电偶13检测煤层燃烧点，气体检测探头17对煤层产生的气体成分进行检测。当煤层燃烧温度和产气成分达到预期标准时，判定煤层进入自燃状态后，停止富氧空气和燃料的供应，关闭火花塞11。

最后，若地下发生涌水，煤层燃烧温度和产气成分未达到预期标准，点火失败；通过控制中心驱动连续管1后退并使得注气点后移，重复步骤1-4进行二次点火。

需要说明的是，与该燃烧点火装置配合设置的驱动连续管升降或平移的动力结构可采用现有技术实现其功能，不在本发明的保护范围。

以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。