用于煤炭地下气化工艺的激冷水装置
技术领域
本实用新型提供了一种用于煤炭地下气化工艺(ISC)的激冷水装置，属于煤炭地下气化工艺设备技术领域。
背景技术
煤炭地下气化(ISC)是在氧化剂存在下通过地下煤层的燃烧和气化反应将煤直接转化为产品气的过程，所述产品气通常称为合成气，该合成气可以随后用作多种应用的原料，包括燃料生产、化学品生产和发电等。这种煤炭地下气化技术对于大多数煤藏都是适用的。鉴于有关采矿业的环保要求越来越严格和考虑到相关的人工成本和基建成本，这种技术无疑是很有吸引力的。煤炭气化工艺是将煤炭通过一系列的化学反应转变为合成气的过程。
地面钻井直通煤层，给氧化剂注入和产品气产出提供有效通道。一对钻井在地下连通或水平延伸构成一个实质上水平钻井通道(也可简称为煤层井道或连通通道)。该通道有助于氧化剂注入，燃空区生长和产品气输送。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。煤炭地下气化(ISC)可能在注入井和产品井之间还需要使用到一个或多个的垂直井(例如：功能井和辅助井)。
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。其中，燃烧区在煤层中氧化剂注入点附近；气化区以放射状形态围绕在燃烧区周围或者在燃烧区下游，煤炭在气化区被气化、部分被氧化，从而生成产品气；热解区在气化区下游，煤的热解反应一般在这里发生。高温的产品气从气化区往下游流动，并最终从产品井井口输送到地面。在煤燃烧或气化的同时，煤层中的ISC燃空区会生长变大。
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。
根据已有专利文献，目前煤炭地下气化技术所面临的问题主要包括：
a)粗合成气在井下输送至地表的过程中，粗合成气的温度可超过700℃，持续高温导致井下设备材料达到自身的屈服应力故障点，最终引起产品井故障。
b)持续高温会引发井下水泥套管的热膨胀及热伸长受限，从而导致套管和/或水泥胶结失效，最终引起产品井故障。
c)持续高温会引发井下自由套管和管柱的热膨胀及热伸长，从而导致自由套管和管柱的屈曲，最终引起产品井故障。
d)持续高温会加重井下设备材料的腐蚀程度，从而导致产品井井身完整性的破坏或失效，最终引起产品井故障。
实用新型内容
本实用新型旨在解决现有技术的不足，提供一种用于煤炭地下气化工艺的激冷水装置，所述激冷水装置有利于改进现有煤炭地下气化工艺技术。
通过采用本实用新型所述激冷水装置，本实用新型解决了所述煤炭地下气化过程中的技术问题。
本实用新型的激冷水装置，位于ISC产品井内，包括以下部件:
水气热交换管，用于高温粗合成气和激冷水的直接热交换，包括完整管段、开孔管段和激冷水喷嘴；
激冷水夹套，用于高温粗合成气和激冷水的间接热交换，包括水夹套本体、激冷水管、止回阀、动态密封环和固定螺栓；
纯刚性扶正器，用于激冷水装置的扶正、激冷水夹套和仪表管柱的固定。
本实用新型的激冷水装置的水气热交换管，所述完整管段长度为1-10米；开孔管段长度为0.5-3米，开孔的孔径为5-35mm，开孔以交错间隔模式布局，开孔总面积占管壁面积的5-35％。
本实用新型的激冷水装置的激冷水夹套，所述止回阀位于激冷水夹套本体的外部；激冷水管安装于激冷水夹套本体的内部，与激冷水夹套本体之间采用动态密封环密封；激冷水夹套本体通过固定螺栓固定在水气热交换管上。
本实用新型的纯刚性扶正器，其翼片上可增加额外的碳化钨硬质饰面、滚轮或弹簧滚轮，以减少完井时水平段遇到的摩阻影响。
按照本实用新型，当利用本实用新型所述激冷水装置实施煤炭地下气化过程时，可以有效地主动控制产品井合成气的温度，避免产品井出现故障和损坏，显著地降低煤炭地下气化生产过程中的操作难度和项目施工成本，为现有技术带来了进步。
附图说明
图1是本实用新型激冷水装置剖面的示意图。
图2是本实用新型激冷水装置截面的示意图。
在各附图中，相同的附图标记指相同部件。具体地，各附图中涉及的附图标记含义如下：
1、水气热交换管，2、激冷水夹套，3、止回阀，4、激冷水管，5、动态密封环，6、固定螺栓，7、纯刚性扶正器，8、开孔管段，9、螺纹公口，10、激冷水喷嘴，11、仪表管柱，12、激冷水，13、高温粗合成气，14、低温粗合成气。
具体的实施方式
下面通过具体实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的具体说明。
本实用新型的技术方案中，所述激冷水装置，其设计压力需满足所有标准行业或非行业监管机构的压力要求，1,000-25,000psi。所述激冷水装置的设计温度最高可达到350-500℃。所述激冷水装置的选材可依据油气行业API规范的防腐等级选定，包括但不限于AA(适用于基本无腐蚀性液体或气体)，BB(适用于13铬不锈钢内部零件的耐腐蚀性，也可用于内部表面轻微腐蚀)，CC(适用于任何满足13铬不锈钢的液体或气态)，DD(适用于低温酸性气体和油，耐H2S腐蚀，适用于存在H2S时的其它化学品、产品或碳氢化合物)，EE(适用于酸性气体和油，耐H2S腐蚀，适用于存在H2S时的其它化学品、产品或碳氢化合物)，FF(适用于当CO2超过H2S含量时的酸性气体、油、其它化学品、产品或碳氢化合物)或以上材料。所述激冷水装置的设计规范水平(PSL)包括但不限于满足API规范的PSL-1，PSL-2和PSL-3。所述激冷水装置的设计尺寸包括但不限于5-20英寸。
本实用新型的技术方案中的水气热交换管，用于高温粗合成气和激冷水的直接热交换，包括完整管段、开孔管段和激冷水喷嘴。所述水气热交换管选用316L不锈钢或更高级耐腐蚀高镍铬合金材料(如科乃尔合金600，蒙奈尔合金400，合金钢28及更高级合金钢等)，通过螺纹连接至产品井内的产品管段。
所述完整管段长度为1-10米；所述开孔管段长度为0.5-3米，开孔的孔径为5-35mm，开孔以交错间隔模式布局，开孔总面积占管壁面积的5-35％；所述激冷水喷嘴数目4-12个，激冷水喷嘴的孔径一般要等于或大于5mm以防止结垢等引起激冷水喷嘴堵塞，优选为多孔激冷水喷嘴，使得激冷水以更大覆盖面进入水气热交换管，提高热交换效率，使高温粗合成气更快地被冷却到目标温度。
本实用新型的技术方案中的激冷水夹套，用于高温粗合成气和激冷水的间接热交换，包括水夹套本体、激冷水管、止回阀、动态密封环和固定螺栓。所述激冷水夹套可选用304、316L不锈钢或更高级材料。
所述止回阀安装于水夹套本体的外部，上游通过螺纹连接至激冷水管柱直到地面激冷水注入系统。所述激冷水夹套可安装一个或多个止回阀用于防止逆向气流进入激冷水管柱，其中多个止回阀主要用于备用。所述止回阀通常具有一定范围的开启压力，可以用来维持激冷水管柱内的压力，同时在激冷水管柱内压力升高时确保向水夹套本体内泄压。所述止回阀可以为本领域技术人员已知合适的任何类型的止回阀，例如可以为弹簧挡板阀或球+弹簧型等。
所述激冷水管(一根)安装于水夹套本体的内部，上游通过螺纹连接到所述止回阀，激冷水管与水夹套本体之间采用动态密封环密封，如金属密封环，橡胶密封环或石墨密封环等。
所述固定螺栓分布在水夹套本体外部，水夹套本体两端各3个。同一端圆周上均匀分布，间隔120°，用于将激冷水夹套固定在水气热交换管上。
本实用新型的技术方案中的纯刚性扶正器，用于激冷水装置的扶正，激冷水夹套和仪表管柱的固定。所述纯刚性扶正器安装在激冷水夹套与水气热交换管开孔管段之间，防止完井过程中激冷水夹套出现轴向滑动，破坏激冷水装置的完整性。
所述纯刚性扶正器自身的强度，使激冷水装置与产品井套管或煤层钻孔分离，有效地减少了完井过程中管柱的摩阻和扭矩，避免完井过程中可能出现的管柱卡死、形变等问题。可根据项目井身结构设计和生产操作要求，选择翼片的尺寸、数量和形状。所述纯刚性扶正器的翼片上可增加额外的碳化钨硬质饰面、滚轮或弹簧滚轮，以减少完井时水平段遇到的摩阻影响。
所述仪表管柱，包括分布式温度传感器、压力传感器和声波传感器，所述仪表管柱安装在激冷水装置的外部，并通过所述纯刚性扶正器固定。所述分布式温度传感器用于监控产品井井下温度，控制激冷水注入量；分布式压力传感器用于监测产品井井下和激冷水夹套内压力；分布式声波传感器用于监测产品井井下突发情况，例如管柱损坏、管柱堵塞等。
下面参考附图进一步描述本实用新型的实施方案。
图1和图2分别给出了一个激冷水装置剖面和截面的示意图。如图所示，激冷水夹套2通过6个固定螺栓6安装在水气热交换管1的外侧，水气热交换管1的两端分别通过螺纹9连接至地下气化炉产品管上，其中一端为开孔管段8。激冷水夹套2与水气热交换管1的内部接触面上安装有12个激冷水喷嘴10。止回阀3连接在激冷水夹套2上游，一根激冷水管4通过动态密封环5，安装在激冷水夹套2内部，保障了生产过程中激冷水管4的伸缩和旋转机动性，以及与激冷水夹套2的密封性。纯刚性扶正器安装在水气热交换管1的外部，激冷水夹套2的下游，用于辅助固定激冷水夹套2，以及减少完井工程中的摩擦力。高温粗合成气13通过水气热交换管1的开孔管段8进入激冷水装置，激冷水12通过激冷水喷嘴10注入激冷水装置，二者在水气热交换管1内产生一个直接热交换过程。同时，激冷水夹套2与高温粗合成气13之间产生一个间接热交换过程。冷却后的低温粗合成气14通过水气热交换管1的一端进入地下气化炉产品管，输送至地面。激冷水12的流量和激冷水装置的温度由仪表管柱11监测和控制。
以上所述的实施例只是本实用新型的一种较佳的方案，并非对本实用新型作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。对于本领域的技术人员来说，只要不偏离本实用新型的精神和原则，所述变化和调整均应在本实用新型范围内。
