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单个钻孔的盲孔炉煤炭地下气化过程中,为防止高温煤气对钻孔的破坏,可以考虑喷淋水降温 。
1、基础计算
试验对应现场工程为:产气规模30万标方/天,钻孔内煤气1000℃,压力10MPa;煤气组成如下表1所示。
表1 煤气组成
喷淋水温度20℃,压力11MPa。不考虑钻孔内煤气向地层的导热损失,通过热量平衡计算出不同喷淋水量下出口煤气的温度及汽相分率,如图1所示。
图1 不同喷淋水量下出口煤气的温度及汽相分率
从图1可以看出,水量110 kg/min时,出口煤气温度234℃,汽相分率0.957,即气流中有液态水出现。如果以不出现液态水为限,则喷淋水量不能大于100kg/min。如果以纯氮气代替煤气计算,该值为80kg/min。
2、模型试验装置
(1)采用氮气代替煤气开展试验。为保证工艺压力10MPa以上,高压钢瓶满气压力按12MPa计,钢瓶压力从12MPa下降至10MPa时,总供气量约0.8标方。
(2)试验时,氮气流量为20标升/min,两个高压钢瓶联用,可保证1小时以上的用气。
(3)试验过程中,假设气流通道为绝热,为保证气流中不出现液态水,最大注水量约为8ml/min,注水压力11MPa,由高压计量泵供给。
(4)试验装置气流通道内径为8mm,材质为耐高温特种钢。气流加热段长度不小于50cm,在加热段出口设置水喷淋,喷淋点后的气流通道长度不小于50cm。
(5)主体装置的总长度约120cm,外径约50cm。内部设置保温隔热材料,尽可能降低气流通过热传导的热损失。主体装置垂直放置,模拟气流从钻孔底部排至地面的过程。
(6)氮气从钢瓶引出后,通过高压气体质量流量控制器,稳定供气流量不变;喷淋降温后的气流出主体装置后,先经过高压汽液分离器,将冷凝水分离。高压汽液分离器带冷却水夹套。可配置制冷机,制取5℃以下的冷却水,供汽液分离器使用。分离液态水后的气流,通过高压背压阀,控制整个试验系统的压力稳定在10MPa。
(7)主体装置内部设置气体加热元件,通过PID控制,将气体温度稳定至1000℃。从喷淋点开始,每间隔10cm设置1个温度传感器,实时测量气流通道的温度。
3、试验数据采集分析系统
采用国产控制软件,实现试验数据的实时采集与分析,通过编写控制脚本,实时显示气流通道内的温度及热量变化。
北京中矿天融科技有限公司
煤炭行业煤炭地下气化工程研究中心
2021年1月17日
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