有井式地下煤层气化出气量稳定性自动控制装置

刘 冲 庞继禄 关海洋

1.安徽理工大学能源与安全学院采矿工程；2.新汶矿业集团有限责任公司技术研发部刘冲（1992-）山东新泰人，现任安徽理工大学能源与安全学院采矿工程学生。

现今，在对矿井地下煤层气化开采时，气化炉中的煤炭燃烧会产生大量的热量，从而使高温煤气达到地面后温度超过150℃，高温煤气在流通过程中对回风巷道进行高温加热，从而降低了回风巷的围岩耐热稳定性。而且高温煤气到达地面以后，对接收煤气的管道系统造成损害，同时导致大量热能损失，不能充分利用。本装置系统通过对回风巷风压的反馈，以实现对回风巷风量大小的控制，进而达到控制产气量的效果。与此同时，本装置系统可以保持气化速率的稳定性，实现自动控制，也确保了气体温度的稳定性，从而防止高温对仪器设备的损害。

1 引言

煤炭地下气化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高纯度的煤层气，通过变采煤为采气的过程。

煤层地下气化相较于普通煤炭开采，有着更多的优势，比如，其可以减少矿井的建设周期，降低矿井投资，提高开采采出率，而且可以安全地进行“三下”、高瓦斯等煤层的开采，减少甚至避免废弃物的产出，达到洁净生产的目的。煤层气不但可以直接作为燃气使用，同时也是很多化工产品的理想原料，是我国洁净煤技术重要的研究方向。

目前我国有井式煤矿地下煤层气化，一般由进风井、回风井、进风巷、回风巷和气化炉组成，空气通过进风井和进风巷到达气化炉炉底，经过燃烧反应后产生的煤气通过回风巷和回风井传输送到地面。由于气化炉中发生剧烈的燃烧，同时释放大量的热量，因此炉底会产生高达1000～1200℃的高温煤气。在高温煤气流出过程，气流通道周围的围岩和地表出口处的煤气接收管道系统受到高温气体的加热，导致围岩耐热稳定性的降低和接收管道系统的损坏。同时，在此过程中，大量的热能散失浪费，不能得到充分的利用，经济效果不可观。

本装置使以上问题得到了有效的解决：通过提供对出气量的自动控制，从而解决了反应不稳定，温度波动大，设备易损坏和热量损失大的问题。

2 本装置的控制原理

影响地下煤层气化的因素

对于地下煤层气化的速率、效率，会受到煤种、煤灰分、煤层厚度、煤层倾角、断层、岩层性质、矿床、地表及表土状态、气化通道的长度和断面、气流通道的长度和断面、鼓风速率和操作压力的影响，不同的矿井之间，甚至同一矿井不同采区之间的气化过程都大相径庭。因此，充分利用可控因素，科学合理灵活地进行调节，才可以较好的实现煤层气化的速率稳定性控制。

控制原理

对影响煤层气化的诸多因素进行分析，由于煤质、煤灰分是在千万年过程中形成的，无法人为改变，所以这两个因素对我们实现气化控制并无太多的意义。煤层厚度和煤层倾角虽然能够通过一定的巷道布置和开采方法，达到理想的厚度和角度，但是这些因素由于在建设投产后无法实现灵活性的调整，因此也对控制没有帮助。断层、岩性、矿床、地表及表土状态同样由于在生产过程中无法实现实时控制，从而排除。要想实现对煤层地下气化的控制，就只能从气流通道和断面与操作压力两个方面入手。

究其两个影响因素的本质，还在于开采过程中，气化炉两端气体的相对压力大小。我们知道，因此，要想实现对煤层地下气化自动控制的关键在于调节气化炉进气两端（进风巷回风巷）的相对压力大小。因而，只要对回风巷风量进行实时控制，便可以实现对气化的控制。

工作过程

将风压传感器按照一定间隔（一般在50～150m 左右）布置在回风巷，作为本装置系统的“感受器”，以获取回风巷的实时风压信号。再以电信号的方式传送到“神经中枢”——控制板（MCU），控制板（MCU）对所获取的压力信息进行简单分析，并作出反应，以电信号控制安装在耐火风门处的“效应器”——电磁气阀，以调整风门的开合角度，实现对风量的控制。

我们通过对试验，研究回风巷中风压的大小跟气化炉底反应的剧烈程度和出口气体的温度，可以得到他们之间的定量关系。从而得到出口气体温度关于回风巷中风压的函数关系。由于出口气温大致反映了气化炉中反应的剧烈程度，所以，实现了对回风巷中气压的控制，也就实现了对气化炉反应的控制，煤气温度从而也得到定量控制。我们可以就两者之间的关系，绘制函数关系图，大致如1 图所示。

自然，我们通过实验数据，可以将合适的温度区间设定在t1-t2 之间，相对应的，我们可以确定所需要控制的风压的区间p1-p2。

当风压大于p2 时，控制板收到超压的信号，并发送信号给电磁气阀，电磁气阀控制风门闭合一定的角度，增大回风巷的风压，从而减小了相对风压，减少了气化炉的供气量，从而降低了气化炉底的反应速率，使得温度下降，出气量减少，风压的大小在区间之内。

当风压小于p1 时，控制板收到欠压的信号，并发送信号给电磁气阀，电磁气阀控制风门敞开一定的角度，减小回风巷的风压，从而增大了相对风压，增加了气化炉的供气量，从而提高了气化炉底的反应速率，使得温度上升，出气量增加，风压的大小在区间之内。

这样一来，通过对风压的检测，反馈到电磁气阀控制的风门敞开角度的大小上，实现了对煤层气化的自动化控制，稳定了反应速率和出气温度，保护了仪器设备，提高了热能的利用率。

图1

本装置系统布置图

图2