有井式地下煤層氣化出氣量穩(wěn)定性自動(dòng)控制裝置

劉 沖 龐繼祿 關(guān)海洋

1.安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院采礦工程；2.新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)部劉沖（1992-）山東新泰人，現(xiàn)任安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院采礦工程學(xué)生。

現(xiàn)今，在對(duì)礦井地下煤層氣化開采時(shí)，氣化爐中的煤炭燃燒會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，從而使高溫煤氣達(dá)到地面后溫度超過(guò)150℃，高溫煤氣在流通過(guò)程中對(duì)回風(fēng)巷道進(jìn)行高溫加熱，從而降低了回風(fēng)巷的圍巖耐熱穩(wěn)定性。而且高溫煤氣到達(dá)地面以后，對(duì)接收煤氣的管道系統(tǒng)造成損害，同時(shí)導(dǎo)致大量熱能損失，不能充分利用。本裝置系統(tǒng)通過(guò)對(duì)回風(fēng)巷風(fēng)壓的反饋，以實(shí)現(xiàn)對(duì)回風(fēng)巷風(fēng)量大小的控制，進(jìn)而達(dá)到控制產(chǎn)氣量的效果。與此同時(shí)，本裝置系統(tǒng)可以保持氣化速率的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，也確保了氣體溫度的穩(wěn)定性，從而防止高溫對(duì)儀器設(shè)備的損害。

1 引言

煤炭地下氣化是將處于地下的煤炭進(jìn)行有控制地燃燒，通過(guò)對(duì)煤的熱作用及化學(xué)作用產(chǎn)生高純度的煤層氣，通過(guò)變采煤為采氣的過(guò)程。

煤層地下氣化相較于普通煤炭開采，有著更多的優(yōu)勢(shì)，比如，其可以減少礦井的建設(shè)周期，降低礦井投資，提高開采采出率，而且可以安全地進(jìn)行“三下”、高瓦斯等煤層的開采，減少甚至避免廢棄物的產(chǎn)出，達(dá)到潔凈生產(chǎn)的目的。煤層氣不但可以直接作為燃?xì)馐褂?，同時(shí)也是很多化工產(chǎn)品的理想原料，是我國(guó)潔凈煤技術(shù)重要的研究方向。

目前我國(guó)有井式煤礦地下煤層氣化，一般由進(jìn)風(fēng)井、回風(fēng)井、進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷和氣化爐組成，空氣通過(guò)進(jìn)風(fēng)井和進(jìn)風(fēng)巷到達(dá)氣化爐爐底，經(jīng)過(guò)燃燒反應(yīng)后產(chǎn)生的煤氣通過(guò)回風(fēng)巷和回風(fēng)井傳輸送到地面。由于氣化爐中發(fā)生劇烈的燃燒，同時(shí)釋放大量的熱量，因此爐底會(huì)產(chǎn)生高達(dá)1000～1200℃的高溫煤氣。在高溫煤氣流出過(guò)程，氣流通道周圍的圍巖和地表出口處的煤氣接收管道系統(tǒng)受到高溫氣體的加熱，導(dǎo)致圍巖耐熱穩(wěn)定性的降低和接收管道系統(tǒng)的損壞。同時(shí)，在此過(guò)程中，大量的熱能散失浪費(fèi)，不能得到充分的利用，經(jīng)濟(jì)效果不可觀。

本裝置使以上問(wèn)題得到了有效的解決：通過(guò)提供對(duì)出氣量的自動(dòng)控制，從而解決了反應(yīng)不穩(wěn)定，溫度波動(dòng)大，設(shè)備易損壞和熱量損失大的問(wèn)題。

2 本裝置的控制原理

影響地下煤層氣化的因素

對(duì)于地下煤層氣化的速率、效率，會(huì)受到煤種、煤灰分、煤層厚度、煤層傾角、斷層、巖層性質(zhì)、礦床、地表及表土狀態(tài)、氣化通道的長(zhǎng)度和斷面、氣流通道的長(zhǎng)度和斷面、鼓風(fēng)速率和操作壓力的影響，不同的礦井之間，甚至同一礦井不同采區(qū)之間的氣化過(guò)程都大相徑庭。因此，充分利用可控因素，科學(xué)合理靈活地進(jìn)行調(diào)節(jié)，才可以較好的實(shí)現(xiàn)煤層氣化的速率穩(wěn)定性控制。

控制原理

對(duì)影響煤層氣化的諸多因素進(jìn)行分析，由于煤質(zhì)、煤灰分是在千萬(wàn)年過(guò)程中形成的，無(wú)法人為改變，所以這兩個(gè)因素對(duì)我們實(shí)現(xiàn)氣化控制并無(wú)太多的意義。煤層厚度和煤層傾角雖然能夠通過(guò)一定的巷道布置和開采方法，達(dá)到理想的厚度和角度，但是這些因素由于在建設(shè)投產(chǎn)后無(wú)法實(shí)現(xiàn)靈活性的調(diào)整，因此也對(duì)控制沒有幫助。斷層、巖性、礦床、地表及表土狀態(tài)同樣由于在生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，從而排除。要想實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層地下氣化的控制，就只能從氣流通道和斷面與操作壓力兩個(gè)方面入手。

究其兩個(gè)影響因素的本質(zhì)，還在于開采過(guò)程中，氣化爐兩端氣體的相對(duì)壓力大小。我們知道，因此，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層地下氣化自動(dòng)控制的關(guān)鍵在于調(diào)節(jié)氣化爐進(jìn)氣兩端（進(jìn)風(fēng)巷回風(fēng)巷）的相對(duì)壓力大小。因而，只要對(duì)回風(fēng)巷風(fēng)量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣化的控制。

工作過(guò)程

將風(fēng)壓傳感器按照一定間隔（一般在50～150m 左右）布置在回風(fēng)巷，作為本裝置系統(tǒng)的“感受器”，以獲取回風(fēng)巷的實(shí)時(shí)風(fēng)壓信號(hào)。再以電信號(hào)的方式傳送到“神經(jīng)中樞”——控制板（MCU），控制板（MCU）對(duì)所獲取的壓力信息進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，并作出反應(yīng)，以電信號(hào)控制安裝在耐火風(fēng)門處的“效應(yīng)器”——電磁氣閥，以調(diào)整風(fēng)門的開合角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)量的控制。

我們通過(guò)對(duì)試驗(yàn)，研究回風(fēng)巷中風(fēng)壓的大小跟氣化爐底反應(yīng)的劇烈程度和出口氣體的溫度，可以得到他們之間的定量關(guān)系。從而得到出口氣體溫度關(guān)于回風(fēng)巷中風(fēng)壓的函數(shù)關(guān)系。由于出口氣溫大致反映了氣化爐中反應(yīng)的劇烈程度，所以，實(shí)現(xiàn)了對(duì)回風(fēng)巷中氣壓的控制，也就實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣化爐反應(yīng)的控制，煤氣溫度從而也得到定量控制。我們可以就兩者之間的關(guān)系，繪制函數(shù)關(guān)系圖，大致如1 圖所示。

自然，我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以將合適的溫度區(qū)間設(shè)定在t1-t2 之間，相對(duì)應(yīng)的，我們可以確定所需要控制的風(fēng)壓的區(qū)間p1-p2。

當(dāng)風(fēng)壓大于p2 時(shí)，控制板收到超壓的信號(hào)，并發(fā)送信號(hào)給電磁氣閥，電磁氣閥控制風(fēng)門閉合一定的角度，增大回風(fēng)巷的風(fēng)壓，從而減小了相對(duì)風(fēng)壓，減少了氣化爐的供氣量，從而降低了氣化爐底的反應(yīng)速率，使得溫度下降，出氣量減少，風(fēng)壓的大小在區(qū)間之內(nèi)。

當(dāng)風(fēng)壓小于p1 時(shí)，控制板收到欠壓的信號(hào)，并發(fā)送信號(hào)給電磁氣閥，電磁氣閥控制風(fēng)門敞開一定的角度，減小回風(fēng)巷的風(fēng)壓，從而增大了相對(duì)風(fēng)壓，增加了氣化爐的供氣量，從而提高了氣化爐底的反應(yīng)速率，使得溫度上升，出氣量增加，風(fēng)壓的大小在區(qū)間之內(nèi)。

這樣一來(lái)，通過(guò)對(duì)風(fēng)壓的檢測(cè)，反饋到電磁氣閥控制的風(fēng)門敞開角度的大小上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤層氣化的自動(dòng)化控制，穩(wěn)定了反應(yīng)速率和出氣溫度，保護(hù)了儀器設(shè)備，提高了熱能的利用率。

圖1

本裝置系統(tǒng)布置圖

圖2