第1期 粱新星等：深部煤层地下气化化学点火方法研究及数值模拟 11· 3 点火试验过程分析 3.293%富氧与硅烷的反应 为了模拟地下的高压环境，在试验过程中利用 93%富氧由于氧含量比空气、60%富氧高，在 高压空气瓶和氧气瓶给系统加压，试验过程中压力 流量一定时，一般可加快硅烷与氧的反应速率且反 保持在0.3MPa. 应完全.93%富氧与硅烷的试验过程如下：鼓入富 3.1空气及60%富氧与硅烷的反应 氧(10Lmim-1)并加入硅烷气体(2Lmin1),点火 空气与硅烷的反应过程如下：向炉内通入空 0.25h后氧气鼓入量加大到12L-min-1,硅烷鼓入 气，使炉体内部充满空气，当炉体系统压力升到0.3 量加大为3.6Lmim1并保持硅烷与氧气的体积比 Pa时，打开控制硅烷气体阀门向系统提供硅烷气 为1：3.33.点火1h后，通过采集软件所测得的温 体，此时在系统内部的硅烷与空气发生自燃，且释 度数据持续升高，各热电偶温度普遍高于260℃， 放出大量的热量，空气及硅烷通入时间为5h.A排 可以判断煤层已经开始燃烧，此时停止通入硅烷气 (A1~A8)热电偶温度变化趋势见图5和图6所示.体，开始鼓93%富氧进行气化反应.图7和图8为 由图可以看出，在空气及硅烷点火5h内，煤层中 鼓93%富氧后燃烧时间对A排热电偶(A1~A8)的 测温点A1~A4最高温度不高于150℃，供气管口 温度影响图，图9为C排气化通道热电偶(C1C4) 处A5~A8热电偶的温度值低于20℃，由于地下煤 的温度变化趋势图. 层的最低着火点在260~400℃之间，所以在输送硅 从图7中可以看出：在点火0.75h后，煤层中 烷的管口处很难快速地将煤层点燃.此时关闭空气 测温点A1、A2和A4的温度迅速升高，均维持在 阀门，供入60%富氧(02体积分数为60%，下同)助 150℃以上：反应前3h测温点A1、A2和A4的 燃反应一段时间后，煤层中测温点A1~A4最大值 温度波动很大，3h后趋于稳定，测温点A3的温 均低于250℃，管口处A5~A8温度均低于100℃， 度在气化过程中一直稳定在50℃以下.从图8可 所以利用空气硅烷点火法及后续通入60%富氧也 以看出：硅烷出口处（气流通道）A5~A8温度在点 不易立即将煤层点燃 火0.5h后普遍升高，最高温度达到了800℃，足 300 以将煤层点燃；虽然温度在300800℃之间波动， 但该温度高于褐煤的着火点275℃，即使温度不稳 250 定，也可以点燃煤层.从图9中可以看出，鼓入富 200 A好 氧0.25h后，气化通道中C1~C4热电偶的温度都 有升高，但升高的幅度不同，首先升高的是位于管 100 口附近的C3,然后逐渐向C1延展，但C1最高温 50 度可达700℃，整个气化过程热电偶温度值波动较 567891011121314151617 大.这是因为在试验过程中，硅烷与氧反应产生了 时间/h 大量的二氧化硅，二氧化硅通过氧气沉积于管口附 图5燃烧时间对A1A4热电偶温度的影响 近的煤层中，阻碍了煤层的燃烧，降低了煤层燃烧 Fig.5 Effects of burning time on the temperature of thermo- 率，所以温度波动较大.另一个主要原因是顶部淋 couples Al to A4 水会干扰点火过程.深部煤层往往处于含水较为丰 富的地层，如果采用普通点火方法，地下水会使点 120 火器短路，造成点火器的损坏；采用化学点火方式， 100 +A57 如果在钻井煤层处通过保持一定的压力控水，使点 动 -A6 A7 火区煤层尽量不受水的影响，就可以使用该法将煤 A8 层顺利点燃 40 通过试验数据表明，93%富氧-硅烷化学点火法 20 较空气·硅烷点火法点火效果明显，它可以将煤层 OL 1234567891011121314151617 快速点燃，在点火点附近煤层温度上升较快，燃烧 时间/h 比较充分.温度场从气流通道逐渐向气化通道以及 图6燃烧时间对A5~A8热电偶温度的影响 煤层扩散，气流通道的温度最高.通过调整两种气 Fig.6 Effects of burning time on the temperature of thermo- 体的比例，当硅烷与氧气的体积比为1：3.33时，温度 couples A5 to A8 上升最快，所以该比例的混合气体是点火剂的最佳第 期 梁新星等 深部煤层地下气化化学点火方法研究及数值模拟 点 火试 验 过程 分析 为 了模拟地下的高压环境, 在试验过程 中利用 高压空气瓶和氧气瓶给系统加压 , 试验过程 中压力 保持在 空气及 富氧与硅烷的反应 空气与硅烷 的反应过程如下 向炉内通入 空 气 , 使炉体 内部充满空气 , 当炉体系统压力升到 时, 打开控制硅烷气体阀门向系统提供硅烷气 体, 此时在系统 内部的硅烷与空气发生 自燃, 且释 放 出大量的热量, 空气及硅烷通入时间为 排 热 电偶温度变化趋势见 图 和图 所示 由图可 以看 出, 在空气及硅烷点火 内, 煤层中 测温点 最高温度不高于 ℃, 供气管 口 处 、 热 电偶的温度值低于 ℃, 由于地下煤 层的最低着火点在 、 ℃之间, 所以在输送硅 烷的管 口处很难快速地将煤层点燃 此时关 闭空气 阀门, 供入 富氧 体积分数为 , 下同 助 燃反应一段时间后 , 煤层中测温点 、 最大值 均低于 ℃, 管 口处 、 温度均低于 ℃, 所 以利用空气一硅烷点火法及后续通入 富氧也 不易立即将煤层点燃 小 十 一 自`孟曰自﹄目曰自︺ 赵夔护 时间 图 燃烧 时间对 、 热电偶温度的影响 瓜 富氧与硅烷的反应 富氧 由于氧含量 比空气 、 富氧 高, 在 流量一定时 , 一般可加快硅烷与氧的反应速率且反 应完全 富氧与硅烷 的试验过程如下 鼓入富 氧 犯 , 一` 并加入硅烷气体 · , 一` , 点火 后氧气鼓入量加大到 一`, 硅烷鼓入 量加大为 厂 并保持硅烷与氧气的体积比 为 点火 , 后 , 通过采集软件所测得 的温 度数据持续升高 , 各热 电偶温度普遍高于 ℃, 可 以判断煤层 己经开始燃烧 , 此时停止通入硅烷气 体 , 开始鼓 富氧进行气化反应 图 和 图 为 鼓 富氧后燃烧时间对 排热 电偶 、 的 温度影响图, 图 为 排气化通道热 电偶 的温度变化趋势 图 从图 中可以看出 在 点火 后, 煤层 中 测温 点 、 和 的温度迅速升高 , 均维持在 ℃以上 反应前 测温点 、 和 的 温度波动很大 , 后趋于稳定 , 测温 点 的温 度在气化过程 中一直稳定在 ℃以下 从图 可 以看 出 硅烷 出口处 气流通道 、 温度在点 火 后普遍升高 , 最 高温度达到 了 ℃, 足 以将煤层点燃 虽然温度在 、 ℃之间波动 , 但该温度高于褐煤的着火点 ℃, 即使温度不稳 定, 也可 以点燃煤层 从图 中可以看 出, 鼓入富 氧 后 , 气化通道 中 、 热 电偶的温度都 有升高, 但升高的幅度不同, 首先升高的是位于管 口附近的 , 然后逐渐 向 延展 , 但 最高温 度可达 ℃, 整个气化过程热 电偶温度值波动较 大 这是因为在试验过程中, 硅烷与氧反应产生 了 大量的二氧化硅 , 二氧化硅通过氧气沉积于管 口附 近的煤层中, 阻碍 了煤层的燃烧 , 降低了煤层燃烧 率 , 所 以温度波动较大 另一个主要原因是顶部淋 水会干扰点火过程 深部煤层往往处于含水较为丰 富的地层, 如果采用普通点火方法, 地下水会使 点 火器短路, 造成点火器的损坏 采用化学点火方式 , 如果在钻井煤层处通过保持一定的压力控水, 使点 火区煤层尽量不受水的影响, 就可 以使用该法将煤 层顺利点燃 通过试验数据表明 , 富氧一硅烷化学点火法 较空气 一硅烷点火法点火效果明显 , 它可 以将煤层 快速点燃 , 在 点火点 附近煤层温度上升较快, 燃烧 比较充分 温度场从气流通道逐渐 向气化通道 以及 煤层扩散 , 气流通道的温度最高 通过调整两种气 体的比例 , 当硅烷与氧气的体积比为 时, 温度 上升最快, 所 以该比例的混合气体是点火剂的最佳 铡蛆︺ 时间 图 燃烧 时间对 、 热电偶温度的影响 瓜