CN102721485B - 煤炭地下气化炉二维平面温度场的实时监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种煤炭地下气化炉二维平面温度场的实时监测方法，其包括：以煤炭地下气化炉的进气孔和出气孔的连线为基准，在煤炭地下气化炉的地面确定探测点阵列；在地下气化炉点火前后和气化阶段，连续地监测各探测点土壤中的氡值，根据各探测点氡值的变化规律，得到二维平面温度影响场，即气化炉温度场的平面几何模型；将煤炭地下气化炉的进气孔气化剂和出气孔煤气的温度、以及二维平面温度影响场一起作为边界条件输入煤炭地下气化温度场数学模型，以获得煤炭地下气化炉温度场。本发明能更真实地反映煤炭地下气化炉温度变化的二维平面温度场。

Description

煤炭地下气化炉二维平面温度场的实时监测方法

技术领域

本发明涉及一种煤炭地下气化炉二维平面温度场的实时监测方法。

背景技术

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可燃气体的过程。具有安全性好、投资少、效益高、污染少等优点，深受世界各国的重视，被誉为第二代采煤方法。

煤炭地下气化在煤层中的气化通道里进行，煤层点火后，从进气孔鼓入气化剂，使煤层燃烧、气化，煤气由出气孔排出。煤炭地下气化过程实际上是一个自热平衡过程，依靠煤燃烧产生的热量建立起理想的温度场，有利于可燃气体生成反应的进行，使煤气中H₂、CO、CH₄等有效成分增加，煤气热值提高。可见，温度场不仅是一切反应的基础，它还间接反应气化炉的燃烧状态。因此，选取有效的、能连续记录和判断地下气化炉温度场分布的探测方法和解释手段，对地下气化的稳定控制有着至关重要的作用。

现有技术对判断地下气化炉温度场分布提出了一些技术方案。例如以下介绍的现有技术一到现有技术五。

现有技术一：“温度测定法”，利用测温传感器与相关仪表相结合测取煤或围岩温度的温度测定法。新奥气化采煤有限无井式地下气化采用的就是这种测温方法，这也是是目前国内外在煤炭地下气化最广泛应用的一种方法。测温传感器主要有热电偶、铂电阻、数字温度传感器等。把温度传感器通过钻孔布置在待气化的煤层，根据传感器温度变化来确定高温点的位置、发展变化速度。此方法受外界干扰少，测定准确，煤温只要升高，传感器位置合适，就能有效探测。这种方法受煤体温度场传导速度的限制，测温传感器布置数量和测温钻孔施工的影响，从而额外增加了工作量和费用，在现场的工业化生产中，成本高，难于推广。从现场使用效果来看，存在工作环境带有强酸性、强腐蚀性，工作温度较高（最高达1300℃）造成热电偶极易损坏；热电偶低压下放过程中的移动密封如何解决等问题，给热电偶的使用带来诸多问题，目前还未有有效的解决方案。

现有技术二：文献“煤炭地下气化燃空区煤层扩展模型与试验研究”，依据质量守恒、能量守恒和化学组分平衡描述了煤炭地下气化过程，建立了燃空区煤层扩展数学模型。通过模型试验进行对比，描述了20h温度场的分布。这种方法的缺点是边界条件的设定为假设理想状况，利用了300℃温度点为界限来确定燃空区的边界，未考虑热影响区，很难进行现场验证与应用。

现有技术三：文献“煤炭地下气化动态温度场CFD计算与分析”，在煤炭地下气化过程数学模拟的基本前提和假设的基础上，建立了煤炭地下气化过程动态温度场的数学模型，应利用PHOENICS软件进行计算，得到温度场扩展彩色云图，计算结果与模型试验实测结果进行了对比，具有一定的差异，但整体趋势是一致的。这种方法的缺点是，在模型计算中进行了大量的简化，并认为煤层是均质的。没有考虑到煤炭地下气化反应的复杂性，难以实际应用。

现有技术四：文献“测氡法探测地下气化燃烧区及移动速度研究”，在分析了测氡法应用于确定燃烧区范围和移动速度可行性的基础上，提出了采用测氡法对急倾斜煤层中煤炭地下气化燃烧区范围和移动速度进行监测的有益探索。这种方法的缺点是：采用活性炭测氡法，属离线分析，探测周期较长，一般为5-10d，不能实时监测火区变化，给工艺的及时调控带来一些困难。到目前为止，利用氡探测技术只能反映地下气化火区的位置和运移趋势，地面氡与地下燃烧区温度场的分布及其变化之间的规律研究方面未见专利和相关研究报道。又例如，申请号为200910150724.3的中国发明专利，公开了“一种煤炭地下气化炉燃烧状态确定方法、系统和装置”其采用的就是活性炭测氡法，采用离线分析，不能实时监测火区变化。

现有技术五：文献“煤层隐蔽火源红外成像探测技师的应用研究”，利用物体的温度不同红外辐射量场也不同的原理，运用红外成像技术探测疑似自燃煤体以及周边岩体，从而确定自燃性质及范围。在国内外这一方法已较广泛用于地面煤堆自燃和井下煤炭自燃火源的探测。国内兖州、开滦、徐州等矿区采用红外测温仪测定井下煤壁温度。红外测温仪是测取点温，红外成像仪是扫描成像测取温度。在国内，红外热成像仪井下没见应用，而在煤田地质调查、地震预报、地下水探测、岩突、岩爆等方面得到了应用。现有技术五的缺点是，无井式气化是通过钻井来构建气化炉，首先不能保证钻孔的准直度，并且井下温度超过仪器的工作温度，化学环境恶劣，不能将仪器安装在钻孔下故无法使用。另外红外测温仪测只能测点温，无法综合准确判断煤的燃烧区域。

鉴于以上问题，有必要采用一种有效、便捷、低成本的反映地下气化炉燃烧状态和温度场变化的实时监测方法，将现有探测方法融合，通过有效地数据模拟计算，实时监控地下气化炉燃烧状态和反演温度场，为实施煤炭地下气化的有效控制提供及时准确的信息。

发明内容

针对相关技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种煤炭地下气化炉二维平面温度场的监测方法，以实时地获得能更真实地反映煤炭地下气化炉温度变化的二维平面温度场。

为实现上述目的，本发明提供了一种煤炭地下气化炉二维平面温度场的实时监测方法，包括：以煤炭地下气化炉的进气孔和出气孔的连线为基准，在煤炭地下气化炉的地面确定探测点阵列；在地下气化炉点火前后和气化阶段，连续地实时监测各探测点土壤中的氡值，根据各探测点氡值的变化规律，得到二维平面温度影响场，即得到气化炉温度场的平面几何模型；以煤炭地下气化炉的进气孔底和出气孔底的温度、以及二维平面温度影响场一起作为边界条件输入煤炭地下气化温度场数学模型，以获得煤炭地下气化炉二维平面温度场。

优选地，垂直于基准布置多条测线，按照设定距离在每条测线上布置多个探测点，以构成的探测点阵列。

优选地，进气孔底和出气孔底的温度，均由热电偶测得。

优选地，利用实时测氡装置，进行所述的连续地实时监测各探测点土壤中的氡值。

优选地，监测方法还包括：利用实时测氡装置测各探测点的温度和湿度，修正从各探测点测得的氡值，以获得对应于各探测点的修正氡值，其中，二维平面温度影响场，是所述的对应于各探测点的修正氡值的变化规律得到的，实时测氡装置上加装有用以测量温度和湿度的温湿度测量模块。

优选地，利用实时测氡装置测各探测点的温度和湿度，修正从各探测点测得的氡值，以获得对应于各探测点的修正氡值，二维平面温度影响场，是根据所述的对应于各所述探测点的修正氡值的变化规律得到的。

优选地，煤炭地下气化温度场数学模型，是基于滑移界面运算法则的二维非线性动态温度场数学模型。

本发明的有益技术效果在于：

本发明在地下气化炉点火前后和气化阶段连续地实时监测各探测点土壤中的氡值，根据各探测点氡值的变化规律得到二维平面温度影响场，即得到气化炉温度场的平面几何模型，并且将二维平面温度影响场的数据集、以及气化炉进气孔底和出气孔底的温度作为煤炭地下气化炉温度场数学模型的边界条件，所以本发明能够获得更真实地反映煤炭地下气化炉温度变化的二维平面温度场。

进一步，本发明对二维平面温度影响场进行了修正，从而相比于本发明前述未修正的二维平面温度影响场，本发明获得的二维平面温度场也是修正后的，其能够更加真实地反映煤炭地下气化炉温度变化。

附图说明

图1是采用本发明监测方法中现场测氡的示意图；

图2是本发明所采用的实时测氡装置中的集气室、和安装在集气室上的探测器的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，煤炭地下气化工艺是自地面向下打钻孔到煤层，其中一个钻孔为进气孔1，另一个钻孔为出气孔2，利用煤层压裂等方法在两孔中形成气化通道3。点火后，进气孔1将气化剂（空气、水蒸气、富氧空气等）输送到煤层，气化剂在煤层的气化通道3中进行不完全燃烧，并连续气化，生产的可燃气体从出气孔2输送到地面。

在煤炭地下气化过程中，随着化学反应的不断进行，在煤层中形成动态温度场（500～1300℃）。温度场不仅是一切反应的基础，同时，它还间接反映气化炉的燃烧状态，因此，测量气化炉内的温度场分布，对地下气化的稳定控制有着至关重要的，目前还没有办法探测到温度场的分布形态，所以采用相关的技术和方法来确定温度场的分布及变化就显得尤为重要。

参见图1，本发明的监测方法包括如下步骤（1）-（4）：

步骤（1），以煤炭地下气化炉的进气孔和出气孔的连线为基准，在煤炭地下气化炉的地面确定探测点阵列A1-An。例如，可以垂直于基准布置多条测线，按照设定距离在每条测线上布置多个探测点，以构成探测点阵列。当然也可以其他任何方式布置探测点阵列，只要是在在煤炭地下气化炉的地面、并且以煤炭地下气化炉的进气孔和出气孔的连线为基准即可。

步骤（2），在煤炭地下气化炉点火前后和气化阶段，连续地实时监测各探测点A1-An下土壤的氡值，这可以采用实时测氡装置进行。

步骤（3），以实时测量的各探测点的测氡位置下方土壤的温度和湿度，对各探测点的实时氡值进行修正，根据各探测点氡值（前述的修正后氡值）的变化规律，以得到二维平面温度影响场。具体地，将煤炭地下气化炉点火前后和气化阶段期间，各探测点的修正后的所有氡值形成二维平面氡异常分布场4，这就是二维平面温度影响场。由于，氡变化与温度成正相关关系（例如参见文献“测氡法探测地下气化燃烧区及移动速度研究（CN37-1449/TU、山东建筑大学学报）”和专利“一种煤炭地下气化炉燃烧状态确定方法、系统和装置（公开号为101649735的中国专利）”），因此，可利用例如spss和surfer等软件对修正后的氡值进行处理，以获得二维平面温度影响场。

步骤（4），将构成二维平面温度影响场的数据集、以及地下气化炉的进气孔底和出气孔底的温度（这个温度可以采用例如热电偶测量），一起作为煤炭地下气化温度场数学模型的边界条件，以得到煤炭地下气化炉二维平面温度场（例如，图1中示出的气化温度场剖面5）。由于各探测点的氡值是实时测量的，相应地可以认为：当以上述边界条件带入上述数学模型后所获得的二维平面温度场就是实时温度场。

其中，步骤（4）中的煤炭地下气化温度场数学模型使用《煤炭地下气化三维非线性动态温度度场数值模拟》（中国矿业大学学报、杨兰和、32-1593/C，2000.03）中的数学模型（如下式），该数学模型是三维温度场动态模型，在煤炭地下气化过程中，地下气化炉气化通道的高度和宽度比其长度要小的多，所以本专利只针对煤层中二维温度场问题。

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂}{\∂x}\left({\mathrm{\λ}}_x\left(T\right)\frac{\∂T}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left({\mathrm{\λ}}_y\left(T\right)\frac{\∂T}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left({\mathrm{\λ}}_z\left(T\right)\frac{\∂T}{\∂z}\right)+q_v(x,y,z,t)=\mathrm{\ρc}\left(T\right)\frac{\∂T}{\∂t}\\ t=0,T(x,y,z,t)=T(x,y,z,0)\\ S=S_T,T(x,y,z,t)=T(x_{\mathrm{\ω}},y_{\mathrm{\ω}},z_{\mathrm{\ω}},t)\\ S=S_q,q_w=-\mathrm{\λ}(\∂T/\∂n)\mathrm{\ω}\\ S=S_a,a(T_{\mathrm{\ω}}-T_a)=-\mathrm{\λ}(\∂T/\∂n)\mathrm{\ω}\\ 0\≤x\≤b,0\≤y\≤h,0\≤z\≤L\\ 0\≤t\≤N_t\end{array}\right.$

式中λ_x(Τ)、λ_y(Τ)、λ_z(Τ)分别为x、y、z方向上的导热系数，W/(m²·K)W/（m2；c(T)为比热容，J/(kg·K)；ρ为密度，(kg·m³)；q_v(x,y,z,t)为热源的发热率，W/m³；T为温度，K；t为时间；q_w为边界上的热流密度，W/m²；a为对流交换系数，W/(m²·K)；N为总时间，s；n为表面的外法线方向；下标“ω”表示边界面；S_T、S_q和S_a分别为温度、热流和对流交换热条件。

模型中其他参数具体计算方法可以查阅文献《煤炭地下气化动态温度场及浓度场数值分析》（中国矿业大学学报2003年7月）、《煤炭地下气化三维非线性动态温度场数值模拟》（中国矿业大学学报，2000年3月）。

在利用上述数学模型时，根据本发明中实时测氡得到的地下气化炉温度场得平面几何模型，根据得到的温度影响场进行边界条件的概化，设定边界条件。运用PHOENICS对煤炭地下气化过程进行数值模拟主要是基于IPSA（滑移界面运算法则模型）模型。采用有限单元法对上述温度场数学模型进行求解。在网格的划分过程中，以充分刻画气化煤层动态温度场的变化规律为原则，要求所有的测氡点全部落在网络节点上。

尽管以上描述的本发明示例采用了一个数学模型。但是，实际上本发明不仅局限于上述的一个数学模型，数学模型仅是实现本发明是所采用的一个工具，本发明的基本构思在于：获得平面温度影响场，以及将二维平面温度影响场的数据集、以及气化炉进气孔底和出气孔底的温度作为煤炭地下气化炉温度场数学模型的边界条件，显然这里数学模型除了采用上述的之外还可以采用其他数学模型。例如，可以采用如下梁杰等在如下文献公开的数学模型：煤炭地下气化过程稳定性及控制技术【M】.徐州：中国矿业大学出版社，2002。至于能够采用的其他数学模型不再列举，因为煤炭地下气化过程包含有剧烈的燃烧放热化学反应和多相吸热化学反应的流动过程，可以用自然界中物质运行和变化所遵循的基本定律来描述，所以，关于地下气化温度场的数学模型，多是按照质量守恒、动量平衡、能量平衡和化学组分平衡来建立的，只是表达方式上的区别。

需要指出，在上述实施例中，二维平面温度影响场是根据各探测点的修正后氡值变化规律获得的。具体而言，对实时测得的各探测点氡值进行修正以获得对应于各探测点的修正后氡值（例如，对应于某一时间点，即可获得该时间点时所有各探测点的修正氡值），从而当取一个连续时间段时，即可看出所有各探测点的修正后氡值在该连续时间段的变化规律，藉此可获得二维平面温度影响场。但实际上，可以不用对各探测点实时测得的氡值进行修正，而是直接根据某一连续时间段内，各探测点实时氡值的变化规律，来获得二维平面温度影响场。

进一步，本发明所采用的实时测氡装置是常用的测氡装置，其包括：探头单元和数据处理单元，探头单元具有集气室、探测器、电荷灵敏前置放大器、第一放大器；数据处理单元具有采集处理模块和信号发射器、以及向第一放大器、采集处理模块、信号发射器供电的蓄电池。集气室用以收集氡及其子体衰变所产生α粒子，电荷灵敏前置放大器对脉冲信号进行放大，第一放大器对脉冲信号进行转换（脉冲信号转换成波形信号）整形并放大后输出，采集处理模块将第一放大器输出的信号转化成能谱数据并对谱图进行统计分析以采集处理需要的谱段，信号发射器将指定的谱段信号发射出去。如图2示出的，实时测氡装置在集气室的入口处设有供氡穿过的多层滤膜16，氡气沿箭头Ａ方向进入集气室142。作为一种优选的实施方式，探测器选定为金硅面垒型半导体探测器12，安装在集气室14的出口处。另外为了能够实施步骤（3）中的实时测量的各探测点的测氡位置下方土壤的温度和湿度，本发明所采用的实时测氡装置还可以加装有温度湿度测量模块，这种在实时测氡装置加装温度湿度测量模块是本领域人员公知的实现方式，不再赘述。另外，具体使用时可以将上述实时测氡装置埋在各探测点以下的某个位置，这可以根据需要来定，利用可以埋在40cm以下的位置处。

综上，本发明实际上增加了：利用从各探测点中测氡位置下方实时测得的土壤温度和湿度对同一探测点的实时测氡值进行修正的步骤，以及增加了以基于修正后氡值变化规律获得二维温度影响场、以及煤炭地下气化炉的进气孔底温度和出口孔底温度作为边界条件的步骤，这都使得所获得的煤炭地下气化炉二维平面温度场更真实地反映煤炭地下气化炉的气化通道中温度的变化。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种煤炭地下气化炉二维平面温度场的实时监测方法，其特征在于，包括：

以所述煤炭地下气化炉的进气孔和出气孔的连线为基准，在煤炭地下气化炉的地面确定探测点阵列；

在所述地下气化炉点火前后和气化阶段，连续地实时监测各探测点土壤中的氡值，根据各所述探测点氡值的变化规律，得到二维平面温度影响场；

以所述煤炭地下气化炉的进气孔底和出气孔底的温度、以及所述二维平面温度影响场一起作为边界条件输入煤炭地下气化温度场数学模型，以获得所述煤炭地下气化炉二维平面温度场。

2.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，

垂直于所述基准布置多条测线，按照设定距离在每条测线上布置多个探测点，以构成所述的探测点阵列。

3.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，

所述进气孔底和出气孔底的温度，均由热电偶测得。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的监测方法，其特征在于，

利用实时测氡装置，进行所述的连续地实时监测各探测点土壤中的氡值。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的监测方法，其特征在于，还包括：

利用实时测氡装置测各所述探测点的温度和湿度，修正从各所述探测点测得的氡值，以获得对应于各所述探测点的修正氡值，

其中，所述二维平面温度影响场，是所述的对应于各所述探测点的修正氡值的变化规律得到的，所述实时测氡装置上加装有用以测量所述温度和湿度的温湿度测量模块。

6.根据权利要求4所述的监测方法，其特征在于，

利用实时测氡装置测各所述探测点的温度和湿度，修正从各所述探测点测得的氡值，以获得对应于各所述探测点的修正氡值，

其中，所述二维平面温度影响场，是根据所述的对应于各所述探测点的修正氡值的变化规律得到的。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的监测方法，其特征在于，

所述煤炭地下气化温度场数学模型，是基于滑移界面运算法则的二维非线性动态温度场数学模型。

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