CN104297186B - 煤炭地下气化污染评价及地下水污染净化修复综合实验系统 - Google Patents

Abstract

一种煤炭地下气化污染评价及地下水污染净化修复综合实验系统，包括煤炭地下气化模拟气化炉系统、气化剂供给系统、煤气处理与分析系统和污染承压水净化修复实验系统；煤炭地下气化模拟气化炉包括立式电阻炉、反应管、温控仪、热电偶、压力表；气化剂供给系统包括二氧化碳钢瓶、氧气钢瓶、氮气钢瓶、水槽、水蒸气发生器和空气压缩机；煤气处理与分析系统由粗煤气的冷凝、洗涤及干燥装置、湿式气体流量计和气体分析仪等组成；承压水净化修复实验系统由三套不锈钢净化管串联组成。本发明可以模拟实体煤地下气化过程和地下水浸泡残渣的实际状态、并对浸泡水检测、预测地下气化残渣对地下水的污染程度，实现承压地下水或常压水污染的多级净化与修复。

Description

煤炭地下气化污染评价及地下水污染净化修复综合实验系统

技术领域

本发明涉及一种煤炭地下气化污染评价及地下水污染净化修复综合实验系统，尤其适用于煤炭地下气化过程中的环境污染风险评估及煤炭地下气化过程中承压地下水中污染物的净化。

背景技术

煤炭地下气化是直接在地下将煤炭进行有控制的燃烧而转化成气体燃料或化工原料的一种煤炭资源开发技术。与常规地面气化相比，煤炭地下气化具有可观的经济效益和良好的环境效应，其煤气成本仅为地面气化的25-50%，合成氨生产成本降低约43%，发电成本降低27%，生产天然气代用品成本降低10-18%，且能开发井工开采不可到达的煤层。

煤炭地下气化可大大减少燃煤污染、煤矸石及灰渣的排放等，且与CO₂的捕获与封存技术相结合将有特殊的应用前景。因此，煤炭地下气化被誉为绿色开采技术，也是煤炭安全洁净利用的重要途径。但煤炭地下气化过程中对地下水的污染和毒化也是人们越来越重视的问题。煤炭地下气化是在地下封闭环境条件下进行，气化过程中产生的各种有害气体（包括各种有毒重金属蒸汽及有机气体等）将会沿围岩中的孔隙和裂隙迁移，可能污染地下水；气化固体残留物（灰渣及半焦）存留于地下，当地下水进入燃空区时，固体残留物中的有毒重金属和有机物可能污染地下水。因此，地下水污染被认为是最为严重的与煤炭地下气化有关的潜在环境风险。

已有研究证实，煤炭地下气化过程中产生的有机污染物主要是酚类、苯及其衍生物、多环芳烃、杂环化合物等，无机污染主要包括重金属、氨、氰化物、硫酸盐及放射性物质等。煤炭地下气化对地下水污染可能持续到气化结束5年甚至更长时间。由此可见，煤炭地下气化可能造成地下水资源污染，使其失去绿色开采的意义，甚至制约其推广应用。

目前，国内外研究者对煤炭地下气化可能造成地下水资源的污染越来越重视，并开展了大量的相关研究，但主要集中在煤炭地下气化过程中有害微量元素（Zn、Cd、Pb、As等）等无机污染的富集与迁移、粗煤气冷凝水中有机污染物组成与净化处理、地下气化残渣中有害微量元素的环境效应、煤炭地下气化现场试验地下水污染监测等方面。而对煤炭地下气化过程中污染物带来的潜在环境风险缺乏综合的评价方法和相关的实验系统。因此，开发一种能够较为准确预测煤炭地下气化过程中污染物迁移规律的评价系统对煤炭地下气化技术的推广应用，保护地下水资源具有重要意义。

此外，煤炭地下气化是在位于地下数百米深处的实体煤中进行，气化燃空区地下水多属于承压水，且受气化过程高温影响该地下水具有一定的温度。因此，煤炭地下气化过程中污染物在承压地下水中的浸出和迁移规律等可能与常温常压条件下不尽相同。目前，虽然对地下水污染修复技术研究较多，如抽出-处理技术（P＆T），渗透反应墙技术（PRBs），化学氧化技术，生物降解技术等，但主要集中在污染后期处理与修复，处理工艺复杂，且受污染物种类和经济成本限制，并不适用于煤炭地下气化燃空区地下水污染的净化与修复。而专利（申请号：201310646261.6）报道的一种曲流式地下水污染修复装置及专利（申请号：201310547704.6）报道的一种地下水污染多级处理净化工艺等均未考虑到煤炭地下气化燃空区地下水具有一定温度和承压的特殊性，故也不适合用于煤炭地下气化过程中地下水污染的修复。

发明内容

本发明的目的正是针对上述现有技术中所存在的不足之处而提供一种操作简便、易于控制的煤炭地下气化污染评价及地下水污染净化修复综合实验系统。

本发明的目的可通过下述技术措施来实现：

本发明的煤炭地下气化污染评价及地下水污染净化修复综合实验系统包括煤炭地下气化模拟气化炉系统、气化剂供给系统、煤气处理与分析系统和污染承压水净化修复实验系统。

a、所述煤炭地下气化模拟气化炉系统用于模拟实体煤地下气化和气化后承压水对气化残留物的浸泡；它包括安装在立式电阻炉内的反应管，所述反应管底部采用锥形设计，并在锥形与圆柱体接口处内部固定设置第一不锈钢筛网，反应管锥形下部出口通过四通阀分别与污染承压水净化修复实验系统、气化剂供给系统的相应装置相连接，在反应管上端固定安装有反应管盖，在反应管盖上安装有压力表、安全阀，在反应管中设置有热电偶，热电偶通过电连接方式与温控仪相连，在反应管盖上设置有与气化剂供给系统相连接的进水口、与煤气处理与分析系统相连接的出气口。

b、所述气化剂供给系统用于提供各种气化剂（水蒸气、富氧空气或二氧化碳），以便满足不同气化工艺的需要；它包括水槽、水蒸气发生器、水泵、氧气钢瓶、氮气钢瓶、二氧化碳钢瓶和空气压缩机；所述水槽采用三通阀分别与水蒸气发生器和水泵的进水口相连，所述水泵的出水口通过管路与反应管盖上设置的进水口相连；所述水蒸气发生器、氧气钢瓶、氮气钢瓶、二氧化碳钢瓶和空气压缩机分别通过减压阀和流量计及相应管路依次连接；且所述水蒸气发生器、氧气钢瓶、二氧化碳钢瓶及空气压缩机通过管路及相应控制阀门与设置在反应管锥形下部出口处的四通阀相连；所述氮气钢瓶通过管路及相应控制阀门与反应管盖上设置的进水口相连。

c、所述煤气处理与分析系统主要用于煤炭地下气化过程中粗煤气的净化、气体组分分析和焦油、洗涤水中有害物质的检测；它包括通过管路依次相连的冷凝装置、洗涤装置、干燥装置和湿式气体流量计、气体分析仪，所述冷凝装置通过管路及相应控制阀门与反应管盖上设置的出气口相连接。

d、所述污染承压水净化修复实验系统用于煤炭地下气化过程中承压污染地下水的净化与修复；它包括第一、第二、第三级净化修复装置，所述的三级净化修复装置由三套净化管通过阶梯式串联组成，并设置落差梯度，三级净化管底部均采用锥形设计，且在锥形与圆柱体接口处内部固定设置有第二不锈钢筛网；所述三级净化修复装置中位于上部的第一级净化修复装置通过管路及相应控制阀门与设置在反应管锥形下部出口处的四通阀相连。

本发明中所述的反应管采用不锈钢材料制备而成的反应管，具有承压、耐高温性能。

本发明的工作原理如下：

a、煤炭地下气化模拟气化炉系统：将实体煤装入反应管中，用温控仪和热电偶控制立式电阻炉加热，通过外加热方式建立煤炭地下气化所需的高温温度场，并向反应管中提供不同气化剂来实施各种气化工艺。反应管采用合金钢材质，能够承压和耐高温。反应管出气口端管盖上安装压力表和安全阀，用于在线监测反应管中的压力和安全防护。

b、气化剂供给系统：在实体煤模拟地下气化过程中主要由气化剂供给系统为反应体系提供各种气化剂，以满足不同的气化工艺。其中二氧化碳、氧气及氮气由相应的气体钢瓶提供；空气通过空气压缩机提供；水蒸气则由水蒸气发生器提供，各气路之间通过金属软管连接，并采用阀门控制开关和气体流量。

c、煤气处理与分析系统：煤炭地下气化过程中产生的粗煤气由出气管道导出后，经冷凝、洗涤及干燥装置和湿式气体流量计，最终由气体分析仪分析有效煤气组分，确定气体中污染物成分及含量；使用水质分析仪、气相色谱-质谱联用等检测设备分析洗涤水和经冷凝后焦油中的有害成分及含量。

d、污染承压水净化修复实验系统：实体煤地下气化模拟实验结束后，残留的半焦及灰渣将留在反应管中，在高温状态下，采用外加水泵向反应管中注入地下水对残渣进行浸泡，并通过外加氮气向反应管中提供一定压力，模拟承压地下水度高温气化残渣的浸泡。当残渣浸泡结束后，用气相色谱-质谱联用、原子吸收光谱和等离子体质谱等检测浸出液的成分及浓度，考察气化残渣中有害成分在承压地下水中浸出与迁移，评价煤炭地下气化对地下水的污染；利用阶梯式串联三级净化管对浸出液进行不同工艺的净化处理，达到煤炭气化地下水污染净化与修复的目的。

这样，由上述四部分组建成的煤炭地下气化污染评价及地下水污染净化修复综合实验系统不仅可以模拟实体煤地下气化实际过程，而且能够检测气化过程中污染物等有害成分在粗煤气中的分布，同时还能够考察气化残留物在承压地下水中的浸出和迁移规律，并实现承压地下污水的净化与修复，最终达到煤炭地下气化污染评价及地下水污染净化与修复的目的。

本发明的有益效果如下：

（1）本发明可以模拟实体煤地下气化过程，进而掌握煤炭地下气化过程中污染物等有害成分的产生及分布规律，从而实现对煤地下气化过程中污染物可能造成的环境污染风险进行综合评价。

（2）本发明可实现承压地下水对煤炭地下气化高温残渣的浸泡，模拟煤炭地下气化燃空区地下水浸泡残渣的实际状态，并对浸泡水进行检测，预测煤炭地下气化残渣对地下水的污染程度。

（3）本发明可实现承压地下水污染或常压水污染的多级净化与修复。

附图说明

图1为本发明的结构原理图。

图中序号说明：1是立式电阻炉，2是反应管，3是温控仪，4是热电偶，5是压力表，6是安全阀，7是第一不锈钢筛网，8是四通阀，9是反应管盖，10是水槽，11是水蒸气发生器，12是水泵，13是氧气钢瓶，14是二氧化碳钢瓶，15是氮气钢瓶，16是空气压缩机，17是减压阀，18是流量计，19是冷凝装置，20是洗涤装置，21是干燥装置，22是湿式气体流量计，23是气体分析仪，24是第一级净化修复装置（净化管），25是第二级净化修复装置（净化管），26是第三级净化修复装置（净化管），27是第二不锈钢筛网，28是净化管管盖，29是压力表，30是三通阀。

具体实施方式

本发明以下将结合实施例（附图）作进一步描述：

如图1所示，本发明的煤炭地下气化污染评价及地下水污染净化修复综合实验系统包括煤炭地下气化模拟气化炉系统、气化剂供给系统、煤气处理与分析系统和污染承压水净化修复实验系统。

a、所述煤炭地下气化模拟气化炉系统用于模拟实体煤地下气化和气化后承压水对气化残留物的浸泡；它包括安装在立式电阻炉1内的不锈钢制成的反应管2，所述不锈钢制成的反应管2底部采用锥形设计，并在锥形与圆柱体接口处内部固定设置用于放置实体煤样品和气化后残渣的第一不锈钢筛网7，反应管锥形下部出口通过四通阀8分别与污染承压水净化修复实验系统、气化剂供给系统的相应装置相连接，通过四通阀8可从不锈钢制成的反应管2底部向不锈钢制成的反应管2中输送各种气化剂，确保实现不同气化工艺，并可通过调节四通阀8实现将高温浸泡后承压地下水导入后续的净化与修复系统以及采样分析；在不锈钢制成的反应管2上端采用法兰盘固定反应管盖9，在反应管盖9上安装有压力表5、安全阀6，在反应管2中设置有热电偶4，热电偶4通过电连接方式与温控仪3相连，在反应管盖9上设置有与气化剂供给系统相连接的进水口、与煤气处理与分析系统相连接的出气口，分别用于气化过程中粗煤气导出和气化结束后浸泡残渣时地下水注入；进一步说，安装在反应管盖9上的压力表5、安全阀6用于在线监测不锈钢制成的反应管2中的压力和安全防护；温控仪3与热电偶4相连，用于控制立式电阻炉1加热，热电偶4通过螺栓固定于反应管盖9上，并置于不锈钢制成的反应管2中，用于测定不锈钢制成的反应管2中实体煤气化过程中的温度和气化残渣浸泡时的水温，以便于控制模拟地下气化时的反应温度和残渣浸泡水温的监测。

b、所述气化剂供给系统用于提供各种气化剂（水蒸气、富氧空气或二氧化碳），以便满足不同气化工艺的需要；它包括水槽10、水蒸气发生器11、水泵12、氧气钢瓶13、二氧化碳钢瓶14、氮气钢瓶15和空气压缩机16；所述水槽10采用三通阀分别与水蒸气发生器11和水泵12的进水口相连（用于气化过程中产生水蒸气，实现水蒸气气化和气化结束后通过反应管盖9上进水口向不锈钢制成的反应管2中注入地下水），所述水泵12的出水口通过管路与反应管盖9上设置的进水口相连；所述水蒸气发生器11、氧气钢瓶13、二氧化碳钢瓶14、氮气钢瓶15和空气压缩机16分别通过减压阀17和流量计18及相应管路依次连接，且通过管路及相应控制阀门与设置在反应管锥形下部出口处的四通阀8相连，用于提供不同气化工艺所需的气化剂（氮气钢瓶15不用做气化剂，只用于浸泡时向反应管提供压力）；且所述氮气钢瓶15通过管路及相应控制阀门与反应管盖9上设置的进水口相连，实验气化结束后向不锈钢制成的反应管2中注入地下水和提供压力模拟承压地下水对气化残渣浸泡。

c、所述煤气处理与分析系统主要用于煤炭地下气化过程中粗煤气的净化、气体组分分析和焦油、洗涤水中有害物质的检测；它包括通过管路依次相连的冷凝装置19、洗涤装置20、干燥装置21和湿式气体流量计22、气体分析仪23，所述冷凝装置19通过管路及相应控制阀门与反应管盖9上设置的出气口相连接；更具体说，煤炭地下气化过程中产生的粗煤气由反应管盖9上设置的出气口导出后，依次经过冷凝装置19、洗涤装置20、干燥装置21和湿式气体流量计22后，由气体分析仪23分析气体的组分，并使用气相色谱-质谱联用等分析冷凝后焦油、洗涤水中污染物的成分及含量，实现对煤炭地下气化粗煤气净化后污染物分布的评价。

d、所述污染承压水净化修复实验系统用于煤炭地下气化过程中承压污染地下水的净化与修复；它包括第一、第二、第三级净化修复装置24、25、26，所述的三级净化修复装置由三套净化管通过阶梯式串联组成，并设置落差梯度，三级净化管底部均采用锥形设计，且在锥形与圆柱体接口处内部固定设置有第二不锈钢筛网27（用于放置不同的化学净化药剂或净化吸附材料）；所述三级净化修复装置中位于上部的第一级净化修复装置24通过管路及相应控制阀门与设置在反应管锥形下部出口处的四通阀8相连。

更具体说，所述的三级净化修复装置24、25、26上端均采用法兰盘固定净化管管盖28，且在净化管管盖28上设置进水口、放气阀和压力表29，便于上一级水流注入和在线监控各段净化管中的压力。所述的三级净化修复装置24、25、26均与三通阀30相连，用于各级净化后水样的抽取和检测，随时掌握污水净化与修复效果，同时也可使每一级净化管成为一个独立的净化与修复单元，适用于不同的净化工艺。所述的三级净化修复装置24、25、26管盖28上设置的进水口通过金属软管与上级出水口的三通阀30相连，并通过三级净化修复装置24、25、26的落差梯度和三通阀30控制净化管中水的流向。净化结束后，检测经净化处理后污水的成分和浓度，检验净化与修复效果。

污染承压水净化修复实验系统的具体工作方式如下：

实体煤地下气化模拟实验结束后，残留的半焦及灰渣将留在不锈钢制成的反应管2中，在高温状态下，利用水泵12抽取水槽10中的地下水，经由反应管盖9上的进水口向不锈钢制成的反应管2中注入地下水，对气化残渣进行浸泡，利用氮气钢瓶15经阀门控制向不锈钢制成的反应管2中输入氮气，由反应管盖9上固定的压力表5测定不锈钢制成的反应管2内的压力，通过调节输入不锈钢制成的反应管2中的气体量来达到不同的压力，实现气化残渣在不同承压条件下地下水中的浸泡。当浸泡实验结束后，由四通阀8抽取少量浸出液，采用气相色谱-质谱联用、原子吸收光谱和等离子体质谱等检测浸出液中有害组分及浓度，分析气化残留渣中有害成分在承压地下水中的溶出及迁移规律。然后，通过调节四通阀8将浸泡后污染地下水注入后续三级净化修复装置，对煤炭地下气化污染地下水进行净化与修复处理。

这样，当进行煤炭地下气化模拟试验时，将实体煤装入不锈钢制成的反应管2，通过煤炭地下气化模拟气化炉系统控制实体煤气化，气化剂则由气化剂供给系统提供，并可通过调节气化剂供给系统实现不同的气化工艺。气化过程中所产生的粗煤气依次经过冷凝装置19、洗涤装置20、干燥装置21和湿式气体流量计22后，由煤气处理与分析系统中的气体分析仪23检测煤气中有害成分，并利用气相色谱-质谱联用以及水质分析仪对粗煤气经冷凝后产生的焦油及经洗涤后洗涤水的中污染物进行检测，综合评估粗煤气中有害成分的种类、含量及分布。

气化结束后，停止立式电阻炉1的加热和气化剂供给系统中气化剂的供给，打开水泵12向不锈钢制成的反应管2中注入地下水对气化残渣进行高温浸泡，通过氮气钢瓶15向不锈钢制成的反应管2中注入气体使管内压力达到预设值，模拟煤炭地下气化残渣在承压地下水的浸泡，并利用气相色谱-质谱联用、原子吸收光谱和等离子体质谱等检测浸出液污染物的成分及浓度，评估气化残留渣中有害成分在承压地下水中的溶出及迁移规律。浸泡结束后，打开四通阀8，将浸泡水注入承压水净化修复实验系统，进行净化与修复实验，并检测经净化处理后浸泡水的成分和浓度，检验净化效果。

Claims (1)

1.一种煤炭地下气化污染评价及地下水污染净化修复综合实验系统，其特征在于：它包括煤炭地下气化模拟气化炉系统、气化剂供给系统、煤气处理与分析系统和污染承压水净化修复实验系统；

a、所述煤炭地下气化模拟气化炉系统包括安装在立式电阻炉内的反应管，所述反应管底部采用锥形设计，并在锥形与圆柱体接口处内部固定设置第一不锈钢筛网，反应管锥形下部出口通过四通阀分别与污染承压水净化修复实验系统、气化剂供给系统的相应装置相连接，在反应管上端固定安装有反应管盖，在反应管盖上安装有压力表、安全阀，在反应管中设置有热电偶，热电偶通过电连接方式与温控仪相连，在反应管盖上设置有与气化剂供给系统相连接的进水口、与煤气处理与分析系统相连接的出气口；

b、所述气化剂供给系统包括水槽、水蒸气发生器、水泵、氧气钢瓶、二氧化碳钢瓶、氮气钢瓶和空气压缩机；所述水槽采用三通阀分别与水蒸气发生器和水泵的进水口相连，所述水泵的出水口通过管路与反应管盖上设置的进水口相连；所述水蒸气发生器、氧气钢瓶、二氧化碳钢瓶、氮气钢瓶和空气压缩机分别通过减压阀和流量计及相应管路依次连接，且所述水蒸气发生器、氧气钢瓶、二氧化碳钢瓶和空气压缩机通过管路及相应控制阀门与设置在反应管锥形下部出口处的四通阀相连；所述氮气钢瓶通过管路及相应控制阀门与反应管盖上设置的进水口相连；

c、所述煤气处理与分析系统包括通过管路依次相连的冷凝装置、洗涤装置、干燥装置和湿式气体流量计、气体分析仪，所述冷凝装置通过管路及相应控制阀门与反应管盖上设置的出气口相连接；

d、所述污染承压水净化修复实验系统包括第一、第二、第三级净化修复装置，所述的三级净化修复装置由三套净化管通过阶梯式串联组成，并设置落差梯度，三级净化管底部均采用锥形设计，且在锥形与圆柱体接口处内部均固定设置有第二不锈钢筛网；所述三级净化修复装置中位于上部的第一级净化修复装置通过管路及相应控制阀门与设置在反应管锥形下部出口处的四通阀相连。