CN105181165B - 一种测试煤体切割过程co释放与温度变化的装置系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测试煤体切割过程CO释放与温度变化的装置系统，它涉及一种模拟煤体破碎的测试系统。包括煤体切割模拟装置、数据采集系统；所述的煤体切割模拟装置包括配气系统（气体、压力表、控制阀、气体管路）、粉碎系统（粉碎机、变频器）；数据采集装置包括测温热电偶、气相色谱仪和数据分析收集计算机。其中配气系统与粉碎机进气端连接，气相色谱仪与粉碎机出气端连接，测温热电偶布置在煤样罐中，气相色谱仪和测温热电偶分别于计算机连接。本发明能够有效地模拟分析采煤机割煤时煤结构破坏时的温度变化及气体释放情况，该系统安装简便，易于操作，实验数据具有很好的可测性和可操作性。

Description

一种测试煤体切割过程CO释放与温度变化的装置系统
技术领域
本发明涉及的是一种模拟煤体破碎的测试系统，具体涉及一种测试煤体切割过程CO释放与温度变化的装置系统。
背景技术
为了有效预防煤矿火灾，减少因煤炭自燃而造成资源浪费及人员伤亡，我国众多学者致力于相关预测预报技术研究，标志性气体分析就是煤自燃预报技术之一。其中，一氧化碳(CO)作为煤自燃气体产物之一，因其生成量相对较大、灵敏度高，国内外大多数煤矿都采用其作为预测煤自燃的标志性气体。但近年来国内大量现场情况，如福建宁夏磁窑堡煤矿、神东矿区、内蒙大雁二矿区和五虎山煤矿显示，采煤作业空间经常出现CO浓度异常超限现象，并未发生煤炭自燃。国外如Zwak和B.Taraba也发现了类型情况.所以井下CO气体并非完全来自煤自燃。因此，识别井下CO来源对煤自燃预报准确性有着重要意义。
国内诸多学者发现采煤机切割煤体过程会分解释放出CO，如贾海林、张海军、王新宇和杨广文等发现，采煤机工作时会引起井下空气中CO浓度显著升高，捷克的B.Taraba[8]在卡文钠煤田和诺瓦基煤田四个长壁工作面也观测到了类似情况。这些观测结果证实，采煤机工作切割煤体时产生的CO是井下CO的一个重要来源，但并非是CO作为标志性气体预报煤自燃的有效量，然而这部分CO浓度与采煤机工作状态之间究竟有何关系，CO释放情况存在哪些规律，却并未有相关深入研究，如果能弄清其产生规律，受哪些因素影响，释放量多少，将为修正煤自燃预报参数、提高预测预报精度提供参考依据。
基于上述现状，设计构建了一种测试煤体切割过程CO释放与温度变化的装置系统，从煤样质量、割煤功率和割煤气氛三个方面研究了煤体切割过程CO产生情况，分析煤体切割过程CO的释放规律，这为提高CO指标气体预报煤自燃精度提供依据。
发明内容
针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种测试煤体切割过程CO释放与温度变化的装置系统，能够有效地模拟分析采煤机割煤时煤结构破坏时的温度变化及气体释放情况，该系统安装简便，易于操作，实验数据具有很好的可重复性和可操作性。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种模拟煤体破碎的测试系统。包括煤体切割模拟装置、数据采集系统；所述的煤体切割模拟装置包括配气系统（气体、压力表、控制阀、气体管路）、粉碎系统（粉碎机、变频器）；数据采集装置包括测温热电偶、气相色谱仪和数据分析收集计算机。其中配气系统与粉碎机进气端连接，气相色谱仪与粉碎机出气端连接，测温热电偶布置在煤样罐中，气相色谱仪和测温热电偶分别于计算机连接。
所述的模拟煤体切割过程的测试系统，所述气体为不与煤反应的惰性气体，且不是煤氧化的产物气体，并能根据反应的需要提供气氛条件，为氮气或氩气。
所述的模拟煤体切割过程的测试系统，所述配气系统包括气体、压力表、控制阀门和输气管路，可以实现气体配送控制。
所述的模拟煤体切割过程的测试系统，所述的切割空间为密闭粉碎机腔体，顶盖开进气孔、出气孔和测温孔，便于气路联通及热电偶安装。
本发明所述的模拟煤体切割过程的测试系统，所述的变频器与粉碎机电机连接，使用220V直流电工作，输出频率50Hz，可以实现对粉碎机刀片转速的线性调控，来实现割煤过程的模拟。
所述的模拟煤体切割过程的测试系统，所述的测温热电偶具有抗震性能好、机械强度高、响应时间短特点。热电偶连接温度变化采集器，并与计算机连接，实时监测煤体切割过程中温度的变化情况。
所述的模拟煤体切割过程的测试系统，所述的煤样罐出气端与气相色谱仪连接，利用气相色谱仪分析气体成分，为气体含量计算提供依据。
本发明所述的模拟煤体切割过程的测试系统，具有以下几个特点：一是通过利用内置刀片，实现了密闭环境下煤样的割煤过程，避免了反应后气体流失；二是利用抗震性能好响应时间快的测温热电偶来测量反应过程中的温度变化，实现了对温度的实时监控；三是该测试系统实验条件可控，组装渐变，具有很好的可操作性和可重复性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；
图1为本发明的模拟煤体切割过程装置示意图；
图2为本发明的实施例1的不同质量煤样粉碎4minCO浓度变化图；
图3为本发明的实施例1的煤样在不同电机转速下粉碎4minCO浓度变化图；
图4为本发明的实施例1的煤样在不同气氛下粉碎4minCO浓度变化图；
图5为本发明的实施例1的煤样在不同工况下粉碎4min温度变化图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参照图1，本具体实施方式采用以下技术方案：一种测试煤体切割过程CO释放与温度变化的装置系统，包括煤体切割模拟装置、数据采集系统，所述的煤体切割模拟装置包括配气系统和粉碎系统，其中配气系统包括气体(1)、压力表(2)、控制阀门(3)、进气管(4)和出气管(5)；粉碎系统包括粉碎机(6.7.8)、筛网(9)和变频器(10)；数据采集系统包括测温热电偶(11)、气相色谱仪(12)和计算机(13)。气体(1)通过进气管(4)与粉碎腔(6)连接，压力表(2)和控制阀门(3)与进气管(4)和出气管(5)相应连接，筛网(9)固定在进气管(4)和出气管(5)处，变频器(10)与粉碎机电机(7)连接，测温热电偶(11)布置在粉碎腔(6)中，测温热电偶(11)和气相色谱仪(12)分别与计算机(13)连接。
所述的气体(1)为不与煤反应的惰性气体，且不是煤氧化的产物气体。根据反应需要提供气氛条件。
所述的气体(1)为氮气或氩气。
所述的气体(1)与压力表(2)和控制阀门(3)连接，进气管(4)、出气管(5)分别于对应的控制阀门(3)连接。
所述的筛网(9)分别布置在进气管(4)、出气管(5)和测温热电偶(11)处。
所述的变频器(10)与粉碎机电机(7)连接。
所述的测温热电偶(11)灵敏度要高、抗震性能要好。
所述的测温热电偶(11)布置在粉碎腔顶端，并与计算机(13)连接。
所述的气相色谱仪(12)分别与出气管(5)和计算机(13)连接。
实施例1：1、实验过程及工况设置：实验主要考虑了煤样质量、电机转速、粉碎气氛三个因素。其中，煤样质量为被刀片充分粉碎的煤样量，以此参数来反映实际采煤工作中被采煤机截齿破碎煤量。电机转速为粉碎机电机转速，可通过变频器调控来改变刀片转动快慢，以此参数来反映采煤机工作时滚筒转动快慢。粉碎气氛分别选取了氮气氛围和空气氛围。
实验开始前，先准确称量待粉碎煤样，将其放入粉碎机粉碎腔中，然后通入相应氛围气体。待气体成分稳定后，关闭气路，设定时间，开始粉碎，计算机同步记录实验数据。考虑到电机发热问题，设定粉碎时间为4min。具体实验工况设置如表2所示。
表2 实验工况表
工况 煤样质量(g) 电机转速(r/min) 粉碎气氛 粉碎时间(m)
1 300 25000 氮气 4
2 300 20000 氮气 4
3 300 15000 氮气 4
4 300 25000 空气 4
5 200 25000 氮气 4
6 200 20000 氮气 4
7 200 15000 氮气 4
8 200 10000 氮气 4
9 200 25000 空气 4
10 100 25000 氮气 4
11 100 20000 氮气 4
12 100 15000 氮气 4
13 100 10000 氮气 4
14 100 5000 氮气 4
15 100 25000 空气 4
16 100 20000 空气 4
17 100 15000 空气 4
18 100 10000 空气 4
19 100 5000 空气 4
2 实验结果及分析
2.1 煤样质量对CO释放量影响
图2为不同质量煤样粉碎4min，CO浓度变化数据散点图，煤样质量为300g、200g和100g，分别对应图中黑色、蓝色和红色数据点。从图2中可以看出CO随粉碎时间呈现出一定阶段性：(1)无CO阶段。此阶段为粉碎初期，无CO产生；(2)CO缓慢上升阶段。此阶段开始检测到CO，且CO释放量逐渐增加；(3)CO加速上升阶段。此阶段CO释放量开始迅速增加，浓度上升速率较前一阶段明显提高。
图2中各工况CO产生情况如表3所示，结合表3中工况1(300g)、工况5(200g)和工况10(100g)数据及图2(a)可以看出：在4min粉碎时间内，工况1从70s开始检测到CO，150s后CO浓度上升速率明显加快，CO平均产生速率为1.076×10-6g·s-1；工况5从75s开始检测到CO，160s后CO浓度上升速率明显加快，较工况1分别推迟了5s和10s，CO平均产生速率为0.727×10-6g·s-1；工况10从80s开始检测到CO，较工况5推迟了5s，CO平均产生速率为0.377×10-6g·s-1。这表明：CO出现时间随煤样质量增加而提前，CO浓度上升速率随煤样质量增加而升高。图2(b)和图2(c)中实验结果也呈现出相似规律。
表3 不同质量煤样粉碎4min产生CO时间分布表
CO由C、O两种元素构成。在粉碎过程中，C元素来自煤，O元素来自煤或者空气。当煤样质量增加时，即增加了C、O两种元素总量，因此单位时间内生成CO量会随煤样质量增加而增加，CO浓度上升速率会随着煤样质量增加而升高。此外，CO浓度上升速率升高，单位时间内产生CO量会越早被检测到，因此，CO出现时间会随煤样质量增加而提前。
2.2 电机转速对CO释放量影响
图3为煤样在不同转速下粉碎4min，CO浓度变化数据散点图，电机转速分别为25000r/min、20000r/min、15000r/min、10000r/min和5000r/min，分别对应图中黑色、蓝色、红色、绿色和粉色数据点，图3中各工况呈现出图2所述阶段性。
图3中各工况CO产生情况如表4所示，结合表4中工况10(25000r/min)、工况11(20000r/min)、工况12(15000r/min)、工况13(10000r/min)和工况14(5000r/min)数据以及图3(a)可以看出：在4min粉碎时间内，工况10和工况11均从80s开始检测到CO，工况12和工况13分别从90s和130s开始检测到CO，较工况10和工况11分别推迟了10s和50s，工况14一直未检测到CO；随着电机转速降低，CO平均产生速率逐渐降低，分别为0.377×10-6g·s-1、0.239×10-6g·s-1、0.120×10-6g·s-1和0.046×10-6g·s-1。这表明：CO浓度上升速率随电机转速增加而升高，CO出现时间随电机转速增大而提前，且当电机转速增大到一定值以后，CO出现时间不再提前。图3(b)、图3(c)和图3(d)中实验结果也呈现出相似规律。
表4 煤样在不同电机转速下粉碎4min产生CO时间分布表
对于同一质量煤样，电机转速越大，单位时间内通过切割、碰撞和摩擦对煤样做功越多，煤样破碎程度就越高，所含能量越多，因此CO浓度上升速率会随着电机转速增加而增大。CO浓度上升速率升高，单位时间内产生CO量会越早被检测到，因此CO出现时间会随电机转速增加而提前。由于煤样质量一定，当电机转速足够大时，煤样达到相同破碎程度所需时间逐渐减少并最终基本趋于一致，因此当电机转速达到一定值后，CO出现时间已无明显差别。
2.3 粉碎气氛对CO释放量影响
图4为煤样在不同气氛下粉碎4min，CO浓度变化数据散点图，气氛分别为空气和氮气，分别对应图中黑色和蓝色数据点，图4中各工况呈现出图2所述阶段性。
图4中各工况CO产生情况如表5所示，结合表5中工况15(空气气氛)和工况10(氮气气氛)数据以及图4(a)可以看出：在4min粉碎时间内，工况15从100s开始出现CO，CO平均产生速率为0.920×10-6g·s-1；工况10从80s开始出现CO，较工况15提前了20s，在CO生成初期CO浓度上升速率高于工况15，经过一段时间后，CO浓度上升速率又逐渐低于工况15，CO平均产生速率低于工况15，为0.377×10-6g·s-1。图4(b)和图4(c)中实验结果也呈现出相似规律。
表5 煤样在不同气氛下粉碎4min产生CO时间分布表
空气气氛相对于氮气气氛引入大量外界O元素，这些O元素会随着粉碎的进行逐渐参与到煤氧反应过程中，增加反应O元素含量，因此空气气氛CO浓度平均上升速率高于氮气气氛。在粉碎初期，空气气氛煤样处于充足氧环境中，煤的氧化产物以CO2为主，影响CO生成，导致CO出现时间比氮气气氛晚，CO浓度上升速率也比氮气气氛慢。随着粉碎时间增加，氧气逐渐被消耗，当氧气不足时，煤的氧化产物以CO为主，促进了CO生产，所以空气气氛CO浓度上升速率开始逐渐加快，并最终超过氮气气氛。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种测试煤体切割过程CO 释放与温度变化的方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、测试煤样质量对CO 释放量影响
①先准确称量不同质量待粉碎煤样，将其放入粉碎机粉碎腔中，然后通入相应氛围气体；
②待气体成分稳定后，关闭气路，设定时间，开始粉碎，计算机同步记录实验数据，考虑到电机发热问题，设定粉碎时间为4min；
二、测试电机转速对CO 释放量影响
①准确称量待粉碎煤样，将其放入不同转速粉碎机粉碎腔中，然后通入相应氛围气体；
②待气体成分稳定后，关闭气路，设定时间，开始粉碎，计算机同步记录实验数据，考虑到电机发热问题，设定粉碎时间为4min；
三、测试不同粉碎气氛对CO 释放量影响
①先准确称量待粉碎煤样，将其放入粉碎机粉碎腔中，然后分别通入不同的氛围气体；
②待气体成分稳定后，关闭气路，设定时间，开始粉碎，计算机同步记录实验数据，考虑到电机发热问题，设定粉碎时间为4min；
其中，所述方法所基于的装置系统包括煤体切割模拟装置、数据采集系统，所述的煤体切割模拟装置包括配气系统和切割系统，其中配气系统包括气体(1)、压力表(2)、控制阀门(3)、进气管(4) 和出气管(5) ；粉碎系统包括粉碎腔(6)、粉碎机电机(7)、粉碎机刀片(8)、筛网(9) 和变频器(10) ；数据采集系统包括测温热电偶(11)、气相色谱仪(12) 和计算机(13) ；气体(1) 通过进气管(4) 与粉碎腔(6) 连接，压力表(2) 和控制阀门(3) 与进气管(4) 和出气管(5) 相应连接，筛网(9) 固定在进气管(4) 和出气管(5) 处，变频器(10) 与粉碎机电机(7) 连接，测温热电偶(11) 布置在粉碎腔(6) 中，测温热电偶(11) 和气相色谱仪(12) 分别与计算机(13) 连接，所述的气体(1) 为不与煤反应的惰性气体。
2. 根据权利要求1 所述的一种测试煤体切割过程CO 释放与温度变化的方法，其特征在于，所述的气体(1) 为氮气或氩气。
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