CN105806890B - 基于荷载加压方式的煤自燃特性参数测定装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于荷载加压方式的煤自燃特性参数测定装置，有效解决在荷载加压下的煤自燃特性参数的测定问题，反应釜体外的加热片外有反应釜保温层，加热片与第二程序升温温控器连，反应釜上盖上有温度传感器、进气管道和出气管道，温度传感器接温度采集模块，气体预热器和进气管道、高压气瓶、第一程序升温温控器接，出气管道接气相色谱分析仪，反应釜下底底部的油缸内有活塞，活塞上有煤样罐，油缸的上下两部分与加压系统相连通，本发明自动化程度高，测量结果可靠。

Description

基于荷载加压方式的煤自燃特性参数测定装置

技术领域

本发明涉及一种基于荷载加压方式的煤自燃特性参数测定装置。

背景技术

能源是一个国家的经济基础。虽然近几年新兴能源在快速发展。但是化石能源依旧在我国能源结构中占有巨大比例，尤其是煤炭。据国家统计局数据，从20世纪90年代至今，煤炭在我国能源结构中保持在70％以上。并且在未来的几十年煤炭仍将是我国能源的主要组成部分。但是矿井火灾，尤其是煤自燃引起矿井火灾严重影响着我国煤炭资源的正常开采。

煤炭的自燃，其主要原因就是煤与氧气接触发生氧化产热和蓄热，进而引起煤炭的自燃。煤矿井下采空区煤炭的自燃主要是由于漏风引起的，而漏风又是由进、回风巷之间的压力差引起的。为了保证回采工作面的安全回采，必须配备足够的风量。回采工作面在设计时就已经对工作面的风压、风量进行了分配，并且在工作面正常回采期间，进、回风巷的压差基本保持不变。但是，随着煤的氧化，采空区的空隙率将发生变化。空隙率的变化将直接影响到采空区的漏风量，从而影响到煤与氧气接触的难易程度和煤的自燃进程。同时，采空遗煤并非处于自然堆积状态，而是处以一定受压状态的，而遗煤随着自燃进程的发展在受压状态下遗煤的空隙率又会受到影响。现有常用的煤自燃特性测定方式存在以下特点和问题：1 )将取回的煤样破碎装入煤样罐，煤样在定流量的气氛进行氧化升温，而并非在一定气压差下进行的氧化升温的，未考虑到煤在氧化升温过程中破碎煤样的空隙率将会发生变化，进而影响气体流量；2 )煤样装在煤样罐中，煤样为松散状态，未考虑到煤样在受载状态下煤样空隙率变化以及煤样升温过程的空隙率的变化。3 )采用定流量的煤样氧化升温，无法判断煤样在升温过程中煤样对气体的消耗量。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术缺陷，本发明之目的就是提供一种基于荷载加压方式的煤自燃特性参数测定装置，可有效解决在荷载加压下的煤自燃特性参数的测定问题。

本发明解决技术方案是，反应釜由反应釜体、反应釜上盖、反应釜下底组成，反应釜体为带有内腔的空芯体，反应釜上盖和反应釜下底分别密封在反应釜体的上口部和下口部，反应釜体的外壁上有加热片，加热片外部包裹有反应釜保温层，加热片与反应釜体外部的第二程序升温温控器相连，反应釜上盖上设有自反应釜体内腔伸出的温度传感器、进气管道和出气管道，温度传感器的自由端接温度采集模块，进气管道接在气体预热器的一端，气体预热器的另一端经第一流量控制器和高压气瓶连通，气体预热器连接在第一程序升温温控器上，出气管道接在气相色谱分析仪上，反应釜下底的底部设有油缸，油缸内装有油缸活塞，油缸活塞是由塞体和塞体上面及下面的上活塞杆与下活塞杆连接在一起构成，上活塞杆的上端自反应釜下底竖直伸进反应釜体内腔，上活塞杆的上端竖直装有煤样罐，煤样罐的上端接触到反应釜上盖的内壁，下活塞杆的下端自油缸的底部向下竖直伸出，塞体横向置于油缸内，塞体的外壁和油缸紧密接触，将油缸间隔成上下两部分，油缸的上下两部分分别经第一油路管道、第二油路管道与加压系统相连通，加压系统的结构是，储油仓的一端和轴向泵的一端连通，储油仓的二端连接有第四油路管道，储油仓的三端连接有第五油路管道，轴向泵的二端连接有第三油路管道，第三油路管道的外端和第一个三通管的垂直端连通，第一个三通管的水平端中的其中一端经第二个三通管分别和第四油路管道、第一油路管道连通，第一个三通管的水平端中的另一端经第三个三通管分别和第二油路管道、第五油路管道连通，第一个三通管的水平端两侧分别有多个针型阀，温度采集模块、气相色谱分析仪、第二程序升温温控器均连接在计算机上。

本发明适用于破碎煤体的自燃特性参数测试，可以实现破碎煤体在承压或松散状态下，通过煤样罐、气路的进出口部分以及升温箱的加压部分可使破碎煤样在一定气压差氛围中进行氧化升温。通过气路进出部分的流量计可以观测煤样在升温过程中气体的消耗量。同时，可采用不同尺寸的煤样罐进而可实现在不同尺寸破碎煤体在定气压差不同承压状态下破碎煤体的氧化升温特性参数测试。本发明采用计算机记录数据，自动化程度高，测量结果可靠。

附图说明

图1为本发明的结构主视图。

图2为本发明煤样罐的结构主视图。

图3为本发明上多孔架的主视图。

图4为本发明上多孔架的仰视图。

图5为本发明图3的a-a向截面图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

由图1-图5给出，本发明的结构是，反应釜由反应釜体15、反应釜上盖16、反应釜下底17组成，反应釜体为带有内腔的空芯体，反应釜上盖和反应釜下底分别密封在反应釜体的上口部和下口部，反应釜体的外壁上有加热片13，加热片外部包裹有反应釜保温层14，加热片与反应釜体外部的第二程序升温温控器24相连，反应釜上盖上设有自反应釜体内腔伸出的温度传感器22、进气管道B和出气管道D，温度传感器的自由端接温度采集模块23，进气管道接在气体预热器7的一端，气体预热器的另一端经第一流量控制器5和高压气瓶1连通，气体预热器连接在第一程序升温温控器12上，出气管道接在气相色谱分析仪11上，反应釜下底的底部设有油缸20，油缸内装有油缸活塞21，油缸活塞是由塞体和塞体上面及下面的上活塞杆与下活塞杆连接在一起构成，上活塞杆的上端自反应釜下底竖直伸进反应釜体内腔，上活塞杆的上端竖直装有煤样罐，煤样罐的上端接触到反应釜上盖的内壁，下活塞杆的下端自油缸的底部向下竖直伸出，塞体横向置于油缸内，塞体的外壁和油缸紧密接触，将油缸间隔成上下两部分，油缸的上下两部分分别经第一油路管道F、第二油路管道C与加压系统相连通，加压系统的结构是，储油仓25的一端和轴向泵27的一端连通，储油仓的二端连接有第四油路管道G，储油仓的三端连接有第五油路管道A，轴向泵的二端连接有第三油路管道E，第三油路管道E的外端和第一个三通管的垂直端连通，第一个三通管的水平端中的其中一端经第二个三通管分别和第四油路管道G、第一油路管道F连通，第一个三通管的水平端中的另一端经第三个三通管分别和第二油路管道C、第五油路管道A连通，第一个三通管的水平端两侧分别有多个针型阀，温度采集模块、气相色谱分析仪、第二程序升温温控器均连接在计算机34上。

所述的反应釜置于支架33上，反应釜上盖和反应釜下底均通过螺钉18和第一密封垫19密封在反应釜体的上口部和下口部。

所述的高压气瓶1至第一流量控制器之间的管道上依次连接有减压阀2、稳压阀3、第一气压表6、稳流阀4。

所述的出气管道D和气相色谱分析仪之间的管道上，自出气管道一端向气相色谱分析仪一端依次装有第二气压表50、背压阀9和第二流量控制器10。

所述的进气管道B外部套有气路保温层8以保证预热效果，气路保温层和反应釜保温层均是由玻璃棉或保温棉制成筒状结构。

所述的第二油路管道C上有压力表28。

所述的储油仓25和轴向泵之间连通有单向阀26。

所述的第二个三通管的垂直端和第一油路管道F连通，第三个三通管的垂直端和第二油路管道C连通。

所述的针型阀有4个，分别为第一针型阀、第二针型阀、第三针型阀、第四针型阀，第四油路管道G上在第二个三通管一侧有第一针型阀29，第五油路管道A上在第三个三通管一侧有第二针型阀32，第二个三通管和第一个三通管之间有第三针型阀30，第一个三通管和第三个三通管之间有第四针型阀31。

所述的气体预热器7为升温箱，是现有技术，如盐城市华邦合金电器有限公司XTDQ-HX实验室级烘干箱。

所述的第一程序升温温控器12和第二程序升温温控器的结构相同，均为现有技术，如LOTUSANA龙腾圣华生产的LA-36程序升温温控器。

所述的升温箱和第一程序升温温控器连接在一起构成可程式烘箱，可程式烘箱为现有技术，如上海和呈仪器制造有限公司生产的DHG-9240A可程式烘箱。

所述的温度采集模块23为现有技术，如温度采集卡、温度记录仪等，温度记录仪如sinomeasure的SIN-R6000C彩色无纸记录仪湿度压力电流电压电量曲线温度记录仪。

所述的第一流量控制器5和第二流量控制器均为现有技术，如Sevenstar的D07-7K气体质量流量控制器、D07-9E气体质量流量控制器等。

所述的煤样罐的结构是，罐体35的上口部装有密封盖36，密封盖上装有保护温度传感器的钢板39，在密封盖的下方有装在罐体内上部的上多孔架，上多孔架的中心有上气孔44，上气孔和出气管42的进口连通，出气管的出口自密封盖的侧壁伸出和出气管道D连通，罐体的下口部内装有和罐体内壁相接触的罐体活塞37，在罐体活塞的上方有装在罐体内下部的下多孔架45，下多孔架的中心有下气孔48，下气孔和进气管38的出口连通，进气管的进口自罐体活塞的底部伸出和进气管道B连通，温度传感器的下端自钢板上的通孔向下依次穿过密封盖、上多孔架伸进罐体内部。

所述的温度传感器外周套装有置于通孔内、且固定在密封盖上的螺母40。

所述温度传感器22安装位置不限于附图1、2所示安装位置，可改变煤样罐盖36、钢板39、上多孔支架51和反应釜上盖16预留的温度传感器的位置和个数改变温度传感器探头距离煤样罐中心的水平距离，可通过改变温度传感器伸入的长短改变温度传感器探头距离煤样罐中心的垂直距离。

所述的罐体为带空腔的圆柱体，罐体的空腔内有置于上多孔架和下多孔架之间的破碎煤样43(即取煤样破碎)。

所述的罐体活塞37的底部有槽49，油缸活塞的上活塞杆上端嵌装在槽内。

所述的上多孔架和下多孔架为以罐体横向中心线为中心的上下对称结构，上多孔架和下多孔架的外周均和罐体的内壁相接触。

所述的上多孔架的下表面为均布有孔洞的圆板体46，圆板体上装有均布有环形通道的架体51，架体的直径大小和圆板体的直径大小相同，构成一体结构，架体的中心有中心圆环，以中心圆环的中心为圆心向外呈辐射状依次均布有多个同心的环形通道47。

所述的上多孔架的中心圆环为上气孔，下多孔架的中心圆环为下气孔。

所述的环形通道47，除置于最外沿的一圈环形通道之外的每一圈环形通道的高度中心处，沿环形通道的周向均布有透气孔52，多个同心的环形通道经透气孔相互呈连通状。

所述的密封盖36经第二密封垫41和罐体35的上口部密封连接。

本发明的工作原理是，装样，将反应釜上盖16和反应釜下底17打开，关闭煤样罐的进气管和出气管，将煤样罐从反应釜体中取出，取出煤样罐之后，首先将钢板39取下，再将螺母40卸下，取出温度传感器22，将密封盖36拧开，取出上多孔架，清理煤样罐内的煤样，将待测的破碎煤样装入煤样罐内，将上多孔架放置在煤样罐内上部压在煤样上，将密封盖垫以第二密封垫41对煤样罐进行密封，将温度传感器插入煤样中并用螺母40进行密封；将装好破碎煤样的煤样罐放入反应釜体内并保证煤样罐下部的罐体活塞37底部的槽与油缸活塞的上活塞杆上端完整契合，将煤样罐的出气管42和出气管道D连通，同时将煤样罐的进气管38和进气管道B连通，将钢板套在温度传感器22和螺母40之外，将反应釜上盖16和反应釜下底17分别用螺钉18和第一密封垫19对反应釜体进行密封。连接气路，即将减压阀2、稳压阀3、第一气压表6、稳流阀4、第一流量控制器5依次连通并与气体预热器7的入口相连；将第二气压表50、背压阀9、第二流量控制器10顺次连通。气密性检验，将背压阀9开到最大(背压阀可承受的最大压力值)，将稳压阀3开到一定值(小于背压阀可承受最大压力值)，之初，第一流量控制器5会有示数，第二气压表50的示数会缓慢增加，最终当第一气压表6、第二气压表50的示数一致时，第一流量控制器5的示数应为零；如果当第一气压表6、第二气压表的示数一致时，第一流量控制器5的示数为零，则表示气密性良好，如果此时第一流量控制器5仍有示数，则需检查气路的连接。煤样加载，即此时应保证反应釜上盖16和反应釜下底17安装正确并保证螺钉18安装到位；加载过程，即将第三针型阀30和第二针型阀32处于关紧状态，第四针型阀31和第一针型阀29处于打开状态，储油仓25中的液压油经单向阀26通过轴向泵27经第三油路管道E和第二油路管道C压入油缸20下部，使油缸活塞21向上位移，推动罐体活塞37向上位移对破碎煤样进行加压；加压初期当压力表28略有示数时，记录油缸活塞21置于油缸20外部的长度x1，之后通过轴向泵27对煤样罐中破碎煤样加到实验设定压力，并关紧第一针型阀29、第四针型阀31，记录此时油缸活塞21置于油缸20外部的长度x2，通过(x1–x2 )则可计算出破碎煤样的轴向加载位移量，同时记录此时压力表28示数以得到对破碎煤样的加载强度。气路预热和升温箱升温，当破碎煤样加载到位并完成气路的气密性检验后开始进行实验；第一程序升温温控器12控制气体预热器7进行预热，第二程序升温温控器24控制加热片13，对反应釜进行加热；实验时，通过第一程序升温温控器12和第二程序升温温控器24先使气体预热器7和反应釜达到实验设定恒定温度，之后以实验设定的升温速率进行升温。数据采集，温度采集模块23将煤样罐中的破碎煤样的温度数据传输到计算机34，气相色谱分析仪11将煤样罐的出气管42的所连接的反应釜出口气体分析数据传输到计算机34，第二程序升温温控器将反应釜的温度数据传输至计算机34，各部分数据可通过一台计算机实现记录；在实验过程中每隔10℃对煤样罐的出气管42气体通过气相色谱分析仪对气体进行一次分析；在实验过程中可以观测第一流量控制器5和第二流量控制器10的示数初步判断破碎煤样在升温过程中对气体的消耗量，通过气相色谱分析仪所测得的气体数据可以对气体消耗量准确计算。实验完毕时，打开第三针型阀30和第二针型阀32，通过轴向泵27，将液压油压入油缸20上部，使油缸活塞21向下移动实现卸压，同时关闭高压气瓶1。气体消耗量计算，在使用气相色谱分析仪测定某温度点气体成分时，同时记录该温度点的第一流量控制器5的示数V1(为O2和N2流量和)和第二流量控制器10的示数V2(为O2、N2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、C3H8、CO和CO2的流量和)，高压气瓶的气源1所提供的气体成分为O2和N2，气相色谱分析仪可分析O2、N2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、C3H8、CO、CO2的体积分数，将O2气体分数定义为因而破碎煤样在所测温度时刻的氧气消耗量为

本发明适用于破碎煤体的自燃特性参数测试。通过气源和调节减压阀、稳压阀、稳流阀、以及气路出口部分(即出气管道D )的背压阀可以使煤样罐内破碎煤样处于具有一定气压差气氛中，并使新鲜气流不断通过反应釜。通过气路进气部分(即进气管道B )的第一流量控制器5以及气路出口部分的第二流量控制器10可以监测破碎煤样在升温过程中的气体消耗量。通过加热片和第二程序升温温控器可以使反应釜在不同温度下恒温或使反应釜以一定升温速率进行升温。通过温度传感器和温度采集模块23可以实现对破碎煤样内部温度的实时记录。通过轴向泵27和单向阀26将储油仓25中的液压油压入油缸可以推动油缸活塞21向上发生位移，从而推动罐体活塞37对破碎煤体进行加压，同时与油缸相连的压力表28可显示压力示数从而可以控制加压力度。通过油缸和储油仓之间的针型阀可以实现油缸与储油仓的连通与独立，从而可以实现卸压。通过将出气管道D与气相色谱分析仪相连可以获得不同温度下气体体积分数。本发明自动化程度高，测量结果可靠稳定，可实现煤体在荷载加压下煤自燃特性参数的测定。

本装置所述功能可实现对破碎煤体在荷载加压下煤自燃特性参数测试，但不仅限于对煤自燃特性参数的测试。

Claims (8)

1.一种基于荷载加压方式的煤自燃特性参数测定装置，其特征在于，反应釜由反应釜体（15）、反应釜上盖（16）、反应釜下底（17）组成，反应釜体为带有内腔的空芯体，反应釜上盖和反应釜下底分别密封在反应釜体的上口部和下口部，反应釜体的外壁上有加热片（13），加热片外部包裹有反应釜保温层（14），加热片与反应釜体外部的第二程序升温温控器（24）相连，反应釜上盖上设有自反应釜体内腔伸出的温度传感器（22）、进气管道（B）和出气管道（D），温度传感器的自由端接温度采集模块（23），进气管道接在气体预热器（7）的一端，气体预热器的另一端经第一流量控制器（5）和高压气瓶（1）连通，气体预热器连接在第一程序升温温控器（12）上，出气管道接在气相色谱分析仪（11）上，反应釜下底的底部设有油缸（20），油缸内装有油缸活塞（21），油缸活塞是由塞体和塞体上面及下面的上活塞杆与下活塞杆连接在一起构成，上活塞杆的上端自反应釜下底竖直伸进反应釜体内腔，上活塞杆的上端竖直装有煤样罐，煤样罐的上端接触到反应釜上盖的内壁，下活塞杆的下端自油缸的底部向下竖直伸出，塞体横向置于油缸内，塞体的外壁和油缸紧密接触，将油缸间隔成上下两部分，油缸的上下两部分分别经第一油路管道（F）、第二油路管道（C）与加压系统相连通，加压系统的结构是，储油仓（25）的一端和轴向泵（27）的一端连通，储油仓的二端连接有第四油路管道（G），储油仓的三端连接有第五油路管道（A），轴向泵的二端连接有第三油路管道（E），第三油路管道（E）的外端和第一个三通管的垂直端连通，第一个三通管的水平端中的其中一端经第二个三通管分别和第四油路管道（G）、第一油路管道（F）连通，第一个三通管的水平端中的另一端经第三个三通管分别和第二油路管道（C）、第五油路管道（A）连通，第一个三通管的水平端两侧分别有多个针型阀，温度采集模块、气相色谱分析仪、第二程序升温温控器均连接在计算机（34）上；所述的反应釜置于支架（33）上，反应釜上盖和反应釜下底均通过螺钉（18）和第一密封垫（19）密封在反应釜体的上口部和下口部；所述的高压气瓶（1）至第一流量控制器之间的管道上依次连接有减压阀（2）、稳压阀（3）、第一气压表（6）、稳流阀（4）；所述的出气管道（D）和气相色谱分析仪之间的管道上，自出气管道一端向气相色谱分析仪一端依次装有第二气压表（50）、背压阀（9）和第二流量控制器（10）；所述的进气管道（B）外部套有气路保温层（8）以保证预热效果，气路保温层和反应釜保温层均是由玻璃棉或保温棉制成筒状结构；所述的第二油路管道（C）上有压力表（28）；所述的储油仓（25）和轴向泵之间连通有单向阀（26）；所述的第二个三通管的垂直端和第一油路管道（F）连通，第三个三通管的垂直端和第二油路管道（C）连通。

2.根据权利要求1所述的基于荷载加压方式的煤自燃特性参数测定装置，其特征在于，所述的针型阀有4个，分别为第一针型阀、第二针型阀、第三针型阀、第四针型阀，第四油路管道（G）上在第二个三通管一侧有第一针型阀（29），第五油路管道（A）上在第三个三通管一侧有第二针型阀（32），第二个三通管和第一个三通管之间有第三针型阀（30），第一个三通管和第三个三通管之间有第四针型阀（31）。

3.根据权利要求1所述的基于荷载加压方式的煤自燃特性参数测定装置，其特征在于，所述的气体预热器（7）为升温箱；所述的第一程序升温温控器（12）和第二程序升温温控器的结构相同；所述的升温箱和第一程序升温温控器连接在一起构成可程式烘箱。

4.根据权利要求1所述的基于荷载加压方式的煤自燃特性参数测定装置，其特征在于，所述的煤样罐的结构是，罐体（35）的上口部装有密封盖（36），密封盖上装有保护温度传感器的钢板（39），在密封盖的下方有装在罐体内上部的上多孔架，上多孔架的中心有上气孔（44），上气孔和出气管（42）的进口连通，出气管的出口自密封盖的侧壁伸出和出气管道（D）连通，罐体的下口部内装有和罐体内壁相接触的罐体活塞（37），在罐体活塞的上方有装在罐体内下部的下多孔架（45），下多孔架的中心有下气孔（48），下气孔和进气管（38）的出口连通，进气管的进口自罐体活塞的底部伸出和进气管道（B）连通，温度传感器的下端自钢板上的通孔向下依次穿过密封盖、上多孔架伸进罐体内部；所述的温度传感器外周套装有置于通孔内、且固定在密封盖上的螺母（40）。

5.根据权利要求4所述的基于荷载加压方式的煤自燃特性参数测定装置，其特征在于，所述的罐体为带空腔的圆柱体，罐体的空腔内有置于上多孔架和下多孔架之间的破碎煤样（43）；所述的罐体活塞（37）的底部有槽（49），油缸活塞的上活塞杆上端嵌装在槽内；所述的上多孔架和下多孔架为以罐体横向中心线为中心的上下对称结构，上多孔架和下多孔架的外周均和罐体的内壁相接触。

6.根据权利要求5所述的基于荷载加压方式的煤自燃特性参数测定装置，其特征在于，所述的上多孔架的下表面为均布有孔洞的圆板体（46），圆板体上装有均布有环形通道的架体（51），架体的直径大小和圆板体的直径大小相同，构成一体结构，架体的中心有中心圆环，以中心圆环的中心为圆心向外呈辐射状依次均布有多个同心的环形通道（47）；所述的上多孔架的中心圆环为上气孔，下多孔架的中心圆环为下气孔。

7.根据权利要求6所述的基于荷载加压方式的煤自燃特性参数测定装置，其特征在于，所述的环形通道（47），除置于最外沿的一圈环形通道之外的每一圈环形通道的高度中心处，沿环形通道的周向均布有透气孔（52），多个同心的环形通道经透气孔相互呈连通状。

8.根据权利要求4所述的基于荷载加压方式的煤自燃特性参数测定装置，其特征在于，所述的密封盖（36）经第二密封垫（41）和罐体（35）的上口部密封连接。