CN107152267B - 一种模拟煤炭原位地下气化的试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟煤炭原位地下气化的试验装置及方法，包括气化炉炉体、顶盖、炉壁注排气管、气化剂制备单元、注排气管路、气体流量计、气体压力表、气体测温热电偶、气体净化单元、气体放散单元、炉内温度监测单元、气相色谱仪、点火器、位移计、充填单元、计算机；所述气化炉外形为圆柱体，气化炉壁由外到内分别钢板、普通砖层、保温材料、水夹层、耐火砖层；本发明结构合理、功能多样，可以利用仪器客观实际测量煤层和顶板岩层内温度场、气化剂配比和产气指标参数、覆岩移动和地表下沉参数、气化炉燃空区扩展特性参数，有助于进行炉型结构参数和气化工艺的研究，以便确定适宜现场条件下的煤炭原位地下气化工艺参数和生产方案。
Description
技术领域
本发明涉及的是煤炭地下气化技术领域，具体的说是一种模拟煤炭原位地下气化的试验装置及方法。
背景技术
煤炭地下气化技术(Underground Coal Gasification,UCG)是采用化学开采方法将煤炭在地下原位直接进行燃烧气化产生可燃气体，是一种高碳资源低碳化开发清洁能源新技术，也是资源与环境协调的煤炭绿色开采技术。煤炭地下气化将建井、采煤、气化三大工艺合而为一，以其产气成本低、安全性高和环境效益好的优点，在世界范围内受到了广泛的重视，前苏联、欧洲、美国、日本、澳大利亚、中国及亚洲多个国家进行了大量的理论研究和工业性试验，该技术在低品质(高硫、高灰)、急倾斜、薄煤层、深部煤层、“三下”压煤以及常规技术经济不可采等残滞留煤的开采利用方面具有广阔的应用前景。
煤炭地下气化是一种新型的原位煤层流态化开采方法，具有良好的经济效益、环境效益和安全效益，是煤炭资源绿色开采技术。煤炭地下气化所产煤气成本仅为地面气化炉气化的25-50％，可以作为燃气发电、锅炉燃料以及合成化工产品的原料气，显著降低发电或合成化工产品的成本。煤炭地下气化还具有显著的环境效益，大大减小燃煤污染、煤矸石及灰渣的排放，有效解决目前燃煤引发的大气雾霾问题，且与碳捕集和封存技术相结合，可有效减少温室气体排放，具有广阔的应用前景。
近年来世界主要产煤国都加大了煤炭地下气化的工业性试验以及产业化推广力度，美国、澳大利亚、加拿大、南非、中国等进行了大量的地下气化现场试验，拉开了煤炭地下气化商业化推广及产业化的序幕。我国煤炭地下气化试验开始与上世纪60年代，至今已进行了二十几次的现场试验，形成了有井式和无井式煤炭地下气化工艺。早在1992年《国家科学技术中长期发展纲要》白皮书中将煤炭地下气化作为战略目标和关键技术之一。在科技部《国家“十二五”科学和技术发展规划》、《中国洁净煤技术科技发展“十二五”规划》、国务院《能源发展“十二五”规划》、国家发改委《煤炭工业发展“十二五”规划》等明确提出，将突破煤炭地下气化关键技术瓶颈，开展煤炭地下气化示范工程建设。在国家发改委、能源局《能源技术革命创新行动计划(2016-2030)》中提出，重点任务之一是实现煤炭无害化开采技术的创新。其中包括地下气化开采研发与攻关，并提出2020年目标：单个气化矿井年气化煤炭50万吨，到2030年规模化地下气化开采矿井实现工业示范。
煤炭地下气化实现了地下原位煤层的无人化生产，其气化过程受煤层赋存条件、顶底板围岩条件、水文地质条件、地质构造条件、气化剂注入、化学反应过程、覆岩热破裂以及移动变形的影响，气化煤层燃烧扩展及围岩移动变形的监测变得非常困难。煤炭地下气化工程投资大，因此在进行现场试验之前，有必要根据气化煤层赋存条件和煤质特征，对气化区煤层的气化工艺参数进行考察和探索，这就需要首先在实验室构建煤炭地下气化模拟试验装置，模拟原位煤层的气化过程。目前来说，适用于煤炭地下气化过程的模拟试验装置相当缺乏，且现有的试验装置也未较真实地模拟气化煤层的赋存条件和顶底板围岩条件。因此，根据煤炭地下气化工艺的特点和要求，研发一种在实验室模拟煤炭原位地下气化的试验装置至关重要。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种结构简单，设计合理、使用方便的模拟煤炭原位地下气化的试验装置及方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种模拟煤炭原位地下气化的试验装置，包括气化炉炉体、顶盖、炉壁注排气管、气化剂制备单元、注排气管路、气体流量计、气体压力表、气体测温热电偶、气体净化单元、气体放散单元、炉内温度监测单元、气相色谱仪、点火器、位移计、充填单元、计算机；
所述气化炉外形为圆柱体，气化炉壁由外到内分别钢板、普通砖层、保温材料、水夹层、耐火砖层，气化炉内部由下到上分别铺设多层底板相似材料、气化煤层、多层顶板相似材料；
所述气化炉体外侧有辅助出料口；
所述顶盖为多层圆盘结构，多层圆盘结构由下到上分别填充耐火砖和保温材料，顶盖与气化炉体采用螺栓连接，连接处有密封圈；
所述炉壁注排气管水平布置于气化炉体两侧，两侧各3根短管焊接于气化炉体外壁，形成3条轴线贯穿气化炉；
所述气化剂制备单元包括空气压缩机、蒸汽发生器、氧气罐和二氧化碳气罐，分别为气化反应过程提供空气、蒸汽、氧气和二氧化碳；
所述注排气管路包括注气管路和排气管路，注气管路连接气化剂制备单元和注气通道，排气管路连接气体净化单元和排气通道；
所述气体压力表包括注气管路安装的气体压力表和排气管路安装的气体压力表，分别监测注气管路和排气管路的气体压力；
所述气体测温热电偶包括注气管路安装的测温热电偶和排气管路安装的测温热电偶，分别监测注气管路和排气管路内的气体温度；
所述气体流量计包括注气管路安装的涡街流量计和排气管路安装的涡街流量计，分别监测注气管路和排气管路气体流量；
所述气体净化单元包括洗涤罐、脱焦罐、脱硫罐，分别实现对粗煤气的洗涤、脱焦和脱硫；
所述气体放散单元包括水封罐和放散塔，放散塔将所产煤气点火后高空放散；
所述炉内温度监测单元包括布置于气化炉内煤层和覆岩内的多点测温热电偶；
所述气相色谱仪监测所产煤气组分；
所述点火器布置于气化煤层点火位置，实现气化煤层的点火；
所述位移计布置于气化炉内覆岩上表面，监测覆岩表面的移动下沉值；
所述充填单元可实现模拟气化过程结束后的燃空区充填，由充填泵对气化炉内燃空区进行充填。
一种模拟煤炭原位地下气化的试验方法，步骤如下：
步骤1，铺设气化煤层及顶底板相似材料：
根据现场的水文地质资料、气化煤层钻孔勘探资料，由钻孔柱状图确定气化煤层及顶底板岩层；通过岩石力学性质实验获得现场顶底板岩石的相关力学参数，即单轴抗压强度；根据相似原理理论，以河砂为骨料，粘土为胶结物，利用正交试验和全面实验方法分析不同材料配比下的单轴抗压强度，并与利用相似原理计算的抗压强度进行对比，确定满足相似比的不同顶底板岩层河砂和粘土配比；根据现场实际厚度的1/10-1/30的几何缩放比确定气化煤层和顶底板相似材料的厚度，基于相似材料配比铺设煤层及顶底板相似材料；
步骤2，布置煤层通道和管道：
所述试验炉可在所述气化煤层中实现多种通道布置方式，包括单一通道布置方式、双通道布置方式、水平U型通道布置方式；气化煤层中所述通道包括用于气化剂注入的注气通道，用于煤气排出的排气通道，以及用于发生燃烧气化反应的气化通道；所述注气通道、排气通道和气化通道为半圆拱形通道。在上述注气通道、排气通道和气化通道内均布置半圆拱形筛管；所述注气通道与炉壁注气管连接，所述排气通道与炉壁排气管连接，关闭炉壁排气管，由炉壁注气管注气，进行气化炉气密性试验；
步骤3，炉内温度监测单元设置：
在气化煤层和顶板相似材料中垂直布置多根多点热电偶测杆，所述多点热电偶测杆由下到上不同高度布置测温热电偶测点，每个测点可监测该高度的气化煤层或顶板相似材料岩层的温度值，测点高度方向的间距可根据所布设煤层厚度、顶板岩层厚度和层数进行调整；
步骤4，模拟气化过程：
根据气化炉内通道布置方式的不同，在注气通道和气化通道的交接点布置点火器，所述点火器采用电阻丝加热，引燃点火点布置的易燃材料直至引燃附近气化煤层，在此过程中，由注气管路向气化炉内注气通道注入气化剂，点火成功后，继续注入气化剂，模拟气化煤层的燃烧气化过程；
步骤5，数据监测：
数据监测包括注气端数据监测、排气端数据监测、炉内温度监测、覆岩下沉量监测；所述注气端数据监测包括注入气化剂的温度、压力、流量监测，该部分监测由安置在注气管路上的气体测温热电偶、气体压力表、气体流量计完成；所述排气端数据监测包括煤气的温度、压力、流量、组分监测，该部分监测由安置在排气管路上的气体测温热电偶、气体压力表、气体流量计和气相色谱仪完成；所述炉内温度监测为气化煤层和顶板内的温度监测，该部分由布置在气化煤层和顶板上部的多点热电偶完成；所述覆岩下沉量监测为覆岩表面的位移监测，该部分由布置于气化炉内覆岩表面的位移计监测完成；
步骤6，气化炉充填：
所述步骤4模拟气化过程结束后，可开展气化炉燃空区充填试验，将充填浆料由充填泵经注气管充填到气化炉燃空区；
步骤7，气化炉解剖：
所述气化炉解剖为模拟气化试验结束后对气化炉进行解剖，沿气化炉相互垂直的两个纵截面，取出1/4-1/2的气化煤层和顶底板，然后观察两个纵截面所揭露的顶底板岩层和燃空区形态结构，为更加直观地开展气化炉燃空区扩展形态、气化煤层燃烧边界范围、气化煤体残留形态、污染物分布和扩散、顶板岩层热损伤和垮落特性的研究提供可实现的手段。
进一步，所述步骤3中所述多点热电偶测杆为耐高温不锈钢材料，最高耐受温度大于1000℃；所述多点热电偶测杆的水平行列间距以及数量可根据通道布置方式进行灵活布置，行列间距范围为200mm-400mm。
进一步，所述步骤4中的模拟气化过程可以是模拟空气气化过程；其子步骤是：待气化炉点火成功后，由空气压缩机向注气管路提供常温状态下0-20m3/h的空气，空气气化过程所产煤气中CO组分含量为5％-15％，H2含量为5％-15％，煤气热值为3.0-5.50MJ/m3，该产气状态持续保持8-12小时，所监测到的煤气流量即为适合所述空气气化过程的工艺参数。
进一步，所述步骤4中的模拟气化过程可以是模拟富氧气化过程；其子步骤是：当气化炉点火成功后，由空气压缩机和氧气罐共同提供常温下氧气浓度在21％-100％的气化剂，气化剂流量在3-10m3/h；富氧气化过程所产煤气中可燃组分CO+H2+CH4含量及煤气热值随富氧浓度提高而增大，可燃组分的变化范围为20％-70％，热值范围为3.0-10.0MJ/m3，所监测到的煤气组分、流量、热值即为适合所述富氧气化过程的工艺参数。
进一步，所述步骤4中模拟气化过程可以是模拟富氧+蒸汽气化过程；其子步骤是：当气化炉点火成功后，先由空气压缩机提供一定流量的空气，然后在注气管中注入氧气罐提供的氧气，使气化剂中氧气浓度逐渐增加，当富氧浓度达到30％-80％时，由蒸汽发生器提供一定流量的蒸汽，随着蒸汽流量的增加，气化剂中蒸汽和氧气的质量比(简称汽氧比)逐渐增大，使汽氧比为0.5:1-2.5:1，在所述富氧浓度、流量和汽氧比范围内进行富氧+蒸汽气化试验，当煤气中H2含量为25％-40％，H2/CO的含量比为1.5:1-3:1，煤气热值在6MJ/m3-10MJ/m3时，监测到的注气富氧浓度、富氧流量、汽氧比即为适合所述富氧+蒸汽气化过程的工艺参数。
进一步，所述步骤4中模拟气化过程可以是模拟富氧+CO2气化过程；其子步骤是：当气化炉点火成功后，先由空气压缩机提供一定流量的空气，然后在注气管中注入氧气罐提供的氧气，使气化剂中氧气浓度逐渐增加，当富氧浓度达到30％-80％时，由CO2储罐提供一定流量的CO2气体，随着CO2流量的增加，气化剂中CO2和氧气的体积比(简称碳氧比)逐渐增大，使碳氧比为0.5:1-3:1，在所述富氧浓度、流量和碳氧比范围内进行富氧+CO2气化试验，当煤气中CO含量为10％-30％，CO/CO2的含量比为0.5:1-1:1，煤气热值在5MJ/m3-8MJ/m3时，监测到的注气富氧浓度、富氧流量、碳氧比即为适合所述富氧+CO2气化过程的工艺参数。
采用上述结构后，本发明的有益效果为：本发明结构合理、功能多样，可以利用仪器客观实际测量煤层和顶板岩层内温度场、气化剂配比和产气指标参数、覆岩移动和地表下沉参数、气化炉燃空区扩展特性参数，有助于进行炉型结构参数和气化工艺的研究，以便确定适宜现场条件下的煤炭原位地下气化工艺参数和生产方案。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的试验装置气化炉结构剖面图；
图2是本发明的试验装置平面布置示意图；
图3是本发明的试验炉内测温热电偶和位移计布置图；
图4是本发明的实施步骤流程图；
图中1-气化炉钢板；2-普通砖层；3-保温材料；4-水夹层；5-耐火砖层；6-气化煤层；7-底板相似材料；8-多层顶板相似材料；9-顶盖；10-位移计；11-多点热电偶测杆；12-炉内测温热电偶；13-点火器；14-气化通道；15-筛管；16-辅助出料口；17-炉壁注气管；17-1-炉壁短管一；17-2-炉壁短管二；17-3-1炉壁短管三；18-炉壁排气管；18-1-炉壁短管四；18-2-炉壁短管五；18-3-1炉壁短管六；19-空气压缩机；20-蒸汽发生器；21-氧气罐；22-二氧化碳罐；23-注气管路；24-气体压力表；25-气体测温热电偶；26-涡街流量计；27-排气管路；28-洗涤罐；29-脱胶罐；30-脱硫罐；31-水封罐；32-放散塔；33-气相色谱仪；34-充填泵。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参看图1至图4所示，本具体实施方式采用以下技术方案：一种模拟煤炭原位地下气化装置，其结构包括气化炉炉体、顶盖、炉壁注排气管、气化剂制备单元、注排气管路、气体流量计、气体压力表、气体测温热电偶、气体净化单元、气体放散单元、炉内温度监测单元、气相色谱仪、点火器、位移计、充填单元、计算机。
所述气化炉外形为圆柱体，炉壁最外层直径为3730mm，气化炉内部空间直径为2800mm，气化炉最外层高度为3310mm，气化炉内部空间净高为2650mm。气化炉壁由外到内分别钢板1厚度为5mm、普通砖层2厚度为120mm、保温材料3厚度为120mm、水夹层4厚度为100mm、耐火砖层5厚度为120mm。气化炉内部由下到上分别铺设多层底板相似材料7、气化煤层6、多层顶板相似材料8。多层底板材料7的最大铺设厚度为350mm，气化煤层6的最大铺设厚度为400mm，多层顶板8的最大铺设厚度为1790mm。
所述气化炉体外侧有辅助出料口16。
所述顶盖9为多层圆盘结构，直径为4020mm，多层圆盘结构由下到上分别填充耐火砖和保温材料。顶盖与气化炉体采用螺栓连接，连接处有密封圈。
所述炉壁注排气管17和18水平布置于气化炉体两侧，两侧各3根短管焊接于气化炉体外壁，形成3条轴线贯穿气化炉，3条轴线水平间距为700mm。
所述气化剂制备单元包括空气压缩机19、蒸汽发生器20、氧气罐21和二氧化碳气罐22，分别为气化反应过程提供空气、蒸汽、氧气和二氧化碳。
所述注排气管路包括注气管路23和排气管路27，注气管路连接气化剂制备系统和注气通道，排气管路连接气体净化系统和排气通道。
所述气体压力表包括注气管路安装的气体压力表24和排气管路安装的气体压力表24，分别监测注气管路和排气管路的气体压力。
所述气体测温热电偶包括注气管路安装的测温热电偶25和排气管路安装的测温热电偶25，分别监测注气管路和排气管路内的气体温度。
所述气体流量计包括注气管路安装的涡街流量计26和排气管路安装的涡街流量计26，分别监测注气管路和排气管路气体流量。
所述气体净化单元包括洗涤罐28、脱焦罐29、脱硫罐30，分别实现对粗煤气的洗涤、脱焦和脱硫。
所述气体放散单元包括水封罐31和放散塔32，放散塔将所产煤气点火后高空放散。
所述炉内温度监测单元包括布置于气化炉内煤层和覆岩内的多点热电偶测杆11和炉内测温热电偶12。
所述气相色谱仪33监测所产煤气组分。
所述点火器13布置于气化煤层点火位置，实现气化煤层的点火。
所述位移计11布置于气化炉内覆岩上表面，监测覆岩表面的移动下沉值。
所述充填单元可实现模拟气化过程结束后的燃空区进行充填，由充填泵34对气化炉内燃空区进行充填。
一种模拟煤炭原位地下气化的试验装置及方法，包括以下实施步骤：
步骤1，铺设气化煤层及顶底板相似材料
根据现场的水文地质资料、气化煤层钻孔勘探资料，由钻孔柱状图确定气化煤层及顶底板岩层；
通过岩石力学性质实验获得现场顶底板岩石的相关力学参数，即单轴抗压强度R；
根据相似原理理论，以河砂为骨料，粘土为胶结物，利用正交试验和全面实验方法分析不同材料配比下的单轴抗压强度，并与利用相似原理计算的抗压强度进行对比，确定满足相似比的不同顶底板岩层河砂和粘土配比；
根据现场实际厚度的1/10-1/30的几何缩放比确定气化煤层和顶底板相似材料的厚度，基于相似材料配比铺设煤层及顶底板相似材料，气化煤层及顶底板相似材料最大铺设厚度为2650mm，可模拟的现场实际气化煤层和顶底板岩层高度约为26.5m-79.5m。
步骤2，布置煤层通道和管道
所述试验炉可在所述气化煤层中实现多种通道布置方式，包括单一通道布置方式、双通道布置方式、水平U型通道布置方式。气化煤层中所述通道包括用于气化剂注入的注气通道，用于煤气排出的排气通道，以及用于发生燃烧气化反应的气化通道。
所述单一通道布置方式是指利用炉壁短管二17-2作为气化剂注气管，炉壁短管五18-2作为煤气排气管，沿注气管和排气管轴线布置1条气化通道，形成单一通道布置方式。
所述双通道布置方式是指分别利用炉壁短管一17-1和炉壁短管三17-3作为气化剂注气管，炉壁短管四18-1和炉壁短管六18-3作为煤气排气管，沿炉壁短管一17-1和炉壁短管四18-1轴线布置1条气化通道，沿炉壁短管三17-3和炉壁短管六18-3轴线布置1条气化通道，形成双通道布置方式。
所述水平U型通道布置方式是指利用炉壁短管一17-1作为气化剂注气管，沿该短管轴线布置注气通道直到另一侧炉内壁处，利用炉壁短管三17-3作为煤气排气管，沿该短管轴线布置排气通道直到另一侧炉内壁处，在注气通道和排气通道的末端布置1条气化通道将两者连通，形成水平U型通道布置方式。
所述注气通道、排气通道和气化通道为半圆拱形通道，宽度为55mm，高度为55mm。在上述注气通道、排气通道和气化通道内均布置半圆拱形筛管，筛管外径为50mm。
所述注气通道与炉壁注气管连接，所述排气通道与炉壁排气管连接，关闭炉壁排气管，由炉壁注气管注气，进行气化炉气密性试验。
步骤3，炉内温度监测单元设置
在所述气化煤层和顶板相似材料中垂直布置多根多点热电偶测杆11，所述多点热电偶测杆由下到上不同高度布置测温热电偶测点12，每个测点可监测该高度的气化煤层或顶板相似材料岩层的温度值，测点高度方向的间距可根据所布设煤层厚度、顶板岩层厚度和层数进行调整，最小间距为200mm，最大间距为400mm，单根多点热电偶测杆的高度为最上和最下两个测点的间距加200mm，高度上限值为2100mm。
所述多点热电偶测杆为耐高温不锈钢材料，最高耐受温度大于1000℃。
所述多点热电偶测杆的水平行列间距以及数量可根据通道布置方式进行灵活布置，行列间距范围为200mm-400mm。
步骤4，模拟气化过程
根据气化炉内通道布置方式的不同，在注气通道和气化通道的交接点布置点火器13，所述点火器采用电阻丝加热，引燃点火点布置的易燃材料直至引燃附近气化煤层，在此过程中，由注气管路向气化炉内注气通道注入气化剂。点火成功后，继续注入气化剂，模拟气化煤层的燃烧气化过程。
上述步骤4中的模拟气化过程可以是模拟空气气化过程；其子步骤是：待气化炉点火成功后，由空气压缩机19向注气管路提供常温状态下0-20m3/h的空气。空气气化过程所产煤气中CO组分含量为5％-15％，H2含量为5％-15％，煤气热值为3.0-5.50MJ/m3，该产气状态持续保持8-12小时，气体流量计26所监测到的煤气流量即为适合所述空气气化过程的工艺参数。
上述步骤4中的模拟气化过程可以是模拟富氧气化过程；其子步骤是：当气化炉点火成功后，由空气压缩机19和氧气罐21共同提供常温下氧气浓度在21％-100％的气化剂，气化剂流量在3-10m3/h。富氧气化过程所产煤气中可燃组分CO+H2+CH4含量及煤气热值随富氧浓度提高而增大，可燃组分的变化范围为20％-70％，热值范围为3.0-10.0MJ/m3，所监测到的煤气组分、流量、热值即为适合所述富氧气化过程的工艺参数。
上述步骤4中模拟气化过程可以是模拟富氧+蒸汽气化过程；其子步骤是：当气化炉点火成功后，先由空气压缩机19提供一定流量的空气，然后在注气管中注入氧气罐21提供的氧气，使气化剂中氧气浓度逐渐增加，当富氧浓度达到30％-80％时，由蒸汽发生器20提供一定流量的蒸汽，随着蒸汽流量的增加，气化剂中蒸汽和氧气的质量比(简称汽氧比，)逐渐增大，使汽氧比为0.5:1-2.5:1，在所述富氧浓度、流量和汽氧比范围内进行富氧+蒸汽气化试验，当煤气中H2含量为25％-40％，H2/CO的含量比为1.5:1-3:1，煤气热值在6MJ/m3-10MJ/m3时，监测到的注气富氧浓度、富氧流量、汽氧比即为适合所述富氧+蒸汽气化过程的工艺参数。
上述步骤4中模拟气化过程可以是模拟富氧+CO2气化过程；其子步骤是：当气化炉点火成功后，先由空气压缩机19提供一定流量的空气，然后在注气管中注入氧气罐21提供的氧气，使气化剂中氧气浓度逐渐增加，当富氧浓度达到30％-80％时，由CO2储罐22提供一定流量的CO2气体，随着CO2流量的增加，气化剂中CO2和氧气的体积比(简称碳氧比，)逐渐增大，使碳氧比为0.5:1-3:1，在所述富氧浓度、流量和碳氧比范围内进行富氧+CO2气化试验，当煤气中CO含量为10％-30％，CO/CO2的含量比为0.5:1-1:1，煤气热值在5MJ/m3-8MJ/m3时，监测到的注气富氧浓度、富氧流量、碳氧比即为适合所述富氧+CO2气化过程的工艺参数。
步骤5，数据监测
所述数据监测包括注气端数据监测、排气端数据监测、炉内温度监测、覆岩下沉量监测。
所述注气端数据监测包括注入气化剂的温度、压力、流量监测，该部分监测由安置在注气管路上的气体测温热电偶25、气体压力表24、气体流量计26完成。
所述排气端数据监测包括煤气的温度、压力、流量、组分监测，该部分监测由安置在排气管路上的气体测温热电偶25、气体压力表24、气体流量计26和气相色谱仪33完成。
所述炉内温度监测为气化煤层和顶板内的温度监测，该部分由布置在气化煤层和顶板上部的多点热电偶12完成。
所述覆岩下沉量监测为覆岩表面的位移监测，该部分由布置于气化炉内覆岩表面的位移计10监测完成。
步骤6，气化炉充填
所述步骤4模拟气化过程结束后，可开展气化炉燃空区充填试验，将充填浆料由充填泵34经注气管充填到气化炉燃空区。
步骤7，气化炉解剖
所述气化炉解剖为模拟气化试验结束后对气化炉进行解剖，沿气化炉相互垂直的两个纵截面，取出1/4-1/2的气化煤层和顶底板，然后观察两个纵截面所揭露的顶底板岩层和燃空区形态结构，为更加直观地开展气化炉燃空区扩展形态、气化煤层燃烧边界范围、气化煤体残留形态、污染物分布和扩散、顶板岩层热损伤和垮落特性的研究提供可实现的手段。
所述气化炉解剖可针对气化炉充填和气化炉不充填两种情况下的气化炉解剖。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (1)
1.一种模拟煤炭原位地下气化的试验方法，其特征在于：包括气化炉炉体、顶盖、炉壁注排气管、气化剂制备单元、注排气管路、气体流量计、气体压力表、气体测温热电偶、气体净化单元、气体放散单元、炉内温度监测单元、气相色谱仪、点火器、位移计、充填单元、计算机；所述气化炉外形为圆柱体，气化炉壁由外到内分别钢板、普通砖层、保温材料、水夹层、耐火砖层，气化炉内部由下到上分别铺设多层底板相似材料、气化煤层、多层顶板相似材料；所述气化炉体外侧有辅助出料口；所述顶盖为多层圆盘结构，多层圆盘结构由下到上分别填充耐火砖和保温材料，顶盖与气化炉体采用螺栓连接，连接处有密封圈；所述炉壁注排气管水平布置于气化炉体两侧，两侧各3根短管焊接于气化炉体外壁，形成3条轴线贯穿气化炉；所述气化剂制备单元包括空气压缩机、蒸汽发生器、氧气罐和二氧化碳气罐，分别为气化反应过程提供空气、蒸汽、氧气和二氧化碳；所述注排气管路包括注气管路和排气管路，注气管路连接气化剂制备单元和注气通道，排气管路连接气体净化单元和排气通道；所述气体压力表包括注气管路安装的气体压力表和排气管路安装的气体压力表，分别监测注气管路和排气管路的气体压力；所述气体测温热电偶包括注气管路安装的测温热电偶和排气管路安装的测温热电偶，分别监测注气管路和排气管路内的气体温度；所述气体流量计包括注气管路安装的涡街流量计和排气管路安装的涡街流量计，分别监测注气管路和排气管路气体流量；所述气体净化单元包括洗涤罐、脱焦罐、脱硫罐，分别实现对粗煤气的洗涤、脱焦和脱硫；所述气体放散单元包括水封罐和放散塔，放散塔将所产煤气点火后高空放散；所述炉内温度监测单元包括布置于气化炉内煤层和覆岩内的多点测温热电偶；所述气相色谱仪监测所产煤气组分；所述点火器布置于气化煤层点火位置，实现气化煤层的点火；所述位移计布置于气化炉内覆岩上表面，监测覆岩表面的移动下沉值；所述充填单元可实现模拟气化过程结束后的燃空区充填，由充填泵对气化炉内燃空区进行充填；
试验方法步骤如下：
步骤1，铺设气化煤层及顶底板相似材料：根据现场的水文地质资料、气化煤层钻孔勘探资料，由钻孔柱状图确定气化煤层及顶底板岩层；通过岩石力学性质实验获得现场顶底板岩石的相关力学参数，即单轴抗压强度；根据相似原理理论，以河砂为骨料，粘土为胶结物，利用正交试验和全面实验方法分析不同材料配比下的单轴抗压强度，并与利用相似原理计算的抗压强度进行对比，确定满足相似比的不同顶底板岩层河砂和粘土配比；根据现场实际厚度的1/10-1/30的几何缩放比确定气化煤层和顶底板相似材料的厚度，基于相似材料配比铺设煤层及顶底板相似材料；
步骤2，布置煤层通道和管道：所述试验炉可在所述气化煤层中实现多种通道布置方式，包括单一通道布置方式、双通道布置方式、水平U型通道布置方式；气化煤层中所述通道包括用于气化剂注入的注气通道，用于煤气排出的排气通道，以及用于发生燃烧气化反应的气化通道；所述注气通道、排气通道和气化通道为半圆拱形通道，在上述注气通道、排气通道和气化通道内均布置半圆拱形筛管；所述注气通道与炉壁注气管连接，所述排气通道与炉壁排气管连接，关闭炉壁排气管，由炉壁注气管注气，进行气化炉气密性试验；
步骤3，炉内温度监测单元设置：在气化煤层和顶板相似材料中垂直布置多根多点热电偶测杆，所述多点热电偶测杆由下到上不同高度布置测温热电偶测点，每个测点可监测该高度的气化煤层或顶板相似材料岩层的温度值，测点高度方向的间距可根据所布设煤层厚度、顶板岩层厚度和层数进行调整；
步骤4，模拟气化过程：根据气化炉内通道布置方式的不同，在注气通道和气化通道的交接点布置点火器，所述点火器采用电阻丝加热，引燃点火点布置的易燃材料直至引燃附近气化煤层，在此过程中，由注气管路向气化炉内注气通道注入气化剂，点火成功后，继续注入气化剂，模拟气化煤层的燃烧气化过程；
步骤5，数据监测：数据监测包括注气端数据监测、排气端数据监测、炉内温度监测、覆岩下沉量监测；所述注气端数据监测包括注入气化剂的温度、压力、流量监测，该部分监测由安置在注气管路上的气体测温热电偶、气体压力表、气体流量计完成；所述排气端数据监测包括煤气的温度、压力、流量、组分监测，该部分监测由安置在排气管路上的气体测温热电偶、气体压力表、气体流量计和气相色谱仪完成；所述炉内温度监测为气化煤层和顶板内的温度监测，该部分由布置在气化煤层和顶板上部的多点热电偶完成；所述覆岩下沉量监测为覆岩表面的位移监测，该部分由布置于气化炉内覆岩表面的位移计监测完成；
步骤6，气化炉充填：所述步骤4模拟气化过程结束后，可开展气化炉燃空区充填试验，将充填浆料由充填泵经注气管充填到气化炉燃空区；
步骤7，气化炉解剖：所述气化炉解剖为模拟气化试验结束后对气化炉进行解剖，沿气化炉相互垂直的两个纵截面，取出1/4-1/2的气化煤层和顶底板，然后观察两个纵截面所揭露的顶底板岩层和燃空区形态结构，为更加直观地开展气化炉燃空区扩展形态、气化煤层燃烧边界范围、气化煤体残留形态、污染物分布和扩散、顶板岩层热损伤和垮落特性的研究提供可实现的手段；
所述步骤3中所述多点热电偶测杆为耐高温不锈钢材料，最高耐受温度大于1000℃；所述多点热电偶测杆的水平行列间距以及数量可根据通道布置方式进行灵活布置，行列间距范围为200mm-400mm；
所述步骤4中的模拟气化过程可以是模拟空气气化过程；其子步骤是：待气化炉点火成功后，由空气压缩机向注气管路提供常温状态下0-20m3/h的空气，空气气化过程所产煤气中CO组分含量为5％-15％，H2含量为5％-15％，煤气热值为3.0-5.50MJ/m3，该产气状态持续保持8-12小时，所监测到的煤气流量即为适合所述空气气化过程的工艺参数；
所述步骤4中的模拟气化过程可以是模拟富氧气化过程；其子步骤是：当气化炉点火成功后，由空气压缩机和氧气罐共同提供常温下氧气浓度在21％-100％的气化剂，气化剂流量在3-10m3/h；富氧气化过程所产煤气中可燃组分CO+H2+CH4含量及煤气热值随富氧浓度提高而增大，可燃组分的变化范围为20％-70％，热值范围为3.0-10.0MJ/m3，所监测到的煤气组分、流量、热值即为适合所述富氧气化过程的工艺参数；
所述步骤4中模拟气化过程可以是模拟富氧+蒸汽气化过程；其子步骤是：当气化炉点火成功后，先由空气压缩机提供一定流量的空气，然后在注气管中注入氧气罐提供的氧气，使气化剂中氧气浓度逐渐增加，当富氧浓度达到30％-80％时，由蒸汽发生器提供一定流量的蒸汽，随着蒸汽流量的增加，气化剂中蒸汽和氧气的质量比逐渐增大，使汽氧比为0.5:1-2.5:1，在所述富氧浓度、流量和汽氧比范围内进行富氧+蒸汽气化试验，当煤气中H2含量为25％-40％，H2/CO的含量比为1.5:1-3:1，煤气热值在6MJ/m3-10MJ/m3时，监测到的注气富氧浓度、富氧流量、汽氧比即为适合所述富氧+蒸汽气化过程的工艺参数；
所述步骤4中模拟气化过程可以是模拟富氧+CO2气化过程；其子步骤是：当气化炉点火成功后，先由空气压缩机提供一定流量的空气，然后在注气管中注入氧气罐提供的氧气，使气化剂中氧气浓度逐渐增加，当富氧浓度达到30％-80％时，由CO2储罐提供一定流量的CO2气体，随着CO2流量的增加，气化剂中CO2和氧气的体积比逐渐增大，使碳氧比为0.5:1-3:1，在所述富氧浓度、流量和碳氧比范围内进行富氧+CO2气化试验，当煤气中CO含量为10％-30％，CO/CO2的含量比为0.5:1-1:1，煤气热值在5MJ/m3-8MJ/m3时，监测到的注气富氧浓度、富氧流量、碳氧比即为适合所述富氧+CO2气化过程的工艺参数。
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