CN107976395B - 松散煤体内co2渗透系统测定装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种松散煤体内CO2渗透系数测定装置及其方法，该装置包括二氧化碳储罐，二氧化碳储罐的输出端口设置有输送管道，输送管道上从左到右依次设置有压力调节阀、压力表、流量调节阀和流量计；流量计右端的输送管道连接有气室，气室的右侧通过铜丝网连接有测试管，该装置可以测试不同压力、粒径、孔隙率、温度多条件下的二氧化碳在松散煤体中的运移规律；在测试管内布置多个压力传感器，方便研究测试管内压力逐步达到平衡过程中，以及二氧化碳在测试管内的运移规律。
Description
技术领域
本发明涉及CO2渗透系统测定技术领域，特别涉及一种松散煤体内二氧化碳渗透系数测定装置及其方法。
背景技术
自然界中，二氧化碳存在气、液、固三种相态，随着环境压力和温度的变化，二氧化碳将发生相变，并发生能量的转移。相变过程中，由一种相态完全转化为另一种相态的阶段则为非饱和多相状态。我国煤自燃灾害严重，而治理的关键在于阻断煤的氧化和移除热量。现有防灭火技术中，直接利用液态二氧化碳进行煤自燃的防治，其兼具阻燃、阻爆性能的同时还具有明显降温效果且不损害煤质，更有利于自然发火的防治，特别是对大范围封闭火区的治理具有良好的效果。液态二氧化碳在采空区、破碎煤柱、煤堆等松散煤体环境中释放后，由于压力和环境的变化，液态二氧化碳迅速发生相变，形成非饱和多相态的二氧化碳气体，在松散煤体中渗流与运移，并伴随着传质传热过程。掌握多相二氧化碳的渗流与运移规律则是分析其传质传热过程的基础。因此对多相二氧化碳在松散媒体中的渗流与运移规律的研究是液态二氧化碳降温灭火技术应用的关键。
现有测试方法及装置中，均为测试单一气相状态下二氧化碳的渗流规律，没有对不同压力、粒径、温度、孔隙率多变量综合因素下，松散煤体内多相二氧化碳渗流及运移规律的测试与研究；同时现有研究方法中，多采用计算机模拟的方法对松散煤体中单相气体进行研究，没有对多相气体采取物理测试的方法。
发明内容
本发明设计了一种CO2渗透系数测定装置，研究了CO2多相气体在松散煤体介质中不同压注压力、煤体粒径、空隙率条件下的渗流规律及扩散规律，同时提出了一种新的渗流系数计算方法。
本发明提供了一种松散煤体内CO2渗透系数测定装置，包括二氧化碳储罐，所述二氧化碳储罐的输出端口设置有输送管道，所述输送管道上从左到右依次设置有压力调节阀、压力表、流量调节阀和流量计；所述流量计右端的输送管道连接有气室，所述气室的右侧通过铜丝网连接有测试管，所述测试管内设置有第一温度传感器和压力传感器，所述测试管的右侧也通过铜丝网连接有气室，所述气室的右侧通过输送管道连接有出口阀门；所述气室和测试管均设置在水浴箱中，所述水浴箱中还设置有加热丝和温度传感器；所述水浴箱的上方设置有压力变送器，所述压力变送器的左端连接位于测试管左侧的气室，所述压力变送器的右端连接位于测试管右侧的气室；所述压力表、流量计压力变送器、压力传感器、第一温度传感器、第二温度传感器进而加热丝均通过导线与计算机信号连接。
较佳地，所述压力传感器至少有四个。
一种松散煤体内CO2渗透系数测定方法，包括以下步骤：
(1)制备样煤：把样煤破碎至一定的粒度，通过挤压填充到测试管中，得到不同的空隙度；
(2)连接实验装置：打开出口阀门，在出口阀门出连接抽空泵，同时关闭流量调节阀，启动抽空泵把测试管抽真空；
(3)当抽空泵上的真空表读数在0.5h内一直维持在-0.1MPa时开始试验；
(4)设定水浴箱温度：待水浴箱温度稳定，第一温度传感器温度达到预定温度时，打开二氧化碳储罐上的阀门；
(5)设定入口压力：通过压力调节阀设定输送管道中的压力；
(6)测定不同流量下，测试管内各压力点变化，直至测试管内压力达到平衡，并记录压力平衡时测试管内压差；
(7)改变入口压力；重复步骤6；
(8)改变水浴箱温度，重复步骤5和6，同时向测试管中填入不同粒径的煤样，进而可以测得不同温度、不同的空隙度CO2渗透系数。
本发明测定装置，可以测试不同压力、粒径、孔隙率、温度多条件下的二氧化碳在松散煤体中的运移规律；在测试管内布置多个压力传感器，方便研究测试管内压力逐步达到平衡过程中，以及二氧化碳在测试管内的运移规律。
附图说明
图1为本发明提供的一种松散煤体内CO2渗透系数测定装置结构示意图；
图2为松散煤体内CO2渗透系数测定流程图。
附图标记说明：
1、二氧化碳储罐；2、压力调节阀；3、压力表；4、流量调节阀；5、流量计；6、压力变送器；7、水浴箱；8、气室；9、铜丝网；10、测试管；11、第一温度传感器；12、压力传感器；13、出口阀门；14、计算机；15、第二温度传感器；16、加热丝。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
如图1所示，本发明实施例提供了一种松散煤体内CO2渗透系数测定装置，包括二氧化碳储罐1，二氧化碳储存罐用于提供二氧化碳源，二氧化碳储罐1的输出端口设置有输送管道，输送管道上从左到右依次设置有压力调节阀2、压力表3、流量调节阀4和流量计5，压力调节阀用于控制二氧化碳输出压力，压力表用于监控二氧化碳输出压力，流量调节阀用于调节二氧化碳输出流量，流量表用于监测二氧化碳输出流量；流量计5右端的输送管道连接有气室8，气室便于压力传感器监测测试管两端稳定压力，该气室8的右侧与测试管10连通，气室8与测试管10的连接处设置有铜丝网9，铜丝网用于防止测试管内煤样进入气室中的输送管路内；测试管10内设置有第一温度传感器11和压力传感器12，测试管10的右侧也连接有气室8，在两者的连接处也设置有铜丝网，气室8的右侧通过输送管道连接有出口阀门13；气室8和测试管10均设置在水浴箱7中，水浴箱用于保持测试管内恒定测试温度，水浴箱7中还设置有加热丝16和温度传感器15，控制加热丝加热，再通过温度传感器监测水浴箱内的温度，从而可以使水浴箱内的温度保持恒温；压力变送器连接测试管路两端气室，用于监测测试管路两端压差；水浴箱用于保持测试管路内恒定测试温度水浴箱7的上方设置有压力变送器6，压力变送器用于监测测试管路两端压差，压力变送器6的左端连接位于测试管10左侧的气室8，压力变送器6的右端连接位于测试管10右侧的气室8；压力表3、流量计5压力变送器6、压力传感器12、第一温度传感器11、第二温度传感器15进而加热丝16均通过导线与计算机14信号连接。
在本发明中，通过计算机设定水浴箱预定温度，计算机启动加热丝对水浴箱进行加热程序，当第二温度传感器检测到水浴箱温度超过预设温度3℃时，计算机关闭加热丝；当第二温度传感器检测到水浴箱温度低于预设温度3℃时，计算机启动加热丝对水浴箱进行加热，以此保证水浴箱温度一直保持在预设温度上下3℃左右，然后进行测定实验。
在本发明实施例中，压力传感器12至少有四个。
一种松散煤体内CO2渗透系数测定方法，包括以下步骤：
(1)制备样煤：把样煤破碎至一定的粒度，通过挤压填充到测试管中，得到不同的空隙度；
(2)连接实验装置：打开出口阀门，在出口阀门出连接抽空泵，同时关闭流量调节阀，启动抽空泵把测试管抽真空；
(3)当抽空泵上的真空表读数在0.5h内一直维持在-0.1MPa时开始试验；
(4)设定水浴箱温度：待水浴箱温度稳定，第一温度传感器温度达到预定温度时，打开二氧化碳储罐上的阀门；
(5)设定入口压力：通过压力调节阀设定输送管道中的压力；
(6)测定不同流量下，测试管内各压力点变化，直至测试管内压力达到平衡，并记录压力平衡时测试管内压差；
(7)改变入口压力；重复步骤6；
(8)改变水浴箱温度，重复步骤5和6，同时向测试管中填入不同粒径的煤样，进而可以测得不同温度、不同的空隙度CO2渗透系数。
具体的，松散煤体内CO2渗透系数测定方法为：
根据Forchheimer提出适用于一般渗流行为的非线性渗流理论方程：
式中，P为压力，Pa，；μ为流体的动力粘度，kg/(m·s)，u为渗流速率，k为渗透率，m/s，β为非达西因子，m-1；ρ为流体的密度，kg/m3
CO2在松散煤体容器中渗流速度通过下式来计算：
式中：Q为气体的流量，ml/s；r为容器的半径，m
其中，Q为流量计5测得流量值，通过流量调节阀4调节CO2输送流量；
压力梯度可以用式3来表示：
P1、P2分别为容器两端的压力，Pa；L为容器的长度，m。
其中，P2-P1为测试管路两端压差，通过压力传送器6获得；
将(3)代入(1)可得：
由于释放的CO2气体满足气体理想状态方程：
PV＝znRT
(5)
式中，V为理想气体的体积，n表示气体物质的量，而T则表示理想气体的热力学温度；R为理想气体常数，8.314J/(mol·K)。
其中，T为测试管路内温度，通过第二温度传感器15获得；同时可通过水浴箱调节测试管路中温度；
根据质量守恒方程：
ρQ＝ρpQp
(6)
其中，ρ表示平均密度；Q表示平均流量；ρp表示测点空气密度；Qp表示测点流量。
密度公式：
将容器内压力设为综合式4、5、6、7和8，得到煤样渗透率的计算公式：
式中，M为CO2摩尔质量kg/mol；A为横截面积，m2；z为空气压缩因子；R为摩尔气体常量R＝8.314J/(mol·k)；μ为动力粘度系数；P1、P2不同渗流速度下压差测试的两端压力。
引用多孔介质的渗流理论来推导CO2在松散煤体中的渗流规律，然后通过试验测定其渗透系数和非达西因子。利用式(8)，将定义为x，将式左端/>的项定义成Y。则得到线性方程/>利用曲线的斜率求出非达西因子β，从而可以利用y轴的截距求出渗透率k。
通过调节压力调节阀2，就可以测试不同压力下CO2在松散煤体内的渗透系数及运移规律；改变测试容器内松散煤体粒径，就可以测试不同粒径下的CO2渗透系数及运移规律；通过挤压煤体填充容器，得到不同的空隙度下CO2渗透系数及运移规律；调节水浴箱温度，就可以测试不同温度下的CO2渗透系数及运移规律。
综上所述，本发明实施例提供的松散煤体内二氧化碳渗透系数测定装置，可以测试不同压力、粒径、孔隙率、温度多条件下的二氧化碳在松散煤体中的运移规律；在测试管内布置多个压力传感器，方便研究测试管内压力逐步达到平衡过程中，以及二氧化碳在测试管内的运移规律。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (3)
1.松散煤体内CO2渗透系数测定装置，其特征在于，包括二氧化碳储罐（1），所述二氧化碳储罐（1）的输出端口设置有输送管道，所述输送管道上从左到右依次设置有压力调节阀（2）、压力表（3）、流量调节阀（4）和流量计（5）；
所述流量计（5）右端的输送管道连接有气室（8），所述气室（8）的右侧通过铜丝网（9）连接有测试管（10），所述测试管（10）内设置有第一温度传感器（11）和压力传感器（12），所述测试管（10）的右侧也通过铜丝网（9）连接有气室（8），所述气室（8）的右侧通过输送管道连接有出口阀门（13）；
所述气室（8）和测试管（10）均设置在水浴箱（7）中，所述水浴箱（7）中还设置有加热丝（16）和温度传感器（15）；
所述水浴箱（7）的上方设置有压力变送器（6），所述压力变送器（6）的左端连接位于测试管（10）左侧的气室（8），所述压力变送器（6）的右端连接位于测试管（10）右侧的气室（8）；
所述压力表（3）、流量计（5）压力变送器（6）、压力传感器（12）、第一温度传感器（11）、第二温度传感器（15）进而加热丝（16）均通过导线与计算机（14）信号连接；
铜丝网用于防止测试管内煤样进入气室中的输送管路内；
水浴箱用于保持测试管内恒定测试温度，水浴箱7中还设置有加热丝16和温度传感器15，控制加热丝加热，再通过温度传感器监测水浴箱内的温度，从而可以使水浴箱内的温度保持恒温；
通过调节压力调节阀2，就可以测试不同压力下CO2在松散煤体内的渗透系数及运移规律；改变测试容器内松散煤体粒径，就可以测试不同粒径下的CO2渗透系数及运移规律；通过挤压煤体填充容器，得到不同的空隙度下CO2渗透系数及运移规律；调节水浴箱温度，就可以测试不同温度下的CO2渗透系数及运移规律。
2.如权利要求1所述的松散煤体内CO2渗透系数测定装置，其特征在于，所述压力传感器（12）至少有四个。
3.松散煤体内CO2渗透系数测定方法，适用于权利要求 1-2 中任一项所述的松散煤体内CO2渗透系数测定装置，其特征在于，包括以下步骤：
（1）制备样煤：把样煤破碎至一定的粒度，通过挤压填充到测试管中，得到不同的空隙度；
（2）连接实验装置：打开出口阀门，在出口阀门出连接抽空泵，同时关闭流量调节阀，启动抽空泵把测试管抽真空；
（3）当抽空泵上的真空表读数在0.5h内一直维持在-0.1MPa时开始试验；
（4）设定水浴箱温度：待水浴箱温度稳定，第一温度传感器温度达到预定温度时，打开二氧化碳储罐上的阀门；
（5）设定入口压力：通过压力调节阀设定输送管道中的压力；
（6）测定不同流量下，测试管内各压力点变化，直至测试管内压力达到平衡，并记录压力平衡时测试管内压差；
（7）改变入口压力；重复步骤（6）；
（8）改变水浴箱温度，重复步骤（5）和（6），同时向测试管中填入不同粒径的煤样，进而可以测得不同温度、不同的空隙度CO2渗透系数。
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