CN110987719A - 一种煤吸附电厂烟气过程模拟实验系统 - Google Patents

一种煤吸附电厂烟气过程模拟实验系统 Download PDF

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王雪峰
李晓峰
吴玉程
邓存宝
褚歌
郝朝瑜
王延生
陈曦
高涛
武俊诚
陈雪松
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Taiyuan University of Technology
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Taiyuan University of Technology
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Abstract

一种煤吸附电厂烟气过程模拟实验系统，属于煤矿防灭火技术领域。所述煤吸附电厂烟气过程模拟实验系统，包括供气系统、实验反应系统、真空环境制备系统和数据采集系统；所述供气系统与三通阀一的入口连接，所述三通阀一的一个出口与所述数据采集系统连接，所述三通阀一的另一个出口与实验反应系统的入口连接，所述实验反应系统的出口通过三通阀二与真空环境制备系统和数据采集系统连接。所述煤吸附电厂烟气过程模拟实验系统，其操作简单、可行性强、灵活度高。

Description

一种煤吸附电厂烟气过程模拟实验系统
技术领域
本发明涉及煤矿防灭火技术领域，特别涉及一种煤吸附电厂烟气过程模拟实验系统。
背景技术
随着惰气防灭火、CO2捕获与封存(CCS)等技术的发展，以坑口电厂烟气代替纯惰气 (N2、CO2等)注入采空区防灭火技术逐渐发展起来。这是由于制N2，CO2的初期投入成本较高，后期维护复杂，而坑口电厂烟气的主要成分即为N2和CO2，是很好的防灭火材料，并且直接排放会造成很严重的温室气体破坏效应。因此将煤矿附近坑口电厂排放的烟道气通过管道输送注入采空区，可以达到防治煤炭自燃以及温室气体封存双赢的效果。目前对于电厂烟气注入采空区的研究还处于初期，尚帅超从注气工艺及经济角度分析了注烟道气代替注氮的可行性；贾宝山等采用数值模拟的方法计算出自燃带以及合理的注气参数，表明防灭火的可行性；高飞等采用自制煤大样量吸附装置，测定了常温常压下煤对电厂烟气各组分的吸附量，由烟气封存量说明注烟气的可行性。煤对气体的吸附是非常复杂的，煤的化学结构各项异构，气体与煤基质表面会发生非常复杂的物理化学吸附过程，但是对于烟气各组分之间的详细的竞争吸附行为以及吸附微观机理还鲜见报道。而在电厂烟气的处理技术方面，目前常采用的CO2处理方法有膜分离技术、变压吸附技术、醇胺溶液化学吸收工艺与低温甲醇吸收技术，但是这些方法工艺的成本过高并且捕集困难，常常因为烟气温度过高而限制。综上所述，利用采空区遗煤封存电厂烟气有很大意义。然而现有的类似实验系统尺寸皆较大，在实验过程中操作相对困难，实验煤样粒径大，吸附平衡时间长，同时，实验的成本也相对较高。
发明内容
为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种煤吸附电厂烟气过程模拟实验系统，其操作简单、可行性强、灵活度高。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种煤吸附电厂烟气过程模拟实验系统，包括供气系统、实验反应系统、真空环境制备系统和数据采集系统；
所述供气系统与三通阀一的入口连接，所述三通阀一的一个出口与所述数据采集系统连接，所述三通阀一的另一个出口与实验反应系统的入口连接，所述实验反应系统的出口通过三通阀二与真空环境制备系统和数据采集系统连接。
所述供气系统包括高压气罐，所述高压气罐与三通阀一的入口连接，所述高压气罐与三通阀一连接的气路管上设置有减压阀、阀门、压力表一和气体流量计，所述气体流量计依次与积算仪和计算机连接。
所述高压气罐内的气体为CO2、SO2、NO2或者O2。
所述实验反应系统采用石英管反应器，所述石英管反应器的设置有煤样，所述煤样的两端设置有棉花塞，并且石英管反应器的入口处设置有压力表二。
所述石英管反应器的煤样内设置有温度传感器。
所述数据采集系统采用气体浓度传感器，所述真空环境制备系统采用真空泵，所述气体浓度传感器分别与三通阀一的一个出口和三通阀二的一个出口通过三通阀三连接。
本发明的有益效果：
1)试验系统尺寸较小，操作方便，且所使用煤样粒径小，吸附彻底，平衡时间短；
2)能够模拟真实条件下煤层吸附气体的过程，可根据试验要求更换煤种和气体，并且能够研究煤对待吸附气体的吸附量规律，用途广泛；
3)本发明操作简便、可行性强、灵活度高，可以实时采集准确的实验数据。
本发明的其他特征和优点将在下面的具体实施方式中部分予以详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的煤吸附电厂烟气过程模拟实验系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的石英管反应器的结构示意图。
说明书附图中的附图标记包括：
1-高压气罐；2-减压阀；3-阀门；4-压力表一；5-气体流量计；6-积算仪；7-计算机；8- 三通阀一；9-压力表二；10-石英管反应器；11-三通阀三；12-三通阀二；13-真空泵；14-气体浓度传感器；15-路径一；16-路径二；1001-棉花塞。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“竖向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“一”、“二”、“三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
为了解决现有技术存在的问题，如图1至图2所示，本发明实施例提供了一种煤吸附电厂烟气过程模拟实验系统，其操作简单、可行性强、灵活度高。
如图1所示，一种煤吸附电厂烟气过程模拟实验系统，包括供气系统、实验反应系统、真空环境制备系统和数据采集系统；
供气系统与三通阀一8的入口连接，三通阀一8的一个出口与数据采集系统连接，三通阀一8的另一个出口与实验反应系统的入口连接，实验反应系统的出口通过三通阀二12与真空环境制备系统和数据采集系统连接。
供气系统包括高压气罐1，高压气罐1与三通阀一8的入口连接，高压气罐1与三通阀一8连接的气路管上设置有减压阀2、阀门3、压力表一4和气体流量计5，减压阀2把高压气罐1出来的气体的压力减小到设定值并保持稳定，阀门用于开关高压气罐1，压力表一4 用于监测高压气罐的内部压力，气体流量计5依次与积算仪6和计算机7连接，其中，积算仪6与计算机7通过通讯接口连接，通过气体流量计5与积算仪6来控制高压气罐1流出的气体流量。高压气罐1内的气体为CO2、SO2、NO2或者O2。
实验反应系统采用石英管反应器10，石英管反应器10为石英材料的圆筒结构，石英管反应器10的设置有煤样，煤样的两端设置有棉花塞1001，并且石英管反应器10的入口处设置有压力表二9，通过煤样破碎机将煤样破碎并筛选出所要粒径的煤粉，将煤粉放入石英管反应器10，用棉花塞1001塞紧两端，以防煤粉进入到气路管与气体浓度传感器14之中，影响气体浓度传感器14工作。石英管反应器10的煤样内可设置有温度传感器。
数据采集系统采用气体浓度传感器14，真空环境制备系统采用真空泵13，气体浓度传感器14分别与三通阀一8的一个出口和三通阀二12的一个出口通过三通阀三11连接。
本实施例中，通过计算机7上安装Digital MFC Management Software配套软件可以控制高压气罐1流出的气体流量。三通阀一8与三通阀三11之间构成了两条路径：路径一15：三通阀一8与三通阀三11直接通过气路管连接，当调节三通阀一8与三通阀三11使气体流经路径一15直接流入气体浓度传感器14时，能够实现实验气体浓度的标定；路径二16：实验气体由三通阀一8经压力表二9流入石英管反应器10内进行吸附，吸附后流经三通阀二12之后流到三通阀三11。将三通阀一8与三通阀三11转到路径二16的方向后打开真空泵 13进行真空环境的制备，同时，通过石英管反应器10入口的压力表二9能够得到石英管反应器10内压力的实时数据。气体浓度传感器14通过与三通阀三11对应连接，通过三通阀转向的改变可以分别测量路径一15和路径二16的气体浓度，从而实现对实验数据的实时采集，气体浓度传感器14的具体类型根据高压气罐1内的气体确定，选择对应类型的传感器，本实施例中，高压气罐1内的气体为二氧化碳，气体浓度传感器14采用二氧化碳传感器。气体流量计5通过三通阀一8对应连接至石英管反应器10，从而实现对流入石英管反应器10的气体流量的实时监测。
上述煤吸附电厂烟气过程模拟实验系统的操作过程如下：
以CO2为例，将16％CO2与氩气的高压气罐1与三通阀一8的入口连接，通过气体流量计5、积算仪6和计算机7上的软件来控制高压气罐1流出的气体流量，设定气体流量为50ml/min；
将三通阀一8与三通阀三11转到路径一15的方向，将三通阀二12转到真空泵13方向，通过真空泵13可抽真空，抽真空用时大概为三小时，同时，高压气罐1流出的气体经气体流量计5后通过阀一、路径一15、三通阀三11直接到二氧化碳传感器，标定高压气罐1出来的气体浓度，为与之后的实验数据对比做准备以得出真实的吸附数值；
抽真空和标定之后，先关闭三通阀二12，将三通阀一8转向路径二16的方向，待石英管反应器10的压力表二9显示大气压后，将三通阀二12与三通阀三11同时转向二氧化碳传感器方向，开始实验；
实验时间设定为12小时，前六个小时，每十分钟记录一次二氧化碳传感器的数据；后六小时，每隔一小时记录一次二氧化碳传感器的数据，根据二氧化碳传感器显示数值，通过下述公式计算CO2实时吸附量：
因为煤对氩气不吸附，所以以氩气作为计算标准，计算公式如下：
Figure BDA0002338030940000041
其中
Figure BDA0002338030940000042
表示CO2的实时吸附量，V总表示一分钟从高压气罐1出来的气体总体积50ml， VAr表示一分钟从高压气罐1出来的氩气的体积为42ml，
Figure BDA0002338030940000043
表示二氧化碳传感器显示数值。
需要说明的是，在实验时，还可以在石英管反应器10的煤样内放置温度传感器来检测吸附过程中的温度变化，温度传感器读数的记录时间跟气体浓度传感器14显示值的记录时间相同。
本实施例以研究煤吸附CO2的过程为例，本发明还可以用于模拟煤吸附其他气体的过程或者模拟煤对多种气体的混合吸附过程，为气体在被吸附时的难易程度和优先度提高数据基础，本发明操作简单可行性强、灵活度高，可以实时采集准确的实验数据，具有精确与用途广泛的优点。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种煤吸附电厂烟气过程模拟实验系统，其特征在于，包括供气系统、实验反应系统、真空环境制备系统和数据采集系统；
所述供气系统与三通阀一的入口连接，所述三通阀一的一个出口与所述数据采集系统连接，所述三通阀一的另一个出口与实验反应系统的入口连接，所述实验反应系统的出口通过三通阀二与真空环境制备系统和数据采集系统连接。
2.根据权利要求1所述的煤吸附电厂烟气过程模拟实验系统，其特征在于，所述供气系统包括高压气罐，所述高压气罐与三通阀一的入口连接，所述高压气罐与三通阀一连接的气路管上设置有减压阀、阀门、压力表一和气体流量计，所述气体流量计依次与积算仪和计算机连接。
3.根据权利要求1所述的煤吸附电厂烟气过程模拟实验系统，其特征在于，所述高压气罐内的气体为CO2、SO2、NO2或者O2。
4.根据权利要求1所述的煤吸附电厂烟气过程模拟实验系统，其特征在于，所述实验反应系统采用石英管反应器，所述石英管反应器的设置有煤样，所述煤样的两端设置有棉花塞，并且石英管反应器的入口处设置有压力表二。
5.根据权利要求4所述的煤吸附电厂烟气过程模拟实验系统，其特征在于，所述石英管反应器的煤样内设置有温度传感器。
6.根据权利要求1所述的煤吸附电厂烟气过程模拟实验系统，其特征在于，所述数据采集系统采用气体浓度传感器，所述真空环境制备系统采用真空泵，所述气体浓度传感器分别与三通阀一的一个出口和三通阀二的一个出口通过三通阀三连接。
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