CN113092307A - 一种co2吸附量测定实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及CO2吸附量测定技术领域，公开了一种CO2吸附量测定实验装置及方法，装置包括：中空罐体和罐盖，所述罐体内设有松散煤体，中空罐体和罐盖之间设有密封圈，所述罐体上密封连接有：进气系统，用于对罐体内充入CO2气体；出气系统，用于当充入CO2气体被松散煤体吸附后，排出罐体内的CO2气体；抽气系统，用于对罐体进行抽气，实现罐体内脱气；温度模块；流量采集模块；压力采集模块，用于采集罐体内的压力数据；空间调节装置，用于根据装入的松散煤体调节罐体内空间的体积，这种CO2吸附量测定实验装置及方法，能够研究煤体对CO2吸附量的影响因素，并对煤体对CO2吸附量进行测定。
Description
技术领域
本发明涉及CO2吸附量测定技术领域，特别涉及一种CO2吸附量测定实验装置及方法。
背景技术
采空区遗煤自燃发火是威胁我国煤矿安全生产的主要灾害之一。随着开采强度和深度的增加，深部矿井地应力和温度增加，我国遗煤自燃发火问题更加严重。目前主流的防灭火技术是注惰性气体，CO2惰化能力优于N2。液态CO2压注进入采空区后快速气化，达到惰化降温目的，但具有输送能力差、易堵管等问题。目前我国对于防灭火的研究主要集中在CO2防灭火工艺和系统上，忽略了煤体的吸附作用对CO2释放量设计的科学性的影响。CO2释放量不足影响CO2惰化效果，释放量过多涌向工作面则严重影响系统和人员的安全性。
煤体对CO2的吸附与温度、压力、粒径、煤种、气体流场等参数关系密切，其影响因素众多。由于采空区的复杂性和不可预见性，不能深入其内部获得准确的数据，需要利用实验分析煤体对CO2的吸附与各参数之间的关系及其耦合关系，排除无关因素的干扰，准确把握采空区惰化过程中煤岩体对CO2的吸附规律，为CO2释放参数设计提供基础支撑。
发明内容
本发明提供一种CO2吸附量测定实验装置及方法，能够研究煤体对CO2吸附量的影响因素，并对煤体对CO2吸附量进行测定。
本发明提供了一种CO2吸附量测定实验装置及方法，包括：中空罐体和罐盖，所述罐体内设有松散煤体，中空罐体和罐盖之间设有密封圈，所述罐体上密封连接有：
进气系统，用于对罐体内充入CO2气体；
出气系统，用于当充入CO2气体被松散煤体吸附后，排出罐体内的CO2气体；
抽气系统，用于对罐体进行抽气，实现罐体内脱气；
温度模块，用于控制和采集罐体内温度；
流量采集模块，用于采集罐体内的流量数据；
压力采集模块，用于采集罐体内的压力数据；
空间调节装置，用于根据装入的松散煤体调节罐体内空间的体积。
所述进气系统包括：
CO2气瓶；
第一阀门，设置在CO2气瓶上；
减压阀，设置在CO2气瓶与罐体的进气口之间的进气管上；
压力表，设置在减压阀上，用于监测充入CO2气体的压力；
第一流量计，用于监测充入CO2气体的流量；
第二阀门，设置在靠近进气口的进气管上。
所述出气系统包括：
气体导流圆盘，包括圆盘，圆盘上均匀设有多个透气孔，设置在罐体内的底部；
第三阀门，设置在罐体的出气口连接的出气管上；
第二流量计，设置在出气管上，用于监测排出的CO2气体的流量；
气样袋，与出气管路相通，用于采集排出的CO2气体；
第四阀门，设置在出气管道上，与气样袋相连通，用于控制气体的排出。
所述抽气系统包括：
真空泵，通过管道与罐体内连通；
第五阀门，设置在真空泵与罐体连接的管道上。
所述温度模块包括：
加热圈硅胶伴热带，设置在罐体的内壁上；
温度控制器，设置在罐体的外壁上，与加热圈硅胶伴热带信号连接，用于设置加热圈硅胶伴热带的温度参数。
所述压力采集模块包括：
压力变送器，设置在罐体的内壁上，用于实时监测罐体内的气体压力；
压力记录仪表，设置在罐体外，与压力变送器信号连接。
所述空间调节装置包括：
活塞，设置在罐体内；
位移传感器，设置在罐体内的活塞杆上，用于监测活塞杆的位移。
所述罐体其内壁和外壁之间设有保温层，所述保温层内填充有硅酸铝陶瓷纤维。
一种CO2吸附量测定实验装置的测定方法，包括以下步骤：
S1、对松散煤体破碎筛分后，选取粒径相同的松散煤体装入圆柱形中空罐体内，通过空间调节装置，调节罐体内空间的体积并记录，检查罐体、进气系统、出气系统和抽气系统的气密性；
S2、通过抽气系统对罐体进行抽气脱气；
S3、通过温度模块设定罐体内温度；
S4、到达设定温度后，通过进气系统对罐体内充入设定压力和流量的CO2气体；
S5、通过压力采集模块和流量采集模块观察罐体内的压力和流量；
S6、当罐体内的压力和流量稳定不变时，通过出气系统排出罐体内的CO2气体；
S7、计算CO2气体的充入流量和排出流量的差值为CO2气体的吸附量。
所述空间调节装置通过调节活塞至罐体内松散煤体的顶部，通过位移传感器记录活塞的移动距离，关闭第二阀门和第三阀门，开启第五阀门，使用真空泵对罐体内进行脱气，脱气完成后调节温度控制器的温度至预定值，打开第一阀门，通过减压阀和第一流量计向罐体内注入设定压力或流量的CO2气体，然后关闭第一阀门和第二阀门，压力记录仪表稳定不变时认为吸附达到平衡，记录稳定时间、压力和流量，打开第三阀门和第四阀门，观察第二流量计，记录CO2气体流出量数据，通过气样袋采集排出的CO2气体
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明能够研究煤体对CO2吸附量的影响因素，并对煤体对CO2吸附量进行测定，能够在不同遗煤量、温度、压力等条件下直接测定煤体对CO2的吸附量及其规律。
本发明通过设置压力采集模块，能够实现罐内压力的无纸化实时记录，精确度更高。
本发明通过温度模块，可控制并实时显示罐体内的温度。
本发明通过空间调节装置，可调节腔体内自由空间体积，忽略此体积对吸附量的影响，提高测试效率，同时可研究遗煤厚度对吸附量的影响。
附图说明
图1为本发明提供的一种CO2吸附量测定实验装置的结构示意图。
附图标记说明：
1-CO2气瓶，2-第一阀门，3-压力表，4-减压阀，5-第一流量计，6-第二阀门，7-活塞，8-位移传感器，9-保温层，10-罐体，11-松散煤体，12-温度控制器，13-内壁，14-真空泵，15-第三流量计，16-外壁，17-压力变送器，18-第三阀门，19-第二流量计，20-可调节支撑底座，21-第四阀门，22-气样袋，23-压力记录仪表，24-螺丝，25-密封圈，26-进气口，27-出气口，28-第五阀门，29-气体导流圆盘。
具体实施方式
下面结合附图1，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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”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的技术方案和简化描述，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。
如图1所示，本发明提供一种CO2吸附量测定实验装置，包括：中空罐体10和罐盖，所述罐体10内设有松散煤体11，中空罐体10和罐盖之间设有密封圈25，所述罐体10上密封连接有：
进气系统，用于对罐体10内充入CO2气体；
出气系统，用于当充入CO2气体被松散煤体11吸附后，排出罐体10内的CO2气体；
抽气系统，用于对罐体10进行抽气，实现罐体10内脱气；
温度模块，用于控制和采集罐体10内温度；
流量采集模块，用于采集罐体10内的流量数据；
压力采集模块，用于采集罐体10内的压力数据；
空间调节装置，用于根据装入的松散煤体11调节罐体10内空间的体积。
所述进气系统包括：
CO2气瓶1；
第一阀门2，设置在CO2气瓶1上；
减压阀4，设置在CO2气瓶1与罐体10的进气口26之间的进气管上；
压力表3，设置在减压阀4上，用于监测充入CO2气体的压力；
第一流量计5，用于监测充入CO2气体的流量；
第二阀门6，设置在靠近进气口26的进气管上。
所述出气系统包括：
气体导流圆盘29，包括圆盘，圆盘上均匀设有多个透气孔，设置在罐体10内的底部，对气体进行导流，同时防止煤样粒径过小或过大造成出气管道堵塞；
第三阀门18，设置在罐体10的出气口27连接的出气管上；
第二流量计19，设置在出气管上，用于监测排出的CO2气体的流量；
气样袋22，与出气管路相通，用于采集排出的CO2气体；
第四阀门21，设置在出气管道上，与气样袋22相连通，用于控制气体的排出。
所述抽气系统包括：
真空泵14，通过管道与罐体10内连通；
第五阀门28，设置在真空泵14与罐体10连接的管道上。
所述温度模块包括：
加热圈硅胶伴热带，设置在罐体10的内壁13上；
温度控制器12，设置在罐体10的外壁16上，与加热圈硅胶伴热带信号连接，用于设置加热圈硅胶伴热带的温度参数。
所述压力采集模块包括：
压力变送器17，设置在罐体10的内壁13上，用于实时监测罐体10内的气体压力；
压力记录仪表23，设置在罐体10外，与压力变送器17信号连接。
所述空间调节装置包括：
活塞7，设置在罐体10内，活塞7上部可添置加载压头；
位移传感器8，设置在罐体10内的活塞杆上，用于监测活塞杆的位移。
所述罐体10其内壁13和外壁16之间设有保温层9，所述保温层9内填充有硅酸铝陶瓷纤维。
一种CO2吸附量测定实验装置的测定方法，包括以下步骤：
S1、对松散煤体11破碎筛分后，选取粒径相同的松散煤体11装入圆柱形中空罐体10内，通过空间调节装置，调节罐体10内空间的体积并记录，检查罐体10、进气系统、出气系统和抽气系统的气密性；
S2、通过抽气系统对罐体10进行抽气脱气；
S3、通过温度模块设定罐体10内温度；
S4、到达设定温度后，通过进气系统对罐体10内充入设定压力和流量的CO2气体；
S5、通过压力采集模块和流量采集模块观察罐体10内的压力和流量；
S6、当罐体10内的压力和流量稳定不变时，通过出气系统排出罐体10内的CO2气体；
S7、计算CO2气体的充入流量和排出流量的差值为CO2气体的吸附量。
所述空间调节装置通过调节活塞7至罐体10内松散煤体11的顶部，通过位移传感器8记录活塞7的移动距离，关闭第二阀门6和第三阀门18，开启第五阀门28，使用真空泵对罐体10内进行脱气，脱气完成后调节温度控制器12的温度至预定值，打开第一阀门2，通过减压阀3和第一流量计5向罐体10内注入设定压力或流量的CO2气体，然后关闭第一阀门2和第二阀门6，压力记录仪表23稳定不变时认为吸附达到平衡，记录稳定时间、压力和流量，打开第三阀门18和第四阀门21，观察第二流量计19，记录CO2气体流出量数据，通过气样袋22采集排出的CO2气体。
本发明包括进气系统、出气系统、抽气系统、温度模块、压力采集模块、流量采集模块和空间调节装置。
所述进气系统包括CO2气瓶、减压阀、压力表、流量计，用于监测和调节进气系统压力，获取进气口流量数据。
所述出气系统包括流量计和气袋，通过流量计获得出气口流量数据，气袋收集流出的CO2气体，由于实验过程中CO2未参与反应，考虑二次利用。
所述抽气系统主要是真空泵，用于对系统进行抽气，排除杂质和气体干扰。
所述温度模块为内壁上包裹加热圈硅胶伴热带以及温度控制器，用于调控所需的井下环境温度，通过温度控制器获取温度参数。
所述压力采集模块包括压力变送器和压力记录仪，实时获得罐体内压力数据，自动记录压力数据。
所述流量采集模块为第三流量计，与罐体内部相连通，用于监测罐体内气体流量变化。
所述空间调节装置包括活塞和位移传感器，通过圆柱形内壁高度减去位移传感器监测数据获取遗煤高度，调节活塞至松散煤体顶部可忽略煤体自由空间体积对吸附量的影响。
目前吸附测定对象主要是瓦斯，其系统至少包含2个煤样罐测定自由空间体积，通过PV＝nRT计算得出吸附量。通过单个可调式煤样罐，缩短实验时长，减小空间体积对吸附的影响，实现直接测定煤体对CO2的吸附量。
本发明设计了一种CO2吸附量测定实验装置及方法，通过在进出口以及罐体安设流量计、压力计实时监测CO2流量、压力变化，通过加热圈硅胶伴热带和温度控制器改变煤体环境温度，位移传感器记录数据得到遗煤高度等内容，实现对煤在不同温度、压力、粒径等情况下煤的吸附量的测定。
为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种CO2吸附量测定实验装置及方法，包括进气系统、出气系统、抽气系统、温度模块、压力采集模块、流量采集模块和空间调节装置。
所述进气系统包括CO2气瓶1、减压阀4、压力表3、第一流量计5，用于监测和调节进气系统压力，获取进气口流量数据。
所述出气系统包括第二流量计19和气样袋22，通过第二流量计19获得出气口流量数据，气样袋22收集流出的CO2气体，由于实验过程中CO2未参与反应，考虑二次利用。
所述抽气系统主要是真空泵，用于对系统进行抽气，排除杂质和气体干扰。
所述温度模块为内壁13上包裹的加热圈硅胶伴热带以及温度控制器12，用于调控所需的井下环境温度，通过温度控制器12获取温度参数。
所述压力采集模块包括压力变送器17和压力记录仪表23，实时获得罐体内压力数据，自动记录压力数据。
所述流量采集模块为第三流量计，用于监测罐体内气体流量变化。
所述空间调节装置包括活塞7和位移传感器8，通过圆柱形内壁高度减去位移传感器监测数据获取遗煤高度，调节活塞7至松散煤体顶部可忽略煤体自由空间体积对吸附量的影响。
如图1所示，是一种CO2吸附量测定实验装置及方法示意图，罐体由碳钢材料构成，固定在可调节支撑底座20上部，破碎筛分煤样，选取粒径相同的松散煤体11装入圆柱形中空结构罐体10中，调节活塞7至所放煤样顶部，位移传感器8记录活塞移动距离。罐体内壁13附加热圈硅胶伴热带，温度控制器12安置于外壁16。内壁和外壁间留有保温层9，由硅酸铝陶瓷纤维填充。用螺丝24固定罐体和罐盖，罐体和罐盖间由密封圈25密封。CO2气瓶1连接第一阀门2和带有压力表3的减压阀4，依次连接第一流量计5、第二阀门6至进气口26，与腔体内壁13相通。可调节支撑底座20高度到适宜位置，出气口27位于罐体底部，与腔体内壁13相通，顺次连接第三阀门18、第二流量计19、第四阀门21和气样袋22。真空泵14通过管道与腔体内壁右侧连接，下部连接有第三流量计15。内壁左侧连接压力变送器17，通过线路与压力记录仪表23相连。
利用本发明进行CO2吸附量测定，包括以下步骤：
步骤一、破碎筛分松散煤体11，装入圆柱形中空罐体10，活塞7调节至煤样顶部，记录位移数据，连接各系统和模块，检查装置的气密性。
步骤二、关闭第二阀门6、第三阀门18，使用真空泵对罐体10进行脱气，脱气完成后关闭所有阀门。
步骤三、调节温度控制器12温度至预定值，打开第一阀门2，通过减压阀4和第一流量计5向罐体10注入设定压力或者流量下的CO2气体，关闭第一阀门2和第二阀门6。
步骤四、高精度压力表长时间稳定不变认为吸附达到平衡，记录平衡时间、压力和流量，供数据处理使用。
步骤五、打开第三阀门18、第四阀门21，通过观察第三流量计15，记录气体流出量数据，气样袋22采集排出的CO2气体，供二次利用。吸附量即为入口流量减去出口流量。
步骤六、重复实验，直到完成实验设计结束实验。
整理实验数据，分析煤体对CO2的吸附量与温度、压力、遗煤厚度等物理量之间的关系。
目前已有瓦斯吸附装置以及CO2储存装置，未有温度、压力、粒径、遗煤厚度等单一及耦合条件下CO2吸附量测定装置为精准确定CO2释放量提供支撑。本发明通过活塞调节自由空间体积至可忽略不计，在不同遗煤量、温度、压力等条件下直接测定煤体对CO2的吸附量及其规律。
1.本发明将煤样罐内壁设置有压力变送器17和压力记录仪表23，能够实现罐内压力的无纸化实时记录，精确度更高。
2.本发明将加热圈硅胶伴热带附在煤样罐内壁，保证均匀受热，温度控制器可调控并实时显示温度。
3.本发明设计有带位移传感器的活塞，可调节腔体内自由空间体积，忽略此体积对吸附量的影响，提高测试效率，同时可研究遗煤厚度对吸附量的影响。
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 (10)
1.一种CO2吸附量测定实验装置，包括：中空罐体(10)和罐盖，其特征在于，所述罐体(10)内设有松散煤体(11)，中空罐体(10)和罐盖之间设有密封圈(25)，所述罐体(10)上密封连接有：
进气系统，用于对罐体(10)内充入CO2气体；
出气系统，用于当充入CO2气体被松散煤体(11)吸附后，排出罐体(10)内的CO2气体；
抽气系统，用于对罐体(10)进行抽气，实现罐体(10)内脱气；
温度模块，用于控制和采集罐体(10)内温度；
流量采集模块，用于采集罐体(10)内的流量数据；
压力采集模块，用于采集罐体(10)内的压力数据；
空间调节装置，用于根据装入的松散煤体(11)调节罐体(10)内空间的体积。
2.如权利要求1所述的CO2吸附量测定实验装置，其特征在于，所述进气系统包括：
CO2气瓶(1)；
第一阀门(2)，设置在CO2气瓶(1)上；
减压阀(4)，设置在CO2气瓶(1)与罐体(10)的进气口(26)之间的进气管上；
压力表(3)，设置在减压阀(4)上，用于监测充入CO2气体的压力；
第一流量计(5)，用于监测充入CO2气体的流量；
第二阀门(6)，设置在靠近进气口(26)的进气管上。
3.如权利要求1所述的CO2吸附量测定实验装置，其特征在于，所述出气系统包括：
气体导流圆盘(29)，包括圆盘，圆盘上均匀设有多个透气孔，设置在罐体(10)内的底部；
第三阀门(18)，设置在罐体(10)的出气口(27)连接的出气管上；
第二流量计(19)，设置在出气管上，用于监测排出的CO2气体的流量；
气样袋(22)，与出气管路相通，用于采集排出的CO2气体；
第四阀门(21)，设置在出气管道上，与气样袋(22)相连通，用于控制气体的排出。
4.如权利要求1所述的CO2吸附量测定实验装置，其特征在于，所述抽气系统包括：
真空泵(14)，通过管道与罐体(10)内连通；
第五阀门(28)，设置在真空泵(14)与罐体(10)连接的管道上。
5.如权利要求1所述的CO2吸附量测定实验装置，其特征在于，所述温度模块包括：
加热圈硅胶伴热带，设置在罐体(10)的内壁(13)上；
温度控制器(12)，设置在罐体(10)的外壁(16)上，与加热圈硅胶伴热带信号连接，用于设置加热圈硅胶伴热带的温度参数。
6.如权利要求1所述的CO2吸附量测定实验装置，其特征在于，所述压力采集模块包括：
压力变送器(17)，设置在罐体(10)的内壁(13)上，用于实时监测罐体(10)内的气体压力；
压力记录仪表(23)，设置在罐体(10)外，与压力变送器(17)信号连接。
7.如权利要求1所述的CO2吸附量测定实验装置，其特征在于，所述空间调节装置包括：
活塞(7)，设置在罐体(10)内；
位移传感器(8)，设置在罐体(10)内的活塞杆上，用于监测活塞杆的位移。
8.如权利要求1所述的CO2吸附量测定实验装置，其特征在于，所述罐体(10)其内壁(13)和外壁(16)之间设有保温层(9)，所述保温层(9)内填充有硅酸铝陶瓷纤维。
9.如权利要求1-8任一权利要求所述的CO2吸附量测定实验装置的测定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对松散煤体(11)破碎筛分后，选取粒径相同的松散煤体(11)装入圆柱形中空罐体(10)内，通过空间调节装置，调节罐体(10)内空间的体积并记录，检查罐体(10)、进气系统、出气系统和抽气系统的气密性；
S2、通过抽气系统对罐体(10)进行抽气脱气；
S3、通过温度模块设定罐体(10)内温度；
S4、到达设定温度后，通过进气系统对罐体(10)内充入设定压力和流量的CO2气体；
S5、通过压力采集模块和流量采集模块观察罐体(10)内的压力和流量；
S6、当罐体(10)内的压力和流量稳定不变时，通过出气系统排出罐体(10)内的CO2气体；
S7、计算CO2气体的充入流量和排出流量的差值为CO2气体的吸附量。
10.如权利要求9所述的CO2吸附量测定实验装置的测定方法，其特征在于，所述空间调节装置通过调节活塞(7)至罐体(10)内松散煤体(11)的顶部，通过位移传感器(8)记录活塞(7)的移动距离，关闭第二阀门(6)和第三阀门(18)，开启第五阀门(28)，使用真空泵对罐体(10)内进行脱气，脱气完成后调节温度控制器(12)的温度至预定值，打开第一阀门(2)，通过减压阀(3)和第一流量计(5)向罐体(10)内注入设定压力或流量的CO2气体，然后关闭第一阀门(2)和第二阀门(6)，压力记录仪表(23)稳定不变时认为吸附达到平衡，记录稳定时间、压力和流量，打开第三阀门(18)和第四阀门(21)，观察第二流量计(19)，记录CO2气体流出量数据，通过气样袋(22)采集排出的CO2气体。
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