CN114412432B - 一种煤炭地下气化沿程取样模拟实验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤炭地下气化沿程取样模拟实验系统及方法，属于煤炭地下气化模拟技术领域，包括供气装置、气化炉本体、沿程取样装置、分析测试装置；供气装置通过管道与进气口连接用于向箱体内注入气化剂；沿程取样装置通过管道与沿程出气孔连接用于抽取煤炭样品燃烧和气化后沿气化通道方向上的焦油、颗粒物以及产气；分析测试装置包括产气分析装置和温度监测装置，分析测试装置用于分析煤炭样品燃烧和气化后产物以及煤炭样品内部温度场的沿程特性；通过沿程取样装置，结合焦油分离瓶、颗粒捕集网与气体干燥器，监测焦油、颗粒物与产气的沿程特性，深入掌握气化反应进程。
Description
技术领域
本发明属于煤炭地下气化模拟技术领域，涉及一种煤炭地下气化沿程取样模拟实验系统及方法。
背景技术
煤炭地下气化是一种原位利用煤炭资源的清洁方式，通过可控制的煤炭燃烧，将深部不可开采的煤炭资源转化为可燃气的过程。煤炭地下气化作为一种深部煤炭化学开采方法，通过使用二氧化碳作为气化剂，可以实现二氧化碳捕集和煤炭低碳利用。
目前，在煤炭地下气化领域内，各国开展了大量的现场试验。现有的煤炭地下气化产生的合成气热值较低；煤炭地下气化反应副产物，包括焦油和颗粒物对地下环境的影响。因此地下气化模拟实验较为重要，开发一种适合地下气化的实验系统是煤炭地下气化技术领域的迫切需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种煤炭地下气化沿程取样模拟实验系统及方法，该一种煤炭地下气化沿程取样模拟实验系统及方法为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种煤炭地下气化沿程取样模拟实验系统，包括供气装置、气化炉本体、沿程取样装置、分析测试装置；
所述气化炉本体包括箱体，所述箱体内设置有煤炭样品，所述煤炭样品内部设置有气化通道，所述箱体上端均匀设置有至少三个沿程出气孔，所述箱体的左右两端分别设置有进气口和出气口，所述气化通道的两端分别与进气口和出气口连接，
所述供气装置通过管道与进气口连接用于向箱体内注入气化剂；
所述沿程取样装置通过管道与沿程出气孔连接用于抽取煤炭样品燃烧和气化后沿气化通道方向上的焦油、颗粒物以及产气；
所述分析测试装置包括产气分析装置和温度监测装置，所述分析测试装置用于分析煤炭样品燃烧和气化后产物以及煤炭样品内部温度场的沿程特性。
优选的，所述煤炭样品包括至少两个带有凹槽的煤块，所述煤块拼接后组合的凹槽形成气化通道。
优选的，所述箱体和煤炭样品之间设置有耐火层，所述箱体的前后两侧安装有箱门。
优选的，所述供气装置包括分别与进气口连接的第一纯氧气瓶和第一二氧化碳气瓶，所述第一纯氧气瓶和进气口之间的管路上设置有气体减压器、第一二级减压阀和气体质量流量计，所述第一二氧化碳气瓶和进气口之间的管路上设置有第二二级减压阀和气体质量流量计。
优选的，所述供气装置包括第二纯氧气瓶和第二二氧化碳气瓶，所述箱体下端均匀设置有至少一个沿程进气孔，所述沿程进气孔内设置有注气管，所述注气管一端通入气化通道、另一端分别与第二纯氧气瓶和第二二氧化碳气瓶连接，所述第二纯氧气瓶与沿程进气孔之间设置有第三二级减压阀和气体质量流量计，所述第二二氧化碳气瓶与沿程进气孔之间设置有第四二级减压阀和气体质量流量计。
优选的，所述沿程取样装置包括依次连接的取样管、焦油分离瓶、颗粒捕集网、气体干燥器、抽气泵、浮子流量计，所述取样管设置在沿程出气孔内且一端伸入气化通道。
优选的，所述取样管上套设有玻璃纤维加热带。
优选的，所述产气分析装置包括煤气分析仪和依次连接的第一氮气气瓶、第二气体减压器、气体质量流量计，所述煤气分析仪和气体质量流量计分别与沿程取样装置连接，所述出气口通过管路与产气分析装置连接；
所述温度监测装置包括热电偶和无纸多通道温度记录仪，所述热电偶布置在煤炭样品内，所述热电偶通过热电偶延长线与无纸多通道温度记录仪相连，所述无纸多通道温度记录仪外接计算机终端，所述计算机终端用于显示温度场的沿程分布特性。
一种煤炭地下气化沿程取样模拟实验方法，采用上述的一种煤炭地下气化沿程取样模拟实验系统，包括以下步骤，
步骤一：在箱体内部布置带有凹槽的煤块，所述煤块拼接后组合的凹槽形成气化通道，在气化通道内部设置点火装置，
步骤二：在煤块及气化通道上布置热电偶，将所述热电偶与无纸多通道记录仪连接，用于测量记录气化试验中的温度数据，得出温度场的沿程分布数据；
步骤三：进气口外接空气压缩机，所述空气压缩机和进气口之间设有第五二级减压阀和气体质量流量计，关闭沿程进气孔、沿程出气孔和出气口；打开空气压缩机，调整第五二级减压阀示数为0.2MPa；关闭空气压缩机，观察第五二级减压阀气压数据衰减过程；当气压数据变化显示气密性无问题，进行气化试验，开启出气口；
步骤四：开启空气压缩机，打开点火装置进行点火；
步骤五：点火完成后，开启第一纯氧气瓶和第一二氧化碳气瓶，通过进气口注入气化炉本体内，通过第一二级减压阀调节氧气流量，通过第二二级减压阀调节二氧化碳流量；可以控制流量比例，来对不同氧气浓度下进行气化反应的实验；
步骤六：沿进气口至出气口的方向，依次打开沿程出气孔；
开启其中一个沿程出气孔时，关闭其余沿程出气孔，打开抽气泵，气化通道上位于开启沿程出气孔位置对应处的焦油、颗粒物和产气通过取样管输入沿程取样装置，并焦油分离瓶和颗粒捕集网分别收集焦油和颗粒物，产气通入产气分析装置进行成分分析；
待无纸多通道温度记录仪中的温度变化幅度不超过20°，便可开启下一个沿程出气孔，关闭其余沿程出气孔，重复上述步骤，直至气化试验结束；
步骤七：当出气口氧气持续半小时浓度值占比18％，温度值200℃时，关闭第一纯氧气瓶和第一二氧化碳气瓶；进气口外接第二氮气气瓶通入氮气进行灭火；
步骤八：通过无纸多通道温度记录仪和煤气分析仪导出气化试验中的温度和产气成分的数据；将取得的气化通道上各个位置上的焦油和颗粒物，利用气相色谱-质谱联用仪和体视显微镜进行分析测试，研究焦油与颗粒物的沿程特性。
优选的，所述步骤五中，气化实验进行过程中，开启第二纯氧气瓶和第二二氧化碳气瓶，通过调节第四二级减压阀和第三二级减压阀，控制通过沿程注气管注入气化炉本体内二氧化碳和氧气的流量比例。
有益效果：通过沿程取样装置，结合焦油分离瓶、颗粒捕集网与气体干燥器，监测焦油、颗粒物与产气的沿程特性，深入掌握气化反应进程；通过供气装置，调整气化炉入口和沿程注气点的气化剂比例，改变反应区温度分布，提高目标产物的生成率；本发明可突破当前研究仅关注出口产物与污染物的局限，探寻一种通过供气以优化产气、减少污染的方法。
附图说明
图1为模拟系统结构示意图；
图2为煤块组合示意图；
图3为热电偶在煤炭样品内部布置结构示意图；
图4为热电偶在煤炭样品内部布置侧视图；
图5为取样管与沿程出气孔连接结构示意图；
图中符号说明：1：箱体；3：进气口；4：出气口；5：煤炭样品；6：耐火层；7：第四二级减压阀；8：气体质量流量计；9：沿程进气孔；901：注气管；10：沿程出气孔；1001：取样管；11：焦油分离瓶；12：颗粒捕集网；13：气体干燥器；14：抽气泵；15：浮子流量计；16：玻璃纤维加热带；17：第一氮气气瓶；18：第二气体减压器；19：第二气体质量流量计；20：煤气分析仪；21：热电偶；22：无纸多通道温度记录仪；23：热电偶延长线；24：煤块；25：气化通道；26：计算机终端；28：第一纯氧气瓶；29：气体减压器；30：空气压缩机；32：第五二级减压阀；33：第一二级减压阀；36：第二氮气气瓶；37：第二二氧化碳气瓶；40：第三二级减压阀；41：第二纯氧气瓶；42：第二二级减压阀；43：第一二氧化碳气瓶。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”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，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
实施例1：
参考图1-5，本发明提供一种技术方案，一种煤炭地下气化沿程取样模拟实验系统，包括供气装置、气化炉本体、沿程取样装置、分析测试装置；
气化炉本体包括箱体1，尺寸长宽高为746mm×516mm×519mm，箱体1可以放置在支撑架上，箱体1内设置有煤炭样品5，煤炭样品5内部设置有气化通道25，箱体1上端均匀设置有五个沿程出气孔10，箱体1的左右两端分别设置有进气口3和出气口4，气化通道25的两端分别与进气口3和出气口4连接，供气装置通过管道与进气口3连接用于向箱体1内注入气化剂；不仅可以用氧气和二氧化碳，还可以用氧气和水蒸气的组合，或者其他各类气化剂；沿程取样装置通过管道与沿程出气孔10连接用于抽取煤炭样品5燃烧和气化后沿气化通道方向上的焦油、颗粒物以及产气；分析测试装置包括产气分析装置和温度监测装置，分析测试装置用于分析煤炭样品5燃烧和气化后产物以及煤炭样品5内部温度场的沿程特性。
进一步的，煤炭样品5包括至少两个带有凹槽的煤块24，煤块24拼接后组合的凹槽形成气化通道25；可以采用尺寸长宽高为230mm×115mm×230mm煤块24，凹槽组合形成的气化通道25截面尺寸为10mm×10mm。
进一步的，箱体1和煤炭样品5之间设置有耐火层6，箱体1的前后两侧安装有箱门，耐火层6的厚度为65mm，箱体1由耐高温钢板焊接形成，箱门采用耐高温硅胶密封垫，厚度为30mm。
进一步的，供气装置包括分别与进气口3连接的第一纯氧气瓶28和第一二氧化碳气瓶43，第一纯氧气瓶28和进气口3之间的管路上设置有气体减压器29、第一二级减压阀33和气体质量流量计8，第一二氧化碳气瓶43和进气口3之间的管路上设置有第二二级减压阀42和气体质量流量计8，气体质量流量计8的流量计范围为0-10L/min；
进一步的，供气装置包括第二纯氧气瓶41和第二二氧化碳气瓶37，箱体1下端均匀设置有至少一个沿程进气孔9，沿程进气孔9内设置有注气管901，注气管901的材质为不锈钢，注气管901一端通入气化通道25、另一端分别与第二纯氧气瓶41和第二二氧化碳气瓶37连接，第二纯氧气瓶41与沿程进气孔9之间设置有第三二级减压阀40和气体质量流量计8，第二二氧化碳气瓶37与沿程进气孔9之间设置有第四二级减压阀7和气体质量流量计8。
进一步的，沿程取样装置包括依次连接的取样管1001、焦油分离瓶11、颗粒捕集网12、气体干燥器13、抽气泵14、浮子流量计15，取样管1001设置在沿程出气孔10内且一端伸入气化通道25，抽气泵14的最高可抽流量达到0.4L/min，浮子流量计15的流量计范围为30-300mL/min，取样管1001通过螺栓与沿程出气孔10固定，
进一步的，取样管1001上套设有玻璃纤维加热带16，其最高可加热温度为400℃；
进一步的，产气分析装置包括煤气分析仪20和依次连接的第一氮气气瓶17、第二气体减压器18、第二气体质量流量计19，煤气分析仪20和第二气体质量流量计19分别与沿程取样装置连接，出气口4通过管路与产气分析装置连接，从而分析出气口4处的焦油、颗粒物以及产气的状况；第二气体质量流量计19流量计范围为0-10L/min，第一氮气气瓶17可通过对抽取的产气进行氮气稀释，防止气体浓度过大，破坏产气分析装置，从而延长产气分析装置的使用寿命。
进一步的，温度监测装置包括热电偶21和无纸多通道温度记录仪22，热电偶21布置在煤炭样品5内，热电偶21通过热电偶延长线23与无纸多通道温度记录仪22相连，无纸多通道温度记录仪22外接计算机终端26，计算机终端26用于显示温度场的沿程分布特性，热电偶采用K型热电偶，热电偶延长线23穿过沿程出气孔10与外部的无纸多通道温度记录仪22相连。
出气口4通过管路一路连接气瓶，用于收集废气。
实施例2：
参考图1-5，本发明提供一种技术方案，在实施例1的基础上，一种煤炭地下气化沿程取样模拟实验方法，采用实施例1的一种煤炭地下气化沿程取样模拟实验系统，包括以下步骤，
步骤一：在箱体1内部布置带有凹槽的煤块24，煤块24拼接后组合的凹槽形成气化通道25，在气化通道25内部设置点火装置31，点火装置31由电打火器与酒精棉、煤粉可燃物组合而成，在气化炉的腔体内部布置4块尺寸长宽高为230mm×115mm×230mm的煤块24，最终形成尺寸长宽高为460mm×230mm×230mm，煤块24为神木烟煤，提前加工的凹槽拼接成一条气化通道25，气化通道25截面为10mm×10mm，
步骤二：在煤块24及气化通道25上布置热电偶21，如图3-4所示，在煤炭样品5内布置3排的等间距布置的热电偶21，高度方向上间距为11.5cm，中间一排布置在气化通道25处，等间距布置5个，间距为11.5cm；最上排和最下排等间距布置3个，间距为11.5cm，最上排左侧的热电偶21距离煤块24左侧边缘处10.25cm，中间排左边的热电偶21布置点位于煤块24左侧边缘处，最下排最左边的热电偶21布置点距离煤块24左侧边缘处12.75cm；
将热电偶21的正负极通过热电偶延长线23，穿过沿程出气孔10与无纸多通道记录仪22连接，用于测量记录气化试验中的温度数据，得出温度场的沿程分布数据；
步骤三：进行气密性检查，进气口3外接空气压缩机30，空气压缩机30和进气口3之间设有第五二级减压阀32和气体质量流量计8，关闭沿程进气孔9、沿程出气孔10和出气口4；打开空气压缩机30，调整第五二级减压阀32示数为0.2MPa；关闭空气压缩机30，观察第五二级减压阀32气压数据衰减过程；当气压数据变化显示气密性无问题，进行气化试验，开启出气口4；
步骤四：开启空气压缩机30，并通过第五二级减压阀32调节流量为10L/min，打开点火装置31进行点火3小时；
步骤五：点火完成后，开启第一纯氧气瓶28，通过进气口3注入气化炉本体内，通过第一二级减压阀33调节氧气流量为8L/min；
步骤六：沿进气口3至出气口4的方向，依次打开最左侧、中间、最右侧沿程出气孔10；开启其中一个沿程出气孔10时，关闭其余沿程出气孔10，开启时间为10min，打开抽气泵14，气化通道25上位于开启沿程出气孔10位置对应处的焦油、颗粒物和产气通过取样管1001输入沿程取样装置，并焦油分离瓶11和颗粒捕集网12分别收集焦油和颗粒物，产气通入产气分析装置进行成分分析；
待无纸多通道温度记录仪22中的温度变化幅度不超过20°，便可开启中间沿程出气孔10，关闭其余沿程出气孔10，重复上述步骤；再开启最右侧的沿程出气孔10，重复上述取样步骤。
步骤七：当出气口4氧气持续半小时浓度值占比18％，温度值200℃时，关闭第一纯氧气瓶28；进气口3外接第二氮气气瓶36通入流量为8L/min的氮气进行灭火，持续通入半小时；
步骤八：通过无纸多通道温度记录仪22和煤气分析仪20导出气化试验中的温度和产气成分的数据；将取得的气化通道上各个位置上的焦油和颗粒物，利用气相色谱-质谱联用仪和体视显微镜进行分析测试，研究焦油与颗粒物的沿程特性。
实施例3
在实施例2的基础上，步骤五中，气化实验进行过程中，开启第二纯氧气瓶41和第二二氧化碳气瓶37，通过调节第四二级减压阀7和第三级减压阀40，控制通过沿程注气管901注入气化炉本体内二氧化碳和氧气的流量比例，防止距离进气口3较远的位置气化不充分，增加有效产气组成；可通过将沿程进气孔9设置在进气口3至出气口4之间的位置，来便于提高气化通道25内不同位置的气化反应效率及程度，通过控制额外的氧气和二氧化碳等气化剂的量，来控制气化通道25内反应程度，能够提高整体温度，尤其是中后段，增加有效产气组成，包括CO、CH4、H2。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种煤炭地下气化沿程取样模拟实验方法，其特征在于：采用一种煤炭地下气化沿程取样模拟实验系统，所述煤炭地下气化沿程取样模拟实验系统包括供气装置、气化炉本体、沿程取样装置、分析测试装置；
所述气化炉本体包括箱体（1），箱体（1）上端均匀设置有至少三个沿程出气孔（10），箱体（1）下端均匀设置有至少一个沿程进气孔（9），箱体（1）的左右两端分别设置有进气口（3）和出气口（4），箱体（1）内设置有煤炭样品（5），所述煤炭样品（5）内部设置有气化通道（25），所述气化通道（25）的两端分别与进气口（3）和出气口（4）连接；
所述供气装置通过管道与进气口（3）连接用于向箱体（1）内注入气化剂；供气装置包括第一纯氧气瓶（28）、第一二氧化碳气瓶（43）、第二纯氧气瓶（41）和第二二氧化碳气瓶（37），所述第一纯氧气瓶（28）和进气口（3）之间的管路上设置有气体减压器（29）、第一二级减压阀（33）和气体质量流量计（8）；所述第一二氧化碳气瓶（43）和进气口（3）之间的管路上设置有第二二级减压阀（42）和气体质量流量计（8）；所述第二纯氧气瓶（41）与沿程进气孔（9）之间设置有第三二级减压阀（40）和气体质量流量计（8）；所述第二二氧化碳气瓶（37）与沿程进气孔（9）之间设置有第四二级减压阀（7）和气体质量流量计（8）；
所述沿程取样装置通过管道与沿程出气孔（10）连接；沿程取样装置包括依次连接的取样管（1001）、焦油分离瓶（11）、颗粒捕集网（12）、气体干燥器（13）、抽气泵（14）、浮子流量计（15）；取样管（1001）设置在沿程出气孔（10）内，取样管（1001）上套设有玻璃纤维加热带（16）；
所述分析测试装置包括产气分析装置和温度监测装置；产气分析装置包括与沿程取样装置连接的煤气分析仪（20），出气口（4）通过管路与产气分析装置连接；温度监测装置包括热电偶（21）和无纸多通道温度记录仪（22），所述热电偶（21））与无纸多通道温度记录仪（22）相连；
所述煤炭地下气化沿程取样模拟实验方法包括以下步骤：
步骤一：在箱体(1)内部布置带有凹槽的煤块(24)，所述煤块(24)拼接后组合的凹槽形成气化通道(25)，在气化通道(25)内部设置点火装置(31)；
步骤二：在煤块(24)及气化通道(25)上布置热电偶(21)，将所述热电偶(21)与无纸多通道记录仪(22)连接，用于测量记录气化试验中的温度数据，得出温度场的沿程分布数据；
步骤三：进气口(3)外接空气压缩机(30)，所述空气压缩机(30)和进气口(3)之间设有第五二级减压阀(32)和气体质量流量计(8)，关闭沿程进气孔(9)、沿程出气孔(10)和出气口(4)；打开空气压缩机(30)，调整第五二级减压阀(32)示数为0.2MPa；关闭空气压缩机(30)，观察第五二级减压阀(32)气压数据衰减过程；当气压数据变化显示气密性无问题，进行气化试验，开启出气口(4)；
步骤四：开启空气压缩机(30)，打开点火装置(31)进行点火；
步骤五：点火完成后，开启第一纯氧气瓶(28)和第一二氧化碳气瓶(43)，通过进气口(3)注入气化炉本体内，通过第一二级减压阀(33)调节氧气流量，通过第二二级减压阀(42)调节二氧化碳流量；
步骤六：沿进气口(3)至出气口(4)的方向，依次打开沿程出气孔(10)；开启其中一个沿程出气孔(10)时，关闭其余沿程出气孔(10)，打开抽气泵(14)，气化通道(25)上位于开启沿程出气孔(10)位置对应处的焦油、颗粒物和产气通过取样管(1001)输入沿程取样装置，并焦油分离瓶(11)和颗粒捕集网(12)分别收集焦油和颗粒物，产气通入产气分析装置进行成分分析；待无纸多通道温度记录仪(22)中的温度变化幅度不超过20°，便可开启下一个沿程出气孔(10)，关闭其余沿程出气孔(10)，重复上述步骤，直至气化试验结束；
步骤七：当出气口(4)氧气持续半小时浓度值占比18％，温度值200℃时，关闭第一纯氧气瓶(28)和第一二氧化碳气瓶(43)；进气口(3)外接第二氮气气瓶(36)通入氮气进行灭火；
步骤八：通过无纸多通道温度记录仪(22)和煤气分析仪(20)导出气化试验中的温度和产气成分的数据；将取得的气化通道上各个位置上的焦油和颗粒物，利用气相色谱-质谱联用仪和体视显微镜进行分析测试，研究焦油与颗粒物的沿程特性。
2.根据权利要求1所述的煤炭地下气化沿程取样模拟实验方法，其特征在于：所述第二纯氧气瓶（41）与沿程进气孔（9）之间设置有第三二级减压阀（40），所述第二二氧化碳气瓶（37）与沿程进气孔（9）之间设置有第四二级减压阀（7）。
3.根据权利要求2所述的煤炭地下气化沿程取样模拟实验方法，其特征在于：所述沿程进气孔（9）内设置有注气管（901），所述注气管（901）分别与第二纯氧气瓶（41）和第二二氧化碳气瓶（37）连接。
4.根据权利要求3所述的煤炭地下气化沿程取样模拟实验方法，其特征在于：所述步骤五中，气化实验进行过程中，开启第二纯氧气瓶(41)和第二二氧化碳气瓶(37)，通过调节第四二级减压阀(7)和第三二级减压阀(40)，控制通过沿程注气管(901)注入气化炉本体内二氧化碳和氧气的流量比例。
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