一种煤炭地下气化模型试验台的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种煤炭地下气化模型试验台，所述试验台包括气化炉和数据采集系统，所述气化炉炉膛前后左右及底部从内到外依次分别设置有耐火层、保温层、密封层和耐压层；所述气化炉顶部设有用于供气体输出、输入的管道，所述管道由气化炉顶部穿入炉膛内部的试验用煤层中与气化通道相连通；气化炉四周设有多个用于观察点火过程中点火端煤层和气化过程中气化通道煤层燃烧情况的观察孔；气化炉上设有多个用于导出煤气和通讯信号线的工艺参数测量孔；应用本试验台可以模拟可以开展多次煤炭地下气化模型试验，可以实现模拟不同倾角和厚度煤层的气化过程，研究气化过程中顶底板和表土的运动情况。
【专利说明】一种煤炭地下气化模型试验台
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种煤炭地下气化模型试验台，属于煤炭地下气化【技术领域】。
【背景技术】
[0002]煤炭地下气化过程属于固定床气化过程，料层不能移动，只有通过工作面的移动，即温度场的扩展来保持气化过程的连续，因此要求模型试验台必须具有足够的几何尺寸。美国Lawerence Livermore National Laboratory在上世纪80年代建立的低压气化试验台，长10m、宽lm、高lm，能够观察地下气化温度场扩展情况，但不能模拟煤层倾角及煤层顶、底板和表土情况。德国亚琢工业大学曾建立的高压地下气化试验台，长2m、直径为
0.5m,能承受2.5MPa的压力，但由于几何尺寸小，气化压力高，难以观察到具有地下气化特征的温度场、压力场扩展情况。中国矿业大学煤炭工业地下气化工程研究中心在1986年建立的低压地下气化试验台，长6.8m、高0.85m、宽0.2m，通过整体吊装来模拟气化煤层的角度，能够观测到二维温度场扩展情况，但不能模拟煤层厚度及煤层顶、底板和表土情况，不能进行炉型结构参数和辅助气化工艺的研究，且参数测量都以人工测量为主。因此，建立一个多功能煤炭地下气化模型试验台对开展我国煤炭地下气化技术的研究是十分必要的。
实用新型内容
[0003]为解决现有技术存在的问题，本实用新型提供一种煤炭地下气化模型试验台，具体结构如下:
[0004]一种煤炭地下气化模型试验台，其结构包括气化炉和数据采集系统，所述气化炉炉膛纵向和横向断面呈上侧开口的U字形炉膛，炉膛前后左右及底部从内到外依次分别设置有耐火层、保温层、密封层和耐压层；所述的耐火层是由耐火硅材料一次浇铸定型而成，所述保温层为用高温胶粘贴在密封层内侧的岩棉保温板；所述密封层是使用钢板焊接成的箱体；所述耐压层是通过浇铸形成的钢筋混凝土层；在炉膛内底面是由模拟底板岩层材料铺设的底板，在底板之上填有煤层，煤层之上是由模拟顶板岩层材料铺设的顶板，顶板之上是表土层，在表土层之上设有保温层，保温层之上设有盖板，所述煤层底部沿气化炉纵向设有气化通道和气流通道；
[0005]所述气化炉顶部设有用于供气体输出、输入的管道，所述管道由气化炉顶部穿入炉膛内部的试验用煤层中与气化通道相连通；
[0006]所述气化炉四周设有多个用于观察点火过程中点火端煤层和气化过程中气化通道煤层燃烧情况的观察孔；
[0007]所述气化炉上设有多个用于导出煤气和通讯信号线的工艺参数测量孔；
[0008]所述数据采集系统包括若干用于测量顶板压力和位移的应力传感器和位移传感器、测量温度的热电偶、用于导出气体的不锈钢管以及数据采集设备，所述热电偶设置在炉膛内被测煤层中，通过补偿导线与气化炉外部的温度数据检测设备相连；所述不锈钢管的一端设置在被测煤层的气化通道正上方，不锈钢管穿过工艺参数测量孔与气化炉外部的气体数据采集设备相连。
[0009]上述煤炭地下气化模型试验台的保温层自下而上分为第一保温层和第二保温层，第一保温层是厚度为0.5m的粘土层，第二保温层是0.1m厚的岩棉层。
[0010]上述煤炭地下气化模型试验台，其具体结构是气化炉长4.45m、宽1.17m，高1.57m ;所述气化炉的耐火层厚度是0.15m ;所述气化炉的保温层厚度是0.6m ;所述气化炉的密封层厚度是20mm ;所述气化炉的耐压层的左侧壁厚度大于右侧壁厚度，左侧壁厚为
0.4m，右侧壁厚为0.3m ;所述气化炉的耐压层的钢筋网是由直径不相等的两种钢筋交替放置组成；所述气化炉设有4个观察孔；所述气化炉设有19个工艺参数测量孔。
[0011]应用本实用新型提出的试验台方案，可以开展多次煤炭地下气化模型试验，可以实现模拟不同倾角和厚度煤层的气化过程，研究气化过程中顶底板和表土的运动情况，同时可以利用仪器客观地测量煤层中温度场、浓度场和压力场的扩展过程，并且有助于进行炉型结构参数和辅助气化工艺的研究，以便确定适宜现场条件的工艺参数和生产方案。
[0012]【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是试验台气化炉结构剖面图；
[0014]图2是试验台气化炉结构俯视图；
[0015]图3模拟煤炭地下气化炉煤层结构图；
[0016]图4是模拟煤炭地下气化试验台温度和取气点布置图；
[0017]图5是模拟煤炭地下气化试验台气化炉顶板的应力传感器和位移传感器布置图。【具体实施方式】
[0018]下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步的说明:
[0019]实施例1
[0020]如图1、2所示，本实施例中的试验台的具体结构如下:
[0021]煤炭地下气化模型试验台，其结构包括气化炉和数据采集系统，所述气化炉炉膛纵向和横向断面呈上侧开口的U字形炉膛，炉膛前后左右及底部从内到外依次分别设置有耐火层1、保温层2、密封层3和耐压层4 ;所述的耐火层是由耐火硅材料一次浇铸定型而成，所述保温层为用高温胶粘贴在密封层内侧的岩棉保温板；所述密封层是使用钢板焊接成的箱体；所述耐压层是通过浇铸形成的钢筋混凝土层；在炉膛内底面是由模拟底板岩层材料铺设的底板12，在底板之上填有煤层11，煤层之上是由模拟顶板岩层材料铺设的顶板9，顶板之上是表土层8，在表土层之上设有保温层，保温层之上设有盖板6，所述煤层底部沿气化炉纵向设有气化通道14和气流通道13 ；
[0022]所述气化炉顶部设有用于供气体输出、输入的管道5，所述管道由气化炉顶部穿入炉膛内部的试验用煤层中与气化通道相连通；
[0023]所述气化炉四周设有多个用于观察点火过程中点火端煤层和气化过程中气化通道煤层燃烧情况的观察孔16 ；
[0024]所述气化炉上设有多个用于导出煤气和通讯信号线的工艺参数测量孔18 ；
[0025]所述数据采集系统包括若干用于测量顶板压力和位移的传感器15，所述传感器是应力传感器和位移传感器、测量温度的热电偶17、用于导出气体的不锈钢管以及数据采集设备，所述热电偶设置在炉膛内被测煤层中，通过补偿导线与气化炉外部的温度数据检测设备相连；所述不锈钢管的一端设置在被测煤层的气化通道正上方，不锈钢管穿过工艺参数测量孔与气化炉外部的气体数据采集设备相连。
[0026]实施例中，所述模拟底板岩层或模拟顶板岩层是按照现场岩层结构采用耐火水泥和骨料按1:3的比例混合浇注或者使用现场实际的的材料铺设形成的模拟岩层。
[0027]本实施例中的试验台的相关参数是:所述气化炉长4.45m、宽1.17m,高1.57m ;所述气化炉的耐火层厚度是0.15m;所述气化炉的保温层厚度是0.15m;所述气化炉的密封层厚度是20mm ;所述气化炉的耐压层的左侧厚度大于右侧厚度，左侧厚为0.4m，右侧厚为
0.3m ;在所述的气化炉的耐压层中每隔0.25m距离设置一根Φ 20mm的钢筋，同时在Φ 20mm钢筋之间再焊接Φ IOmm的钢筋，形成一个钢筋网，浇铸在混凝土内；所述气化炉设有4个观察孔；所述气化炉设有19个工艺参数测量孔。
[0028]以下是对上述实施例的应用:
[0029]以单层大雁褐煤气化过程为例，参见附图1-5。
[0030]应用本试验台在试验的准备阶段，根据现场的水文地质资料，先用模拟底板岩层(耐火水泥和骨料按1:3的比例混合浇注)做成倾角为17°的底板12 ;再以大块原煤拼砌长4.45m，倾长1.5m，厚度0.5m，倾角17°的煤层11，所述的煤层中需加工一条长4m的气化通道14，两条长Im的气流通道13，两条长Im的辅助通道；如图4所示在气化通道上方布置(5行X 17列)镍铬一镍硅热电偶17和(3行X9列)Φ 8不锈钢管取气点23，采用压力变送器和在线色谱检测气化通道中煤气的压力和组分，为了形成变截面气化通道，通道断面面积为0.1X0.1?0.13X0.13m2，为裸煤通道，并在气化通道中每隔0.5m设置一个扰流煤堆22，煤堆的截面积占气化通道截面积的1/3，形成变截面气化通道；在煤层中还设有模拟实际地质情况的疏松裂隙20，在煤层中设有梯形支架19，用来支撑气流通道；所述的气流通道和辅助通道的断面面积为0.1X0.1?0.13X0.13m2，与上覆岩层中的钻孔相连，形成进、出气孔和辅助孔；所述的通道和测点布置完毕后在气化通道进气孔一侧放置两组电点火器；然后在煤层上面浇注20mm厚的模拟顶板9 ;如图5所示在顶板中布置若干传感器15，其中6个应力传感器和6个位移传感器分别按照每列两行交替布置，顶板以耐火水泥和骨料按1:3的比例混合浇注；最后用粘土和岩块将顶板上方填实分别形成表土层8和第一保温层10，其厚度为0.5m ;为了降低热损，在粘土上面再覆盖0.1m厚的岩棉作为第二保温层7 ;在安装温度、压力、应力和位移等测量装置时，将补偿导线、取气管和信号传输线从工艺参数测量孔18中穿出，与外部数据采集系统连接起来。
[0031]当气化炉中的填料、温度、压力、应力和位移等测量装置安装完毕后，用钢制盖板6将气化炉密封起来，并将四根管道5，作为进、出气管依次穿过盖板、岩棉保温板、表土、顶板和气流通道，放置在煤层中气化通道的正上方，然后进行冷态试验，并调试数据采集系统，当冷态试验合格，数据采集系统运行稳定后即可点火试验，通过燃烧状态观察孔16，可以观察气化炉的运行情况。
[0032]在点火时，先向气化炉里鼓入空气，置换炉内积存的可燃气体，然后合闸点火，先启动一号点火器于点火区21点火，IOmin后启动二号点火器。然后鼓入少量纯氧助燃,预热气化炉，并逐渐减少鼓风量，直至停止鼓入空气，持续鼓入纯氧，通过测温系统观察炉温变化。待气化炉温度升高后(高温温度场大于1000°C)，按试验方案，调整鼓氧量，达到设计要求，进入正常的纯氧(富氧)、纯氧(富氧)一水蒸汽试验。[0033]在试验过程中，首先进行操作参数的选择，即在不同的纯氧(富氧)一水蒸汽比例条件下进行气化试验，调整工艺操作参数以获得达标的合成气，然后进行连续气化，考察气化稳定性，并随气化过程的进行，利用采集的温度、压力和煤气组分等数据，分析气化通道中温度场、压力场和浓度场的扩展规律。
[0034]本次试验从生产出合格的煤气开始，到不能生产出合格的煤气结束，有效气化时间为150小时，经历了纯氧(98%)正向气化、富氧(93%)—水蒸汽正向气化过程。
[0035]气化炉点火后，首先鼓入纯氧(2.4 m3/h)助燃，进气侧煤层燃烧，煤层温度缓慢上升。2h后增加鼓氧量为6.0 m3/h，进入纯氧(98%)正向气化阶段。此阶段煤共气化了 26个小时，燃烧反应加剧，煤层蓄热，气化炉温度显著提高。出口煤气中H2含量达到30 % —40%，CO含量最高达到20%以上，有效气体含量平均达到58%左右，H2/C0=1.58，煤气热值9.13MJ/m3 左右。
[0036]当纯氧气化出口煤气中有效气体含量(H2+C0)低于60%时，则采用富氧一H20(g)气化工艺，该阶段共持续了 124个小时。考虑到实际生产过程中大规模、经济制氧的浓度一般在93%左右，因此进行了富氧(93%) —水蒸汽正向连续气化试验，选择汽氧体积比为
1.5:1?2:1。试验过程中为9.76m3/h，调节水蒸汽用量，维持煤气组分中H2: 35%-45%,C0:20%-30%, (H2 + CO) %大于等于60%。当H2含量较低时，适当增大水蒸汽用量；当CO含量低于20 %时，适当降低水蒸汽用量。煤气中CH4含量小于5 %，煤气热值为9.03?11.1IMJ/m3。
[0037]在试验过程中，随着燃烧和气化反应的进行，煤层中的燃空区不断增大，顶板发生冒落，导致顶板和表土产生位移，利用顶板中的应力和位移传感器，监测顶板在冒落过中的应力和位移变化过程和相互联系，研究气化过程中表土和顶板的运动情况。
【权利要求】
1.一种煤炭地下气化模型试验台，其特征在于，所述试验台包括气化炉和数据采集系统，所述气化炉炉膛纵向和横向断面呈上侧开口的U字形炉膛，炉膛前后左右及底部从内到外依次分别设置有耐火层、保温层、密封层和耐压层；所述的耐火层是由耐火硅材料一次浇铸定型而成，所述保温层为用高温胶粘贴在密封层内侧的岩棉保温板；所述密封层是使用钢板焊接成的箱体；所述耐压层是通过浇铸形成的钢筋混凝土层；在炉膛内底面是由模拟底板岩层材料铺设的底板，在底板之上填有煤层，煤层之上是由模拟顶板岩层材料铺设的顶板，顶板之上是表土层，在表土层之上设有保温层，保温层之上设有盖板，所述煤层底部沿气化炉纵向设有气化通道和气流通道； 所述气化炉顶部设有用于供气体输出、输入的管道，所述管道由气化炉顶部穿入炉膛内部的试验用煤层中与气化通道相连通； 所述气化炉四周设有多个用于观察点火过程中点火端煤层和气化过程中气化通道煤层燃烧情况的观察孔； 所述气化炉上设有多个用于导出煤气和通讯信号线的工艺参数测量孔； 所述数据采集系统包括若干用于测量顶板压力和位移的应力传感器和位移传感器、测量温度的热电偶、用于导出气体的不锈钢管以及数据采集设备，所述热电偶设置在炉膛内被测煤层中，通过补偿导线与气化炉外部的温度数据检测设备相连；所述不锈钢管的一端设置在被测煤层的气化通道正上方，不锈钢管穿过工艺参数测量孔与气化炉外部的气体数据采集设备相连。
2.根据权利要求1所述的煤炭地下气化模型试验台，其特征在于，所述气化炉长4.45m、宽1.17m,高1.57m ;所述气化炉的耐火层厚度是0.15m ;所述气化炉的保温层厚度是0.6m ;所述气化炉的密封层厚度是20mm ;所述气化炉的耐压层的左侧壁厚度大于右侧壁厚度，左侧壁厚为0.4m，右侧壁厚为0.3m;所述气化炉的耐压层的钢筋网是由直径不相等的两种钢筋交替放置组成；所述气化炉设有4个观察孔；所述气化炉设有19个工艺参数测量孔。
3.根据权利要求1所述的煤炭地下气化模型试验台，其特征在于，所述保温层自下而上分为第一保温层和第二保温层，第一保温层是厚度为0.5m的粘土层，第二保温层是0.1m厚的岩棉层。
【文档编号】E21B43/295GK203570294SQ201320423942
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年7月17日 优先权日:2013年7月17日
【发明者】梁杰, 王张卿, 席建奋, 崔勇 申请人:中国矿业大学(北京)