一种煤炭地下气化模型试验台及试验方法
【专利摘要】本发明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及试验方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种煤炭地下气化模型试验台及试验方法，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l〇m、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。
【发明内容】
[0003] 为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种煤炭地下气化模型试验台及试验方 法，本试验台的具体结构如下： 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； 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。
[0004] 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和第二保温，第一 保温层是厚度为〇. 5m的粘土层，第二保温层是0. lm厚的岩棉层。
[0005] 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。
[0006] 一种应用于上述试验台的试验方法，其步骤包括如下： 步骤1 一布置试验现场步骤：根据工业现场的水文地质资料，从气化炉底部开始依次 填充从现场提取的或用相似材料砌铸的底板、煤层、顶板、含水层、岩层和表土，其厚度按现 场实际厚度的1/10?1/30的几何缩比确定；表土层上面覆盖50?100mm保温岩棉； 步骤2-布置管道和通道的步骤：在所述的煤层中沿炉体纵向方向设置一条气化通 道，气化通道纵向截面为50X50mm?lOOmmX 100mm，在气化通道中每隔0. 5?lm设置一个 煤堆，煤堆的截面积占气化通道截面积的1/3?1/2,形成变截面气化通道； 在气化通道每隔0. 5?1米，沿煤层上下倾斜方向设置一个气流通道，采用梯形耐 火混凝土支架支护，气流通道截面为50 X 50mm?lOOmmX 100mm，并与所述顶板中的钻孔 相连，形成进、出气通道和辅助通道；在气流通道两侧的煤层中交错设置若干个截面为 25 X 25mm?50mmX 50mm的小盲巷作为煤层的疏松裂隙； 选择气化炉顶部两端的管道作为进气孔和出气孔，顶部中间的两个管道为辅助孔，由 进气孔注气，关闭出气孔和辅助孔，进行气化炉气密性试验； 步骤3-设置测量点的步骤：在所述顶板中设置若干应力传感器和位移传感器；在所 述煤层中布置4?6排X15?19列个温度测量点，每个温度测量点都设置一个用于测量 气化过程中煤层温度的热电偶；同时在所述煤层中布置1?3排X5?10列个压力和煤气 组分测量点，每个压力和煤气组分测量点都设置一个用于将气化通道中的煤气引导至气化 炉外部的不锈钢管； 步骤4一模拟气化过程的步骤：首先点火，当点火成功后向气化炉中鼓入空气等气化 剂； 步骤5-观测数据的步骤：通过热电偶、压力变送器和在线色谱仪检测气化通道中煤 层温度、煤气的压力和组分，获得气化通道中温度场、压力场和浓度场扩展的相关数据； 煤层经燃烧形成燃空区，导致上覆岩层冒落，通过顶板中的应力传感器和位移传感器， 观测顶板中的应力变化和冒落部分的位移，研究上覆岩层中顶板和表土的运动过程。
[0007] 上述步骤中的步骤4中模拟气化过程可以是模拟空气气化过程；其子步骤是：当 点火成功后，向气化炉中鼓入(Γ20 m3/h的空气，当煤气中H2的含量为10-20%、C0的含量 为5-15%，热值达到3. 3-5. 1 MJ/m3且该状态持续保持4-8小时时，观测到的空气流量即为 适合所述气化过程的工艺参数。
[0008] 上述步骤中的步骤4中模拟气化过程可以是模拟富氧气化过程；其子步骤是：当点 火成功后，向所述的气化炉鼓入富氧浓度为219Γ100%的气化剂，煤气中有效气体组分及 热值随富氧浓度的提高而增大，有效气体组分CO+H 2+CH4的变化范围为259Γ70%，热值为 3. 3~10. 5MJ/m3,观测到的气体成分、热值即为适合所述气化过程的工艺参数。
[0009] 上述步骤中的步骤4中模拟气化过程可以是模拟富氧一水蒸汽气化过程；其子步骤是 当点火成功后，先向气化炉中鼓入富氧浓度为21%的气化剂，然后不断提高富氧浓度，通过 燃烧放热为气化炉积蓄能量，当富氧浓度达到409Γ100%时，保持富氧流量为6~20m 3/h，汽氧 比为0. 5 :1~2:1，在所述的富氧浓度、富氧流量和汽氧比范围内进行富氧-水蒸汽气化模型 试验，当煤气中H2的含量为309Γ45%，Η 2/ C0的含量比为1. 5 :广3:1，煤气热值在7 MJ/m3以 上时，观测到的富氧浓度、富氧流量和汽氧比即为适合所述气化过程的工艺参数。
[0010] 上述步骤中的步骤4中模拟气化过程可以是模拟富氧-C02气化过程；其子步骤是：点 火成功后，向气化炉中鼓入富氧_C02气化剂，富氧浓度在40%~90%( C02 : 60%~10%)调整， 观测煤气的组分和热值，当煤气中C0的含量为6~20%、C02的含量为4(Γ55%、H 2的含量为 2(Γ40%，且煤气热值大于6MJ/m3时，观测到的富氧浓度、C02浓度和气化剂流量即为适合所 述气化过程的工艺参数。
[0011] 上述步骤中的步骤4中模拟气化过程可以是模拟煤层逆向燃烧气化过程；其子步骤 是：首先在煤层气化通道的一侧点火，点火成功后，再从另一侧注气孔中鼓入富氧浓度为 219Γ60%的气化剂，引导火源从气化通道点火侧向注气侧移动，即火焰工作面逆气流流动方 向移动，完成煤层的气化过程。
[0012] 上述步骤中的步骤4中模拟气化过程可以是模拟煤层正反向供气化剂试验过程；其子 步骤是：由进气孔供风，火区向出气孔移动，当火区移动到出气孔底部时，还原带及干馏带 缺失，此时改由原出气孔供风，原进气孔出气，重新形成气化反应带，提高煤层气化率。
[0013] 应用本发明提出的试验台和试验方法针对不同的工艺参数和生产方案，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。
[0014]
【专利附图】
【附图说明】 图1是试验台气化炉结构剖面图； 图2是试验台气化炉结构俯视图； 图3模拟煤炭地下气化炉煤层结构图； 图4是模拟煤炭地下气化试验台温度和取气点布置图； 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】
[0015] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明： 实施例1 如图1、2所示，本实施例中的试验台的具体结构如下： 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 ; 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； 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 ; 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 ; 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。
[0016] 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。
[0017] 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〇. 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 10mm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。
[0018] 实施例2 一种应用于实施例1所述试验台的试验方法，所述试验方法的步骤包括： 步骤1 一布置试验现场：根据工业现场的水文地质资料，从气化炉底部开始依次填充 从现场提取的或用相似材料砌铸的底板、煤层、顶板、含水层、岩层和表土，其厚度按现场实 际厚度的1/10?1/30的几何缩比确定；表土层上面覆盖50?100mm保温岩棉； 步骤2-布置管道和通道：在所述的煤层中沿炉体纵向方向设置一条气化通道，气化 通道纵向截面为50X 50mm?lOOmmX 100mm，在气化通道中每隔0. 5?lm设置一个煤堆，煤 堆的截面积占气化通道截面积的1/3?1/2,形成变截面气化通道； 在气化通道每隔0.5?1米，沿煤层上下倾斜方向设置一个气流通道，采用梯形耐 火混凝土支架支护，气流通道横截面为50 X 50mm?100mmX 100mm，并与所述顶板中的钻 孔相连，形成进、出气通道和辅助通道；在气流通道两侧的煤层中交错设置若干个截面为 25 X 25mm?50mmX 50mm的小盲巷作为煤层的疏松裂隙； 选择气化炉顶部两端的管道作为进气孔和出气孔，顶部中间的管道为辅助孔，由进气 孔注气，关闭出气孔和辅助孔，进行气化炉气密性试验； 步骤3-设置测量点：在所述顶板中设置若干应力传感器和位移传感器；在所述煤层 中布置4?6排X 15?19列个温度测量点，每个温度测量点都设置一个用于测量气化过 程中煤层温度的热电偶；同时在所述煤层中布置1?3排X5?10列个压力和煤气组分测 量点，每个压力和煤气组分测量点都设置一个用于将气化通道中的煤气引导至气化炉外部 的不锈钢管； 步骤4一模拟气化过程：首先点火，当点火成功后向气化炉中鼓入空气等气化剂； 步骤5-观测数据：通过热电偶、压力变送器和在线色谱仪检测气化通道中煤层温度、 煤气的压力和组分，获得气化通道中温度场、压力场和浓度场扩展的相关数据； 煤层经燃烧形成燃空区，导致上覆岩层冒落，通过顶板中的应力传感器和位移传感器， 观测顶板中的应力变化和冒落部分的位移，研究上覆岩层中顶板和表土的运动过程。
[0019] 本实施中所述步骤4的模拟气化过程有多种过程，其中： 1，所述步骤4的模拟气化过程是模拟空气气化过程；其子步骤是：当点火成功后，向气 化炉中鼓入(Γ20 m3/h的空气，当煤气中H2的含量为10-20%、C0的含量为5-15%，热值达 到3. 3-5. 1 MJ/m3且该状态持续保持4-8小时时，观测到的空气流量即为适合所述气化过 程的工艺参数。
[0020] 2,所述方法的步骤4的模拟气化过程是模拟富氧气化过程；其子步骤是：当点火 成功后，向所述的气化炉鼓入富氧浓度为219Γ100%的气化剂，煤气中有效气体组分及热 值随富氧浓度的提高而增大，有效气体组分C0+H 2+CH4的含量变化范围为259Γ70%，热值为 3. 3~10. 5MJ/m3,观测到的气体成分、热值即为适合所述气化过程的工艺参数。
[0021] 3,所述方法的步骤4的模拟气化过程是模拟富氧一水蒸汽气化过程；其子步骤是 当点火成功后，先向气化炉中鼓入富氧浓度为21%的气化剂，然后不断提高富氧浓度，通过 燃烧放热为气化炉积蓄能量，当富氧浓度达到409Γ100%时，保持富氧流量为6~20m 3/h，汽氧 比为0. 5 :1~2:1，在所述的富氧浓度、富氧流量和汽氧比范围内进行富氧-水蒸汽气化模型 试验，当煤气中H2的含量为309Γ45%，Η 2/ C0的含量比为1. 5 :广3:1，煤气热值在7 MJ/m3以 上时，观测到的富氧浓度、富氧流量和汽氧比即为适合所述气化过程的工艺参数。
[0022] 4,所述方法的步骤4的模拟气化过程是模拟富氧_C02气化过程；其子步骤是：点 火成功后，向气化炉中鼓入富氧_C0 2气化剂，富氧浓度在40%~90%( C02 : 60%~10%)调整， 观测煤气的组分和热值，当煤气中C0的含量为6~20%、C02的含量为4(Γ55%、H 2的含量为 2(Γ40%，且煤气热值大于6MJ/m3时，观测到的富氧浓度、C02浓度和气化剂流量即为适合所 述气化过程的工艺参数。
[0023] 5,所述方法的步骤4的模拟气化过程是模拟煤层逆向燃烧气化过程；其子步骤 是：首先在煤层气化通道的一侧点火，点火成功后，再从另一侧注气孔中鼓入富氧浓度为 219Γ60%的气化剂，引导火源从气化通道点火侧向注气侧移动，即火焰工作面逆气流流动方 向移动，完成煤层的气化过程。
[0024] 6,所述方法的步骤4的模拟气化过程是模拟煤层正反向供气化剂试验过程；其子 步骤是：由进气孔供风，火区向出气孔移动，当火区移动到出气孔底部时，还原带及干馏带 缺失，此时改由原出气孔供风，原进气孔出气，重新形成气化反应带用于提高煤层气化率。
[0025] 实施例3 以单层大雁褐煤气化过程为例，参见附图1-5。
[0026] 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 lm的气流通道13,两条长lm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 上面烧注20mm厚的模拟顶板9 ;如图5所不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. lm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。
[0027] 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。
[0028] 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，lOmin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KKKTC)，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。
[0029] 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。
[0030] 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。
[0031] 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/CO=l. 58,煤气热值 9. 13MJ/m3 左右。
[0032] 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4含量较低时，适当增大水蒸汽用量；当C0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. 11MJ/ m3〇
[0033] 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 而上分为第一保温和第二保温，第一保温层是厚度为0. 5m的粘土层，第二保温层是0. lm厚 的岩棉层。
4. 一种应用于权利要求1所述试验台的试验方法，其特征在于，所述试验方法的步骤 包括： 步骤1 一布置试验现场步骤：根据工业现场的水文地质资料，从气化炉底部开始依次 填充从现场提取的或用相似材料砌铸的底板、煤层、顶板、含水层、岩层和表土，其厚度按现 场实际厚度的1/10?1/30的几何缩比确定；表土层上面覆盖50?100mm保温岩棉； 步骤2-布置管道和通道的步骤：在所述的煤层中沿炉体纵向方向设置一条气化通 道，气化通道纵向截面为50X 50mm?100_X 100mm，在气化通道中每隔0. 5?lm设置一个 煤堆，煤堆的截面积占气化通道截面积的1/3?1/2,形成变截面气化通道； 在气化通道每隔0. 5?1米，沿煤层上下倾斜方向设置一个气流通道，采用梯形耐 火混凝土支架支护，气流通道横截面为50 X 50mm?100mmX 100mm，并与所述顶板中的钻 孔相连，形成进、出气通道和辅助通道；在气流通道两侧的煤层中交错设置若干个截面为 25X 25mm?50mmX 50mm的小盲巷作为煤层的疏松裂隙； 选择气化炉顶部两端的管道作为进气孔和出气孔，顶部中间的管道为辅助孔，由进气 孔注气，关闭出气孔和辅助孔，进行气化炉气密性试验； 步骤3-设置测量点的步骤：在所述顶板中设置若干应力传感器和位移传感器；在所 述煤层中布置4?6排X15?19列个温度测量点，每个温度测量点都设置一个用于测量 气化过程中煤层温度的热电偶；同时在所述煤层中布置1?3排X5?10列个压力和煤气 组分测量点，每个压力和煤气组分测量点都设置一个用于将气化通道中的煤气引导至气化 炉外部的不锈钢管； 步骤4一模拟气化过程的步骤：首先点火，当点火成功后向气化炉中鼓入空气等气化 剂； 步骤5-观测数据的步骤：通过热电偶、压力变送器和在线色谱仪检测气化通道中煤 层温度、煤气的压力和组分，获得气化通道中温度场、压力场和浓度场扩展的相关数据； 煤层经燃烧形成燃空区，导致上覆岩层冒落，通过顶板中的应力传感器和位移传感器， 观测顶板中的应力变化和冒落部分的位移，研究上覆岩层中顶板和表土的运动过程。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法的步骤4的模拟气化过程是模拟 空气气化过程；其子步骤是：当点火成功后，向气化炉中鼓入(Γ20 m3/h的空气，当煤气中H2 的含量为10-20%、CO的含量为5-15%，热值达到3. 3-5. 1 MJ/m3且该状态持续保持4-8小 时时，观测到的空气流量即为适合所述气化过程的工艺参数。
6. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法的步骤4的模拟气化过程是模 拟富氧气化过程；其子步骤是：当点火成功后，向所述的气化炉鼓入富氧浓度为219Γ100% 的气化剂，煤气中有效气体组分及热值随富氧浓度的提高而增大，有效气体组分C0+H 2+CH4 的含量变化范围为259Γ70%，热值为3. 3~10. 5MJ/m3,观测到的气体成分、热值即为适合所述 气化过程的工艺参数。
7. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述方法的步骤4的模拟气化过程是 模拟富氧一水蒸汽气化过程；其子步骤是当点火成功后，先向气化炉中鼓入富氧浓度为 21%的气化剂，然后不断提高富氧浓度，通过燃烧放热为气化炉积蓄能量，当富氧浓度达到 409Γ100%时，保持富氧流量为6~20m 3/h，汽氧比为0. 5 :1~2: 1，在所述的富氧浓度、富氧流 量和汽氧比范围内进行富氧-水蒸汽气化模型试验，当煤气中H2的含量为309Γ45%，Η 2/ C0 的含量比为1.5 :1~3:1，煤气热值在7 MJ/m3以上时，观测到的富氧浓度、富氧流量和汽氧比 即为适合所述气化过程的工艺参数。
8. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述方法的步骤4的模拟气化过程是模 拟富氧_C02气化过程；其子步骤是：点火成功后，向气化炉中鼓入富氧_C0 2气化剂，富氧 浓度在409Γ90%调整，观测煤气的组分和热值，当煤气中C0的含量为6~20%、C02的含量为 4(Γ55%、H 2的含量为2(Γ40%，且煤气热值大于6MJ/m3时，观测到的富氧浓度、C02浓度和气 化剂流量即为适合所述气化过程的工艺参数。
9. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法的步骤4的模拟气化过程是模 拟煤层逆向燃烧气化过程；其子步骤是：首先在煤层气化通道的一侧点火，点火成功后，再 从另一侧注气孔中鼓入富氧浓度为219Γ60%的气化剂，引导火源从气化通道点火侧向注气 侧移动，即火焰工作面逆气流流动方向移动，完成煤层的气化过程。
10. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法的步骤4的模拟气化过程是 模拟煤层正反向供气化剂试验过程；其子步骤是：由进气孔供风，火区向出气孔移动，当火 区移动到出气孔底部时，还原带及干馏带缺失，此时改由原出气孔供风，原进气孔出气，重 新形成气化反应带用于提高煤层气化率。
【文档编号】G01N25/00GK104122289SQ201310299338
【公开日】2014年10月29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)