一种用于模拟煤炭地下气化的试验装置及方法

1.本发明涉及一种煤炭地下气化技术领域，具体是一种用于模拟煤炭地下气化的试验装置及方法。


背景技术：

2.煤炭地下气化是将处于地下的煤炭进行有控制的燃烧，通过煤的热化学作用产生可燃气体和化工原料的过程，煤炭地下气化技术将地下煤层构筑成一个封闭的气化炉，设置进气孔和出气孔，并与气化通道和煤层组成一个整体。尽管煤炭地下气化技术提高了煤炭资源的利用率，大大降低了煤炭开采对地表以及环境造成的破坏，减少了co2和其它有害气体的排放。
3.现有技术中，煤炭地下气化模型试验、现场试验和数值模拟，对气化通道中发生的化学反应及参数。积累了大量的数据，对开采工作指导做出了重要贡献。但对地下气化煤层在反应过程中，煤壁的动态移动而形成的通道变化、通道中气态温度场随气化过程的移动的试验较少。煤炭地下气化过程是包含有剧烈燃烧放化学反应和多相吸热化学反应的过程，该过程是气体的流动、传热、和化学反应过程的藕合，气化通道的形状及大小对上述过程起一的作用，二者是相互依赖、相互作用的，对开采工作的效率和开采过程的安全性有重要的参考价值。现有的模拟煤炭地下气化试验设备将煤层模型置于密封隔热的容器中进行燃烧试验，不能模拟出煤层在燃烧时热胀冷缩对气化通道形状的影响，也不能准确地模拟出煤层燃烧的边界散热条件，不能满足该方面的研究。
4.因此，有必要提供一种用于模拟煤炭地下气化的试验装置，以解决上述背景技术中提出的问题。


技术实现要素：

5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于模拟煤炭地下气化的试验装置，包括底座，其中，所述底座上表面为光滑面，其上圆周封闭地分布有多片围挡片，所述围挡片外侧的一面固定有导向杆，所述导向杆可滑动地与导向块连接，所述导向块固定在底座中，使得围挡片可滑动地设置在底座上；
6.所述底座外围固定有多根位于每片围挡片中心的支柱，所述支柱上共同固定连接有固定环，所述固定环在围挡片移动到最远离中心时围成的环形的范围外，所述固定环上可转动地设有齿圈，所述齿圈上圆周分布地铰接有多根缓冲连杆组件，每根所述缓冲连杆组件的另一端铰接到对应的围挡片的中间。
7.进一步的，作为优选，所述齿圈一侧设有与之啮合的主动齿轮，所述主动齿轮可转动的连接在固定环中，且固定环下方还固定有电机，所述电机的输出轴连接到主动齿轮中。
8.进一步的，作为优选，所述导向块与导向杆的接触面中设有滑动衬垫。
9.进一步的，作为优选，所述围挡片两侧对称地设有拓展片，所述拓展片可容纳在围挡片内，且与其可滑动地连接。
10.进一步的，作为优选，每片所述围挡片两侧的拓展片对称地各通过一根拓展连杆连接到对应的支柱中，所述拓展连杆的两端分别于拓展片和支柱铰接；
11.且，所述拓展连杆的长度和倾斜角度使得每片围挡片沿导向杆同步滑动任意长度时，拓展片从动伸缩，使相邻的拓展片始终保持贴合。
12.进一步的，作为优选，伸缩拓展片远离围挡片的一侧面设有磁柱，所述磁柱为软性导磁材料制成，且相邻的两片拓展片中的磁柱磁性相反。
13.进一步的，作为优选，所述缓冲连杆组件包括框架、阻尼杆，所述框架一端与齿圈铰接，所述框架内固定有阻尼杆，所述阻尼杆的活塞杆与框架可滑动地连接且其末端铰接到围挡片中；
14.所述阻尼杆外围还套设有缓冲弹簧，所述缓冲弹簧一端与框架固定连接，另一端与阻尼杆的活塞杆固定连接。
15.进一步的，作为优选，所述阻尼杆的活塞杆的外壁开设有齿纹，所述框架与活塞杆贴合的内壁中分别设有电磁铁和导磁块，所述电磁铁和导磁块远离活塞杆的一面各通过分离弹簧与框架连接；
16.且，所述分离弹簧在自然状态下使得电磁铁和导磁块远离活塞杆，而当电磁铁通电时其吸附导磁块而夹紧活塞杆。
17.进一步的，作为优选，所述围挡片和拓展片的内侧面为散热板，所述散热板为高导热材料制成，且其内壁分布有导热管，所述导热管连接到外部的循环泵和热源中。
18.还包括一种用于模拟煤炭地下气化的试验方法，
19.s1、电磁铁通电限制阻尼杆的活动的状态下，驱动电机使齿圈转动，能够使缓冲连杆组件带动每片围挡片同步移，以调整试验容器的容积；
20.s2、根据试验需求按比例缩小在围挡片围成的环形内铺设气化煤层及顶底板岩层模型，其中，气化煤层使用现场采集的样品，顶底板岩层采用粘土混合现场同类岩层碎块制作，并将其压制到原始的地应力大小；
21.s3、从模型上表面向煤层两侧打钻孔，和在钻孔间沿煤层开拓气化通道，连通送气孔与出气孔而形成气化工作面的起始通道，构成的地下煤气发生炉，送气孔与出气孔分别连接外部的气化剂管和收集管，使得能够向煤层能顺畅地鼓入风流，和从煤层中排出煤气，以及提供气化过程中所必须的热条件；
22.s4、沿气化通道长度方向每隔1/10模型总长布置一个热电偶，高度方向热电偶间距为模型总高度的1/20，可准确测出气化过程中，沿气化通道方向及高度方向的温度分布，及时了解氧化带、还原带及干馏干燥带位置；
23.s5、在气化通道内布置点火器和引燃物，点火引燃气化煤层，并持续从送气孔通入气化剂，从出气孔收集煤层气；
24.s6、电磁铁断电使阻尼杆自由活动，使煤层模型能够在一定阻力下膨胀，循环泵和热源控制散热板的温度，根据煤层的比热容模拟热量在煤层中的散热情况；
25.s7、动态分析收集的煤层气和热电偶的数据，模型试验得到整个试验过程中的温度场、气化过程中根据气化剂的变化排出气体组分浓度、煤层气化过程的火焰工作面的移动速度和沿径向和通道方向的扩展形态及变化，能够预测地下气化过程中煤层燃空区的变化形态和范围，用于地下气化安全性预测和提高经济效益。
26.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
27.本发明中，通过驱动电机使齿圈转动，能够使缓冲连杆组件带动每片围挡片同步移动，从而改变其围成的环形的大小，以改变试验容器的容积，适用于不用规模的试验。
28.本发明中，在煤层燃烧时，电磁铁断电使阻尼杆自由活动，使煤层模型能够在一定阻力下膨胀，循环泵和热源控制散热板的温度，根据煤层的比热容模拟热量在煤层中的散热情况。
29.本发明中，动态分析收集的煤层气和热电偶的数据，模型试验得到整个试验过程中的温度场、气化过程中根据气化剂的变化排出气体组分浓度、煤层气化过程的火焰工作面的移动速度和沿径向和通道方向的扩展形态及变化，能够预测地下气化过程中煤层燃空区的变化形态和范围，用于地下气化安全性预测和提高经济效益。
附图说明
30.图1为一种用于模拟煤炭地下气化的试验装置的结构示意图；
31.图2为围挡片和拓展连杆的投影结构示意图；
32.图3为缓冲连杆组件的结构示意图；
33.图中：1、底座；2、围挡片；21、拓展片；22、磁柱；23、散热板；3、导向杆；4、导向块；5、支柱；6、拓展连杆；7、固定环；8、齿圈；81、主动齿轮；82、电机；9、缓冲连杆组件；91、框架；92、阻尼杆；93、缓冲弹簧；94、电磁铁；95、导磁块；96、分离弹簧。
具体实施方式
34.请参阅图1和图2，本发明实施例中，一种用于模拟煤炭地下气化的试验装置，包括底座1，所述底座1上表面为光滑面，其上圆周封闭地分布有多片围挡片2，所述围挡片2外侧的一面固定有导向杆3，所述导向杆3可滑动地与导向块4连接，所述导向块4固定在底座1中，使得围挡片2可滑动地设置在底座1上；
35.所述底座1外围固定有多根位于每片围挡片2中心的支柱5，所述支柱5上共同固定连接有固定环7，所述固定环7在围挡片2移动到最远离中心时围成的环形的范围外，所述固定环7上可转动地设有齿圈8，所述齿圈8上圆周分布地铰接有多根缓冲连杆组件9，每根所述缓冲连杆组件9的另一端铰接到对应的围挡片2的中间。
36.本实施例中，所述齿圈8一侧设有与之啮合的主动齿轮81，所述主动齿轮81可转动的连接在固定环7中，且固定环7下方还固定有电机82，所述电机82的输出轴连接到主动齿轮81中；
37.也就是说，通过驱动电机82使齿圈8转动，能够使缓冲连杆组件9带动每片围挡片2同步移动，从而改变其围成的环形的大小，以改变试验容器的容积，适用于不用规模的试验。
38.本实施例中，所述导向块4与导向杆3的接触面中设有滑动衬垫，优选为聚四氟乙烯材料，能够在滑动中产生自润滑材料，从而使其二者间能够稳定顺畅地滑动。
39.本实施例中，所述围挡片2两侧对称地设有拓展片21，所述拓展片21可容纳在围挡片2内，且与其可滑动地连接。
40.本实施例中，每片所述围挡片2两侧的拓展片21对称地各通过一根拓展连杆6连接
到对应的支柱5中，所述拓展连杆6的两端分别于拓展片21和支柱5铰接；
41.且，所述拓展连杆6的长度和倾斜角度使得每片围挡片2沿导向杆3同步滑动任意长度时，拓展片21从动伸缩，使相邻的拓展片21始终保持贴合。
42.本实施例中，伸缩拓展片21远离围挡片2的一侧面设有磁柱22，所述磁柱22为软性导磁材料制成，且相邻的两片拓展片21中的磁柱22磁性相反。
43.本实施例中，所述缓冲连杆组件9包括框架91、阻尼杆92，所述框架91一端与齿圈8铰接，所述框架91内固定有阻尼杆92，所述阻尼杆92的活塞杆与框架91可滑动地连接且其末端铰接到围挡片2中；
44.所述阻尼杆92外围还套设有缓冲弹簧93，所述缓冲弹簧93一端与框架固定连接，另一端与阻尼杆92的活塞杆固定连接。
45.本实施例中，所述阻尼杆92的活塞杆的外壁开设有齿纹，所述框架91与活塞杆贴合的内壁中分别设有电磁铁94和导磁块95，所述电磁铁94和导磁块95远离活塞杆的一面各通过分离弹簧96与框架91连接；
46.且，所述分离弹簧96在自然状态下使得电磁铁94和导磁块95远离活塞杆，而当电磁铁94通电时其吸附导磁块95而夹紧活塞杆，从而能够限制阻尼杆92的活动。
47.本实施例中，所述围挡片2和拓展片21的内侧面为散热板23，所述散热板23为高导热材料制成，且其内壁分布有导热管，所述导热管连接到外部的循环泵和热源中。
48.本实施例中还包括一种用于模拟煤炭地下气化的试验方法：
49.s1、电磁铁94通电限制阻尼杆92的活动的状态下，驱动电机82使齿圈8转动，能够使缓冲连杆组件9带动每片围挡片2同步移，以调整试验容器的容积；
50.s2、根据试验需求按比例缩小在围挡片2围成的环形内铺设气化煤层及顶底板岩层模型，其中，气化煤层使用现场采集的样品，顶底板岩层采用粘土混合现场同类岩层碎块制作，并将其压制到原始的地应力大小；
51.s3、从模型上表面向煤层两侧打钻孔，和在钻孔间沿煤层开拓气化通道，连通送气孔与出气孔而形成气化工作面的起始通道，构成的地下煤气发生炉，送气孔与出气孔分别连接外部的气化剂管和收集管，使得能够向煤层能顺畅地鼓入风流，和从煤层中排出煤气，以及提供气化过程中所必须的热条件；
52.s4、沿气化通道长度方向每隔1/10模型总长布置一个热电偶，高度方向热电偶间距为模型总高度的1/20，可准确测出气化过程中，沿气化通道方向及高度方向的温度分布，及时了解氧化带、还原带及干馏干燥带位置；
53.s5、在气化通道内布置点火器和引燃物，点火引燃气化煤层，并持续从送气孔通入气化剂，从出气孔收集煤层气；
54.s6、电磁铁94断电使阻尼杆92自由活动，使煤层模型能够在一定阻力下膨胀，循环泵和热源控制散热板23的温度，根据煤层的比热容模拟热量在煤层中的散热情况；
55.s7、动态分析收集的煤层气和热电偶的数据，模型试验得到整个试验过程中的温度场、气化过程中根据气化剂的变化排出气体组分浓度、煤层气化过程的火焰工作面的移动速度和沿径向和通道方向的扩展形态及变化，能够预测地下气化过程中煤层燃空区的变化形态和范围，用于地下气化安全性预测和提高经济效益。
56.以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于
此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。