[发明专利]一种模拟煤炭原位地下气化的试验装置及方法

摘要

本发明公开了一种模拟煤炭原位地下气化的试验装置及方法，包括气化炉炉体、顶盖、炉壁注排气管、气化剂制备单元、注排气管路、气体流量计、气体压力表、气体测温热电偶、气体净化单元、气体放散单元、炉内温度监测单元、气相色谱仪、点火器、位移计、充填单元、计算机；所述气化炉外形为圆柱体，气化炉壁由外到内分别钢板、普通砖层、保温材料、水夹层、耐火砖层；本发明结构合理、功能多样，可以利用仪器客观实际测量煤层和顶板岩层内温度场、气化剂配比和产气指标参数、覆岩移动和地表下沉参数、气化炉燃空区扩展特性参数，有助于进行炉型结构参数和气化工艺的研究，以便确定适宜现场条件下的煤炭原位地下气化工艺参数和生产方案。

主权项

1.一种模拟煤炭原位地下气化的试验方法，其特征在于：包括气化炉炉体、顶盖、炉壁注排气管、气化剂制备单元、注排气管路、气体流量计、气体压力表、气体测温热电偶、气体净化单元、气体放散单元、炉内温度监测单元、气相色谱仪、点火器、位移计、充填单元、计算机；所述气化炉外形为圆柱体，气化炉壁由外到内分别钢板、普通砖层、保温材料、水夹层、耐火砖层，气化炉内部由下到上分别铺设多层底板相似材料、气化煤层、多层顶板相似材料；所述气化炉体外侧有辅助出料口；所述顶盖为多层圆盘结构，多层圆盘结构由下到上分别填充耐火砖和保温材料，顶盖与气化炉体采用螺栓连接，连接处有密封圈；所述炉壁注排气管水平布置于气化炉体两侧，两侧各3根短管焊接于气化炉体外壁，形成3条轴线贯穿气化炉；所述气化剂制备单元包括空气压缩机、蒸汽发生器、氧气罐和二氧化碳气罐，分别为气化反应过程提供空气、蒸汽、氧气和二氧化碳；所述注排气管路包括注气管路和排气管路，注气管路连接气化剂制备单元和注气通道，排气管路连接气体净化单元和排气通道；所述气体压力表包括注气管路安装的气体压力表和排气管路安装的气体压力表，分别监测注气管路和排气管路的气体压力；所述气体测温热电偶包括注气管路安装的测温热电偶和排气管路安装的测温热电偶，分别监测注气管路和排气管路内的气体温度；所述气体流量计包括注气管路安装的涡街流量计和排气管路安装的涡街流量计，分别监测注气管路和排气管路气体流量；所述气体净化单元包括洗涤罐、脱焦罐、脱硫罐，分别实现对粗煤气的洗涤、脱焦和脱硫；所述气体放散单元包括水封罐和放散塔，放散塔将所产煤气点火后高空放散；所述炉内温度监测单元包括布置于气化炉内煤层和覆岩内的多点测温热电偶；所述气相色谱仪监测所产煤气组分；所述点火器布置于气化煤层点火位置，实现气化煤层的点火；所述位移计布置于气化炉内覆岩上表面，监测覆岩表面的移动下沉值；所述充填单元可实现模拟气化过程结束后的燃空区充填，由充填泵对气化炉内燃空区进行充填；试验方法步骤如下：步骤1，铺设气化煤层及顶底板相似材料：根据现场的水文地质资料、气化煤层钻孔勘探资料，由钻孔柱状图确定气化煤层及顶底板岩层；通过岩石力学性质实验获得现场顶底板岩石的相关力学参数，即单轴抗压强度；根据相似原理理论，以河砂为骨料，粘土为胶结物，利用正交试验和全面实验方法分析不同材料配比下的单轴抗压强度，并与利用相似原理计算的抗压强度进行对比，确定满足相似比的不同顶底板岩层河砂和粘土配比；根据现场实际厚度的1/10‑1/30的几何缩放比确定气化煤层和顶底板相似材料的厚度，基于相似材料配比铺设煤层及顶底板相似材料；步骤2，布置煤层通道和管道：所述试验炉可在所述气化煤层中实现多种通道布置方式，包括单一通道布置方式、双通道布置方式、水平U型通道布置方式；气化煤层中所述通道包括用于气化剂注入的注气通道，用于煤气排出的排气通道，以及用于发生燃烧气化反应的气化通道；所述注气通道、排气通道和气化通道为半圆拱形通道，在上述注气通道、排气通道和气化通道内均布置半圆拱形筛管；所述注气通道与炉壁注气管连接，所述排气通道与炉壁排气管连接，关闭炉壁排气管，由炉壁注气管注气，进行气化炉气密性试验；步骤3，炉内温度监测单元设置：在气化煤层和顶板相似材料中垂直布置多根多点热电偶测杆，所述多点热电偶测杆由下到上不同高度布置测温热电偶测点，每个测点可监测该高度的气化煤层或顶板相似材料岩层的温度值，测点高度方向的间距可根据所布设煤层厚度、顶板岩层厚度和层数进行调整；步骤4，模拟气化过程：根据气化炉内通道布置方式的不同，在注气通道和气化通道的交接点布置点火器，所述点火器采用电阻丝加热，引燃点火点布置的易燃材料直至引燃附近气化煤层，在此过程中，由注气管路向气化炉内注气通道注入气化剂，点火成功后，继续注入气化剂，模拟气化煤层的燃烧气化过程；步骤5，数据监测：数据监测包括注气端数据监测、排气端数据监测、炉内温度监测、覆岩下沉量监测；所述注气端数据监测包括注入气化剂的温度、压力、流量监测，该部分监测由安置在注气管路上的气体测温热电偶、气体压力表、气体流量计完成；所述排气端数据监测包括煤气的温度、压力、流量、组分监测，该部分监测由安置在排气管路上的气体测温热电偶、气体压力表、气体流量计和气相色谱仪完成；所述炉内温度监测为气化煤层和顶板内的温度监测，该部分由布置在气化煤层和顶板上部的多点热电偶完成；所述覆岩下沉量监测为覆岩表面的位移监测，该部分由布置于气化炉内覆岩表面的位移计监测完成；步骤6，气化炉充填：所述步骤4模拟气化过程结束后，可开展气化炉燃空区充填试验，将充填浆料由充填泵经注气管充填到气化炉燃空区；步骤7，气化炉解剖：所述气化炉解剖为模拟气化试验结束后对气化炉进行解剖，沿气化炉相互垂直的两个纵截面，取出1/4‑1/2的气化煤层和顶底板，然后观察两个纵截面所揭露的顶底板岩层和燃空区形态结构，为更加直观地开展气化炉燃空区扩展形态、气化煤层燃烧边界范围、气化煤体残留形态、污染物分布和扩散、顶板岩层热损伤和垮落特性的研究提供可实现的手段；所述步骤3中所述多点热电偶测杆为耐高温不锈钢材料，最高耐受温度大于1000℃；所述多点热电偶测杆的水平行列间距以及数量可根据通道布置方式进行灵活布置，行列间距范围为200mm‑400mm；所述步骤4中的模拟气化过程可以是模拟空气气化过程；其子步骤是：待气化炉点火成功后，由空气压缩机向注气管路提供常温状态下0‑20m3/h的空气，空气气化过程所产煤气中CO组分含量为5％‑15％，H2含量为5％‑15％，煤气热值为3.0‑5.50MJ/m3，该产气状态持续保持8‑12小时，所监测到的煤气流量即为适合所述空气气化过程的工艺参数；所述步骤4中的模拟气化过程可以是模拟富氧气化过程；其子步骤是：当气化炉点火成功后，由空气压缩机和氧气罐共同提供常温下氧气浓度在21％‑100％的气化剂，气化剂流量在3‑10m3/h；富氧气化过程所产煤气中可燃组分CO+H2+CH4含量及煤气热值随富氧浓度提高而增大，可燃组分的变化范围为20％‑70％，热值范围为3.0‑10.0MJ/m3，所监测到的煤气组分、流量、热值即为适合所述富氧气化过程的工艺参数；所述步骤4中模拟气化过程可以是模拟富氧+蒸汽气化过程；其子步骤是：当气化炉点火成功后，先由空气压缩机提供一定流量的空气，然后在注气管中注入氧气罐提供的氧气，使气化剂中氧气浓度逐渐增加，当富氧浓度达到30％‑80％时，由蒸汽发生器提供一定流量的蒸汽，随着蒸汽流量的增加，气化剂中蒸汽和氧气的质量比逐渐增大，使汽氧比为0.5:1‑2.5:1，在所述富氧浓度、流量和汽氧比范围内进行富氧+蒸汽气化试验，当煤气中H2含量为25％‑40％，H2/CO的含量比为1.5:1‑3:1，煤气热值在6MJ/m3‑10MJ/m3时，监测到的注气富氧浓度、富氧流量、汽氧比即为适合所述富氧+蒸汽气化过程的工艺参数；所述步骤4中模拟气化过程可以是模拟富氧+CO2气化过程；其子步骤是：当气化炉点火成功后，先由空气压缩机提供一定流量的空气，然后在注气管中注入氧气罐提供的氧气，使气化剂中氧气浓度逐渐增加，当富氧浓度达到30％‑80％时，由CO2储罐提供一定流量的CO2气体，随着CO2流量的增加，气化剂中CO2和氧气的体积比逐渐增大，使碳氧比为0.5:1‑3:1，在所述富氧浓度、流量和碳氧比范围内进行富氧+CO2气化试验，当煤气中CO含量为10％‑30％，CO/CO2的含量比为0.5:1‑1:1，煤气热值在5MJ/m3‑8MJ/m3时，监测到的注气富氧浓度、富氧流量、碳氧比即为适合所述富氧+CO2气化过程的工艺参数。