一种模拟煤炭地下气化热解煤气在覆岩内运移规律的实验装置及方法

技术领域

本发明属于煤炭地下气化技术领域，具体来说涉及一种模拟煤炭地下气化热解煤气在覆岩内运移规律的实验装置及方法。

背景技术

当今世界能源构成将依然是以化石能源为主，煤炭将长期占据主体地位不动摇。中国作为世界上最大的煤炭生产国、消费国和进口国，对煤炭资源十分依赖。但传统的煤炭开采、运输、使用方式会造成大量的资源浪费以及环境污染。煤炭地下气化技术作为“第二代采煤法”能够有效的解决传统采煤存在的一些问题，当前国内外的众多学者针对地下气化生产过程中污染物的扩散和迁移做了大量的研究工作，目前公认的UCG生产污染地下水的途径有两个，其一是随煤气通过围岩孔裂隙向四周扩散渗透进入地下水造成污染；其二是燃空区顶板冒落地下水涌入，污染物溶解在其中后随地下水流迁移。

但是当前对地下气化产生的气载污染物的扩散迁移规律研究还存在着许多问题，只能通过钻孔取样、地下水取样等间接方法来分析，无法对气化产生的污染物在顶板覆岩多孔介质条件下的扩散迁移规律有较为直观的认识，缺少对地下气化炉选址、气化生成污染物的防治以及地下水的保护等问题的理论支持。

目前针对气化产生的污染物的研究主要集中在产生的污染物的种类的定性和定量分析，气化造成地下水污染的途径等，通过钻孔技术以及地下水取样分析等方法对气化后的污染程度进行研究。但目前的技术方案中针对气载污质在顶板覆岩多孔介质中的迁移扩散规律的研究较少，大多是通过软件进行了数值模拟研究，对气载污质的扩散迁移规律研究不够直观。

发明内容

本发明的目的在于针对煤气携带污染物在顶板覆岩多孔介质中的扩散迁移过程的研究目前只有数值模拟的方法，缺少相应的模拟实验装置，无法对煤气在顶板扩展展开相应的相似模拟试验，对该规律的研究不够直观的问题，克服现有技术的不足，提供一种模拟煤炭地下气化热解煤气在覆岩内运移规律的实验装置及方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种模拟煤炭地下气化热解煤气在覆岩内运移规律的实验装置，包括氮气瓶、减压稳压阀、热解炉和覆岩模拟装置；

所述氮气瓶的出口端通过气管与所述减压稳压阀的入口端相连，所述减压稳压阀的出口端通过气管与所述热解炉的入口端相连，所述热解炉的出口端通过气管与所述覆岩模拟装置的入口端相连；

所述覆岩模拟装置包括顶盖、模拟覆岩模具、支撑网和底座，所述模拟覆岩模具呈环状其上端沿和下端沿形成有法兰盘结构，所述模拟覆岩模具通过法兰盘分别可拆卸地与顶盖、底座上的法兰结构相连接；所述底座内设置有支撑网，所述底座的底部中心处设置有进气口；所述顶盖的顶部中心处设置有排气口；所述模拟覆岩模具包括若干数量形状相同依据实验对象不同高度、不同内径的模具环。

在上述技术方案中，所述底座设置有支腿。

在上述技术方案中，所述支撑网顶部为筛网，下部开口的圆柱体，热解煤气从进口口进入后可以在支撑网的下部空间内扩散均匀。

在上述技术方案中，所述法兰盘结构内设有密封圈，保证密封。

在上述技术方案中，所述排气口连接气体净化装置。

在上述技术方案中，所述模拟覆岩模具的内径为10-50cm，高度为10-30cm。

一种模拟煤炭地下气化热解煤气在覆岩内运移规律的实验方法，按照下述步骤进行：

步骤一、确定模拟覆岩顶板参数

根据需要的试验情况以及需要进行模拟的地层特性，确定需要制备的相似模拟材料尺寸、配比方式、支撑网的孔隙大小，并根据需要将覆岩模拟装置的模拟覆岩模具、支撑网大小尺寸等进行选择。

步骤二、检查气密性

将覆岩模拟装置安装好后，按照气瓶、减压稳压阀、热解炉、覆岩模拟装置的顺序用气管进行连接，关闭覆岩模拟装置的排气口，打开气瓶，通气一段时间后关闭，观察气压变化情况。若气密性良好，则进行后续试验；若气密性较差，通过涂抹肥皂水的方法进行检查，并将漏气点封堵，之后再次进行气密性检测，合格后方能继续实验。

步骤三、制备顶板覆岩相似材料

将覆岩模拟装置中的模拟覆岩模具取下，根据实验要求，压制覆岩相似模拟材料，晾干凝固后将装有覆岩相似模拟材料的模拟覆岩模具装回到覆岩模拟装置中。

步骤四、制备煤样

根据实验需要将煤样破碎成均匀的颗粒，并称取实验所需质量，放入到热解炉中。

步骤五、设定升温程序

根据实验需求，确定热解温度，设定升温程序。

步骤六、开始实验

打开覆岩模拟装置排气口，打开氮气瓶，调整减压稳压阀设定气压，5min后开启热解炉升温程序。

步骤七、实验取样

达到设计实验规定时间后，将模拟覆岩模具拆下，覆岩相似模拟材料完整取出，进行分层取样处理。

步骤八、化验分析

将取得的样品根据实验需要进行诸如XRD、FTIR等分析实验，研究气载污染物在顶板中的迁移扩散规律。

本发明的优点和有益效果为：

本发明提出一种模拟煤炭地下气化热解煤气在覆岩内运移规律的实验装置及方法，覆岩模拟装置可以依据待测定实验的内径、高度进行选取，与顶盖和底座可拆卸的安装，方便更换，提高实验效率；支撑网设置在底座内，热解煤气从进口口进入后可以在支撑网的下部空间内扩散均匀，优化实验条件。本发明能够弥补当前缺乏模拟气载污质在顶板覆岩内迁移扩散的实验装置，能够有效的研究气载污质在覆岩内的迁移扩散规律，为气化炉的选址，气化污染物的防控提供理论依据。

附图说明

图1为本发明一种模拟煤炭地下气化热解煤气在覆岩内运移规律的实验装置连接结构图。

图2为本发明一种模拟煤炭地下气化热解煤气在覆岩内运移规律的实验装置结构示意图(一)。

图3为本发明一种模拟煤炭地下气化热解煤气在覆岩内运移规律的实验装置结构示意图(二)。

图4为本发明一种模拟煤炭地下气化热解煤气在覆岩内运移规律的实验装置结构示意图(三)。

图5为本发明一种模拟煤炭地下气化热解煤气在覆岩内运移规律的实验装置支撑网部分俯视图。

图中：1、氮气瓶；2、气管；3、减压稳压阀；4、热解炉；5、覆岩模拟装置；5-1排气口；5-2、顶盖；5-3、法兰盘；5-4、模拟覆岩模具；5-5、支撑网；5-6、底座；5-7、进气口。

对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例1

图1示出了本方法的实验设备连接图，参照图示，从左向右依次是氮气瓶1、减压稳压阀3、水平管式热解炉4以及覆岩模拟装置5，每个装置之间通过合适尺寸的气管2进行连接并保证气密性。

图2、图3和图4为不同视角下的覆岩模拟装置的结构示意图，该装置主体由排气口5-1，顶盖5-2，模拟覆岩模具5-4，支撑网5-5、底座5-6和进气口5-7组成；所述底座5-6下方设置有支腿，底座5-6下端面中央设置进气口5-7；顶盖5-2与模拟覆岩模具5-4以及底座5-6之间通过法兰盘5-3连接，法兰盘5-3内设有密封圈，保证密封；所述底座5-6内设置有支撑网5-5，支撑网5-5顶部为筛网，下部开口的圆柱体，热解煤气从进口口进入后可以在支撑网的下部空间内扩散均匀；顶盖5-2上端面中央设置排气口5-1，排气口5-1连接气体净化装置；所述模拟覆岩模具5-4包括若干数量形状相同依据实验对象不同高度、不同内径的模具环。

实施例2

一种模拟煤炭地下气化热解煤气在覆岩内运移规律的实验方法，包括以下步骤：

步骤1，确定模拟覆岩顶板参数

根据需要的试验情况以及需要进行模拟的地层特性，确定需要制备的相似模拟材料尺寸、配比方式、支撑网5-5的孔隙大小，并根据需要将覆岩模拟装置的模拟覆岩模具5-4、支撑网5-5大小尺寸等进行选择，本装置的标准模拟覆岩模具5-4可以用来制备直径300mm，高150mm的圆柱体覆岩相似模拟材料，根据实验需要可定制模拟覆岩模具5-4和支撑网5-5，支撑网5-5的孔隙大小需要根据制备的相似模拟材料孔隙度确定，标准支撑网5-5孔径为2mm。

步骤2，检查气密性

将覆岩模拟装置安装好后，按照氮气瓶1、减压稳压阀3、热解炉4、覆岩模拟装置5的顺序用气管2进行连接，关闭覆岩模拟装置的排气口5-1，打开氮气瓶1阀门，通气一段时间后关闭，观察气压变化情况。若气密性良好，则进行后续试验；若气密性较差，通过涂抹肥皂水的方法进行漏气点封堵，之后再次进行气密性检测，合格后方能继续实验。

步骤3，制备顶板覆岩相似材料

将覆岩模拟装置5中的模拟覆岩模具5-4取下，根据实验要求，压制覆岩相似模拟材料，覆岩相似模拟材料选取10目至250目的沙子与石膏混合制得，晾干凝固后将装有覆岩相似模拟材料的模拟覆岩模具5-4装回到覆岩模拟装置5中。

步骤4，制备煤样

根据实验需要取大块煤样破碎成均匀的颗粒，混合均匀后按照15g一份进行密封分装，取一份煤颗粒放入到热解炉4中。

步骤5，设定升温程序

根据实验需求，确定热解炉4热解温度，一般为500℃，600℃或700℃，设定升温程序。

步骤6，开始实验

打开覆岩模拟装置5排气口5-1，打开氮气瓶1，调整减压稳压阀2设定气压，5min后开启热解炉4升温程序。

步骤7，实验取样

达到设计实验规定时间后，将模拟覆岩模具5-4拆下，覆岩相似模拟材料完整取出，进行分层取样处理。

步骤8，化验分析

将取得的样品根据实验需要进行诸如XRD、FTIR等分析实验，对不同位置的主要官能团含量变化规律进行研究，得到不同位置的官能团种类以及相对含量，研究气载污染物在顶板中的迁移扩散规律。

通过以上装置及使用方法，可以有效的进行煤炭地下气化气载污染物在覆岩中的迁移扩散规律研究，弥补当前缺少模拟煤炭地下气化气载污染物在覆岩中迁移的实验装置以及实验方法，对煤炭地下气化气载污染物在顶板覆岩中的扩散规律研究提供了支持。

本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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，因此不能理解为对本发明的限制。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。