本發(fā)明涉及的是煤炭地下氣化技術(shù)領(lǐng)域，具體的說(shuō)是一種模擬煤炭原位地下氣化的試驗(yàn)裝置及方法。

背景技術(shù)：

煤炭地下氣化技術(shù)(undergroundcoalgasification,ucg)是采用化學(xué)開(kāi)采方法將煤炭在地下原位直接進(jìn)行燃燒氣化產(chǎn)生可燃?xì)怏w，是一種高碳資源低碳化開(kāi)發(fā)清潔能源新技術(shù)，也是資源與環(huán)境協(xié)調(diào)的煤炭綠色開(kāi)采技術(shù)。煤炭地下氣化將建井、采煤、氣化三大工藝合而為一，以其產(chǎn)氣成本低、安全性高和環(huán)境效益好的優(yōu)點(diǎn)，在世界范圍內(nèi)受到了廣泛的重視，前蘇聯(lián)、歐洲、美國(guó)、日本、澳大利亞、中國(guó)及亞洲多個(gè)國(guó)家進(jìn)行了大量的理論研究和工業(yè)性試驗(yàn)，該技術(shù)在低品質(zhì)(高硫、高灰)、急傾斜、薄煤層、深部煤層、“三下”壓煤以及常規(guī)技術(shù)經(jīng)濟(jì)不可采等殘滯留煤的開(kāi)采利用方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

煤炭地下氣化是一種新型的原位煤層流態(tài)化開(kāi)采方法，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和安全效益，是煤炭資源綠色開(kāi)采技術(shù)。煤炭地下氣化所產(chǎn)煤氣成本僅為地面氣化爐氣化的25-50％，可以作為燃?xì)獍l(fā)電、鍋爐燃料以及合成化工產(chǎn)品的原料氣，顯著降低發(fā)電或合成化工產(chǎn)品的成本。煤炭地下氣化還具有顯著的環(huán)境效益，大大減小燃煤污染、煤矸石及灰渣的排放，有效解決目前燃煤引發(fā)的大氣霧霾問(wèn)題，且與碳捕集和封存技術(shù)相結(jié)合，可有效減少溫室氣體排放，具有廣闊的應(yīng)用前景。

近年來(lái)世界主要產(chǎn)煤國(guó)都加大了煤炭地下氣化的工業(yè)性試驗(yàn)以及產(chǎn)業(yè)化推廣力度，美國(guó)、澳大利亞、加拿大、南非、中國(guó)等進(jìn)行了大量的地下氣化現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，拉開(kāi)了煤炭地下氣化商業(yè)化推廣及產(chǎn)業(yè)化的序幕。我國(guó)煤炭地下氣化試驗(yàn)開(kāi)始與上世紀(jì)60年代，至今已進(jìn)行了二十幾次的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，形成了有井式和無(wú)井式煤炭地下氣化工藝。早在1992年《國(guó)家科學(xué)技術(shù)中長(zhǎng)期發(fā)展綱要》白皮書中將煤炭地下氣化作為戰(zhàn)略目標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù)之一。在科技部《國(guó)家“十二五”科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》、《中國(guó)潔凈煤技術(shù)科技發(fā)展“十二五”規(guī)劃》、國(guó)務(wù)院《能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》、國(guó)家發(fā)改委《煤炭工業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃》等明確提出，將突破煤炭地下氣化關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，開(kāi)展煤炭地下氣化示范工程建設(shè)。在國(guó)家發(fā)改委、能源局《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016-2030)》中提出，重點(diǎn)任務(wù)之一是實(shí)現(xiàn)煤炭無(wú)害化開(kāi)采技術(shù)的創(chuàng)新。其中包括地下氣化開(kāi)采研發(fā)與攻關(guān)，并提出2020年目標(biāo)：?jiǎn)蝹€(gè)氣化礦井年氣化煤炭50萬(wàn)噸，到2030年規(guī)?；叵職饣_(kāi)采礦井實(shí)現(xiàn)工業(yè)示范。

煤炭地下氣化實(shí)現(xiàn)了地下原位煤層的無(wú)人化生產(chǎn)，其氣化過(guò)程受煤層賦存條件、頂?shù)装鍑鷰r條件、水文地質(zhì)條件、地質(zhì)構(gòu)造條件、氣化劑注入、化學(xué)反應(yīng)過(guò)程、覆巖熱破裂以及移動(dòng)變形的影響，氣化煤層燃燒擴(kuò)展及圍巖移動(dòng)變形的監(jiān)測(cè)變得非常困難。煤炭地下氣化工程投資大，因此在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)之前，有必要根據(jù)氣化煤層賦存條件和煤質(zhì)特征，對(duì)氣化區(qū)煤層的氣化工藝參數(shù)進(jìn)行考察和探索，這就需要首先在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建煤炭地下氣化模擬試驗(yàn)裝置，模擬原位煤層的氣化過(guò)程。目前來(lái)說(shuō)，適用于煤炭地下氣化過(guò)程的模擬試驗(yàn)裝置相當(dāng)缺乏，且現(xiàn)有的試驗(yàn)裝置也未較真實(shí)地模擬氣化煤層的賦存條件和頂?shù)装鍑鷰r條件。因此，根據(jù)煤炭地下氣化工藝的特點(diǎn)和要求，研發(fā)一種在實(shí)驗(yàn)室模擬煤炭原位地下氣化的試驗(yàn)裝置至關(guān)重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)合理、使用方便的模擬煤炭原位地下氣化的試驗(yàn)裝置及方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種模擬煤炭原位地下氣化的試驗(yàn)裝置，包括氣化爐爐體、頂蓋、爐壁注排氣管、氣化劑制備單元、注排氣管路、氣體流量計(jì)、氣體壓力表、氣體測(cè)溫?zé)犭娕肌怏w凈化單元、氣體放散單元、爐內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)單元、氣相色譜儀、點(diǎn)火器、位移計(jì)、充填單元、計(jì)算機(jī)；

所述氣化爐外形為圓柱體，氣化爐壁由外到內(nèi)分別鋼板、普通磚層、保溫材料、水夾層、耐火磚層，氣化爐內(nèi)部由下到上分別鋪設(shè)多層底板相似材料、氣化煤層、多層頂板相似材料；

所述氣化爐體外側(cè)有輔助出料口；

所述頂蓋為多層圓盤結(jié)構(gòu)，多層圓盤結(jié)構(gòu)由下到上分別填充耐火磚和保溫材料，頂蓋與氣化爐體采用螺栓連接，連接處有密封圈；

所述爐壁注排氣管水平布置于氣化爐體兩側(cè)，兩側(cè)各3根短管焊接于氣化爐體外壁，形成3條軸線貫穿氣化爐；

所述氣化劑制備單元包括空氣壓縮機(jī)、蒸汽發(fā)生器、氧氣罐和二氧化碳?xì)夤?，分別為氣化反應(yīng)過(guò)程提供空氣、蒸汽、氧氣和二氧化碳；

所述注排氣管路包括注氣管路和排氣管路，注氣管路連接氣化劑制備單元和注氣通道，排氣管路連接氣體凈化單元和排氣通道；

所述氣體壓力表包括注氣管路安裝的氣體壓力表和排氣管路安裝的氣體壓力表，分別監(jiān)測(cè)注氣管路和排氣管路的氣體壓力；

所述氣體測(cè)溫?zé)犭娕及ㄗ夤苈钒惭b的測(cè)溫?zé)犭娕己团艢夤苈钒惭b的測(cè)溫?zé)犭娕迹謩e監(jiān)測(cè)注氣管路和排氣管路內(nèi)的氣體溫度；

所述氣體流量計(jì)包括注氣管路安裝的渦街流量計(jì)和排氣管路安裝的渦街流量計(jì)，分別監(jiān)測(cè)注氣管路和排氣管路氣體流量；

所述氣體凈化單元包括洗滌罐、脫焦罐、脫硫罐，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)粗煤氣的洗滌、脫焦和脫硫；

所述氣體放散單元包括水封罐和放散塔，放散塔將所產(chǎn)煤氣點(diǎn)火后高空放散；

所述爐內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)單元包括布置于氣化爐內(nèi)煤層和覆巖內(nèi)的多點(diǎn)測(cè)溫?zé)犭娕迹?/p>

所述氣相色譜儀監(jiān)測(cè)所產(chǎn)煤氣組分；

所述點(diǎn)火器布置于氣化煤層點(diǎn)火位置，實(shí)現(xiàn)氣化煤層的點(diǎn)火；

所述位移計(jì)布置于氣化爐內(nèi)覆巖上表面，監(jiān)測(cè)覆巖表面的移動(dòng)下沉值；

所述充填單元可實(shí)現(xiàn)模擬氣化過(guò)程結(jié)束后的燃空區(qū)充填，由充填泵對(duì)氣化爐內(nèi)燃空區(qū)進(jìn)行充填。

一種模擬煤炭原位地下氣化的試驗(yàn)方法，步驟如下：

步驟1，鋪設(shè)氣化煤層及頂?shù)装逑嗨撇牧希?/p>

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的水文地質(zhì)資料、氣化煤層鉆孔勘探資料，由鉆孔柱狀圖確定氣化煤層及頂?shù)装鍘r層；通過(guò)巖石力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)獲得現(xiàn)場(chǎng)頂?shù)装鍘r石的相關(guān)力學(xué)參數(shù)，即單軸抗壓強(qiáng)度；根據(jù)相似原理理論，以河砂為骨料，粘土為膠結(jié)物，利用正交試驗(yàn)和全面實(shí)驗(yàn)方法分析不同材料配比下的單軸抗壓強(qiáng)度，并與利用相似原理計(jì)算的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，確定滿足相似比的不同頂?shù)装鍘r層河砂和粘土配比；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際厚度的1/10-1/30的幾何縮放比確定氣化煤層和頂?shù)装逑嗨撇牧系暮穸?，基于相似材料配比鋪設(shè)煤層及頂?shù)装逑嗨撇牧希?/p>

步驟2，布置煤層通道和管道：

所述試驗(yàn)爐可在所述氣化煤層中實(shí)現(xiàn)多種通道布置方式，包括單一通道布置方式、雙通道布置方式、水平u型通道布置方式；氣化煤層中所述通道包括用于氣化劑注入的注氣通道，用于煤氣排出的排氣通道，以及用于發(fā)生燃燒氣化反應(yīng)的氣化通道；所述注氣通道、排氣通道和氣化通道為半圓拱形通道。在上述注氣通道、排氣通道和氣化通道內(nèi)均布置半圓拱形篩管；所述注氣通道與爐壁注氣管連接，所述排氣通道與爐壁排氣管連接，關(guān)閉爐壁排氣管，由爐壁注氣管注氣，進(jìn)行氣化爐氣密性試驗(yàn)；

步驟3，爐內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)單元設(shè)置：

在氣化煤層和頂板相似材料中垂直布置多根多點(diǎn)熱電偶測(cè)桿，所述多點(diǎn)熱電偶測(cè)桿由下到上不同高度布置測(cè)溫?zé)犭娕紲y(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)可監(jiān)測(cè)該高度的氣化煤層或頂板相似材料巖層的溫度值，測(cè)點(diǎn)高度方向的間距可根據(jù)所布設(shè)煤層厚度、頂板巖層厚度和層數(shù)進(jìn)行調(diào)整；

步驟4，模擬氣化過(guò)程：

根據(jù)氣化爐內(nèi)通道布置方式的不同，在注氣通道和氣化通道的交接點(diǎn)布置點(diǎn)火器，所述點(diǎn)火器采用電阻絲加熱，引燃點(diǎn)火點(diǎn)布置的易燃材料直至引燃附近氣化煤層，在此過(guò)程中，由注氣管路向氣化爐內(nèi)注氣通道注入氣化劑，點(diǎn)火成功后，繼續(xù)注入氣化劑，模擬氣化煤層的燃燒氣化過(guò)程；

步驟5，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)：

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)包括注氣端數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、排氣端數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、爐內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)、覆巖下沉量監(jiān)測(cè)；所述注氣端數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)包括注入氣化劑的溫度、壓力、流量監(jiān)測(cè)，該部分監(jiān)測(cè)由安置在注氣管路上的氣體測(cè)溫?zé)犭娕?、氣體壓力表、氣體流量計(jì)完成；所述排氣端數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)包括煤氣的溫度、壓力、流量、組分監(jiān)測(cè)，該部分監(jiān)測(cè)由安置在排氣管路上的氣體測(cè)溫?zé)犭娕?、氣體壓力表、氣體流量計(jì)和氣相色譜儀完成；所述爐內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)為氣化煤層和頂板內(nèi)的溫度監(jiān)測(cè)，該部分由布置在氣化煤層和頂板上部的多點(diǎn)熱電偶完成；所述覆巖下沉量監(jiān)測(cè)為覆巖表面的位移監(jiān)測(cè)，該部分由布置于氣化爐內(nèi)覆巖表面的位移計(jì)監(jiān)測(cè)完成；

步驟6，氣化爐充填：

所述步驟4模擬氣化過(guò)程結(jié)束后，可開(kāi)展氣化爐燃空區(qū)充填試驗(yàn)，將充填漿料由充填泵經(jīng)注氣管充填到氣化爐燃空區(qū)；

步驟7，氣化爐解剖：

所述氣化爐解剖為模擬氣化試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)氣化爐進(jìn)行解剖，沿氣化爐相互垂直的兩個(gè)縱截面，取出1/4-1/2的氣化煤層和頂?shù)装?，然后觀察兩個(gè)縱截面所揭露的頂?shù)装鍘r層和燃空區(qū)形態(tài)結(jié)構(gòu)，為更加直觀地開(kāi)展氣化爐燃空區(qū)擴(kuò)展形態(tài)、氣化煤層燃燒邊界范圍、氣化煤體殘留形態(tài)、污染物分布和擴(kuò)散、頂板巖層熱損傷和垮落特性的研究提供可實(shí)現(xiàn)的手段。

進(jìn)一步，所述步驟3中所述多點(diǎn)熱電偶測(cè)桿為耐高溫不銹鋼材料，最高耐受溫度大于1000℃；所述多點(diǎn)熱電偶測(cè)桿的水平行列間距以及數(shù)量可根據(jù)通道布置方式進(jìn)行靈活布置，行列間距范圍為200mm-400mm。

進(jìn)一步，所述步驟4中的模擬氣化過(guò)程可以是模擬空氣氣化過(guò)程；其子步驟是：待氣化爐點(diǎn)火成功后，由空氣壓縮機(jī)向注氣管路提供常溫狀態(tài)下0-20m³/h的空氣，空氣氣化過(guò)程所產(chǎn)煤氣中co組分含量為5％-15％，h2含量為5％-15％，煤氣熱值為3.0-5.50mj/m³，該產(chǎn)氣狀態(tài)持續(xù)保持8-12小時(shí)，所監(jiān)測(cè)到的煤氣流量即為適合所述空氣氣化過(guò)程的工藝參數(shù)。

進(jìn)一步，所述步驟4中的模擬氣化過(guò)程可以是模擬富氧氣化過(guò)程；其子步驟是：當(dāng)氣化爐點(diǎn)火成功后，由空氣壓縮機(jī)和氧氣罐共同提供常溫下氧氣濃度在21％-100％的氣化劑，氣化劑流量在3-10m³/h；富氧氣化過(guò)程所產(chǎn)煤氣中可燃組分co+h2+ch4含量及煤氣熱值隨富氧濃度提高而增大，可燃組分的變化范圍為20％-70％，熱值范圍為3.0-10.0mj/m³，所監(jiān)測(cè)到的煤氣組分、流量、熱值即為適合所述富氧氣化過(guò)程的工藝參數(shù)。

進(jìn)一步，所述步驟4中模擬氣化過(guò)程可以是模擬富氧+蒸汽氣化過(guò)程；其子步驟是：當(dāng)氣化爐點(diǎn)火成功后，先由空氣壓縮機(jī)提供一定流量的空氣，然后在注氣管中注入氧氣罐提供的氧氣，使氣化劑中氧氣濃度逐漸增加，當(dāng)富氧濃度達(dá)到30％-80％時(shí)，由蒸汽發(fā)生器提供一定流量的蒸汽，隨著蒸汽流量的增加，氣化劑中蒸汽和氧氣的質(zhì)量比(簡(jiǎn)稱汽氧比)逐漸增大，使汽氧比為0.5:1-2.5:1，在所述富氧濃度、流量和汽氧比范圍內(nèi)進(jìn)行富氧+蒸汽氣化試驗(yàn)，當(dāng)煤氣中h2含量為25％-40％，h2/co的含量比為1.5:1-3:1，煤氣熱值在6mj/m³-10mj/m³時(shí)，監(jiān)測(cè)到的注氣富氧濃度、富氧流量、汽氧比即為適合所述富氧+蒸汽氣化過(guò)程的工藝參數(shù)。

進(jìn)一步，所述步驟4中模擬氣化過(guò)程可以是模擬富氧+co2氣化過(guò)程；其子步驟是：當(dāng)氣化爐點(diǎn)火成功后，先由空氣壓縮機(jī)提供一定流量的空氣，然后在注氣管中注入氧氣罐提供的氧氣，使氣化劑中氧氣濃度逐漸增加，當(dāng)富氧濃度達(dá)到30％-80％時(shí)，由co2儲(chǔ)罐提供一定流量的co2氣體，隨著co2流量的增加，氣化劑中co2和氧氣的體積比(簡(jiǎn)稱碳氧比)逐漸增大，使碳氧比為0.5:1-3:1，在所述富氧濃度、流量和碳氧比范圍內(nèi)進(jìn)行富氧+co2氣化試驗(yàn)，當(dāng)煤氣中co含量為10％-30％，co/co2的含量比為0.5:1-1:1，煤氣熱值在5mj/m³-8mj/m³時(shí)，監(jiān)測(cè)到的注氣富氧濃度、富氧流量、碳氧比即為適合所述富氧+co2氣化過(guò)程的工藝參數(shù)。

采用上述結(jié)構(gòu)后，本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理、功能多樣，可以利用儀器客觀實(shí)際測(cè)量煤層和頂板巖層內(nèi)溫度場(chǎng)、氣化劑配比和產(chǎn)氣指標(biāo)參數(shù)、覆巖移動(dòng)和地表下沉參數(shù)、氣化爐燃空區(qū)擴(kuò)展特性參數(shù)，有助于進(jìn)行爐型結(jié)構(gòu)參數(shù)和氣化工藝的研究，以便確定適宜現(xiàn)場(chǎng)條件下的煤炭原位地下氣化工藝參數(shù)和生產(chǎn)方案。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明的試驗(yàn)裝置氣化爐結(jié)構(gòu)剖面圖；

圖2是本發(fā)明的試驗(yàn)裝置平面布置示意圖；

圖3是本發(fā)明的試驗(yàn)爐內(nèi)測(cè)溫?zé)犭娕己臀灰朴?jì)布置圖；

圖4是本發(fā)明的實(shí)施步驟流程圖；

圖中1-氣化爐鋼板；2-普通磚層；3-保溫材料；4-水夾層；5-耐火磚層；6-氣化煤層；7-底板相似材料；8-多層頂板相似材料；9-頂蓋；10-位移計(jì)；11-多點(diǎn)熱電偶測(cè)桿；12-爐內(nèi)測(cè)溫?zé)犭娕迹?3-點(diǎn)火器；14-氣化通道；15-篩管；16-輔助出料口；17-爐壁注氣管；17-1-爐壁短管一；17-2-爐壁短管二；17-3-1爐壁短管三；18-爐壁排氣管；18-1-爐壁短管四；18-2-爐壁短管五；18-3-1爐壁短管六；19-空氣壓縮機(jī)；20-蒸汽發(fā)生器；21-氧氣罐；22-二氧化碳罐；23-注氣管路；24-氣體壓力表；25-氣體測(cè)溫?zé)犭娕迹?6-渦街流量計(jì)；27-排氣管路；28-洗滌罐；29-脫膠罐；30-脫硫罐；31-水封罐；32-放散塔；33-氣相色譜儀；34-充填泵。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施方式僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

參看圖1至圖4所示，本具體實(shí)施方式采用以下技術(shù)方案：一種模擬煤炭原位地下氣化裝置，其結(jié)構(gòu)包括氣化爐爐體、頂蓋、爐壁注排氣管、氣化劑制備單元、注排氣管路、氣體流量計(jì)、氣體壓力表、氣體測(cè)溫?zé)犭娕?、氣體凈化單元、氣體放散單元、爐內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)單元、氣相色譜儀、點(diǎn)火器、位移計(jì)、充填單元、計(jì)算機(jī)。

所述氣化爐外形為圓柱體，爐壁最外層直徑為3730mm，氣化爐內(nèi)部空間直徑為2800mm，氣化爐最外層高度為3310mm，氣化爐內(nèi)部空間凈高為2650mm。氣化爐壁由外到內(nèi)分別鋼板1厚度為5mm、普通磚層2厚度為120mm、保溫材料3厚度為120mm、水夾層4厚度為100mm、耐火磚層5厚度為120mm。氣化爐內(nèi)部由下到上分別鋪設(shè)多層底板相似材料7、氣化煤層6、多層頂板相似材料8。多層底板材料7的最大鋪設(shè)厚度為350mm，氣化煤層6的最大鋪設(shè)厚度為400mm，多層頂板8的最大鋪設(shè)厚度為1790mm。

所述氣化爐體外側(cè)有輔助出料口16。

所述頂蓋9為多層圓盤結(jié)構(gòu)，直徑為4020mm，多層圓盤結(jié)構(gòu)由下到上分別填充耐火磚和保溫材料。頂蓋與氣化爐體采用螺栓連接，連接處有密封圈。

所述爐壁注排氣管17和18水平布置于氣化爐體兩側(cè)，兩側(cè)各3根短管焊接于氣化爐體外壁，形成3條軸線貫穿氣化爐，3條軸線水平間距為700mm。

所述氣化劑制備單元包括空氣壓縮機(jī)19、蒸汽發(fā)生器20、氧氣罐21和二氧化碳?xì)夤?2，分別為氣化反應(yīng)過(guò)程提供空氣、蒸汽、氧氣和二氧化碳。

所述注排氣管路包括注氣管路23和排氣管路27，注氣管路連接氣化劑制備系統(tǒng)和注氣通道，排氣管路連接氣體凈化系統(tǒng)和排氣通道。

所述氣體壓力表包括注氣管路安裝的氣體壓力表24和排氣管路安裝的氣體壓力表24，分別監(jiān)測(cè)注氣管路和排氣管路的氣體壓力。

所述氣體測(cè)溫?zé)犭娕及ㄗ夤苈钒惭b的測(cè)溫?zé)犭娕?5和排氣管路安裝的測(cè)溫?zé)犭娕?5，分別監(jiān)測(cè)注氣管路和排氣管路內(nèi)的氣體溫度。

所述氣體流量計(jì)包括注氣管路安裝的渦街流量計(jì)26和排氣管路安裝的渦街流量計(jì)26，分別監(jiān)測(cè)注氣管路和排氣管路氣體流量。

所述氣體凈化單元包括洗滌罐28、脫焦罐29、脫硫罐30，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)粗煤氣的洗滌、脫焦和脫硫。

所述氣體放散單元包括水封罐31和放散塔32，放散塔將所產(chǎn)煤氣點(diǎn)火后高空放散。

所述爐內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)單元包括布置于氣化爐內(nèi)煤層和覆巖內(nèi)的多點(diǎn)熱電偶測(cè)桿11和爐內(nèi)測(cè)溫?zé)犭娕?2。

所述氣相色譜儀33監(jiān)測(cè)所產(chǎn)煤氣組分。

所述點(diǎn)火器13布置于氣化煤層點(diǎn)火位置，實(shí)現(xiàn)氣化煤層的點(diǎn)火。

所述位移計(jì)11布置于氣化爐內(nèi)覆巖上表面，監(jiān)測(cè)覆巖表面的移動(dòng)下沉值。

所述充填單元可實(shí)現(xiàn)模擬氣化過(guò)程結(jié)束后的燃空區(qū)進(jìn)行充填，由充填泵34對(duì)氣化爐內(nèi)燃空區(qū)進(jìn)行充填。

一種模擬煤炭原位地下氣化的試驗(yàn)裝置及方法，包括以下實(shí)施步驟：

步驟1，鋪設(shè)氣化煤層及頂?shù)装逑嗨撇牧?/p>

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的水文地質(zhì)資料、氣化煤層鉆孔勘探資料，由鉆孔柱狀圖確定氣化煤層及頂?shù)装鍘r層；

通過(guò)巖石力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)獲得現(xiàn)場(chǎng)頂?shù)装鍘r石的相關(guān)力學(xué)參數(shù)，即單軸抗壓強(qiáng)度r；

根據(jù)相似原理理論，以河砂為骨料，粘土為膠結(jié)物，利用正交試驗(yàn)和全面實(shí)驗(yàn)方法分析不同材料配比下的單軸抗壓強(qiáng)度，并與利用相似原理計(jì)算的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，確定滿足相似比的不同頂?shù)装鍘r層河砂和粘土配比；

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際厚度的1/10-1/30的幾何縮放比確定氣化煤層和頂?shù)装逑嗨撇牧系暮穸?，基于相似材料配比鋪設(shè)煤層及頂?shù)装逑嗨撇牧?，氣化煤層及頂?shù)装逑嗨撇牧献畲箐佋O(shè)厚度為2650mm，可模擬的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際氣化煤層和頂?shù)装鍘r層高度約為26.5m-79.5m。

步驟2，布置煤層通道和管道

所述試驗(yàn)爐可在所述氣化煤層中實(shí)現(xiàn)多種通道布置方式，包括單一通道布置方式、雙通道布置方式、水平u型通道布置方式。氣化煤層中所述通道包括用于氣化劑注入的注氣通道，用于煤氣排出的排氣通道，以及用于發(fā)生燃燒氣化反應(yīng)的氣化通道。

所述單一通道布置方式是指利用爐壁短管二17-2作為氣化劑注氣管，爐壁短管五18-2作為煤氣排氣管，沿注氣管和排氣管軸線布置1條氣化通道，形成單一通道布置方式。

所述雙通道布置方式是指分別利用爐壁短管一17-1和爐壁短管三17-3作為氣化劑注氣管，爐壁短管四18-1和爐壁短管六18-3作為煤氣排氣管，沿爐壁短管一17-1和爐壁短管四18-1軸線布置1條氣化通道，沿爐壁短管三17-3和爐壁短管六18-3軸線布置1條氣化通道，形成雙通道布置方式。

所述水平u型通道布置方式是指利用爐壁短管一17-1作為氣化劑注氣管，沿該短管軸線布置注氣通道直到另一側(cè)爐內(nèi)壁處，利用爐壁短管三17-3作為煤氣排氣管，沿該短管軸線布置排氣通道直到另一側(cè)爐內(nèi)壁處，在注氣通道和排氣通道的末端布置1條氣化通道將兩者連通，形成水平u型通道布置方式。

所述注氣通道、排氣通道和氣化通道為半圓拱形通道，寬度為55mm，高度為55mm。在上述注氣通道、排氣通道和氣化通道內(nèi)均布置半圓拱形篩管，篩管外徑為50mm。

所述注氣通道與爐壁注氣管連接，所述排氣通道與爐壁排氣管連接，關(guān)閉爐壁排氣管，由爐壁注氣管注氣，進(jìn)行氣化爐氣密性試驗(yàn)。

步驟3，爐內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)單元設(shè)置

在所述氣化煤層和頂板相似材料中垂直布置多根多點(diǎn)熱電偶測(cè)桿11，所述多點(diǎn)熱電偶測(cè)桿由下到上不同高度布置測(cè)溫?zé)犭娕紲y(cè)點(diǎn)12，每個(gè)測(cè)點(diǎn)可監(jiān)測(cè)該高度的氣化煤層或頂板相似材料巖層的溫度值，測(cè)點(diǎn)高度方向的間距可根據(jù)所布設(shè)煤層厚度、頂板巖層厚度和層數(shù)進(jìn)行調(diào)整，最小間距為200mm，最大間距為400mm，單根多點(diǎn)熱電偶測(cè)桿的高度為最上和最下兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的間距加200mm，高度上限值為2100mm。

所述多點(diǎn)熱電偶測(cè)桿為耐高溫不銹鋼材料，最高耐受溫度大于1000℃。

所述多點(diǎn)熱電偶測(cè)桿的水平行列間距以及數(shù)量可根據(jù)通道布置方式進(jìn)行靈活布置，行列間距范圍為200mm-400mm。

步驟4，模擬氣化過(guò)程

根據(jù)氣化爐內(nèi)通道布置方式的不同，在注氣通道和氣化通道的交接點(diǎn)布置點(diǎn)火器13，所述點(diǎn)火器采用電阻絲加熱，引燃點(diǎn)火點(diǎn)布置的易燃材料直至引燃附近氣化煤層，在此過(guò)程中，由注氣管路向氣化爐內(nèi)注氣通道注入氣化劑。點(diǎn)火成功后，繼續(xù)注入氣化劑，模擬氣化煤層的燃燒氣化過(guò)程。

上述步驟4中的模擬氣化過(guò)程可以是模擬空氣氣化過(guò)程；其子步驟是：待氣化爐點(diǎn)火成功后，由空氣壓縮機(jī)19向注氣管路提供常溫狀態(tài)下0-20m³/h的空氣。空氣氣化過(guò)程所產(chǎn)煤氣中co組分含量為5％-15％，h2含量為5％-15％，煤氣熱值為3.0-5.50mj/m³，該產(chǎn)氣狀態(tài)持續(xù)保持8-12小時(shí)，氣體流量計(jì)26所監(jiān)測(cè)到的煤氣流量即為適合所述空氣氣化過(guò)程的工藝參數(shù)。

上述步驟4中的模擬氣化過(guò)程可以是模擬富氧氣化過(guò)程；其子步驟是：當(dāng)氣化爐點(diǎn)火成功后，由空氣壓縮機(jī)19和氧氣罐21共同提供常溫下氧氣濃度在21％-100％的氣化劑，氣化劑流量在3-10m³/h。富氧氣化過(guò)程所產(chǎn)煤氣中可燃組分co+h2+ch4含量及煤氣熱值隨富氧濃度提高而增大，可燃組分的變化范圍為20％-70％，熱值范圍為3.0-10.0mj/m³，所監(jiān)測(cè)到的煤氣組分、流量、熱值即為適合所述富氧氣化過(guò)程的工藝參數(shù)。

上述步驟4中模擬氣化過(guò)程可以是模擬富氧+蒸汽氣化過(guò)程；其子步驟是：當(dāng)氣化爐點(diǎn)火成功后，先由空氣壓縮機(jī)19提供一定流量的空氣，然后在注氣管中注入氧氣罐21提供的氧氣，使氣化劑中氧氣濃度逐漸增加，當(dāng)富氧濃度達(dá)到30％-80％時(shí)，由蒸汽發(fā)生器20提供一定流量的蒸汽，隨著蒸汽流量的增加，氣化劑中蒸汽和氧氣的質(zhì)量比(簡(jiǎn)稱汽氧比，)逐漸增大，使汽氧比為0.5:1-2.5:1，在所述富氧濃度、流量和汽氧比范圍內(nèi)進(jìn)行富氧+蒸汽氣化試驗(yàn)，當(dāng)煤氣中h2含量為25％-40％，h2/co的含量比為1.5:1-3:1，煤氣熱值在6mj/m³-10mj/m³時(shí)，監(jiān)測(cè)到的注氣富氧濃度、富氧流量、汽氧比即為適合所述富氧+蒸汽氣化過(guò)程的工藝參數(shù)。

上述步驟4中模擬氣化過(guò)程可以是模擬富氧+co2氣化過(guò)程；其子步驟是：當(dāng)氣化爐點(diǎn)火成功后，先由空氣壓縮機(jī)19提供一定流量的空氣，然后在注氣管中注入氧氣罐21提供的氧氣，使氣化劑中氧氣濃度逐漸增加，當(dāng)富氧濃度達(dá)到30％-80％時(shí)，由co2儲(chǔ)罐22提供一定流量的co2氣體，隨著co2流量的增加，氣化劑中co2和氧氣的體積比(簡(jiǎn)稱碳氧比，)逐漸增大，使碳氧比為0.5:1-3:1，在所述富氧濃度、流量和碳氧比范圍內(nèi)進(jìn)行富氧+co2氣化試驗(yàn)，當(dāng)煤氣中co含量為10％-30％，co/co2的含量比為0.5:1-1:1，煤氣熱值在5mj/m³-8mj/m³時(shí)，監(jiān)測(cè)到的注氣富氧濃度、富氧流量、碳氧比即為適合所述富氧+co2氣化過(guò)程的工藝參數(shù)。

步驟5，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

所述數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)包括注氣端數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、排氣端數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、爐內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)、覆巖下沉量監(jiān)測(cè)。

所述注氣端數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)包括注入氣化劑的溫度、壓力、流量監(jiān)測(cè)，該部分監(jiān)測(cè)由安置在注氣管路上的氣體測(cè)溫?zé)犭娕?5、氣體壓力表24、氣體流量計(jì)26完成。

所述排氣端數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)包括煤氣的溫度、壓力、流量、組分監(jiān)測(cè)，該部分監(jiān)測(cè)由安置在排氣管路上的氣體測(cè)溫?zé)犭娕?5、氣體壓力表24、氣體流量計(jì)26和氣相色譜儀33完成。

所述爐內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)為氣化煤層和頂板內(nèi)的溫度監(jiān)測(cè)，該部分由布置在氣化煤層和頂板上部的多點(diǎn)熱電偶12完成。

所述覆巖下沉量監(jiān)測(cè)為覆巖表面的位移監(jiān)測(cè)，該部分由布置于氣化爐內(nèi)覆巖表面的位移計(jì)10監(jiān)測(cè)完成。

步驟6，氣化爐充填

所述步驟4模擬氣化過(guò)程結(jié)束后，可開(kāi)展氣化爐燃空區(qū)充填試驗(yàn)，將充填漿料由充填泵34經(jīng)注氣管充填到氣化爐燃空區(qū)。

步驟7，氣化爐解剖

所述氣化爐解剖為模擬氣化試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)氣化爐進(jìn)行解剖，沿氣化爐相互垂直的兩個(gè)縱截面，取出1/4-1/2的氣化煤層和頂?shù)装?，然后觀察兩個(gè)縱截面所揭露的頂?shù)装鍘r層和燃空區(qū)形態(tài)結(jié)構(gòu)，為更加直觀地開(kāi)展氣化爐燃空區(qū)擴(kuò)展形態(tài)、氣化煤層燃燒邊界范圍、氣化煤體殘留形態(tài)、污染物分布和擴(kuò)散、頂板巖層熱損傷和垮落特性的研究提供可實(shí)現(xiàn)的手段。

所述氣化爐解剖可針對(duì)氣化爐充填和氣化爐不充填兩種情況下的氣化爐解剖。

對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無(wú)論從哪一點(diǎn)來(lái)看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說(shuō)明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。

此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說(shuō)明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說(shuō)明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見(jiàn)，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說(shuō)明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。