煤炭地下气化注气方式与能量回收效率

研究不同注气方式煤炭地下气化(UCG)能量回收情况,有利于发展更高效的UCG工艺。设计并实施了固定和移动注气点UCG模型实验,基于化学计量学和碳平衡法计算了气化煤耗总量及速率,对比分析了2种注气工艺对煤气组成和热值的影响。在此基础上,分析了不同注气方式下煤气产量和有效气体组成的变化,评价了2种注气工艺实验的能量回收效率。结果表明,固定注气点实验中提高O_(2)净注入流量可改善煤气热值衰减的现象,但随着气化空腔的扩大,提高O_(2)净注入流量对气化反应的促进作用逐渐降低;分3次提高O_(2)净注入流量,煤气热值分别提高2.01、1.27和1.10 MJ/Nm^(3),气化效率(煤气的热值与碳的燃烧热之比)分别提高14.64%、9.45%和7.73%。移动注气点位置,可实现煤气热值和气化效率的短时间快速回升,分4次移动注气点位置,每次移动距离为300 mm,煤气热值分别提高2.95、3.32、3.37和2.54 MJ/Nm^(3),气化效率分别提高17.99%、21.04%、27.88%和13.92%。2种注气工艺实验分别气化了72.49 kg和91.47kg的煤,平均煤耗速率分别为0.97和1.27 kg/h,气化效率和煤耗速率呈同步突变,这一现象在改变气化剂注入条件和移动注气点位置后更为明显,表明气化效率与煤耗速率具有一定关系。相比固定注气点实验,移动注气点位置可有效改善气化效果,相同的气化剂注入条件下,有效气体组分和气化效率分别提高12.5%和23.23%。

基于不同气化通道类型的地下气化煤体破裂监测及扩展规律

在煤炭地下气化过程中,高温产生的热应力会导致煤体不断破裂,可能会导致气体泄漏,因此煤体破裂的实时监测与规律研究对煤炭地下气化系统长期稳定运行具有重要意义。为此,采用声发射(AE)监测手段对不同气化通道类型的模型实验(带底部交叉孔的垂直同轴气化通道、垂直同轴气化通道、V形连接孔气化通道)中的煤体破裂活动进行了监测,并基于监测结果研究了不同操作参数(气化剂组分和流量)以及气化通道类型对煤体破坏活动及气化区扩展的影响,然后采用矩张量分析构建的裂纹分布模型定量分析了气化过程中声发射源处的裂纹类型以及裂纹方向,从而研究煤在气化过程中的损伤和破坏规律。研究结果表明:气化炉整体温度变化与声发射事件有非常强的相关性,在0~750℃内增加会导致声发射事件增多;实验中定位的声发射源可以较为准确的表示煤体破裂位置,通过对声发射源整体分布的监测可以预测气化区的扩展范围,垂直同轴孔模型气化区主要向两侧扩展,而V形连接孔模型的气化区则主要沿气流流动方向扩展;较高的氧体积分数以及气体流量在温度小于氧化区临界温度(900℃)时能显著地促进气化区的扩展;基于矩张量分析构建的裂纹分布模型能有效帮助研究煤炭地下气化过程中煤体的破裂规律,裂纹分布模型结果显示,拉伸破坏主导气化过程中煤体的破坏,裂纹总体的聚集方向接近煤层的分层方向,此外裂纹位置分布结果表明在还原区范围内裂纹的萌生与扩展活动较为活跃。