本技術涉及富油煤熱解，尤其涉及一種富油煤原位熱解物理相似模擬實驗裝置及方法。

背景技術：

1、我國“缺油、少氣、相對富煤”的資源稟賦特征，決定了短期內(nèi)煤炭仍將作為我國的主體能源。保障煤炭安全高效開采、低碳清潔利用，已成為國家能源高質量發(fā)展的趨勢。煤炭的種類較多，經(jīng)低溫干餾得到焦油產(chǎn)率大于7%的煤炭為富油煤。富油煤主要賦存于中低程度變質煤中，富含較多的可生成油氣產(chǎn)物的富氫結構。富油煤經(jīng)過科學合理的低溫熱解工藝，能夠轉化產(chǎn)生豐富的煤焦油、煤熱解氣以及清潔無煙的熱解半焦，其具有油氣轉化效率高、生產(chǎn)成本低的優(yōu)勢。對富油煤合理處理可以實現(xiàn)煤炭的高效利用。

2、地下的富油煤開采至地上難度較大，且將富油煤開采至地上再進行熱解獲得焦油，增加制作工序和成本。而通過富油煤原位熱解工藝，即在地下不將煤炭提取至地上，原位熱解開采工藝從煤炭中提取焦油的技術，可將煤炭中的碳等有機質轉變?yōu)榧淄?、氫氣等低碳或無碳的資源，不但實現(xiàn)了富油煤的高效低碳利用，極大延伸了煤炭利用的深度范圍，而且不增加制作工序和成本。

3、現(xiàn)有富油煤原位熱解工藝采用的解熱方式包括電加熱和氣加熱。電加熱即利用電熱絲對富油煤進行加熱，再控制環(huán)境中氧氣濃度降低使煤炭一直熱解，通過不斷通氣，氣體輸送至地面后提取輸出氣體中的煤焦油，該煤焦油再次蒸餾后為所需油。而富油煤熱解產(chǎn)物原位熱解半焦則保留在地下。氣加熱即通過將二氧化碳或氮氣等惰性氣體加熱后輸入至地下，加熱氣體將熱量傳遞至富煤油中，使富煤油熱解，氣體再將煤焦油帶出至地面。同樣，富油煤原位熱解產(chǎn)物熱解半焦則保留在地下。

4、在實際中，富油煤原位熱解產(chǎn)物熱解半焦可以燃燒產(chǎn)生熱量并被利用，現(xiàn)有的富油煤原位熱解工藝的煤炭熱解產(chǎn)物熱解半焦保留在地下，造成資源極大浪費。同時現(xiàn)有富油煤原位熱解工藝傳熱效率慢、加熱時間長。因此，將富油煤原位熱解產(chǎn)物熱解半焦進行有效利用具有重要意義。對熱解半焦高效利用的工藝需要設置合適的參數(shù)，而由于富油煤原位熱解位于地下，具有隱蔽性和安裝各部件困難性，從而需要在地上獲取合適參數(shù)后再運用于地下實際工作場合。

技術實現(xiàn)思路

1、本技術實施例通過提供一種富油煤原位熱解物理相似模擬實驗裝置，能夠解決現(xiàn)有富油煤原位熱解工藝造成資源極大浪費、傳熱效率慢、加熱時間長，對熱解半焦高效利用需要在地上獲取合適參數(shù)后再運用于地下實際工作場合的問題。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實施例的技術方案是：

3、第一方面，本發(fā)明實施例提供了一種富油煤原位熱解物理相似模擬實驗裝置，包括：實驗艙、隔艙機構、點火機構、氣體成分監(jiān)測機構、氣體壓力監(jiān)測機構、氣體輸送控制機構、溫濕度監(jiān)測機構和油氣分離收集機構；

4、所述隔艙機構包括至少兩個；每個所述隔艙機構包括隔艙板、驅動電機和轉軸；至少兩個所述驅動電機設置于所述實驗艙的外壁；至少兩個所述轉軸平行于所述實驗艙的寬度方向且間隔設置，所述轉軸的一端與對應位置處的所述驅動電機的驅動軸連接；所述隔艙板為卷簾狀，具有良好的導熱性，上端卷設于一個所述轉軸上，以使隔艙板下降后將所述實驗艙沿長度方向分別分隔為至少三個獨立艙體；

5、兩側的首個艙體和末尾艙體的艙壁上分別設置有進艙口和出艙口，所述進艙口被配置為放置富油煤進入所述實驗艙的入口，所述出艙口被配置為輸出燃燒廢物的出口；

6、每個所述隔艙板上均布多個通氣結構，所述通氣結構均被配置為從進到出的方向單向通氣；

7、所述點火機構設置于首個艙體內(nèi)；

8、每個所述艙體內(nèi)均設置所述氣體成分監(jiān)測機構、所述氣體壓力監(jiān)測機構、所述氣體輸送控制機構和所述溫濕度監(jiān)測機構；

9、在每個所述艙體內(nèi)均勻放置富油煤樣品；

10、通過首個艙體內(nèi)設置的所述氣體輸送控制機構向首個艙體內(nèi)提供濃度為19%~21%的氧氣，打開所述點火機構點燃首個艙體中富油煤后關閉所述點火機構，首個艙體中富油煤燃燒；首個艙體內(nèi)的氣體通過所述通氣結構輸送至第二個艙體，通過第二個艙體的所述氣體輸送控制機構向第二個艙體提供氮氣以降低第二個艙體內(nèi)氧氣濃度直至達到富油煤熱解濃度，以使第二個艙體用首個艙體中富油煤燃燒所產(chǎn)生的熱量進行富油煤熱解，之后第二個艙體中富油煤熱解產(chǎn)生的氣體輸送至第三個艙體，待第二個艙體中富油煤熱解完成，通過第二個艙體的所述氣體輸送控制機構向第二個艙體充入一定量的氧氣，使第二個艙體中富油煤熱解完成生成的熱解半焦燃燒給第三個艙體中富油煤熱解提供熱量，以此類推，熱量一直傳遞至末尾艙體中，使末尾艙體中富油煤進行熱解；

11、所述油氣分離收集機構與末尾艙體連通。

12、結合第一方面，在一種可能的實現(xiàn)方式中，富油煤原位熱解物理相似模擬實驗裝置還包括控制機構；

13、所述控制機構包括計算機模塊；

14、所述點火機構、所述氣體成分監(jiān)測機構、所述氣體壓力監(jiān)測機構、所述氣體輸送控制機構、所述溫濕度監(jiān)測機構、所述油氣分離收集機構和所述隔艙機構均與所述控制機構電連接；

15、所述計算機模塊內(nèi)置虛擬平臺和仿真分析軟件，所述虛擬平臺能夠將收集的各個所述艙體內(nèi)的所述隔艙板的升降數(shù)據(jù)、氣體成分數(shù)據(jù)、氣體壓力數(shù)據(jù)、溫濕度數(shù)據(jù)及煤焦油產(chǎn)量數(shù)據(jù)數(shù)字孿生到虛擬平臺中，虛擬平臺將數(shù)據(jù)傳輸至仿真分析軟件；

16、仿真分析軟件能夠根據(jù)采集的各個所述艙體內(nèi)的氣體成分數(shù)據(jù)、氣體壓力數(shù)據(jù)、溫濕度數(shù)據(jù)及煤焦油產(chǎn)量數(shù)據(jù)進行實時仿真分析，并對富油煤燃燒和富油煤熱解程度進行預測，進而根據(jù)富油煤的化學反應程度和實際需求控制所述點火機構的點火功率，控制所述氣體輸送控制機構調節(jié)各個所述艙體的氧氣濃度、氣體壓力及所述隔艙板的升降，控制調整完后的所述艙體再次進行富油煤熱解燃燒反應，直至達到富油煤熱解出油率最佳的狀態(tài)，記錄此時各個所述艙體的氣體成分數(shù)據(jù)、氣體壓力數(shù)據(jù)、溫濕度數(shù)據(jù)及煤焦油產(chǎn)量數(shù)據(jù)。

17、結合第一方面，在一種可能的實現(xiàn)方式中，富油煤原位熱解物理相似模擬實驗裝置還包括視音頻監(jiān)控機構；

18、每個所述艙體內(nèi)均設置所述視音頻監(jiān)控機構；

19、所述視音頻監(jiān)控機構與所述控制機構電連接；

20、所述仿真分析軟件還根據(jù)采集的各個所述艙體內(nèi)的視音頻數(shù)據(jù)及煤焦油產(chǎn)量數(shù)據(jù)進行實時分析，并對富油煤燃燒和富油煤熱解程度進行預測。

21、結合第一方面，在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述視音頻監(jiān)控機構包括攝像頭和傳聲器；

22、所述傳聲器被配置為獲取富油煤聲發(fā)射信號初始頻率、富油煤升溫燃燒過程中聲發(fā)射信號平均頻率，并通過聲發(fā)射信號頻率與富油煤的燃燒溫度的關系公式反演所述艙體中富油煤的燃燒溫度，其中，關系公式為：

23、（1），

24、式中，f為富油煤升溫燃燒過程中聲發(fā)射信號平均頻率，f0為富油煤聲發(fā)射信號初始頻率，λ為接收的信號頻率隨富油煤溫度變化修正系數(shù)，t為富油煤的燃燒溫度。

25、結合第一方面，在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述通氣結構包括卡箍環(huán)和活動葉；

26、所述活動葉為多個，每個所述活動葉包括依次設置的第一弧段、第二弧段、第三弧段和第四弧段；

27、多個所述活動葉的所述第一弧段設置于卡箍環(huán)的內(nèi)壁，整體形成圓形；

28、相鄰兩個所述活動葉的表面部分疊合；

29、多個所述活動葉的所述第三弧段拼成圓形；

30、所述隔艙板上設置有安裝孔，所述卡箍環(huán)設置于所述安裝孔內(nèi)。

31、結合第一方面，在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述溫濕度監(jiān)測機構放置在每個艙體內(nèi)，包括九個溫濕度傳感器；

32、九個所述溫濕度傳感器按照3×3陣列設置；

33、每個所述艙體內(nèi)的傳熱速率計算方法為：

34、設正中的所述溫濕度傳感器坐標點為（m，n），正中處所述溫濕度傳感器采集到的溫度為tm,n，則每個所述艙體內(nèi)的所述溫濕度傳感器測量到的溫度數(shù)據(jù)矩陣為：

35、（2），

36、在橫向方向上的溫度差為：

37、（3），

38、在縱向方向上的溫度差為：

39、（4），

40、計算的橫向方向上溫度梯度為：

41、（5），

42、式中，d為沿橫向方向上的所述溫濕度傳感器之間的間距；

43、計算的縱向方向上溫度梯度為：

44、（6），

45、式中，r為沿縱向方向上所述溫濕度傳感器之間的距離；

46、使用傅里葉定律，則在橫向方向上的熱流密度為：

47、（7），

48、式中，qx為沿橫向方向上的熱流密度，k為富油煤的導熱率；

49、在縱向方向上的熱流密度為：

50、（8），

51、式中，qy為沿縱向方向的熱流密度；

52、使用傅里葉定律，點（m，n）處的熱流密度可近似為：

53、（9），

54、代入溫度梯度的近似值，得到：

55、（10），

56、計算總傳熱速率q；

57、（11），

58、式中，qx,y是點（x，y）處的熱流密度。

59、結合第一方面，在一種可能的實現(xiàn)方式中，放置在每個艙體內(nèi)，所述溫濕度監(jiān)測機構包括九個溫濕度傳感器；

60、九個所述溫濕度傳感器按照3×3陣列設置；

61、每個所述艙體內(nèi)的傳熱速率計算方法為：

62、設正中的所述溫濕度傳感器坐標點為（m，n），正中處所述溫濕度傳感器采集到的相對濕度為rhm,n，則在每個所述艙體中所述溫濕度傳感器測量到的相對濕度數(shù)據(jù)矩陣為：

63、（12），

64、在橫向方向上的相對濕度差為：

65、（13），

66、在縱向方向上的相對濕度差為：

67、（14），

68、計算的橫向方向上相對濕度梯度為：

69、（15），

70、式中，d為沿橫向方向上的溫濕度傳感器之間的間距；

71、計算的縱向方向上相對濕度梯度為：

72、（16），

73、式中，r為沿縱向方向上溫濕度傳感器之間的距離；

74、富油煤相對濕度在橫向方向與縱向方向上的變化為：

75、（17），

76、（18），

77、式中，（19），

78、（20），

79、（21），

80、式中，w為通過相對濕度計算的富油煤的傳熱速率；a·b為三乘三階矩陣。

81、第二方面，本發(fā)明另一實施例提供了一種富油煤原位熱解物理相似模擬實驗方法，基于上述的富油煤原位熱解物理相似模擬實驗裝置，包括：

82、在實驗艙內(nèi)放置富油煤，將隔艙機構的隔艙板下降，使所述隔艙板將所述實驗艙延長度方向分別分隔為至少三個獨立艙體；

83、依次打開控制機構、視音頻監(jiān)控機構、氣體成分監(jiān)測機構、氣體壓力監(jiān)測機構、溫濕度監(jiān)測機構、氣體輸送控制機構、油氣分離收集機構；

84、通過首個艙體內(nèi)設置的所述氣體輸送控制機構向首個艙體內(nèi)提供濃度為19%~21%的氧氣，打開點火機構點燃首個艙體中富油煤后關閉所述點火機構，首個艙體中富油煤燃燒；

85、首個艙體內(nèi)的氣體通過所述隔艙機構的通氣結構輸送至第二個艙體，通過第二個艙體的所述氣體輸送控制機構向第二個艙體提供氮氣以降低第二個艙體內(nèi)氧氣濃度直至達到富油煤熱解濃度，以使第二個艙體用首個艙體中富油煤燃燒產(chǎn)生的熱量進行富油煤熱解，之后第二個艙體中富油煤熱解產(chǎn)生的氣體輸送至第三個艙體，待第二個艙體中富油煤熱解完成，通過第二個艙體的所述氣體輸送控制機構向第二個艙體充入一定量的氧氣，使第二個艙體中富油煤熱解完成生成的熱解半焦燃燒給第三個艙體中富油煤熱解提供熱量，以此類推，熱量一直傳遞至末尾艙體中，使末尾艙體中富油煤進行熱解；

86、計算機模塊內(nèi)置虛擬平臺和仿真分析軟件，所述虛擬平臺能夠將收集的各個艙體內(nèi)的所述隔艙板的升降數(shù)據(jù)、氣體成分數(shù)據(jù)、氣體壓力數(shù)據(jù)、溫濕度數(shù)據(jù)、視音頻數(shù)據(jù)及煤焦油產(chǎn)量數(shù)據(jù)數(shù)字孿生到所述虛擬平臺中；

87、所述仿真分析軟件能夠根據(jù)采集的各個艙體內(nèi)隔艙板的升降數(shù)據(jù)、氣體成分數(shù)據(jù)、氣體壓力數(shù)據(jù)、溫濕度數(shù)據(jù)、視音頻數(shù)據(jù)及煤焦油產(chǎn)量數(shù)據(jù)進行實時仿真分析，并對富油煤燃燒和富油煤熱解程度進行預測，進而根據(jù)富油煤的化學反應程度和實際需求控制所述點火機構的點火功率，控制所述氣體輸送控制機構調節(jié)各個所述艙體的氧氣濃度、氣體壓力及所述隔艙板的升降；控制調整完后的所述艙體再次進行富油煤熱解燃燒反應直至達到富油煤熱解出油率最佳的狀態(tài)，記錄此時各個艙體的氣體成分數(shù)據(jù)、氣體壓力數(shù)據(jù)、溫濕度數(shù)據(jù)、視音頻數(shù)據(jù)及煤焦油產(chǎn)量數(shù)據(jù)；

88、富油煤燃燒產(chǎn)生的氣體與富油煤熱解產(chǎn)生的氣體輸送至油氣分離收集機構，所述油氣分離收集機構分離出煤焦油，并將煤焦油產(chǎn)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿隹刂茩C構中。

89、第三方面，本發(fā)明又一實施例提供了一種富油煤原位熱解方法，基于上述所述的富油煤原位熱解物理相似模擬實驗裝置，包括：

90、將地下實際富油煤富集區(qū)通過注入充填材料制作為實際艙；

91、在所述實際艙內(nèi)設置至少兩個實際隔艙機構，以使所述實際隔艙機構將所述實際艙沿長度方向分別分隔為至少三個獨立實際艙體；

92、兩側的首個實際艙體和末尾實際艙體的艙壁上分別設置有實際進艙口和實際出艙口，所述實際進艙口被配置為放置富油煤進入所述實際艙的入口，所述實際出艙口被配置為輸出燃燒廢物的出口；

93、每個所述實際隔艙機構的實際隔艙板上均布多個實際通氣結構，所述實際通氣結構均被配置為從進到出的方向單向通氣；

94、首個實際艙體內(nèi)設置實際點火機構；

95、每個所述實際艙體內(nèi)均設置實際氣體輸送控制機構；

96、在每個所述實際艙體內(nèi)均勻放置富油煤，同時對所述富油煤進行人工致裂隙；

97、基于富油煤原位熱解物理相似模擬實驗裝置測得的富油煤熱解出油率最佳的狀態(tài)時的點火機構的點火功率、氣體輸送控制機構調節(jié)的各個實驗艙的艙體的氧氣濃度、氣體壓力及隔艙板的升降來進行指導調節(jié)，以使通過首個實際艙體內(nèi)設置的所述實際氣體輸送控制機構向首個實際艙體內(nèi)提供濃度為19%~21%的氧氣，打開所述實際點火機構點燃首個實際艙體中富油煤后關閉所述實際點火機構，首個實際艙體中富油煤燃燒；首個實際艙體內(nèi)的氣體通過所述實際通氣結構輸送至第二個實際艙體，通過第二個實際艙體的所述實際氣體輸送控制機構向第二個實際艙體提供氮氣以降低第二個實際艙體內(nèi)氧氣濃度直至達到富油煤熱解濃度，以使第二個實際艙體用首個實際艙體中富油煤燃燒產(chǎn)生的熱量進行富油煤熱解，之后第二個實際艙體中富油煤熱解產(chǎn)生的氣體輸送至第三個實際艙體，待第二個實際艙體中富油煤熱解完成，通過第二個實際艙體的所述實際氣體輸送控制機構向第二個實際艙體充入一定量的氧氣，使第二個實際艙體中富油煤熱解完成生成的熱解半焦燃燒給第三個實際艙體中富油煤熱解提供熱量，以此類推，熱量一直傳遞至末尾實際艙體中，使末尾實際艙體中富油煤進行熱解；

98、末尾實際艙體通過排氣管與地面的實際油氣分離收集機構連通；

99、所述實際隔艙機構、所述實際點火機構、所述實際氣體輸送控制機構和所述實際油氣分離收集機構與地面實際控制模塊電連接。

100、本發(fā)明實施例中提供的一個或多個技術方案，至少具有如下技術效果或優(yōu)點：

101、本技術實施例提供的富油煤原位熱解物理相似模擬實驗裝置，在地面搭建大尺寸富油煤原位熱解物理相似模擬裝置，至少兩個隔艙機構設置于實驗艙以使隔艙板將實驗艙沿長度方向分別分隔為至少三個獨立艙體，通過隔艙板上設置的通氣結構及氣體輸送控制機構可控制每個艙體的氧氣濃度及壓力。在每個艙體內(nèi)均勻放置富油煤樣品。首個艙體內(nèi)設置點火機構，并通過首個艙體內(nèi)設置的氣體輸送控制機構向首個艙體內(nèi)提供濃度為19%~21%的氧氣，當點火機構點火時，首個艙體中富油煤燃燒，首個艙體內(nèi)的氣體通過通氣結構輸送至第二個艙體，通過第二個艙體的氣體輸送控制機構向第二個艙體提供氮氣以降低第二個艙體內(nèi)氧氣濃度至達到富油煤熱解濃度，以使第二個艙體用首個艙體中富油煤燃燒產(chǎn)生的熱量進行富油煤熱解，之后第二個艙體中富油煤熱解產(chǎn)生的氣體輸送至第三個艙體，待第二個艙體中富油煤熱解完成，通過第二個艙體的氣體輸送控制機構向第二個艙體充入一定量的氧氣，使第二個艙體中富煤油熱解完成生成的熱解半焦燃燒給第三個艙體中富油煤熱解提供熱量，以此類推，熱量一直傳遞至末尾艙體中，使末尾艙體中富油煤進行熱解，油氣分離收集機構與末尾艙體連通，能夠將富油煤熱解氣體中的煤焦油與氣體分離。本技術實施例能夠模擬富油煤燃燒為富油煤熱解提供熱量，富油煤熱解產(chǎn)生的熱解半焦被充分利用為下一艙體熱解提供熱量，能夠合理利用資源，增加傳熱效率，傳熱效率高、加熱時間短。每個艙體內(nèi)均設置氣體成分監(jiān)測機構和溫濕度監(jiān)測機構，能夠完成富油煤氧化自生熱原位熱解富油煤全過程各個階段產(chǎn)生氣體、溫濕度實時監(jiān)測、實時分析并獲取合適參數(shù)。實驗艙內(nèi)放置不同地區(qū)、不同變質程度及不同成煤時期的富油煤，能夠掌握不同地區(qū)、不同變質程度及不同成煤時期的富油煤其燃燒及熱解特性，并應用于地下實際工作場合。