煤炭地下气化过程特征场演化规律研究

发布时间：2018-04-18 10:51

本文选题：煤炭地下气化 + 特征场　；参考：《中国矿业大学(北京)》2016年博士论文

【摘要】：煤炭地下气化就是将处于地下的煤直接进行有控制的燃烧,通过对煤的热作用及化学作用产生可燃气体的过程。煤层温度场在煤炭地下气化稳定生产过程中扮演着关键作用,并影响煤焦与CO2和H2O(g)的气化反应速率、以及煤层孔隙和裂隙的结构演化。煤内部结构的改变影响气化剂及煤气在煤层中的流动方式,流动方式的变化又影响热量与组分物质的对流传递,煤气组分在煤层中的传递扩散形成浓度场,其中部分有效组分与氧气在煤层裂隙内燃烧,释放热量作为温度场演化的热源。同时,温度场的演化受制于气化剂由气化通道沿煤层孔隙和裂隙向煤层内部的扩散,而且高温作用下的热解改变煤层的孔隙率,造成煤层温度场与浓度场的演化呈现非线性特征,而且煤层燃烧气化产生的气体影响气化炉内压力场的演化,因此,压力场的演化也受到温度场和浓度场演化的影响。顶板在煤层温度场高温作用下因热膨胀产生热应力,影响顶板内热应力的分布。同时,煤层孔隙率、流体性质、化学反应速率以及顶板和煤层的热物理性质等参数也随温度变化发生改变。综上分析,煤层温度场、浓度场、压力场和顶板应力场之间存在着非线性耦合关系。基于上述分析,本文首先利用相似原理获得了基于现场顶板力学条件的相似材料并作为模型实验顶板;详细讨论了温度对褐煤及相似材料热物理力学参数的影响,并对热物理参数与温度的函数关系进行了多项式拟合;研究了大尺度褐煤(5cm,10 cm和15 cm)的热解与气化动力学参数;借助模型实验平台研究了气化工艺参数(富氧浓度与气化剂流量)对煤炭地下气化特征场(温度场、浓度场、压力场以及顶板热应力场)演化规律的影响;运用化学反应、传热、传质及多孔介质流动的理论知识,利用COMSOL Multiphysics软件对特征场的多场耦合特性进行了数值模拟研究,并利用模型实验结果验证了特征场多场耦合模型。获得了如下主要结果:1.利用相似原理,借助正交实验确定了河砂与粘土可作为软岩顶板相似材料的主要成分,并确定了河砂与粘土比例为3:1时,相似材料的实测值与理论值最接近。2.100℃-300℃,褐煤导热系数增长缓慢,300℃-600℃时,增加速率加快,600℃-900℃,导热系数增加速率进入另一平缓阶段;顶板相似材料的导热系数随温度升高下降,下降幅度达到33.4%,在25℃-400℃温度区间和700℃-900℃温度区间的下降速率较大,在400℃-700℃温度区间内,下降的幅度较为平缓;褐煤与顶板相似材料的比热容均随温度升高而增加;顶板相似材料的弹性模量和抗压强度随温度升高以线性关系增加;褐煤孔隙率随温度升高增加,并在800℃达到最大稳定值32.97%。3.升温速率为3℃/min热解条件下,煤样中心温度升温速率随尺度的增加而滞后,滞后相对数由10cm尺度为1增加到15cm尺度的2.33,5cm、10cm和15cm的煤样分别在300℃,300℃和400℃时达到最大升温速率。4.300℃-500℃中低温区段,尺度对活化能与指前因子的影响规律较为复杂,而在500℃-700℃高温区间内,随着褐煤尺度的增加,热解动力学活化能与指前因子均出现增加。co2气氛下,1000℃时煤焦的转化率最高,高温条件下,温度增加不利于大尺度煤焦转化率的提高,煤焦与co2转化率为30%-80%时的活化能为21.5kj/mol。h2o(g)气氛下,碳转化率随温度的升高而增加,煤焦与h2o(g)转化率为30%-80%时的活化能为54.31kj/mol,高于煤焦与co2,表明煤焦与h2o(g)的气化反应对温度更为敏感。5.褐煤在100℃-600℃温度区间内发生热膨胀,并在100℃时达到最大值,因挥发分析出,煤层内部产生新的裂隙和孔隙,为气化剂和煤气组分在煤层中的扩散运移提供了流动通道。6.随温度升高,大尺度褐煤h2析出速率高于小尺度褐煤,超过800℃后,小尺度褐煤h2析出速率下降,大尺度褐煤h2析出率继续增长;大尺度褐煤co组分在500℃-900℃内由大约5%突增到约30%,小尺度褐煤co组分析出速率随温度升高保持不变;500℃-700℃温度范围内,随温度增加,大尺度褐煤ch4析出速率线性下降,是小尺度褐煤下降速率的5倍。7.煤层温度场的扩展主方向受裂隙与气化剂的双重影响,模型实验条件下,气化剂浓度为65%时,煤层温度场沿侧向与沿气化通道方向扩展速率比为3.11:1;气化剂浓度为75%时,煤层温度场扩展主方向沿气化通道轴向;气化剂浓度为85%时,温度场扩展面积增加。气化剂流量由1nm3/h提高至5nm3/h时,煤层温度场的影响区域扩大,演化方向仅沿气化通道轴向,向两侧扩展速率非常小。8.模型实验条件下,气化剂流量为1nm3/h、浓度为65%时,顶板温度场在高度方向上演化,顶板温度场演化滞后煤层温度场;气化剂浓度为75%时,顶板温度场演化高度约是气化剂浓度为65%时高度的2倍;气化剂浓度为85%,顶板温度场沿气化通道方向扩展。气化剂流量由1nm3/h提高至5nm3/h,顶板温度场沿气化通道方向演化速率加快,高度方向速率下降。9.模型实验条件下,气化剂流量为1nm3/h、浓度为65%时,浓度场演化稳定,气化剂浓度为75%时,浓度场外延演化;气化剂浓度为85%时,h2与co浓度场演化区域扩大,ch4浓度场中心区域位置发生移动,并引起co与h2场区浓度降低。气化剂浓度为75%、流量为1nm3/h时,气化剂在煤层内的渗流扩散促使浓度场二次扩展,流量为5nm3/h,气化炉内的压力上升,浓度场演化受到抑制。10.模型实验条件下,气化剂流量为1Nm3/h、浓度为75%时,煤层压力场沿气化通道演化,气化剂浓度为85%时,压力区消失。气化剂流量由1Nm3/h提高至5Nm3/h时,气化炉压力升高,抑制了煤层内气体向气化通道的扩散。11.顶板应力场演化速率在煤层温度场尚未建立稳定状态时,滞后于煤层温度场演化速率,随煤层温度场的稳定,受热弥散影响演化速率趋于与煤层温度场演化速率一致,但小于煤层温度场演化速率。12.非线性耦合条件下,特征场的演化规律与模型实验特征场的演化规律趋势基本一致,对特征场的数学描述可满足模型实验的基本需求,温度场-压力场-浓度场耦合作用条件下各特征场的演化接近真实工况。数学模型随耦合变量数的增加,带来的复合误差较大。浓度场演化中,因模型实验中浓度场数据点较少,且部分数据测点被焦油尘堵塞,以及受煤层复杂孔隙结构演化的影响,使模型实验浓度场与数值模拟浓度场存在较大误差。13.顶板温度场演化对顶板热应力产生影响,在气化初期,约为0.45MPa,随气化过程的进行,热应力逐步升高,随煤层温度场的演化沿气化通道方向向前推演;1400K条件下,燃空区长度为200mm时,顶板最大热应力达到1.1MPa,当燃空区长度为400mm时,热应力达到1.3MPa,燃空区长度在600mm与800mm时,顶板最大热应力值均为1.5MPa,燃空区长度为1000mm时,顶板最大热应力达到1.6MPa,顶板断裂。模型实验参数条件下,长度为600-800mm的燃空区较为稳定。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD84

【参考文献】