發(fā)布時(shí)間：2018-04-18 10:51

  本文選題：煤炭地下氣化 + 特征場(chǎng)�。� 參考：《中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)》2016年博士論文

【摘要】：煤炭地下氣化就是將處于地下的煤直接進(jìn)行有控制的燃燒,通過(guò)對(duì)煤的熱作用及化學(xué)作用產(chǎn)生可燃?xì)怏w的過(guò)程。煤層溫度場(chǎng)在煤炭地下氣化穩(wěn)定生產(chǎn)過(guò)程中扮演著關(guān)鍵作用,并影響煤焦與CO2和H2O(g)的氣化反應(yīng)速率、以及煤層孔隙和裂隙的結(jié)構(gòu)演化。煤內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變影響氣化劑及煤氣在煤層中的流動(dòng)方式,流動(dòng)方式的變化又影響熱量與組分物質(zhì)的對(duì)流傳遞,煤氣組分在煤層中的傳遞擴(kuò)散形成濃度場(chǎng),其中部分有效組分與氧氣在煤層裂隙內(nèi)燃燒,釋放熱量作為溫度場(chǎng)演化的熱源。同時(shí),溫度場(chǎng)的演化受制于氣化劑由氣化通道沿煤層孔隙和裂隙向煤層內(nèi)部的擴(kuò)散,而且高溫作用下的熱解改變煤層的孔隙率,造成煤層溫度場(chǎng)與濃度場(chǎng)的演化呈現(xiàn)非線(xiàn)性特征,而且煤層燃燒氣化產(chǎn)生的氣體影響氣化爐內(nèi)壓力場(chǎng)的演化,因此,壓力場(chǎng)的演化也受到溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)演化的影響。頂板在煤層溫度場(chǎng)高溫作用下因熱膨脹產(chǎn)生熱應(yīng)力,影響頂板內(nèi)熱應(yīng)力的分布。同時(shí),煤層孔隙率、流體性質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)速率以及頂板和煤層的熱物理性質(zhì)等參數(shù)也隨溫度變化發(fā)生改變。綜上分析,煤層溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和頂板應(yīng)力場(chǎng)之間存在著非線(xiàn)性耦合關(guān)系�；谏鲜龇治�,本文首先利用相似原理獲得了基于現(xiàn)場(chǎng)頂板力學(xué)條件的相似材料并作為模型實(shí)驗(yàn)頂板;詳細(xì)討論了溫度對(duì)褐煤及相似材料熱物理力學(xué)參數(shù)的影響,并對(duì)熱物理參數(shù)與溫度的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行了多項(xiàng)式擬合;研究了大尺度褐煤(5cm,10 cm和15 cm)的熱解與氣化動(dòng)力學(xué)參數(shù);借助模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究了氣化工藝參數(shù)(富氧濃度與氣化劑流量)對(duì)煤炭地下氣化特征場(chǎng)(溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、壓力場(chǎng)以及頂板熱應(yīng)力場(chǎng))演化規(guī)律的影響;運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)、傳熱、傳質(zhì)及多孔介質(zhì)流動(dòng)的理論知識(shí),利用COMSOL Multiphysics軟件對(duì)特征場(chǎng)的多場(chǎng)耦合特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,并利用模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了特征場(chǎng)多場(chǎng)耦合模型。獲得了如下主要結(jié)果:1.利用相似原理,借助正交實(shí)驗(yàn)確定了河砂與粘土可作為軟巖頂板相似材料的主要成分,并確定了河砂與粘土比例為3:1時(shí),相似材料的實(shí)測(cè)值與理論值最接近。2.100℃-300℃,褐煤導(dǎo)熱系數(shù)增長(zhǎng)緩慢,300℃-600℃時(shí),增加速率加快,600℃-900℃,導(dǎo)熱系數(shù)增加速率進(jìn)入另一平緩階段;頂板相似材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高下降,下降幅度達(dá)到33.4%,在25℃-400℃溫度區(qū)間和700℃-900℃溫度區(qū)間的下降速率較大,在400℃-700℃溫度區(qū)間內(nèi),下降的幅度較為平緩;褐煤與頂板相似材料的比熱容均隨溫度升高而增加;頂板相似材料的彈性模量和抗壓強(qiáng)度隨溫度升高以線(xiàn)性關(guān)系增加;褐煤孔隙率隨溫度升高增加,并在800℃達(dá)到最大穩(wěn)定值32.97%。3.升溫速率為3℃/min熱解條件下,煤樣中心溫度升溫速率隨尺度的增加而滯后,滯后相對(duì)數(shù)由10cm尺度為1增加到15cm尺度的2.33,5cm、10cm和15cm的煤樣分別在300℃,300℃和400℃時(shí)達(dá)到最大升溫速率。4.300℃-500℃中低溫區(qū)段,尺度對(duì)活化能與指前因子的影響規(guī)律較為復(fù)雜,而在500℃-700℃高溫區(qū)間內(nèi),隨著褐煤尺度的增加,熱解動(dòng)力學(xué)活化能與指前因子均出現(xiàn)增加。co2氣氛下,1000℃時(shí)煤焦的轉(zhuǎn)化率最高,高溫條件下,溫度增加不利于大尺度煤焦轉(zhuǎn)化率的提高,煤焦與co2轉(zhuǎn)化率為30%-80%時(shí)的活化能為21.5kj/mol。h2o(g)氣氛下,碳轉(zhuǎn)化率隨溫度的升高而增加,煤焦與h2o(g)轉(zhuǎn)化率為30%-80%時(shí)的活化能為54.31kj/mol,高于煤焦與co2,表明煤焦與h2o(g)的氣化反應(yīng)對(duì)溫度更為敏感。5.褐煤在100℃-600℃溫度區(qū)間內(nèi)發(fā)生熱膨脹,并在100℃時(shí)達(dá)到最大值,因揮發(fā)分析出,煤層內(nèi)部產(chǎn)生新的裂隙和孔隙,為氣化劑和煤氣組分在煤層中的擴(kuò)散運(yùn)移提供了流動(dòng)通道。6.隨溫度升高,大尺度褐煤h2析出速率高于小尺度褐煤,超過(guò)800℃后,小尺度褐煤h2析出速率下降,大尺度褐煤h2析出率繼續(xù)增長(zhǎng);大尺度褐煤co組分在500℃-900℃內(nèi)由大約5%突增到約30%,小尺度褐煤co組分析出速率隨溫度升高保持不變;500℃-700℃溫度范圍內(nèi),隨溫度增加,大尺度褐煤ch4析出速率線(xiàn)性下降,是小尺度褐煤下降速率的5倍。7.煤層溫度場(chǎng)的擴(kuò)展主方向受裂隙與氣化劑的雙重影響,模型實(shí)驗(yàn)條件下,氣化劑濃度為65%時(shí),煤層溫度場(chǎng)沿側(cè)向與沿氣化通道方向擴(kuò)展速率比為3.11:1;氣化劑濃度為75%時(shí),煤層溫度場(chǎng)擴(kuò)展主方向沿氣化通道軸向;氣化劑濃度為85%時(shí),溫度場(chǎng)擴(kuò)展面積增加。氣化劑流量由1nm3/h提高至5nm3/h時(shí),煤層溫度場(chǎng)的影響區(qū)域擴(kuò)大,演化方向僅沿氣化通道軸向,向兩側(cè)擴(kuò)展速率非常小。8.模型實(shí)驗(yàn)條件下,氣化劑流量為1nm3/h、濃度為65%時(shí),頂板溫度場(chǎng)在高度方向上演化,頂板溫度場(chǎng)演化滯后煤層溫度場(chǎng);氣化劑濃度為75%時(shí),頂板溫度場(chǎng)演化高度約是氣化劑濃度為65%時(shí)高度的2倍;氣化劑濃度為85%,頂板溫度場(chǎng)沿氣化通道方向擴(kuò)展。氣化劑流量由1nm3/h提高至5nm3/h,頂板溫度場(chǎng)沿氣化通道方向演化速率加快,高度方向速率下降。9.模型實(shí)驗(yàn)條件下,氣化劑流量為1nm3/h、濃度為65%時(shí),濃度場(chǎng)演化穩(wěn)定,氣化劑濃度為75%時(shí),濃度場(chǎng)外延演化;氣化劑濃度為85%時(shí),h2與co濃度場(chǎng)演化區(qū)域擴(kuò)大,ch4濃度場(chǎng)中心區(qū)域位置發(fā)生移動(dòng),并引起co與h2場(chǎng)區(qū)濃度降低。氣化劑濃度為75%、流量為1nm3/h時(shí),氣化劑在煤層內(nèi)的滲流擴(kuò)散促使?jié)舛葓?chǎng)二次擴(kuò)展,流量為5nm3/h,氣化爐內(nèi)的壓力上升,濃度場(chǎng)演化受到抑制。10.模型實(shí)驗(yàn)條件下,氣化劑流量為1Nm3/h、濃度為75%時(shí),煤層壓力場(chǎng)沿氣化通道演化,氣化劑濃度為85%時(shí),壓力區(qū)消失。氣化劑流量由1Nm3/h提高至5Nm3/h時(shí),氣化爐壓力升高,抑制了煤層內(nèi)氣體向氣化通道的擴(kuò)散。11.頂板應(yīng)力場(chǎng)演化速率在煤層溫度場(chǎng)尚未建立穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),滯后于煤層溫度場(chǎng)演化速率,隨煤層溫度場(chǎng)的穩(wěn)定,受熱彌散影響演化速率趨于與煤層溫度場(chǎng)演化速率一致,但小于煤層溫度場(chǎng)演化速率。12.非線(xiàn)性耦合條件下,特征場(chǎng)的演化規(guī)律與模型實(shí)驗(yàn)特征場(chǎng)的演化規(guī)律趨勢(shì)基本一致,對(duì)特征場(chǎng)的數(shù)學(xué)描述可滿(mǎn)足模型實(shí)驗(yàn)的基本需求,溫度場(chǎng)-壓力場(chǎng)-濃度場(chǎng)耦合作用條件下各特征場(chǎng)的演化接近真實(shí)工況。數(shù)學(xué)模型隨耦合變量數(shù)的增加,帶來(lái)的復(fù)合誤差較大。濃度場(chǎng)演化中,因模型實(shí)驗(yàn)中濃度場(chǎng)數(shù)據(jù)點(diǎn)較少,且部分?jǐn)?shù)據(jù)測(cè)點(diǎn)被焦油塵堵塞,以及受煤層復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)演化的影響,使模型實(shí)驗(yàn)濃度場(chǎng)與數(shù)值模擬濃度場(chǎng)存在較大誤差。13.頂板溫度場(chǎng)演化對(duì)頂板熱應(yīng)力產(chǎn)生影響,在氣化初期,約為0.45MPa,隨氣化過(guò)程的進(jìn)行,熱應(yīng)力逐步升高,隨煤層溫度場(chǎng)的演化沿氣化通道方向向前推演;1400K條件下,燃空區(qū)長(zhǎng)度為200mm時(shí),頂板最大熱應(yīng)力達(dá)到1.1MPa,當(dāng)燃空區(qū)長(zhǎng)度為400mm時(shí),熱應(yīng)力達(dá)到1.3MPa,燃空區(qū)長(zhǎng)度在600mm與800mm時(shí),頂板最大熱應(yīng)力值均為1.5MPa,燃空區(qū)長(zhǎng)度為1000mm時(shí),頂板最大熱應(yīng)力達(dá)到1.6MPa,頂板斷裂。模型實(shí)驗(yàn)參數(shù)條件下,長(zhǎng)度為600-800mm的燃空區(qū)較為穩(wěn)定。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TD84

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1768047