本文選題：煤炭地下氣化 + 特征場　； 參考：《中國礦業(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,通過對煤的熱作用及化學(xué)作用產(chǎn)生可燃?xì)怏w的過程。煤層溫度場在煤炭地下氣化穩(wěn)定生產(chǎn)過程中扮演著關(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方式,流動方式的變化又影響熱量與組分物質(zhì)的對流傳遞,煤氣組分在煤層中的傳遞擴(kuò)散形成濃度場,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演化的熱源。同時,溫度場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,造成煤層溫度場與濃度場的演化呈現(xiàn)非線性特征,而且煤層燃燒氣化產(chǎn)生的氣體影響氣化爐內(nèi)壓力場的演化,因此,壓力場的演化也受到溫度場和濃度場演化的影響。頂板在煤層溫度場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,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、濃度場、壓力場和頂板應(yīng)力場之間存在著非線性耦合關(guān)系�；谏鲜龇治�,本文首先利用相似原理獲得了基于現(xiàn)場頂板力學(xué)條件的相似材料并作為模型實驗頂板;詳細(xì)討論了溫度對褐煤及相似材料熱物理力學(xué)參數(shù)的影響,并對熱物理參數(shù)與溫度的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行了多項式擬合;研究了大尺度褐煤(5cm,10 cm和15 cm)的熱解與氣化動力學(xué)參數(shù);借助模型實驗平臺研究了氣化工藝參數(shù)(富氧濃度與氣化劑流量)對煤炭地下氣化特征場(溫度場、濃度場、壓力場以及頂板熱應(yīng)力場)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)流動的理論知識,利用COMSOL Multiphysics軟件對特征場的多場耦合特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,并利用模型實驗結(jié)果驗證了特征場多場耦合模型。獲得了如下主要結(jié)果:1.利用相似原理,借助正交實驗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,相似材料的實測值與理論值最接近。2.100℃-300℃,褐煤導(dǎo)熱系數(shù)增長緩慢,300℃-600℃時,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℃時達(dá)到最大升溫速率。4.300℃-500℃中低溫區(qū)段,尺度對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,熱解動力學(xué)活化能與指前因子均出現(xiàn)增加。co2氣氛下,1000℃時煤焦的轉(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;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析出速率線性下降,是小尺度褐煤下降速率的5倍。7.煤層溫度場的擴(kuò)展主方向受裂隙與氣化劑的雙重影響,模型實驗條件下,氣化劑濃度為65%時,煤層溫度場沿側(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,煤層溫度場擴(kuò)展主方向沿氣化通道軸向;氣化劑濃度為85%時,溫度場擴(kuò)展面積增加。氣化劑流量由1nm3/h提高至5nm3/h時,煤層溫度場的影響區(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.模型實驗條件下,氣化劑流量為1nm3/h、濃度為65%時,頂板溫度場在高度方向上演化,頂板溫度場演化滯后煤層溫度場;氣化劑濃度為75%時,頂板溫度場演化高度約是氣化劑濃度為65%時高度的2倍;氣化劑濃度為85%,頂板溫度場沿氣化通道方向擴(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.模型實驗條件下,氣化劑流量為1nm3/h、濃度為65%時,濃度場演化穩(wěn)定,氣化劑濃度為75%時,濃度場外延演化;氣化劑濃度為85%時,h2與co濃度場演化區(qū)域擴(kuò)大,ch4濃度場中心區(qū)域位置發(fā)生移動,并引起co與h2場區(qū)濃度降低。氣化劑濃度為75%、流量為1nm3/h時,氣化劑在煤層內(nèi)的滲流擴(kuò)散促使?jié)舛葓龆螖U(kuò)展,流量為5nm3/h,氣化爐內(nèi)的壓力上升,濃度場演化受到抑制。10.模型實驗條件下,氣化劑流量為1Nm3/h、濃度為75%時,煤層壓力場沿氣化通道演化,氣化劑濃度為85%時,壓力區(qū)消失。氣化劑流量由1Nm3/h提高至5Nm3/h時,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)力場演化速率在煤層溫度場尚未建立穩(wěn)定狀態(tài)時,滯后于煤層溫度場演化速率,隨煤層溫度場的穩(wěn)定,受熱彌散影響演化速率趨于與煤層溫度場演化速率一致,但小于煤層溫度場演化速率。12.非線性耦合條件下,特征場的演化規(guī)律與模型實驗特征場的演化規(guī)律趨勢基本一致,對特征場的數(shù)學(xué)描述可滿足模型實驗的基本需求,溫度場-壓力場-濃度場耦合作用條件下各特征場的演化接近真實工況。數(shù)學(xué)模型隨耦合變量數(shù)的增加,帶來的復(fù)合誤差較大。濃度場演化中,因模型實驗中濃度場數(shù)據(jù)點較少,且部分?jǐn)?shù)據(jù)測點被焦油塵堵塞,以及受煤層復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)演化的影響,使模型實驗濃度場與數(shù)值模擬濃度場存在較大誤差。13.頂板溫度場演化對頂板熱應(yīng)力產(chǎn)生影響,在氣化初期,約為0.45MPa,隨氣化過程的進(jìn)行,熱應(yīng)力逐步升高,隨煤層溫度場的演化沿氣化通道方向向前推演;1400K條件下,燃空區(qū)長度為200mm時,頂板最大熱應(yīng)力達(dá)到1.1MPa,當(dāng)燃空區(qū)長度為400mm時,熱應(yīng)力達(dá)到1.3MPa,燃空區(qū)長度在600mm與800mm時,頂板最大熱應(yīng)力值均為1.5MPa,燃空區(qū)長度為1000mm時,頂板最大熱應(yīng)力達(dá)到1.6MPa,頂板斷裂。模型實驗參數(shù)條件下,長度為600-800mm的燃空區(qū)較為穩(wěn)定。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TD84

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1768047