一种测试煤炭自燃发火期小型模拟装置

摘要

本发明公开了一种煤炭自燃发火期小型模拟装置设备，此设备包括自燃反应炉、沙浴装置、温度采集系统、温度补偿系统、供气系统和气体分析系统。其中自然反应炉首创了双层煤炭氧化炉嵌套结构，真正解决了已有煤炭自燃发火模拟装置的热量散失问题；沙浴装置控温范围更大、控温精度更高，具有热量传导均匀、适合高温工作、无安全隐患的优点，并作为双层煤炭氧化炉嵌套结构外部的又一层温度保护结构，为模拟煤自燃发火的全过程提供良好的温度保护。本发明工作稳定，模拟相似度高，能够很好地模拟煤炭自燃发火过程，可用于测试煤炭最短自然发火期及实际条件下的煤自燃发火条件、地点和时间的判定及预测等。

权利要求

1.一种测试煤炭自燃发火期小型模拟装置，其特征在于，该模拟装置由自燃反应炉、温度采集系统、温度补偿系统、供气系统和气体分析系统构成；

所述自燃反应炉由外部炉（1）和内部炉（2）组成，所述外部炉（1）由炉体Ⅱ（3）和外部炉法兰盖（4）组成，所述炉体Ⅱ（3）内设有外部炉铁网（5），一侧炉壁的下方设有外部炉进气气嘴（6），另一侧炉壁的右侧上方设有外部炉出气气嘴（7），所述炉体Ⅱ（3）和所述外部炉法兰盖（4）之间设有石棉板（8）；所述内部炉（2）由炉体Ⅰ（9）和内部炉法兰盖（10）构成，所述炉体Ⅰ（9）内设有内部炉铁网（11），所述炉体Ⅰ（9）的底部设有内部炉进气气嘴（12），所述内部炉法兰盖（10）上设有内部炉出气气嘴（13），所述炉体Ⅰ（9）和内部炉法兰盖（10）之间设有密封圈（14）；

所述温度采集系统包括内部炉温度传感器（15）、外部炉温度传感器（16）、沙浴温度传感器（17）和温度数据采集器（18）构成；

所述温度补偿系统包括沙浴装置（19）、内部炉进气管（20）、外部炉进气管（21）和温度控制器（22）；

所述供气系统包括气体流量计（23）和空气压缩瓶（24）；

所述气体分析系统包括色谱仪（25）和PC机（26）；

其中，所述内部炉（2）嵌套于所述外部炉（1）内，所述外部炉（1）置于所述沙浴装置（19）内，所述空气压缩瓶（24）通过所述外部炉进气管（21）和内部炉进气管（20）分别与所述内部炉进气气嘴（12）和外部炉进气气嘴（6）连接，所述外部炉出气气嘴（7）通过外部炉出气管（27）与所述色谱仪（25）连接，所述内部炉出气气嘴（13）通过内部炉出气管（28）与所述色谱仪（25）连接；所述内部炉温度传感器（15）置于所述内部炉（2）内部通过导线与所述温度数据采集器（18）连接，所述色谱仪（25）和所述温度数据采集器（18）与所述PC机（26）数据连接；所述外部炉温度传感器（16）置于所述外部炉（1）内部通过导线与所述温度控制器（22）控制连接，所述沙浴温度传感器（17）置于所述沙浴装置（19）内部通过导线与所述温度控制器（22）控制连接。

2.根据权利要求1所述的测试煤炭自燃发火期小型模拟装置，其特征在于，所述外部炉进气管（21）和内部炉进气管（20）上设有用于计量的气体流量计（23）。

说明书

一种测试煤炭自燃发火期小型模拟装置

技术领域

[0001] 本发明是涉及一种综放面采空区和巷道松散煤体自燃发火的小型模拟装置，实现煤自燃发火全过程的实验模拟，解决了实际条件下的煤自燃发火条件、地点和时间的判定及预测问题。

背景技术

[0002] 在现有技术中，有两种测试煤炭自然发火期的模拟装置，其原理基本相同：用空气压缩机和供气管组成的供气系统对煤样反应容器供气，使煤炭与空气中的氧气发生煤氧复合反应，放出热量进而逐渐升温，最后达到自燃。实验过程中对煤炭反应的温度进行全过程采集，对全过程中释放的CH4、CO2、CO等气体进行分析。现有技术关键是采用温度保护系统对煤炭自燃升温进行温度保护，即采用温度控制装置跟踪煤炭反应容器中的温度，并据此对温度保护介质进行加热，使介质与煤炭反应容器温度相等，从而实现温度保护。目前的技术有两种温度保护系统：水浴温度保护系统和程序升温箱温度保护系统。水浴温度保护系统用水作为温度保护介质，该介质的最大缺点是介质最高温度（100℃）过低，不能满足煤炭自燃所需的300℃以上温度；程序升温箱温度保护系统采用空气作为温度保护介质，该介质的缺点是受热时会产生热量流动，导致传热不均匀。

发明内容

[0003] 为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种用以掌握煤自燃的发生、发展、变化过程及停止供氧后的降温规律，其实验精度高，模拟相似度好，使用效果好的测试煤炭自燃发火期小型模拟装置。

[0004] 其中自燃反应炉为煤样自燃反应的容器，为双层嵌套装置。将煤样放在两个反应炉内，通过供给空气，使煤炭发生物理吸附、化学吸附及化学反应，进而使煤炭温度逐渐上升，最后达到自燃。温度采集系统是通过温度采集装置及传送、分析软件，达到实时监测存储反应器内温度数据的系统。温度补偿系统是通过温度控制器及沙浴装置实现自燃反应炉内外温度差为零的系统。供气系统为实验提供自燃反应必须的氧气，是反应进行所不可或缺的。气体分析系统是通过气体收集及色谱分析达到对实验产生的气体进行实时有效的分析，判断煤炭自燃反应的程度的目的。

[0005]本发明的技术方案是：一种测试煤炭自燃发火期小型模拟装置，该模拟装置由自燃反应炉、温度采集系统、温度补偿系统、供气系统和气体分析系统构成；
所述自燃反应炉由外部炉和内部炉组成，所述外部炉由炉体Ⅱ和外部炉法兰盖组成，所述炉体Ⅱ内设有外部炉铁网，一侧炉壁的下方设有外部炉进气气嘴，另一侧炉壁的右侧上方设有外部炉出气气嘴，所述炉体Ⅱ和所述外部炉法兰盖之间设有石棉板；所述内部炉由炉体Ⅰ和内部炉法兰盖构成，所述炉体Ⅰ内设有内部炉铁网，所述炉体Ⅰ的底部设有内部炉进气气嘴，所述内部炉法兰盖上设有内部炉出气气嘴，所述炉体Ⅰ和内部炉法兰盖之间设有密封圈；
所述温度采集系统包括内部炉温度传感器、外部炉温度传感器、沙浴温度传感器和温度数据采集器构成；
所述温度补偿系统包括沙浴装置、内部炉进气管、外部炉进气管和温度控制器； 所述供气系统包括气体流量计和空气压缩瓶；
所述气体分析系统包括色谱仪和PC机；
其中，所述内部炉嵌套于所述外部炉内，所述外部炉置于所述沙浴装置内，所述空气压缩瓶通过所述外部炉进气管和内部炉进气管分别与所述内部炉进气气嘴和外部炉进气气嘴连接，所述外部炉出气气嘴通过外部炉出气管与所述色谱仪连接，所述内部炉出气气嘴通过内部炉出气管与所述色谱仪连接；所述内部炉温度传感器置于所述内部炉内部通过导线与所述温度数据采集器连接，所述外部炉温度传感器置于所述外部炉内部通过导线与所述温度控制器控制连接，所述色谱仪和所述温度数据采集器与所述PC机数据连接，所述沙浴温度传感器置于所述沙浴装置内部通过导线与所述温度控制器控制连接；所述色谱仪和所述温度数据采集器与所述PC机数据连接,。

[0006] 进一步，所述外部炉进气管和内部炉进气管上设有用于计量的气体流量计。

[0007] 本发明的有益效果是：1、用电沙浴保护外部炉的温度。沙浴温度由自动控温装置来调节，自动控温装置会跟踪外部炉煤样温度，使得沙浴温度与外部炉温度保持一致，进而实现对外部炉体的温度保护。

[0008] 2、煤样反应炉双层嵌套装置保护内部炉的温度。所谓反应炉双层嵌套装置是用把体型较小的煤样反应炉（内部炉）放置在体型较大的反应炉（外部炉）里面。两个反应炉均放入相同规格、产地、粒度的新鲜煤样，并且使它们同时开始通入空气，让它们同时开始反应。这样，外部炉和内部炉中的煤样反应进程完全相同，即内部炉和外部炉的温度实时保持相同，那么内部炉体内外无温度差，这样就实现了内部炉体的温度保护。于是，第一种温度保护措施实现了沙浴对外部炉的温度保护，第二种温度保护措施实现了外部炉对于内部炉的温度保护。这两种温度保护措施就形成了对内部炉体的温度保护双保险。由于我们只对内部炉中的煤炭反应进行测定，因此，经过这两种温度保护，本装置内部炉的温度保护效果非常好。在两层炉体的顶、底部均有气流缓冲层，使气流由下向上均匀通过实验煤体，实验气体经过沙浴中沙场和外部炉中煤样的预热，温度与内部炉体的煤温相同，然后从炉体底部送入。

附图说明

[0009] 图1为本发明测试煤炭自燃发火期小型模拟装置的结构示意图。

[0010] 图2为本发明沙浴装置的剖视示意图。

[0011] 图3为本发明自然反应炉结构示意图。

[0012] 图中：1、外部炉，2、内部炉，3、炉体Ⅱ，4、外部炉法兰盖，5、外部炉铁网，6、外部炉进气气嘴，
7、外部炉出气气嘴，8、石棉板，9、炉体Ⅰ，10、内部炉法兰盖，11、内部炉铁网，12、内部炉进气气嘴，13、内部炉出气气嘴，14、密封圈，15内部炉温度传感器，16、外部炉温度传感器，17、沙浴温度传感器，18、温度数据采集器，19、沙浴装置，20、内部炉进气管，21、外部炉进气管，
22、温度控制器，23、气体流量计，24、空气压缩瓶，25、色谱仪，26、PC机，27、外部炉出气管，
28、内部炉出气管。

具体实施方式

[0013] 下面结合图对本发明的技术方案做进一步详细说明。

[0014] 如图1、图2、图3所示，本发明测试煤炭自燃发火期小型模拟装置，该模拟装置由外部炉1，内部炉2，炉体Ⅱ3，外部炉法兰盖4，外部炉铁网5，外部炉进气气嘴6，外部炉出气气嘴7，石棉板8，炉体Ⅰ9，内部炉法兰盖10，内部炉铁网11，内部炉进气气嘴12，内部炉出气气嘴13，密封圈14，内部炉温度传感器15，外部炉温度传感器16，沙浴温度传感器17，温度数据采集器18，沙浴装置19，内部炉进气管20，外部炉进气管21，温度控制器22，气体流量计23，空气压缩瓶24，色谱仪25，PC机26，外部炉出气管27和内部炉出气管28构成；其中，内部炉2包括炉体Ⅰ9和内部炉法兰盖10，炉体Ⅰ9内设有内部炉铁网11，底部设有内部炉进气气嘴7，内部炉法兰盖10上设有内部炉出气气嘴13，炉体Ⅰ9和内部炉法兰盖10之间设有密封圈14密封；外部炉1包括炉体Ⅱ3和外部炉法兰盖4，炉体Ⅱ3内设有外部炉铁网11，炉体Ⅱ3的左侧下方设有外部炉进气气嘴12，右侧上方设有外部炉出气气嘴13；炉体Ⅱ3和外部炉法兰盖4之间设有高密度石棉板8，内部炉2嵌套于外部炉1内，外部炉1置于沙浴装置19内，空气压缩瓶24通过外部炉进气管21和内部炉进气管20分别与内部炉进气气嘴12和外部炉进气气嘴6连接，外部炉进气管6和内部炉进气管12上设有气体流量计23，外部炉出气气嘴7通过外部炉出气管27与色谱仪25连接，内部炉出气气嘴13通过内部炉出气管27与色谱仪25连接；内部炉温度传感器15置于所述内部炉2内部通过导线与温度数据采集器18连接，外部炉温度传感器16置于外部炉1内部通过导线与温度控制器22控制连接，沙浴温度传感器19置于沙浴装置19内部通过导线与温度控制器22控制连接，色谱仪25和温度数据采集器18与PC机26数据连接。

[0015] 工作原理：1、将新采集的煤块破碎至粒度小于10mm，然后进行分级，按比例进行配比。1mm以下的煤样占35%，介于1mm和2mm之间的煤样占20%，介于2mm和4mm之间的煤样占25%，4mm以上的占20%，将煤样充分混合。

[0016] 2、将混合好的煤样取1kg放入到内部炉2中， 15kg放到外部炉1中，内部炉2放到外部炉1中，接着按将外部炉1（其中此时已经将）放进沙浴19中，然后通过内部炉进气管20和外部炉进气管21将两个空气储存瓶24分别与内部炉5和外部炉1连接，同时将内部炉温度传感器15、外部炉温度传感器16和沙浴温度传感器17分别放在内部炉2，外部炉1和沙浴19中，并将它们用导线与外面的温度控制器22相连，以检测实验时是否在相同的温度条件下。在沙浴外19部，将色谱仪25、PC机26和数据采集器18连接，并用外部炉出气管27，内部炉出气管28把色谱仪25和内部炉2、外部炉1的出气气嘴7、13连接起来，进行气体分析。

[0017] 3、仪器连接完全后，进行气密性检验，检验合格后，接通沙浴电源，打开温度采集器电源、启动温度采集软件，打开温度控制器，控制内部炉供入流量为40 ml/min的空气，外部炉供入600ml/min的空气，实验即开始启动。

[0018] 接通电源后，煤样在自燃升温过程中，内、外两个反应炉内温度及各种气体浓度均随时间、供风量和散热条件而变化。由自动控温系统跟踪炉内煤体温度变化情况，调节沙浴与外层反应炉的温差为0.1℃。当达到一定温度时，内部炉和外部炉内的煤样开始缓慢的氧化并产生气体，用温度采集器连续监测煤体中温度变化，并且每升温10℃收集内部炉的排气0.5L，通入气相色谱仪检测不同反应温度下煤样产生气体的变化，并记录。