一种测试煤自然发火全过程的实验系统的制作方法

本实用新型涉及一种煤燃烧实验系统，具体涉及一种测试煤自然发火全过程的实验系统。

背景技术：

矿井煤自燃是煤矿五大灾害之一，中国90％以上的煤层具有自燃或易自燃特点。随着煤矿开采强度不断增大，矿井开采水平不断延深，煤层瓦斯压力、瓦斯含量、地应力和瓦斯涌出量不断增大，煤自燃火灾对矿井安全生产构成了严重威胁。煤炭自燃引起的火灾约占矿井火灾总数的85％，其中采空区自燃火灾占煤矿内因火灾的60％以上，中国25个主要产煤省区的130余个大中型矿区均不同程度受到煤层自然发火威胁。如宁夏宁东矿区、陕北神东矿区等每年都出现由于煤自燃引起的CO异常燃烧现象，煤炭自然发火严重。据统计，死亡10人以上的重特大事故中，由火灾直接引起的约占6.7％。煤炭自燃诱发煤矿瓦斯及粉尘爆炸等次生灾害，易造成事故和损失扩大。

煤自燃是一种复杂的物理变化反应，其发展是一种非线性的动态变化过程，包括由低温缓慢氧化到快速氧化阶段，且煤在整个变化过程中会产生大量的指标气体。煤自燃气体产物是指煤层在井下环境条件下由于其自燃而释放出来的气体，其包括两部分，一部分为煤自燃氧化气体，是由于煤自身氧化产生的气体产物；另一部分为煤自燃吸附气体，是成煤过程中吸附的气体，由于煤体温度升高而解吸出来的。因此，准确的测试研究指标气体随温度变化的规律，在各矿井生产过程中对煤自燃的防治有着极为重要的指导意义。

目前，常采用氧化实验炉法进行煤炭自燃倾向性的研究，即建立大型煤炭自燃发火实验平台模拟煤炭自燃，根据温度控制方式可分为：恒温氧化法(包括活化能法、新交叉点温度法)、跟踪控温法(包括自动热温速率和自热温度法)和程序升温法(交叉点温度法)。目前煤低温程序升温实验是测试煤指标气体和自燃特性的主要手段之一，其优势主要在于能够在较短时间内检测出不同煤样的自燃特征。

对于现有煤自然发火特性参数研究的实验，体型较大、功能较为齐全的实验装置，具有测试时间较长、测试成本也较高的缺陷；体型较小的，虽然测试时间明显缩短，但能够检测的温度较低，且功能也较为单一，实验系统会对测试结果造成系统误差。因此，由于现有的实验装置不能十分准确的测试出相关的实验结果，且耗时较长，实验过程还消耗大量人力物力，故十分有必要开发出一种全新的煤自然发火全过程的实验系统装置。

技术实现要素：

本实用新型的目的是解决现有实验装置不能十分准确的测试出实验结果，且耗时较长，实验过程消耗大量人力物力的问题，提供了一种测试煤自然发火全过程的实验系统。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：

一种测试煤自然发火全过程的实验系统，包括供气装置、流量自动控制装置、煤样罐、加热炉、高温天平、过滤装置、冷却装置、气体检测装置和计算机；所述煤样罐放置在加热炉内，加热炉上方放置有高温天平，高温天平通过阻热传感线连接煤样罐，用于称量煤样罐的质量；所述供气装置包括多个气罐，所述气罐的出口处设置有减压阀；所述供气装置通过进气导管与煤样罐连接，所述煤样罐通过出气导管与气体检测装置连接，气体检测装置将数据传输给计算机；所述进气导管上设置有流量自动控制装置，所述出气导管上设置有过滤装置和冷却装置；所述流量自动控制装置包括压力表、第一质量流量控制器、第二质量流量控制器；所述压力表和第一质量流量控制器设置在各气罐的出口管路上，所述第二质量流量控制器设置在煤样罐的进口管路上。

进一步地，所述出气导管上还设置有气密管路，所述气密管路的末端与水槽连通。

进一步地，所述加热炉包括炉体和炉门，炉体包括外壳、内壳、绝热材料、加热单元、测温单元和控制面板；所述外壳和内壳的间隙采用绝热材料填充，所述加热单元为多个，分别设置在炉体侧壁、炉体上部和底部；所述测温单元为多个，分别设置在炉体内和煤样罐内，所述控制面板设置在炉体外壳表面，且分别控制加热单元和测温单元，所述风扇设置在炉体侧壁上。

进一步地，所述外壳和内壳均采用金属材料制成，绝热材料为气凝胶，加热单元为镍铬电炉丝，测温单元为单铂铑热电偶。

进一步地，所述测温单元、加热单元与控制面板的连接导线均包裹有阻热材料。

进一步地，所述冷却装置为半封闭水槽，槽壁放置封装的半导体制冷片。

进一步地，所述气体检测装置为激光气体分析仪。

进一步地，所述出气导管上还设置有第三质量流量控制器。

进一步地，所述煤样罐分为罐盖和罐体两部分，罐盖和罐体使用法兰连接。

进一步地，所述罐体的形状为圆柱体，罐体被悬挂在炉体空间中心。

本发明的有益效果为：

1.本实用新型系统相对于现有的试验装置，大幅度减小实验员的工作量，高度自动化，能在高温、高烟尘等恶劣环境下工作，且能能够实现恒温、程序升温、跟踪升温等多种实验条件。

2.本实用新型系统在实验的过程中，由于做到了实时检测气体的浓度变化，会得到比以往实验过程中更加精准的实验数据，这对于研究低温阶段煤自然发火的机理有着重要的意义。

3.本实用新型通过对气路部分的优化，使得误差较现在的试验装置大幅度减小，无需气体采集与人工测试过程，进一步减少了实验的系统误差。系统精准控制实验过程中的气体流量，减小实验误差，得到实验过程中煤样质量随温度变化规律。

4.本实用新型使用激光气体分析仪的预热时间约为十五分钟，使用时无需校准设备，测量气体组分浓度不到五秒钟。普通气相色谱仪大约需要一小时的预热，使用两小时校准气相色谱仪，每次测量气体组分大约需要十分钟，因此极大的缩短了试验周期。

5.本实用新型系统还完善了检测气体组分的多样化，具此得到全新的煤自然发火全过程实验系统装置。

附图说明

图1为本实用新型测试煤自然发火全过程的实验系统示意图；

图2为本实用新型加热炉炉体结构示意图。

附图标记：1-气罐，2-减压阀，3-压力表，4-第一质量流量控制器，5-第二质量流量控制器，6-两位三通电磁阀，7-高温天平，8-煤样罐，9-加热炉，10-冷却装置，11-过滤装置，12-第三质量流量控制器，13-气体检测装置，14-计算机，15-气密管路，16-水槽，18-进气导管，19-出气导管，91-外壳，92-内壳，93-绝热材料，94-加热单元，95-测温单元，96-控制面板，97-风扇。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

本实用新型提供一种加热炉与测气装置一体的、能够实现不间断测试的煤自然发火全过程的实验系统装置。该系统一是解决实验系统本身带来的对测试结果造成系统误差；二是克服了原有实验装置较长的测试时间，避免了人工取气测试过程中造成的人为误差；三是完善了检测气体组分的多样化，具此得到全新的煤自然发火全过程实验系统装置。

如图1所示，该测试煤自然发火全过程的实验系统，包括供气装置、流量自动控制装置、煤样罐8、加热炉9、高温天平7、过滤装置11、冷却装置10、气体检测装置13和计算机14。

加热炉9由炉体和炉门构成，炉体的形状为长方体，包括两个短侧壁和一个长侧壁。炉体包括外壳91、内壳92、绝热材料93、加热单元94、测温单元95和控制面板96；外壳91和内壳92的间隙使用绝热材料93填充，加热单元94为多个，分别设置在炉体侧壁、炉体上部和底部；测温单元95为两个，分别设置在炉体的侧壁及罐体内，放置在炉体侧壁的测温单元95的作用是监测炉体内的温度，罐体内测温单元95用于测量罐体内的温度。控制面板96设置在炉体外壳91表面，且分别控制加热单元94和测温单元95。外壳91和内壳92均为金属材料，使用304不锈钢，绝热材料93为气凝胶，加热单元94为镍铬电炉丝，炉体侧壁的电炉丝镶嵌在其侧壁上，炉体上部和底部的电炉丝镶嵌在不锈钢内壳92上。罐体内测温单元95和罐体外测温单元95均使用单铂铑热电偶。测温单元95和加热单元94与控制面板96的连接导线均包裹有阻热材料，炉体侧壁上还设置有风扇97。温度控制面板96上有三个温控仪表，分别对应罐体及炉体中的测温单元95。加热炉9体上方有盖子，盖子上设有三个通孔。

煤样罐8放置在加热炉9的炉膛内，分为罐盖和罐体两部分，罐盖和罐体使用法兰连接。罐体的形状为圆柱体，被悬挂在炉体空间中心，以保证罐体各部分均被均匀加热，罐体内的测温单元95放置在罐体高约1/2处。煤样罐8底部设计有进气导管18，罐体内部使用150目铜丝网托住煤样，罐盖上装有出气导管19。煤样罐8通过进气导管18与供气装置连接，通过出气导管19与气体检测装置13连接，进气导管18由气源经加热炉9盖子的通孔连接至煤样罐8底部，进气导管18进入炉体后盘旋2m，用于加热进入罐体的气体。煤样罐8上方的出气导管19经通孔连接至气体检测装置13，即激光气体分析仪，分析仪将数据传输至计算机14。进气导管18和出气导管19均为碳钢导气管。

加热炉9上方放置有高温天平7，高温天平7通过阻热传感线连接罐体，用于称量罐体的质量。

供气装置包括两个气罐1，分别装有氮气和氧气，气罐1的出口处设置有减压阀2调节气体流量；进气导管18上设置有流量自动控制装置；流量自动控制装置包括压力表3、第一质量流量控制器4和第二质量流量控制器5；压力表3和第一质量流量控制器4设置在各气罐1的出口管路上，各气罐1通过两位三通电磁阀6连接至煤样罐8的进口管路，第二质量流量控制器5设置在煤样罐8的进口管路上，通过质量流量控制器各管路上的流量。

出气导管19将煤样罐8和激光气体分析仪相连，在出气导管19上加入两位三通电磁阀6，出气导管19分为两路，一路为气密管路15，气密管路15的末端与水槽16连通，用于检查实验装置的气密性。另一路气体先进入过滤装置11，装置内有活性炭和变色硅胶，用于吸收实验过程中产生的煤焦油和水分，防止对检测设备造成损坏及产生实验误差。过滤后的气体进入冷却装置10，其目的是激光气体分析仪在检测高温气体时会出现误差，为减小误差，加入此装置。冷却装置10为半封闭水槽，槽壁放置封装的半导体制冷片，用于精准降温，而当室内温度较低时，通过改变电流方向，将水体加热，保证通入激光气体分析仪的气体为恒温。恒温气体进入第三质量流量控制器12，用于调节通过激光气体分析部分的气体流量，在导气管内放置不再使用其他工具采集气体，以减小实验误差和人工误差，最后气体通过激光气体分析仪后被水槽16吸收。

气体检测装置13使用的是激光气体分析仪，激光气体分析仪由发射单元和接收单元组成，发射单元上有分析仪主机、LCD显示器、操作键板和电子硬盘。分析仪主机包括控制装置和CH4气体、O2气体、C2H4气体、CO气体等多个气体激光器。内置标准气体参比模块，并且进行动态的补偿，实时锁住气体吸收谱线，不受温度、压力以及环境变化的影响，不存在漂移现象。系统所有的测量值报表、运行状态参数、全部连续存储在电子硬盘中,通过使用计算机14可全部导出并可通过数字通讯接口输出。最终完成对气体定量和定性的分析。

激光气体分析仪应用TDLAS气体检测技术，通过快速调制激光频率使其扫过被测气体吸收谱线，然后采用锁相放大技术测量被测气体吸收后透射谱线中的谐波分量来分析气体的吸收情况。半导体激光穿过被测气体的光强衰减基于朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律，即被测组分对特定波长的光具有吸收，且吸收强度与组分浓度成正比，通过测量气体对激光的衰减来测量气体浓度。使得其在不影响使用灵敏度的情况下，时间分辨率达到了毫秒量级。采用模块化设计可以兼顾多种气体的检测。如氧气、氮气、一氧化碳、甲烷、乙烯、乙烷等烃类气体。使用该装置时，所有的数据均会被自动保存，可使用USB或因特网将数据导出至计算机。在计算机上使用相应的软件处理这些数据即可判断煤的自燃倾向性。

煤自然发火全过程实验系统装置的操作步骤包括：

1)将处理好的煤样装入罐体中，然后将罐体和罐盖密闭；

2)打开炉门，将装好煤样的罐体悬挂放置在通气孔正下方的炉体中，将罐体的进气导管和出气导管从罐体上方的炉体上方中穿出，并将进气导管与供气装置相连接；

3)将炉门关闭，密闭炉体；

4)根据实验条件的不同，使用不同比例的氮氧混合气，调整供气的流量；

5)打开高温天平，操作温度控制面板，通过温控仪表设定具体的升温程序，控制加热单元使炉体内的温度从30℃升温至1000℃；

6)将导气管和激光气体分析仪相连接，在任意温度点，均可使用激光气体分析仪检测测试过程中煤样氧化释放出气体的组分，进而得到连续的气体浓度变化图像。