一种富油煤热解实时监测的装置和方法

1.本发明属于富油煤开发技术领域，具体涉及一种富油煤热解实时监测 的装置和方法。


背景技术：

2.煤炭绿色开采和高效利用逐渐成为保障国家能源安全的重要措施。富 油煤是集煤油气属性为一体的煤炭资源，较传统煤炭资源具有开发潜力 大、油气转化率高、开采利用成本低的特点。立足我国煤炭主体能源地位 和替补油气供给的巨大潜力，重新审视煤炭现有利用方式与开发技术，实 现富油煤从煤炭资源向煤基油气资源的转变，加快富油煤开发利用技术的 研究能够优化能源结构，切实缓解我国能源资源日益紧缺的问题。
3.热解开采是富油煤绿色低碳化开发的重要方向，通过在高温环境中分 离提取富油煤中的油和气，增加国内油气资源供给量。目前，煤热解技术 主要包括地面热解技术和原位热解技术，其中地面热解技术虽然能够提高 煤炭资源的利用率并降低碳排放量，但开采运输过程中需要耗费大量的人 力物力，且存在一定的风险；原位热解技术则避免了煤炭在运输过程中的 损耗，对煤炭绿色低碳开发利用方面具有更大优势。
4.现有热解技术大多关注煤炭热解后油气的产量和转化率的研究，均缺 少对热解过程中煤炭实时高温损伤的动态监测和机理研究。对煤炭在高温 环境下热解过程中的实时损伤进行动态监测和空间定位有助于深入掌握 富油煤热解机理，优化富油煤热解技术，强化过程监测管控。因此，针对 目前富油煤热解开发及高效清洁利用技术的局限和挑战，亟需一种新型的 富油煤热解过程实时监测方法。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种 富油煤热解实时监测的装置。该装置通过在富油煤样上设置与实时监测控 制站连接的声发射测试探头和波速测试探头，对富油煤样热解过程中的变 化情况进行监测并传输，形成了完整的富油煤热解过程中高温损伤实时动 态监测系统，且提高监测结果的准确性，从而更好地了解热解过程不同温 度和持续时间作用下富油煤的变化规律，以充分发挥富油煤的优势特征。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种富油煤热解实 时监测的装置，其特征在于，包括用于放置富油煤样的加热器，所述富油 煤样上设置有声发射测试探头和波速测试探头，所述声发射测试探头和波 速测试探头通过集束在布线通道中的线路与实时监测控制站连接，所述布 线通道贯通加热器并伸出加热器，所述加热器上分别连接有排气通道和抽 气通道，所述排气通道上依次设置有气压表和排气阀门，所述抽气通道上 设置有抽气阀门，且抽气管道与抽气泵连接。
7.上述的一种富油煤热解实时监测的装置，其特征在于，所述加热器的 外部包覆有隔热层。
8.上述的一种富油煤热解实时监测的装置，其特征在于，所述富油煤样 为具有3组以上平行面的块状体。
9.上述的一种富油煤热解实时监测的装置，其特征在于，所述声发射测 试探头和波速测试探头的测试点位在富油煤样的表面均匀分布，且在每组 平行面中的分布位置和数量相同。
10.上述的一种富油煤热解实时监测的装置，其特征在于，所述声发射测 试探头和波速测试探头在富油煤样中每个面上的测试点位数量均为4个以 上。
11.上述的一种富油煤热解实时监测的装置，其特征在于，所述布线通道 在富油煤样的表面上均匀分布。
12.上述的一种富油煤热解实时监测的装置，其特征在于，所述排气通道 连接在加热器的顶部，所述抽气通道连接在加热器的下部。
13.另外，本发明还公开了一种利用上述的装置进行富油煤热解实时监测 的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
14.步骤一、对开采获得的富油煤进行加工，得到富油煤样；
15.步骤二、将步骤一中得到的富油煤样放置于加热器的中心，然后分别 将声发射测试探头和波速测试探头设置在富油煤样中，然后将声发射测试 探头和波速测试探头的线路集束在布线通道中并与实时监测控制站连接， 并启动实时监测控制站进行调试；
16.步骤三、关闭排气阀门并打开抽气阀门，启动抽气泵对加热器中的空 气进行抽离，然后关闭抽气阀门，采用实时监测控制站获取富油煤样的初 始数据；
17.步骤五、开启加热器升至设定温度后保持恒温，使得富油煤样进行持 续的热解并产生气体，采用实时监测控制站获取富油煤样的热解数据，实 现高温损伤实时动态监测，同时观察气压表，当气压表的数值恢复至抽气 前压力数值时，打开排气阀门，使得气体通过排气通道排出。
18.本发明与现有技术相比具有以下优点：
19.1、本发明通过在富油煤样上设置与实时监测控制站连接的声发射测 试探头和波速测试探头，对富油煤样热解过程中的变化情况进行监测并传 输至实时监测控制站，形成了完整的富油煤热解过程中高温损伤实时动态 监测系统，从而更好地了解热解过程不同温度和持续时间作用下富油煤的 变化规律，以找到富油煤热解的最佳条件，优化生产程序，进而充分发挥 富油煤的优势特征，增加油气资源供给，缓解能源安全问题。
20.2、本发明通过设置波速测试探头实时监测富油煤样在热解过程中的 物理力学性质和工程指标的变化过程，掌握富油煤高温损伤的进程和大致 位置，通过设置声发射测试探头对富油煤样热解过程中的高温损伤进行精 确空间定位，直观监测热解过程中富油煤内部变化情况，实现了富油煤高 温热解损伤空间位置的精准定位与分析。
21.3、本发明的监测方法简单高效，易于控制，准确度高，灵敏性强， 解决了富油煤热解过程缺少动态监测的实际问题，推进了富油煤热解技术 的发展，为富油煤的低碳开采和清洁高效利用提供了新思路。
22.下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
23.图1为本发明富油煤热解实时监测的装置的结构示意图。
24.图2为本发明富油煤热解实时监测的装置中实时监测控制站的结构示 意图。
25.附图标记说明:
26.1—排气通道；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
2—排气阀门；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
3—气压表；
27.4—隔热层；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
5—加热器；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
6—布线通道；
28.7—声发射测试探头；
ꢀꢀ
8—富油煤样；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
9—抽气通道；
29.10—抽气泵；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
11—波速测试探头；
ꢀꢀꢀ
12—实时监测控制站；
30.12
‑
1—监测屏幕；
ꢀꢀꢀꢀꢀ
12
‑
2—控制键盘；
ꢀꢀꢀꢀꢀ
12
‑
3—声发射测试探头连接通道；
31.12
‑
4—通道防护门；
ꢀꢀꢀ
12
‑
5—保护壳；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
12
‑
6—波速测试探头连接通道；
32.13—抽气阀门。
具体实施方式
33.本发明的富油煤热解实时监测的装置通过实施例1进行详细描述。
34.实施例1
35.如图1所示，本实施例的富油煤热解实时监测的装置包括用于放置富 油煤样8的加热器5，所述富油煤样8上设置有声发射测试探头7和波速 测试探头11，所述声发射测试探头7和波速测试探头11通过集束在布线 通道6中的线路与实时监测控制站12连接，所述布线通道6贯通加热器5 并伸出加热器5，所述加热器5上分别连接有排气通道1和抽气通道9， 所述排气通道1上依次设置有气压表3和排气阀门2，所述抽气通道9上 设置有抽气阀门13，且抽气管道9与抽气泵10连接。
36.本实施例的富油煤热解实时监测的装置中设置用于放置富油煤样8的 加热器5，通过加热器5对富油煤样8的加热作用使其持续热解，并在富 油煤样8上选择声发射测试点位和波速测试点位，分别用于放置声发射测 试探头7和波速测试探头11，声发射测试探头7和波速测试探头11通过 线路与实时监测控制站12连接，通常两种探头测试点位的数量越多，对 热解损伤的空间定位越精确，且两种测试点位的分布需能够保证控制整个 富油煤样8，以实时全面监测其内部发生的限制变化情况。富油煤样8的 热解过程中，富油煤中的挥发分物质作为初始热解产物从煤体中挥发出 来，随着温度的不断升高，这些在常温下多为气体或液体的焦油和轻质液 态烃发生二次反应，生成包括h2、co、co2及高热值的轻质烃类气体的 热解气体，从而富油煤通过热解转化为煤气、焦油和半焦产品。本实施例 采用声发射测试探头7和波速测试探头11对富油煤样8持续热解过程进 行监测，具体地，通过波速测试探头11实时监测富油煤样8在热解过程 中的物理力学性质和工程指标的变化过程，热解过程中由于富油煤样的物 质成分发生改变，其形态由初始的固态不断向气态和液态转变，造成内部 孔隙结构和物质成分发生变化，采用波速测试探头11利用超声波在测试 点位处对富油煤样8的物理力学性质和工程指标进行实时监测，随着热解 造成物质成分及其形态发生变化，超声波在富油煤样8中传递的介质发生 改变，从而通过波速的改变情况实现对富油煤样8内部高温热解损伤的变 化情况的监测，掌握富油煤高温损伤的进程和大致位置；通过声发射测试 探头7对富油煤样8热解过程中的高温损伤进行精确空间定位，热解过程 中，富油煤样8受热导致裂隙的产生和生长，在富油煤样8中造成破坏和 损伤，从而增
大了富油煤样8的反应面，在这些反应面上富油煤样8更容 易发生热解产生气体和油，这一过程中会有微小声音产生，采用声发射测 试探头7接收这些微小声音并转化为电信号，从而根据各个测试点位测得 的信号大小进行空间定位，实时监测富油煤样8高温条件下的损伤位置， 直观监测热解过程中富油煤内部变化情况；然后及时将监测结果传输反馈 至实时监测控制站12中进行记录和分析，形成了完整的富油煤热解过程 中高温损伤实时动态监测系统，从而更好地了解热解过程不同温度和持续 时间作用下富油煤的变化规律，以找到富油煤热解的最佳条件，优化生产 程序，进而充分发挥富油煤的优势特征，增加油气资源供给，缓解能源安 全问题。
37.本实施例设置布线通道6用于集束容纳声发射测试探头7和波速测试 探头11与实时监测控制站12的连接线路，且布线通道6贯通加热器5并 伸出加热器5，避免了加热器5中热解过程对线路的不良影响，保证了声 发射测试探头7、波速测试探头11、实时监测控制站12的顺利工作。
38.本实施例的加热器5上分别连接有排气通道1和抽气通道9，且在排 气通道1上设置气压表3和排气阀门2，在抽气通道9上设置抽气阀门13， 且抽气管道9与抽气泵10连接，在热解前关闭排气阀门2并打开抽气阀 门13，利用抽气泵10通过抽气管道9对加热器5中的空气进行抽离，为 热解提供无氧环境，然后关闭抽气阀门13形成密闭环境对富油煤样8进 行热解，富油煤样8热解过程中产生大量气体并留存在加热器5中，通过 气压表3对加热器5中的气压进行监测，当气压恢复至抽气前数值时通常 为常压时，打开排气阀门2使得热解产生的大量气体从排气通道1中稳定 排出，以避免气体在加热器5的内部大量聚集造成气压升高，对富油煤样 8造成非热解损伤，再继续重复上述热解和排气过程。
39.通常，本实施例的实时监测控制站12包括设置在监测制站主体周围 的保护壳12
‑
5，所述控制站主体的上部连接有监测屏幕12
‑
1和控制键盘 12
‑
2，所述控制站主体的侧面分别设置有用于连接声发射测试探头7的声 发射测试探头连接通道12
‑
3，以及用于连接波速测试探头11的波速测试 探头连接通道12
‑
6，且声发射测试探头连接通道12
‑
3和波速测试探头连 接通道12
‑
6的外侧设置有通道防护门12
‑
4。
40.上述的一种富油煤热解实时监测的装置，其特征在于，所述加热器5 的外部包覆有隔热层4。本实施例通过在加热器5的外部包覆隔热层4， 以有效隔绝加热器5与外界空气的热量交换，避免了加热器5中富油煤样 8热解过程中温度的迅速流失造成热量损失，提高了富油煤热解实时监测 结果的准确性。需要说明的是，加热器5的外部包覆的隔热层4仅覆盖在 加热器5的表面，布线通道6均依次贯通加热器5和隔热层4，以保证声 发射测试探头7和波速测试探头11与实时监测控制站12的连接线路顺畅， 尽可能避免富油煤热解的不良影响；同时，排气通道1和抽气通道9也均 依次贯穿加热器5和隔热层4，以保证实现对应的排气和抽气功能。
41.上述的一种富油煤热解实时监测的装置，其特征在于，所述富油煤样 8为具有3组以上平行面的块状体。实际操作中，将开采获得的富油煤进 行加工，在其表面加工出3组以上的平行面，且平行面的表面平整，以便 贴合放置声发射测试探头7和波速测试探头11，有利于声发射测试探头7 和波速测试探头11与富油煤样8的表面充分接触贴合，从而对富油煤样8 进行声发射测试和波速测试。
42.上述的一种富油煤热解实时监测的装置，其特征在于，所述声发射测 试探头7和
波速测试探头11的测试点位在富油煤样8的表面均匀分布， 且在每组平行面中的分布位置和数量相同。本实施例中声发射测试探头7 和波速测试探头11的测试点位均匀分布富油煤样8的表面，且在每组平 行面中的分布位置和数量相同，确保了测试信号的稳定及精确。通常，声 发射测试探头7和波速测试探头11在每组平行面中的测试点位完全对正， 以避免分布位置错位导致信号传输过程中发生偏差，进一步提高监测结果 的准确性。
43.上述的一种富油煤热解实时监测的装置，其特征在于，所述声发射测 试探头7和波速测试探头11在富油煤样8中每个面上的测试点位数量均 为4个以上。测试点位数量越多，对热解损伤的空间定位越精确，本实施 例中将两种探头在富油煤样8中每个面上的测试点位数量均限定为4个以 上，在保证测试结果准确性的同时，节省了各探头的数量，降低了监测成 本。
44.上述的一种富油煤热解实时监测的装置，其特征在于，所述布线通道 6在富油煤样8的表面上均匀分布。通常，根据声发射测试探头7和波速 测试探头11在富油煤样8中的分布情况对应设置布线通道6，布线通道6 均匀分布在富油煤样8的表面，且布线通道6要能够容纳2～3根探头的线 路排布，并在加热器5上留出布线通道6的孔位。
45.上述的一种富油煤热解实时监测的装置，其特征在于，所述排气通道 1连接在加热器5的顶部，所述抽气通道9连接在加热器5的下部。通过 将抽气通道9设置在加热器5的顶部，富油煤样8热解产生的大量气体包 括co、co2、h2以及轻质的烃类气体释放飘散并通过排气通道1稳定排 出，提高了排出效率，且在排出气体正压的作用下，空气无法从排气通道 1进入加热器5中，避免了空气中的氧气进入加热器5中与富油煤样8发 生反应，产生热解外的不良影响；而将排气通道1设置在加热器5的下部， 有利于抽气泵抽去去除加热器5内部的空气，提高了抽气效率。
46.本发明富油煤热解实时监测的方法通过实施例2进行详细描述。
47.实施例2
48.本实施例包括以下步骤：
49.步骤一、对开采获得的富油煤进行加工，得到富油煤样8；
50.步骤二、将步骤一中得到的富油煤样8放置于加热器5的中心，然后 分别将声发射测试探头7和波速测试探头11设置在富油煤样8中，然后 将声发射测试探头7和波速测试探头11的线路集束在布线通道6中并与 实时监测控制站12连接，并启动实时监测控制站12进行调试；
51.步骤三、关闭排气阀门2并打开抽气阀门13，启动抽气泵对加热器5 中的空气进行抽离，然后关闭抽气阀门13，采用实时监测控制站12获取 富油煤样8的初始数据；
52.步骤五、开启加热器5升至设定温度后保持恒温，使得富油煤样8进 行持续的热解并产生气体，采用实时监测控制站12获取富油煤样8的热 解数据，实现高温损伤实时动态监测，同时观察气压表3，当气压表3的 数值恢复至抽气前压力数值时，打开排气阀门2，使得气体通过排气通道 1排出。
53.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是 根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化， 均仍属于本发明技术方案的保护范围内。