一种煤炭地下气化炉燃烧状态确定方法、系统和装置 【技术领域】
本发明涉及煤炭地下气化领域，尤其涉及监测煤炭地下气化炉燃烧状态的技术。
背景技术
煤炭地下气化是直接对地下蕴藏的煤炭进行可控制性的燃烧，产生煤气后输出地面的一种能源采集方式。与传统的采煤方式相比，地下气化采煤可以更大限度地利用煤炭资源，并且安全、环保、高效，具有非常显著的经济效益；尤其是其还适用于用常规方法不可采或开采不经济的煤层，以及煤矿的二次或多次复采，因此受到广泛的重视。目前正在进行由实验性开采向商业性开采转变的最后突破。
商业化地下气化采煤遇到的主要瓶颈是生产的可燃气体的浓度、组分和热值不稳定，无法保证产品品质的一致。为解决这一问题需要有效地监控地下煤层燃烧气化状态，从而有效控制燃烧过程。
然而，目前传统的监控方法是通过对生产的合成气的温度、压力、流量、气体组分等能间接反映地下气化炉燃烧状态的参数进行测量，利用这些数据对地下气化炉内的燃烧状态进行分析与推测；但是该测量方法只是间接的对地下气化炉内的燃烧状态进行分析与推测，因此，推测结果可能与实际情况并不相符。
【发明内容】
本发明实施例提供了一种煤炭地下气化炉燃烧状态确定方法、系统和装置，用以更为准确地确定煤炭地下气化炉燃烧状态。
一种煤炭地下气化炉燃烧状态确定方法，包括：
将距离进气孔与出气孔之间的连线在设定范围内的地表作为地表探测范围，在地表探测范围内布置探测点；
在各探测点上进行氡气采集，并在其中设定数量的探测点的地表以下进行温度测量；
根据各探测点采集的氡气以及测量的温度，确定探测范围地表以下的地下温度场；
根据确定的地下温度场确定所述煤炭地下气化炉的燃烧状态。
一种煤炭地下气化炉燃烧状态确定系统，包括：
活性炭测氡装置，用于测量各探测点上采集的氡气的含量值；所述探测点布置在地表探测范围内，所述地表探测范围为距离进气孔与出气孔之间的连线在设定范围内的地表；
地下气化炉燃烧状态确定装置，用于获取所述活性炭测氡装置测量的各探测点上采集的氡气的含量值，以及获取设定数量的探测点的地表以下的温度测量值；用于根据氡气含量获取模块获取的氡气含量值以及温度获取模块获取的温度值，确定探测范围地表以下的地下温度场；根据所述地下温度场确定模块确定的地下温度场确定煤炭地下气化炉的燃烧状态。
一种煤炭地下气化炉燃烧状态确定装置，包括：
氡气含量获取模块，用于获取各探测点上采集的氡气的含量值；所述探测点均匀布置在地表探测范围内，所述地表探测范围为距离进气孔与出气孔之间的连线在设定范围内的地表；
温度获取模块，用于获取设定数量的探测点的地表以下的温度测量值；
地下温度场确定模块，用于根据氡气含量获取模块获取的氡气含量值以及温度获取模块获取的温度值，确定探测范围地表以下的地下温度场；
燃烧状态确定模块，用于根据所述地下温度场确定模块确定的地下温度场确定煤炭地下气化炉的燃烧状态。
本发明实施例由于通过在煤炭地下气化炉的地表进行氡气采集，并根据各探测点采集的氡气以及其中若干个探测点的地表以下的温度，可以确定地下温度场，而地下温度场直接反映了煤炭地下气化炉的燃烧状态，从而比现有技术通过合成气的参数来推测煤炭地下气化炉的燃烧状态要更为准确。
【附图说明】
图1为本发明实施例的确定煤炭地下气化炉燃烧状态的方法流程图；
图2为本发明实施例的探测点布置示意图；
图3为本发明实施例的活性炭测氡取样装置的示意图；
图4为现有技术的活性炭测氡装置示意图；
图5为本发明实施例的地下燃烧区的状态示意图；
图6为本发明实施例的煤炭地下气化炉燃烧状态确定系统的结构示意图；
图7为本发明实施例的煤炭地下气化炉燃烧状态确定装置内部结构框图。
【具体实施方式】
本发明实施例提出一种利用活性炭测氡技术监测煤炭地下气化炉燃烧状态的方法，通过观测地表附近的氡的情况来了解地下深部的地质信息。
事实上，在不同的热梯度作用下氡气迁移模式也不一样。例如，在室温下，一天内氡的析出量与生成量之比仅为0.02％，但是随着温度的不断升高，氡的析出量在逐渐增大，而且温度越高，岩石所析出的氡越多。A.H.苏尔坦耶夫等做了石膏、碳酸钙、碳酸钙和二氧化钛混合的氡析出量与温度的关系实验，实验也证明氡气从岩石（矿物）中析出也是随着温度的升高而增大，其原因主要是与岩石（矿物）脱水及晶格的破坏有关。因此，可以通过观测地表附近氡的异常来了解地下深部的地质信息。表1为三小时内岩石在不同温度下氡气逸出的结果。另外，岩石均有一定的孔隙度，而且不同程度地含有一定的水。当水温变化时，氡气在水中的溶解度将随温度的增高而降低（见表2），从而大大提高氡气从地下向上迁移的数量。
表1
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表2
水的温度t(℃)氡在水中的溶解度a（%）水的温度t(℃)氡在水中的溶解度a（%）
0 0.510 50 0.138
5 0.420 60 0.125
10 0.351 70 0.117
20 0.254 80 0.112
30 0.195 90 0.110
40 0.159 100 0.108
基于上述的原理，本发明的发明人考虑到在煤炭地下气化过程中，煤层燃烧气化会形成一个高温高压区，加之燃烧区顶部会产生大量的裂隙，这些条件加速了氡气的析出及向上迁移的速度，从而导致在燃烧区上方地表与周边的测氡数据存在明显的差异。那么可以通过探测煤炭地下气化炉附近的地表的氡气来监测煤炭地下气化炉的燃烧状态，包括气化炉中火焰位置、燃烧范围、炉内温度，进而还可以确定火焰移动的方向和速率等。
下面对利用活性炭测氡技术监测煤炭地下气化过程的具体流程进行详细叙述。
本发明实施例提供的一种煤炭地下气化炉燃烧状态确定方法，流程图如图1所示，包括如下步骤：
S101、确定氡气探测点。
将距离进气孔与出气孔之间的连线在设定范围内的地表作为地表探测范围，在地表探测范围内布置探测点。例如，将距离进气孔与出气孔之间的连线设定范围（比如500m）内的地表作为地表探测范围，使得探测范围可以覆盖地下的燃烧区域。
在地表探测范围内布置探测点可以是均匀布置也可以是不均匀布置，例如，在地表探测范围内设置有测线，所述测线的延伸方向与所述进气孔出气孔之间的连线方向一致（即测线的延伸方向与进气孔出气孔之间的连线方向是平行的，或者基本平行的），测线之间的距离为设定值，该设定值可以根据监测所要求的精度确定（如要求监测精度为5m，则测线之间的距离设为2.5m）。每条测线上可以均匀地布置探测点（探测点之间的距离也是根据监测精度的要求确定的设定值，比如要求监测精度为5m，则探测点之间的距离设为2.5m）或者不均匀地布置探测点。测线及测线上的测点构成测网（如图2所示），测网覆盖了地表探测范围。
S102、在确定的探测点上进行氡气采集，并在其中设定数量的探测点的地表以下进行温度测量。
现有技术中有多种氡气采集方法，本发明实施例所提供的一种在地表探测点采集氡气的方法为：在各探测点处挖设定深度的坑（比如深40cm左右的浅坑），坑底保持平整，在坑内放入标好序号及埋杯时间的活性炭测氡取样装置，该活性炭测氡取样装置如图3所示，由活性炭瓶和罩杯两部分构成，活性炭瓶内置20g（克）活性炭及硅胶2g，活性炭用于吸附土壤中氡，硅胶用于吸取土壤层和土壤气带入的水，提高活性炭吸附氡的效率。活炭瓶直径50cm（厘米）（可以是45‑50cm）、高40cm（可以是40‑45cm）；罩杯用于构成集气空间，以使尽可能多的氡射气进入活性炭瓶，该罩杯顶口直径（放置于坑底的开口端的直径）100cm（可以是75‑100cm），底口直径（与活性炭瓶相连的开口端的直径）70cm（可以是50‑70cm），高110cm（可以是100‑110cm）（消除钍射气的干扰影响）。
在放杯之前需要打开活性炭瓶的封闭盖，将开口端朝下，与罩杯的一开口端（底部的开孔）相连，将活性炭瓶与罩杯组装好；然后尽可能迅速、平稳的将罩杯的另一开口端对向浅坑底部放置，放在浅坑中，并在罩杯的周边压埋土层，使罩杯的周边牢固的压在坑底的土壤上（用手轻压），然后用塑料布覆盖活性炭测氡取样装置，在塑料布上面再压盖不少于100mm的浮土。当氡运移到活性炭表面时，很快被吸附，造成其周围的氡浓度降低，在浓度差作用下，高浓度处的氡不断向活性炭运移，直至它吸附的氡量达最大值，并与周围的氡浓度达到平衡。埋杯设定时间（比如5天，或者可以是5‑8天之内）后，依次从每个测点中取出活性炭瓶得到采集的氡气，迅速密封，以防止已吸附的氡解析，并记录每个活性炭瓶取出的日期和时间，然后送到室内测量得到的氡值数据。
虽然活性炭瓶中吸附的氡气可以反映地下的温度，但是由于活性炭瓶中的氡气含量是一个累积值，根据该累积值并不能直接得到地下某个或某段时刻的温度值。
因此，可以在若干个探测点下设置热电偶或者温度传感器采集地下温度，具体可以是在若干个探测点下不同深度的地点处设置热电偶或者温度传感器采集温度，从而确定若干个探测点在不同深度的地点的温度值。
S103、根据各探测点上采集的氡气，以及若干个探测点以下的温度值可以确定地下温度场。
图4示出了一种活性炭测氡装置，该装置由活性炭测氡仪（包括低本底铅室、探测器、多道处理分析器、γ射线谱分析软件等）、电脑等组成。当收集了氡子体的活性炭瓶被放入低本底铅室后，活性炭瓶中氡及其子体辐射出的γ射线使电离室内的空气电离，在电离室高压电场的作用下转换为电脉冲信号。该脉冲信号经前置放大器和线性脉冲放大器放大后，由γ射线谱分析软件记录下来，从而可以确定活性炭瓶内的氡含量。氡值测量装置为一种现有技术，在实际操作过程中可以选用任何适用的已知装置。
在确定了设定个（比如5个）探测点不同深度处的温度值（例如确定了探测点A、B、C、D、E分别在深度5m、10m、20m……的温度值）后，可以将其它探测点采集的氡气含量分别与探测点A、B、C、D、E采集的氡气含量进行比较，从而初步得出氡气含量与温度值之间的关系（线性或指数关系），根据该关系可以确定其它探测点在不同深度的地点的温度值。根据各探测点在不同深度的地点的温度值从而可以绘制地下温度场。
S104、根据地下温度场确定煤炭地下气化炉燃烧状态。
地下温度场可以直接反映地下气化炉燃烧过程中的温度分布状态。而最高温度区域则为地下气化炉燃烧中心，即可以根据最高温度区域确定火焰位置，并可确定该燃烧中心的火焰温度。具体的，可以根据测量的氡值等值线得到地下等温场，进行形象地得到地下燃烧区的状态（如图5所示）。
进一步，若周期性从各探测点上采集氡气，通过每次对采集的氡气的分析得到的地下温度场，分析地下温度场的变化则可以确定地下气化炉燃烧中心的运移方向以及速率。例如，将本次得到的地下温度场与之前得到的地下温度场进行比较，可以确定地下气化炉的火焰移动方向；将本次得到的地下温度场与前几次得到的地下温度场进行比较，则可以确定地下气化炉的火焰移动速率。
本领域技术人员可以理解，虽然上述说明中，为便于理解，对方法的步骤采用了顺序性描述，但是应当指出，对于上述步骤的顺序并不作严格限制。
本发明实施例提供的一种煤炭地下气化炉燃烧状态确定系统，如图6所示，包括：活性炭测氡装置601、地下气化炉燃烧状态确定装置602。
活性炭测氡装置601，用于测量各探测点上采集的氡气的含量值；所述探测点均匀布置在地表探测范围内，所述地表探测范围为距离进气孔与出气孔之间的连线在设定范围内的地表。
地下气化炉燃烧状态确定装置602用于获取活性炭测氡装置601测量的各探测点上采集的氡气的含量值，以及获取设定数量的探测点的地表以下的温度测量值；用于根据氡气含量获取模块获取的氡气含量值以及温度获取模块获取的温度值，确定探测范围地表以下的地下温度场；根据所述地下温度场确定模块确定的地下温度场确定煤炭地下气化炉的燃烧状态。
其中，地下气化炉燃烧状态确定装置602的内部结构框图，如图7所示，包括：氡气含量获取模块701、温度获取模块702、地下温度场确定模块703、燃烧状态确定模块704。
氡气含量获取模块701用于获取各探测点上采集的氡气的含量值；所述探测点均匀布置在地表探测范围内，所述地表探测范围为距离进气孔与出气孔之间的连线在设定范围内的地表。具体的，氡气含量获取模块701获取活性炭测氡装置所测量的氡气的含量值。
温度获取模块702用于获取设定数量的探测点的地表以下的温度测量值。具体的，温度获取模块702获取设置于地表以下的热电偶或者温度传感器检测的温度值。
地下温度场确定模块703用于根据氡气含量获取模块701获取的氡气含量值以及温度获取模块702获取的温度值，确定探测范围地表以下的地下温度场。地下温度场确定模块703确定地下温度场的方法如步骤S103所述，此处不再赘述。
燃烧状态确定模块704用于根据地下温度场确定模块703确定的地下温度场确定煤炭地下气化炉的燃烧状态。
本发明实施例由于通过在煤炭地下气化炉的地表进行氡气采集，并根据各探测点采集的氡气以及其中至少一个探测点的地表以下的温度，可以确定地下温度场，而地下温度场直接反映了煤炭地下气化炉的燃烧状态，从而比现有技术通过合成气的参数来推测煤炭地下气化炉的燃烧状态要更为准确。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。
还可以理解的是，附图或实施例中所示的装置结构仅仅是示意性的，表示逻辑结构。其中作为分离部件显示的模块可能是或者可能不是物理上分开的，作为模块显示的部件可能是或者可能不是物理模块。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。