煤炭地下氣化污染評價及地下水污染凈化修復綜合實驗系統的制作方法
【專利摘要】一種煤炭地下氣化污染評價及地下水污染凈化修復綜合實驗系統，包括煤炭地下氣化模擬氣化爐系統、氣化劑供給系統、煤氣處理與分析系統和污染承壓水凈化修復實驗系統；煤炭地下氣化模擬氣化爐包括立式電阻爐、反應管、溫控儀、熱電偶、壓力表；氣化劑供給系統包括二氧化碳鋼瓶、氧氣鋼瓶、氮氣鋼瓶、水槽、水蒸氣發生器和空氣壓縮機；煤氣處理與分析系統由粗煤氣的冷凝、洗滌及干燥裝置、濕式氣體流量計和氣體分析儀等組成；承壓水凈化修復實驗系統由三套不銹鋼凈化管串聯組成。本發明可以模擬實體煤地下氣化過程和地下水浸泡殘渣的實際狀態、并對浸泡水檢測、預測地下氣化殘渣對地下水的污染程度，實現承壓地下水或常壓水污染的多級凈化與修復。
【專利說明】煤炭地下氣化污染評價及地下水污染凈化修復綜合實驗系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種煤炭地下氣化污染評價及地下水污染凈化修復綜合實驗系統，尤其適用于煤炭地下氣化過程中的環境污染風險評估及煤炭地下氣化過程中承壓地下水中污染物的凈化。
【背景技術】
[0002]煤炭地下氣化是直接在地下將煤炭進行有控制的燃燒而轉化成氣體燃料或化工原料的一種煤炭資源開發技術。與常規地面氣化相比，煤炭地下氣化具有可觀的經濟效益和良好的環境效應，其煤氣成本僅為地面氣化的25-50%，合成氨生產成本降低約43%，發電成本降低27%，生產天然氣代用品成本降低10-18%，且能開發井工開采不可到達的煤層。
[0003]煤炭地下氣化可大大減少燃煤污染、煤矸石及灰渣的排放等，且與CO2的捕獲與封存技術相結合將有特殊的應用前景。因此，煤炭地下氣化被譽為綠色開采技術，也是煤炭安全潔凈利用的重要途徑。但煤炭地下氣化過程中對地下水的污染和毒化也是人們越來越重視的問題。煤炭地下氣化是在地下封閉環境條件下進行，氣化過程中產生的各種有害氣體(包括各種有毒重金屬蒸汽及有機氣體等)將會沿圍巖中的孔隙和裂隙遷移，可能污染地下水；氣化固體殘留物(灰渣及半焦)存留于地下，當地下水進入燃空區時，固體殘留物中的有毒重金屬和有機物可能污染地下水。因此，地下水污染被認為是最為嚴重的與煤炭地下氣化有關的潛在環境風險。
[0004]已有研究證實，煤炭地下氣化過程中產生的有機污染物主要是酚類、苯及其衍生物、多環芳烴、雜環化合物等，無機污染主要包括重金屬、氨、氰化物、硫酸鹽及放射性物質等。煤炭地下氣化對地下水污染可能持續到氣化結束5年甚至更長時間。由此可見，煤炭地下氣化可能造成地下水資源污染，使其失去綠色開采的意義，甚至制約其推廣應用。
[0005]目前，國內外研究者對煤炭地下氣化可能造成地下水資源的污染越來越重視，并開展了大量的相關研究，但主要集中在煤炭地下氣化過程中有害微量元素(Zn、Cd、Pb、As等)等無機污染的富集與遷移、粗煤氣冷凝水中有機污染物組成與凈化處理、地下氣化殘渣中有害微量元素的環境效應、煤炭地下氣化現場試驗地下水污染監測等方面。而對煤炭地下氣化過程中污染物帶來的潛在環境風險缺乏綜合的評價方法和相關的實驗系統。因此，開發一種能夠較為準確預測煤炭地下氣化過程中污染物遷移規律的評價系統對煤炭地下氣化技術的推廣應用，保護地下水資源具有重要意義。
[0006]此外，煤炭地下氣化是在位于地下數百米深處的實體煤中進行，氣化燃空區地下水多屬于承壓水，且受氣化過程高溫影響該地下水具有一定的溫度。因此，煤炭地下氣化過程中污染物在承壓地下水中的浸出和遷移規律等可能與常溫常壓條件下不盡相同。目前，雖然對地下水污染修復技術研究較多，如抽出-處理技術(P & T)，滲透反應墻技術(PRBs)，化學氧化技術，生物降解技術等，但主要集中在污染后期處理與修復，處理工藝復雜，且受污染物種類和經濟成本限制，并不適用于煤炭地下氣化燃空區地下水污染的凈化與修復。而專利(申請號:201310646261.6)報道的一種曲流式地下水污染修復裝置及專利(申請號:201310547704.6)報道的一種地下水污染多級處理凈化工藝等均未考慮到煤炭地下氣化燃空區地下水具有一定溫度和承壓的特殊性，故也不適合用于煤炭地下氣化過程中地下水污染的修復。
【發明內容】
[0007]本發明的目的正是針對上述現有技術中所存在的不足之處而提供一種操作簡便、易于控制的煤炭地下氣化污染評價及地下水污染凈化修復綜合實驗系統。
[0008]本發明的目的可通過下述技術措施來實現:
本發明的煤炭地下氣化污染評價及地下水污染凈化修復綜合實驗系統包括煤炭地下氣化模擬氣化爐系統、氣化劑供給系統、煤氣處理與分析系統和污染承壓水凈化修復實驗系統。
[0009]a、所述煤炭地下氣化模擬氣化爐系統用于模擬實體煤地下氣化和氣化后承壓水對氣化殘留物的浸泡；它包括安裝在立式電阻爐內的反應管，所述反應管底部采用錐形設計，并在錐形與圓柱體接口處內部固定設置第一不銹鋼篩網，反應管錐形下部出口通過四通閥分別與污染承壓水凈化修復實驗系統、氣化劑供給系統的相應裝置相連接，在反應管上端固定安裝有反應管蓋，在反應管蓋上安裝有壓力表、安全閥，在反應管中設置有熱電偶，熱電偶通過電連接方式與溫控儀相連，在反應管蓋上設置有與氣化劑供給系統相連接的進水口、與煤氣處理與分析系統相連接的出氣口。
[0010]b、所述氣化劑供給系統用于提供各種氣化劑(水蒸氣、富氧空氣或二氧化碳)，以便滿足不同氣化工藝的需要；它包括水槽、水蒸氣發生器、水泵、氧氣鋼瓶、氮氣鋼瓶、二氧化碳鋼瓶和空氣壓縮機；所述水槽采用三通閥分別與水蒸氣發生器和水泵的進水口相連，所述水泵的出水口通過管路與反應管蓋上設置的進水口相連；所述水蒸氣發生器、氧氣鋼瓶、氮氣鋼瓶、二氧化碳鋼瓶和空氣壓縮機分別通過減壓閥和流量計及相應管路依次連接；且所述水蒸氣發生器、氧氣鋼瓶、二氧化碳鋼瓶及空氣壓縮機通過管路及相應控制閥門與設置在反應管錐形下部出口處的四通閥相連；所述氮氣鋼瓶通過管路及相應控制閥門與反應管蓋上設置的進水口相連。
[0011]C、所述煤氣處理與分析系統主要用于煤炭地下氣化過程中粗煤氣的凈化、氣體組分分析和焦油、洗滌水中有害物質的檢測；它包括通過管路依次相連的冷凝裝置、洗滌裝置、干燥裝置和濕式氣體流量計、氣體分析儀，所述冷凝裝置通過管路及相應控制閥門與反應管蓋上設置的出氣口相連接。
[0012]d、所述污染承壓水凈化修復實驗系統用于煤炭地下氣化過程中承壓污染地下水的凈化與修復；它包括第一、第二、第三級凈化修復裝置，所述的三級凈化修復裝置由三套凈化管通過階梯式串聯組成，并設置落差梯度，三級凈化管底部均采用錐形設計，且在錐形與圓柱體接口處內部固定設置有第二不銹鋼篩網；所述三級凈化修復裝置中位于上部的第一級凈化修復裝置通過管路及相應控制閥門與設置在反應管錐形下部出口處的四通閥相連。
[0013]本發明中所述的反應管采用不銹鋼材料制備而成的反應管，具有承壓、耐高溫性倉泛。
[0014]本發明的工作原理如下:
a、煤炭地下氣化模擬氣化爐系統:將實體煤裝入反應管中，用溫控儀和熱電偶控制立式電阻爐加熱，通過外加熱方式建立煤炭地下氣化所需的高溫溫度場，并向反應管中提供不同氣化劑來實施各種氣化工藝。反應管采用合金鋼材質，能夠承壓和耐高溫。反應管出氣口端管蓋上安裝壓力表和安全閥，用于在線監測反應管中的壓力和安全防護。
[0015]b、氣化劑供給系統:在實體煤模擬地下氣化過程中主要由氣化劑供給系統為反應體系提供各種氣化劑，以滿足不同的氣化工藝。其中二氧化碳、氧氣及氮氣由相應的氣體鋼瓶提供；空氣通過空氣壓縮機提供；水蒸氣則由水蒸氣發生器提供，各氣路之間通過金屬軟管連接，并采用閥門控制開關和氣體流量。
[0016]C、煤氣處理與分析系統:煤炭地下氣化過程中產生的粗煤氣由出氣管道導出后，經冷凝、洗滌及干燥裝置和濕式氣體流量計，最終由氣體分析儀分析有效煤氣組分，確定氣體中污染物成分及含量；使用水質分析儀、氣相色譜-質譜聯用等檢測設備分析洗滌水和經冷凝后焦油中的有害成分及含量。
[0017]d、污染承壓水凈化修復實驗系統:實體煤地下氣化模擬實驗結束后，殘留的半焦及灰渣將留在反應管中，在高溫狀態下，采用外加水泵向反應管中注入地下水對殘渣進行浸泡，并通過外加氮氣向反應管中提供一定壓力，模擬承壓地下水度高溫氣化殘渣的浸泡。當殘渣浸泡結束后，用氣相色譜-質譜聯用、原子吸收光譜和等離子體質譜等檢測浸出液的成分及濃度，考察氣化殘渣中有害成分在承壓地下水中浸出與遷移，評價煤炭地下氣化對地下水的污染；利用階梯式串聯三級凈化管對浸出液進行不同工藝的凈化處理，達到煤炭氣化地下水污染凈化與修復的目的。
[0018]這樣，由上述四部分組建成的煤炭地下氣化污染評價及地下水污染凈化修復綜合實驗系統不僅可以模擬實體煤地下氣化實際過程，而且能夠檢測氣化過程中污染物等有害成分在粗煤氣中的分布，同時還能夠考察氣化殘留物在承壓地下水中的浸出和遷移規律，并實現承壓地下污水的凈化與修復，最終達到煤炭地下氣化污染評價及地下水污染凈化與修復的目的。
[0019]本發明的有益效果如下:
(I)本發明可以模擬實體煤地下氣化過程，進而掌握煤炭地下氣化過程中污染物等有害成分的產生及分布規律，從而實現對煤地下氣化過程中污染物可能造成的環境污染風險進行綜合評價。
[0020](2)本發明可實現承壓地下水對煤炭地下氣化高溫殘渣的浸泡，模擬煤炭地下氣化燃空區地下水浸泡殘渣的實際狀態，并對浸泡水進行檢測，預測煤炭地下氣化殘渣對地下水的污染程度。
[0021](3)本發明可實現承壓地下水污染或常壓水污染的多級凈化與修復。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1為本發明的結構原理圖。
[0023]圖中序號說明:1是立式電阻爐，2是反應管，3是溫控儀，4是熱電偶，5是壓力表，6是安全閥，7是第一不銹鋼篩網，8是四通閥，9是反應管蓋，10是水槽，11是水蒸氣發生器，12是水泵，13是氧氣鋼瓶，14是二氧化碳鋼瓶，15是氮氣鋼瓶，16是空氣壓縮機，17是減壓閥，18是流量計，19是冷凝裝置，20是洗滌裝置，21是干燥裝置，22是濕式氣體流量計，23是氣體分析儀，24是第一級凈化修復裝置(凈化管)，25是第二級凈化修復裝置(凈化管)，26是第三級凈化修復裝置(凈化管)，27是第二不銹鋼篩網，28是凈化管管蓋，29是壓力表，30是二通閥。
【具體實施方式】
[0024]本發明以下將結合實施例(附圖)作進一步描述:
如圖1所示，本發明的煤炭地下氣化污染評價及地下水污染凈化修復綜合實驗系統包括煤炭地下氣化模擬氣化爐系統、氣化劑供給系統、煤氣處理與分析系統和污染承壓水凈化修復實驗系統。
[0025]a、所述煤炭地下氣化模擬氣化爐系統用于模擬實體煤地下氣化和氣化后承壓水對氣化殘留物的浸泡；它包括安裝在立式電阻爐I內的不銹鋼制成的反應管2，所述不銹鋼制成的反應管2底部采用錐形設計，并在錐形與圓柱體接口處內部固定設置用于放置實體煤樣品和氣化后殘渣的第一不銹鋼篩網7，反應管錐形下部出口通過四通閥8分別與污染承壓水凈化修復實驗系統、氣化劑供給系統的相應裝置相連接，通過四通閥8可從不銹鋼制成的反應管2底部向不銹鋼制成的反應管2中輸送各種氣化劑，確保實現不同氣化工藝，并可通過調節四通閥8實現將高溫浸泡后承壓地下水導入后續的凈化與修復系統以及采樣分析；在不銹鋼制成的反應管2上端采用法蘭盤固定反應管蓋9，在反應管蓋9上安裝有壓力表5、安全閥6，在反應管2中設置有熱電偶4，熱電偶4通過電連接方式與溫控儀3相連，在反應管蓋9上設置有與氣化劑供給系統相連接的進水口、與煤氣處理與分析系統相連接的出氣口，分別用于氣化過程中粗煤氣導出和氣化結束后浸泡殘渣時地下水注入；進一步說，安裝在反應管蓋9上的壓力表5、安全閥6用于在線監測不銹鋼制成的反應管2中的壓力和安全防護；溫控儀3與熱電偶4相連，用于控制立式電阻爐I加熱，熱電偶4通過螺栓固定于反應管蓋9上，并置于不銹鋼制成的反應管2中，用于測定不銹鋼制成的反應管2中實體煤氣化過程中的溫度和氣化殘渣浸泡時的水溫，以便于控制模擬地下氣化時的反應溫度和殘渣浸泡水溫的監測。
[0026]b、所述氣化劑供給系統用于提供各種氣化劑(水蒸氣、富氧空氣或二氧化碳)，以便滿足不同氣化工藝的需要；它包括水槽10、水蒸氣發生器11、水泵12、氧氣鋼瓶13、二氧化碳鋼瓶14、氮氣鋼瓶15和空氣壓縮機16 ;所述水槽10采用三通閥分別與水蒸氣發生器11和水泵12的進水口相連(用于氣化過程中產生水蒸氣，實現水蒸氣氣化和氣化結束后通過反應管蓋9上進水口向不銹鋼制成的反應管2中注入地下水)，所述水泵12的出水口通過管路與反應管蓋9上設置的進水口相連；所述水蒸氣發生器11、氧氣鋼瓶13、二氧化碳鋼瓶14、氮氣鋼瓶15和空氣壓縮機16分別通過減壓閥17和流量計18及相應管路依次連接，且通過管路及相應控制閥門與設置在反應管錐形下部出口處的四通閥8相連，用于提供不同氣化工藝所需的氣化劑(氮氣鋼瓶15不用做氣化劑，只用于浸泡時向反應管提供壓力)；且所述氮氣鋼瓶15通過管路及相應控制閥門與反應管蓋9上設置的進水口相連，實驗氣化結束后向不銹鋼制成的反應管2中注入地下水和提供壓力模擬承壓地下水對氣化殘渣浸泡。
[0027]C、所述煤氣處理與分析系統主要用于煤炭地下氣化過程中粗煤氣的凈化、氣體組分分析和焦油、洗滌水中有害物質的檢測；它包括通過管路依次相連的冷凝裝置19、洗滌裝置20、干燥裝置21和濕式氣體流量計22、氣體分析儀23，所述冷凝裝置19通過管路及相應控制閥門與反應管蓋9上設置的出氣口相連接；更具體說，煤炭地下氣化過程中產生的粗煤氣由反應管蓋9上設置的出氣口導出后，依次經過冷凝裝置19、洗滌裝置20、干燥裝置21和濕式氣體流量計22后，由氣體分析儀23分析氣體的組分，并使用氣相色譜-質譜聯用等分析冷凝后焦油、洗滌水中污染物的成分及含量，實現對煤炭地下氣化粗煤氣凈化后污染物分布的評價。
[0028]d、所述污染承壓水凈化修復實驗系統用于煤炭地下氣化過程中承壓污染地下水的凈化與修復；它包括第一、第二、第三級凈化修復裝置24、25、26，所述的三級凈化修復裝置由三套凈化管通過階梯式串聯組成，并設置落差梯度，三級凈化管底部均采用錐形設計，且在錐形與圓柱體接口處內部固定設置有第二不銹鋼篩網27 (用于放置不同的化學凈化藥劑或凈化吸附材料)；所述三級凈化修復裝置中位于上部的第一級凈化修復裝置24通過管路及相應控制閥門與設置在反應管錐形下部出口處的四通閥8相連。
[0029]更具體說，所述的三級凈化修復裝置24、25、26上端均采用法蘭盤固定凈化管管蓋28，且在凈化管管蓋28上設置進水口、放氣閥和壓力表29，便于上一級水流注入和在線監控各段凈化管中的壓力。所述的三級凈化修復裝置24、25、26均與三通閥30相連，用于各級凈化后水樣的抽取和檢測，隨時掌握污水凈化與修復效果，同時也可使每一級凈化管成為一個獨立的凈化與修復單元，適用于不同的凈化工藝。所述的三級凈化修復裝置24、25、26管蓋28上設置的進水口通過金屬軟管與上級出水口的三通閥30相連，并通過三級凈化修復裝置24、25、26的落差梯度和三通閥30控制凈化管中水的流向。凈化結束后，檢測經凈化處理后污水的成分和濃度，檢驗凈化與修復效果。
[0030]污染承壓水凈化修復實驗系統的具體工作方式如下:
實體煤地下氣化模擬實驗結束后，殘留的半焦及灰渣將留在不銹鋼制成的反應管2中，在高溫狀態下，利用水泵12抽取水槽10中的地下水，經由反應管蓋9上的進水口向不銹鋼制成的反應管2中注入地下水，對氣化殘渣進行浸泡，利用氮氣鋼瓶15經閥門控制向不銹鋼制成的反應管2中輸入氮氣，由反應管蓋9上固定的壓力表5測定不銹鋼制成的反應管2內的壓力，通過調節輸入不銹鋼制成的反應管2中的氣體量來達到不同的壓力，實現氣化殘渣在不同承壓條件下地下水中的浸泡。當浸泡實驗結束后，由四通閥8抽取少量浸出液，采用氣相色譜-質譜聯用、原子吸收光譜和等離子體質譜等檢測浸出液中有害組分及濃度，分析氣化殘留渣中有害成分在承壓地下水中的溶出及遷移規律。然后，通過調節四通閥8將浸泡后污染地下水注入后續三級凈化修復裝置，對煤炭地下氣化污染地下水進行凈化與修復處理。
[0031]這樣，當進行煤炭地下氣化模擬試驗時，將實體煤裝入不銹鋼制成的反應管2，通過煤炭地下氣化模擬氣化爐系統控制實體煤氣化，氣化劑則由氣化劑供給系統提供，并可通過調節氣化劑供給系統實現不同的氣化工藝。氣化過程中所產生的粗煤氣依次經過冷凝裝置19、洗滌裝置20、干燥裝置21和濕式氣體流量計22后，由煤氣處理與分析系統中的氣體分析儀23檢測煤氣中有害成分，并利用氣相色譜-質譜聯用以及水質分析儀對粗煤氣經冷凝后產生的焦油及經洗滌后洗滌水的中污染物進行檢測，綜合評估粗煤氣中有害成分的種類、含量及分布。
[0032]氣化結束后，停止立式電阻爐I的加熱和氣化劑供給系統中氣化劑的供給，打開水泵12向不銹鋼制成的反應管2中注入地下水對氣化殘渣進行高溫浸泡，通過氮氣鋼瓶15向不銹鋼制成的反應管2中注入氣體使管內壓力達到預設值，模擬煤炭地下氣化殘渣在承壓地下水的浸泡，并利用氣相色譜-質譜聯用、原子吸收光譜和等離子體質譜等檢測浸出液污染物的成分及濃度，評估氣化殘留渣中有害成分在承壓地下水中的溶出及遷移規律。浸泡結束后，打開四通閥8，將浸泡水注入承壓水凈化修復實驗系統，進行凈化與修復實驗，并檢測經凈化處理后浸泡水的成分和濃度，檢驗凈化效果。
【權利要求】
1.一種煤炭地下氣化污染評價及地下水污染凈化修復綜合實驗系統，其特征在于:它包括煤炭地下氣化模擬氣化爐系統、氣化劑供給系統、煤氣處理與分析系統和污染承壓水凈化修復實驗系統； a、所述煤炭地下氣化模擬氣化爐系統包括安裝在立式電阻爐內的反應管，所述反應管底部采用錐形設計，并在錐形與圓柱體接口處內部固定設置第一不銹鋼篩網，反應管錐形下部出口通過四通閥分別與污染承壓水凈化修復實驗系統、氣化劑供給系統的相應裝置相連接，在反應管上端固定安裝有反應管蓋，在反應管蓋上安裝有壓力表、安全閥，在反應管中設置有熱電偶，熱電偶通過電連接方式與溫控儀相連，在反應管蓋上設置有與氣化劑供給系統相連接的進水口、與煤氣處理與分析系統相連接的出氣口 ； b、所述氣化劑供給系統包括水槽、水蒸氣發生器、水泵、氧氣鋼瓶、二氧化碳鋼瓶、氮氣鋼瓶和空氣壓縮機；所述水槽采用三通閥分別與水蒸氣發生器和水泵的進水口相連，所述水泵的出水口通過管路與反應管蓋上設置的進水口相連；所述水蒸氣發生器、氧氣鋼瓶、二氧化碳鋼瓶、氮氣鋼瓶和空氣壓縮機分別通過減壓閥和流量計及相應管路依次連接，且所述水蒸氣發生器、氧氣鋼瓶、二氧化碳和空氣壓縮機通過管路及相應控制閥門與設置在反應管錐形下部出口處的四通閥相連；所述氮氣鋼瓶通過管路及相應控制閥門與反應管蓋上設置的進水口相連； C、所述煤氣處理與分析系統包括通過管路依次相連的冷凝裝置、洗滌裝置、干燥裝置和濕式氣體流量計、氣體分析儀，所述冷凝裝置通過管路及相應控制閥門與反應管蓋上設置的出氣口相連接； d、所述污染承壓水凈化修復實驗系統包括第一、第二、第三級凈化修復裝置，所述的三級凈化修復裝置由三套凈化管通過階梯式串聯組成，并設置落差梯度，三級凈化管底部均采用錐形設計，且在錐形與圓柱體接口處內部固定設置有第二不銹鋼篩網；所述三級凈化修復裝置中位于上部的第一級凈化修復裝置通過管路及相應控制閥門與設置在反應管錐形下部出口處的四通閥相連。
【文檔編號】G01N21/31GK104297186SQ201410587431
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月29日 優先權日:2014年10月29日
【發明者】諶倫建, 邢寶林, 徐冰, 郭暉, 儀桂云, 黃光許 申請人:河南理工大學