一种装置与应用及煤炭地下气化污染评价系统与方法与流程

1.本发明属于煤炭地下气化技术领域，涉及一种装置与应用及煤炭地下气化污染评价系统与方法。


背景技术：

2.煤炭地下气化是将建井、采煤、气化三大工艺合而为一的化学采煤技术，它通过地面控制手段使地下煤层有控制的发生热反应和化学反应，从而生产含有氢气、甲烷等可燃组分的合成气。该技术能够有效动用采矿工程无法开发的中深部(大于800m)煤层资源，可实现薄煤层、高含硫、高灰份、高倾角以及“三下”煤层的有效开发，而且能够将固体颗粒、残渣、煤夹矸等固体污染物留在地下减少环境污染。相比煤炭地面气化，煤炭地下气化在经济性、安全性、资源利用率上都更具优势，并且后期有潜力改造成为地下油气储库，煤炭地下气化技术从能源供给(氢能、天然气)和调峰保障(地下储库)方面都有巨大的发展潜力，是煤炭清洁化利用和国家能源转型的重要技术途径，符合我国低碳、绿色、可持续发展的能源战略。
3.煤炭地下气化的污染风险是制约该技术发展的重要原因。煤炭气化过程会产生有机污染物和无机污染物，有机污染物主要以酚类、苯及其衍生物、多环芳烃为主，无机污染物主要以重金属(锌、铅、镉、砷)、氨盐、硫酸盐、氰化物为主，污染物以气态和固态的形式存在于合成气和残渣、半焦中。由于煤炭地下气化在高温高压的地下封闭环境中运行，通过地层孔隙、裂缝运移后的合成气会对地层水或周围地层造成污染；气化结束后煤层水进入气化腔后浸泡固体残渣、半焦，使得污染物进入地层水中，会对地下水层造成极大威胁。相比煤炭地面气化，煤炭地下气化在数据传输以及操作动作上都存在滞后性，一旦煤炭地下气化造成环境污染后将难以有效补救，问题严重时甚至导致项目关停。因此，掌握煤炭地下气化过程中合成气逸散范围以及固体污染物浸出与迁移规律，对于煤炭地下气化建设以及后期环境治理都有重大意义。
4.煤炭地下气化水污染治理修复技术包括抽出地面处理技术、化学氧化技术、生物降解技术等，但是关于合成气逸散及地下水污染评价试验装置的专利和研究较少。cn104297186a提出了煤炭地下气化污染评价及地下污染净化修复综合实验系统，但是该试验系统无法对合成气逸散情况进行评估，而且不能模拟煤层赋存状态以及承压水。目前，在煤炭地下气化合成气逸散及地下水污染评价装置方面存在以下问题：1.无法模拟煤层赋存状态，即无法模拟煤层所受垂向应力、水平应力以及孔隙压力；2.无法模拟不同气化剂类型和工艺参数下的煤炭地下气化反应；3.无法检测合成气逸散、标定逸散边界；4.试验装置无法实现污水检测治理功能，不能为煤炭地下气化治污方案优选及工艺参数优化提供支撑。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种能够模拟煤炭真实赋存条件的物模实验装置，该装置能够模拟深煤层(例如1500米以下的煤层)的围压、孔压。该物模实验装置与其他设备配合
实现考虑煤层真实赋存条件的煤炭地下气化污染评价试验，通过模拟更真实的煤炭地下气化条件更科学、有效的指导煤炭地下气化环境评估和污水治理，填补了煤炭地下气化污染评价试验技术的空白。
6.为了实现上述目的，本发明提供了一种装置，该装置包括实验舱，实验舱设有实验腔；
7.所述实验腔包括可拆卸连接的实验腔盖和实验腔桶体，所述实验腔桶体由桶底和双层筒体构成，所述双层筒体包括内筒和外筒；其中，所述内筒用于装载待检测样品；
8.所述外筒的内壁与所述内筒的外壁之间形成空腔，所述空腔内设有围压施加部件，围压施加部件与围压管线连接；施加围压所用的注入介质通过所述围压管线进入所述围压施加部件实现所述围压施加部件对所述实验腔内筒施加围压从而实现对装载于所述实验腔内筒中的待检测样品施加围压；
9.所述内筒的筒壁上设有孔压注入孔，所述孔压注入孔与孔压管线连接，施加孔压所用的注入介质通过所述孔压管线进入所述孔压注入孔内对装载于所述实验腔内筒中的待检测样品施加孔压；
10.实验腔盖和/或实验腔桶体的桶底上设有实验注入流体通道以及实验产出流体通道；实验注入流体通道以及实验产出流体通道均与实验腔内筒内部连通。
11.在上述装置中，所述实验腔桶体的桶底和/或实验腔端盖上设有实验流体注入通道、实验流体产出通道，具体可以在实验腔桶体的桶底上同时设有实验流体注入通道和实验流体产出通道，此时实验腔端盖上可以设也可以不设实验流体注入通道和/或实验流体产出通道；也可以在实验腔端盖上同时设有实验流体注入通道和实验流体产出通道，此时实验腔桶体的桶底上可以设也可以不设实验流体注入通道和/或实验流体产出通道；还可以在实验腔端盖上设实验流体注入通道，在实验腔桶体的桶底上设实验流体产出通道；还可以在实验腔端盖上设实验流体产出通道，在实验腔桶体的桶底上设实验流体注入通道。
12.在上述装置中，优选地，所述围压施加部件包括若干液压杆，所述液压杆一端固定于所述外筒的内壁上，另一端作用于所述实验腔内筒的外壁上；更优选地，所述液压杆设有液压杆滑动头，所述内筒的外壁设有液压杆滑轨，通过所述液压杆的液压杆滑动头与所述外筒的液压杆滑轨进行滑轨滑动连接的方式实现液压杆与内筒的外壁连接；进一步优选地，所述液压杆设有依次连接的液压杆固定底座、液压伸缩杆和液压杆滑动头，所述液压杆通过所述液压杆固定底座固定在所述外筒的内壁上。在一优选实施方式中，所述实验腔的内筒是由4块板围成的两端开口的长方体(包括正方体)；对于每块板，其中该板仅一端抵靠在与其相邻的一块板的板面上且该板的板面作为与其相邻的另一块板的抵靠板面；每块板均能够沿其抵靠板面滑动；由此所述板形成的空间可以沿水平和/或竖直方向缩小或放大。在该优选方案中，压液杆采用了外壁固定，而内壁采用滑轨滑动的设计方式，更有助于解决在单一方向施加围压时内壁板可能会在铅锤面上发生移动的问题。
13.在上述装置中，优选地，实验腔能够承受至少1300℃、至少35mpa压力并实现密封；更优选地，实验腔内筒、外筒、实验腔盖以及实验腔桶体的桶底选用抗温抗压钢材。
14.在上述装置中，优选地，孔压注入管线能够承受至少35mpa压力，围压注入管线能够承受至少35mpa压力。
15.在上述装置中，孔压注入管线上可以设置单向阀，用以避免孔压注入介质回流。
16.在上述装置中，优选地，实验舱进一步设有围压数据监测件，围压数据监测件用以采集实验腔内筒上的围压数据，围压数据监测件优选使用应力传感器且该应力传感器设置于实验腔内筒的筒壁上。
17.在上述装置中，优选地，实验舱进一步设有孔压数据监测件，孔压数据监测件用以采集孔压注入孔的压力数据，孔压数据监测件优选使用压力传感器且该压力传感器与孔压注入孔连接。
18.在上述装置中，优选地，所述实验舱进一步设有实验舱外壳，所述实验舱外壳设于实验腔外部，所述实验舱外壳包括可拆卸连接的外壳盖和外壳桶体，所述外壳盖和外壳桶体可以通过至少两个密封螺栓可拆卸的连接在一起；更优选地，所述实验舱进一步设有耐火砖，所述耐火砖设于实验舱外壳与实验腔之间的空腔内。其中，实验舱外壳可以选用耐高压钢板材料。所述实验腔外壳桶体可以通过桶壁和桶底一体成型形成实验腔外壳桶体也可以通过桶壁和桶底可拆卸的连接在一起组成实验腔外壳桶体；优选通过桶壁和桶底可拆卸的连接在一起组成实验腔外壳桶体。
19.在上述装置中，优选地，实验舱设有数据采集组件，所述数据采集组件包括气体数据采集件，气体数据采集件用以采集实验腔内筒中气体co、co2、ch4、h2的逸散浓度和逸散量中的至少一者；更优选地，所述气体数据采集件进一步用以采集实验腔内筒中的氧气浓度，一旦氧气浓度超过爆炸极限，立即警报并停止试验。在一具体实施例中，气体数据采集件包括气体检测传感器和气体检测采集器，气体检测传感器设于实验舱内部而气体检测采集器设于实验舱外部，气体检测传感器与气体检测采集器连接。在一具体实施例中，根据气体数据的测试需要，在待测样品中自上到下，自左到右、自前到后设置若干气体检测传感器。
20.在上述装置中，优选地，实验舱设有数据采集组件，所述数据采集组件包括温度数据采集件、应力应变数据采集件和孔隙压力数据采集件中的至少一者；其中，温度数据采集件用以采集实验腔内筒中装载的待检测样品的温度数据，应力应变数据采集件用以采集实验腔内筒中装载的待检测样品的应力应变数据，孔隙压力数据采集件用以采集实验腔内筒中装载的待检测样品的孔隙压力。在一具体实施例中，温度数据采集件包括热电偶和温度采集器，热电偶设于实验舱内部而温度采集器设于实验舱外部，热电偶与温度采集器连接。在一具体实施例中，应力应变数据采集件包括应力应变传感器和应力应变数据采集器，应力应变传感器设于实验舱内部而应力应变数据采集器设于实验舱外部，应力应变传感器与应力应变数据采集器连接。在一具体实施例中，孔隙压力数据采集件包括压力传感器和压力采集器，压力传感器设于实验舱内部而压力采集器设于实验舱外部，压力传感器与压力采集器连接。在一具体实施例中，根据温度测试需要，在待测样品中自上到下，自左到右、自前到后设置若干热电偶。在另一具体实施例中，根据应力应变测试需要，在待测样品的局部部位自上到下，自左到右、自前到后设置若干应力应变传感器。在另一具体实施例中，根据孔隙压力的测试需要，在待测样品的局部部位自上到下，自左到右、自前到后设置若干孔隙压力传感器。
21.在上述装置中，优选地，实验舱设有至少一个数据采集布线通道，所述布线通道供温度数据采集件布线、供应力应变数据采集件布线、供孔隙压力数据采集件布线和供气体数据采集件布线四者中的至少一者使用。在一具体实施例中，温度数据采集件包括热电偶和温度采集器，热电偶设于实验舱内部而温度采集器设于实验舱外部，热电偶与温度采集
器通过数据布线通道实现线路连接。在一具体实施例中，应力应变数据采集件优选包括应力应变传感器和应力应变数据采集器，应力应变传感器设于实验舱内部而应力应变数据采集器设于实验舱外部，应力应变传感器与应力应变数据采集器通过数据布线通道实现线路连接。在一具体实施例中，孔隙压力数据采集件包括压力传感器和压力采集器，压力传感器设于实验舱内部而压力变采集器设于实验舱外部，压力传感器与压力采集器通过数据布线通道实现线路连接。在一具体实施例中，气体数据采集件包括气体检测传感器和气体检测采集器，气体检测传感器设于实验舱内部而气体检测采集器设于实验舱外部，气体检测传感器与气体检测采集器通过数据布线通道实现线路连接。
22.在上述装置中，优选地，通过所述围压施加部件能够实现对实验腔内筒中装载的待测样品施加垂向作用力和水平作用力。更优选地，用以施加水平作用力的围压施加部件、用以施加垂向作用力的围压施加部件分别与不同的围压注入管线连接从而实现水平作用力、垂向作用力大小的分别控制。
23.在一具体实施方式中，所述实验腔内筒为左右开口的筒体，实验腔内筒的上壁与实验腔外筒的上壁之间形成的空腔设有围压施加部件、实验腔内筒的下壁与实验腔外筒的下壁之间形成的空腔设有围压施加部件、实验腔内筒的前壁与实验腔外筒的前壁之间形成的空腔设有围压施加部件、实验腔内筒的后壁与实验腔外筒的后壁之间形成的空腔设有围压施加部件。
24.在上述装置中，优选地，孔压注入孔在实验腔内筒的筒壁中进行设置，且能够实现对实验腔内筒中装载的待测样品在水平方向施加孔压。更优选地，不同高度的孔压注入孔与不同的孔压注入管线连接从而实现对不同高度的孔压注入孔施加不同的孔压，有助于模拟孔隙压力随深度的变化。在一具体实施方式中，实验腔内筒为左、右端开口的筒体，实验腔内筒的前壁、后壁均设置有孔压注入孔。
25.在上述装置中，优选地，所述实验腔盖和实验腔桶体通过至少两个密封螺栓可拆卸的连接在一起。
26.在上述装置中，优选地，实验舱外壁是长方体形状的。
27.在上述装置中，优选地，孔压注入孔在实验腔内筒的壁上等距排布。通常可以按照一定规律等距排布，在一具体实施方式中，实验腔内筒的形状为左右两端开口的长方体，实验腔内筒的前壁、后壁按照横向距离为a纵向距离为b等间距设置孔压注入孔。
28.在上述装置中，优选地，所述实验舱设有孔压卸压孔。
29.在上述装置中，所述实验腔桶体可以通过外筒和桶底一体成型形成也可以通过双层筒体和桶底可拆卸的连接在一起组成实验腔桶体。
30.上述装置可以用做煤炭地下气化污染评价试验用污染评价装置，当使用上述装置做污染评价装置时，实验腔选材符合煤炭地下试验用污染评价装置常规要求如耐高温要求、实验舱密闭性符合煤炭地下试验用污染评价装置常规要求即可。
31.本发明还提供一种上述装置在煤炭地下气化污染评价试验中作为污染评价装置的应用。
32.当使用上述装置作为污染评价装置时，实验腔用于进行待测样品气化实验可以称为气化腔，相应的实验腔盖可以称为气化腔盖、实验腔桶体可以称为气化腔桶体、实验腔外筒可以称为气化腔外筒、实验腔内筒可以称为气化腔内筒、实验舱可以称为污染评价装置
本体、实验舱外壳可以称为污染评价装置外壳、实验舱的外壳盖可以称为污染评价装置的盖、实验舱的外壳桶体可以称为污染评价装置的外桶、实验注入流体通道可以称为气化剂注入通道、实验产出流体通道可以称为合成气产出通道。
33.本发明还提供一种煤炭地下气化污染评价系统，该系统包括污染评价装置，气化剂制备单元，围压、孔压加载单元，合成气处理单元，污水检测单元和点火单元；
34.所述污染评价装置使用本发明提供的上述装置；
35.所述气化剂制备单元与所述污染评价装置的实验注入流体通道连接，用以向所述污染评价装置注入气化剂；围压、孔压加载单元分别与装置的围压注入管线和孔压注入管线连接，用以向所述污染评价装置施加围压和孔压；合成气处理单元与所述污染评价装置的实验产出流体通道连接，用以处理装置产出的合成气；点火单元与气化剂制备单元以及装置连接，用以实现装置的实验腔内筒中装载的待检测样品的点火操作；污水检测单元与所述污染评价装置连接，用以检测污染评价装置中产出的污水的水质。
36.在上述煤炭地下气化污染评价系统中，优选地，所述气化剂制备单元能够实现空气、富氧空气、富氧空气与水蒸气的混合气三种气化剂类型中至少一者的制备；更优选地，所述气化剂制备单元包括氧气瓶、氧气流量控制组件、氮气瓶、氮气流量控制组件、蒸汽生成器、蒸汽流量控制组件、空气压缩机、空气流量控制组件，氧气流量控制组件连接与氧气瓶连接用以控制氧气的供给流量、氮气流量控制组件与氮气瓶连接用以控制氮气的供给流量、蒸汽流量控制组件与蒸汽生成器连接用以控制蒸汽的供给流量、空气流量控制组件与空气压缩机连接用以控制空气的供给流量，其中，氧气流量控制组件、氮气流量控制组件、蒸汽流量控制组件、空气流量控制组件均可以包括气体流量计以及可控制开度的阀门；进一步优选地，所述气化剂制备单元进一步包括压力计量表和温度计两者中的至少一者，压力计量表用以计量氧气瓶供给的氧气和/或氮气瓶供给的氮气和/或蒸汽生成器供给的蒸汽和/或空气压缩机供给的空气和/或供给的气化剂的压力，温度计用以计量氧气瓶供给的氧气和/或氮气瓶供给的氮气和/或蒸汽生成器供给的蒸汽和/或空气压缩机供给的空气和/或供给的气化剂的温度，其中，温度计优选为热电偶温度计。
37.在上述煤炭地下气化污染评价系统中，优选地，所述污染评价装置的实验腔内筒中装载的待检测样品包括煤层，且煤层预制有井眼，所述井眼分别与所述实验注入流体通道和实验产出流体通道连通；更优选地，所述井眼中设有可燃筛管或者套管用以支撑井眼。其中，待测样品优选进一步包括顶板和底板，顶板设于煤层之上，底板设于煤层之下。在一具体实施方式中，煤层由立方体煤块依次排列组成。在一具体实施方式中，顶板、底板的设置符合相似准则(通常制备好的顶板、底板和实际地层的顶板、底板的岩石力学性质一致)。在一具体实施方式中，顶板、底板的厚度设置符合相似准则，试验系统中顶板厚度比真实地层顶板厚度为1/5-1/40，试验系统中底板厚度比真实地层底板厚度为1/5-1/40。进一步优选地，当实验舱设有气体数据采集件时，气体数据采集件用以采集实验过程中煤层以及顶板的气体数据，其中气体数据包括气体co、co2、ch4、h2、o2的逸散浓度和逸散量中的至少一者(优选进一步包括氧气浓度)；在一具体实施例中，在待测样品中沿井眼延伸方向等间距设置多组气体检测传感器，每组气体检测传感器均设置于待测样品上垂直于井眼延伸方向的一个截面上且每组气体检测传感器包括若干气体检测传感器；其中，在每组气体检测传感器的设置截面上，沿自顶板到井眼的纵向上设置若干热电偶，沿水平方向设置若干热电
偶。进一步优选地，当实验舱设有温度数据采集件时，温度数据采集件用以采集实验过程中煤层以及顶板和底板的温度数据；在一具体实施例中，在待测样品中沿井眼延伸方向等间距设置多组热电偶，每组热电偶均设置于待测样品上垂直于井眼延伸方向的一个截面上且每组热电偶设有若干热电偶；其中，在每组热电偶的设置截面上，沿自顶板到底板的纵向上设置多排热电偶且越靠近井眼相邻热电偶之间的排间距越小，在每排热电偶中越靠近井眼相邻热电偶的间距越小。进一步优选地，当实验舱设有应力应变数据采集件时，用以采集顶板的应力应变数据；在一具体实施方式中，应力应变传感器设置于煤层顶部和/或顶板上沿井眼延伸方向等间距设置多组应力应变传感器，每组应力应变传感器均设置于待测样品上垂直于井眼延伸方向的一个截面上且每组应力应变传感器设有若干应力应变传感器。进一步优选地，当实验舱设有孔隙压力数据采集件时，孔隙压力数据采集件用以采集煤层和/或顶板的孔隙压力；在一具体实施方式种，孔隙压力传感器设置于煤层和/或顶板上沿井眼延伸方向等间距设置多组孔隙压力传感器，每组孔隙压力传感器均设置于待测样品上垂直于井眼延伸方向的一个截面上且每组孔隙压力传感器设有若干孔隙压力传感器。
38.在上述煤炭地下气化污染评价系统中，优选地，所述围压、孔压加载单元包括伺服增压器、压力控制器、围压增压泵、孔压增压泵、围压液源罐和孔压液源罐，所述围压液源罐和孔压液源罐分别提供施加围压所用的注入介质和施加孔压所用的注入介质，围压液源罐、围压增压泵、伺服增压器依次连接，孔压液源罐、孔压增压泵连接、伺服增压器依次连接，伺服增压器的流体出口分别与污染评价装置的围压注入管线和孔压注入管线连接从而实现围压、孔压加载单元分别与污染评价装置的围压注入管线和孔压注入管线连接，压力控制器与伺服增压器连接用以控制伺服增压器的压力施加控制。围压液源罐提供的注入介质经过围压增压泵进行一级加压、然后再经过伺服增压器进行二级加压，然后通过围压注入管线流入污染评价装置的围压施加部件为污染评价装置的围压施加部件提供压力，其中服增压器按照所述压力控制器中的压力值对注入介质进行二级增压并达到设定值；孔压液源罐提供的注入介质经过孔压增压泵进行一级加压、然后再经过伺服增压器进行二级加压，然后通过孔压注入管线流入污染评价装置的孔压注入孔为污染评价装置的孔压注入孔提供压力，其中伺服增压器按照所述压力控制器中的压力值对注入介质进行二级增压并达到设定值。伺服增压器通过高压密封管线与围压管线和孔压管线相连。更优选地，污染评价装置设有围压数据监测件和孔压数据监测件，围压数据监测件用以采集实验腔内筒上的围压数据，孔压数据监测件用以采集孔压注入孔的压力数据，围压数据监测件和孔压数据监测件分别与压力控制器连接，将围压数据监测件和孔压数据监测件采集到的数据传输到压力控制器中；其中，围压数据监测件优选使用应力传感器且该应力传感器设置于实验腔内筒的筒壁上、孔压数据监测件优选使用压力传感器且该压力传感器与孔压注入孔连接。其中，围压、孔压加载单元优选进一步包括计算机，所述计算机与压力控制器连接，用以对围压、孔压压力加载和卸载过程进行实时的监控、数据采集和分析。
39.在上述煤炭地下气化污染评价系统中，优选地，所述点火单元包括点火控制器和电热丝，所述点火控制器作为点火开关，用于控制试验过程中初始点火和连续的后退点火操作，所述电热丝设置于实验腔装载的待测样品中用于提供试验过程中煤炭燃烧所需温度，配合助燃剂实现点火操作。更优选地，所述电热丝的一端设置于实验腔装载的待测样品中，另外一端设置于污染评价装置外，能够电热丝在实验腔装载的待测样品中拖动。通过拖
动电热丝能够实现模拟不同的点火位置从而模拟受控注入点连续后退工艺。
40.在上述煤炭地下气化污染评价系统中，优选地，当所述污染评价装置的实验舱设有气体数据采集件、温度数据采集件、应力应变数据采集件和孔隙压力数据采集件四者中的至少一者时，所述煤炭地下气化污染评价系统进一步包含数据采集单元，数据采集单元包括计算机，所述计算机与气体数据采集件、温度数据采集件、应力应变数据采集件和孔隙压力数据采集件四者中的至少一者连接，用以存储、分析与该计算机连接的数据采集件采集到的数据；其中，温度数据采集件用以采集实验腔内筒中装载的待检测样品的温度数据，应力应变数据采集件用以采集实验腔内筒中装载的待检测样品的应力应变数据，孔隙压力数据采集件用以采集实验腔内筒中装载的待检测样品的孔隙压力
41.在上述煤炭地下气化污染评价系统中，优选地，合成气处理单元包括除尘器、除焦器、除硫器和燃烧室，其中除尘器、除焦器、除硫器均设置于燃烧室之前即所述实验流体产出通道排出的合成气经过除尘器、除焦器和除硫器处理后再进入燃烧室进行处理；其中，除尘器用于除去实验流体产出通道排出的合成气中的固体粉尘，除焦器用于除去所述合成气中的焦油，除硫器用于除去所述合成气中的含硫毒气，燃烧室用于对所述合成气进行燃烧处理。更优选地，所述合成气处理单元进一步包括气体检测设备，气体检测设备用以对除尘器、除焦器、除硫器处理后的合成气进行组分分析和计量；所述气体检测设备可以选用气相色谱仪。其中，所述合成气处理单元优选包括冷却器，所述冷却器设置于除尘器、除焦器和除硫器之前，用于对实验流体产出通道排出的合成气进行降温，避免高温气体损害后续试验装置。
42.在上述煤炭地下气化污染评价系统中，优选地，所述污水检测单元包括注水设备和水质检测设备，所述注水设备与所述污染评价装置的实验注入流体通道连接，用以向所述污染评价装置注入水从而驱替出实验腔内筒中的污水，所述水质检测设备用以检测污染评价装置的实验腔内筒中排出的污水的水质。更优选地，所述污水检测单元进一步包括沉淀罐，沉淀罐与所述污染评价装置的实验产出流体通道连接用以沉淀污水中的固体残渣、煤粉等颗粒，所述水质检测设备与沉淀罐连接对沉淀罐沉淀后污水进行检测从而实现水质检测设备对污染评价装置的实验腔内筒中排出的污水的水质进行检测。进一步优选地，所述污水检测单元包括污水净化设备，所述污水净化设备与沉淀罐的水出口连接，用以对污水进行净化处理，所述水质检测设备进一步与污水净化设备连接，所述水质检测设备进一步用以检测污水净化设备进行污水净化过程中以及污水净化后的污水水质。再优选地，所述污水净化设备包括地下水一级净化装置、地下水二级净化装置和地下水三级净化装置，所述水质检测设备分别与地下地下水一级净化装置、地下水二级净化装置和地下水三级净化装置连接，用以检测地下水一级净化装置、地下水二级净化装置和地下水三级净化装置进行污水净化后的污水水质；污水净化设备根据试验需要分级对地下污水进行净化治理，净化后的地下污水经过水质检测设备进行检测评估。其中，所述水质检测设备优选包括有机污染物检测装置和无机污染物检测装置，所述有机污染物检测装置可以选用气相色谱质谱联用仪(gc-ms)，所述无机污染物检测装置可以选用等离子发射质谱联用仪(icp-ms)。地下污水经过三级净化后可以进入污水回收罐进行回收，也可以重复利用作为注入水用于后续实验中驱替实验腔内筒中的污水从而模拟地下水抽出地面处理工艺。该单元中的污水净化设备也可以模拟化学氧化技术、生物降解技术等治污工艺。在上述煤炭地下气化污染评
价系统中，所有承压的连接管线优选使用能够承受至少35mpa压力并能够实现良好的密封的耐高压管线。
43.本发明还提供一种煤炭地下气化污染评价方法，该方法使用上述煤炭地下气化污染评价系统进行，该方法包括：
44.1)准备气化污染评价用顶板、底板和煤层，在煤层中按照需要模拟的井型预制井眼并按照初次点火位置在预制的井眼中设置电热丝，在实验腔内筒中按照由下到上为底板-煤层-顶板的顺序将底板、煤层和顶板填充进实验腔内筒中，并将上述煤炭地下气化污染评价系统连接好；
45.2)根据模拟地区煤层的围压及孔压值进行围压、孔压施加；
46.3)进行煤层模拟气化：在对煤层注入助燃剂的条件下使用点火单元在点火位置进行煤层点火，煤层点着后向煤层注入气化剂进行煤层气化，完成煤层模拟气化过程；煤层模拟气化过程中产生的合成气进入合成气处单元进行处理后排放；
47.4)气化腔污水检测：向实验腔注水将气化腔内污水驱替出来，对驱替出来的污水进行水质检测实现水污染评价；
48.从而完成煤炭地下气化污染评价。
49.在上述煤炭地下气化污染评价方法中，优选地，在准备气化污染评价用顶板、煤层、底板之前，进行模拟地区煤层的真实顶板、底板的岩石力学试验，然后根据测得的力学性质结合材料相似原理，制备气化实验用顶板、底板；
50.在上述煤炭地下气化污染评价方法中，优选地，采用自模拟地区煤层获得的煤块制备气化实验用煤层。更优选地，制备气化实验用煤层的各煤块之间用煤粉、黏土进行涂抹，确保煤层的完整性。在一具体实施方式中，将自模拟地区煤层获得的煤块切割成规则的立方体煤块，利用这些煤块组合形成气化实验用煤层。
51.在上述煤炭地下气化污染评价方法中，优选地，煤层与顶板、底板连接处用煤粉和黏土进行涂抹，确保煤层和顶板、底板的密封性和完整性。
52.在上述煤炭地下气化污染评价方法中，优选地，在煤层与实验腔内筒的内壁间填充沙子。利用细砂层良好的渗流、力学缓冲特性，在模拟地层材料与实验腔内壁间填充细砂缓冲层以减少孔压注入介质对地层材料的破坏，降低孔压注入介质的注入难度，缩短顶板、煤层的孔压平衡时间，提高孔压平衡效率。
53.在上述煤炭地下气化污染评价方法中，优选地，根据气化污染评价需要在气化污染评价用顶板和/或底板和/或煤层中预制气体数据采集件的安装孔，并将气体数据采集件安装到气化污染评价用顶板和/或底板和/或煤层中。更优选地，在步骤3)煤层模拟气化过程中，使用气体数据采集件进行合成气逸散检测。采集到的数据可以在数据采集单元(例如计算机)中进行存储、分析。进一步优选地，根据合成气逸散检测结果，绘制逸散气体体积和/或浓度等值线图，标定出不同气体的逸散边界；逸散气体的种类包括co、co2、ch4和h2中的至少一种。
54.在上述煤炭地下气化污染评价方法中，优选地，在步骤3)煤层模拟气化过程中，使用气体数据采集件进行氧气浓度监测，一旦氧气浓度超过爆炸极限，立即警报并停止试验。
55.在上述煤炭地下气化污染评价方法中，优选地，根据气化污染评价需要在气化污染评价用顶板和/或底板和/或煤层中预制温度数据采集件、应力应变数据采集件以及孔隙
压力数据采集件的安装孔，并将温度数据采集件、应力应变数据采集件以及孔隙压力数据采集件安装到气化实验用顶板和/或底板和/或煤层中。更优选地，在步骤3)煤层模拟气化过程中，使用温度数据采集件、应力应变数据采集件、孔隙压力数据采集件进行数据采集。采集到的数据可以在数据采集单元(例如计算机)中进行存储、分析。
56.在上述煤炭地下气化污染评价方法中，优选地，在煤层预制井眼中下入可燃筛管和/或套管用以支撑井眼。
57.在上述煤炭地下气化污染评价方法中，当模拟u型水平井气化工艺时，可以在煤层中预制单孔井眼。当模拟u型水平井气化工艺时，气化剂进口与合成气出口分别在污染评价装置的相对的两端即实验注入流体通道以及实验产出流体通道分别在实验腔内筒的相对的两端。
58.在上述煤炭地下气化污染评价方法中，优选地，步骤1)中将煤炭地下气化污染评价系统连接好后，先进行调试，调试无问题在进行后续步骤2)。
59.在上述煤炭地下气化污染评价方法中，优选地，模拟地区煤层的围压及孔压值根据模拟地区的煤层气井资料、煤层钻孔资料、试井资料、阵列声波测井资料等分析获得。
60.在上述煤炭地下气化污染评价方法中，优选地，围压施加包括施加垂向作用力和水平作用力。所述垂向作用力、水平作用力用于模拟上覆地层压力和水平主应力。
61.在一具体实施方式中，围压施加过程包括：施加围压所用的注入介质经过围压增压泵进行一级增压，通过压力控制器输入所要施加的围压数值，压力控制器控制伺服增压器对一级增压后的施加围压所用的注入介质进行二级增压，实验腔中的围压施加部件在二级增压后的施加围压所用的注入介质的作用下对实验腔内筒施加围压从而实现对煤层施加围压。更优选地，当围压数据监测件采集到的围压数据达到压力控制器设定的围压数值后，围压维持在设定数值不变。
62.在上述煤炭地下气化污染评价方法中，优选地，孔压施加包括对煤层在纵向上施加压力值不同的孔压实现模拟孔隙压力随深度的变化。
63.在一具体实施方式中，孔压施加过程包括：施加孔压所用的注入介质经过孔压增压泵进行一级增压，通过压力控制器输入所要施加的孔压数值，压力控制器控制伺服增压器对一级增压后的施加孔压所用的注入介质进行二级增压，实验腔中的孔压注入孔在二级增压后的施加孔压所用的注入介质的作用下施加孔压。更优选地，当孔压数据监测件采集到的孔压数据达到压力控制器设定的孔压数值后，孔压维持在设定数值不变。
64.在上述煤炭地下气化污染评价方法中，优选地，围压、孔压施加后在进行步骤3)前进行试压，试压合格则进行步骤3)，试压不合格，则对煤炭地下气化污染评价系统进行检修后重新进行步骤1)；其中，围压、孔压施加完成36h，围压变化范围在
±
5％以内、孔压变化范围在
±
5％，试压合格。试压合格，可以认为煤炭地下气化污染评价系统密闭性良好具备进行后续操作的本条件。
65.在上述煤炭地下气化污染评价方法中，优选地，对围压数据、孔压数据、围压施加过程中所使用的注入介质的体积、围压施加过程中所使用的注入介质的流速、孔压施加过程中所使用的注入介质的体积和孔压施加过程中所使用的注入介质的流速中的至少一者进行采集。在一具体实施方式中，围压数据监测件将采集到的围压数据传输到压力控制器中，孔压数据监测件将采集到的孔压数据传输到压力控制器中，伺服增压器将围压、孔压施
50％且气化剂中水蒸气与氧气的质量比为2:1-4:1，气化剂流速优选为0-30m3/h。
73.在上述煤炭地下气化污染评价方法中，优选地，气化剂的流速优选为0-30m3/h。
74.在一具体实施方式中，使用空气作为气化剂，控制气化剂流速为0-30m3/h，当煤层气化产生的合成气热值降低到初始热值的65％-75％时，拖动电热丝到下一点火位置，重复煤层点火和向点着后的煤层注入气化剂的过程。
75.在一具体实施方式中，使用富氧空气作为气化剂，富氧空气中氧气的体积浓度为21％-90％，气化剂流速为0-30m3/h，当煤层气化产生的合成气热值降低到初始热值的65％-75％时，拖动电热丝到下一点火位置，重复煤层点火和煤层点着后向煤层注入气化剂进行煤层气化的过程。
76.在一具体实施方式中，使用富氧空气 水蒸气作为气化剂，气化剂的注入采用两段式注入；第一段注入富氧空气，富氧空气中氧气的体积浓度为21％-50％，富氧空气流速为0-30m3/h，这一阶段主要是煤炭氧化燃烧放热反应；第二段注入水蒸汽，水蒸气流速为0-30m3/h，这一阶段主要是发生水煤气反应和甲烷化反应；两个阶段依次重复进行；，当煤层气化产生的合成气热值降低到初始热值的65％-75％时，拖动电热丝到下一点火位置，重复煤层点火和煤层点着后向煤层注入气化剂进行煤层气化的过程。
77.在一具体实施方式中，使用富氧空气 水蒸气作为气化剂，气化剂的注入采用一段式注入；富氧空气与水蒸气同时注入到煤层中，其中，富氧空气中氧气的体积浓度为21％-50％且气化剂中水蒸气与氧气的质量比为2:1-4:1，气化剂流速优选为0-30m3/h，当煤层气化产生的合成气热值降低到初始热值的65％-75％时，拖动电热丝到下一点火位置，重复煤层点火和煤层点着后向煤层注入气化剂进行煤层气化的过程。
78.在一具体实施方式中，使用合成气处理单元中的气体检测设备如气相色谱仪对合成气进行组分分析和计量，确定合成气的热值。
79.在上述煤炭地下气化污染评价方法中，优选地，在步骤3)中对气化剂的注入流速、压力、和温度数据进行采集。
80.在一具体实施方式中，煤层模拟气化过程中产生的合成气进入合成气处单元进行处理包括：产生的合成气经过除尘器、除焦器、除硫器分别除去合成气中的固体粉尘、焦油和含硫毒气，然后进入燃烧室进行合成气体燃烧处理，燃烧处理后的气体进行排放；其中，经过除尘器、除焦器、除硫器处理后的合成气使用气相色谱仪每间隔1-5分钟进行一次组分分析和计量。
81.在上述煤炭地下气化污染评价方法中，优选地，在进行气化腔污水检测之前，先对气化腔进行气体吹扫；一方面排出污染评价装置的气化腔内筒中残存合成气，一方面冷却污染评价装置温度。
82.在上述煤炭地下气化污染评价方法中，优选地，在进行气化腔污水检测过程中，所述向实验腔注水注入的为煤层水。
83.在上述煤炭地下气化污染评价方法中，优选地，在进行气化腔污水检测过程中，向实验腔注水将气化腔内污水驱替出来后，向对驱替出来的污水进行固体大颗粒沉降处理后再对污水进行水质检测。
84.在上述煤炭地下气化污染评价方法中，优选地，气化腔污水检测进一步包括驱替出来的污水进行净化处理，并检测净化处理过程中以及净化处理后的污水的水质。
85.在一具体实施例中，通过高压水泵将煤层水注入气化腔井眼中顶替出气化腔内污水，泵注压力小于煤层的孔隙压力，污水首先经过沉淀罐沉降大尺寸固体残渣和煤粉，水质检测设备对沉淀罐的污水进行水质分析，掌握有机、无机污染物种类、含量；流经沉淀罐的污水先后进入三级地下水净化装置，净化装置分级对污水进行净化处理，处理后的污水都经过水质检测设备检测，所有的检测数据都记录在水质检测设备中。经过净化处理的污水有两种处理方法，一种是打开污水回收罐进行集中处理；一种是经过高压水泵再次泵注到气化井眼中，模拟抽出地面处理工艺，该步骤也可以模拟化学氧化技术、生物降解技术等治污工艺。
86.在上述煤炭地下气化污染评价方法中，优选地，气化腔污水检测结束后进行围压、孔压卸载。具体地：关闭围压增压泵、孔压增压泵、通过压力控制器将围压、孔压归零，实验腔内的围压加压部件(例如液压杆)的泵压缓慢减小、作用力缓慢释放，直至围压数据监测件采集到的围压值为零，表明围压已经全部卸载；打开实验舱上的孔压卸压孔，直至孔隙压力采集件采集到的孔隙压力值为零，表明孔压已经全部卸载；待围压、孔压卸载完毕并冷却12小时后，对污染评价装置进行剖解。
87.真实煤层中含有煤层水，国内煤层一般都处于欠压实状态，即煤层的孔隙压力一般小于1mpa/100m，出于安全和环保考虑，煤炭地下气化现场试验时气化剂的注入压力都要小于煤层的孔隙压力，以减少气化过程中合成气向外运移，煤层孔隙压力的大小直接限制了煤炭地下气化过程中气化剂的注入压力，1500m以浅的煤层的气化压力必然小于15mpa，为了更科学的指导煤炭地下气化污染评价，需要在真实孔隙压力下进行开展气化模拟实验。
88.与现有技术相比，本发明的优点在于：
89.(1)本发明提供的装置能够模拟煤炭真实赋存条件，能够模拟深煤层(例如1500米以下的煤层)的围压、孔压，解决了煤层围压、孔压加载难题、填补了该项试验技术空白。在一优选方案中，还能够实现模拟不同煤层产状和气化井型(例如u型水平井、双水平井)。
90.(2)本发明提供的装置与其他设备配合组成的煤炭地下气化污染评价系统能够实现考虑煤层真实赋存条件的煤炭地下气化污染评价，通过模拟更真实的煤炭地下气化条件更科学、有效的指导煤炭地下气化环境评估和污水治理，填补了煤炭地下气化污染评价技术的空白。
91.(3)本发明提供的装置与其他设备配合组成的煤炭地下气化污染评价方法可以对煤层真实赋存状态进行模拟，能够实现煤层真实赋存条件下不同气化类型、工艺参数下的固体污染物浸出迁移规律探索(在一优选方案中还能实现合成气逸散检测规律探索)，；，能够更加科学的指导工程实践。
附图说明
92.图1为实施例1提供的污染评价装置正视图。
93.图2为实施例1提供的污染评价装置左视图。
94.图3为实施例1提供的污染评价装置俯视图。
95.图4为实施例1提供的污染评价装置的实验腔内壁(侧)孔压注入孔示意图。
96.图5为实施例1提供的孔压注入孔的局部放大图。
97.图6为实施例1提供的液压杆的局部放大图。
98.图7为实施例1提供的气化腔内筒的放大图。
99.图8为实施例1提供的内筒上壁的纵向剖面图。
100.图9为实施例1提供的内筒上壁的水平剖面图。
101.图10实施例2提供的污染评价装置的热电偶的布置示意图。
102.图11实施例2提供的污染评价装置的压力压变传感器的布置示意图。
103.图12实施例2提供的污染评价装置的孔隙压力传感器的布置示意图。
104.图13实施例2提供的污染评价装置的气体检测传感器的布置示意图。
105.图14为实施例2提供的煤炭地下气化污染评价系统示意图。
106.图15为实施例3提供的煤炭地下气化污染评价方法流程图。
107.主要附图标号：
108.1氧气瓶，2氮气瓶，3蒸汽生成器，4空气压缩机，5流量压力计量表，6热电偶温度计，7气化剂管线分阀门，8气化剂管线总阀门，9点火控制器，10气化剂注入通道，11污染评价装置左端盖密封螺栓，12污染评价装置外桶，13耐火砖，14气化腔外筒，15液压杆，16气化腔内筒，17预留检测管柱，18温度采集器，19应力应变数据采集器，20孔隙压力采集器，21气体检测采集器，22计算机，23污染评价装置右端盖密封螺栓，24围压、孔压布线通道，25合成气产出通道，26顶板，27煤层，28井眼，29底板，30气化腔，31污染评价装置左端盖，32气化腔左端盖密封螺栓，33气化腔左端盖，34孔压卸压孔，35污染评价装置右端盖，36孔压液源罐，37围压液源罐，38围压增压泵，39孔压增压泵，40压力控制阀，41伺服增压器，42压力控制器，43计算机，44净化管线控制阀，45冷却器，46除尘器，47除焦器，48除硫器，49气体检测设备，50燃烧室，51污水检测单元控制阀，52沉淀罐，53一级地下水净化装置，54二级地下水净化装置，55三级地下水净化装置，56水质检测设备，57污水罐控制阀，58污水回收罐，59高压水泵，60地下水罐控制阀，61地下水罐，62高压水泵控制阀，63压力传感器，64孔压注入孔，65单向阀，66热电偶，67应力应变传感器，68孔隙压力传感器，69气体检测传感器,70液压杆滑轨，71孔压布线槽，72液压杆固定底座，73液压伸缩杆,74液压杆滑动头。
具体实施方式
109.为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
110.实施例1
111.本实施例提供一种能够适用于煤炭地下气化污染评价的污染评价装置，该污染评价装置的结构如图1-图9所示，具体包括污染评价装置本体(即实验舱)，
112.所述污染评价装置本体设有气化腔30(即实验腔)、污染评价装置外壳(即实验舱外壳)和耐火砖13；污染评价装置外壳设于气化腔30外部，耐火砖13设于污染评价装置外壳与气化腔30之间的空腔内；其中，
113.污染评价装置外壳使用厚度1cm的耐高压钢板制备能够承受35mpa高压，其形状为长方体状，具体尺寸高宽长分别2m
×
2m
×
4m；污染评价装置外壳包括可拆卸连接的污染评价装置左端盖31(即外壳盖)和污染评价装置外桶12(即外壳桶体)，污染评价装置外桶12与污染评价装置左端盖31通过8个污染评价装置左端盖密封螺栓11可拆卸的连接在一起；污
染评价装置外桶12由污染评价装置外桶的桶壁和污染评价装置右端盖35通过8个污染评价装置右端盖密封螺栓23可拆卸的连接在一起形成；污染评价装置外桶12的上壁、前壁、后壁各设有4个预留检测管柱17(即数据采集布线通道)，作为气化腔30中的围压数据监测件、孔压数据监测件、温度数据采集件、应力应变数据采集件、孔隙压力数据采集件和气体数据采集件的布线通道；污染评价装置右端盖35设有2个预留柱，分别作为围压、孔压布线通道24和孔压卸压孔34；
114.气化腔30为长方体状包括可拆卸连接的气化腔左端盖33(即实验腔盖)和气化腔桶体(即实验腔桶体)，气化腔桶体与气化腔左端盖33通过8个气化腔左端盖密封螺栓32可拆卸的连接在一起，所述气化腔桶体由双层筒体和桶底构成，包括气化腔外筒14(即实验腔外筒)和气化腔内筒16(即实验腔内筒)，所述气化腔外筒14与桶底一体成型；所述气化腔内筒16由4个尺寸为面积为2.2m
×
1.5m的平板围成且该4个平板围成两端开口的长方体或者正方体，对于每个平板而言，其中该平板仅一端抵靠在与其相邻的一个平板的板面上且该平板的板面作为与其相邻的另一个平板的抵靠板面，每个平板均可以沿其抵靠板面滑动(如图7-图9所示)；由此所述平板形成的空间可以沿水平和竖直方向缩小或放大；气化腔外筒14使用抗温压钢材制备能够承受35mpa高压、1300℃高温；气化腔外筒14的内壁与气化腔内筒16的外壁之间形成空腔，该空腔内设有围压施加部件，围压施加部件与围压管线连接(围压管线包括第一围压管线、第二围压管线、第三围压管线)，所述围压施加部件为液压杆15；液压杆15设有依次连接的液压杆固定底座72、液压伸缩杆73和液压杆滑动头74，气化腔内筒14的外壁设有液压杆滑轨70；液压杆15的液压杆固定底座72固定于气外筒14的内壁上，液压杆15的另一端液压杆滑动头74设置在气化腔内筒16的液压杆滑轨70内，液压杆滑动头74可以沿着液压杆滑轨70滑动；施加围压所用的注入介质通过围压管线进入液压杆15实现液压杆15对气化腔内筒16施加围压从而实现对装载于气化腔内筒16中的待检测样品施加围压；气化腔内筒16的上壁与气化腔外筒14的上壁之间形成的空腔等间距设有与第一围压管线连接的液压杆15共7
×
11个(7排
×
11列)、气化腔内筒16的下壁与气化腔外筒14的下壁之间形成的空腔等间距设有与第二围压管线连接的液压杆15共7
×
11个(7排
×
11列)、气化腔内筒16的前壁与气化腔外筒14的前壁之间形成的空腔等间距设有与第三围压管线连接的液压杆15共6
×
11个(6排
×
11列)、气化腔内筒16的后壁与气化腔外筒14的后壁之间形成的空腔等间距设有与第三围压管线连接的液压杆15共6
×
11个(6排
×
11列)；
115.气化腔内筒16的前壁、后壁内均设有孔压布线槽71，孔压布线槽71中铺设有孔压管线；气化腔内筒16的前壁、后壁设有孔压注入孔64，孔压注入孔64与孔压管线(孔压管线包括第一孔压管线、第二孔压管线
……
、第十孔压管线)连接且在孔压管线上设有单向阀65(设置单向阀65用以避免孔压注入介质回流)，施加孔压所用的注入介质通过孔压管线进入孔压注入孔64内对装载于气化腔内筒16中的待检测样品施加孔压；孔压注入孔64在气化腔内筒16的筒壁中进行设置，气化腔内筒16的前壁等间距设有孔压注入孔64共10
×
24个(10排
×
24列)、气化腔内筒16的后壁等间距设有孔压注入孔64共10
×
24个(10排
×
24列)，其中气化腔内筒16的前壁和后壁上的孔压注入孔64自上而下依次为第一排孔压孔压注入孔64、第二排孔压孔压注入孔64
……
第十排孔压孔压注入孔64，气化腔内筒16的前壁和后壁上的孔压注入孔64分别以排为单位依次与第一孔压管线到第十孔压管线连接，具体而言第一排孔压孔压注入孔64与第一孔压管线连接、第二排孔压孔压注入孔64与第二孔压管线连
接
……
第十排孔压孔压注入孔64与第十孔压管线连接；
116.气化腔30进一步设有围压数据监测件和孔压数据监测件，其中，围压数据监测件用以采集气化腔内筒16的围压数据，选用应力传感器且该应力传感器设置于气化腔内筒16的筒壁上；孔压数据监测件用以采集孔压注入孔64的压力数据，选用压力传感器63且该压力传感器63与孔压注入孔64连接；
117.气化腔30进一步设有数据采集组件，所述数据采集组件包括气体数据采集件、温度数据采集件、应力应变数据采集件和孔隙压力数据采集件；其中，气体数据采集件用以采集气化腔内筒16中气体co、co2、ch4、h2的逸散浓度和逸散量以及氧气浓度，气体数据采集件包括气体检测传感器69和气体检测采集器21，气体检测传感器69设于气化腔内筒16内部而气体检测采集器21设于污染评价装置本体外部，气体检测传感器69与气体检测采集器21通过预留检测管柱17实现线路连接；温度数据采集件用以采集气化腔内筒16中装载的待检测样品的温度数据，温度数据采集件包括热电偶66和温度采集器18，热电偶66设于气化腔内筒16内部而温度采集器18设于污染评价装置本体外部，热电偶66与温度采集器18通过预留检测管柱17实现线路连接；应力应变数据采集件用以采集气化腔内筒16中装载的待检测样品的应力应变数据，应力应变数据采集件包括应力应变传感器67和应力应变数据采集器19，应力应变传感器67设于气化腔内筒16内部而应力应变数据采集器19设于污染评价装置本体外部，应力应变传感器67与应力应变数据采集器19通过预留检测管柱17实现线路连接，应力应变传感器67与应力应变数据采集器19通过预留检测管柱17实现线路连接；孔隙压力数据采集件用以采集气化腔内筒16中装载的待检测样品的孔隙压力，孔隙压力数据采集件包括孔隙压力传感器68和孔隙压力采集器20，孔隙压力传感器68设于气化腔内筒16内部而孔隙压力采集器20设于污染评价装置本体外部，孔隙压力传感器68与孔隙压力采集器20通过预留检测管柱17实现线路连接；
118.污染评价装置本体设有一个气化剂注入通道10(即实验注入流体通道)以及合成气产出通道25(即实验产出流体通道)；实验注入流体通道以及实验产出流体通道均与气化腔内筒16连通；气化剂注入通道10设于气化腔左端盖33上并贯穿污染评价装置左端盖31与外界连通，合成气产出通道25设于气化腔桶体的桶底上并贯穿污染评价装置外桶12的桶底(即污染评价装置右端盖35)与外界连通；
119.实施例2
120.本实施例提供一种能够适用于煤炭地下气化污染评价的煤炭地下气化污染评价系统，该煤炭地下气化污染评价系统如图10-图14所示，具体包括实施例1提供的污染评价装置，气化剂制备单元，围压、孔压加载单元，合成气处理单元，数据采集单元，污水检测单元和点火单元；气化剂制备单元与污染评价装置的气化剂注入通道10连接，用以向污染评价装置注入气化剂；围压、孔压加载单元分别通过污染评价装置的围压、孔压布线通道24与污染评价装置的围压注入管线和孔压注入管线连接，用以向污染评价装置施加围压和孔压；合成气处理单元与污染评价装置的合成气产出通道25连接，用以处理污染评价装置产出的合成气；点火单元与气化剂制备单元以及污染评价装置连接，用以实现污染评价装置的气化腔内筒16中装载的待检测样品的点火操作；污水检测单元与所述污染评价装置连接，用以检测污染评价装置中产出的污水的水质；数据采集单元与污染评价装置中的数据采集件气体检测采集器21、温度采集器18、应力应变数据采集器19和孔隙压力采集器20连
接，实时存储试验过程中的逸散气体体积和浓度、氧气浓度、温度、应力应变和孔隙压力数据，用于后续分析；
121.气化剂制备单元能够实现空气、富氧空气、富氧空气与水蒸气的混合气三种气化剂类型的制备；气化剂制备单元包括氧气瓶1、氧气流量控制组件、氮气瓶2、氮气流量控制组件、蒸汽生成器3、蒸汽流量控制组件、空气压缩机4、空气流量控制组件，其中氧气流量控制组件、氮气流量控制组件、蒸汽流量控制组件、空气流量控制组件均包括依次连接的流量压力计量表5、热电偶温度计6和可控制开度的气化剂管线分阀门7；氧气瓶1与氧气流量控制组件连接形成氧气供给支路、氮气瓶2与氮气流量控制组件连接形成氮气供给支路、蒸汽生成器3与蒸汽流量控制组件连接形成蒸汽供给支路、空气压缩机4与空气流量控制组件连接用以形成空气供给支路；氧气供给支路、氮气供给支路、蒸汽供给支路和空气供给支路并联后与污染评价装置的气化剂注入通道10连接实现气化剂制备单元与污染评价装置的气化剂注入通道10连接，且在连接管路上设有气化剂管线总阀门8；
122.所述污染评价装置的气化腔内筒16中装载的待检测样品包括顶板26、煤层27、底板29，顶板26设于煤层27之上，底板29设有煤层27之下，且煤层27预制有井眼28，井眼28分别与气化剂注入通道10和合成气产出通道25连通；井眼28中设有可燃筛管或者套管用以支撑井眼；污染评价装置中的热电偶66用以采集实验过程中煤层27以及顶板26和底板29的温度数据，在待测样品中沿井眼28延伸方向等间距设置4组热电偶66，每组热电偶66均设置于待测样品上垂直于井眼28延伸方向的一个截面上且每组热电偶66设有3排共20个热电偶66，具体排布如图10所示，在每组热电偶66的设置截面上沿自顶板26到底板29的纵向上设置3排热电偶66且越靠近井眼28相邻热电偶66之间的排间距越小，在每排热电偶66中越靠近井眼28相邻热电偶66的间距越小；应力应变传感器67设置于煤层27顶部和顶板26上用以采集顶板26的应力应变数据，在待测样品中沿井眼28延伸方向等间距设置4组应力应变传感器67，每组应力应变传感器67均设置于待测样品上垂直于井眼28延伸方向的一个截面上且每组应力应变传感器67设有2排共14个应力应变传感器67，具体排布如图11所示，在每组应力应变传感器67的设置截面上越靠近井眼28相邻应力应变传感器68的间距越小；孔隙压力传感器68设置于煤层27上用以采集煤层27的孔隙压力，沿井眼28延伸方向等间距设置4组孔隙压力传感器68，每组孔隙压力传感器68均设置于待测样品上垂直于井眼28延伸方向的一个截面上且每组孔隙压力传感器68在井眼28前后两侧各设置2个孔隙压力传感器68，具体排布如图12所示；气体检测传感器69设置于煤层27和顶板26上用以采集逸散气体体积和浓度以及氧气浓度，沿井眼28延伸方向等间距设置4组气体检测传感器69，每组气体检测传感器69均设置于待测样品上垂直于井眼28延伸方向的一个截面上，并且每组气体检测传感器69在井眼28前后两侧以及井眼的上部按照距离井眼的距离由大到小各设置3个孔隙压力传感器68，具体排布如图13所示，井眼上部的3个孔隙压力传感器68中其中一个位于顶板26中，另外两个位于煤层27中；每组热电偶66的设置截面与组应力应变传感器67的设置截面以及每组孔隙压力传感器68的设置截面和每组气体检测传感器69的设置截面为同一截面；
123.数据采集单元包括计算机，计算机与污染评价装置中的数据采集件温度采集器18、应力应变数据采集器19、气体检测采集器21和孔隙压力采集器20连接，实时存储试验过程中的逸散气体体积和浓度、氧气浓度、温度、应力应变和孔隙压力数据，用于后续分析；
124.所述围压、孔压加载单元包括伺服增压器41、压力控制器42、围压增压泵38、孔压增压泵39、围压液源罐37、孔压液源罐36和计算机43，所述围压液源罐37和孔压液源罐36分别提供施加围压所用的注入介质油和施加孔压所用的注入介质水；围压液源罐37与围压增压泵38连接形成围压一级增压支路，孔压液源罐36与孔压增压泵39连接形成孔压一级增压支路，围压一级增压支路与孔压一级增压支路并联后与伺服增压器41连接并且在连接管路上设有压力控制阀40，伺服增压器41的流体出口通过污染评价装置的围压、孔压布线通道24分别与污染评价装置的围压注入管线和孔压注入管线连接从而实现围压、孔压加载单元分别通过污染评价装置的围压、孔压布线通道24与污染评价装置的围压注入管线和孔压注入管线连接；压力控制器42与伺服增压器41连接用以控制伺服增压器41的压力施加控制，污染评价装置的围压数据监测件和孔压数据监测件分别与压力控制器42连接，将围压数据监测件和孔压数据监测件采集到的数据传输到压力控制器42中；计算机43与压力控制器42连接，用以对围压、孔压压力加载和卸载过程进行实时的监控、数据采集和分析；在进行围压加压时，围压液源罐37提供的注入介质经过围压增压泵38进行一级加压、然后再经过伺服增压器41进行二级加压，然后通过围压注入管线流入污染评价装置的围压施加部件为污染评价装置的围压施加部件提供压力，其中伺服增压器41按照所述压力控制器42中的压力值对注入介质进行二级增压并达到设定值；在进行孔压加压时，孔压液源罐36提供的注入介质经过孔压增压泵39进行一级加压、然后再经过伺服增压器41进行二级加压，然后通过孔压注入管线流入污染评价装置的孔压注入孔为污染评价装置的孔压注入孔提供压力，其中伺服增压器41按照所述压力控制器中的压力值对注入介质进行二级增压并达到设定值。伺服增压器通过高压密封管线与围压管线和孔压管线相连；
125.所述点火单元包括点火控制器9和电热丝，点火控制器9设置于气化剂制备单元与污染评价装置连接的管路上，所述点火控制器9作为点火开关，用于控制试验过程中初始点火和连续的后退点火操作，所述电热丝设置于污染评价装置装载的待测样品的井眼28中(具体而言，电热丝通过气化剂注入通道10进行设置，电热丝的一端设置于井眼28中，另外一端设置于污染评价装置外)用于提供试验过程中煤炭燃烧所需温度，配合助燃剂实现点火操作；通过拖动电热丝能够实现模拟不同的点火位置从而模拟受控注入点连续后退工艺；
126.合成气处理单元包括依次连接的冷却器45、除尘器46、除焦器47、除硫器48和燃烧室50，其中除硫器48与燃烧室50的连接管路上设有气体检测设备49，冷却器45与污染评价装置的合成气产出通道25连接从而实现合成气处理单元与污染评价装置的合成气产出通道25连接且连接管路上设有净化管线控制阀44；冷却器45用以冷却污染评价装置的合成气产出通道25排出的合成气，除尘器46用于除去污染评价装置的合成气产出通道25排出的合成气中的固体粉尘，除焦器47用于除去合成气中的焦油，除硫器48用于除去合成气中的含硫毒气，燃烧室50用于对合成气进行燃烧处理，气体检测设备49用以对除尘器46、除焦器47、除硫器48处理后的合成气进行组分分析和计量；其中气体检测设备49选用气相色谱质谱联用分析仪(gcms)；
127.所述污水检测单元包括地下水罐61、注水设备、污水净化设备、沉淀罐52、水质检测设备56和污水回收罐58；所述注水设备选用高压水泵59，所述地下水罐61与高压水泵59的泵入口连接且在连接管路上设有地下水罐控制阀60，所述高压水泵59的泵出口与所述污
染评价装置的气化剂注入通道10连接且在连接管路上设有高压水泵控制阀62；污水净化设备包括地下水一级净化装置53、地下水二级净化装置54和地下水三级净化装置55，沉淀罐52、地下水一级净化装置53、地下水二级净化装置54和地下水三级净化装置55依次连接，沉淀罐52的水入口与所述污染评价装置的合成气产出通道25连接且在连接管路上设有污水检测单元控制阀，所述水质检测设备56分别与沉淀罐52、地下水一级净化装置53、地下水二级净化装置54和地下水三级净化装置55相连用以对沉淀罐52沉淀后污水、地下水一级净化装置54净化后的污水、地下水二级净化装置55净化后的污水和地下水三级净化装置56净化后的污水进行水质检测；地下水三级净化装置55的水出口分别与污水回收罐58的水入口以及高压水泵59的泵入口连接，在地下水三级净化装置55的水出口与污水回收罐58的连接管路上设有污水管控制阀57；其中，所述水质检测设备56包括有机污染物检测装置和无机污染物检测装置，所述有机污染物检测装置选用气相色谱质谱联用仪(gc-ms)，所述无机污染物检测装置选用等离子发射质谱联用仪(icp-ms)；在上述煤炭地下气化污染评价系统中，所有承压的连接管线均使用能够承受至少35mpa压力并能够实现良好的密封的耐高压管线，所有管线上的阀门均能够有效控制管路的连通，并能良好密封。
128.实施例3
129.本实施例提供一种煤炭地下气化污染评价方法，该方法使用实施例2提供的煤炭地下气化污染评价系统进行流程如图15所示，该方法包括：
130.1)准备气化试验用顶板26、底板29和煤层27：根据待模拟地区的煤层的顶板、底板取心资料开展岩石力学试验，测得力学性质(弹性模量、泊松比、抗拉强度、抗压强度)，结合材料相似原理制备气化实验用顶板26、底板29；顶板26厚度为0.25m、长2.2m、宽1.5m，煤层27厚度为1m、长2.2m、宽1.5m，底板29厚度为0.25m、长2.2m、宽1.5m，将自模拟地区煤层获得的煤块切割成0.4m
×
0.4m
×
0.4m的规则立方体煤块，使用这些规则立方体煤块制备气化实验用煤层27；
131.预制井眼28并按照初次点火位置在预制的井眼28中设置电热丝：在煤层27中预制模拟u型水平井气化工艺所需要的井眼28，具体为在煤层27中预制单孔井眼28，人工预制井眼28直径为10cm，下入可燃套管以支撑井眼28，电热丝的初始位置设置在距气化腔桶体的桶底约0.5m处即距离煤层填充进气化腔内筒16后靠近气化腔内筒16的右端面0.5m处；气化剂注入通道10与合成气产出通道25分别在污染评价装置本体的左右两端；
132.顶板26、底板29和煤层27预安装气体检测传感器69、热电偶66、应力应变传感器67和孔隙压力传感器68：在顶板26、底板29和煤层27中预制气体数据采集件、温度数据采集件、应力应变数据采集件以及孔隙压力数据采集件的安装孔，并将气体检测传感器69、热电偶66、应力应变传感器67和孔隙压力传感器68安装到顶板26、底板29和煤层27中；气体检测传感器69、热电偶66、应力应变传感器67、孔隙压力传感器68在顶板26、底板29和煤层27中的排布方式按照实施例2中气体检测传感器69、热电偶66、应力应变传感器67、孔隙压力传感器68的排布方式(参见如图10-图13所示)；
133.顶板26、底板29和煤层27装填：在气化腔内筒16中按照由下到上为底板29-煤层27-顶板26的顺序将底板29、煤层27和顶板26填充进气化腔内筒16中；其中，制备气化实验用煤层27的各煤块之间用煤粉、黏土进行涂抹，确保煤层的完整性；煤层27与顶板26、底板29连接处用煤粉和黏土进行涂抹，确保煤层和顶板、底板的密封性和完整性；并在煤层27与
气化腔内筒16的内壁间填充沙子；
134.然后将污染评价装置装配好，并将整个煤炭地下气化污染评价系统连接好；对连接好的煤炭地下气化污染评价系统进行调试(确定线路连接正确，各部件功能正常、开关性能良好)，调试无问题后进行后续步骤2)；
135.2)根据模拟地区煤层的围压及孔压值进行围压、孔压施加：
136.本实施例中模拟的煤层深度为1000m，根据煤层气井资料、煤层钻孔资料、试井资料、阵列声波测井资料等获得煤层所受垂向应力为25.4mpa，最大水平主应力为18mpa，最小水平主应力为16.7mpa，井眼沿着最小水平主应力设置，煤层孔隙压力为8.7mpa。
137.分别控制与第一围压管线连接的液压杆15、与第二围压管线连接的液压杆15、与第三围压管线连接的液压杆15进行围压施加，具体地：施加围压所用的注入介质经过围压增压泵38进行一级增压，通过压力控制器42输入所要施加的围压数值(其中，垂向作用力即与第一围压管线连接的液压杆15施加的围压数值为25.4mpa、与第一围压管线连接的液压杆15施加的围压数值为25.4mpa，水平主应力即与第三围压管线连接的液压杆15的围压数值为18mpa)，压力控制器42控制伺服增压器41对一级增压后的施加围压所用的注入介质进行二级增压，在二级增压后的施加围压所用的注入介质的作用下气化腔30中的液压杆42缓慢发生位移从而对气化腔内筒16施加垂向作用力和水平作用力用于模拟煤层上覆地层压力和最大水平主应力；当围压数据监测件采集到的围压数据达到压力控制器42设定的围压数值后，围压维持在设定数值不变；分别控制与第一孔压管线连接的孔压注入孔64、与第二孔压管线连接的孔压注入孔64
……
与第十孔压管线连接的孔压注入孔64进行孔压施加，具体地：施加孔压所用的注入介质经过孔压增压泵39进行一级增压，通过压力控制器42输入所要施加的围压数值(其中，与第一孔压管线连接的孔压注入孔64施加的孔压数值为8.67mpa，与第二孔压管线连接的孔压注入孔64施加的孔压数值为8.68mpa，与第三孔压管线连接的孔压注入孔64施加的孔压数值为8.69mpa，与第四孔压管线连接的孔压注入孔64施加的孔压数值为8.69mpa，与第五孔压管线连接的孔压注入孔64施加的孔压数值为8.70mpa，与第六孔压管线连接的孔压注入孔64施加的孔压数值为8.71mpa，与第七孔压管线连接的孔压注入孔64施加的孔压数值为8.72mpa，与第八孔压管线连接的孔压注入孔64施加的孔压数值为8.72mpa，与第九孔压管线连接的孔压注入孔64施加的孔压数值为8.73mpa，与第十孔压管线连接的孔压注入孔64施加的孔压数值为8.74mpa)，压力控制器42控制伺服增压器41对一级增压后的施加孔压所用的注入介质进行二级增压，在二级增压后的施加孔压所用的注入介质的作用下气化腔30中的孔压注入孔64对煤层27施加孔压；当孔压数据监测件采集到的孔压数据达到压力控制器42设定的孔压数值后，孔压维持在设定数值不变；
138.围压、孔压施加后进行试压，围压、孔压施加完成36h，围压变化范围在
±
5％以内、孔压变化范围在
±
5％，认为试压合格，试压合格则进行后续步骤3)，试压不合格，则对煤炭地下气化污染评价系统进行检修后重新进行步骤1)；
139.在围压、孔压施加过程中，对围压数据、孔压数据、围压施加过程中所使用的注入介质的体积、围压施加过程中所使用的注入介质的流速、孔压施加过程中所使用的注入介质的体积和孔压施加过程中所使用的注入介质的流速进行采集，具体的：围压数据监测件将采集到的围压数据传输到压力控制器42中，孔压数据监测件将采集到的孔压数据传输到
压力控制器42中，伺服增压器41将围压、孔压施加过程中所用的注入介质的流速、体积等数据反馈到压力控制器42中，压力控制器将所述围压数据、所述孔压数据、所述液量数据、流速数据、体积数据传输到计算机43中进行存储和显示；
140.3)进行煤层27模拟气化：
141.在点火之前通过氮气2对管路进行吹扫，吹扫半小时后开始后续作业；
142.对煤层27注入助燃剂的条件下使用点火单元在第一点火位置进行煤层点火(具体的通过点火控制器9使得井眼28中在第一点火位置的电热丝工作，并持续以3m3/h小排量注入氧气作为助燃剂)，当确认煤层27点着后向煤层27注入气化剂进行煤层气化，当煤层气化产生的合成气热值降低到初始热值70％时，在下一点火位置重复进行煤层点火和煤层27点着后向煤层27注入气化剂进行煤层气化的过程，直到最后的点火位置完成煤层点火和煤层27点着后向煤层27注入气化剂进行煤层气化的操作，完成整个煤层模拟气化过程；煤层27模拟气化过程中产生的合成气进入合成气处单元进行处理后排放，具体为产生的合成气经过冷却器45、除尘器46、除焦器47、除硫器48分别除去合成气中的固体粉尘、焦油和含硫毒气，然后进入燃烧室50进行合成气体燃烧处理，燃烧处理后的气体进行排放；其中，经过除尘器46、除焦器47、除硫器48处理后的合成气使用气体检测设备49每间隔1-5分钟进行一次组分分析和计量确定合成气中的可燃气体组分以及合成气的热值；
143.其中，点火位置一共有2个，由合成气产出通道25端到气化剂注入通道10端依次设置，相邻两个点火位置的间距为0.8m；
144.其中，注入的气化剂为空气气化剂，控制空气气化剂流速为25m3/h；
145.在煤层27模拟气化过程中对气化剂的注入流速、压力、和温度数据进行采集，使用污染评价装置的气体数据采集件、温度数据采集件、应力应变数据采集件、孔隙压力数据采集件进行数据采集，采集到的数据可以在数据采集单元计算机25中进行存储和分析；其中，根据气体数据采集件采集到的的合成气逸散检测结果，绘制逸散气体体积和浓度等值线图，标定出不同气体的逸散边界；逸散气体的种类包括co、co2、ch4和h2；
146.在煤层27模拟气化过程中使用气体数据采集件进行氧气浓度监测，一旦氧气浓度超过爆炸极限，立即警报并停止试验；
147.4)气化腔30污水检测：
148.煤层27模拟气化完成后，停止气化剂注入，使用氮气瓶2对污染评价装置进行吹扫，一方面排出污染评价装置的气化腔内筒16中残存合成气，一方面冷却污染评价装置温度；氮气吹扫完成后，打开污水检测单元控制阀51、高压水泵控制阀62、地下水罐控制阀60，通过高压水泵59将地下水罐61中的煤层水注入井眼28中顶替出气化腔30内的污水，泵注压力小于煤层的孔隙压力为8mpa，在气化腔30内驱替出的污水首先经过沉淀罐52进行沉降除去大尺寸的固体残渣和煤粉，水质检测设备56对沉淀罐52沉降处理后的污水进行水质分析得煤炭地下气化污水中有机、无机污染物种类以及含量实现煤炭地下气化水污染评价；
149.沉淀罐52沉降处理后的污水依次进入地下水一级净化装置53、地下水二级净化装置54和地下水三级净化装置55进行分级污水净化处理，并对每一级处理后的污水使用水质检测设备56进行水质检测，一方面处理试验后污水另一方面模拟治污工艺流程为治污工艺优化提供实验支持；
150.经过净化处理后的污水中的一部分进入污水回收罐58进行集中处理，另一部分再
次经过高压水泵59泵注到井眼中，模拟抽出地面处理工艺；
151.5)围压、孔压卸载及污染评价装置剖解：
152.待气化腔30污水检测结束后进行围压、孔压卸载，具体的：关闭围压增压泵38、孔压增压泵39、通过压力控制器42将围压、孔压归零，伺服增压器41降低污染评价装置中液压杆15中压力值，液压杆15作用力缓慢释放，直至围压数据监测件采集到的的围压值为零，表明围压已经全部卸载；打开污染评价装置上的孔压卸压孔34，直至孔隙压力采集件采集到的孔隙压力值为零，表明孔压已经全部卸载；待围压、孔压卸载完毕后将污染评价装置冷却12小时，然后打开污染评价装置左端盖31、气化腔左端盖33，对污染评价装置进行剖解；
153.从而完成煤炭地下气化污染评价。
154.实施例4
155.本实施例提供一种煤炭地下气化污染评价方法，该方法与实施例3提供的气化试验方法区别仅在于注入的气化剂不同、气化剂流速不同，本实施例注入的气化剂为富氧空气，富氧空气中氧气的体积浓度为40％，控制气化剂流速为20m3/h。
156.实施例5
157.本实施例提供一种煤炭地下气化污染评价方法，该方法与实施例3提供的气化试验方法区别仅在于注入的气化剂不同、气化剂流速不同、气化剂注入方式不同，本实施例注入的气化剂为富氧空气 水蒸气，气化剂的注入采用两段式注入：第一段注入富氧空气，富氧空气中氧气的体积浓度为40％，控制气化剂流速为20m3/h，这一阶段主要是煤炭氧化燃烧放热反应；第二段注入水蒸汽，水蒸气流速为25m3/h，这一阶段主要是发生水煤气反应和甲烷化反应；两个阶段依次重复进行。
158.实施例6
159.本实施例提供一种煤炭地下气化污染评价方法，该方法与实施例3提供的气化试验方法区别仅在于注入的气化剂不同、气化剂流速不同，本实施例注入的气化剂为富氧空气 水蒸气，富氧空气中氧气的体积浓度为40％且气化剂中水蒸气与氧气的质量比为3:12:1-4:1，控制气化剂流速为25m3/h。