本发明属于煤炭地下气化，特别涉及一种模拟煤炭地下气化条件下块煤热剥落的试验设备及试验方法。
背景技术：
1、煤层中煤质的开裂和剥落特性是ucg(煤炭地下气化，underground goalgasification)反应速率的重要影响指标。国内外研究人员在煤炭地下气化早期现场实验过程中发现了气化通道顶部煤层在反应过程中会发生煤层剥落和破碎的现象。煤层热剥落现象会引起气化通道扩展，产生气化空腔并在煤层剥落的底板处形成新的气化区(碎石区)。加热腔顶部和碎石区是ucg过程热解、燃烧和非均相气化反应的主要场所，而均相反应主要发生在气化空腔中。
2、剥落的煤块堆积在加热腔底板处形成的碎石区主要是由厘米级以上的块状原煤、煤焦、灰渣和不参与气化反应的岩石所组成，这种气化区的形成可推动ucg反应的进行。此外，煤层剥落还会引起气化通道扩展产生空腔，在空腔中热解和气化产物可能会与含氧气化剂发生二次氧化，导致合成气品质下降。由此可见，煤层热剥落对ucg气化产气的品质具有重要的影响，而获得煤炭地下气化过程中热剥落形成机理对ucg技术的应用具有重要的指导意义。然而目前并没有统一的理论模型可以解释ucg过程中煤层的剥落、破碎等行为。
3、由于煤的热剥落行为涉及煤炭、热力、化学化工和地质等多学科相互交叉，现场实验观察到的现象仍需要科学的机理解读，因此近年来地下煤炭气化的研究逐渐向小尺度的实验室模拟方向发展。通过前期的小型化试验可以得到该煤层的气化反应参数、煤层开裂及热剥落特征等。国内现有针对块煤热开裂和剥落的试验研究较少。目前绝大多数的ucg试验台(例如中国专利cn101586915、cn111487020中提到的试验装置)都无法直接测量煤层在反应过程中的煤块剥落速率、煤层失重速率等参数。此外，实验室模拟ucg反应的加热炉也难以实现实际反应过程中煤层仅底部受热的反应条件。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题在于提供一种模拟煤炭地下气化条件下块煤热剥落的试验装置及其试验方法，其可模拟ucg反应条件，可在线测量煤块的失重速率和热剥落参数。
2、根据本发明的第一方面，提供了一种模拟煤炭地下气化条件下块煤热剥落的试验装置，包括加热炉，加热炉的炉体具有加热腔、气化剂进口和合成气出口，气化剂进口和合成气出口分别与加热腔连通；该试验装置还包括煤块夹持工具、悬吊工具和在线热天平；煤块夹持工具设于加热腔中，用以夹持煤块，煤块仅有部分底面或全部底面暴露于煤块夹持工具外；悬吊工具穿过炉体，悬吊工具的底端伸入加热腔，并与煤块夹持工具相连；在线热天平设于加热炉外，在线热天平与悬吊工具的顶端相连；加热炉设有加热元件，加热元件设置于煤块夹持工具的下方；煤块夹持工具的顶壁和侧壁由绝热材料制造，以使得只有煤块的底面能被加热。
3、根据本发明的第二方面，提供了一种模拟煤炭地下气化条件下块煤热剥落的试验系统，该试验系统包括气化剂供给机构、气体分析仪前述的试验装置；气化剂供给机构连通加热炉的气化剂进口，用以向加热炉的加热腔输出气化剂；气体分析仪的气体入口连通加热炉的合成气出口。
4、根据本发明的第三方面，提供了一种上述的模拟煤炭地下气化条件下块煤热剥落的试验装置的试验方法，包括以下步骤：
5、将煤块装入煤块夹持工具，通过悬吊工具将煤块夹持工具与在线热天平相连，关闭加热炉的炉门，对加热炉进行气密性检验；
6、气密性检验通过后，由气化剂供给机构向加热腔中输出ucg反应所需的气化剂；
7、启动加热元件，直至加热炉的加热腔的温度达到设定温度，在此过程中通过在线热天平实时监测煤块的质量，绘制并显示煤块的失重速率随时间变化的曲线，通过分析所述曲线获得煤块所属煤种的热剥落特征参数。
8、本发明至少具有以下优点和特点：
9、1、本发明实施例的试验装置的煤块夹持工具由绝热材料制造，煤块只有部分底面或全部底面暴露于煤块夹持工具外，煤块的其它面都被煤块夹持工具遮住，仅有煤块的底面被加热，从而模拟出ucg反应过程中煤层单面受热的物理条件；
10、2、本发明实施例的煤块通过悬吊工具与在线热天平连接，可在试验过程中实时测量煤块的质量，通过计算得到煤块在单面受热条件下的失重速率曲线和热剥落特征参数；
11、3、本发明实施例的试验装置设置了观察视窗，便于观察气化反应过程中煤块剥落和煤块开裂的现象。
1.一种模拟煤炭地下气化条件下块煤热剥落的试验装置，包括加热炉，所述加热炉的炉体具有加热腔、气化剂进口和合成气出口，所述气化剂进口和所述合成气出口分别与所述加热腔连通；其特征在于，所述试验装置还包括煤块夹持工具、悬吊工具和在线热天平；
2.如权利要求1所述的模拟煤炭地下气化条件下块煤热剥落的试验装置，其特征在于，所述试验装置包括温度测量元件，所述温度测量元件用于测量所述加热腔的温度。
3.如权利要求1所述的模拟煤炭地下气化条件下块煤热剥落的试验装置，其特征在于，所述炉体的侧面开设有观察视窗，用以观察所述煤块的剥落和开裂的现象。
4.如权利要求1所述的模拟煤炭地下气化条件下块煤热剥落的试验装置，其特征在于，所述加热元件为带硅碳棒的加热板，所述加热板设置在所述加热腔的底面。
5.如权利要求1所述的模拟煤炭地下气化条件下块煤热剥落的试验装置，其特征在于，所述煤块夹持工具包括顶壁、侧壁和底壁，所述侧壁包围所述煤块的侧面，所述侧壁的顶端和底端分别与所述顶壁和所述底壁相连，所述底壁设有通孔，以暴露所述煤块的一部分底面。
6.如权利要求1或5所述的模拟煤炭地下气化条件下块煤热剥落的试验装置，其特征在于，所述煤块的底面与煤块的层理面的角度偏差不超过10°。
7.如权利要求1所述的模拟煤炭地下气化条件下块煤热剥落的试验装置，其特征在于，所述炉体的顶部设有固定支架，所述在线热天平安装于所述固定支架。
8.如权利要求1所述的模拟煤炭地下气化条件下块煤热剥落的试验装置，其特征在于，所述悬吊工具与供其穿过的炉体穿孔之间具有间隙，所述间隙大于1mm且小于3mm。
9.一种模拟煤炭地下气化条件下块煤热剥落的试验系统，其特征在于，所述试验系统包括气化剂供给机构、气体分析仪以及如权利要求1至8任意一项所述的试验装置；
10.如权利要求9所述的模拟煤炭地下气化条件下块煤热剥落的试验装置，其特征在于，所述气化剂供给机构包括氮气供给装置、二氧化碳供给装置、氧气供给装置和供水装置，氮气供给装置、二氧化碳供给装置、氧气供给装置和供水装置分别用于向所述加热腔选择性地输出对应的气体或水。
11.如权利要求9所述的模拟煤炭地下气化条件下块煤热剥落的试验系统，其特征在于，所述试验系统包括合成气过滤装置和煤焦油净化装置，所述合成气过滤装置的入口与所述加热炉的合成气出口连通，所述合成气过滤装置的出口、所述煤焦油净化装置和所述气体分析仪的气体入口依次相连。
12.一种如权利要求1至8任意一项所述的模拟煤炭地下气化条件下块煤热剥落的试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
13.如权利要求12所述的试验方法，特征在于，所述的分析所述曲线获得热剥落特征参数包括：将失重速率超过设定阈值的时刻作为热剥落时刻，记录所有热剥落时刻和各热剥落时刻的失重速率，作为煤块所属煤种的热剥落特征参数。
14.如权利要求12所述的试验方法，特征在于，所述加热元件采用恒定的升温速率加热。
15.如权利要求12所述的试验方法，特征在于，所述气密性检验包括以下步骤：采用惰性气体吹扫加热炉的加热腔，并通过气体分析仪监测加热腔内的氧含量浓度，直到氧含量浓度低于预定值时确认通过气密性检验。
