一种煤矿瓦斯单向流动浓度自适应氧化装置的制作方法

本发明涉及一种煤矿瓦斯单向连续流动浓度自适应氧化装置，适用于对煤矿区抽采瓦斯与通风瓦斯进行资源化综合利用。

背景技术：

瓦斯是煤的伴生产物，是一种宝贵的不可再生的能源。对于煤矿的安全生产来讲，瓦斯的存在也是煤矿事故频发的灾害之源，同时随着煤炭开采深度的增加，煤层瓦斯含量将显著增大，实现煤与瓦斯的共采是深部煤炭及瓦斯资源开采的必然途径。同时，从煤矿瓦斯的排放而言，通风瓦斯的排放约占煤矿瓦斯排放总量的70％。由于通风瓦斯的浓度低(≤1％)、流量波动大，常规的利用技术难以有效的利用。因此，如何实现煤矿抽采瓦斯与通风瓦斯合理、有效的资源化综合利用，对于提升煤矿安全高效的生产水平、减少温室气体排放具有十分重要意义。

瓦斯蓄热氧化是在启动燃烧室内将瓦斯加热到一定温度氧化后，产生的高温气体流经蓄热体后使其升温而“蓄热”，用于预热后续进入的瓦斯气体，从而节省瓦斯升温的燃料消耗，同时使瓦斯能持续氧化以减少瓦斯的排放，氧化后产生的热量也可用于供热或发电，因此瓦斯蓄热氧化对实现煤矿抽采瓦斯与通风瓦斯合理、有效的资源化综合利用最具实用性。

然而，截至目前尚无专门针对煤矿区抽采瓦斯与通风瓦斯的排放特点而提出的单向连续流动浓度自适应氧化方法。

技术实现要素：

为了克服现有技术的上述不足，本发明提供一种煤矿瓦斯单向流动浓度自适应氧化装置，不仅能够减少温室气体瓦斯(甲烷)排放的同时获取煤矿瓦斯的清洁能源转换，还能够实现瓦斯连续流动浓度自适应氧化，极大提高瓦斯氧化的效率和利用率，具有较高的能源利用效率。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：包括依次连通的进气系统、顺流蓄热氧化床、启动燃烧室、逆流蓄热氧化床和排气系统，顺流蓄热氧化床、启动燃烧室与逆流蓄热氧化床呈倒“u”形结构布置；所述的进气系统上依次设置有进气瓦斯浓度传感器、进气流量传感器、电动调节阀ⅰ及气-气换热器，气-气换热器由密封隔板分为两部分，上部与进气系统连接，下部与排气系统连接，进气系统的末端与顺流蓄热氧化床的底部进气口相连通；所述的顺流蓄热氧化床的底部设有进气匀流室，进气匀流室上部填充有多孔蓄热体ⅰ，多孔蓄热体ⅰ的内部上方设置有高温热管ⅰ；所述的逆流蓄热氧化床的底部设有排气匀流室，排气匀流室的上部填充有多孔蓄热体ⅱ，多孔蓄热体ⅱ的内部上方设置有高温热管ⅱ；所述的启动燃烧室内设置有取热器，其中部上方还安装有启动燃烧器；多孔蓄热体ⅰ和多孔蓄热体ⅱ内的高温热管ⅰ和高温热管ⅱ分别与启动燃烧室相连；所述的排气系统通过气-气换热器与逆流蓄热氧化床相连通。

相比现有技术，本发明的一种煤矿瓦斯单向流动浓度自适应氧化装置，煤矿通风瓦斯及抽采低浓度瓦斯经过混合后由进气系统控制，实时进行流量调节，进入倒“u”形蓄热氧化床内进行氧化，高温热管可将启动燃烧室产生的初始热量迅速传导至顺流氧化床和逆流氧化床内，并在装置运行过程中使氧化床内部温度均匀分布，保证瓦斯氧化过程迅速、高效进行，整体氧化床产生的热量由取热器转化为蒸汽动力进行高效利用。煤矿抽采瓦斯与通风瓦斯在进气瓦斯浓度传感器、进气流量传感器和电动调节阀ⅰ的共同调节下，实现了瓦斯连续流动浓度自适应氧化；顺流蓄热氧化床、启动燃烧室和逆流蓄热氧化床的“u”形布置，极大的提高了瓦斯氧化的利用率；多孔蓄热体ⅰ和多孔蓄热体ⅱ中高温热管ⅰ和高温热管ⅱ确保氧化了过程快速进行，并使多孔蓄热体ⅰ和多孔蓄热体ⅱ的内温度均匀分布；排气系统内烟气余热可在气-气换热器内对进气瓦斯进行预热，且无气体交换，节约燃料的同时提高蓄热氧化反应速率。可见，本发明特别针对了煤矿抽采瓦斯与通风瓦斯的特点，适用于包括抽采瓦斯、通风瓦斯在内的所有浓度范围内的煤矿瓦斯气体。可减少温室气体瓦斯(甲烷)排放的同时获取煤矿瓦斯的清洁能源转换，单向流动情况下进行顺流与逆流蓄热氧化，并且高温热管的使用和瓦斯浓度的自适应调节提高了瓦斯氧化效率，烟气余热也被充分利用，整个瓦斯氧化系统具有较高的能源利用效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明的一个实施例的结构示意图；在图1中，110-顺流蓄热氧化床；111-进气匀流室；112-高温热管ⅰ；113-多孔蓄热体ⅰ；114-顺流取热器；120-逆流蓄热氧化床；121-排气匀流室；122-高温热管ⅱ；123-多孔蓄热体ⅱ；124-逆流取热器；130-启动燃烧室；131-启动燃烧器；132-内部取热器；140-进气系统；141-进气瓦斯浓度传感器；142-进气流量传感器；143-电动调节阀ⅰ；144-气-气换热器；150-排气系统；151-排气流量传感器；152-排气瓦斯浓度传感器；153-电动调节阀ⅱ。

图2为本发明的另一个实施例的结构示意图；在图2中，210-顺流蓄热氧化床；211-进气匀流室；212-高温热管ⅰ；213-多孔蓄热体ⅰ；215-温度传感器ⅰ；216-温度传感器ⅲ；217-进气匀流器；220-逆流蓄热氧化床；221-排气匀流室；222-高温热管ⅱ；223-多孔蓄热体ⅱ；225-温度传感器ⅱ；226-温度传感器ⅳ；227-排气匀流器；230-启动燃烧室；231-启动燃烧器；232-内部取热器；233-温度传感器ⅴ；234-温度传感器ⅵ；240-进气系统；241-进气瓦斯浓度传感器；242-进气流量传感器；243-电动调节阀ⅰ；244-气-气换热器；245-高温热管ⅲ；250-排气系统；251-排气流量传感器；260-外壳；261-保温隔热层；262-加厚保温隔热层；270-高温介质出口；271-取热器出口压力传感器；272-取热器出口流量传感器；273-取热器出口截止阀；280-低温介质入口；281-取热器入口压力传感器；282-取热器入口流量传感器；283-取热器入口截止阀。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

在图1所示实施例1中，一种煤矿瓦斯单向流动浓度自适应氧化装置，包括顺流蓄热氧化床110、逆流蓄热氧化床120、启动燃烧室130、进气匀流室111、顺流取热器114、多孔蓄热体ⅰ113、高温热管ⅰ112、内部取热器132、启动燃烧器、高温热管ⅱ122、多孔蓄热体ⅱ123、逆流取热器、排气匀流室121、进气系统140、进气瓦斯浓度传感器141、进气流量传感器142、电动调节阀ⅰ143、气-气换热器144、排气系统150、排气流量传感器151、排气瓦斯浓度传感器152和电动调节阀ⅱ；所述的顺流蓄热氧化床110、启动燃烧室130和逆流蓄热氧化床120依次连通且呈倒“u”形结构布置；所述的顺流蓄热氧化床110依次由进气匀流室111与多孔蓄热体ⅰ113相连；多孔蓄热体ⅰ113内由下至上布置有顺流取热器114和高温热管ⅰ112；所述的逆流蓄热氧化床120内以相同方式布置高温热管ⅱ122、多孔蓄热体ⅱ123、逆流取热器124和排气匀流室121；顺流取热器114、内部取热器132及逆流取热器124均采用回形布局，这样的设计使各取热器内流体介质充分吸收瓦斯氧化产生热量，提高取热器换热效率；所述的多孔蓄热体ⅰ113内和多孔蓄热体ⅱ123内高温热管ⅰ112和高温热管ⅱ122分别与启动燃烧室130相连。所述启动燃烧室130内布置内部取热器132，内部取热器132可对装置内热量进行利用；中部布置启动燃烧器131；所述进气系统140上依次连接进气瓦斯浓度传感器141、进气流量传感器142、电动调节阀ⅰ143和气-气换热器144，进气系统140可根据排气流量传感器151、进气流量传感器142和进气瓦斯浓度传感器141的监测参数适时控制电动调节阀；所述的排气系统150上依次连接排气流量传感器151、排气瓦斯浓度传感器152、电动调节阀ⅱ153和气-气换热器144，排气流量传感器151和排气瓦斯浓度传感器152可以根据排气流量和烟气中的瓦斯浓度，可对装置运行状态进行分析，如瓦斯氧化效率、瓦斯利用量等，进而控制电动调节阀ⅱ153对瓦斯进排气流量进行调节。

实施例1的原理过程：

a、启动过程：从抽采泵站抽采的瓦斯及通风瓦斯经混合后进入进气系统140，通过进气瓦斯浓度传感器141和进气流量传感器142对混合瓦斯参数实时监测并适时控制电动调节阀ⅰ143，瓦斯通过顺流蓄热氧化床110后进入启动燃烧室130，启动燃烧器131运行使低浓度瓦斯燃烧，产生热量通过高温热管ⅰ112和高温热管ⅱ122传导至顺流蓄热氧化床110和逆流蓄热氧化床120，使其内部多孔蓄热体ⅰ113和多孔蓄热体ⅱ123的温度达到瓦斯蓄热燃烧最低温度要求后，装置正常运行；

b、运行过程：瓦斯在顺流蓄热氧化床110依次通过进气匀流室211和多孔蓄热体ⅰ113，并在其内部先进行蓄热氧化；部分瓦斯在启动燃烧室130继续燃烧后，再进入逆流蓄热氧化床120，剩余瓦斯在多孔蓄热体ⅱ123内进行蓄热氧化后，依次通过排气匀流室121和气-气换热器144排出装置；排出烟气在气-气换热器144内将其余热传导至进气混合瓦斯，对进气瓦斯进行预热，从而节省瓦斯升温的燃料消耗；装置内产生热量通过顺流取热器114、内部取热器132和逆流取热器124进行利用。所述的高温热管ⅰ112和高温热管ⅱ122可将启动燃烧室130内产生的热量迅速传导至多孔蓄热体ⅰ113和多孔蓄热体ⅱ123中，并在装置运行过程中使氧化床内部温度均匀分布。所述的氧化装置启动后，瓦斯会经过初始蓄热燃烧、高温燃烧和烟气蓄热燃烧三个阶段。所述的进气匀流室211和排气匀流室121上方的多余热量可由顺流取热器114和逆流取热器124进行回收利用。所述的排气系统150内烟气余热可在气-气换热器144内对进气瓦斯进行预热，且无气体交换。

在图2所示的另一个实施例2中，一种煤矿瓦斯单向流动浓度自适应氧化装置(以下结构描述侧重点是不同于实施例1的地方，部分相同结构的描述省略了，请具体参照上述实施例1的相关描述来全面理解实施例2的结构方案，对实施例1的理解也同理)，包括依次连通的进气系统240、顺流蓄热氧化床210、启动燃烧室230、逆流蓄热氧化床220和排气系统250。所述的顺流蓄热氧化床210、启动燃烧室230和逆流蓄热氧化床220共同安装在具有保温隔热层261的外壳260内部；在顺流蓄热氧化床210和逆流蓄热氧化床220之间还设置有加厚保温隔热层262；设计外壳260和保温隔热层261的目的是为了使氧化装置内部热量不易散失，维持其运行温度，甲烷蓄热氧化需要在一定温度条件下才可进行，而顺流蓄热氧化床210和逆流蓄热氧化床220之间的部位温度较高，需要对其进行加厚，防止损坏，故增设加厚保温隔热层262。所述的进气系统240上依次设置有进气瓦斯浓度传感器241、进气流量传感器242、电动调节阀及气-气换热器244，所述气-气换热器244利用排出烟气余热预热进气瓦斯，气-气换热器244上半部一侧连接电动调节阀ⅰ243，另一侧连接进气匀流室211，气-气换热器244下半部一侧连接电动调节阀ⅰ243，另一侧连接排气匀流室221；在所述气-气换热器244内还间隔布置数根高温热管ⅲ245，以提高高温烟气与原料瓦斯气之间的换热效率；进气系统240的末端与顺流蓄热氧化床210的底部进气口相连通；所述的顺流蓄热氧化床210的底部设有进气匀流室211，顺流蓄热氧化床210的上部填充有多孔蓄热体ⅰ213；所述的逆流蓄热氧化床220的底部设有排气匀流室221，逆流蓄热氧化床220的上部填充有多孔蓄热体ⅱ223；所述多孔蓄热体ⅰ213和多孔蓄热体ⅱ223内部的高温热管ⅰ212和高温热管ⅱ222均为多根且等距排布，高温热管可将蓄热体内部高温区热量通过管内介质传导至蓄热体内部低温区，多根且等距排布可使整个蓄热体温度分布更均匀，有利于瓦斯蓄热氧化；顺流蓄热氧化床210和逆流蓄热氧化床220的侧壁分别等距布置有若干个温度传感器ⅰ215和温度传感器ⅱ225，温度传感器ⅰ215和温度传感器ⅱ225的末端分别插入多孔蓄热体ⅰ213和多孔蓄热体ⅱ223内。在所述的进气匀流室211和排气匀流室221内分别设置有温度传感器ⅲ216和温度传感器ⅳ226，温度传感器ⅲ216和温度传感器ⅳ226末端分别位于进气匀流室211和排气匀流室221中部位置。在所述进气匀流室211和多孔蓄热体ⅰ213之间还设置有进气匀流器217，在排气匀流室221和多孔蓄热体ⅱ223之间设置有排气匀流器227，增设进气匀流器217和排气匀流器227后，可使进气匀流室211内瓦斯气体均匀进入多孔蓄热体，避免瓦斯气体在多孔蓄热体内分布不均，提高装置氧化效率。所述的排气系统250与逆流蓄热氧化床220相连通，排气系统250上安装有排气流量传感器251。所述的启动燃烧室230设置有内置式内部取热器232和启动燃烧器231。所述启动燃烧室230的上方位于启动燃烧器231两侧分别设置温度传感器ⅴ233和温度传感器ⅵ234。瓦斯蓄热氧化需要在一定温度条件下才可进行，温度传感器ⅰ215、温度传感器ⅱ225、温度传感器ⅲ216、温度传感器ⅳ226、温度传感器ⅴ233和温度传感器ⅵ234可对装置运行状态进行实时监控，判断其是否正常运行，以便对装置运行参数进行调整，使其正常运行。所述内部取热器232的高温介质出口270依次安装有取热器出口压力传感器271、取热器出口流量传感器272和取热器出口截止阀273，其低温介质入口280依次安装有取热器入口压力传感器281、取热器入口流量传感器282和取热器入口截止阀283；内部取热器232的内部介质在经过氧化装置时会由液相转变为气相，安装取热器出口压力传感器271、取热器出口流量传感器272、取热器出口截止阀273、取热器入口压力传感器281、取热器入口流量传感器282及取热器入口截止阀283是为了对取热器运行状态进行监控，防止发生安全事故，同时可对其取热效果进行评价。

实施例2的工作过程：

a、启动过程：煤矿抽采瓦斯与通风瓦斯进入进气系统240，通过进气流量传感器241、进气流量传感器242和进气瓦斯浓度传感器241对混合瓦斯参数实时监测并适时控制电动调节阀，瓦斯通过顺流蓄热氧化床210后进入启动燃烧室230，启动燃烧器231运行使低浓度瓦斯燃烧，产生热量通过高温热管ⅰ212和高温热管ⅱ222传导至顺流蓄热氧化床210和逆流蓄热氧化床220，使其内部多孔蓄热体ⅰ213和多孔蓄热体ⅱ223的温度达到瓦斯蓄热燃烧最低温度要求后，装置正常运行。

b、运行过程：瓦斯在顺流蓄热氧化床210依次通过进气匀流室211、进气匀流器217和多孔蓄热体ⅰ213，并在其内部先进行蓄热氧化；部分瓦斯在启动燃烧室230继续燃烧后，再进入逆流蓄热氧化床220，剩余瓦斯在多孔蓄热体ⅱ223内进行蓄热氧化后，依次通过排气匀流器227、排气匀流室221和气-气换热器244排出装置；排出烟气在气-气换热器244内通过高温热管将其余热传导至进气混合瓦斯，对进气瓦斯进行预热，从而节省瓦斯升温的燃料消耗。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所做出任何简单修改和同等变化，均落入本发明的保护范围之内。