专利名称：井下防爆制氮机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种中空纤维膜空气分离制取氮气技术的井下防爆制氮机。
目前，利用空气分离法制取氮气的技术有深冷法，分子筛变压吸附法和膜式分离法。中空纤维膜分离制氮技术是本世纪中期发展起来的一种新兴的高科技技术，属高分子材料科学，虽然起步较晚，但发展较快，就象微电子半导体一样，是工业战线上的一场革命。随着现代生产和科学技术的飞跃发展，膜技术正在为人类带来巨大的利益，它可以用于氧、氮气体的分离，炼厂气中的氢气回收，合成气中H2/CO比例调节，氮气中氢气的回收，酸性气体的处理，天然气的处理，碳氢化合物的回收以及污气控制等等，但这对分离技术提出了越来越高的要求。由于能源紧张，分离过程的效率和能耗越来越受到人们的关注。作为氮气用户，对于制氮设备的工作可靠性和稳定性的要求严格。由于中空纤维膜分离制氮具有流程简单、装置紧凑，操作容易，开停方便，能耗低，寿命长，稳定性可靠等优点，越来越显示出它的生命力。煤碳是我们日常生活及工业上不可缺少的燃料，为提高开采效率降低生产成本，综采放顶煤开采技术以其高产、高效、低耗的特点得到广泛应用，然而与分层综采相比，容易造成采空区自然发火，而又因为其采空区冒落高度和空间体积大，用常规的黄泥灌浆，注阻化剂来灭防火很难奏效，因此给矿区安全生产带来很大的威胁。早在五六十年代，世界上一些主要国家就采用氮气来灭矿井火灾，我国在八十年代也已采用注氮防灭火技术来防治采空区自然火，而且取得了一定的成效。应用前两种制氮方法由于体积庞大，不适宜在煤矿井下使用，目前使用它们是通过很长的管路把氮气从地面输送到井下，总投资很大。膜分离设备具有基础投资少，体积小，使用工艺简单方便，快捷的特点。膜式空气分离制氮机用煤矿井下，首先要求具备防爆性能，其次结构简单，移动方便，操作方便，运行可靠，性能稳定，同时氮气回率高，纯度高，投资低，成本低，设备寿命长，设备自动化程度高。
本实用新型的目的就是设计一种利用中空纤维膜空气分离技术制取氮气的井下防爆制氮机，本机器设备必须具备防爆性能，同时具备结构简单，移动方便，操作方便，运行可靠，性能稳定，同时氮气回收率高，纯度高，投资低，成本低，设备寿命长，设备自动化程度高，能够连续大量提供符合要求的氮气。
本实用新型所述的井下防爆制氮机是由矿用防爆型空气压缩机，空气净化系统，压缩空气加热部分，膜分离器，程序控制等五个部分构成。
空气压缩机是膜制氮的气源部分，本设备采用两台空气压缩机并联在一起使用，目的是在不停机的情况下，两台空压机可以轮换着检修，或当不需要大量气时，只需开一台空气压缩机，节省能源。
空气净化系统是将压缩机送来的压缩空气进行净化，以保证达到膜的使用要求及保护膜不受污染，提高膜的效率和使用寿命，它是由冷却器、汽水分离器、多级组合过滤器依次用管路串连在一起构成的，多级组合过滤器是采用粗过滤器、中粗过滤器、细过滤器和超细过滤器的组合过滤器。当压缩空气从空气压缩机产出后，通过截止阀到冷却器及汽水分离器进行降温、除水、稳压后，通过多级组合过滤器，得到极高纯度的压缩空气供膜分离使用，为保证过滤器的正常工作，不会因为污物堵塞造成气体质量变差，本设备在多级组合过滤器的两端装置一组压差变送器(pdT)和数显表(pdIA)，显示过滤器两端的压差，当压差超过报警点时，显示报警，本设备依据过滤器性能设定值为0.02Mpa。
膜在制氮过程中，对供给的压缩空气除纯度要求外，对供给的气体温度及压力也有严格的要求，在其要求的气体温度范围内，膜的产气效率最高，本设备采用的是电加热器及自动控温系统，保证气体在一恒温下供给膜使用，提高膜的生产效率。气体加热器(EH)为一台电加热器，由管路与过滤器相连，加热器的通电过程就是气体的加热过程，加热器的温度是受可编程序控制器(plc)的输出端控制来实行其通电、断电操作，通电、断电的占空比控制使气体温度趋于恒定。在电加热器出口处安装二组温度变送器(TT1、TT2)和显示控制器(TIA1、TIA2)、测量、显示和控制出口气体温度，依据制氮工艺设定出口气体温度为55度，当测量值小于设定值时，控制接点闭合，当测量值大于设定值时，控制接点断开。控制方式为PID(即比例，积分，微分)控制。在电加热器(EH)的入口处安装一组压力变送器(PT1)和数显表(PIA1)，目的是起低压保护作用，当空气压缩机出口压力P≤0.4Mpa时，设备可在可编程序控制器(plc)的控制下不启动，当压力P≥0.4Mpa时，设备才开始正常运转，从而保护了各部件不受损失。
在膜分离器的出口处安装一组气体压力变送器(PT2)和数显表(PIA2)，测量出口氮气的压力，同时在膜分离器的出口处安装一组气体流量变送器(FT)和数显表(FIA)，测量出口氮气流量。膜分离器出口氮气的压力和流量是反映制氮效果的重要指标。在膜分离器出口端安装一组氧电池元件(AE)和数显表(AIA)，测量出氮气中氧气的含量，同时设定报警点，一般设定值定为氧含量不超过3％，达到3％时报警。当气体含量小于设定值时，通过可编程序控制器(plc)的控制作用，使常闭电磁阀(YV1)和常开电磁阀(YV2)得电，至此切断放空通路而打开精氮通路。
可编程序控制器(plc)是制氮的控制核心，它的输入端与温度控制器(TIA1、TIA2)，压力控制器(PIA1)和氧含量数显表(AIA)输出端相接。它的输出端与继电器(K1-K4)相接。继电器(K1、K2)与接触器(KM1、KM2)相接，继电器(K3、K4)与电磁阀(YV1、YV2)相接，当继电器(K1、K2)动作时，接触器(KM1、KM2)动作，加热器被通电加热，当继电器(K3、K4)动作时，电磁阀(YV1、YV2)动作，电磁阀常开，常闭状态转换，实现气体按指定的通道排放。
温度控制器(TIA1、TIA2)，压力控制器(PIA1)和氧含量显示表(AIA)，可编程序控制器(plc)，压差数显表(pdIA)，压力数显表(PIA1)，流量数显表(FIA)以及电气元件装在一个防爆电控柜中。
本实用新型设计的井下防爆制氮机具有以下特点1.电气装置和设备均为隔爆型和本质安全型，从而保证了电气设备在煤矿井下使用的安全性；2.控制功能保证了制氮机能够安全、可靠的工作。如加热器的工作取决于入口气体的压力，该气体的压力不够时，加热器不能工作，从而杜绝了气量不足时使加热器“空烧”的现象；3.制氮机自动化程度高，由于报警点的设定和数字化的显示，使各状态参数一目了然，由于温度控制手段采用了PID控制和运用了可编程序控制器(plc)，其组态和变更方便，使控制几乎无需运行人员干预的情况下自动执行；4.主要参数的检测，显示采用变送器和数显表，适合远距离传输的标准4-20MA电流信号，大大提高了测量、显示和控制精度，这些均是指针仪表所无法比拟的；5.氮气的回收率高，制氮的精度高，成本低，并能连续提供大量符合要求的氮气。
下面根据附图对本实用新型所述的井下防爆制氮机结构进行详细的叙述。
图1为井下防爆制氮机结构和流程示意图，图2为主电路图，图3为plc接点图，图4-6检测显示控制图。
将两台空气压缩机(1、2)分别与两台截止阀(3、4)串联后并联在一起，然后与冷却器(5)、汽水分离器(6)、多级过滤器(7)、电加热器(EH)、膜分离器(8)用管路依次串联在一起。然后再与节流阀(9)、背压阀(10)、止回阀(11)依次相联接，与精氮出口相联的常闭电磁阀(YV1)和与放控出口相联的常开电磁阀(YV2)并联后与止回阀相联，球阀(12)与背压阀的出口端相联，依次与减压阀(13)、流量计(14)相联，在流量计出口端安装一组氧电池元件(AE)，氧电池元件的输出端与配电器(B5)相连后与数显表(AIA)相接，数显表的输出端与可编程序控制器(plc)的输入端相接，数显表(AIA)放置在电控柜中。将压力变送器(PT1)接在电加热器(EH)的入口端，通过配电器(B2)与数显表(PIA1)相连接，数显表(PIA1)的输出端与可编程序控制器(plc)的输入端相联接，放置在电控柜中。将温度变送器(TT1、TT2)安装在电加热器(EH)的出口端，分别连接温度控制仪(TIA1、TIA2)，其输出端与可编程序控制器(plc)的输入端相连接，并被放置在电控柜中。在多级过滤器(7)的两端安一组压差变送器(pdT)和数显表(pdIA)，中间由配电器B1相连接。数显表(pdIA)安置在电控柜中。在膜分离器(8)出口处安装一组压力变送器(PT2)，其输出端与配电器(B3)相连后与数显器(PIA2)相连。在膜分离器的出口端安装一组流量变送器(FT)，其输出端与配电器(B4)相连后与数显器(FIA)的输入端相连接。数显器(PIA2)和数显器(FIA)安置在电控柜中。可编程序控制器输出端分别与中间继电器(K1、K2、K3、K4)相接，继电器(K1、K2)与接触器(KM1、KM2)相联接，继电器(K3、K4)与电磁阀(YV1、YV2)相联。将可编程序控制器(plc)和电气元件安置在电控柜中，将所有设备安装在可移动载体上。
权利要求1.一种井下防爆制氮机，它是由矿用防爆型空气压缩机，空气净化系统，压缩空气加热部分，膜分离器，程序控制等五部分构成，其特征在于在多级组合过滤器的两端装有一组压差变送器(pdT)和数显表(pdIA)；压缩空气加热器采用电加热器(EH)和自动控温系统，自动控温系统是由可编程序控制器(plc)和安装在电加热器出口处的二组温度变送器(TT1、TT2)和显示控制器(TIA1、TIA2)构成；在膜分离器出口处装有一组气体压力变送器(PT2)和数显表(PIA2)；在膜分离器出口处装有一组气体流量变送器(FT)和数显表(FIA)；在膜分离器出口处装有一组氧电池元件(AE)和数显表(AIA)；在电加热器(EH)入口端装有一组压力变送器(PT1)和数显表(PIA1)；可编程序控制器(plc)的输入端与温度控制器(TIA1、TIA2)、压力控制器(PIA1)和氧含量数显表(AIA)的输出端相接，它的输出端分别与中间继电器(K1、K2、K3、K4)相接，继电器(K1、K2)与接触器(KM1、KM2)相联接，继电器(K3、K4)与电磁阀(YV1、YV2)相联；可编程序控制器(plc)，温度控制器(TIA1、TIA2)、压力控制器(PIA1)、氧气含量数显表(AIA)、气体流量数显表(FIA)、气体压力数显表(PIA2)、过滤器压差数显表(pdIA)以及所有电气元件装置在一个隔爆电控柜中；本设备采用两台空气压缩机并联结构；所有设备置于可移动载体上。
专利摘要本实用新型涉及一种中空纤维膜空气分离制取氮气技术的井下防爆制氮机,其特征在于:它是由空气压缩机,空气净化系统,压缩空气加热部分,膜分离器和程序控制五部分构成,空气加热采用电加热器直接加热,程序控制采用的可编程序控制器(p1c)为核心的自动控制系统,对压力、压差、温度、流量、纯度等均实现了自动监测和自动控制,所有仪表及控制(包括显示和报警)集中在一个隔爆电控柜中,操作者可进行随机或远距离操作,不仅改善了操作者的工作条件,也提高了设备的稳定性,可靠性,氮气回收率高,精度高,成本低,并能连续大量产出氮气。
文档编号B01D53/22GK2403490SQ00201188
公开日2000年11月1日 申请日期2000年1月28日 优先权日2000年1月28日
发明者蒋勤, 邬烈琴, 邱锦川 申请人:苏州市宏运净化设备有限公司, 煤炭科学研究总院上海分院电气自动化研究所