一种提高煤矿乏风瓦斯浓度的装置的制作方法

本实用新型涉及一种提高煤矿乏风瓦斯浓度的装置，特别是关于一种能够根据不同气体在煤体中的吸附能力差异性和渗透率差异性来提高煤矿乏风瓦斯浓度的装置。

背景技术：

众所周知，煤炭在我国一次性能源的消费结构中，占据主导地位；通风是矿井瓦斯防治的一项基本措施，为确保矿井安全生产，《煤矿安全规程》要求矿井总回风流中的瓦斯浓度不大于0.75%，浓度非常低。

一个矿井的总回风量，少则几千立方米/分钟，多则几万立方米/分钟；矿井乏风如果直接排放，既浪费能源，又破坏臭氧层；反过来，如果直接利用，发热的效率比较低，不经济，利用价值不高。因此，有必要提高矿井乏风中的瓦斯浓度，便于利用。

目前，在有关提高矿井乏风的瓦斯浓度或者甲烷提纯方面，主要有如下方法：变压吸附法、分子筛过滤法（膜分离法）、低温液化法、利用容重差异分离法、气体水合物法和离子液体溶解法等。

上述方法对分离甲烷与空气，起到了重要作用，有的甚至于实现了工业化应用；但是，也或多或少的存在一些局限性，如产量问题、经济性问题和安全问题等。

为进一步丰富矿井乏风中的瓦斯增浓方法，提高矿井乏风中的瓦斯资源利用率，减少瓦斯排放对环境的影响，有必要对能够提高矿井乏风瓦斯浓度的新方法进行探索。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的主要技术问题是提供一种提高煤矿乏风瓦斯浓度的装置。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案是：一种提高煤矿乏风瓦斯浓度的装置，包括矿井乏风导入器、管道、管道闸门、气体分离系统和气体抽放系统；所述管道的一端与乏风导入器连接，并在连接处设置闸门；所述气体分离系统安装在管道内部，至少设置两组，沿管道长度顺序布置；两分离系统之间留有间隔，其相对面与管道内壁之间形成瓦斯抽放区域，所述气体抽放系统与瓦斯抽放区域连接；

所述气体分离系统包括煤柱、密封垫、低温液体储罐与高温液体储罐；所述密封垫包裹在煤柱外部，密封垫内敷设有液体流通管道，液体流通管道的两端穿过密封垫以及管道，一端连接低温液体储罐和高温液体储罐，另一端连接排液阀，所述低温液体储罐和高温液体储罐配设进液阀门；

所述气体抽放系统包括抽气管和抽放泵，抽气管一端穿过管道与瓦斯抽放区域密封连接，另一端与抽气泵连接。

所述气体分离系统与管道安装完成后，其外壁与管道的内壁紧密贴合。

所述抽气管分别与抽放泵以及管道螺纹连接。

所述管道的管壁上预设孔，可以方便液体流通管道的穿出，以及抽气管的安装。

所述乏风导入器为喇叭状，其靠近管道端设有用于安装闸门的插槽。

所述煤柱为高孔隙率型煤，由煤样中预先添加可气化固体颗粒，并经高温、高压制作而成。

所述煤样为肥煤，并添加焦油作为粘结剂。

所述可气化固定颗粒为冰或干冰。

所述煤柱的制作装置包括：煤样筒、加热器、轴向加压设备，所述煤样筒为圆柱形，加热器包裹在煤样筒外部，轴向加压设备设置在煤样筒上部，并能够进入煤样筒内。

所述煤柱的制作方法为：将煤样和可气化固体颗粒的混合物放入煤样筒，对在煤样筒外部对煤样进行加热，并通过加压设备对煤样施加轴向压力，让煤样重新结焦炭化，使可气化固体颗粒挥发出来，从而制备出高孔隙率煤样。

一种利用提高煤矿乏风瓦斯浓度的装置提高矿井乏风瓦斯浓度的方法为：

1）将气体分离系统均布在管道内，所体分离系统之间形成瓦斯抽放区域，将气体分离系统与低温液体储罐和高温液体储罐连接，将气体抽放系统与瓦斯抽放区域连接；将乏风导入器固连于管道的进风端，插入管道闸门将管道封闭；

2）关闭高温液体储罐的阀门、排液阀门以及瓦斯抽放系统，打开低温液体储罐的阀门，将低温液体储罐内的低温液体注入液体流通管道，通过导热作用冷却煤柱；其它气体分离系统的煤柱采用同样的方法进行冷却，以便增加煤柱孔隙对甲烷的吸附数量；

3）管道闸门处于打开状态，矿井乏风通过乏风导入器1进入管道3，并通过煤柱向管道的尾部渗流，由于空气的渗透率高，它们以更快的速度流往管道尾部，甲烷被煤柱吸附；

4）关闭管道闸门，关闭低温液体储罐的阀门，打开高温液体储罐的阀门，将高温液体储罐内的高温液体注入液体流通管道，通过导热作用加热煤柱；其它气体分离系统的煤柱采用同样的方法进行加热，以便增加煤柱孔隙内甲烷的解吸数量；

5）启动所有抽放系统的抽放泵，抽取瓦斯抽放区域内的高浓度瓦斯气体；抽放完毕后打开管道闸门进入下一个循环作业。

本实用新型的工作原理为：煤样与可气化固体颗粒混在一起放置于圆形煤样筒内，在高温高压作用下形成煤柱，由于可气化固体颗粒的挥发，导致型煤内的孔隙特别发达，便于气体渗流。在气体流动时，乏风依次经过以煤柱作为主体的气体分离系统以及抽放区域，一方面，由于空气的渗透率远高于甲烷，空气以更快的速度流往管道的尾部，必然导致气体浓度在整个系统中的重新分布，甲烷浓度呈先上升后下降的趋势，空气浓度呈先下降后上升的趋势，导致抽放区域本身的甲烷浓度比较高；另一方面，煤柱孔隙表面对甲烷的吸附能力要高于空气，在解吸出来的气体中，甲烷所占比例自然较高，并且这部分气体也将流向抽放区域。另外，气体分离系统利用液体流通管道走低温液体，降低煤柱温度，最大限度的增加煤柱孔隙表面吸附气体的数量；在关闭管道闸门，准备利用抽放系统抽取气体时，液体流通管道走高温液体，升高煤柱温度，让吸附于煤柱孔隙表面的瓦斯尽快解吸出来，强化了变压吸附法分离甲烷和空气的效果，从而实现矿井乏风的瓦斯增浓效果。

本实用新型的有益效果是：本实用新型可为企业提供一种提高煤矿乏风瓦斯浓度的装置，该装置让矿井乏风流经多段温度可调的高孔隙率煤样，不仅可借助于温度对煤样吸附气体能力的影响，提升变压吸附法分离甲烷的效果，而且可以利用空气渗透率远高于甲烷的特点（导致系统中部：甲烷浓度高，空气浓度低）来分离甲烷；从而有效提高矿井乏风的瓦斯浓度。本实用新型利用在煤样中预先添加可气化固体颗粒来制作高孔隙率型煤，与普通的多孔介质相比，它对甲烷和空气具有很好的吸附能力差异性；与普通型煤相比，它的孔隙比较发达，便于气体渗流。在系统中布置的若干个气体分离系统，利用甲烷和空气在煤柱中的渗透率差异及其产生的气体浓度分布规律，抽气甲烷浓较高位置的气体，从而实现提高矿井乏风瓦斯浓度的功能，是本实用新型的核心技术。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是煤柱的制作装置的结构示意图。

图中标记如下：1.乏风导入器，2.管道闸门，3.管道，4.气体分离系统，4-1煤柱、4-2密封垫、4-3.液体流通管道、4-4.阀门、4-5.阀门、4-6.低温液体储罐、4-7.高温液体储罐、4-8.阀门、5.气体抽放系统，5-1抽气管、5-2.抽放泵，6. 煤柱的制作装置，6-1.加热器、6-2.煤样筒、6-3.轴向加压设施。

具体实施方式

如图1所示，它由1个乏风导入器1、1个管道3、1个管道闸门2、若干个气体分离系统4，若干个气体抽放系统5组成。其中，每个气体分离系统4均包括1个煤柱4-1、1个密封垫4-2、1个液体流通管道4-3、1个低温液体储罐4-6和1个高温液体储罐4-7、每个气体抽放系统5均包括1个抽气管5-1和1个抽放泵5-2；其中，煤柱的制作装置6包括1个加热器6-1、1个煤样筒6-2和1个轴向加压设施6-3。

管道3与乏风导入器1采用电焊联接，矿井乏风导入器1的上部留有缺口，管道闸门2从此插入。

密封垫4-2包裹煤柱4-1，并内置液体流通管道4-3，一起放置在管道3内的合适位置，管道3的表面预留孔，液体流通管道4-3从孔穿出，分别与低温液体储罐4-6和高温液体储罐4-7相联接，联接方式为螺纹联接，并在联接管路上分别安装阀门4-4和阀门4-5，在液体流通管道4-3的出口端，也安装阀门4-8。

抽气管5-1一头联接管道3表面预留的孔，另一头联接抽放泵5-2，均采用螺纹联接。

各气体分离系统4和气体抽放系统5的联接和布置方式基本一致，区别仅体现在管道3的位置不同。气体分离系统4和气体抽放系统5的数量，可根据实际需要增加或删减。

本实用新型的一个实施例如下：

矿井乏风导入器1为一个抗静电的塑料硬质圆台形空筒，入口半径1m，出口半径0.5m，壁厚5mm；管道闸门2为一个圆形板与抽取把手的组合体，圆形板的材质为抗静电塑料，半径0.5m，厚5mm，提取把手为一根圆柱形木棍。

管道3为一个圆筒形的抗静电塑料硬质空筒，半径0.5m，壁厚5mm，表面合适的位置凿有小孔，孔的半径15mm。

煤柱4-1的半径为0.4m，长3m；密封垫4-2采用软皮塑料制成，松散时，厚0.12m，压紧时0.1m；液体流通管道4-3为塑料胶管，半径15mm，长30-50m，均匀布置于密封4-2内；阀门4-4、4-5和4-8为手动截止阀；低温液体储罐4-6为LNG低温储罐，高温液体储罐4-7为PE水箱塑料储罐。

抽气管5-1的制作材料为橡胶，外径30mm，壁厚5mm，长分别是10m；抽放泵5-2为GDL型立式多级离心泵。

煤样为处于中等煤化程度的肥煤，并添加煤焦油作为粘结剂；可气化固体颗粒为冰或干冰，颗粒直径为1mm；加热器6-1为哈夫式电加热器；煤样筒6-2的制作材料为钢，内径800mm，壁厚10mmm，长3.2m；轴向加压设施6-3为压力传递轴和油压千斤顶的组合体，其中，压力传递轴的直径的800mm，长0.3m，油压千斤顶为良升牌。

本实用新型的工作过程如下：

将煤样和可气化固体颗粒的组合体放入煤样筒6-2，再将加热器6-1包裹煤样筒6-2，并在煤样筒6-2的上方设置轴向加压设施6-3；启动轴向加压设施6-3和加热器6-1，让煤样重新结焦炭化，可气化固体颗粒挥发出来，从而制备出圆柱形的高孔隙率煤样。

液体流通管道4-3提前放置于密封垫4-2内，并用他们包裹制备好的煤柱4-1，塞入管道3中相应的位置；从塞入管道3上的小孔引出液体流通管道4-3，并通过螺纹分别与低温液体储罐4-6和高温液体储罐4-7相联接；再安装阀门4-4、4-5和4-8。

同理，安装其它的气体分离系统4。

抽气管5-1的一头与管道3表面预留的小孔相联，另一头与抽放泵5-2相联，均采用螺纹联接；从而使得抽放泵5-2与管道3内腔的气路畅通。

同理，安装其它的气体抽放系统5。

联接矿井乏风导入器1和管道3，并插入管道闸门2。

打开阀门4-4和4-8，将低温液体储罐4-6内的低温液体注入液体流通管道4-3，通过导热作用，冷却煤柱4-1；其它气体分离系统4的煤柱4-1采用同样的方法进行冷却，以便增加煤柱4-1孔隙对甲烷的吸附数量。

提取管道闸门2，矿井乏风进联接矿井乏风导入器1进入管道3，并通过煤柱向管道3的尾部渗流。

放下管道闸门2，关闭阀门4-4，打开阀门4-5，将高温液体储罐4-7内的高温液体注入液体流通管道4-3，同样，通过导热作用，加热煤柱4-1；其它气体分离系统的煤柱采用同样的方法进行加热，以便增加煤柱孔隙内甲烷的解吸数量。

启动所有抽放系统的抽放泵5-2，抽取两段煤柱4-1中间的高浓度瓦斯气体，一方面，由于空气的渗透率高，它们以更快的速度流往管道3的尾部，导致抽放区域本身的甲烷浓度比较高；另一方面，煤柱孔隙表面对甲烷的吸附能力要高于空气，在解吸出来的气体中，甲烷所占比例自然较高，并且这部分气体也将流向抽放区域，从而实现矿井乏风的瓦斯增浓效果。

抽放完毕，关闭抽放泵5-2，重新开展下一个循环的作业。