一种利用超低浓度瓦斯的空压系统及其空气压缩控制方法与流程

本发明涉及煤矿开采设备领域，具体是指一种能够利用超低浓度瓦斯氧化热量进行空气压缩的系统及其调控方法。

背景技术：

压缩空气由于输送方便、压缩性好、无自燃性、洁净无污染、可稀释有害气体、无需考虑回收等诸多优点，在矿山企业中是仅次于电力的主要能源之一。压缩空气设备作为矿井传统四大设备之一，主要担负矿井采掘面工作工具和压风自救系统用气，特别是在某些地质条件较差、断层多且岩巷掘进量大的矿井中，设备装机容量和功率都很大。因此压缩空气系统节能在设计之初就必须加以考虑。

而矿井瓦斯是指井下以甲烷为主的有毒、有害气体的总称，有时单独指甲烷。瓦斯比空气轻，易扩散、渗透性强，容易从邻近层穿过岩层由采空区放出。瓦斯本身无毒性，但不能供人呼吸，当矿内空气中瓦斯浓度超过50%时，能使人因缺氧而窒息死亡。瓦斯能燃烧或爆炸，瓦斯爆炸是煤矿主要灾害之一，国内外已有不少由于瓦斯爆炸造成人员伤亡和严重破坏生产的事例。因此必须采取有效的预防措施，避免发生瓦斯爆炸事故，确保安全生产。矿井瓦斯是在煤的生成和煤的变质过程中伴生的气体。在成煤的过程中生成的瓦斯是古代植物在堆积成煤的初期，纤维素和有机质经厌氧菌的作用分解而成。另外，在高温、高压的环境中，在成煤的同时，由于物理和化学作用，继续生成瓦斯。

矿井开采中会产生大量的超低浓度瓦斯气体，该气体中的瓦斯浓度仅为1-3%，因该含量远低于爆炸临界含量，故该气体一般直接排空，既浪费能源还污染环境；而现有的矿井开采时因为需要压缩空气，故制备压缩空气时需要消耗大量的电能，现在没有技术能将该超低浓度瓦斯气体利用进行空气压缩。

技术实现要素：

针对上述现有技术中无法有效利用超低浓度的瓦斯气体从而导致其浪费的问题，本发明提供一种利用超低浓度瓦斯进行空气压缩的系统及其空气压缩控制方法。

本发明通过下述技术方案实现：一种利用超低浓度瓦斯的空压系统，包括用来氧化处理超低浓度瓦斯的氧化模块和通过氧化模块提供能量进行气体压缩的压缩模块；还包括与驱动压缩模块连接的压缩空气储罐，由所述压缩空气储罐输出供矿井使用的压缩空气。

值得说明的是，本发明中的系统主要包括三个部分，其中所述氧化模块是用来收集从矿井中产生的大量超低浓度瓦斯气体，然后通过氧化反应利用该气体中蕴含的化学能转变为热能，从而将产生的热能收集传输给所述压缩模块，由压缩模块压缩空气并注入压缩空气储罐中。因为超低浓度的瓦斯气体具有可利用的化学能源，通过氧化反应使得其中含量稀少的主要以甲烷为成分的瓦斯能够被利用，从而利用余热进行热能输出。

进一步的，所述压缩模块包括与压缩空气储罐连接的蒸汽压缩组件和补充压缩组件；所述蒸汽压缩组件由所述氧化模块供应的高压蒸汽驱动进行空气压缩。本方案是在上述方案基础上进行优化，虽然超低浓度的瓦斯气体量较大，但因有效能源气体含量较少，仅靠单独由超低浓度的瓦斯气体氧化供能制造的压缩空气较少，故需要设置有压缩空气储罐进行缓冲，不仅能够稳定流速，同时具有一定的裕度值，可以在设备故障时紧急供应一定时长的能量。但同时，为了保证整个系统的安全性，所述压缩模块包括由氧化模块功能的蒸汽压缩组件和其他能源供能的补充压缩组件，当压缩空气储罐内的空气在一定范围内时，可仅由氧化模块供能；若压缩空气储罐量下降到一定值时则可同时启动蒸汽压缩组件和补充压缩组件。而所述的补充压缩组件的动力源包括电能、风能、水能或太阳能等能源。

进一步的，所述蒸汽压缩组件包括蒸汽轮机和a空压机，所述蒸汽轮机接受氧化模块输送的高压蒸汽带动a空压机压缩空气并输入压缩空气储罐内储存。因氧化模块输出的是高温高压的蒸汽，故该蒸汽直接通入蒸汽轮机带动输出轴转动，从而带动a空压机将外部空气吸入压缩。

进一步的，所述补充压缩组件包括a电机和通过a电机驱动的b空压机，所述b空压机压缩空气并输入压缩空气储罐内储存。这里限定所述补充压缩组件为电力驱动，简单高效。

进一步的，所述补充压缩组件设置至少两组，所述压缩空气储罐的输出端设有切断阀。

进一步的，所述压缩空气储罐上设有根据压缩空气储罐内的压力数值调节压缩模块输送量的压力变送器。

进一步的，所述蒸汽压缩组件和补充压缩组件的输出端均设有与止回阀。

进一步的，所述氧化模块包括依次连接的掺混风机、混合器、瓦斯氧化装置和余热锅炉，由掺混风机将空气引入混合器中与存在于混合器内的超低浓度瓦斯混合后送入瓦斯氧化装置中氧化，并将瓦斯氧化装置中输出的高温烟气通入余热锅炉中产生高压蒸汽再将高压蒸汽输入压缩模块中进行空气压缩。

进一步的，所述氧化模块还包括与余热锅炉和混合器均连接且用来收集低温气体的排烟组件，所述排烟组件包括依次连接的引风机和烟囱。超低浓瓦斯进入瓦斯氧化装置氧化，部分低温烟气通过引风机、烟囱排出；超低浓瓦斯氧化装置产生的高温烟气进入余热锅炉回收热量，剩余低温烟气通过引风机、烟囱排出。余热锅炉产生的高温、高压过热蒸汽驱动蒸汽轮机，带动瓦斯驱动空压机制取压缩空气；蒸汽轮机排出的乏汽经过冷却器冷凝成水，进入水箱；水箱内的软化水通过补水泵给余热锅炉补水。

一种空气压缩控制方法，用来控制上述的一种利用超低浓度瓦斯的空压系统进行空气压缩；

当所述压缩空气储罐内压力小于0.8mpa时，打开蒸汽压缩组件和所有补充压缩组件给压缩空气储罐提供压缩空气；当所述压缩空气储罐（1）内压力大于0.85mpa时只留有蒸汽压缩组件和任一补充压缩组件继续工作；

当所述压缩空气储罐内压力大于0.85mpa小于0.9mpa时，打开蒸汽压缩组件和任一补充压缩组件给压缩空气储罐提供压缩空气；当所述压缩空气储罐内压力大于0.95mpa时关闭所有补充压缩组件；

当所述压缩空气储罐内压力大于0.95mpa小于1.0mpa时，仅打开蒸汽压缩组件提供压缩空气，当所述压缩空气储罐内压力大于1.1mpa时关闭压缩模块。

这里限定了具体的压缩空气供应方法，首先所述压力变送器与蒸汽压缩组件和补充压缩组件连接并进行控制，当整个压缩空气储罐内的压力大于1.0mpa且所述蒸汽压缩组件并未启动时，整个压缩模块并未启动，当压缩空气储罐内的压力一直下降并低于1.0mpa大于0.9mpa时，则会开启蒸汽压缩组件进行压缩空气供给。若此时压缩空气储罐压力由下降趋势转变为上升趋势或维持在该压力区间时，则蒸汽压缩组件一直开启并供应压缩空气，直到压力上升并超过1.1mpa后便停止工作。

而只有当压力还是呈下降趋势并低于0.9mpa后才打开一组补充压缩组件，若此时压缩空气储罐压力由下降趋势转变为上升趋势或维持在该压力区间时，则蒸汽压缩组件和该补充压缩组件一直持续工作，直到压力上升达到0.9mpa才关闭该补充压缩组件。

同理，小于0.85mpa时则打开整个压缩模块进行压缩空气供给，而实际使用时，会根据具体的压缩气体消耗速率来设置整个系统，使得当整个压缩模块工作时，在用气最高峰时段，压缩空气消耗速度与消耗时间的乘积应小于压缩模块的压缩空气输送速度与消耗时间的乘积和整个压缩空气储罐内压力值为1.1mpa时的气量之和。具体关系表达式如下：

h消耗＜t（h供应+h储罐）

其中h消耗即为该时段的压缩空气消耗量，h供应即为该时段的压缩空气供应量，而h储罐在内部气压为1.1mpa时的存储气量；为了保证安全，则会增加一个系数t，该系数t的范围为0.2-0.7。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本发明以超低浓瓦斯氧化释放的能量驱动煤矿空压机系统，大幅减少电力消耗，节能环保；

同时实现优先采用超低浓瓦斯氧化装置驱动，在超低浓瓦斯氧化装置动力不足或故障时，电驱动无缝对接和补充；

并且以超低浓瓦斯和电能作为煤矿制取压缩空气的动力来源，进一步增加了煤矿压缩空气系统的可靠性和安全裕度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其他特征、目的和优点将会变得更为明显：

图1为本发明的整个系统的工艺流程示意图；

图2为本发明的压缩空气供应方法流程图。

其中：1-压缩空气储罐，2-蒸汽轮机，3-a空压机，4-a电机，5-b空压机，6-切断阀，7-压力变送器，8-止回阀，9-掺混风机，10-混合器，11-瓦斯氧化装置，12-余热锅炉，13-引风机，14-烟囱，15-冷却器，16-水箱，17-水泵。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

本实施例的一种利用超低浓度瓦斯的空压系统，包括氧化模块、压缩模块和与驱动压缩模块连接的压缩空气储罐1，由所述压缩空气储罐1输出供矿井使用的压缩气体。其中所述氧化模块是用来收集从矿井中产生的大量超低浓度瓦斯气体，然后通过氧化反应利用该气体中的所有能源气体产生热能，从而将产生的热能收集传输给所述压缩模块，由压缩模块压缩空气并注入压缩空气储罐1中。因为超低浓度的瓦斯气体具有可利用的化学能源，通过氧化反应使得其中含量稀少的主要以甲烷为成分的瓦斯能够被利用，从而利用余热进行热能输出。

压缩模块包括与压缩空气储罐1连接的蒸汽压缩组件和补充压缩组件；所述蒸汽压缩组件由所述氧化模块供应的高压蒸汽驱动进行空气压缩。

实施例2：

本实施例是在上述实施例1的基础上进行优化限定，所述蒸汽压缩组件包括蒸汽轮机2和a空压机3，所述蒸汽轮机2接受氧化模块输送的高压蒸汽带动a空压机3压缩空气并输入压缩空气储罐1内储存。

补充压缩组件包括a电机4和通过a电机4驱动的b空压机5，所述b空压机5压缩空气并输入压缩空气储罐1内储存。

实施例3：

本实施例的一种利用超低浓度瓦斯的空压系统，如图1所示，包括氧化模块、压缩模块和与驱动压缩模块连接的压缩空气储罐1，由所述压缩空气储罐1输出供矿井使用的压缩空气。

其中所述氧化模块是用来收集从矿井中产生的大量超低浓度瓦斯气体，然后通过氧化反应利用该气体中的所有能源气体产生热能，从而将产生的热能收集传输给所述压缩模块，由压缩模块压缩空气并注入压缩空气储罐1中。

压缩模块包括与压缩空气储罐1连接的蒸汽压缩组件和补充压缩组件；所述蒸汽压缩组件由所述氧化模块供应的高压蒸汽驱动进行空气压缩。

蒸汽压缩组件包括蒸汽轮机2和a空压机3，所述蒸汽轮机2接受氧化模块输送的高压蒸汽带动a空压机3压缩空气并输入压缩空气储罐1内储存。

补充压缩组件包括a电机4和通过a电机4驱动的b空压机5，所述b空压机5压缩空气并输入压缩空气储罐1内储存。所述补充压缩组件设置有两组，一组为电压缩组件a，另一组为电压缩组件b。所述压缩空气储罐1的输出端均设有切断阀6。

实施例4：

本实施例是在上述实施例1的基础上进行优化限定，所述压缩空气储罐1上设有根据压缩空气储罐1内的压力调节压缩模块输送量的压力变送器7。

蒸汽压缩组件和补充压缩组件的输出端管道上均设有止回阀8，以防止压缩气体的回流导致设备故障。而氧化模块包括依次连接的掺混风机9、混合器10、瓦斯氧化装置11和余热锅炉12，由掺混风机9将空气引入混合器10中与存在于混合器10内的超低浓度瓦斯混合后送入瓦斯氧化装置11中氧化，并将瓦斯氧化装置11中输出的高温烟气通入余热锅炉12中产生高压蒸汽再将高温蒸汽输入压缩模块中进行空气压缩。

进一步的，所述氧化模块还包括与余热锅炉12和混合器10均连接且用来收集低温气体的排烟组件，所述排烟组件包括依次连接的引风机13和烟囱14。超低浓瓦斯进入瓦斯氧化装置11氧化，部分低温烟气通过引风机13、烟囱14排出；超低浓瓦斯氧化装置11产生的高温烟气进入余热锅炉12回收热量，剩余低温烟气通过引风机13、烟囱14排出。余热锅炉12产生的高温、高压过热蒸汽驱动蒸汽轮机2，带动瓦斯驱动空压机制取压缩空气；蒸汽轮机2排出的乏汽经过冷却器15冷凝成水，进入水箱16；水箱16内的软化水通过水泵17给余热锅炉12补水。

本实施例的空气压缩控制方法如下：

首先所述压力变送器7与蒸汽压缩组件和补充压缩组件连接并进行控制，当整个压缩空气储罐1内的压力大于1.0mpa且所述蒸汽压缩组件并未启动时，整个压缩模块并未启动，当压缩空气储罐1内的压力一直下降并低于1.0mpa大于0.9mpa时，则会开启蒸汽压缩组件进行压缩空气供给。若此时压缩空气储罐1压力由下降趋势转变为上升趋势或维持在该压力区间时，则蒸汽压缩组件一直开启并供应压缩空气，直到压力上升并超过1.1mpa后便停止工作。

而只有当压力还是呈下降趋势并低于0.9mpa后才打开一组补充压缩组件，若此时压缩空气储罐1压力由下降趋势转变为上升趋势或维持在该压力区间时，则蒸汽压缩组件和该补充压缩组件一直持续工作，直到压力上升达到0.9mpa才关闭该补充压缩组件。而如图2所示，其中设有一个自检的压力值，一旦当压缩空气储罐1内的压力在同时开启蒸汽压缩组件和电压缩组件a的情况下上升超过0.95mpa时，则关闭电压缩组件a，所述蒸汽压缩组件继续工作。

同理，小于0.8mpa时则打开整个压缩模块进行压缩空气供给，如图2所示，其中同样设有一个自检的压力值，一旦当压缩空气储罐1内的压力在同时开启蒸汽压缩组件、电压缩组件a和电压缩组件b的情况下上升超过0.85mpa时，则关闭电压缩组件b，所述蒸汽压缩组件和电压缩组件a继续工作。

而实际使用时，会根据具体的压缩气体消耗速率来设置整个系统，使得当整个压缩模块工作时，在用气最高峰时段，压缩空气消耗速度与消耗时间的乘积应小于压缩模块的压缩空气输送速度与消耗时间的乘积和整个压缩空气储罐1内压力值为1.1mpa时的气量之和。具体关系表达式如下：

h消耗＜t（h供应+h储罐）

其中h消耗即为该时段的压缩空气消耗量，h供应即为该时段的压缩空气供应量，而h储罐在内部气压为1.1mpa时的存储气量；为了保证安全，则会增加一个系数t，该系数t的范围为0.2-0.7。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。