专利名称：煤矿瓦斯综合应用系统及其利用方法
技术领域：
本发明涉及一种环保和可循环能源的装置及其应用方法，具体涉及一种煤矿瓦斯综合应用系统及其利用方法。
背景技术：
煤矿瓦斯俗称煤层气属非常规天然气，是优质能源和化工原料。中国不仅是一个煤炭资源大国，煤层气资源也极其丰富。我国政府和有关工业部门高度关注煤层气的勘探开发，今年来成效斐然。但是由于种种原因，投入与回报的比例仍不尽如人意。首先，中国地质条件复杂，煤矿瓦斯地质理论尚不成熟，对全国煤矿瓦斯主要赋存地区的煤层含气性、煤储层物性、控气地质特征等缺乏系统探讨和总结，煤矿瓦斯选取评价标准和方法有待深入研究，这是以往某些煤矿瓦斯开发选区失当的重要原因。其次，煤储层不同于常规天然气储层，煤矿瓦斯的勘探开发中的有关公益技术亟待改进，我国煤矿瓦斯抽采技术相对落后，煤矿瓦斯的利用有所限制。再者，不当的抽采方式容易造成瓦斯气中抽入空气降低了瓦斯浓度，使瓦斯的浓度在爆炸区间之内，存在安全隐患。由于瓦斯爆炸极限是在59Γ15%，所以在保障安全的前提下，在2010年前只规定能利用浓度在30%以上的煤矿瓦斯，但随着技术的不断发展，国家政策的调整，30%以下的煤矿瓦斯也可以受限使用， 使用技术有待进一步提高。煤矿瓦斯的开发利用对于我国国民经济的发展具有重要的战略意义，它将改善我国的能源结构、促进我国以煤为主的能源系统逐步向环境无害的可持续发展模式转变，形成洁净能源新产业，同时，煤矿瓦斯的开采还可以从根本上防止煤矿瓦斯事故，改善煤矿安全生产条件，且由于甲烷的温室效应是二氧化碳的21倍，充分利用煤矿瓦斯可以减少甲烷排放所导致的强烈温室效应，对全球大气环境的保护具有积极作用。煤矿的抽采系统因不同的抽采工艺和装机容量会产生很大的差异，使得抽采出的煤矿瓦斯浓度高低。按照浓度的不同，煤矿瓦斯可以分成以下几类
1.浓度大于30%的高浓度瓦斯，这部分瓦斯安全可靠，通过除杂质、净化等系列处理后可以直接利用比如送入城市天然气管道，作为民用。2.浓度大于5%小于30%的低浓度瓦斯，根据近期国家规定需要在安装安全输送系统的前提下才能受限制的使用。3.在煤矿通风巷道中还存在浓度不超过0.7%的风排瓦斯，俗称矿井乏风。这部分瓦斯由于不能直接利用基本上都是直接排空，浪费了可利用资源。矿井乏风中甲烷含量虽低但总量非常大，通常占到整个煤矿瓦斯排放量的709Γ80%，即占温室气体排放量70%以上，造成了大量温室气体的排放。
发明内容
本发明的目的是提供一种煤矿瓦斯综合应用系统及其利用方法，可以对不同浓度的煤矿瓦斯采用不同的工艺路线进行综合利用，使整个煤矿瓦斯的利用率达到最大化。对于大量浓度超低的矿井乏风，使用蓄热氧化裂解装置摧毁微量甲烷，同时回收裂解产生的
6热量，在减少煤矿瓦斯所导致温室效应的同时，实现能源的综合回收利用。为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现的
一种煤矿瓦斯综合应用系统，其特点是，该应用系统包含矿井乏风测定部件、煤矿瓦斯测定部件、高浓度瓦斯处理子系统、低浓度瓦斯处理子系统、矿井乏风处理子系统和余热处理子系统；
所述的煤矿瓦斯测定部件的输入口通过管道与煤矿瓦斯抽采泵房的出风口相连； 所述的矿井乏风测定部件的输入口通过管道与煤矿通风巷道的出风口相连； 所述的高浓度瓦斯处理子系统包含高浓度瓦斯预处理装置、高浓度燃气发电机组；所述的高浓度瓦斯预处理装置的进气口与煤矿瓦斯测定部件的出口通过管道相连，高浓度燃气发电机组的进气口通过管道与高浓度瓦斯预处理装置的出气口相连，所述的高浓度燃气发电机组的电源端通过电缆与电网相连；
所述的低浓度瓦斯处理子系统包含安全输送装置、低浓度瓦斯预处理装置、低浓度燃气发电机组；所述的安全输送装置的进气口与煤矿瓦斯测定部件的出口通过管道相连，低浓度瓦斯预处理装置进气口通过管道与安全输送装置的出气口相连，低浓度燃气发电机组进气口通过管道与低浓度瓦斯预处理装置的出气口相连；所述的低浓度燃气发电机组的电源端通过电缆与电网相连；
所述的矿井乏风处理子系统包含乏风输送连接装置、乏风氧化装置、第三控制传感部件、掺混装置；所述的乏风输送连接装置的进气口分别通过管道与乏风测定部件、掺混装置的出气口连接，其出气口与乏风氧化装置的进气口相连；所述的第三控制传感部件的进口与高浓度瓦斯预处理装置的出口相连；所述的掺混装置的进气口分别通过管道与乏风测定部件的出气口、第三控制传感部件的出气口相连；
所述的余热处理子系统包含余热利用循环装置、第一余热锅炉、蒸汽轮机及发电机；所述的余热利用循环装置分别与第一余热锅炉、蒸汽轮机通过管道相连；所述的第一余热锅炉的高温烟气进口分别通过管道与高浓度燃气发电机组、低浓度燃气发电机组的高温烟气出口相连；所述的发电机的主轴与蒸汽轮机的主轴相连，发电机通过电缆与电网连接。上述的煤矿瓦斯综合应用系统，其中，所述的余热利用循环装置包含第二余热锅炉、电磁阀、过热器冷凝器、凝水箱及给水泵；所述的电磁阀的进气口和出气口通过管道分别与过热器的出气口和蒸汽轮机的进气口连接；所述的冷凝器的进气口通过管道与蒸汽轮机的出口连接；所述的凝水箱的两端进口分别通过道管与冷凝器的出口、第一余热锅炉的出口连接；所述的给水泵的进水口通过管道与凝水箱的出口连接，给水泵的出口与第二余热锅炉的第一进口相连；所述的第二余热锅炉的第二进口与乏风氧化装置的出口通过管道相连。上述的煤矿瓦斯综合应用系统，其中，所述的矿井乏风处理子系统中还包含第一控制传感部件，所述的第一传感部件包含第一电动阀、第一电磁阀、第一手动控制阀及第一传感器；所述的第一电动阀、第一电磁阀、第一手动控制阀及第一传感器依次设置在乏风氧化装置的出口与第二余热锅炉的进口之间的管道上；所述的第一电动阀的进风口与所述的乏风氧化装置的出口通过管道连接，所述的第一传感器的出口通过管道与所述的第二余热锅炉的第二进口连接。上述的煤矿瓦斯综合应用系统，其中，所述的第三控制传感部件包含第三电动阀、第三电磁阀、第三手动控制阀及第三传感器；所述的第三电动阀、第三电磁阀、第三手动控制阀和第三传感器依次设置在高浓度瓦斯预处理装置的出口与掺混装置之间的管道上，所述的第三电动阀的进口与高浓度瓦斯预处理装置的出口通过管道连接；所述的第三传感器的出口通过管道与掺混装置的进口相连。上述的煤矿瓦斯综合应用系统，其中，所述的乏风输送连接装置包含乏风输送连接管道、放散管及移门；所述的乏风输送连接管道的进气口分别与乏风测定部件、掺混装置的出气口连接，乏风输送连接管道的出气口与乏风氧化装置)的进气口相连；所述的放散管设置在输送连接管道的中部一侧向外延伸，乏风输送连接管道的内腔与放散管内腔相贯通；所述的移门设置在放散管和乏风输送连接管道的出气的部位，该移门可在该部位控制移动；该移门与放散管的出气口和乏风输送连接管道的出气口相适配。上述的煤矿瓦斯综合应用系统，其中，所述的余热处理子系统中还包含第二控制传感部件，所述的第二控制传感部件包含第二电动阀、第二电磁阀、第二手动控制阀及第二传感器；所述的第二电动阀、第二电磁阀、第二手动控制阀和第二传感器依次设置在高浓度燃气发电机组、低浓度燃气发电机组的出口与第一余热锅炉之间的管道上；所述的第二电动阀的进口通过管道分别与高浓度燃气发电机组、低浓度燃气发电机组的高温烟气出口相连；所述的第二传感器的高温烟气出口通过管道与第一余热锅炉的高温烟气进口相连。上述的煤矿瓦斯综合应用系统，其中，所述的余热处理子系统还包含手动控制部件；所述的手动控制部件包含第四手动控制阀、第五手动控制阀、第六手动控制阀及第七手动控制阀；所述的第四手动控制阀的进口与外界软化水管连接；所述的第六手动控制阀设置在第四手动控制阀与凝水箱之间的管道上；所述的第五手动控制阀设置在第四手动控制阀的出口与第一余热锅炉的第二进口之间的管道上；所述的第七手动控制阀设置在第一余热锅炉的出口和第六手动控制阀之间的管道上。一种采用上述煤矿瓦斯综合应用系统的利用方法，其特点是，该利用方法包含以下步骤
步骤1，煤矿瓦斯抽采泵房抽放的瓦斯；
步骤2，煤矿瓦斯测定部件测定的瓦斯浓度，若瓦斯浓度浓度大于30%则通过管道引入高浓度瓦斯处理子系统，若瓦斯浓度大于5%小于30%则通过管道引入到低浓度瓦斯处理子系统；矿井乏风测定部件测定的瓦斯浓度，若瓦斯浓度小于0. 7%则通过管道引入到矿井乏风处理子系统；
步骤2. 1，高浓度瓦斯处理子系统将瓦斯的化学能转化成电能并入电网同时产生的高温烟气，进入余热处理子系统；
步骤2. 2，低浓度瓦斯处理子系统将瓦斯的化学能转化成电能并入电网同时产生高温烟气，进入余热处理子系统；
步骤2. 3，矿井乏风处理子系统将乏风氧化成高温烟气，进入余热处理子系统； 步骤3，余热处理子系统将瓦斯的产生的高温烟气转化成电能并入电网。步骤4，煤矿瓦斯综合应用系统产生的低温烟气通过浓度计、流量计测定低温烟气浓度、流量后，将无污染的洁净气体从烟 排空。上述的煤矿瓦斯综合应用系统的利用方法，其中，所述的步骤2. 1中还包含以下步骤步骤2. 1. 1，高浓度瓦斯预处理装置将高浓度瓦斯脱水除尘； 步骤2. 1.2，高浓度瓦斯燃气发电机组将瓦斯化学能转化成电能。所述的步骤2. 2中还包含以下步骤 步骤2. 2. 1，安全输送装置输送低浓度瓦斯；
步骤2. 2. 2，低浓度瓦斯预处理装置将低浓度瓦斯脱水除尘； 步骤2. 2. 3，低浓度瓦斯燃气发电机组将瓦斯化学能转化成电能。所述的步骤2. 3包含以下步骤
步骤2. 3. 1矿井乏风直接通过乏风输送连接装置送入乏风氧化装置，氧化产生高温烟气，进入第二余热锅炉，低温的烟气通过烟囱排出。步骤2. 3. 2当瓦斯的浓度低于0. 25%时，掺混装置将矿井乏风与高浓度瓦斯掺混；
步骤2. 3. 3掺混的瓦斯气体通过乏风输送连接装置送入乏风氧化装置氧化产生高温烟气，进入第二余热锅炉，低温的烟气通过烟囱排出。上述的煤矿瓦斯综合应用系统的利用方法，其中，所述的步骤3中还包含以下步骤
步骤3. 1第二控制传感部件调节进入第一余热锅炉的高温烟气量； 步骤3. 2手动控制部件补充或升温软化水；
步骤3. 3余热利用循环装置的热能推动蒸汽轮机作功，并带动发电机产生电能； 步骤3. 4蒸汽轮机做功后余下的较低压力蒸汽进入冷凝器，凝结成水进入凝水箱后， 使给水泵升压，再次进入第二余热锅炉循环发电。所述的步骤3. 1还包含以下步骤
步骤3. 1. 1，高浓度燃气发电机组、低浓度燃气发电机组生成的高温烟气，经过第二控制传感部件的第二电动阀、第二电磁阀、第二手动控制阀和第二传感器，第二传感器显示高温烟气的浓度和流量数值；
步骤3. 1.2调节第二电动阀、第二电磁阀，如若在两者失效时可调节第二手动控制阀， 调节进入第一余热锅炉的高温烟气量，确保第一余热锅炉的正常运行。所述的步骤3. 2还包含以下步骤
步骤3. 2. 1，开启第四手动控制阀、第六手动控制阀，同时关闭第五手动控制阀、第七手动控制阀，使外部软化水进入凝水箱，补充余热循环装置发电消耗的水量；
步骤3. 2. 2，同时开启第四手动控制阀、第五手动控制阀，关闭第六手动控制阀，使软化水进入第一余热锅炉升温后，开启第七手动控制阀，进入凝水箱，补充水量，进补充的入给水泵升压。所述的步骤3. 3还包含以下步骤
步骤3.3. 1，乏风氧化装置产生的高温烟气通过第一控制传感部件的第一传感器，显示高温烟气的浓度和流量，调节电动控制阀、电磁阀，如若在两者失效时可调节手动控制阀，调节进入第二余热锅炉的高温烟气量，保证第二余热锅炉正常运行；
步骤3. 3. 2，第二余热锅炉回收热量并生成过热蒸汽，推动蒸汽轮机做功，带动发电机产生电能，并入电网，实现了能源回收利用。本发明煤矿瓦斯综合应用系统及其利用方法与现有技术相比，具有的优点是1、本发明可用于煤矿中对不同浓度的煤矿瓦斯采取不同的工艺路线及其不同的利用方法，将全部的煤矿瓦斯实现综合利用，提高瓦斯抽采率，保障煤矿安全生产，使整个煤矿瓦斯的利用率达到最大化，促进煤炭工业可持续发展。2、本发明由于设置有预处理装置，可将瓦斯中的水和杂质过滤掉，排出干燥清洁的瓦斯进一步利用。3、本发明由于在矿井乏风处理子系统中设有乏风输送连接装置，通过调节移门可控制乏风输送，确保乏风输送安全。当乏风氧化装置停机时，开启放散口，避免输送连接管道瓦斯富集危险。4、本发明由于在矿井乏风处理子系统中设有乏风氧化装置；处理煤矿通风瓦斯， 最大程度上减少了温室气体的排放，实现碳减排的目标。5、本发明由于设有余热利用子系统，通过余热利用循环回收燃气，发电机组及乏风氧化装置运行时多余的热量，为全系统提供自用电，降低了能量的消耗，实现煤矿瓦斯的最大化利用。6、本发明全部设备通过测定部件、传感控制部件实施全面监控，自动化程度高，保障了安全平稳运行。
图1为本发明煤矿瓦斯综合应用系统的示意图2为本发明采用煤矿综合应用系统的利用方法的流程图。
具体实施例方式下面结合图1、图2对本发明采用煤矿综合应用系统的利用方法的实施例做进一步阐述。请参见图1所示，煤矿瓦斯综合应用系统包含煤矿瓦斯测定部件1、矿井乏风测定部件8、高浓度瓦斯处理子系统2、低浓度瓦斯处理子系统3、矿井乏风处理子系统4、余热处理子系统5、流量计71、浓度计72。煤矿瓦斯测定部件1的输入口通过管道与煤矿瓦斯抽采泵房的出风口连接；
煤矿瓦斯测定部件1包含浓度计11、流量计12、温度计13、压力表14及手动控制阀15 ； 依次设置在管道上。矿井乏风测定部件8的输入口通过管道与煤矿通风巷道的出风口连接；
矿井乏风测定部件8包含浓度计81、流量计82、温度计83、压力表84及手动控制阀85 ； 依次设置在管道上。高浓度瓦斯处理子系统2包含高浓度瓦斯预处理装置21，高浓度燃气发电机组 22。采用现有技术的高浓度瓦斯预处理装置21内置除湿过滤器、冷凝器、风机、除尘过滤器等设备组成，通过包括连接管道、阀门、测量仪表及控制调节设备。将高浓度瓦斯引入除湿过滤器，通过其除湿脱水功能，降低气体中的水分含量，通过风机，对瓦斯气体进行加压。再经过冷凝器，使气体中的液体冷凝析出，最后经过除尘过滤器，降低气体粉尘杂质含量，进入高浓度燃气发电机组22。高浓度燃气发电机组22采用G3520型，高浓度燃气发电机组 22包含曲柄连杆机构、配气机构、供给系统、润滑系统、冷却系统、点火系统、气动系统和电子调速系统；高浓度燃气发电机组工作过程由进气、压缩、燃烧膨胀和排气四个过程组成， 每次工作循环完成时，活塞往复两次、曲柄旋转两周。高浓度瓦斯预处理装置21的进气口与矿井乏风测定部件8的出口通过管道连接， 高浓度燃气发电机组22的进气口通过管道与高浓度瓦斯预处理装置21的出气口连接，高浓度燃气发电机组22的电源端通过电缆与电网6的高压变电箱连接；高浓度燃气发电机组 22发的电并入国家电网。低浓度瓦斯处理子系统3包含安全输送装置31、低浓度瓦斯预处理装置32、低浓度燃气发电机组33 ；采用现有技术的安全输送装置31的型号为AQ200，安全输送装置31包含前端稳压放散管、水封式阻火泄爆装置、柱流装置、环流装置、前端观察管、后端观察管、 气水分离装置、后端稳压放散管、双向阻火器和循环水池组成，从煤矿抽放出的低浓度瓦斯通过总出气管连接进入前端稳压放散管，进行超压放散，设置的水封式阻火泄爆装置，防止瓦斯气爆炸；低浓度瓦斯进入到柱流装置，产生间歇性的疏松水团柱塞流，将瓦斯输送管道中流动的低浓度瓦斯分割成小段，避免瓦斯利用设施回火时火焰进入低浓度瓦斯输送管路产生灾变；进入到环流装置，使水流沿输送管道的内壁流动，在瓦斯输送过程中，输送管道的内壁上形成水膜，环流水膜能够有效地阻断输送管道外部环境中的火源传播进入管路内，避免管路内发生灾变；瓦斯气经过前端、后端观察管，查看气体流动状态；进入气水分离器，起到脱水作用，将瓦斯气与水分离，水通过管道引入循环回水池，瓦斯气则进入后端稳压放散管，进行超压放散；设置的双向阻火器防止回火，通过管道连接将低浓度瓦斯气送入低浓度瓦斯预处理装置32。现有技术的低浓度瓦斯预处理装置32内置除湿过滤器、挡板、过滤网。将低浓度瓦斯引入机械式除湿过滤器，通过其除湿脱水功能，含水气体遇到挡板阻隔后被分离出来，降低气体中的水分含量，最后经过过滤网，降低气体杂质含量，进入低浓度燃气发电机组33。现有技术的低浓度燃气发电机组33采用GFI500型，该机组包含曲柄连杆机构、配气机构、供给系统、润滑系统、冷却系统、点火系统、气动系统和电子调速系统；高浓度燃气发电机组工作过程由进气、压缩、燃烧膨胀和排气四个过程组成，每次工作循环完成时，活塞往复两次、曲柄旋转两周。安全输送装置31的进气口与测定部件的出口通过管道连接，低浓度瓦斯预处理装置32进气口通过管道与安全输送装置31的出气口连接，低浓度燃气发电机组33进气口通过管道与低浓度瓦斯预处理装置21的出气口连接；所述的低浓度燃气发电机组33的电源端通过电缆与电网6的高压变电箱连接；低浓度燃气发电机组22发的电并入国家电网。矿井乏风处理子系统4包含掺混装置45、乏风输送连接装置46、型号为RNV100的乏风氧化装置42。所述的掺混装置45的进气口和出气口分别通过管道与第三控制传感部件44的出气口、乏风测定部件8的出气口和乏风输送连接装置46的进气口相连。所述的掺混装置45内设置有气体分配器，当高浓度瓦斯气体通过第三控制传感部件44进入掺混装置45内的分配器，带动周围气体在短距离内反应，与乏风测定部件8的出气口管道内的矿井乏风充分均勻混合，掺混后的瓦斯气进入乏风输送连接装置46。乏风输送连接装置包含乏风输送连接管道461、放散管462、移门463。乏风输送连接管道461的进气口和出气口分别与乏风测定部件8、掺混装置45的出气口，乏风氧化装置 42的进气口相连；所述的放散管462设置在乏风输送连接管道461的中部一侧向外延伸， 乏风输送连接管道461内腔与放散管462内腔相贯通。移门463设置在放散管462的出气口的一端，与放散管462的出气口和乏风输送连接管道461的出气口相适配。矿井乏风、掺混后的瓦斯进入乏风输送连接管道461，控制移门463关闭放散口，直接通过乏风连接装置的出气口进入乏风氧化装置42，当乏风氧化装置42停机时，通过控制移门463开启放散口， 避免输送连接管道瓦斯富集危险。乏风氧化装置42包含外壳体、控制系统、蜂窝储热陶瓷盘、电加热器、内置换热器，进气管、出气管、进水管、出水管和陶瓷保温；其控制系统由控制单元、温度传感器、甲烷浓度传感器和电动阀门等组成；所有传感器和电动阀门都有信号导线与控制单元连接，矿井乏风通过乏风输送连接装置46进入乏风氧化装置42，先用少量电能加热启动，达到甲烷氧化反应温度后停止电加热，乏风中的甲烷继续氧化反应，生成二氧化碳并产生热能。该装置裂解微量甲烷，回收裂解产生的热量，在减少煤矿瓦斯所导致温室效应的同时，实现能源的回收利用。余热处理子系统5包含余热利用循环装置51、第一余热锅炉52蒸汽轮机56及发电机53 ；蒸汽轮机56为现有技术的凝汽式蒸汽轮机，该机由静叶栅和动叶栅组成，蒸汽进入凝汽器，在低于大气压情况下凝结，推动发电机做功；现有技术的第一余热锅炉包含锅筒、活动烟罩、炉口段烟道、斜1段烟道、斜2段烟道、末1段烟道、末2段烟道、加料管(下料溜)槽、氧枪口、氮封装置及氮封塞、人孔、微差压取压装置、烟道的支座和吊架。余热锅炉共分为六个循环回路，每个循环回路由下降管和上升管组成，各段烟道给水从锅筒通过下降管引入到各个烟道的下集箱后进入各受热面，水通过受热面后产生蒸汽进入进口集箱，再由上升管引入锅筒。余热利用循环装置51与第一余热锅炉52通过管道相连；第一余热锅炉52的高温烟气进口分别通过管道与高浓度燃气发电机组22、低浓度燃气发电机组33的高温烟气出口相连；发电机53的主轴与蒸汽轮机56的主轴相连，发电机53的电源端通过电缆与电网 6的高压变电箱连接。余热利用循环装置51包含第二余热锅炉511、电磁阀512、过热器513冷凝器514、 凝水箱515及给水泵516 ；
电磁阀512的进气口和出气口通过管道分别与过热器513的出气口和蒸汽轮机56的进气口连接，冷凝器514的进气口通过管道分别与蒸汽轮机56的出口连接，凝水箱515的两端进口分别通过道管与冷凝器514的出口、第一余热锅炉52的出口连接，给水泵516的进水口通过管道与凝水箱515的出口连接，给水泵516的出口与第二余热锅炉511的第一进口 511a相连，第二余热锅炉511的第二进口 511b与乏风氧化装置42的出口通过管道相连。矿井乏风处理子系统4中还包含第一控制传感部件43 ；第一传感部件43包含第一电动阀431、第一电磁阀432、第一手动控制阀433和第一传感器434 ；第一电动阀431、第一电磁阀432、第一手动控制阀433和第一传感器434依次设置在乏风氧化装置42的出口与第二余热锅炉511的进口之间的管道上。余热处理子系统5中还包含第二控制传感部件M和手动控制部件55 ；
第二控制传感部件M的进口通过管道分别与高浓度燃气发电机组22、低浓度燃气发电机组33的500°C高温烟气出口相连；
第二控制传感部件M包含第二电动阀Ml、第二电磁阀M2、第二手动控制阀543和第二传感器M4 ；第二电动阀Ml、第二电磁阀M2、第二手动控制阀543和第二传感器544依次设置在高浓度燃气发电机组22、低浓度燃气发电机组33的高温烟气出口与第一余热锅炉52之间的管道上，第二传感器544的出口通过管道与第一余热锅炉52的800°C高温烟气进口相连。乏风处理子系统4中还包含第三控制传感部件44 ；第三控制传感部件44的进口通过管道分别与高浓度瓦斯预处理装置21出口相连；所述的第三控制传感部件44包含第三电动阀441、第三电磁阀442、第三手动控制阀443和第三传感器444 ；所述的第三电动阀 441、第三电磁阀442、第三手动控制阀443和第三传感器444依次设置在高浓度瓦斯预处理装置21的出口与掺混装置之间的管道上，第三传感器444的出口通过管道与掺混装置45 的进口相连。手动控制部件55包含第四手动控制阀551、第五手动控制阀552、第六手动控制阀 553及第七手动控制阀554，手动控制部件55设置在凝水箱515和第一余热锅炉52之间， 同时与外界进行软化水补充，第五手动控制阀552置在第四手动控制阀551出口和第一余热锅炉52的进口之间。浓度计72进口分别通过管道与乏风氧化装置42、第一余热锅炉52的出口相连接， 流量计71的进、出口分别与浓度计72的出口和烟囱7相连。该系统中通过采用高浓度燃气发电机组22、低浓度燃气发电机组33、乏风氧化装置42、第一余热锅炉52、蒸汽轮机56等装置将煤瓦斯进行循环发电。在减少煤矿瓦斯所导致温室效应的同时，实现废弃能源的回收利用。以下结合图1和图2，介绍本发明煤矿瓦斯综合应用系统的利用方法。步骤1通过煤矿瓦斯抽采泵房抽取瓦斯。步骤2将从煤矿瓦斯抽采泵房抽放的煤矿瓦斯送入煤矿瓦斯测定部件1，根据煤矿瓦斯测定部件1的浓度计11、流量计12、温度计13、压力表14显示出煤矿瓦斯的浓度、流量等参数，通过手动控制阀15调节设备中的瓦斯的进气量，若瓦斯浓度浓度大于30%则通过管道引入高浓度瓦斯处理子系统2，若瓦斯浓度大于5%小于30%则通过管道引入到低浓度瓦斯处理子系统3。步骤2. 1高浓度瓦斯处理子系统1将瓦斯化学能转化成电能并入电网同时产生的高温烟气，进入余热处理子系统5。步骤2.1.1高浓度瓦斯进入高浓度瓦斯预处理装置21进行脱水、除尘等进化； 若有需要把净化处理后的高浓度瓦斯气体送入天然气管道，供应周边居民使用。步骤2. 1. 2高浓度燃气发电机组22将预处理后的高浓度瓦斯转化成电能，发电并入电网，产生的高温烟气进入余热处理子系统5的第一余热锅炉52。步骤2.2低浓度瓦斯处理子系统3将瓦斯化学能转化成电能并入电网同时产生的高温烟气，进入余热处理子系统5。步骤2. 2. 1低浓度瓦斯通过安全输送装置31进入低浓度瓦斯预处理装置32。步骤2.2.2低浓度瓦斯预处理装置32将低浓度瓦斯脱水除尘，将低浓度瓦斯引入低浓度燃气发电机组32。步骤2. 2. 3低浓度燃气发电机组32将低浓度瓦斯转化成电能并入电网，同时产生高温烟气，进入余热处理子系统5的第一余热锅炉52。
步骤2. 3将从煤矿通风巷道的矿井乏风送入矿井乏风测定部件8，根据矿井乏风测定部件8的浓度计81、流量计82、温度计83、压力表84显示出矿井乏风的浓度、流量等参数，通过手动控制阀85调节设备中的乏风的进气量，将浓度小于0. 7%的乏风通过管道引入到矿井乏风处理子系统4。矿井乏风处理子系统4将乏风氧化成高温烟气，进入余热处理子系统5。步骤2. 3. 1当矿井乏风浓度在0. 25%以上，达到氧化装置运转条件时，可直接通过乏风输送连接装置46进入乏风氧化装置42进行氧化反应；
步骤2. 3. 2当矿井乏风浓度低于0. 25%时，掺混装置45将矿井乏风与高浓度瓦斯掺混；根据第三控制传感部件44的第三电动阀441、第三电磁阀442、第三手动阀443和第三传感器444，第三传感器444显示高浓度瓦斯气体的浓度和流量等数值，调节第三电动阀 441、第三电磁阀442，在两者失效时，调节第三手动控制阀443，调节进入掺混装置45的高浓度瓦斯气体量，保证掺混气体均勻，达到氧化装置运转条件，掺混后的气体通过乏风输送连接装置46进入乏风氧化装置42。步骤2. 3. 3乏风气体在乏风氧化装置42内受热氧化，高温裂解、反应生成二氧化碳和水进入大气排出在运行正常状态下产生800°C的高温烟气从排气口引出，进入余热循环装置51的第二余热锅炉511。步骤3余热处理子系统5将瓦斯产生的高温烟气转化成电能并入电网。步骤3. 1第二控制传感部件M调节进入第一余热锅炉52的高温烟气量。步骤3. 1. 1高浓度燃气发电机组22、低浓度燃气发电机33组生成的高温烟气，经过第二控制传感部件55的第二电动阀Ml、第二电磁阀M2、第二手动控制阀543和第二传感器M4，第二传感器544显示高温烟气的浓度和流量等数值。步骤3. 1. 2调节第二电动阀441、第二电磁阀442，在两者失效时，调节第二手动控制阀443，调节进入第一余热锅炉52的高温烟气量，保证第一余热锅炉511正常运行。 通过第一余热锅炉52产生过热蒸汽，进行换热回收，产生温度较高的软化水，进入凝水箱 515，进入余热循环装置51。步骤3. 2手动控制部件补充或升温软化水。步骤3.2.1开启第四手动控制阀551，同时关闭第五手动控制阀552，使外部软化水进入凝水箱515，补充余热循环装置51发电消耗的水量。步骤3. 2. 2同时开启第四手动控制阀551、第五手动控制阀552，使软化水进入第一余热锅炉52升温后，开启第六手动控制阀553、第七手动控制阀554，进入凝水箱515，补充水量，进入给水泵516升压。步骤3. 3余热利用循环装置51的热能推动蒸汽轮机56作功，并带动发电机53产生电能。步骤3. 3. 1乏风氧化装置42产生的高温烟气通过第一控制传感部件43的第一传感器434，显示高温烟气的浓度和流量，调节第一电动控制阀431、第一电磁阀432，在两者失效时可调节第一手动控制阀433，调节进入第二余热锅炉的高温烟气量，保证第二余热锅炉511正常运行。步骤3.3.2第二余热锅炉511回收热量并生成过热蒸汽，推动蒸汽轮机513做功，带动发电机53产生电能，并入电网，实现了能源回收利用。
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步骤3. 4蒸汽轮机56做功后余下的较低压力蒸汽进入冷凝器514，凝结成水进入凝水箱515后，使给水泵516升压，再次进入第二余热锅炉511循环发电。步骤4煤矿瓦斯综合应用系统产生的低温烟气通过浓度计72、流量计71测定低温烟气浓度、流量后，将无污染的低温烟气从烟囱7排空。综上所述，本发明采用煤矿综合应用系统的利用方法可以对从矿井采集的不同浓度的煤矿瓦斯使用不同的工艺路线进行不同的利用方法，进行综合利用，使整个煤矿瓦斯的利用率达到最大化。其中，煤矿瓦斯利用率达98%以上，乏风利用率达96%以上，综合利用率达到97%以上。尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
权利要求
1.一种煤矿瓦斯综合应用系统，其特征在于，该应用系统包含矿井乏风测定部件(8)、 煤矿瓦斯测定部件(1)、高浓度瓦斯处理子系统(2)、低浓度瓦斯处理子系统(3)、矿井乏风处理子系统(4)和余热处理子系统(5)；所述的煤矿瓦斯测定部件(1)的输入口通过管道与煤矿瓦斯抽采泵房的出风口相连；所述的矿井乏风测定部件(8)的输入口通过管道与煤矿通风巷道的出风口相连；所述的高浓度瓦斯处理子系统(2)包含高浓度瓦斯预处理装置(21)、高浓度燃气发电机组(22);所述的高浓度瓦斯预处理装置(21)的进气口与煤矿瓦斯测定部件(1)的出口通过管道相连，高浓度燃气发电机组(22)的进气口通过管道与高浓度瓦斯预处理装置(21) 的出气口相连，所述的高浓度燃气发电机组(22)的电源端通过电缆与电网(6)相连；所述的低浓度瓦斯处理子系统(3)包含安全输送装置(31)、低浓度瓦斯预处理装置 (32)、低浓度燃气发电机组(33);所述的安全输送装置(31)的进气口与煤矿瓦斯测定部件(1)的出口通过管道相连，低浓度瓦斯预处理装置(32 )进气口通过管道与安全输送装置 (31)的出气口相连，低浓度燃气发电机组(33)进气口通过管道与低浓度瓦斯预处理装置 (21)的出气口相连；所述的低浓度燃气发电机组(33)的电源端通过电缆与电网(6)相连；所述的矿井乏风处理子系统(4)包含乏风输送连接装置(46)、乏风氧化装置(42)、第三控制传感部件(44)、掺混装置(45)；所述的乏风输送连接装置(46)的进气口分别通过管道与乏风测定部件(8)、掺混装置(45)的出气口连接，其出气口与乏风氧化装置(42)的进气口相连；所述的第三控制传感部件(44)的进口与高浓度瓦斯预处理装置(21)的出口相连；所述的掺混装置(45)的进气口分别通过管道与乏风测定部件(8)的出气口、第三控制传感部件(44)的出气口相连；所述的余热处理子系统(5)包含余热利用循环装置(51)、第一余热锅炉(52)、蒸汽轮机(56)及发电机(53);所述的余热利用循环装置(51)分别与第一余热锅炉(52)、蒸汽轮机 (56)通过管道相连；所述的第一余热锅炉(52)的高温烟气进口分别通过管道与高浓度燃气发电机组(22)、低浓度燃气发电机组(33)的高温烟气出口相连；所述的发电机(53)的主轴与蒸汽轮机(56)的主轴相连，发电机(53)通过电缆与电网(6)连接。
2.根据权利要求1所述的煤矿瓦斯综合应用系统，其特征在于，所述的余热利用循环装置(51)包含第二余热锅炉(511)、电磁阀(512)、过热器(513)冷凝器(514)、凝水箱 (515)及给水泵(516)；所述的电磁阀(512)的进气口和出气口通过管道分别与过热器(513)的出气口和蒸汽轮机(56 )的进气口连接；所述的冷凝器(514 )的进气口通过管道与蒸汽轮机(56 )的出口连接；所述的凝水箱(515)的两端进口分别通过道管与冷凝器(514)的出口、第一余热锅炉 (52)的出口连接；所述的给水泵(516)的进水口通过管道与凝水箱(515)的出口连接，给水泵(516)的出口与第二余热锅炉(511)的第一进口(511a)相连；所述的第二余热锅炉(511) 的第二进口(511b)与乏风氧化装置(42)的出口通过管道相连。
3.根据权利要求1所述的煤矿瓦斯综合应用系统，其特征在于，所述的矿井乏风处理子系统(4)中还包含第一控制传感部件(43)，所述的第一传感部件包含第一电动阀(431)、 第一电磁阀(432)、第一手动控制阀(433)及第一传感器(434)；所述的第一电动阀(431)、第一电磁阀(432)、第一手动控制阀(433)及第一传感器(434)依次设置在乏风氧化装置(42)的出口与第二余热锅炉(511)的进口之间的管道上； 所述的第一电动阀(431)的进风口与所述的乏风氧化装置(42)的出口通过管道连接，所述的第一传感器(434)的出口通过管道与所述的第二余热锅炉(511)的第二进口(511b)连接。
4.根据权利要求1所述的煤矿瓦斯综合应用系统，其特征在于，所述的第三控制传感部件(44 )包含第三电动阀(441)、第三电磁阀(442 )、第三手动控制阀(443 )及第三传感器 (444)；所述的第三电动阀(441)、第三电磁阀(442)、第三手动控制阀(443)和第三传感器 (444)依次设置在高浓度瓦斯预处理装置(21)的出口与掺混装置(45)之间的管道上，所述的第三电动阀(441)的进口与高浓度瓦斯预处理装置(21)的出口通过管道连接；所述的第三传感器(444)的出口通过管道与掺混装置(45)的进口相连。
5.根据权利要求1所述的煤矿瓦斯综合应用系统，其特征在于，所述的乏风输送连接装置(46 )包含乏风输送连接管道(461)、放散管(462 )及移门(463 )；所述的乏风输送连接管道(461)的进气口分别与乏风测定部件(8)、掺混装置(45)的出气口连接，乏风输送连接管道(461)的出气口与乏风氧化装置(42)的进气口相连；所述的放散管(462)设置在乏风输送连接管道(461)的中部一侧向外延伸，乏风输送连接管道(461)的内腔与放散管(462)内腔相贯通；所述的移门(463)设置在放散管(462) 和乏风输送连接管道(461)的出气的部位，该移门(463)可在该部位控制移动；该移门 (463)与放散管(462)的出气口和乏风输送连接管道的出气口相适配。
6.根据权利要求1所述的煤矿瓦斯综合应用系统，其特征在于，所述的余热处理子系统(5)中还包含第二控制传感部件(54)，所述的第二控制传感部件(54)包含第二电动阀 (541)、第二电磁阀(542 )、第二手动控制阀(543 )及第二传感器(544)；所述的第二电动阀(541)、第二电磁阀(542)、第二手动控制阀(543)和第二传感器 (544 )依次设置在高浓度燃气发电机组(22 )、低浓度燃气发电机组(33 )的出口与第一余热锅炉(52)之间的管道上；所述的第二电动阀(541)的进口通过管道分别与高浓度燃气发电机组(22)、低浓度燃气发电机组(33)的高温烟气出口相连；所述的第二传感器(544)的高温烟气出口通过管道与第一余热锅炉(52)的高温烟气进口相连。
7.根据权利要求1所述的煤矿瓦斯综合应用系统，其特征在于，所述的余热处理子系统(5)还包含手动控制部件(55);所述的手动控制部件(55)包含第四手动控制阀(551)、第五手动控制阀(552 )、第六手动控制阀(553 )及第七手动控制阀(5 )；所述的第四手动控制阀(551)的进口与外界软化水管连接；所述的第六手动控制阀 (553)设置在第四手动控制阀(551)与凝水箱(515)之间的管道上；所述的第五手动控制阀(552)设置在第四手动控制阀(551)的出口与第一余热锅炉(52)的第二进口之间的管道上；所述的第七手动控制阀(554)设置在第一余热锅炉(52)的出口和第六手动控制阀 (553)之间的管道上。
8.一种采用上述煤矿瓦斯综合应用系统的利用方法，其特征在于，该利用方法包含以下步骤步骤1，煤矿瓦斯抽采泵房抽放的瓦斯；步骤2，煤矿瓦斯测定部件(1)测定的瓦斯浓度，若瓦斯浓度浓度大于30%则通过管道引入高浓度瓦斯处理子系统(2)，若瓦斯浓度大于5%小于30%则通过管道引入到低浓度瓦斯处理子系统(3);矿井乏风测定部件(8)测定的瓦斯浓度，若瓦斯浓度小于0. 7%则通过管道引入到矿井乏风处理子系统(4)；步骤2. 1，高浓度瓦斯处理子系统(2)将瓦斯的化学能转化成电能并入电网(6)同时产生的高温烟气，进入余热处理子系统(5)；步骤2. 2，低浓度瓦斯处理子系统(3)将瓦斯的化学能转化成电能并入电网(6)同时产生高温烟气，进入余热处理子系统(5)；步骤2.3，矿井乏风处理子系统(4)将乏风氧化成高温烟气，进入余热处理子系统(5)；步骤3，余热处理子系统(5)将瓦斯的产生的高温烟气转化成电能并入电网(6)； 步骤4，煤矿瓦斯综合应用系统产生的低温烟气通过浓度计(72)、流量计(71)测定低温烟气浓度、流量后，将无污染的洁净气体从烟@ (7)排空。
9.根据权利要求8所述的煤矿瓦斯综合应用系统的利用方法，其特征在于，在步骤2.1 中还包含以下步骤步骤2.1.1，高浓度瓦斯预处理装置(21)将高浓度瓦斯脱水除尘；步骤2.1.2，高浓度瓦斯燃气发电机组(22)将瓦斯化学能转化成电能；所述的步骤2. 2中还包含以下步骤步骤2. 2.1，安全输送装置(31)输送低浓度瓦斯；步骤2. 2. 2，低浓度瓦斯预处理装置(32)将低浓度瓦斯脱水除尘；步骤2. 2. 3，低浓度瓦斯燃气发电机组(33)将瓦斯化学能转化成电能；所述的步骤2. 3包含以下步骤步骤2. 3. 1矿井乏风直接通过乏风输送连接装置(46)送入乏风氧化装置(42)，氧化产生高温烟气，进入第二余热锅炉(511)，低温的烟气通过烟囱(7)排出；步骤2. 3. 2当瓦斯的浓度低于0. 25%时，掺混装置(45)将矿井乏风与高浓度瓦斯掺混；步骤2. 3. 3掺混的瓦斯气体通过乏风输送连接装置(46)送入乏风氧化装置(42)氧化产生高温烟气，进入第二余热锅炉(511)，低温的烟气通过烟囱(7)排出。
10.根据权利要求8所述的煤矿瓦斯综合应用系统的利用方法，其特征在于，所述的步骤3中还包含以下步骤步骤3. 1第二控制传感部件(54)调节进入第一余热锅炉(52)的高温烟气量； 步骤3. 2手动控制部件(55)补充或升温软化水；步骤3. 3余热利用循环装置(51)的热能推动蒸汽轮机(56)作功，并带动发电机(53) 产生电能；步骤3. 4蒸汽轮机(56)做功后余下的较低压力蒸汽进入冷凝器(514)，凝结成水进入凝水箱(515)后，使给水泵(516)升压，再次进入第二余热锅炉(511)循环发电； 所述的步骤3. 1还包含以下步骤步骤3. 1. 1，高浓度燃气发电机组(22)、低浓度燃气发电机(33)组生成的高温烟气，经过第二控制传感部件(54)的第二电动阀(541)、第二电磁阀(542)、第二手动控制阀(543)和第二传感器(544)，第二传感器(544)显示高温烟气的浓度和流量数值；步骤3. 1.2调节第二电动阀(541)、第二电磁阀(542)，如若在两者失效时可调节第二手动控制阀(543)，调节进入第一余热锅炉(52)的高温烟气量，确保第一余热锅炉(52)的正常运行；所述的步骤3. 2还包含以下步骤步骤3. 2. 1开启第四手动控制阀(551)、第六手动控制阀(553)，同时关闭第五手动控制阀(552)、第七手动控制阀(5M)，使外部软化水进入凝水箱(515)，补充余热循环装置 (51)发电消耗的水量；步骤3. 2. 2同时开启第四手动控制阀(551)、第五手动控制阀(552)，关闭第六手动控制阀(553)，使软化水进入第一余热锅炉(52)升温后，开启第七手动控制阀(5M)，进入凝水箱(515)，补充水量，进补充的入给水泵(516)升压； 所述的步骤3. 3还包含以下步骤步骤3. 3. 1乏风氧化装置(42)产生的高温烟气通过第一控制传感部件(43)的第一传感器(434)，显示高温烟气的浓度和流量，调节电动控制阀(431)、电磁阀(432)，如若在两者失效时可调节手动控制阀(433)，调节进入第二余热锅炉(511)的高温烟气量，保证第二余热锅炉(511)正常运行；步骤3. 3. 2第二余热锅炉(511)回收热量并生成过热蒸汽，推动蒸汽轮机(513)做功， 带动发电机(53)产生电能，并入电网(6)，实现了能源回收利用。
全文摘要
本发明公开了一种煤矿瓦斯综合应用系统及其利用方法，该系统包含矿井乏风测定部件、煤矿瓦斯测定部件、由高浓度瓦斯预处理装置、高浓度燃气发电机组通过管道连接组成的高浓度瓦斯处理子系统；由安全输送装置、低浓度瓦斯预处理装置、低浓度燃气发电机组通过管道连接组成的低浓度瓦斯处理子系统；高浓度燃气发电机组、低浓度燃气发电机组分别通过电缆与电网连接；由乏风输送连接装置、掺混装置、乏风氧化装置通过管道连接组成的矿井乏风处理子系统及分别与高、低浓度瓦斯处理子系统、矿井乏风处理子系统连接的余热处理子系统；本发明可对不同浓度的瓦斯采用综合利用，使瓦斯的利用率达到最大化，减少温室气体排放，实现能源的综合回收利用。
文档编号E21F1/00GK102562131SQ201010602890
公开日2012年7月11日 申请日期2010年12月24日 优先权日2010年12月24日
发明者薛蓉, 陈健 申请人:上海攀极投资有限公司