一种储存不同温度煤样产生气体的储气系统及应用方法

1.本发明涉及煤矿灾害防治技术领域，具体涉及一种储存不同温度煤样产生气体的储气系统及应用方法。


背景技术：

2.煤炭自燃引发的事故危害矿工生命安全，阻碍大量煤炭资源的正常开采，还会引发瓦斯爆炸等热动力灾害。煤自燃的早期识别与预报是有效防治矿井内因火灾的基础，所采取的方法包括直接感觉法、预测预报法和气体法等，其中，气体分析法就是根据煤矿井下某些气体成分的存在及其浓度变化特征来识别煤自燃的发生及其发展程度的，是目前煤自燃预测预报应用最广泛的方法。
3.煤自然发火过程主要包括缓慢氧化阶段、加速氧化阶段以及剧烈氧化阶段这三个阶段，不同阶段对应的气体产物种类和浓度不相同。因此，监测与监控煤样的温度和气体种类是防治煤自燃的关键，掌握煤自燃标志气体的变化特征及其与温度的关系对煤自燃预警具有重要意义。现有防治煤炭自燃气体检测实验主要是利用控温箱加热使煤样达到预设温度，然后利用气相色谱仪检测煤样产生的气体成分、含量，分析其气体种类和含量随温度变化的规律。然而煤样继续升温，达到一定的温度后，煤样反应速率升高，不再受气源供给压力控制，其温度上升速率也随之升高，系统并不能即使监测到煤样的特征温度，导致所需气体的采集难度增加，气体分析结果产生较大误差，从而造成实验结果存在一定的偏差。此外，煤在燃烧过程中会产生有毒有害气体（如so2、nox）、焦油和微量有毒有害元素（磷、汞和氟等），这些有毒有害因素会进一步污染和损害气相色谱的色谱柱，缩短气相色谱的使用寿命。因此，研发一种分阶段式储气装置及其智能调控系统对于煤自燃的高效、精准识别以及煤炭的安全开采具有重要意义。。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明提出及一种储存不同温度煤样产生气体的储气系统。实现时序性暂态与瞬态储气及实时显示系统工作状态，在煤样热分解后期，化学反应速率不断升高，能够降低气体收集的难度，从而减少检测结果误差，对煤指标性气体或自然发火期准确监测提供保障。
5.本发明提供如下技术方案：一种存储不同温度煤样产生气体的储气系统，包括储气控制系统和储气分析装置。
6.所述储气控制系统包括输入单元、处理单元、响应单元、显示单元，输入单元、响应单元、显示单元分别与处理单元连接；输入单元包括温度变送器、气源流量变送器、分段流量变送器，响应单元包括进气端电磁八通阀、出气端电磁八通阀、电控排气阀、流量警示灯，显示单元采用触摸显示屏；显示单元采用led触摸显示屏。处理单元采用stm32f103单片机。stm32f103单片机，设有i/o端口，将流量变送器、温度变送器输入的信号进行处理，对响应单元做出指令；
所述储气分析装置包括气源瓶、控温炉、分阶段式储气装置、气相色谱分析仪，所述气源瓶通过气源流量变送器与控温炉连通，控温炉通过进气总导气管与分阶段式储气装置连通，分阶段式储气装置通过出气总导气管与气相色谱分析仪连通，在出气总导气管上设置出气端电磁八通阀、抽气泵，出气端电磁八通阀设置在出气总导气管靠近分阶段式储气装置的一端；所述的抽气泵抽气速度为5.4m3/h，极限真空为5pa。
7.在进气总导气管上依次设置温度变送器、电控排气阀、过滤器，所述温度变送器设置在进气总导气管靠近控温炉的一端，分阶段式储气装置包括八根储气管，所述的八根储气管通过进气端电磁八通阀与进气总导气管连通，储气管与进气端电磁八通阀的电磁阀门的出气口一一对应，八根储气管通过出气端电磁八通阀与出气总导气管连通，且储气管与出气端电磁八通阀的电磁阀门的进气口一一对应。温度变送器将温度变量转换为电信号传输给单片机，当煤样罐内部温度达到设定值时，联动电磁八通阀打开、电控排气阀关闭，气体进入储气管内；所述的分段流量变送器分别设于储气装置内的1号储气管、2号储气管、3号储气管、4号储气管、5号储气管、6号储气管、7号储气管、8号储气管上，实时监测并反馈流量的变化情况；温度、流量分析数据结果显示在led屏上。系统工作期间电控排气阀保持打开状态。当煤样温度达到设定值时，温度变送器联动电控排气阀关闭，以防止非预设温度气体进入储气装置。所述储气管可进行拆卸，采用螺栓连接方式固定在箱体表面，选用钨钼合金材料，具有耐高温、低热膨胀系数及耐磨特性，管径为25mm，能够储存1-30ml气体；所述的过滤器滤芯采用hepv过滤材质，对直径为0.3微米以上的微粒物去除效率可达到99.97%以上，能够有效除去气样中夹杂的烟雾、灰尘、细菌。
8.所述的流量警示灯包括用于显示进气端电磁八通阀是否打开的进气流量警示灯、用于显示出气端电磁八通阀是否打开的出气流量警示灯，所述的进气流量警示灯与进气端电磁八通阀的电动阀门一一对应，所述的出气流量警示灯与出气端电磁八通阀的电动阀门一一对应。进气端电磁八通阀和出气端电磁八通阀分别设置在8个储气管的两端；所述流量警示灯分别设于储气装置的箱体上表面两端，流量警示灯显示“绿色”表示电磁八通阀呈开启状态，流量警示灯显示“红色”表示电磁八通阀呈关闭状态。显示单元能够设置流量设定值、管路清洗时间、气体采集时间、流量状态显示、气体储存时间，并且能够呈现系统运行模拟图像及程序升温曲线图。
9.一种上述存储不同温度煤样产生气体的储气系统的应用方法，包括如下步骤，（1）设置温度、流量、气体采集时间、气体储存时间、管路清洗时间；（2）设置预设温度，并设置储气管与之一一对应，确保每个储气管只储存一个预设温度气体，预设温度数量不超过储气管数量；（3）将待检测煤样装入智能控温炉中；（4）调整干空气气源与纯氮气气源的输出压力；（5）启动智能控温炉氧化煤样；（6）通过led屏控制电控排气阀打开，待煤样罐内部达到第一个预设温度，温度变送器联动进气端电磁八通阀打开、电控排气阀关闭，气体经过过滤器去除去杂质粉尘，储存至与之对应的1号储气管，此时，进气流量警示灯1号显示“绿灯”；（7）当1号储气管中的气体达到预设储存时间时，联动出气端电磁八通阀打开，抽气泵启动，将气体吸入色谱柱进行检测，当气体采集时间达到预设时间时，出气端电磁八通
阀关闭，抽气泵关闭；（8）当煤样罐内部温度达到第一个预设温度时，继续升温，达到下一个预设温度，温度变送器联动进气端电磁八通阀打开、电控排气阀关闭，气体经过过滤器去除去杂质粉尘，储存至与之对应的2号储气管，此时，进气流量警示灯2号显示“绿灯”；重复（7）、（8）步骤，将其他预设温度煤样产生的气体储存至相应的储气管内，并进行检测，重复上述步骤，直至所有设定温度执行完毕；（9）气样分析结果显示在led屏上。
10.在步骤1）中设定管路清洗时间，得到气体分析结果后，导出全部气体的分析结果，启动管路清洗，向管路中持续通入氮气3小时，关闭纯氮气气源设备阀门；待煤体温度降低至常温后，清理实验残留煤样。
11.本方案相对现有技术的有益效果：1、应用本系统能够将不同温度的气样及时储存至不同的储气管内，气相色谱仪完成一个气样分析后，可从储气管取出下一个所需气样进行分析。解决现有防治煤炭自燃检测气体实验中，在煤样反应后期，化学反应速率随着热量的积累，导致预设温度气样采集难度增加，从而造成实验结果存在的偏差的问题。2、本发明中气样的收集、储存、释放、及检测，性能优越，自动化程度高，可以实现时序性暂态与瞬态储气及实时显示系统工作状态，操作简单，有利于降低人为失误的概率，提高实验结果的准确性。3、本发明的过滤器，其采用hepv过滤材质，能够有效除去气样所夹杂烟雾、粉尘、细菌，提高气体的洁净度，降低对仪器装置的损坏程度，4、本发明的储气管，选用钨钼合金材料，具有耐高温、低热膨胀系数及耐磨特性，管径为25mm，能够储存1-30ml气体。
附图说明
12.图1为本发明具体实施方式的结构示意图。
13.图2为储气装置的结构示意图。
14.图3为图2的俯视图。
15.图4为本发明led屏界面示意图。
16.图中：101-气源瓶 ；102-温度变送器；103-进气端电磁八通阀；104-智能测温棒；105—分阶段式储气装置；106-流量警示灯；107-抽气泵；108-气源流量变送器；109-电控排气阀；110-控温炉；111-进气总导气管；112-过滤器；113-气相色谱分析仪；114-led触摸显示屏；115-出气总导气管；116-出气端电磁八通阀，1051-储气管，1054-分段流量变送器，1052-箱体。
具体实施方式
17.下面将结合本发明具体实施方式中的附图，对本发明具体实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的具体实施方式仅仅是本发明一种具体实施方式，而不是全部的具体实施方式。基于本发明中的具体实施方式，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具体实施方式，都属于本发明保护的范围。
18.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包
括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；通过附图可以看出，本发明的存储不同温度煤样产生气体的储气系统，包括储气控制系统和储气分析装置。
19.所述储气控制系统包括输入单元、处理单元、响应单元、显示单元，输入单元、响应单元、显示单元分别与处理单元连接；输入单元包括温度变送器102、气源流量变送器108、分段流量变送器1054，响应单元包括进气端电磁八通阀103、出气端电磁八通阀116、电控排气阀109，显示单元采用触摸显示屏。处理单元采用stm32f103单片机。显示单元采用led触摸显示屏114。
20.所述储气分析装置包括气源瓶101、控温炉110、分阶段式储气装置105、气相色谱分析仪113，所述气源瓶101通过气源流量变送器108与控温炉110连通，控温炉110通过进气总导气管111与分阶段式储气装置105连通，分阶段式储气装置105通过出气总导气管115与气相色谱分析仪113连通，在出气总导气管115上设置出气端电磁八通阀116、抽气泵107，出气端电磁八通阀116设置在出气总导气管115靠近分阶段式储气装置105的一端。
21.在进气总导气管111上依次设置温度变送器102、电控排气阀109、过滤器112，所述温度变送器102设置在进气总导气管111靠近控温炉110的一端，分阶段式储气装置105包括八根储气管，八根储气管1051位于箱体1052表面，便于更换，所述的八根储气管1051通过进气端电磁八通阀103与进气总导气管111连通，储气管1051与进气端电磁八通阀103的电磁阀门的出气口一一对应，八根储气管1051通过出气端电磁八通阀116与出气总导气管115连通，且储气管1051与出气端电磁八通阀116的电磁阀门的进气口一一对应。
22.响应单元还包括流量警示灯106，流量警示灯106包括用于显示进气端电磁八通阀是否打开的进气流量警示灯和用于显示出气端电磁八通阀是否打开的出气流量警示灯，所述的进气流量警示灯与进气端电磁八通阀的电动阀门一一对应，所述的出气流量警示灯与出气端电磁八通阀的电动阀门一一对应。
23.上述的存储不同温度煤样产生气体的储气系统的应用方法，所述气源瓶组101分别为干空气气源瓶和纯氮气气源瓶；以40℃、70℃、90℃气样为例，本应用方法的实验步骤如下：（1）在led屏114输入界面设置温度、流量、气体采集时间、气体储存时间、管路清洗时间；（2）设置三个预设温度，并设置三个储气管1051与之一一对应，确保每个储气管1051只储存一个预设温度气体；（3）将待检测煤样装入智能控温炉110中；（4）调整干空气气源与纯氮气气源的输出压力；（5）启动智能控温炉110氧化煤样；（6）通过led屏114控制电控排气阀109打开，待煤样达到第一个预设温度，温度变送器102联动进气端电磁八通阀103打开、电控排气阀109关闭，气体经过过滤器112去除杂质粉尘，储存至与之对应的1号储气管，此时，进气流量警示灯1号显示“绿灯”；（7）当1号储气管中的煤样达到预设储存时间时，联动出气端电磁八通阀116打开，控制抽气泵107启动，将气体吸入色谱柱进行检测，当气体采集时间达到预设时间时，出气端电磁八通阀116关闭，抽气泵关闭（也可以手动关闭）；
（8）当煤样罐内部温度达到第一个预设温度时，继续升温，达到下一个预设温度，温度变送器102联动进气端电磁八通阀103打开、电控排气阀109关闭，气体经过过滤器112去除去杂质粉尘，储存至与之对应的2号储气管（除1号以外的储气管），此时，进气流量警示灯2号显示“绿灯”；重复（7）、（8）步骤，将其他预设温度煤样产生的气体储存至相应的储气管内，并进行检测；（9）气样分析结果自动显示在led屏114上；（10）实验流程结束，导出全部气样的分析结果，通过led显示屏114启动管路清洗，并整理实验材料及设备。
24.步骤（1）中，在led屏114输入界面设置三个预设温度分别为40℃、70℃、90℃，气体储存时间为2min（2-30min内即可），升温速率为0.5℃/min，气体采集时间为5min，管路清洗时间为15 min。
25.步骤（2）中，设置1号储气管、2号储气管、3号储气管分别用于储存40℃、70℃、90℃气体。
26.步骤（3）中，煤样粒度小于1.5mm，采用天平称50g待测煤样，将煤样装入智能控温炉110铸铜样品管内，并将装好的煤样小心放入加热室内，旋紧密封盖。
27.步骤（4）中，调整干空气和纯氮气输出压力稳定在0.4mpa~0.5mpa，供气量为100ml/min。
28.步骤（5）中，通过智能控制系统led屏输入界面控制启动“智能控温”，即煤自然发火模拟实验正式开始,干空气气源瓶启动，空气开始在管路内流动，同时智能控温炉110开始对煤样加热。
29.步骤（6）中，当煤样达到40℃时，温度变送器102联动进气端电磁八通阀打开、常开电控排气阀109关闭，气体经过过滤器112除去杂质粉尘、细菌，储存至1号储气管，此时，储气装置进气端流量警示灯106显示“绿灯”，出气端流量警示灯106显示“红灯”。
30.步骤（7）中，当1号储气管内的40℃气体储存时间达到2min时，stm32f103单片机输出的电信号使出气端电磁八通阀打开、控制抽气泵107启动（也可以手动打开抽气泵），将气体吸入色谱柱进行检测，当采集时间达到预设时间5min时，出气端电磁八通阀116自动关闭，抽气泵自动关闭（也可以手动关闭抽气泵），此时储气装置出气端流量警示灯106显示“绿灯”，进气端流量警示灯106显示“红灯”。
31.步骤（8）中，当煤样达到40℃时，智能控温炉110继续升温至煤样达到70℃时，温度变送器102联动电磁进气端电磁八通阀103打开，气体经过过滤器112除去杂质粉尘、细菌，储存至2号储气管，此时，储气装置进气端流量警示灯106显示“绿灯”，出气端流量警示灯106显示“红灯”；重复步骤（7）、（8）储存并检测40℃、90℃气体。
32.步骤（9）中，led屏114界面设有功能键测试、保存并启动、状态初始化三个功能键，能够实时检测系统流量及温度变化情况，并显示系统运行模拟图像及程序升温曲线图，40℃、70℃、90℃气体分析结果自动显示在led屏114上。
33.步骤（10）中，实验流程结束，导出40℃、70℃、90℃气体分析结果，分析结果如下表所示。通过led屏114控制智能控温炉110、气相色谱分析仪113、干空气气源设备的气阀关闭，并启动管路清洗功能，即持续通入氮气3小时，关闭纯氮气气源设备阀门；待煤体温度降低至常温后，清理实验残留煤样。
34.表1 40℃下煤样指标性气体分析结果表2 70℃下煤样指标气体分析结果表3 90℃下煤样指标气体分析结果尽管已经示出和描述了本发明的具体实施方式，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离发明的原理和精神的情况下可以对这些具体实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。