煤矿乏风瓦斯氧化后的取热试验用装置制造方法
【专利摘要】本实用新型属于超低热值气体氧化后的取热利用【技术领域】，尤其涉及煤矿乏风瓦斯氧化后的取热试验用装置，包括汽包、水箱、软化水装置，其特征是，还包括混风系统、取热系统、省煤器，混风系统包括燃烧器、冷风入口，燃烧器依次管路连接冷风入口、取热系统、省煤器、烟道出口；本实用新型的有益效果为：1)装置灵活，可以实现管内工质分别为过冷水、两相流、过热蒸汽的时取热测试，实验数据为煤矿乏风的取热利用提供科学依据；2)不同温度的热风由燃气燃烧产生高温烟气混合冷风获得，可以灵活调节其风量与温度；3)利用热电堆测试单项工质经过取热系统后的温升、利用干度仪测试管内两相工质经过取热系统的取热量，测得的实验数据准确。
【专利说明】煤矿乏风瓦斯氧化后的取热试验用装置
【技术领域】
[0001]本实用新型属于超低热值气体氧化后的取热利用【技术领域】，尤其涉及煤矿乏风瓦斯氧化后的取热试验用装置。
【背景技术】
[0002]煤矿乏风瓦斯中的甲烷既是一种清洁能源，又是一种温室气体，其温室效应为CO2的21.5倍，但由于甲烷浓度低(〈0.8%)，且浓度波动大、通风量巨大等原因，利用传统燃烧方法很难将其中甲烷销毁，大部分的煤矿乏风瓦斯排入大气，超低浓度煤层气的直接排放一方面造成了有限的不可再生资源的严重浪费，另一方面也加剧了全球大气污染和温室效应。在我国的能源初级结构中，煤占62%，每年因采煤通风排放的纯甲烷约190亿立方，占世界采煤排放甲烷总量的45%，其中，150多亿立方米甲烷通过煤矿通风排入大气中，经过处理利用的通风瓦斯仅占总数的四分之一，如果将通风瓦斯中的甲烷全部利用起来，约折合2300万吨标准煤，可以减排1.98亿吨当量二氧化碳。因此，治理和利用煤矿通风瓦斯，是我国充分利用能源、保护大气环境实施可持续发展的需要，具有深远意义。因此，国家将煤矿乏风瓦斯的治理利用作为“十二五”规划的重要课题之一，目前处理煤矿乏风瓦斯主要通过热逆流氧化和催化逆流氧化技术，经过二十多年的研究，利用蜂窝陶瓷的蓄热逆流氧化技术实现煤矿乏风瓦斯中甲烷的零排放已经相对成熟，并已实现煤矿乏风瓦斯的现场规模化处理，煤矿乏风瓦斯的处理技术已经转向煤矿乏风瓦斯的资源化利用上，即取热利用上。煤矿乏风热氧化后的热烟气的取热主要采用内置换热器进行取热，这种内置换热器不同传统换热器的最大化取热，而是保证煤矿乏风完全氧化条件下的适度取热:取热过多，煤矿乏风来流得不到足够的预热而影响甲烷的氧化率，取热过少，多余热量会随着换向周期的不断增加在床层中心累积，当床层中心温度超过中心部填充蜂窝陶瓷所能忍受的极限温度时，蜂窝陶瓷会出现变形，影响装置的可靠性，此外，这种换热器处于蜂窝陶瓷围成的狭小空间，并不像传统换热器那样取热主要靠对流，因此，填充内置换热器的设计对煤矿乏风的取热利用至关重要，但是目前这种换热器的设计目前存在以下问题:(1)换热器的放置位置缺乏科学数据依据，主要靠经验，换热器一般放置床层中心区域两侧的相对高温区，但是中心区设置多大的空间，换热器应该放置在多高的温度区，这些问题都缺乏相应的实验数据；(2) —定工况的热风经过蜂窝陶瓷内置换热器后的温降是决定煤矿乏风氧化床能否成功完成取热的关键，迫切需要相关实验为科学确定此温降提供依据；(3)依据经验设计的换热器在实际应用中出现了很多问题，取热做不到适度，影响甲烷的氧化率、系统运行的可靠性以及热利用率，煤矿乏风热氧化后的热烟气以较高温度排放，造成了能源的浪费。因此一种可靠的、测试效果好的煤矿乏风瓦斯氧化后的取热试验用装置成为亟待解决的问题。
实用新型内容
[0003]本实用新型提供一种可以实现管内流动工质为过冷水单相流、过热蒸汽单相流以及湿蒸汽两相流的取热测试，具有实现功能多、燃耗低、测试可靠性高的煤矿乏风瓦斯氧化后的取热试验用装置。
[0004]为解决上述问题，本实用新型采用如下技术方案:
[0005]煤矿乏风瓦斯氧化后的取热试验用装置，包括汽包、水箱、软化水装置，其特征是，还包括混风系统、取热系统、省煤器，混风系统包括燃烧器、冷风入口，燃烧器依次管路连接冷风入口、取热系统、省煤器、烟道出口 ；软化水装置与水箱管路连接，水箱通过管路依次连接第二阀门、主补水泵、第三阀门、第四阀门、第一压力表、汽包；汽包下部通过管路依次连接主循环泵、第六阀门、第七阀门、第一过滤器、水流量表、热电阻传感器、第十一阀门、第十四阀门、第十五阀门后管路一路经过第二视镜与取热系统连接，取热系统再通过管路与温差测试热电堆、第一视镜、第二十一阀门连接；另一管路通过第十六阀门与省煤器、第十七阀门连接，两管路会合后再连接第十阀门后与汽包连接；第十一阀门、第十四阀门之间的连接管路上通过管路依次连接蒸汽流量表、第一温度传感器、第十八阀门后与省煤器连接；第十一阀门、第十四阀门的连接管路上并联有第八阀门、减压阀；第二十一阀门的连接管路上并联有第二十阀门、第二过滤器、干度仪；第十阀门前端的连接有第十二阀门；汽包还通过管路连接第十三阀门后与省煤器连接；汽包上还安装有液位计、第二压力表、安全阀；混风系统上还设有第二温度传感器；烟道出口上设有体积流量表。
[0006]其中，主补水泵连接管路上并联有第一阀门、备用补水泵。
[0007]其中，主循环泵、第六阀门连接管路上并联有备用循环泵、第五阀门。
[0008]本实用新型包括混风系统、取热系统、省煤器、连接管道及测试系统，混风系统实现由液化气燃烧产生的高温废气与冷风混合以获得不同温度、流量的热风，热风垂直横掠内置在蜂窝陶瓷填充床内的取热系统完成取热测试，此后，热风流过省煤器完成部分热量的回收利用经烟道排出。水路系统是由取热系统、省煤器分别引出的管道及相应的流量、压力、温度及湿蒸汽干度测试仪表组成，可以实现管内流动工质为过冷水单相流、过热蒸汽单相流以及湿蒸汽两相流的取热测试。
[0009]本实用新型将煤矿乏风氧化后的瞬态取热过程等效为一系列的稳态过程，简化了试验手段，取热换热器内工质为过冷水的实验测试时，取热系统管路与省煤器管路为并联连接，省煤器的设置使得系统的余热被充分利用，可以快速实现实验系统汽包内水的的加热，为调节进入换热器时的不同的水工况创造了条件。通过在取热系统换热器入出口设置热电堆可以测试水经过取热系统后的温升，进而可以测试换热器的取热功率，通过在床层内布置的热电偶，可以测试出热风经过取热系统后的温度变化。
[0010]取热系统换热器内工质为过热蒸汽时的实验测试时，取热系统的管路与省煤器的管路为串联连接，过热蒸汽从汽包顶部管道引出，为了弥补由于流动过程中管道的散热造成蒸汽压力、温度的降低，引出的蒸汽先经过省煤器被进一步加热后进入取热测试系统，保证了进入取热系统时的管内工质为过热蒸汽，过热蒸汽经过取热系统后的温升可以通过热电堆测试，进而可以确定管内工质为过热蒸汽时的取热功率，通过在床层内布置的热电偶，可以测试出热风经过取热系统后的温度变化。
[0011]取热系统换热器内工质为两相流的实验测试时，需要先利用取热系统与省煤器并联连接的管路将汽包内的水加热至饱和水只有汽包总量的1/3，并且汽包顶部气压显示为
0.4MP时，这是汽包内既有饱和水，又有蒸汽，通过管路分别将饱和水和蒸汽引出，饱和水经过循环水泵加压，过热蒸汽经过省煤器被进一步加热成过热蒸汽，两相流是通过饱和水与过热蒸汽混合获得，为了防止饱和水经过循环水泵加压后无法与过热蒸汽混合，在饱和水与过热蒸汽混合前先经过降压，混合后的两相流干度可以通过混合前饱和水的流量、温度和过热蒸汽的流量、温度转化而得，此干度即为管内工质进入取热系统时的干度，管内工质流出取热系统时的干度可以通过出口的干度以确定，进而可以获得管内工质为两相流时的换热系统的取热功率。
[0012]测量系统包括管内工况测试系统以及热风工况测试系统，管内工质为过冷水与过热蒸汽时，需要测试其质量流量、进入取热系统时的温度以及经过取热系统后的温升，工质质量流量采用测试仪表，进入取热系统时的温度采用热电阻测试，经过取热系统的温升采用热电堆测试；管外热风工况需要测试热风体积流量、温度，通过查取该温度下的密度，获取热风的质量流量，体积流量采用皮托管测试压差通过体积流量表头输出体积流量，热风的温度采用热电偶测试。
[0013]所述的管内工质为两相流的实验测试，为了使经过循环泵加压后饱和水能很好的与省煤器来的相对低压的过热蒸汽混合，饱和水在与过热蒸汽混合前要先经过减压阀降压。
[0014]所述的管内工质通过取热系统后的温升采用热电堆测量，以减小测量误差
[0015]所述的管外热风工况的测定时，其体积流量的测试位置置于烟道出口处，借助烟道截面处的相对大的风速减小测量误差。
[0016]本实用新型的优点为:1)装置灵活，可以实现管内工质分别为过冷水、两相流、过热蒸汽的时取热测试，实验数据为煤矿乏风的取热利用提供科学依据；2)不同温度的热风由燃气燃烧产生高温烟气混合冷风获得，可以灵活调节其风量与温度；3)利用热电堆测试单项工质经过取热系统后的温升、利用干度仪测试管内两相工质经过取热系统的取热量，测得的实验数据准确。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本实用新型的结构示意图；
[0018]图中，1、软化水装置，2、水箱，3、第一阀门，4、备用补水泵，5、第二阀门，6、主补水泵，7、第三阀门，8、第四阀门，9、第一压力表，10、备用循环泵，11、主循环泵，12、第五阀门，13、第六阀门，14、第七阀门，15、第八阀门，16、第一过滤器，17、水流量表，18、热电阻传感器，19、汽包，20、液位计，21、第二压力表，22、安全阀，23、第十阀门，24、第i^一阀门，25、第一温度传感器，26、第十二阀门，27、第十三阀门，28、蒸汽流量表，29、第十四阀门，30、减压阀，31、第十五阀门，32、第十六阀门，33、第十七阀门，34、第十八阀门，35、第十九阀门，36、干度仪，37、第二过滤器，38、温差测试热电堆，39、第一视镜，40、第二视镜，41、第二十阀门，42、第二^ 阀门,43、冷风入口，44、燃烧器,45、第二温度传感器,46、取热系统,47、省煤器，48、体积流量表，49、烟道出口。
【具体实施方式】
[0019]如图1所示，煤矿乏风瓦斯氧化后的取热试验用装置，包括汽包19、水箱2、软化水装置1、混风系统、取热系统46、省煤器47，混风系统包括燃烧器44、冷风入口 43，燃烧器44依次管路连接冷风入口 43、取热系统46、省煤器47、烟道出口 49 ;软化水装置I与水箱2管路连接，水箱2通过管路依次连接第二阀门5、主补水泵6、第三阀门7、第四阀门8、第一压力表9、汽包19 ;汽包19下部通过管路依次连接主循环泵11、第六阀门13、第七阀门14、第一过滤器16、水流量表17、热电阻传感器18、第十一阀门24、第十四阀门29、第十五阀门31后管路一路经过第二视镜40与取热系统46连接，取热系统46再通过管路与温差测试热电堆38、第一视镜39、第二十一阀门42连接；另一管路通过第十六阀门32与省煤器47、第十七阀门33连接，两管路会合后再连接第十阀门23后与汽包19连接；第十一阀门24、第十四阀门29之间的管路上通过管路依次连接蒸汽流量表28、第一温度传感器25、第十八阀门34后与省煤器47连接；第十一阀门24、第十四阀门29的连接管路上并联有第八阀门15、减压阀30 ;第二十一阀门42的连接管路上并联有第二十阀门41、第二过滤器37、干度仪36 ;第十阀门23前端的连接有第十二阀门26 ;汽包19还通过管路连接第十三阀门27后与省煤器47连接；汽包19上还安装有液位计20、第二压力表21、安全阀22 ;混风系统上还设有第二温度传感器45 ;烟道出口 49上设有体积流量表48。
[0020]主补水泵6连接管路上并联有第一阀门3、备用补水泵4。
[0021]主循环泵11、第六阀门13连接管路上并联有备用循环泵10、第五阀门12。
[0022]其工作过程为:
[0023]煤矿乏风瓦斯氧化后的取热试验用装置，包括混风系统、取热系统46、省煤器47、水路系统及各种测试仪表组成，混风系统由燃烧器44燃烧液化气产生高温烟气与从冷风入口 43进入的冷风混合混合后产生一定温度的热风，用于模拟煤矿乏风燃烧后产生的高温烟气，热风的温度由第二温度传感器45测试，热风流量由气体体积流量表48测试，一定温度与流量的热风经过取热系统46测试后再流经省煤器47，经烟道出口 49排出。
[0024]水路系统可以实现进入取热系统46时的管内工质分别为过冷水、过热蒸汽、湿蒸汽两相流的取热测试。
[0025]进入取热系统46的管内工质为过冷水时的取热测试，具体过程:首先对汽包19进行补水，即水经过软化水装置I处理后进入水箱2进行储存，第二阀门5、第三阀门7、第四阀门8打开，经过主补水泵6、第一压力表9，通过连接管道进入汽包19，观察汽包19上的液位计20,待汽包19注满水后,关闭补水管路阀门及主补水泵6 ;汽包19补水完成后,打开主循环泵11及对应第六阀门13、第七阀门14，水由汽包19底部经过主循环水泵11加压后，流经管道依次通过第六阀门13、第七阀门14、第一过滤器16、水流量表17、热电阻传感器18、第十一阀门24、第十四阀门29、第十五阀门31后分成两路:一路经过管道流经换热器入口处的第二视镜40后进入取热系统46，完成取热测试后经过管道流出，经过温差测试热电堆
38、第一视镜39、第二十一阀门42 ;另一路经过第十六阀门32分流入省煤器47、第十七阀门33，两路水汇合后经过第十阀门23回流入汽包19。进入取热系统46的管内工质为过过冷水的取热测试时，过冷水的流经管路为取热系统46与省煤器47并联。
[0026]进入取热系统的管内工质为过热蒸汽时的取热测试，具体过称为:首先对汽包19进行补水，即水经过软化装置I处理后进入水箱2进行储存，第二阀门5、第三阀门7、第四阀门8打开，经过主补水泵6，通过连接管道进入汽包19，通过观察汽包19的液位计20，待汽包19内水位为汽包19总容量的2/3时，关闭补水管路及主补水泵6 ;然后开通上进入取热系统46的管内工质为过冷水的取热测试时的管路系统，对汽包19内的水进行加热，直至通过第一视镜39、第二视镜40观察到管内的工质全部为蒸汽，且汽包19顶部的第二压力表21显示为0.4Mp时，关闭过冷水加热管路，打开第十三阀门27，蒸汽便沿着管路进入省煤器47被进一步加热后，经过管道流出省煤器47，经过第十九阀门35、第二视镜40进入取热系统46，后经过温差测试热电堆38测试温升后，经过换热器的出口处的第一视镜39、第二十一阀门42、第十二阀门26流出，由于管路的散热，经过取热系统46测试后的过热蒸汽已经不能回流到汽包19，只能通过第十二阀门26放空。因此，进入取热系统46的管内工质为过热蒸汽时的取热测试过程中，过热蒸汽的流动管路为省煤器47与取热系统46为串联，省煤器47的存在弥补了过热蒸汽经过管路的散热，保证进入取热系统46时的管内测试工质为过热蒸汽。
[0027]进入取热系统46的管内工质为湿蒸汽两相流时的取热测试，具体过程:首先采用取热系统46的管内工质为过冷水时的取热测试时的水路系统，将汽包19补水至总量的2/3，关闭补水管路，并采用省煤器47与取热系统46并联时的管路系统将汽包19内的水加热至汽包19内水位只有总量的1/3，关闭原有的水路系统，进入取热系统46的工质为两相流的测试过程，两相流的获得是通过饱和水与过热蒸汽混合获得，因此需要打通两条水路，一路为过热蒸汽的流动通道，另一路为饱和水流动通道，过热蒸汽的流动通道为，过热蒸汽由汽包19顶部的第十三阀门27流出经过管道进入省煤器47，经过加热后流经第十八阀门34、第一温度传感器25、蒸汽流量表28、第十四阀门29后与另一路的饱和水混合；饱和水的流动通道为，饱和水从汽包19底部的管路引出进入主循环泵11加压后，经过第六阀门13、第七阀门14、第一过滤器16、水流量表17、热电阻传感器18、第八阀门15，经过减压阀30与另一路来的过热蒸汽混合成湿蒸汽两相流，混合后的两相流经过第十五阀门31、第十六阀门32、第二视镜40进入取热系统46，经过取热测试后经过温差测试热电堆38、第一视镜
39、第二十阀门41、第二过滤器37、两相流干度仪36、第十二阀门26流出放空，由于经过测试后的两相流在进过管路降温后无法进入汽包19，只能放空。
【权利要求】
1.煤矿乏风瓦斯氧化后的取热试验用装置，包括汽包、水箱、软化水装置，其特征是，还包括混风系统、取热系统、省煤器，混风系统包括燃烧器、冷风入口，燃烧器依次管路连接冷风入口、取热系统、省煤器、烟道出口 ；软化水装置与水箱管路连接，水箱通过管路依次连接第二阀门、主补水泵、第三阀门、第四阀门、第一压力表、汽包；汽包下部通过管路依次连接主循环泵、第六阀门、第七阀门、第一过滤器、水流量表、热电阻传感器、第十一阀门、第十四阀门、第十五阀门后管路一路经过第二视镜与取热系统连接，取热系统再通过管路与温差测试热电堆、第一视镜、第二十一阀门连接；另一管路通过第十六阀门与省煤器、第十七阀门连接，两管路会合后再连接第十阀门后与汽包连接；第十一阀门、第十四阀门之间的连接管路上通过管路依次连接蒸汽流量表、第一温度传感器、第十八阀门后与省煤器连接;第十一阀门、第十四阀门的连接管路上并联有第八阀门、减压阀；第二十一阀门的连接管路上并联有第二十阀门、第二过滤器、干度仪；第十阀门前端的连接有第十二阀门；汽包还通过管路连接第十三阀门后与省煤器连接；汽包上还安装有液位计、第二压力表、安全阀；混风系统上还设有第二温度传感器；烟道出口上设有体积流量表。
2.根据权利要求1所述的煤矿乏风瓦斯氧化后的取热试验用装置，其特征是，主补水泵连接管路上并联有第一阀门、备用补水泵。
3.根据权利要求1或2所述的煤矿乏风瓦斯氧化后的取热试验用装置，其特征是，主循环泵、第六阀门连接管路上并联有备用循环泵、第五阀门。
【文档编号】G01N25/20GK203965368SQ201420316081
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年6月13日 优先权日:2014年6月13日
【发明者】高增丽, 刘永启, 高振强, 刘瑞祥 申请人:山东理工大学