CN101737077B

CN101737077B - 矿井通风瓦斯减排与综合利用装置及方法

Info

Publication number: CN101737077B
Application number: CN2008102274763A
Authority: CN
Inventors: 肖云汉; 姜凡; 周娴; 吕元; 王波; 穆克进
Original assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Current assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Priority date: 2008-11-26
Filing date: 2008-11-26
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2028-11-26
Also published as: CN101737077A

Abstract

本发明一种矿井通风瓦斯减排及综合利用装置，涉及高温空气燃烧技术，其热氧化床外壳内壁为耐火保温层，保温层围成的通道中心部空腔内充满多孔介质泡沫陶瓷，多孔介质泡沫陶瓷两侧为蓄热陶瓷，蓄热陶瓷的外端，各设一整流器，两整流器外端与外壳两端口密封门之间为空腔；两空腔内各有一管道与换向系统的进、排气管道相通；外壳侧壁两端各设一防爆卸压阀；在外壳中心部侧壁上安装有燃烧器等启动系统设备，燃烧头位于多孔介质泡沫陶瓷外；换热器的盘管设于蓄热陶瓷中；中控系统设于外壳外，由导线将各电动测量和控制设备和控制柜、工控机相连。本发明能够在低能耗的条件下摧毁煤矿乏风中的低浓度甲烷，产生热水或蒸汽，保护环境、充分利用资源。

Description

矿井通风瓦斯减排与综合利用装置及方法

技术领域

本发明涉及高温空气燃烧领域及利用放热化学能领域，也涉及矿井通风、矿井通风瓦斯减排及二氧化碳减排领域。

背景技术

我国每年因采煤向大气排放的甲烷气体达190亿m³，居世界第一，约占中国工业生产中甲烷排放量的三分之一。而我国每年通过乏风排入大气的甲烷约为130-170亿m³。煤矿乏风具有甲烷浓度低(<0.75％)、难收集、气量大(40-500m³/s)以及气体流速和流量不稳定等特点，因此常规的燃烧处理方法根本不起作用。因此长期以来，煤矿乏风都是直接排放到大气中。由于其中含有的甲烷是一种热值高的强温室气体(温室效应是二氧化碳的21倍)因此这种传统的煤矿乏风处理方式对环境造成了巨大的危害，也是能源的极大浪费。

本发明采用蓄热式烟气余热回收装置，交替切换乏风与烟气，使之流经蓄热体。预热乏风使乏风中的CH₄与氧发生氧化反应，反应释放的热量，一部分热量被蓄热体陶瓷吸收，维持氧化床内部温度，实现自动稳定运行，多余热量由内置换热器取出加以利用。煤矿乏风氧化技术的研究，可以加快煤矿风排瓦斯这一高效洁净新能源的开发利用、减少温室气体排放、有效缓解我国能源危机和促进煤矿安全可持续发展。

目前国内外已有针对矿井乏风中低浓度甲烷处理装置的实验，还存在许多问题有待解决，其中装置中流场不均匀，即通流截面上风速分布不均匀而导致装置内温度分布不均匀是影响其反应效率的重要因素。另外，所有的装置在启动方式上基本都选择电加热启动，而电加热的启动时间长，启动成本高。国内外装置中均没有采用相应的措施来解决这两个主要问题。本发明则很好的解决了这个两个问题。

发明内容

本发明的目的是公开一种矿井通风瓦斯减排及综合利用装置及方法，是一种热氧化装置，它能氧化煤矿乏风中低浓度甲烷，减少甲烷的直接排放量，并利用氧化甲烷热量产生热水或蒸汽，提高能源的利用率。并解决了现有技术中乏风在氧化床层通流截面分布不均匀而导致氧化效率低及传统电加热启动模式能源损耗大、启动时间长的缺点。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种矿井通风瓦斯减排及综合利用装置，用于煤矿低浓度瓦斯减排及综合利用，包括启动系统、热氧化系统、整流装置、测控系统、能量回收利用系统、换向系统；其中：启动系统包括燃烧器27及相关气路/油路；热氧化系统包括外壳2、保温层4、密封门1和14、蓄热陶瓷5、6、11、12、防爆卸压阀3、13和观察窗9；整流装置包括整流器16、28及多孔介质泡沫陶瓷8；测控系统包括测量装置、各电控设备和中控系统10；能量回收利用系统包括换热器25和相关的进水/排水管18；换向系统包括换向阀22、进排气管道15、23、29；

其外壳2由钢板连接而成，截面为矩形或圆柱形；外壳2内壁为一层耐火保温层4，耐火保温层4围成的通道中心部位充满多孔介质泡沫陶瓷8，多孔介质泡沫陶瓷8一侧通道充满蓄热陶瓷5、6，另一侧通道充满蓄热陶瓷11、12；蓄热陶瓷和多孔介质泡沫陶瓷8为氧化床层，是氧化反应的发生场所；蓄热陶瓷5、6和11、12的外端，相隔一间隙后各设有一气体整流器16、28，两气体整流器16、28在管道内径向封堵式设置，两气体整流器16、28外端距外壳2两端口有一距离，外壳2两端口分别以密封门1、14封闭，使该距离各成一空腔，空腔的外壳2侧壁上各设一防爆卸压阀3、13；

两空腔各有一通道，分别与换向系统的进排气管道15、29一端相通，进排气管道15、29另一端分别与换向阀22相通，换向阀22为四通阀或多通阀(其选择由相连的管道和切换要求决定)，其第三和第四开口与进排气管道23的进气和排气口相通，换向阀22在进排气管道15、23、29之间切换；

在外壳(2)中心部相对两侧壁上，一侧设有启动系统，另一侧设有观察窗9；启动系统包括燃烧器25，燃烧器25燃烧头位于多孔介质泡沫陶瓷8外，与燃烧器25相连的是相关气路/油路20；

能量回收利用系统的换热器26盘设于蓄热陶瓷5、6、11、12中，其盘管穿过耐火保温层4和外壳2侧壁，吸收甲烷氧化释放的热量，产生热水或蒸汽；换热器26进水/排水管18上设有相应的电控设备19、27，根据进、出口水/蒸汽温度、压力的监测值自动按要求调节进口水的流量；

测控系统包括各测量装置、各电控设备19、21、27和中控系统10；测量装置包括多个热电偶7、压力传感器17、及各电控设备中的流量、浓度测量设备；热电偶7和压力传感器17分布在各蓄热陶瓷的截面上，测量氧化床层中的温度、压力分布；中控系统10设于外壳2外，由导线将各电控设备和控制柜、工控机相连。

所述的矿井通风瓦斯减排及综合利用装置，其所述外壳2与内壁耐火保温层4为分段模块结构，用连接件相对固接。

所述的矿井通风瓦斯减排及综合利用装置，其所述蓄热陶瓷5、6、11、12，其蓄热陶瓷5、12为低温用蓄热陶瓷，蓄热陶瓷6、11为高温用蓄热陶瓷，根据实用需求采用两种或多种陶瓷组合使用。

一种矿井通风瓦斯减排及综合利用方法，其包括步骤：

A)首先，启动中控系统10，中控系统10控制换向阀22以一定周期在进排气管道15、23、29之间进行切换，使乏风交替的从装置两端的进排气管道15、29进入氧化床层进行处理；

B)然后启动启动系统，连通相关气路/油路20，点燃燃烧器25；

C)燃烧器25产生的高温烟气进入多孔介质泡沫陶瓷8，然后分别向两边通道扩散，流经并加热蓄热陶瓷5、6、11、12；

D)经过高温烟气的加热，氧化床层被预热到甲烷可以被氧化的温度后，由甲烷自燃热量维持稳定状态时，熄灭燃烧器25；

E)然后通入矿井乏风，若本周期换向阀22将进排气管道15与进排气管道23的进气口连通，则乏风通过进排气管道23、15进入空腔，乏风流经左气体整流器16在通流截面上均匀分布，再流经经过预热的蓄热陶瓷5、6、11、12，乏风被加热，乏风中的甲烷被氧化放出热量；

F)甲烷氧化放出的热量一部分被蓄热陶瓷吸收，维持高温，另一部分被换热器26吸热利用；

H)经一段预设的时间，换向阀22进行切换，将进排气管道29与进排气管道23的排气口连通，热量被利用后的低温烟尾气经进排气管道29和23的排气口排出；

G)排出烟气的温度比进口常温乏风温度高20～60℃；然后，开始下一个周期，换向阀进行切换，则乏风通过进排气管道23、29进入空腔，切换气流流动方向，由右气体整流器28在通流截面上均匀分布，再流经经过预热的蓄热陶瓷5、6、11、12，乏风中的甲烷进行第二轮自燃。

所述的矿井通风瓦斯减排及综合利用方法，其所述燃烧器25，燃烧可燃气体或燃油。

本发明的矿井通风瓦斯综合利用装置，能够在低能耗的条件下摧毁煤矿乏风中的低浓度甲烷，并利用这部分氧化热量加热冷水产生热水或蒸汽，达到保护环境、充分利用资源的目的。

附图说明

图1本发明的矿井通风瓦斯减排及综合利用装置的剖面图；

图2本发明的矿井通风瓦斯减排及综合利用装置外观主视图。

具体实施方式

一种矿井通风瓦斯气减排及综合利用装置，用于煤矿低浓度瓦斯处理及综合利用，包括启动系统、热氧化系统、整流装置、测控系统、能量回收利用系统和换向系统。

见图1、图2，为本发明的一种矿井通风瓦斯综合利用装置。

图1中，左密封门1，壳体2，左防爆卸压阀3，保温层4，低温蜂窝陶瓷5，高温蜂窝陶瓷6，床层温度监测点7，多孔介质泡沫陶瓷8，观察窗9，中控系统10，高温蜂窝陶瓷11，低温蜂窝陶瓷12，右防爆卸压阀门13，右密封门14，进、排气管道15，左整流器16，压力测点17，换热器进水管18，电控设备19，燃烧器气路/油路20，电控设备21，换向阀22，进、排气管路23(含一个进气口和一个排气口)，电控设备24，燃烧器25，换热器26，换热器出水管路电控设备27，右整流器28，进、排气管路29。

热氧化系统是由外壳2、保温层4、蓄热陶瓷5、6及11、12、防爆卸压阀3、13、观察窗9和密封门1、14组成。其中外壳2由钢板连接而成，截面为矩形或圆柱形。外壳里填充了蓄热陶瓷，即为图1中的5、6、11和12，由于氧化床层分为高温区和低温区，在高温区部分为高温蓄热陶瓷6和11，低温部分为低温蓄热陶瓷5和12。蓄热陶瓷即为氧化床层。根据需求其横截面可以和外壳2一样做成矩形或圆形。在蓄热陶瓷5、6、11、12和外壳2之间，填充了耐火保温层4。整个床层连同保温层4和外壳2做成模块化形式。即如附图2所示，整个床层分成了若干段，每段都有外壳2和保温层4，各段之间用连接件连接，方便拆卸和安装。床层两端分别是密封门1和密封门14。在床层的两端，各留有一段空隙不铺设蓄热陶瓷，这段空隙可以根据需要增加蓄热陶瓷。

在外壳3两端侧面各有防爆卸压阀3和防爆卸压阀13。如果床层内压力过大超过安全压力，防爆卸压阀3、13会自动打开，排出气体降低压力，保证装置的安全运行。换向阀22可以为三通阀或多通阀，其选择由相连的管道数决定，只要是使气体交替的从装置的两端进出氧化床层即可，以下以四通阀为例进行介绍。换向阀22与进、排气管路15、23、28连接，进排气管路15和29与床层相通。测控系统控制换向阀22在管道15、23和29之间切换。使气体交替从两端进入并穿过床层。外壳2中部和燃烧器25相对的另一侧设立了观察窗9。可以从这里观察燃烧器25燃烧火焰和烟气在多孔介质泡沫陶瓷8内扩散的情况。

整流装置由整流器16、28及多孔介质泡沫陶瓷8组成。在靠近两密封门1、14的地方，各设有整流器16和整流器28。该整流器为此装置特有的整流器(请见相关专利，专利申请号：200810224909.X)，能使进入氧化床层的气体在通流截面上均匀分布，从而使进入的气体中的甲烷更加充分的氧化，提高转化效率。多孔介质泡沫陶瓷8位于氧化床层的中部，它能使燃烧器25产生的热烟气在氧化床层的截面上均匀分布，从而使热烟气均匀加热蓄热陶瓷，使通入乏风前氧化床截面温度分布均匀。

启动系统包括燃烧器25和相关气路/油路20。燃烧器25位于装置的侧面。该燃烧器25同样也为该装置特有(请见相关专利，专利申请号：200810119975.1)，为一种旋流燃烧器。燃烧器25可燃烧可燃气体或可燃油，产生高温烟气，高温烟气进入床层中间的多孔介质泡沫陶瓷8，经多孔介质泡沫陶瓷整流后向两边扩散，加热蓄热陶瓷5、6、11和12，使其温度升高达到甲烷的自燃温度。

换热系统的换热器26盘设于蓄热陶瓷5、6、10、11中，其盘管穿过耐火保温层4和外壳2侧壁，吸收氧化甲烷释放的热量，产生热水或蒸汽。换热器进、出口水管上设有相应的电控设备19和27，根据进、出口水/蒸汽温度、压力的监测值自动按要求调节进口水的流量；

测控系统包括各测量装置(温度、压力、流量、浓度)、各电控设备19、21、27和中控系统10。测量装置包括多个热电偶7、及各电控设备中的流量、浓度测量设备。热电偶7和压力传感器17分布在各蓄热陶瓷的截面上，测量床层中的温度、压力分布。中控系统10设于外壳2外，由导线将各电控设备和控制柜、工控机相连。

图2是本发明装置整体主视图，其中，包括左密封门1，左防爆卸压阀3，模块30，模块31，模块间连接法兰32，顶部测温点7，燃烧器接口33，侧边测温点34，右防爆卸压阀13，右密封门14，进、排气管道15，换向阀22，进、排气管道23，进、排气管道29。模块30用于两端，模块31可以根据需要增减。所有模块用法兰和连接件连接，方便运输、安装与拆卸。

本发明装置的工作过程为：

首先，启动中控系统10，中控系统10控制换向阀22以一定周期在进、排气管道15、23和29进行切换，使乏风交替的从装置两端进入氧化床层进行处理；

然后启动启动系统，连通相关气路/油路20，点燃燃烧器25，产生的高温烟气进入多孔介质泡沫陶瓷8，然后分别向两边通道扩散，流经并加热蓄热陶瓷，尾气则通过换向阀22进入管道23并排出；

经过高温烟气的加热，床层被预热到甲烷可以被氧化的温度后，由甲烷自燃热量维持稳定状态，停止燃烧器25的加热；

然后通入矿井乏风。若本周期换向阀22与进排气管道15和23的进气口连通，则乏风通过管道23进气口和15进入空腔，乏风流经左气体整流器16在通流截面上均匀分布，再流经经过预热的蓄热陶瓷5、6、11和12，乏风被加热，其中的甲烷被氧化放出热量；

甲烷氧化放出的热量一部分被蓄热陶瓷吸收，维持高温，一部分被换热器26吸热利用；热量被利用后的低温烟体再经管路29和23的排气口排出；

排出烟气的温度比进口常温乏风温度高20～60℃；下一个周期，换向阀进行切换，乏风从管路23进气口和29进入床层，流动的方向切换了。如此连续运行，能达到处理乏风中低浓度瓦斯气并综合利用其热量，实现节能减排的目的。

在上述过程中，换向阀22的切换周期由测控系统进行控制。同时，测控系统测控床层内所有温度和压力测点，监控床层内温度、压力变化。进口乏风和出口烟气的流量、温度、压力及甲烷浓度都由测控系统利用各电控设备监控，及时掌握气体的状态及氧化效率。测控系统还能通过电控设备控制换热器26的热负荷，使系统热量交换维持稳定。

两防爆卸压阀3、13能在床层内压力超出安全范围时自动打开，排出气体防止安全事故。

整个装置仅在启动时需要使用燃烧器25燃烧气体或油，在床层温度分布达到要求后即可停止，之后的运转即利用甲烷氧化后的热量进行自维持，不需要利用其他能源。

Claims

1.一种矿井通风瓦斯减排及综合利用装置，用于煤矿低浓度瓦斯减排及综合利用，包括启动系统、热氧化系统、整流装置、测控系统、能量回收利用系统、换向系统；其中：启动系统包括燃烧器(25)及相关气路/油路(20)；热氧化系统包括外壳(2)、保温层(4)、密封门(1、14)、第一蓄热陶瓷(5)、第二蓄热陶瓷(6)、第三蓄热陶瓷(11)、第四蓄热陶瓷(12)、防爆卸压阀(3、13)和观察窗(9)；整流装置包括整流器(16、28)及多孔介质泡沫陶瓷(8)；测控系统包括测量装置、各电控设备和中控系统(10)；能量回收利用系统包括换热器(26)和相关的进水/排水管(18)；换向系统包括换向阀(22)、第一进排气管道(15)、第二进排气管道(23)、第三进排气管道(29)；

其特征在于，外壳(2)由钢板连接而成，截面为矩形或圆柱形；外壳(2)内壁为一层耐火保温层(4)，耐火保温层(4)围成的通道中心部位充满多孔介质泡沫陶瓷(8)，多孔介质泡沫陶瓷(8)一侧通道充满第一蓄热陶瓷(5)和第二蓄热陶瓷(6)，另一侧通道充满第四蓄热陶瓷(12)和第三蓄热陶瓷(11)；第一、第二、第三、第四蓄热陶瓷和多孔介质泡沫陶瓷(8)为氧化床层，是氧化反应的发生场所；第一蓄热陶瓷(5)、第二蓄热陶瓷(6)、第三蓄热陶瓷(11)和第四蓄热陶瓷(12)的外端，相隔一间隙后各设有一气体整流器(16、28)，两气体整流器(16、28)在管道内径向封堵式设置，两气体整流器(16、28)外端距外壳(2)两端口有一距离，外壳(2)两端口分别以密封门(1、14)封闭，使该距离各成一空腔，空腔的外壳(2)侧壁上各设一防爆卸压阀(3、13)；

两空腔各有一通道，分别与换向系统的第一进排气管道(15)、第三进排气管道(29)一端相通，第一进排气管道(15)、第三进排气管道(29)另一端分别与换向阀(22)相通，换向阀(22)为四通阀，换向阀(22)第三第四开口与第二进排气管道(23)相通，换向阀(22)在第一、第二、第三进排气管道的进、排气口之间切换；

在外壳(2)中心部相对两侧壁上，一侧设有启动系统，另一侧设有观察窗(9)；启动系统包括燃烧器(25)，燃烧器(25)燃烧头位于多孔介质泡沫陶瓷(8)外，与燃烧器(25)相连的是相关气路/油路(20)；

能量回收利用系统的换热器(26)盘设于第一蓄热陶瓷(5)、第二蓄热陶瓷(6)、第三蓄热陶瓷(11)、第四蓄热陶瓷(12)中，其盘管穿过耐火保温层(4)和外壳(2)侧壁，吸收甲烷氧化释放的热量，产生热水或蒸汽；换热器(26)进水/排水管(18)上设有相应的电控设备(19、27)，根据进、出口水/蒸汽温度、压力的监测值自动按要求调节进口水的流量；

测控系统包括各测量装置、各电控设备(19、21、27)和中控系统(10)；测量装置包括多个热电偶(7)、压力传感器(17)及各电控设备中的流量、浓度测量设备；热电偶(7)和压力传感器(17)分布在各蓄热陶瓷的截面上，测量氧化床层中的温度、压力分布；中控系统(10)设于外壳(2)外，由导线将各电控设备和控制柜、工控机相连。

2.如权利要求1所述的矿井通风瓦斯减排及综合利用装置，其特征在于，所述外壳(2)与内壁耐火保温层(4)为分段模块结构，用连接件相对固接。

3.如权利要求1所述的矿井通风瓦斯减排及综合利用装置，其特征在于，所述第一蓄热陶瓷(5)、第二蓄热陶瓷(6)、第三蓄热陶瓷(11)、第四蓄热陶瓷(12)，其中，第一蓄热陶瓷(5)和(12)第四蓄热陶瓷为低温用蓄热陶瓷，第二蓄热陶瓷蓄热陶瓷(6)、第三蓄热陶瓷(11)为高温用蓄热陶瓷，根据实用需求采用两种或多种陶瓷组合使用。

4.一种矿井通风瓦斯减排及综合利用方法，其特征在于，包括步骤：

A)首先，启动中控系统(10)，中控系统(10)控制换向阀(22)以一定周期在第一进排气管道(15)、第三进排气管道(29)之间进行切换，使乏风交替的从装置两端的第一进排气管道(15)、第三进排气管道(29)进入氧化床层进行处理；

B)然后启动启动系统，连通相关气路/油路(20)，点燃燃烧器(25)；

C)燃烧器(25)产生的高温烟气进入多孔介质泡沫陶瓷(8)，然后分别向两边通道扩散，流经并加热第一、第二、第三、第四蓄热陶瓷(5、6、11、12)；

D)经过高温烟气的加热，氧化床层被预热到甲烷可以被氧化的温度后，由甲烷自燃热量维持稳定状态时，熄灭燃烧器(25)；

E)然后通入矿井乏风，若本周期换向阀(22)将第一进排气管道(15)与第二进排气管道(23)的进气口连通，则乏风通过第二进排气管道(23)与第一进排气管道(15)进入空腔，乏风流经左气体整流器(16)在通流截面上均匀分布，再流经经过预热的第一、第二、第三、第四蓄热陶瓷(5、6、11、12)，乏风被加热，乏风中的甲烷被氧化放出热量；

F)甲烷氧化放出的热量一部分被蓄热陶瓷吸收，维持高温，另一部分被换热器(26)吸热利用；

H)根据设定的换向周期，换向阀(22)进行切换，将第三进排气管道(29)与第二进排气管道(23)的排气口连通，热量被利用后的低温烟尾气经第三进排气管道(29)和第二进排气管道(23)的排气口排出；

G)排出烟气的温度比进气口常温乏风温度高20～60℃；然后，开始下一个周期，换向阀进行切换，则乏风通过进气管道(23a)、连接管道(29)进入空腔，切换气流流动方向，由右气体整流器(28)在通流截面上均匀分布，再流经经过预热的第一、第二、第三、第四蓄热陶瓷(5、6、11、12)，乏风中的甲烷进行第二轮自燃。

5.如权利要求4所述的矿井通风瓦斯减排及综合利用方法，其特征在于，所述燃烧器(25)，燃烧可燃气体或燃油。