CN102824808A - 一种利用太阳能富集煤矿瓦斯的系统 - Google Patents

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Abstract

一种利用太阳能富集煤矿瓦斯的系统，包括利用太阳能加热的第一级树冠形管道，第一级树冠形管道入口和和煤矿瓦斯出口连通，第一级树冠形管道出口和第一甲烷收集器入口连通，第一甲烷收集器出口和利用太阳能加热的第二级树冠形管道入口连通，第二级树冠形管道出口和第二甲烷收集器入口连通，第二甲烷收集器出口和利用太阳能加热的第三级树冠形管道入口连通，第三级树冠形管道出口和浓缩瓦斯贮存器连通，第一级树冠形管道乏气出口和净化装置连通，第二级树冠形管道和第三级树冠形管道乏气出口和第一级树冠形管道入口连通；本发明利用温度场导致的气体组分密度差，在管道运输中对煤矿瓦斯进行富集，减少富集瓦斯气的能耗和成本，提高经济性。

Description

一种利用太阳能富集煤矿瓦斯的系统
技术领域
本发明涉及富集煤矿瓦斯技术领域，具体涉及一种利用太阳能富集煤矿瓦斯的系统。
背景技术
现行的富集瓦斯的主要技术途径有深冷分离技术、变压吸附技术和膜分离技术。低温精馏法：利用N2与CH4的沸点差将两者分离，成本很高，经济型差；膜分离技术：以膜两侧气体的分压差为推动力，通过组分间传递速率的差异来实现分离，对制膜技术依赖性强、成本高；变压吸附(PSA)分离技术则利用吸附剂在一定压力下对煤层气中CH4及其他组分的吸附容量不同，将其中CH4进行分离，其设备复杂，吸附剂的制备能耗大。随着我国对环保的要求不断提高，对降低能耗要求的不断提高，对经济性要求的提高。原有的富集瓦斯技术渐渐不能适应这些要求。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种利用太阳能富集煤矿瓦斯的系统，能够减少富集瓦斯气的能耗和成本，提高经济性。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种利用太阳能富集煤矿瓦斯的系统，包括利用太阳能加热的第一级树冠形管道2，第一级树冠形管道2的入口和煤矿瓦斯出口相连通，第一级树冠形管道2的出口通过泵5和第一甲烷收集器6-1的入口相连通，第一甲烷收集器6-1的出口和利用太阳能加热的第二级树冠形管道8的入口相连通，第二级树冠形管道8的出口通过泵5和第二甲烷收集器6-2的入口相连通，第二甲烷收集器6-2的出口和利用太阳能加热的第三级树冠形管道10的入口相连通，第三级树冠形管道10的出口通过泵5和浓缩瓦斯贮存器11相连通，第一级树冠形管道2的乏气出口和净化装置3相连通，第二级树冠形管道8和第三级树冠形管道10的乏气出口通过循环管道9和第一级树冠形管道2的入口相连通，在第一甲烷收集器6-1和第二甲烷收集器6-2中安装有甲烷浓度感应器7。
所述第一级树冠形管道2、第二级树冠形管道8和第三级树冠形管道10的结构相同，均为树形截面管道1，所述树形截面管道1包括树干形下部管道1-1和树冠形上部管道1-2，所述树冠形上部管道1-2由树冠上型线管道1-2-1和树冠下型线管道1-2-2围成，在树干形下部管道1-1外侧、树冠下型线管道1-2-2外侧下部设置有遮热板2，则树干形下部管道1-1、树冠下型线管道1-2-2以及遮热板2包围成分置于树冠形上部管道1-2之下、树干形下部管道1-1外侧的通风槽3。
在所述通风槽3内引入自然风或人工鼓风对树干形下部管道1-1进行通风冷却。
所述树干形下部管道1-1的截面为矩形或梯形。
所述树冠上型线管道1-2-1为中间高两端低的曲线或折线。
所述树冠下型线管道1-2-2为水平直线、中间高两端低或中间低两端高的曲线或折线。
在所述树干形下部管道1-1和/或树冠下型线管道1-2-2的外表面设置扩展受热面4。
所述扩展受热面为散热翅片。
和现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明使用清洁的太阳能作为热源，充分利用仿生学原理，实现了非机械式甲烷浓缩，充分节能，同时充分利用煤矿资源丰富地区独特的地理优势，有效利用废弃瓦斯气。
本发明利用仿生学优化，将管道设计“树形”，其上表面吸收太阳能集热，产生高温表面，管道下部设置遮热板，设立通风槽，利用对流换热及减少辐射换热量的方式，对管道下部进行冷却，建立低温表面，在温度差和密度差的作用下，通过密度差效应，使甲烷上浮并集中在管道上部，并通过多级浓缩，实现在运输过程中利用太阳能浓缩煤矿瓦斯。
若长方形的截面管道在太阳倾斜入射时，则投影面积太小；若普通的圆形截面管道，虽然在一天中不同时刻具有较大的有效吸收面积，但是由于管道的热传导及下半部分照射到太阳光时也得到加热，这样也没有有效的冷却措施，难以建立较大的而稳定的温差。“树形”管道的表面提高管道对太阳能的吸收效率，并利用这种管道结构上的优势再结合西北地区有风背阴处与太阳直射区会形成较大温度差异的气候特点，有效利用太阳能加热管道上表面，在管道的横截面上建立温差。甲烷与空气相对分子质量不同，在温差的作用下形成密度差，对甲烷组分产生浮升力。这样在高温表面甲烷浓度会比低温表面大，与空气逐渐分离，从而通过密度差效应使瓦斯得到了浓缩。能够减少富集瓦斯气的能耗和成本，提高经济性。
附图说明
图1是本发明太阳能富集煤矿瓦斯的系统示意图。
图2是本发明实施例一树形管道截面形状示意图。
图3是本发明实施例二树形管道截面形状示意图。
图4是本发明实施例三树形管道截面形状示意图。
图5是本发明实施例四树形管道截面形状示意图。
图6是本发明实施例五树形管道截面形状示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明一种利用太阳能富集煤矿瓦斯的系统，包括利用太阳能加热的第一级树冠形管道2，第一级树冠形管道2的入口和煤矿瓦斯出口相连通，第一级树冠形管道2的出口通过泵5和第一甲烷收集器6-1的入口相连通，第一甲烷收集器6-1的出口和利用太阳能加热的第二级树冠形管道8的入口相连通，第二级树冠形管道8的出口通过泵5和第二甲烷收集器6-2的入口相连通，第二甲烷收集器6-2的出口和利用太阳能加热的第三级树冠形管道10的入口相连通，第三级树冠形管道10的出口通过泵5和浓缩瓦斯贮存器11相连通，第一级树冠形管道2的乏气出口和净化装置3相连通，第二级树冠形管道8和第三级树冠形管道10的乏气出口通过循环管道9和第一级树冠形管道2的入口相连通，在第一甲烷收集器6-1和第二甲烷收集器6-2中安装有甲烷浓度感应器7。
本发明的工作原理为：如图1所示，将低浓度煤矿瓦斯经过阀门1通入第一级树冠形管道2，浓缩到一定浓度后，将管道上部的经过一级浓缩的浓缩瓦斯，通过泵5通入甲烷收集器6，在各个甲烷收集器6中安置甲烷浓度感应器7，实时监控每一级浓缩后的甲烷浓度，再经过阀门1后，浓缩瓦斯进入第二级树冠形管道8，进行进一步的浓缩，这样依次通过第一树冠形管道2，第二树冠形管道8，第三级树冠形管道10，和两个甲烷收集器6后，通过泵5和阀门1控制最终的浓缩瓦斯气流量，进入浓缩瓦斯贮存器11，并通过安装于浓缩瓦斯贮存器11的甲烷浓度感应器7监测甲烷浓度，得到最终的产品——具有一定甲烷浓度的浓缩瓦斯，而在第二，三级富集管道下部的乏气还含有可观的甲烷，不适于直接排放，因此通过循环管道9和泵5送回第一级树形管道2的入口与新输入的低浓度瓦斯一起进入第一级树形管道2被富集，而第一级树形管道2出口的乏气，甲烷含量很低故经过净化装置3的排气口4排空。
实施例一
如图2所示，本实施例第一级树冠形管道2、第二级树冠形管道8和第三级树冠形管道10的树形截面管道1包括树干形下部管道1-1和树冠形上部管道1-2，树冠形上部管道1-2由树冠上型线管道1-2-1和树冠下型线管道1-2-2围成，在树干形下部管道1-1外侧、树冠下型线管道1-2-2外侧下部设置有遮热板2，则树干形下部管道1-1、树冠下型线管道1-2-2以及遮热板2包围成分置于树冠形上部管道1-2之下、树干形下部管道1-1外侧的通风槽3，通风槽3内引入自然风或人工鼓风对树干形下部管道1-1进行通风冷却。本实施例树干形下部管道1-1的截面为矩形，树冠上型线管道1-2-1为中间高两端低的曲线，树冠下型线管道1-2-2为水平直线。
实施例二
如图3所示，本实施例第一级树冠形管道2、第二级树冠形管道8和第三级树冠形管道10的树形截面管道1，树干形下部管道1-1的截面为梯形，树冠上型线管道1-2-1为中间高两端低的三角形，树冠下型线管道1-2-2为中间高两端低的折线。其他结构同实施例一。
实施例三
如图4所示，本实施例第一级树冠形管道2、第二级树冠形管道8和第三级树冠形管道10的树形截面管道1，树干形下部管道1-1的截面为梯形，树冠上型线管道1-2-1为中间高两端低的折线，树冠下型线管道1-2-2为中间低两端高的折线。其他结构同实施例一。
实施例四
如图5所示，本实施例第一级树冠形管道2、第二级树冠形管道8和第三级树冠形管道10的树形截面管道1，树干形下部管道1-1的截面为矩形，树冠上型线管道1-2-1为中间高两端低的曲线，树冠下型线管道1-2-2为水平直线。在树干形下部管道1-1的外表面设置扩展受热面，优选扩展受热面为散热翅片。
实施例五
如图6所示，本实施例第一级树冠形管道2、第二级树冠形管道8和第三级树冠形管道10的树形截面管道1，树干形下部管道1-1的截面为矩形，树冠上型线管道1-2-1为中间高两端低的曲线，树冠下型线管道1-2-2为水平直线。在树冠下型线管道1-2-2的外表面设置扩展受热面，优选扩展受热面为散热翅片。
本发明使用清洁的太阳能作为热源，为保证在没有运动部件的情况下，最大程度地利用一天中所有时段的太阳能，使用当地灌木树冠的形状作为管道截面的形状，能够在管道表面积有限的情况下，对不同的太阳光入射角下保证管道表面接受到的太阳能辐射总量最优化。
本发明适用于我国煤炭资源储量丰富的西北地区煤矿瓦斯富集系统。我国煤矿资源丰富的地区大都地域辽阔，适于铺设长管道或者蛇形弯曲的管道，充分吸收太阳能，使瓦斯在足够的输送距离中利用热扩散效应得以浓缩。利用太阳能集热，在树形的管道中制造温度梯度。这种特殊管道只需专门的模具即可在现行制造技术下得以实现。
本发明原理清晰，装置制造简单，在现代工业技术背景下可行性强，适于工业运用的特点。吻合国家“进一步加大煤层气抽采利用力度，强化煤矿瓦斯治理，减轻煤矿瓦斯灾害”的目标与要求，产生良好的环保效应，更具有巨大的现实意义与市场潜力。

Claims (8)

1.一种利用太阳能富集煤矿瓦斯的系统，其特征在于：包括利用太阳能加热的第一级树冠形管道（2），第一级树冠形管道（2）的入口和煤矿瓦斯出口相连通，第一级树冠形管道（2）的出口通过泵（5）和第一甲烷收集器（6-1）的入口相连通，第一甲烷收集器（6-1）的出口和利用太阳能加热的第二级树冠形管道（8）的入口相连通，第二级树冠形管道（8）的出口通过泵（5）和第二甲烷收集器（6-2）的入口相连通，第二甲烷收集器（6-2）的出口和利用太阳能加热的第三级树冠形管道（10）的入口相连通，第三级树冠形管道（10）的出口通过泵（5）和浓缩瓦斯贮存器（11）相连通，第一级树冠形管道（2）的乏气出口和净化装置（3）相连通，第二级树冠形管道（8）和第三级树冠形管道（10）的乏气出口通过循环管道（9）和第一级树冠形管道（2）的入口相连通，在第一甲烷收集器（6-1）和第二甲烷收集器（6-2）中安装有甲烷浓度感应器（7）。
2.根据权利要求1所述的一种利用太阳能富集煤矿瓦斯的系统，其特征在于：所述第一级树冠形管道（2）、第二级树冠形管道（8）和第三级树冠形管道（10）的结构相同，均为树形截面管道（1），所述树形截面管道（1）包括树干形下部管道（1-1）和树冠形上部管道（1-2），所述树冠形上部管道（1-2）由树冠上型线管道（1-2-1）和树冠下型线管道（1-2-2）围成，在树干形下部管道（1-1）外侧、树冠下型线管道（1-2-2）外侧下部设置有遮热板（2），则树干形下部管道（1-1）、树冠下型线管道（1-2-2）以及遮热板（2）包围成分置于树冠形上部管道（1-2）之下、树干形下部管道（1-1）外侧的通风槽（3）。
3.根据权利要求2所述的一种利用太阳能富集煤矿瓦斯的系统，其特征在于：在所述通风槽（3）内引入自然风或人工鼓风对树干形下部管道（1-1）进行通风冷却。
4.根据权利要求3所述的一种利用太阳能富集煤矿瓦斯的系统，其特征在于：所述树干形下部管道（1-1）的截面为矩形或梯形。
5.根据权利要求3所述的一种利用太阳能富集煤矿瓦斯的系统，其特征在于：所述树冠上型线管道（1-2-1）为中间高两端低的曲线或折线。
6.根据权利要求3所述的一种利用太阳能富集煤矿瓦斯的系统，其特征在于：所述树冠下型线管道（1-2-2）为水平直线、中间高两端低或中间低两端高的曲线或折线。
7.根据权利要求3所述的一种利用太阳能富集煤矿瓦斯的系统，其特征在于：在所述树干形下部管道（1-1）和/或树冠下型线管道（1-2-2）的外表面设置扩展受热面（4）。
8.根据权利要求7所述的一种利用太阳能富集煤矿瓦斯的系统，其特征在于：所述扩展受热面为散热翅片。
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