CN108148644A - 一种基于化学反应的瓦斯混合气体提纯装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于化学反应的瓦斯混合气体提纯装置及其使用方法，包括瓦斯收集提纯机构、瓦斯混合气体干燥分层机构和瓦斯存储机构，瓦斯收集提纯机构的出气端与瓦斯混合气体干燥分层机构的进气端连接，瓦斯混合气体干燥分层机构的出气端与瓦斯存储机构的进气端连接。本发明具有结构简单、设计合理、对煤矿瓦斯混合气体进行提纯、提高瓦斯利用效率、降低瓦斯污染等优点。
Description
技术领域
本发明属于煤炭开采技术领域，具体涉及一种基于化学反应的瓦斯混合气体提纯装置及其使用方法。
背景技术
煤矿排放瓦斯混合气体中的主要成分为瓦斯，氮气，二氧化碳，氧气，并含有水蒸气等气体。由于煤矿排放瓦斯混合气体浓度常受到井下煤层气含量、煤炭开采、通风量等因素的影响，导致瓦斯混合气体浓度变化幅度较大，如果进行分离提纯，耗能要远远超过获取瓦斯的能量，很不经济，另外其浓度和流速均不稳定，也很难作为一种能源被加以利用，所以长期以来煤矿排放瓦斯混合气体只能用来燃烧或对空排放，造成了巨大的能源浪费和环境污染。
当前我国煤矿在瓦斯混合气体抽排过程中，由于瓦斯混合气体抽排技术水平较低，瓦斯混合气体斯的整体抽排形式较为单一，抽排水平不高，导致大部分煤矿抽排瓦斯混合气体浓度较低，瓦斯利用受到较大影响，导致瓦斯利用率较低，抽排出的瓦斯混合气体主要用于发电和发热，也仅有个别煤矿会用来做汽车燃料或者用以发电等项目，有许多煤矿将抽排出的瓦斯混合气体直接排放在空气中浪费掉了，同时造成了严重的空气污染，我国煤矿瓦斯混合气体排放量居世界首位,大量的低浓度瓦斯混合气体排放不仅浪费了宝贵的清洁能源,同时也加重了全球温室效应。
目前,煤矿低浓度瓦斯混合气体利用的技术途径主要包括瓦斯发电、瓦斯浓缩、掺混燃烧和氧化利用等。瓦斯混合气体浓度较低,成为瓦斯高效利用的瓶颈。现有的瓦斯分离提纯方法如深冷分离、变压吸附分离、吸附解吸分离、膜分离以及这些方法的联合分离,主要适用于高浓度瓦斯的分离,若用于低浓度瓦斯分离,成本较高，难以获得收益。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种结构简单、设计合理、对煤矿瓦斯混合气体进行提纯、提高瓦斯利用效率、降低瓦斯污染的一种基于化学反应的瓦斯混合气体提纯装置及其使用方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于化学反应的瓦斯混合气体提纯装置，包括瓦斯收集提纯机构、瓦斯混合气体干燥分层机构和瓦斯存储机构，瓦斯收集提纯机构的出气端与瓦斯混合气体干燥分层机构的进气端连接，瓦斯混合气体干燥分层机构的出气端与瓦斯存储机构的进气端连接；
瓦斯收集提纯机构包括瓦斯收集箱、第一抽风机和气体过滤箱，瓦斯收集箱的侧部开设有收集口，瓦斯收集箱通过第一管道与第一抽风机的进气口连接，第一抽风机的出气口通过第二管道与气体过滤箱顶部的进气口连接，气体过滤箱内盛装有碱性溶液，第二管道的出气口伸入到气体过滤箱的碱性溶液的液面下，第二管道上设有第一瓦斯浓度传感器，气体过滤箱下侧部连接有溶液接口，溶液接口上设有第一阀门，气体过滤箱通过第三管道与瓦斯混合气体干燥分层机构连接；
所述瓦斯混合气体干燥分层机构包括干燥组件和气体静置分层罐，气体过滤箱通过第三管道与干燥组件的进气口连接，干燥组件的出气口通过第四管道与气体静置分层罐的进气口连接，气体静置分层罐的顶部为上小下大的圆锥形结构，气体静置分层罐底部为上大下小的圆锥形结构，气体静置分层罐的顶部内设有第二瓦斯浓度传感器，气体静置分层罐的顶部通过第五管道与瓦斯存储机构相连接，气体静置分层罐的底部连接有排放管；
所述干燥组件包括呈圆筒形的壳体，壳体的中心线沿垂直方向设置，壳体顶部和底部均设有透气网，壳体上端部螺纹连接有上端盖，壳体底部螺纹连接有下端盖，上端盖与壳体的螺纹连接处设有第一密封圈，下端盖与壳体的螺纹连接处设有第二密封圈，壳体内中部沿垂直方向固定设置有一块将壳体内部分隔为进气腔和出气腔的隔板，壳体内填充有颗粒状的干燥剂，第三管道的出气口与壳体的进气腔的中部连接，第四管道的进气口与壳体的出气腔的中部连接；
所述瓦斯存储机构包括第二抽风机和瓦斯存储箱，气体静置分层罐的顶部通过第五管道与第二抽风机的进气口连接，第五管道上设有第二阀门，第二抽风机的出气口通过第六管道与瓦斯存储箱相连接，瓦斯存储箱内设有第三瓦斯浓度传感器，瓦斯存储箱上安装有瓦斯监测器，瓦斯监测器分别与第一瓦斯浓度传感器、第二瓦斯浓度传感器和第三瓦斯浓度传感器相连接；
本发明公开了使用上述权利要求的一种基于化学反应的瓦斯混合气体提纯装置的使用方法，依次按照以下步骤进行：
（1）向气体过滤箱内添加碱性溶液，将第二管道的出气口伸入气体过滤箱内并插入至碱性溶液内，第三管道的进气口伸入气体过滤箱内并位于碱性溶液的上方；
（2）将瓦斯收集箱放置在矿井内，将瓦斯存储箱放置在巷道内底板宽敞处，启动第一抽风机，瓦斯收集箱收集瓦斯混合气体，第一抽风机的进气口通过第一管道抽取瓦斯混合气体，在第一抽风机的抽动下，瓦斯混合气体进入气体过滤箱内的碱性溶液内，碱性溶液将瓦斯混合气体中的二氧化碳吸收过滤；
（3）过滤后的瓦斯混合气体通过第三管道进入干燥组件，干燥组件内的干燥剂将瓦斯混合气体内的水蒸气吸收，接着瓦斯混合气体通过第四管道进入气体静置分层罐；
（4）经过一段时间的静置后，瓦斯混合气体中的甲烷气体自然上升至气体静置分层罐的上部，瓦斯混合气体中的氮气和氧气沉降至气体静置分层罐的下部，氮气和氧气通过气体静置分层罐下端的排放管排出；
（5）当甲烷气体聚集到一定浓度并达到第二瓦斯浓度传感器的设定值时，第二抽风机工作，第五管道上的第二阀门打开，第二抽风机将气体静置分层罐上端部的甲烷气体抽送至瓦斯存储箱内，第二抽风机抽取气体静置分层罐上端部的甲烷气体一段时间后，第二抽风机停止工作，第五管道上的第二阀门关闭；
当气体过滤箱使用一段时间需要更换碱性溶液时，打开气体过滤箱下侧部的第一阀门将气体过滤箱内的发生化学反应后的溶液抽出，然后向气体过滤箱内重新加入碱性溶液；
步骤（3）中干燥组件内的干燥剂工作一段时间后，干燥剂内含水率增大，需要对干燥剂进行更换，干燥剂的更换方法：先将下端盖从壳体下部旋出，壳体内潮湿的干燥剂从壳体的底部排出，将下端盖与壳体下端螺纹连接，再将上端盖从壳体上部旋出，向壳体内添加新的干燥剂，再将上端盖与壳体上部螺纹连接；
所述步骤（3）中干燥组件内干燥剂的具体干燥过程为：瓦斯混合气体通过第三管道进入壳体内的进气腔，利用进气腔内的干燥剂进行干燥，进入进气腔的瓦斯混合气体分别再通过壳体顶部的透气网与上端盖的缝隙和壳体底部的透气网与下端盖的缝隙进入壳体内的出气腔，进入出气腔的瓦斯混合气体经出气腔内干燥剂的干燥进入第四管道。
采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明利用了二氧化碳与碱性溶液会发生化学反应的原理，将瓦斯混合气体排放至碱性溶液内，碱性溶液与将瓦斯混合气体内的二氧化碳吸收过滤，再将瓦斯混合气体通过干燥剂，干燥剂吸收掉瓦斯混合气体内的水蒸气，再将瓦斯混合气体排放至气体静置分层罐内，利用瓦斯内的甲烷气体的分子量小于氮气和氧气的原理，甲烷气体在气体静置分层罐内上升至顶部，氮气和氧气下降至气体静置分层罐的底部，气体静置分层罐内汇聚一定的甲烷气体后，第二抽风机抽取甲烷气体至瓦斯存储箱内进行利用，设计合理科学，结构简单，对煤矿瓦斯混合气体进行提纯、提高瓦斯利用效率、降低了瓦斯污染；
（2）本发明的气体过滤箱下侧部连接有溶液接口，溶液接口上设有第一阀门，不仅便于排出气体过滤箱内的废液，也便于向气体过滤箱内添加新的碱性溶液；
（3）本发明的干燥组件包括壳体，壳体顶部螺纹连接有上端盖，壳体底部螺纹连接有下端盖，便于取出潮湿的干燥剂更换新的干燥剂；
（4）本发明的气体静置分层罐的顶部为上小下大的圆锥形结构，气体静置分层罐的底部为上大下小的圆锥形结构，便于瓦斯混合气体中的甲烷上升至气体静置分层罐的顶部，氮气和氧气等沉降至气体静置分层罐的底部；
（5）本发明的瓦斯监测器与第一瓦斯浓度传感器、第二瓦斯浓度传感器和第三瓦斯浓度传感器均相连接，便于监测本发明在提纯瓦斯混合气体过程中，监测瓦斯的浓度、温度和压力等，当第一瓦斯浓度传感器、第二瓦斯浓度传感器、第三瓦斯浓度传感器和瓦斯监测器监测到瓦斯的浓度、压力和温度达到危险值时，瓦斯监测器立即发出警报且立即切断第一抽风机和第二抽风机的电源，安全性能高。
综上所述，本发明具有结构简单、设计合理、对煤矿瓦斯混合气体进行提纯、提高瓦斯利用效率、降低瓦斯污染、安全性能高等优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的干燥组件的结构示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明的一种基于化学反应的瓦斯混合气体提纯装置，包括瓦斯收集提纯机构、瓦斯混合气体干燥分层机构和瓦斯存储机构，瓦斯收集提纯机构的出气端与瓦斯混合气体干燥分层机构的进气端连接，瓦斯混合气体干燥分层机构的出气端与瓦斯存储机构的进气端连接；
瓦斯收集提纯机构包括瓦斯收集箱1、第一抽风机3和气体过滤箱6，瓦斯收集箱1的侧部开设有收集口28，瓦斯收集箱1通过第一管道2与第一抽风机3的进气口连接，第一抽风机3的出气口通过第二管道5与气体过滤箱6顶部的进气口连接，气体过滤箱6内盛装有碱性溶液7，第二管道5的出气口伸入到气体过滤箱6的碱性溶液7的液面下，第二管道5上设有第一瓦斯浓度传感器4，气体过滤箱6下侧部连接有溶液接口8，溶液接口8上设有第一阀门29，气体过滤箱6通过第三管道9与瓦斯混合气体干燥分层机构连接；
所述瓦斯混合气体干燥分层机构包括干燥组件和气体静置分层罐17，气体过滤箱6通过第三管道9与干燥组件的进气口连接，干燥组件的出气口通过第四管道16与气体静置分层罐17的进气口连接，气体静置分层罐17的顶部为上小下大的圆锥形结构，气体静置分层罐17底部为上大下小的圆锥形结构，气体静置分层罐17的顶部内设有第二瓦斯浓度传感器27，气体静置分层罐17的顶部通过第五管道20与瓦斯存储机构相连接，气体静置分层罐17的底部连接有排放管26；
所述干燥组件包括呈圆筒形的壳体10，壳体10的中心线沿垂直方向设置，壳体10顶部和底部均设有透气网，壳体10上端部螺纹连接有上端盖12，壳体10底部螺纹连接有下端盖13，上端盖12与壳体10的螺纹连接处设有第一密封圈14，下端盖13与壳体10的螺纹连接处设有第二密封圈15，壳体10内中部沿垂直方向固定设置有一块将壳体10内部分隔为进气腔和出气腔的隔板30，壳体10内填充有颗粒状的干燥剂11，第三管道9的出气口与壳体10的进气腔的中部连接，第四管道16的进气口与壳体10的出气腔的中部连接；
所述瓦斯存储机构包括第二抽风机22和瓦斯存储箱24，气体静置分层罐17的顶部通过第五管道20与第二抽风机22的进气口连接，第五管道20上设有第二阀门21，第二抽风机22的出气口通过第六管道23与瓦斯存储箱24相连接，瓦斯存储箱24内设有第三瓦斯浓度传感器，瓦斯存储箱24上安装有瓦斯监测器25，瓦斯监测器25分别与第一瓦斯浓度传感器4、第二瓦斯浓度传感器27和第三瓦斯浓度传感器相连接，瓦斯监测器与第一抽风机3和第二抽风机22的电源相连接，当第一瓦斯浓度传感器4、第二瓦斯浓度传感器27、第三瓦斯浓度传感器和瓦斯监测器25监测到瓦斯的浓度、压力和温度达到危险值时，瓦斯监测器25立即发出警报且立即切断第一抽风机3和第二抽风机22的电源；
本发明还公开了使用上述权利要求的一种基于化学反应的瓦斯混合气体提纯装置的使用方法，依次按照以下步骤进行：
（1）向气体过滤箱6内添加碱性溶液7，将第二管道5的出气口伸入气体过滤箱6内并插入至碱性溶液7内，第三管道9的进气口伸入气体过滤箱6内并位于碱性溶液7的上方；
（2）将瓦斯收集箱1放置在矿井内，将瓦斯存储箱24放置在巷道内底板宽敞处，启动第一抽风机3，瓦斯收集箱1收集瓦斯混合气体，第一抽风机3的进气口通过第一管道2抽取瓦斯混合气体，在第一抽风机3的抽动下，瓦斯混合气体进入气体过滤箱6内的碱性溶液7内，碱性溶液7将瓦斯混合气体中的二氧化碳吸收过滤；
（3）过滤后的瓦斯混合气体通过第三管道9进入干燥组件，干燥组件内的干燥剂11将瓦斯混合气体内的水蒸气吸收，接着瓦斯混合气体通过第四管道16进入气体静置分层罐17；
（4）经过一段时间的静置后，由于氧气、氮气的比重（分子量）大于甲烷（CH4），瓦斯混合气体中的甲烷气体自然上升至气体静置分层罐17的上部，瓦斯混合气体中的氮气和氧气沉降至气体静置分层罐17的下部，氮气和氧气通过气体静置分层罐17下端的排放管26排出；
（5）当甲烷气体聚集到一定浓度并达到第二瓦斯浓度传感器27的设定值时，第二抽风机22工作，第五管道20上的第二阀门21打开，第二抽风机22将气体静置分层罐17上端部的甲烷气体抽送至瓦斯存储箱24内，第二抽风机22抽取气体静置分层罐17上端部的甲烷气体一段时间后，第二抽风机22停止工作，第五管道20上的第二阀门21关闭；
当气体过滤箱6使用一段时间需要更换碱性溶液7时，打开气体过滤箱6下侧部的第一阀门29将气体过滤箱6内的发生化学反应后的溶液抽出，然后向气体过滤箱6内重新加入碱性溶液7；
步骤（3）中干燥组件内的干燥剂11工作一段时间后，干燥剂11中含水率增大，需要对干燥剂11进行更换，干燥剂11的更换方法：先将下端盖13从壳体10下部旋出，壳体10内潮湿的干燥剂11从壳体10的底部排出，将下端盖13与壳体10下端螺纹连接，再将上端盖12从壳体10上部旋出，向壳体10内添加新的干燥剂11，再将上端盖12与壳体10上部螺纹连接；
瓦斯混合气体通过第三管道9进入壳体10内的进气腔，利用进气腔内的干燥剂11进行干燥，进入进气腔的瓦斯混合气体分别再通过壳体10顶部的透气网与上端盖12的缝隙和壳体10底部的透气网与下端盖13的缝隙进入壳体10内的出气腔，进入出气腔的瓦斯混合气体经出气腔内干燥剂11的干燥进入第四管道16。
本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于化学反应的瓦斯混合气体提纯装置，其特征在于：包括瓦斯收集提纯机构、瓦斯混合气体干燥分层机构和瓦斯存储机构，瓦斯收集提纯机构的出气端与瓦斯混合气体干燥分层机构的进气端连接，瓦斯混合气体干燥分层机构的出气端与瓦斯存储机构的进气端连接；
瓦斯收集提纯机构包括瓦斯收集箱、第一抽风机和气体过滤箱，瓦斯收集箱的侧部开设有收集口，瓦斯收集箱通过第一管道与第一抽风机的进气口连接，第一抽风机的出气口通过第二管道与气体过滤箱顶部的进气口连接，气体过滤箱内盛装有碱性溶液，第二管道的出气口伸入到气体过滤箱的碱性溶液的液面下，第二管道上设有第一瓦斯浓度传感器，气体过滤箱下侧部连接有溶液接口，溶液接口上设有第一阀门，气体过滤箱通过第三管道与瓦斯混合气体干燥分层机构连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于化学反应的瓦斯混合气体提纯装置，其特征在于：所述瓦斯混合气体干燥分层机构包括干燥组件和气体静置分层罐，气体过滤箱通过第三管道与干燥组件的进气口连接，干燥组件的出气口通过第四管道与气体静置分层罐的进气口连接，气体静置分层罐的顶部为上小下大的圆锥形结构，气体静置分层罐底部为上大下小的圆锥形结构，气体静置分层罐的顶部内设有第二瓦斯浓度传感器，气体静置分层罐的顶部通过第五管道与瓦斯存储机构相连接，气体静置分层罐的底部连接有排放管。
3.根据权利要求2所述的一种基于化学反应的瓦斯混合气体提纯装置，其特征在于：所述干燥组件包括呈圆筒形的壳体，壳体的中心线沿垂直方向设置，壳体顶部和底部均设有透气网，壳体上端部螺纹连接有上端盖，壳体底部螺纹连接有下端盖，上端盖与壳体的螺纹连接处设有第一密封圈，下端盖与壳体的螺纹连接处设有第二密封圈，壳体内中部沿垂直方向固定设置有一块将壳体内部分隔为进气腔和出气腔的隔板，壳体内填充有颗粒状的干燥剂，第三管道的出气口与壳体的进气腔的中部连接，第四管道的进气口与壳体的出气腔的中部连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于化学反应的瓦斯混合气体提纯装置，其特征在于：所述瓦斯存储机构包括第二抽风机和瓦斯存储箱，气体静置分层罐的顶部通过第五管道与第二抽风机的进气口连接，第五管道上设有第二阀门，第二抽风机的出气口通过第六管道与瓦斯存储箱相连接，瓦斯存储箱内设有第三瓦斯浓度传感器，瓦斯存储箱上安装有瓦斯监测器，瓦斯监测器分别与第一瓦斯浓度传感器、第二瓦斯浓度传感器和第三瓦斯浓度传感器相连接。
5.采用如权利要求4所述一种基于化学反应的瓦斯混合气体提纯装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）向气体过滤箱内添加碱性溶液，将第二管道的出气口伸入气体过滤箱内并插入至碱性溶液内，第三管道的进气口伸入气体过滤箱内并位于碱性溶液的上方；
（2）将瓦斯收集箱放置在矿井内，将瓦斯存储箱放置在巷道内底板宽敞处，启动第一抽风机，瓦斯收集箱收集瓦斯混合气体，第一抽风机的进气口通过第一管道抽取瓦斯混合气体，在第一抽风机的抽动下，瓦斯混合气体进入气体过滤箱内的碱性溶液内，碱性溶液将瓦斯混合气体中的二氧化碳吸收过滤；
（3）过滤后的瓦斯混合气体通过第三管道进入干燥组件，干燥组件内的干燥剂将瓦斯混合气体内的水蒸气吸收，接着瓦斯混合气体通过第四管道进入气体静置分层罐；
（4）经过一段时间的静置后，瓦斯混合气体中的甲烷气体自然上升至气体静置分层罐的上部，瓦斯混合气体中的氮气和氧气沉降至气体静置分层罐的下部，氮气和氧气通过气体静置分层罐下端的排放管排出；
（5）当甲烷气体聚集到一定浓度并达到第二瓦斯浓度传感器的设定值时，第二抽风机工作，第五管道上的第二阀门打开，第二抽风机将气体静置分层罐上端部的甲烷气体抽送至瓦斯存储箱内，第二抽风机抽取气体静置分层罐上端部的甲烷气体一段时间后，第二抽风机停止工作，第五管道上的第二阀门关闭。
6.根据权利要求5所述的一种基于化学反应的瓦斯混合气体提纯装置的使用方法，其特征在于：当气体过滤箱使用一段时间需要更换碱性溶液时，打开气体过滤箱下侧部的第一阀门将气体过滤箱内的发生化学反应后的溶液抽出，然后向气体过滤箱内重新加入碱性溶液。
7.根据权利要求6所述的一种基于化学反应的瓦斯混合气体提纯装置的使用方法，其特征在于：步骤（3）中干燥组件内的干燥剂工作一段时间后，干燥剂内含水率增大，需要对干燥剂进行更换，干燥剂的更换方法：先将下端盖从壳体下部旋出，壳体内潮湿的干燥剂从壳体的底部排出，将下端盖与壳体下端螺纹连接，再将上端盖从壳体上部旋出，向壳体内添加新的干燥剂，再将上端盖与壳体上部螺纹连接。
8.根据权利要求7所述的一种基于化学反应的瓦斯混合气体提纯装置的使用方法，其特征在于：所述步骤（3）中干燥组件内干燥剂的具体干燥过程为：瓦斯混合气体通过第三管道进入壳体内的进气腔，利用进气腔内的干燥剂进行干燥，进入进气腔的瓦斯混合气体分别再通过壳体顶部的透气网与上端盖的缝隙和壳体底部的透气网与下端盖的缝隙进入壳体内的出气腔，进入出气腔的瓦斯混合气体经出气腔内干燥剂的干燥进入第四管道。
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