CN108362851B - 一种利用微生物降解煤矿风流瓦斯的实验方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种利用微生物降解煤矿风流瓦斯的实验方法和装置，本装置包括反应室，反应室的两端分别设有进风口和出风口，反应室的下部设有菌液回收槽，菌液回收槽与反应室连通，菌液回收槽与菌液回收罐连通，菌液回收罐与菌液罐连通，菌液罐与高浓度菌液端连通，菌液罐与上部导液管连通，上部导液管与储水罐连通，上部导液管与反应室内的菌液门连通。本方法包括如下步骤：乏风进入反应室内，乏风与菌液门上的甲烷氧化细菌接触，乏风中的甲烷被降解成CO2和H2O，并随降解后的乏风排出反应室。本发明具有设计合理、结构简单、成本低廉、安装和使用方便、工作效率高、安全可靠、实验数据准确性高、运行稳定、使用寿命长、可循环利用、实用性强的特点。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿瓦斯处理，特别是指一种利用微生物降解煤矿风流瓦斯的实验方法和装置。
背景技术
我国有世界上数量最多的井工煤矿，煤矿在生产中向大气排放大量的乏风（乏风：进入矿井的新鲜风流经过生产地点后的风流称为乏风，乏风含有粉尘及甲烷等有害气体），由于乏风中含有以甲烷（CH4）为主的有害气体，甲烷不仅具有易燃、易爆的特性，而且会加剧温室效应，造成环境污染。因此，解决煤矿乏风中的甲烷无论是立足当前还是放眼未来，都具有重要意义。
20世纪以来，国内外学者开始研究利用微生物解决矿井瓦斯，即利用甲烷氧化菌把瓦斯（CH4）降解成CO2和H2O。与传统技术相比，微生物技术无疑具有安全、高效的特点，理论已经实现，甲烷氧化菌已经能大量培养，但在应用技术上却进展缓慢，一个重要原因是能用于瓦斯降解的关键设备极少。因此，研制出一种安全、高效、结构简单、成本低廉、操作简便的风流甲烷降解装置则十分必要，而且具有广阔的市场。
现有技术方案的主要问题：
1、装置结构不合理。现有技术方案主要是利用浸润的多孔材料与风流正交，或者使风流流经生物滤池，这样会造成风流流动阻力大，降解速率低。而实际上煤矿风流是具有一定流动速度的，即在实验装置内要在较短的时间内完成有效降解，达到这一目标才具有应用前景。
2、降解效率低。目前的技术方案如果充分考虑到了风流流动性，但经过降解的风流中瓦斯浓度仍然较高，未达到降解目的。
以上两个问题其实是一个问题的两个方面，即要求装置“要在较短时间内完成有效降解”。
3、废液的回收处理及再利用。经过降解后的废液里仍然含有一定浓度的甲烷氧化菌，可以经过回收处理后循环利用，节约成本。
发明内容
本发明提出一种利用微生物降解煤矿风流瓦斯的实验方法和装置，解决了现有技术中缺少瓦斯降解的关键设备的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种利用微生物降解煤矿风流瓦斯的实验装置，包括反应室，所述反应室的两端分别设有进风口和出风口，反应室的下部设有菌液回收槽，菌液回收槽与反应室连通，菌液回收槽与菌液回收罐连通，菌液回收罐与菌液罐连通，菌液罐与高浓度菌液端连通，菌液罐与上部导液管连通，上部导液管与储水罐连通，上部导液管与反应室内的菌液门连通。
所述的菌液门包括弹性支撑装置、旋转装置、菌液环形通道和叶片，菌液环形通道通过弹性支撑装置活动安装在反应室内，菌液环形通道与上部导液管连通，菌液环形通道与旋转装置连接，菌液环形通道上设有若干活动的叶片，叶片包括浸润材料、支撑材料和菌液叶片通道，菌液叶片通道与菌液环形通道连通，菌液叶片通道的外部设有支撑材料，支撑材料上设有浸润材料，菌液环形通道上设有重力传感器，重力传感器和旋转装置均与中央控制器电连接。
所述的菌液门分为前部降解装置和后部降解装置，进风口处设有第一瓦斯浓度检测仪和风速检测仪，前部降解装置和后部降解装置之间设有第二瓦斯浓度检测仪，出风口处设有第三瓦斯浓度检测仪，第一瓦斯浓度检测仪、风速检测仪、第二瓦斯浓度检测仪和第三瓦斯浓度检测仪均与中央控制器电连接。
所述的前部降解装置包括至少一组前菌液门，后部降解装置包括至少一组后菌液门，每组前菌液门包括前横向菌液门和前竖向菌液门，每组后菌液门包括后横向菌液门和后竖向菌液门。
所述的菌液罐与上部导液管之间设有阀门，储水罐与上部导液管之间设有第一泵和阀门，菌液回收槽与菌液回收罐之间设有阀门，菌液回收罐与菌液罐之间设有第二泵，阀门、第一泵和第二泵均与中央控制器电连接。
一种利用微生物降解煤矿风流瓦斯的实验方法，包括如下步骤：反应室的两端分别设有进风口和出风口，乏风进入反应室内，乏风与菌液门上的甲烷氧化细菌进行反应发生降解，降解后的乏风排出反应室，反应室内的菌液与乏风作用后流入底部的菌液回收槽，再从菌液回收槽流入菌液回收罐，菌液在菌液回收罐内进行过滤，过滤后的菌液回流至菌液罐，高浓度菌液与过滤后的菌液在菌液罐内混合配制，配制好的菌液输送至菌液门与乏风进行反应。
所述的菌液门包括弹性支撑装置、旋转装置、菌液环形通道和叶片，叶片包括浸润材料、支撑材料和菌液叶片通道，菌液罐内的菌液输送至菌液环形通道内，然后再输送至菌液叶片通道，菌液从菌液叶片通道浸润至浸润材料上，菌液环形通道通过弹性支撑装置活动安装在反应室内，并通过旋转装置驱动菌液环形通道旋转，叶片活动安装在菌液环形通道上，根据瓦斯降解效果调节叶片与乏风夹角。
所述的菌液门分为前部降解装置和后部降解装置，第一瓦斯浓度检测仪和风速检测仪将进风口的瓦斯信号和风量信号传递给中央控制器，第二瓦斯浓度检测仪将前部降解装置和后部降解装置之间瓦斯浓度信号传递给中央控制器，第三瓦斯浓度检测仪将出风口处的瓦斯浓度信号传递给中央控制器，当进风口的甲烷浓度小于设定值时，前部降解装置与乏风流通方向一致，否则旋转前部降解装置至与乏风流通方向垂直，对甲烷进行降解，当前部降解装置和后部降解装置之间的甲烷浓度小于设定值时，后部降解装置与乏风流通方向一致，否则旋转后部降解装置至与乏风流通方向垂直，对剩余的甲烷进行降解。
所述的前部降解装置包括至少一组前菌液门，后部降解装置包括至少一组后菌液门，每组前菌液门包括前横向菌液门和前竖向菌液门，后菌液门包括后横向菌液门和后竖向菌液门。
本发明具有设计合理、结构简单、成本低廉、安装和使用方便、工作效率高、安全可靠、实验数据准确性高、运行稳定、使用寿命长、可循环利用、实用性强的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明菌液门结构示意图。
图3为本发明叶片立体示意图。
图4为本发明叶片截面示意图。
图5为本发明横向菌液门示意图一。
图6为本发明横向菌液门示意图二。
图7为本发明竖向菌液门示意图一。
图8为本发明竖向菌液门示意图二。
图中：1-菌液罐、2-储水罐、3-第一泵、4-第二泵、5-第一瓦斯浓度检测仪、6-菌液回收槽、7-前横向菌液门、8-前竖向菌液门、9-第二瓦斯浓度检测仪、10-上部导液管、11-后横向菌液门、12-弹性支撑装置、13-后竖向菌液门、14-第三瓦斯浓度检测仪、15-菌液回收罐、16-风速检测仪、17-反应室、18-旋转装置、19-菌液环形通道、20-重力传感器，21-叶片，22-浸润材料，23-支撑材料，24-菌液叶片通道、25-进风口、26-出风口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-8所示，一种利用微生物降解煤矿风流瓦斯的实验装置，包括反应室17，所述反应室17的两端分别设有进风口25和出风口26，反应室17的下部设有菌液回收槽6，菌液回收槽6与反应室17连通，菌液回收槽6与菌液回收罐15连通，菌液回收罐15与菌液罐1连通，菌液罐1与高浓度菌液端连通，菌液罐1与上部导液管10连通，上部导液管10与储水罐2连通，上部导液管10与反应室17内的菌液门连通。
所述的菌液门包括弹性支撑装置12、旋转装置18、菌液环形通道19和叶片21，菌液环形通道19通过弹性支撑装置12活动安装在反应室17内，菌液环形通道19与上部导液管10连通，菌液环形通道19与旋转装置18连接，菌液环形通道19上设有若干活动的叶片21，叶片21包括浸润材料22、支撑材料23和菌液叶片通道24，菌液叶片通道24与菌液环形通道19连通，菌液叶片通道24的外部设有支撑材料23，支撑材料23上设有浸润材料22，菌液环形通道19上设有重力传感器20，重力传感器20和旋转装置18均与中央控制器电连接。
所述的菌液门分为前部降解装置和后部降解装置，进风口25处设有第一瓦斯浓度检测仪5和风速检测仪16，前部降解装置和后部降解装置之间设有第二瓦斯浓度检测仪9，出风口26处设有第三瓦斯浓度检测仪14，第一瓦斯浓度检测仪5、风速检测仪16、第二瓦斯浓度检测仪9和第三瓦斯浓度检测仪14均与中央控制器电连接。
所述的前部降解装置包括至少一组前菌液门，后部降解装置包括至少一组后菌液门，每组前菌液门包括前横向菌液门7和前竖向菌液门8，每组后菌液门包括后横向菌液门11和后竖向菌液门13。
所述的菌液罐1与上部导液管10之间设有阀门，储水罐2与上部导液管10之间设有第一泵3和阀门，菌液回收槽6与菌液回收罐15之间设有阀门，菌液回收罐15与菌液罐1之间设有第二泵4，阀门、第一泵3和第二泵4均与中央控制器电连接。
一种利用微生物降解煤矿风流瓦斯的实验方法，包括如下步骤：乏风进入反应室17内，乏风与菌液门上的甲烷氧化细菌进行反应发生降解，降解后的乏风排出反应室17，反应室17内的菌液与乏风作用后流入底部的菌液回收槽6，再从菌液回收槽6流入菌液回收罐15，菌液在菌液回收罐15内进行过滤，过滤后的菌液回流至菌液罐1，高浓度菌液与过滤后的菌液在菌液罐1内混合配制，配制好的菌液输送至菌液门与乏风进行反应。
所述的菌液门包括弹性支撑装置12、旋转装置18、菌液环形通道19和叶片21，叶片21包括浸润材料22、支撑材料23和菌液叶片通道24，菌液罐1内的菌液输送至菌液环形通道19内，然后再输送至菌液叶片通道24，菌液从菌液叶片通道24浸润至浸润材料22上，菌液环形通道19通过弹性支撑装置12活动安装在反应室17内，并通过旋转装置18驱动菌液环形通道19旋转，叶片活动安装在菌液环形通道上，根据瓦斯降解效果调整叶片与乏风夹角。
所述的菌液门分为前部降解装置和后部降解装置，第一瓦斯浓度检测仪5和风速检测仪16将进风口25的瓦斯信号和风量信号传递给中央控制器，第二瓦斯浓度检测仪9将前部降解装置和后部降解装置之间瓦斯浓度信号传递给中央控制器，第三瓦斯浓度检测仪14将出风口26处的瓦斯浓度信号传递给中央控制器，当进风口25的甲烷浓度小于设定值时，前部降解装置与乏风流通方向一致，否则旋转前部降解装置至与乏风流通方向垂直，对甲烷进行降解，当前部降解装置和后部降解装置之间的甲烷浓度小于设定值时，后部降解装置与乏风流通方向一致，否则旋转后部降解装置至与乏风流通方向垂直，对剩余的甲烷进行降解。
所述的前部降解装置包括至少一组前菌液门，后部降解装置包括至少一组后菌液门，每组前菌液门包括前横向菌液门7和前竖向菌液门8，后菌液门包括后横向菌液门11和后竖向菌液门13。
本装置可分为以下几个系统：供液循环系统、反应系统、自清洁系统、转向系统和检测与监测系统五个组成部分。
供液循环系统：
供液循环系统共包括：菌液罐、上部导液管、菌液门、菌液回收槽、菌液回收罐、菌液罐、储水罐、反应室和泵回管道。
工作机制：自流供液与泵回式回收利用相结合，菌液罐内的菌液先通过阀门经上部导液管流向菌液门，菌液再通过菌液门上的菌液通道流向单体叶片，最后通过单体叶片上的浸润材料，形成一层菌液薄膜，从而达到除去风流中瓦斯的效果。
当菌液薄膜越积越厚，单体叶片上的菌液滴落于回收槽中，沿回收槽收集于菌液回收罐，经过一系列的处理再通过泵输送菌液罐，再与新注入的高浓度菌液在菌液罐混合，再次利用。
反应系统：
反应系统共包括：菌液门。
工作机制：菌液先通过菌液门上的菌液通道，再通过菌液门单体叶片上的浸润材料，在单体叶片周围形成一层菌液膜，风流与菌液门正交，从而达到降解风流中瓦斯的目的。
检测与监测系统：
检测与监测系统共包括：瓦斯浓度传感器、风速检测仪和重力感应器。
工作机制：瓦斯浓度传感器共有三个，分别安装于反应室的进风口、反应室中部和反应室出风口。反应室进风口瓦斯浓度传感器用于检测进风流中的瓦斯浓度，反应室中部瓦斯浓度传感器，用于检测前部降解装置处理后风流中的剩余瓦斯浓度，反应室风流出口瓦斯浓度传感器，用于检测反应后剩余瓦斯浓度，即最终排出瓦斯浓度。
风速检测仪是用于监测风流速度，以达到计算风流中瓦斯含量的目的。
重力传感器安装于菌液门，当菌液门上附着风流中的粉煤灰和灰尘到达一定限度，通过重力传感器反馈到控制系统，进行自清洁操作。
自清洁系统：
自清洁系统包括：储水池、上部导液管、菌液回收槽、菌液回收池和泵回管道。
工作机制：重力传感器与控制系统相连接，当菌液门上附着粉煤灰和灰尘达到一定限度时，控制系统自动关闭菌液罐阀门，打开储水池阀门、菌液回收槽阀门、第一泵和第二泵，向菌液门管道内注入高压水，进行冲洗，当冲洗完成后，重力感应器恢复到原始状态，控制系统自动关闭储水池阀门和第一泵，打开菌液罐阀门，继续工作。
转向系统：
转向系统包括：旋转装置。
工作机制：当乏风通过菌液门后，经反应室中瓦斯浓度传感器检测，如果前部瓦斯降解装置的菌液门达到预期效果，则后部瓦斯降解装置的菌液门将自动旋转90°（由与风流方向垂直改为与风流方向一致），通过旋转装置内的阀门关闭菌液的供液，从而停止工作，如果前部瓦斯降解装置的菌液门未达到预期效果则后部瓦斯降解装置的菌液门将自动旋转90°（由与风流方向一致改为与风流方向垂直），通过旋转装置内的阀门打开菌液的供液，从而开始工作。同时根据瓦斯降解的需要，调整叶片与乏风之间的夹角，具体结构可以在菌液环形通道上设置一个传动装置，传动装置带动一根连杆活动，连杆与叶片的端侧活动连接，实现叶片角度的调整。
Claims (5)
1.一种利用微生物降解煤矿风流瓦斯的实验装置，包括反应室（17），其特征在于：所述反应室（17）的两端分别设有进风口（25）和出风口（26），反应室（17）的下部设有菌液回收槽（6），菌液回收槽（6）与反应室（17）连通，菌液回收槽（6）与菌液回收罐（15）连通，菌液回收罐（15）与菌液罐（1）连通，菌液罐（1）与高浓度菌液端连通，菌液罐（1）与上部导液管（10）连通，上部导液管（10）与储水罐（2）连通，上部导液管（10）与反应室（17）内的菌液门连通；
所述的菌液门包括弹性支撑装置（12）、旋转装置（18）、菌液环形通道（19）和叶片（21），菌液环形通道（19）通过弹性支撑装置（12）活动安装在反应室（17）内，菌液环形通道（19）与上部导液管（10）连通，菌液环形通道（19）与旋转装置（18）连接，菌液环形通道（19）上设有若干活动的叶片（21）；
叶片（21）包括浸润材料（22）、支撑材料（23）和菌液叶片通道（24），菌液叶片通道（24）与菌液环形通道（19）连通，菌液叶片通道（24）的外部设有支撑材料（23），支撑材料（23）上设有浸润材料（22），菌液环形通道（19）上设有重力传感器（20），重力传感器（20）和旋转装置（18）均与中央控制器电连接；
所述的菌液门分为前部降解装置和后部降解装置，进风口（25）处设有第一瓦斯浓度检测仪（5）和风速检测仪（16），前部降解装置和后部降解装置之间设有第二瓦斯浓度检测仪（9），出风口（26）处设有第三瓦斯浓度检测仪（14），第一瓦斯浓度检测仪（5）、风速检测仪（16）、第二瓦斯浓度检测仪（9）和第三瓦斯浓度检测仪（14）均与中央控制器电连接。
2.根据权利要求1所述的利用微生物降解煤矿风流瓦斯的实验装置，其特征在于：所述的前部降解装置包括至少一组前菌液门，后部降解装置包括至少一组后菌液门，每组前菌液门包括前横向菌液门（7）和前竖向菌液门（8），每组后菌液门包括后横向菌液门（11）和后竖向菌液门（13）。
3.根据权利要求1所述的利用微生物降解煤矿风流瓦斯的实验装置，其特征在于：所述的菌液罐（1）与上部导液管（10）之间设有阀门，储水罐（2）与上部导液管（10）之间设有第一泵（3）和阀门，菌液回收槽（6）与菌液回收罐（15）之间设有阀门，菌液回收罐（15）与菌液罐（1）之间设有第二泵（4），阀门、第一泵（3）和第二泵（4）均与中央控制器电连接。
4.一种利用微生物降解煤矿风流瓦斯的实验方法，其特征在于包括如下步骤：反应室（17）的两端分别设有进风口（25）和出风口（26），乏风进入反应室（17）内，乏风与菌液门上的甲烷氧化细菌进行反应发生降解，降解后的乏风排出反应室（17），反应室（17）内的菌液与乏风作用后流入底部的菌液回收槽（6），再从菌液回收槽（6）流入菌液回收罐（15），菌液在菌液回收罐（15）内进行过滤，过滤后的菌液回流至菌液罐（1），高浓度菌液与过滤后的菌液在菌液罐（1）内混合配制，配制好的菌液输送至菌液门与乏风进行反应；
菌液环形通道（19）通过弹性支撑装置（12）活动安装在反应室（17）内，并通过旋转装置（18）驱动菌液环形通道（19）旋转，叶片（21）活动安装在菌液环形通道（19）上，根据瓦斯降解效果调节叶片（21）与乏风夹角；
所述的菌液门包括弹性支撑装置（12）、旋转装置（18）、菌液环形通道（19）和叶片（21），叶片（21）包括浸润材料（22）、支撑材料（23）和菌液叶片通道（24），菌液罐（1）内的菌液输送至菌液环形通道（19）内，然后再输送至菌液叶片通道（24），菌液从菌液叶片通道（24）浸润至浸润材料（22）上；
所述的菌液门分为前部降解装置和后部降解装置，第一瓦斯浓度检测仪（5）和风速检测仪（16）将进风口（25）的瓦斯信号和风量信号传递给中央控制器，第二瓦斯浓度检测仪（9）将前部降解装置和后部降解装置之间瓦斯浓度信号传递给中央控制器，第三瓦斯浓度检测仪（14）将出风口（26）处的瓦斯浓度信号传递给中央控制器，当进风口（25）的甲烷浓度小于设定值时，前部降解装置与乏风流通方向一致，否则旋转前部降解装置至与乏风流通方向垂直，对甲烷进行降解，当前部降解装置和后部降解装置之间的甲烷浓度小于设定值时，后部降解装置与乏风流通方向一致，否则旋转后部降解装置至与乏风流通方向垂直，对剩余的甲烷进行降解。
5.根据权利要求4所述的利用微生物降解煤矿风流瓦斯的实验方法，其特征在于：所述的前部降解装置包括至少一组前菌液门，后部降解装置包括至少一组后菌液门，每组前菌液门包括前横向菌液门（7）和前竖向菌液门（8），后菌液门包括后横向菌液门（11）和后竖向菌液门（13）。
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