CN111589805A - 一种去除长大岩溶隧道排水管道结晶的绿色系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种去除长大岩溶隧道排水管道结晶的绿色系统及方法，属于隧道工程技术领域。该系统包括由变压吸附装置(PSA装置)和CO₂收集罐组成的CO₂提纯装置；由储水水箱、制冷器组成的制冷装置；储水水箱底部分别与水泵和CO₂收集罐相连，上部通过水位控制阀连接中心水沟；水泵通过连接三通与一个排水分区内一侧的纵向排水管相连；排水分区内本侧的横向排水管与智能阀相连，另一侧的横向排水管保持正常排水状态。本发明不仅能绿色的解决排水系统结晶问题，而且能使隧道内部的CO₂废气和隧道排水得到有效利用，达到岩溶隧道内部CO₂气体的自产自销，也为汽车尾气处理和岩溶隧道水资源利用提供了新的应用方向。

Description

一种去除长大岩溶隧道排水管道结晶的绿色系统及方法

技术领域

本发明属于隧道工程技术领域，涉及一种去除长大岩溶隧道排水管道结晶的绿色系统及方法。

背景技术

隧道中排水系统的正常运行是保障隧道正常运营的重要环节之一，但在隧道的建设和运营过程中，普遍容易出现排水系统结晶堵塞的现象。结晶物堵塞排水管道会导致局部排水不畅、衬砌外部水压力增大、衬砌支护结构开裂、隧道渗水漏水、路面积水等一系列影响美观和隧道正常运营的问题。因此，如何去除隧道排水管道结晶以保证排水系统畅通已成为隧道行业关注和重视的焦点问题。

为除去隧道排水管道内产生的结晶物质并保持排水系统的畅通，国内外学者提出了一些方法，如：改变排水管道的管径、形状、流速而抑制结晶物的产生、加入可以产生碳酸酐酶的细菌从而加速CO₂的转化、加入羧酸类有机酸溶解结晶物、加入高性能阻垢剂抑制结晶物质的产生等方法。这些处理方法大多是根据结晶物质的化学成分或产生原因而提出的处理原理单一且成本较高的方法，均不能长期有效绿色的处理沉淀结晶物质。

通过对结晶物质的分析，业内人士发现结晶大多是以碳酸钙为主要成分的矿物质，而造成碳酸钙在隧道排水管道内沉积是CO₂、温度、pH值、流速和工程施工因素等多种因素共同作用的结果。其中，CO₂在溶液中含量及压强的变化是影响因素中的重要因素之一。由于液体在排水管道中受到的压力远小于在地层和岩块缝隙中受到的压力，所以随着压力的减小，溶解在溶液中的CO₂大量逸出而发生脱碳作用，进而导致了化学反应式朝向产生碳酸钙沉淀的方向发生。

而在工业生产中，二氧化碳的回收提纯技术已得到广泛地运用，主要有物理吸收法、化学吸收法、变压吸附法(PSA法)、压力温度变化法(TSA法)、膜分离法、低温蒸馏法等几类分离提纯二氧化碳的方法，其中变压吸附法(PSA法)是一种高压下对常温气体分离的技术，具有吸附处理后二氧化碳纯度高，工艺流程简单，能源消耗低，自动化程度高等优点。其吸附剂是由活性炭、沸石、硅胶、分子筛等固体组成，废气通过吸附器后根据其气体组分的沸点不同，通过改变压力达到分离提纯CO₂气体的目的。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种去除长大岩溶隧道排水管道结晶的绿色系统及方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种去除长大岩溶隧道排水管道结晶的绿色系统，包括CO₂提纯装置、制冷装置以及冲洗装置；

所述CO₂提纯装置由变压吸附装置，即PSA装置，以及CO₂收集罐组成；所述制冷装置由储水水箱、制冷器组成；所述冲洗装置由连接三通、水泵、水位控制阀和智能阀组成；

所述变压吸附装置由原料气体压缩机、变温预处理器、变压吸附器、真空泵、置换气压缩机组成；储水水箱底部分别与水泵和CO₂收集罐相连，上部通过水位控制阀连接中心水沟；水泵通过连接三通与一个排水分区内一侧的纵向排水管相连；排水分区内本侧的横向排水管与智能阀相连，另一侧的横向排水管保持正常排水状态。

可选的，所述水泵采用高压水泵，所述储水水箱内水源为隧道排水。

可选的，所述智能阀在水泵工作时自动关闭，水泵停止工作时自动打开。

可选的，所述水位控制阀控制储水水箱的水位，当储水水箱水位过低时，自动打开阀门使中心水沟的水进入水箱，当储水水箱水量充足时自动关闭。

一种去除长大岩溶隧道排水管道结晶的绿色方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：将通风系统中收集的废气通入CO₂提纯装置提取CO₂气体；

步骤二：将提取的CO₂气体通入制冷装置中的储水水箱；

步骤三：将储水水箱中的水通过冲洗装置进入排水管道中清洗管道内壁附着的碳酸钙结晶。

可选的，所述步骤一具体包括以下步骤：

1)根据长大隧道中会产生大量汽车尾气且长隧道按规范沿隧道纵向方向设有通风井，将通风井内收集的废气通入变压吸附装置(PSA装置)内的原料气体压缩机内压缩；

2)继续通入变温预处理器，吸附硫化物、氮氧化物、H₂O、高烃类等气体；

3)继续通入变压吸附器，每台吸附器依次历经吸附、压力均衡降、用真空泵抽真空的过程即可得到纯度较高的CO₂气体，将其储存在CO₂收集罐中，其他气体从隧道通风井排出。

可选的，在所述步骤二中，将步骤一CO₂收集罐中的气体通入有制冷功能的储水水箱中，制冷的温度保持在3～5℃，以保证水能溶解更多的CO₂气体。

可选的，在所述步骤三中，将步骤二中制冷装置内大量溶解了CO₂气体的水通过冲洗装置进入排水管道中清洗管道内壁，当水泵开始工作时，排水分区一侧横向排水管上的智能阀自动关闭，另一侧横向排水管始终保持正常排水状态，水泵停止工作后，智能阀自动打开并使排水管道中的未流出的水流入中心水沟；

储水水箱与水位控制阀和中心水沟连通获得可重复利用的水源；

从三个方面定期消除岩溶隧道排水管结晶，第一，水中二氧化碳分压增大促使化学方程式向沉淀溶解方向进行，第二，CO₂溶解在水中形成的碳酸溶液为弱酸性溶液，溶解排水管道内壁的碳酸盐结晶；第三，在化学反应作用下，通过水泵增压，通过增大排水管中的水压力进而冲刷排水管道，使得消除结晶体取得更好的效果。

本发明的有益效果在于：本发明是一种综合考虑CO₂分压、pH值、温度影响的结晶处理方法，不仅能绿色的解决排水系统结晶问题，而且能使隧道内部的CO₂废气和隧道排水得到有效利用，达到岩溶隧道内部CO₂气体的自产自销，也为汽车尾气处理和岩溶隧道水资源利用提供了新的应用方向。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本实施例提供的去除隧道排水管道结晶的绿色系统的截面示意图；

图2为本实施例提供的去除排水管道结晶的绿色系统沿隧道纵向示意图；

图3为本实施例提供的一种去除长大岩溶隧道排水管道结晶的绿色方法的具体流程图；

图4为本实施例提供的一种变压吸附法(PSA法)回收提纯CO₂气体的工艺流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

图1为本实施例提供的去除隧道排水管道结晶的绿色系统的截面示意图，原有隧道排水系统通常主要由环向排水管、纵向排水管、横向排水管、中心水沟等组成，其中不易清除的结晶沉淀大多产生于环向、纵向及横向排水管中。

为解决结晶沉淀的问题，本实施例提供的去除隧道排水管道结晶的绿色系统包括CO₂提纯装置、制冷装置以及冲洗装置；

所述CO₂提纯装置由变压吸附装置(PSA装置)和CO₂收集罐组成；所述制冷装置由储水水箱、制冷器组成；所述冲洗装置由连接三通、水泵、水位控制阀和智能阀组成；所述变压吸附装置(PSA装置)由原料气体压缩机、变温预处理器、变压吸附器、真空泵、置换气压缩机组成；

如图1所示，隧道通风井收集的来自隧道的废气可直接进入变压吸附装置；储水水箱底部分别与水泵和CO₂收集罐相连，上部通过水位控制阀连接中心水沟；

在本实施例中，所述冲洗装置中的水泵采用高压水泵，所述储水水箱内水源为隧道排水；

在本实施例中，所述智能阀在水泵工作时自动关闭，水泵停止工作时自动打开；

在本实施例中，所述水位控制阀可以控制储水水箱的水位，当储水水箱水位过低时，自动打开阀门使中心水沟的水进入水箱，当储水水箱水量充足时自动关闭。

图2为本实施例提供的去除排水管道结晶的绿色系统沿隧道纵向示意图，原有隧道排水管布置为沿着纵向方向每隔5-8m设置一个环向排水管，每10米设置一道连接三通与横向排水管连接，形成若干排水系统分区。为解决结晶堵塞问题，本实施例所提出的方法是按照隧道排水系统现有的排水系统分区划分为若干个需处理的区域，依次进行冲洗、清除结晶物。在一个排水系统分区内，水泵通过连接三通与一个排水分区内一侧的纵向排水管相连；排水分区内本侧的横向排水管与智能阀相连，另一侧的横向排水管保持正常排水状态；当水泵开始工作时，排水分区一侧横向排水管上的智能阀自动关闭，另一侧横向排水管保持正常排水状态，水泵停止工作后，智能阀自动打开并使排水管道中的未流出的水流入中心水沟。储水水箱与水位控制阀和中心水沟连通可获得可重复利用的水源。

图3为本实施例提供的一种去除长大岩溶隧道排水管道结晶的绿色方法的具体流程图，如图3所示的方法包括以下步骤：

步骤一：将通风系统中收集的废气通入CO₂提纯装置提取CO₂气体；步骤二：将提取的CO₂气体通入制冷装置中的储水水箱；步骤三：将储水水箱中的水通过冲洗装置进入排水管道中清洗管道内壁附着的碳酸钙结晶。

具体来说：步骤一包括以下步骤：

1)根据长大隧道中会产生大量汽车尾气且长隧道按规范沿隧道纵向方向设有通风井，将通风井内收集的废气通入变压吸附装置(PSA装置)内的原料气体压缩机内压缩；

2)继续通入变温预处理器，吸附硫化物、氮氧化物、H₂O、高烃类等气体；

3)继续通入变压吸附器，气体自下而上通过吸附装置内处于吸附状态的吸附器，吸附器出口端释放出废气，有用的CO₂气体被吸附器内的吸附剂吸附。吸附器完成吸附过程后，经过两次压力均衡降低，然后利用少量CO₂收集罐中的产品二氧化碳置换后进入逆放步骤，此时被吸附的二氧化碳被逆放出来。为了使二氧化碳气体解吸完全，利用真空泵对吸附器进行抽真空处理。因此，每台吸附器依次历经吸附、压力均衡降、用真空泵抽真空的过程就可以得到纯度较高的CO₂气体，并将其储存在CO₂收集罐中，其他气体从隧道通风井排出。

图4为本实施例提供的一种变压吸附法(PSA法)回收提纯CO₂气体的工艺流程图。

在步骤二中，将步骤一CO₂收集罐中的气体通入有制冷功能的储水水箱中，制冷的温度保持在3～5℃，以保证水能溶解更多的CO₂气体。

在步骤三中，将步骤二中制冷装置内大量溶解了CO₂气体的水通过冲洗装置进入排水管道中清洗管道内壁，当水泵开始工作时，排水分区一侧横向排水管上的智能阀自动关闭，另一侧横向排水管保持正常排水状态，水泵停止工作后，智能阀自动打开并使排水管道中的未流出的水流入中心水沟。储水水箱与水位控制阀和中心水沟连通可获得可重复利用的水源。该装置及处理方法能从三个方面定期消除岩溶隧道排水管结晶，一方面水中二氧化碳分压增大促使化学方程式向沉淀溶解方向进行，另一方面，CO₂溶解在水中形成的碳酸溶液为弱酸性溶液，可以溶解排水管道内壁的碳酸盐结晶；此外，在化学反应作用下，通过水泵增压，通过增大排水管中的水压力进而冲刷排水管道，使得消除结晶体取得更好的效果。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种去除长大岩溶隧道排水管道结晶的绿色系统，其特征在于：包括CO₂提纯装置、制冷装置以及冲洗装置；

所述CO₂提纯装置由变压吸附装置，即PSA装置，以及CO₂收集罐组成；所述制冷装置由储水水箱、制冷器组成；所述冲洗装置由连接三通、水泵、水位控制阀和智能阀组成；

所述变压吸附装置由原料气体压缩机、变温预处理器、变压吸附器、真空泵、置换气压缩机组成；储水水箱底部分别与水泵和CO₂收集罐相连，上部通过水位控制阀连接中心水沟；水泵通过连接三通与一个排水分区内一侧的纵向排水管相连；排水分区内本侧的横向排水管与智能阀相连，另一侧的横向排水管保持正常排水状态。

2.根据权利要求1所述的一种去除长大岩溶隧道排水管道结晶的绿色系统，其特征在于：所述水泵采用高压水泵，所述储水水箱内水源为隧道排水。

3.根据权利要求1所述的一种去除长大岩溶隧道排水管道结晶的绿色系统，其特征在于：所述智能阀在水泵工作时自动关闭，水泵停止工作时自动打开。

4.根据权利要求1所述的一种去除长大岩溶隧道排水管道结晶的绿色系统，其特征在于：所述水位控制阀控制储水水箱的水位，当储水水箱水位过低时，自动打开阀门使中心水沟的水进入水箱，当储水水箱水量充足时自动关闭。

5.一种去除长大岩溶隧道排水管道结晶的绿色方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一：将通风系统中收集的废气通入CO₂提纯装置提取CO₂气体；

步骤二：将提取的CO₂气体通入制冷装置中的储水水箱；

步骤三：将储水水箱中的水通过冲洗装置进入排水管道中清洗管道内壁附着的碳酸钙结晶。

6.根据权利要求5所述的一种去除长大岩溶隧道排水管道结晶的绿色方法，其特征在于：所述步骤一具体包括以下步骤：

1)根据长大隧道中会产生大量汽车尾气且长隧道按规范沿隧道纵向方向设有通风井，将通风井内收集的废气通入变压吸附装置，即PSA装置内的原料气体压缩机内压缩；

2)继续通入变温预处理器，吸附硫化物、氮氧化物、H₂O、高烃类等气体；

3)继续通入变压吸附器，每台吸附器依次历经吸附、压力均衡降、用真空泵抽真空的过程即可得到纯度较高的CO₂气体，将其储存在CO₂收集罐中，其他气体从隧道通风井排出。

7.根据权利要求5所述的一种去除长大岩溶隧道排水管道结晶的绿色方法，其特征在于：在所述步骤二中，将步骤一CO₂收集罐中的气体通入有制冷功能的储水水箱中，制冷的温度保持在3～5℃，以保证水能溶解更多的CO₂气体。

8.根据权利要求5所述的一种去除长大岩溶隧道排水管道结晶的绿色方法，其特征在于：在所述步骤三中，将步骤二中制冷装置内大量溶解了CO₂气体的水通过冲洗装置进入排水管道中清洗管道内壁，当水泵开始工作时，排水分区一侧横向排水管上的智能阀自动关闭，另一侧横向排水管始终保持正常排水状态，水泵停止工作后，智能阀自动打开并使排水管道中的未流出的水流入中心水沟；

储水水箱与水位控制阀和中心水沟连通获得可重复利用的水源；

从三个方面定期消除岩溶隧道排水管结晶，第一，水中二氧化碳分压增大促使化学方程式向沉淀溶解方向进行，第二，CO₂溶解在水中形成的碳酸溶液为弱酸性溶液，溶解排水管道内壁的碳酸盐结晶；第三，在化学反应作用下，通过水泵增压，通过增大排水管中的水压力进而冲刷排水管道，使得消除结晶体取得更好的效果。

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