CN114200043B - 一种煤自然发火标志气体检测系统、方法及其储气装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤矿灾害防治技术领域，特别提供了一种煤自然发火标志气体检测系统、方法及其储气装置。本发明的一种煤自然发火标志气体检测系统包括气源组件、流量控制器、氧化炉、储气装置、色谱分析仪、排气阀、管路、气阀、计算机；储气装置包括气环、转盘机构、转动动力源、进气管、排气管；检测方法的步骤包括(1)将煤样装入氧化炉中；(2)调整气源的输出压力；(3)启动气体检测系统；(4)在计算机端设置实验参数；(5)设备初始化和管路清洗；(6)启动氧化炉；(7)采集气样并储存至气环内；(8)使用色谱分析仪进行取样分析；(9)实验流程结束，统计并记录全部气样的分析结果，并清理实验设备。

Description

一种煤自然发火标志气体检测系统、方法及其储气装置

技术领域

本发明属于煤矿灾害防治技术领域，特别提供了一种煤自然发火标志气体检测系统、方法及其储气装置。

背景技术

现有煤自然发火标志气体实验主要利用煤自然发火标志气体实验装置，基本方法为将一定量的空气流或氧气流与煤样均匀地充分接触，并加热使煤样以一定的程序升温至一定温度，然后利用气相色谱等装置检测煤中放出的气体成分及含量，分析放出的气体随温度升高而变化的规律，并进一步优选出标志气体，建立各种标志气体含量与煤温的定量关系。煤持续氧化升温到一定温度后，其升温速度会显著加快，气体产生的速率也会随之加快。

由于气相色谱仪的样本分析效率是固定的，故气样采集分析的时间间隔是固定的，但当煤自燃模拟实验进行到一定温度时，气体产生速率随煤体升温速率的加快而加快，且升温及气体产生的过程是连续的。

由此可知，实验过程中气样分析采集速率与气样产生速率严重不匹配，导致样本分析量不足，气体样本分析结果不充分、不全面，与实际产物产出的温度和时间相比存在一定的偏差。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种煤自然发火标志气体检测系统、方法及其储气装置。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种煤自然发火标志气体检测系统，包括气源组件、流量控制器、氧化炉、储气装置、色谱分析仪、排气阀、管路、气阀、计算机，两个气源组件经管路和气阀与流量控制器连接，流量控制器、氧化炉、储气装置三者之间通过管路和气阀相互连通，氧化炉、储气装置两者均通过管路和气阀分别与色谱分析仪、排气阀连通，气源组件、流量控制器、氧化炉、储气装置、色谱分析仪、排气阀、气阀分别与计算机电性连接；

所述管路包括管路1、管路2、管路3、管路4、管路5.....、管路16，所述气阀均为电控三通阀，管路1、管路2分别与两个气源组件连接，管路3、管路4分别与流量控制器的两端连接，管路5、管路6分别与氧化炉的输入端和输出端连接，管路10、管路13分别与储气装置的输入端和输出端连接，管路16与色谱分析仪进气端连接，管路12、管路14分别与排气阀连接，管路1、管路2、管路3通过气阀连接，管路7、管路8、管路12通过气阀连接，管路13、管路14、管路15通过气阀连接，管路4、管路5、管路9之间通过气阀连接，管路9、管路10及管路11的一端通过气阀连接，管路6、管路7及管路11的另一端通过气阀连接，管路8、管路15、管路16通过三通管连接。

一种煤自然发火的标志气体系统的储气装置，包括气环、转盘机构、转动动力源、进气管、排气管，多个气环均匀装配于转盘机构的侧壁上，转盘机构装配于转动动力源的输出端，进气管、排气管分别连接至转盘机构处；

所述转盘机构包括上阀板、下阀板、阀片、气孔、动力机构、主轴，两个气孔为一组，上阀板的底面环形开设有多组上阀板气孔，多组上阀板气孔分别与每个气环的进气口和出气口相对应，下阀板的底面开设有一组下阀板气孔、阀片的板面开设有一组阀片气孔，且上阀板气孔、下阀板气孔、阀片气孔的位置相对应，主轴固定安装于上阀板的中部，主轴贯穿下阀板、阀片，且主轴的下端与转动动力源连接，动力机构的输出端与阀片连接可驱动阀片绕主轴转动，下阀板的两个气孔分别与进气管、排气管连通。

进一步地，所述储气装置还包括底座、装配架、箱体、动力机构连接件，装配架装配于底座的表面，箱体与底座相铰接，动力机构连接件装配于装配架的底部，动力机构固定安装于动力机构连接件的底部，上阀板、下阀板、阀片均位于装配架的上侧。

一种煤自然发火标志气体检测方法，两个所述气源组件分别为干空气气源设备和纯氮气气源设备；

本检测方法的实验步骤如下：

(1)将待检测煤样装入氧化炉中；

(2)调整干空气气源和纯氮气气源的输出压力；

(3)接通设备电源，启动煤自然发火的标志性气体检测系统；

(4)在计算机端设置实验参数；

(5)设备初始化和管路清洗；

(6)启动氧化炉对内部煤样进行持续加热；

(7)设备按照步骤(4)中的参数设置，采集气样并储存至气环内；

(8)使用色谱分析仪进行取样分析；

(9)实验流程结束，统计并记录全部气样的分析结果，并清理实验设备。

进一步地，步骤(4)中，需要设置的参数包括：气体流量、采集周期、最高温度、流量稳定时间、预热时间、色谱采样时间、存期时间、取气时间、气路清洗时间、气环清洗时间。

进一步地，步骤(5)中，通过计算机端，控制储气装置的转盘机构复位，并向实验设备的管路内有序通入纯氮气，以达到清洗管路的目的；其中，管路清洗路线有如下五条，此处五条路线没有固定清洗顺序，能够把编号2-16的管道全部清洗一次即可：

①2→3→4→9→10→13→14→排气阀

②2→3→4→9→10→13→15→16→色谱分析仪

③2→3→4→5→6→11→10→13→14→排气阀

④2→3→4→5→6→7→12→排气阀

⑤2→3→4→5→6→7→8→16→色谱分析仪。

进一步地，步骤(6)中，通过计算机端控制启动“程序升温”，即煤自然发火模拟实验正式开始，干空气气源组件启动，空气开始在管路内流动，同时氧化炉开始对煤样加热；在空气流量达到预设值前，气流流动路线为：1→3→4→5→6→7→12→排气阀；当空气流量达到预设值时氧化炉内的加热器启动。

进一步地，步骤(7)中，实验刚开始的初期阶段，煤体升温速度较为缓慢，相对应的，氧化炉的气体产出速率也较为缓慢；此时，气体产出速率仍小于气体色谱分析速率，故氧化炉产出的气样可直接通入色谱分析仪内进行分析；

当实验进入中后期阶段，随着煤体升温速度的加快，氧化炉的气体产出速率也随之加快；需要启动储气装置将色谱分析仪分析周期内产生的气样暂存至气环中；

当煤样达到最高温度，即实验终止温度时，加热器停止加热，气流切换至“纯氮气”，管路处于“排气”状态，气流流动线路为：2→3→4→5→6→7→12→排气阀。

进一步地，步骤(8)中，取样过程为：逐一取出气环内的气样，并输送至色谱分析仪进行分析；“取样”操作取出气样的顺序与气样存入顺序相同，色谱分析仪依次分析后将结果对应样本标号记录。

进一步地，步骤(9)中，实验流程结束后设备关停及维护步骤为：

1)关闭氧化炉、色谱分析仪、干空气气源设备的气阀；

2)色谱分析仪内通入氢气，同时，持续通入氮气3小时后，关闭纯氮气气源设备阀门；

3)待煤体温度降低至常温后，清理实验残留煤样。

使用本发明的有益效果是：

1、通过应用本储气装置，将煤样快速升温阶段，色谱分析仪分析周期内所产生的气体样本做暂态储存，色谱分析仪在完成一个气样分析后，可根据需求取出储存的样本进行分析，增加单次实验中样本的采集和分析次数。解决现有煤自然发火标志气体实验中，实验的后半程因气样分析采集速率与气样产生速率严重不匹配，导致样本分析量不足，气体样本分析结果不充分、不全面，与实际产物产出的温度和时间相比存在一定的偏差的问题；

2、将气样采集储存、释放分析的流程程序化，便于通过计算机系统控制管理，提高气样采集准确性和稳定性，同时降低人力开支；

3、具备完善的管路清洗方案，能够对气样输出输入管路及气环内部进行冲洗排空，避免管路内气体成分残留，影响取出气样的实际成分，从而提高分析结果的真实性。

附图说明

图1为本发明的设备及管路关系示意图；

图2为本发明储气装置的结构示意图；

图3为本发明储气装置的内部结构示意图；

图4为本发明储气装置转盘机构的结构示意图。

附图标记包括：101-气源组件；102-流量控制器；103-氧化炉；104-储气装置；1041-气环；1042-转盘机构；421-上阀板；422-下阀板；423-阀片；424-气孔；425-动力机构；426-主轴；1043-转动动力源；1044-进气管；1045-排气管；1046-底座；1047-装配架；1048-箱体；1049-动力机构连接件；105-色谱分析仪；106-排气阀。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细的描述。

实施例一：

如图1所示的，一种煤自然发火标志气体检测系统，包括气源组件101、流量控制器102、氧化炉103、储气装置104、色谱分析仪105、排气阀106、管路、气阀、计算机，两个气源组件101经管路和气阀与流量控制器102连接，流量控制器102、氧化炉103、储气装置104三者之间通过管路和气阀相互连通，氧化炉103、储气装置104两者均通过管路和气阀分别与色谱分析仪105、排气阀106连通，气源组件101、流量控制器102、氧化炉103、储气装置104、色谱分析仪105、排气阀106、气阀分别与计算机电性连接；

所述管路包括管路1、管路2、管路3、管路4、管路5.....、管路16，所述气阀均为电控三通阀，管路1、管路2分别与两个气源组件101连接，管路3、管路4分别与流量控制器102的两端连接，管路5、管路6分别与氧化炉103的输入端和输出端连接，管路10、管路13分别与储气装置104的输入端和输出端连接，管路16与色谱分析仪105进气端连接，管路12、管路14分别与排气阀106连接，管路1、管路2、管路3通过气阀连接，管路7、管路8、管路12通过气阀连接，管路13、管路14、管路15通过气阀连接，管路4、管路5、管路9之间通过气阀连接，管路9、管路10及管路11的一端通过气阀连接，管路6、管路7及管路11的另一端通过气阀连接，管路8、管路15、管路16通过三通管连接。

实施例二：

一种用于煤自然发火标志气体检测系统的储气装置，包括气环1041、转盘机构1042、转动动力源1043、进气管1044、排气管1045，多个气环1041均匀装配于转盘机构1042的侧壁上，转盘机构1042装配于转动动力源1043的输出端，进气管1044、排气管1045分别连接至转盘机构1042处；

所述转盘机构1042包括上阀板421、下阀板422、阀片423、气孔424、动力机构425、主轴426，两个气孔424为一组，上阀板421的底面环形开设有多组上阀板气孔，多组上阀板气孔分别与每个气环1041的进气口和出气口相对应，下阀板422的底面开设有一组下阀板气孔、阀片423的板面开设有一组阀片气孔，且上阀板气孔、下阀板气孔、阀片气孔的位置相对应，主轴426固定安装于上阀板421的中部，主轴426贯穿下阀板422、阀片423，且主轴426的下端与转动动力源1043连接，动力机构425的输出端与阀片423连接可驱动阀片423绕主轴426转动，下阀板422的两个气孔分别与进气管1044、排气管1045连通。

所述储气装置104还包括底座1046、装配架1047、箱体1048、动力机构连接件1049，装配架1047装配于底座1046的表面，箱体1048与底座1046相铰接，动力机构连接件1049装配于装配架1047的底部，动力机构425固定安装于动力机构连接件1049的底部，上阀板421、下阀板422、阀片423均位于装配架1047的上侧。

实施例三：

一种应用上述煤自然发火标志气体检测系统及上述储气装置检测方法，两个所述气源组件101分别为干空气气源设备和纯氮气气源设备；

本检测方法的实验步骤如下：

(1)将待检测煤样装入氧化炉103中；

(2)调整干空气气源和纯氮气气源的输出压力；

(3)接通设备电源，启动煤自然发火的标志性气体检测系统；

(4)在计算机端设置实验参数；

(5)设备初始化和管路清洗；

(6)启动氧化炉103对内部煤样进行持续加热；

(7)设备按照步骤(4)中的参数设置，采集气样并储存至气环1041内；

(8)逐一取出气环1041内的气样，并输送至色谱分析仪105进行分析；

(9)实验流程结束，统计并记录全部气样的分析结果，并清理实验设备。

步骤(1)中的煤样粒径＜0.15mm，采用分析天平称量1g待测煤样，将煤样装入氧化炉103样品管内，并将装好煤样的样品管小心放入反应室，旋紧密封盖。

步骤(2)中，使干空气气源和纯氮气气源的输出压力稳定在0.4～0.5MPa左右。

步骤(3)中，接通气源组件101、流量控制器102、氧化炉103、储气装置104、色谱分析仪105、排气阀106、气阀、计算机等组件的外部电源，设备进入待机状态。

步骤(4)中，需要设置的参数包括：气体流量、采集周期、最高温度、流量稳定时间、预热时间、色谱采样时间、存期时间、取气时间、气路清洗时间、气环1041清洗时间；

其中，气体流量及最高温度通常按照国标配方设置，即：空气流量100ml/min，最高温度350℃。用户也可根据需求自定义设置参数，但出于安全考虑，最大空气流量不得高于200ml/min，最高温度不得高于400℃；

其他参数的参考数值为：采集周期：20s、流量稳定时间：10s、预热时间：10s、色谱采样时间：180s、存期时间：30s、取气时间13s、气路清洗时间：200s、气环1041清洗时间≥30s。

步骤(5)中，通过计算机端，控制储气装置104的转盘机构1042复位，并向实验设备的管路内有序通入纯氮气，以达到清洗管路的目的；其中，管路清洗路线有如下五条，此处五条路线没有固定清洗顺序，能够把编号2-16的管道全部清洗一次即可：

①2→3→4→9→10→13→14→排气阀106

②2→3→4→9→10→13→15→16→色谱分析仪105

③2→3→4→5→6→11→10→13→14→排气阀106

④2→3→4→5→6→7→12→排气阀106

⑤2→3→4→5→6→7→8→16→色谱分析仪105。

步骤(6)中，通过计算机端控制启动“程序升温”，即煤自然发火模拟实验正式开始，干空气气源组件启动，空气开始在管路内流动，同时氧化炉103开始对煤样加热。在空气流量达到预设值前，气流流动路线为：1→3→4→5→6→7→12→排气阀106。当空气流量达到预设值时氧化炉103内的加热器启动。

步骤(7)中，实验刚开始的初期阶段，煤体升温速度较为缓慢，相对应的，氧化炉103的气体产出速率也较为缓慢。此时，气体产出速率仍小于气体色谱分析速率，故氧化炉103产出的气样可直接通入色谱分析仪105内进行分析。

当实验进入中后期阶段，随着煤体升温速度的加快，氧化炉103的气体产出速率也随之加快。此时，需要启动储气装置104将色谱分析仪105分析周期内产生的气样暂存至气环1041中。计算机端显示界面显示有与储气装置104的转盘机构1042上气环1041标号相对应的转盘图像，工作人员可选的气样采样设置有如下几种：

1、系统可通过导入现有煤样温升曲线的方式，以等距的标准沿曲线自动选取采样点，气样按照采样时间顺序存入对应编号的气环1041内；

2、通过逐个设定每个采样点对应的煤体温度，当煤样温度达标时进行采样，气样按照采样时间顺序存入对应编号的气环1041内；

3、工作人员单次手动控制采样，计算机系统能够判断操作人员选择的气环1041是否为当前储气装置104内与导气管对接的气环1041，如果选择的气环1041为当前气环1041，则开始进入“储存”状态；如果选择的气环1041非当前气环1041，则提示操作人员将储存接口转盘机构1042置于正确的位置。

优选地，“储存”操作持续30s(如步骤(4)所设置的)。

“储存”操作后自动进入“排气”状态，气流流动线路为：1→3→4→5→6→7→12→排气阀106。

当煤样达到最高温度，即实验终止温度时，加热器停止加热，气流切换至“纯氮气”，管路处于“排气”状态，气流流动线路为：2→3→4→5→6→7→12→排气阀106；

如果实验过程中出现紧急情况，工作人员可通过计算机端启动“紧急停止”操作。加热器停止加热，气流切换至“纯氮气”，管路处于“排气”状态，气流流动线路为：2→3→4→5→6→7→12→排气阀106。

优选地，根据现有煤样温升曲线分析，建议的采样温度间隔为：40℃、60℃、80℃、100℃、120℃、135℃、150℃、170℃、185℃、200℃、220℃、250℃、275℃、300℃、320℃、335℃、350℃。采样温度间隔可根据实际情况有所改变。

步骤(8)中，“取样”操作持续13s(如步骤(4)所设置的)，“取样”操作结束后，管路自动进入“排气”状态，气流流动线路为：2→3→4→5→6→7→12→排气阀106。

“取样”操作取出气样的顺序与气样存入顺序相同，色谱分析仪105依次分析后将结果对应样本标号记录。

步骤(9)中，实验流程结束后，关闭氧化炉103、色谱分析仪105、干空气气源设备的气阀。通过外部氢气发生器持续向色谱分析仪105内通入氢气0.5小时，0.5小时后关闭氢气发生器(通入氢气用于色谱分析仪105降温和排空，为色谱分析仪105关闭前的常规处理流程)。同时，持续通入氮气3小时后，关闭纯氮气气源设备阀门。待煤体温度降低至常温后，清理实验残留煤样。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种煤自然发火标志气体检测系统，其特征在于：包括气源组件、流量控制器、氧化炉、储气装置、色谱分析仪、排气阀、管路、电控三通阀、计算机，两个气源组件经管路和电控三通阀与流量控制器连接，流量控制器、氧化炉、储气装置三者之间通过管路和电控三通阀相互连通，氧化炉、储气装置两者均通过管路和电控三通阀分别与色谱分析仪、排气阀连通，气源组件、流量控制器、氧化炉、储气装置、色谱分析仪、排气阀、电控三通阀分别与计算机电性连接；

所述管路包括管路1、管路2、管路3、管路4、管路5.....、管路16，管路1、管路2分别与两个气源组件连接，管路3、管路4分别与流量控制器的两端连接，管路5、管路6分别与氧化炉的输入端和输出端连接，管路10、管路13分别与储气装置的输入端和输出端连接，管路16与色谱分析仪进气端连接，管路12、管路14分别与排气阀连接，管路1、管路2、管路3通过电控三通阀连接，管路7、管路8、管路12通过电控三通阀连接，管路13、管路14、管路15通过电控三通阀连接，管路4、管路5、管路9之间通过电控三通阀连接，管路9、管路10及管路11的一端通过电控三通阀连接，管路6、管路7及管路11的另一端通过电控三通阀连接，管路8、管路15、管路16通过三通管连接；

所述储气装置包括气环、转盘机构、转动动力源、进气管、排气管，多个气环均匀装配于转盘机构的侧壁上，转盘机构装配于转动动力源的输出端，进气管、排气管分别连接至转盘机构处；

所述转盘机构包括上阀板、下阀板、阀片、气孔、动力机构、主轴，两个气孔为一组，上阀板的底面环形开设有多组上阀板气孔，多组上阀板气孔分别与每个气环的进气口和出气口相对应，下阀板的底面开设有一组下阀板气孔、阀片的板面开设有一组阀片气孔，且上阀板气孔、下阀板气孔、阀片气孔的位置相对应，主轴固定安装于上阀板的中部，主轴贯穿下阀板、阀片，且主轴的下端与转动动力源连接，动力机构的输出端与阀片连接可驱动阀片绕主轴转动，下阀板的两个气孔分别与进气管、排气管连通。

2.根据权利要求1中所述的一种煤自然发火标志气体检测系统，其特征在于：所述储气装置还包括底座、装配架、箱体、动力机构连接件，装配架装配于底座的表面，箱体与底座相铰接，动力机构连接件装配于装配架的底部，动力机构固定安装于动力机构连接件的底部，上阀板、下阀板、阀片均位于装配架的上侧。

3.一种应用权利要求1中所述煤自然发火标志气体检测系统的检测方法，其特征在于：两个所述气源组件分别为干空气气源设备和纯氮气气源设备；

本检测方法的实验步骤如下：

（1）将待检测煤样装入氧化炉中；

（2）调整干空气气源和纯氮气气源的输出压力；

（3）接通设备电源，启动煤自然发火的标志性气体检测系统；

（4）在计算机端设置实验参数；

（5）设备初始化和管路清洗；

（6）启动氧化炉对内部煤样进行持续加热；

（7）设备按照步骤（4）中的参数设置，采集气样并储存至气环内；

（8）使用色谱分析仪进行取样分析；

（9）实验流程结束，统计并记录全部气样的分析结果，并清理实验设备。

4.根据权利要求3中所述的检测方法，其特征在于：步骤（4）中，需要设置的参数包括：气体流量、采集周期、最高温度、流量稳定时间、预热时间、色谱采样时间、存期时间、取气时间、气路清洗时间、气环清洗时间。

5.根据权利要求3中所述的检测方法，其特征在于：步骤（5）中，通过计算机端，控制储气装置的转盘机构复位，并向实验设备的管路内有序通入纯氮气，以达到清洗管路的目的；其中，管路清洗路线有如下五条，此处五条路线没有固定清洗顺序，能够把编号2-16的管道全部清洗一次即可：

① 2→3→4→9→10→13→14→排气阀

② 2→3→4→9→10→13→15→16→色谱分析仪

③ 2→3→4→5→6→11→10→13→14→排气阀

④ 2→3→4→5→6→7→12→排气阀

⑤ 2→3→4→5→6→7→8→16→色谱分析仪。

6.根据权利要求3中所述的检测方法，其特征在于：步骤（6）中，通过计算机端控制启动“程序升温”，即煤自然发火模拟实验正式开始，干空气气源组件启动，空气开始在管路内流动，同时氧化炉开始对煤样加热；在空气流量达到预设值前，气流流动路线为：1→3→4→5→6→7→12→排气阀；当空气流量达到预设值时氧化炉内的加热器启动。

7.根据权利要求3中所述的检测方法，其特征在于：步骤（7）中，实验刚开始的初期阶段，煤体升温速度较为缓慢，相对应的，氧化炉的气体产出速率也较为缓慢；此时，气体产出速率仍小于气体色谱分析速率，故氧化炉产出的气样可直接通入色谱分析仪内进行分析；

当实验进入中后期阶段，随着煤体升温速度的加快，氧化炉的气体产出速率也随之加快；需要启动储气装置将色谱分析仪分析周期内产生的气样暂存至气环中；

当煤样达到最高温度，即实验终止温度时，加热器停止加热，气流切换至“纯氮气”，管路处于“排气”状态，气流流动线路为：2→3→4→5→6→7→12→排气阀。

8.根据权利要求3中所述的检测方法，其特征在于：步骤（8）中，取样过程为：逐一取出气环内的气样，并输送至色谱分析仪进行分析；“取样”操作取出气样的顺序与气样存入顺序相同，色谱分析仪依次分析后将结果对应样本标号记录。

9.根据权利要求3中所述的检测方法，其特征在于：步骤（9）中，实验流程结束后设备关停及维护步骤为：

关闭氧化炉、色谱分析仪、干空气气源设备的气阀；

色谱分析仪内通入氢气，同时，持续通入氮气3小时后，关闭纯氮气气源设备阀门；

待煤体温度降低至常温后，清理实验残留煤样。