CN115141664A

CN115141664A - 一种煤矿井下回采工作面上隅角co的脱除系统

Info

Publication number: CN115141664A
Application number: CN202210855025.4A
Authority: CN
Inventors: 郝朝瑜; 陈艳坤; 刘雨菲; 高涛; 邓存宝
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2022-07-20
Filing date: 2022-07-20
Publication date: 2022-10-04

Abstract

一种煤矿井下回采工作面上隅角CO的脱除系统，属于CO防治领域，利用传热介质导热油和脱CO催化剂，将CO转换为CO₂，以解决煤矿井下工作面上隅角CO超限问题。本系统由气体采集系统、煤尘捕集系统、热量交换系统、反应器和冷却系统组成。在上隅角处布置一氧化碳探测器与系统联动，超限时气体采集系统将含CO气体吸入；煤尘捕集系统去除气流中含尘粒，并将气体干燥后排至热量交换系统；热量交换系统将气体加热至所需温度后通入反应器，仅CO气体与脱CO催化剂反应转换为CO;₂；冷却系统将含CO;₂气体冷却至常温后排出，完成CO脱除，控制CO浓度在允许范围内，避免因工作面上隅角CO超限而引发事故，确保煤矿安全生产。

Description

一种煤矿井下回采工作面上隅角CO的脱除系统

技术领域

本发明属于CO防治技术领域，具体设计一种煤矿井下回采工作面上隅角CO的脱除系统，适用于解决煤矿井下上隅角回风CO超限问题。

背景技术

煤炭作为基础能源和工业原料，始终处于主导地位。近年来，随着安全生产的贯彻落实，煤矿安全生产保障能力逐步提高，而CO气体作为煤炭开采及氧化自燃的产物，一直危害着煤矿的安全生产和矿工的生命健康，并且井下煤炭生产环境复杂，CO来源众多，因此CO治理一直是煤炭行业的重难点。

《煤矿安全规程》规定井下空气环境中CO浓度上限指标为24ppm，井下采空区煤炭氧化及自燃产生的CO气体容易积聚在工作面上隅角及回风流中，造成煤矿井下回采工作面上隅角CO超限，这严重威胁了矿井的安全生产。

针对CO超限问题，国内外专家学者展开了广泛研究。不少学者通过对CO运移规律进行数值模拟，实验分析上隅角CO来源，或通过对工作面上隅角、回风流等地CO超限原因进行分析，提出采用工作面增风增压、上隅角局部送风、堵漏裂隙、注氮、注浆等方法抑制煤自燃的发生，从而间接解决CO超限问题。文章《载铜吸附剂对采煤工作面上隅角CO消除性能研究及应用》通过监测监控CO浓度，在浓度超限时，向上隅角喷洒吸附剂吸附CO，以直接降低CO浓度。公开号CN111911220A，公开了《一种自动监测去除工作面上隅角CO的方法》，提出通过多孔结构过滤材料配合监测探头、气体捕集、风机工作，去除CO，以解决CO浓度超限问题。

综合来看，目前CO防治手段仍有所局限，多通过防治煤自燃来预防CO产生，间接防治CO。

发明内容

本发明基于煤矿井下环境湿度大、瓦斯粉尘遍布且存在燃烧爆炸危险性等特点，提供一种煤矿井下回采工作面上隅角CO的脱除系统，气体经除尘、干燥加热后，利用脱CO催化剂直接将CO转化为CO₂气体后冷却排出。将CO浓度控制在24ppm以下，并确保CO₂气体等符合煤矿安全规程要求，过程中仅与CO气体反应，且不引燃瓦斯，从而解决上隅角CO超限问题，确保煤矿安全生产。

本发明采用如下技术方案：

一种煤矿井下回采工作面上隅角CO的脱除系统，包括气体采集系统、煤尘捕集系统、热量交换系统、反应器和冷却系统，气体采集系统与煤尘捕集系统连接，煤尘捕集系统与热量交换系统连接，热量交换系统与反应器的一端连接，反应器的另一端与冷却系统连接，反应器内设有脱CO催化剂，其中，热量交换系统、反应器和冷却系统由绝缘外壳封闭。

进一步地，所述气体采集系统包括探测器、集气罩、风管和风机，探测器位于回采工作面上隅角处，集气罩通过风管和风机连接，连接处设有网格板，风机上设有手动开关和自动开关，探测器的输出端与风机的输入端连接。

进一步地，所述煤尘捕集系统包括空气分配室，空气分配室的一端设有进气管，另一端设有逆吹管，进气管与风机通过吸气阀连接，逆吹管上设有逆吹阀，空气分配室的底部设有滤袋，滤袋底部设有灰斗，灰斗底部设有集尘箱，空气分配室的一侧设有出气口，出气口内设有除湿管，除湿管内设有硅胶，出气口与热量交换系统连接。

进一步地，所述热量交换系统包括金属外壳一，金属外壳一内设有若干翅片管一，金属外壳一的底部设有加热器，加热器通过导管与翅片管一连接，加热器内设有导热油。

进一步地，所述冷却系统包括水箱和金属外壳二，金属外壳二内设有若干翅片管二，金属外壳二的另一侧设有稳流筒，水箱通过管道与翅片管二连接，管道上设有雾化喷嘴。

进一步地，所述翅片管一或翅片管二为Φ25×2-50mm钢基管铝翅片的钢铝复合翅片管，翅片管等间距布置，间距为3mm，翅片管厚度为0.2-0.3mm。

区别于传统技术方法，为解决工作面上隅角CO超限问题，基于煤矿井下环境，本发明提供了一种CO脱除系统。气体经除尘、干燥加热后，利用脱CO催化剂和传热介质导热油，仅将CO转换为CO₂气体冷却排出。

本系统在上隅角处安设一氧化碳探测器，监测CO浓度，当CO浓度超限时，自动/手动开启风机，将CO气体经集气罩和风管吸入煤尘捕集系统；吸气阀开启，含尘气流经空气分配室通入滤袋除尘，尘粒因重力作用经灰斗沉降至集尘箱，清洁气流经出气口干燥后排出，少部分由逆吹阀控制到空气分配室完成清灰，剩余气体排至热量交换系统；含CO气体与翅片管内由加热器加热至250℃的导热油换热后达210℃，通入反应器，同时低温导热油经导管进入加热器循环加热使用；反应器内脱CO催化剂仅与CO反应转化为CO₂气体排至冷却系统；将含CO₂气体与翅片管中的雾化液换热冷却后，经稳流筒排出，同时雾化液经导管冷凝至水箱循环使用。系统由此五部分配合运行，脱除CO，确保煤矿安全生产。

附图说明

图1为本发明的脱除系统的结构示意图；

图2为本发明的热量交换系统的结构示意图；

图3为本发明的网格板的结构示意图；

图4为本发明的脱除系统在井下巷道应用示意图；

其中：1-集气罩；2-风管；3-网格板；4-风机；5-手动开关；6-自动开关；7-空气分配室；8-吸气阀；9-滤袋；10-灰斗；11-集尘箱；12-除湿管；13-出气口；14-逆吹阀；15-金属外壳一；16-翅片管一；17-导热油；18-加热器；19-导管；20-反应器；21-脱CO催化剂；22-水箱；23-雾化喷嘴；24-稳流筒；25-绝缘外壳；26-探测器；27-工作面。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，一种煤矿井下回采工作面上隅角CO的脱除系统，由气体采集系统、煤尘捕集系统、热量交换系统、反应器和冷却系统五部分组成。其中，热量交换系统、反应器和冷却系统外部由绝缘外壳封闭，不与外界空气接触。

气体采集系统包括探测器、集气罩、风管、风机，通过探测器监测CO浓度，当浓度超限时风机启动将含CO气体吸入系统。风机选用轴流式，设显示器、自动开关及手动开关；探测器选用一氧化碳探测器布置于回采工作面上隅角处，并将一氧化碳浓度通过数据线与显示器相连在风机处；同时将风机开关与一氧化碳浓度联动，通过探测器监测CO浓度。同时，在上隅角处布置一组集气罩，使其通过风管与风机相连，风管进口处安装网格防止石块进入系统。

煤尘捕集系统包括空气分配室、吸气阀、逆吹阀、滤袋、灰斗、集尘箱、除湿管、出气口，煤尘捕集系统与风机和热量交换系统相连，去除气流中所含尘粒，并将气体干燥后排至热量交换系统。

空气分配室位于最上方，与进气管路和逆吹管路相连，下设滤袋和灰斗，灰斗下置集尘箱。除湿管置于出气口内，内部填充吸湿材料硅胶，对气体进行干燥。

吸气阀布置于进气管路口，控制气流的进入，含尘气流经空气分配室通入滤袋除尘，尘粒因重力作用经灰斗沉降至集尘箱，清洁气流由出气口干燥后排出。逆吹阀布置于逆吹管路口，控制部分清洁气流经逆吹管路至空气分配室，完成清灰。

热量交换系统由金属外壳、翅片管、导热油、加热器、导管组成，金属外壳内多排翅片管按序组装，与反应器相连，下接导管至加热器，利用传热介质导热油传热，使含CO气体加热至210℃，且不引燃瓦斯。

加热器为管道加热器，安设于系统下方通过电加热的方式持续循环加热导热油至250℃左右；翅片管选用Φ25×2-50mm的钢基管铝翅片钢铝复合翅片管，按序排列，翅片片距3mm，片厚0.2-0.3mm，管中装有导热油，循环换热以加热CO气体至210℃。

反应器与热量交换系统和冷却系统相连，高径比3-5，内部装填脱CO催化剂，保持气体空速为4000h^-1，在催化剂作用下，仅将CO转换为CO₂气体，完成CO脱除。

脱CO催化剂为多元金属氧化物体系，催化活性高，净化度深，仅与CO发生反应，且不引燃瓦斯，适应于各季节环境，主要应用于混合气体消除一氧化碳。以反应空速为4000h^-1，反应温度为210℃时为例，催化剂的CO转换率可达98%以上。

冷却系统由金属外壳、翅片管、雾化喷嘴、水箱、导管和稳流筒组成。金属外壳内多排翅片管按序组装，与稳流筒相连，下接导管至水箱。

翅片管选用Φ25×2-50mm的钢基管铝翅片钢铝复合翅片管，翅片管按序排列，翅片片距3mm，片厚0.2-0.3mm，管中装有雾化液；雾化喷嘴布置于导管处，将水流雾化通入翅片管中，循环冷却含CO₂气体；稳流筒长约0.5m，排出气体。

如图2所示，某矿工作面上隅角风量按200m³/min为准，在本系统下方安设履带，随着工作面的开采而移动，测得CO转化率为98%，并确定本系统各参数为：风管长约300mm，热交换系统600*400*500mm*2；反应器内径350mm，外径500mm，高1200mm，高径比约3.4；绝缘外壳2400*600*800mm。

本发明具体实施过程如下：

一氧化碳探测器监测CO浓度，当浓度超限时，开关动作或手动开启风机；含CO气体经集气罩和风管吸入煤尘捕集系统；吸气阀开启，含尘气流经空气分配室通入滤袋除尘，尘粒因重力作用经灰斗沉降至集尘箱，清洁气流经出气口除湿管干燥后排出，少部分经逆吹阀控制由逆吹管路至空气分配室完成清灰，剩余气体排至热量交换系统；与高温导热油换热达210℃进入反应器，仅CO气体与脱CO催化剂反应转化为CO₂；由冷却系统与雾化液换热冷却至常温后，经稳流筒排出。

其中，管道加热器将导热油加热至250℃通入翅片管中，与含CO气体换热后，使气体加热至210℃，并将低温导热油经导管重新进入加热器循环加热使用；雾化喷嘴将水雾化导入翅片管与含CO₂气体换热冷却至常温后，经导管冷凝至水箱循环使用。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims

1.一种煤矿井下回采工作面上隅角CO的脱除系统，其特征在于：包括气体采集系统、煤尘捕集系统、热量交换系统、反应器（20）和冷却系统，气体采集系统与煤尘捕集系统连接，煤尘捕集系统与热量交换系统连接，热量交换系统与反应器（20）的一端连接，反应器（20）的另一端与冷却系统连接，反应器（20）内设有脱CO催化剂（21），其中，热量交换系统、反应器（20）和冷却系统由绝缘外壳（25）封闭。

2.根据权利要求1所述的一种煤矿井下回采工作面上隅角CO的脱除系统，其特征在于：所述气体采集系统包括探测器（26）、集气罩（1）、风管（2）和风机（4），探测器（26）位于回采工作面上隅角处，集气罩（1）通过风管（2）和风机（4）连接，连接处设有网格板（3），风机（4）上设有手动开关（5）和自动开关（6），探测器（26）的输出端与风机（4）的输入端连接。

3.根据权利要求2所述的一种煤矿井下回采工作面上隅角CO的脱除系统，其特征在于：所述煤尘捕集系统包括空气分配室（7），空气分配室（7）的一端设有进气管，另一端设有逆吹管，进气管与风机（4）通过吸气阀（8）连接，逆吹管上设有逆吹阀（14），空气分配室（7）的底部设有滤袋（9），滤袋（9）底部设有灰斗（10），灰斗（10）底部设有集尘箱（11），空气分配室（7）的一侧设有出气口（13），出气口（13）内设有除湿管（12），除湿管（12）内设有硅胶，出气口（13）与热量交换系统连接。

4.根据权利要求3所述的一种煤矿井下回采工作面上隅角CO的脱除系统，其特征在于：所述热量交换系统包括金属外壳一（15），金属外壳一（15）内设有若干翅片管一（16），金属外壳一（15）的底部设有加热器（18），加热器（18）通过导管（19）与翅片管一（16）连接，加热器（18）内设有导热油（17）。

5.根据权利要求4所述的一种煤矿井下回采工作面上隅角CO的脱除系统，其特征在于：所述冷却系统包括水箱（22）和金属外壳二，金属外壳二内设有若干翅片管二，金属外壳二的另一侧设有稳流筒（24），水箱（22）通过管道与翅片管二连接，管道上设有雾化喷嘴（23）。

6.根据权利要求5所述的一种煤矿井下回采工作面上隅角CO的脱除系统，其特征在于：所述翅片管一或翅片管二为Φ25×2-50mm钢基管铝翅片的钢铝复合翅片管，翅片管等间距布置，间距为3mm，翅片管厚度为0.2-0.3mm。