煤矿回风流低浓度瓦斯多级提纯试验装置

摘要

本发明涉及煤矿回风流低浓度瓦斯多级提纯试验装置，有效解决低浓度瓦斯的提纯问题，方法是，实验箱体的底部装有电机，电机的转轴上有装在实验箱体内的风叶，实验箱体外置有分别安装风速传感器、压力传感器、瓦斯浓度传感器的操作支架，操作支架是由底座和底座上垂直安装的主轴、以及主轴上的机械手臂构成，实验箱体下部一侧有出气孔，出气孔的管道上装有抽风机，实验箱体的顶部有出气管，下部与出气孔相对应的另一侧的进气孔上装有主流管道，主流管道与气体混合箱体相连通，气体混合箱体经三通阀分别接瓦斯罐的管道、变频式鼓风机的管道，本发明操作使用方便，有效用于对低浓度瓦斯提纯试验，确保资源的充分利用和生产安全。

权利要求

1.一种煤矿回风流低浓度瓦斯多级提纯试验装置，包括实验箱体、电机和传感器，其特征在于，实验箱体（1）的底部装有可调电机（6），电机（6）的转轴上有装在实验箱体内的风叶（7），构成不同强度的气体涡流场结构，实验箱体周壁上开有多个观测孔（2）和观察窗（3），观察窗用于观察箱体内风扇的转动和气流的变化情况，实验箱体外置有分别安装风速传感器、压力传感器、瓦斯浓度传感器（23）的操作支架，操作支架是由底座（22）和底座上垂直安装的主轴（20）、以及主轴上呈圆周转动的机械手臂（21）构成，风速传感器、压力传感器、瓦斯浓度传感器分别装在机械手臂（21）上，由观测孔伸入实验箱体内，实现对实验箱体内的风速、压力、瓦斯浓度进行测试，风速传感器、压力传感器、瓦斯浓度传感器测试的数据通过数据线传至置于实验箱体上的显示仪（24）显示，由显示仪直接读取存储和分析测试数据，实验箱体底部安装在支撑架（8）上，用于固定和稳定箱体，保证使用效果，实验箱体下部一侧开设有出气孔（5），出气孔（5）的管道上装有抽风机（4），用于抽取下部低浓度瓦斯气体，实验箱体的顶部有出气管（10），出气管（10）用于收集高浓度瓦斯气体，实验箱体（1）下部与出气孔（5）相对应的另一侧的进气孔（9）上装有主流管道（19），主流管道（19）上安装有第一气体流量计（18），主流管道（19）与气体混合箱体（17）相连通，气体混合箱体（17）经三通阀（16）分别接装高浓度的瓦斯罐（11）的管道（12a）、提供新鲜空气的变频式鼓风机（15）的管道（12b），使高浓度瓦斯气体和新鲜气体进入气体混合箱体（17）内进行混合均匀，瓦斯罐的管道（12a）上装有瓦斯的流量计（13），变频式鼓风机的管道（12b）上装有第二气体流量计（14），进气孔（9）处安装有测试压力的压力计（25），高浓度的瓦斯罐（11）的管道（12a）靠近瓦斯罐处装有流量的控制阀（26）。

说明书

煤矿回风流低浓度瓦斯多级提纯试验装置

技术领域

[0001] 本发明涉及采矿（煤矿）设备，特别是一种煤矿回风流低浓度瓦斯多级提纯试验装置。

背景技术

[0002] 随着煤矿开采向深部发展，煤层瓦斯含量增加，瓦斯压力增大，以及资源与环保要求，煤矿中瓦斯抽采力度加大，但尽管如此，煤矿中瓦斯抽采利用总量不过煤层中瓦斯的10%-20%，而煤层中的绝大部分瓦斯则是在煤炭开采时解析出来，并由矿井通风稀释后排入大气中，资料显示，我国风排瓦斯量占煤层瓦斯总量的80%以上，该部分瓦斯的主要特征是浓度低，一般为0.6%-1%，且与矿井回风流充分混合，不能直接利用，造成巨大的资源浪费和环境污染。目前低浓度瓦斯的提纯技术主要有变压吸附、膜分离技术以及低温液化技术，变压吸附瓦斯提纯技术，大多数还处于开发研究阶段，变压吸附技术是利用吸附剂的平衡吸附量随组分分压升高增加的特性，进行加压吸附、减压脱附。变压吸附技术目前被认为是比较成熟的技术，有了成系列的装置可供选择，但是，它在瓦斯提纯领域里的应用主要取决于其经济合理性，对于低浓度，甚至极低浓度的瓦斯气体的提纯工序复杂，而且分离前所要求的甲烷（CH4）浓度较高，不适合煤矿回风量大、且浓度低的瓦斯提纯，经济性不高，使用价值不大；膜分离技术已选择性透过膜为分离介质，利用膜两侧存在的某种推动力(如压力差、浓度差、电位差等)，使原料侧组分选择性地透过膜，已达到分离、提纯的目的。虽然在工业上有所运用，但是基于煤矿回风量大的特点，如果进行分离提纯，耗能远远超过获取的甲烷能量，很不经济；常规煤层气液化系统适用于不含大量氮氧成分的高浓度煤层气，更是不适合煤矿回风量大且浓度低的瓦斯提纯；因此，如何有效解决低浓度瓦斯的提纯（实验）是需要认真解决的技术问题。

发明内容

[0003] 针对上述情况，为解决现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种煤矿回风流低浓度瓦斯多级提纯试验装置，可有效解决低浓度瓦斯的提纯（实验）问题。

[0004] 本发明解决的技术方案是，包括实验箱体、电机和传感器，实验箱体的底部装有可调电机，电机的转轴上有装在实验箱体内的风叶，构成不同强度的气体涡流场结构，实验箱体周壁上开有多个观测孔和观察窗，观察窗用于观察箱体内风扇的转动和气流的变化情况，实验箱体外置有分别安装风速传感器、压力传感器、瓦斯浓度传感器的操作支架，操作支架是由底座和底座上垂直安装的主轴、以及主轴上呈圆周转动的机械手臂构成，风速传感器、压力传感器、瓦斯浓度传感器分别装在机械手臂上，由观测孔伸入实验箱体内，实现对实验箱体内的风速、压力、瓦斯浓度进行测试，风速传感器、压力传感器、瓦斯浓度传感器测试的数据通过数据线传至置于实验箱体上的显示仪显示，由显示仪直接读取存储和分析测试数据，实验箱体底部安装在支撑架上，用于固定和稳定箱体，保证使用效果，实验箱体下部一侧开设有出气孔，出气孔的管道上装有抽风机，用于抽取下部低浓度瓦斯气体，实验箱体的顶部有出气管，出气管用于收集高浓度瓦斯气体，实验箱体下部与出气孔相对应的另一侧的进气孔上装有主流管道，主流管道上安装有第一气体流量计，主流管道与气体混合箱体相连通，气体混合箱体经三通阀分别接装高浓度的瓦斯罐的管道、提供新鲜空气的变频式鼓风机的管道，使高浓度瓦斯气体和新鲜气体进入气体混合箱体内进行混合均匀，成低浓度瓦斯气体，再经主流管道进入实验箱体内，开启电机即可实现对低浓度瓦斯多级提纯实验。

[0005] 本发明结构新颖独特，操作使用方便，有效用于对低浓度瓦斯提纯试验，确保资源的充分利用和生产安全，有显著的经济和社会效益。

附图说明

[0006] 图1为本发明的结构主视图。

[0007] 图2为本发明的传感器和显示器的连接关系图。

[0008] 图3为本发明的传感器操作支架结构图。

[0009] 图4为本发明电机开启时上下出口甲烷浓度变化图。

[0010] 图5为本发明上下出气孔甲烷浓度变化图。

具体实施方式

[0011] 以下合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

[0012] 由图1-3所示，本发明包括实验箱体、电机和传感器，实验箱体1的底部装有可调电机6，电机6的转轴上有装在实验箱体内的风叶7，构成不同强度的气体涡流场结构，实验箱体周壁上开有多个观测孔2和观察窗3，观察窗用于观察箱体内风扇的转动和气流的变化情况，实验箱体外置有分别安装风速传感器、压力传感器、瓦斯浓度传感器23的操作支架，操作支架是由底座22和底座上垂直安装的主轴20、以及主轴上呈圆周转动的机械手臂21构成，风速传感器、压力传感器、瓦斯浓度传感器分别装在机械手臂21上，由观测孔伸入实验箱体内，实现对实验箱体内的风速、压力、瓦斯浓度进行测试，风速传感器、压力传感器、瓦斯浓度传感器测试的数据通过数据线传至置于实验箱体上的显示仪24显示，由显示仪直接读取存储和分析测试数据，实验箱体底部安装在支撑架8上，用于固定和稳定箱体，保证使用效果，实验箱体下部一侧开设有出气孔5，出气孔5的管道上装有抽风机4，用于抽取下部低浓度瓦斯气体，实验箱体的顶部有出气管10，出气管10用于收集高浓度瓦斯气体，实验箱体1下部与出气孔5相对应的另一侧的进气孔9上装有主流管道19，主流管道19上安装有第一气体流量计18，主流管道19与气体混合箱体17相连通，气体混合箱体17经三通阀16分别接装高浓度的瓦斯罐11的管道12a、提供新鲜空气的变频式鼓风机15的管道12b，使高浓度瓦斯气体和新鲜气体进入气体混合箱体17内进行混合均匀，成低浓度瓦斯气体，再经主流管道19进入实验箱体1内，开启电机即可实现对低浓度瓦斯多级提纯实验。

[0013] 为了保证使用效果，所述的瓦斯罐的管道12a上装有瓦斯的流量计13，变频式鼓风机的管道12b上装有第二气体流量计14；所述的进气孔9处安装有测试压力的压力计25；所述的高浓度的瓦斯罐11的管道12a靠近瓦斯罐处装有流量的控制阀26，用于控制从瓦斯罐出来的高浓度瓦斯流量。

[0014] 风速传感器、压力传感器、瓦斯浓度传感器可以同时安装使用，也可以分开安装使用，视测试的需要而有所不同，因此，传感器可以是包括风速传感器、压力传感器、瓦斯浓度传感器，也可以是每一种传感器，故使用同一附图标记23。

[0015] 由上述结构可以看出，本发明是一种煤矿回风流低浓度瓦斯多级提纯基础研究的试验装置，包括实验箱体1；在箱体的底部安装有可调频电机6，电机6上配有不同型号的风叶7，电机和风叶的组合用以提供不同强度的气体涡流场；箱体四周均匀开设有观测孔2，用以安装风速传感器、压力传感器、瓦斯浓度传感器24，传感器可以在箱体内伸缩，以至于可以测试到箱体内部任何位置的气体的参数，传感器的安装有一个专门的操作架20，操作架20底部是平行于地平线均匀堆成的三角架，用以支撑操作架20，操作架20的主轴上安装有可以四周活动的机械手臂21，机械手臂21夹持的传感器23放入试验箱体1，完成测试工作，在传感器24外接有显示仪25，显示仪25可以直接读取、储存和分析传感器24在箱体内测试数据；箱体1上开设有观察窗3，观察窗3可以观测箱体内风扇的转动和气流的变化情况；箱体1底部安置支撑架8，用以固定箱体使其能够稳定的工作；箱体1下部开设进气孔9和出气孔5，出气孔5外侧接有抽风机4，用以抽取下部瓦斯浓度低的混合气体，箱体1的顶部开设有出气孔10，出气孔10用来收集瓦斯浓度高的混合气体；箱体1下部进气孔9外接有主流管道19；按照气流的方向一次设置有瓦斯罐11，主要是提供高浓度的瓦斯，变频式鼓风机15用以提供新鲜的空气，瓦斯气体沿着支管12进入三通阀16，在支管12上安装有流量计13，新鲜空气亦是沿着支管进去三通阀16，在支管上安装有流量计14，瓦斯气体和新鲜空气进入气体混合箱体17内部进行充分混合，从混合箱体出来的相对均匀的气体进入主管道19，在主管道19上安装有流量计18，在接近入口9处安装有测试压力的压力计，用以测试入口压力，高浓度瓦斯从高浓度的瓦斯罐中的流出量由控制阀26控制，并由瓦斯的流量计显示计量，实现不同流量与新鲜空气构成多级浓度不同的混合气，以应用于实验。

[0016] 为保证实验过程的安全，在试验开始之前首先打开试验箱体顶部的排气口10，然后向试验箱体里面冲去新鲜空气和瓦斯的混合气体，待混合气体充满整个装置的后，开始用瓦斯传感器检测上出气孔10和下出气孔5的甲烷浓度，如下表是试验箱体内风叶不转动和转动时，不同时间时上出气孔和下出气孔的甲烷浓度。有技术方面的原因，在这里不在叙述试验箱体内部甲烷浓度随着时间的变化情况以及实验箱体内部甲烷浓度与混合气体压力和流速之间的具体关系.

[0017] 实验一：CH4开启电机提取实验

[0018] 步骤一、通过三通连接变频式鼓风机与瓦斯罐，三通出口处安装流量仪表；

[0019] 步骤二、调节变频式鼓风机与瓦斯罐，使三通出口处CH4浓度在0.5%左右，然后测其风速；

[0020] 步骤三、记下变频式鼓风机与瓦斯罐旋钮开关的旋转的位置，做好标记后关闭变频式鼓风机机与瓦斯罐（可否利用各自所带压力表刻度进行标记？）

[0021] 步骤四、连接三通出口与密闭容器；

[0022] 步骤五、开变频式鼓风机且旋转开关到标记位置（刻度），然后开启瓦斯罐旋且转开关到标记位置（刻度），最后打开变频式电机；

[0023] 步骤六、3分钟后，开始记录数据，见表一，对应拆线图4。

[0024] 实验二 CH4关闭电机提取实验

[0025] 步骤一、通过三通连接变频式与瓦斯罐，三通出口处安装流量仪表；

[0026] 步骤二、调节变频式鼓风机与瓦斯罐，使三通出口处CH4浓度在0.5%左右，然后测其风速；

[0027] 步骤三、记下变频式鼓风机与瓦斯罐旋钮开关的旋转的位置，做好标记后关闭变频式鼓风机与瓦斯罐；（可否利用各自所带压力表刻度进行标记？）

[0028] 步骤四、连接三通出口与密闭容器；

[0029] 步骤五、开变频式鼓风机且旋转开关到标记位置（刻度），然后开启瓦斯罐且旋转开关到标记位置（刻度）；

[0030] 步骤六、3分钟后，开始记录数据，见附表二，对应拆线图5。

[0031] 表一 开启电机

[0032]

[0033] 表二 关闭电机

[0034]

[0035] 当电机打开时，由图4可以看出：当进气浓度为0.5%，记录时间从1分钟到第8分钟上出气孔甲烷的浓度一直在增加，最大值达到0.85%；这段时间内下出气孔甲烷的浓度一直在减小，最小值为0.32%。8分钟后上下出气孔甲烷的浓度趋于稳定，此时上出气孔甲烷浓度时下出气孔甲烷浓度的2.656倍。当电机关闭时，由图5可以看出，记录时间从1分钟到第8分钟上出气孔甲烷的浓度一直在增加，并逐渐趋于稳定；下出气孔甲烷浓度一直在减小，也逐渐趋于稳定，由于含有不同浓度瓦斯的比重不同，逐渐实现自然分层，稳定时上下出气孔甲烷浓度的比值是1.67倍。对比图4和图5可知，开启电机产生的涡流场对甲烷的提纯效果显著，并经反复多次实验均取得了相同或相近的结果，表明实验装置获得成功，有很强的实用价值，是瓦斯多级提纯实验设备上的创新。