低浓度瓦斯气利用系统的制作方法

1.本实用新型涉及低浓度瓦斯应用技术领域，具体是一种低浓度瓦斯气利用系统。


背景技术：

2.我国是煤矿大国，瓦斯(煤层气)资源十分丰富。煤矿瓦斯根据采出方式一般分为地面抽采煤层气、井下排采煤层气和煤矿乏风瓦斯。地面抽采煤层气浓度较高，一般可以直接外输利用。井下排采煤层气有一部分浓度较高，瓦斯含量在30％以上，可以直接作为燃料利用或者经过提纯利用，但是也有很大一部分是甲烷浓度低于30％的低浓度瓦斯，与瓦斯爆炸极限(5～16％)较为接近，易爆且无法稳定燃烧，利用率很低。此外，矿区还有大量浓度在0.75％以下的乏风瓦斯，基本上都是未经处理而直接排空，造成巨大的能源浪费。甲烷的温室效应是二氧化碳的21倍，煤矿乏风和低浓度瓦斯的排放也极大加剧了大气温室效应。
3.造成低浓度煤层气难以被能源化的因素有以下两点：1)爆炸极限：当ch4浓度范围在5％～16％时低浓度煤层气具有爆炸危险，ch4浓度在7％～8％时最易爆炸，当ch4浓度在9％时爆炸威力最强，因而常规的处理方法无法对其进行安全利用。2)ch4浓度变化大：低浓度煤层气中的ch4浓度容易受到矿井下煤层气含量、煤炭开采量、通风量等多种因素的影响，以上因素导致ch4浓度变化幅度较大，给低浓度煤层气的利用带来了难度。
4.cn1807963a公开了一种瓦斯恒超低浓度输送、提纯增压发电装置，依靠井下空气、回流稀瓦斯气调节瓦斯气浓度，使瓦斯气浓度稳定在可燃点浓度之下，输送安全，并通过双通道增压器，使瓦斯气在进入发动机时已被提浓，浓度在 16％以上，采用缸内混合，进入发动机燃烧，保证了设备运行安全。该技术只能利用浓度16％以上的瓦斯进行发电，浓度低于9％时，难以利用。金属纤维燃烧器是近年来出现的一种新型全预混表面燃烧式燃烧器，能够用于爆炸浓度瓦斯的安全燃烧，具有良好的阻火特性、较高的热效率、较低的污染物排放量、形状的可变性、快速反应和冷却性、热膨胀的可控性等诸多有点，能够解决爆炸浓度瓦斯的安全燃烧和直接利用的难题。cn102944020a公开了一种带有金属纤维燃烧器的瓦斯焚烧系统，具体涉及一种带有金属纤维燃烧器的瓦斯焚烧系统包括火炬焚烧炉，火炬焚烧炉内设置有不少于1套燃烧系统，所述每套燃烧系统包括不少于1件金属纤维燃烧器，与每级燃烧系统相连接的管道和设置在管道上依次连接的自动阻爆阀门、泄爆器、水封阻火泄爆装置、气液分离除尘器、放空阀、防爆电动阀、引射器和分配器，还包括plc控制系统、安装在火炬焚烧炉炉底或侧壁上的吹扫风机以及设置在引射器上的变频鼓风机和电动调节阀，瓦斯焚烧系统结构简单、安全可靠、使用成本低、且能够大规模的安全销毁爆炸范围的瓦斯气体。但该技术对于要求气源中瓦斯浓度在爆炸极限内，对于低于爆炸极限的乏风瓦斯气无法利用，并且对于ch4浓度变化幅度较大的瓦斯气难以稳定运行。


技术实现要素：

5.本实用新型提出一种低浓度瓦斯气利用系统，解决了现有技术中低热值瓦斯无法利用，导致资源浪费和环境污染的问题。
6.本实用新型的技术方案是这样实现的：
7.一种低浓度瓦斯气利用系统，包括低浓度瓦斯气供气系统、高浓度瓦斯气供气系统、混合器、配气及安全输送系统、燃烧热回收系统及主控单元；
8.所述低浓度瓦斯气供气系统包括低浓度瓦斯气管线，所述低浓度瓦斯气管线的出口与混合器的低浓度瓦斯气入口连接；所述低浓度瓦斯气管线上设置有低浓度瓦斯气压力检测表、低浓度瓦斯气浓度检测仪、低浓度瓦斯气流量检测计及低浓度瓦斯气调节阀门；
9.所述高浓度瓦斯气供气系统包括高浓度瓦斯气管线，所述高浓度瓦斯气管线的出口与混合器的高浓度瓦斯气入口连接；所述高浓度瓦斯气管线上设置有高浓度瓦斯气压力检测表、高浓度瓦斯气浓度检测仪、高浓度瓦斯气流量检测计及高浓度瓦斯气调节阀门；
10.所述配气及安全输送系统包括混合瓦斯气管线、尾气管线、惰性气回流管线、氮气保护管线、换热器和循环风机；
11.所述混合瓦斯气管线为内套管和外套管套设的双层结构；所述内套管的入口端与混合器的混合瓦斯气出口连接，所述内套管的出口端与换热器的低温入口连接；所述换热器的低温出口与燃烧热回收系统连接；
12.所述换热器的高温出口分别与尾气管线和惰性气回流管线连接，所述惰性气回流管线的另一端与外套管连接，所述惰性气回流管线上设置有惰性气压力检测表、惰性气浓度检测仪、惰性气流量检测计及惰性气调节阀门；
13.所述氮气保护管线与外套管连接，所述氮气保护管线上设置有氮气调节阀；
14.所述外套管设有惰性气出口，所述惰性气出口与尾气管线连接；
15.所述循环风机的入口与燃烧热回收系统的排烟口连接，所述循环风机的出口与换热器的高温入口连接；
16.所述低浓度瓦斯气压力检测表、低浓度瓦斯气浓度检测仪、低浓度瓦斯气流量检测计、低浓度瓦斯气调节阀门、高浓度瓦斯气压力检测表、高浓度瓦斯气浓度检测仪、高浓度瓦斯气流量检测计、高浓度瓦斯气调节阀门、惰性气压力检测表、惰性气浓度检测仪、惰性气流量检测计、惰性气调节阀门、氮气调节阀、循环风机及燃烧热回收系统均与主控单元控制连接。
17.进一步地，所述燃烧热回收系统包括燃烧炉膛，所述燃烧炉膛内设置有燃烧器和取热设施，所述燃烧炉膛连接有助燃风管线。
18.进一步地，所述燃烧器为金属纤维燃烧器。
19.进一步地，所述取热设施为炉膛水冷壁或换热盘管。
20.本实用新型的有益效果为：
21.(1)利用矿区的高浓度瓦斯气，与低浓度瓦斯或煤矿乏风进行混配，使混合气体的浓度处于爆炸极限内，不但能处理爆炸范围的瓦斯气体，而且能将浓度较低的乏风瓦斯进行直接燃烧利用，解决低浓度瓦斯气利用难题，资源回收利用的同时，降低了温室气体排放。
22.(2)通过低浓度瓦斯气供气系统和高浓度瓦斯气供气系统的调节，能够克服瓦斯气气量及浓度波动的影响，有效保证燃烧瓦斯气源的气量和浓度稳定，保证煤矿低浓度瓦斯气长期有效的开采和瓦斯气高效稳定利用。
23.(3)通过工艺优化，对燃烧尾气热量进行利用回收的同时，利用燃烧尾气作为惰性
保护气体，确保爆炸范围瓦斯气体的安全输送，避免爆炸范围瓦斯气体泄漏造成的安全风险。
附图说明
24.为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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。
25.图1是本实用新型一个实施例的结构示意图。
26.其中：
27.1、低浓度瓦斯气管线；2、低浓度瓦斯气压力检测表；3、低浓度瓦斯气浓度检测仪；4、低浓度瓦斯气流量检测计；5、低浓度瓦斯气调节阀门；6、高浓度瓦斯气管线；7、高浓度瓦斯气压力检测表；8、高浓度瓦斯气浓度检测仪；9、高浓度瓦斯气流量检测计；10、高浓度瓦斯气调节阀门；11、混合器；12、混合瓦斯气管线；13、氮气保护管线；14、氮气调节阀；15、惰性气调节阀门； 16、惰性气流量检测计；17、惰性气浓度检测仪；18、惰性气压力检测表；19、惰性气回流管线；20、尾气管线；21、换热器；22、金属纤维燃烧器；23、炉膛；24、取热设施；25、循环风机；26、主控单元。
具体实施方式
28.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
29.如图1所示，本实施例中的低浓度瓦斯气利用系统，包括低浓度瓦斯气供气系统、高浓度瓦斯气供气系统、混合器11、配气及安全输送系统、燃烧热回收系统及主控单元26。
30.所述低浓度瓦斯气供气系统包括低浓度瓦斯气管线1，所述低浓度瓦斯气管线1的入口用于与低浓度瓦斯气供气源连接，所述低浓度瓦斯气管线1的出口与混合器11的低浓度瓦斯气入口连接；所述低浓度瓦斯气管线1上设置有低浓度瓦斯气压力检测表2、低浓度瓦斯气浓度检测仪3、低浓度瓦斯气流量检测计 4及低浓度瓦斯气调节阀门5。
31.所述高浓度瓦斯气供气系统包括高浓度瓦斯气管线6，所述高浓度瓦斯气管线6的入口用于与高浓度瓦斯气供气源连接，所述高浓度瓦斯气管线6的出口与混合器11的高浓度瓦斯气入口连接；所述高浓度瓦斯气管线6上设置有高浓度瓦斯气压力检测表7、高浓度瓦斯气浓度检测仪8、高浓度瓦斯气流量检测计 9及高浓度瓦斯气调节阀门10。
32.所述配气及安全输送系统包括混合瓦斯气管线12、尾气管线20、惰性气回流管线19、氮气保护管线13、换热器21和循环风机25。
33.所述混合瓦斯气管线12为内套管和外套管套设的双层结构。所述内套管的入口端与混合器11的混合瓦斯气出口连接，所述内套管的出口端与换热器21 的低温入口连接。所述换热器21的低温出口与燃烧热回收系统连接。本实施例中，所述燃烧热回收系统包括燃烧炉膛23，所述燃烧炉膛23内设置有燃烧器和取热设施24。这里，所述燃烧器为金属纤维燃
烧器22，则换热器21的低温出口即与该金属纤维燃烧器22的入口连接。所述取热设施24为炉膛23水冷壁或换热盘管，取热介质为水。所述燃烧炉膛23连接有助燃风管线，有助于燃烧。
34.所述换热器21的高温出口分为两路，分别与尾气管线20和惰性气回流管线19连接。所述惰性气回流管线19的另一端与外套管连接，则可将经过换热器21换热后的燃烧尾气送至外套管内作为惰性保护气体使用。所述惰性气回流管线19上设置有惰性气压力检测表18、惰性气浓度检测仪17、惰性气流量检测计16及惰性气调节阀门15。
35.所述氮气保护管线13与外套管连接，所述氮气保护管线13上设置有氮气调节阀14。当燃烧尾气不满足惰性保护气体要求时，可以通过氮气保护管线13 向外套管内输送氮气作为惰性保护气体。
36.所述外套管设有惰性气出口，所述惰性气出口与尾气管线20连接。外套管内的惰性保护气体经惰性气出口送至尾气管直接排出。为了保证惰性保护气体在外套管内的流动的均匀性，可以将外套管上的惰性气出口与惰性气的进口分别设置于外套管的两端，比如将惰性气出口设置于靠近混合器11的一端，将惰性气的进口设置于靠近换热器21的一端，即将惰性气回流管线19与外套管的连接点设置于靠近换热器21的一端，将氮气保护管线13与外套管的连接点设置于靠近换热器21的一端。
37.所述循环风机25的入口与燃烧热回收系统的排烟口连接，所述循环风机25 的出口与换热器21的高温入口连接。循环风机25可将燃烧尾气增压后送入换热器21进行热量的回收利用。
38.所述低浓度瓦斯气压力检测表2、低浓度瓦斯气浓度检测仪3、低浓度瓦斯气流量检测计4、低浓度瓦斯气调节阀门5、高浓度瓦斯气压力检测表7、高浓度瓦斯气浓度检测仪8、高浓度瓦斯气流量检测计9、高浓度瓦斯气调节阀门10、惰性气压力检测表18、惰性气浓度检测仪17、惰性气流量检测计16、惰性气调节阀门15、氮气调节阀14、循环风机25及燃烧热回收系统均与主控单元26控制连接。主控单元26控制设备的整体运行。
39.前述的低浓度瓦斯气利用系统的使用方法，包括以下步骤：
40.(1)、低浓度瓦斯气由低浓度瓦斯气管线1进入，高浓度瓦斯气由高浓度瓦斯气管线6进入，主控单元26根据低浓度瓦斯气压力检测表2、低浓度瓦斯气浓度检测仪3、低浓度瓦斯气流量检测计4、高浓度瓦斯气压力检测表7、高浓度瓦斯气浓度检测仪8和高浓度瓦斯气流量检测计9的各测量值进行计算，确定各自流量配比后调节低浓度瓦斯气调节阀门5和高浓度瓦斯气调节阀门10，调整低浓度瓦斯气和高浓度瓦斯气的通入量，使得低浓度瓦斯气和高浓度瓦斯气经混合器11混合后形成所需浓度和气量的爆炸范围瓦斯气体。本实施例中，所述爆炸范围瓦斯气体的甲烷体积浓度为4～20％，即经混合器11混合后的气体中甲烷体积浓度为4～20％，本设备都可以很好的进行燃烧利用。通常，可以将所述爆炸范围瓦斯气体的甲烷体积浓度控制在7～15％。
41.(2)、步骤(1)中的得到的爆炸范围瓦斯气体通过混合瓦斯气管线12的内套管送至换热器21，经换热器21预与燃烧热回收系统的尾气换热后进入燃烧热回收系统进行燃烧利用。燃烧产生热量通过取热设施24进行热量回收生产热水或蒸汽，尾气排出炉膛23。本实施例中，所述燃烧热回收系统包括燃烧炉膛 23，所述燃烧炉膛23内设置有金属纤维燃烧器22和取热设施24。所述金属纤维燃烧器22采用全预混燃烧，预先混合均匀的燃气空气混合物
流向燃烧器头部，透气性均匀的金属纤维织物表层进行燃烧，具有阻火、阻爆和隔热功能，可实现爆炸浓度范围内的瓦斯的安全、可靠、直接燃烧。所述取热设施24为炉膛23 水冷壁形式或换热盘管形式，取热介质为水，对燃烧热量进行回收用于生产蒸汽或热水。
42.(3)、燃烧热回收系统产生的尾气经循环风机25增压送至换热器21进行热量回收后分两路排出，一路经尾气管线20直接外排，另一路经惰性气回流管线19送至外套管内作为惰性保护气体；主控单元26根据惰性气压力检测表18、惰性气浓度检测仪17及惰性气流量检测计16的测量值来调节惰性气调节阀门 15，以调节气量；当惰性气回流管线19的气体不符合惰性保护气体要求时，主控单元26关闭惰性气调节阀门15，开启氮气调节阀14，切换至氮气作为惰性保护气。
43.本实施例中，步骤(3)中，判断惰性气回流管线19的气体是否符合惰性保护气体要求的方法如下：
44.由惰性气浓度检测仪17检测气体中氧气的体积浓度；
45.当氧气的体积浓度高于10％时，不符合惰性保护气体要求，通过主控单元 26调节惰性气调节阀门15关闭惰性气回流管线19，同时开启氮气调节阀14切换至氮气作为惰性保护气体；
46.当氧气的体积浓度小于等于10％时，符合惰性保护气体要求；主控单元26 关闭氮气调节阀14，开启惰性气调节阀门15，并根据内套管内爆炸范围瓦斯气体气量及浓度经过逻辑计算后调节惰性气调节阀门15进行流量控制，达到一旦发生泄漏后，能够将爆炸范围瓦斯气体稀释至爆炸限之外，即稀释后气体中甲烷体积浓度小于4％。
47.所述混合瓦斯气管线12为内套管和外套管套设的双层结构，内套管输送爆炸范围瓦斯气体，外套管输送惰性保护气体，以防爆炸范围瓦斯气体泄漏造成安全事故。其中，所述外套管内的惰性保护气体的压力低于内套管内的爆炸范围瓦斯气体的输送压力。
48.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。