本发明属于低浓度瓦斯利用技术领域，具体涉及一种超低浓度瓦斯安全掺混装置及利用该装置的方法。
背景技术
蓄热氧化是一种处理甲烷浓度低(0.5％左右)、富集难、气量大的煤矿通风瓦斯重要的、具有发展前景的技术。基于蓄热氧化技术的蓄热氧化装置在实际运行中，由于通风瓦斯甲烷浓度过低(＜0.3％)且波动大，不利于氧化装置的稳定运行；同时，考虑到用户(矿区)对冷、热、电等用能的需求，通常须在浓度极低通风瓦斯气体中掺混甲烷浓度较高的抽采瓦斯(约3％-5％)，一方面保证瓦斯气体浓度维持在较稳定的数值，另一方面保证甲烷氧化释放的热量通过回收利用满足用户用能需求。
然而，在实现掺混过程中，往往受场地面积、条件以及经济性等因素影响，掺混后的瓦斯在进入流量监测点、浓度监测点、氧化装置所流经布置的管道长度有限，很难实现均匀掺混，影响浓度在线监测、流量测量的准确性，造成混合气体热值分布不均、分层现象，影响蓄热氧化装置温度场的稳定性，且浓度监测误差伴有安全隐患。
技术实现要素：
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种结构合理，掺混效果良好的超低浓度瓦斯安全掺混装置以及其方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种超低浓度瓦斯安全掺混装置，包括依次相连通的入口法兰、入口管道、变窄管道、出口管道、出口法兰；其中入口管道与出口管道为直径相等的常规管道，变窄管道连接入口管道一侧直径与入口管道相同，连接出口管道一侧直径小，变窄管道与出口管道的连接处管道直径突变；
所述变窄管道外壁上设有一圈环状管道，所述环状管道、变窄管道密封连接处设有一圈连通环状管道内腔与变窄管道内腔的缝隙；
所述环状管道内腔连接一个电控变阻阀，所述电控变阻阀的另一端连接高浓度管道，为高浓度瓦斯的进气通道。
高浓度瓦斯从高浓度管道进入，经过电控变阻阀控制流速，经环状管道分散到变窄管道的外围，由于缝隙相对环状管道阻力大，所以一圈缝隙各处流速基本相同；且缝隙较细，所以流速大可以喷射至变窄通道所有位置。
本装置进一步改进在于，还包括设于出口管道内截面的固定网，所述固定网与出口管道内壁相连，还包括安装在固定网中心的圆锥体，所述圆锥体的锥方向朝向入口管道；所述固定网有进一步分散混合气体的作用，也起固定作用；所述圆锥体可以进一步产生大范围扰流，促进瓦斯的混合。
本装置进一步改进在于，还包括设于出口法兰两端相对的激光发射器与激光接收器；激光测甲烷浓度为常用技术手段，通常选择1.65um波长的激光器进行测试，该波长激光被甲烷吸收率非常高，测试数据精确。
还包括比例控制器，所述比例控制器包括处理模块、数模转换器、驱动模块、与处理模块相连的存储模块；
所述激光接收器的输出端连接模数转换器的模拟输入口，模数转换器的数字输出口连接处理模块的输入端口；
所述处理模块的输出端口连接驱动模块的控制端口，驱动模块的输出端口连接电控变阻阀的电控端子。
利用本发明提出的装置进行超低浓度瓦斯安全掺混的方法，包括以下步骤：
步骤1，定期矫正激光接收器，得到达标掺混气体的接收数据；
步骤1.1，入口法兰连接标准测试管道，出口法兰连接一段管道；
步骤1.2，标准测试管道输送浓度为1.2％的瓦斯，打开激光发射器，处理模块采集模数转换器的输出数字p，并存于存储模块；
因为激光发射二极管会光效衰减，所以激光接收器会接到弱于正常值的信号，误以为浓度已经够高，实际仍然偏低，所以需要经常校对。但即使不校对，系统的掺混结果仍然小于1.2％瓦斯是安全的。
步骤2，执行掺混；
步骤2.1，将入口法兰与出口法兰、高浓度管道安装到对应的管道上。其中高浓度管道为高浓度瓦斯入口，入口管道为低浓度瓦斯入口，出口管道为掺混后的气体出口；
步骤2.2，向入口管道送风，加压向高浓度管道输入高浓度瓦斯，控制电控变阻阀从关闭状态逐渐打开，其状态控制间隔为t，激光发射器始终处于打开状态，处理模块对比模数转换器输出数字p与p关系；
步骤2.3，p逐渐从大于p接近p，当p>p时，控制电控变阻阀打开一档，当p<p时，控制电控变阻阀减小一档，每隔时间t，重新测量p的值。作为本发明的进一步优化方案，所述。
掺混3％-8％瓦斯与0.5％的瓦斯，使其达到1.2％左右的安全浓度，再进行高温氧化。通常t按照系统规模大小，取瓦斯从裂缝到激光接收器所需时间的两倍即可。瓦斯掺混需要防止浓度剧烈抖动，所以电控变阻阀需要以最低的可调精度进行调整。
本发明的有益效果在于：
1)本发明提出的装置，可以实现超低浓度瓦斯与高浓度瓦斯的掺混，实现1.2％左右的瓦斯浓度均匀输出。
2)本发明提出的方法可以实现根据实时瓦斯浓度调节气体比例，让输出的瓦斯始终保持1.2％左右。
3)本装置相对六根进气管周向布置结构的掺混装置，下游管道一定距离内的不均匀度能降低50％以上，掺混效果好。
附图说明
图1是本发明的侧面剖面结构图；
图2是本发明的外侧结构示意图；
图3是本发明的出口法兰侧结构示意图；
图4为本发明模块连接关系示意图；
图5为本发明实施例的电路连接关系图。
图中：1-入口法兰，2-入口管道，3-变窄管道，4-高浓度管道，5-电控变阻阀，6-环状管道，7-裂缝，8-出口法兰，9-出口管道，11-圆锥体，12-固定网，21-激光发射器，22-激光接收器。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。
实施例1
如图1-3所示，一种超低浓度瓦斯安全掺混装置，包括依次相连通的入口法兰1、入口管道2、变窄管道3、出口管道9、出口法兰8；其中入口管道2与出口管道9为直径相等的常规管道，变窄管道3连接入口管道2一侧直径与入口管道2相同，连接出口管道9一侧直径小，变窄管道3与出口管道9的连接处管道直径突变；
所述变窄管道3外壁上设有一圈环状管道6，所述环状管道6、变窄管道3密封连接处设有一圈连通环状管道6内腔与变窄管道3内腔的缝隙7；
所述环状管道6内腔连接一个高浓度管道4，所述高浓度管道4的另一端连接高浓度管道4，为高浓度瓦斯的进气通道。
本装置还包括设于出口管道9内截面的固定网12，所述固定网12与出口管道9内壁相连，还包括安装在固定网12中心的圆锥体11，所述圆锥体11的锥方向朝向入口管道2。
如图4，本装置还包括设于出口法兰8两端相对的激光发射器21与激光接收器22；还包括比例控制器，所述比例控制器包括处理模块、数模转换器、驱动模块、与处理模块相连的存储模块；
所述激光接收器22的输出端连接模数转换器的模拟输入口，模数转换器的数字输出口连接处理模块的输入端口；
所述处理模块的输出端口连接驱动模块的控制端口，驱动模块的输出端口连接高浓度管道4的电控端子。
如图5，本实施例中，处理模块为西门子plcs7-200，其自身含有存储空间，相当于处理模块+存储模块；模数转换器为芯片ad1974，激光接收器22为一个光敏电阻及其周边电路组成，该电路的输出连接ad1974的输入端in1，ad1974的输出端out和时钟端clk分别连接s7-200的输入端i1、i2。
所述高浓度管道4为一个变阻阀以及操纵阀的变阻阀舵机，所述舵机连接有12v电源，pwm控制端连接到s7-200的输出端o1口，接收s7-200发送的pwm波形，完成对应的开闭动作。
利用本装置进行超低浓度瓦斯安全掺混的方法，包括以下步骤：
步骤1，定期矫正激光接收器22，得到达标掺混气体的接收数据；
步骤1.1，入口法兰1连接标准测试管道，出口法兰8连接一段管道；
步骤1.2，标准测试管道输送浓度为1.2％的瓦斯，打开激光发射器21，处理模块采集模数转换器的输出数字p，并存于存储模块；
步骤2，执行掺混；
步骤2.1，将入口法兰1与出口法兰8、高浓度管道4安装到对应的管道上。其中高浓度管道4为高浓度瓦斯入口，入口管道2为低浓度瓦斯入口，出口管道9为掺混后的气体出口；
步骤2.2，向入口管道2送风，加压向高浓度管道4输入高浓度瓦斯，控制高浓度管道4从关闭状态逐渐打开，其状态控制间隔为t，激光发射器21始终处于打开状态，处理模块对比模数转换器输出数字p与p关系；步骤2.3，p逐渐从大于p接近p，当p>p时，控制高浓度管道4打开一档，当p<p时，控制高浓度管道4减小一档，每隔时间t，重新测量p的值。
经过以上步骤1和2，可以完成精确稳定的掺混瓦斯气体。
以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。