煤矿低浓度瓦斯预混冷凝热水装置及使用方法

技术领域

本发明涉及一种煤矿瓦斯利用技术，特别涉及一种煤矿低浓度瓦斯预混冷凝热水装置及使用方法。

背景技术

当前，我国煤矿瓦斯利用还处在起步阶段，利用率普遍偏低，近五年来我国井下瓦斯的抽采量130亿m

另外，煤矿瓦斯还属于一种清洁燃料，只是目前没有很好地充分利用，其中含有的甲烷是一种温室气体，其温室效果是二氧化碳的21倍；所以高效、清洁、充分利用煤矿瓦斯对节能减排意义重大，同时还能更好地促进引导煤矿瓦斯抽排，促进煤矿安全生产。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种煤矿低浓度瓦斯预混冷凝热水装置及使用方法，使煤矿瓦斯与空气能够预混均匀，使瓦斯能够实现稳定燃烧，而且，减少了氮氧化物排放，使煤矿瓦斯能够实现清洁使用。

本发明提到的一种煤矿低浓度瓦斯预混冷凝热水装置，其技术方案是：包括比例阀（1）、EB电机（2）、电磁阀（3）、电控混合器（4）、离心风机（5）、空滤器（6）、阻火器（7）、火焰传感器（8）、点火器（9）、监火器（10）、燃烧器（11）、冷凝换热器（12）、循环水泵（13）、液位传感器（14）、膨胀水箱（15）、板式换热器（16）、氧传感器（17）、水温传感器（18）、燃烧温度传感器（19）、电控单元（20），其中，比例阀（1）的气压感应口与离心风机（5）出口连接，比例阀（1）的气体进口接煤矿瓦斯气源，出口与电磁阀（3）相连后再接电控混合器（4）的燃气进口，空滤器（6）接电控混合器（4）的空气进口，电控混合器（4）的出口连接离心风机（5）的进口，EB电机（2）与离心风机（5）连接，离心风机（5）的出口接阻火器（7）的进口，阻火器（7）的出口接燃烧器（11）的进口，燃烧器（11）置于冷凝换热器（12）内，冷凝换热器（12）的热水出口依次接循环水泵（13）、板式换热器（16），板式换热器（16）的水出口接到冷凝换热器（12）的凉水进口；膨胀水箱（15）与板式换热器（16）的凉水出口相连，EB电机（2）、火焰传感器（8）、点火器（9）、监火器（10）、氧传感器（17）、水温传感器（18）、燃烧温度传感器（19）的输入信号分别接入电控单元（20），电控单元（20）的输出信号对应分别与EB电机（2）、电磁阀（3）、电控混合器（4）、循环水泵（13）相接。

优选的，上述的阻火器（7）由进气筛网（7.1）、泄爆片（7.2）、壳体（7.3）、出气筛网（7.4）、阻火丝绒（7.5）、排水丝堵（7.6）构成，所述壳体（7.3）内腔的左侧设有进气筛网（7.1），右侧设有出气筛网（7.4），在进气筛网（7.1）与出气筛网（7.4）之间设有阻火丝绒（7.5），在壳体（7.3）的上侧设有泄爆片（7.2），下侧设有排水丝堵（7.6）；来自离心风机（5）的预混瓦斯通过进气网孔（7.1）进入阻火丝绒（7.5），阻止可能来自燃烧器（11）的火焰，同时过滤瓦斯中的粉尘和脱除游离的水份，脱除的液态水从排水丝堵（7.6）排出。

优选的，上述的壳体（7.3）的左端为圆筒形结构，右端为锥形结构；进气筛网（7.1）与壳体（7.3）的内壁形成空腔，并安装阻火丝绒（7.5），在阻火丝绒（7.5）的右侧设有出气筛网（7.4）。

优选的，上述的冷凝换热器（12）由燃烧器安装孔道（12.1）、进气端盖（12.2）、中间分隔体（12.3）、紧固螺栓（12.4）、换热管（12.5）、排气端盖（12.6）、泄爆片紧固螺栓（12.7）、换热器泄爆片（12.8）、排气口（12.9）、凉水进口（12.10）、热水出口（12.11）构成，燃烧器安装孔道（12.1）安装在进气端盖（12.2）上，排气口（12.9）安装在排气端盖（12.6）上，进气端盖（12.2）、中间分隔体（12.3）、排气端盖（12.6）由整体紧固螺栓（12.4）串联紧固在一起，换热管（12.5）穿过中间分隔体（12.3）后分别与进气端盖（12.2）和排气端盖（12.6）对应的过渡弯头连接，换热器泄爆片（12.8）安装排气端盖（12.6）上，进气端盖（12.2）、中间分隔体（12.3）、排气端盖（12.6）、换热管（12.5）合装后构成气腔和水腔。

优选的，上述的进气端盖（12.2）由进气管（12.2.1）、外端盖（12.2.2）、紧固螺栓串孔管（12.2.3）、跨接弯头（12.2.4）、内端盖（12.2.5）、连接弯头（12.2.6）构成，进气管（12.2.1）与外端盖（12.2.2）和内端盖（12.2.5）相连构成密闭空间，紧固螺栓串孔管（12.2.3）两端分别与外端盖（12.2.2）和内端盖（12.2.5）连接，跨接弯头（12.2.4）、连接弯头（12.2.6）与内端盖（12.2.5）连接；跨接弯头（12.2.4）连接多个中间分隔体（12.3）构成的两个水腔。

优选的，上述的中间分隔体（12.3）由铸造本体（12.3.1）、左水腔（12.3.2）、高温气腔（12.3.3）、放气孔（12.3.4）、气温测孔（12.3.5）、水温测孔（12.3.6）、右水腔（12.3.7）、换热管座孔（12.3.8）、含氧量测孔（12.3.9）、低温气腔（12.3.10）构成，铸造本体（12.3.1）由硅铝镁合金铸造，其中间部位上开有多个换热管座孔（12.3.8）作为换热管换热管（12.5）的座孔、顶部左右两侧分别是左水腔（12.3.2）和右水腔（12.3.7），左水腔（12.3.2）和右水腔（12.3.7）分别设置放气孔（12.3.4）和气温测孔（12.3.5），高温气腔（12.3.3）在左水腔（12.3.2）和右水腔（12.3.7）下部相邻，低温气腔（12.3.10）在铸造本体（12.3.1）下部，含氧量测孔（12.3.9）设置在铸造本体（12.3.1）侧面的中上部位。

优选的，上述的换热管（12.5）由接口（12.5.1）、串水孔道（12.5.2）、安装座（12.5.3）、翅片（12.5.4）构成，换热管（12.5）两端有相同结构的接口（12.5.1），分别与进气端盖（12.2）和排气端盖（12.6）对应的连接口连接，中部设有的串水孔道（12.5.2）内流动水，安装座（12.5.3）对应换热管座孔（12.3.8）安装，外壁的翅片（12.5.4）与烟气接触换热。

优选的，上述的排气端盖（12.6）由连接弯头（12.6.1）、跨接弯头（12.6.2）、内端盖（12.6.3）、紧固螺栓串孔管（12.6.4）、外端盖（12.6.5）、泄爆接口管（12.6.6）、排气口管（12.6.7）构成，内端盖（12.6.3）、外端盖（12.6.5）、泄爆接口管（12.6.6）、排气口管（12.6.7）相连构成密闭空间，紧固螺栓串孔管（12.6.4）连接内端盖（12.6.3）和外端盖（12.6.5），连接弯头（12.6.1）与内端盖（12.6.3）相连，跨接弯头（12.6.2）将连接弯头（12.6.1）与由多个中间分隔体（12.3）构成的水腔相连。

本发明提到的煤矿低浓度瓦斯预混冷凝热水装置的使用方法，包括以下过程：

一、开机前扫气：每次开机前应关闭电磁阀（3），开启离心风机（5）扫气5min以上；

二、点火启动：在电控单元（20）上启动点火器（9），如连续2次点火不成功，监火器（10）信号反馈到电控单元（20），指令电磁阀（3）关断煤矿瓦斯通道；

三、煤矿瓦斯与空气预混控制：比例阀（1）感应离心风机（5）出口气压，跟随装置负荷变化，对预混比例进行粗调；依据烟气氧传感器（17）信号控制电控混合器（4）煤矿瓦斯进气通道或空气通道的开度实现甲烷与空气混合比例的精确调整；

四、冷凝换热：燃烧烟气在换热器（12）内自上而下流动，凉水由循环水泵（13）驱动自下而上流动；热水出水温度在50℃～90℃，烟气中冷凝出来的水集中排放。

优选的，上述步骤三的详细步骤如下：

在离心风机（5）的抽吸作用下，煤矿低浓度瓦斯经过比例阀（1）、电磁阀（3）进入电控混合器（4），同时空气经过空滤器（6）也进入电控混合器（4），两路气体混合后经离心风机（5）正压经过阻火器（7）进入燃烧器（11）燃烧，燃烧烟气首先加热冷凝换热器（12）水腔内的水，之后烟气在冷凝换热器（12）内的气腔向下流动，循环水在循环水泵（13）的驱动下由冷凝换热器（12）内的水腔自下而上流动，水与烟气壁间继续换热，烟气温度降低至55℃左右排出，水被加热到90℃以下进入板式换热器（16）内与外循环水热交换。

由电控单元（20）控制点火器（9）点燃烧预混瓦斯，并监控火焰传感器（8）、监火器（10）、液位传感器（14）、氧传感器（17）、水温传感器（18）、燃烧温度传感器（19）工作状态，当监火器（10）测得熄火、火焰传感器（8）测得回火时，立即关断电磁阀（3）和EB电机（2）；当液位传感器（14）测得膨胀水箱（15）液位低时，先报警并延时关断电磁阀（3）和EB电机（2）；当氧传感器（17）测得烟气含氧浓度变化时，电控混合器（4）调节控制预混瓦斯比例；当水温传感器（18）测得水温变化时，循环水泵（13）调节循环水量；当燃烧温度传感器（19）测得烟气温度超限时，电控混合器（4）调节预混瓦斯比例。

与现有技术相比，本发明的有益效果具体如下：

本发明通过气控膜片比例阀和电控混合器自适应装置负荷和煤矿瓦斯浓度波动，煤矿

瓦斯与空气预混均匀，从而使瓦斯稳定燃烧利用；

本发明使用具有防回火功能的金属表面燃烧器，烟气氮氧化物排放小于30mg/m

本发明采用硅铝镁合金铸造的换热器，换热效率数倍于普通锅炉管材，且耐腐蚀，冷凝后的烟气不大于60℃，回收烟气冷凝水潜热，热效率大于102%，高于天然气锅炉的90%从而使瓦斯高效利用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是阻火器的结构示意图；

图3是冷凝换热器的右视图；

图4是冷凝换热器的正面结构示意图；

图5是进气端盖的右视图；

图6是进气端盖的正面结构示意图；

图7是进气端盖的左视图；

图8是中间分隔体的正面结构示意图；

图9是中间分隔体的侧视剖面图；

图10是换热管的结构示意图；

图11是排气端盖的左视图；

图12是排气端盖的正面结构示意图；

图13是排气端盖的右视图；

上图中：比例阀1、EB电机2、电磁阀3、电控混合器4、离心风机5、空滤器6、阻火器7、火焰传感器8、点火器9、监火器10、燃烧器11、冷凝换热器12、循环水泵13、液位传感器14、膨胀水箱15、板式换热器16、氧传感器17、水温传感器18、燃烧温度传感器19、电控单元20；

进气筛网7.1、泄爆片7.2、壳体7.3、出气筛网7.4、阻火丝绒7.5、排水丝堵7.6；

燃烧器安装孔道12.1、进气端盖12.2、中间分隔体12.3、整体紧固螺栓12.4、换热管12.5、排气端盖12.6、泄爆片紧固螺栓12.7、换热器泄爆片12.8、排气口12.9、凉水进口12.10、热水出口12.11；

进气管12.2.1、外端盖12.2.2、紧固螺栓串孔管12.2.3、跨接弯头12.2.4、内端盖12.2.5、连接弯头12.2.6；

铸造本体12.3.1、左水腔12.3.2、高温气腔12.3.3、放气孔12.3.4、气温测孔12.3.5、水温测孔12.3.6、右水腔12.3.7、换热管座孔12.3.8、含氧量测孔12.3.9、低温气腔12.3.10；

接口12.5.1、串水孔道12.5.2、安装座12.5.3、翅片12.5.4；

连接弯头12.6.1、跨接弯头12.6.2、内端盖12.6.3、紧固螺栓串孔管12.6.4、外端盖12.6.5、泄爆接口管12.6.6、排气口管12.6.7。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1，参照附图1，本发明提到的煤矿低浓度瓦斯预混冷凝热水装置，包括比例阀1、EB电机2、电磁阀3、电控混合器4、离心风机5、空滤器6、阻火器7、火焰传感器8、点火器9、监火器10、燃烧器11、冷凝换热器12、循环水泵13、液位传感器14、膨胀水箱15、板式换热器16、氧传感器17、水温传感器18、燃烧温度传感器19、电控单元20，其中，比例阀1的气压感应口与离心风机5出口连接，比例阀1气体进口接煤矿瓦斯气源，出口与电磁阀3相连后再接电控混合器4燃气进口，空滤器6接电控混合器4空气进口，电控混合器4的出口连接离心风机5进口，EB电机2与离心风机5连接。离心风机5出口接阻火器7进口，阻火器7出口接燃烧器11的进口，燃烧器11置于冷凝换热器12内，冷凝换热器12的热水出口依次接循环水泵13、板式换热器16，板式换热器16的水出口接到冷凝换热器12的凉水进口。膨胀水箱15与板式换热器16的凉水出口相连。EB电机2、火焰传感器8、点火器9、监火器10、氧传感器17、水温传感器18、燃烧温度传感器19信号接入电控单元20，电控单元20的输出信号对应分别与EB电机2、电磁阀3、电控混合器4、循环水泵13相接。

在离心风机5的抽吸作用下，煤矿低浓度瓦斯经过比例阀1、电磁阀3进入电控混合器4，同时空气经过空滤器6也进入电控混合器4，两路气体混合后经离心风机5正压经过阻火器7进入燃烧器11燃烧，燃烧烟气首先加热冷凝换热器12水腔内的水，之后烟气在冷凝换热器12内的气腔向下流动，循环水在循环水泵13的驱动下由冷凝换热器12内的水腔自下而上流动，水与烟气壁间继续换热，烟气温度降低至55℃左右排出，水被加热到90℃以下进入板式换热器16内与外循环水热交换。

由电控单元20控制点火器9点燃烧预混瓦斯，并监控火焰传感器8、监火器10、液位传感器14、氧传感器17、水温传感器18、燃烧温度传感器19工作状态，当监火器10测得熄火、火焰传感器8测得回火时，立即关断电磁阀3和EB电机2；当液位传感器14测得膨胀水箱15液位低时，先报警并延时关断电磁阀3和EB电机2；当氧传感器17测得烟气含氧浓度变化时，电控混合器4调节控制预混瓦斯比例；当水温传感器18测得水温变化时，循环水泵13调节循环水量；当燃烧温度传感器19测得烟气温度超限时，电控混合器4调节预混瓦斯比例。

参照附图2，本发明提到的阻火器7由进气筛网7.1、泄爆片7.2、壳体7.3、出气筛网7.4、阻火丝绒7.5、排水丝堵7.6构成，所述壳体7.3内腔的左侧设有进气筛网7.1，右侧设有出气筛网7.4，在进气筛网7.1与出气筛网7.4之间设有阻火丝绒7.5，在壳体7.3的上侧设有泄爆片7.2，下侧设有排水丝堵7.6；来自离心风机5的预混瓦斯通过进气网孔架7.1进入阻火丝绒7.5，阻止可能来自燃烧器11的火焰，同时过滤瓦斯中的粉尘和脱除游离的水份，脱除的液态水从排水丝堵7.6排出。

其中，进气网孔7.1除进气面外，其余面全部为出气面，降低进气流速、减小进气阻力。阻火丝绒7.5采用金属丝绒制成，壳体7.3的左端为圆筒形结构，右端为锥形结构；进气筛网7.1与壳体7.3的内壁形成空腔，并安装阻火丝绒7.5，在阻火丝绒7.5的右侧设有出气筛网7.4。

参照附图3-图4，本发明提到的冷凝换热器12由燃烧器安装孔道12.1、进气端盖12.2、中间分隔体12.3、紧固螺栓12.4、换热管12.5、排气端盖12.6、泄爆片紧固螺栓12.7、换热器泄爆片12.8、排气口12.9、凉水进口12.10、热水出口12.11构成，燃烧器安装孔道12.1安装在进气端盖12.2上，排气口12.9安装在排气端盖12.6上，进气端盖12.2、中间分隔体12.3、排气端盖12.6由整体紧固螺栓12.4串联紧固在一起，换热管12.5穿过中间分隔体12.3后分别与进气端盖12.2和排气端盖12.6对应的过渡弯头连接，换热器泄爆片12.8安装排气端盖12.6上，进气端盖12.2、中间分隔体12.3、排气端盖12.6、换热管12.5合装后构成气腔和水腔。

优选的，中间分隔体12.3由硅铝镁合金铸造，且多个串联，方便调整换热面积，便于产品形成系列化。

优选的，换热管12.5由硅铝镁合金铸造加工，传热效率高且耐腐蚀。

参照附图5-7，本发明提到的进气端盖12.2由进气管12.2.1、外端盖12.2.2、紧固螺栓串孔管12.2.3、跨接弯头12.2.4、内端盖12.2.5、连接弯头12.2.6构成，进气管12.2.1与外端盖12.2.2和内端盖12.2.5相连构成密闭空间，紧固螺栓串孔管12.2.3两端分别与外端盖12.2.2和内端盖12.2.5连接，跨接弯头12.2.4、连接弯头12.2.6与内端盖12.2.5连接。

优选的，跨接弯头12.2.4连接多个中间分隔体12.3构成的两个水腔。

参照附图8-9，本发明提到的中间分隔体12.3由铸造本体12.3.1、左水腔12.3.2、高温气腔12.3.3、放气孔12.3.4、气温测孔12.3.5、水温测孔12.3.6、右水腔12.3.7、换热管座孔12.3.8、含氧量测孔12.3.9、低温气腔12.3.10构成，铸造本体12.3.1由硅铝镁合金铸造，其中间部位上开有多个换热管座孔12.3.8作为换热管换热管12.5的座孔、顶部左右两侧分别是左水腔12.3.2和右水腔12.3.7，左水腔12.3.2和右水腔12.3.7分别主，设置放气孔12.3.4和气温测孔12.3.5，高温气腔12.3.3在左水腔12.3.2和右水腔12.3.7下部相邻，低温气腔12.3.10在铸造本体12.3.1下部，含氧量测孔12.3.9设置在铸造本体12.3.1侧面的中上部位。

优选的，气温测孔12.3.5贯穿设置在左水腔12.3.2和右水腔12.3.7内，还起到支撑加固水腔的作用。

参照附图10，本发明提到的换热管12.5由接口12.5.1、串水孔道12.5.2、安装座12.5.3、翅片12.5.4构成，换热管12.5两端有相同结构的接口12.5.1，分别与进气端盖12.2和排气端盖12.6对应的连接口连接，串水孔道12.5.2内流动水，安装座12.5.3对应换热管座孔12.3.8安装，翅片12.5.4与烟气接触换热。

参照附图11-13，本发明提到的排气端盖12.6由连接弯头12.6.1、跨接弯头12.6.2、内端盖12.6.3、紧固螺栓串孔管12.6.4、外端盖12.6.5、泄爆接口管12.6.6、排气口管12.6.7构成，内端盖12.6.3、外端盖12.6.5、泄爆接口管12.6.6、排气口管12.6.7相连构成密闭空间，紧固螺栓串孔管12.6.4连接内端盖12.6.3和外端盖12.6.5，连接弯头12.6.1与内端盖12.6.3相连，跨接弯头12.6.2将连接弯头12.6.1与由多个中间分隔体12.3构成的水腔相连。

本发明提到的煤矿低浓度瓦斯预混冷凝热水装置的使用方法，包括以下过程：

一、开机前扫气：每次开机前应关闭电磁阀3，开启离心风机5扫气5min以上；

二、点火启动：在电控单元20上启动点火器9，如连续2次点火不成功，监火器10信号反馈到电控单元20，指令电磁阀3关断煤矿瓦斯通道；

三、煤矿瓦斯与空气预混控制：比例阀1感应离心风机5出口气压，跟随装置负荷变化，对预混比例进行粗调；依据烟气氧传感器17信号控制电控混合器4煤矿瓦斯进气通道或空气通道的开度实现甲烷与空气混合比例的精确调整；

四、冷凝换热：燃烧烟气在换热器12内自上而下流动，凉水由循环水泵13驱动自下而上流动；热水出水温度在50℃～90℃，烟气中冷凝出来的水集中排放。

优选的，上述步骤三的详细步骤如下：

在离心风机5的抽吸作用下，煤矿低浓度瓦斯经过比例阀1、电磁阀3进入电控混合器4，同时空气经过空滤器6也进入电控混合器4，两路气体混合后经离心风机5正压经过阻火器7进入燃烧器11燃烧，燃烧烟气首先加热冷凝换热器12水腔内的水，之后烟气在冷凝换热器12内的气腔向下流动，循环水在循环水泵13的驱动下由冷凝换热器12内的水腔自下而上流动，水与烟气壁间继续换热，烟气温度降低至55℃左右排出，水被加热到90℃以下进入板式换热器16内与外循环水热交换。

由电控单元20控制点火器9点燃烧预混瓦斯，并监控火焰传感器8、监火器10、液位传感器14、氧传感器17、水温传感器18、燃烧温度传感器19工作状态，当监火器10测得熄火、火焰传感器8测得回火时，立即关断电磁阀3和EB电机2；当液位传感器14测得膨胀水箱15液位低时，先报警并延时关断电磁阀3和EB电机2；当氧传感器17测得烟气含氧浓度变化时，电控混合器4调节控制预混瓦斯比例；当水温传感器18测得水温变化时，循环水泵13调节循环水量；当燃烧温度传感器19测得烟气温度超限时，电控混合器4调节预混瓦斯比例。

以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的相应简单修改或等同变换，尽属于本发明要求保护的范围。