一种森林土壤甲烷收集装置及其收集方法

技术领域

本发明涉及机械工程技术领域，特别是涉及一种森林土壤甲烷收集装置及其收集方法。

背景技术

目前，甲烷在自然界的分布很广，甲烷是含碳量最小、最简单的有机物，是天然气，沼气，坑气等的主要成分，俗称瓦斯。它可用来作为燃料及制造氢气、炭黑、一氧化碳、乙炔氢氰酸及甲醛等物质的原料；甲烷是比较活跃的温室气体，在最近的100到200年间，大气中甲烷的浓度正在快速增长，其主要来源于森林土壤中；森林土壤是我国陆地生态系统重要的组成成分，直接影响着我国温室效应的研究，其次，甲烷还可以用作燃料的使用。

但是，现有的甲烷收集器并不能适用于森林甲烷的采集：

(1)现有收集装置多为履带式移动设备，不仅体型笨重，而且行动缓慢；而且收集装置由于体积大、操作难度高，对采集人员的要求高，不利于实际运用

(2)现有收集装置精密仪器较多，电子元件消耗的能耗过大；而且对森林土壤甲烷进行收集时，电能得不到及时的补充，严重影响甲烷收集的效率；

(3)现有的的收集装置不能根据实时的采集需求切换不同的采集情况，采集甲烷的方式单一，采集甲烷的浓度普遍偏低；

(4)现有收集装置机及收集的方法均为传统的一步到位的吸气式收集，不仅容易使气体中的杂志进入到甲烷收集器中，也为后续的处理或使用提供了隐患；

(5)现有收集装置大多采用遥控控制，但森林中信号不稳定，因此亟需一种纯机械的甲烷收集装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种森林土壤甲烷收集装置及其使用方法，以解决上述现有技术存在的问题，使收集装置可以长时间使用，且没有能源消耗，并且便于适用于森林土壤收集。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种森林土壤甲烷收集装置，包括甲烷收集小车，所述甲烷收集小车上方固定设置有采集组件以及与所述采集组件连通的收集组件；通过纯机械的采集装置进行对甲烷的快速采集，不仅提高了装置的实用性，而且能够在不消耗能源的情况下长时间进行采集工作，提高甲烷的收集能力。

所述采集组件包括不少于两组的甲烷收集器，每组所述甲烷收集器包括甲烷气体收集腔，所述甲烷气体收集腔一端开设有甲烷腔口，所述甲烷腔口处可拆卸连接有第一单向阀，所述甲烷腔口的一端连通有若干组甲烷集气管，所述甲烷气体收集腔内部滑动设置有推板，所述推板将甲烷气体收集腔分为两部分，所述甲烷气体收集腔上开设有甲烷出气口，所述甲烷出气口连通有收集组件；所述推板远离第一单向阀的一侧固定连接有推杆，所述推杆贯穿所述甲烷收集器一侧固定设置有轮齿和弹簧；所述轮齿啮合有半齿轮，所述半齿轮上设置有半圈轮齿；所述半齿轮与所述推杆的轮齿啮合，相邻推杆上的轮齿相对。甲烷收集器为圆筒状，推板与第一单向阀均为圆形，并且与甲烷收集器的截面相适配；在本装置中，所有连接口均设置有橡胶密封条，防止装置在收集气体的过程中出现漏气或者漏水现象，提高装置的实用性；推杆会在半齿轮的带动下拉回，并在弹簧的作用下快速推出，实现对气体吸入和排出，方便快捷，防止甲烷气体不间断的被吸入到甲烷气体收集腔中，为甲烷的收集工作提供良好的密封环境。

优选的，所述甲烷收集小车上固定设置有支架，所述半齿轮与所述支架轴接，所述甲烷收集器与所述甲烷收集小车之间固定设置有固定架，所述固定架所述甲烷收集器靠近所述半齿轮的一端固定连接；固定架将上下并列的两组甲烷收集器进行固定，固定架固定在甲烷收集器的一侧，并且固定架在推杆的位置处开设有与推杆相适配的通孔，便于推杆滑动，提高推杆在固定架上的滑动效率，进而提高甲烷气体收集腔中的甲烷收集效率。

优选的，所述甲烷收集器设置有偶数组，每相邻两组甲烷收集器上下布置，每组所述甲烷收集器上的甲烷集气管不少于两组；所述位于半齿轮下方的甲烷收集器的弹簧设置在推板与甲烷气体收集腔之间，所述位于半齿轮上方的弹簧位于所述固定架靠近收集组件的一侧与推杆端部之间，所述推杆端部设置有限位板；由于使用半齿轮在转动带动推杆移动，当使用一组手甲烷收集器时，会出现半齿轮空转半圈的空档，而使用两组上下布置，且推杆轮齿与相对的甲烷收集器时，会加快收集过程，避免出现半齿轮出现空转的现象，提高了甲烷气体收集效率。

优选的，所述推板的上部铰接有拉杆，所述拉杆的远离推板的一端固定设置有磁块且与所述甲烷气体收集腔内部抵接，所述第一单向阀的一端固定设置有磁块；所述第二单向阀设置有若干组，所述第二单向阀的一端与推板铰接；拉杆斜置在挡板前方，可以根据实际需要调整拉杆的倾斜角度；拉杆与第一单向阀的相加起来的长度小于推杆从第地单向阀到限位块的距离，以此能够实现在推板回拉过程中，当推板将要接触到限位块时，拉杆和第一单向阀拉脱，第一单向阀在自身重力作用下关闭，能够使甲烷收集器内部变成封闭空间，便于推板回退压缩空气，进而打开第二单向阀，是收集到的甲烷气体进入到推板后侧，为甲烷气体进入到收集箱做准备。

优选的，所述收集组件包括与所述甲烷收集器连通的收集箱以及与所述收集箱连通的储水箱；所述收集箱上连通有甲烷进气管，所述甲烷进气管上连通有过滤器，所述收集箱的甲烷进气管与所述甲烷收集器的甲烷出气口通过软管连通，所述甲烷进气管贯穿所述收集箱上壁，所述甲烷进气管上设置有第三单向阀，所述收集箱上还开设有甲烷集气口，所述甲烷集气口连通有甲烷干燥盒，所述甲烷集气口可拆卸连接有甲烷气囊；所述收集箱内部设置有排水管，所述排水管的一端靠近收集箱的底部，所述排水管的另一端连接有输水管，所述输水管与所述储水箱连通；收集箱的进水口上的第三单向阀只能朝向收集箱内部打开，防止收集的气体逸出，收集箱的进水口上连通有过滤器，过滤器会将吸入的和灰尘吸收，防止灰尘进入到收集箱中，对收集箱中的水体造成污染；利用甲烷不溶于水的性质，采用向上排水法收集甲烷气体，由于水的压力较大，在收集箱中的甲烷气体会被一定程度的进行压缩，进而提高收集箱中可以存放甲烷的量，在收集箱中甲烷气体充满后，打开集气孔，套上甲烷气囊，将甲烷气体排入到甲烷气囊中，通过集气孔上的甲烷干燥盒对甲烷气体进行干燥；提高甲烷的收集量。

优选的，所述甲烷收集小车底部设置有支座，所述支座上固定设置有液压杆，所述液压杆贯穿所述甲烷收集小车；所述液压杆远离支座的一端固定连接有固定框，所述固定框内部安装有储水箱；液压杆会推动储水箱上升或者下降，当储水箱上升后，储水箱中的水会进入到收集箱中，在水进入的收集箱的过程中会将推动收集箱中的甲烷气体快速进入到甲烷气囊中，提高排出甲烷的速率。

优选的，所述半齿轮通过皮带与所述甲烷收集小车的车轮连接，可以根据使用情况将半齿轮与下车轮轴连接或者将半齿轮连接把手或电机，可以实现边移动边收集或者原地收集，大大的提高了甲烷的收集效率。

优选的，所述甲烷收集小车端部固定设置有甲烷浓度探测器，可以实时探测收集地的甲烷浓度，也可以实时探测采集情况，便于使用人员正确的判断。

一种森林土壤甲烷收集装置的收集方法，包括以下操作步骤：

步骤一，调整采集口；打开甲烷浓度探测器，将甲烷集气管调节至不同方向；

步骤二，收集甲烷气体；驱动半齿轮转动，半齿轮驱动推杆吸入甲烷气体；

步骤三，富集甲烷气体：甲烷收集器中的甲烷气体通过软管被压入到收集箱中收集；

步骤四，排除甲烷气体：打开排气口，在排气口套上甲烷气囊，将储水箱升高至与收集箱顶面相同的高度。

优选的，所述步骤(1)中，推动甲烷收集小车，半齿轮旋转，带动推杆滑动，推杆带动推板在收集箱内部滑动，通过甲烷气体的压力，第一单向阀关闭且第二单向阀打开使气体流向甲烷出气口。

本发明公开了以下技术效果：

(1)本发明通过纯机械结构实现了对甲烷的收集，而且装置整体结构较小，便于实现在森林中穿梭；通过机械传动使该装置在使用没有能源消耗，可以根据需要采集的情况长时间的使用；

(2)本发明通过在甲烷收集箱上安装不同模式的管道，实现了快速采集和精确采集相结合的模式，在实际采集甲烷气体时，操作人员可以根据需要选择合理的采集模式，提高了采集甲烷的效率和收集到的甲烷的纯度；

(3)本发明通过将甲烷收集器中推板滑动产生的压力以及各个单向阀的相互配合能够快速收集甲烷气体；并且可以根据使用情况将半齿轮与下车轮轴连接或者将半齿轮连接把手或电机，可以实现边移动边收集或者原地收集，大大的提高了收集的效率；

(4)本发明通过将甲烷不溶于水的性质，采用排水法进行收集，不仅能够使提高对甲烷收集的纯洁度，还可以通过水的压力将收集箱中的甲烷进行压缩，便于实现对甲烷一次性大量收集，提高收集效率，减轻使用者的体力；

(5)本发明通过机械的控制，不仅减少了装置使用时的故障，而且降低了实用难度，提高了装置的实用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明收集装置结构示意图；

图2为本分明收集装置连接甲烷气囊结构示意图；

图3为本发明采集组件结构示意图；

图4为本发明收集装置另一形态结构示意图；

图5为本发明A的放大图；

其中：1、甲烷收集器；101、甲烷气体收集腔；102、甲烷腔口；103、拉杆；104、磁块；2、第一单向阀；3、推板；4、第二单向阀；5、推杆；6、弹簧；7、轮齿；8、甲烷集气管；9、甲烷出气口；10、甲烷收集箱；11、储水箱；12、半齿轮；13、甲烷收集小车；14、皮带；15、支架；16、固定架；17、甲烷进气管；18、过滤器；19、软管；20、第三单向阀；21、甲烷集气口；22、甲烷气囊；23、甲烷干燥盒；24、排水管；25、支座；26、液压杆；27、固定框；28、限位块；29、甲烷浓度探测器；30、甲烷感应指示器；31、排空气管；32、风扇；33、甲烷气体收集阀门；34、排空气阀门。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明实施例一：

参照图1-3，本发明提供一种森林土壤甲烷收集装置，包括甲烷收集小车13，甲烷收集小车13上方固定设置有采集组件以及与采集组件连通的收集组件；通过纯机械的采集装置进行对甲烷的快速采集，不仅提高了装置的实用性，而且能够在不消耗能源的情况下长时间进行采集工作；

采集组件包括不少于两组的甲烷收集器1，每组甲烷收集器1包括甲烷气体收集腔101，甲烷气体收集腔101一端开设有甲烷腔口102，甲烷腔口102处可拆卸连接有第一单向阀2，甲烷腔口102的一端连通有若干组甲烷集气管8，甲烷气体收集腔101内部滑动设置有推板3，推板3将甲烷气体收集腔101分为两部分，甲烷气体收集腔101上开设有甲烷出气口9，甲烷出气口9连通有收集组件；推板3远离第一单向阀2的一侧固定连接有推杆5，推杆5贯穿甲烷收集器1一侧固定设置有轮齿7和弹簧6；轮齿7啮合有半齿轮12，半齿轮12上设置有半圈轮齿7；半齿轮12与推杆5的轮齿7啮合，相邻推杆5上的轮齿7相对，半齿轮12通过皮带14与甲烷收集小车13的车轮连接。可以根据使用情况将半齿轮12与下车轮轴连接或者将半齿轮12连接把手或电机，可以实现边移动边收集或者原地收集，大大的提高了收集的效率。甲烷收集器1为圆筒状，推板3与第一单向阀2均为圆形，并且与甲烷收集器1的截面相适配；在本装置中，所有连接口均设置有橡胶密封条，防止装置在收集气体的过程中出现漏气或者漏水现象，提高装置的实用性；推杆5会在半齿轮12的带动下拉回，并在弹簧6的作用下快速推出，实现对气体吸入和排出，方便快捷。

甲烷收集小车13端部固定设置有甲烷浓度探测器29；可以实时探测收集地的甲烷浓度，也可以实时探测采集情况，便于使用人员正确的判断；甲烷收集小车13上固定设置有支架15，甲烷收集小车13底部设置有支座25，支座25上固定设置有液压杆26，液压杆26贯穿甲烷收集小车13；液压杆26远离支座25的一端固定连接有固定框27，固定框27内部安装有储水箱11。液压杆26会推动储水箱11上升或者下降，当储水箱11上升后，储水箱11中的水会进入到收集箱10中，在水进入的收集箱10的过程中会将推动收集箱10中的甲烷气体快速进入到甲烷气囊22中，提高排出甲烷的速率；半齿轮12与支架15轴接，甲烷收集器1与甲烷收集小车13之间固定设置有固定架16，固定架16甲烷收集器1靠近半齿轮12的一端固定连接。固定架16将上下并列的两组甲烷收集器1进行固定，固定架16固定在甲烷收集器1的一侧，并且固定架16在推杆5的位置处开设有与推杆5相适配体的通孔，便于推杆5滑动。

甲烷收集器1设置有偶数组，每相邻两组甲烷收集器1上下布置，每组甲烷收集器1上的甲烷集气管8不少于两组；位于半齿轮12下方的甲烷收集器1的弹簧6设置在推板3与甲烷气体收集腔101之间，位于半齿轮12上方的弹簧6位于固定架16靠近收集组件的一侧与推杆5端部之间，推杆5端部设置有限位板。由于使用半齿轮12在转动带动推杆5移动，当使用一组手甲烷收集器1时，会出现半齿轮12空转半圈的空档，而使用两组上下布置，且推杆5轮齿7与相对的甲烷收集器1时，会加快收集过程，避免出现半齿轮12出现空转的现象，提高了甲烷气体收集效率；推板3的上部铰接有拉杆103，拉杆103的远离推板3的一端固定设置有磁块104且与甲烷气体收集腔101内部抵接，第一单向阀2的一端固定设置有磁块104；第二单向阀4设置有若干组，第二单向阀4的一端与推板3铰接。拉杆103斜置在挡板前方，可以根据实际需要调整拉杆103的倾斜角度；拉杆103与第一单向阀2的相加起来的长度小于推杆5从第一单向阀2到限位块28的距离，以此能够实现在推板3回拉过程中，当推板3将要接触到限位块28时，拉杆103和第一单向阀2拉脱，第一单向阀2在自身重力作用下关闭，能够使甲烷收集器1内部变成封闭空间，便于推板3回退压缩空气，进而打开第二单向阀4。

收集组件包括与甲烷收集器1连通的收集箱10以及与收集箱10连通的储水箱11；收集箱10上连通有甲烷进气管17，甲烷进气管17上连通有过滤器18，收集箱10的甲烷进气管17与甲烷收集器1的甲烷出气口9通过软管20连通，甲烷进气管17贯穿收集箱10上壁，甲烷进气管17上设置有第三单向阀20，收集箱10上还开设有甲烷集气口21，甲烷集气口21连通有甲烷干燥盒23，甲烷集气口21可拆卸连接有甲烷气囊22；收集箱10内部设置有排水管24，排水管24的一端靠近收集箱10的底部，排水管24的另一端连接有输水管24，输水管24与储水箱11连通。收集箱10的甲烷进气管17上的第三单向阀20只能朝向收集箱10内部打开，防止收集的气体逸出，收集箱10的进水口上连通有过滤器18，过滤器18会将吸入的和灰尘吸收，防止灰尘进入到收集箱10中，对收集箱10中的水体造成污染；利用甲烷不溶于水的性质，采用向上排水法收集甲烷气体，由于水的压力较大，在收集箱10中的甲烷气体会被一定程度的进行压缩，进而提高收集箱10中可以存放甲烷的量，在收集箱10中甲烷气体充满后，打开集气孔，套上甲烷气囊22，将甲烷气体排入到甲烷气囊22中，通过集气孔上的甲烷干燥盒对甲烷气体进行干燥；提高甲烷的收集量。

一种森林土壤甲烷收集装置的收集方法，包括以下操作步骤：

步骤一，调整采集口；打开甲烷浓度探测器，将甲烷集气管调节至不同方向；

步骤二，收集甲烷气体；驱动半齿轮转动，半齿轮驱动推杆吸入甲烷气体；

步骤三，富集甲烷气体：甲烷收集器中的甲烷气体通过软管被压入到收集箱中收集；

步骤四，排除甲烷气体：打开排气口，在排气口套上甲烷气囊22，将储水箱升高至与收集箱顶面相同的高度。

所述步骤(1)中，推动甲烷收集小车，半齿轮旋转，带动推杆滑动，推杆带动推板在收集箱内部滑动，通过甲烷气体的压力，第一单向阀关闭且第二单向阀4打开使气体流向甲烷出气口。

工作过程：使用时，首先通过甲烷浓度探测器29探测所收集地的甲烷浓度，然后调整各个甲烷集气管8朝向不同的方向和高度，推动甲烷收集小车13或者区启动电机带动半齿轮12转动，半齿轮12与上下两个推杆5啮合，当半齿轮12与推杆5上的轮齿7相啮合时，下推杆5回拉吸气，拉杆103上的磁铁与第一单向阀2的磁铁相吸，在推板3向后移动的过程中，拉杆103拉动第一单向阀2升起，甲烷收集器开始吸气，当推板3快要接触到限位块28时，拉杆103与第一单向阀2拉脱，第一单向阀2在重力的作用下迅速关闭，此时推板3与限位块28抵接，并且此时半齿轮12刚刚与推杆5上的轮齿7不啮合，推板3在弹簧6弹力的作用下迅速回推，将第一单向阀2与推板3之间的甲烷气体压缩，在气体压力的作用下，第二单向阀4打开，将气体排到推板3另一侧，当拉杆103与第一单向阀2抵接时，推板3停止移动，第二单向阀4在重力的作用下关闭；当半齿轮12再次与推杆5上的轮齿7啮合时，推板3回拉，压缩推板3右侧的甲烷气体，推板3右侧的气体通过推板3推入到甲烷出气口9，气体通过软管进入到过滤器18中过滤，然后进入到收集箱10中，收集箱10中的气体会将收集箱10中的水压入到储水箱11中，当收集箱10中的水排完后，在甲烷集气口21上套接甲烷气囊22，并通过液压杆26将储水箱11升起到与收集箱10端面向平的位置，将水再排放到收集箱10中，为下一次收集做准备，排完降下储水箱11，关闭甲烷集气口21即可。

本发明实施例二：参照图4-5，与实施例一相比，本实施例在甲烷收集箱10上部开设有排空气管31，排空气管31上设置有排空气阀门37和风扇32，风扇32与甲烷浓度探测器29使用同一电源；并且在甲烷收集箱10上方还加长了甲烷集气口21，在甲烷集气口21增长的部分安装有甲烷感应指示器30。

收集工作：甲烷和空气吸入到甲烷收集箱10中，通过排水法将甲烷收集箱10中的水排向储水箱11，在排水收集气体的过程中，由于甲烷气体的密度小于空气的密度大，所以甲烷会流动到甲烷收集箱10的上部，当甲烷收集箱10的水排空时，在甲烷集气口21上套上甲烷气囊22，打开甲烷气体收集阀门33，此时，位于甲烷气体收集箱10上部的甲烷气体会进入到甲烷气囊22中，当甲烷感应指示器30检测到甲烷的浓度降低时，甲烷感应指示器30会发出警告，此时，关闭甲烷气体收集阀门33，打开排空气管阀门34和风扇32，通过风扇32的转动，将甲烷收集箱10内部的空气排放回森林。

本发明通过实施例一：快速收集甲烷气体的方式和实施例二：精确收集甲烷的方式相结合，提高了装置实用性和适用范围，便于操作人员通过实际工作需求选择甲烷的收集方式，提高了收集效率；而且无论那种收集方式，均是通过简单的机械操作来完成的，对操作人员的要求较低，便于操作使用，装置实用性强。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。