專利名稱：一種利用太陽能富集煤礦瓦斯的系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及富集煤礦瓦斯技術領域，具體涉及一種利用太陽能富集煤礦瓦斯的系統。
背景技術：
現行的富集瓦斯的主要技術途徑有深冷分離技術、變壓吸附技術和膜分離技術。低溫精餾法利用N2與CH4的沸點差將兩者分離，成本很高，經濟型差；膜分離技術以膜兩側氣體的分壓差為推動力，通過組分間傳遞速率的差異來實現分離，對制膜技術依賴性強、成本高；變壓吸附(PSA)分離技術則利用吸附劑在一定壓力下對煤層氣中CH4及其他組分的吸附容量不同，將其中CH4進行分離，其設備復雜，吸附劑的制備能耗大。隨著我國對環保的要求不斷提高，對降低能耗要求的不斷提高，對經濟性要求的提高。原有的富集瓦斯技術漸漸不能適應這些要求。
發明內容
為解決上述現有技術中存在的問題，本發明的目的在于提供一種利用太陽能富集煤礦瓦斯的系統，能夠減少富集瓦斯氣的能耗和成本，提高經濟性。為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案是一種利用太陽能富集煤礦瓦斯的系統，包括利用太陽能加熱的第一級樹冠形管道2，第一級樹冠形管道2的入口和煤礦瓦斯出口相連通，第一級樹冠形管道2的出口通過泵5和第一甲烷收集器6-1的入口相連通，第一甲烷收集器6-1的出口和利用太陽能加熱的第二級樹冠形管道8的入口相連通，第二級樹冠形管道8的出口通過泵5和第二甲烷收集器6-2的入口相連通，第二甲烷收集器6-2的出口和利用太陽能加熱的第三級樹冠形管道10的入口相連通，第三級樹冠形管道10的出口通過泵5和濃縮瓦斯貯存器11相連通，第一級樹冠形管道2的乏氣出口和凈化裝置3相連通，第二級樹冠形管道8和第三級樹冠形管道10的乏氣出口通過循環管道9和第一級樹冠形管道2的入口相連通，在第一甲烷收集器
6-1和第二甲烷收集器6-2中安裝有甲烷濃度感應器7。所述第一級樹冠形管道2、第二級樹冠形管道8和第三級樹冠形管道10的結構相同，均為樹形截面管道I，所述樹形截面管道I包括樹干形下部管道1-1和樹冠形上部管道1-2，所述樹冠形上部管道1-2由樹冠上型線管道1-2-1和樹冠下型線管道1-2-2圍成，在樹干形下部管道1-1外側、樹冠下型線管道1-2-2外側下部設置有遮熱板2，則樹干形下部管道1-1、樹冠下型線管道1-2-2以及遮熱板2包圍成分置于樹冠形上部管道1-2之下、樹干形下部管道1-1外側的通風槽3。在所述通風槽3內引入自然風或人工鼓風對樹干形下部管道1-1進行通風冷卻。所述樹干形下部管道1-1的截面為矩形或梯形。所述樹冠上型線管道1-2-1為中間高兩端低的曲線或折線。所述樹冠下型線管道1-2-2為水平直線、中間高兩端低或中間低兩端高的曲線或折線。 在所述樹干形下部管道1-1和/或樹冠下型線管道1-2-2的外表面設置擴展受熱面4。所述擴展受熱面為散熱翅片。和現有技術相比，本發明具有如下優點本發明使用清潔的太陽能作為熱源，充分利用仿生學原理，實現了非機械式甲烷濃縮，充分節能，同時充分利用煤礦資源豐富地區獨特的地理優勢，有效利用廢棄瓦斯氣。本發明利用仿生學優化，將管道設計“樹形”，其上表面吸收太陽能集熱，產生高溫表面，管道下部設置遮熱板，設立通風槽，利用對流換熱及減少輻射換熱量的方式，對管道下部進行冷卻，建立低溫表面，在溫度差和密度差的作用下，通過密度差效應，使甲烷上浮 并集中在管道上部，并通過多級濃縮，實現在運輸過程中利用太陽能濃縮煤礦瓦斯。若長方形的截面管道在太陽傾斜入射時，則投影面積太小；若普通的圓形截面管道，雖然在一天中不同時刻具有較大的有效吸收面積，但是由于管道的熱傳導及下半部分照射到太陽光時也得到加熱，這樣也沒有有效的冷卻措施，難以建立較大的而穩定的溫差。“樹形”管道的表面提高管道對太陽能的吸收效率，并利用這種管道結構上的優勢再結合西北地區有風背陰處與太陽直射區會形成較大溫度差異的氣候特點，有效利用太陽能加熱管道上表面，在管道的橫截面上建立溫差。甲烷與空氣相對分子質量不同，在溫差的作用下形成密度差，對甲烷組分產生浮升力。這樣在高溫表面甲烷濃度會比低溫表面大，與空氣逐漸分離，從而通過密度差效應使瓦斯得到了濃縮。能夠減少富集瓦斯氣的能耗和成本，提高經濟性。
圖I是本發明太陽能富集煤礦瓦斯的系統示意圖。圖2是本發明實施例一樹形管道截面形狀示意圖。圖3是本發明實施例二樹形管道截面形狀示意圖。圖4是本發明實施例三樹形管道截面形狀示意圖。圖5是本發明實施例四樹形管道截面形狀示意圖。圖6是本發明實施例五樹形管道截面形狀示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明。如圖I所示，本發明一種利用太陽能富集煤礦瓦斯的系統，包括利用太陽能加熱的第一級樹冠形管道2，第一級樹冠形管道2的入口和煤礦瓦斯出口相連通，第一級樹冠形管道2的出口通過泵5和第一甲烷收集器6-1的入口相連通，第一甲烷收集器6-1的出口和利用太陽能加熱的第二級樹冠形管道8的入口相連通，第二級樹冠形管道8的出口通過泵5和第二甲烷收集器6-2的入口相連通，第二甲烷收集器6-2的出口和利用太陽能加熱的第三級樹冠形管道10的入口相連通，第三級樹冠形管道10的出口通過泵5和濃縮瓦斯貯存器11相連通，第一級樹冠形管道2的乏氣出口和凈化裝置3相連通，第二級樹冠形管道8和第三級樹冠形管道10的乏氣出口通過循環管道9和第一級樹冠形管道2的入口相連通，在第一甲烷收集器6-1和第二甲烷收集器6-2中安裝有甲烷濃度感應器7。本發明的工作原理為如圖I所示，將低濃度煤礦瓦斯經過閥門I通入第一級樹冠形管道2，濃縮到一定濃度后，將管道上部的經過一級濃縮的濃縮瓦斯，通過泵5通入甲烷收集器6，在各個甲烷收集器6中安置甲烷濃度感應器7，實時監控每一級濃縮后的甲烷濃度，再經過閥門I后，濃縮瓦斯進入第二級樹冠形管道8，進行進一步的濃縮，這樣依次通過第一樹冠形管道2，第二樹冠形管道8，第三級樹冠形管道10，和兩個甲烷收集器6后，通過泵5和閥門I控制最終的濃縮瓦斯氣流量，進入濃縮瓦斯貯存器11，并通過安裝于濃縮瓦斯貯存器11的甲烷濃度感應器7監測甲烷濃度，得到最終的產品一具有一定甲烷濃度的濃縮瓦斯，而在第二，三級富集管道下部的乏氣還含有可觀的甲烷，不適于直接排放，因此通過循環管道9和泵5送回第一級樹形管道2的入口與新輸入的低濃度瓦斯一起進入第一級樹形管道2被富集，而第一級樹形管道2出口的乏氣，甲烷含量很低故經過凈化裝置3的排氣口 4排空。 實施例一如圖2所示，本實施例第一級樹冠形管道2、第二級樹冠形管道8和第三級樹冠形管道10的樹形截面管道I包括樹干形下部管道1-1和樹冠形上部管道1-2，樹冠形上部管道1-2由樹冠上型線管道1-2-1和樹冠下型線管道1-2-2圍成，在樹干形下部管道1-1外偵U、樹冠下型線管道1-2-2外側下部設置有遮熱板2，則樹干形下部管道1-1、樹冠下型線管道1-2-2以及遮熱板2包圍成分置于樹冠形上部管道1-2之下、樹干形下部管道1-1外側的通風槽3，通風槽3內引入自然風或人工鼓風對樹干形下部管道1-1進行通風冷卻。本實施例樹干形下部管道1-1的截面為矩形，樹冠上型線管道1-2-1為中間高兩端低的曲線，樹冠下型線管道1-2-2為水平直線。實施例二如圖3所示，本實施例第一級樹冠形管道2、第二級樹冠形管道8和第三級樹冠形管道10的樹形截面管道I，樹干形下部管道1-1的截面為梯形，樹冠上型線管道1-2-1為中間高兩端低的三角形，樹冠下型線管道1-2-2為中間高兩端低的折線。其他結構同實施例
o實施例三如圖4所示，本實施例第一級樹冠形管道2、第二級樹冠形管道8和第三級樹冠形管道10的樹形截面管道I，樹干形下部管道1-1的截面為梯形，樹冠上型線管道1-2-1為中間高兩端低的折線，樹冠下型線管道1-2-2為中間低兩端高的折線。其他結構同實施例一。實施例四如圖5所示，本實施例第一級樹冠形管道2、第二級樹冠形管道8和第三級樹冠形管道10的樹形截面管道1，樹干形下部管道1-1的截面為矩形，樹冠上型線管道1-2-1為中間高兩端低的曲線，樹冠下型線管道1-2-2為水平直線。在樹干形下部管道1-1的外表面設置擴展受熱面，優選擴展受熱面為散熱翅片。實施例五如圖6所示，本實施例第一級樹冠形管道2、第二級樹冠形管道8和第三級樹冠形管道10的樹形截面管道1，樹干形下部管道1-1的截面為矩形，樹冠上型線管道1-2-1為中間高兩端低的曲線，樹冠下型線管道1-2-2為水平直線。在樹冠下型線管道1-2-2的外表面設置擴展受熱面，優選擴展受熱面為散熱翅片。本發明使用清潔的太陽能作為熱源，為保證在沒有運動部件的情況下，最大程度地利用一天中所有時段的太陽能，使用當地灌木樹冠的形狀作為管道截面的形狀，能夠在管道表面積有限的情況下，對不同的太陽光入射角下保證管道表面接受到的太陽能輻射總
量最優化。
本發明適用于我國煤炭資源儲量豐富的西北地區煤礦瓦斯富集系統。我國煤礦資源豐富的地區大都地域遼闊，適于鋪設長管道或者蛇形彎曲的管道，充分吸收太陽能，使瓦斯在足夠的輸送距離中利用熱擴散效應得以濃縮。利用太陽能集熱，在樹形的管道中制造溫度梯度。這種特殊管道只需專門的模具即可在現行制造技術下得以實現。本發明原理清晰，裝置制造簡單，在現代工業技術背景下可行性強，適于工業運用的特點。吻合國家“進一步加大煤層氣抽采利用力度，強化煤礦瓦斯治理，減輕煤礦瓦斯災害”的目標與要求，產生良好的環保效應，更具有巨大的現實意義與市場潛力。
權利要求
1.一種利用太陽能富集煤礦瓦斯的系統，其特征在于包括利用太陽能加熱的第一級樹冠形管道(2)，第一級樹冠形管道(2)的入口和煤礦瓦斯出口相連通，第一級樹冠形管道(2)的出口通過泵(5)和第一甲烷收集器(6-1)的入口相連通，第一甲烷收集器(6-1)的出口和利用太陽能加熱的第二級樹冠形管道(8)的入口相連通，第二級樹冠形管道(8)的出口通過泵(5)和第二甲烷收集器(6-2)的入口相連通，第二甲烷收集器(6-2)的出口和利用太陽能加熱的第三級樹冠形管道(10)的入口相連通，第三級樹冠形管道(10)的出口通過泵(5)和濃縮瓦斯貯存器(11)相連通，第一級樹冠形管道(2)的乏氣出口和凈化裝置(3)相連通，第二級樹冠形管道(8)和第三級樹冠形管道(10)的乏氣出口通過循環管道(9)和第一級樹冠形管道(2)的入口相連通，在第一甲烷收集器(6-1)和第二甲烷收集器(6-2)中安裝有甲烷濃度感應器(7)。
2.根據權利要求I所述的一種利用太陽能富集煤礦瓦斯的系統，其特征在于所述第一級樹冠形管道(2)、第二級樹冠形管道(8)和第三級樹冠形管道(10)的結構相同，均為樹形截面管道(1)，所述樹形截面管道(I)包括樹干形下部管道(1-1)和樹冠形上部管道(1-2)，所述樹冠形上部管道(1-2)由樹冠上型線管道(1-2-1)和樹冠下型線管道(1-2-2)圍成，在樹干形下部管道(1-1)外側、樹冠下型線管道(1-2-2)外側下部設置有遮熱板(2)，則樹干形下部管道(1-1)、樹冠下型線管道(1-2-2)以及遮熱板(2)包圍成分置于樹冠形上部管道(1-2)之下、樹干形下部管道(1-1)外側的通風槽(3)。
3.根據權利要求2所述的一種利用太陽能富集煤礦瓦斯的系統，其特征在于在所述通風槽(3 )內引入自然風或人工鼓風對樹干形下部管道(1-1)進行通風冷卻。
4.根據權利要求3所述的一種利用太陽能富集煤礦瓦斯的系統，其特征在于所述樹干形下部管道(1-1)的截面為矩形或梯形。
5.根據權利要求3所述的一種利用太陽能富集煤礦瓦斯的系統，其特征在于所述樹冠上型線管道(1-2-1)為中間高兩端低的曲線或折線。
6.根據權利要求3所述的一種利用太陽能富集煤礦瓦斯的系統，其特征在于所述樹冠下型線管道(1-2-2)為水平直線、中間高兩端低或中間低兩端高的曲線或折線。
7.根據權利要求3所述的一種利用太陽能富集煤礦瓦斯的系統，其特征在于在所述樹干形下部管道(1-1)和/或樹冠下型線管道(1-2-2)的外表面設置擴展受熱面(4)。
8.根據權利要求7所述的一種利用太陽能富集煤礦瓦斯的系統，其特征在于所述擴展受熱面為散熱翅片。
全文摘要
一種利用太陽能富集煤礦瓦斯的系統，包括利用太陽能加熱的第一級樹冠形管道，第一級樹冠形管道入口和和煤礦瓦斯出口連通，第一級樹冠形管道出口和第一甲烷收集器入口連通，第一甲烷收集器出口和利用太陽能加熱的第二級樹冠形管道入口連通，第二級樹冠形管道出口和第二甲烷收集器入口連通，第二甲烷收集器出口和利用太陽能加熱的第三級樹冠形管道入口連通，第三級樹冠形管道出口和濃縮瓦斯貯存器連通，第一級樹冠形管道乏氣出口和凈化裝置連通，第二級樹冠形管道和第三級樹冠形管道乏氣出口和第一級樹冠形管道入口連通；本發明利用溫度場導致的氣體組分密度差，在管道運輸中對煤礦瓦斯進行富集，減少富集瓦斯氣的能耗和成本，提高經濟性。
文檔編號B01D53/00GK102824808SQ201210298648
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月21日 優先權日2012年8月21日
發明者滕召暉, 張航, 徐楠, 虞昊天, 李娜, 周屈蘭 申請人:西安交通大學