СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ УДАЛЕНИЯ МЕТАНА ИЗ ГАЗА НИЗКОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ Российский патент 2014 года по МПК E21F7/00 

1. Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение имеет отношение к технологии и оборудованию для удаления метана из газа низкой концентрации в угольных шахтах, в частности к конкретному способу и установке для удаления метана из газа низкой концентрации в угольных шахтах.

2. Уровень техники

На сегодняшний день при выполнении работ по добыче угля в угольных шахтах «рудничный газ» содержит меньше 1,5% метана в газообразном состоянии, до сих пор не появились технико-экономические средства для удаления, использования или выведения в атмосферу газа полностью. При исследованиях и в качестве показательной обработки и использования газа (рудничного газа), выкачиваемого из угольных шахт, используется технология «высокотемпературного оксидирования встречных потоков», однако при низком содержании метана процесс его удаления является достаточно дорогостоящим и требует больших затрат дополнительной энергии. Кроме того, в связи с тем, что разница между молекулами метана и молекулами кислорода и азота в воздухе достаточно велика, при различных термических условиях возникает быстрая диссоциация, что не позволяет метану равномерно распределяться в воздухе и делает реакцию высокотемпературного оксидирования невозможной. Данное явление достаточно хорошо наблюдается в окислительных установках большого объема. То же самое относится и к поверхностным стационарным установкам выведения газа из рудничных участков с высоким содержанием газа, позволяющим удалять метан, двуокись углерода и другие вредные вещества. В некоторых угольных шахтах из-за различной воздухопроницаемости угольных пластов количество удаляемого метана из газа относительно низкое, объемное содержание составляет менее 6%, однако на сегодняшний день еще нет подходящих технико-экономических средств для удаления, использования или выведения в атмосферу всего газа. В некоторых угольных шахтах газ содержит довольно много азота и двуокиси углерода, поэтому объемное содержание метана превышает 6%, однако по-прежнему нет способов его обработки или использования. Поэтому, с одной стороны, тратится этот полезный ресурс, а с другой стороны, в определенной степени загрязняется окружающая среда, в действительности же это приводит только к убыткам.

Сущность изобретения

Целью данного изобретения является обеспечение способа удаления метана из газа низкой концентрации в угольных шахтах при использовании реакции окисления малого количества метана в газе в смеси с другими компонентами газа в условиях высокой температуры. Удаление метана позволяет защитить окружающую среду, преодолеть и избежать недостатков и изъянов, имеющихся в вышеуказанной технологии.

Данное изобретение раскрывает способ удаления метана из газа низкой концентрации в угольных шахтах, включая применение специальной установки, в которой производится нагрев и реакция окисления. Особенностью вышеуказанного способа является выполнение нагрева и реакции окисления в установке для удаления метана из газа низкой концентрации в угольных шахтах, а также использование измерительно-контрольной системы для контроля хода работы, позволяющей автоматически выполнять следующие этапы: (А) начальное включение питания реактора оксидирования установки, выполнение нулевого цикла реакции окисления метана, запуск нагрева до температуры не менее 800°С; (В) после попадания газа низкой концентрации с метаном в реактор оксидирования метан быстро вступает в реакцию с кислородом, выделяя тепло; (С) установка выполняет накопление выделяемого тепла; (D) после завершения реакции окисления отработанный газ выдувается из реактора оксидирования до полной очистки; (Е) переключается направление, газ низкой концентрации угольной шахты с метаном снова подается в реактор оксидирования, снова быстро происходит окисление и выделается тепло; (F) накапливается избыточное тепло реакции, и таким образом многократно повторяются этапы (В), (С), (D), (Е), (F).

При этом, когда газ с низкой концентрацией метана входит в установку для удаления метана из газа низкой концентрации угольной шахты, путем использования сухого пламегасителя, влажного пламегасителя, скоростного запорного клапана и устройства релейного регулятора обеспечивается безопасность и механизмы защиты.

Описываемая далее установка для удаления метана из газа низкой концентрации в угольных шахтах включает устройство запорного клапана, реактор оксидирования, устройство возвратного клапана, впускную систему и измерительно-контрольную систему. Указанное устройство запорного клапана и реактор оксидирования устанавливаются вместе, затем соединяются с устройством возвратного клапана и системой подачи газа, формируя единую конструкцию.

При этом указанный запорный клапан включает электромагнитный переключательный запорный клапан, к которому последовательно подсоединяется пневмоцилиндр запорного клапана, балансир, точка опоры балансира и запорного клапана, а сам запорный клапан сверху и снизу соединяется с системой подачи газа и возвратным клапаном, который подсоединен к отверстию подачи рудничного газа и отверстию вывода отработанного газа. Указанное устройство возвратного клапана включает возвратный клапан и подсоединяемые к нему пневмоцилиндр возвратного клапана и электромагнитный клапан переключения направления, на возвратном клапане сверху имеется отверстие для отвода отработанного газа, отверстие для обратного вывода газа и соединительное отверстие для системы запорного клапана.

Указанная система подачи газа включает последовательно соединенные вытяжной вентилятор, предохранительный клапан, трубку датчика давления ветра, воздушный отсекающий клапан и клапан регулирования потока, скоростной запорный клапан, сухой пламегаситель, влажный пламегаситель и ручной клапан. Указанный предохранительный клапан и воздушный отсекающий клапан соединяются с отверстием подачи рудничного газа, сверху на ручном клапане находится отверстие отвода газа из угольной шахты. Указанный реактор оксидирования включает нагревательный элемент, установленный по центру, с двух сторон от нагревательного элемента расположены накопители тепла, а между ними установлен теплообменник. С двух сторон от теплообменника находится балансир воздушного потока, а сверху и снизу расположен теплоизоляционный слой, верхний край слоя теплоизоляции и балансир воздушного потока окружает воздуховод. Указанный теплообменник установлен симметрично между нагревательным элементом и накопителем тепла.

Указанная измерительно-контрольная система включает блок контроля и электрически подсоединенный к нему датчик концентрации метана, скоростной запорный клапан, клапан регулирования потока, предохранительный клапан, вытяжной вентилятор, манометр, термометры, датчик газового потока, возвратный клапан, клапан регулировки потока пара, датчик давления пара, датчик температуры пара, запорный клапан, отверстие подачи воды и реактор оксидирования. Указанные датчики концентрации метана, давления, температуры, потока газа устанавливаются в месте подачи рудничного газа в установку для удаления метана из газа низкой концентрации угольных шахт. Указанный датчик концентрации метана в очищенном отработанном газе и датчик температуры очищенного отработанного газа устанавливаются с двух сторон выходного отверстия.

Указанный датчик температуры реактора оксидирования располагается внутри реактора оксидирования. Указанные датчики температуры пара, давления пара, регулятор потока пара устанавливаются в системе отвода тепла в месте выхода пара. Указанный датчик концентрации метана в выводимом газе, скоростной запорный клапан, регулятор потока устанавливаются по сторонам выходного отверстия угольного газа.

Блок управления получает результаты измерений с датчиков и рассчитывает степень окисления на выходе и объем удаленного метана и сохраняет полученные данные. Результаты расчета степени окисления на выходе являются основанием для контроля смены направления подачи в установке. Указанные датчик температуры пара, датчик давления пара, регулятор потока пара устанавливаются в системе отвода тепла, образующегося в результате окисления, для последующего использования, датчик концентрации метана в выводимом газе и датчик концентрации метана в продуваемом газе измеряют данные, на основании которых осуществляется контроль подачи газа в установку, и соблюдаются меры безопасности.

Если обнаруживается, что концентрация метана превышает безопасное предельное значение, блок управления автоматически регулирует поток газа, используя регулятор потока газа. Если обнаруживается, что регулировка не работает или концентрация рудничного газа внезапно превысила безопасное предельное значение, блок управления отдает команду закрыть предохранительный клапан и скоростной запорный клапан, что приводит к остановке в целях безопасности.

Конкретные преимущества данного изобретения по сравнению с существующими технологиями:

а) выводимый газ смешивается с рудничным газом угольной шахты, а затем вытяжным вентилятором затягивается в оксидирующую установку, выводимый газ позволяет экономить время, поскольку не требуется нагнетать давление, это более удобно и позволяет экономить энергию;

б) одновременное использование механического управления и электрического управления гарантирует, что при отсутствии подачи рудничного газа в установку выводимый газ не будет поступать в оксидирующую установку во избежание перегрева или взрыва, это экологически безопасно и высокоэффективно;

в) на трубе для вывода газа устанавливается два пламегасителя - сухой пламегаситель и влажный пламегаситель, чтобы предупреждать возможность попадания источника огня в трубу для вывода газа, гарантируя, таким образом, безопасность и надежность системы вывода газа.

4. Краткое описание чертежей

Фигура 1 и Фигура 2 представляют собой структурную схему изобретенной установки.

Фигура 3 представляет собой схему управления конструкцией изобретенной установки.

5. Примеры осуществления изобретения.

Способ удаления метана из газа низкой концентрации угольных шахт включает использование специальной установки, в которой выполняется нагрев и реакция окисления. Особенностью вышеуказанного способа является выполнение нагрева и реакции окисления в установке для удаления метана из газа низкой концентрации в угольных шахтах, а также использование измерительно-контрольной системы для контроля хода работы, позволяющей автоматически выполнять следующие этапы: (А) начальное включение питания реактора оксидирования установки, выполнение нулевого цикла реакции окисления метана, запуск нагрева до температуры не менее 800°С; (В) после попадания газа низкой концентрации с метаном в реактор оксидирования метан быстро вступает в реакцию с кислородом, выделяя тепло; (С) установка выполняет накопление выделяемого тепла; (D) после завершения реакции окисления отработанный газ выдувается из реактора оксидирования до полной очистки; (Е) переключается направление, метан в газе низкой концентрации угольной шахты снова подается в реактор оксидирования, снова быстро происходит окисление и выделается тепло; (F) накапливается избыточное тепло реакции, и таким образом многократно повторяются этапы (В), (С), (D), (Е), (F).

Когда газ низкой концентрации с метаном входит в установку для удаления метана из газа низкой концентрации в угольных шахтах, путем использования сухого пламегасителя, влажного пламегасителя, скоростного запорного клапана и релейного регулятора обеспечивается безопасность и механизмы защиты.

На фигурах 1-3 показано, что установка для удаления метана из газа низкой концентрации в угольных шахтах включает устройство запорного клапана, реактор оксидирования, устройство возвратного клапана, систему подачи газа и измерительно-контрольную систему. Особенностью является то, что указанное устройство запорного клапана 47 и реактор оксидирования устанавливаются вместе, затем соединяются с устройством возвратного клапана 37 и системой подачи газа, формируя единую конструкцию.

Устройство запорного клапана 47 включает электромагнитный запорный клапан переключения направления 4, к которому последовательно подсоединяется пневмоцилиндр запорного клапана 2, балансир 5, точка опоры балансира 3 и запорный клапан 1, а сам запорный клапан 1 отдельно соединяется с системой подачи газа и отверстием подачи рудничного газа 7 и отверстием вывода отработанного газа 8. Устройство возвратного клапана 31 включает возвратный клапан 31 и подсоединяемые к нему пневмоцилиндр возвратного клапана 14 и электромагнитный возвратный клапан переключения направления возвратного клапана 15, на возвратном клапане 31 сверху имеется отверстие для отвода отработанного газа 16, отверстие для обратного вывода газа 17 и соединительное отверстие для системы запорного клапана 30. Система подачи газа включает последовательно соединенные вытяжной вентилятор 18, предохранительный клапан 19, трубку датчика давления ветра 20, воздушный отсекающий клапан 21 и клапан регулирования потока 22, скоростной запорный клапан 24, сухой пламегаситель 25, влажный пламегаситель 26 и ручной клапан 27. Указанный предохранительный клапан 19 и воздушный отсекающий клапан 21 соединяются с отверстием подачи рудничного газа 23, сверху на ручном клапане 27 находится отверстие отвода газа из угольной шахты 28. Реактор оксидирования включает нагревательный элемент 13, установленный по центру, с двух сторон от нагревательного элемента расположены накопители тепла 11, а между ними установлен теплообменник 12. С двух сторон от теплообменника 12 находится балансир воздушного потока 10, а сверху и снизу расположен теплоизоляционный слой 9, верхний край слоя теплоизоляции 9 и балансир воздушного потока 10 окружает воздуховод 6. Теплообменник 12 установлен симметрично между нагревательным элементом 13 и накопителем тепла 11.

Измерительно-контрольная система включает блок контроля 48 и электрически подсоединенные к нему датчики концентрации метана 32, 33, 40, скоростной запорный клапан 24, клапан регулирования потока 22, предохранительный клапан 19, вытяжной вентилятор 18, манометр 34, термометры 35, 38, 41, датчик газового потока 36, возвратный клапан 31, клапан регулировки потока пара 43, датчик давления пара 44, датчик температуры пара 45, запорный клапан 1, отверстие подачи воды 46 и реактор оксидирования 39. Указанные датчики концентрации метана 33, давления 34, температуры 35, потока газа 36 устанавливаются с двух сторон отверстия 23 в месте подачи рудничного газа в установку для удаления метана из газа низкой концентрации угольных шахт. Указанный датчик концентрации метана в очищенном отработанном газе 40 и датчик температуры очищенного отработанного газа41 устанавливаются с двух сторон выходного отверстия 16. Указанный датчик температуры реактора оксидирования 38 располагается внутри реактора оксидирования 39. Указанные датчики температуры пара 45, давления пара 44, регулятор потока пара 43 устанавливаются в системе отвода тепла в месте выхода пара 42.

Указанный датчик концентрации метана в выводимом газе 33, скоростной запорный клапан 24, регулятор потока 22 устанавливаются по сторонам выходного отверстия газа угольной шахты.

В процессе работы в первую очередь подается напряжение на нагревательный элемент 13 реактора оксидирования 39, при этом предварительно создаются условия повышенной температуры, в которых метан может окислиться, температура достигает 800°С, данный этап называется "запуск". После запуска газ низкой концентрации с метаном затягивается вытяжным вентилятором через запорный клапан 1 и попадает в условия повышенной температуры, где метан и кислород быстро вступают в реакцию окисления, при этом выделяется тепло. Тепло по направлению потока воздуха направляется в тепловой накопитель 12, не содержащий метан, отработанный газ проходит через запорный клапан 1 в реактор оксидирования 39. Затем измерительно-контрольная система меняет направление подачи рудничного газа через запорный клапан 1, направляя его в реактор оксидирования 39, затем через отверстие выпуска газа 8 низкой концентрации газ с метаном от предыдущего цикла направляется в реактор оксидирования. В течение нескольких секунд с момента изменения направления возвратный клапан 31 в процессе изменения направления направляет метан, не прошедший окисления после предыдущего цикла, обратно через воздуховод 6 в реактор оксидирования. Вытяжной вентилятор 18 затягивает его в реактор оксидирования 39 вместе с новым газом низкой концентрации с метаном. Газ низкой концентрации с метаном, попадая в реактор оксидирования 39, может быть попутно предварительно нагрет в накопителе тепла 11, в зоне повышенной температуры метан из вновь поступившего газа низкой концентрации снова окисляется, выделяя тепло, тепло снова по направлению движения воздуха направляется в тепловой накопитель 11.

Затем запорный клапан 1 снова меняет направление потока газа, поступающего в реактор оксидирования 39, через возвратный клапан 31 проходит метан, не прошедший окисления. Таким образом, процесс повторяется снова и снова, метан в газе низкой концентрации можно окислять непрерывно, при этом не происходит использования дополнительных устройств. Тепло, выделяемое при окислении, не только позволяет предварительно нагревать рудничный газ, экономя требуемую энергию для окисления метана, избыточное тепло можно накапливать в теплообменнике 12, можно использовать в угольной шахте, использовать для повседневных нужд, также можно использовать для выработки электричества. Если использование тепла не является экономически рациональным, в данной установке можно не устанавливать теплообменник 12.

Блок контроля 48 рассчитывает коэффициент окисления и общее количество удаленного метана и обеспечивает управление сменой направления установки. Данные, полученные от датчиков, являются основанием для контроля количества газа, подаваемого в установку, и обеспечения безопасности. Если обнаруживается, что концентрация метана превышает безопасное предельное значение, блок управления автоматически регулирует поток газа, используя регулятор потока газа 22. Если обнаруживается, что регулировка не работает или концентрация рудничного газа в установке или стволе шахты внезапно резко возросла, блок управления отдает команду закрыть предохранительный клапан 19 и скоростной запорный клапан 24, что приводит к остановке в целях безопасности. Кроме того, воздушный отсекающий клапан 21 также играет роль обеспечения безопасности. Если вытяжной вентилятор 18 останавливается, воздушный отсекающий клапан 21 может автоматически прекратить подачу выводимого газа. Измерительно-контрольная система может контролировать момент открытия запорного клапана 1 и возвратного клапана 31, также может сообщаться с другими измерительными системами, обеспечивая при этом еще большую безопасность процесса оксидирования.

В случае, если необходимо добавить газ, основная регулировка осуществляется через клапан регулирования потока добавляемого выводимого газа 22, предохранительный клапан 19 и вытяжной вентилятор 18, затем следуют воздушный отсекающий клапан 21, сухой пламегаситель 25, влажный пламегаситель 26, скоростной запорный клапан 24 и система электрического регулирования.

Предложенная группа изобретений относится к горной промышленности и предназначена для удаления метана из газа низкой концентрации в угольных шахтах. Техническим результатом является обеспечение возможности удаления метана из газа при использовании реакции окисления малого количества метана в газе в условиях высокой температуры. Способ удаления метана из газа в угольных шахтах включает следующие этапы: (А) начальное включение питания реактора оксидирования установки, выполнение нулевого цикла реакции окисления метана и запуск нагрева до температуры не менее 800°С; (В) подачу газа низкой концентрации с метаном в реактор оксидирования, быструю реакцию метана с кислородом и выделение тепла; (С) накопление выделяемого при реакции оксидирования тепла; (D) после завершения реакции окисления выдувание отработанного газа из реактора оксидирования до полной очистки; (Е) многократное повторение этапов (В), (С), (D). Предложено также устройство для удаления метана из газа, содержащее узел запорного клапана, реактор оксидирования, узел возвратного клапана, систему подачи газа и контрольно-измерительную систему. При этом узел запорного клапана установлен вместе с реактором оксидирования. Причем узел запорного клапана и реактор оксидирования соединены с узлом возвратного клапана и системой подачи газа. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ удаления метана из газа низкой концентрации в угольных шахтах, включающий нагрев и реакцию окисления в установке для удаления метана из газа низкой концентрации в угольных шахтах с использованием контрольно-измерительной системы для контроля хода работы, позволяющей автоматически выполнять следующие этапы: (А) начальное включение питания реактора оксидирования установки, выполнение нулевого цикла реакции окисления метана, запуск нагрева до температуры не менее 800°С; (В) реакцию с кислородом с выделением тепла в реакторе оксидирования; (С) накопление выделяемого при реакции оксидирования тепла; (D) после завершения реакции окисления выдувание отработанного газа из реактора оксидирования до полной очистки; (Е) многократное повторение этапов (В), (С), (D).

2. Способ по п.1, в котором используют сухой пламегаситель, влажный пламегаситель, скоростной запорный клапан и релейный регулятор для обеспечения безопасности и защиты.

3. Устройство для удаления метана из газа низкой концентрации в угольных шахтах, включающее узел запорного клапана (47), реактор оксидирования (39), узел возвратного клапана, систему подачи газа и контрольно-измерительную систему, при этом узел запорного клапана устанавливается вместе с реактором оксидирования (39), затем они соединяются с узлом возвратного клапана и системой подачи газа.

4. Устройство по п.3, в котором узел запорного клапана включает электромагнитный запорный клапан переключения направления (4), к которому последовательно подсоединяется пневмоцилиндр запорного клапана (2), балансир (5) с точкой опоры балансира (3) и запорный клапан (1), а сам запорный клапан (1) отдельно соединяется с системой подачи газа и отверстием подачи рудничного газа (7) и отверстием вывода отработанного газа (8).

5. Устройство по п.3, в котором узел возвратного клапана включает возвратный клапан (31) и подсоединяемые к нему пневмоцилиндр возвратного клапана (14) и электромагнитный возвратный клапан переключения направления возвратного клапана (15), при этом на возвратном клапане (31) сверху имеется отверстие для отвода отработанного газа (16), отверстие для обратного вывода газа (17) и соединительное отверстие для узла запорного клапана (30).

6. Устройство по п.3, в котором система подачи газа включает последовательно соединенные вытяжной вентилятор (18), предохранительный клапан (19), трубку датчика давления ветра (20), воздушный отсекающий клапан (21) и клапан регулирования потока (22), скоростной запорный клапан (24), сухой пламегаситель (25), влажный пламегаситель (26) и ручной клапан (27), при этом указанные предохранительный клапан (19) и воздушный отсекающий клапан (21) соединяются с отверстием подачи рудничного газа (23), а сверху на ручном клапане (27) имеется отверстие отвода газа из угольной шахты (28).

7. Устройство по п.3, в котором реактор оксидирования (39) включает нагревательный элемент (13), установленный по центру, с двух сторон от нагревательного элемента расположены накопители тепла (11), а между ними установлен теплообменник (12), с двух сторон от теплообменника (12) находится балансир воздушного потока (10), а сверху и снизу расположен теплоизоляционный слой (9), при этом верхний край слоя теплоизоляции (9) и балансир воздушного потока (10) окружают воздуховод (6).

8. Устройство по п.7, в котором теплообменник (12) установлен симметрично между нагревательным элементом (13) и накопителем тепла (11).

9. Устройство по п.3, в котором контрольно-измерительная система включает блок контроля (48) и электрически подсоединенные к нему датчики концентрации метана (32, 33, 40), скоростной запорный клапан (24), клапан регулирования потока (22), предохранительный клапан (19), вытяжной вентилятор (18), манометр (34), термометры (35, 38, 41), датчик газового потока (36), возвратный клапан (31), клапан регулировки потока пара (43), датчик давления пара (44), датчик температуры пара (45) и запорный клапан (1).

10. Устройство по п.9, в котором датчики концентрации метана (33), давления (34), температуры (35), потока газа (36) установлены с двух сторон отверстия (23) в месте подачи рудничного газа в установку для удаления метана, при этом указанный датчик концентрации метана в очищенном отработанном газе (40) и датчик температуры очищенного отработанного газа (41) устанавливаются с двух сторон выходного отверстия (16), указанный датчик температуры реактора оксидирования (38) располагается внутри реактора оксидирования (39), указанные датчики температуры пара (45), давления пара (44), регулятор потока пара (43) устанавливаются в системе отвода тепла в месте выхода пара (42), указанный датчик концентрации метана в выводимом газе (33), скоростной запорный клапан (24), регулятор потока (22) устанавливаются по сторонам выходного отверстия газа угольной шахты (28).