[0001] 本发明涉及瓦斯蓄热氧化技术领域，尤其涉及一种低浓度矿井排风瓦斯蓄热氧化系统及其方法。

[0002] 长期以来，矿井排风粉尘多、瓦斯浓度低、富集难、气量大，利用技术难度较大，因此一般都直接排放大气，极少被回收利用。然而瓦斯的全球变暖潜势值(GWP)远高于二氧化
碳，温室效应约是二氧化碳的21倍，对臭氧层的破坏能力是二氧化碳的7倍。矿井风排瓦斯
长期排空，不仅造成了能源的严重浪费也对环境有着严重的污染。瓦斯的蓄热氧化燃烧技
术可以使瓦斯达到近零排放，既可以利用其热能，也解决了污染问题，有利于加快建设资源
节约型、环境友好型社会。

[0003] 在相关技术中，现有的瓦斯蓄热氧化装置：第一，在瓦斯蓄热氧化时需要保持高温状态，气体流动方向频繁切换,导致陶瓷蓄热体的温度出现频繁变化,周期性地快速升高和
降低数百℃，易出现安全事故；第二，在燃烧预热过程中温度较高，影响蓄热体的寿命；第
三，部分燃料不完全燃烧，会在蓄热体内二次燃烧从而损坏蓄热体，每个瓦斯蓄热氧化反应
器中有几十立方米蓄热体，更换蓄热体会形成大量固废；第四，蓄热体体积大、重量重，多为
单层布置，占用空间大；第五，仅利用氧化后的中温烟气将影响蓄热效果、供热效果和余热
利用率。

[0004] 因此，相关技术中的瓦斯蓄热氧化装置存在安全性低、蓄热体寿命短、瓦斯燃烧不充分损坏蓄热体导致产生的固废多、蓄热体体积大导致空间利用率低、蓄热效果差等技术
问题。

[0035] 下面将结合本发明的实施例中附图，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。通常
在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因
此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的
范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做
出创造性劳动的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。

[0036] 在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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的实施方式和简化描述，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实施方式的限制。

[0037] 以下，参照图1对本发明的实施例涉及的一种低浓度矿井排风瓦斯蓄热氧化系统及其方法进行具体的说明。

[0038] 本发明第一方面实施例提供了一种输低浓度矿井排风瓦斯蓄热氧化系统，以下结合附图进行具体的说明。

[0039] 如图1所示，一种低浓度矿井排风瓦斯蓄热氧化系统，包括热管交换器1、蓄热装置2、燃烧室3、过热器4和余热回收装置5，所述热管交换器1包括冷凝段11、蒸发段12和绝热段
13，所述冷凝段11和所述蒸发段12之间设有所述绝热段13；所述蓄热装置2包括蓄热体21和
导热组件22，所述蓄热体21的瓦斯进口与所述冷凝段11的瓦斯出口连接，所述导热组件22
穿设于所述蓄热体21上；所述燃烧室3的瓦斯进口与所述蓄热体21的瓦斯出口连接，所述燃
烧室3内设有点火装置31；所述过热器4与所述导热组件22连接，所述过热器4的烟气进口与
所述燃烧室3的烟气出口连接，所述过热器4的烟气出口与所述蒸发段12的烟气进口连接，
所述过热器4上设有过热蒸汽出口；所述余热回收装置5的烟气进口与所述蒸发段12的烟气
出口连接，所述余热回收装置5的蒸汽出口与所述过热器4的蒸汽进口连接，所述余热回收
装置5上设有出水口；其中，所述冷凝段11和所述蓄热体21连通构成低浓度矿井排风瓦斯的
瓦斯通道，所述燃烧室3、所述过热器4、所述蒸发段12和所述余热回收装置5依次连通构成
低浓度矿井排风瓦斯氧化或燃烧为烟气后的烟气通道，所述蓄热体21用于对瓦斯进行蓄热
升温及氧化，所述导热组件22用于对燃烧或氧化后的烟气进行热量回收，所述过热蒸汽出
口用于为高温蒸汽用户41供热，所述出水口用于为低温热用户54供热。

[0040] 需要说明的是，所述点火装置31可以是全程开启的，也可以是仅在所述蓄热体21未达到预设温度时开启的，在本实施例中，优选的，所述点火装置31在所述蓄热体21未达到
预设温度时开启，待所述蓄热体21达到预设温度时关闭，从而实现智能点火；所述蓄热体21
可以是多层的蓄热体21，也可以是单层的蓄热体21，在本实施例中，优选的，所述蓄热体21
为多层的蓄热体21，从而实现减少占地空间；所述导热组件22可以是任意能够实现烟气与
所述蓄热体21之间热交换的结构，在本实施例中，优选的，所述导热组件22是一体式结构，
在装配时，用于连接所述烟气通道与所述蓄热体21，从而实现便捷式导热，减少热阻，简化
结构的同时提高导热效率；各个装置的尺寸可以根据实际情况设置；各个装置间的瓦斯通
道的连接可以是直接连接，也可以通过管道等连通结构连接，在本实施例中，优选的，所述
蒸发段12和所述余热回收装置5之间设有烟道连通，所述冷凝段11的瓦斯进口设有风道，所
述风道内设有风机7，所述风道的另一端连接有所述乏风瓦斯掺混装置6；在所述瓦斯通道
和所述烟气通道内可增设增强瓦斯流动速度的装置，在本实施例中，所述余热回收装置5内
设有风机7，所述余热回收装置5的烟气出口设有烟囱53；所述余热回收装置5可以根据实际
使用场所设置一种或多种余热回收器，以便尽可能的吸收烟气余热，在本实施例中，优选
的，所述余热回收装置5包括余热锅炉51和烟气余热回收器52。

[0041] 由此，实现有益效果：1)采用直通通风方式，杜绝了因切换风道导致的安全事故；2)采用热管换热器1提取瓦斯氧化燃烧后段的烟气余热，为排风瓦斯进行蓄热氧化前的预
热；3)在烟道内增设过热器4，回收瓦斯氧化燃烧后的高温烟气余热，用以加热余热回收装
置5产生的蒸汽，使其变为过热蒸汽；4)利用导热组件22、蒸发段12、过热器4和余热回收装
置5对烟气进行热回收，实现热量的梯级利用。

[0042] 在一个实施例中，所述导热组件22包括导热板222和多个导热棒221，所述导热板222的一侧铺设于所述蓄热体21的外侧璧上，所述导热板222的另一侧铺设于所述过热器4
上，多个所述导热棒221的一端沿着所述蓄热体21内瓦斯流动的正向间隔的穿设于所述蓄
热体21内，多个所述导热棒221的另一端沿着所述过热器4内烟气流动的逆向间隔的设于所
述导热板222上。需要说明的是，所述导热板222上的温度沿着所述烟气流动的逆向逐渐升
高，使得沿着所述烟气流动的逆向设置的多个所述导热棒221之间的温度逐渐升高，由此，
可以实现所述导热棒221对所述蓄热体21的渐进式升温，进而实现所述蓄热体21对瓦斯的
渐进式升温。

[0043] 在一个实施例中，所述蓄热体21包括蓄热段211和氧化段212，所述蓄热段211的瓦斯进口与所述冷凝段11的瓦斯出口连接，所述氧化段212的瓦斯出口与所述燃烧室3的瓦斯
进口连接，所述蓄热段211与所述氧化段212连通，所述导热组件22穿设于所述蓄热段211
上。需要说明的是，瓦斯在所述蓄热体21流动的过程中，通过所述导热组件22在所述蓄热段
211内进行渐进式蓄热升温，在所述氧化段212内达到氧化温度并进行氧化，由此，可以实现
所述蓄热体21对瓦斯进行蓄热氧化。

[0044] 在一个实施例中，所述蓄热体21为蜂窝陶瓷蓄热体，所述蜂窝陶瓷蓄热体内设有平行的多个通孔，多个所述通孔的一端构成所述蜂窝陶瓷蓄热体的瓦斯进口，多个所述通
孔的另一端构成所述蜂窝陶瓷蓄热体的瓦斯出口。需要说明的是，瓦斯可通过多个通孔与
所述蓄热体21进行充分接触，由此，可以实现瓦斯的快速蓄热升温进而达到氧化温度。

[0045] 在一个实施例中，所述余热回收装置5包括余热锅炉51和烟气余热回收器52，所述余热锅炉51的烟气进口与所述蒸发段12的烟气出口连接，所述余热锅炉51的烟气出口与所
述烟气余热回收器52的烟气进口连接，所述余热锅炉51的蒸汽出口与所述过热器4的蒸汽
进口连接，所述烟气余热回收器52上设有所述出水口。需要说明的是，所述余热锅炉51可以
是任意型号的，在本实施例中，所述余热锅炉51和所述烟气余热回收器52内的换热介质均
为水，烟气流经所述余热锅炉51进行一次余热回收后流入所述烟气余热回收装置5内进行
二次余热回收，由此，可以实现对烟气的梯级利用，

[0046] 在一个实施例中，所述余热锅炉51上设有水回收进口，所述水回收进口与所述过热蒸汽出口连通。需要说明的是，在本实施例中，所述余热锅炉51在使用过程中的介质水，
而过热蒸汽经高温蒸汽用户41使用后放热会转变为水，由此，可以实现对过热蒸汽冷凝水
的回收和重复利用。

[0047] 在一个实施例中，还包括烟囱53，所述烟囱53的烟气进口与所述烟气余热回收器52的烟气出口连接。需要说明的是，烟气在所述烟囱53中会形成上升气流，使得所述烟囱53
底部出现真空状态，由此，可以加强整个装置内所述瓦斯通道和所述烟气通道内气体的流
速。

[0048] 在一个实施例中，还包括乏风瓦斯掺混装置6和风机7，所述乏风瓦斯掺混装置6的瓦斯出口与所述冷凝段11的瓦斯进口之间设有风道，所述风道内设有所述风机7。需要说明
的是，所述乏风瓦斯掺混装置6的掺混比例按照实际工作流程设计，一个或多个所述风机7
可以在所述瓦斯通道和所述烟气通道内任意合适的位置进行设置，使得瓦斯在所述瓦斯通
道内畅通的流动，由此，可以实现低浓度矿井排风瓦斯的利用，增强装置内的通风，实现能
源回收。

[0049] 在一个实施例中，还包括多个温压一体变送器8、线缆9和可编程逻辑控制器10，所述冷凝段11、所述蒸发段12、所述蓄热体21、所述燃烧室3和所述过热器4上均穿设有所述温
压一体变送器8，所述可编程逻辑控制器10与多个所述温压一体变送器8之间、所述可编程
逻辑控制器10与所述点火装置31之间均通过所述线缆9连接。需要说明的是，所述可编程逻
辑控制器10可与任何可控部件进行连接，得到判断后给各个可控部件下达指令，由此，可通
过可编程逻辑控制器10远程操控，实现现场无人化工作。

[0050] 由此，实现有益效果：1)采用直通通风方式，杜绝了因切换风道导致的安全事故；2)采用热管式换热器提取瓦斯氧化燃烧后段的烟气余热，为排风瓦斯进行蓄热氧化前的预
热；3)在蓄热段211采用导热棒221，对蓄热体21进行渐进式的蓄热升温；4)在烟道内增设过
热器4，回收瓦斯氧化燃烧后的高温烟气余热，用以加热余热回收装置5产生的蒸汽，使其变
为过热蒸汽；5)利用余热回收装置5对中温烟气及低温烟气的余热进行回收，实现热量的梯
级利用。

[0051] 本发明第二方面实施例提供了一种输低浓度矿井排风瓦斯蓄热氧化方法，以下进行具体的说明。

[0052] 一种低浓度矿井排风瓦斯蓄热氧化方法，利用上述任一项实施例提供的低浓度矿井排风瓦斯蓄热氧化系统，包括：

[0053] 利用所述点火装置31对流入所述燃烧室3内瓦斯进行点燃，使得燃烧过后的瓦斯变为高温烟气；

[0054] 利用所述导热组件22、所述过热器4和所述蒸发段12对高温烟气进行热回收，使得所述高温烟气变为中温烟气；

[0055] 利用所述冷凝段11与所述蒸发段12进行热交换，使得继续流入所述冷凝段11的瓦斯变为中温瓦斯；

[0056] 利用所述蓄热体21与所述导热组件22进行热交换，使得继续流入所述蓄热体21的中温瓦斯蓄热升温为高温瓦斯，并使得高温瓦斯氧化为高温烟气；

[0057] 利用所述余热回收装置5对中温烟气进行余热回收，使得中温烟气变为失热烟气并排出，所述余热回收装置5产生的低温水通过所述出水口为低温热用户54供热；

[0058] 利用所述过热器4对所述余热回收装置5产生的蒸汽进行升温，使得蒸汽变为过热蒸汽，过热蒸汽通过所述过热蒸汽出口为高温蒸汽用户41供热。

[0059] 需要说明的是，所述点火装置31的启闭状态根据实际工作情况设定，在本实施例中，优选的，所述点火装置31在所述蓄热体21未达到预设温度时开启，在所述蓄热体21达到
预设温度时关闭，所述蓄热体21为多层蓄热体21。

[0060] 由此，该方法实现有益效果：1)利用热管技术、导热棒221及导热板222提取瓦斯燃烧后的热量，并与蜂窝陶瓷蓄热体耦合对低浓度瓦斯进行预热、蓄热、氧化处理，使其多级
升温提高氧化燃烧效率；2)通过多换热器耦合利用提取瓦斯燃烧热，实现热量的高效利用、
充分回收和瓦斯的近零排放，减少安全事故的产生，实现能源利用、环境保护、安全运行三
位一体的瓦斯蓄热氧化工艺。

[0061] 如图1所示，本发明中的低浓度矿井排风瓦斯蓄热氧化系统及其方法的一种可选的工作过程如下：

[0062] 初始状态时，开启所述可编程逻辑控制器10，所述可编程逻辑控制器10通过所述线缆9控制多个所述温压一体变送器8、所述点火装置31、所述乏风瓦斯掺混装置6及所述风
机7启闭，多个所述温压一体变送器8开启对所述冷凝段11、所述蒸发段12、所述蓄热体21、
所述燃烧室3以及所述过热器4的压力和温度进行监测，所述乏风瓦斯掺混装置6开启将低
浓度矿井排风瓦斯与抽采瓦斯进行混合，所述风机7开启使得混合后的瓦斯沿着所述瓦斯
通道向所述燃烧室3流动；

[0063] 在监测到所述冷凝段11和所述蓄热体21的温度和压力未达到预设值后，所述可编程逻辑控制器10控制所述点火装置31开启，使得瓦斯在所述燃烧室3内燃烧为高温烟气，在
所述风机7的作用下，高温烟气从所述燃烧室3流出，依次流经所述过热器4和所述蒸发段
12，高温烟气先后与所述导热板222、所述过热器4及所述蒸发段12换热后变为中温烟气，所
述蒸发段12将热能传递到所述冷凝段11内，所述导热板222通过所述导热棒221将热能传递
到所述蓄热体21内；

[0064] 在监测到所述冷凝段11和所述蓄热体21的温度和压力达到预设值后，所述控制可编程逻辑控制器10控制所述点火装置31关闭，在所述风机7的作用下，混合后的瓦斯继续流
入所述冷凝段11内并吸收所述冷凝段11的热量使得瓦斯变为中温瓦斯，中温瓦斯流入所述
蓄热体21后在所述蓄热段211内进行吸热使得中温瓦斯变为高温瓦斯，高温瓦斯在所述氧
化段212内氧化后变为高温烟气，所述冷凝段11与所述蒸发段12形成导热循环，所述蓄热体
21、所述导热板222与所述导热棒221形成导热循环；

[0065] 在所述风机7的作用下，得到的中温烟气流入所述余热锅炉51内进行余热回收后变为低温烟气，所述余热锅炉51内的水吸热变为蒸汽，蒸汽流入所述过热器4并吸收所述过
热器4内的热量变为过热蒸汽，过热蒸汽流经高温蒸汽用户41后进行热交换变为水，水回流
至所述余热锅炉51内，形成水循环；

[0066] 在所述风机7的作用下，得到的低温烟气流入所述烟气余热回收器52内进行进一步的余热回收，进一步余热回收后的失热烟气通过所述烟囱53排出，所述烟气余热回收器
52内的水吸热后变为低温热水供热给低温热用户54。

[0067] 此外，术语“第一”、“另一”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者
隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”、“若干”的含义是至少两个，例如
两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

[0068] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以
是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的
普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0069] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一个示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示
例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而
且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方
式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实
施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

[0070] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述
实施例进行变化、修改、替换和变型。

[0071] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。