1 概述

為保證生產(chǎn)安全，在煤礦開采前需通入大量空氣以稀釋礦井空氣，使其甲烷濃度降低然后再排入大氣。這種被抽排到大氣中的甲烷含量低于1% 的混合氣體被稱為煤礦通風(fēng)瓦斯或者煤礦乏風(fēng)( Ventilation Air Methane，VAM) 。長期以來，煤礦通風(fēng)瓦斯甲烷濃度低、富集難、氣量大，利用技術(shù)難度較大，因此一般都直接排放大氣，極少被回收利用。我國每年通過煤礦通風(fēng)瓦斯排入大氣的CH4為130 ～ 170 億m3 ，占我國煤礦煤層氣甲烷總量的65% ～ 70% ，CH4作為僅次于CO2的溫室氣體，對(duì)環(huán)境造成了巨大的危害。中科院能源動(dòng)力研究中心自主設(shè)計(jì)了處理量為1 000 m3 / h逆流式煤礦通風(fēng)瓦斯熱氧化裝置，該裝置采用蓄熱式煙氣余熱回收裝置，交替切換通風(fēng)瓦斯與煙氣，使之流經(jīng)蓄熱體。預(yù)熱通風(fēng)瓦斯使其中的CH4與氧發(fā)生氧化反應(yīng)，反應(yīng)釋放的熱量，一部分熱量被蓄熱體陶瓷吸收，維持氧化床內(nèi)部溫度以穩(wěn)定運(yùn)行，多余熱量由內(nèi)置換熱器取出加以利用，取出多余熱量可以根據(jù)現(xiàn)場需求采用熱、電、冷聯(lián)供的應(yīng)用方式。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)自維持穩(wěn)定運(yùn)行，并通過實(shí)驗(yàn)研究了通風(fēng)量、甲烷濃度、切換時(shí)間等運(yùn)行參數(shù)對(duì)裝置運(yùn)行情況的影響。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分為配氣系統(tǒng)、裝置本體、換向系統(tǒng)、啟動(dòng)系統(tǒng)和測控系統(tǒng)。

2 配氣系統(tǒng)

如圖1 所示，配氣系統(tǒng)用以獲得實(shí)驗(yàn)所需的低濃度甲烷以模擬煤礦通風(fēng)瓦斯。它主要由空氣路和天然氣路及混合器構(gòu)成?？諝饴钒惭b有空氣過濾器，空氣流量根據(jù)渦街流量計(jì)的顯示使用蝶閥進(jìn)行調(diào)節(jié); 天然氣路流量由靶式流量計(jì)監(jiān)控，其流量調(diào)節(jié)由控制系統(tǒng)通過電動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)控。天然氣和空氣根據(jù)實(shí)驗(yàn)濃度要求在混合器內(nèi)進(jìn)行充分的混合，模擬低甲烷濃度的煤礦通風(fēng)瓦斯。為安全起見，天然氣進(jìn)入混合器之前裝有單向閥和防回火器，防止混合后的氣體回流，產(chǎn)生爆炸。在本實(shí)驗(yàn)臺(tái)中，冷態(tài)下空氣的流量可調(diào)范圍為400 ～ 1 100 m3 / h，天然氣的流量可調(diào)范圍為0 ～6 m3 / h?？梢愿鶕?jù)實(shí)驗(yàn)的需求配比流量為400 ～1 100 m3 / h，甲烷濃度范圍為0. 1% ～ 1% 的模擬通風(fēng)瓦斯。經(jīng)過配比的模擬通風(fēng)瓦斯由管道通過換向系統(tǒng)的三通閥進(jìn)入蓄熱室。在進(jìn)入蓄熱室之前，由引氣管抽出部分氣體進(jìn)入色譜分析儀，精確測量分析其真實(shí)成分與濃度。

3 裝置本體

裝置本體的構(gòu)成。其主要是由裝置外殼、保溫層、蓄熱室、防爆泄壓閥構(gòu)成。其中，蓄熱室是其核心部分。配氣系統(tǒng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求混合成不同甲烷濃度、不同流量的模擬通風(fēng)瓦斯?；旌虾蟮哪M通風(fēng)瓦斯?jié)?/span>度由甲烷濃度傳感器監(jiān)測。同時(shí)為保證監(jiān)測精度，在混合器出口處采樣使用色譜分析儀分析氣體成分和濃度。按實(shí)驗(yàn)要求配制的模擬通風(fēng)瓦斯通過由兩個(gè)三通閥組成的換向系統(tǒng)進(jìn)入蓄熱室。兩個(gè)三通閥分別與進(jìn)氣管道、蓄熱室、排氣管道相通。模擬通風(fēng)瓦斯交替從蓄熱室兩端進(jìn)入蓄熱室，流經(jīng)蓄熱體，被加熱至高溫從而氧化處理，從蓄熱室另一端經(jīng)排氣管道排出并加熱蓄熱體，排煙出口處的甲烷濃度傳感器監(jiān)測排氣甲烷濃度，同時(shí)采樣使用色譜分析儀分析氣體成分和濃度。蓄熱室內(nèi)溫度分布由預(yù)先安裝的熱電偶測量，系統(tǒng)各關(guān)鍵點(diǎn)壓力由壓力傳感器測量，蓄熱室內(nèi)壓力由U 形管壓力計(jì)測量。在模擬通風(fēng)瓦斯進(jìn)入蓄熱室進(jìn)行氧化處理之前，啟動(dòng)系統(tǒng)的燃燒器燃燒高濃度瓦斯或甲烷、丙烷等可燃?xì)怏w，產(chǎn)生高溫?zé)煔猓?/span>從蓄熱室中部的空腔進(jìn)入蓄熱室，從兩側(cè)交替排出，對(duì)其進(jìn)行預(yù)熱。整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，包括換向系統(tǒng)的切換、進(jìn)氣甲烷濃度、流量測量和調(diào)節(jié)、壓力、溫度測量、甲烷濃度監(jiān)測及反饋，都在控制系統(tǒng)的監(jiān)控下進(jìn)行，同時(shí)實(shí)驗(yàn)中采用氣相色譜儀對(duì)進(jìn)出口甲烷濃度進(jìn)行精確測量。

4 結(jié)論

1) 利用時(shí)間序列作為BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，建立并優(yōu)化了BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，獲得了最佳網(wǎng)絡(luò)參數(shù): 最佳隱含層神經(jīng)元數(shù)為8，最佳輸入層神經(jīng)元數(shù)為6，最優(yōu)的傳遞函數(shù)組合為tansig － 線性函數(shù)，最優(yōu)的算法為BP 算法。

2) 從模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，模型的擬合效果均較好，預(yù)報(bào)值與實(shí)際值之間的相對(duì)誤差小，預(yù)報(bào)值與實(shí)際值的相關(guān)系數(shù)高，說明通過設(shè)置初始權(quán)重、學(xué)習(xí)率、動(dòng)態(tài)系數(shù)等參數(shù)使基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的大氣污染預(yù)測模型的精度得到提高，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在預(yù)測大氣污染方面有良好的實(shí)用性，并且模式簡單，必將在未來的空氣污染預(yù)報(bào)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。

3) 為了提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和泛化效果，還可以對(duì)模型的算法和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)做進(jìn)一步優(yōu)化。鑒于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)空氣污染指數(shù)具有良好的預(yù)報(bào)效果，可推廣應(yīng)用于大氣污染物的濃度預(yù)報(bào)，但該方法是否適用，能否應(yīng)用于大氣污染物濃度的逐時(shí)預(yù)報(bào)，還有待進(jìn)一步研究。