用于收集浅层沼气的膨胀吸热式液净一体化装置

本发明属于地下工程领域，用于收集地下工程浅层沼气的装置，特别是用于收集浅层沼气的膨胀吸热式液净一体化装置，适用于沿海软土地区浅层沼气的收集。

背景技术：

1、随着我国社会经济水平的快速发展，城市地下轨道交通建设日益增多，部分沿海城市，如上海、杭州和广州等，在地铁建设时经常遇到隧道穿越浅层沼气地层的情况。软土地层中的浅层沼气主要是地层沉积物中富含的有机质在缺氧环境下经厌氧微生物作用而形成的富甲烷气体，大部分以囊状形式存在，且分布不均匀，部分具有含量大、压力高的特点。地下工程施工过程中，如果不对浅层沼气进行处理，会引发地下隧道的位移和断裂、基坑边坡崩塌失稳、作业面爆炸等事故，危及人身安全和隧道结构安全，造成不可挽回的巨大经济损失。常见处理浅层沼气的方式有钻探成孔套管法和静压排放法等，以上方法虽然对浅层气进行了提前释放，一定程度上确保了地下工程施工的安全，但是不符合地下工程绿色、低碳、环保的建设理念。因为提前释放浅层沼气，既浪费了地下储存的天然沼气，又对周边环境产生影响。

技术实现思路

1、为了克服已有技术的不足，本发明提供了一种用于收集浅层沼气的膨胀吸热式液净一体化装置，对浅层沼气进行一体化绿色排放和收集，既不影响周边环境，又不影响土体结构，而且是对浅层沼气的再次利用，符合国家低碳绿色发展战略；并且对浅层沼气释放后形成的土体空腔进行泥浆回填，有效防止地面塌陷。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种用于收集浅层沼气的膨胀吸热式液净一体化装置，包括装置外壳、用于对浅层沼气释放后形成的土体空腔进行泥浆回填的注浆加固系统、用于连通浅层沼气的进气系统、用于对通过的沼气进行冷却的冷却设备、用于收集液化二氧化碳的第一液化气体收集系统和用于收集液化甲烷的第二液化气体收集系统，所述注浆加固系统、进气系统、冷却设备、第一液化气体收集系统和第二液化气体收集系统位于装置外壳内，所述进气系统的进气管路与所述第一液化气体收集系统连通，所述第一液化气体收集系统通过输气管路与所述第二液化气体收集系统连接，所述冷却设备的制冷部分位于第一液化气体收集系统和第二液化气体收集系统的内部。

4、进一步，所述注浆加固系统包括泥浆泵控制器、输浆管、泥浆泵、吸浆管、喷浆管、吸浆口、泥浆桶和注浆上下驱动组件，所述泥浆泵控制器安装于装置外壳顶端，用于控制泥浆泵通过吸浆管吸取泥浆桶中的泥浆，泥浆沿着输浆管通过插入囊状沼气泡的喷浆管进行沼气泡填充；所述泥浆泵控制器与泥浆泵的控制端连接，所述泥浆泵的入口与喷浆管的出口连接，所述喷浆管的入口与所述泥浆桶的底部出口连通，所述泥浆泵的出口与所述输浆管的上端连通，所述喷浆管与输浆管的内壁紧密贴合且可上下活动地连接，所述喷浆管与用于带动喷浆管上下运动的注浆上下驱动组件连接。

5、优选的，所述注浆上下驱动组件包括注浆内置螺纹锥齿轮、第一电机、注浆传动轴和注浆锥齿轮，所述喷浆管的上端套有注浆密封圈与输浆管的内壁紧密贴合，防止泥浆渗漏，所述注浆管的下端螺纹与泥浆内置螺纹锥齿轮的内螺纹相互啮合；第一电机的输出轴下端安装注浆锥齿轮，所述注浆锥齿轮与注浆传动轴左端相互啮合，注浆传动轴的右端与注浆内置螺纹锥齿轮啮合，第一电机通过注浆锥齿轮带动注浆传动轴转动从而使得注浆内置螺纹锥齿轮发生转动，即通过第一电机的转动转化为喷浆管的垂直运动。当然，也可以采用其他上下驱动方式。

6、再进一步，所述冷却设备采用双活塞往复磁控式冷却机，当然也可以采用其他冷却方式，只要能够制冷达到液化甲烷和二氧化碳的温度即可。所述双活塞往复磁控式冷却机包括钢丝填料网、磁铁、空心缓冲橡胶球、耐高温阻力橡胶、耐低温橡胶防撞条、制冷铜壁、传动杆、被动锥齿轮、蜂窝式散热网、断桥铝合金、主动锥齿轮、散热铜管、小气缸、大气缸、散热铜片、第二电机、小活塞和大活塞，

7、两块所述铁丝填料网分别固定在左右两侧大气缸、小气缸交汇处的公共区域，所述磁铁位于空心缓冲橡胶球内部，所述磁铁并与传动杆串连使磁铁可随传动杆进行旋转，所述空心缓冲橡胶球为密闭装置，所述空心缓冲橡胶球位于传动杆所形成的中轴线上，两块耐高温阻力橡胶分别胶接于大气缸处的断桥铝合金两端上，与铁丝填料网和耐低温橡胶防撞条相互贴合，两条耐低温橡胶防撞条分别贴于左右两侧铁丝填料网与小气缸的交界处，所述耐低温橡胶防撞条呈网状分布；制冷铜壁位于双活塞往复磁控式冷却机的最外侧，呈环状，与大气缸外侧的断桥铝合金固定，用于吸收外界热量；所述传动杆末端的被动锥齿轮与主动锥齿轮啮合，所述传动杆的杆身穿过蜂窝式散热网、空心缓冲橡胶球、磁铁，且被蜂窝式散热网包围，蜂窝式散热网安装于装置中心周围，呈圆柱状，且圆心被镂空一部分，用于放置锥齿轮，并为传动杆留出了一条放置通道，用于双活塞往复磁控式冷却机的散热；所述主动锥齿轮位于整个装置的圆心位置，所述主动锥齿轮与第二电机的输出轴连接并与传动杆一端的第一锥齿轮啮合；

8、所述散热铜管位于蜂窝式散热网外围呈环状分布，所述散热铜管与断桥铝合金固定组成大气缸，所述小气缸呈环状固定于大气缸外侧，由制冷铜壁与部分断桥铝合金环绕而成，用于小活塞往复运动；所述大气缸呈环状位于蜂窝式散热网与小气缸之间，由散热铜管和断桥铝合金环绕而成，用于大活塞往复运动；所述散热铜片固定于大气缸外侧上部呈竖片状且圆周分布；所述小活塞包含可变向阻力片、低温铜，所述小活塞位于小气缸内，用于控制压缩氦气所产生的推力大小，待到推力达到标定值，使压缩氦气在小气缸内发生膨胀；所述大活塞包含强力磁铁、绝缘密封套和钨钢，所述大活塞位于大气缸内，通过往复运动对大气缸内的氦气进行压缩。

9、优选的，所述断桥铝合金分为三处，其中一处位于最外侧的断桥铝合金内接钢丝填料网；另一处位于内侧的断桥铝合金与散热铜管组成大气缸，用于隔绝热量；还有一处位于蜂窝式散热网下方，呈圆盘状，与大气缸的断桥铝合金相互焊接，为了防止蜂窝式散热网放出的热量进入液化气体收集系统内部。

10、更进一步，所述第一液化气体收集系统包括第一漏斗式液体收集装置、第一断桥铝合金固定架、第一外部固定钢架、第一杜瓦瓶、第一取瓶口、第一进气背压阀和第一出气背压阀，

11、所述第一漏斗式液体收集装置的进气口连接进气管路，所述第一漏斗式液体收集装置的出气口连接输气管路的进口，冷却机的制冷部分位于第一漏斗式液体收集装置内部，冷却机的散热部分在第一漏斗式液体收集装置外部，第一断桥铝合金固定架固定于第一漏斗式液体收集装置内部，用于固定所述冷却机；第一外部固定钢架固定于第一漏斗式液体收集装置外部和装置壁内壁，所述第一杜瓦瓶位于第一漏斗式液体收集装置下部收集口处，用于收集液态二氧化碳；第一取瓶口位于装置外壁上与装置内部相通，用于换取装有液态二氧化碳的第一杜瓦瓶，第一进气背压阀位于进气口处，第一出气背压阀处于第一漏斗式液体收集装置出气口处。

12、所述第二液化气体收集系统包括第二漏斗式液体收集装置、第二断桥铝合金固定架、第二外部固定钢架、第二杜瓦瓶和第二取瓶口，所述第二漏斗液体收集装置的进气口与输气管路的出口相接，冷却机的制冷部分位于第二漏斗式液体收集装置内部，冷却机的散热部分在第二漏斗式液体收集装置外部，第二断桥铝合金固定架固定于第二漏斗式液体收集装置内部，用于固定所述冷却机；第二外部固定钢架固定于第额漏斗式液体收集装置外部和装置壁内壁，所述第二杜瓦瓶位于第二漏斗式液体收集装置下部收集口处，用于收集液态甲烷；第二取瓶口位于装置外壁上与装置内部相通，用于换取装有液态甲烷的第二杜瓦瓶。

13、所述进气系统包括进气管路、气压表、外置螺纹进气管和进气上下驱动组件，所述进气管路的一端与第一进气背压阀相邻，所述进气管路的另一端内有所述外置螺纹进气管，用于通入从囊状沼气泡中的浅层沼气，外置螺纹进气管与用于驱动外置螺纹进气管上下运动的上下驱动组件连接，所述气压表固定在进气管路上，表头位于装置壁外部。

14、优选的，所述进气系统还包括进气密封圈，所述进气密封圈固定于外置螺纹进气管上端，其与进气管路的内壁完全贴合，防止浅层沼气泄漏。

15、再优选的，所述进气上下驱动组件包括进气内置螺纹锥齿轮、第四电机、进气传动轴和进气锥齿轮，所述外置螺纹进气管的下端外螺纹与内置螺纹锥齿轮的内螺纹相互吻合，内置螺纹锥齿轮位于进气传动轴的一端，所述进气传动轴的另一端与进气锥齿轮啮合，所述进气锥齿轮安装在所述第四电机的输出轴上。当然，也可以采用其他上下驱动方式。

16、本发明中，将地下抽取的浅层沼气进行液化收集并对浅层沼气提前释放后形成的土体空腔进行泥浆填充是一种绿色低碳的浅层沼气处理方式。

17、浅层沼气液化收集是通过机械制冷方法，将气态沼气冷却成液态沼气。目前缺乏一种可以抽取地下天然沼气并提高沼气纯度且进行冷却液化的装置。本发明主要是解决当前浅层沼气装置无法净化且无法进行系统收集的不足。为寻求一种绿色低碳抽取地下浅层沼气的方法，发明了一种用于收集浅层沼气的膨胀吸热式液净一体化装置。

18、本发明的有益效果主要表现在：1、可对不同埋深下囊状沼气泡进行沼气抽取；2、对气体液化温度可灵活调节，采用磁控方式进行冷却液化；3、浅层沼气释放后形成的土体空腔进行泥浆回填，有效防止地面塌陷。