液态二氧化碳防灭火系统

液态二氧化碳防灭火系统液态二氧化碳防灭火系统 亭南煤矿液态二氧化碳防灭火系统亭南煤矿液态二氧化碳防灭火系统 设计方案设计方案 亭南煤业公司亭南煤矿亭南煤业公司亭南煤矿 西安科技大学西安科技大学 西安森兰科贸有限责任公司西安森兰科贸有限责任公司 二二 oooo 八年三月六日八年三月六日 亭南煤矿液态二氧化碳防灭火系统亭南煤矿液态二氧化碳防灭火系统 设设 计计 方方 案案 煤自燃是煤与氧自发产生的氧化放热反应 煤自然升温的实质取决于氧化放热 速率和环境散热速率的大小 如果氧化放热速率占优势时 才会发生自燃现象 因此 通过控制煤的氧化环境来抑制煤自燃是一种有效的方法 我国煤矿安全规程规定 综放开采有自燃倾向性的煤层时 要采用以注入惰性 气体为主的综合防灭火措施 惰气防灭火技术的主要目的是为了减少氧含量 降低煤氧化或燃烧的速度 可用于煤矿井下防灭火的惰性气体主要有氮气 二 氧化碳及燃料燃烧后形成的混合气体等 用惰气阻止煤体氧化和窒息火区的基本思想比较简单 在具体使用上主要需考 虑两个方面的问题 一是能否供给防灭火现场有效的惰性气体 二是在一定时 间内能否向现场输送足够的惰性气体 早在五六十年代 世界上一些主要采煤 国家就尝试用氮气来扑灭矿井火灾获得成功 随后 这一防灭火技术得到了不 断应用和发展 1988 年 抚顺局采用氮气防灭火技术成功地防止了厚煤层综采 放顶煤工作面采空区的自然发火 为我国在这一技术领域的应用起到了示范作 用 目前 我国多数综放工作面都采用注氮防灭火技术来防治采空区自然发火 二氧化碳气体已被广泛应用于各种火灾的治理 它能在较短的时间内控制和扑 灭气体 液体 固体和电气火灾 具有灭火能力强 速度快 使用范围广 对 环境不会造成污染等特点 co2气体在矿井煤层火灾治理中也起到了积极作用 美国俄亥俄州曾用二氧化碳气体惰化方法 防止煤的自燃 我国东北和山西等 矿区也使用 co2气体治理过煤层火灾 但由于 co2气体的生产成本和应用工艺 等问题 使得该技术的推广使用受到制约 随着综放采煤工艺的推广应用 co2防灭火技术与注氮防灭火技术相比 在初 期投资 灭火效益等各方面都有其较强的优势 这对防止采空区煤层自燃火灾 有积极的作用 因而在我国具有广阔的应用前景 1 1 惰性气体的防灭火原理惰性气体的防灭火原理 惰性气体分子结构稳定 化学性质极不活泼 在常温 常压条件下很难与其它 物质发生化学反应 即使在井下高温火区内 也不会与可燃性气体或可燃性物 质发生化学反应 且随着空气中惰性气体含量增加 氧气含量必然降低 当氧 气含量低至 5 10 时 可有效抑制煤炭的氧化自燃 氧气含量降至 3 以下时 可完全抑制煤炭等可燃物的阴燃与复燃 基于惰性气体的性质及煤的氧化机理 向综放面采空区及浮煤带注入惰性气体 使其渗入到采空区冒落区 裂隙带及浮煤带 降低这些区域的氧含量 形成惰 化带 从而能够达到抑制浮煤自燃的目的 用惰气防灭火和阻止瓦斯爆炸的过程称为惰化 惰化后的火区因氧气不足而不 能燃烧和爆炸 惰气的防灭火作用是使采空区等有关区域惰化 具体地说 惰 性气体的防灭火作用和特点是 1 惰气可以充满任何形状的空间并将氧气排挤出去 从而使火区中因氧含量不 足而将火源熄灭 或者使采空区中因氧含量不足而使浮煤不能氧化自燃 2 在有瓦斯和火存在的气体爆炸危险区内 注入惰气能够使可燃可爆性气体失 去爆炸性 3 向采空区或火区中注入大量惰气后 可以使其采空区或火区呈现正压状态 致使新鲜空气难以漏入 4 在惰气灭火过程中 不会损坏或污染机械设备和井巷设施 火区启封后 可 较快地恢复生产 5 惰气防灭火必须与均压和其它堵漏风措施配合应用 否则 如果注入惰气的 采空区或火区漏风严重 惰气必然随漏风流失 难以起到防灭火作用 2 2 液态二氧化碳的理化性质及其惰化降温作用液态二氧化碳的理化性质及其惰化降温作用 二氧化碳分子量为 44 在常温 常压下是无色略带酸味的窒息性气体 它在不 同的压力 温度条件下有三种形态 其熔点为 56 6 5 2 个大气压 临 界温度为 31 3 临界压力为 72 80 大气压 二氧化碳具有升华特性 升华 点 78 5 1 个大气压 在低温加压下 co2气体可变为液态 利用蒸发 潜热 可做成雪片状固体 进一步冷却加压可制成干冰 气态二氧化碳的密度为 1 976kg m3 0 1 个大气压 是空气密度的 1 529 倍 液态二氧化碳的密度与温度关系较大 20 时的密度为 1 01kg l 在温 度 15 1 大气压下 1 吨液态二氧化碳体积膨胀约 640 倍 液态二氧化碳汽化及固态二氧化碳升华时都吸收大量的热 固态二氧化碳升华 时吸热 137kcal kg 干冰的制冷能力约是水冰的 2 倍 液态二氧化碳汽化吸热 随温度的不同而不同 由于二氧化碳是一种窒息性气体 注入火区后可降低氧气含量 使火区因缺氧 而窒息 此外 液体二氧化碳和固体二氧化碳在汽化和升华过程中 会吸收大 量的热 使火区温度下降 加快火区的熄灭 因此 液态 co2用于煤层火灾防 治除具有惰气防灭火作用的共性外 还具有下述特点 1 液态 co2灭火时 co2从储存系统中喷放出来 压力会骤然下降 使 co2 迅速由液态转变为气态 co2比空气的密度大 在熄灭底部火灾时 可快速沉 入底部而挤出氧气 并在火区内扩散充满其空间 使火区内氧气浓度急速下降 2 液态 co2内没有氧气 向煤层自燃高温火区内压注时 可完全避免由于注 入惰气时 可能带入氧气而造成的不利影响 3 液态 co2汽化吸收大量的热 注入高温火区的 co2气体温度低 不仅具有 对火区惰化和抑爆的能力 而且可以吸收大量的热 从而降低火区温度 3 3 液态二氧化碳防灭火性能分析液态二氧化碳防灭火性能分析 液态二氧化碳中无氧气 温度低 且对瓦斯有抑爆作用 灌注时系统流量大 易于调控 能够实现封闭区域的快速惰化 降温和抑爆 该系统与注氮防灭火系统相比具有以下优点 惰化速度快 对已采完封闭的综放采空区 使用注氮防灭火系统约需 7 10 天 注入氮气 20 万 m3才能使封闭区域内的氧气浓度降至 5 以下 而压注液态 co2 仅需用两个班的时间 注入约 2 万 m3的 co2就可达到该目的 防灭火效 率提高约 10 倍 降温效果明显 气化后的 co2经管路输送至压注地点后 出口温度低 通过 现场试验发现 当气体出口温度为 16 时 向封闭的采空区内压注仅 4h 其温 度就会降低 2 3 抑爆效果好 co2气体能使发生瓦斯爆炸的 ch4浓度下限值升高 实验研究 发现 当混合气体内的 co2浓度达到 20 时 即使氧气浓度为 15 瓦斯浓度 达到 9 也不会发生气体爆炸 灌注流量大 液态 co2的气体温度为 20 左右 仅需很少的热量就能使其实 现迅速气化 产气量可轻易达到 1500m3 h 以上 而且通过液态 co2流量与 气化温度的控制能够实现气液两相输送 使得其出口温度更低 输送气体流量 更大 系统维护简单 初期投资小 使用成本相对较低 性价比好 液态 co2可从距铜川约 100km 的兴平化工厂购买 每吨价格 含运费 约 1000 元 气化后可产生气态 co2约 600m3 成本约 1 6 元 m3 由于其防灭火效率 是注氮的 10 倍 因此转换为氮气 其成本仅为 0 16 元 m3 液态二氧化碳防灭火应用工艺及系统装备液态二氧化碳防灭火应用工艺及系统装备 使用液态二氧化碳对矿井煤层火灾进行防治 需解决的关键问题是应用工艺 1 系统及工艺构成 液态 co2防灭火系统由地面液态 co2槽车 汽化器 控制装置 流量 压力 温度 和输气管等构成 液态 co2由专门的运输设备从化工厂运至矿井 在地 面将液态 co2直接汽化成 co2气体 或气液两相流 经注浆管路输送到灭火 地点 选择适合的释放口位置注入到火区 见图 1 图图 1 1 液态二氧化碳防灭火系统工艺流程图液态二氧化碳防灭火系统工艺流程图 系统工作流程 从运送二氧化碳槽车上压出的液体经过压力调节 流量控制后 进入汽化器 汽化器置入水箱内 水箱内的水由电加热 汽化器吸收热量以后 将其管内流动的液体变成气体 经过储气罐和流量 压力 温度等控制装置通 过注浆管路送到用气地点 系统装备见图 2 工作流程见附图 系统主要参数如下 运输 由厂家负责 地面低温运输槽车每车最大可储运 20 吨液态 co2 出口压力 0 6mpa 产气量 1000 2000m3 h 出口温度 10 输送距离 5km 图图 2 2 液态二氧化碳防灭火装备液态二氧化碳防灭火装备 系统尺寸 4m 4m 3 5m 该液态 co2防灭火系统具有稳定性好 操作简便 连续可调等优点 符合现场 的实际应用 地面低温运输槽车每车最大可储运 20 吨的液态 co2 液态 co2温 度在 18 20 左右 出口压力最高可达 2mpa 系统产气量为 1000 2000m3 h 输送距离可达 10km 能实现大流量压注液态 co2迅速熄灭火 区的效果 2 液态二氧化碳的来源和储运 液态二氧化碳的来源一般是矿井附近的化工厂 当矿井需要时 用专门的运输 设备从化工厂运到矿井 再用不同的方式输送到灭火地点 液态二氧化碳的贮 存系统可分为高压和低压两种 高压系统的贮存压力为 5 17mpa 贮存器中二 氧化碳的温度与贮存地点的环境温度有关 因此 容器必须能够承受最高预期 温度时所产生的压力 低压系统的贮存压力为 2 07mpa 贮存容器内的二氧化 碳灭火剂温度利用绝缘和制冷手段被控制在 18 20 从化工厂向矿井运输液态二氧化碳主要有两种设备 一是专用的低温槽车 槽 车主要由贮槽 经改装后的汽车 操作箱 低温液体泵 增压气和金属软管组 成 其中贮槽采用真空粉末绝热 或高真空多层绝热 蒸发损失小 安全可靠 但是其价格高 体积大 只能在地面运输使用 二是常温高压储气瓶 罐 由一个承压容器和必要的充装 释放接口及安全装置组成 其结构简单 体积 小 可以直接运输到井下着火地点附近释放灭火 使用方便 但是其要求承压 高 并且充满率不高 容积的 60 扑灭矿井自然火灾时 由于惰气用量较 大 所以储气瓶 罐 的用量多 充装气瓶时需要将气瓶运到化工厂 运输 吊装过程中不安全因素多 另外 高压储气瓶 罐 作为一种压力容器 日常 管理麻烦 根据液态二氧化碳的性质和国家有关规程 标准 规范的要求 常温高压储存 运输时 其储存罐的工作压力不得低于 15mpa 储存 1 万 m3液态二氧化碳约投 资 10 万元 制造成本高 并且充装液态二氧化碳只能将储存罐运到化工厂充装 采用低温小罐储运时 其运输 释放都有严格的要求 一旦保温层损坏极易造 成爆炸事故 采用小储存罐装运液态二氧化碳到井下火灾地点附近灭火 显然 充装 运输 安全管理及储存罐的日常管理都较麻烦 不宜采用 根据亭南煤矿的实际情况 液态 co2可从陕西兴平化工厂购买 每吨价格 含 运费 约 1000 元 兴平化工厂现有车辆低温运输槽车中液态二氧化碳在 18 20 的压力为 2mpa 这种压力和温度的流体 根据国家标准 gb8163 输送流体用无缝钢管 的规定 可以直接用矿井现有的注浆或压风管路向灭火地点输送 但是井下管 路常温是 25 左右 输入 20 的二氧化碳后温度降低 45 管路将收缩 经 计算 温度降低 45 350m 长的管路约收缩 157mm 如此的伸缩量井筒及钻孔 中的管路难以承受 极有可能被拉断 应采用汽化器将液态的二氧化碳汽化升 温后 再注入管路系统 较为安全可靠 3 液态二氧化碳的注入方法 目前 各国利用液态二氧化碳防灭火 采用的注入方法基本上有以下两种 将液态二氧化碳直接注入火区 波兰在地面将液态二氧化碳装入专用的矿车贮槽 然后输送到井下使用地点 再将矿车贮槽接至压送设备 液态二氧化碳通过增压器 气瓶 或自身汽化压 力 沿管路压入火区 这种方法中 液态二氧化碳从 20 的温度注入火区内 蒸发吸热 降温效果好 冷却火区的能力大 灭火效果好 其缺点是 需使用 专用的低温设备将液态二氧化碳运输至井下 灌注流量受限 将液态二氧化碳在地面上汽化为二氧化碳气体 或气液两相流 将液态二氧化碳在地面上汽化为二氧化碳气体 然后通过将管路将二氧化碳气 体注入火区 德 苏联等国将液态二氧化碳汽化后 通过直径为 100 150mm 的 压气管路 注水管或泥浆管将气体注入火区 这种方法的缺点是 二氧化碳冷 却作用相对较小 输送管路长 其优点是 即沿管路输送二氧化碳比往井下输 送液态二氧化碳方便 且流量大 因而通常采用这种方法较多 根据亭南煤矿的实际情况下 将液态二氧化碳直接运输到灭火地点附近 难度 大 注入量小 不易管理 因此 采用将二氧化碳在地面释放 经汽化后通过 注浆管路压注到火区 运输方便 可以实现大流量 连续的灌注二氧化碳 4 液态二氧化碳释放口的选择 向火区注 co2气体时 为减少耗 co2气体量 快速灭火 要根据火区的条件 火源的位置 选择最佳二氧化碳释放口位置 选择原则是使 co2气体在火区内 用最短的路线到达火点 冲淡火区氧气含量 对火区进行惰化和降温 回采工作面向采空区注二氧化碳防灭火的方法一般有两种 打钻注二氧化碳和 埋管注二氧化碳 前种方法是利用火区附近的巷道向火区打钻 利用钻孔向火 区注入二氧化碳 当对采空区火点掌握较为准确时 还可利用区段运输集中巷 在火点附近集中巷内作一段 3 5m 的小石门 在石门内打钻孔 通过钻孔向火 区注入惰气 后一种方法是将注二氧化碳管路埋设在工作面进风顺槽或靠近火 区其它巷道 根据火源的位置 二氧化碳气释放口可布置在工作面进风端头采 空区 或切眼下部和上部 压注二氧化碳用于处理回采工作面采空区自燃发火时 要认真封堵其可能的漏 风点 通过施工钻孔向采空区注二氧化碳时 采空区应注意观察二氧化碳的流 向 工作面配风要能够冲淡二氧化碳的浓度 5 液态二氧化碳的汽化设备 将液态二氧化碳转化成气态 一般都得使用汽化器 可归纳成以下几种 室温汽化器 即利用空气温度将液态二氧化碳转化成气态 在室温 20 时 汽化流量通常为 3m3 min 蒸汽加热汽化器 在矿井地面需要具备锅炉房和蒸汽车 使用蒸汽将液态二 氧化碳转化为气态 自带热能的汽化器 现代化矿井多数使用这种汽化器 其种类较多 西德使 用以下三种 丙烷加热水浴汽化器 用丙烷燃烧器直接加热水浴 汽化能力为 100m3 min 另外一种是丙烷加热螺旋汽化器 是利用炳烷直接加热螺旋管汽 化液态二氧化碳 还有一种是移动式间接的油加热水浴汽化器 是装在拖车上 的水浴式汽化器 本身带有独立的燃烧油的水加热器 6 输气管 液态二氧化碳在地面汽化向井下输送时 在很多情况下 可使用矿井中现有的 风管 水管 注浆管或者井下瓦斯抽放管 急需时 上述管路在我国矿井中都 不难解决 当矿井现有管路另有别用时不能用于灭火或没有独立的管路时 可 以备用专门管路 西德煤矿中备用这样的管路 直径为 150mm 每节为 20 30m 使用时必须持牢固 防止抖动 一直接到密闭墙或分支管上 并与灭 火喷嘴接通 在井下汽化时 矿车贮槽直接将液态二氧化碳输送到火区附近巷道内 再用一 段专用管从矿车贮槽接至火区 该管需是铜铝管或不锈钢管 管径为 50 70mm 在管外加缠绝热保护层 以保持低温 冷却火区 还有的用双层无缝 钢管 外管径为 50mm 内管径为 25mm 两管之间抽真空 每根 10m 左右 在亭南煤矿可使用井下的注氮管网来实现 co2的输送 将液态 co2经水液汽化 器汽化成 co2气体 或气液两相流 向井下输送 5 5 液态二氧化碳压注工艺系统的使用与维护液态二氧化碳压注工艺系统的使用与维护 开始向火区注惰气前 必须用惰气冲洗整个管道 并用氧气鉴定器不断