液态co2论文10113doc

1、惰性液态CO2防灭火工艺探索与实践摘要：通过研制液态CO2防灭火工艺系统装备，可以直接安全利用液态CO2从事井下防灭火，消除煤矿井下火灾隐患，控制火灾人员伤亡，缩减灭火时间，减少煤炭资源和设备设施的损失，对煤炭安全生产与煤炭工业有着重要的现实意义。关键词：液态CO2 防灭火工艺 采空区一、概况大佛寺煤矿位于陕西彬长矿区南部边界，地处彬县、长武两县交接地，主采侏罗纪4煤层，全井田分布。煤层全厚019.73m，平均11.65m，属特厚煤层，煤层结构简单，煤层稳定，较坚硬。矿井绝对瓦斯涌出量为128.35m3/min，绝对二氧化碳涌出量为8.14m3/min；矿井相对瓦斯涌出量为15.89m3/t，

2、相对二氧化碳涌出量为1.01m3/t。煤层具有自燃发火性，发火期一般为3-5个月，最短发火期为24天，煤层爆炸指数30.08%，煤层倾角5°。2009年2月24日，大佛寺煤矿在回撤40104综采工作面中发生火灾，进行封闭，现在火区各项气体基本稳定。二、液态CO2防灭火机理1）窒息氧作用煤的自然发火是煤与氧的氧化反应过程，氧气是氧化反应的必要条件，没有氧气，氧化反应就无法进行。试验结果证明，氧浓度低于8%时失燃,低于3%时，氧化反应彻底被中止，燃烧现象不能持续进行。向发火或具有高温火点的采空区内注入液态CO2立即会形成大量的高浓度CO2，会使采空区内原有O2浓度相对减小，并且由于CO2

3、比空气密度大，重于空气，以及煤体对CO2具有较强吸附作用(吸附量为48L/kg，而煤对氮气的吸附量为8 L/kg，前者是后者的6倍)等特点 ，很容易替代O2而覆盖煤体燃烧点表面，减少煤体燃烧体表面O2浓度，使O2浓度低于自然发火的临界O2浓度，从而防止煤的氧化自燃，或使已形成的火灾因缺O2而窒息灭火。与此同时，大量的高浓度CO2的扩散会必然会提高采空区内气体静压，进而会降低采空区的漏风量，造成氧化自燃带供氧不足，进而阻止氧化反应的进程。2）冷却降温作用煤的燃烧过程实际就是煤的氧化过程,煤的氧化速度,与供氧有关系,也与温度有关系,煤炭自燃,往往经历三个阶段:升温氧化阶段(110-130),加速升

4、温阶段(140-190),急速升温阶段(200以上)。如直接喷注液态CO2时，可使火源明显降温，加速熄灭火源。液态CO2喷入火区空间会瞬间气化,体积将膨胀640倍左右,需要吸收大量热，温度急剧下降到-78.5。1KG液态CO2蒸发气化需要吸收577.8×103焦耳KG的热量。加之煤对 CO2极易吸附特点，在吸附过程中将吸附热转移给CO2气体，从而会遏止燃烧的链锁反应。 同时扩散采空区内的CO2气体也会吸收氧化反应过程中所产生的热量，降低周围介质的温度，以减缓煤的升温速度，促使煤的氧化反应由于聚热条件的破坏而延缓或终止。3）惰化抑爆作用气化后的CO2在冲淡可燃气与氧的含量过程中，也使火

5、区空间气体惰化程度不断增大，从而使混合气失去可爆性。CO2 的惰化作用优于其他惰性气体。在以氮气注入的火区阻爆临界氧浓度为12%，火区内明火被熄灭的临界氧浓度为9.5%；而以CO2注入的火区阻爆临界氧浓度为14.6%，火区内明火被熄灭的临界氧浓度为11.5%。经两者比较，CO2惰气的阻燃、阻爆性能明显优于氮气，两者相差2个百分点以上。 三、液态CO2防灭火工艺系统 （一）工艺系统 液态 CO2一般是有关化工厂回收的副产品，不少地区都有这样厂子。当矿井发火时，煤矿可向有关化工厂购买，厂子会采用特制的运送槽车（汽车型液态CO2槽车）将其运送至井口。再由矿井根据矿井及火区条件，以适当方式送到发火区，

6、其方式有： 1当火区接近地表可直接通过地面打的钻孔向火区注液态CO2。 2利用特殊罐车装置（矿车型液态CO2槽车），组成矿车串，将液态CO2运至井下火区附近，再接较短管路，依近距离将其直接注入火区。如图1所示 图 1 1-制液态二氧化碳机组;2-固定液态二氧化碳贮槽;3-汽车型液态二氧化碳槽车;4-矿车型液态二氧化碳槽车;5-管路;6-密闭;7-火区3在不具备将液态CO2直接注入火区的情况下，只能通过器化气器在井上将液态气化成气态CO2，通过地面到井下火区附近的管路，长距离输送到火区。 如图2所示 图 2 1-制液态二氧化碳机组;2-固定液态二氧化碳贮槽;3-汽车型液态二氧化碳槽车;4-汽化器

7、;5-管路;6-密闭;7-火区（二）工艺系统制造和操作原则1液态CO2是处于低温高压状态，不易储存，需由有低温高压资质的厂家负责制造具备一定压力的真空低温储存罐。2用于运送井下的贮运罐必须能经得起一定程度的磕撞。3贮运罐在装、贮、运、注液态CO2过程中不得出现任何泄漏问题。4注入火区过程要保障罐体注后不遗留液体，注入火区的必须是液态CO2。5应制定有防止井下工作人员和进行注液态CO2工作人员吸入CO2而窒息或受低温伤害的安全措施。6井下液态CO2防灭火系统各个环节的操作人员、监测人员应由救护队员承担。四、液态CO2防灭火参数计算1注入量确定确定注液态CO2量是根据防灭火区的空间大小及燃烧程度。

8、通过达到火区要控制的氧浓度（抑制瓦斯爆炸氧浓度、制止燃烧氧浓度）来计算需要注入的液态CO2量，或者使火区要达到的温度来计算需要注入的液态CO2量。 2工作压力液态CO2有其特殊的规律，在低于11公斤压力的状态下，就会大量气化，在气化过程中由于会大量吸热，会使管道出现结冰堵塞。因此，注入口的压力必须不低于11公斤压力。3管道的管材、管径和保温措施应和矿车型液态CO2槽车罐体相匹配。 四、安全技术措施 根据液态CO2防灭火研究实施方案， 6月初在40104运顺闭墙进行液态CO2灌注，进行防灭火试验研究，为保证试验过程顺利安全进行，特编制本安全技术措施。1、罐体充装安全技术措施：1）、设备外套、内胆

9、内，外表面及所有与内胆相连的接管的内外表面必须全部进行除锈、除油、脱脂、清洗、干燥处理；2）、安全阀、外套泄放装置必须配备齐全，铅封完好；3）、罐体无明显伤痕，检查外套泄放装置，安全阀、压力表是否按说明书上关严；阀门开关可靠，操作灵活，符合设计要求。2、矿车型液态CO2贮运罐罐体充装：1）、罐体充装作业必须由专业人士进行，其他无关人员禁止靠近工作区域，在操作区域200米范围设置警戒，悬挂标志牌，安全防范措施必须到位；2）、充装过程中必须放净液灌空气。3）、充装过程中有专人观察压力表，检查自增压装置，充装压力是必须保持规定值（-40）时的压力为2.2Mpa，禁止出现超充装、欠充装等不规范操作现象

10、发生；4）、充装时应该逐渐开启充装阀，使液料慢慢加大流量，以免猛然冲击发生意外。5）、充装完毕后应该打开测液口，检查液面情况，从上、下液面计观察液位是否充装到规定值。检查液体浓度是否达99%。6）、充装操作必须严格按照操作流程进行，严禁违章操作；7）、充装完毕必须经过1个小时稳定后，方可进行运输。3、罐体运输安全技术措施：1）、罐车充装完毕后，利用平板车进行运输，按顺序挂车，首尾连接后，用机车牵引到火区地点，运输过程中遵照液态气体运输条例，平安运到目的地；2）、利用平板车运输前，首先检查平板车的安全可靠，必须将罐体用钢绞线固定牢固，保持在居中位置，确保无松动，无倾覆可能，车上安全标志不能随意挪

11、位，各阀门按规定严格关闭；3）、运输队必须安排业务素质强的司机进行运输，运输时辅助运输大巷严禁行人，且保证专列运输，运输过程中必须保证前后路段畅通、平整，不得出现大的颠簸，确保顺利安全运输到位；4）、罐体运输车在经过副斜井、8度坡时，必须保证匀速通过，不得出现大的变速，以防罐体内液体泄漏；5）、运输过程中必须有救护队员进行监护；6）、用机车拉至火区地点，将单元罐车首尾连接好后，将各进料管的软管管道及进料阀门连接好，并关严进料管及各种阀门，以及管道上的压力表和安全阀，以待备用。4、液态CO2灌注安全技术措施：1)、液态CO2灌注前：A、必须检查各罐体外观，内胆灌装液料无泄漏；安全阀、压力表泄放装

12、置是否完好，各阀门是否关闭严实；B、必须将安全警戒设置到位，无关工作人员禁止靠近工作区域；C、必须将防护用具、专用检修工具和备用配件准备到位；D、必须将40104运顺联巷内杂物清理干净，保证人员撤离通道畅通。2）、液态CO2灌注时必须做到：A、由救护队员操作并佩带自救装置；B、现场操作人员必须携带便携式O2浓度报警仪，O2浓度低于20%时，必须停止操作，关闭灌注阀门，查明原因进行处理；C、必须保证劳动保护措施齐全，安全措施到位；D、必须按照先后次序进行，严禁违章操作；、液态CO2灌注前后必须对40104运联、回联、泄水巷闭墙进行安全检查，出现问题及时处理；、液态CO2灌注后必须检查闭墙前阀门，

13、保证阀门关闭。、矿井其他地点瓦检员必须随时检查风流中的氧气及二氧化碳浓度。采掘工作面的进风流中，氧气浓度不低于20%，二氧化碳浓度不超过0.5%；风流中二氧化碳浓度达到1.5%时，必须停止工作，撤出人员，查明原因，制定措施，进行处理。6月9日上午10：57分至11：20分，在封闭的40104综采工作面采空区回风侧的向闭墙内进行了灌注。共灌注10t液态C02，释放后膨胀体积约为 6000 m3。 效果情况见下表：灌注前后封闭侧内的气体浓度、温度参数对比（40104运顺）项目CO2/%CH4/%N2/%O2/%T/压注前0.68413.30.3522压注后1.485.800.213通过对灌注前后采空区内的气体和温度的变化情况分析，说明液态CO2有明显降温和惰化可燃性气体性能。与注氮比较，成本低，液态CO2出厂成本为600元/吨，每吨可气化600多立方的气态CO2，这比化学方式获取的气态CO2（每立方7-8元）的成本大大降低，比制氮机产的氮气成本也明显降低。4、 结论1、 研究液态CO2用于煤矿井下防灭火是切实可行的，并具有速度快，操作简单，成本低，防灭火效果显著可靠，是矿井防灭火工作发展的新的方向。2、研制出的对液态CO2防灭火系统中自我增压系统和检测系统，可实现控制罐体内压力自我补