注氮设备选型计算

PAGEPAGE1注氮设备选型计算三、设备选型（一）制氮方案比选结合目前国内矿井使用的制氮设备情况，按照设备布置形式可分为地面固定（移动）式和、井下移动式两种制氮系统。地面移动式制氮系统机动性好，一般适用于矿区多个矿井间相互使用。地面固定（移动）式与井下移动式制氮系统比较见表7-5-1。表7-5-1地面固定（移动）式制氮系统与井下移动式制氮系统比较表地面固定（移动）式制氮系统井下移动式制氮系统不在防爆区域内无须考虑防爆。在防爆区域内工作，所有电机、电器等均须严格按防爆等级执行。外形体积无限制。体积受到限制，吸附塔卧式安装，吸附剂的性能无法充分发挥。可实现无人值守，设备稳定运行（移动式需要专业人员管理）。必须有专人看管。故障率低，在相对静态的条件下工作。一旦出现故障，排除方便。故障率高，整机经常处于动态。故障出现时排除相对困难。井下需要敷设专用管路。受到井下空气及吸附塔高度的影响，制氮效率相对较低。地面需建制氮机房，管路敷设路径长，系统总体造价高。可利用井下联络巷，不需建制氮机房，管路敷设路径短，系统总体造价低。按制氮工艺分类主要分为变压吸附式、膜分离式、深冷分离式三种制氮系统。变压吸附式、膜分离式、深冷分离式制氮系统比较见表7-5-2。表7-5-2变压吸附式、膜分离式、深空冷式制氮系统比较表项目变压吸附式膜分离式深冷分离式工艺原理相同压力下，氧气比氮气更易被吸附。相同压力下，氧气渗透率高于氮气。相同压力下，液氧沸点大于液氮沸点。制氮特点常温、制氮过程的吸附-均压-解吸-吸附过程压力波动。常温、压缩空气在膜组件中连续通过，无需切换。氮气压力稳定。低温、连续、氮气压力稳定。操作压力（MPa）0.851.30.8~0.9操作温度(℃)≤4540～50-160～-190产品种类气氮气氮气氮、液氮启动时间～40min～5min＞12h氮气纯度%≤99.99＜99.999～99.99最大制氮能力(m3/h)2500（纯度97%氮气）1500（纯度97%）＞10000（根据需要）主要设备空气压缩机、过滤器、干燥机、吸附塔、氮气缓冲罐空气压缩机、过滤器、干燥机、电加热器、膜组件空气压缩机、预冷机组、分子筛吸附器、电加热器、透平膨胀机、换热器、精馏塔、冷凝蒸发器占地面积较大小大相对投资成本小大大根据表7-5-1、表7-5-2方案比较，地面固定式制氮系统运行成本低、管理方便，设备工作环境好、使用寿命长，总投资省。变压吸附式制氮系统，工艺环节较多，设备体积较大，但技术成熟，备品、备件易购，设备投资相对较少。基于设备运行安全可靠的原则，结合投资、运行和维护费用等因素，设计推荐采用地面固定式变压吸附制氮设备。（二）推荐方案选型计算矿井建设规模为0.90Mt/a，矿井移交时装备2个综采工作面，井下共需防灭火注氮用量为2×700=1400m³/h。根据矿井所需注氮用量，计算设备的制氮能力应满足：∑Qmax≥αγ∑Q＝1.2×1.18×1400＝1982.4Nm³/h式中：α——富余系数；取1.2；γ——海拔高度修正系数；取1.18；Q——矿井所需注氮量；Qmax——设备所需制氮量。工业场地内建1座制氮站（与压缩空气站联合建设），站内选用3套KSN-1000型变压吸附制氮机组，其中2套工作，1套备用。KSN-1000型变压吸附制氮机组采用碳分子筛变压吸附技术，具有操作直观的人机界面，智能化全自动控制，按键即可产出高纯氮气，无需专人值守，安装简便，不需特殊设备基础，平整地面即可安装，可靠安全性高，运行成本和维护费用相对较低。KSN-1000型变压吸附制氮机组主要技术参数及设备配置如下：制氮量1000Nm3/h，氮气纯度≥97%，输出压力0.6MPa。每套机组配1台SA+250A-8T型两级压缩螺杆式空气压缩机、1台KRD-50F型冷冻干燥机、1套KAL-50/10型精密过滤器组件、2台变压吸附塔和1个空气缓冲罐、1个氮气缓冲罐等设备。机组总功率271kW，其中SA+250A-8T型两级压缩空气压缩机排气量51.5m³/min，排气压力0.8MPa，功率250kW，电压10kV；冷却风扇、冷冻干燥机等设备功率20.3kW，电压380V；制氮机功率0.6kW，电压220V。制氮站最大制氮能力为2000Nm3/h＞1982.4Nm3/h，制氮设备备用数量和能力均不低于正常运行设备的50%，满足《煤炭矿井设计防火规范》（GB51078-2015）要求。四、氮气输送管路1、管路管径选择及敷设路径输氮管路主管选用1趟φ219×6无缝钢管沿制氮站→地面→主斜井井筒→人行石门→采区带式输送机上山→主运石门敷设，另外在带式输送机石门预留管路接口；支管选用2趟φ159×4.5无缝钢管，分别沿1#综采工作面运输巷和2#综采工作面运输巷敷设。2、管路敷设路径及其它地面管路采用焊接方式连接，主斜井井筒及井下管路均采用法兰连接。地面管路采用冻土以下埋地敷设，井下管路采用金属托架固定，井筒管路采用U型管卡固定在架空乘人装置钢梁上，且每隔50m~80m左右设1组管路防滑装置。管路的分岔处装设三通、阀门和压力表。所有管路及其附件均做防腐处理，喷涂防腐涂料前应进行Sa2.5级（或St3级）的除锈，防腐处理采用重防腐体系，总涂层厚度≮200μm。施工安装完毕后，应对管路系统进行强度和气密性试验。输氮管路布置示意图见插图7-5-2，输氮管路系统图见附图C15866-278-1。3、氮气压力校验矿井综采工作面所需防灭火注氮用量较大，矿井生产后期管路敷设距离长，设计按管路末端氮气压力0.2MPa校核注氮设备供气压力。注氮设备供气压力校核计算见表7-5-3。式中：P1——输氮管路供氮绝对压力，MPa；P2——输氮管路末端绝对压力，≮0.2MPa；Qmax——管路最大输氮流量，2000Nm³/h，D0——基准管径，150mm；Di——实际输氮管路内径，主管200mm，支管150mm；λ0——基准管径的阻力损失系数，0.026；λi——实际输氮管路的阻力损失系数，主管取0.024，支管取0.026；Li——相同直径管路长度，km，计算长度系数取1.15。表7-5-3注氮设备供气压力校核计算序号管路安装地点注氮量（Nm³/h）管路长度（m）管路规格（mm）实际长度计算长度外径内径1主管地面20002002302192072主管主斜井井筒20004765472192073主管人行石门20001802072192074主管采区带式输送机上山20003003452192075主管主运石门20004515192192076支管11#工作面运输巷100096311071591507支管22#工作面运输巷1000698803159150矿井移交时，注氮设备的供气压力应不小于0.422MPa1主管地面20002002302192072主管主斜井井筒20004765472192073主管人行石门20001802072192074主管带式输送机大巷20003774342192075主管带式输送机斜巷2000100011502192076主管区带式输送机上山2000120013802192077主管区段石门20006006902192078支管1综采工作面1运输巷1000100011501591509支管1综采工作面2运输巷100010001150159150矿井生产后期（20a），注氮设备的供气压力不小于0.432MPa经计算，矿井移交投产时注氮设备需要的供氮压力为0.422MPa，矿井生产后期（20a）注氮设备需要的供氮压力为0.432MPa。KSN-1000型变压吸附制氮机组输出压力0.6MPa，因此输氮管路的管径选择满足使用要求。五、附属设施为方便后期更换变压吸附装置内的碳分子筛，在变压吸附塔上方设置固定起重梁，配设5t单轨小车和手拉葫芦。六、注氮系统智能化1、制氮站与压缩空气站联合建设，按无人值守设计，通过工业以太网传输信号，可实现远程集中控制，另外为满足设备检修等要求，也具备就地控制功能。2、注氮系统与束管监测或光纤测温等自然发火监测预报系统联动，可根据火情适时调节氮气流量。3、系统具