液态二氧化碳防灭火系统正式版文档格式.docx

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　　亭南煤矿液态二氧化碳防灭火系统

　　设计方案

　　亭南煤业公司亭南煤矿

西安科技大学

　　西安森兰科贸有限责任公司

　　二OO八年三月六日

　　设计方案

　　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：

　　①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。

　　②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℃。

　　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。

　　④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。

　　⑤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

　　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1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：

　　①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；

　　②出口压力：

>

0.6Mpa；

　　③产气量：

1000~2000m³

/h；

　　④出口温度：

-10℃；

　　⑤输送距离：

5km；

　　图2 

液态二氧化碳防灭火装备

　　⑥系统尺寸：

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

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：

　　①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。

　　②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：

　　①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。

　　②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。

　　③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

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液态二氧化碳压注工艺系统的使用与维护

　　①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测定管道排气中的氧气浓度，只有当排气中不含有氧气时，才能向火区注惰气。

　　②在火区排气过程中，回风侧CO和瓦斯浓度将增加，因此事先应切断回风侧一切电气设备的电源，并禁止人员通行。

　　③为控制耗二氧化碳量及回风侧CO和瓦斯浓度，应根据需要及火区熄灭程度调节注二氧化碳量。

　　④CO₂与灼热材料接触时，可能放出氧气，在这种情况下能产生大量的CO气体，1955年捷克一煤矿用CO₂灭火时，结果产生CO，致使根据气体分析来确定火灾造成了困难和差错，因此，利用指标气体确定火区情况应有所变化。

　　6安全技术措施

　　1）所有参加施工人员应认真学习本措施，地面人员操作必须在厂家技术人员指导下操作。

　　2）注CO₂前要仔细检查注浆管路系统，包括管路联接是否完好，闸阀是否已经开启，发现问题及时汇报处理。

　　3）第一次运行前，必须对地面惰气防灭火装置试运转，并经矿组织验收合格后方可投入使用。

　　4）为防止管路漏气，注惰前先灌水作打压试验，即关闭出口阀门，在地面缓慢灌水，在主井下井口安排专人观察压力表示值，压力1-2MPa整个管路不漏水为准。

试验过程中必须保持通讯联系畅通，防止管路承压过大损坏。

　　5）实施连续注CO₂施工。

实施注惰时要及时记录、数量、时间、操作人员签字。

　　6）注CO₂开始运行，管路中空气应放空，CO₂浓度达不到97%不得向密闭内压注，同时应有人注意观察放二氧化碳口的下风侧氧气浓度。

　　7）巡查管路人员要注意巷道顶帮情况，巷帮支护不好地段严禁长时间停留。

　　8）凡管路系统流经地点（全风压通风地点）其巷道配风不少于200m³

　　9）注CO₂结束后对注浆管路检查，如果管路受到热胀冷缩的影响而发生损坏，及时汇报并处理。

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