购置注氮机可行性报告.docx

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购置注氮机可行性报告

购置注氮机进行

氮气灭火可行性报告

救护大队

二○一一年十二月

1、前言

随着矿井开采深度的增加和机械化程度的提高，煤层自燃发火现象愈来愈普遍，尤其是高突矿井的煤层自燃发火呈逐年上升趋势，矿井防灭火工作也愈加困难。

因自燃火灾造成了人员伤亡，煤炭被冻结，价值数千万元的机械设备被封闭在火区内，井下自燃火灾严重威胁着煤矿的安全生产。

因此，防治自燃发火工作安全生产的一个重要环节。

传统的封闭、均压、堵漏、窒息、启封的方法在防爆、工艺、灭火时间、投入人力物力、恢复生产、经济损失等方面存在诸多缺点和不利。

为了保障生命财产和安全生产，很多矿区积极引进和推广应用了国内外先进的防灭火技术，有效控制了自燃火灾，注氮气防灭火就是其中的一种。

氮气防灭火技术防爆抑爆，具有安全可靠、灭火快、投资省、成本低、启封加速等先进和独到的优点。

对于自燃发火严重的矿井可单独建立氮气防灭火系统与其他防灭火技术配套使用，对于自燃发火偶发的矿区可购置注氮机及相关设备集中管理使用。

永贵公司自燃发火矿井（发祥、石桥等）不多，且分布较散，建议先购置一台矿用膜分离移动式可车载制氮系统（1000m3/h）集中管理使用。

2、氮气防灭火的原理及特点

空气中的氮气体积含量为78.1％，氮气N2分子量28比空气略轻，在标准状态下，１立方米氮气的质量为1～25kg。

氮气在常温、常压下是无色、无味、无毒的不可燃气体，对振动、热、电火花等都是稳定的，无腐蚀作用，也不轻易与金属化合。

氮气防灭火的原理见下框图：

迅速充满采空区

降低采空区氧含量

采空区O2<12%瓦斯瓦斯不爆炸

采空区O2<10%抑

制采空区浮煤氧

化自燃

采空区O2<5%可初步证明已扑扑灭采空区煤层自燃

氮气防灭火的特点为：

（1）、氮气可充满封闭范围内的所有空间，特别有利于采空区上部和巷道冒顶区的防灭火。

（2）、通过管道（防尘、抽放、注浆、压风等）输送，不需用水，输送方便。

（3）、灭火过程中不损坏井巷和设备，使灾后恢复生产工作简单。

（4）、氮气本身无毒，使用安全。

（5）、使用方便，投入防灭火速度快，采空区有发火征兆时，只需开启阀门，便可迅速向采空区注入氮气。

（6）、灭火速度快，能迅速降低封闭区的氧气含量使火区窒熄。

（7）、定点目标注氮时，能迅速降低巷道冒顶区的CO含量，保证灭火人员的安全。

（8）、提高火区内气体压力，减少火区漏风。

3、氮气防灭火和传统防灭火的比较

（1）、安全性。

氮气防灭火能迅速使灾区O2<12%，O2的相对浓度迅速降低，防爆、抑爆的安全性特点独具，这是常规的防灭火技术无法替代的。

传统的各种封闭法条件下火区内瓦斯必然上升必定经过爆炸界限，可爆气体经过火点产生爆炸和连续爆炸极具可能。

现场很多案例足以明证，这给矿井财产和人员安全造成极大威胁。

（2）、灭火速度。

氮气进入封闭空间后很快到达火源点，能迅速降低封闭区的氧含量使火区窒熄，从注氮到恢复生产大约15天左右。

传统的封闭、均压、注浆注胶注水等方法，浆液很难快速到达火源点，火一般都在3个月以上甚至更长时间才能熄灭。

（3）、操作实施的可行性。

注氮操作工艺简单，投入防灭火速度快，采空区有发火征兆时，只要开启制氮机，便可迅速向采空区注入氮气。

传统方法需多建防爆墙、永久墙，还需采取各种方法堵漏，更需投入大量人力、物力恢复生产，环节复杂，所需材料多，操作实施困难不方便。

（ 4）、防灭火成本与经济性。

氮气设备尽管一次性投入大（一台制氮机约150万元），但氮气成本0.5元/m3左右，其它防灭火设备虽然前期投入少，但材料成本高。

但经济上氮气防灭火经济好。

氮气从灭火到恢复生产一般全过程15天左右。

传统方法一般为3个月甚至更多，假设30天，耽误生产假设15天计算，若一个采煤面每天出煤炭1000t按50万元计算，耽误生产15天就是250万元，而实际的耽误生产、资源、财产等损失远远超出。

4、制氮设备

　　我国煤矿防灭火目前所选用的制氮设备有：

地面固定式的深冷制氮气设备；矿用地面固定式、地面移动式和井下移动式的变压吸附制氮设备；矿用地面固定式、地面移动式和井下移动式的膜分离制氮设备。

按空分原理可分为深冷式、变压吸附式和膜分离式。

近几年来，尤以变压吸附和膜分离制氮设备在煤矿现场应用得最多。

深冷式制氮系统：

由于所占厂房面积大,操作人员多,起动时间长,因此目前选这种系统防灭火的煤矿不多;膜分离制氮系统：

与碳分子筛变压吸附制氮系统相比,具有起动时间短（约10min），操作人员少（约6～10人），氮气压力高,占地面积小和体积小等优点，故选膜分离制氮系统多为矿井采用。

按防灭火形式选：

分移动式和固定式。

移动式和固定式制氮系统的制造成本基本相同,而移动式比固定式服务的矿井多,一旦其它矿急需灭火,还可支援其它矿灭火,故选为移动式。

为满足煤矿选择氮气源设备的需要，煤炭科学研究总院重庆分院研制开发出KGZD系列（氮气纯度为98%，产气量为200—2000m3/h）矿用地面固定式制氮设备、KYZD系列（氮气纯度为98%，产气量为200—1200m3/h）矿用地面移动式制氮设备和JXZD系列（氮气纯度为98%，产气量为200—1200m3/h）。

综上所述和永贵矿井分散、自燃发火矿井不多的实际，应选用制氮系统选为膜分离移动式可车载制氮系统（1000m3/h）一套。

5、氮气防灭火参数

5.1氮气纯度及惰化指标

（１）氮气防火纯度：

根据《煤矿安全规程》，采空区防灭火注氮的氮气纯度定为≥97％。

（2）氮气灭火纯度：

根据重庆煤科院实验室考察，火区明火在氧气含量为3％时能阴燃，故注入火区中的氮气纯度应高，根据制氮机能制取高纯度氮气的特点，将灭火氮气纯度定为≥97.5％。

（３）采空区氧化带防火惰化指标：

由于工作面风量较大,采空区氧化带较宽,根据重庆煤科院实验室煤样氧化试验,在氧浓度≤10％时,能抑制煤样氧化,因此将采空区氧化带惰化指标定为氧浓度≤10％。

（４）火区惰化指标：

进风密闭内氧气浓度≤３％（停氮时），回风密闭内氧气浓度≤２％。

6、氮气灭火方法

6.1氮气灭火方法

矿井煤的发火是一个复杂的过程，火灾发生的原因不同，地点不同，发火严重程度不同，注氮灭火的方法亦不同。

巷道冒顶区发生高顶火灾时，采取向冒顶区插管或打钻孔目标注氮灭火；

当火势较大或危险较大时，灭火人员不能进入巷道目标注氮灭火时，则封闭巷道或封闭矿井进行注氮灭火；

当采空区发生火灾时，可临时封闭工作面注氮气灭火。

6.1.1巷道目标注氮灭火技术

目标注氮灭火工艺为：

巷道发生煤层自燃，不封闭巷道，直接向火源打钻注氮，氮气释放口离火源目标的距离不超过5m，钻孔打在火源的进风侧，孔距为2m，注氮流量为大于500m3/h,在火源的回风侧可打1～2个钻孔作为取样孔，通过取样孔监测火源的气体和温度值。

目标注氮的时间一般为2～4d,在注氮时必须连续注氮，在目标注氮时，工作面照常生产。

目标注氮的优点为：

巷道冒顶区自燃时,如果火源及高温煤体面积较大,位置较高,火源较隐敝,会给灭火带来很大的难度,因为注凝胶需打钻孔,钻孔在短时间内很难全部到位控制整个火区,而此时如果插管注氮,即使氮气释放口离火源有一段距离,由于氮气比空气略轻,会迅速向上扩散到整个冒顶区,抑制火势的发展，迅速降低火源的温度和CO气体含量，虽然目标注氮不能彻底扑灭火源，但目标注氮能抑制火势的发展，为打钻注浆注凝胶营造宽松的时间。

6.1.2巷道（或矿井）封闭注氮灭火技术

巷道内突然发生大火，不能用常规方法扑灭时，为防止火势扩大，应立刻封闭巷道注氮气灭火。

灭火时先将通往火灾地点的支巷口封闭，待输氮管路接通后再封闭主要进、回风口。

在发生火灾时，应尽早封闭火区，以保持封闭范围最小，为了抑制火势的发展，可先用板闭临时封闭火区注氮，迅速降低火区内氧气含量和扑灭明火，并同时在板闭外构筑砖闭，在砖闭上应分别设置注氮管（位于砖闭下部）、取气样管（位于砖闭上部）和水柱计管（位于砖闭上部）。

火区经过连续注氮，当火区一氧化碳气体含量降为0，进风密闭内氧气含量降到3%以下，回风密闭内氧气含量降到2%以下时，可由救护队员在锁风状态下进入火区侦察，如果火源还有余温，则应立即用水浇灭高温煤炭。

火区启封后应加强对火源的观察，如有复燃征兆应采取注水、注浆或注凝胶的灭火措施。

6.1.3采空区封闭注氮灭火技术

采空区发生火灾时，为了防止火势扩大，可临时封闭工作面注氮灭火。

注氮地点一般选在进风密闭，氮气随漏风流动，易迅速充满采空区，当火源位于采空区回风侧时，也可将注氮地点选在回风密闭。

临时密闭用木板构筑，板闭应用黄泥沫面，尽量少漏风。

灭火初期注氮流量应尽量大，以大于500m3/m的流量迅速压低火势，窒熄明火，根据经验,此流量注氮5d后，可将采空区火区氧含量降低到5%，然后以250～400m3/h流量的氮气维持注氮。

当火区CO含量降为0，回风密闭O2含量降到2%以下，温度为常温时，可停氮观察2d，如无变化，则可打开密闭恢复生产，加快推进度，边生产、边注氮，将火源点甩入窒熄带。

在灭火的过程中，应通过进、回风密闭的观察管加强对火区气体、温度的监测。

7注氮安全措施

7.1注氮地点的安全通风量

在输氮管路的沿途或工作面,假设500m3/h的氮气全部漏入到巷道或工作面,是否使漏氮气的区域造成缺氧,其安全通风量究竟需要多大,可由下式计算:

Q=QN（CN+C2-100）/（C1-C2）

式中:

Q----安全通风量,m3/h;

QN----氮气最大泄漏量,为6.6m3/h;

C2---允许安全氧含量,为18.5%;

CN---漏氮中氮气含量,为97%;

C1-----空气中氧含量,20.8%;

将以上数字代入上式,计算得:

Q=6.6（97+18.5-100）/（20.8-18.5）=44m3/h

根据以上计算,工作面或巷道风量只要大于44m3/h便是安全的,同理可以计算出500m3/h的氮气全部泄漏到通风量为1000m3/min的工作面或巷道中,则氧含量只降低0.1百分点,故也是安全的。

但是,绝不允许任何人正对注氮口近距离观察,这将是十分危险的,因为漏氮将在极小的范围内造成缺氧。

总之,但氮气防灭火决不能放松警惕,在注氮工作中仍会出现一些想不到的情况,因此必须严格执行注氮防灭火安全规定。

7.2输氮管路的安全措施

（1）输氮管路必须做到日常维护好,按要求设置三通阀门,严禁在管路上堆放或吊挂它物。

（2）加强管路接头管理,防止管口脱落或漏气造成氮气伤人。

（3）为防止管路阀门被随意开和关,应在阀门上勿动文字警告。

7.3封闭注氮安全措施

封闭注氮时,密闭将泄漏少量氮气,氮气长时间积累,将造成密闭前严重缺氧,因此密闭前必须安上局扇通风,为了防止向火区漏风,局扇的风量应小,只要密闭前氧含量大于18%就行。

7.4注氮程序

（1）送氮

当井下有自然发火征兆,达到矿井制定的注氮防灭火时机时,由矿通风副总或矿总工程师通知通风区注氮防灭火,通风区对井下管路经检查无误后,通知制氮站送氮。

（2）停氮

根据火区或采空区注氮防灭火情况,由矿总工程师或矿通风副总通知通风区停氮,通风区再通知制氮站停氮,并派专人关闭井下注氮阀门。

8、应用实例及效果

　　目前，氮气防灭火技术成为该采煤方法的主要防灭火措施。

目前已有50余个矿区矿建立了氮气防灭火系统，为煤矿安全生产发挥了重要作用。

　　煤矿注氮防灭火抑爆的应用实例较多，现只举三例。

1、1991年10月，某矿放顶煤工作面采空区发生自燃发火，封闭工作面后采用黄泥灌浆灭火1个月无明显效果，采用氮气灭火后，使火区CO含量降为0，O2含量降为1.5%,气体温度降到18℃，当即打开密闭恢复生产。

氮气灭火的效果可以通过两次灭火对比得出：

第一次采用掘消火道打钻灌黄泥浆