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亭南煤礦液態(tài)二氧化碳防滅火系統(tǒng)
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設(shè)計方案
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亭南煤業(yè)公司亭南煤礦
?西安科技大學(xué)
西安森蘭科貿(mào)有限責任公司
二OO八年三月六日
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亭南煤礦液態(tài)二氧化碳防滅火系統(tǒng)
設(shè) 計 方 案
煤自燃是煤與氧自發(fā)產(chǎn)生的氧化放熱反應(yīng),煤自然升溫的實質(zhì)取決于氧化放熱速率和環(huán)境散熱速率的大小,如果氧化放熱速率占優(yōu)勢時,才會發(fā)生自燃現(xiàn)象。因此,通過控制煤的氧化環(huán)境來抑制煤自燃是一種有效的方法。
我國煤礦安全規(guī)程規(guī)定,綜放開采有自燃傾向性的煤層時,要采用以注入惰性氣體為主的綜合防滅火措施。惰氣防滅火技術(shù)的主要目的是為了減少氧含量,降低煤氧化或燃燒的速度,可用于煤礦井下防滅火的惰性氣體主要有氮氣、二氧化碳及燃料燃燒后形成的混合氣體等。
用惰氣阻止煤體氧化和窒息火區(qū)的基本思想比較簡單,在具體使用上主要需考慮兩個方面的問題,一是能否供給防滅火現(xiàn)場有效的惰性氣體;二是在一定時間內(nèi)能否向現(xiàn)場輸送足夠的惰性氣體。早在五六十年代,世界上一些主要采煤國家就嘗試用氮氣來撲滅礦井火災(zāi)獲得成功,隨后,這一防滅火技術(shù)得到了不斷應(yīng)用和發(fā)展。1988年,撫順局采用氮氣防滅火技術(shù)成功地防止了厚煤層綜采放頂煤工作面采空區(qū)的自然發(fā)火,為我國在這一技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用起到了示范作用,目前,我國多數(shù)綜放工作面都采用注氮防滅火技術(shù)來防治采空區(qū)自然發(fā)火。
二氧化碳氣體已被廣泛應(yīng)用于各種火災(zāi)的治理,它能在較短的時間內(nèi)控制和撲滅氣體、液體、固體和電氣火災(zāi),具有滅火能力強、速度快、使用范圍廣、對環(huán)境不會造成污染等特點。CO2氣體在礦井煤層火災(zāi)治理中也起到了積極作用,美國俄亥俄州曾用二氧化碳氣體惰化方法,防止煤的自燃,我國東北和山西等礦區(qū)也使用CO2氣體治理過煤層火災(zāi),但由于CO2氣體的生產(chǎn)成本和應(yīng)用工藝等問題,使得該技術(shù)的推廣使用受到制約。
隨著綜放采煤工藝的推廣應(yīng)用,CO2防滅火技術(shù)與注氮防滅火技術(shù)相比,在初期投資、滅火效益等各方面都有其較強的優(yōu)勢,這對防止采空區(qū)煤層自燃火災(zāi)有積極的作用,因而在我國具有廣闊的應(yīng)用前景。
惰性氣體分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,化學(xué)性質(zhì)極不活潑,在常溫、常壓條件下很難與其它物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),即使在井下高溫火區(qū)內(nèi),也不會與可燃性氣體或可燃性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。且隨著空氣中惰性氣體含量增加,氧氣含量必然降低,當氧氣含量低至5~10%時,可有效抑制煤炭的氧化自燃,氧氣含量降至3%以下時,可完全抑制煤炭等可燃物的陰燃與復(fù)燃。
基于惰性氣體的性質(zhì)及煤的氧化機理,向綜放面采空區(qū)及浮煤帶注入惰性氣體,使其滲入到采空區(qū)冒落區(qū)、裂隙帶及浮煤帶,降低這些區(qū)域的氧含量,形成惰化帶,從而能夠達到抑制浮煤自燃的目的。
用惰氣防滅火和阻止瓦斯爆炸的過程稱為惰化,惰化后的火區(qū)因氧氣不足而不能燃燒和爆炸。惰氣的防滅火作用是使采空區(qū)等有關(guān)區(qū)域惰化,具體地說,惰性氣體的防滅火作用和特點是:
1)惰氣可以充滿任何形狀的空間并將氧氣排擠出去,從而使火區(qū)中因氧含量不足而將火源熄滅,或者使采空區(qū)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氣體爆炸危險區(qū)內(nèi),注入惰氣能夠使可燃可爆性氣體失去爆炸性;
3)向采空區(qū)或火區(qū)中注入大量惰氣后,可以使其采空區(qū)或火區(qū)呈現(xiàn)正壓狀態(tài),致使新鮮空氣難以漏入;
4)在惰氣滅火過程中,不會損壞或污染機械設(shè)備和井巷設(shè)施,火區(qū)啟封后,可較快地恢復(fù)生產(chǎn);
5)惰氣防滅火必須與均壓和其它堵漏風措施配合應(yīng)用。否則,如果注入惰氣的采空區(qū)或火區(qū)漏風嚴重,惰氣必然隨漏風流失,難以起到防滅火作用。
2液態(tài)二氧化碳的理化性質(zhì)及其惰化降溫作用 二氧化碳分子量為44,在常溫、常壓下是無色略帶酸味的窒息性氣體,它在不同的壓力、溫度條件下有三種形態(tài),其熔點為-56.6℃(5.2個大氣壓),臨界溫度為-31.3℃,臨界壓力為72.80大氣壓,二氧化碳具有升華特性,升華點-78.5℃(1個大氣壓)。在低溫加壓下,CO2氣體可變?yōu)橐簯B(tài),利用蒸發(fā)潛熱,可做成雪片狀固體,進一步冷卻加壓可制成干冰。
氣態(tài)二氧化碳的密度為1.976kg/m3(0℃,1個大氣壓),是空氣密度的1.529倍,液態(tài)二氧化碳的密度與溫度關(guān)系較大,-20℃時的密度為1.01kg/L,在溫度15℃、1大氣壓下,1噸液態(tài)二氧化碳體積膨脹約640倍。
液態(tài)二氧化碳汽化及固態(tài)二氧化碳升華時都吸收大量的熱,固態(tài)二氧化碳升華時吸熱137kcal/kg,干冰的制冷能力約是水冰的2倍,液態(tài)二氧化碳汽化吸熱隨溫度的不同而不同。
由于二氧化碳是一種窒息性氣體,注入火區(qū)后可降低氧氣含量,使火區(qū)因缺氧而窒息。此外,液體二氧化碳和固體二氧化碳在汽化和升華過程中,會吸收大量的熱,使火區(qū)溫度下降,加快火區(qū)的熄滅。因此,液態(tài)CO2用于煤層火災(zāi)防治除具有惰氣防滅火作用的共性外,還具有下述特點:
1)液態(tài)CO2滅火時,CO2從儲存系統(tǒng)中噴放出來,壓力會驟然下降,使CO2迅速由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài),CO2比空氣的密度大,在熄滅底部火災(zāi)時,可快速沉入底部而擠出氧氣,并在火區(qū)內(nèi)擴散充滿其空間,使火區(qū)內(nèi)氧氣濃度急速下降。
2)液態(tài)CO2內(nèi)沒有氧氣,向煤層自燃高溫火區(qū)內(nèi)壓注時,可完全避免由于注入惰氣時,可能帶入氧氣而造成的不利影響。
3)液態(tài)CO2汽化吸收大量的熱,注入高溫火區(qū)的CO2氣體溫度低,不僅具有對火區(qū)惰化和抑爆的能力,而且可以吸收大量的熱,從而降低火區(qū)溫度。
3液態(tài)二氧化碳防滅火性能分析
液態(tài)二氧化碳中無氧氣、溫度低,且對瓦斯有抑爆作用,灌注時系統(tǒng)流量大,易于調(diào)控,能夠?qū)崿F(xiàn)封閉區(qū)域的快速惰化、降溫和抑爆。
該系統(tǒng)與注氮防滅火系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)點:
①惰化速度快。對已采完封閉的綜放采空區(qū),使用注氮防滅火系統(tǒng)約需7~10天,注入氮氣20萬m3才能使封閉區(qū)域內(nèi)的氧氣濃度降至5%以下;而壓注液態(tài)CO2,僅需用兩個班的時間,注入約2萬m3的CO2就可達到該目的,防滅火效率提高約10倍。
②降溫效果明顯。氣化后的CO2經(jīng)管路輸送至壓注地點后,出口溫度低,通過現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn),當氣體出口溫度為16℃時,向封閉的采空區(qū)內(nèi)壓注僅4h,其溫度就會降低2~3℃。
③抑爆效果好。CO2氣體能使發(fā)生瓦斯爆炸的CH4濃度下限值升高。實驗研究發(fā)現(xiàn),當混合氣體內(nèi)的CO2濃度達到20%時,即使氧氣濃度為15%,瓦斯?jié)舛冗_到9%,也不會發(fā)生氣體爆炸。
④灌注流量大。液態(tài)CO2的氣體溫度為-20℃左右,僅需很少的熱量就能使其實現(xiàn)迅速氣化(產(chǎn)氣量可輕易達到1500m3/h以上),而且通過液態(tài)CO2流量與氣化溫度的控制能夠?qū)崿F(xiàn)氣液兩相輸送,使得其出口溫度更低,輸送氣體流量更大。
⑤系統(tǒng)維護簡單,初期投資小,使用成本相對較低,性價比好。
液態(tài)CO
2可從距銅川約100km的興平化工廠購買,每噸價格(含運費)約1000元,氣化后可產(chǎn)生氣態(tài)CO
2約600m
3,成本約1.6元/m
3。由于其防滅火效率是注氮的10倍,因此轉(zhuǎn)換為氮氣,其成本僅為0.16元/m
3。