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

 

 

 

 

 

亭南煤矿液态二氧化碳防灭火系统

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。