CN102052086B - 矿用液态co2防灭火工艺及装置 - Google Patents

Abstract

一种矿用液态CO₂防灭火工艺及装置，是将液态CO₂运送至井下火区及以液态灌注火区，利用液态CO₂对火区进行窒息氧、冷却降温和惰化抑爆实现防灭火。其系统由液态CO₂槽车1、液态CO₂贮运罐2、汽化器10，以及自增压管路、进出液管路等组成；其防灭火装置由液态CO₂贮运罐2、汽化器10、自增压管路、进出液管路等构成。其中，自增压管路由自增压出液管路、自增压进气管路构成，与汽化器10组合构成自增压系统，可实现罐体内压力自我补偿。本发明解决了液态CO₂罐体和管道输送过程中气化结冰的技术难题，实现了安全转贮、运输和灌注，具有灭火速度快、操作简单、成本低、运行稳定、防灭火效果显著等特点，具有广泛的实用性。

Description

矿用液态CO2防灭火工艺及装置

一、技术领域

本发明涉及一种防灭火技术，尤其是一种利用液态二氧化碳防治煤炭自燃的防灭火工艺及装置。 

二、背景技术

矿井火灾是煤矿的主要自然灾害之一。而煤炭自燃又是矿井火灾的主要形式，“十五”期间，全国657处重点煤矿中，有煤层自然发火倾向的矿井占54.9％，自然发火期在3个月以内的矿井占50％以上，每年自燃形成的火灾近400次，煤自燃氧化形成火灾隐患近4000次，仅我国北方煤田累计已烧毁煤炭达42亿t以上。目前，综采放顶煤技术得到大力的推广和应用，使煤矿生产效率大幅提高，但该方法冒落高度大、采空区遗留残煤多、漏风严重，使得矿井煤炭自然发火频繁发生，已成为制约矿井安全生产与发展的主要因素之一。我国新疆、宁夏、内蒙等区还存在大面积的煤田火灾，每年烧损煤量1000～1360万吨，经济损失超过200亿元。煤炭自燃产生大量的SO₂、H₂S、CO和CO₂气体，严重污染环境；煤田火灾还造成大面积的植被破坏，使土壤沙漠化。为了防止煤炭自燃，目前广泛使用灌浆、喷洒阻化剂、汽雾阻化、注凝胶、注惰气、喷浆堵漏、压注惰性泡沫等防灭火技术，用于防止采空区漏风、 

这些技术虽然对防止煤炭的自燃起到了一定作用，但是成本高、使用效果不够理想。中国专利号：101618255A公布了一种矿用二氧化碳防灭火工艺及装置，它主要是借助液态CO₂汽化后产生的压力通过管路将其注入井下火区，利用CO₂进行降温和惰化实现防灭火。由于以气态CO₂注入井下火区，其冷却降温作用不明显，且长距离管道输送，易发生管路泄露等问题，也会增加企业管道维护工作量。因此，该技术不适用于将液态CO₂以近距离直接注入井下火区。 

三、发明内容

(一)发明的目的 

鉴于已有技术的不足之处，以及煤矿井下注氮工艺防灭火设备价格高、使用效果不够理想，本发明提供一种能将液态CO₂运至井下火区及以液态灌注火区的防灭火工艺及装置。 

(二)技术方案 

矿用液态CO₂防灭火工艺，需要制作出液态CO₂贮运罐，组成液态CO₂贮运罐列车，将液态CO₂运至井下火区附近，再接较短管路，以近距离将其直接注入火区。 

系统组成：包括液态CO₂槽车、液态CO₂贮运罐、汽化器，以及自增压管路、进出液管路等。 

在地面，运送液态CO₂的槽车，其槽车接口经进出液总阀将液态CO₂充装入各液态CO₂贮 运罐，开启其自增压系统；充装好的各液态CO₂贮运罐运送到井下，按顺序连接挂车，用机车牵引到火区地点；在火区地点，先打开灌注阀及首个液态CO₂贮运罐的单元进出液阀，将液态CO₂灌注到火区进行防灭火，待首个液态CO₂贮运罐放完后关闭其单元进出液阀，然后依次逐个液态CO₂贮运罐向火区灌注，每当一个液态CO₂贮运罐放完后则关闭其单元进出液阀，直至将整个液态CO₂贮运罐车组灌注完毕为止。 

液态CO₂贮运罐设有自增压系统，由自增压出液阀、自增压出液管、自增压出液总管、汽化器、自增压进气管、自增压进气总管、自增压进气阀等构成。汽化器采用空浴式汽化器，来自液态CO₂贮运罐的低温液态CO₂在汽化器中与环境空气进行热量交换，使液态CO₂气化为增压气体并回至液态CO₂贮运罐上部气相空间。 

液态CO₂贮运罐设有压力表、液位表和安全阀。 

(三)技术效果 

本发明是一种用于矿用液态CO₂防灭火工艺及装置，解决了液态CO₂贮运罐由地面安全运输至井下、避免灌注管道结冰堵塞及CO₂以液态注入火区的关键技术；是一种高效使用的矿井防灭火技术。与现有技术相比具有如下有益效果： 

(1)液态CO₂贮运罐设置的自增压系统可实现有效控制罐体内压力自我补偿，解决罐体和管道防止气化结冰问题，为直接向煤矿井下火区输出液态CO₂提供了技术保障。 

(2)液态CO₂浓度高，温度低，可控制在-20℃以下，有利于发挥液态CO₂对火区的窒息氧作用、冷却降温作用和惰化抑爆作用。 

(3)直接灌注液态CO₂时，可使火源明显降温，加速熄灭火源。液态CO₂注入火区空间会瞬间气化，体积将膨胀640倍左右，需要吸收大量热量，温度急剧下降到-78.5℃。 

(4)液态CO₂直接灌注火区后，气化后CO₂比重大，能有效隔离煤体的氧化，使火源熄灭或阻止进一步氧化。 

(5)该工艺及装置具有速度快、操作简单、成本低、连续可调、运行稳定、防灭火效果显著可靠等特点，符合现场的实际应用。 

四、附图说明

图1是本矿用液态CO₂防灭火工艺及装置示意图。 

图1中，1-液态CO₂槽车、2-液态CO₂贮运罐、3-进出液总管、4-进出液管、5-支撑柱件、6-保温层、7-内壳体、8-外壳体、9-防晃板、10-汽化器、11-自增压出液管、12-自增压出液总管、13-自增压进气管、14-自增压进气总管、F₁-单元进出液阀、F₂-进出液总阀、F₃-灌注阀、F_A安全阀、F_Z1-自增压出液阀、F_Z2-自增压进气阀、P-液压表、L-液位表。 

五、具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明： 

(一)本发明矿用液态CO₂防灭火工艺的工作原理和基本流程 

在图中示出本发明的工作原理与基本流程。矿用液态CO₂防灭火工艺是将液态CO₂运送至井下火区及以液态灌注火区，利用液态CO₂的防灭火性能对火区进行窒息氧、冷却降温和惰化抑爆，从而达到防灭火的目的。液态CO₂贮运罐由地面安全运输至井下、避免灌注时进出液总管结冰堵塞及CO₂以液态注入火区是技术关键。 

基本流程：从运送液态CO₂槽车上压出的液态CO₂充装进入液态CO₂贮运罐，打开自增压系统使得充装压力保持稳定。各贮运罐充装完毕后，运送至井下，首尾连接后，用机车牵引至火区地点，直接将液态CO₂灌注火区进行防灭火。各液态CO₂贮运罐灌注完毕后，可运至地面进行重新充装，再运送至井下火区地点，进行直接灌注。 

(二)矿用液态CO₂防灭火工艺的系统构成 

在图中示出本发明的系统构成由四部分组成：液态CO₂槽车1、液态CO₂贮运罐2、汽化器10，以及自增压管路、进出液管路组成。 

(1)液态CO₂槽车1：用于运送和提供液态CO₂；槽车接口经进液高压胶管接进出液总管3的进出液总阀F₂。 

(2)液态CO₂贮运罐2：为低温高压压力容器；贮运罐设有压力表P、液位表L、安全阀F_A。贮运罐单元进出液阀F₁接进出液管4，再与进出液总管3构成进出液管路；贮运罐自增压出液阀F_Z1接自增压出液管11，再与自增压出液总管12构成自增压出液管路；贮运罐自增压进气阀F_Z2接自增压进气管13，再连接自增压进气总管14构成自增压进气管路。 

液态CO₂贮运罐2罐体由支撑柱件5、保温层6、内壳体7、外壳体8、防晃板9等组成。 

(3)汽化器10：采用空浴式汽化器。汽化器入口接自增压出液总管12，出口接自增压进气总管14，与自增压出液管路、自增压进气管路共同构成自增压系统。 

(4)自增压管路：由自增压出液管路、自增压进气管路组成；与汽化器10组合构成自增压系统，用于维持贮运罐内和管路内压力，防止其液态CO₂发生冰冻。 

(5)进出液管路：由单元进出液阀F₁、进出液管4、进出液总管3、进出液总阀F₂等构成；在地面用于进液功能，向液态CO₂贮运罐充装液态CO₂；在井下用于出液功能，向火区灌注液态CO₂。 

(三)本发明矿用液态CO₂防灭火工艺及装置的操作方法 

(1)充装前的准备：对液态CO₂贮运罐2的真空度进行检查，抽真空检漏，漏率为≤6×10^-7Pa m³/s，封结真空度≤2Pa；单元进出液阀F₁、自增压出液阀F_Z1，自增压进气阀F_Z2、灌注阀F₃处于关闭状态；检查自增压系统各部分正常。 

(2)充装时：a.先把连接进出液总阀F₂的进液高压胶管接到液态CO₂槽车接口上，后顺序开启单元进出液阀F₁，再逐渐开启进出液总阀F₂，使液态CO₂逐渐充装到充满规定值(充满率达90％)；b.关闭进料出液总阀F₂、单元进出液阀F₁，分别从液压表P、液位表L观察液压与液位是否充装到规定值；c.打开自增压出液阀F_Z1、自增压进气阀F_Z2，使得贮运罐压力维持稳定。 

(3)运输：各液态CO₂贮运罐2按以上程序充装完毕后，按顺序挂车，首尾连接后，用机车牵引到火区地点。运输中保持液态CO₂贮运罐2的真空度，不能随意增加其压力及温度，关闭各阀门。 

(4)灌注前：检查各液态CO₂贮运罐2的真空度是否完好，液态CO₂是否按规定值装满；安全阀F_A是否完好，各阀门是否关严；可按灌注需要用量组装液态CO₂贮运罐的数量，形成液态CO₂贮运罐列车；可根据现场需要在液态CO₂贮运罐列车与火区之间设置防火墙隔离。 

(5)火区灌注：按先后次序，灌注各液态CO₂贮运罐2的液态CO₂液体，即先打开灌注阀F₃及首个液态CO₂贮运罐2的单元进出液阀F₁，将液态CO₂灌注到火区进行防灭火，待首个液态CO₂贮运罐2放完后关闭其单元进出液阀F₁，然后依次逐个液态CO₂贮运罐2向火区喷注，每当一个液态CO₂贮运罐2放完后则关闭其单元进出液阀F₁，直至将整个液态CO₂贮运罐车组灌注完毕为止，再逐个关闭其他各阀门，运送返回地面准备重新充装。 

在上述实施方案中，还可以根据现场情况加以调整： 

(1)对于斜井，可在地面直接由多个液态CO₂贮运罐组成液态CO₂贮运罐列车，充装液态CO₂后运送至井下，再通过机车牵引至火区；对于竖井，可先在地面分别对单个液态CO₂贮运罐进行充装，此时可不安设自增压系统，待多个液态CO₂贮运罐运送至井下井底车场后再组装成液态CO₂贮运罐列车，并安设自增压系统，打开自增压出液阀F_Z1、自增压进气阀F_Z2，使得贮运罐压力保持2.2Mpa。 

(2)火区灌注时，可根据火区与液态CO₂贮运罐列车的相对位置，选择进出液总阀F₂或灌注阀F₃用于灌注，当其中一个用于灌注时，另一个需关闭。 

(3)进出液总管可加装压力表，用于监测火区灌注时管道内液态CO₂变化，通过调节自增压出液阀F_Z1、自增压进气阀F_Z2来保证自增压系统压力补偿。 

(四)矿用液态二氧化碳防灭火装置 

由上述的液态CO₂贮运罐2、汽化器10、自增压出液管路、自增压进气管路、进出液管路，以及进出液总阀F₂、灌注阀F₃，可构成矿用液态CO₂防灭火装置。 

其中，液态CO₂贮运罐2设有单元进出液阀F₁、安全阀F_A、自增压出液阀F_Z1、自增压进气阀F_Z2、P-液压表，L-液位表。汽化器10采用空浴式汽化器。汽化器10与自增压出液阀 F_Z1、自增压进气阀F_Z2自增压出液管11、自增压出液总管12、自增压进气管13、自增压进气总管14等可组成自增压系统。 

自增压出液阀F_Z1接自增压出液管11，其后经自增压出液总管12接汽化器10入口可组成自增压出液管路；自增压进气阀F_Z2接自增压进气管13，其后经自增压进气总管14接汽化器10出口可组成自增压进气管路。 

单元进出液阀F₁接进出液管4，其后经进出液总管3接进出液总阀F₂可组成进出液管路。 

该装置与运送和提供液态CO₂的液态CO₂槽车1组合，可组成矿用液态CO₂防灭火系统。 

Claims (3)

1.一种矿用液态CO₂防灭火技术工艺，能将液态CO₂运至井下火区及以液态灌注火区，利用液态CO₂进行窒息氧、冷却降温和惰化抑爆，实现防灭火；

系统组成：包括液态CO₂槽车(1)、液态CO₂贮运罐(2)、汽化器(10)，以及自增压进液管路、自增压出气管路、进出液管路；

在地面，运送液态CO₂的槽车(1)，其槽车接口经进出液总阀(F₂)将液态CO₂充装入各液态CO₂贮运罐(2)，开启其自增压系统；充装好的各液态CO₂贮运罐运送到井下，按顺序连接挂车，用机车牵引到火区地点；在火区地点，先打开灌注阀(F₃)及首个液态CO₂贮运罐的单元进出液阀(F₁)，将液态CO₂灌注到火区进行防灭火，待首个液态CO₂贮运罐(2)放完后关闭其单元进出液阀(F₁)，然后依次逐个液态CO₂贮运罐(2)向火区喷注，每当一个液态CO₂贮运罐(2)放完后则关闭其单元进出液阀，直至将整个液态CO₂贮运罐车组灌注完毕为止；

液态CO₂贮运罐(2)设有自增压系统，由自增压出液阀(F_Z1)、自增压出液管(11)、自增压出液总管(12)、汽化器(10)、自增压进气管(13)、自增压进气总管(14)、自增压进气阀(F_Z2)构成；汽化器(10)采用空浴式汽化器；

液态CO₂贮运罐(2)设有压力表(P)、液位表(L)和安全阀(F_A)；

操作方法：

①充装前的准备：对液态CO₂贮运罐(2)的真空度进行检查，抽真空检漏，漏率为≤6×10^-7Pam³/s，封结真空度≤2Pa；单元进出液阀(F₁)、自增压出液阀(F_Z1)，自增压进气阀(F_Z2)、灌注阀(F₃)处于关闭状态，检查自增压系统各部分正常；

②充装时：a.先把连接进出液总阀(F₂)的进液高压胶管接到液态CO₂槽车接口上，后顺序开启单元进出液阀(F₁)，再逐渐开启进出液总阀(F₂)，使充装的液态CO₂达到90％的充满率；b.关闭进出液总阀(F₂)、单元进出液阀(F₁)，分别从压力表(P)、液位表(L)观察液压与液位是否充装到规定值；c.打开自增压出液阀(F_Z1)、自增压进气阀(F_Z2)，使得贮运罐压力维持稳定；

③运输：各液态CO₂贮运罐(2)按以上程序充装完毕后，按顺序挂车，首尾连接后，用机车牵引到火区地点；运输中保持液态CO₂贮运罐(2)的真空度，不能随意增加其压力及温度，关闭各阀门；液态CO₂贮运罐保证压力≥20BAR，温度≤-20℃；

④灌注前：检查各液态CO₂贮运罐(2)的真空度是否完好，液态CO₂是否按规定值装满；安全阀(F_A)是否完好，各阀门是否关严；应按灌注需要用量组装液态CO₂贮运罐的数量，形成液态CO₂贮运罐列车；根据现场需要在液态CO₂贮运罐列车与火区之间设置防火墙隔离；

⑤火区灌注：按先后次序，灌注各液态CO₂贮运罐(2)的液态CO₂液体，即先打开灌注阀(F₃)及首个液态CO₂贮运罐(2)的单元进出液阀(F₁)，将液态CO₂灌注到火区进行防灭火，待首个液态CO₂贮运罐(2)放完后关闭其单元进出液阀(F₁)，然后依次逐个液态CO₂贮运罐(2)向火区喷注，每当一个液态CO₂贮运罐(2)放完后则关闭其单元进出液阀(F₁)，直至将整个液态CO₂贮运罐车组灌注完毕为止，再逐个关闭其他各阀门，运送返回地面准备重新充装。

2.根据权利所要求1所述的矿用液态CO₂防灭火技术工艺，其特征在于：

所说的自增压系统内有自增压出液管路、自增压进气管路；

自增压出液管路的出口有自增压出液阀(F_Z1)接自增压出液管(11)，其后经自增压出液总管(12)接汽化器(10)入口；

自增压进气管路的入口有自增压进气阀(F_Z2)接自增压进气管(13)，其后经自增压进气总管(14)接汽化器(10)出口。

3.一种应用于权利要求1所述的矿用液态CO₂防灭火技术工艺的矿用液态二氧化碳防灭火装置，其特征在于：包括液态CO₂贮运罐(2)、汽化器(10)、自增压进液管路、自增压出气管路、进出液管路；

液态CO₂贮运罐(2)，包括支撑柱件(5)、保温层(6)、内壳体(7)、外壳体(8)、防晃板(9)；其上还有压力表(P)、液位表(L)、安全阀(F_A)；

汽化器(10)为空浴式汽化器，来自液态CO₂贮运罐(2)的低温液态CO₂在汽化器(10)中与环境空气进行热量交换，使液态CO₂气化为增压气体并回至液态CO₂贮运罐(2)上部气相空间；

自增压进液管路的出口有自增压出液阀(F_Z1)接自增压出液管(11)，其后经自增压出液总管(12)接汽化器(10)入口；

自增压进气管路的入口有自增压进气阀(F_Z2)接自增压进气管(13)，其后经自增压进气总管(14)接汽化器(10)出口；

进出液管路有单元进出液阀(F₁)接进出液管(4)，其后经进出液总管(3)接进出液总阀(F₂)组合在一起。