CN109028754B - 用于井下防灭火/降温的液态co2实时制备系统及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于井下防灭火/降温的液态CO₂实时制备系统及使用方法，属于煤矿降温与防灭火技术领域。其包括坑口电厂废气净化与分离单元、蒸发器、制冷剂循环系统、风流热交换器、局部通风机、压缩机、气液分离器、坑口电厂废气输出单元及工艺管路，制冷剂循环系统的液态制冷剂出口与蒸发器的制冷剂入口连接，蒸发器的气态制冷剂出口与制冷剂循环系统的制冷剂入口连接，蒸发器的CO₂入口通过气态CO₂输送管和压缩机的出口连接，压缩机的入口与废气净化与分离单元的出口连接。本发明能够在井下采空区附近制备液态CO₂、支撑基于液态CO₂相变吸热原理的长时间持续实施工作面降温与采空区灭火作业。

Description

用于井下防灭火/降温的液态CO2实时制备系统及使用方法

技术领域

本发明属于煤矿降温与防灭火技术领域，具体涉及一种基于坑口电厂废气的井下可移动液态CO₂实时制备系统及使用方法。

背景技术

煤矿井下采空区中的遗煤极易发生自燃，会引发瓦斯爆炸，造成重大伤亡事故。目前，常规的灭火方法包括注浆、注胶、惰性气体(N₂与CO₂)灌注等。然而，自燃火源点处于导热系数小、比热容高的多孔煤岩介质中，常规的灭火方法不能将高温煤岩的热量及时带走，导致火源即使在完全窒息后也依然维持较高温度，一旦获得氧气会快速复燃。

液态CO₂注入到采空区后，能够迅速气化产生大量的CO₂气体，将火源点完全窒息；同时液态CO₂气化的过程中会吸收大量的热量，将火源点的温度快速降低，使火源彻底熄灭。因此针对采空区自燃火源点，灌注液态CO₂是一种很好的方法。目前，煤矿灌注液态CO₂的方式包括两种，第一种是在地面将液态CO₂气化后输送到井下采空区，第二种是采用小型液态CO₂储罐将液态CO₂运输到井下之后向采空区直接灌注液态CO₂。第一种方法能够起到气态CO₂的窒息作用，但是不能发挥液态CO₂的吸热降温作用；第二种方法兼有窒息灭火与冷却降温作用，但是难以实施液态CO₂的长时间持续灌注作业，并且工序繁琐、存在较大的爆炸安全隐患。因此，需要探索研发一种往井下持续输送液态CO₂或者在井下实时制备液态CO₂的系统与方法。

另外，随着浅部资源的逐渐枯竭，矿井采深逐渐变大，工作面的温度越来越高，例如滕东等矿区的温度已经超过30℃。高温环境严重影响了井下工作人员的身体健康与生产效率，是一种严重的自然灾害。已有学者提出利用液态CO₂的相变吸热降低工作面的温度，但是，目前只能采用小型移动式储罐将液态CO₂运移到井下用于降温。往井下持续输送液态CO₂或者井下液态CO₂的实时制备系统与方法的缺乏，限制了基于液态CO₂的相变吸热原理来降低井下工作面温度的方法的进一步研发与应用。

我国拥有数量众多的坑口电厂(煤矿坑口附近的电厂)，电厂排放的废气中含有较高浓度的CO₂，释放到大气中会造成严重的温室效应。鉴于井下灭火与降温需要液态CO₂、以及坑口电厂与煤矿之间的距离非常近，坑口电厂废气可以就近输送到煤矿，经过CO₂提纯与液化后用于井下灭火与降温，既能减少CO₂的排放以保护环境，又能为保障煤矿的安全生产做出重大贡献。由于液态CO₂的远距离输送成本高，并且输送过程中容易生成干冰堵塞管道，而大部分煤矿均已经构建了惰性气体(CO₂或者N₂)输送管道，所以将坑口电厂废气中的CO₂提纯后首先以气体状态输送到井下、然后在井下液化是最佳选择。同时，为了避免液态CO₂输送距离过长，防止液态CO₂从制备系统到采空区或者风流热交换器的输送过程中生成干冰堵塞管道，要求液态CO₂制备系统的安装简便、可灵活运移。鉴于此背景，有必要基于坑口电厂废气研发一种用于井下防灭火兼具工作面降温的可移动液态CO₂实时制备系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于井下防灭火兼具工作面降温的液态CO₂实时制备系统及该系统的使用方法，其能够在井下采空区附近制备液态CO₂、支撑基于液态CO₂相变吸热原理的长时间持续实施工作面降温与采空区灭火作业。

本发明的任务之一在于提供一种用于井下防灭火兼具工作面降温的液态CO₂实时制备系统，其技术解决方案包括：

一种用于井下防灭火兼具工作面降温的液态CO₂实时制备系统，其包括坑口电厂废气净化与分离单元、蒸发器、制冷剂循环系统、风流热交换器、局部通风机、压缩机、气液分离器及坑口电厂废气输出单元，其特征在于：

所述的制冷剂循环系统的液态制冷剂出口与蒸发器的制冷剂入口连接，所述的蒸发器的气态制冷剂出口与制冷剂循环系统的制冷剂入口连接，所述的蒸发器的CO₂入口通过气态CO₂输送管和压缩机的出口连接，所述的压缩机的入口与废气净化与分离单元的出口连接，所述的蒸发器的CO₂出口端通过液态CO₂输送管与灭火管以及风流热交换器中的制冷剂管的入口端连接，所述的风流热交换器中的制冷剂管的出口端与气液分离器连接，所述的气液分离器的气态出口端与蒸发器的CO₂入口端连接，所述的气液分离器的液态出口端与蒸发器的CO₂出口端连接，所述的局部通风机的出口与风流热交换器的进风口连接，所述的坑口电厂废气净化与分离单元的入口与所述的坑口电厂废气输出单元连通。

作为本发明的一个优选方案，所述的制冷剂循环系统包括冷凝器，所述的冷凝器为水冷式冷凝器，所述的冷凝器的进水口连接有净水器，所述的冷凝器的出水口连接有排水管，所述的净水器的入口连接有供水管。

作为本发明的另一个优选方案，所述的液态CO₂输送管与灭火管之间连接有第一金属软管，在所述的液态CO₂输送管与制冷剂管的入口端之间连接有第二金属软管，在所述的制冷剂管的出口端与气液分离器之间连接有第三金属软管，在所述的气液分离器的液态出口端与蒸发器的CO₂出口端之间连接有第四金属软管，所述的第一金属软管、第二金属软管、第三金属软管、第四金属软管的长度是其两侧所连接的钢管之间距离的两倍。

优选的，所述的蒸发器两端并联一根气态CO₂并联输送管，所述的气态CO₂并联输送管两端各安装有第一截断阀与第二截断阀。

优选的，所述的第一金属软管与灭火管的出口端之间设有第三截断阀，在所述的第二金属软管与液态CO₂输送管的出口端之间设有第四截断阀。

优选的，所述的局部通风机的出口与风流热交换器的进风口之间通过第一风筒连接；所述的制冷剂循环系统中的制冷剂为液氮。

优选的，所述的净水器、制冷剂循环系统、气液分离器集中安装构成制冷剂制备模块，所述的制冷剂制备模块底部安装有两个活动脚轮与两个固定脚轮；所述的蒸发器固定在巷道壁面上。

优选的，所述的废气净化与分离单元、压缩机设置在井上靠近井口的位置；所述的液态 CO₂输送管、灭火管、制冷剂管的材质为可耐零下40摄氏度的碳钢，所述的排水管为聚氨酯保温管。

本发明的另一任务在于提供一种用于井下防灭火兼具工作面降温的液态CO₂实时制备系统的使用方法，依次包括以下步骤：

a向采空区灌注液态CO₂时，首先关闭第一截断阀、第二截断阀、第四截断阀，打开第三截断阀，启动坑口电厂废气输出单元、废气净化与分离单元、压缩机、蒸发器、净水器制冷剂循环系统，实现液态CO₂在井下的实时制备以及向采空区的持续输送；

b向采空区灌注液态CO₂并且降低工作面风流温度时，在步骤a的基础上，打开第四截断阀，启动局部通风机、风流热交换器与气液分离器，使液态CO₂进入风流热交换器以置换风流的热量，从而降低工作面风流的温度。

本发明所带来的有益技术效果为：

与现有技术相比，本发明能够实现坑口电厂的废气利用，能够将坑口电厂中的CO₂在井下工作面液化，实现基于液态CO₂相变吸热原理的工作面降温与采空区灭火的长时间持续作业，大大提高了工作面的降温效果与采空区灭火效率。该系统与方法采用水冷冷凝器，将液态CO₂制备过程中产生的热量直接通过矿井排水系统排到井外，避免了因制备液态CO₂而向井下巷道与工作面释放大量的热量。同时，该系统中在输送液态CO₂的管路中连接了金属软管，避免了管道因热胀冷缩引发管道泄露等问题的发生。该液态CO₂制备系统与方法具有环保、操作方便、防火防爆防尘、可灵活运移、降温与灭火效率高、安全性高的特点，在本技术领域内具有广泛的实用性。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1是本发明一种用于井下防灭火兼具工作面降温的液态CO₂实时制备系统结构示意图；

图中，1-废气净化与分离单元，2-蒸发器，3-制冷剂循环系统，4-风流热交换器，5-局部通风机，6-气态CO₂输送管，7-压缩机，8-液态CO₂输送管，9-灭火管，10-制冷剂管，11-气液分离器，12-坑口电厂废气输出单元，13-冷凝器，14-净水器，15-排水管，16-供水管，17-第一金属软管，18-第二金属软管，19-第三金属软管，20-第四金属软管，21-第一连接管， 22-第二连接管，23-第三连接管，24-第四连接管，25-第五连接管，26-气态CO₂并联输送管， 27-第一截断阀，28-第二截断阀，29-第三截断阀，30-第四截断阀，31-第一风筒，32-第二风筒。

具体实施方式

本发明提出了一种用于井下防灭火兼具工作面降温的液态CO₂实时制备系统及使用方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

如图1所示，本发明的一种用于井下防灭火兼具工作面降温的可移动液态CO₂实时制备系统，包括坑口电厂废气净化与分离单元1、蒸发器2、制冷剂循环系统3、风流热交换器4、局部通风机5，制冷剂循环系统3包括冷凝器13，制冷剂循环系统3的液态制冷剂出口与蒸发器2的制冷剂入口连接，蒸发器2的气态制冷剂出口与制冷剂循环系统3的制冷剂入口连接，蒸发器2的CO₂入口通过气态CO₂输送管6和压缩机7的出口连接，压缩机7的入口与废气净化与分离单元1的出口连接，蒸发器2的CO₂出口端通过液态CO₂输送管8与灭火管9以及风流热交换器4中的制冷剂管10的入口端连接，制冷剂管10的出口端与气液分离器11连接，气液分离器11的气态出口端与蒸发器2的CO₂入口端连接，气液分离器15的液态出口端与蒸发器2的CO₂出口端连接，局部通风机5的出口与风流热交换器4的进风口连接，废气净化与分离单元1的入口与坑口电厂废气输出单元12连通，蒸发器2两端并联一根气态CO₂并联输送管26，气态CO₂并联输送管26两端各安装有第一截断阀27与第二截断阀28，局部通风机5的出口与风流热交换器4的进风口之间通过第一风筒31连接；。

为了将制备液态CO₂过程中产生的热量带到井外，防治井下液态CO₂制备系统成为高温热源，冷凝器13为水冷式冷凝器，冷凝器13的进水口与净水器14的出口连通，净水器14的入口与井下供水管16连通，冷凝器13的出水口与排水管15连通，将冷凝器13产生的高温水排入井下的排水管道15，然后通过矿井排水系统排到井上。

为了避免液态CO₂的输送管道系统由于热胀冷缩引起管道泄露等问题，在液态CO₂输送管 8与灭火管9之间连接有第一金属软管17，在液态CO₂输送管8与制冷剂管10的入口端之间连接有第二金属软管18，在制冷剂管10的出口端与气液分离器11之间连接有第三金属软管19，在气液分离器11的液态出口端与蒸发器2的CO₂出口端之间连接有第四金属软管20，在第一金属软管17与灭火管9的出口端之间设有第三截断阀29，在第二金属软管18与液态CO₂输送管8的出口端之间设有第四截断阀30，第一金属软管17、第二金属软管18、第三金属软管19、第四金属软管20的长度是软管两侧所连接的钢管之间的距离的两倍；在本实施例中，第一金属软管17、第二金属软管18、第三金属软管19、第四金属软管20的长度是2米，液态CO₂输送管8的出口端与灭火管9的进口端之间的距离是1米，液态CO₂输送管8的出口端与制冷剂管10的入口端所连接的第一连接管21之间的距离是1米，制冷剂管10的出口端所连接的第二连接管22与气液分离器11的入口端所连接的第三连接管23之间的距离是1米，气液分离器11的液态出口端所连接的第四连接管24与蒸发器2的CO₂出口端所连接第五连接管25之间的距离是1米；

本实施例中，制冷剂循环系统3中的制冷剂为液氮。

为了实现井下可移动液态CO₂实时制备系统可以灵活运移，能够根据工作面的回采进度轻松调整液态CO₂制备系统的位置，本实施例中，将净水器14、制冷剂循环系统3、气液分离器 11集中安装构成制冷剂制备模块，在制冷剂制备模块底部安装有两个活动脚轮与两个固定脚轮。

为了降低液态CO₂制备系统所占用的空间，本实施例中，蒸发器2可以被固定在巷道壁面上。

本实施例中，废气净化与分离单元1、压缩机7设置在井上靠近井口的位置，废气净化与分离单元1能够排除废气中SO₂、CO、氮氧化物、烟尘、水分、汞及其化合物杂质，实现 CO₂的干燥、提纯并输出；

为了能够适应低温液态CO₂的输送，本实施例中，液态CO₂输送管8、灭火管9、制冷剂管10、第一连接管21、第二连接管22、第三连接管23、第四连接管24、第五连接管25的材质为可耐零下40摄氏度的碳钢，井下排水管道15为聚氨酯保温管；净水器14、冷凝器13、制冷剂循环系统3、蒸发器2、风流热交换器4、气液分离器11以及局部通风机5、电厂废气输出单元12、废气净化与分离单元1以及压缩机7具有防尘、防火、防爆的功能。

本发明系统的使用方法包括以下步骤：

a、从煤矿井口至井下工作面铺设气态CO₂输送管6，在井口布设废气净化与分离单元1 与压缩机7，在井下距离采空区200米的位置布设净水器14、制冷剂循环系统3、气液分离器11、蒸发器2，按照上述方式进行连接，并将灭火管9埋入采空区30m，将与风流热交换器4的出口端所连接的第二风筒32的出口端悬挂在距离采空区20米的巷道壁面上；

b、向采空区灌注液态CO₂时，首先关闭第一截断阀27、第二截断阀28、第四截断阀30，打开第三截断阀29，启动电厂废气输出单元12、废气净化与分离单元1、压缩机7、蒸发器2、净水器14、制冷剂循环系统3，实现液态CO₂在井下的实时制备以及向采空区的长时间持续输送；

c、在向采空区灌注液态CO₂的同时需要降低工作面风流的温度时，在步骤b的基础上，打开第四截断阀30，启动局部通风机5、风流热交换器4与气液分离器11，使液态CO₂进入风流热交换器4以置换风流的热量，降低工作面风流的温度。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

尽管本文中较多的使用了诸如制冷剂循环系统3、风流热交换器4、局部通风机5、气态 CO₂输送管6等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

需要进一步说明的是，本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种用于井下防灭火兼具工作面降温的液态CO₂实时制备系统，其包括坑口电厂废气净化与分离单元、蒸发器、制冷剂循环系统、风流热交换器、局部通风机、压缩机、气液分离器及坑口电厂废气输出单元，其特征在于：

所述的制冷剂循环系统的液态制冷剂出口与蒸发器的制冷剂入口连接，所述的蒸发器的气态制冷剂出口与制冷剂循环系统的制冷剂入口连接，所述的蒸发器的CO₂入口通过气态CO₂输送管和压缩机的出口连接，所述的压缩机的入口与坑口电厂废气净化与分离单元的出口连接，所述的蒸发器的CO₂出口端通过液态CO₂输送管与灭火管以及风流热交换器中的制冷剂管的入口端连接，所述的风流热交换器中的制冷剂管的出口端与气液分离器连接，所述的气液分离器的气态出口端与蒸发器的CO₂入口端连接，所述的气液分离器的液态出口端与蒸发器的CO₂出口端连接，所述的局部通风机的出口与风流热交换器的进风口连接，所述的坑口电厂废气净化与分离单元的入口与所述的坑口电厂废气输出单元连通。

2.根据权利要求1所述的一种用于井下防灭火兼具工作面降温的液态CO₂实时制备系统，其特征在于：所述的制冷剂循环系统包括冷凝器，所述的冷凝器为水冷式冷凝器，所述的冷凝器的进水口连接有净水器，所述的冷凝器的出水口连接有排水管，所述的净水器的入口连接有供水管。

3.根据权利要求2所述的一种用于井下防灭火兼具工作面降温的液态CO₂实时制备系统，其特征在于：所述的液态CO₂输送管与灭火管之间连接有第一金属软管，在所述的液态CO₂输送管与制冷剂管的入口端之间连接有第二金属软管，在所述的制冷剂管的出口端与气液分离器之间连接有第三金属软管，在所述的气液分离器的液态出口端与蒸发器的CO₂出口端之间连接有第四金属软管，所述的第一金属软管、第二金属软管、第三金属软管、第四金属软管的长度是其两侧所连接的钢管之间距离的两倍。

4.根据权利要求3所述的一种用于井下防灭火兼具工作面降温的液态CO₂实时制备系统，其特征在于：所述的蒸发器两端并联一根气态CO₂并联输送管，所述的气态CO₂并联输送管两端各安装有第一截断阀与第二截断阀。

5.根据权利要求4所述的一种用于井下防灭火兼具工作面降温的液态CO₂实时制备系统，其特征在于：所述的第一金属软管与灭火管的出口端之间设有第三截断阀，在所述的第二金属软管与液态CO₂输送管的出口端之间设有第四截断阀。

6.根据权利要求1所述的一种用于井下防灭火兼具工作面降温的液态CO₂实时制备系统，其特征在于：所述的局部通风机的出口与风流热交换器的进风口之间通过第一风筒连接；所述的制冷剂循环系统中的制冷剂为液氮。

7.根据权利要求2所述的一种用于井下防灭火兼具工作面降温的液态CO₂实时制备系统，其特征在于：所述的净水器、制冷剂循环系统、气液分离器集中安装构成制冷剂制备模块，所述的制冷剂制备模块底部安装有两个活动脚轮与两个固定脚轮；所述的蒸发器固定在巷道壁面上。

8.根据权利要求2所述的一种用于井下防灭火兼具工作面降温的液态CO₂实时制备系统，其特征在于：所述的坑口电厂废气净化与分离单元、压缩机设置在井上靠近井口的位置；所述的液态CO₂输送管、灭火管、制冷剂管的材质为可耐零下40摄氏度的碳钢，所述的排水管为聚氨酯保温管。

9.根据权利要求5所述的一种用于井下防灭火兼具工作面降温的液态CO₂实时制备系统的使用方法，其特征在于，依次包括以下步骤：

a向采空区灌注液态CO₂时，首先关闭第一截断阀、第二截断阀、第四截断阀，打开第三截断阀，启动坑口电厂废气输出单元、坑口电厂废气净化与分离单元、压缩机、蒸发器、净水器制冷剂循环系统，实现液态CO₂在井下的实时制备以及向采空区的持续输送；

b向采空区灌注液态CO₂并且降低工作面风流温度时，在步骤a的基础上，打开第四截断阀，启动局部通风机、风流热交换器与气液分离器，使液态CO₂进入风流热交换器以置换风流的热量，从而降低工作面风流的温度。

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