WO2016183974A1 - 一种无损治理煤田火区的液氮系统及方法 - Google Patents

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周福宝
史波波
苏贺涛
程家骥
秦雷
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    • A62—LIFE-SAVING; FIRE-FIGHTING
    • A62C—FIRE-FIGHTING
    • A62C3/00—Fire prevention, containment or extinguishing specially adapted for particular objects or places
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21F—SAFETY DEVICES, TRANSPORT, FILLING-UP, RESCUE, VENTILATION, OR DRAINING IN OR OF MINES OR TUNNELS
    • E21F5/00—Means or methods for preventing, binding, depositing, or removing dust; Preventing explosions or fires

Definitions

  • the present invention relates to a liquid nitrogen system and method for non-destructive treatment of a coal field fire zone, and belongs to the field of coal mine security.
  • Coal is the main energy source of China, and energy security is related to the lifeline of national stability and development.
  • China is the country most threatened by coal-fired fires.
  • Coal burned every year by coal-fired coal is equivalent to 20% of all US energy consumption. .
  • the underground coal fire in Inner Mongolia still plagued China. This coal fire consumes about 20 million tons of coal resources per year, exceeding the annual coal output of Germany.
  • coalfield fires can also threaten mining safety, waste large amounts of thermal energy resources, and seriously damage the ecological environment.
  • the main coalfield fire zone fire extinguishing technologies at home and abroad include direct stripping method, water injection/slurry method, injection gel/foam method.
  • the direct stripping method is to directly peel off and excavate the fire point by mechanical means. This method is huge in engineering, time-consuming and labor-intensive, and destroys the surface ecological environment; irrigation/slurry fire is to inject a certain amount of mud and water through drilling. It can isolate oxygen and reduce the temperature of the coal seam, thus achieving the purpose of preventing further oxidation and spontaneous combustion of coal.
  • the object of the present invention is to provide a liquid nitrogen system and method for non-destructive treatment of a coal field fire zone, and to achieve effective prevention and control of a coalfield fire zone on the premise of avoiding damage to the ecological environment.
  • the technical solution adopted by the present invention is:
  • a liquid nitrogen system for non-destructive treatment of coal field fire areas including air filters, air compressors, air coolers, oil water separators, air drying purifiers, air separation towers, liquid nitrogen storage tanks, booster pumps, liquid nitrogen tankers , ground drilling, geothermal power generation equipment and geothermal wells, said air filter, air compressor, air cooler, oil water separator, air drying purifier, air separation tower, liquid nitrogen storage tank, booster pump through the tube
  • the circuit is sequentially connected, the inlet end of the liquid nitrogen tanker and the ground drilling is connected to the output end of the booster pump, the bottom hole is located in the coal field fire area, the geothermal well is located in the coal field fire area, and the geothermal power generation equipment passes the geothermal heat High-temperature steam power generation provided by the well, the electric power output end of the geothermal power generation device is connected to the electric power of the air compressor, the air cooler, the oil water separator, the air drying purifier, the air separation tower, the liquid nitrogen storage tank and the booster pump Input.
  • the booster pump is a large-flow reciprocating cryogenic liquid pump with a pressurization range of 0 to 10 MPa.
  • the distance between the geothermal well and the ground borehole is greater than 50 meters.
  • a method for non-destructive treatment of a coalfield fire zone comprising the following steps:
  • the purified air enters the air separation tower, completes the air separation, and obtains liquid nitrogen, and the prepared liquid nitrogen is stored in the liquid nitrogen storage tank through the liquid nitrogen conveying pipe;
  • liquid nitrogen in the liquid nitrogen storage tank is pressurized by the booster pump and then transported to the designated position through the low temperature insulated pipe, and then injected into the ground hole of the coal field fire area through the injection nitrogen pipe;
  • the excess liquid nitrogen is charged into the liquid nitrogen tanker through the low temperature insulated pipe, and is transported to the coal field where the coal is used to be injected into the fire zone by the pressure feeding device.
  • the technical solution provided by the present invention applies the heavy gas settling effect of liquid nitrogen, the steam atomization effect, the fire extinguishing property of the expansion and oxygen drive effect, and the air in the atmosphere in the scene of a severely aggravated coal field fire area.
  • Figure 1 is a schematic structural view of the present invention
  • a liquid nitrogen system for non-destructive treatment of coal field fire area including air filter 1, air compressor 2, air cooler 3, oil water separator 4, air drying purifier 5, air separation tower 6, Liquid nitrogen storage tank 7, booster pump 8, liquid nitrogen tanker 9, ground drilling 10, geothermal power generation equipment 11 and geothermal well 12, said air filter 1, air compressor 2, air cooler 3, oil-water separation 4, the air drying purifier 5, the air separation tower 6, the liquid nitrogen storage tank 7, the booster pump 8 are sequentially connected through the pipeline, the inlet end of the liquid nitrogen tanker 9 and the ground borehole 10 and the output end of the booster pump
  • the bottom hole 10 is located in the coal field fire area
  • the geothermal well 12 is located in the coal field fire area
  • the geothermal power generation device 11 generates electricity through the high temperature steam provided by the geothermal well 12, and the electric power output end of the geothermal power generation device 11
  • the geothermal power generating apparatus 11 includes a purifying separator, a steam turbine, and a generator.
  • the high-temperature steam taken from the geothermal well 12 passes through the purification separator to remove various impurities from the well.
  • the clean steam drives the steam turbine to work and the generator generates electricity.
  • ground boreholes 14 include vertical boreholes, inclined boreholes, and curved boreholes.
  • the booster pump 9 is a large-flow reciprocating cryogenic liquid pump with a supercharging range of 0 to 10 MPa.
  • the distance between the geothermal well 12 and the ground drilling hole 10 is greater than 50 meters.
  • a method for non-destructive treatment of a coalfield fire zone comprising the following steps:
  • the high temperature steam taken from the geothermal well 12 drives the geothermal power generation equipment 11, which is an air compressor 2, an air cooler 3, a water separator 4, an air drying purifier 5, an air separation tower 6, a liquid nitrogen storage tank 7 and
  • the pressure pump 8 supplies electric energy;
  • the air in the atmosphere is cleaned of dust and mechanical impurities by the air filter 1, and then compressed into the air compressor 2 to the required pressure, sent to the air cooler 3 to lower the air temperature, and then enter the oil water separator 4 and the air drying purifier 5. Remove moisture, carbon dioxide, acetylene and other hydrocarbons from the air to complete the compression and purification of the air;
  • the purified air enters the air separation tower 6, and the air separation is completed to obtain liquid nitrogen, and the prepared liquid nitrogen is stored in the liquid nitrogen storage tank 7 through the liquid nitrogen delivery pipe;
  • liquid nitrogen in the liquid nitrogen storage tank 7 is pressurized by the booster pump 8 and then transported to the designated position through the low temperature insulated pipe, and then injected into the ground hole 10 of the coal field fire area through the injection nitrogen pipe;
  • the design scheme proposed by the invention is in the field of a bad coal field fire area, and the air in the atmosphere is subjected to compression purification, air separation to prepare liquid nitrogen, directly injected into the ground hole, or loaded into a liquid nitrogen tanker for fixed or mobile efficient cooling. And extinguishing fires, avoiding a large amount of manpower, material resources, financial consumption and ecological environment damage caused by huge excavation and stripping projects; less water consumption during liquid nitrogen production, especially suitable for fire fighting projects in arid or semi-arid areas; The waste heat generated by the coal field fire area is used for geothermal power generation to reduce energy waste.
  • the liquid nitrogen fire prevention technology is used to control the coal field fire, the rapid cooling and inerting of the fire area, and the effect of high-efficiency fire extinguishing is achieved, and the liquid nitrogen is derived from the nitrogen in the air. Returning to the air, recycling and taking liquid nitrogen will not cause environmental damage, but also realize the recycling of resources.

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Abstract

一种无损治理煤炭自燃的液氮系统及方法，空气过滤器(1)、空气压缩机(2)、空气冷却器(3)、油水分离器(4)、空气干燥净化器(5)、空分塔(6)、液氮贮槽(7)、增压泵(8)通过管路顺序连接，液氮罐车(9)和地面钻孔(10)的接入端与增压泵(8)的输出端连接，地面钻孔(10)和地热井(12)位于煤田火区，地热发电设备(11)通过地热井(12)提供的高温蒸汽发电供应上述所有装置。该液氮系统及方法利用煤田火区产生的废弃热能进行地热发电，减少能源浪费；采用液氮防灭火技术治理煤田火且液氮来源自空气中的氮气，之后重新回到空气，循环利用制取液氮，既不会造成环境破坏，又实现资源的循环再利用。

Description

一种无损治理煤田火区的液氮系统及方法 技术领域 本发明涉及一种无损治理煤田火区的液氮系统及方法， 属于煤矿安防领域。
背景技术
煤炭是我国的主体能源， 能源安全关系到国家稳定和发展的命脉。 但中国却是受煤田火 灾威胁最大的国家， 美国媒体将中国的地火列为 "世界 5大持续性灾难"之一， 自燃煤火每 年烧掉的煤炭相当于美国全部能源消费的 20%。 20世纪 60年代内蒙古的地下煤火至今仍困 扰着我国， 这场煤火每年约消耗 2000万吨煤炭资源， 超过德国全年煤炭产出量。 而且， 煤田 火灾还会威胁采矿安全、 浪费大量的热能资源、 严重破坏生态环境。 国内外主要的煤田火区灭火技术有直接剥离法、注水 /浆法、注凝胶 /泡沫法等。直接剥离 法， 就是直接用机械手段剥离、 挖出火点， 这种方法工程量巨大， 耗时耗力， 且破坏地表生 态环境； 灌水 /浆灭火是通过钻孔灌注一定量的泥浆和水， 能够起到隔绝氧气、降低煤层温度， 从而达到阻止煤炭进一步氧化自燃的目的。 但是因为无法准确定位火区高温点位置， 且浆体 扩散范围有限， 因此灌水 /浆效果不佳； 凝胶及泡沫有一定的流动性， 对采空区煤炭自燃效果 较好， 但成本较高， 一旦泡沫破灭， 防火效果会大打折扣。 发明内容
本发明的目的是提供一种无损治理煤田火区的液氮系统及方法， 在避免破坏生态环境的 前提下实现对煤田火区的高效防控。 为达到上述目的， 本发明采用的技术方案是：
一种无损治理煤田火区的液氮系统， 包括空气过滤器、 空气压缩机、 空气冷却器、 油水 分离器、 空气干燥净化器、 空分塔、 液氮贮槽、 增压泵、 液氮罐车、 地面钻孔、 地热发电设 备和地热井， 所述的空气过滤器、 空气压缩机、 空气冷却器、 油水分离器、 空气干燥净化器、 空分塔、 液氮贮槽、 增压泵通过管路顺序连接， 液氮罐车和地面钻孔的接入端与增压泵的输 出端连接， 所述的底面钻孔位于煤田火区， 所述的地热井位于煤田火区， 地热发电设备通过 地热井提供的高温蒸汽发电， 所述的地热发电设备的电力输出端分别连接空气压缩机、 空气 冷却器、 油水分离器、 空气干燥净化器、 空分塔、 液氮贮槽和增压泵的电力输入端。 进一步的， 根据火区不同的地下地理环境和不同的火区特点， 所述地面钻孔的类型包括 有垂直钻孔、 倾斜钻孔和曲线钻孔。
进一步的， 为了提高增压效果和设备之间的匹配， 所述增压泵是大流量往复式低温液体 泵， 增压范围 0~10Mpa。
进一步的， 为了避免防控地下火灾与地热能源提取之间的干扰， 所述地热井与地面钻孔 之间的距离大于 50米。
一种无损治理煤田火区的方法， 包括以下步骤：
A. 从地热井取出的高温蒸汽驱动地热发电设备， 为空气压缩机、 空气冷却器、 油水分 离器、 空气干燥净化器、 空分塔、 液氮贮槽和增压泵供应电能；
B . 大气中的空气经空气过滤器清除灰尘和机械杂质， 然后进入空气压缩机压缩至所需 压力， 送入空气冷却器降低空气温度， 再进入油水分离器及空气干燥净化器， 除去空气中的 水分、 二氧化碳、 乙炔及其他碳氢化合物， 完成空气的压缩和净化；
C. 净化后的空气进入空分塔， 完成空气分离， 得到液氮， 制取的液氮通过液氮输送管 贮存在液氮贮槽中；
D. 液氮贮槽中的液氮经增压泵增压后通过低温绝热管输送到指定位置后， 通过注液氮 管注入煤田火区的地面钻孔中；
E.多余的液氮通过低温绝热管装入液氮罐车，运送到煤田使用地点由压送设备注入火区。 与现有技术相比， 本发明提供的技术方案在干旱恶劣的煤田火区现场， 应用液氮的重气 沉降效应、 蒸汽雾化效应、 膨胀驱氧效应的防灭火特性， 将大气中的空气经过压缩净化、 空 气分离制取液氮， 直接注入地面钻孔， 或者装入液氮罐车， 进行固定或移动式高效降温及灭 火， 避免巨大的开挖剥离工程所造成的大量的人力、 物力、 财力消耗和生态环境的破坏； 液 氮扩散范围大， 全淹没覆盖， 相对灌浆拉沟优势显著， 液氮制取过程中用水量较少， 特别适 合干旱或半干旱地区的灭火工程； 利用煤田火区产生的废弃热能进行地热发电， 减少能源浪 费； 采用液氮防灭火技术治理煤田火， 快速降温、 惰化火区， 实现高效灭火的效果， 且液氮 来源自空气中的氮气， 重新回到空气， 循环利用制取液氮， 既不会造成环境破坏， 又实现资 源的循环再利用。 附图说明
图 1为本发明的结构示意图；
图中： 1、 空气过滤器， 2、 空气压缩机， 3、 空气冷却器， 4、 油水分离器， 5、 空气干燥净化 器， 6、 空分塔， 7、 液氮贮槽， 8、 增压泵， 9、 液氮罐车， 10、 地面钻孔， 11、 地热发电设 备， 12、 地热井。 具体实施方式 下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图 1所示， 一种无损治理煤田火区的液氮系统， 包括空气过滤器 1、 空气压缩机 2、 空 气冷却器 3、 油水分离器 4、 空气干燥净化器 5、 空分塔 6、 液氮贮槽 7、 增压泵 8、 液氮罐车 9、 地面钻孔 10、 地热发电设备 11和地热井 12， 所述的空气过滤器 1、 空气压缩机 2、 空气 冷却器 3、 油水分离器 4、 空气干燥净化器 5、 空分塔 6、 液氮贮槽 7、 增压泵 8通过管路顺 序连接， 液氮罐车 9和地面钻孔 10的接入端与增压泵的输出端连接， 所述的底面钻孔 10位 于煤田火区， 所述的地热井 12位于煤田火区， 地热发电设备 11通过地热井 12提供的高温蒸 汽发电， 所述的地热发电设备 11的电力输出端分别连接空气压缩机 2、 空气冷却器 3、 油水 分离器 4、 空气干燥净化器 5、 空分塔 6、 液氮贮槽 7和增压泵 8的电力输入端。 所述的地热 发电设备 11包括净化分离器、 汽轮机、 发电机。 从地热井 12取出的高温蒸汽， 经过净化分 离器， 脱除井下带来的各种杂质， 清洁的蒸汽推动汽轮机做功， 并使发电机发电。
进一步的， 根据火区不同的地下地理环境和不同的火区特点， 所述地面钻孔 14的类型包 括有垂直钻孔、 倾斜钻孔和曲线钻孔。
进一步的， 为了提高增压效果和设备之间的匹配， 所述增压泵 9是大流量往复式低温液 体泵， 增压范围 0~10Mpa。
进一步的， 为了避免防控地下火灾与地热能源提取之间的干扰， 所述地热井 12与地面钻 孔 10之间的距离大于 50米。
一种无损治理煤田火区的方法， 包括以下步骤：
A. 从地热井 12取出的高温蒸汽驱动地热发电设备 11， 为空气压缩机 2、 空气冷却 器 3、 油水分离器 4、 空气干燥净化器 5、 空分塔 6、 液氮贮槽 7和增压泵 8供应电能；
B . 大气中的空气经空气过滤器 1清除灰尘和机械杂质， 然后进入空气压缩机 2压缩 至所需压力，送入空气冷却器 3降低空气温度，再进入油水分离器 4及空气干燥净化器 5， 除去空气中的水分、 二氧化碳、 乙炔及其他碳氢化合物， 完成空气的压缩和净化；
C. 净化后的空气进入空分塔 6， 完成空气分离， 得到液氮， 制取的液氮通过液氮输 送管贮存在液氮贮槽 7中；
D. 液氮贮槽 7中的液氮经增压泵 8增压后通过低温绝热管输送到指定位置后， 通过 注液氮管注入煤田火区的地面钻孔 10中；
E. 多余的液氮通过低温绝热管装入液氮罐车 9， 运送到煤田使用地点由压送设备注 入火区。
本发明提出的设计方案在恶劣的煤田火区现场， 将大气中的空气经过压缩净化、 空气分 离制取液氮， 直接注入地面钻孔， 或者装入液氮罐车， 进行固定或移动式高效降温及灭火， 避免巨大的开挖剥离工程所造成的大量的人力、 物力、 财力消耗和生态环境的破坏； 液氮制 取过程中用水量较少， 特别适合干旱或半干旱地区的灭火工程； 利用煤田火区产生的废弃热 能进行地热发电， 减少能源浪费； 采用液氮防灭火技术治理煤田火， 快速降温、 惰化火区， 实现高效灭火的效果， 且液氮来源自空气中的氮气， 重新回到空气， 循环利用制取液氮， 既 不会造成环境破坏， 又实现资源的循环再利用。

Claims

禾 J ^ ^
1. 一种无损治理煤田火区的液氮系统， 其特征在于， 包括空气过滤器 （1 )、 空气压缩机 (2)、 空气冷却器（3 )、 油水分离器（4)、 空气干燥净化器（5)、 空分塔（6)、液氮贮槽（7)、 增压泵 （8 )、 液氮罐车 （9)、 地面钻孔 （10)、 地热发电设备 （11 ) 和地热井 （12)， 所述的 空气过滤器（1 )、空气压缩机（2)、空气冷却器（3)、 油水分离器（4)、 空气干燥净化器（5)、 空分塔（6)、液氮贮槽（7)、增压泵（8)通过管路顺序连接， 液氮罐车（9)和地面钻孔（10) 的接入端与增压泵 （8) 的输出端连接， 所述的底面钻孔（10)位于煤田火区， 所述的地热井
( 12) 位于煤田火区， 地热发电设备 （11 ) 通过地热井 （12) 提供的高温蒸汽发电， 所述的 地热发电设备 （11 ) 的电力输出端分别连接空气压缩机 （2)、 空气冷却器 （3 )、 油水分离器
(4)、 空气干燥净化器 （5)、 空分塔 （6)、 液氮贮槽 （7) 和增压泵 （8) 的电力输入端。
2. 根据权利要求 1所述的一种无损治理煤田火区的液氮系统， 其特征在于， 所述地面钻 孔 （10) 的类型包括有垂直钻孔、 倾斜钻孔和曲线钻孔。
3. 根据权利要求 1所述的一种无损治理煤田火区的液氮系统， 其特征在于， 所述增压泵 ( 8) 是大流量往复式低温液体泵， 增压范围 0~10MPa。
4. 根据权利要求 1所述的一种无损治理煤田火区的液氮系统， 其特征在于， 所述地热井 ( 12) 与地面钻孔 ( 10) 之间的距离大于 50米。
5. 一种无损治理煤田火区的方法， 其特征在于， 包括以下步骤：
A. 从地热井 （12) 取出的高温蒸汽驱动地热发电设备 （11 )， 为空气压缩机 （2)、 空气冷却器 （3 )、 油水分离器 （4)、 空气干燥净化器 （5)、 空分塔 （6)、 液氮贮槽 （7) 和增压泵 （8) 供应电能；
B . 大气中的空气经空气过滤器（1 )清除灰尘和机械杂质， 然后进入空气压缩机（2) 压缩至所需压力， 送入空气冷却器 （3 ) 降低空气温度， 再进入油水分离器 （4) 及空气 干燥净化器 （5)， 除去空气中的水分、 二氧化碳、 乙炔及其他碳氢化合物， 完成空气的 压缩和净化；
C. 净化后的空气进入空分塔 （6)， 完成空气分离， 得到液氮， 制取的液氮通过液氮 输送管贮存在液氮贮槽 （7) 中；
D. 液氮贮槽（7)中的液氮经增压泵（8)增压后通过低温绝热管输送到指定位置后， 通过注液氮管注入煤田火区的地面钻孔 （10) 中；
E. 多余的液氮通过低温绝热管装入液氮罐车（9)， 运送到煤田使用地点由压送设备 注入火区。
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