液态CO2防灭火装备及其工程应用

王晋生

(阳泉煤业(集团)有限责任公司))

矿井自然发火是煤矿安全生产中的一大隐患，矿井下发生火灾极易导致瓦斯爆炸事故，对矿工人身安全与财产造成极大威胁。国内部分煤矿采取液态CO2进行防灭火，并取得了良好效果[1]。利用液态CO2进行防灭火具有惰化阻燃、降温等作用，具有高效、快速、成本低、操作简便的独特优势。液态CO2防灭火有丰富的应用前景，其防灭火装备系统值得进一步研究与设计。

1 液态CO2的惰化阻燃性能

1.1 液态CO2的物理特性

CO2在常温常压下是无色略带酸味的窒息性气体，临界温度为31.1 ℃，临界压力为7.09 MPa。气态CO2相对密度为1.53，密度为1.976 kg/m3(0 ℃，0.1 MPa)。在15 ℃、0.1 MPa状态下，液态CO2体积膨胀倍数为585倍。采用发生器生产或化工厂副产品制成的CO2纯度均可接近100%，无O2成分。

1.2 液态CO2惰化阻燃性能

煤矿防灭火采用惰性气体N2和CO2。经试验表明，煤对CO2的吸附量是N2的6倍，CO2比N2的阻燃、阻爆临界氧浓度高2个百分点[2]，CO2的惰化效果明显优于N2。N2在标准状态下密度为1.25 kg/m3，与同体积空气质量比为0.967 3，比空气轻，注入的N2易向火区顶部裂隙带扩散，影响覆盖效果。CO2的相对密度为1.53，重于空气，注入CO2火源点容易被CO2惰化带覆盖，对火区灭火效果良好。目前，国内制备的N2氧含量均超出5%，而制备的CO2纯度可接近100%，无O2成分。向火区内注入液态CO2可使着火点迅速降温，加速熄灭火源，且火区不易复燃，有利于防灭火[3-4]。

2 液态CO2防灭火装备

2.1 核心技术

地面固定式矿用液态CO2气化防灭火装备系统以储罐、自热式气化器、强热式气化器、气体调压装置为主体，辅以旁路泵送系统、气相增压系统、气电加热系统及井下管路系统。设计过程中主要考虑以下3个问题：①CO2在-56.6～31.1 ℃、0.417～7.09 MPa条件下保持液态可长期贮存，但在液态CO2运输使用过程中会出现固化状况成为干冰，因此，该系统增设增压系统解决液态CO2固化问题;②液态CO2完全气化的条件是在气化室内温度高于31.1 ℃，该系统在气化室内置加热器，供给足够的热量使导热油升温，设计温度为35～70 ℃;③经气化后的气态CO2压力不稳定需进行调压稳压操作，该系统在气化室出口设计安装气体调压装置，将出口压力调节至稳定状态。

2.2 地面固定式矿用液态CO2气化防灭火系统

地面固定式矿用液态CO2气化防灭火装备系统[5]由储罐、自热式气液转换器、强热式气液转换器、气体调控装置等4个主体部分组成，辅以压力表、温度表、液位计、控制阀、安全阀等安全器件。储罐将低温高压液态CO2储存于罐内，供给气化使用。储罐结构设计为内外双层罐利于保温防液态CO2固化。自热式气液转换器将环境空气的热量通过导热片传导使液态CO2不断吸收热量使气化顺利进行。强热式气液转换器是将转换器内的导热油通过电控加热系统加热后，转换器内的液态CO2与导热油进行热交换变成气态CO2。气体调控装置是将经气化装置气化后的处在脉冲状态过高压力的CO2调节成与井下管路系统匹配的合理稳定压力再进行输出，从而达到灭火的目的。地面固定式矿用液态CO2气化防灭火装备系统示意见图1。

图1 地面固定式矿用液态CO2气化防灭火装备系统

3 工程应用

3.1 矿井概况

阳煤五矿为煤与瓦斯突出矿井，煤质自燃倾向性为Ⅲ级，煤尘无爆炸危险性。8406工作面位于井下四采区，据8406工作面地质说明书，该面为顶炭质泥岩呈黑色，含有黄铁矿，有硫结核，同时参照8406工作面煤质化验结果为1.86%，在8406回风顺槽掘进期间实际巡查过程煤头顶板处发现了煤层顶板下的黄铁矿硫结核，局部含硫量较高，放出的热量加热矿物和周围的煤，激活煤的氧化活性，使煤的氧化加速，容易造成煤层自燃。同时，该工作面在开采过程中受地质构造的影响，在煤层自然发火期内不能把地质构造变化带推入窒息带内，这些条件给采空区遗煤的氧化自燃创造了条件。针对8406回采工作面走向高抽巷CO浓度持续升高、异常，决定对8406工作面采空区进行灌注CO2进行灭火。

3.2 防灭火方案

(1)地面固定式矿用液体CO2气化防灭火装备系统最大产气量为3 000 Nm3/h，液态CO2最大消耗量为6 t/h，CO2纯度达99.9%，无O2成分。将液态CO2自化工厂运至矿副立井井口附近，将该装备系统安装在副立井井口附近地面上，并让设备经调试处于可气化产气的待命状态。

(2)井下CO2防灭火输送系统利用矿井原有压风管路系统，该系统主干线管路从副立井下至井底，再经主胶带巷、四采区胶带巷进入支干线，支管路通过8406进风顺槽巷，最后到达预埋在采空区内的支管路末端。

3.3 井下二氧化碳惰化技术参数

(1)设计注气量计算。CO2防灭火初期设计注气量公式为

Q1=WHLK1K2，

(1)

式中，Q1为初期设计注气量，m3；W为惰化带宽度，m；H为惰化带高度，m；L为惰化带长度，m；K1为采空区气体置换系数；K2为采空区松散系数。参考公式(1)，计算出初期设计注气量为17 850m3。

(2)注气强度计算。由于采空区预埋CO2释放口距离火源中心约60m，因此注入的气态CO2会随漏风流波及火区起到覆盖惰化火区的作用。计算CO2泄漏量公式为

Q2=VWH，

(2)

式中，Q2为CO2泄漏量，m3/d；V为采空区氧化自燃带内漏风流流速，m/min。CO2每日注气量为 13 000m3，则每天所需消耗液体CO2为24t。

3.4 效果分析

自实施CO2注气以来，8406工作面及其回风流中CO浓度已绝迹，O2浓度为2.1%，温度正常，液态CO2防灭火效果明显。

4 结 论

(1)阳煤五矿通过分析液态CO2的物理特性与惰化阻燃性能，研制出的地面固定式矿用液态CO2气化防灭火装备系统解决了液态CO2在运输过程中出现的固化问题，实现了液态CO2在气液转换器内的完全气化。

(2)该防灭火装备系统安装气体调压装置后，稳定了气化后的气态CO2压力，使之经过管道运输至井下火灾区进行灭火作业。同时可快速降低火区温度、O2浓度，并成功在阳煤五矿实践应用，灭火效果明显。