二氧化碳灭火技术研究与应用

胡西平

摘要：根据二氧化碳灭火机理，设计工艺流程，利用 EDM2000 二氧化碳惰性防灭火装置灌注二氧化碳，工艺简便、安全环保、投入资金小，短时间内火区治理得到有效治理，密闭火区各项指标达到启封要求。

关键词：二氧化碳;灭火;研究应用

一、研究背景

火灾防治技术及装备的发展一直是国内外煤矿安全领域长期探索的重要课题之一。目前国内外普遍采用注黄泥浆、注氮气、注阻化剂、注凝胶等自燃防治技术，然而每项技术均有其适用条件和局限性。近年来，国内有不少煤炭科研院所开始关注利用二氧化碳进行煤矿井下自燃火灾防治的研究与探索工作。二氧化碳密度比空气重，约是空气密度的 1.5 倍，易溶于水，不能燃烧，也不支持燃烧;同时，煤炭对二氧化碳具有良好的吸附性能。因此，相对于其他常规防灭火技术，二氧化碳用于煤矿井下采空区防火、抑爆工作，具有不可比拟的优势。

山西某煤矿生产能力为0.9Mt/a，2018年鉴定为突出矿井，煤尘具有爆炸危险性，爆炸指数39.5%，开采煤层属易自燃煤层，自然发火期为 3～6个月。历年主要采取的防灭火措施为采空区架后注氮、工作面上部采空区超前预注浆和架后采空区注浆、针对隐患火区灌注凝膠、阻化泡沫等。2019年6月井下31016运输顺槽掘进工作面施工瓦斯抽采钻孔过程中发生火灾事故。事故后对矿井整个西翼全部密闭，要求在地面对火区彻底进行治理。

二、应用二氧化碳防灭火的必要性及防灭火机理

因西翼密闭区较大，火源点不明确，无法采用注浆、凝胶、泡沫等材料灭火，只能采用惰气防灭火窒息火区，提高密闭区内压力，减少密闭区进风，杜绝火区复燃。

1、惰气选择

目前国内使用煤矿惰气防灭火技术有氮气防灭火及二氧化碳防灭火技术。二氧化碳有很好的淹没性，自下向上依次置换采空区气体较为彻底;因煤对二氧化碳有吸附性，二氧化碳能够溶于水，因此二氧化碳保留时间及有效期比氮气长，流失性较差;二氧化碳灌注液态汽化过程需要吸收大量热量，因而有制冷降温的作用，而氮气为常温状态。二氧化碳气体纯度可达 100%，不含氧气，有利于火区气体的惰化，氮气最高只能达到 98%，还有少量氧气或其他气体，且制氮机每年需维护，维护成本较高。综上所述，选用二氧化碳惰气防灭火。

2、防灭火机理

（1）窒息隔离作用。高温采空区注入大量高浓度的二氧化碳，因二氧化碳密度比空气大，且对煤有较强的吸附作用，很容易置换出覆盖在煤体燃烧点表面的氧气，使氧气浓度低于自燃发火的临界点，阻止了煤炭氧化燃烧。

（2）冷却降温作用。注入的大量液态二氧化碳气化过程中，会吸收大量热量，并且煤对二氧化碳极易吸附，从而遏止燃烧的链锁反应。

（3）惰化抑爆作用。注入大量二氧化碳在冲淡可燃气与氧的过程中，也使火区空间气体惰化程度不断增大，从而使混合气失去可爆性。

4 二氧化碳防灭火装置选择及构造

为选取适合矿井实际条件的灌注二氧化碳工艺，技术专家组对全国二氧化碳灌注装置进行筛选，经过多家对比，选用某公司 EDM2000 二氧化碳惰性防灭火装置。其装置优点如下：（1）安全性可靠性高，气体纯度高达 100%，利用工业生产已排放的二氧化碳减少环境污染节能减排;（2）设备的气体温度低，出口 0～20℃，到达放置地点继续升华能吸收隐患火源点的热量，起到降温作用;（3）组合式结构，气体产量多，且流量可根据实际情况调整，最高可达 2000m³/h 以上;（4）设备投资少，体积、质量不大，方便快速安装使用。二氧化碳防灭火装置由地面液态二氧化碳槽车、转化器、控制装置（流量、压力、温度）和输气管等构成。在地面将液态二氧化碳通过 EDM2000 直接转换成二氧化碳气体，经由管路输送经钻孔注入到火区。工艺流程具有稳定性好、操作简便、连续可调等优点，符合现场的实际应用，能实现大流量压注液态二氧化碳迅速熄灭火区的效果。

三、二氧化碳防灭火装备

气态 CO2防灭火装备系统组成气态 CO2防灭火装备主要由地面贮液单元、液气转换单元-自热式、液气转换单元-强热式、气体压力调控单元等组成，配用液位计、安全阀、温度表、压力表、控制阀、输送管路等组成。系统最大产气量为 3 000 Nm3/h，液态 CO2最大消耗量为 6 t/h。

1）自热式液气转换单元。装置由螺旋状盘管式钢管和在其外侧设置的以优质铝合金制成的导热片组成。其作用原理是：通过导热片吸收环境空气中的热量，并源源不断的传导给转换单元，以支持液气转化的不断进行。主要作用为将贮液单元内释放的液态 CO2

以自热方式转化成为气体并输送至下 1 道工序，其主要能源来自于环境的温度，即空气自身所带的热能，并以热传导方式通过导热片将热量传导给该转换器。

2）强热式液气转换单元。装置主要由换热管组件、壳体、电控加热系统等组成，主要功能为：壳程内的水或导热油通过内置的电控加热系统或蒸气加热系统加热后，管程内的液体与壳程内的水或导热油进行热交换，从而达到液转气的效果。

3）气体调压稳压单元。装置主要由过滤器、压力表、安全阀、调压阀、球阀、截止阀及相关管路组成上述器件均为耐低温耐高压材质。主要功能：将液气转换单元转换出的高压气态 CO2调节至井下常规输送管路所能承受的压力，并对气态 CO2进行稳压调节，然后进行释放、输出、输送，从而用于矿井火灾防治工作。此外，系统还配用了奥氏体金属软管，均为耐低温耐高压材质，作为贮液单元、液气转换单元等相关器件的连接管路。

气态 CO2防灭火系统产气量大，可以持续提供 3 000 Nm3/h 的 CO2气体，纯度为 99.9%，完全可以满足煤矿井下采空区防灭火工作要求;CO2气体灌注工艺参数与 N2灌注工艺参数相似，在 CO2管路释放口设在采空区的氧化带内的前提下，不会出现 CO2气体从工作面涌出现象;液态 CO2是化工厂的副产品，售价约为 500 元/t，其使用成本较低气体的直接成本在 1 元/m3以下，灭火投入少，有利于在煤矿井下防火工作中推广应用。

参考文献

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