二氧化碳滅火技術(shù)研究與應(yīng)用

胡西平

摘要：根據(jù)二氧化碳滅火機(jī)理，設(shè)計(jì)工藝流程，利用 EDM2000 二氧化碳惰性防滅火裝置灌注二氧化碳，工藝簡(jiǎn)便、安全環(huán)保、投入資金小，短時(shí)間內(nèi)火區(qū)治理得到有效治理，密閉火區(qū)各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到啟封要求。

關(guān)鍵詞：二氧化碳;滅火;研究應(yīng)用

一、研究背景

火災(zāi)防治技術(shù)及裝備的發(fā)展一直是國(guó)內(nèi)外煤礦安全領(lǐng)域長(zhǎng)期探索的重要課題之一。目前國(guó)內(nèi)外普遍采用注黃泥漿、注氮?dú)?、注阻化劑、注凝膠等自燃防治技術(shù)，然而每項(xiàng)技術(shù)均有其適用條件和局限性。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)有不少煤炭科研院所開(kāi)始關(guān)注利用二氧化碳進(jìn)行煤礦井下自燃火災(zāi)防治的研究與探索工作。二氧化碳密度比空氣重，約是空氣密度的 1.5 倍，易溶于水，不能燃燒，也不支持燃燒;同時(shí)，煤炭對(duì)二氧化碳具有良好的吸附性能。因此，相對(duì)于其他常規(guī)防滅火技術(shù)，二氧化碳用于煤礦井下采空區(qū)防火、抑爆工作，具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

山西某煤礦生產(chǎn)能力為0.9Mt/a，2018年鑒定為突出礦井，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性，爆炸指數(shù)39.5%，開(kāi)采煤層屬易自燃煤層，自然發(fā)火期為 3～6個(gè)月。歷年主要采取的防滅火措施為采空區(qū)架后注氮、工作面上部采空區(qū)超前預(yù)注漿和架后采空區(qū)注漿、針對(duì)隱患火區(qū)灌注凝膠、阻化泡沫等。2019年6月井下31016運(yùn)輸順槽掘進(jìn)工作面施工瓦斯抽采鉆孔過(guò)程中發(fā)生火災(zāi)事故。事故后對(duì)礦井整個(gè)西翼全部密閉，要求在地面對(duì)火區(qū)徹底進(jìn)行治理。

二、應(yīng)用二氧化碳防滅火的必要性及防滅火機(jī)理

因西翼密閉區(qū)較大，火源點(diǎn)不明確，無(wú)法采用注漿、凝膠、泡沫等材料滅火，只能采用惰氣防滅火窒息火區(qū)，提高密閉區(qū)內(nèi)壓力，減少密閉區(qū)進(jìn)風(fēng)，杜絕火區(qū)復(fù)燃。

1、惰氣選擇

目前國(guó)內(nèi)使用煤礦惰氣防滅火技術(shù)有氮?dú)夥罍缁鸺岸趸挤罍缁鸺夹g(shù)。二氧化碳有很好的淹沒(méi)性，自下向上依次置換采空區(qū)氣體較為徹底;因煤對(duì)二氧化碳有吸附性，二氧化碳能夠溶于水，因此二氧化碳保留時(shí)間及有效期比氮?dú)忾L(zhǎng)，流失性較差;二氧化碳灌注液態(tài)汽化過(guò)程需要吸收大量熱量，因而有制冷降溫的作用，而氮?dú)鉃槌貭顟B(tài)。二氧化碳?xì)怏w純度可達(dá) 100%，不含氧氣，有利于火區(qū)氣體的惰化，氮?dú)庾罡咧荒苓_(dá)到 98%，還有少量氧氣或其他氣體，且制氮機(jī)每年需維護(hù)，維護(hù)成本較高。綜上所述，選用二氧化碳惰氣防滅火。

2、防滅火機(jī)理

（1）窒息隔離作用。高溫采空區(qū)注入大量高濃度的二氧化碳，因二氧化碳密度比空氣大，且對(duì)煤有較強(qiáng)的吸附作用，很容易置換出覆蓋在煤體燃燒點(diǎn)表面的氧氣，使氧氣濃度低于自燃發(fā)火的臨界點(diǎn)，阻止了煤炭氧化燃燒。

（2）冷卻降溫作用。注入的大量液態(tài)二氧化碳?xì)饣^(guò)程中，會(huì)吸收大量熱量，并且煤對(duì)二氧化碳極易吸附，從而遏止燃燒的鏈鎖反應(yīng)。

（3）惰化抑爆作用。注入大量二氧化碳在沖淡可燃?xì)馀c氧的過(guò)程中，也使火區(qū)空間氣體惰化程度不斷增大，從而使混合氣失去可爆性。

4 二氧化碳防滅火裝置選擇及構(gòu)造

為選取適合礦井實(shí)際條件的灌注二氧化碳工藝，技術(shù)專家組對(duì)全國(guó)二氧化碳灌注裝置進(jìn)行篩選，經(jīng)過(guò)多家對(duì)比，選用某公司 EDM2000 二氧化碳惰性防滅火裝置。其裝置優(yōu)點(diǎn)如下：（1）安全性可靠性高，氣體純度高達(dá) 100%，利用工業(yè)生產(chǎn)已排放的二氧化碳減少環(huán)境污染節(jié)能減排;（2）設(shè)備的氣體溫度低，出口 0～20℃，到達(dá)放置地點(diǎn)繼續(xù)升華能吸收隱患火源點(diǎn)的熱量，起到降溫作用;（3）組合式結(jié)構(gòu)，氣體產(chǎn)量多，且流量可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，最高可達(dá) 2000m3/h 以上;（4）設(shè)備投資少，體積、質(zhì)量不大，方便快速安裝使用。二氧化碳防滅火裝置由地面液態(tài)二氧化碳槽車、轉(zhuǎn)化器、控制裝置（流量、壓力、溫度）和輸氣管等構(gòu)成。在地面將液態(tài)二氧化碳通過(guò) EDM2000 直接轉(zhuǎn)換成二氧化碳?xì)怏w，經(jīng)由管路輸送經(jīng)鉆孔注入到火區(qū)。工藝流程具有穩(wěn)定性好、操作簡(jiǎn)便、連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，符合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用，能實(shí)現(xiàn)大流量壓注液態(tài)二氧化碳迅速熄滅火區(qū)的效果。

三、二氧化碳防滅火裝備

氣態(tài) CO2防滅火裝備系統(tǒng)組成氣態(tài) CO2防滅火裝備主要由地面貯液?jiǎn)卧?、液氣轉(zhuǎn)換單元-自熱式、液氣轉(zhuǎn)換單元-強(qiáng)熱式、氣體壓力調(diào)控單元等組成，配用液位計(jì)、安全閥、溫度表、壓力表、控制閥、輸送管路等組成。系統(tǒng)最大產(chǎn)氣量為 3 000 Nm3/h，液態(tài) CO2最大消耗量為 6 t/h。

1）自熱式液氣轉(zhuǎn)換單元。裝置由螺旋狀盤管式鋼管和在其外側(cè)設(shè)置的以優(yōu)質(zhì)鋁合金制成的導(dǎo)熱片組成。其作用原理是：通過(guò)導(dǎo)熱片吸收環(huán)境空氣中的熱量，并源源不斷的傳導(dǎo)給轉(zhuǎn)換單元，以支持液氣轉(zhuǎn)化的不斷進(jìn)行。主要作用為將貯液?jiǎn)卧獌?nèi)釋放的液態(tài) CO2

以自熱方式轉(zhuǎn)化成為氣體并輸送至下 1 道工序，其主要能源來(lái)自于環(huán)境的溫度，即空氣自身所帶的熱能，并以熱傳導(dǎo)方式通過(guò)導(dǎo)熱片將熱量傳導(dǎo)給該轉(zhuǎn)換器。

2）強(qiáng)熱式液氣轉(zhuǎn)換單元。裝置主要由換熱管組件、殼體、電控加熱系統(tǒng)等組成，主要功能為：殼程內(nèi)的水或?qū)嵊屯ㄟ^(guò)內(nèi)置的電控加熱系統(tǒng)或蒸氣加熱系統(tǒng)加熱后，管程內(nèi)的液體與殼程內(nèi)的水或?qū)嵊瓦M(jìn)行熱交換，從而達(dá)到液轉(zhuǎn)氣的效果。

3）氣體調(diào)壓穩(wěn)壓?jiǎn)卧Ｑb置主要由過(guò)濾器、壓力表、安全閥、調(diào)壓閥、球閥、截止閥及相關(guān)管路組成上述器件均為耐低溫耐高壓材質(zhì)。主要功能：將液氣轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換出的高壓氣態(tài) CO2調(diào)節(jié)至井下常規(guī)輸送管路所能承受的壓力，并對(duì)氣態(tài) CO2進(jìn)行穩(wěn)壓調(diào)節(jié)，然后進(jìn)行釋放、輸出、輸送，從而用于礦井火災(zāi)防治工作。此外，系統(tǒng)還配用了奧氏體金屬軟管，均為耐低溫耐高壓材質(zhì)，作為貯液?jiǎn)卧⒁簹廪D(zhuǎn)換單元等相關(guān)器件的連接管路。

氣態(tài) CO2防滅火系統(tǒng)產(chǎn)氣量大，可以持續(xù)提供 3 000 Nm3/h 的 CO2氣體，純度為 99.9%，完全可以滿足煤礦井下采空區(qū)防滅火工作要求;CO2氣體灌注工藝參數(shù)與 N2灌注工藝參數(shù)相似，在 CO2管路釋放口設(shè)在采空區(qū)的氧化帶內(nèi)的前提下，不會(huì)出現(xiàn) CO2氣體從工作面涌出現(xiàn)象;液態(tài) CO2是化工廠的副產(chǎn)品，售價(jià)約為 500 元/t，其使用成本較低氣體的直接成本在 1 元/m3以下，滅火投入少，有利于在煤礦井下防火工作中推廣應(yīng)用。

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