矿用液态CO₂防灭火工艺及装置的制作方法

专利名称：矿用液态CO₂防灭火工艺及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种防灭火技术，尤其是一种利用液态二氧化碳防治煤炭自燃的防灭 火工艺及装置。背景技术：
矿井火灾是煤矿的主要自然灾害之一。而煤炭自燃又是矿井火灾的主要形式， “十五”期间，全国657处重点煤矿中，有煤层自然发火倾向的矿井占M.9%，自然发火期在 3个月以内的矿井占50%以上，每年自燃形成的火灾近400次，煤自燃氧化形成火灾隐患近 4000次，仅我国北方煤田累计已烧毁煤炭达42亿t以上。目前，综采放顶煤技术得到大力 的推广和应用，使煤矿生产效率大幅提高，但该方法冒落高度大、采空区遗留残煤多、漏风 严重，使得矿井煤炭自然发火频繁发生，已成为制约矿井安全生产与发展的主要因素之一。 我国新疆、宁夏、内蒙等区还存在大面积的煤田火灾，每年烧损煤量1000 1360万吨，经济 损失超过200亿元。煤炭自燃产生大量的S02』2S、C0和CO2气体，严重污染环境；煤田火灾 还造成大面积的植被破坏，使土壤沙漠化。为了防止煤炭自燃，目前广泛使用灌浆、喷洒阻 化剂、汽雾阻化、注凝胶、注惰气、喷浆堵漏、压注惰性泡沫等防灭火技术，用于防止采空区 漏风、这些技术虽然对防止煤炭的自燃起到了 一定作用，但是成本高、使用效果不够理 想。中国专利号101618255A公布了一种矿用二氧化碳防灭火工艺及装置，它主要是借助 液态CO2汽化后产生的压力通过管路将其注入井下火区，利用(X)2进行降温和惰化实现防灭 火。由于以气态CO2注入井下火区，其冷却降温作用不明显，且长距离管道输送，易发生管 路泄露等问题，也会增加企业管道维护工作量。因此，该技术不适用于将液态(X)2以近距离 直接注入井下火区。
发明内容
(一)发明的目的鉴于已有技术的不足之处，以及煤矿井下注氮工艺防灭火设备价格高、使用效果 不够理想，本发明提供一种能将液态(X)2运至井下火区及以液态灌注火区的防灭火工艺及装置。( 二 )技术方案矿用液态(X)2防灭火工艺，需要制作出液态(X)2贮运罐，组成液态(X)2贮运罐列车， 将液态(X)2运至井下火区附近，再接较短管路，以近距离将其直接注入火区。系统组成包括液态CO2槽车、液态CO2贮运罐、汽化器，以及自增压管路、进出液管 路等。在地面，运送液态(X)2的槽车，其槽车接口经进出液总阀将液态(X)2充装入各液态 CO2贮运罐，开启其自增压系统；充装好的各液态(X)2贮运罐运送到井下，按顺序连接挂车， 用机车牵引到火区地点；在火区地点，先打开灌注阀及首个液态CO2贮运罐的单元进出液阀，将液态CO2灌注到火区进行防灭火，待首个液态CO2贮运罐放完后关闭其单元进出液阀， 然后依次逐个液态CO2贮运罐向火区灌注，每当一个液态CO2贮运罐放完后则关闭其单元进 出液阀，直至将整个液态(X)2贮运罐车组灌注完毕为止。液态(X)2贮运罐设有自增压系统，由自增压出液阀、自增压出液管、自增压出液总 管、汽化器、自增压进气管、自增压进气总管、自增压进气阀等构成。汽化器采用空浴式汽化 器，来自液态(X)2贮运罐的低温液态(X)2在汽化器中与环境空气进行热量交换，使液态(X)2气 化为增压气体并回至液态(X)2贮运罐上部气相空间。液态(X)2贮运罐设有压力表、液位表和安全阀。(三)技术效果本发明是一种用于矿用液态(X)2防灭火工艺及装置，解决了液态(X)2贮运罐由地面 安全运输至井下、避免灌注管道结冰堵塞及(X)2以液态注入火区的关键技术；是一种高效使 用的矿井防灭火技术。与现有技术相比具有如下有益效果(1)液态CO2贮运罐设置的自增压系统可实现有效控制罐体内压力自我补偿，解决 罐体和管道防止气化结冰问题，为直接向煤矿井下火区输出液态(X)2提供了技术保障。(2)液态(X)2浓度高，温度低，可控制在-20°C以下，有利于发挥液态(X)2对火区的 窒息氧作用、冷却降温作用和惰化抑爆作用。(3)直接灌注液态CO2时，可使火源明显降温，加速熄灭火源。液态0)2注入火区 空间会瞬间气化，体积将膨胀640倍左右，需要吸收大量热量，温度急剧下降到-78. 5V。(4)液态CO2直接灌注火区后，气化后(X)2比重大，能有效隔离煤体的氧化，使火源 熄灭或阻止进一步氧化。(5)该工艺及装置具有速度快、操作简单、成本低、连续可调、运行稳定、防灭火效 果显著可靠等特点，符合现场的实际应用。四

图1是本矿用液态(X)2防灭火工艺及装置示意图。图1中，1-液态CO2槽车、2-液态0)2贮运罐、3-进出液总管、4-进出液管、5-支撑 柱件、6-保温层、7-内壳体、8-外壳体、9-防晃板、10-汽化器、11-自增压出液管、12-自增 压出液总管、13-自增压进气管、14-自增压进气总管、F1-单元进出液阀、F2-进出液总阀、 F3-灌注阀、Fa安全阀、Fzi-自增压出液阀、!^z2-自增压进气阀、P-液压表、L-液位表。五具体实施例方式下面结合附图和实例对本发明作进一步说明(一 )本发明矿用液态(X)2防灭火工艺的工作原理和基本流程在图中示出本发明的工作原理与基本流程。矿用液态CO2防灭火工艺是将液态(X)2 运送至井下火区及以液态灌注火区，利用液态CO2的防灭火性能对火区进行窒息氧、冷却降 温和惰化抑爆，从而达到防灭火的目的。液态(X)2贮运罐由地面安全运输至井下、避免灌注 时进出液总管结冰堵塞及(X)2以液态注入火区是技术关键。基本流程从运送液态CO2槽车上压出的液态(X)2充装进入液态(X)2贮运罐，打开 自增压系统使得充装压力保持稳定。各贮运罐充装完毕后，运送至井下，首尾连接后，用机车牵引至火区地点，直接将液态CO2灌注火区进行防灭火。各液态(X)2贮运罐灌注完毕后， 可运至地面进行重新充装，再运送至井下火区地点，进行直接灌注。( 二)矿用液态(X)2防灭火工艺的系统构成在图中示出本发明的系统构成由四部分组成液态(X)2槽车1、液态(X)2贮运罐2、 汽化器10，以及自增压管路、进出液管路组成。(1)液态CO2槽车1 用于运送和提供液态(X)2 ；槽车接口经进液高压胶管接进出液 总管3的进出液总阀F2。(2)液态CO2贮运罐2 为低温高压压力容器；贮运罐设有压力表P、液位表L、安全 阀Fa。贮运罐单元进出液阀F1接进出液管4，再与进出液总管3构成进出液管路；贮运罐自 增压出液阀Fzi接自增压出液管11，再与自增压出液总管12构成自增压出液管路；贮运罐 自增压进气阀G2接自增压进气管13，再连接自增压进气总管14构成自增压进气管路。液态(X)2贮运罐2罐体由支撑柱件5、保温层6、内壳体7、外壳体8、防晃板9等组 成。(3)汽化器10:采用空浴式汽化器。汽化器入口接自增压出液总管12，出口接自 增压进气总管14，与自增压出液管路、自增压进气管路共同构成自增压系统。(4)自增压管路由自增压出液管路、自增压进气管路组成；与汽化器10组合构成 自增压系统，用于维持贮运罐内和管路内压力，防止其液态CO2发生冰冻。(5)进出液管路由单元进出液阀F1、进出液管4、进出液总管3、进出液总阀F2等 构成；在地面用于进液功能，向液态(X)2贮运罐充装液态(X)2 ；在井下用于出液功能，向火区 灌注液态CO2。(三)本发明矿用液态(X)2防灭火工艺及装置的操作方法(1)充装前的准备对液态CO2贮运罐2的真空度进行检查，抽真空检漏，漏率为 彡BXlO-7Pa m3/s，封结真空度彡2Pa ；单元进出液阀F1.自增压出液阀Fzi，自增压进气阀 Fz2、灌注阀F3处于关闭状态；检查自增压系统各部分正常。(2)充装时a.先把连接进出液总阀F2的进液高压胶管接到液态CO2槽车接口上， 后顺序开启单元进出液阀F1,再逐渐开启进出液总阀F2,使液态(X)2逐渐充装到充满规定值 (充满率达90%) ；b.关闭进料出液总阀F2、单元进出液阀F1,分别从液压表P、液位表L观 察液压与液位是否充装到规定值；c.打开自增压出液阀FZ1、自增压进气阀Fz2，使得贮运罐 压力维持稳定。(3)运输各液态(X)2贮运罐2按以上程序充装完毕后，按顺序挂车，首尾连接后， 用机车牵引到火区地点。运输中保持液态CO2贮运罐2的真空度，不能随意增加其压力及 温度，关闭各阀门。(4)灌注前检查各液态CO2贮运罐2的真空度是否完好，液态CO2是否按规定值装 满；安全_FA是否完好，各阀门是否关严；可按灌注需要用量组装液态CO2贮运罐的数量， 形成液态CO2贮运罐列车；可根据现场需要在液态CO2贮运罐列车与火区之间设置防火墙隔1 O(5)火区灌注按先后次序，灌注各液态(X)2贮运罐2的液态(X)2液体，即先打开灌 注阀F3及首个液态(X)2贮运罐2的单元进出液阀F1,将液态(X)2灌注到火区进行防灭火，待 首个液态(X)2贮运罐2放完后关闭其单元进出液阀F1，然后依次逐个液态CO2贮运罐2向火区喷注，每当一个液态(X)2贮运罐2放完后则关闭其单元进出液阀F1，直至将整个液态CO2 贮运罐车组灌注完毕为止，再逐个关闭其他各阀门，运送返回地面准备重新充装。在上述实施方案中，还可以根据现场情况加以调整(1)对于斜井，可在地面直接由多个液态(X)2贮运罐组成液态(X)2贮运罐列车，充 装液态CO2后运送至井下，再通过机车牵引至火区；对于竖井，可先在地面分别对单个液态 CO2贮运罐进行充装，此时可不安设自增压系统，待多个液态CO2贮运罐运送至井下井底车 场后再组装成液态(X)2贮运罐列车，并安设自增压系统，打开自增压出液阀FZ1、自增压进气 阀Fz2，使得贮运罐压力保持2. 2Mpa。(2)火区灌注时，可根据火区与液态CO2贮运罐列车的相对位置，选择进出液总阀 F2或灌注阀F3用于灌注，当其中一个用于灌注时，另一个需关闭。(3)进出液总管可加装压力表，用于监测火区灌注时管道内液态(X)2变化，通过调 节自增压出液阀FZ1、自增压进气阀Fz2来保证自增压系统压力补偿。(四)矿用液态二氧化碳防灭火装置由上述的液态CO2贮运罐2、汽化器10、自增压出液管路、自增压进气管路、进出液 管路，以及进出液总阀F2、灌注阀F3，可构成矿用液态CO2防灭火装置。其中，液态CO2贮运罐2设有单元进出液阀F1、安全阀Fa、自增压出液阀Fzi、自增压 进气阀Fz2、p-液压表，L-液位表。汽化器10采用空浴式汽化器。汽化器10与自增压出液 阀FZ1、自增压进气阀Fz2自增压出液管11、自增压出液总管12、自增压进气管13、自增压进 气总管14等可组成自增压系统。自增压出液阀!^接自增压出液管11，其后经自增压出液总管12接汽化器10入 口可组成自增压出液管路；自增压进气阀&接自增压进气管13，其后经自增压进气总管14 接汽化器10出口可组成自增压进气管路。单元进出液阀F1接进出液管4，其后经进出液总管3接进出液总阀F2可组成进出 液管路。该装置与运送和提供液态(X)2的液态(X)2槽车1组合，可组成矿用液态(X)2防灭火 系统。
权利要求
1.一种矿用液态(X)2防灭火技术，能将液态CO2运至井下火区及以液态灌注火区，利用 液态(X)2进行窒息氧、冷却降温和惰化抑爆，实现防灭火；系统组成包括液态(X)2槽车(1)、液态(X)2贮运罐( 、汽化器(10)，以及自增压进液 管路、自增压出气管路、进出液管路等；在地面，运送液态CO2的槽车(1)，其槽车接口经进出液总阀(F2)将液态(X)2充装入各 液态(X)2贮运罐( ，开启其自增压系统；充装好的各液态(X)2贮运罐运送到井下，按顺序连 接挂车，用机车牵引到火区地点；在火区地点，先打开灌注阀(F3)及首个液态CO2贮运罐的 单元进出液阀(F1),将液态CO2灌注到火区进行防灭火，待首个液态CO2贮运罐(2)放完后 关闭其单元进出液阀(F1),然后依次逐个液态CO2贮运罐( 向火区喷注，每当一个液态(X)2 贮运罐( 放完后则关闭其单元进出液阀，直至将整个液态CO2贮运罐车组灌注完毕为止；液态CO2贮运罐⑵设有自增压系统，由自增压出液阀(Fzi)、自增压出液管(11)、自增 压出液总管(12)、汽化器(10)、自增压进气管(13)、自增压进气总管(14)、自增压进气阀 (Fz2)等构成；汽化器(10)采用空浴式汽化器；液态CO2贮运罐( 设有压力表(P)、液位表(L)和安全阀(Fa)。操作方法①充装前的准备对液态CO2贮运罐2的真空度进行检查，抽真空检漏，漏率为 彡6X10_7Pam7s，封结真空度彡2Pa;单元进出液阀F1、自增压出液阀Fzi，自增压进气阀FZ2、 灌注阀F3处于关闭状态；检查自增压系统各部分正常。②充装时a.先把连接进出液总阀F2的进液高压胶管接到液态CO2槽车接口上，后顺 序开启单元进出液阀F1，再逐渐开启进出液总阀F2,使液态(X)2逐渐充装到充满规定值(充 满率达90%) ；b.关闭进料出液总阀F2、单元进出液阀F1,分别从液压表P、液位表L观察液 压与液位是否充装到规定值；c.打开自增压出液阀FZ1、自增压进气阀Fz2，使得贮运罐压力 维持稳定。③运输各液态(X)2贮运罐2按以上程序充装完毕后，按顺序挂车，首尾连接后，用机车 牵引到火区地点。运输中保持液态CO2贮运罐2的真空度，不能随意增加其压力及温度，关 闭各阀门；液态(X)2贮运罐保证压力彡20BAR，温度彡-20°C。④灌注前检查各液态CO2贮运罐2的真空度是否完好，液态CO2是否按规定值装满；安 全阀Fa是否完好，各阀门是否关严；可按灌注需要用量组装液态(X)2贮运罐的数量，形成液 态(X)2贮运罐列车；可根据现场需要在液态(X)2贮运罐列车与火区之间设置防火墙隔离。⑤火区灌注按先后次序，灌注各液态CO2贮运罐2的液态CO2液体，即先打开灌注阀 F3及首个液态(X)2贮运罐2的单元进出液阀F1,将液态(X)2灌注到火区进行防灭火，待首个 液态(X)2贮运罐2放完后关闭其单元进出液阀F1，然后依次逐个液态(X)2贮运罐2向火区喷 注，每当一个液态(X)2贮运罐2放完后则关闭其单元进出液阀F1，直至将整个液态(X)2贮运 罐车组灌注完毕为止，再逐个关闭其他各阀门，运送返回地面准备重新充装。
2.根据权利所要求1所述的矿用液态二氧化碳防灭火工艺，其特征在于所说的自增压系统内有自增压出液管路、自增压进气管路；自增压出液管路的出口有自增压出液阀(Fzi)接自增压出液管(11)，其后经自增压出 液总管(12)接汽化器(10)入口 ；自增压进气管路的入口有自增压进气阀(Fz2)接自增压进气管(13)，其后经自增压进气总管(14)接汽化器(10)出口。
3.根据权利要求1所述的矿用液态二氧化碳防灭火装置，其特征在于包括液态CO2贮 运罐⑵、汽化器(10)、自增压进液管路、自增压出气管路、进出液管路；液态CO2贮运罐0)，包括支撑柱件(5)、保温层(6)、内壳体(7)、外壳体(8)、防晃板 (9)；其上还有液压表(P)、液位表(L)、安全阀(Fa)；汽化器(10)为空浴式汽化器，来自液态CO2贮运罐O)的低温液态CO2在汽化器(10) 中与环境空气进行热量交换，使液态CO2气化为增压气体并回至液态CO2贮运罐( 上部气 相空间。自增压进液管路的出口有自增压出液阀(Fzi)接自增压出液管(11)，其后经自增压出 液总管(12)接汽化器(10)入口 ；自增压进气管路的入口有自增压进气阀(Fz2)接自增压进气管(13)，其后经自增压进 气总管(14)接汽化器(10)出口。进出液管路有单元进出液阀(F1)接进出液管G)，其后经进出液总管C3)接进出液总 阀og组合在一起。
全文摘要
一种矿用液态CO2防灭火工艺及装置，是将液态CO2运送至井下火区及以液态灌注火区，利用液态CO2对火区进行窒息氧、冷却降温和惰化抑爆实现防灭火。其系统由液态CO2槽车1、液态CO2贮运罐2、汽化器10，以及自增压管路、进出液管路等组成；其防灭火装置由液态CO2贮运罐2、汽化器10、自增压管路、进出液管路等构成。其中，自增压管路由自增压出液管路、自增压进气管路构成，与汽化器10组合构成自增压系统，可实现罐体内压力自我补偿。本发明解决了液态CO2罐体和管道输送过程中气化结冰的技术难题，实现了安全转贮、运输和灌注，具有灭火速度快、操作简单、成本低、运行稳定、防灭火效果显著等特点，具有广泛的实用性。
文档编号E21F5/06GK102052086SQ20101022973
公开日2011年5月11日 申请日期2010年7月19日 优先权日2010年7月19日
发明者束永保 申请人:束永保