液态二氧化碳防灭火
装备系统资料
辽阳正阳机械设备制造有限公司
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1背景
煤炭是我国的主要能源，在国民经济能源结构中占据很重要的位置，现全国原煤年产量已超过了29亿吨，占我国一次能源消耗的70％以上。随着国民经济的快速发展，煤炭的需求量越来越大；近几年，原煤产量快速增长，在原煤产量快速增长的同时，必须保证矿井的安全高效开采。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54.9％，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，煤自燃氧化形成的火灾隐患近4000次，仅我国北方煤田累计已烧毁煤炭达42亿t以上。近年来，综采放顶煤技术及开采方法得到大力的推广和应用，使煤矿生产效率大幅度提高，但该方法因为冒落高度大、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，已成为制约煤炭工业发展的主要因素之一，也是煤矿重大安全生产隐患之一。 煤矿井下发生高温火点或火区是极易导致火灾事故和瓦斯爆炸事故的重大危险源。据建国以来煤矿事故统计分析，在发生一次死亡三人以上的事故中，火灾事故占4﹪左右，仅次于瓦斯、顶板和水害，位居第四。因此，国内外都非常关注煤矿防灭火技术及其装备的发展。
我国煤炭工业近几年来，有不少煤矿开始关注利用液态二氧化碳实施煤矿井下防灭火技术的研究与探索，并取得了一定成果。受此启发，特别是受两次火灾事故造成巨大经济损失的启示，即陕西彬长大佛寺矿（年产800万吨）和山西大同同忻矿（年产1000万吨）两个现代化矿井前两年相继发生井下大型火灾后，由于缺乏有效的灭火措施，前者靠灌水处理，后者靠注氮气处理，都曾历经半年以上时间，才实现全矿井灭火并恢复生产，均造成了数亿以上的巨大经济损失，从而促使我公司萌发了试制生产煤矿液态二氧化碳防灭火技术工艺装置的信念和决心。
为什么选中该项装置技术，主要是源于液态二氧化碳防灭火技术发展的潜力。CO2在常温、常压下是无色并略带酸味的窒息性气体。它在不同的压力、温度条件下有三种形态，即气态、液态和固态。二氧化碳熔点为－56.6℃（0.52MPa），临界温度为31.1℃，临界压力为7.09MPa，CO2具有升华特性，升华点为－78.5℃（0.1MPa）。在低温、加压下CO2气体可变为液态，利用蒸发潜热，可做成雪片
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状固体，进一步冷却加压可制成干冰（固体碳酸）。气态CO2相对于空气的密度为1.529，密度为1.976kg/m3（0℃，0.1MPa），液态CO2的密度随温度的变化而变化，－50℃时，其密度是1155kg/ m3。在温度为15℃、压力为0.1MPa状态下，液态CO2体积膨胀倍数为1155/1.976= 585倍。利用液态二氧化碳进行防灭火不仅具有惰化窒息、降温、稀释瓦斯的多重作用，对于煤矿防灭火具有高效、快速、成本低、操作简便又具备拟爆效果好的独特优势，同时也了解到随着控制二氧化碳排放量的政策要求，各省有关化工厂都开始收集和储存液态二氧化碳，资源渠道有保障。通过近年来努力和现场实践，终于试制生产出液态二氧化碳防灭火装备系统。
该技术和装置属于惰气防灭火范畴，为了认识该技术和装置的发展潜力，下面对各种惰气的技术性能和经济投入进行分析比较。
1.1惰气防灭火技术分类、性能比较
惰性气体用于煤矿井下防灭火的技术从20世纪70年代开始就在德、法、英等发达国家煤矿中大量使用；从80年代起，我国开始了惰气特别是氮气防灭火技术的研究与推广。其作用机理基本是降低火区内空气中所含的氧气和可燃气体的相对浓度，从而使火灾因缺氧而窒息熄灭，又使爆炸因缺氧而得以制止，一举两得。
按惰性气体的种类,可分为燃油惰气防灭火技术、氮气防灭火技术、气态二氧化碳防灭火技术、液态二氧化碳防灭火技术等。
燃气技术，通常通过煤油的燃烧而制成。其主要成分为二氧化碳，还有一些氮气、氧气、一氧化碳、水蒸气等。应用燃气灭火的缺点是，燃气成分中含有少量的氧气和一氧化碳，致使灭火效果不好，还影响火区状况的分析，故燃气灭火技术已被淘汰。
氮气技术，一般采用空气分离技术获取。分离方式有：深冷空分、膜分离、吸附分离三种。以深冷空分方式分离的氮气纯度很高，接近100%；以膜和吸附方法分离的氮气纯度较低，大约为95～98%。按状态分类，有气氮、液氮、固氮，我国煤矿一般采用气氮。氮气密度为 1.16 kg / m3,相对密度为0.97。
二氧化碳技术，按状态分类，有气态、液态、固态（干冰）。气态可通过二氧化碳发生器制取，液态或固态取之化工厂副产品。
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采用发生器生产或化工厂副产品制成的二氧化碳纯度均可接近100%，无氧气成分。 二氧化碳气体密度为1.976kg / m3,相对密度为1.53。
1.2各种惰气防灭火相关装置及其经济成本分析
1.2.1 设备一次性投入情况
a、燃油惰气DQ -1000型，每台约20 万元；
b、制氮机按每小时产气1000m3，每台投入200万元以内；
c、二氧化碳发生器按每小时产气1000m3，每台投入约80万元以内； d、液态二氧化碳气化装置系统按每小时产气3000m3，每套系统投入约200万元以内；
e、液态二氧化碳井下直注装置系统由若干个储液罐及辅助件组成，每一罐产气1000m3，每套系统投入约100～150万元。
1.2.2 生成每立方米惰气消耗原料、电费成本
据调查，制氮机每生产一立方米氮气需消耗电费2元左右；二氧化碳发生器每生产一立方米二氧化碳，约需原料采购及加工费8元左右；液态二氧化碳出厂价每吨仅为1000元左右（含运输成本），一吨液态二氧化碳可释放约506立方米气态二氧化碳（
1，一立方米气体所需直接成本为1元左右。 585=506 m3／t）
1.1551.2.3 人工成本
新产品已实现气化工艺自动化，操作工艺极为简便，2-3人就可操作，人工成本较低。
2 煤矿防灭火用气态、液态二氧化碳
2.1煤矿防灭火用惰气的优化选择
煤矿防灭火用惰气，可供选择的通常有两种，即氮气和二氧化碳。现就氮气和二氧化碳的阻燃、阻爆性能对比分析如下：
2.1.1 吸附性对比
根据“范德华”力的理论，固体表面对气体具有吸附能力，具有一定吸附能
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力的固体材料称为吸附剂，被吸附的物质称为吸附质，吸附剂与吸附质之间通过分子力相互吸引，形成吸附现象。依据吸附剂与吸附质之间吸附力的不同，吸附可以分为物理吸附和化学吸附。
由此看来，煤可视为吸附剂，而二氧化碳、氮气视为吸附质。由于在煤的氧化自燃过程中所产生的热量转移给惰性气体，从而遏止了燃烧的链锁反应，同时提高了惰性气体的惰化效果和阻燃、阻爆效果。
试验结果表明，煤对二氧化碳的吸附量为48 L/ kg ,而煤对氮气的吸附量仅为8 L/kg ,前者是后者的6倍，由此看出，二氧化碳的惰化效果和阻燃、阻爆效果是显而易见的。
2.1.2 火区惰化覆盖率对比
以放顶煤综采面火区为例，其空间体积很大，但要求火区空间内惰气浓度均匀，才能取得最佳的阻燃、阻爆效果。氮气在标准状态下密度为1.25kg/m3,与同体积空气质量比为0.9673，由于比空气轻，注入于火区内的氮气容易向火区顶部放顶煤裂隙带扩散，致使火区惰化覆盖率较差，进而影响氮气的惰化灭火和抑爆效果；而二氧化碳的相对密度为1.53，重于空气，由于火源点一般位于放顶煤采场采空区一侧中、下部，因而使火源点容易被二氧化碳惰化带覆盖，而且其覆盖率很高，对火区灭火和抑爆特别奏效。
2.1.3 氧含量对比
目前，便于在井下使用的制氮机有DM系列膜式制氮装置和变压吸附（PSA）装置两种。无论采用膜分离还是吸附分离技术，不可能把氧气全部分离出去，少量的氧气必然会掺入到氮气里，这是无可置疑的。据DM系列膜式制氮机产品说明书记载，氮气浓度为95～99%，其浓度取决于产气量，产气量越大，其浓度就越低；反之，就越高。显而易见，膜式制氮机产氮量中所含的最大氧量为5%。根据《煤矿安全规程》第248条第2款规定，火区熄灭条件之一为“火区内空气中的氧气浓度降到5% 以下”。如上所述，制氮机出口氮气量中已含有5%的氧气，加之火区原有氧气量及外部漏风量，总氧气量会超出5% ，不易达到《煤矿安全规程》的相关规定。而通过采用发生器生产的或化工厂的制成的液态二氧化碳纯度均可接近100%，无氧气成分。 因此以二氧化碳注入的火区氧浓度完全可以达到5%以下，符合《煤矿安全规程》的相关规定。
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2.1.4 阻燃、阻爆临界氧浓度对比
在以氮气惰化的条件下，火区内明火被熄灭的临界氧浓度为9.5%，与失爆点相应的阻爆临界氧浓度为11.5 % ；而在以二氧化碳惰化的条件下，明火被熄灭的临界氧浓度为12.0 % ，与失爆点相应的阻爆临界氧浓度为14.6% 。从上列数据看出，二氧化碳和氮气的阻燃、阻爆临界氧浓度均相差2个百分点以上，二氧化碳的惰化效果显然优于氮气。
2.1.5 降温效果比较
降温效果对于煤矿防灭火效果至关重要，它是火区能否复燃的关键，对此予以高度重视。
煤的燃烧过程实际就是煤的氧化过程，其氧化速度与供氧有关系，也与温度有关系。煤炭自燃往往经历三个阶段:升温氧化阶段(110-130℃)，加速升温阶段(140-190℃)，急速升温阶段(200℃以上)。显然如能有效地破坏聚热条件，控制住煤的氧化温度，就会延缓煤的氧化速度，从而延缓煤的自然发火期。
一旦煤矿采空区发生自然发火，通常采取封闭灭火措施，一般明火容易扑灭，但暗火往往不容易处理。如从降温上同时采取措施，则有利于根除暗火或阴火。
目前采取的各种惰气防灭火，如燃气技术、氮气技术，其出口的惰气温度都比较高，很难降下来，起不到有效降温效果。
若直接喷注液态二氧化碳，可使高温点或火点迅速降温，加速熄灭火源，而且火区不易复燃。液态二氧化碳喷入火区空间就会瞬间气化，体积将膨胀640倍左右，而且在气化过程中需要吸收大量的热量，促使温度急剧下降，在有限空间内，最低可降到-78.5℃。1kg液态二氧化碳蒸发气化需要吸收577.8×103焦耳／KG的热量。加之煤对二氧化碳极易吸附特点，在吸附过程中将吸附热转移给二氧化碳气体，从而会遏止燃烧的链锁反应。同时采空区内的二氧化碳气体也会吸收氧化反应过程中所产生的热量，降低火源点及其周围介质的温度，减缓煤的升温速度，促使煤的氧化反应由于聚热条件的破坏而延缓或终止。
通据对上述关于氮气和二氧化碳惰性气体的阻燃、阻爆等技术性能对比分析，不难看出气态二氧化碳防灭火优于燃气及氮气防灭火技术，因此，我们把二氧化碳气体优化选择为用于煤矿防灭火的惰性气体。
其实，二氧化碳作为灭火剂已有上百年的历史。它价格低廉，获取、制备容
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易，主要是依靠窒息作用和冷却作用灭火。所以，直接利用液态二氧化碳进行煤矿井下防灭火，其惰化效果和阻燃、阻爆性能具有气态二氧化碳惰气特点外，同时还具有明显降温效果，更有利于防灭火。
2.2二氧化碳惰气的来源
二氧化碳惰气可以采用化学反应方法制取，也可取之化工厂的副产品液体二氧化碳，新产品的研制采用了后者。其理由是：
新产品的研制，首先要解决二氧化碳的气源问题。众所周知，二氧化碳是引起温室效应的气体，因此，我们不可以生产和制造二氧化碳，因为这不利于发展低碳经济的要求。于是，详细调查国内化工厂产品的生产情况，发现大型化工厂积存大量的液态二氧化碳，其库存量相当大。因此，我们就选用液态二氧化碳作为煤矿防灭火用的惰气源。液态二氧化碳是化工厂的副产品，而副产品的综合利用体现了“物尽其用，变废为宝，化害为利”的 精神。
当前液态二氧化碳主要都是化工厂生产的气态二氧化碳回收加工而成的副产品，不利用就会排放，污染大气。将其注入于井下采空区，不仅可起到防灭火作用，同时利用煤体对其强吸附的特性和易溶解于水的特性，可使大量二氧化碳留存于采空区，大大降低了二氧化碳的排放量。鉴于此，利用液态二氧化碳实施煤矿井下防灭火，既符合国家提倡的发展低碳经济要求，又符合发展循环经济的要求。由此可见，选择液态二氧化碳防灭火技术路线是正确的。
2.3液态二氧化碳的灌注方式及其适用范围
灌注方式分类为两种，一类是在地面将液态二氧化碳经气化灌注方式，另一类是在井下将液态二氧化碳直接灌注方式。其中，前一种方式适用于井下防火、灭火、抑制瓦斯和煤尘爆炸等领域，特别适用于易自燃煤层的防火和瓦斯事故的抢险救灾。煤矿火灾治理，应以预防为主，防范于未然，新产品为防火提供了新技术装备。该方式将液态二氧化碳装备安装在井口附近的地面，并与井下防灭火管路连接成为地面固定式液态二氧化碳气化防灭火装备系统；后一种方式主要适用于井下灭火，因为该方法兼有窒息灭火、冷却降温作用，其灭火效果特别好，而且火区不易复燃。该方法虽然也具有防火和抑制瓦斯和煤尘爆炸功能，但在井下实施长期防火作业实有困难，而阻爆作业也实有危险，不如前一种方法安全可
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靠。该方法将液态二氧化碳设备安装在平板矿车上，便于井下运输，构成为井下移动式液态二氧化碳防灭火装备系统。
3 产品的可行性说明
3.1核心技术的解决
新产品核心技术是：（1）防止液态固化；（2）完全气化和保证气化量；（3）控制压力和温度的稳定。现将核心技术分述如下：
3.1.1防止液态固化
二氧化碳是由碳原子和氧原子以1∶2组成的化合物，化学分子式为CO2，分子量为44，碳和氧的重量比分别为27.3% 和72.7%。
二氧化碳在正常的大气温度和压力下，呈气体状态。无色，有轻微刺激性气味，密度大约是空气的1.5倍。
二氧化碳的状态随温度和压力而定，可以以固体、液体或气体状态存在。在温度为-56.6℃，压力为0.417MPa时，二氧化碳处于三种状态的相态分界点，该点称为三态点（见图1）。在温度为31.1 ℃，压力为7.09MPa时，二氧化碳处于液态和气态的分界点，该点称为临界点（见图1）。当温度高于31.1 ℃时，其压力无论如何变化，二氧化碳只能以气态存在，这种温度叫做临界温度，临界点见图1。在三态点和临界点之间，即在温度-56.6～31.1 ℃、压力0.417～7.09MPa之间，二氧化碳才能以液态存在。为了保持以上压力和温度范围，二氧化碳只能存于密封的低温、带压容器内。液体二氧化碳在低温和受压状态下才可以以液态状态长期储存。运自化工厂的液体二氧化碳运输槽车上贮液罐内的温度和压力一般为-30～-40 ℃，1.5～2.2MPa。
由图1可见，在相图上二氧化碳状态分为气态、液态和固态三个区，所处的相态不是绝对固定的，而是随着压力大小和温度高低而变化，并决定其所处的相态。一旦压力和温度发生变化，其相态就会转移，液态可能变为固体干冰，亦可能气化。通常贮液罐和气化器内温度大于三态点对应的温度即-56.6 ℃，此时相态仅决定于压力，一旦压力降低，就固化成为干冰。因此，为了有效地防止固化，必须设置增压系统，该增压系统是解决防止固化的主要技术途径。增压装置的设
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计压力为1.3～2.2 MPa，为了可靠地保障设计压力，应实现压力控制自动化。
产品的贮液罐与转换器之间，分别设计布设液相管路系统和气相管路系统，其中液相系统一端与贮液罐底部连接，另一端连接气化器，构成为液相管路系统，于是贮液罐内的液态二氧化碳连续不断地进入气化器，使之气化；而贮液罐顶部与气化器之间连接管路，构成为增压气相管路系统，通过该系统对气化器实施增压，将把贮液罐液面上部气压传递给气化器 ，从而达到增压的目的。显而易见，随着贮液罐内液面高度不断地下降，使罐内压力同步下降，进而其压力亦随之降低，由此可能造成贮液罐和气化器内液态固化现象。为防止固化，应对贮液罐和气化器实施增压。增压手段是，在贮液罐外部应设计安装旁路增压系统，该系统由贮液罐、泵及连接管组成，泵的进口与贮液罐底部连接，其出口与顶部连接，构成为泵送旁路增压装置系统，以使贮液罐内始终保持设计压力并处于液态状态，同时用其压力供给气化器，保证使气化器达到设计压力，防止液态固化。
3.1.2完全气化和保证气化量
在气化过程中，将会不断地吸收热量，因此要持续不断地补充热量，以满足 气化所需的热量，否则影响气化，液态有可能向固态发展。如前所述，当温度高于31.1 ℃时，其压力无论怎样变化，相态只能以气态存在，这就说明液态完全气化的必要条件是必须要保证气化器内温度高于31.1 ℃。为此，在气化器内设
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置加热器，其目的是保证由加热器供给的热量足以使介质（清水）温度超过31.1 ℃，供热用介质设计温度为35～70 ℃。为了气化完全、彻底、可靠，加热器应实现温度控制自动化。
供热方式可选择蒸气加热式或电加热式，任选其一。蒸气加热式省电，但麻
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图1 二氧化碳相图
烦；电加热式费电，但简便，可根据用户的要求选择之。在加热器上应配有电加热器，如改用蒸气加热式，则电加热式停用即可。
如何保证产气量？其技术途径是：由贮液罐连续不断地供给足够的液态二氧化碳，以满足与产气量匹配的气化用量。新产品设计产气量在0～3000m3／h范围内可调，根据用户的需求量来调节之。以最高产气量3000m3／h为例，按每吨液态气化成为500m3气体计算，必须保证液态二氧化碳的供给量达到6t／h，方能满足产气量3000m3／h的需要。
综上所述，在液态二氧化碳气化过程中，防止固化、全部完全气化且保证产气量的技术手段是通过增压装置和加热装置来实现。新产品的产气能力取决于气化器的气化能力，而气化能力又取决于增压系统和加热系统提供的压力和温度，所以气化器及其增压系统和加热系统是本装备系统的核心技术设备。增压系统和加热系统已实现控制自动化，能够自动控制气化器内的压力和温度，保证使气化顺利，并使气化能力达到额定产气量。
3.1.3控制压力及其稳定
经气化后气态二氧化碳已处于常温状态，但其压力仍然偏高，一般为1.3～2.2MPa，而且其压力很不稳定，处于脉冲状态，必须经调压和稳压，使之成为与井下管路系统相匹配的稳定压力。为此。必须在气化器出口后面设计安装气体调压装置，它的作用是将过高压力调节为合理压力，并使压力由脉冲状态调整成为稳定状态，然后输出给井下防灭火管路。气体调压装置的调压和稳压是通过用低温截止阀、低温球阀、气体调压阀来实现，其操作极为简便。
3.2气化工艺设计的先进性和新颖性
3.2.1地面固定式矿用液态二氧化碳气化防灭火装备系统工艺流程
地面固定式矿用液态二氧化碳气化防灭火装备系统工艺流程如图2所示。在该流程图中，贮液罐、空气自热式气化器、气电加热式气化器、气体调压装置均为主体工艺设备，并由液相管路连接，构成为主生产工艺装备系统；而贮液罐旁路泵送系统、气相增压系统、气电加热系统及井下管路系统均为辅助系统，主系统和辅助系统又构成为地面固定式矿用液态二氧化碳防灭火装备系统，实属系统工程范畴。虽然辅助系统好像是次要系统，但是该系统实属核心系统，因为没有
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该系统的鼎力辅助，主体工艺设备将成为一堆废铁，足见该系统的核心地位。
图2 矿用液态二氧化碳气化防灭火装备系统工艺设计流程图
1、 液相金属高压软管 6、气相增压用金属高压软管 2、液、气混相金属高压软管 7、 热交换器 3、 气化器输出用不锈钢管 8、 供电线
4、5、泵送系统不锈钢液相连接管 9、井下防灭火管路系统
（1）由贮液罐、空气自热式气化器、气电加热式气化器及其金属高压软管1构成为液相系统。金属高压软管2为液、气混相管路，是空气自热式气化器与气电加热式气化器之间的连接件。
（2）由泵与连接钢管4、5构成为贮液罐旁路增压泵送系统；贮液罐、气电加热式气化器及其金属高压软管6构成为气化器增压系统。
（3）由配电箱、热交换器及其电源线构成为气电气化器的加热系统。 （4）由气体调压装置及其控制阀门构成为气态二氧化碳输出系统。 此外，在工艺设计图上，液相管路系统和气相管理系统巧妙地搭配；旁路增压系统和气电加热系统各负其责，而又有机地联系在一起，完全体现了生产工艺设计的先进性和新颖性。
因此，将贮液罐内低温、高压液态的二氧化碳转换成为常温、高压气体的设备和工艺研究，是新产品试制过程中必须加以解决的中心课题。通过以上二氧化碳相态的分析，以先进的气化原理为先导，就能够制定出设计构思新颖的气化工艺。
如上所述，研究煤矿井下火灾防治技术及相关工艺装备，特别是研制一种能够保障液态二氧化碳防灭火的相关装置，既有助于有效消除火灾隐患，保障井下
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作业人员的生命安全，又有助于避免煤炭资源的损失扩大，对煤矿的安全生产与发展都具有非常重要的意义。
3.2.1井下移动式矿用液态二氧化碳防灭火直注装备系统工艺流程
井下移动式矿用液态二氧化碳防灭火直注装备系统工艺流程如图3所示。在该流程图上，若干个储液罐及与之相连的液相管路为主要生产工艺装备系统，而空气自热式气化器、增压泵送系统、气相管路为辅助系统，并由主系统和辅助系统构成为井下移动式矿用液态二氧化碳防灭火装备的生产工艺系统。
F1······F12均为控制阀门。
图3 矿用液态二氧化碳直注式防灭火装备工艺流程图
新产品设计具有结构合理、工艺流程新颖、技术性能先进、安全性能可靠、灭火性能良好、监控系统现代化等诸多特征和优点。特别是井下移动式矿用液态二氧化碳直注装备系统兼有灭火和降温双重功能，可以充分发挥其灭火速度快、降温效果好、火区不易复燃的特点及优势，将在未来的重大灭火战役中获得非同寻常的战果，并为煤矿安全事业做出更大的贡献。
4 产品装备系统的构成及其作用
4.1 地面固定式矿用液态二氧化碳气化防灭火装备系统
MKDⅢ-LZ-3000型矿用液态二氧化碳气化防灭火装备系统，就是针对保障液态二氧化碳防灭火技术推广而生产试制的新型产品。该装备系统发展潜力将随着液态二氧化碳防灭火技术的大力推广而将得到不断地发展。
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按产品生产工艺图设计的地面固定式矿用液态二氧化碳气化防灭火装备系统如图4所示。由图4看出， 产品由贮液罐、自热式气液转换器、强热式气液转换器、气体压力调控装置等四大部分组成，还配有控制阀、安全阀、压力表、温度表、液位计等安全器件，并与井下防灭火管路连接，装配成为地面固定式矿用液态二氧化碳气化防灭火装备系统。
该系统地面装备部分还设置有液相管路系统和气相管路系统，其中液相系统将把贮液罐内的液态二氧化碳连续不断地供给气液转换器，使之气化；而气相系统则对气液转换器实施增压作用。以上两个系统均通过金属高压软管或钢管把贮液罐和气液转换器连接起来，使其成为输送液态二氧化碳和实施增压的通道。除此之外，在强热式气液转换器内设置了加热系统，对该气液转换器进行加热。
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图4 JMRQ-3000型液态二氧化碳气化防灭火系统示意图 1、 矿用特制大型液体二氧化碳储罐 5、 强热式气液转换器 2、金属高压软管Ⅰ 6、 气体调压装置
3、自热式气液转换器 7 、出口法兰，与井下输气管路连接 4 、金属高压软管Ⅱ 8、与井下防灭火管路系统连接
现就个各构成设备的结构特征及作用分述如下：
4.1.1大型液体二氧化碳储罐
其结构型式主要由承载罐体、行走机构和电气系统三部分组成（见图5）。其作用为将化工厂槽车运送过来的液态二氧化碳储存，并通过其进出液口再将所储存的液态二氧化碳释放和输出。
在贮液罐上配有控制阀、调节阀及旁路泵送增压系统，还配有安全阀、压力表、液位计等安全装置。泵送增压系统由泵和连接管路组成，泵的入口与贮液罐底部出口相连，泵的出口与贮液罐顶部连接，便成为旁路泵送增压系统。在贮液
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2 图5 大型液态二氧化碳贮液罐
1 液态二氧化碳贮液罐 2 贮液罐托架（立式储罐无托架） 3 高压金属软管
罐底部设有液相管路，与自热式气液转换器相连，用于输送液态二氧化碳；顶部设有气相管路，与强热式气液转换器连接，用于给转换器增压，防止液态固化。
贮液罐的功能和作用是：将来自化工厂的低温、高压液态二氧化碳储存于贮液罐内，并供给转换器气化之用。为了保温起见，贮液罐结构设计成为内外双层罐，类似暖瓶胆，以利于保温，防止使液态固化。罐体容量可根据用户的要求制作，材质选用优质钢材。贮液罐外侧设有旁路泵送增压系统，该系统保证使贮液罐内的压力达到设计压力范围，当其压力达到下限值，则旁路泵送增压系统立即自动启动，并往贮液罐内增压至设计压力的上限值，此时自动停泵，如此循环往复。贮液罐内设计压力为1.3～2.2 MPa范围内，泵送系统始终要保证贮液罐内设计压力，其工作方式为间断式，不是连续式，泵工作时间约占气化时间的三分之一，所以比较省电。通过以上论述可知，将贮液罐制作成为双层结构并配有旁路增压系统和液相、气相系统，其结构合理，系统完善。
贮液罐属于压力容器，必须由具有资质的单位设计和制作，产品质量必须达到GB150-1998《钢制压力容器》的国家标准。本产品必须经压力试验和气密试验合格，方可出厂。
4.1.2自热式气液转换器
自热式气液转换器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：将环境空气的热量通过导热片传导给该转换器，并持续不断地补充气化过程中所吸收的热量，以使气化的顺利进行。该气化器为
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Ⅰ级气化，靠空气热传导进行气化，气化程度受外界环境温度的影响，气化不一定完全、彻底。该气化器不需要由外部提供热源，全靠空气自热方式加热，以达到节能节水的目的。
其结构型式主要由6063型或纯铝制星型管、铝制集结管、角铝、槽铝及不锈钢法兰等部件组成(见图6)。
该转换器采用优质钢管做成螺旋盘管装，并在钢管外侧设有铝合金导热片，导热效果良好，使热传导得以顺利进行。由此看出，自热式气液转换器设计新颖、巧妙，还能达到节能减排的目的。
其主要作用为将贮液罐所释放的液体以自热方式转化成为气体并输送至下一道工序，其主要能源来至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，不需要外界专门的供热源。此举设计构思新颖，并符合节能减排的要求。
图6空气自热式气化器
1 进液法兰 2集液管 3角钢Ⅰ 4角钢Ⅱ 5星形管 6出气法兰 7集气管
6.1.3 强热式气液转换器
其结构型式主要由换热管组件、壳体、电控加热系统或蒸汽加热系统等组成（见图7），该转换器为Ⅱ级气化。其主要功能为：壳程内的水或导热油通过电
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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。
该加热系统可以选取电加热式，也可以选取蒸气加热式，前者操作简便，加热速度快，易实现温控自动化，但费电；后者省电，但操作较麻烦，温控自动化不如电加热式。
引自贮液罐顶部的气相增压管连接至该转换器出口，经该转换器并沿液相管路逆方向流入自热式气液转换器，兼顾该转换器和前置转换器同时增压，其压力同步得以提高，一举两得，这又是转换器设计的新颖之处。
强热式气液转换器制作成筒体，筒体内布设有螺旋状盘管，同时设有热交换器，该热交换器由转换器上配置的电源配电箱供电。
其作用原理是：以人为加热方式气化，完成Ⅱ级气化。热源可选用蒸气热源或电能源，一般采用电能源，因为它简便实用。筒体内为便于Ⅱ级气化要投入加热用清水，由设置在筒体内的热交换器把水加热，被加热的水又将热量传导给盘状钢管，促使由Ⅰ级气化器进入Ⅱ级气化器但尚未完全气化的部分液体二氧化碳完全气化。
图7 强热式气液转换器
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1 壳体 2 水溢流出口管 3 液面计 4 蒸气喷射管 5 堵头 6 换热管组件 7 温度计 8 球阀 9 等径三通 10 吊钩
该转换器的加热系统和增压系统已实现了控制自动化，不仅操作简便，而且提高了装备的安全性和可靠性。该气化器是本装备系统的心脏部件，直接影响气化质量，其设计结构同样新颖、巧妙，并已实现气化器内压力和温度的自动控制，达到了国内一流水平。
6.1.4气体调压稳压系统
其结构型式：本装置主要由低温截止阀、低温球阀、气体调压阀、安全阀、压力表、过滤器及相关管路组成（见图8）。
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11 10 图8 气体调压装置
1、8 压力表 2、9 缓冲管 3、7 安全阀 4、6 截止阀 5 减压阀 10 放气阀 11 三通
其主要功能是：将气化装置经气化后的过高压力调节成为与井下管路系统匹配的合理压力，并把脉冲状态的压力调整成为稳定状态的压力，然后进行释放和输出，从而达到灭火的目的。
气体调压装置机构设有两套，处于并联状态，一套工作，另一套备用。 其功能与作用是：通过减压阀的调节，对出自Ⅱ级气化器的气态二氧化碳压力得以控制和稳定，并使其输出压力与井下防灭火管路系统所需压力相匹配，输出压力取决于井下防灭火管路系统的流量和阻力。
该调压装置输出压力取决于井下防灭火管路的气体流量和管路总阻力，按流量和阻力计算的管路所消耗的压力与该装置输出压力应当匹配，使之相等，通常输出压力为0.8～1.5 MPa。其中，管路流量决定于用户所需的惰气量，而管路 总阻力决定于管径和管壁摩擦阻力及管路局部阻力。
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一般而言，井下防火用惰气量相对较小，而灭火和抑爆用初期惰气量就较大，随后惰气用量就逐渐减小，待灭火和抑爆的各项指标达到《煤矿安全规程》的相关规定后，方可停止灌注。
为了安全起见，对装备系统中以上各个设备分别进行了调试和压力试验，试验压力为2.88 MPa，大于最大工作压力2.2 MPa，安全系数已超过1.3倍以上。而且装配成整体系统后，又再一次对其进行上述试验，确认无泄漏后才能认定产品合格，并准许出厂。
因此，只要按照新装备系统的使用说明书认真操作、维护、保养，就能够可靠地保障设备的安全运行。
4.2矿用液态二氧化碳直注式防灭火装备系统（井下移动式）
矿用液态二氧化碳直注式防灭火装备系统由液态二氧化碳储液罐、自增压调控系统、液相管路、气相管路、安全装置及控制阀门组成，并将以上设备安装在平板矿车上，以便井下运输。
4.2.1液态二氧化碳储液罐
储液罐为承装液态二氧化碳的容器（图9），其结构与大型贮液罐基本相同，采用内外双层罐结构，内层罐净容积为2m3, 可承装液态二氧化碳2t。
井下用储液罐专列车在地面由大型贮液罐充装液态二氧化碳，然后以平板矿车运至井下火区附近，并液态二氧化碳直接注入于火区，进行火区灭火。
液态二氧化碳储液罐亦属于压力容器，必须由具有资质的单位设计和制作，产品质量必须达到GB150-1998《钢制压力容器》的国家标准。本产品必须经压力试验和气密试验合格，方可出厂。
图9 液态二氧化碳储液罐
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4.2.2自增压调控系统
井下用自热式气液转换器与地面自热式比较，其原理、结构、材质、用途都相同，只不过规格和大小不同而已。井下用自热式气化器安装在一节平板矿车上，它通过液相管路和气相管路分别与各储液罐连接，其主要用途是给各个罐补充压力，并给灭火管路实施增压。井下用自热式气液转换器如图10所示，长1500mm，宽1100mm，高780mm。
图10 自增压调控系统
6.2.3平板矿车
平板矿车（图11）承载储液罐和气化器，每一个储液罐占一节矿车，气化器亦占一节矿车，由数量矿车组成灭火专列车。每辆矿车长3500mm，宽1500mm，高400mm。
图11 平板矿车
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也很大，对火区抑爆和灭火起到了关键作用，封闭不久就已初见效果。
4.2 地面钻孔工程情况
应急救援指挥领导组经研究决定，采用以凝胶技术手段，通过钻孔对井下N1203着火工作面就近进行封闭；同时决定以液态二氧化碳惰化技术进行火区灭火。为此，在地面对应于井下N1203综放面火区上方共布置了8个钻孔，其中第6号孔考虑其井下终孔位置附近就有密闭墙，故取消该孔。实际成孔数为7个，其中4个孔为凝胶封闭孔，其余3个孔为液态二氧化碳注入孔，孔径为212mm，孔深为530m左右，成孔后下套管，管径为193mm。地面钻孔布置见图2，钻孔相关参数及用途见表2.
表2显示，地面钻孔编号1、2、5孔为液态二氧化碳注入孔，其中1号孔设计终孔位置位于N1203综放面与回风顺槽的交叉处；2钻孔位于该综放面与胶带顺槽的交叉处；5号钻孔对准综放面火灾中心处，该处距胶带巷约 50m处。为防止液态二氧化碳在钻孔内结冻堵塞，采取了液态和气态二氧化碳混注措施。编号3、4、7、8孔作为N1203综放面火区封闭孔，其中3号孔封堵回风顺槽，4号孔封堵胶带顺槽，7号孔封堵瓦斯排放巷，8号孔封堵综放面旁路放水巷，原设计6号孔，因考虑其终孔位置附近有密闭墙，故取消该孔。通过以上封堵孔分别灌注凝胶，罐满为止，基本上实现了N1203综放面火区封闭，缩小了火区范围，并为实施液态二氧化碳灭火和解放其它外围区创造了有利条件。然而，在钻孔深度达530m的情况下，假设钻孔垂直度偏差1°，就可能与设计终孔位置偏离9m以上，所以地面钻孔封堵方式不一定使井下火区得以完全封闭，待火灾外围区解放后派救护人员进入现场探查，如发现封闭不严就应就地彻底封堵。
4.3 惰气阻爆和灭火工程
4.3.1煤基油厂惰气阻爆、灭火工程
在余吾煤矿邻近就有煤基合成油厂，该厂副产品为氮气和二氧化碳。该厂至余吾矿之间地面原来就铺设好氮气和二氧化碳管线，一趟管路输送氮气，另一趟管路输送二氧化碳，两趟管路均通过南翼井筒至井底，又经南翼轨道运输巷进入北翼轨道运输巷。二氧化碳的释放口位于北翼轨道运输巷密闭墙（1号防火墙）
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图1 余吾煤业北翼通风系统图
以北，氮气释放口位于北翼轨道运输巷与胶带上山交叉口以北。二氧化碳自6月24日14时50分起注入，于7月9日21时停止供气，注入流量为4000m3／h，累计注入量达1589660m3；氮气自6月24日8时09分起注入，于7月7日15时45分停止供气，注入流量为4000m3／h，累计注入量达1340050m3。氮气和二氧化碳的注入总量高达将近200万立方米，对火区阻爆和灭火起了很好的作用，
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表2 地面钻孔参数及用途
钻孔孔深终孔位置 号 （m） 1 2 3 4 5 7 8 520 538 524 552 539.5 525 535 打孔 时间 成孔 时间 6月27日 6:35 7月4日 12：00 7月28日 10:30 7月11日03：00 7月3日 09:40 7月2日 11:45 7月2日 11:30 钻孔 用途 二氧化碳灭火 灌注 材料 CO2 （气液） 灌注起始时间 工作面与回6月24日风顺槽岔口 19:20 工作面与胶6月26日 带顺槽岔口 回顺与回联巷交叉口 胶带顺槽1#贯口 6月25日0:30 7月6日8:15 6月28日03:30 起注入 通过该孔测火区二氧化碳CO2 灭火 （气液） 气体浓度和温度 凝胶、水玻7月3日 12：00 火区封闭 璃、石子 灌满 火区封闭 石子、凝胶 二氧化碳灭火 CO2 （气液） 7月13日左右 灌满 7月3日22:57 起注入 7月5日20:10 灌满 7月5日12:00 灌满 切眼南15m,6月30日 距胶顺90m 瓦排巷2#贯口 工作面旁路排水巷 6月29日13:45 6月28日18:00 火区封闭 石子、凝胶 火区封闭 石子、凝胶 其中阻爆作用尤为明显。之所以停止供气，是因为煤基合成油厂提供的二氧化碳中含有较高浓度的一氧化碳的缘故，其一氧化碳浓度竟达2000～6000PPm（见附件1）。
4.3.2北翼进风井二氧化碳（气态）阻爆、灭火工程
在北翼进风井地面安装辽阳正阳机械设备制造有限公司制造的MKDⅢ—LZ—3000A型液态二氧化碳气化灭火装备系统一套，液态二氧化碳由山化公司提供。气态二氧化碳自6月25日3时18分起注入，于7月3日15时45分停止注入，注入流量为3000Nm3／h，累计注入液态二氧化碳740t。在地面被气化的气态二氧化碳直接注入于北翼进风井，靠其自身压力流入井底，并惰化整个北翼封闭区，其中一部分经上山波及至N1203综放面火区，同样对火区阻爆和灭火起了重要作用。截止7月4日，鉴于地面灭火钻孔都已竣工，故该装备系统移至地面第5号钻孔处，通过该钻孔把液态二氧化碳直接注入于火区，以发挥更好的阻爆和灭火作用。
4.3.3 钻孔液态二氧化碳灭火工程
如表2所示，1#、2#、5#孔均为液态二氧化碳注入孔，其中1#孔自6月28日3时30分起注入，2#孔自7月4日18时30分起注入，5#孔自7月3日22时57分起注入，三个孔可以同时注入，初期气液混注，后期改为专注液体，其灭火效果更好。截
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图2 N1203发火工作面钻孔布置图
止7月11日，各个孔累计注入量统计如下：1#孔233.26t；2#孔坠入束管并取气样 测定火灾气体浓度，同时测温度，故暂未注入；5#孔543.18t,计776.44t。 据7月11日7时2#孔束管取气样检测，火区气体成分及其浓度如下：O2 1.02%，CO2 46.31%,CO 397PPm,CH4 42.17%,温度为29.20℃。应该说，以上检测数据是准确的，是真实的，因为通过束管取得的气样是火区内的样品，并经色谱仪分析，其分析结果是可靠的，可作为判断灭火效果的依据。
目前火区内O2浓度降至1.02%，CO2浓度降至46.31%，充分说明液态二氧化碳的惰化效果好，窒息灭火效果亦好，可以肯定明火已被熄灭。CO浓度接近400PPm，偏高，是否因为受到煤基油厂提供的二氧化碳中所含CO浓度的影响，有待于查明。据初步判断，由于火区尚未完全彻底封闭，煤基油厂的二氧化碳有可能进入N1203综放面火区，受其影响使火区CO浓度升高。实测火区温度为29.20℃，客观地反映了实际情况，火区温度普遍高于北翼轨道大巷、胶带大巷、猴车大巷的温度，
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约高出5℃以上，足以说明发生火灾时所产生的热量尚未散发完毕，余热还存在，需要较长时间缓慢散发。众所周知，空调和冰箱的制冷降温效果除了其本身的制冷性能之外，另外重要因素是要把门窗关严，应保持封闭状态，否则制冷效果就不好。同理，要想提高火区降温效果，除了液态二氧化碳气化过程中吸热降温作用之外，火区应在封闭状态下进行降温，这样才能获得事半功倍的效果。截止7月11日，距发火时间还不到20天，尽管注入大量的液态二氧化碳，但其降温作用不可能预期想象的快，冰冻三尺，非一日之寒，欲速则不达，不得急功近利。
4.4 液态二氧化碳的灭火、降温性能
4.4.1 N1203综放面火区立体空间三带
N1203综放面采用放顶煤方法开采，其采空区立体空间很大，该空间内漏风流速非常缓慢，约为0.01～0.1m／min，处于层流状态。毫无疑问，N1203综放面火区立体空间内空气成分按其密度大小重新排列布置，密度大的处于下部，密度小的在上部，中等密度的置于中部，形成立体空间三带。以氮气惰化火区为例，漏风流中所含的O2密度为1.43kg／m3，密度较大，处于下部；N2密度1.25kg／m，小于O2，所以注入的N2和漏风流所含的N2占据中部；CH4密度为0.7 kg／m，密度最小，置于上部。虽然三带的划分界限不是非常明显，但大体上按上述规律分布的。由此不难看出，即使在以氮气惰化的条件下，漏风流中的O2仍然优先占据火区的底部空间，虽然在注入N2的惰化作用下O2 浓度有所降低，但是还能够继续给氧化反应提供氧气，使氧化反应持续下去。显然，火区底部才是煤的氧化反应最激烈的地带，自燃危险最为严重的地带，而该地带恰好被漏风流中所含的O2优先占据，并排挤N2，所以注入的多数N2没有起到惰化作用，仅部分起惰化作用，显而易见，氮气惰化灭火效果较差。但是，在注入液态二氧化碳的条件下，封闭火区内立体空间三带与上述情况完全不同，被气化的二氧化碳以质量大的优势优先占据底部，并完全覆盖底部易自燃的浮煤，起到煤与氧气的隔离作用，进而阻止氧化反应，最终使火灾窒息熄灭。与此同时，液态二氧化碳在气化过程中大量吸热，不仅起到降温作用，而且还能起到阻止氧化反应的作用，这就是液态二氧化碳所特有的防火、降温性能。显然，二氧化碳的灭火性能优于氮气，对此无可非议。
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