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1、 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
2、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
3、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3
4、1.1，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
5、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
6、。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9598%。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 / m
7、3,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。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
8、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100150万元。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（=506 m3t），一立方米气体所需直接成本为1元左右。1.2.3 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.
9、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
10、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
11、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9599%，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
12、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。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
13、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
14、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577.8103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
15、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
16、，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
17、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
18、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12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
19、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-56.631.1 、压力0.4177.09MPa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
20、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 ，1.52.2MPa。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。
21、增压装置的设计压力为1.32.2 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
22、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，在气化器内设图1 二氧化碳相图置加热器，其目的是
23、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3570 。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03000m3h范围内可调，根据用户的需求量来调节之。以最高产气量3000m3h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
24、到6th，方能满足产气量3000m3h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1.32.2MPa，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
25、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
26、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
27、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，
28、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
29、装备的生产工艺系统。F1F12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MKD-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
30、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。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
31、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。1234556778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 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 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
32、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12 3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
33、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1.32.2 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
34、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
35、、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 4角钢 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
36、系统或蒸汽加热系统等组成（见图7），该转换器为级气化。其主要功能为：壳程内的水或导热油通过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。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
37、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，促使由级气化器进入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 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
38、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）。119876543111102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。
39、其功能与作用是：通过减压阀的调节，对出自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0.81.5 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。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
40、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
41、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
42、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5 产品技术参数5.1地面固定式液态二氧化碳装备系统技术参数地面固定式液态二氧化碳装备系统技术参数见表1表1 新产品技术参数表序号参数液态气态1工作介质液态二氧化碳气态二氧化碳2纯度99.9%99.9%3
43、设计压力2.31 MPa1.68 MPa4工作压力1.32.2 MPa0.81.5 MPa5额定流量6th3000Nm3h6用电量1728kwhd7用水量3td8容积25m39净重21000kg5.1.1贮液罐结构特点（1）贮液罐具有坚固的碳钢外壳，其耐压性能高。（2）贮液罐制作成内外双层罐，其保温性能好。（3）旁路泵送增压系统始终保证贮液罐内压力保持在1.32.2 MPa范围内，可靠地防止贮液罐内液态二氧化碳固化成为干冰。与此同时，给予增压系统足够的压力，使气化器正常工作。（4）由贮液罐通过液相管路系统持续不断地向气化器输出液态二氧化碳；液面上部的二氧化碳带压气体将通过气相管路系统连续不断地
44、给予气化器增加压力，以防贮液罐和气化器内液态二氧化碳固化成为干冰。5.1.2转换器技术参数自热式气液转换器和强热式气液转换器的技术性能分别见表2和表3。表2 自热式气液转换器主要技术性能参数型 号气化能力（Nm3/h）液态二氧化碳消耗量(t/h)最大工作 压力 (Mpa)设计最大工作压力(Mpa)试验压力(Mpa)极限压力(Mpa)YQH-3000300062.52.62.873.0表3 强热式气液转换器的技术性能指标型号SQH-1000额定气化量1000N m3/h管程最大工作压力2.5 MPa壳程工作介质热水或导热油壳程工作压力常压壳程工作工作温度65设备重量1580Kg外形尺寸13602
45、1201600mm7.1.3气体调压装置的技术参数气体调压装置的技术参数见表4。表4 气体调压装置的技术参数型号ZTY-80Z 工作介质CO2进口最大压力2.2MPa出口压力0.81.5 MPa设备重量150 Kg外形尺寸1750800550mm5.2直注式液态二氧化碳防灭火装备系统技术参数井下移动式储液罐和自热式气化器技术参数分别见表5和表6.表5 新产品技术参数表序号参数液态1工作介质液态二氧化碳2纯度99.9%3设计压力2.5 MPa4工作压力1.12.4 MPa5额定产气量5000Nm35罐6容积1.8m37单罐净重2.8t6.1防火案例山西潞安温庄煤业有限责任公司150201工作面采用倾斜长壁放顶煤采煤方法开采，该工作面于4月18日出现发火征兆，回风口CO传感器报警，报警浓度为73.75 ppm。19日9时50分，地面1#和2#瓦斯抽放管路CO浓度分别为1000 ppm和1300 ppm，该瓦斯抽放管路对150201工作面采空区进行瓦斯抽放。图8 压力试验和气密性试验报告针对上述火情，矿方决定采用辽阳正阳机械设备制造有限公司产品MKDLZ3000型矿用液态二氧化碳气化防灭火装备系统进行防火。矿方利用该装备系统，从4月20日18时40分开始向150201综放面采空区注入二氧化碳惰气，先后注入6次，每次注入液体二氧化碳20吨，共注入120吨。1吨
