2)液態(tài)CO2防滅火的機(jī)理及效果分析 CO2的物理性質(zhì) 1.CO2 常溫、常壓下是無(wú)色略帶酸味的窒息氣體。CO2 不可燃,正常情況下 也不助燃。 2.CO2 在大氣中的體積分?jǐn)?shù)僅為 0.037%。它在不同的壓力、溫度條件下有 三種形態(tài),即在低溫加壓下(-20、2MPa)或高壓常溫(約8MPa、30)下氣 體可變?yōu)橐簯B(tài),液體氣化過(guò)程中,當(dāng)溫度降到-78.5后將形成雪花狀的固態(tài)干 冰(固體碳酸)。 3.CO2 熔點(diǎn)為-56.6(0.52MPa),臨界溫度為31.3汽油報(bào)警器,臨界壓力7.28 MPa, CO2 具有升華特性,升華點(diǎn)為-78.5(0.1 MPa)。 4.CO2 相對(duì)空氣密度為1.529,密度為1.976kg/m (0、0.1MPa),液態(tài)CO2 的密度隨溫度的變化而變化較大,-20時(shí),其密度是1.01kg/L,在溫度為15、 0.1 MPa 下,1t 液態(tài)CO2 體積膨脹約640 液態(tài)CO2防滅火機(jī)理分析 1.窒息氧作用 煤的自然發(fā)火是煤與氧的氧化反應(yīng)過(guò)程,氧氣是氧化反應(yīng)的必要條件,沒(méi)有 氧氣,氧化反應(yīng)就無(wú)法進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)果證明,氧濃度低于 8%時(shí)失燃,低于 3%時(shí),氧化反應(yīng)徹底被中止可燃?xì)怏w檢測(cè)儀,燃燒現(xiàn)象不能持續(xù)進(jìn)行。
向發(fā)火或具有高溫火點(diǎn)的采空區(qū)內(nèi)注入液態(tài) CO2 立即會(huì)形成大量的高濃度 CO2,會(huì)使采空區(qū)內(nèi)原有O2 濃度相對(duì)減小,并且由于CO2 比空氣密度大,重于空氣, 以及煤體對(duì)CO2 具有較強(qiáng)吸附作用(吸附量為48L/kg,而煤對(duì)氮?dú)獾奈搅繛? L/kg,前者是后者的6 倍)等特點(diǎn) ,很容易替代O2 而覆蓋煤體燃燒點(diǎn)表面,減 少煤體燃燒體表面 O2 濃度,使 O2 濃度低于自然發(fā)火的臨界 O2 濃度,從而防止煤 的氧化自燃,或使已形成的火災(zāi)因缺 O2 而窒息滅火。與此同時(shí),大量的高濃度 CO2 的擴(kuò)散會(huì)必然會(huì)提高采空區(qū)內(nèi)氣體靜壓,進(jìn)而會(huì)降低采空區(qū)的漏風(fēng)量,造成 氧化自燃帶供氧不足,進(jìn)而阻止氧化反應(yīng)的進(jìn)程。 2.冷卻降溫作用 煤的燃燒過(guò)程實(shí)際就是煤的氧化過(guò)程,其氧化速度與供氧有關(guān)系,也與溫度 有關(guān)系。煤炭自燃往往經(jīng)歷三個(gè)階段:升溫氧化階段(110-130),加速升溫階段 (140-190),急速升溫階段(200以上)。如直接噴注液態(tài)CO2 時(shí),可使火源明 顯降溫,加速熄滅火源。液態(tài)CO2 噴入火區(qū)空間會(huì)瞬間氣化,體積將膨脹640 左右,需要吸收大量熱,溫度急劇下降到-78.5。1KG液態(tài)CO2 蒸發(fā)氣化需要吸 焦耳/KG的熱量。
加之煤對(duì) CO2 極易吸附特點(diǎn),在吸附過(guò)程中將 吸附熱轉(zhuǎn)移給 CO2 氣體,從而會(huì)遏止燃燒的鏈鎖反應(yīng)。同時(shí)擴(kuò)散采空區(qū)內(nèi)的 CO2 氣體也會(huì)吸收氧化反應(yīng)過(guò)程中所產(chǎn)生的熱量,降低周圍介質(zhì)的溫度,以減緩煤的 升溫速度,促使煤的氧化反應(yīng)由于聚熱條件的破壞而延緩或終止。 惰化抑爆作用氣化后的CO2 在沖淡可燃?xì)馀c氧的含量過(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。CO2 的惰化作用優(yōu)于其他惰性氣體。在以 氮?dú)庾⑷氲幕饏^(qū)阻爆臨界氧濃度為12%,火區(qū)內(nèi)明火被熄滅的臨界氧濃度為9.5%; 而以 CO2 注入的火區(qū)阻爆臨界氧濃度為 14.6%,火區(qū)內(nèi)明火被熄滅的臨界氧濃度 11.5%。經(jīng)兩者比較,CO2惰氣的阻燃、阻爆性能明顯優(yōu)于氮?dú)?,兩者相?研制液態(tài)CO2防滅火工藝系統(tǒng)裝備的實(shí)際意義 通過(guò)表1 對(duì)國(guó)內(nèi)外常規(guī)防滅火技術(shù)和材料的優(yōu)缺點(diǎn)比較,以及結(jié)合國(guó)內(nèi)個(gè)別 煤礦試驗(yàn)將液態(tài) CO2 用于煤礦礦井防滅火的應(yīng)用實(shí)踐,如兗州南屯礦 2003 年11 月曾利用在地面將液態(tài) CO2 氣化成氣態(tài) CO2 通過(guò)管路輸入井下火區(qū)實(shí)施滅火,取 得明顯滅火效果;鶴崗礦區(qū)在去年曾經(jīng)試驗(yàn)過(guò)將液態(tài)CO2 直接從地面利用通往井 下火區(qū)管道向火區(qū)灌注智慧二氧化碳,也取得滅火明顯效果。
我們總結(jié)分析,相比其它常規(guī)防 滅火技術(shù),液態(tài)CO2 防滅火技術(shù)存在以下優(yōu)點(diǎn): (1)液態(tài) CO2 灌注入火區(qū)空間會(huì)瞬間體積膨脹氣化,并吸收大量熱,使得 火區(qū)溫度和氧氣濃度降低加快,降溫效果明顯。 (2)適用范圍廣智慧二氧化碳,液態(tài) CO2 經(jīng)過(guò)吸收熱量氣化后,可充擴(kuò)散充滿任何形狀 的燃燒空間,因而便于對(duì)礦井采空區(qū)深部、高冒窩等人們不便接近的地點(diǎn)進(jìn)行滅 (3)液態(tài)CO2 灌注火區(qū)后,能有效降低煤氧復(fù)合速度,迅速抑制燃燒,更 有利于防止瓦斯、煤塵爆炸。 (4)負(fù)面損失少,不會(huì)損壞設(shè)備和井巷設(shè)施,因而滅火后恢復(fù)工作量少且 容易。 (5)輸送便利。 (6)滅火用材成本低于其他滅火成本。 通過(guò)對(duì)液態(tài) CO2 防滅火作用和機(jī)理研究,以及國(guó)內(nèi)外防滅火技術(shù)比較分析, 我們認(rèn)為利用液態(tài)CO2 防滅火技術(shù)思路是沒(méi)問(wèn)題的,正好充分體現(xiàn)通過(guò)控制煤礦 礦井火災(zāi)三要素(可燃物的存在、熱源、具有一定濃度氧的空氣供給)之一的防 滅火理念智慧二氧化碳,而且利用其防滅火與其他防滅火技術(shù)方法比較具有速度快,操作簡(jiǎn)單, 成本低,防滅火效果顯著可靠等特點(diǎn),是一項(xiàng)先進(jìn)的防滅火技術(shù),甚至可能將不 失為當(dāng)前煤礦井下防滅火最佳技術(shù)措施。但是要想將這項(xiàng)技術(shù)措施推開,必須解 決高壓低溫下防止管道爆裂及保障CO2 以液態(tài)形式注入火區(qū)等工藝安全問(wèn)題,研 究開發(fā)出適宜于液態(tài) CO2 特性及煤礦井下特點(diǎn)的液態(tài) CO2 防滅火工藝系統(tǒng)裝備, 并制訂和落實(shí)相關(guān)安全保障措施。
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