液氮降溫系統(tǒng)在煤礦的運用

張紅霄

液氮降溫系統(tǒng)在煤礦的運用

張紅霄

（上海眾一石化工程有限公司寧夏分公司，寧夏銀川 750001）

近年來在煤礦礦井采掘深度不斷加深的影響下，出現(xiàn)的礦井熱害問題逐漸稱成為相關(guān)人員思考的重點問題。當前階段，較為常用的下行通風(fēng)降溫形式一般只可以控制工作面溫度為31℃，然而這并不能從實質(zhì)上解決高溫熱害的問題。因為液氮降溫系統(tǒng)是現(xiàn)階段應(yīng)用較為普遍的一種全新技術(shù)，同時也具備降溫以及防滅火的功效，為此，在相關(guān)領(lǐng)域得到廣泛的推廣。

液氮降溫系統(tǒng)；煤礦；應(yīng)用

1　礦內(nèi)熱源闡述

礦內(nèi)熱源種類與數(shù)量均較多，一些熱源散發(fā)熱量的多少在于流經(jīng)該熱源風(fēng)流溫度、水蒸氣分壓力兩方面。例如巖體放熱與水、風(fēng)流之間熱濕交換便是如此，通常情況下，這是相對熱源或是自然熱源。另外一類熱源散發(fā)熱量的多少與風(fēng)流溫、濕度并沒有決定性的關(guān)系，只是與其在生產(chǎn)過程中發(fā)揮的作用有關(guān)，例如機電設(shè)備放熱，為此，也可被稱作絕對熱源或是人為熱源。

傳統(tǒng)的礦井降溫系統(tǒng)由制冷劑（refrigerant）、載冷劑（Loading Cooler）（冷水）和冷卻水（Cooling water）三個獨立的循環(huán)系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)的主要缺點有：系統(tǒng)復(fù)雜、設(shè)備分散、不便管理。

2　液氮降溫基本原理與優(yōu)勢

在液氮溫度為-196℃時，其主要呈現(xiàn)為無色無味的液體，微溶于水，且性質(zhì)較為穩(wěn)定，液體本身無腐蝕性，液氮密度為（水=1g/cm3）0.81g/cm3（-196℃），對于液氮而言，其基本的成分主要是分解產(chǎn)物的氮氣。通常情況下，被氮氣化的問題為0℃，其自身的體積在這種狀態(tài)下會膨脹為原來的643倍。

2.1降溫及防滅火系統(tǒng)合二為一

工作面降溫及采空區(qū)防滅火系統(tǒng)來自儲罐的液氮經(jīng)過低溫保冷管道輸送到減壓閥，經(jīng)減壓閥后進入液氮氣化換熱裝置，在汽化換熱裝置中液氮汽化放出大量的冷量與新空氣進行換熱，經(jīng)換熱后的氣氮一部分到采空區(qū)用于防滅火，另一部分送到回風(fēng)巷放散。

新鮮空氣來自地面，選用局散風(fēng)機作為新風(fēng)的輸送機械，新空氣在換熱裝置中與液氮進行換熱，使新風(fēng)溫度降到適宜溫度（由于冷空氣在傳輸過程中，礦井內(nèi)巖層放熱會使冷空氣損失大量的冷量。因此，實際控制新風(fēng)的冷卻溫度要考慮傳輸過程中的冷損失），經(jīng)過保冷管輸送到工作面，實現(xiàn)改善礦井工作面高溫環(huán)境的目的。

2.2系統(tǒng)流程

如前所述，綜合分析各種制冷流程的優(yōu)缺點，根據(jù)煤礦現(xiàn)有裝置局限性的實際條件，實際操作時選定井下局部集中制冷流程，采用局散風(fēng)機強制送風(fēng)。

液氮管線設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥，利用換熱器出口氣氮溫度來控制液氮進料流量，將此溫度恒定為定值，既保證氣氮碳鋼管道的安全運行，也實現(xiàn)液氮進料量的控制。

具體流程如圖1所示。

圖1　流程圖

3　系統(tǒng)存在的不足與分析

3.1管道保溫

地面液氮在管道的作用下，可以將液體輸送到煤礦井之中，由于液氮自身性質(zhì)的作用，需要對管道進行保溫處理，但是，在液氮管道運行的過程中，主要是利用了地面進行鉆進管道的處理，鉆井套管，對管道保溫工程進行綜合考慮。

3.2熱脹冷縮問題分析

對于氮而言，在-196℃的環(huán)境下，當溫度超過了-196℃時，液氮將呈現(xiàn)出汽化的狀態(tài)，因此，在這種狀態(tài)下就會發(fā)生熱脹冷縮的現(xiàn)象，其系統(tǒng)中的液氮管道中就會發(fā)生熱脹以及冷縮的問題。

3.3地下水的影響問題

在鉆孔套管套管直線距離設(shè)計的過程中，其直線距離應(yīng)該接近470m，從而導(dǎo)致大量地下水沿外壁累積并出現(xiàn)下流的現(xiàn)象，從而使套管中的空氣濕度不斷增大，同時，在此種環(huán)境下，也逐漸加速了氮氣在輸送過程中的氣化量。

3.4影響管道應(yīng)力的問題

在煤礦工程項目設(shè)計及管道應(yīng)力分析的環(huán)境下，液氮在輸送的過程中，經(jīng)常會存在著熱脹冷縮的現(xiàn)象，其中氮氣管道也在某種程度上產(chǎn)生應(yīng)力反應(yīng)，所以，在系統(tǒng)設(shè)計中，通常存在兩處生產(chǎn)管道的應(yīng)力。

4　結(jié)束語

在煤礦礦井的生產(chǎn)中使用液氮降溫系統(tǒng)，不僅可以優(yōu)化工作環(huán)境，提升生產(chǎn)效率，同時也能夠為易自然煤層CO的預(yù)防與治理提供了經(jīng)驗支持，全面提高工作面防滅火技術(shù)，并且具有一定的應(yīng)用前景。但是，在不同區(qū)域工程施工的環(huán)境下，由于煤礦利用液氮系統(tǒng)會降低液氮系統(tǒng)降溫的現(xiàn)象，所以，需要對技術(shù)及經(jīng)濟問題進行綜合性的對比，保證液氮氣源的充足性。通過對應(yīng)用問題的最佳分析，在液氮氣源較為缺乏的地區(qū)，則要結(jié)合實際狀況進行全面的考慮。

［1］ 原芝泉，萬鹿貴.液氮防滅火系統(tǒng)在煤礦中的應(yīng)用［J］.煤炭工程，2013，（3）.

［2］ 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局.國家煤礦安全監(jiān)督局.煤礦安全規(guī)程［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2012.

［3］ DB/OL液氮防滅火工程設(shè)計［S］.

［4］ GB 50125—2005煤炭工業(yè)礦井設(shè)計規(guī)范［S］.

Application of Liquid Nitrogen Cooling System in Coal Mine

Zhang Hong-xiao

in recent years，under the influence of the deepening of the mining depth of coal mine，the problem of heat damage appears gradually called the key issue of the relevant personnel thinking.The current stage，more commonly used in the form of cooling ventilation can only control the working surface temperature of 31 degrees，but this does not solve the problem of high temperature heat damage in essence.Because liquid nitrogen cooling system is a new technology which is widely used in the present stage，it also has the function of cooling and fire prevention.

liquid nitrogen cooling system；coal mine；application

TD727.2

A

1003-6490（2016）06-0184-02

2016-06-06

張紅霄（1982—），男，河北保定人，工程師，主要研究方向為化工設(shè)計。