阅读说明：本技术 一种煤矿液体二氧化碳直注系统及工艺 (Coal mine liquid carbon dioxide direct injection system and process ) 是由 韩晓琢 闫志贤 韩汉生 *** 闫曌 郭潞君 于 2019-11-01 设计创作，主要内容包括：本发明还公开了一种煤矿液体二氧化碳直注系统及工艺,将液态二氧化碳液态输送到减压阀组将二氧化碳的压强减至1.6～1.8MPa后输送至稳压阀组,使二氧化碳以压力0.8～1.0MPa、温度-20～-40℃的状态进入到惰化区,在惰化区经节流后形成含有干冰的低温气流进行惰化冷却。本发明利用二氧化碳输送管路导热性能和与输送环境的温差将部分液体汽化,通过控制注入量和注入压力调节二氧化碳惰化区温度和气液比例,使进入惰化区的二氧化碳通过节流后在惰化区内形成含少量干冰的低温气流,低温气流再与惰化区内气体对流换热,使得惰化区空间在充分惰化的同时得到快速冷却。(The invention also discloses a direct injection system and a direct injection process for the liquid carbon dioxide in the coal mine, which are characterized in that the liquid carbon dioxide is conveyed to a pressure reducing valve bank to reduce the pressure of the carbon dioxide to 1.6-1.8 MPa and then conveyed to a pressure stabilizing valve bank, so that the carbon dioxide enters an inerting area under the conditions of the pressure of 0.8-1.0 MPa and the temperature of-20 to-40 ℃, and forms low-temperature air flow containing dry ice for inerting and cooling after throttling in the inerting area. The invention uses the heat-conducting property of the carbon dioxide conveying pipeline and the temperature difference with the conveying environment to vaporize partial liquid, adjusts the temperature and the gas-liquid ratio of the carbon dioxide inerting area by controlling the injection amount and the injection pressure, so that the carbon dioxide entering the inerting area forms low-temperature airflow containing a small amount of dry ice in the inerting area after throttling, and the low-temperature airflow carries out convective heat exchange with the gas in the inerting area, thereby leading the space of the inerting area to be rapidly cooled while being fully inerted.)

一种煤矿液体二氧化碳直注系统及工艺

技术领域

本发明属于矿井安全技术领域，涉及一种煤矿防、灭火系统，特别是涉及一种煤矿液体二氧化碳直注系统及工艺。

背景技术

目前，我国应用于煤矿液体二氧化碳矿井惰化的方法有汽化法、闭前直注法两种，受注入工艺和注入条件限制，两种方法都存在有较大的应用缺陷。

汽化法；即将来自于二氧化碳槽车的液体二氧化碳通过空浴式汽化器、水浴式汽化器进行气化，此气化过程需要在热力或电力辅助下进行，水浴式汽化器汽化1吨液体二氧化碳需耗电约100～120KW/h，汽化后的二氧化碳在30～40℃的条件下入井，气体经输入管道的冷却，约在20～30℃条件下入闭。此方法的优点是二氧化碳注入操作全部在地面进行，操作环境适宜，液体二氧化碳经全部气化后低压入井，输送过程故障率低，整体惰化过程安全可靠。但受注入工艺方法限制存在较多的不足；一是气化设备体积大，不便于气化装备的快速调运和汽化现场选择，二是必须有大功率电源辅助，汽化过程耗电高，增加了二氧化碳注入成本和操作难度。三是二氧化碳汽化过程控制参数范围窄操作难度大，四是二氧化碳入闭温度高，不利于闭内煤体的冷却和高温热点氧化速度的控制。

闭前直注法；即将来自于二氧化碳槽车的液体二氧化碳先分装至175～200L杜瓦罐或1～2m³固定于矿车上的专用液体二氧化碳储罐内，用矿车将其运至闭前，而后通过杜瓦罐或专用液体二氧化碳储罐的液相出口将其直接注入闭内。此方法的优点是注入过程设备简单、操作容易，液体二氧化碳闭前直接注入入闭温度低有利于密闭空间的冷却和高温热点氧化速度的控制。但受操作空间和入闭方式限制也存在较多的不足；一是压力容器在受限空间周转，运行过程不可预见因素多，设备安全难于保证，不便于注入操作长时间运行。二是受杜瓦罐或专用液体二氧化碳储罐数量和容积的限制，整体注入过程周转速度慢，难以实现液体二氧化碳连续大批量注入。三是液体二氧化碳直接注入易在泄放口附近形成干冰沉积，降低密闭区内系统惰化速度。四是在狭小受限空间内进行注入操作，二氧化碳泄漏不易扩散，操作过程危险因素多，环境安全风险大。

发明内容

为了解决现有煤矿液体二氧化碳矿井惰化法中汽化法和闭前直注法中存在的问题，本发明公开了一种煤矿液体二氧化碳直注系统及工艺，利用二氧化碳输送管路导热性能和与输送环境的温差将部分液体汽化，通过控制注入量和注入压力调节二氧化碳入闭温度和气液比例，使进入惰化区的二氧化碳通过闭前阀或闭内阀节流后在密闭内形成含少量干冰的低温气流，低温气流再与密闭内气体对流换热，使得惰化区在充分惰化的同时得到快速冷却。

本发明的技术方案是这样实现的：

一方面，本发明公开了一种煤矿液体二氧化碳直注系统，与液态二氧化碳源连通的注入阀组、减压阀组、用于向惰化区输送低温二氧化的稳压阀组、及输送管路；所述注入阀组包括流量控制阀和设置在流量控制阀之后的排空阀，所述减压阀组包括减压阀、设置在减压阀之前的减压阀前切断阀、设置在减压阀之后的减压阀后切断阀、分别与减压阀前切断阀进口和减压阀后切断阀出口连接的第一并联管路、设置在并联管路上的第一旁路阀和导淋阀，所述减压阀后压力表的示数为1.6～1.8MPa；所述稳压阀组包括稳压阀、设置在稳压阀之前的稳压阀前切断阀、设置在稳压阀之后的稳压阀后切断阀、分别与稳压阀前切断阀进口和稳压阀后切断阀出口连接的第二并联管路、设置在并联管路上的第二旁路阀和导淋阀，所述稳压阀后压力表的值为0.8～1.0MPa、稳压阀后温度表的示数为-20～-40℃。煤矿灭火所用的液态二氧化碳源通常是以二氧化碳槽车的形式存在，当然本发明也能适合于二氧化碳槽车以外的其它液态二氧化碳源形式。所述惰化区可以是封闭式的，也可以是非封闭区的。

一般注入阀组设置在矿井之上，减压阀组和稳压阀组位于矿井之下，且所述稳压阀组靠近惰化区。

作为一种优选实施方式，所述注入阀组还包括至少一个二氧化碳注入切换阀、二氧化碳流量表、设置在流量控制阀之前的流量控制阀前压力表和流量控制阀前温度表、设置在流量控制阀之后的流量控制阀后压力表和流量控制阀后温度表、设置在排空阀之前的安全阀；最好设置 2个可同时工作的安全阀，二氧化碳流量表、流量控制阀前/后温度、及流量控制阀前/后压力表的设置可以方便注入过程控制；二氧化碳注入切换阀用来进行二氧化碳槽车更替切换，流量控制阀用来调整控制系统注入速度，排空阀和安全阀用来保证限制系统运行压力、保障注入安全，安全阀设定启跳压力2 MPa（表）。

减压阀组的设置可以消除二氧化碳输送过程位差产生的静压，作为一种优选实施方式，所述减压阀组还包括设置在减压阀前切断阀之前的减压阀前温度表和设置在减压阀后切断阀之后的减压阀后温度表，在所述第一并联管路上依次设置有减压阀前压力表、第一导淋阀、第一旁路阀、第二导淋阀和减压阀后压力表；减压阀前/后温度表、减压阀前/后压力表的设置能够便于观察和调节。

稳压阀组既可减少车辆更换过程中系统反复充压，又可有效的避免二氧化碳在注入过程中在管路内形成干冰堵塞管路；作为一种优选实施方式，所述稳压阀组还包括设置在稳压阀前切断阀之前的稳压阀前温度表和设置在稳压阀后切断阀之后的稳压阀后温度表，在所述第二并联管路上依次设置有稳压阀前压力表、第三导淋阀、第二旁路阀、第四导淋阀和稳压阀后压力表；稳压阀前/后温度表、稳压阀前/后压力表的设置便于观察和调节气体入闭参数。

当惰化区是封闭式惰化区时，作为一种优选实施方式，惰化区是由闭墙和矿井围成的封闭区，在所述惰化区内设有与稳压阀组出口连通的泄放管线，所述泄放管线自闭墙外延伸至闭墙内，并在闭墙内的泄放管线上设有闭内阀，为防止闭内管道和泄放管道形成干冰，所述闭内阀为阀前式压开自力式调节阀或单向阀；二氧化碳入闭可以采用双回路运行，在所述泄放管线上增设支路管线，所述支路管线自闭墙外延伸至闭墙内，并在所述支路管线上设有闭前阀，所述闭前阀位于闭墙外，所述闭前阀分别为阀前式压开自力式调节阀或单向阀。进一步地，闭前阀和闭内阀后泄放管路不得设置弯头、变径等有碍于气体流动的管件，阀后泄放管路长度小于10倍管路直径。为优化密闭区二氧化碳气流分布，保证泄放过程形成的干冰能快速升华，泄放管线距底板大于0.8m，二氧化碳入闭采用双回路运行，双系统入闭既可对密闭区的二氧化碳气流分布进行二次调整，同时也在最大的限度内提高了系统运行的可靠性。

作为一种优选实施方式，所述减压阀和稳压阀均选自自力式调节阀、气动调节阀、电动调节阀中的一种，如果选用自力式调节阀，则所述减压阀优选阀后式压关自力式调节阀，稳压阀优选阀前式压开自力式调节阀。

另一方面，本发明还公开了一种煤矿液体二氧化碳直注工艺，将液态二氧化碳液态输送到减压阀组将二氧化碳的压强减至1.6～1.8MPa后输送至稳压阀组，使二氧化碳以压力0.8～1.0MPa、温度-20～-40℃的状态进入到惰化区，在惰化区经闭内阀节流后形成含有干冰的低温气流进行惰化冷却。

本发明的有益效果为：

（1）本发明注入过程所需设备简单、操作弹性大，注入装备主要是阀组件，注入系统还可通过改善输送管路的条件进行注入量的大范围调整；注入电耗低、不需配备大功率电源和热源辅助，惰化方案更易于实施，二氧化碳注入与传统方法相比可节省电力100～120KW/吨；克服了传统汽化法矿井惰化的设备复杂、电耗高、操作难度大以及二氧化碳入闭温度高等缺点；

（2）二氧化碳入闭温度低，可在密闭内形成温度约-56.6℃的低温气流，可使矿井在惰化的同时得到充分冷却，达到矿井火灾及隐患快速消除的目的；在避免了注入口附近干冰沉积的前提下，使其在充分惰化的同时得到快速冷却；惰化操作不需要液体二氧化碳分装倒运，注入操作全部集中在地面进行，使得整体二氧化碳注入过程更可靠、更安全；

（3）在矿井惰化过程不需汽化器汽化，也不需利用其它容器、储罐将液体二氧化碳运入井底，可在无电力、热源辅助的条件下实现液体二氧化碳井口直接注入。与传统方法相比该技术操作过程全部在地面进行，安全风险小、易于控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中煤矿液体二氧化碳直注系统的注入流程图。

图2为图1中注入阀组的流程示意图。

图3为图1中减压阀组的流程示意图。

图4为图1中稳压阀组的流程示意图。

图5为惰化区的结构示意图。

图中：1、二氧化碳槽车；2、注入阀组；3、减压阀组；4、稳压阀组；5、输送管路；6闭前阀；7、闭墙；8、巷道封闭区；9、闭内阀；11、第一二氧化碳注入切换阀；12、二氧化碳流量表；13、流量控制阀前压力表； 14、流量控制阀前温度表；15、流量控制阀；16、流量控制阀后压力表；17、流量控制阀后温度表；18、第一安全阀；19、第二安全阀；110、第二二氧化碳注入切换阀；111、排空阀；21、减压阀前温度表；22、减压阀前切断阀；23、减压阀；24、减压阀后切断阀；25、减压阀后温度表；26、减压阀前压力表；27、第一旁路阀；28、减压阀后压力表；29、第一导淋阀；210、第二导淋阀；31、稳压阀前温度表；32、稳压阀前切断阀；33、稳压阀；34、稳压阀后切断阀；35、稳压阀后温度表；36、稳压阀前压力表；37、第二旁路阀；38、稳压阀后压力表；39、第三导淋阀；40、第四导淋阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1~5所示的煤矿液体二氧化碳直注系统，与二氧化碳槽车1气相口连通的注入阀组2、减压阀组3、用于向惰化区输送低温二氧化的稳压阀组4、及输送管路5；所述注入阀组2包括第一二氧化碳注入切换阀11、第二二氧化碳注入切换阀110、沿二氧化碳输送方向依次设置的流量控制阀前压力表13、流量控制阀前温度表14、流量控制阀15、流量控制阀后压力表16、流量控制阀后温度表17、第一安全阀18、第二安全阀19和排空阀111，第一安全阀18和第二安全阀19同时连接在输送管路5上且可同时工作；二氧化碳流量表12、流量控制阀前/后温度14和17、及流量控制阀前/后压力表13和16的设置可以方便注入过程控制；二氧化碳注入切换阀11和110用来进行二氧化碳槽车1更替切换，流量控制阀15用来调整控制系统注入速度，排空阀111和安全阀18和19用来保证限制系统运行压力、保障注入安全，安全阀设定启跳压力2 MPa（表）。减压阀组的设置可以消除二氧化碳输送过程位差产生的静压，所述减压阀组包括减压阀23、设置在减压阀23之前的减压阀前切断阀22、设置在减压阀前切断阀22之前的减压阀前温度表21、依次设置在减压阀23之后的减压阀后切断阀24和减压阀后温度表25、分别与减压阀前切断阀22进口和减压阀后切断阀24出口连接的第一并联管路、在所述第一并联管路上依次设置有减压阀前压力表26、第一导淋阀29、第一旁路阀27、第二导淋阀210和减压阀后压力表28，所述减压阀后压力表28的示数为1.6～1.8MPa；减压阀前/后温度表21和25、减压阀前/后压力表26和28的设置能够便于观察和调节。

稳压阀组既可减少车辆更换过程中系统反复充压，又可有效的避免二氧化碳在注入过程中在管路内形成干冰堵塞管路；所述稳压阀组包括稳压阀33、设置在稳压阀33之前的稳压阀前切断阀32、稳压阀前切断阀32之前的稳压阀前温度表31、依次设置在稳压阀33之后的稳压阀后切断阀34和稳压阀后温度表35、分别与稳压阀前切断阀32进口和稳压阀后切断阀34出口连接的第二并联管路、在所述第二并联管路上依次设置有稳压阀前压力表36、第三导淋阀39、第二旁路阀37、第四导淋阀40和稳压阀后压力表38，所述稳压阀后压力表38的值为0.8～1.0MPa、稳压阀后温度表35的示数为-20～-40℃；稳压阀前/后温度表31和35、稳压阀前/后压力表36和38的设置便于观察和调节气体入闭参数。惰化区是由闭墙7和矿井围成的巷道封闭区8，在所述惰化区内设有与稳压阀组4出口连通的泄放管线，所述泄放管线自闭墙7外延伸至闭墙7内，并在闭墙7内的泄放管线上设有闭内阀9，为防止闭内管道和泄放管道形成干冰，所述闭内阀9为阀前式开自力式调节阀；二氧化碳入闭采用双回路运行，在所述泄放管线上增设支路管线，所述支路管线自闭墙7外延伸至闭墙7内，并在所述支路管线上设有闭前阀6，所述闭前阀6位于闭墙7外，所述闭前阀6为单向阀。进一步地，闭前阀6和闭内阀9后泄放管路不得设置弯头、变径等有碍于气体流动的管件，阀后泄放管路长度小于10倍管路直径。为优化密闭区二氧化碳气流分布，保证泄放过程形成的干冰能快速升华，泄放管线距底板大于0.8m，二氧化碳入闭采用双回路运行，双系统入闭既可对密闭区的二氧化碳气流分布进行二次调整，同时也在最大的限度内提高了系统运行的可靠性。

其中，注入阀组设置在矿井之上，减压阀组和稳压阀组位于矿井之下，且所述稳压阀组靠近惰化区。

进一步地，所述减压阀和稳压阀均为阀后式压关自力式调节阀。

上述煤矿液体二氧化碳直注系统的技术参数及要求

（1）惰化指标：惰化区氧含量≦5%

（2）注入速度：注入初期： 1000～2000NM³/H (2～4T/H)

氧含量≦5%后： 根据氧及一氧化碳含量变化情况确定

（3）注入温度（二氧化碳入壁）：≦-20～-50℃

（4）注入压力（最高）：≦4MPa

（5）注入工艺：液体二氧化碳直注

（6）液态二氧化碳质量标准：符合GB/T6052-2011标准要求

煤矿液体二氧化碳直注工艺为，将二氧化碳槽车1布置在矿井之上较空旷平坦的区域，通过注入阀组2将液态二氧化碳液态输送到矿井下的减压阀组3，并将二氧化碳的压强减至1.6～1.8MPa后输送至闭墙前的稳压阀组4，使二氧化碳以压力0.8～1.0MPa、温度-20～-40℃的状态进入到惰化区，在惰化区经闭内阀节流后形成含有干冰的低温气流进行惰化冷却。

液态二氧化碳注入操作，具体为：

（1）准备工作

①对二氧化碳注入现场进行平整，清除周边杂物，确保约17米长二氧化碳运输车辆出入便利安全；

②按方案要求进行注入车辆布置及现场管道临时管道、管件连接，设置好闭内限流阀阀位，并确认连接方式安全可靠；

③按要求接好注入现场照明及车辆装卸动力电源并确认安全好用；

④注入现场配备380V、10KW电源及照明；

准备好注入过程所需的工器具和劳保护品；

（2）气密试验

①关闭注入系统全部阀门，闭内阀设定压力0.8～1.0MPa；

打开系统减压阀组减压阀前后切断阀、稳压阀组保压阀前切断阀；

③将二氧化碳槽车气相口与二氧化碳注入阀组对接，打开槽车气相阀、二氧化碳注入阀组切换阀将系统充压至1MPa，停压5分钟进行系统检查；

④确认系统无漏点后，继续充压至系统与车辆压力平衡，关闭二氧化碳注入阀组切换阀，停压30分钟对系统管路、管件进行检查；

检查确认系统无外漏点后气密试验结束，关闭二氧化碳槽车气相阀，关闭二氧化碳注入阀组切换阀，通过二氧化碳槽车气相泄压阀将系统泄压至常压；

（3）惰化操作

①将二氧化碳槽车液相接口与二氧化碳注入阀组切换阀连接，打开二氧化碳注入阀组切换阀，通过槽车液相泄压阀排净软管内空气，将系统充与车辆均压至平衡；

②打开稳压阀组保压阀后切断阀，慢慢打开闭前阀进行系统冷却，注意稳压阀组压力表、温度表变化和二氧化碳输送管路运行情况；

③调整设定减压阀门组压力1.6～1.8MPa，保压阀门组0.8～1.0MPa；

④通过调整闭前阀开度控制管路冷却速度，控制管路降温速度小于5℃/分钟；

待二氧化碳液体输送管道冷却至-20℃（管道结霜），调整入闭流量，控制二氧化碳入闭温度-20～-50 ℃之间，维持系统稳定运行；

（4）运行维护

①为保证矿井惰化工作连续不间断进行，操作人员应及时以运输车辆联系，确证注液车辆液体充足；

②注液二氧化碳槽车进入低液位后，可通过其他二氧化碳槽车向注入车辆补液，如不不具备补液条件，则采用空重车交替更换，交替更换应采用先重车供液后空车退出的方式进行；

③每小时对惰化系统运行流量、压力、温度、检查一次，并做好记录；

④每小时二氧化碳输送管路检查一次，做好记录；

检查发现输液管线泄露、破裂等异常现象立即关闭二氧化碳槽车辆液相阀、注入阀组切换阀，停止向系统中送液；

⑥打开二氧化碳槽车液相泄压阀将系统压力卸至常压，将待系统处理合格后重新投入运行；

（5）系统停运

①关闭二氧化碳槽车液相阀，关闭注入阀组切换阀，停止向系统注液体二氧化碳；

②打开二氧化碳槽车液相泄压阀将连接管泄压，拆除槽车液相连接口；

③长期停运，将槽车气相口连接至系统入口，打开二氧化碳槽车气相口阀门、打开注入阀组切换阀，利用气压将管道中液体送入密闭区；

④待二氧化碳槽车与系统压力平衡后，关闭槽车气相阀，打开稳压阀组旁路阀，将系统中余气送入密闭，关闭闭前切断阀阀，封闭入闭口；

打开槽车气相泄压阀，待管道中余气泄压完毕后关闭注入阀组切换阀，拆除槽车与系统连接管；

（6）事故处理

系统停电

①打开车辆应急电源，保持现场照明正常；

②停电后二氧化碳注入车辆将无法进行补液操作，此时二氧化碳注入利用注入阀组切换阀进行空、重车辆交替更换运行；

输送管路爆裂

①根据输送管路爆裂位置选择关闭减压阀组或注入车辆液相阀，停止向系统供液；

②打开稳压阀组旁路阀，将管路内二氧化碳液体、气体全部送入密闭区；

③如不能及时打开稳压阀组旁路阀，直接打开注入车辆液（气）相泄压阀，将系统余气卸净；

④关闭闭前切断阀、稳压阀组旁路阀，关闭注入阀组切换阀，撤离人员到安全区域。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。