用于井下防灭火/降温的液态CO2实时制备系统及使用方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于井下防灭火/降温的液态CO2实时制备系统及使用方法，属于煤矿降温与防灭火技术领域。其包括坑口电厂废气净化与分离单元、蒸发器、制冷剂循环系统、风流热交换器、局部通风机、压缩机、气液分离器、坑口电厂废气输出单元及工艺管路，制冷剂循环系统的液态制冷剂出口与蒸发器的制冷剂入口连接，蒸发器的气态制冷剂出口与制冷剂循环系统的制冷剂入口连接，蒸发器的CO2入口通过气态CO2输送管和压缩机的出口连接，压缩机的入口与废气净化与分离单元的出口连接。本发明专利技术能够在井下采空区附近制备液态CO2、支撑基于液态CO2相变吸热原理的长时间持续实施工作面降温与采空区灭火作业。

【技术实现步骤摘要】
用于井下防灭火/降温的液态CO2实时制备系统及使用方法
本专利技术属于煤矿降温与防灭火
，具体涉及一种基于坑口电厂废气的井下可移动液态CO2实时制备系统及使用方法。
技术介绍
煤矿井下采空区中的遗煤极易发生自燃，会引发瓦斯爆炸，造成重大伤亡事故。目前，常规的灭火方法包括注浆、注胶、惰性气体(N2与CO2)灌注等。然而，自燃火源点处于导热系数小、比热容高的多孔煤岩介质中，常规的灭火方法不能将高温煤岩的热量及时带走，导致火源即使在完全窒息后也依然维持较高温度，一旦获得氧气会快速复燃。液态CO2注入到采空区后，能够迅速气化产生大量的CO2气体，将火源点完全窒息；同时液态CO2气化的过程中会吸收大量的热量，将火源点的温度快速降低，使火源彻底熄灭。因此针对采空区自燃火源点，灌注液态CO2是一种很好的方法。目前，煤矿灌注液态CO2的方式包括两种，第一种是在地面将液态CO2气化后输送到井下采空区，第二种是采用小型液态CO2储罐将液态CO2运输到井下之后向采空区直接灌注液态CO2。第一种方法能够起到气态CO2的窒息作用，但是不能发挥液态CO2的吸热降温作用；第二种方法兼有窒息灭火与冷却降温作用，但是难以实施液态CO2的长时间持续灌注作业，并且工序繁琐、存在较大的爆炸安全隐患。因此，需要探索研发一种往井下持续输送液态CO2或者在井下实时制备液态CO2的系统与方法。另外，随着浅部资源的逐渐枯竭，矿井采深逐渐变大，工作面的温度越来越高，例如滕东等矿区的温度已经超过30℃。高温环境严重影响了井下工作人员的身体健康与生产效率，是一种严重的自然灾害。已有学者提出利用液态CO2的相变吸热降低工作面的温度，但是，目前只能采用小型移动式储罐将液态CO2运移到井下用于降温。往井下持续输送液态CO2或者井下液态CO2的实时制备系统与方法的缺乏，限制了基于液态CO2的相变吸热原理来降低井下工作面温度的方法的进一步研发与应用。我国拥有数量众多的坑口电厂(煤矿坑口附近的电厂)，电厂排放的废气中含有较高浓度的CO2，释放到大气中会造成严重的温室效应。鉴于井下灭火与降温需要液态CO2、以及坑口电厂与煤矿之间的距离非常近，坑口电厂废气可以就近输送到煤矿，经过CO2提纯与液化后用于井下灭火与降温，既能减少CO2的排放以保护环境，又能为保障煤矿的安全生产做出重大贡献。由于液态CO2的远距离输送成本高，并且输送过程中容易生成干冰堵塞管道，而大部分煤矿均已经构建了惰性气体(CO2或者N2)输送管道，所以将坑口电厂废气中的CO2提纯后首先以气体状态输送到井下、然后在井下液化是最佳选择。同时，为了避免液态CO2输送距离过长，防止液态CO2从制备系统到采空区或者风流热交换器的输送过程中生成干冰堵塞管道，要求液态CO2制备系统的安装简便、可灵活运移。鉴于此背景，有必要基于坑口电厂废气研发一种用于井下防灭火兼具工作面降温的可移动液态CO2实时制备系统。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于井下防灭火兼具工作面降温的液态CO2实时制备系统及该系统的使用方法，其能够在井下采空区附近制备液态CO2、支撑基于液态CO2相变吸热原理的长时间持续实施工作面降温与采空区灭火作业。本专利技术的任务之一在于提供一种用于井下防灭火兼具工作面降温的液态CO2实时制备系统，其技术解决方案包括：一种用于井下防灭火兼具工作面降温的液态CO2实时制备系统，其包括坑口电厂废气净化与分离单元、蒸发器、制冷剂循环系统、风流热交换器、局部通风机、压缩机、气液分离器及坑口电厂废气输出单元，其特征在于：所述的制冷剂循环系统的液态制冷剂出口与蒸发器的制冷剂入口连接，所述的蒸发器的气态制冷剂出口与制冷剂循环系统的制冷剂入口连接，所述的蒸发器的CO2入口通过气态CO2输送管和压缩机的出口连接，所述的压缩机的入口与废气净化与分离单元的出口连接，所述的蒸发器的CO2出口端通过液态CO2输送管与灭火管以及风流热交换器中的制冷剂管的入口端连接，所述的风流热交换器中的制冷剂管的出口端与气液分离器连接，所述的气液分离器的气态出口端与蒸发器的CO2入口端连接，所述的气液分离器的液态出口端与蒸发器的CO2出口端连接，所述的局部通风机的出口与风流热交换器的进风口连接，所述的坑口电厂废气净化与分离单元的入口与所述的坑口电厂废气输出单元连通。作为本专利技术的一个优选方案，所述的制冷剂循环系统包括冷凝器，所述的冷凝器为水冷式冷凝器，所述的冷凝器的进水口连接有净水器，所述的冷凝器的出水口连接有排水管，所述的净水器的入口连接有供水管。作为本专利技术的另一个优选方案，所述的液态CO2输送管与灭火管之间连接有第一金属软管，在所述的液态CO2输送管与制冷剂管的入口端之间连接有第二金属软管，在所述的制冷剂管的出口端与气液分离器之间连接有第三金属软管，在所述的气液分离器的液态出口端与蒸发器的CO2出口端之间连接有第四金属软管，所述的第一金属软管、第二金属软管、第三金属软管、第四金属软管的长度是其两侧所连接的钢管之间距离的两倍。优选的，所述的蒸发器两端并联一根气态CO2并联输送管，所述的气态CO2并联输送管两端各安装有第一截断阀与第二截断阀。优选的，所述的第一金属软管与灭火管的出口端之间设有第三截断阀，在所述的第二金属软管与液态CO2输送管的出口端之间设有第四截断阀。优选的，所述的局部通风机的出口与风流热交换器的进风口之间通过第一风筒连接；所述的制冷剂循环系统中的制冷剂为液氮。优选的，所述的净水器、制冷剂循环系统、气液分离器集中安装构成制冷剂制备模块，所述的制冷剂制备模块底部安装有两个活动脚轮与两个固定脚轮；所述的蒸发器固定在巷道壁面上。优选的，所述的废气净化与分离单元、压缩机设置在井上靠近井口的位置；所述的液态CO2输送管、灭火管、制冷剂管的材质为可耐零下40摄氏度的碳钢，所述的排水管为聚氨酯保温管。本专利技术的另一任务在于提供一种用于井下防灭火兼具工作面降温的液态CO2实时制备系统的使用方法，依次包括以下步骤：a向采空区灌注液态CO2时，首先关闭第一截断阀、第二截断阀、第四截断阀，打开第三截断阀，启动坑口电厂废气输出单元、废气净化与分离单元、压缩机、蒸发器、净水器制冷剂循环系统，实现液态CO2在井下的实时制备以及向采空区的持续输送；b向采空区灌注液态CO2并且降低工作面风流温度时，在步骤a的基础上，打开第四截断阀，启动局部通风机、风流热交换器与气液分离器，使液态CO2进入风流热交换器以置换风流的热量，从而降低工作面风流的温度。本专利技术所带来的有益技术效果为：与现有技术相比，本专利技术能够实现坑口电厂的废气利用，能够将坑口电厂中的CO2在井下工作面液化，实现基于液态CO2相变吸热原理的工作面降温与采空区灭火的长时间持续作业，大大提高了工作面的降温效果与采空区灭火效率。该系统与方法采用水冷冷凝器，将液态CO2制备过程中产生的热量直接通过矿井排水系统排到井外，避免了因制备液态CO2而向井下巷道与工作面释放大量的热量。同时，该系统中在输送液态CO2的管路中连接了金属软管，避免了管道因热胀冷缩引发管道泄露等问题的发生。该液态CO2制备系统与方法具有环保、操作方便、防火防爆防尘、可灵活运移、降温与灭火效率高、安全性高的特点，在本
内具有广泛的实用性。附图说明下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于井下防灭火兼具工作面降温的液态CO2实时制备系统，其包括坑口电厂废气净化与分离单元、蒸发器、制冷剂循环系统、风流热交换器、局部通风机、压缩机、气液分离器及坑口电厂废气输出单元，其特征在于：所述的制冷剂循环系统的液态制冷剂出口与蒸发器的制冷剂入口连接，所述的蒸发器的气态制冷剂出口与制冷剂循环系统的制冷剂入口连接，所述的蒸发器的CO2入口通过气态CO2输送管和压缩机的出口连接，所述的压缩机的入口与废气净化与分离单元的出口连接，所述的蒸发器的CO2出口端通过液态CO2输送管与灭火管以及风流热交换器中的制冷剂管的入口端连接，所述的风流热交换器中的制冷剂管的出口端与气液分离器连接，所述的气液分离器的气态出口端与蒸发器的CO2入口端连接，所述的气液分离器的液态出口端与蒸发器的CO2出口端连接，所述的局部通风机的出口与风流热交换器的进风口连接，所述的坑口电厂废气净化与分离单元的入口与所述的坑口电厂废气输出单元连通。

【技术特征摘要】
1.一种用于井下防灭火兼具工作面降温的液态CO2实时制备系统，其包括坑口电厂废气净化与分离单元、蒸发器、制冷剂循环系统、风流热交换器、局部通风机、压缩机、气液分离器及坑口电厂废气输出单元，其特征在于：所述的制冷剂循环系统的液态制冷剂出口与蒸发器的制冷剂入口连接，所述的蒸发器的气态制冷剂出口与制冷剂循环系统的制冷剂入口连接，所述的蒸发器的CO2入口通过气态CO2输送管和压缩机的出口连接，所述的压缩机的入口与废气净化与分离单元的出口连接，所述的蒸发器的CO2出口端通过液态CO2输送管与灭火管以及风流热交换器中的制冷剂管的入口端连接，所述的风流热交换器中的制冷剂管的出口端与气液分离器连接，所述的气液分离器的气态出口端与蒸发器的CO2入口端连接，所述的气液分离器的液态出口端与蒸发器的CO2出口端连接，所述的局部通风机的出口与风流热交换器的进风口连接，所述的坑口电厂废气净化与分离单元的入口与所述的坑口电厂废气输出单元连通。2.根据权利要求1所述的一种用于井下防灭火兼具工作面降温的液态CO2实时制备系统，其特征在于：所述的制冷剂循环系统包括冷凝器，所述的冷凝器为水冷式冷凝器，所述的冷凝器的进水口连接有净水器，所述的冷凝器的出水口连接有排水管，所述的净水器的入口连接有供水管。3.根据权利要求2所述的一种用于井下防灭火兼具工作面降温的液态CO2实时制备系统，其特征在于：所述的液态CO2输送管与灭火管之间连接有第一金属软管，在所述的液态CO2输送管与制冷剂管的入口端之间连接有第二金属软管，在所述的制冷剂管的出口端与气液分离器之间连接有第三金属软管，在所述的气液分离器的液态出口端与蒸发器的CO2出口端之间连接有第四金属软管，所述的第一金属软管、第二金属软管、第三金属软管、第四金属软管的长度是其两侧所连接的钢管之间距离的两倍。4.根据权利要求3所述的一种用于井下防灭火兼具工作面降温的液态CO...

【专利技术属性】
技术研发人员：亓冠圣，陆伟，程卫民，李金亮，路遥，王栋，秦传睿，谢军，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东,37