氮气防灭火技术及装备

氮气是一种无色、无味、无嗅、无毒的气体。由于氮气分子结构稳定，其化学性质相对稳定，在常温、常压条件下氮气很难与其它物质发生化学反应，所以它是一种良好的惰性气体，随着空气中氮气含量的增加，氧气含量必然降低。据有关资料介绍：当氧气含量低到5～10％时，可抑制煤炭的氧化自燃；氧气含量降至3％以下时，可以完全抑制煤炭等可燃物的阴燃与复燃。基于上述氮气的性质及煤的氧化机理，向综采面采空区及遗煤带注入氮气，使其渗入到采空区冒落区、裂隙带及遗煤带，降低这些区域的氧含量，形成氮气惰化带，从而达到抑制采空区自燃和安全开采的目的。具体地说，氮气的防灭火作用和特点是：1）氮气可以充满任何形状的空间并将氧气排挤出去，从而使火区中因氧含量不足而将火源熄灭，或者使采空区中因氧含量不足而使遗煤不能氧化自燃；2）在有瓦斯和火存在的气体爆炸危险区内，注入氮气能使可燃性气体失去爆炸性；3）向采空区或火区中大量注入氮气后，可以使其呈现正压状态，致使新鲜空气难以漏入；4）在氮气灭火过程中，不会损坏或污染机械设备和井巷设施，火区启封后，可较快地恢复生产；5）氮气防灭火必须与均压和其它堵漏风措施配合应用。否则，如果注入氮气的采空区或火区漏风严重，氮气必然随漏风流失，难以起到防灭火作用。氮气防灭火存在的主要问题：1）、氮气不易在防治区滞留，不如注沙、注浆那样“长期”覆盖、包裹或存积在可燃物或已燃物的表面上，其隔氧性较差。2）、注氮能迅速破灭火灾，但火区完全灭火时间相当长。因此，注氮灭火的同时，应辅以其他直接措施处理残火，以防止复燃。3）、注氮防火，氮气向采面或临近采空区泄露；注氮灭火，氮气通过密闭等通道泄露。因此，注氮防灭火的同时，应采取堵漏措施，使氮气泄露量控制在最低限度。4）、氮气本身虽无毒，但具有窒息性，对人体有害。据试验，井下场所氧气含量下限值为19%，所以氮气泄露的工作地点氧含量不得低于其下限值。第二节氮气的制取氮气是空气中的主要成分，是一种取之不尽、用之不竭的气体。加上它具有无毒、无臭和易于与空气相混和等优良特性，所以是一种理想的防灭火惰性气体。矿井防灭火工作中所用的氮气，都是通过对空气中的气体成份进行分离而制取的。基本制取方法有深冷空分、变压吸附和膜分离三种工艺技术。深冷空分是一种传统的空分技术，已有九十余年的历史，它的特点是产气量大，产品氮纯度高，但设备装机功率大，工艺流程复杂，占地面积大，基建费用高，需专门的维修力量，操作人员较多，产气周期长（18～24h），显然不适合煤矿选用。变压吸附制氮是以空气为原料，用碳分子筛作吸附剂，利用碳分子筛对空气中的氧和氮选择吸附的特性，运用变压吸附原理（加压吸附，减压解吸并使分子筛再生）且在常温下使氧和氮分离制取氮气。变压吸附制氮与深冷空分制氮相比，具有明显的优点：吸附分离是在常温下进行，工艺简单，设备紧凑，占地面积小，开停方便，启动迅速，产气快（一般在30min左右），能耗小，产品氮纯度可在一定范围内调节，产氮量2000m／h。主要缺点是碳分子筛在气流冲击下，极易粉化和饱和，运转和维护费用高。膜分离制氮是以空气为原料，在一定的压力下，利用氧和氮在中空纤维膜中的不同渗透速率来使氧、氮分离制取氮气。它与上述两种制氮方法相比，具有设备结构更简单、体积更小、无切换阀门、操作维护也更为简便、产气更快（3min以内）、增容更方便等特点，但中空纤维膜对压缩空气清洁度要求更严，膜易老化而失效。根据磁窑沟煤矿实际情况，采用碳分子筛制氮工艺技术制取氮气，选用一台DT-600/8矿用碳分子筛制氮装置作为井下综采工作面边采、边注、边防火的措施。DT-600/8矿用碳分子筛制氮装置，本制氮装置为组合式结构，主要由气源车、净化车、制氮车和缓冲车四个单元组成。气源车选用隔爆兼本安型矿用无油或微油螺杆空压机（已安装在101综采工作面移变列车的平板车上）。只矿用浇封型电磁阀等组成，通过配管将其组装在槽钢底盘上。制氮车主要由四只吸附塔（内装满进口碳分子筛，并在吸附塔的顶部各设条气囊）、消声器及其10ZSGP管道式气动阀和10只矿用浇封型电磁阀组成，通过配管将其组装在槽钢底盘上。缓冲车主要由氮气缓冲罐、粉尘过滤器、减压阀、流量计（金属管浮子流量计或玻璃转子流量计）、甲烷氧气两参数测定器、节流阀等通过配管将其组装在槽钢底盘上。移动式制氮设备主要性能指标：DT-600/82．氮气流量：600Nm3．氮气纯度：97%（残氧3%）4．氮气压力：(0.5-0.8)MP5．氮气出口最高压力0.6MP6．启动时间30min7．氮气回收率：45%工作电压：660v/1140v10%，501HZ轮轨轨距：600mm或900mm或无轨胶轮平板车。