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【摘要】我国煤田火灾和二氧化碳排放问题都非常突出。通过二氧化碳防灭火应用研究，变害为利，一举两得。结合实际，阐述二氧化碳防灭火技术在煤火防治中的成功应用，验证大规模推广应用在技术上和效果上都是具有可行性。
【关键词】煤矿火灾；二氧化碳；防灭火；技术研究
1概述
煤炭是我国的主要能源，在国民经济能源结构中占据很重要的位置，现全国原煤年产量已超过了29亿吨，占我国一次能源消耗的70％以上。随着国民经济的快速发展，煤炭的需求量越来越大；近几年，原煤产量快速增长，在原煤产量快速增长的同时，必须保证矿井的安全高效开采。煤火不仅烧失煤炭资源，严重影响原煤的开采进程与采矿安全，还会造成资源的阻滞并引发矿难。燃烧释放出大量的热量与毒害气体严重污染了生态与大气环境，此外，还严重危害人居环境与人类健康，破坏植被生态系统，引发环境生态危机；所释放的温室气体影响全球碳排放结构与全球气候变化。，仅我国北方煤田累计已烧毁煤炭达42亿t以上。近年来，综采放顶煤技术及开采方法得到大力的推广和应用，使煤矿生产效率大幅度提高，但该方法因为冒落高度大、采空区遗留残煤多、漏风严重，使得矿井煤炭自然发火频繁发生，已成为制约煤炭工业发展的主要因素之一，也是煤矿重大安全生产隐患之一。煤矿井下发生高温火点或火区是极易导致火灾事故和瓦斯爆炸事故的重大危险源。据建国以来煤矿事故统计分析，在发生一次死亡三人以上的事故中，火灾事故占4﹪左右，仅次于瓦斯、顶板和水害，位居第四。因此，国内外都非常关注煤矿防灭火技术的发展。而近年来，二氧化碳防灭火技术在煤火防治中相继已有成功应用，受二氧化碳气源不稳定、经济性等因素影响，未能大范围推广。本文对二氧化碳防治煤火技术进行了研究分析，以期为煤火防治工作提供参考。
2.二氧化碳防灭火技术的意义
我国煤田火灾和二氧化碳排放问题都很突出。将减排工作扩展到减碳领域，提高煤火防治水平，确保煤矿安全生产，是企业可持续发展的重大课题。
2.1火灾防治
煤火烧失宝贵的煤炭资源，释放二氧化碳、二氧化硫及其他有害气体，并对煤炭生产构成严重威胁。我国煤田火灾最严重的国家。新疆准东煤田、宁夏汝箕沟煤田、内蒙古乌达煤田、内蒙古古拉本煤田等煤火已燃烧数十年甚至上百年。近年来，随着开采水平的提高，大型矿区推广大尺寸综采工作面，形成大面积采空区，局部漏风严重，增加了采空区着火概率，冲抵了现有的防灭火技术效果。
作为煤矿“五大灾害”之一，长期以来，国家投入了大量人力、物力治理煤火，取得了良好效果，但是煤田火灾、矿井火灾隐患并未根除，需要扩展防灭火途径，提高防灭火水平。
2.2二氧化碳减排
作为主要温室气体之一，二氧化碳减排已成为联合国气候变化大会各国谈判焦点。根据国家发改委《温室气体自愿减排交易管理暂行办法》，大型煤炭企业必要探索建立企业温室气体减排工作体系，切实减少二氧化碳排放，推动企业全面、协调、可持续发展。
二氧化碳防灭火技术在理论上、技术上都具有明显优势。电力和煤化工企业产生的二氧化碳，经加工提纯后可以为煤矿防灭火提供稳定的二氧化碳气源，与此同时，二氧化碳防灭火设备及注入技术已较为成熟，进入了市场化应用阶段。
作为一种新型防灭火技术，二氧化碳防灭火技术可行，其防灭火机理及效果优势明显。同时，开展二氧化碳防灭火应用研究，有望为长期困扰煤炭企业的煤火问题提供一条解决路径，变害为利，一举两得。
3.原理与工艺
在煤火灾害防治过程中，对松散煤体降温和惰化是根本原则。CO2在常温、常压下是无色并略带酸味的窒息性气体。它在不同的压力、温度条件下有三种形态，即气态、液态和固态。二氧化碳熔点为－56.6℃（0.52MPa），临界温度为31.1℃，临界压力为7.09MPa，CO2具有升华特性，升华点为－78.5℃（0.1MPa）。在低温、加压下CO2气体可变为液态，利用蒸发潜热，可做成雪片状固体，进一步冷却加压可制成干冰（固体碳酸）。气态CO2相对于空气的密度为1.529，密度为1.976kg/m3（0℃，0.1MPa），液态CO2的密度随温度的变化而变化，－50℃时，其密度是1155kg/m3。在温度为15℃、压力为0.1MPa状态下，液态CO2体积膨胀倍数为1155/1.976=585倍。利用液态二氧化碳进行防灭火不仅具有惰化窒息、降温、稀释瓦斯的多重作用，对于煤矿防灭火具有高效、快速、成本低、操作简便又具备拟爆效果好的独特优势，同时也了解到随着控制二氧化碳排放量的政策要求，各省有关化工厂都开始收集和储存液态二氧化碳，资源渠道有保障。通过近年来努力和现场实践，终于试制生产出液态二氧化碳防灭火装备系统。液态二氧化碳同时具有以上两种作用，在封闭空间其效果尤为明显。对封闭空间注入二氧化碳气体后，增加了封闭区内混合气体的总量，减少封闭区内外压力差，阻止空气流通，吸热降温，从而起到防灭火效果。
二氧化碳防灭火技术集“降温+抑爆+惰化+淹没覆盖”等多种特性，具有灭火迅速、用水量少、安全可靠、操作简单等优点。
煤矿二氧化碳防灭火技术包括二氧化碳捕集、运输和注入等三个工艺环节。
3.1捕集技术
根据浓度高低，分为燃煤电厂低浓度二氧化碳气体捕集技术及煤化工高浓度二氧化碳气体捕集技术。燃煤电厂低浓度二氧化碳捕集技术主要有燃烧前捕集、富氧燃烧、燃烧后捕集等三种类型。
燃烧前捕集主要运用于整体煤气化联合循环系统中，将煤高压富氧气化变成煤气，再经过水煤气变换后产生二氧化碳和氢气。产生的二氧化碳浓度高，易于捕集；剩下的氢气可以当作燃料使用。该技术的捕集系统小，能耗低，但是投资成本偏高。
富氧燃烧通过将空气中大比例的氮气脱除，直接采用高浓度氧气与部分烟道气的混合气体来替代空气，燃烧后得到高浓度二氧化碳气体，可以直接进行捕集。该技术面临的最大难题是制氧技术的投资和能耗高，目前很少采用。
燃烧后捕集即在燃烧后的烟道气中捕集二氧化碳，目前主要采用化学吸收法（利用酸碱性吸收）和物理吸收法（膜分离、变温或变压吸附）。该方法捕集系统庞大，能耗较高，但是适用范围广，是目前燃煤电厂中应用最广泛的捕集技术。
煤化工高浓度二氧化碳捕集工艺主要采用低温分离技术，过程包括二氧化碳压缩、脱油、脱水、纯化等环节。
3.2运输技术
工业化二氧化碳运输方式主要有公路罐车运输、铁路罐车运输、管道运输和船舶运输等4种方式，其适合条件及优缺点见表1。
3.3注入技术
根据防灭火过程中二氧化碳注入方式不同，可分为地面液态二氧化碳压注灭火和井下移动式压注灭火。
（1）地面压注
地面压注系统由地面液态二氧化碳槽车、水式（空气）汽化器、缓冲罐、流量计和输气管等构成，可以实现液态二氧化碳的远距离管道输送。系统释放二氧化碳能力为500～2000m3/h，储气罐出口温度为0～-30℃，输送距离最远可达5km。可用于较大范围火区的治理和预防。
压注时先将液态二氧化碳经由专用运输设备运至矿井，在地面将液态二氧化碳汽化成二氧化碳气体或气液两相流，经矿井已有的灌浆管路或钻孔压注到使用地点，选择合适位置释放。
按目前市场价格，该系统设备投资为180~240万元/套。
（2）井下压注
井下压注系统由低温液态二氧化碳贮槽、框架、各类阀门、操作箱、平板车及流量控制、压力控制、温度控制等装置组成，释放能力为300-2000m3/h，出气温度为-25℃，适用于采空区火灾防治。
压注时在地面将大型槽车灌装至井下矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置，然后使用矿车运输至井下压注地点，和管路直接连接进行压注。
按目前市场价格，每台矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置为20~25万元/套。
4灭火案例
4.1高瓦斯矿井封闭火区治理典型案例
（1）火区概况
2010年10月2日8时50分，某高瓦斯矿井2141(3)综采工作面中上部架顶发生自然发火事故，矿方对工作面上、下风巷进行了封闭，于10月3日夜班1时12分封闭完毕。待火区稳定后向火区内压注液态二氧化碳灭火。
（2）治理过程
工作流程为：化工厂生产的液态二氧化碳由地面液态二氧化碳槽车运送至矿，并逐次灌注到CPW-2.0矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置，然后将其运送至井下灌注地点，连接管路注入封闭火区。
液态二氧化碳储运系统主要工作参数为：
1）地面槽车：最大可储运20～25t液态二氧化碳；
2）CPW-2.0矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置：可储运2t液态二氧化碳，最大耐压3Mpa，出口压力0.8～2.0Mpa，出口温度-30～-20℃，出口流量0.5～8.0t/h。
综合考虑2141（3）封闭火区内各封闭墙压力、工作面标高、二氧化碳密度及封闭墙上已有管路、封闭墙附近运输条件等因素后，决定从2#密闭墙（2141（3）顺槽封闭墙）向封闭火区内注液态二氧化碳。2#密闭墙通向封闭火区共有4路管路，分别是1路Φ100mm注氮管进工作面采空区20m、1路Φ100mm注氮管距工作面100m、1路Φ100mm的备用措施管和1路Φ100mm的观察孔均在封闭墙内距墙口5m处（见图5）。计划主要用1路距工作面100m的Φ100mm注氮管注液态二氧化碳，1路进工作面采空区20m的Φ100mm注氮管作为注液态二氧化碳备用管，将以上两路注氮管路设三通阀引致2#密闭墙外口车场内备用。
注液态二氧化碳时，停止距工作面100m的Φ100mm注氮管注氮，并用Φ32mm高压管与CPW-2.0矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置与相连，向火区内关注液态二氧化碳。
（3）治理效果
火区封闭稳定后持续5天向采空区连续压注液态二氧化碳，一般注2t液态二氧化碳（CPW-2.0矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置储存量）需20～30min，可生成1280m3气态二氧化碳，每小时可注气态二氧化碳2560～3840m3，效率非常高；实际是5天内注液态二氧化碳92～116t，平均注入气态二氧化碳量为490m3/h～620m3/h。
火区启封期间1#密闭墙打开、接风筒利用30kw局扇Φ600mm风筒供风、排瓦斯。排瓦斯期间风流中瓦斯浓度始终在0.5%以下，二氧化碳浓度在2%左右，非常稳定，确保了启封安全。
4.2国内其他案例
国内已有多个采用二氧化碳治理火灾的成功案例，表明二氧化碳灭火适用性较强，成本较低，具有推广应用价值（见表2）。
5.讨论与建议
二氧化碳防治煤火技术潜力巨大，综合效益显著。首先，每年可减少上亿元的烧失煤量损失，解决呆滞煤量损失；二减少二氧化碳排放量,节支环保费用,防止煤化工产生二氧化碳废气造成的环境污染，有利于改善矿区大气环境质量，探索了二氧化碳减排的新途径；三是提高了我国矿井的预防发火、井下降温、灭火、井下大面积煤炭自燃火灾、矿井安全启封等防治煤火技术水平，为煤矿安全生产多了一份技术保障措施。
建议开展二氧化碳防灭火实用技术课题研究，制订二氧化碳防灭火技术标准、操作规程。重点研究分析二氧化碳在采空区及煤田火区内运移规律，探索采空区二氧化碳封存的切实可行途径；结合阶段性成果，特别是示范工程建设，制订一套完整的企业级、行业级二氧化碳防灭火技术标准和操作规程，指导、推动二氧化碳防灭火工作深入开展。并通过煤田火区和矿井火区防灭火工程示范，验证二氧化碳防灭火技术的有效性和安全性，为大规模推广应用提供技术路线、技术参数和运行经验。
综上述，二氧化碳防灭火技术有助于提升企业形象，在“节能减排”和“矿井灾害治理”双重方面都具有积极的意义，具有显著的环境效益、经济效益和社会效益。