液态CO2防治采空区自燃应用工艺流程模拟

液态CO2防治采空区自燃应用工艺流程模拟

马砺1，2，王伟峰1，邓军1，刘洁1，王振平1，2

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.兖矿集团公司，山东 邹城 237500)

摘要：液态CO2具有惰化降氧、汽化降温、抑爆及扩散范围大等特点，能够有效解决采空区火源位置模糊、灭火危险大等难题。液态CO2在管道输送过程中易形成干冰或流速过快极易发生堵塞、爆震现象，制约了在采空区自燃火灾防治中的应用。在分析采空区煤自然发火特点及CO2物性基础上，确定了液态CO2通过管路直接输送到采空区的防灭火工艺流程。通过建立CO2气-液两相管道输送热力学模型，利用Aspen HYSYS V7.3软件模拟计算CO2在管道输送参数变化及影响因素，得出的管道输送距离与温度、压力、流量、内径等相互之间的关系。通过模拟确定了CO2气-液两相管道安全输送参数及现场应用工艺。在压力为2 200 kPa，温度为-28 ℃，摩尔流量为75 kmole/h的条件下，管道输送内径为25.4 mm时，对应的安全输送距离不大于500 m；在内径为101.6 mm时，管道输送的安全距离不大于 50 000 m.结果表明，模拟得出的输送工艺参数能够满足液态CO2防灭火系统管路直接输送过程的安全。

关键词：液态CO2；采空区；防灭火；应用工艺

DOI:10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0203

文章编号：1672-9315(2015)02-0152-07

收稿日期：*2013-10-20责任编辑：刘洁

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51204135)；973计划前期研究项目(2011CB411902)；陕西省自然科学基金资助项目(2011JY018)

通讯作者：马砺(1978-)，男，四川隆昌人，博士，副教授，E-mail：malifature@163.com

中图分类号：TD 75+2文献标志码： A

Simulation of application technological process of liquid carbon dioxide for goaf fire prevention and control

MA Li1，2，WANG Wei-feng1，DENG Jun1，LIU Jie1,WANG Zhen-ping1，2

(1.CollegeofEnergyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China;

2.YanzhouCoalMiningCompanyLimited，Zoucheng273500，China)

Abstract：The liquid carbon dioxide has the characteristics of inerting，cooling，explosion suppression,wide diffusion range etc，it can effectively solve the difficulties of gob fire source position fuzzy and put out fire risk.Liquid CO2 is easy to form carbon dioxide ice or when the velocity too quickly，easily occurs the phenomenon of jams and detonation in the process of pipeline transportation，which restrict the application of carbon dioxide in the coal seam spontaneous combustion fire prevention.Based on the characteristics of goaf coal spontaneous combustion and properties of CO2，the fire prevention technological process of the liquid carbon dioxide for the gob is determined.The thermodynamic model of carbon dioxide gas-liquid two-phase pipeline is established.Using Aspen HYSYS V7.3 simulated the pipeline transmission and influencing factors of carbon dioxide，and obtained the relations of transmission distance and temperature，pressure，molar flow，inner diameter.Through numerical simulation，CO2 gas-liquid two-phase pipeline safety transportation parameters and the on-site application technology were determined.Under the condition of the pressure 2 200 kPa，temperature 28 ℃，molar flow rate 75 kmole/h，when the pipeline diameter is 25.4 mm，the corresponding safety transportation distance is not more than 500 m；when the pipeline diameter is 101.6 mm，the corresponding safety transportation distance is not more than 5 000 m.Field application shows that the process parameters by simulation can satisfy the safety of the pipeline direct transport process of liquid carbon dioxide for fire prevention and control.

Keywords：liquidcarbondioxide；gob；fireprevention；technologicalprocesssimulation

0引言

煤炭在开采过程中自燃现象经常发生，产生大量的有毒有害气体，造成巨大的资源浪费和严重的环境污染，并会引起瓦斯爆炸，给矿工生命安全造成极大威胁，每年由于自燃造成的直接和间接经济损失近百亿元[1-3]。煤层自燃火灾控制技术很多，如胶体防灭火、惰性气体及泡沫防灭火技术等，各有其不同的适用环境[4]。而采空区内火源隐蔽、距离远，难以实现快速有效的灭火，常规的注氮惰化难以带走热量，注胶降温范围小难以控制漏风，自燃火灾难以得到有效的控制，常规的注胶难以准确够住火源位置[5]。液态CO2用于防治采空区火灾，可以快速有效地对其进行降温和惰化，CO2密度大，在熄灭底部的火灾时，沉入底部而挤出氧气，灭火效果较好，具有其它防灭火技术不可比拟的优点[6-7]。CO2低压灭火系统在喷放时管道、孔板、阀门等处容易形成CO2凝结，产生干冰造成管道阻塞,甚至因流速超过当地音速而发生爆震使管道爆裂。王致新[8-9]对低压CO2灭火系统的结冰和爆震进行研究，CO2在管道中稳定流动时的基本方程和流速及温度与压降比之间的函数关系，确定了产生干冰的极限降压比和临界流速。李深梁[7]对低压CO2灭火系统管网事故分析认为干冰的存在是引发管网事故的根本原因。CO2的储运方法主要包括地下储存技术、储罐储存技术和液化储存技术等[10]。液态CO2防治煤自燃主要采用气-液和汽化后输送的两种方式[11]。目前研究液态CO2的防灭火工艺及系统仅从定性探讨，未掌握从储罐至火区段内的液态CO2流动特征和规律，工艺不可靠。液态CO2直接输送过程中会随着压降和温度的变化发生相变，形成气液两相流，当温度和压力降到临界点时，就可能形成干冰堵塞管道，因此，需要确定系统输送过程温度、压力、流量及管道尺寸对安全输送距离的影响关系。采用过程模拟方法[12-13]去探讨液态CO2在管路输送中的相态变化过程、安全输送距离等关键参数。HYSYS[14-16]以具有十几年世界各地石油化工领域的应用历史的HYSIM为其坚实的基础，集成了功能强大的物性计算包，将稳态系统、控制理论、动态化工及热力学模型、动态数据处理等有机地结合在一起，并通过求解常微分方程组来对系统进行动态模拟。论文对CO2物性热力学状态参数上分析，模拟出CO2气-液两相管道输送过程及安全输送距离等关键参数，完善CO2防治煤自燃应用工艺。

1CO2的物性

在常温常压下，CO2为无色无嗅的气体，相对分子量为44.01，比重约为空气的1.53倍，偏心因子为0.225，临界温度为31.06 ℃，临界压力为7.35MPa，临界点密度为0.467 8g/mL，临界点粘度为0.033 35，临界压缩因子为0.275，临界比容为2.135L/kg.在压力为1atm、温度为0 ℃时，它的密度为1.98kg/m3，导热系数为0.012 6 ，动力粘度系数为138×10-6.CO2化学性质不活泼，既不可燃，也不助燃，无毒，但具有腐蚀性。CO2与水混合时呈弱酸性，可腐蚀碳钢等普通金属，但不腐蚀不锈钢和铜类金属。当输送的CO2比较干燥(含水率小于8ppm)时，可采用普通的碳素钢。

CO2随着温度、压力的变化，呈现固态、液态和气态3种状态，称作CO2的相态，如图1所示。它有3个特征点：升华点(-78.5 ℃，0.1MPa)、三相点(-56.6 ℃，0.52MPa)及临界点(31.3 ℃，7.38MPa)。其中，相态之间互相转化的温度和压力点称作三相点。除了三相点外，还具有一个固有的临界点，即气液平衡线的终点，在临界点处，气相和液相界面消失，分不出气液两相。超过临界点的区域称为超临界区域。超临界区域中的流体是介于气体、液体之间的第三流体，即为超临界流体。当CO2温度高于-56.6 ℃时，随着压力增加将从气态转变为液态；在压力高于0.52MPa，且温度低于-56.6 ℃时，液态CO2将固化成为干冰；压力低于0.52MPa，且温度高于一定值时，干冰将直接升华成为气态CO2.

图1　纯CO 2相态包络图 Fig.1　Phase envelope of pure CO 2

2液态CO2灌注采空区工艺流程模拟

液态CO2防治采空区煤自燃方法是借助液态CO2汽化后本身的气体压力输送，包括液态CO2气-液和汽化两类输送方法。将液态CO2经汽化后气态单相输送是克服长距离输送过程压力降低，形成干冰堵管的问题，但是由于液态CO2经汽化后温度升高，起不到良好降温作用。为了有效的利用液态CO2惰化和降温的防灭火特点，将液态二氧化碳直接注入采空区防灭火区域，则可以快速有效的对煤体进行降温和惰化，防治采空区煤自燃。

2.1工艺模拟流程

为便于分析和计算，根据液态CO2防灭火系统管道输送的实际操作情况，设定罐体内输送压力为恒压，温度为恒温。用AspenHYSYSV7.3建立的工艺模拟流程，如图2所示。从温度、压力、流量及内径四个方面利用HYSYS软件进行模拟研究和分析，优选并确定系统的工艺技术参数。

图2-28 ℃条件下液态CO2气-液输送工艺模拟流程
Fig.2Transportation of liquid-gaseous CO2at -28 ℃

2.2模型求解

物性参数均有其通用的热力学表达式，当用某热力学状态方程求解参数时，根据状态方程推导出可用解析法求解的表达式，表达式中一般会包含一些须通过求解状态方程得到的参数，因此物性参数的求解表达式依托状态方程，必须有状态方程提供参数。PR方程能够较准确的预测液相摩尔体积，选择PR方程进行气液平衡的计算，模拟液态CO2的输送过程和PVT状态参数。

2.2.1压降的计算

(1)

考虑高差变化时，管道的压降可以按式(2)计算

(2)

式中h1为沿程摩阻损失，m；λ为水力摩阻系数；L为管道长度，m；d为管道内径，m；V为管内流体流速，m/s；g为重力加速度，9.8m/s2；Δp为压降，Pa；ρ为管内流体密度，kg/m3；Me为CO2摩尔流量，mol/hr；W为CO2摩尔质量，kg/mol；H为管道首末端高度差，m.

2.2.2管段其它参数计算

管段提供了4种计算模式：压降、长度、流量和直径，根据提供的数据信息自动选择合适的计算模式。无论使用何种模式，都必须指定管子分段的数目，计算在每段管子中进行。如果计算压降，在每一分段都进行质量和能量平衡计算，每分段的出口压力就作为下一分段的进口压力，这样迭代计算直到计算出管线出口压力。管段可以正向求解也可以逆向求解，求解程序一般是从温度已知的一端开始。HYSYS在起点利用指定的压力值或估算值在管线中进行迭代计算。

3工艺流程模拟结果分析

液态CO2气液输送利用HYSYS软件主要从温度、压力、流量及内径四个方面进行模拟，优选系统的工艺技术参数。

3.1变温输送模拟

压力为2 200kPa，流量为75kmole/h，温度模拟范围为-40～-18 ℃，得出液态CO2在管道输送过程中管长与压力的关系，如图3所示。可看出在汽化点之前，压降较小，密度、粘度和定压比热等物性参数较稳定，输送压力与管长成线性关系。从汽化点开始，压力下降，当汽化进行到一定程度时，持液面降低，气化分率增大，管道内流体打破气液平衡状态，以气态为主，粘度上升，流体密度迅速减小，温度降低，由式(1)可知压降与密度成反比关系，随着管长增长，压力突降。由模拟数据知，管内最低温度接近三相点(-56.6 ℃，0.52MPa)的温度，但是达不到该温度值，可以保障管路在给定条件下的安全输送。

图3　变温条件下管长与压力的关系 Fig.3　Relationship between pipe length and the pressure at variable pressures

图4　不同温度与安全输送距离的关系 Fig.4　Relationship between pressure and safe transportation distance

根据模拟结果，得出23组数据之间(温度t，安全输送距离L)的关系，如图4，拟合得出温度t(℃)和安全输送距离L(m)的函数关系式

L =-17.88t-30.31，R2= 0.996.

由上式可以看出输送的安全距离与温度近似成线性关系，因此，根据矿井的实际情况，在给定其它条件下，已知液态CO2进口的温度，利用该函数关系式可以确定安全输送距离。

3.2变压输送模拟

当温度为-28 ℃，流量为75kmole/h，压力模拟范围为1 600～4 000kPa，得到变压条件下管长与压力关系，如图5所示。可知，CO2输送过程中均存在压力先线性降低后急剧降低的共同特征，转折点是发生相变的汽化点。管路输送初始阶段，CO2以液态形式输送，压降较小，密度、粘度和定压比热等物性参数较稳定，温度上升，压力随管长线性降低。从公式(1)中可以得到没有发生相变时压降正比于长度的一次方，压力随管长的增加线性下降。气化点之后，CO2为气液两相流体，气相分率逐渐增大，温度急剧下降，定压比热基本不变，粘度上升，密度降低，压力降低较快。随着汽化的发生，热交换较慢，管内气液两相流体温度迅速降低，可看出在保证出口压力的条件下，压降后的最小压力也达不到三相点(-56.6 ℃，0.52MPa)的压力，从而有效保障管路在此条件下不同压力的安全输送。

图5　变压条件管长与压力的关系 Fig.5　Relationship between pipe length and the pressure at variable pressures

图6　不同压力与安全输送距离的关系 Fig.6　Relationship between pressure and safe transportation distance

拟合得出压力P(kPa)和安全输送距离L(m)的函数关系式：得出变压条件下压力与安全输送距离的关系，如图6.

L=0.491P-602.5，R2= 0.999.

可以看出管长与压力近似成线性关系，这个结论与式(1)推导的结果一致。因此，根据实际情况，在给定其它条件下，已知液态CO2的初始压力，利用该函数关系式可以确定现场输送的安全距离。

3.3变流量输送模拟

设定温度为-28 ℃，压力2 200kPa，流量模拟范围为50～100kmole/h，得出变流量条件下管长与压力关系，如图7所示。可知，随着CO2流体在管道中流动均存在压力先线性降低后急剧降低的共同特征，转折点是发生相变的汽化点。初始阶段流体是液态，压降小，密度、粘度和定压比热等物性参数较稳定，温度上升，压力随管长线性降低。从公式(1)中可以得到没有发生相态变化时压降正比于长度的一次方，因此会出现图7所示的压力随管道长度的增加直线下降的现象。在气化点之后的输送，管道输送CO2为气液两相流体，由于气相分率逐渐增大，液相分率逐渐减小，持液面降低，温度急剧下降，定压比热基本不变，粘度上升，密度降低，压力降低较快。

图7　变流量条件下管长与压力关系 Fig.7　Relationship of pipe length and pressure at variable flow rates

图8　摩尔流量与安全输送距离的关系 Fig.8　Relationship of molar flow rate and safe transportation distance

不同摩尔流量与安全输送距离的关系，如图8所示，可以看出两者成负二次幂函数关系。因此，在给定其它条件下，已知液态CO2进口的摩尔流量，利用该函数关系式可以确定输送的安全距离。

3.4变内径的输送模拟

温度为-28 ℃，压力为2 200kPa，摩尔流量为75kmole/h，内径分别为25.4，32.0，38.0，50.8，65.0，77.2，89和101.6mm，得出管长与压力的关系，如图9所示。可看出，汽化点之前的输送压力与管长成线性关系，输送初始阶段流体温度随着输送距离的增大而上升，当增大到一定值时，流体发生相变，开始汽化，温度降低，随着气化分率的增大，持液面的降低，气相分率增大，液相分率减小，流体密度迅速降低，压力也降低很快。

根据模拟结果，得到管长与压力关系，如图10所示。可看出，管道内径越小安全输送距离越短，在内径小于50.8mm情况下内径与安全输送距离近似成线性关系。由式(1)知，压降与管道内径d的五次方成反比，即随管道内径的增加压力下降的越来越慢。因此，根据矿井的实际情况，在给定其它条件下，已知液态CO2输送管道的内径，利用内径与安全输送距离的函数关系可以确定输送的安全距离。

图9　不同内径输送管长与压力的关系 Fig.9　Relationship of pipe length and pressure for variable inner diameters

3.5输送工艺参数的确定

根据模拟得出的管道安全输送距离与温度、压力、流量、内径之间的关系，确定了现场实际应用工艺参数。在压力为2 200kPa，温度为-28 ℃，摩尔流量为75kmole/h的条件下，管道输送内径范围为25.4mm时对应的安全输送距离为478m；在内径为

101.6mm时，管道输送的安全距离47 600m.

图10　内径与安全输送距离的关系 Fig.10　Relationship of inner diameter and safe transportation distance

4应用工艺

液态CO2防灭火工艺由低温液态CO2贮槽、框架、各类阀门、操作箱、平板车、流量、压力、温度等控制装置组成。根据相关的标准和规范设计、制造、试验和验收。装置工作压力2.6MPa，试验压力3.2MPa.输送能力2 000～300m3/h，出气温度-25 ℃，输送管路可利用高压胶管从矿用移动式液态CO2装置接至火区。

某矿14310西轨顺位于北翼十四采区上部，南侧为14309综采工作面采空区，北侧为实体煤。2007年12月份，因生产接续调整，封闭14310西轨顺，在14310西轨顺沿14309西运顺掘进，为沿空巷道，两巷道间留有3.0m宽的小煤柱。其南侧的14309西停采线于2006年11月停采，如图11所示。随后对14309西停采线进行了防火治理，2009年6月份14309西停采线再次出现CO气体异常。

图11　某矿14310工作面采空区示意图 Fig.11　Goaf of 14310 working face of a coal mine

煤层自燃隐患位置在4309西停采线运顺侧或者14310西轨顺沿空侧，火源位置不明确。由于14310西轨顺为沿空巷道，共掘进150m，留有3.0m宽的小煤柱，受压力影响产生了大量的裂缝，形成较为畅通的漏风通道，容易造成沿空侧的14309西运顺丢煤带出现自燃高温区域。采用矿用移动式液态二氧化碳直接灌注工艺，在距离14310密闭位置为60m，共压注了6 000kg液态CO2.灌注过程罐体内压力和时间，灌注总量2 200～3 100kg/h，气体流量1 428～2 108m3/h，整个灌注过程安全可靠。

5结论

1)确定了适用于液态CO2管道输送的热力学模型，建立了液态二氧化碳应用工艺模拟流程，通过预测输送管路CO2流动状态，分析不同管路段的状态参数及变化规律，为系统灌注工艺参数确定提供了依据；

2)在液态CO2输送过程中，压降随输送流程、摩尔流量及管径的增大而降低；在初始阶段压力线性降低，温度线性升高，发生汽化后温度迅速下降，压降增大，持液面降低，当气化分率达到1时，温度降低到最低点；随输送距离的增加，管内温度逐渐升高；管道内径越大出口温度和压力就越高，当内径增大到一定值时，出口温度趋于常温；在一定范围内，温度越低、压力越大、摩尔流量越小、管道内径越大，安全输送距离就越长；

3)根据模拟得出的管道安全输送距离与温度、压力、流量、内径之间的关系，确定出适用于现场实际情况的工艺技术参数。在设定压力为2 200kPa，温度为-28 ℃，摩尔流量为75kmole/h的条件下，管道输送内径范围为25.4mm时对应的安全输送距离为478m.

参考文献References

[1]邓军,邢震,马砺.多元回归分析在煤自燃预测中的应用[J].西安科技大学学报,2011,31(6)：645-648.

DENGJun，XINGZheng，MALi.Applicationofmultipleregressionanalysisincoalspontaneouscombustionprediction[J].JournalofXi’anUniversityofScienceandTechnology，2011，31(6)：645-648.

[2]方刚,郭佐宁,迪明,等.基于粗糙集和支持向量机的采空区煤自燃火灾预报[J].西安科技大学学报,2012,32(6)：712-717.

FANGGang，GUOZuo-ning，DIMing，etal.Forecastofspontaneouscombustionfireingoafbasedonroughsetandsupportvectormachine[J].JournalofXi’anUniversityofScienceandTechnology，2012，32(6)：712-717.

[3]杜娟.高抽巷抽采能力对采空区自燃危险性的影响研究[J].西安科技大学学报,2013，33(5)：527-531.

DUJuan.Researchonspontaneouscombustionriskingoafunderdifferentcapacityofhighdrainagetunnel[J].JournalofXi’anUniversityofScienceandTechnology，2013,33(5)：527-531.

[4]曹建涛,来兴平,崔峰,等.浅埋煤层近距采空区危险性评价[J].西安科技大学学报,2013，33(4)：383-389.

CAOJian-tao，LAIXing-ping，CUIFeng,etal.Hazardassessmentofmined-outareasinshallowandshortdistancecoalseams[J].JournalofXi’anUniversityofScienceandTechnology，2013，33(4)：383-389.

[5]韩刚，刘生玉.液态CO2灭火技术在实践中的应用[J].煤炭技术，2009，28(4)：107-109.

HANGang，LIUSheng-yu.Applicationoffirefightingtechniqueusingcarbondioxideinpractice[J].CoalTechnology，2009，28(4)：107-109.

[6]张辛亥，孙久政，栾玉涛.液态CO2防灭火技术在东荣二矿的应用[J].陕西煤炭,2007,16(6)：52-53.

ZHANGXin-hai，SUNJiu-zheng，LUANYu-tao.ApplicationoffirefightingtechniqueusingcarbondioxideinDongrongNo.2coalmine[J].ShaanxiCoal，2007,16(6)：52-53.

[7]王致新，王煜彤.二氧化碳灭火系统传统计算方法的新突破[J].亚洲消防，2005(12)：61-64.

WANGZhi-xin，WANGYu-tong.AnewbreakthroughoftraditionalcalculationmethodinCO2fireextinguishingsystem[J].AsiaFire，2005(12)：61-64.

[8]王致新，王煜彤.低压二氧化碳灭火系统的结冰和爆震问题[J].消防技术与产品信息，2006(4)：13-16.

WANGZhi-xin，WANGYu-tong.TheproblemoffreezesanddetonationinLowpressureCO2fireextinguishingsystempipenetwork[J].FireControlTechnologyandProductInformation，2006(4)：13-16.

[9]李深梁，闵苏宏，叶晓新.低压二氧化碳灭火系统管网事故的理论分析[J].消防技术与产品信息，2003(1)：15-18.

LIShen-liang，MINSu-hong，YEXiao-xin.theoreticalanalysisoftheaccidentinLowpressureCO2fireextinguishingsystempipenetwork[J].FireControlTechnologyandProductInformation，2003(1)：15-18.