液态CO2 防灭火管路输送特性影响分析

2022-09-16李金亮亓冠圣

煤矿安全 2022年9期

吴虎，陆伟，李金亮，亓冠圣，张茜

（1.山东科技大学安全与环境工程学院，山东青岛 266590；2.安徽理工大学安全科学与工程学院，安徽淮南 232001）

煤自燃是矿井火灾的主要类型[1]，主要发生在井下采空区，与井下煤尘、瓦斯发生作用可能引发爆炸，而且在煤尘自燃过程中会释放大量的CO2等有毒有害气体，直接威胁到矿井人员的生命安全[2-3]。目前针对煤自燃灭火及预防技术主要有: 注氮、注浆、注凝胶等常规性措施[4-6]。但是在实施过程中发现，向采空区注入氮气后，由于围岩存在裂隙、漏风，会导致在采空区滞留时间短，不能达到明显的效果；向采空区注浆，由于浆体流动性受到制约以及地质条件的影响，不能很好地覆盖采空区；注凝胶或其他材料成本高，工艺复杂，影响生产。采用液态CO2灭火速度快、范围广，且CO2为化工副产品，价格低廉，在火灾治理中具有良好的效果[7]。

在煤自燃防治技术手段中，向采空区灌注液态CO2是1 种良好的方法。液态CO2注入火区后，CO2会迅速气化,气化过程吸收大量的热，会使周围环境温度急剧下降，从而使火源温度降到着火点温度以下而停止燃烧；此外还能降低火区中的氧体积分数，同时CO2可以被吸附到煤中，形成对煤体的包裹，有效地阻断采空区煤—氧的复合作用，从而实现抑制采空区遗煤的氧化自燃[8-9]。

目前井下CO2防灭火主要有钻孔输送液态CO2[10]、地面气化管路灌注[11]和井下移动式灌注[12]3种方式。通过钻孔输送液态CO2，其经济成本比较高，且只能将液态CO2定向注入到单一采空区的固定位置，缺乏灵活性；地面气化管路因为向采空区注入气态CO2，对管道直径规格要求较大，且气态CO2在输送过程中会产生较大压降，需要在管路中增加增压泵等辅助设施，增加成本；井下移动式灌注是将大型槽车内的液态CO2分装至便于移动和运送的小型储罐内，然后将储罐运送到靠近井下防灭火地点，由于操作复杂，导致治理效率较低。因此有必要设计1 种长距离管路输送系统，能够快速进行大流量的灌注，使其在最短的时间内完成火区治理工作。但由于液态CO2在输送过程中影响因素较多，通过管道远距离输送CO2进行灭火时，液态CO2容易发生相变，产生干冰堵塞管道，其工艺实现困难[13]。因此，通过分析诸多因素是如何影响CO2输送过程，对开展井下液态CO2防灭火长输管道安全评价具有重要意义。

基于此，基于Aspen HYSYS V8.4 对管输液态CO2过程进行模拟[14]，通过正交试验研究环境因素（环境温度、风速大小、保温棉厚度、管道倾角）对液态CO2输送过程的影响特性，研究液态CO2出口流量对于液态CO2输送距离以及输送过程中温压特性影响，得出不同管径最优的流量设置，为液态CO2直注系统提供理论依据。

1 研究方法

在研究CO2管道输送过程中沿程参数时，需要对CO2的物理性质如相行为、密度、黏度等进行精确地表示。Peng-Robinson（PR）状态方程在计算CO2的热力学性质和气液平衡（VLE）有着广泛的应用[15]，且在计算纯CO2或含硫化氢或甲烷杂质的CO2的物性时具有较高的精度；故采用RK 方程作为管输状态方程。

式中：p 为流体压力，Pa；R 为气体常数，8.314 J/（mol·k）；V 为气体摩尔体积，10-3m3/mol；T 为温度，K；Tc为临界温度，304.13 K；Tr为对比温度，Tr=T/Tc；ω 为偏心因子，取0.225；pc为临界压力，Pa。

在CO2管道输送时进入模拟环境后，对管道参数、热力学参数以及流体的成分等参数进行输入，入口参数包括了CO2的流量、入口温度、压力。在CO2防灭火系统的设计中，整套系统的CO2源是井上的固定储罐或者是槽车上的可移动式储罐，故在模拟环境中入口温度设置为-20 °C，入口压力设置为2.2 MPa；CO2的流量与输送距离有一定的关系，因此应根据矿井环境选择不同管道时，出口流量设置不同；在模拟中采用纯CO2进行模拟，不包含杂质成分。对于管道参数设置，包括了管长、管道内外径、壁厚以及高度差等管道基本特征参数，同时还包括了热力学相关的参数设置，如管道周围介质种类及属性，以及使用保温层的相关设置等。热力学参数的设置用来计算管道的传热系数，热传递方式主要包括了热传递、热辐射以及热对流，一般来说，由于管内液态CO2的温度较低，根据热力学第二定律，管内的流体会自发的吸收周围环境的热量，会导致液态CO2流体的温度在管内随着输送逐渐升高。这个过程可以分为3 个步骤: ①周围空气的热量通过热对流的方式与外管壁进行热交换；②管外壁与管内壁通过热传导的方式传递热量；③内部流体通过热对流的方式与周围管壁发生热量交换。

2 结果与讨论

2.1 环境因素对液态CO2 输送过程的影响

为了确定液态CO2防灭火管道输送的最佳工艺参数，分析各环境因素对液态CO2输送距离的影响，采用正交试验分析环境温度（10、20、30 ℃）、风速大小（1、3、6 m/s）、管道倾角（0°、10°、20°）以及保温棉厚度（0、9、15 mm）4 个考察因素，对于每个因素选择3 个水平。在液态CO2垂直管道输送时，由于自身重力作用，在安全流量范围内不会发生相变[16]，所以研究液态CO2的管道输送距离需在水平管道进行研究。使用HYSYS 过程模拟软件模拟液态CO2在入口温度-20 ℃、入口压力2.2 MPa、流量为2 500 kg/h情况下，在环境温度20 ℃、风速为1 m/s 、不使用保温棉情况下，采用DN32 管道垂直输送400 m，得出垂直输送时管道末端的压力为6 051.90 kPa、温度为-3.848 ℃，模拟过程中忽略了弯管、阀门等局部因素，故将垂直管道末端的温度压力参数作为水平输送的初始参数。对于正交试验中，以液态CO2能够输送的最大安全距离作为正交分析的评价指标，试验条件采用L9（34）正交试验表，先得到不同情况下9 组试验的液态CO2最大输送距离，再采用分析各影响因素的极差大小。其正交试验与结果见表1。

表1 正交试验与结果Table 1 Orthogonal test and results

根据各因素的极差大小，决定其对试验结果影响的主次顺序。极差越大，该因素水平变化对指标的影响也就越大。根据表1 可知，以液态CO2最大输送距离为目标函数时，以上因素中，管道倾角所对应的极差远大于其他3 个因素极差，故能得出管道倾斜状况对于液态CO2的输送距离影响最大，且以上因素对于液态CO2输送距离的影响顺序为管道倾角＞环境温度＞风速＞保温棉使用情况。

2.2 管道倾角对液态CO2 输送距离的影响

液态CO2输送过程中，管道倾角对于CO2输送过程影响较大，为了研究不同管道倾角下液态CO2输送过程中温压变化特征，分别采用DN32 管道与DN20 管道垂直输送400 m 随后进行水平输送，通过改变不同管道倾角（0°、5°、10°、20°）研究不同工况下液态CO2输送过程中输送距离变化的温度、压力变化特征。DN32 mm 管道下不同倾角下沿程温度、压力随输送距离的变化如图1。

由图1 可知，CO2通过DN32 管道在环境温度为20 ℃，风速为1 m/s，不使用保温棉输送时，随着输送距离增加，液态CO2温度不断上升，同时由于与管壁摩擦等原因，液态CO2在输送过程中压力不断减少。当输送到一定距离时，液态CO2温度迅速降低，是因为液态CO2发生了相变，此时管道中存在气态CO2，由于液态CO2气化过程中会吸收大量热量，当管道水平时，液态CO2输送到3 530 m 发生相变；当管道倾斜，倾斜角度为5°时，CO2输送距离为1 460 m；当管道倾角继续增大，增加到20°时，液态CO2只能输送640 m。

图1 DN32 mm 管道下不同倾角下沿程温度、压力随输送距离的变化Fig.1 Variation of temperature and pressure with conveying distance of DN32 mm pipeline at different inclination angles

DN20 mm 管道下不同倾角下沿程温度、压力随输送距离的变化如图2。

由图2 可知，DN20 管道水平时，液态CO2能够输送825 m，当管道倾角为20°时，液态CO2仅输送340 m 就会发生相变。因为管道倾斜，液态CO2在输送过程中不仅会发生热量传递，同时还要克服自身重力所产生较大的重力势能，故管道倾斜不利于液态CO2输送，且管道倾角越大，液态CO2能够达到的输送距离越短。

图2 DN20 mm 管道下不同倾角下沿程温度、压力随输送距离的变化Fig.2 Variation of temperature and pressure with conveying distance of DN20 mm pipeline at different inclination angles

2.3 液态CO2 出口流量对输送距离的影响

为了研究不同出口流量对于CO2在输送过程中能够输送的最大距离与温压变化关系，在入口温度为-20 ℃，入口压力为2.2 MPa，采用DN32 管道，保温棉厚度为9 mm，环境温度为15 ℃，风速为1 m/s条件下，通过改变CO2出口流量（1 000、1 500、2 000、2 500、3 000、3 500、4 000 kg/h），计算不同工况下管道输送距离与温降、压降梯度变化。输送距离与温、压降梯度随CO2输量的变化曲线如图3。

图3 输送距离与温、压降梯度随CO2 输量的变化曲线Fig.3 Variation curves of conveying distance and gradient of temperature and pressure drop with CO2 output

由图3 可知，CO2在液态状态下输送时，随着输量的增加，CO2最大输送距离先增加后减小，当液态CO2出口流量增大到2 500 kg/h 时，此时的输送距离达到最大，为532 m。CO2流量为1 000 kg/h 时，此时的温降梯度最大，达到0.013 9 ℃/m，而压降梯度最小，当流量为4 000 kg/h 时，此时的压降梯度最大，达到402.27 Pa/m。液态CO2的出口流量增大，会使得管道内流速增加，与管道的摩擦阻力增大，同时随着流量增大，单位质量CO2的温度变化减少，故温降梯度减少。综合上述分析，输量过小，CO2在输送过程中所产生的温降梯度较大，输量过大会使得液态CO2在输送过程中产生较大压降，均不利于液态CO2输送。故对于DN32 管道，2 500 kg/h 是该条件下比较理想的管输流量。

对于矿井环境，通常选用管道的材质设定为粗糙度为4.572×10-5m 的低碳钢。考虑矿井深度与井下到采空区的距离，常选用规格为DN10、DN15、DN20、DN25、DN32、DN40、DN50 的管道。对于不同规格的管道，通过ASPEN HYSYS V8.4 模拟，得出的不同管道下CO2较理想流量范围，不同规格管道的流量设置见表2。