CO2气体与固体吸附剂混合灭火并封存的方法及其试验系统 |
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| 申请号 | CN201510666858.6 | 申请日 | 2015-10-14 | 公开(公告)号 | CN105381704A | 公开(公告)日 | 2016-03-09 |
| 申请人 | 辽宁工程技术大学; | 发明人 | 王继仁; 贺飞; 郝朝瑜; 孔建飞; 张德宝; 王宏飞; 张春华; 李兵; 戚旭鹏; 张英; 郝晋伟; 李冬辉; 王延生; | ||||
| 摘要 | 一种CO2气体与固体 吸附 剂混合灭火并 封存 的方法及其试验系统，包括在 煤 矿井下采空区内撒铺固体吸附剂；灭火时向自然发火区通入CO2气体，CO2气体与所述固体吸附剂在高温下反应，形成固体物封存于所述采空区内，防止CO2气体泄露进入大气，避免其成为 温室 效应 的气体排放来源，有利于环境保护。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种CO2气体与固体吸附剂混合灭火并封存的方法，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | CO2气体与固体吸附剂混合灭火并封存的方法及其试验系统 技术领域背景技术[0002] 近年来，矿井火灾日趋严重，惰性气体已广泛应用到煤矿井下采空区的防灭火中。在惰性气体灭火中，CO2气体以其价格低廉、灭火时间短以及效果好的优点，越来越多的用在了煤矿井下采空区的防灭火中。但由于CO2气体在井下采空区灭火中的广泛使用，随之也带来一个问题，就是注入采空区灭火的CO2气体会经采空区漏风流进入工作面回风巷，最终进入大气，成为温室效应的气体排放来源，对环境造成影响。 [0003] 因此，有必要设计一种方法使CO2在灭火后封存固定在采空区内，以解决上述问题。 发明内容[0004] 针对现有技术存在的问题，本发明提供一种在灭火时将CO2气体与固体吸附剂反应形成固体物，从而将CO2气体封存固定在采空区内而不进入大气的CO2气体与固体吸附剂混合灭火并封存的方法及其试验系统。 [0005] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案： [0006] 一种CO2气体与固体吸附剂混合灭火并封存的方法，包括在煤矿井下采空区内撒铺固体吸附剂；灭火时向自然发火区通入CO2气体，CO2气体与所述固体吸附剂在高温下反应，形成固体物封存于所述采空区内。 [0009] 一种采用上述CO2气体与固体吸附剂混合灭火并封存的方法的试验系统,包括供气系统、控气系统、反应系统及分析系统，四者依次相连，所述供气系统设有氧气瓶和CO2气瓶，分别提供氧气和CO2气体，所述供气系统通过管路连接于所述反应系统，所述控气系统设于所述管路上控制氧气和CO2气体的流量，所述反应系统包括密封的反应箱，所述反应箱内设有加热器、托盘及温度传感器，所述加热器用于加热煤样，所述托盘用于盛放固体吸附剂，所述温度传感器用于测量所述反应箱内固体吸附剂的温度，所述反应箱外设有智能显示器连接于所述温度传感器，所述反应箱的一侧设有氧气进口和CO2气体进口，分别供氧气和CO2气体进入，所述反应箱的另一侧设有出气口连接于所述分析系统，所述分析系统对所述反应系统反应后的气体进行分析并输出结果。 [0010] 进一步，所述管路包括第一管路和第二管路，所述第一管路连接于所述氧气瓶与所述氧气进口，所述第二管路连接于所述CO2气瓶和所述CO2气体进口，所述第一管路和所述第二管路上分别设有所述控气系统。 [0011] 进一步，所述控气系统包括减压阀、稳压阀、稳流阀、流量计、流量调节阀、进气阀及流量调节出气口，分别设于所述第一管路和所述第二管路上，通过调节所述控气系统来控制氧气和CO2气体的流量。 [0012] 进一步，所述反应箱内的另一侧还设有排气口，在试验前将氧气通入所述反应箱内，并通过所述排气口将所述反应箱内的空气排出，使所述反应箱内具有充足氧气。 [0015] 进一步，所述分析系统包括气相色谱仪和计算机，所述气相色谱仪分析所述反应箱内的气体成分，并通过所述计算机对分析结果进行输出。 [0016] 本发明的有益效果： [0017] 在煤矿井下采空区内撒铺固体吸附剂，在灭火时的高温环境下，CO2气体与固体吸附剂反应，形成固体物封存并固定在采空区内，防止CO2气体泄露进入大气，避免其成为温室效应的气体排放来源，有利于环境保护。附图说明 [0018] 图1为本发明CO2气体与固体吸附剂混合灭火并封存的试验系统的结构示意图； [0019] 图2为本发明反应系统中反应箱的结构示意图； [0020] 图中，1—减压阀、2—稳压阀、3—稳流阀、4—流量计、5—流量调节阀、6—进气阀、7—电缆、8—加热器、9—温度传感器、10—托盘、11—反应箱、12—智能显示器、13—氧气瓶、14—CO2气瓶、15—流量调节出气口、16—CO2气体进口、17—氧气进口、18—排气口、 19—出气口、20—气相色谱仪、21—计算机、22—密封门、23—手柄、24—窗口、25—第一管路、26—第二管路。 具体实施方式[0021] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0022] 本发明提供一种CO2气体与固体吸附剂混合灭火并封存的方法，用于煤矿井下采空区灭火中，先在采空区内撒铺固体吸附剂，在本实施例中，固体吸附剂为氧化钙粉末，综合考虑价格和效果，氧化钙粉末优选的为纯度90％的工业固体粉末，在其它实施例中，固体吸附剂也可以为其它能与CO2气体反应形成固体的物质；灭火时向自然发火区通入CO2气体，CO2气体进行灭火并与固体吸附剂在高温下反应，发生的化学反应为：在高温条件下形成固体残留物即固体的碳酸钙，封存并固定在煤矿采空区内。通过上述方法可以将CO2气体以碳酸钙固体的形式封存于采空区内，防止CO2气体泄露进入大气，避免其成为温室效应的气体排放来源，有利于环境保护。 [0023] 由于本发明的方法适用于煤矿井下采空区，而根据煤矿有关规定，采空区不允许人员进入，因此对于本发明方法的效果检验及参数确定，需通过试验完成。因此，本发明还提出采用上述方法的试验系统。 [0024] 如图1，试验系统包括四部分，分别为供气系统a，控气系统b，反应系统c及分析系统d，四者依次相连。供气系统a包括氧气瓶13和CO2气瓶14，分别提供氧气和CO2气体，供气系统a通过管路连接于反应系统c，控气系统b设于管路上，控制氧气和CO2气体的流量。控气系统b包括减压阀1、稳压阀2、稳流阀3、流量计4、流量调节阀5、进气阀6及流量调节出气口15，通过调节控气系统b来控制氧气和CO2气体的流量，使得氧气和CO2气体根据试验需要通入反应系统c中。 [0025] 反应系统c包括反应箱11，反应箱11内设有加热器8、托盘10及温度传感器9，加热器8用于加热煤样，模拟采空区着火状态，加热器8通过电缆7连接到电源，托盘10用于盛放固体吸附剂，即氧化钙粉末，温度传感器9用于测量反应箱11内氧化钙粉末的温度，反应箱11外设有智能显示器12连接于温度传感器9，使得温度传感器9的数据可由智能显示器12直接读出，便于观察和记录。反应箱11靠近供气系统a的一侧设有氧气进口17和CO2气体进口16，分别通过管路连接于氧气瓶13和CO2气瓶14，供氧气和CO2气体进入反应箱11内。反应箱11的另一侧设有出气口19和排气口18，出气口19连接于分析系统d，排气口18用于排出反应箱11内的空气。 [0026] 分析系统d包括气相色谱仪20和计算机21，气相色谱仪20分析反应箱11排出的气体成分，并通过计算机21对分析结果进行输出，通过数据结果，确定最佳反应温度和固体吸附剂最佳用量，从而得到最好的效果，通过试验数据指导实际应用中固定吸附剂的用量。 [0027] 供气系统a与反应系统c之间的管路包括第一管路25和第二管路26，第一管路25连接于氧气瓶13与氧气进口17，第二管路26连接于CO2气瓶14和CO2气体进口16，第一管路25和第二管路26上分别设有控气系统b，来分别控制氧气和CO2气体进入反应箱11内的时间和流量。 [0028] 如图2，反应箱11为长、宽、高均为80cm的正方型箱体，由钢板焊接而成，反应箱11的侧壁设有密封门22，在本实施例中，密封门22设置在前侧面，便于试验。密闭门22为直径为40cm的圆形门，密闭门22的内侧与反应箱11接口处设有螺纹，密封门22的边缘设有手柄23，通过旋转手柄23将密闭门22旋转关紧。反应箱11的侧壁设有观察口24，在本实施例中，观察口24设置于密封门22上，在其它实施例中，观察口24也可以直接设置于反应箱11的侧壁，观察口24是用钢化玻璃封闭的直径为10cm的窗口，通过观察口24对反应箱11内煤样燃烧情况进行观察。 [0029] 采用上述试验系进行试验参数确定，试验过程如下： [0030] 步骤一：在进行试验前，首先称取一定质量呈碎块状的煤样放在反应箱11中的加热器8上，并称取一定质量的纯度为90％的工业氧化钙均匀撒铺在反应箱11中的托盘10上。放置好温度传感器9，并与反应箱11外的智能显示器12连接，然后关闭密闭门22。 [0031] 步骤二：打开流量调节阀5，关闭进气阀6，依次打开氧气瓶13以及减压阀1，通过减压阀1调节需要通入反应箱11内氧气的流量，流量大小通过流量计4读取。调节流量过程中，气体从流量调节出气口15流出。当气体流量调整好，关闭流量调节阀5的同时，打开进气阀6，使气体从氧气进口17进入反应箱11。 [0032] 向反应箱11通入氧气的过程中，打开排气口18并关闭出气口19，排出反应箱11中的空气，使反应箱11内具有充足的氧气，以便使煤样可以在密闭的环境中的充分燃烧。3 经试验，向箱内通入1min流量为0.6m/h即10L/min的氧气，可以供200g煤样充分燃烧并完成相关试验。通入氧气完毕后，依次关闭氧气瓶13、减压阀1以及进气阀门6。 [0033] 步骤三：关闭排气口18，将加热器8接通电源，对煤样进行加热，通过观察口24对煤样燃烧情况进行观察，并通过智能显示器12获得反应箱11中氧化钙粉末的温度。当煤样燃烧时开始计时，煤样燃烧一定时间后，通入一定流量的CO2气体进行灭火，CO2气体的通入与氧气的通入操作步骤相同，当煤样火焰熄灭时，计时结束，同时关闭CO2气体的通入。待反应箱11内气体凉至室温时，打开出气口19将反应后的气体通入分析系统d，经过气相色谱仪20分析反应箱11中的气体成分，并通过计算机21对气相色谱仪20的分析结果进行输出，完成一次试验。 [0034] 需要指出的是，加热器8的电缆7以及温度传感器9的导线，全部穿套耐高温陶瓷管，防止高温将其烧坏。 [0035] 步骤四：改变相同质量的固体氧化钙粉末距离火源的距离，以使固体氧化钙粉末具有不同的反应温度，反应过程中通过观察智能显示器12获得固体氧化钙粉末的温度，每组试验中放置相同质量的煤样，通入相同时间以及流量的氧气，并通入相同流量的CO2气体进行灭火，经过相同的反应时间后，对反应后的固体氧化钙粉末进行称重，增重最多的那组试验中固体氧化钙粉末所具有的反应温度为最佳的反应温度。经过多次试验获得固体氧化钙粉末与CO2气体反应的最佳温度为500～600℃，并得到了固体氧化钙粉末距离火源的最佳反应距离为15～20cm。 [0036] 步骤五：将托盘10放置于获得最佳反应的温度的位置，改变托盘10中固体氧化钙粉末的质量，将固体氧化钙粉末均匀撒铺在托盘10上。每组试验中放置相同质量的煤样，通入相同时间以及流量的氧气，并通入相同流量的CO2气体进行灭火，经过相同的反应时2 间，增重最大的原固体氧化钙粉末的质量为最佳反应质量。通过试验测得，1m的面积均匀撒铺1.7kg氧化钙粉末，既可以达到最好的利用率，又不浪费氧化钙，是最佳的反应质量。 通过该参数可以确定固定氧化钙的用量，从而指导实际应用中撒铺氧化钙的质量。 [0037] 通过试验测得，1m2的面积均匀撒铺1.7kg纯度为90％的工业固体氧化钙粉末，在温度500～600℃时与CO2气体的反应效果最好，最大封存、固定CO2气体的效率可达78.5％。 [0038] 特别指出的是，通过通入CO2气体的流量Q以及通入时间t，求出通入CO2的总体积V1＝Q*t，通过气相色谱仪20分析出反应后反应箱11中CO2的含量q以及反应箱的体积v，可以求出反应后反应箱11中的总的CO2体积V2＝q*v，通过称量CaO增重的质量m，可以求出CaO吸收CO2的体积V3＝m/44*22.4，则由煤样燃烧产生的CO2体积V＝V2+V3-V1，通过V以及CaO吸收CO2的体积V3可以确定最佳的灭火CO2流量以及CaO的封存、固定CO2的效率，通过该些参数也可以控制实际灭火时CO2气体的流量，使得既可以完全灭火，又不会通入太多，造成泄露。 [0039] 通过上述试验系统和试验步骤可以确定试验参数，从而指导在煤矿井下采空区内撒铺氧化钙粉末的质量，以及在灭火时通入CO2气体的流量，使得CO2气体在灭火后以固态碳酸钙的形态封存于采空区内，而不会排到大气中影响环境，具有重大意义。 |
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