**液氮降温系统在煤矿中的应用**

                                  原芝泉1，万鹿贵2
                  ( *1. 阿美科工程咨询( 上海) 有限公司，上海 200120;
                    2. 欧科能源技术( 天津) 有限公司，天津 300384*)

摘 要: 液氮降温系统是煤矿行业近年来研究及应用的一种新技术，既具有降温作用又具有防灭火功能，为了解决黑金煤矿工作面的高温热害问题，在工作面采用了液氮降温系统，对系统类型、工艺流程、设备选用等进行介绍，并对设计和运行方面需要注意的问题进行分析和探讨，结果表明，将液氮降温系统应用到煤矿井下降温是完全可行的。
关键词: 液氮降温系统; 煤矿工作面; 制冰降温系统; 采空区防灭火
中图分类号: TD727+. 2 文献标识码: B 文章编号: 1671 － 0959( 2014) 01-0073-04
Application of Liquid Nitrogen Cooling System in Coal MineYUAN
Zhi － quan1，WAN Lu －gui2
( 1. AMEC Engineering ＆ Consulting ( Shanghai) Co． ，Ltd，Shanghai 200120，
2. Okay Energy Technology( Tianjin) Co． ，Ltd，Tianjin 300384，China)
Abstract: LN ( liquid nitrogen) cooling system is a new technology recently studied and applied in coal mine，with thefunction cooling air and extinguishing． In order to solve the problem of heat disaster in the coal mining working face ofHeijin coal mine，LN cooling system was applied，the system type，process flowsheet and equipment selection wereintroduced，and the attentive question for design and operation were analyzed and discussed． The running result shows thatthe application of LN cooling system is feasible．
Keywords: LN cooling system; Coal mining face; ice － making cooling system; fire prevention in goaf
随着煤矿矿井采掘深度的日异加大和延深，矿井热害问题逐渐显现，目前，常用下行通风降温方式只能将工作面温度控制在31℃左右，但不能从根本上解决高温热害问题。为了彻底解决制约矿井安全生产的这一难题，保护工人身心健康和提高生产效率。经过多次调研论证，决定采用通过地表钻孔套管向井下输送液氮的方法来进行降温，通过液氮汽化时从外界吸收大量的热量，来降低周围环境温度。液氮降温系统是近年来试验研究及应用的一种新工艺新技术，因液氮既具有降温作用又具有防灭火功能，值得研究和推广［1 －2］。
1 **液氮降温原理**
液氮 －196℃ 时为无色无味液体，微溶入水，性质稳定，不燃也不助燃，无腐蚀性，相对密度( 水 = 1g/cm3)0. 81g /cm2( － 196℃) ，分解产物氮气。液氮汽化至 273K( 0℃) 时，其体积膨胀约 643 倍; 液氮汽化至 25℃时，1m3液氮可形成约700m3的气氮［2］。
液氮作为冷媒，汽化过程中需要从外界吸收大量的热量，即本身释放出大量冷能［2］。液氮通过空浴式液氮换热装置内部的管道及其加长的翅片与环境空气进行热交换，装置内液氮发生相变及升温，液氮从环境空气中吸收热量，同时向环境空气中释放冷能，每汽化 1m3的液氮，可向空气中释放约 327kJ 的冷能。因此，可以将一定数量的空浴式液氮换热装置布置在巷道或硐室内，用于煤矿井下降温。
2 液氮降温系统
2. 1 系统类型
依据液氮供给方式不同，液氮降温系统分为三种类型，即固定式、半固定式、移动式。
1) 固定式液氮降温系统。该系统由低温低压真空液氮储罐、地面钻孔套管、减压阀组、空浴式液氮换热装置、流量计、局扇及管配件等组成。低温低压真空液氮储罐固定安装在煤矿地面上，减压阀组、空浴式液氮换热装置、局扇等安装在煤矿矿井硐室或巷道内。
2) 半固定式液氮降温系统。该系统由液氮槽车、快装接口、地面钻孔套管、减压阀组、空浴式液氮换热装置、流量计、局扇及管配件等组成。液氮槽车放置在煤矿地面上，减压阀组、空浴式液氮换热装置、局扇等安装在煤矿矿井硐室或巷道内。
3) 移动式液氮降温系统。该系统由液氮槽车、快装接口、空浴式液氮换热装置、流量计、可移动式局扇及管配件等组成。液氮槽车放置在煤矿矿井中，空浴式液氮换热装置、局扇等安装在煤矿矿井硐室或巷道内，各装置均成撬装式模块。综合比较液氮降温系统的三种类型，各有利弊，考虑到矿井采掘工作面是随着煤层位置变化的，所以半固定式液氮降温系统是最可行的，其系统工艺流程如图1 所示。

2. 2 半固定式液氮降温系统
1) 工艺流程: →→液氮槽车 地面液氮管道快装接口地面钻孔套管液氮输送管道→ 矿井中减压阀组→→ → →→局扇 空浴式液氮换热装置 计量装置 切断阀采空区和回风巷。
2) 系统组成: 该系统主要由液氮槽车、地面管道快装接口、金属软管、地面钻孔套管、液氮输送管道、减压阀组、安全阀、局扇、空浴式液氮换热装置、流量计、切断阀、金属软管、压力表、气体浓度在线监测仪、采空区钻孔连接管等组成。
3) 系统特点: 半固定式液氮降温系统组成简单，可操作性强，高效实用。该系统一般用在需降温工作面距煤矿地面液氮接口距离较近区域，同时要求液氮管路布置不可影响矿井中物料运输和人员通行。
2. 3 半固定式液氮降温系统设备某采掘工作面新风量 1300m3/min，需要液氮汽化量10400Nm3/h，其设备情况如下:
1) 液氮槽车。槽车依靠外部物流公司提供。
2) 空浴式液氮换热装置。利用液氮汽化吸热原理来降低进风巷内新风温度，经过热负荷热量平衡计算，液氮汽化产生的总氮气量10400Nm3/h，设计选用1300Nm3/h空浴式液氮换热装置8套。单套空浴式液氮换热装置技术参数见表1。单套空浴式液氮换热装置流量1300Nm3/h，采用撬装模块化整体结构，主要包括 1 台液氮换热装置主机、整体底座及护架、配套进出口电动及手动低温阀门、安全阀、Y 型过滤器、现场及远传压力表、温度计、金属软管、端部配对法兰、冷凝水排放槽及其他必要的保护装置等。
每套液氮换热装置出汽管上的远传温度计与进液管上的电动阀实行联锁，同时在地面中控室内显示汽化后氮气温度。
空浴式液氮换热装置采用封闭式结构，内置不锈钢管道，外置防锈铝翅片散热片、积水槽、安全阀及控制阀等，其制造标准符合煤安要求。!
3) 局扇。选用局扇 2 台，单台风量700m3/min，主要为液氮降温系统提供足够的新风量，同时为降温后的空气提供动力，把冷空气送入工作面，从而达到采掘面降温消除热害的目的。
2. 4 设备安装
设备安装应按有关规范和设计要求执行，低温设备布置应紧凑，冷源系统配管要求尽量短，避免管道的振动及冷变形。井巷内空浴式液氮换热装置的安装，应尽量平稳可靠，应及时清理排除现场设备顶面的各类异物，防止掉落的煤渣及其它硬物对设备本体造成破坏。
由于采掘工作面是随煤层的位置变化的，所以设备与管道之间连接均采用低温金属软管，单套设备成撬块，管道与管道之间采用法兰连接，以便于设备的移动和在新的工作面重新安装。
2. 5 安全控制
为了降低采空区氧气浓度，防止采空区遗煤自然发火，汽化后的氮气一部分送至采空区，另一部分排到回风巷。送至采空区和排至回风巷氮气管道上均设有流量计，可有效控制进入各自区域的氮气量。为确保安全，在工作面回风隅角设有氧气浓度检测仪，当氧含量低于 18%时，关闭采空区氮气切断阀，打开进入回风巷氮气的切断阀，将多余氮气引入回风巷系统，之后经回风巷排入大气［3］。
氧气浓度检测仪与氮气阀门实行联锁控制，并可实现氧气浓度高低报警。
3 系统存在的问题及分析
1) 管道保温。地面液氮通过管道输送至煤矿井下，由于液氮的性质管道需要保温，但液氮管道是通过地面钻孔中的套管敷设的，综合考虑钻孔套管造价，该项目钻孔套管外径 Φ140mm、内径 Φ110mm，公称直径 DN50mm 的液氮管道外径Φ60.3mm，敷设距离近470m，如果管道进行保温，则根本无法安装和施工。由于液氮管道无法保温，加速了液氮在输送过程中的汽化量。能否采用大口径钻孔套管，在技术及造价方面值得进一步探索和研究。
2) 热胀冷缩。氮在－196℃时为液态，当温度超过－196℃时，液氮即开始汽化，此时就会出现热胀冷缩现象，该系统液氮管道同时存在热胀和冷缩两种工况现象。
3) 地下水的影响。由于钻孔套管直线距离近470m，导致了大量地下水沿套管外壁累积并下流，致使套管内空气湿度很大，此因素的存在，也加速了液氮在输送过程中的汽化量。
4) 管道应力。液氮在输送过程中存在热胀冷缩现象，液氮管道必然会产生应力，该系统共有两处产生管道应力。液氮输送立管产生应力，设计采用增加不锈钢金属软管的方法解决，在矿井底管道拐弯处设管道固定支撑点，在地面上管道起点设置不锈钢金属软管，在出地面套管处设固定管环，便于液氮管道热胀冷缩时沿垂直方向自由伸展，设计时必须通过计算留有足够的管道伸缩量。煤矿井底中管道也会产生管道应力，设计时采用增加不锈钢金属伸缩节的方法解决，在伸缩节两端管道上设固定点。
5) 安全阀的设计。液氮降温系统上安全阀的设计和安装要严格按照有关规范执行，因为系统调试或者系统运行中，难免会发生安全阀起跳现象，规范设计和施工是安全的保障。为确保安全，安全阀出口管道直接引至总回风巷内。
4 注意事项
4. 1 设计方面
1) 由于钻孔套管中液氮管无法保温，会造成液氮部分汽化，设计时要合理选择液氮温度和压力进行模拟计算。当有实验数据时，要对原来的计算参数和结果进行修正。
2) 合理计算和确认安全阀的起跳压力，既保证系统安全运行，又保证设备完好无损。
3) 合理选择系统低温切断阀的结构形式，尽量降低管道系统阻力。
4) 设计选用的设备、仪表、阀门等必须符合煤安标准要求。
4. 2 运行方面
1) 系统必须进行 “三查四定”，对查出的问题必须进行整改，并经过最终确认。
2) 按照操作手册具体要求进行试车及运行，系统要求全流程预冷，待预冷结束要检查系统阀门、法兰、管道、支架等是否有异常现象，由于热胀冷缩原因，需要对系统再次进行消缺式修复和完善。
3) 工作人员进入上( 下) 隅角作业时，必须由当班班长利用瓦斯 －氧气两用仪和 CO 报警仪检查有害气体浓度，在 CO 浓度超100ppm、氧气低于18%时，调整上( 下) 隅角风筒( 风障) 方向，稀释有害气体浓度，待 CO 浓度低于100ppm、氧气高于 18% 时方可作业［1，3］。
4) 系统运行初期要时刻观察减压阀组前后压力表的数值，每隔20min纪录此处液氮温度及压力数值变化情况，掌握数值变化规律。
5) 观察减压阀组出口压力、空浴式液氮换热装置进口压力，确认安全阀的起跳压力设计的合理性。
6) 液氮灌注时，要时刻关注煤矿矿井中氧气浓度变化，确保煤矿采掘面氧气含量大于 18%、CO 浓度小于100ppm 为最低限，并设氧气浓度报警联锁装置，否则要检查系统运行是否异常［1，3］。
7) 煤矿矿井安全信号要通讯到煤矿地面消防控制中心，随时掌控矿井中液氮降温系统的工作状态。
5 应用分析
根据黑金煤矿现场实测，工作面下隅角及回风流实测温度一般为31～34℃，经液氮降温后，对运行效果进行了测试，结果见表2。由表2可知，该系统运行后降温效果明显、环境检测气体浓度稳定、环境安全，经过长时间观测，温降达到一定程度后环境温度基本上稳定在一定范围内。
6 结 语
煤矿矿井工作面采用液氮降温系统，不但改善了工作面作业环境，提高了生产效率，而且还为易自燃煤层CO防治积累了经验，丰富了大采高工作面防灭火技术手段，应用前景十分广阔。但不同地区的煤矿利用液氮系统进行降温是否都可行，要进行技术分析及经济性比较，对于液氮气源充足尤其是液氮外排大气的地区，无疑是最佳的方式;对于液氮气源缺乏的地区，要根据实际情况进行具体分析。
参考文献:
［1］ 国家安全生产监督管理局． 国家煤矿安全监察局． 煤矿安全规程 ［M］． 北京: 煤炭工业出版社，2012．
［2］ 液氮防灭火工程设计 ［DB/OL］． ( 2010 －12 －10) ［2012 －12 － 19］．
［3］ GB 50215 －2005，煤炭工业矿井设计规范 ［S］．