智慧矿山二氧化碳防灭火系统液态CO2防灭火的机理及效果分析

2）液态CO2防灭火的机理及效果分析
2).1 CO2的物理性质
1．CO2常温、常压下是无色略带酸味的窒息气体。

CO2不可燃，正常情况下也不助燃。

2．CO2在大气中的体积分数仅为0.037%。

它在不同的压力、温度条件下有三种形态，即在低温加压下（-20℃、2MPa）或高压常温（约8MPa、30℃）下气体可变为液态，液体气化过程中，当温度降到-78.5℃后将形成雪花状的固态干冰（固体碳酸）。

3．CO2熔点为-56.6℃(0.52MPa)，临界温度为31.3℃，临界压力7.28 MPa，CO2具有升华特性，升华点为-78.5℃(0.1 MPa)。

4．CO2相对空气密度为1.529，密度为1.976kg/m3(0℃、0.1 MPa)，液态CO2的密度随温度的变化而变化较大，-20℃时，其密度是1.01kg/L，在温度为15℃、0.1 MPa下，1t液态CO2体积膨胀约640倍。

2).2液态CO2防灭火机理分析
1．窒息氧作用
煤的自然发火是煤与氧的氧化反应过程，氧气是氧化反应的必要条件，没有氧气，氧化反应就无法进行。

试验结果证明，氧浓度低于8%时失燃,低于3%时，氧化反应彻底被中止，燃烧现象不能持续进行。

向发火或具有高温火点的采空区内注入液态CO2立即会形成大量的高浓度CO2，会使采空区内原有O2浓度相对减小，并且由于CO2比空气密度大，重于空气，以及煤体对CO2具有较强吸附作用（吸附量为48L/kg，而煤对氮气的吸附量为8 L/kg，前者是后者的6倍）等特点，很容易替代O2而覆盖煤体燃烧点表面，减少煤体燃烧体表面O2浓度，使O2浓度低于自然发火的临界O2浓度，从而防止煤的氧化自燃，或使已形成的火灾因缺O2而窒息灭火。

与此同时，大量的高浓度CO2的扩散会必然会提高采空区内气体静压，进而会降低采空区的漏风量，造成氧化自燃带供氧不足，进而阻止氧化反应的进程。

2．冷却降温作用
煤的燃烧过程实际就是煤的氧化过程，其氧化速度与供氧有关系，也与温度有关系。

煤炭自燃往往经历三个阶段:升温氧化阶段(110-130℃)，加速升温阶段(140-190℃)，急速升温阶段(200℃以上)。

如直接喷注液态CO2时，可使火源明显降温，加速熄灭火源。

液态CO2喷入火区空间会瞬间气化，体积将膨胀640倍左右，需要吸收大量热，温度急剧下降到-78.5℃。

1KG液态CO2蒸发气化需要吸收577.8×103焦耳／KG的热量。

加之煤对 CO2极易吸附特点，在吸附过程中将吸附热转移给CO2气体，从而会遏止燃烧的链锁反应。

同时扩散采空区内的CO2气体也会吸收氧化反应过程中所产生的热量，降低周围介质的温度，以减缓煤的升温速度，促使煤的氧化反应由于聚热条件的破坏而延缓或终止。

3. 惰化抑爆作用
气化后的CO2在冲淡可燃气与氧的含量过程中，也使火区空间气体惰化程度不断增大，从而使混合气失去可爆性。

CO2的惰化作用优于其他惰性气体。

在以氮气注入的火区阻爆临界氧浓度为12%，火区内明火被熄灭的临界氧浓度为9.5%；而以CO2注入的火区阻爆临界氧浓度为14.6%，火区内明火被熄灭的临界氧浓度为11.5%。

经两者比较，CO2惰气的阻燃、阻爆性能明显优于氮气，两者相差2个百分点以上。

2).3研制液态CO2防灭火工艺系统装备的实际意义
通过表1对国内外常规防灭火技术和材料的优缺点比较，以及结合国内个别煤矿试验将液态CO2用于煤矿矿井防灭火的应用实践，如兖州南屯矿2003年11月曾利用在地面将液态CO2气化成气态CO2通过管路输入井下火区实施灭火，取得明显灭火效果；鹤岗矿区在去年曾经试验过将液态CO2直接从地面利用通往井下火区管道向火区灌注，也取得灭火明显效果。

我们总结分析，相比其它常规防灭火技术，液态CO2防灭火技术存在以下优点：
（1）液态CO2灌注入火区空间会瞬间体积膨胀气化，并吸收大量热，使得火区温度和氧气浓度降低加快，降温效果明显。

（2）适用范围广，液态CO2经过吸收热量气化后，可充扩散充满任何形状的燃烧空间，因而便于对矿井采空区深部、高冒窝等人们不便接近的地点进行灭火。

（3）液态CO2灌注火区后，能有效降低煤氧复合速度，迅速抑制燃烧，更
有利于防止瓦斯、煤尘爆炸。

（4）负面损失少，不会损坏设备和井巷设施，因而灭火后恢复工作量少且容易。

（5）输送便利。

（6）灭火用材成本低于其他灭火成本。

通过对液态CO2防灭火作用和机理研究，以及国内外防灭火技术比较分析，我们认为利用液态CO2防灭火技术思路是没问题的，正好充分体现通过控制煤矿矿井火灾三要素（可燃物的存在、热源、具有一定浓度氧的空气供给）之一的防灭火理念，而且利用其防灭火与其他防灭火技术方法比较具有速度快，操作简单，成本低，防灭火效果显著可靠等特点，是一项先进的防灭火技术，甚至可能将不失为当前煤矿井下防灭火最佳技术措施。

但是要想将这项技术措施推开，必须解决高压低温下防止管道爆裂及保障CO2以液态形式注入火区等工艺安全问题，研究开发出适宜于液态CO2特性及煤矿井下特点的液态CO2防灭火工艺系统装备，并制订和落实相关安全保障措施。