防治煤自燃的气溶胶制备装置及工艺

摘要

本发明涉及一种防治煤自燃的气溶胶制备装置及工艺，解决了防治煤矿采空区特别是高位空间遗煤自燃的问题，它包括射流比例装置、气溶胶雾化装置以及气动输送装置，其中，射流比例装置包括射流比例器、与射流比例器喷嘴连接的压力水进口、与射流比例器吸液室连接的阻化剂进口，射流比例器输出口与气溶胶雾化装置进液口连接；气溶胶雾化装置包括雾化室，雾化室的雾状气溶胶输出口与气动输送装置吸入口连接；气动输送装置包括气动输送器、与气动输送器连通的气动输送装置吸入口、与气动输送器连通的压力气体进口和气动输送装置输出口。本发明是用水将阻化剂稀释，再将其雾化，最后用压力气体将雾状的阻化气溶胶输送到采空区。

权利要求

1.防治煤自燃的气溶胶制备装置，其特征在于：包括依次相连的射流比例装置、气溶胶雾化装置以及气动输送装置，其中，射流比例装置包括射流比例器、与射流比例器喷嘴连接的压力水进口、与射流比例器吸液室连接的阻化剂进口，射流比例器输出口与气溶胶雾化装置进液口连接；

气溶胶雾化装置包括置于防爆外壳内的雾化室和电源接线端，雾化室内设有雾化板，雾化室的雾状气溶胶输出口与气动输送装置吸入口连接；

气动输送装置包括气动输送器、与气动输送器连通的气动输送装置吸入口、与气动输送器连通的压力气体进口和气动输送装置输出口，所述的压力气体是氮气或二氧化碳。

2.根据权利要求1所述的防治煤自燃的气溶胶制备装置，其特征在于：所述射流比例器包括喷嘴、位于喷嘴外围的吸液室、与吸液室连接的喉管和与喉管连接的扩散管，当压力水的压力为1～2Mpa时，阻化剂与压力水的体积流量比为1∶3～1∶4。

3.根据权利要求1或2所述的防治煤自燃的气溶胶制备装置，其特征在于：所述雾化板为集成式超声波雾化板。

4.根据权利要求1或2所述的防治煤自燃的气溶胶制备装置，其特征在于：在射流比例装置的压力水进口管道和阻化剂进口管道上分别设有压力表、流量计和滤网。

5.根据权利要求1或2所述的防治煤自燃的气溶胶制备装置，其特征在于：所述气动输送器具有一个中心腔室和位于中心腔室外围的环形腔，环形腔与中心腔室的进口端之间设有环形喷嘴，压力气体进口与环形腔相连，气动输送装置吸入口与中心腔室的进口端相连。

6.一种防治煤自燃的气溶胶制备工艺，其特征在于：包括以下步骤：

1)阻化剂混合液的制备：使用射流比例装置，用压力水射流产生的负压将阻化剂吸入，进行稀释混合，得到阻化剂混合液；

2)雾化：将步骤1)得到的阻化剂混合液通过射流比例装置输送到气溶胶雾化装置进行雾化处理，得到雾状阻化气溶胶；

3)气动输出：使用气动输送装置，用压力氮气或压力二氧化碳气将步骤2)得到的雾状阻化气溶胶吸入气动输送装置的气动输送器，雾状阻化气溶胶与压力氮气或压力二氧化碳气混合，并借助压力氮气或压力二氧化碳气的动力将雾状阻化气溶胶输出到采空区。

7.根据权利要求6所述的工艺，其特征在于：步骤1)中压力水的压力为1～2Mpa，阻化剂与压力水的体积流量比为1∶3～1∶4；步骤2)中雾化后的阻化气溶胶微粒直径为

1～10μm。

8.根据权利要求6或7所述的工艺，其特征在于：步骤3)中氮气或二氧化碳气的压力为：0.5～0.7MPa。

9.根据权利要求6或7所述的工艺，其特征在于：阻化剂是CaCl2溶液、MgCl2溶液、ZnCl2溶液或Ca(OH)2溶液。

说明书

防治煤自燃的气溶胶制备装置及工艺

技术领域

[0001] 本发明涉及采空区煤自燃防火技术领域。

背景技术

[0002] 全国煤矿中有56％的矿井存在自然发火的危险，每年造成的直接和间接经济损失近百亿元。现有的防灭火技术均是通过降低或减少煤氧结合来实现防灭火，对于漏风较为通畅的采空区的阻化惰化难度较大。尤其是综采和综放开采技术的采用矿井开采强度加大，通风系统相对复杂化，采空区范围不断扩大，而采空区是最容易也是最常发生自燃火灾的区域，极大的增加了矿井煤炭自燃发火的频率及防治的难度。采空区丢落有大量的浮煤；存在连续不断的漏风供氧；具备良好的遗煤蓄热环境，而且采空区面积大、自燃“三带”随工作面的推进呈动态移动、遗煤高温范围大、高温点隐蔽，一旦发生自燃往往是大面积的，灭火难度很大。

[0003] 目前防治煤自燃的主要手段是降温(如注水、注浆、注胶体、注三相泡沫等)和采空区惰化(如注氮气、注二氧化碳等)，这些手段虽然在煤矿近距离采空区低位空间中的防灭火发挥了积极作用，但对于远距离采空区的高位空间着火还不能完全奏效。由于煤自燃多发生在采空区内，采空区的面积较大，火源点比较隐蔽并且难以确定其具体位置，常规防灭火材料很难进行大面积充填，并且不具备良好的堆积性，对防治工作面采空区等区域煤自燃火灾效果不理想。所以迫切需要研究能使采空区降氧、惰化，把阻化材料带到远距离隐蔽区域阻化遗煤自燃，并到达采空区高位空间的防火材料、装备及应用工艺。

发明内容

[0004] 本发明提供一种防治煤自燃的气溶胶制备装置及工艺，它可以防治煤矿采空区等区域遗煤的自燃，把阻化材料带到远距离隐蔽区域，特别是带到采空区高位空间阻化遗煤自燃。

[0005] 本发明解决上述问题的思路是：将阻化剂稀释，并雾化成气溶胶送入采空区煤自燃危险区域。

[0006] 为解决以上技术问题，本发明给出以下技术方案：

[0007] 本发明所提供的防治煤自燃的气溶胶制备装置，其特殊之处在于：包括依次相连的射流比例装置、气溶胶雾化装置以及气动输送装置，

[0008] 其中，射流比例装置包括射流比例器、与射流比例器喷嘴连接的压力水进口、与射流比例器吸液室连接的阻化剂进口，射流比例器输出口与气溶胶雾化装置进液口连接；

[0009] 气溶胶雾化装置包括置于防爆外壳内的雾化室和电源接线端，雾化室内设有雾化板，雾化室的雾状气溶胶输出口与气动输送装置吸入口连接；

[0010] 气动输送装置包括气动输送器、与气动输送器连通的气动输送装置吸入口、与气动输送器连通的压力气体进口和气动输送装置输出口，所述的压力气体是氮气或二氧化碳，考虑到对工作人员的安全，优选氮气。

[0011] 本发明的优选方案是上述射流比例器包括喷嘴、位于喷嘴外围的吸液室、与吸液室连接的喉管和与喉管连接的扩散管，当压力水的压力为1～2Mpa时，阻化剂与压力水的体积流量比为1∶3～1∶4。

[0012] 上述雾化板最好采用集成式超声波雾化板。

[0013] 为了实时观测射流比例装置管道上液体的压力和流量，还为了保证雾化质量，防止杂质进入到气溶胶雾化装置，在射流比例装置的压力水进口管道和阻化剂进口管道上分别设有压力表、流量计和滤网。

[0014] 本发明提供的防治煤自燃的气溶胶制备工艺，其特殊之处在于：包括以下步骤：

[0015] 1)阻化剂混合液的制备：使用射流比例装置，用压力水射流产生的负压将阻化剂吸入，进行稀释混合，得到阻化剂混合液；

[0016] 2)雾化：将步骤1)得到的阻化剂混合液通过射流比例装置输送到气溶胶雾化装置进行雾化处理，得到雾状阻化气溶胶；

[0017] 3)气动输出：使用气动输送装置，用压力氮气或压力二氧化碳气将步骤2)得到的雾状阻化气溶胶吸入气动输送装置的气动输送器，雾状阻化气溶胶与压力氮气或压力二氧化碳气混合，并借助压力氮气或压力二氧化碳气的动力将雾状阻化气溶胶输出到采空区。

[0018] 本方法的优选方案是：步骤1)中压力水的压力为1～2Mpa，阻化剂与压力水的体积流量比为1∶3～1∶4；步骤2)中雾化后的阻化气溶胶微粒直径为1～10μm。

[0019] 上述步骤3)中氮气或二氧化碳气的压力优选为：0.5～0.7MPa。

[0020] 阻化剂可以是CaCl2溶液、MgCl2溶液、ZnCl2溶液或Ca(OH)2溶液中的一种或几种混合，但并不仅限于这几种。

[0021] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：

[0022] 本发明以压力水和压力氮气或压力二氧化碳气体作为输送动力，所以安全可靠。由于制备的阻化气溶胶为雾状，借助压力气体的动力可以迅速对整体大面积采空区和高位空间的遗煤进行阻化，延长自然发火期，起到包裹、阻化、惰化的作用，有效的抑制和预防煤自燃的发展。

[0023] 本发明可利用井下注氮系统，通过气动输送器将阻化气溶胶输送到采空区煤自燃隐蔽区域，进入火区的氮气具有降氧惰化的作用，阻化气溶胶的微粒覆盖在煤体表面，通过吸热、窒息和物理化学阻化的协同作用抑制煤与氧的结合，并消耗掉煤氧复合反应产生的自由活性基团，延长了煤的自然发火期。阻化气溶胶微粒具有良好的悬浮能力和绕障能力，在很短的时间内扩散到采空区深部自燃危险区域的各个部位，实现惰化的同时还能对微小空间进行渗透，进入采空区深部煤自燃隐蔽区域，实现了全方位防火，提高了防火效率。

[0024] 本发明提供的气溶胶制备装置体积小，结构简单，操作方便，运行安全，稳定可靠，使用动力可以采用井下正常使用的供水、注氮系统，在高瓦斯矿井使用更安全可靠，且对环境和人员没有任何负面影响。

附图说明

[0025] 图1为本发明的结构示意图；

[0026] 图2为本发明的结构简图；

[0027] 图3为本发明的气动输送器的结构示意图。

[0028] 附图标记：

[0029] 1-射流比例器；2-压力水进口；3-阻化剂进口；4-气溶胶雾化装置进液口；5-雾化室；6-射流比例器输出口；7-雾状气溶胶置输出口；8-气动输送装置吸入口；9-气动输送器；10-压力气体进口；11-气动输送装置输出口；12-喷嘴；13-吸液室；14-喉管；15-扩散管；16-中心腔室；17-环形腔；18-环形喷嘴；19-排液阀；20-快插接头；21-矿用截止阀；22-滤网；23-流量计。

具体实施方式

[0030] 以下结合附图对本发明的内容加以详细说明。

[0031] 如图1和图2所示，本发明的气溶胶制备装置包括射流比例装置、气溶胶雾化装置以及气动输送装置。射流比例装置包括射流比例器1、与射流比例器喷嘴12连接的压力水进口2、与射流比例器吸液室13连接的阻化剂进口3，射流比例器输出口6与气溶胶雾化装置进液口4连接；气溶胶雾化装置包括置于防爆外壳内的雾化室5和电源接线端，雾化室内设有集成式超声波雾化板，雾化室的雾状气溶胶输出口7与气动输送装置吸入口8连接；气动输送装置包括气动输送器9、与气动输送器连通的气动输送装置吸入口、与气动输送器连通的压力气体进口10和气动输送装置输出口11，压力气体可以选用氮气或二氧化碳，考虑到对工作人员的安全，优选氮气。

[0032] 如图2所示，射流比例器包括喷嘴12、位于喷嘴外围的吸液室13、与吸液室连接的喉管14和与喉管连接的扩散管15，喉管长度为喉管内径的2倍；当压力水的压力为1～2Mpa时，阻化剂与压力水的体积流量比为1∶3～1∶4。

[0033] 由于本发明在工作时，气溶胶雾化装置在雾化过程中会产生液体，影响雾化工作，因此，气溶胶雾化装置上还设置了排液阀19、浮子液位开关、防爆电磁阀，当气溶胶雾化装置液面超限时，浮子液位开关输出开关量，关闭防爆电磁阀，实现自动闭锁。

[0034] 如图3所示，气动输送器具有一个中心腔室16和位于中心腔室外围的环形腔17，环形腔与中心腔室的进口端之间设有环形喷嘴18，压力气体进口与环形腔相连，气动输送装置吸入口与中心腔室的进口端相连。

[0035] 为了实时观测管道上液体的压力和流量，防止杂质进入，在压力水进口管道上和阻化剂进口管道上设置有矿用截止阀、滤网、流量计，管道间采用矿用快插接头；气溶胶雾化装置进液口的管道上设置有矿用截止阀、滤网；压力气体进口管道上设置有流量计、矿用截止阀；压力水与阻化剂的流量和比例可以利用矿用截止阀进行调节与控制。本发明各个管道的端头采用了矿用快插接头，工作人员可以根据煤矿深度的具体情况，灵活的增加、拆卸或安装本发明的装置。

[0036] 实施例具体说明，压力气体以氮气为例：

[0037] 在某个矿井，用1.5Mpa压力水由压力水进口进入射流比例器的喷嘴，在喷嘴出口处由于压力水射流和空气之间的黏滞作用，把喷嘴附近的空气带走，使喷嘴附近形成负压(主流的流速增加，位能降低，动能增加)，在环境大气压力作用下，被抽送阻化剂液体经吸液室被吸上来(阻化剂液体与压力水的体积流量比为1∶4)，并随同压力水一同进入喉管内，在喉管内两股液体发生动量交换，压力水将一部分能量传递给被抽送的阻化剂液体，压力水流速减慢，被抽送的阻化剂液体速度加快，到达喉管末端时两股液体的速度渐趋一致，混合过程基本完成，形成阻化剂混合液进入扩散管，在扩散管内流速逐渐降低(动能逐渐减小)，位能(压力)逐渐增高，到扩散管出口处阻化剂混合液的压力高于被抽送的阻化剂液体流入喉管的压力，低于压力水流入喉管的压力，最后阻化剂混合液从DN20mm的扩散管排出，流入气溶胶雾化装置。

[0038] 在气溶胶雾化装置内，每小时可雾化200kg阻化剂混合液，设置在雾化室内的集成式超声波雾化板，利用超声波雾化振子压电陶瓷所固有超声波振荡特点，电路超声波振荡，传输到压电陶瓷振子表面，压电陶瓷振子产生轴向机械共振变化传输到与其接触的阻化混合液体，使液体表面产生隆起，并在隆起的周围发生空化作用，由空化作用产生的冲击波将以振子的振动频率不断反复，使液体表面产生有限振幅的表面张力波，该张力波的波头飞散，使液体雾化成阻化气溶胶微粒直径为1～10μm的雾状阻化气溶胶。

[0039] 如图2和图3所示，雾化室的雾状气溶胶输出口通过Φ32mm的矿用快插接头连接气动输送装置的吸入口，注氮系统以0.69MPa的压力通过压力气体进口进入环形腔，通过一个小环型喷嘴以极高的流速喷出，气溶胶雾化装置的气动输送器内高速喷出的气流将形成柯恩达效应真空区(如图3所示，图3中的箭头表示了压力气体和雾状阻化气溶胶的走向)，带动气溶胶雾化装置内的雾状阻化气溶胶通过吸入口进入气动输送器的中心腔室，与压力氮气混合，并借助压力氮气的动力将雾状阻化气溶胶从气溶胶雾化装置的输出口输送至采空区(输送放大比例5～30倍)，利用阻化气溶胶良好的流动特性和运移特性，把雾状阻化气溶胶带到远距离隐蔽自燃危险区域，并可到达采空区高位空间，尤其对预防采空区“两道两线”顶煤和煤壁自燃效果非常理想，在煤体表面形成一层阻化膜，阻化膜的成分具有很强的吸水性，能使煤长期处于潮湿状态，减少煤氧化学反应的官能团或阻止自由基反应，使氧化速度受到抑制，延长煤自然发火期，氮气作为压缩气体的动力，在惰化自燃区域的同时，也起到抑制瓦斯和水煤气燃爆的作用。