1 Școală de inginerie de siguranță, Universitatea din China a minelor și tehnologiei (CUMT), Xuzhou 221116, China

2 Laborator cheie pentru controlul gazelor și focului pentru minele de cărbune, CUMT, Xuzhou 221116, China

3 Centrul Național de Cercetare Inginerie pentru Controlul Cărbunelui și Gazelor, CUMT, Xuzhou 221116, China

Abstract

Aplicarea injecției de azot lichid este o tehnică importantă în domeniul prevenirii incendiilor din minele de cărbune. Cu toate acestea, mecanismul de transfer al căldurii și al masei azotului criogen în mediul poros goaf nu a fost bine accesat. Prin urmare, implementarea ingineriei de prevenire a incendiilor a azotului lichid s-a bazat aproximativ pe o viziune empirică. Potrivit decalajului de cercetare în acest sens, a fost propus un studiu experimental privind transferul de căldură și masă al azotului lichid în mediul poros de cărbune. În general, principalul mecanism al tehnologiei de prevenire a incendiilor cu azot lichid din mina de cărbune este crearea unei atmosfere inerte și criogene. Norul de vapori de azot criogenic, mai greu decât aerul, ar provoca fenomenul „decantării gravitației” în medii poroase în primul rând. Criogenul ar putea fi aplicabil diverselor tipuri de incendii, atât în ​​deschideri, cât și în incinte. Implementarea tehnicii de injecție deschisă a azotului lichid în minaua Yangchangwan a atins obiectivele de prevenire a incendiilor și răcire cu aer. Între timp, acest studiu poate oferi, de asemenea, o referință esențială pentru cercetarea privind transferul de căldură și masă în medii poroase în domeniul fizicii și ingineriei termice.

1. Introducere

Azotul lichid, un agent frigorific sigur, extrem de eficient, curat, ușor de obținut și cu temperatură scăzută, a fost utilizat pe scară largă în biologie, tratament medical, zootehnie, alimente, metalurgie, electronică, industria aerospațială și criogenică și alte domenii. Azotul lichid are rolul dublu de răcire și inertizare; (i) absorbția de căldură a vaporizării poate face ca temperatura combustibilului să scadă sub temperatura de aprindere și (ii) azotul criogen după expansiunea vaporizării ar putea reduce semnificativ conținutul de oxigen din atmosferă. Prin urmare, azotul lichid este un agent de stingere a incendiilor extrem de eficient. Studiile anterioare au arătat că azotul lichid poate stinge rapid și eficient focul de sodiu [1], pentru care agenții de stingere a apei și a dioxidului de carbon nu reușesc să obțină efectul. Azotul lichid poate fi utilizat și pentru stingerea izopropanolului [2], etanolului, propanolului și motorinei [3] și a altor incendii din bazinul de petrol, precum și a incendiilor din clădiri [4], evitându-se astfel deteriorarea bunurilor cauzate de agentul de stingere a apei.

Confruntată cu o problemă atât de dificilă, din fericire, aplicarea injecției cu azot lichid a fost confirmată a fi o tehnică eficientă în domeniul prevenirii incendiilor din minele de cărbune și a obținut rezultate destul de bune în prevenirea arderii spontane a cărbunelui subteran al băncilor de deșeuri [8-10] . Cu toate acestea, mecanismul transferului de căldură și masă al azotului criogen în mediul complex al mediului poros goaf nu a fost bine accesat. Prin urmare, implementarea tehnologiei de prevenire a incendiilor și ingineria azotului lichid s-au bazat aproximativ pe o viziune empirică. Conform lacunelor de cercetare în acest sens, a fost propus un studiu experimental privind transferul de căldură și masă al azotului lichid în corpul de cărbune liber, pentru a dezvălui legea de prevenire a incendiilor a azotului criogen și a oferi îndrumări pentru implementarea prevenirii incendiilor cu azot lichid și tehnologie de stingere și inginerie în teste in situ. Între timp, acest studiu poate oferi, de asemenea, o referință importantă pentru cercetarea privind transferul de căldură și masă în medii poroase în domeniul fizicii și ingineriei termice.

2. Configurare experimentală

Platforma experimentală (așa cum se arată în Figura 1) a fost compusă în principal dintr-un recipient de azot lichid auto-presurizat, un furtun criogen, un sistem de corp de cărbune liber, un sistem de achiziție a temperaturii, un sistem de achiziție a concentrației de oxigen și un computer. Dintre acestea, volumul efectiv al recipientului de azot lichid auto-presurizat a fost de 100 L, presiunea de lucru standard a fost de 0,1 MPa, iar rata zilnică de evaporare a fost mai mică de 1,3%. Domeniile de măsurare ale debitmetrului au fost de la 0 la 5,0 L/min cu o precizie de ± 0,1 L/min. Temperatura medie din interiorul debitmetrului a variat de la -200 ° C la + 80 ° C. Diametrul furtunului criogenic cu azot lichid a fost de 25 mm. Temperatura medie din interiorul furtunului criogenic ar putea varia de la -196 ° C la + 200 ° C.

transferului

Configurarea experimentală a transferului de căldură și masă al azotului lichid în medii poroase.

Sistemul de corp de cărbune în vrac a inclus o nuanță de plexiglas rezistent la temperaturi scăzute, cărbune în vrac și piedestal. Umbra era un cub cu o lungime laterală de 1000 mm, orificiul rotund care este chiar deasupra acestuia avea un diametru de 300 mm, iar cele patru deschideri rotunde din jurul peretelui erau de 20 mm. Regularitatea transferului de căldură și masă al azotului lichid în medii poroase a fost derivată în funcție de simularea deschiderii umbrei de plexiglas rezistente la temperaturi scăzute. La simularea azotului lichid de perfuzie deschis, toate deschiderile corpului de acoperire deasupra și în jurul acesteia au fost deschise. Dimpotrivă, toate orificiile au fost închise în condiții de perfuzie închisă azot lichid. Mediul corpului liber a fost selectat pentru cărbune, un fel de material microporos, care era, de asemenea, un fel de acumulare de mediu poros din macrolivel. Rezultatele analizei industriale ale probei de cărbune au fost prezentate în Tabelul 1.

Selectând o dimensiune medie a particulelor de cărbune între 5 mm și 10 mm, 10 mm până la 15 mm și 15 mm până la 20 mm într-o sită, trei grupuri de particule de cărbune îngrămădite în înălțimea de 400 mm cărbune liber. Cărbunele liber a fost poziționat în nuanța de plexiglas. Parametru de anulare care este marcat ca

a fost folosit pentru a caracteriza cele trei grupuri de corp de acumulare libere, după cum urmează:

unde este volumul aparent al grămezii. este volumul unei singure particule de cărbune.

este factorul spațial, a cărui valoare este 0,4 în acest experiment. Furtunul criogen perpendicular pe acest plan a fost plasat în corpul liber al cărbunelui pe orizontală. Ieșirea furtunului a fost conectată la ecrane în scopul eliberării de azot lichid uniformitate în lateral. Un sistem bidimensional de coordonate a fost creat pentru a descrie toate punctele de măsurare cu portul de injecție a azotului ca origine a coordonatelor. Coordonatele tuturor punctelor de măsurare în ordine au fost 1 # (0, −80), 2 # (0, 0), 3 # (80, 0), 4 # (0, 160), 5 # (0, −160), și 6 # (160, 0). Experimentul a fost realizat la temperatura camerei de 10 ° C, iar concentrația de oxigen a fost de 20,95% în atmosferă. Debitul de azot lichid a fost controlat la 1,0 L/min aproximativ. Schema experimentală a fost prezentată în Tabelul 2. Pe baza metodei experimentale de simulare tranzitorie bidimensională, regularitatea transferului de căldură și masă a azotului lichid în mediul poros liber al corpului de cărbune a fost dezvăluită în această lucrare.

3. Rezultate

3.1. Temperatura instantanee a fiecărui experiment
Variația temperaturii punctelor de măsurare în funcție de timp.
3.2. Variația instantanee a concentrației de oxigen a fiecărui experiment

Din Figura 3 se observă în mod clar că azotul a umplut rapid întregul spațiu de umbră de plexiglas într-un timp scurt din cauza vaporizării și expansiunii rapide a azotului lichid. Prin urmare, concentrația de oxigen a tuturor punctelor de măsurare a scăzut semnificativ într-o perioadă scurtă. Sub condiția perfuziei de azot lichid într-un spațiu limitat, azotul vaporizat a jucat un rol bun în forțarea eliminării gazului cald de oxigen. Conținutul de oxigen care scade brusc în recipient a indicat faptul că infuzia de azot lichid ar putea inhiba în mod eficient arderea spontană a cărbunelui, astfel încât să se evite focul minelor. Din rezultatele experimentale ale dimensiunii medii a particulelor de cărbune de 7,5 mm în grupul E și grupul F, concentrația de oxigen a scăzut ușor, ceea ce ar putea fi legat de particula mică de cărbune sau de golirea medie poroasă.

Variația concentrației de oxigen a punctelor de măsurare în funcție de timp.

Se știe că transferul de căldură și masă în medii poroase este o problemă fizică extrem de complexă. În special, transportul azotului lichid în medii poroase ar provoca procese complicate de transfer de energie și masă și procese de transfer de căldură și masă, inclusiv schimbarea fazei azotului lichid, conducerea căldurii, convecția, scurgerea gazului, difuzia gazului, adsorbția sau desorbția azotului pe cărbune și altele procese complexe. Prin urmare, rezultatele analizei macroscopice ale experimentului au fost obținute doar din perspectiva prevenirii incendiilor în această lucrare, pentru a oferi baza de implementare pentru tehnologia și ingineria de prevenire a incendiilor. Rezultatele consolidate din Figurile 2 și 3 ar putea fi trase că principalul mecanism al tehnologiei de prevenire a incendiilor cu azot lichid în mina de cărbune a fost crearea unei atmosfere inerte și criogene.

4. Discutie

4.1. Voiaj

Din analiza de mai sus, tehnologia de prevenire a incendiilor cu azot lichid a dominat sub aspectul efectului inerent. Referindu-ne la indicatorii de inertizare a gazelor inerte pentru prevenirea incendiilor în minele de cărbune, concentrația de oxigen utilizată pentru inhibarea inertelor sau a exploziei ar trebui să fie mai mică de 12% în atmosferă. Conform condițiilor experimentale, definiția concentrației de oxigen a atins 10% ca concentrație critică a tehnologiei de prevenire a incendiilor cu azot lichid. Parametrul

în (2) a fost definită ca rata de transport a vaporilor de azot lichid în cărbune liber poros în condiții experimentale. Rezultatele experimentale au fost prezentate în Figura 4:

unde este rata de transport a vaporilor de azot lichid în cărbune poros slab în s −1. este diferența dintre concentrația inițială de oxigen și concentrația critică în%. Și este timpul care a atins concentrația inertă critică în s.


Pentru diferite dimensiuni de particule de cărbune liber, rata de migrație a temperaturii și a câmpului de concentrație de azot a fost, de asemenea, diferită, așa cum se arată în Figura 4. Datele necompletate din Figura 4 au arătat că concentrația de azot a punctelor de măsurare nu a atins indicele inert. Cu cât diametrul echivalent al particulei de cărbune este mai mic, cu atât permeabilitatea la aer ar deveni mai slabă, întârziind astfel viteza de transmisie a penetrării vaporilor de azot și a temperaturii aburului. Luând punctul de măsurare 1 #, de exemplu, pentru grupul A, grupul C și experimentul grupului E cu injecție deschisă de azot lichid, compararea parametrului se citește după cum urmează:

, în timp ce, pentru grupul B, grupul D și grupul F experimentează cu injecție închisă de azot lichid, compararea parametrului a fost după cum urmează:

4.2. Mediul districtului de pompieri

Experimentul a simulat atât injecția deschisă, cât și cea închisă de azot lichid în două moduri diferite, comparând cu variația concentrației de temperatură și oxigen în două tipuri de condiții de injecție diferită de azot în corpul de cărbune liber. După cum se poate vedea din Figura 4, injecția deschisă și închisă de azot lichid în cele două abordări a avut un impact mai mic asupra performanței difuziei vaporilor de azot lichid în cărbune liber în condițiile noastre experimentale. Cu alte cuvinte, a oferit o bază pentru domeniul ingineriei de prevenire a incendiilor din minele de cărbune a perfuziei deschise de azot lichid.

4.3. Dispersie verticală și orizontală

Azotul criogenic singur, injectat la o temperatură de -196 ° C în deșeurile uscate de cărbune, a acționat ca un lichid, curgând în jos cu dispersie orizontală limitată [11, 12]. O analiză comparativă a punctelor de măsurare 1 # și 3 # din Figura 4 a indicat că viteza de difuzie a vaporilor de azot vertical în jos a fost de 1,1 până la 2,2 ori mai mare decât cea a direcției orizontale. Analiza comparativă a punctelor de măsurare 5 # și 6 # a indicat că rata de difuzie a vaporilor de azot vertical în jos a fost de 1,7 ori mai mare decât cea a direcției orizontale.

Cu toate acestea, dacă deșeurile erau umede, gheața formată în timpul injecției criogenice ar putea conține și direcționa fluxul de azot lichid. Acesta ar putea fi motivul pentru care concentrația de oxigen a scăzut ușor față de rezultatele experimentale ale mărimii medii a particulelor de cărbune de 7,5 mm în grupul E și grupul F.

Pe măsură ce azotul lichid s-a evaporat, gazul în expansiune a acționat ca un piston, forțând aerul cald să iasă din patul poros. Difuzia vaporilor de azot după vaporizarea lichidă criogenică a fost mai complexă decât azotul normal. Norul de vapori de azot criogen gazos, mai greu decât aerul, ar provoca fenomenul „decantării gravitației” în primul rând. Densitatea gazului vaporizat cu azot lichid a fost disponibilă calculată în conformitate cu (3). Datorită turbulențelor atmosferice, aerul a fost aspirat în interiorul norului și norul de gaz greu cu temperatură scăzută ar fi încălzit și transformat în proliferarea gazului vertical (mai mic decât densitatea aerului):

unde reprezintă greutatea moleculară a azotului în 28 g/mol. este presiunea absolută a gazului în Pa. este temperatura calculată în .

Astfel, densitatea gazului a fost invers proporțională cu temperatura sub condiția unei presiuni constante. Când

, performanța de difuzie a vaporilor de azot criogenici a fost similară cu caracteristicile de dispersie a gazelor grele. Când

, vaporii de azot au prezentat caracteristici plutitoare de gaze neîngrădite.

5. Demonstrație de caz

Fabrica Yangchangwan, o mină mare de cărbune proiectată cu o capacitate de 15 milioane t/a, se află în regiunea autonomă Ningxia Hui din China. Are o suprafață minieră de 12 # de 1 puț care aparține zonei de deteriorare a căldurii de clasa II, gradientul său geotermic mediu este de 3 până la 4,5 ° C/100 m, iar temperatura aerului de retur al feței de lucru este de până la 34 ° C vara. Perioada de combustie spontană a cusăturii de cărbune este de la 1 la 3 luni, minimum 23 de zile, cu nivel de combustie spontană a cărbunelui de gradul I (provocând cu ușurință arderea spontană) și punctul de aprindere de 305 ° C. Sub dubla amenințare a riscului de temperatură a solului și a dezastrului de combustie spontană a cărbunelui, problema de prevenire a incendiilor din mină este foarte proeminentă și spinoasă.

În fața de lucru 120204 a masei Yangchangwan, cu un design minier de 5,6 m înălțime, situația de prevenire a incendiilor a fost deosebit de sumbru. Din Tabelul 3 se poate observa că amploarea zonei periculoase de ardere spontană a feței de lucru a fost extrem de mare. În special, lățimea zonelor periculoase de ardere spontană de lângă partea de admisie a aerului a fost mai mare de 145 m, iar cea a zonelor de scurgere a aerului a fost de aproximativ 20 m. Lățimea zonelor periculoase de ardere spontană în mijlocul gafei a fost de aproximativ 100 m, iar cea a zonelor de scurgere a aerului a fost de aproximativ 35 m. În comparație cu fața generală de lucru complet mecanizată, zonele periculoase de ardere spontană ale feței miniere de înălțime mare a băncii de deșeuri miniere au fost zone relativ mari. Golirea gafei miniere de înaltă înălțime a fost relativ mare, crescând intensitatea scurgerii gafei.