液態CO2 防滅火管路輸送特性影響分析

吳 虎，陸 偉，李金亮，亓冠圣，張 茜

（1.山東科技大學 安全與環境工程學院，山東 青島 266590；2.安徽理工大學 安全科學與工程學院，安徽 淮南 232001）

煤自燃是礦井火災的主要類型[1]，主要發生在井下采空區，與井下煤塵、瓦斯發生作用可能引發爆炸，而且在煤塵自燃過程中會釋放大量的CO2等有毒有害氣體，直接威脅到礦井人員的生命安全[2-3]。目前針對煤自燃滅火及預防技術主要有: 注氮、注漿、注凝膠等常規性措施[4-6]。但是在實施過程中發現，向采空區注入氮氣后，由于圍巖存在裂隙、漏風，會導致在采空區滯留時間短，不能達到明顯的效果；向采空區注漿，由于漿體流動性受到制約以及地質條件的影響，不能很好地覆蓋采空區；注凝膠或其他材料成本高，工藝復雜，影響生產。采用液態CO2滅火速度快、范圍廣，且CO2為化工副產品，價格低廉，在火災治理中具有良好的效果[7]。

在煤自燃防治技術手段中，向采空區灌注液態CO2是1 種良好的方法。液態CO2注入火區后，CO2會迅速氣化,氣化過程吸收大量的熱，會使周圍環境溫度急劇下降，從而使火源溫度降到著火點溫度以下而停止燃燒；此外還能降低火區中的氧體積分數，同時CO2可以被吸附到煤中，形成對煤體的包裹，有效地阻斷采空區煤—氧的復合作用，從而實現抑制采空區遺煤的氧化自燃[8-9]。

目前井下CO2防滅火主要有鉆孔輸送液態CO2[10]、地面氣化管路灌注[11]和井下移動式灌注[12]3種方式。通過鉆孔輸送液態CO2，其經濟成本比較高，且只能將液態CO2定向注入到單一采空區的固定位置，缺乏靈活性；地面氣化管路因為向采空區注入氣態CO2，對管道直徑規格要求較大，且氣態CO2在輸送過程中會產生較大壓降，需要在管路中增加增壓泵等輔助設施，增加成本；井下移動式灌注是將大型槽車內的液態CO2分裝至便于移動和運送的小型儲罐內，然后將儲罐運送到靠近井下防滅火地點，由于操作復雜，導致治理效率較低。因此有必要設計1 種長距離管路輸送系統，能夠快速進行大流量的灌注，使其在最短的時間內完成火區治理工作。但由于液態CO2在輸送過程中影響因素較多，通過管道遠距離輸送CO2進行滅火時，液態CO2容易發生相變，產生干冰堵塞管道，其工藝實現困難[13]。因此，通過分析諸多因素是如何影響CO2輸送過程，對開展井下液態CO2防滅火長輸管道安全評價具有重要意義。

基于此，基于Aspen HYSYS V8.4 對管輸液態CO2過程進行模擬[14]，通過正交試驗研究環境因素（環境溫度、風速大小、保溫棉厚度、管道傾角）對液態CO2輸送過程的影響特性，研究液態CO2出口流量對于液態CO2輸送距離以及輸送過程中溫壓特性影響，得出不同管徑最優的流量設置，為液態CO2直注系統提供理論依據。

1 研究方法

在研究CO2管道輸送過程中沿程參數時，需要對CO2的物理性質如相行為、密度、黏度等進行精確地表示。Peng-Robinson（PR）狀態方程在計算CO2的熱力學性質和氣液平衡（VLE）有著廣泛的應用[15]，且在計算純CO2或含硫化氫或甲烷雜質的CO2的物性時具有較高的精度；故采用RK 方程作為管輸狀態方程。

式中：p 為流體壓力，Pa；R 為氣體常數，8.314 J/（mol·k）；V 為氣體摩爾體積，10-3m3/mol；T 為溫度，K；Tc為臨界溫度，304.13 K；Tr為對比溫度，Tr=T/Tc；ω 為偏心因子，取0.225；pc為臨界壓力，Pa。

在CO2管道輸送時進入模擬環境后，對管道參數、熱力學參數以及流體的成分等參數進行輸入，入口參數包括了CO2的流量、入口溫度、壓力。在CO2防滅火系統的設計中，整套系統的CO2源是井上的固定儲罐或者是槽車上的可移動式儲罐，故在模擬環境中入口溫度設置為-20 °C，入口壓力設置為2.2 MPa；CO2的流量與輸送距離有一定的關系，因此應根據礦井環境選擇不同管道時，出口流量設置不同；在模擬中采用純CO2進行模擬，不包含雜質成分。對于管道參數設置，包括了管長、管道內外徑、壁厚以及高度差等管道基本特征參數，同時還包括了熱力學相關的參數設置，如管道周圍介質種類及屬性，以及使用保溫層的相關設置等。熱力學參數的設置用來計算管道的傳熱系數，熱傳遞方式主要包括了熱傳遞、熱輻射以及熱對流，一般來說，由于管內液態CO2的溫度較低，根據熱力學第二定律，管內的流體會自發的吸收周圍環境的熱量，會導致液態CO2流體的溫度在管內隨著輸送逐漸升高。這個過程可以分為3 個步驟: ①周圍空氣的熱量通過熱對流的方式與外管壁進行熱交換；②管外壁與管內壁通過熱傳導的方式傳遞熱量；③內部流體通過熱對流的方式與周圍管壁發生熱量交換。

2 結果與討論

2.1 環境因素對液態CO2 輸送過程的影響

為了確定液態CO2防滅火管道輸送的最佳工藝參數，分析各環境因素對液態CO2輸送距離的影響，采用正交試驗分析環境溫度（10、20、30 ℃）、風速大?。?、3、6 m/s）、管道傾角（0°、10°、20°）以及保溫棉厚度（0、9、15 mm）4 個考察因素，對于每個因素選擇3 個水平。在液態CO2垂直管道輸送時，由于自身重力作用，在安全流量范圍內不會發生相變[16]，所以研究液態CO2的管道輸送距離需在水平管道進行研究。使用HYSYS 過程模擬軟件模擬液態CO2在入口溫度-20 ℃、入口壓力2.2 MPa、流量為2 500 kg/h情況下，在環境溫度20 ℃、風速為1 m/s 、不使用保溫棉情況下，采用DN32 管道垂直輸送400 m，得出垂直輸送時管道末端的壓力為6 051.90 kPa、溫度為-3.848 ℃，模擬過程中忽略了彎管、閥門等局部因素，故將垂直管道末端的溫度壓力參數作為水平輸送的初始參數。對于正交試驗中，以液態CO2能夠輸送的最大安全距離作為正交分析的評價指標，試驗條件采用L9（34）正交試驗表，先得到不同情況下9 組試驗的液態CO2最大輸送距離，再采用分析各影響因素的極差大小。其正交試驗與結果見表1。

表1 正交試驗與結果Table 1 Orthogonal test and results

根據各因素的極差大小，決定其對試驗結果影響的主次順序。極差越大，該因素水平變化對指標的影響也就越大。根據表1 可知，以液態CO2最大輸送距離為目標函數時，以上因素中，管道傾角所對應的極差遠大于其他3 個因素極差，故能得出管道傾斜狀況對于液態CO2的輸送距離影響最大，且以上因素對于液態CO2輸送距離的影響順序為管道傾角＞環境溫度＞風速＞保溫棉使用情況。

2.2 管道傾角對液態CO2 輸送距離的影響

液態CO2輸送過程中，管道傾角對于CO2輸送過程影響較大，為了研究不同管道傾角下液態CO2輸送過程中溫壓變化特征，分別采用DN32 管道與DN20 管道垂直輸送400 m 隨后進行水平輸送，通過改變不同管道傾角（0°、5°、10°、20°）研究不同工況下液態CO2輸送過程中輸送距離變化的溫度、壓力變化特征。DN32 mm 管道下不同傾角下沿程溫度、壓力隨輸送距離的變化如圖1。

由圖1 可知，CO2通過DN32 管道在環境溫度為20 ℃，風速為1 m/s，不使用保溫棉輸送時，隨著輸送距離增加，液態CO2溫度不斷上升，同時由于與管壁摩擦等原因，液態CO2在輸送過程中壓力不斷減少。當輸送到一定距離時，液態CO2溫度迅速降低，是因為液態CO2發生了相變，此時管道中存在氣態CO2，由于液態CO2氣化過程中會吸收大量熱量，當管道水平時，液態CO2輸送到3 530 m 發生相變；當管道傾斜，傾斜角度為5°時，CO2輸送距離為1 460 m；當管道傾角繼續增大，增加到20°時，液態CO2只能輸送640 m。

圖1 DN32 mm 管道下不同傾角下沿程溫度、壓力隨輸送距離的變化Fig.1 Variation of temperature and pressure with conveying distance of DN32 mm pipeline at different inclination angles

DN20 mm 管道下不同傾角下沿程溫度、壓力隨輸送距離的變化如圖2。

由圖2 可知，DN20 管道水平時，液態CO2能夠輸送825 m，當管道傾角為20°時，液態CO2僅輸送340 m 就會發生相變。因為管道傾斜，液態CO2在輸送過程中不僅會發生熱量傳遞，同時還要克服自身重力所產生較大的重力勢能，故管道傾斜不利于液態CO2輸送，且管道傾角越大，液態CO2能夠達到的輸送距離越短。

圖2 DN20 mm 管道下不同傾角下沿程溫度、壓力隨輸送距離的變化Fig.2 Variation of temperature and pressure with conveying distance of DN20 mm pipeline at different inclination angles

2.3 液態CO2 出口流量對輸送距離的影響

為了研究不同出口流量對于CO2在輸送過程中能夠輸送的最大距離與溫壓變化關系，在入口溫度為-20 ℃，入口壓力為2.2 MPa，采用DN32 管道，保溫棉厚度為9 mm，環境溫度為15 ℃，風速為1 m/s條件下，通過改變CO2出口流量（1 000、1 500、2 000、2 500、3 000、3 500、4 000 kg/h），計算不同工況下管道輸送距離與溫降、壓降梯度變化。輸送距離與溫、壓降梯度隨CO2輸量的變化曲線如圖3。

圖3 輸送距離與溫、壓降梯度隨CO2 輸量的變化曲線Fig.3 Variation curves of conveying distance and gradient of temperature and pressure drop with CO2 output

由圖3 可知，CO2在液態狀態下輸送時，隨著輸量的增加，CO2最大輸送距離先增加后減小，當液態CO2出口流量增大到2 500 kg/h 時，此時的輸送距離達到最大，為532 m。CO2流量為1 000 kg/h 時，此時的溫降梯度最大，達到0.013 9 ℃/m，而壓降梯度最小，當流量為4 000 kg/h 時，此時的壓降梯度最大，達到402.27 Pa/m。液態CO2的出口流量增大，會使得管道內流速增加，與管道的摩擦阻力增大，同時隨著流量增大，單位質量CO2的溫度變化減少，故溫降梯度減少。綜合上述分析，輸量過小，CO2在輸送過程中所產生的溫降梯度較大，輸量過大會使得液態CO2在輸送過程中產生較大壓降，均不利于液態CO2輸送。故對于DN32 管道，2 500 kg/h 是該條件下比較理想的管輸流量。

對于礦井環境，通常選用管道的材質設定為粗糙度為4.572×10-5m 的低碳鋼?？紤]礦井深度與井下到采空區的距離，常選用規格為DN10、DN15、DN20、DN25、DN32、DN40、DN50 的管道。對于不同規格的管道，通過ASPEN HYSYS V8.4 模擬，得出的不同管道下CO2較理想流量范圍，不同規格管道的流量設置見表2。

表2 不同規格管道的流量設置Table 2 Flow settings for pipes of different sizes

若對于復雜管路中，需要同時向多個采空區中輸送液態CO2，故會存在分流現象，導致各管道中流量減少，液態CO2能夠輸送最大距離發生變化，導致液態CO2提前發生相變，故此時應該根據分流管道數量與分流管道管徑大小，提高入口流量參數。

3 結 語

1）通過正交試驗研究了環境溫度、風速大小、保溫棉與管道傾斜狀況對于液態CO2輸送過程的影響，結果發現管道傾角對于液態CO2輸送影響最大，管道傾斜角度越大，CO2在輸送過程中產生的壓降越大，越不利于液態CO2輸送。

2）通過改變液態CO2出口流量，研究了出口流量對于CO2的輸送距離與溫降、壓降的變化關系，得出CO2的輸送流量過大，在輸送過程中會產生較大的壓降并且產生噪聲，還會增加了CO2在管道內侵蝕速率。

3）流量過慢，CO2與周圍環境換熱更充分，輸送過程中溫度上升較高，均不利于液態CO2輸送。