Analiza techniczna generatorów azotu w kopalniach węgla: kluczowy sprzęt do zapobiegania pożarom i ich gaszenia w kopalniach węgla

W systemie bezpieczeństwa produkcji kopalń węgla, pożary, wybuchy gazu i samozapalenie pokładów węgla zawsze stanowiły problemy wysokiego ryzyka. Szczególnie wraz ze wzrostem głębokości wydobycia kopalni, ryzyko takie jak wyciek powietrza na obszarach zrobów, utlenianie węgla i samonagrzewanie się węgla znacznie wzrasta. Tradycyjne metody wentylacji i gaszenia pożarów stały się niewystarczające, aby sprostać wymaganiom nowoczesnego zarządzania bezpieczeństwem w kopalniach węgla.

W tym kontekście "generator azotu do kopalń węgla" stopniowo stał się ważnym elementem systemu bezpieczeństwa kopalń.

Poprzez generowanie azotu o wysokiej czystości na miejscu i jego ciągłe wtłaczanie pod ziemię, można skutecznie obniżyć stężenie tlenu i stworzyć środowisko obojętne, osiągając w ten sposób:

• Zapobieganie pożarom na obszarach zrobów
• Zapobieganie wybuchom gazu
• Ochrona stref pożarowych przez inertyzację
• Zapobieganie wybuchom w systemach transportu węgla
• Hamowanie utleniania węgla

Obecnie większość dużych kopalń węgla zbudowała scentralizowane stacje produkcji azotu dla kopalń węgla i włączyła je do długoterminowego systemu bezpiecznej eksploatacji kopalni.

Niniejszy artykuł przedstawi systematyczną analizę zasady działania, składu systemu, kluczowych parametrów, logiki wyboru i przyszłych trendów rozwojowych generatorów azotu dla kopalń węgla z perspektywy technicznej branży.

Węgiel jest substancją łatwo utleniającą się.

Gdy pokład węgla jest wystawiony na działanie powietrza, powoli ulega reakcjom utleniania z tlenem i stale wydziela ciepło.

Jeśli ciepło nie zostanie szybko rozproszone, doprowadzi to do:

• Tlenia
• Lokalnej wysokiej temperatury
• Samozapalenia pokładu węgla
• Rozprzestrzeniania się pożaru

Ryzyko samozapalenia jest wyższe na obszarach zrobów, obszarach zamkniętych i obszarach z pozostałym węglem w tunelach.

Wybuch gazu wymaga trzech warunków:

• Gaz palny
• Tlen
• Źródło zapłonu

Spośród nich stężenie tlenu jest kluczowym czynnikiem.

Poprzez wtłaczanie azotu pod ziemię, zawartość tlenu można skutecznie obniżyć, zmniejszając tym samym ryzyko wybuchu.

Dlatego inertyzacja azotem stała się ważnym środkiem bezpieczeństwa dla kopalń z dużą ilością gazu.

Tradycyjne gaszenie pożarów w kopalniach węgla obejmuje głównie:

• Zatykanie przez iniekcję
• Spryskiwanie wodą
• Gaszenie chemiczne
• Izolacja i uszczelnienie

Jednakże metody te mają następujące wady:

• Ograniczony obszar pokrycia
• Długi cykl gaszenia pożaru
• Wysokie ryzyko wtórnego zapłonu
• Skomplikowana budowa

Podczas gdy gaszenie pożarów azotem należy do "zapobiegania i gaszenia pożarów przez inertyzację gazową", ma ono zalety szerokiego zasięgu i silnej trwałości.

Wraz ze wzrostem głębokości kopalni:

• Wzrost temperatury gruntu
• Zwiększony wyciek powietrza
• Zmiany ciśnienia w pokładzie węgla
• Zwiększone wydzielanie gazu

Czynniki te zwiększą ryzyko pożarów i wybuchów w kopalniach węgla.

Dlatego nowoczesne kopalnie coraz częściej polegają na wielkoskalowych systemach ciągłego dostarczania azotu.

Generator azotu dla kopalń węgla to urządzenie przemysłowe, które stale pozyskuje azot z powietrza za pomocą technologii separacji powietrza.

Jego głównym celem jest:

Zapewnienie źródła gazu obojętnego ochronnego dla kopalni poprzez ciągłe i stabilne dostarczanie azotu o wysokiej czystości.

Powietrze zawiera około 78% azotu, więc generator azotu musi jedynie oddzielić tlen, wilgoć i zanieczyszczenia, aby uzyskać wymagany azot.

Obecnie przemysł wydobywczy węgla wykorzystuje głównie:

Najbardziej popularne rozwiązanie.

Charakterystyka:

• Wysoka czystość azotu
• Stabilna praca
• Silna zdolność ciągłego dostarczania
• Nadaje się do dużych kopalń węgla

Nadaje się do:

• Niski przepływ
• Mobilny
• Scenariusze o niskiej czystości

Jego cechą jest prosta konstrukcja, ale czystość jest stosunkowo niska.

Obecnie duże kopalnie węgla nadal wykorzystują głównie technologię PSA.

PSA (adsorpcja ciśnieniowa) to proces adsorpcji ciśnieniowej.

Podstawowa zasada polega na:

Wykorzystaniu sit molekularnych węglowych do separacji powietrza ze względu na różne prędkości adsorpcji tlenu i azotu.

Sprężarka powietrza spręża powietrze do:

• 0,7 - 1,0 MPa

Następnie trafia do systemu oczyszczania.

Poprzez:

• Osuszacz kriogeniczny
• Filtr precyzyjny
• System usuwania oleju

Usuń:

• Woda
• Olej
• Pył

Aby uniknąć zanieczyszczenia sita molekularnego węglowego.

Sprężone powietrze trafia do wieży adsorpcyjnej:

Sita molekularne węglowe preferencyjnie adsorbują tlen, dwutlenek węgla i niektóre zanieczyszczenia.

Azot jest zatrzymywany i wyprowadzany.

Po nasyceniu wieża adsorpcyjna szybko obniża ciśnienie.

Adsorbowany tlen jest uwalniany i odprowadzany.

Sito molekularne węglowe odzyskuje swoją zdolność adsorpcyjną.

Dwie wieże adsorpcyjne pracują naprzemiennie:

• Jedna wieża adsorbuje
• Jedna wieża regeneruje

W ten sposób osiąga się ciągłe i stabilne dostarczanie azotu.

Kompletna stacja azotowa dla kopalń węgla zazwyczaj składa się z następujących części:

Funkcja:

Zapewnienie stabilnego sprężonego powietrza.

Typowe konfiguracje:

• Sprężarka ssąca
• Sprężarka o zmiennej częstotliwości z magnesami trwałymi

W tym:

• Osuszacz chłodniczy
• Osuszacz
• Filtr precyzyjny
• Odolejacz

Jego funkcją jest ochrona sita molekularnego.

Urządzenie kluczowe.

Składa się głównie z:

• Wieża adsorpcyjna
• Sito molekularne węglowe
• Zawór pneumatyczny
• Tłumik

Używany do:

• Stabilizacji ciśnienia
• Równoważenia przepływu
• Łagodzenia wahań

Realizuje:

• Automatyczne przełączanie
• Monitorowanie czystości
• Kontrola ciśnienia
• Alarm awarii
• Zdalne monitorowanie

W tym:

• Rurociąg
• System sprężania
• Otwór wtłaczania azotu

Odpowiedzialny za transport pod ziemią.

Przy wyborze systemu generowania azotu dla kopalń węgla brane są pod uwagę głównie następujące parametry.

Jednostka: Nm³/h

Typowy zakres:

• 200 - 5000 Nm³/h

Dla dużych kopalń węgla może być jeszcze wyższy.

Typowe wymagania:

Zazwyczaj kontrolowana:

• ≤ 1%
• ≤ 3%
• ≤ 5%

W zależności od warunków pracy.

Niski punkt rosy może zapobiec:

• Kondensacji w rurociągu
• Akumulacji wody pod ziemią
• Korozji sprzętu

Typowe wymagania:

• ≤ -40℃

Ciśnienie na wylocie systemu generowania azotu wynosi zazwyczaj:

• 0,6 - 1,3 MPa

Główne zastosowanie.

Poprzez ciągłe wtłaczanie azotu:

• Obniżenie stężenia tlenu.
• Hamowanie utleniania węgla.

• Zapobieganie ponownemu zapłonowi.
• Utrzymanie długoterminowego stabilnego środowiska inertyzacji.

• Zmniejszenie ryzyka limitów wybuchowości.

Używany do:

• Magazynowania pyłu węglowego
• Taśma transportowa węgla
• Przestrzeń pyłowa

Niektóre przedsiębiorstwa chemiczne węgla stosują scentralizowane dostarczanie azotu.

Ta duża kopalnia węgla stosuje:

• System generowania azotu PSA o wydajności 2000 Nm³/h
• Czystość azotu 98%

Używany do długoterminowego wtłaczania azotu na obszary zrobów.

Po uruchomieniu systemu:

• Stężenie CO znacznie spadło
• Temperatura strefy pożarowej stabilna
• Ryzyko samozapalenia zmniejszone

Ta kopalnia z dużą ilością gazu stosuje:

• System generowania azotu z podwójną redundancją

Osiąga:

• Ciągłe dostarczanie azotu
• Automatyczne przełączanie
• Zdalne monitorowanie

Skutecznie zwiększa poziom bezpieczeństwa kopalni.

Kluczowe nie jest rozmiar sprzętu.

Ale rzeczywiste zużycie azotu.

Należy obliczyć:

• Objętość wycieku
• Objętość obszaru utleniania
• Czas wtłaczania azotu

Wyższa czystość oznacza:

• Zwiększone zużycie energii
• Zwiększone zużycie powietrza

Niekoniecznie wyższa jest lepsza.

Sprzęt kopalniany zazwyczaj wymaga:

• Praca 24-godzinna
• Ciągła praca roczna powyżej 8000 godzin

Kopalnie należą do środowisk specjalnych.

Muszą spełniać:

• Elektryczne sterowanie przeciwwybuchowe
• Silnik przeciwwybuchowy
• Przepisy bezpieczeństwa kopalń

Nowoczesne kopalnie kładą większy nacisk na:

• Praca bez nadzoru
• Zdalne sterowanie
• Sieci danych

Największym źródłem zużycia energii w systemie generowania azotu dla kopalń węgla jest:

Zużycie energii elektrycznej przez sprężarki powietrza

Zazwyczaj stanowi ponad 70% całkowitego zużycia energii

Czynniki wpływające na zużycie energii obejmują:

• Czystość azotu
• Ciśnienie sprężania
• Wilgotność powietrza
• Wydajność sita molekularnego
• Wydajność przełączania zaworów

Jak zmniejszyć zużycie energii?

• Aby zmniejszyć straty przy częściowym obciążeniu.

• Nadmierna czystość znacznie zwiększy zużycie energii.

• Wyciek spowoduje ogromne straty energii.

• Zmniejsz spadek ciśnienia.

Zablokowanie doprowadzi do:

• Zwiększony spadek ciśnienia
• Zwiększone zużycie energii

Awaria sita molekularnego spowoduje:

• Zmniejszona czystość
• Nadmierna zawartość tlenu

Zawory pneumatyczne to elementy o wysokiej częstotliwości pracy.

Wymagają specjalnej konserwacji.

W tym:

• Wymień olej smarowy
• Sprawdź łożyska
• Sprawdź układ chłodzenia

• Zapewnij dokładność wykrywania czystości.

Typowe przyczyny:

• Starzenie się sit molekularnych
• Wyciek zaworu
• Nadmierna wilgotność powietrza
• Niestabilne ciśnienie

Produkcja azotu PSA opiera się na stabilnym ciśnieniu adsorpcji.

Po spadku ciśnienia:

• Zdolność adsorpcji tlenu spada.
• Czystość natychmiast się waha.

Szybkie obniżenie ciśnienia jest korzystne dla:

• Regeneracja sita molekularnego
• Poprawa wydajności adsorpcji

Częste uruchamianie i zatrzymywanie spowoduje:

• Zwiększone zużycie zaworów
• Wpływa na żywotność sit molekularnych
• Powoduje niestabilną czystość

Urządzenia do produkcji azotu w kopalniach węgla zazwyczaj muszą być zgodne z:

Normy bezpieczeństwa kopalń węgla, w tym:

• Przepisy przeciwwybuchowe
• Przepisy dotyczące elektryki kopalnianej
• Przepisy dotyczące monitorowania bezpieczeństwa

Przepisy dotyczące naczyń ciśnieniowych

Dotyczące:

• Zbiorniki gazu
• Rurociągi ciśnieniowe

Normy testowania czystości gazu

Zapewnić:

• Zawartość tlenu zgodna z normami
• Stabilność gazu zgodna z normami

W przyszłości kopalnie węgla będą dążyć do:

• Posiadania scentralizowanych stacji produkcji azotu.

W tym:

• Przewidywanie awarii AI
• Zdalna konserwacja
• Sieci danych

• Zmniejszenie zużycia energii elektrycznej na jednostkę azotu.

• Skrócenie okresu instalacji.

• Zmniejszenie interwencji człowieka.