No sistema de produção de segurança das minas de carvão, os incêndios, as explosões de gás e a combustão espontânea das camadas de carvão sempre foram problemas de alto risco.Riscos tais como fugas de ar nas zonas desminadas, oxidação do carvão e aquecimento espontâneo do carvão aumentam significativamente.Os métodos tradicionais de ventilação e supressão de incêndios tornaram-se inadequados para satisfazer os requisitos modernos de gestão da segurança nas minas de carvão.
Neste contexto, "gerador de nitrogénio de minas de carvão" tornou-se gradualmente um componente importante do sistema de segurança das minas.
Ao gerar nitrogénio de alta pureza no local e injetá-lo continuamente no subsolo, pode efetivamente reduzir a concentração de oxigénio e estabelecer um ambiente inerte, alcançando assim:
- Prevenção de incêndios em zonas minadas
- Prevenção de explosões de gás
- Proteção contra inertização de zonas de incêndio
- Prevenção de explosões em sistemas de transporte de carvão
- Inibição da oxidação do carvão
Atualmente, a maioria das grandes minas de carvão construiu estações centralizadas de produção de nitrogénio e as incorporou ao sistema de operação de segurança a longo prazo da mina.
Este artigo analisará sistematicamente o princípio de funcionamento, a composição do sistema, os parâmetros principais, a lógica de selecção,e futuras tendências de desenvolvimento dos geradores de nitrogénio de minas de carvão a partir de uma perspectiva técnica da indústria.
I. Principais problemas de segurança do sector da extracção do carvão
1Combustão espontânea grave de camadas de carvão
O carvão é uma substância facilmente oxidável.
Quando a camada de carvão é exposta ao ar, ela passará lentamente por reações de oxidação com oxigênio e continuamente libertará calor.
Se o calor não puder ser dissipado a tempo, resultará em:
- Fumaçando
- Temperatura local elevada
- Combustão espontânea da camada de carvão
- Propagação do fogo
O risco de combustão espontânea é maior em áreas minadas, áreas seladas e áreas com carvão remanescente nos túneis.
2Risco elevado de explosão de mina de gás
Uma explosão de gás requer três condições:
- Gás inflamável
- Oxigénio
- Fonte de ignição
Entre eles, a concentração de oxigênio é um fator-chave.
Ao injetar nitrogénio no subsolo, o teor de oxigénio pode ser efetivamente reduzido, reduzindo assim o risco de explosão.
Por conseguinte, a inertização do nitrogénio tornou-se uma medida de segurança importante para minas de alto gás.
3As limitações dos métodos tradicionais de extinção de incêndios são óbvias.
A extinção tradicional de incêndios nas minas de carvão inclui principalmente:
- Plug-in com colagem
- Água de pulverização
- Extintor de incêndio químico
- Isolamento e vedação
No entanto, estes métodos apresentam as seguintes desvantagens:
- Área de cobertura limitada
- Ciclo longo de extinção de incêndio
- Risco elevado de reactivação secundária
- Construção complexa
Embora a extinção de incêndio por nitrogênio pertença à "prevenção e extinção de incêndios por gás inerte", tem as vantagens de uma ampla cobertura e forte persistência.
4Aumento dos riscos decorrentes da exploração de poços profundos
À medida que a profundidade da mina aumenta:
- A temperatura do solo aumenta
- Aumento da fuga de ar
- Alterações da pressão da camada de carvão
- Aumento da saída de gás
Estes fatores aumentam o risco de incêndios e explosões nas minas de carvão.
Por conseguinte, as minas modernas dependem cada vez mais de sistemas de abastecimento contínuo de nitrogénio em larga escala.
II. O que é um gerador de nitrogénio de mina de carvão?
Um gerador de nitrogénio de mina de carvão é um equipamento industrial que extrai nitrogénio do ar continuamente utilizando a tecnologia de separação de ar.
O seu objectivo principal é:
Fornecer uma fonte protetora de gás inerte para a mina através de uma produção contínua e estável de nitrogênio de alta pureza.
O ar contém aproximadamente 78% de nitrogênio, de modo que o gerador de nitrogênio só precisa separar oxigênio, umidade e impurezas para obter o nitrogênio necessário.
Atualmente, a indústria mineira de carvão utiliza principalmente:
1Gerador de nitrogénio PSA (pressure swing adsorption)
A solução mais convencional.
Características:
- Alta pureza de nitrogénio
- Operação estável
- Forte capacidade de abastecimento contínuo
- Apto para grandes minas de carvão
2Gerador de nitrogénio de separação por membrana
Adequado para:
- Baixo caudal
- Mobilidade
- Cenários de baixa pureza
A sua característica é uma estrutura simples, mas a pureza é relativamente baixa.
Atualmente, as grandes minas de carvão ainda utilizam principalmente a tecnologia PSA.
III. Princípio de funcionamento do gerador de nitrogénio da mina de carvão
1Princípio de produção de nitrogénio PSA
PSA (Pressure Swing Adsorption) é um processo de adsorção por oscilação de pressão.
O princípio fundamental é o seguinte:
Utilização de peneiras moleculares de carbono para obter a separação do ar devido a diferentes velocidades de adsorção de oxigénio e nitrogénio.
2Processo de trabalho
Etapa 1: Compressão de ar
O compressor de ar comprime o ar para:
Depois, entra no sistema de purificação.
Etapa 2: Purificação do ar
Através:
- Secador criogénico
- Filtro de precisão
- Sistema de remoção de óleo
Remover:
Para evitar a contaminação da peneira molecular de carbono.
Etapa 3: Separação por adsorção
O ar comprimido entra na torre de adsorção:
As peneiras moleculares de carbono adsorvem preferencialmente oxigênio, dióxido de carbono e algumas impurezas.
O nitrogénio é retido e emitido.
Fase 4: Regeneração da redução de pressão
Após a saturação, a torre de adsorção despressuriza rapidamente.
O oxigénio adsorvido é liberado e descarregado.
A peneira molecular de carbono recupera a sua capacidade de adsorção.
Etapa 5: Operação de ciclo duplo da torre
Duas torres de adsorção operam alternadamente:
- Uma torre adsorve
- Uma torre regenera
Assim, obtém-se um abastecimento contínuo e estável de azoto.
IV. Composição do sistema de nitrogénio das minas de carvão
Uma estação de nitrogénio completa de uma mina de carvão consiste geralmente nas seguintes partes:
1Sistema de compressor
Função:
Fornecer ar comprimido estável.
Configurações comuns:
- Compressor de lipoaspiração
- Compressores de frequência variável de ímã permanente
2Sistema de purificação de ar
Incluindo:
- Secador de arrefecimento
- Máquina de secar
- Filtro de precisão
- Remover de óleo
A sua função é proteger a peneira molecular.
3. Unidade de produção de nitrogénio PSA
Equipamento básico.
É constituído principalmente por:
- Torre de adsorção
- Sítio molecular de carbono
- Válvula pneumática
- Amplicador
4Tanque tampão de nitrogénio
Utilizado para:
- Pressão de estabilização
- Fluxo de equilíbrio
- Fluctuações atenuantes
5Sistema de controlo automático PLC
Percebe:
- Comutação automática
- Monitorização da pureza
- Regulação da pressão
- Alarme de falha
- Monitorização remota
6Sistema de transporte de injecção de nitrogénio
Incluindo:
- Gasoduto
- Sistema de pressurização
- Furo de injecção de nitrogénio
Responsável pelo transporte subterrâneo.
V. Parâmetros técnicos essenciais do gerador de azoto de mina de carvão
A selecção de um sistema de produção de azoto nas minas de carvão deve considerar principalmente os seguintes parâmetros.
1. Fluxo de nitrogénio
Unidade: Nm3/h
Distribuição comum:
Para grandes minas de carvão, pode ser ainda maior.
2Purificação do nitrogénio
Requisitos comuns:
| Scenário |
Percentagem |
| Prevenção e extinção de incêndios em geral |
95% - 97% |
| Minas de gás |
98% - 99% |
| Inertização especial |
≥ 99,5% |
3. Contido de oxigénio
Geralmente controlados:
Dependendo das condições de trabalho.
4Requisitos relativos ao ponto de orvalho
Um ponto de orvalho baixo pode evitar:
- Condensação de tubulação
- Acúmulo de água subterrânea
- Corrosão dos equipamentos
Requisitos comuns:
5Pressão de trabalho
A pressão na saída do sistema de produção de azoto é geralmente:
Seis, principais cenários de aplicação dos geradores de azoto de minas de carvão
1- Injecção de nitrogénio em zonas minadas para prevenção e extinção de incêndios
A aplicação principal.
Por injecção contínua de nitrogénio:
- Reduzir a concentração de oxigénio.
- Inibe a oxidação do carvão.
2. Inervação e vedação de zonas de fogo
- Previnir a re-ignição.
- Manter um ambiente de inércia estável a longo prazo.
3Prevenção de explosões em zonas de alto gás
- Reduzir o risco de limites de explosão.
4Prevenção de poeiras em sistemas de transporte de carvão
Utilizado para:
- Armazenamento de pó de carvão
- Cinturão transportador de carvão
- Espaço de poeira
5Sistema de ligação química do carvão
Algumas empresas químicas de carvão adotam o abastecimento centralizado de nitrogénio.
Sete, análise de caso da indústria de geradores de nitrogénio de minas de carvão
Caso um: Sistema de injecção de nitrogénio para zonas exploradas numa grande mina de carvão subterrânea
Esta grande mina de carvão adota:
- Sistema de produção de nitrogénio PSA de 2000 Nm3/h
- Pureza de nitrogénio 98%
Usado para injecção de nitrogénio a longo prazo em áreas minadas.
Após funcionamento do sistema:
- A concentração de CO diminuiu significativamente
- Temperatura da zona de fogo estável
- Redução do risco de auto-ignição
Caso dois: Projeto de inertização numa mina de gás
Esta mina de alto gás adota:
- Sistema duplo de produção de nitrogénio redundante
Alcançar:
- Fornecimento contínuo de nitrogénio
- Comutação automática
- Monitorização remota
Melhorar eficazmente o nível de segurança das minas.
Oito, pontos-chave para a selecção do equipamento dos geradores de nitrogénio das minas de carvão
1Seleccionar com base no volume de injecção de nitrogénio
O centro não é o tamanho do equipamento.
Mas o consumo real de nitrogénio.
Deve calcular:
- Volume de vazamento
- Volume da área de oxidação
- Duração da injecção de nitrogénio
2. Selecione com base nos requisitos de pureza
Maior pureza significa:
- Aumento do consumo de energia
- Aumento do consumo de ar
Não necessariamente quanto mais alto melhor.
3Capacidade de operação contínua
Os equipamentos de minas de carvão exigem geralmente:
- Operação 24 horas
- Função contínua anual superior a 8000 horas
4Nível de protecção contra explosões
As minas de carvão pertencem a ambientes especiais.
Deve cumprir:
- Controle elétrico à prova de explosão
- Motor à prova de explosão
- Regulamento relativo à segurança das minas
5Nível de automação
As minas modernas dão mais ênfase a:
- Operação sem supervisão
- Controle remoto
- Rede de dados
Nove, análise do consumo energético dos geradores de nitrogénio de minas de carvão
A maior fonte de consumo de energia do sistema de produção de nitrogénio nas minas de carvão é:
Consumo de electricidade dos compressores de ar
Geralmente representam mais de 70% do consumo total de energia
Fatores que afectam o consumo de energia Incluindo:
- Purificação do azoto
- Pressão de compressão
- Humidade do ar
- Eficiência da peneira molecular
- Eficiência de comutação das válvulas
Como reduzir o consumo de energia?
1. Use compressor de ar de frequência variável de ímã permanente
- Para reduzir as perdas de carga parcial.
2Controle razoavelmente a pureza
- A pureza excessiva aumentará significativamente o consumo de energia.
3Reduzir a fuga de ar
- Uma fuga causará um enorme desperdício de energia.
4Otimizar o sistema de tubulações
- Reduza a queda de pressão.
X. Manutenção de geradores de azoto de minas de carvão
1- Inspeccionar regularmente os filtros.
O bloqueio levará a:
- Aumento da queda de pressão
- Aumento do consumo de energia
2Verifique o estado da peneira molecular de carbono.
A falha da peneira molecular causará:
- Diminuição da pureza
- Teor excessivo de oxigénio
3Manutenção de válvulas
As válvulas pneumáticas são componentes com operações de alta frequência.
Requerem manutenção especial.
4Manutenção de compressores de ar
Incluindo:
- Trocar o óleo lubrificante
- Verifique os rolamentos.
- Verifique o sistema de refrigeração.
5Calibre o analisador de oxigénio.
- Assegurar a precisão da detecção da pureza.
XIV. Problemas comuns do gerador de nitrogénio das minas de carvão
1O que causa a diminuição da pureza do nitrogénio?
Razões comuns:
- Envelhecimento de peneiras moleculares
- Fugas de válvula
- Teor excessivo de humidade no ar
- Pressão instável
2Por que as flutuações de pressão afetam a pureza?
A produção de azoto de PSA depende de uma pressão de adsorção estável.
Após a queda da pressão:
- A capacidade de absorção de oxigénio diminui.
- A pureza vai flutuar imediatamente.
3Porque é que o gerador de nitrogénio precisa de pressurizar rapidamente?
A despressurização rápida é benéfica para:
- Regeneração da peneira molecular
- Melhoria da eficiência de adsorção
4Por que não se pode ligar e desligar o gerador de nitrogénio com frequência?
O arranque e a parada frequentes:
- Aumentar o desgaste da válvula
- Afetar a vida útil das peneiras moleculares
- Causa pureza instável
XII. Normas e especificações industriais para a produção de azoto nas minas de carvão
Os equipamentos de produção de nitrogénio nas minas de carvão devem normalmente cumprir:
Normas de segurança das minas de carvão Incluindo:
- Regulamento à prova de explosão
- Regulações eléctricas de minas
- Regulamento de controlo da segurança
Regulamento relativo aos recipientes sob pressão
Inclui:
- Tanques de armazenamento de gás
- Tubulações sob pressão
Normas de ensaio de pureza dos gases
Assegurar:
- O teor de oxigénio atende às normas
- A estabilidade do gás atende às normas
Treze. Tendências de desenvolvimento do mercado das máquinas de produção de nitrogénio nas minas de carvão
1Sistemas centralizados de abastecimento de nitrogénio em larga escala
No futuro, as minas de carvão tendem a:
- Ter estações centralizadas de geração de nitrogénio.
2Controle inteligente.
Incluindo:
- Previsão errada
- Manutenção remota
- Rede de dados
3Tecnologia de geração de nitrogénio de poupança de energia
- Reduzir o consumo de electricidade por unidade de nitrogénio.
4Equipamento de montagem integrado
- Reduza o período de instalação.
5Sistema sem vigilância de alta fiabilidade.
- Reduzir a intervenção humana.
O gerador de nitrogénio da mina de carvão já não é apenas um simples equipamento de gás; tornou-se um componente importante do moderno sistema de segurança da mina de carvão.
A sua função principal consiste em:
Por injecção contínua e estável de nitrogénio, é estabelecido um ambiente inerte, reduzindo a concentração de oxigénio, suprimindo assim eficazmente:
- Combustão espontânea de camadas de carvão
- Explosão de gás
- Reinicialização das zonas de incêndio
Com o avanço da construção de minas inteligentes, o sistema de geração de nitrogênio nas minas de carvão também está se movendo para:
- Conservação de energia
- Centralização
- Automação
Desenvolvimento contínuo da direcção.
No futuro, os sistemas de produção de nitrogénio de minas de carvão de alta estabilidade, alta automação e alta eficiência tornar-se-ão a infra-estrutura chave na produção de segurança das minas.
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