礦用膜分離制氮裝置的安全應(yīng)用研究

婁樹宏

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 沈撫示范區(qū) 110172；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈撫示范區(qū) 110172）

0 引言

當(dāng)前在煤礦井下綜放開采有自然傾向的厚及特厚煤層時(shí)，主要采用礦用膜分離制氮裝置注入氮?dú)鉃橹鞯木C合防滅火措施，保障煤礦井下的安全開采[1-2]。礦用膜分離制氮裝置在煤礦井下應(yīng)用過程中存在氧中毒、著火、觸電、噪聲、帶壓操作等安全問題，影響到井下工作人員人身安全和煤礦的開采效率。因此，對礦用膜分離制氮裝置的安全應(yīng)用問題進(jìn)行分析，并提出針對性的安全措施，保證礦用膜分離制氮裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行，是非常有實(shí)踐意義的。

1 工程概況

山西某煤礦井田位于山西省蒲縣太林鄉(xiāng)，井田面積10.0636 km2，設(shè)計(jì)開采2～11 號煤層。礦井原設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力90 萬t/a，2020 年核定生產(chǎn)能力150 萬t/a。截至2019 年末，礦井剩余儲量5600.2 萬t，資源儲量3895.4 萬t，礦井剩余服務(wù)年限為19.9 年。礦井開拓方式為斜井開拓[3]。目前開采11 號煤層，采煤方法采用走向長壁式采煤法，全部垮落法管理頂板，采用一次采全高綜合機(jī)械化采煤工藝。

該煤礦11 號煤層厚度為13～22 m，平均厚度為17 m，自然傾向性為自燃至容易自燃。11 號煤層綜放工作面火災(zāi)防治的難點(diǎn)主要有：第一，11 號煤層平均厚度達(dá)17 m，局部達(dá)22 m，工作面推進(jìn)速度慢；第二，11 號煤層為自燃至容易自燃等級，某些巷道已出現(xiàn)自燃現(xiàn)象；第三，采空區(qū)集聚瓦斯易壓出，遇火源容易發(fā)生爆炸；第四，注氮設(shè)備存在嚴(yán)重的安全問題，無法按設(shè)計(jì)方案實(shí)施注氮?dú)鉃橹鞯木C合防滅火措施[4]。本文主要是針對該煤礦的礦用膜分離制氮裝置安全應(yīng)用問題進(jìn)行分析研究。

2 礦用膜分離制氮裝置

2.1 結(jié)構(gòu)分析

山西某煤礦11 號煤層工作面主要采用的煤礦集團(tuán)沈陽研究院有限公司的DM-1200/10（L）型礦用移動(dòng)式膜分離制氮裝置。該膜分離制氮裝置主要由礦用隔爆空壓機(jī)組，壓縮空氣預(yù)處理和膜分離段（制氮機(jī)）構(gòu)成。礦用隔爆空壓機(jī)組由啟動(dòng)柜、油冷卻器、油氣桶、電機(jī)、空壓機(jī)主機(jī)、排污口、冷卻水入口、冷卻水出口等部件組成；壓縮空氣預(yù)處理段和膜分離段主要由防爆控制箱，顯示儀表，活性炭除油器，流量傳感器，溫度傳感器，壓力傳感器，流量調(diào)節(jié)閥，自動(dòng)排水閥，流量計(jì)，后部冷卻器，電加熱器，AH、AO、AA、AX 精密過濾器，氣動(dòng)閥，放空閥，防爆電磁閥，手動(dòng)排污閥，氮?dú)馊涌冢鯕馊涌冢鋮s水入口，冷卻水出口，氮?dú)獬隹冢諝膺M(jìn)口和膜組件等組成。膜分離制氮裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 膜分離制氮裝置結(jié)構(gòu)

2.2 工作原理

膜分離法制氮是20 世紀(jì)80 年代國外迅速發(fā)展的一種新型制氮技術(shù)，最近幾年才在國內(nèi)得到推廣。DM-1200/10（L）型膜分離制氮裝置采用了中空纖維膜分離制氮技術(shù)，是礦用隔爆兼本安型電氣設(shè)備，可在煤礦井下具有瓦斯煤塵爆炸氣體環(huán)境中使用，主要用于煤礦防滅火。

工作原理為：空氣經(jīng)空壓機(jī)壓縮后進(jìn)入除油過濾器和冷干機(jī)，壓縮空氣經(jīng)過除油和去濕作用后進(jìn)入膜分離裝置，膜分離裝置可對壓縮空氣進(jìn)行過濾、加熱、分離、冷卻，產(chǎn)出的合格氮?dú)膺M(jìn)入氮?dú)饩彌_罐中，不合格的氮?dú)馀胖料贤猓瑫r(shí)膜分離裝置中剩余的富氧氣體也由富氧排放風(fēng)機(jī)排至舷外，氮?dú)饩彌_罐用于氮?dú)馀R時(shí)貯存和分配，氮?dú)庠鰤簷C(jī)將氮?dú)庠鰤褐烈欢▔毫蠊┙o井下[5]。

3 膜分離制氮裝置在應(yīng)用過程中的安全問題及措施分析

3.1 氧中毒安全問題及措施分析

當(dāng)制氮裝置制備的N2濃度達(dá)到額定值后，N2通過輸送管道輸至井下防滅火工作區(qū)，此時(shí)由于N2的充填作用，工作區(qū)的O2則會被直接排出，進(jìn)而O2進(jìn)入到制氮裝置周圍區(qū)域，導(dǎo)致其O2濃度就會逐漸升高。O2是一種非常好的助燃劑，當(dāng)φ（O2）增至25%時(shí)要激起活潑的燃燒反應(yīng)；當(dāng)φ（O2）增至27%時(shí)，個(gè)別火星可發(fā)展為活潑火焰，當(dāng)O2濃度達(dá)到一定濃度還會出現(xiàn)“氧中毒”現(xiàn)象。因此，必須重視和防范制氮裝置周圍區(qū)域的煙火及“氧中毒”現(xiàn)象[6]。

主要措施：在該煤礦制氮裝置周圍嚴(yán)禁煙火；對膜分離制氮裝置安裝區(qū)域進(jìn)行通風(fēng)，保持空氣的正常流通；沾染油脂的工裝工人當(dāng)工裝被氧氣飽和后應(yīng)該立即到室外通風(fēng)稀釋，防止工裝被氧氣飽和遇明火厲迅速燃燒。

3.2 著火安全問題及措施分析

該煤礦膜分離制氮裝置周圍區(qū)域O2濃度較高，存在嚴(yán)重的火災(zāi)安全隱患，易形成油類著火、電氣設(shè)備著火等安全事故，造成重大的人身傷害和財(cái)產(chǎn)損失。

主要措施：發(fā)生著火事故后，第一時(shí)間關(guān)停膜分離制氮裝置，可有效降低該區(qū)域O2濃度；針對不同的著火類型制定相應(yīng)的防滅火方案；木料著火采用水撲滅，油類著火采用沙子或泡沫滅火器撲滅；電氣設(shè)備著火的防滅火方案，第一切斷設(shè)備電源，第二采用沙子或CCl4滅火器進(jìn)行滅火；如工人工裝因氧氣飽和著火，則可以采用絕緣布料把身體裹住，在地上進(jìn)行往返滾動(dòng)滅火的方式。

3.3 觸電安全問題及措施分析

該煤礦DM-1200/10（L）型膜分離制氮裝置及相應(yīng)電器設(shè)備使用時(shí)，主要輸入性電壓為1140 V、660 V、220 V，具有較高的安全危險(xiǎn)性，容易對工作人員造成電擊、電傷等觸電安全問題。

針對觸電安全問題發(fā)生的主要原因制定了安全使用電氣設(shè)備的措施，主要有：對制氮裝置及相應(yīng)電器設(shè)備進(jìn)行檢修時(shí)必須先關(guān)閉電源，再進(jìn)行后續(xù)操作；工作人員在進(jìn)行檢修作業(yè)時(shí)必須配帶高壓驗(yàn)電筆、絕緣手套、絕緣膠鞋；做好電線外部絕緣層破損問題的檢查和維護(hù)；定期和不定期對電氣設(shè)備接地裝置是否脫開進(jìn)行檢查；推、拉電氣開關(guān)動(dòng)作要敏捷，做好臉部防護(hù)措施；采用手背接觸電動(dòng)機(jī)外殼的方式對溫度進(jìn)行檢查，以往發(fā)生電吸住事故；在電氣開關(guān)前應(yīng)放置1 塊10 mm 厚的橡皮絕緣板；設(shè)置并保持安全的電氣距離。

3.4 噪聲安全問題及措施分析

DM-1200/10（L）型膜分離制氮裝置工作過程中產(chǎn)生的噪聲在85～95 dB 之間，從該煤礦統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，噪聲對人體造成了較為嚴(yán)重的聽覺損害，主要表現(xiàn)為引發(fā)耳鳴、耳痛、聽力損傷等問題；長期噪聲會引發(fā)頭暈、頭痛、記憶力減退、注意力不集中等癥狀；噪聲還會引起植物神經(jīng)系統(tǒng)功能紊亂的癥狀。

降低噪聲主要措施有在氣體吸、排放口裝上消音器裝置；采用玻璃棉、泡沫塑料等吸音材料對輸氣管道進(jìn)行包裹；制氮裝置車間工作人員發(fā)放并佩帶隔音耳塞。

3.5 帶壓操作安全問題及措施分析

DM-1200/10（L）型膜分離制氮裝置連接管路主要由鋼管焊接、管接頭及閥門組成，裝置運(yùn)行壓力≥0.8 MPa。裝置啟動(dòng)前都必須對設(shè)備的連接管路進(jìn)行安裝檢查，防止設(shè)備帶壓作業(yè)時(shí)發(fā)生泄漏安全事故，如發(fā)生泄漏事故，安全隱患嚴(yán)重。

主要安全措施：如發(fā)生泄漏事故，切忌在帶壓情況下擰緊螺栓等操作；應(yīng)該對設(shè)備進(jìn)行停機(jī)斷電，將氣體全部排出壓力為零時(shí)再進(jìn)行檢修；焊點(diǎn)發(fā)生泄漏時(shí)還需要做好周邊區(qū)域O2濃度的監(jiān)測，當(dāng)φ（O2）高于23%時(shí)，焊接維修作業(yè)場所應(yīng)該進(jìn)行通風(fēng)。

4 應(yīng)用效果分析

山西某煤礦井下DM-1200/10（L）型膜分離制氮裝置從2021 年5 月起按以上安全應(yīng)用措施方案進(jìn)行實(shí)施，取得了較好的效果。在近一年的時(shí)間內(nèi)，該煤礦膜分離制氮裝置在應(yīng)用過程存在的氧中毒、著火、觸電、噪聲、帶壓操作等安全問題大幅度減少，對比之前安全問題減少了90%以上。膜分離制氮裝置運(yùn)行穩(wěn)定，崗位工作人員的安全性大大增強(qiáng)，為該煤礦井下11 號煤礦工作面實(shí)施注氮?dú)鉃橹鞯木C合防滅火措施奠定了基礎(chǔ)。對于DM-1200/10（L）型膜分離制氮裝置安全應(yīng)用問題的分析研究是成功的，為該煤礦創(chuàng)造了較好的安全經(jīng)濟(jì)效益。