背景技术

煤炭是我国的主体能源， 能源安全关系到国家稳定和发展的命脉。 但中国却是受煤田火 灾威胁最大的国家， 美国媒体将中国的地火列为 "世界 5大持续性灾难"之一， 自燃煤火每 年烧掉的煤炭相当于美国全部能源消费的 20%。 20世纪 60年代内蒙古的地下煤火至今仍困 扰着我国， 这场煤火每年约消耗 2000万吨煤炭资源， 超过德国全年煤炭产出量。 而且， 煤田 火灾还会威胁采矿安全、 浪费大量的热能资源、 严重破坏生态环境。 国内外主要的煤田火区灭火技术有直接剥离法 、注水 /浆法、注凝胶 /泡沫法等。直接剥离 法， 就是直接用机械手段剥离、 挖出火点， 这种方法工程量巨大， 耗时耗力， 且破坏地表生 态环境； 灌水 /浆灭火是通过钻孔灌注一定量的泥浆和水， 能够起到隔绝氧气、降低煤层温度， 从而达到阻止煤炭进一步氧化自燃的目的。 但是因为无法准确定位火区高温点位置， 且浆体 扩散范围有限， 因此灌水 /浆效果不佳； 凝胶及泡沫有一定的流动性， 对采空区煤炭自燃效果 较好， 但成本较高， 一旦泡沫破灭， 防火效果会大打折扣。 发明内容

本发明的目的是提供一种无损治理煤田火区的 液氮系统及方法， 在避免破坏生态环境的 前提下实现对煤田火区的高效防控。 为达到上述目的， 本发明采用的技术方案是：

一种无损治理煤田火区的液氮系统， 包括空气过滤器、 空气压缩机、 空气冷却器、 油水 分离器、 空气干燥净化器、 空分塔、 液氮贮槽、 增压泵、 液氮罐车、 地面钻孔、 地热发电设 备和地热井， 所述的空气过滤器、 空气压缩机、 空气冷却器、 油水分离器、 空气干燥净化器、 空分塔、 液氮贮槽、 增压泵通过管路顺序连接， 液氮罐车和地面钻孔的接入端与增压泵的输 出端连接， 所述的底面钻孔位于煤田火区， 所述的地热井位于煤田火区， 地热发电设备通过 地热井提供的高温蒸汽发电， 所述的地热发电设备的电力输出端分别连接空 气压缩机、 空气 冷却器、 油水分离器、 空气干燥净化器、 空分塔、 液氮贮槽和增压泵的电力输入端。 进一步的， 根据火区不同的地下地理环境和不同的火区特 点， 所述地面钻孔的类型包括 有垂直钻孔、 倾斜钻孔和曲线钻孔。

进一步的， 为了提高增压效果和设备之间的匹配， 所述增压泵是大流量往复式低温液体 泵， 增压范围 0~10Mpa。

进一步的， 为了避免防控地下火灾与地热能源提取之间的 干扰， 所述地热井与地面钻孔 之间的距离大于 50米。

一种无损治理煤田火区的方法， 包括以下步骤：

A. 从地热井取出的高温蒸汽驱动地热发电设备， 为空气压缩机、 空气冷却器、 油水分 离器、 空气干燥净化器、 空分塔、 液氮贮槽和增压泵供应电能；

B . 大气中的空气经空气过滤器清除灰尘和机械杂 质， 然后进入空气压缩机压缩至所需 压力， 送入空气冷却器降低空气温度， 再进入油水分离器及空气干燥净化器， 除去空气中的 水分、 二氧化碳、 乙炔及其他碳氢化合物， 完成空气的压缩和净化；

C. 净化后的空气进入空分塔， 完成空气分离， 得到液氮， 制取的液氮通过液氮输送管 贮存在液氮贮槽中；

D. 液氮贮槽中的液氮经增压泵增压后通过低温绝 热管输送到指定位置后， 通过注液氮 管注入煤田火区的地面钻孔中；

E.多余的液氮通过低温绝热管装入液氮罐车，� ��送到煤田使用地点由压送设备注入火区。 与现有技术相比， 本发明提供的技术方案在干旱恶劣的煤田火区 现场， 应用液氮的重气 沉降效应、 蒸汽雾化效应、 膨胀驱氧效应的防灭火特性， 将大气中的空气经过压缩净化、 空 气分离制取液氮， 直接注入地面钻孔， 或者装入液氮罐车， 进行固定或移动式高效降温及灭 火， 避免巨大的开挖剥离工程所造成的大量的人力 、 物力、 财力消耗和生态环境的破坏； 液 氮扩散范围大， 全淹没覆盖， 相对灌浆拉沟优势显著， 液氮制取过程中用水量较少， 特别适 合干旱或半干旱地区的灭火工程； 利用煤田火区产生的废弃热能进行地热发电， 减少能源浪 费； 采用液氮防灭火技术治理煤田火， 快速降温、 惰化火区， 实现高效灭火的效果， 且液氮 来源自空气中的氮气， 重新回到空气， 循环利用制取液氮， 既不会造成环境破坏， 又实现资 源的循环再利用。 附图说明

图 1为本发明的结构示意图；

图中： 1、 空气过滤器， 2、 空气压缩机， 3、 空气冷却器， 4、 油水分离器， 5、 空气干燥净化 器， 6、 空分塔， 7、 液氮贮槽， 8、 增压泵， 9、 液氮罐车， 10、 地面钻孔， 11、 地热发电设 备， 12、 地热井。 具体实施方式 下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图 1所示， 一种无损治理煤田火区的液氮系统， 包括空气过滤器 1、 空气压缩机 2、 空 气冷却器 3、 油水分离器 4、 空气干燥净化器 5、 空分塔 6、 液氮贮槽 7、 增压泵 8、 液氮罐车 9、 地面钻孔 10、 地热发电设备 11和地热井 12， 所述的空气过滤器 1、 空气压缩机 2、 空气 冷却器 3、 油水分离器 4、 空气干燥净化器 5、 空分塔 6、 液氮贮槽 7、 增压泵 8通过管路顺 序连接， 液氮罐车 9和地面钻孔 10的接入端与增压泵的输出端连接， 所述的底面钻孔 10位 于煤田火区， 所述的地热井 12位于煤田火区， 地热发电设备 11通过地热井 12提供的高温蒸 汽发电， 所述的地热发电设备 11的电力输出端分别连接空气压缩机 2、 空气冷却器 3、 油水 分离器 4、 空气干燥净化器 5、 空分塔 6、 液氮贮槽 7和增压泵 8的电力输入端。 所述的地热 发电设备 11包括净化分离器、 汽轮机、 发电机。 从地热井 12取出的高温蒸汽， 经过净化分 离器， 脱除井下带来的各种杂质， 清洁的蒸汽推动汽轮机做功， 并使发电机发电。

进一步的， 根据火区不同的地下地理环境和不同的火区特 点， 所述地面钻孔 14的类型包 括有垂直钻孔、 倾斜钻孔和曲线钻孔。

进一步的， 为了提高增压效果和设备之间的匹配， 所述增压泵 9是大流量往复式低温液 体泵， 增压范围 0~10Mpa。

进一步的， 为了避免防控地下火灾与地热能源提取之间的 干扰， 所述地热井 12与地面钻 孔 10之间的距离大于 50米。

一种无损治理煤田火区的方法， 包括以下步骤：

A. 从地热井 12取出的高温蒸汽驱动地热发电设备 11， 为空气压缩机 2、 空气冷却 器 3、 油水分离器 4、 空气干燥净化器 5、 空分塔 6、 液氮贮槽 7和增压泵 8供应电能；

B . 大气中的空气经空气过滤器 1清除灰尘和机械杂质， 然后进入空气压缩机 2压缩 至所需压力，送入空气冷却器 3降低空气温度，再进入油水分离器 4及空气干燥净化器 5， 除去空气中的水分、 二氧化碳、 乙炔及其他碳氢化合物， 完成空气的压缩和净化；

C. 净化后的空气进入空分塔 6， 完成空气分离， 得到液氮， 制取的液氮通过液氮输 送管贮存在液氮贮槽 7中；

D. 液氮贮槽 7中的液氮经增压泵 8增压后通过低温绝热管输送到指定位置后， 通过 注液氮管注入煤田火区的地面钻孔 10中；

E. 多余的液氮通过低温绝热管装入液氮罐车 9， 运送到煤田使用地点由压送设备注 入火区。

本发明提出的设计方案在恶劣的煤田火区现场 ， 将大气中的空气经过压缩净化、 空气分 离制取液氮， 直接注入地面钻孔， 或者装入液氮罐车， 进行固定或移动式高效降温及灭火， 避免巨大的开挖剥离工程所造成的大量的人力 、 物力、 财力消耗和生态环境的破坏； 液氮制 取过程中用水量较少， 特别适合干旱或半干旱地区的灭火工程； 利用煤田火区产生的废弃热 能进行地热发电， 减少能源浪费； 采用液氮防灭火技术治理煤田火， 快速降温、 惰化火区， 实现高效灭火的效果， 且液氮来源自空气中的氮气， 重新回到空气， 循环利用制取液氮， 既 不会造成环境破坏， 又实现资源的循环再利用。