胞衣阻化剂工艺流程设计

　摘 摘

　要 长期以来，我国对煤炭资源需求巨大，对煤矿的开采和挖掘也十分深入。但是我国煤矿中，煤发生自燃的情况也十分严重，这极大的影响了煤炭开采和生产的安全，随着我国科技的进步和对煤矿安全的重视，行业内对于煤自燃防治的研究也越来越深入。煤自燃火灾发生的情况得到了改善和有效控制。而在众多的防治煤自燃发火方法中，使用阻化剂是其中比较有效、安全、经济的方法之一。这种方法由于原理简单，经济低价在国内外煤矿中被广泛应用，并取得了颇为显著的效果。本文主要是对复合材料胞衣阻化剂的制作设备的设计与工艺设备自动化的设计。在本次课题研究中，阻化剂的胞衣是基于石蜡（80％wt）+硬脂酸（20％wt）的复合材料，并且通过多次实验论证，其阻化剂最佳形态为球状。对于制备工艺设计了相应的机械自动化设备已经流程，有效降低了阻化剂生产成本的同时提高了制备的效率，这使得大面积推广该新型胞衣阻化剂成为一种可行性方案。该阻化剂的推广也将有效抑制煤自燃发火的情况，保障煤矿安全生产环境和减少煤矿经济损失。在本次课题研究中，设计了一套自动化设备，其核心部件有旋转电机、新型螺旋喷头、加热桶、加热阻丝以及外部隔热棉。其次研究了阻化剂与添加剂的反应配比，阻化剂与 0.06％的海藻酸钠溶液混合，再与 1％的乳酸钙溶液反应，形成球状水凝膜。通过低温环境，将该球状物冷冻成冰球。在核心流程中，通过加热桶将复合胞衣材料加热至 75 度，再通过电机转动产生的高压，把液体复合材料改变成雾态。为了小球被覆盖的更加全面和均匀，使得小球的力学性质和阻燃效果达到最佳状态，最后通过多组实验得出冰球下落的高度和喷头的角度，以获得最佳实验方案。最终确定的最佳实验方案为：复合相变材料配比为石蜡质（52％）+氢氧化铝（15％）+3.5 水硼酸锌（15％）+硬脂酸（13％）5％的+0-50μm 玻璃纤维（5％）， 阻化液溶液与 0.06％浓度的海藻酸钠与 1％浓度的乳酸钙融合，本实验中阻化液冰球粒径最优方案为 15mm，胞衣厚度为 1.5mm，小球下落高度为距离喷覆区域 9cm 处，喷头角度与水平地面 0°。本文课题研究可以为后期胞衣阻化剂的研究和制备自动化加以应用和提供研究基础。本论文有图 21 幅，表 13 个，参考文献 80 篇。

　关键词：复合材料；自动化；喷涂；高度；角度

　Abstract

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　For a long time, China has a huge demand for coal resources, and the mining and mining of coal mines are also very in-depth. However, the coal spontaneous combustion is also very serious in China"s coal mines, which greatly affects the safety of coal mining and production. With the progress of science and technology in China and the importance of coal mine safety, the research on the prevention and control of coal spontaneous combustion in the industry is more and more in-depth. The situation of coal spontaneous combustion fire has been improved and effectively controlled. Among many methods to prevent coal spontaneous combustion, the use of chemical inhibitor is one of the more effective, safe and economic methods. Because of its simple principle, this method has been widely used in coal mines at home and abroad, and has achieved remarkable results. This paper mainly focuses on the design of the manufacturing equipment and the automation of the process equipment of the composite material cytoplasmic inhibitor. In this study, the cell coat of inhibitor is a composite material based on paraffin (80% wt) + stearic acid (20% wt), and the best morphology of inhibitor is spherical through many experiments. The corresponding mechanical automation equipment has been designed for the preparation process, which effectively reduces the production cost of the inhibitor and improves the preparation efficiency, which makes it a feasible scheme to popularize the new type of cytoplasmic inhibitor in a large area. The popularization of the inhibitor will also effectively inhibit the spontaneous combustion of coal, ensure the safe production environment and reduce the economic losses of coal mines. In this research, a set of automation equipment is designed, its core parts are rotating motor, new spiral nozzle, heating barrel, heating resistance wire and external heat insulation cotton. Secondly, the reaction ratio of inhibitor and additive was studied. The inhibitor was mixed with 0.06% sodium alginate solution, and then reacted with 1% calcium lactate solution to form spherical water coagulation membrane. Through the low temperature environment, the ball is frozen into ice hockey. In the core process, the composite cell coating material is heated to 75 degrees by a heating barrel, and then the high pressure generated by the rotation of the motor changes the liquid composite material into a fog state. In order to cover the ball more comprehensively and evenly, and make the mechanical properties and flame retardant effect of the ball reach the best state, finally, through multiple groups of experiments, the height of the ice ball falling and the angle of the nozzle are obtained to obtain the best experimental scheme. The best experimental scheme is: the ratio of composite phase change material is paraffin (52%) + aluminum hydroxide (15%) + zinc

　borate (15%) + stearic acid (13%) + 0-50 μ m glass fiber (5%), In this experiment, the best scheme of ice ball size is 15mm, the thickness of the cell coat is 1.5mm, the falling height of the ball is 9cm from the spray area, and the angle of the nozzle is 0 ° from the horizontal ground. The research of this paper can provide the research basis for the research and preparation automation of cytoplasmic inhibitor. There are 22 figures, 22 tables and 80 references in this paper. Keywords: composite material; automation; spraying; height; angle

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　目 目

　录 摘要 ............................................................................................................................... I 目录 ............................................................................................................................... I 图清单 ........................................................................................................................ IX 表清单 .......................................................................................................................... X 1 绪论 ........................................................................................................................... 1 1.1 研究背景与意义..................................................................................................... 1 1.2 煤自燃机理理论..................................................................................................... 2 1.3 矿井常用防灭火方式............................................................................................. 3 1.4 胞衣阻化剂防火原理............................................................................................. 5 1.5 阻化剂防灭火研究现状......................................................................................... 5 1.6 研究目标与主要研究内容..................................................................................... 6 1.7 本章小结................................................................................................................. 7 2 自动化流程设计及试验初步设想 ........................................................................... 7 2.1 喷涂方式基本介绍................................................................................................. 8 2.2 机械自动化设计原则............................................................................................. 9 2.3 小型压力装置验证设备......................................................................................... 9 2.4 最初密封罐压力热熔喷涂自动装置................................................................... 13 2.5 胞衣冰球制备单元最初设计............................................................................... 16 2.6 本章小结............................................................................................................... 18 3 自动化流程单元设计介绍 ..................................................................................... 20 3.1 冰球制备单元....................................................................................................... 20 3.2 下漏单元............................................................................................................... 22 3.3 熔融相变材料单元............................................................................................... 23 3.4 冷却单元............................................................................................................... 32 3.5 本章小结............................................................................................................... 33 4 实验部分 ................................................................................................................. 34 4.1 阻化液析出实验................................................................................................... 34 4.2 石蜡程序升温实验............................................................................................... 35 4.3 不同粒径小球抗压及制备实验........................................................................... 37 4.4 本章小结............................................................................................................... 46 5 全文结论与展望 ..................................................................................................... 48

　5.1 主要结论............................................................................................................... 48 5.2 展望与未来........................................................................................................... 48 参考文献 ..................................................................................................................... 50 录 附录 1 ............................................................................................ 错误!未定义书签。

　作者简介 ..................................................................................................................... 64 学位论文原创性声明 ................................................................................................. 65 学位论文数据集 ........................................................................... 错误!未定义书签。

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　Contents Abstract…………………………………………………………………………… Ⅰ Contents……………………………………………………………………………Ⅲ Ⅲ List of Figures………………………………………………………………………IX List of Tables………………………………………………………………………X 1 Introduction………………………………………………………………………1 1.1 Background and significance ……………………………………………………1 1.2 Theory of coal spontaneous combustion mechanism ……………………………2 1.3 Common fire fighting methods in mine …………………………………………3 1.4 Fire protection principle of cytoplasmic inhibitor ………………………………5 1.5 Research status of chemical inhibitor fire control ………………………………5 1.6 Research objectives and main research contents ………………………………6 1.7 Summary of this chapter ………………………………………………………7 2 Design and test of automation process…………………………………7 2.1 Basic introduction of spraying method…………………………………8 2.2 Design principles of mechanical automation……………………………………9 2.3 Small pressure device verification equipment…………………………………9 2.4 Automatic device for pressure hot melt spraying of initial sealed tank…………13 2.5 The initial design of cell ice hockey preparation unit……………………………16 2.6 Summary of this chapter ………………………………………………………18 3 Introduction to the design of automation process unit ………………………20 3.1 Ice hockey preparation unit ……………………………………………………20 3.2 Underdrain unit …………………………………………………………………22 3.3 Fused phase change material unit ………………………………………………23 3.4 Cooling unit ……………………………………………………………………32 3.5 Summary of this chapter ………………………………………………………33 4 Experimental part ……………………………………………………………… 34 4.1 Precipitation experiment of inhibitor ……………………………………………34 4.2 Paraffin temperature programmed experiment…………………………………35 4.3 Experiment on compression and preparation of small balls with different particle sizes …………………………………………………………………………………37

　4.4 Summary of this chapter ………………………………………………………46 5 Conclusion and Prospect………………………………………………………48 5.1 Main conclusions ………………………………………………………………48 5.2 Outlook and future ………………………………………………………………48 References………………………………………………………………………50 Appendix1………………………………………………………………………54 Author’s Resume…………………………………………………………………64 Declaration of Thesis/Dissertation Originality…………………………………65 Thesis/Dissertation Data Collection………………………………………………66

　VIII

　图清单

　 图序号 图名称 页码 图 2-1 小型验证机实物图 11 Figure 2-1

　physical figure of small verifier 11 图 2-2 密封压力喷涂装置 14 Figure 2-2 sealing pressure spraying device 14 图 2-3 铁网包裹冰球试验 17 Figure 2-3 test of iron net wrapped ice hockey 17 图 2-4

　液氮制备阻化液冰球试验 18 Figure 2-4 ice hockey test for liquid nitrogen preparation 18 图 3-1 0.08％海藻酸钠溶液 20 Figure 3-1

　0.08% sodium alginate solution 20 图 3-2

　20％CaCl 2 溶液 20 Figure 3-2 20% CaCl 2 solution 20 图 3-3 20％MgCl 2 钠溶液 21 Figure 3-3 20% MgCl 2 sodium solution 21 图 3-4 20％NaCl 2 溶液 21 Figure 3-4 20% NaCl 2 solution 21 图 3-5 1％乳酸钙溶液 22 Figure 3-5 1% calcium lactate solution 22 图 3-6 下漏单元设计图 23 Figure 3-6 design drawing of drain unit 23 图 3-7 翅形加热片加装图 27 Figure 3-7 installation of wing heating plate 27 图 3-8 温控器仿真模拟图

　31 Figure 3-8 simulation diagram of temperature controller 31 图 3-9 隔热棉包裹效果图 32 Figure 3-9 effect of heat insulation cotton wrapping 32 图 3-10 冷却单元设计图 33 Figure 3-10

　design drawing of cooling unit 33 图 4-1

　胞衣阻化剂与常用阻化剂析出曲线图 35 Figure 4-1 precipitation curve of cytosolic inhibitor and common inhibitor 35 图 4-2 管式炉

　37 Figure 4-2 tubular furnace

　37 图 4-3 温控箱 37 Figure 4-3 temperature control box 37 图 4-4 不同粒径微型开口模具 38 Figure 4-4 micro opening mould with different particle size 38 图 4-5 指针式推拉力计 44 Figure 4-5 pointer type push pull gauge 44

　图 4-6 不同粒径小球胞衣厚度与抗压强度关系 45 Figure 4-6

　relationship between the thickness and compressive strength of different particle sizes of cell coat 45 图 4-7 小球受力分析示意图 46 Figure 4-7 stress analysis diagram of small ball 46

　X

　表清单

　 表序号 表名称 页码 表 2-1 万向广角实心锥形压力喷头压力与流量关系 11 Table2-1

　Relationship between pressure and flow rate of universal wide angle solid conical pressure nozzle 11 表 2-2 螺旋喷头喷头压力与流量关系 12 Table 2-2 The relationship between the pressure and the flow of the spiral nozzle 12 表 2-3 验证实验小球下落高度与胞衣厚度关系 15 Table 2-3 To verify the relationship between the falling height of the ball and the thickness of the cell coat 15 表 3-1 各设备具体信息 25 Table 3-1 Specific information of each equipment 25 表 3-2 硅胶加热带具体参数 30 Table 3-2 Specific parameters of silica gel heating belt 30 表 4-1 胞衣阻化剂与常用阻化剂析出状态 34 Table 4-1 The precipitation state of cytoplasmic inhibitor and common inhibitor 34 表 4-2 小球粒径与胞衣外壳厚度关系 38 Table 4-2 The relationship between the diameter of the spherule and the thickness of the coat 38 表 4-3 5mm 粒径小球喷覆实验下落高度-角度-胞衣厚度关系 40 Table 4-3 The relationship between falling height angle and thickness of cell coat in spray coating experiment with 5 mm size spheres 40 表 4-4 10mm 粒径小球喷覆实验下落高度-角度-胞衣厚度关系 40 Table 4-4 The relationship between falling height angle and thickness of cell coat in spray coating experiment with 10 mm size spheres 40 表 4-5 15mm 粒径小球喷覆实验下落高度-角度-胞衣厚度关系 41 Table 4-5 The relationship between falling height angle and thickness of cell coat in spray coating experiment with 15 mm size spheres 41 表 4-6 20mm 粒径小球喷覆实验下落高度-角度-胞衣厚度关系 42 Table 4-6 The relationship between falling height angle and thickness of cell coat in spray coating experiment with 20 mm size spheres 42 表 4-7 25mm 粒径小球喷覆实验下落高度-角度-胞衣厚度关系 42 Table 4-7 The relationship between falling height angle and thickness of cell coat in spray coating experiment with 25 mm size spheres 42 表 4-8 不同粒径小球胞衣厚度与抗压强度最优关系 45 Table 4-8 The optimal relationship between the thickness and compressive strength of different particle size of the cell coat

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　1 绪论

　 1 绪论

　1 Introduction 1.1 研究背景与意义(Background and Significance)

　在我国能源结构中，煤炭资源仍然是最要和不可替代的支柱性能源，煤炭依旧占 70％左右。在未来很长时间内，煤炭对于我国的能源地位不会轻易改变 [1] 。近年来，我国煤矿事故频发，给劳动者造成巨大人身伤害，给国家经济带来了巨大的财产损失。在采空区三带中，通风的因素，会使煤中的含水量逐渐降低，同时浮煤也会同外界氧气进行羧基反应，时间一长便可能发生煤自燃现象，对工人安全，经济生产和生态环境造成巨大危害 [2.3] 。现阶段煤矿中抑制煤自燃主要采用的方式就是使用阻化剂，阻化剂分为宏观和微观两种。宏观上，阻化剂通过控制煤氧化过程中的温度，氧气含量等因素，并对周边浮煤吸热降温，以达到抑制煤自燃的目的；微观上，阻化剂可以通过氧化反应，能够在浮煤的表面形成保护膜，能够阻止煤与氧气发生进一步的反应，从未达到抑制煤自燃的作用 [4] 。现阶段的阻化剂主要有：（1）氯盐类阻化剂：氯盐类阻化剂一般都是高含水复合物，而且具有较好得吸水性能，能将煤矿井下空气中的水分吸收，这样覆盖在煤层表面的阻化液可以形成隔绝水膜，能够让煤体表面长时间处于潮湿状态，并且这层水膜同样具有隔绝氧气得功能，减少煤体与氧气得氧化，减小煤氧化过程中的升温速率，阻止煤氧化进程；（2）铵盐类阻化剂：这类阻化剂在遇热会发生分解反应，可以吸收由煤氧化释放的热量，并且分解反应过程中生成的氨气、二氧化碳可以降低煤体表面的氧气浓度，减小煤体的氧化反应速率，同时部分阻化剂（如NH4Cl、（NH 4 ）2HPO 5 ）不仅能够很好周围空气中的水分，在煤低温过程的前期降低煤体温度，还能够消耗与煤氧化过程中产生的自由基，抑制煤氧化过程；（3）碱类阻化剂：当前市面上主要得碱类阻化剂是氢氧化钙；（4）粉末惰化阻化剂：目前在煤矿中常用的此类阻化剂是由在不同温度下能够受热分解生成惰性气体的粉末按照一定的比例进行均匀混合形成的。粉末所生成的惰性气体对煤氧化过程中的自由基链锁反应能够起到阻化作用，同时生成的水吸热汽化，阻化剂的分解过程也会吸收大量热量，快速降低煤体温度，减小煤氧化反应速率。阻化剂分解后的残留物附在煤体表面上形成一层薄膜，当温度下降到一定值时会变成脆性覆盖物，能够隔离煤氧接触从而防止煤体再次发生自燃。（5）金属氢氧化物阻燃剂：应用范围最广的是氢氧化镁和氢氧化铝。其主要从如下三个方面得机理达到阻燃效果：其一是金属阻燃材料在井下随着温度得上升而不断得吸热，随着内部热量得聚体，阻燃剂中包含得大量羟基则会不断脱离，进一步与被井下煤层中的 H + 结合成 H 2 O，水液体出来后又可以吸收煤层中得热量蒸发，降低煤体

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　温度；其二，水蒸气能稀释气体，从而抑制燃烧；其三，脱离羟基的金属氢氧化物会生成金属氧化物，则会覆盖在被煤层的表面，形成隔绝膜，阻止下方煤层与上方空气中的氧气接触发生氧化，从而降低了煤层得氧化速率。（6）膨胀型阻燃剂：膨胀型阻燃剂的阻燃作用，主要体现燃烧时，在被阻燃基材的表面可以形成炭质保护层，抑制被阻燃基材的进一步燃烧，既能隔离空气，又能有效阻止热量向被阻燃基材的热传递，从而在气相和凝聚相起到阻燃作用。（7）无机纳米阻燃剂：无机纳米阻燃剂是指粒径 1-100nm 的微小颗粒，并具有阻燃作用的无机添加材料。现有的无机纳米填料主要有：黏土、碳纳米管、片状石墨等。（8）胶体阻化剂：胶体阻化剂目前主要应用的有硅凝胶和粉煤灰等复合型胶体。其主要有隔绝氧气接触、降低煤层温度等作用。但是不同胶体合成成分不同，所以对不同类型的煤的防灭火效果也不同，其中高分子胶体的阻化效果最好。（9）惰性气体及惰性泡沫阻化剂：主要的类型有氮气、二氧化碳气体等性质相对不活泼的气体。通过在针对性区域注入惰性气体，使得该区域内空气中氧气浓度降低，这样可以降低区域内煤层与氧气结合发生氧化还原反应。抑制煤层的温度堆积和自燃进程。惰性泡沫阻化剂主要有惰性泡沫、高倍阻化泡沫、三项泡沫等。但是该方式对技术要求颇高。必须要做到精准定位和较为良好的密封技术，同时也要严格注意井下人员的生命安全。所以该方式的经济成本较高 [5~9] 。上述九种阻化剂其形态、价格和技术要求都不太相同，但阻化原理都大体一致，主要概括为吸热蒸发降低井下温度，隔绝煤体与氧气接触氧化，降低空气中氧气浓度。目前煤矿中主要使用的是氯盐类阻化剂和碱类阻化剂。其中本文中主要是对氯盐类阻化剂进行胞衣喷覆研究。目前煤矿中常用的氯盐类阻化剂有三种主要成分，分别为MgCl 2 ，CaCl 2 ，NaCl 2 。主要是考虑到这些阻化剂比较容易大量制备，且价格低廉，性能稳定，具有一定的阻化效果。但必须引起注意的时，这几种阻化剂受到温度、风量、抗压强度等因素的影响较大。所以有必要针对性的做出创新，以适应井下更高要求的煤层阻化要求。随之中国矿业大学***教授团队就创新型提出了温敏胞衣阻化剂的概念。

　1.2 煤自燃机理理论（Theory of coal spontaneous combustion mechanism）

　煤自燃机理理论的提出和研究已经有一百多年历史了，煤自然是一个十分复杂的过程，其中有物理作用和化学作用的复合过程。自从英国人 Dr.Plott 在 17 世纪提出了黄铁矿诱因理论后，煤自燃机理理论在广大学者的努力下已经得到了长足的发展，分别提出了以下各种学说：细菌诱因理论、自由基诱因理论和煤氧复合诱因理论等。但是随着研究的加大，不断的实验发现，上述理论都有一定的局限性，比如不含黄铁矿的煤也可以发生自燃现象，而自由基诱因理论在随后的研

　1 绪论

　 究中发现实验结果也与预期存在较大偏差。而随着近年国内外学者的不断研究下，又提出了很多具体理论：（1）

　1990 年 Дрхим 等学者提出了电化学诱因理论，该理论的主要内容为煤中含有铁的变价离子，不同价阶的铁离子与空气中的样子发生氧化还原反应，从而产生大量的热量，导致煤发生升温自燃；（2）1996 年李增华教授提出了煤自燃自由基诱因理论，主要内容是认为煤在各种外力的作用下，煤作为一个大分子的物质，其中的化学键也就是链中共价键断裂，从而产生了大量的自由基，这些自由基与空气中的氧气发生化学反应，产生了大量的热量，最终逐渐使煤发生自燃；（3）1998 年 Lopez.D 学者提出了氢原子诱因理论，该理论主要内容认为煤中的氢原子在大分子的基团中运动时会产生热量的传递，从而提高了煤中的大分子基团氧化活性，最终导师煤逐渐升温自燃；（4）1999 年WangH.H 等学者提出了基团诱因理论，该理论主要内容为煤中的各个基团在煤中成孔隙状，氧气进入媒体后能与各个基团充分结束反应，从而产生了大量的热量，最终导致煤升温自燃 [10~12] 。

　随着科技的不断发展，对煤矿安全的重视程度提升，众多学者也从不同的方向和角度对煤自燃机理理论进行了研究。分别从利用热分析技术研究煤自燃机理、从煤的活化能入手研究煤自燃机理、从煤分子机构模型入手研究煤的自燃机理、从煤氧化反应和表面反应热的角度研究煤自燃机理、从煤岩相学角度研究煤的自燃机理。从技术手段来看主要有煤自燃绝热氧化装置、红外光谱分析技术（FTIR）、电磁顺磁共振光谱分析技术（ESR）、核磁共振波谱分析技术（NMR）、量子化学计算方法等 [13， 14] 。这些理论研究角度和研究技术方法，使得煤自燃机理理论研究得到了长足和充分的发展，也使得后续研究得以站在前者的基础上更加深入。

　1.3 矿井常用防灭火方式（Common fire fighting methods in mine）

　煤体自燃是危害煤矿安全生产，人员生命财产和煤矿经济建设的重大因素之一。我们都知道煤自燃是一个十分复杂的过程，一般现在的研究都认为煤自燃需要煤品类具有自然倾向性、有持续供氧的条件和不断发生热交换条件并且热量堆积不断上升这几个方面。煤矿防灭火技术的研究主要从以上几个方面入手，目前常用的技术手段主要有：

　（1）预防性浇灌泥浆防灭火：这种方式主要是将黄泥土、粉煤灰等不燃性固体与水通过特定的比例混合后制成泥浆，大量浇灌井下，其方法的机理一方面是黄泥浆附着在煤层表面和渗透进煤层孔隙后可以隔绝煤层与氧气的接触，从而改变了煤自燃中需要连续供氧环境的条件，另一方面黄泥浆中含有大量水分，水分在井下吸热蒸发带走煤层中聚积的热量，从而破坏了煤自燃条件，从而达到煤矿防灭火的目的。我国在上世纪 50 年代开始研究并逐步推广了浇灌泥浆防灭火

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　方式； （2）注惰性气体防灭火技术：氮气、二氧化碳和燃烧产生的惰性气体是常见的煤矿防灭火气体。二氧化碳的密度比空气大，注入二氧化碳一般会沉入区域底部，而二氧化碳的抑制爆炸性能优越，可以有效防爆防灭火，但是二氧化碳易溶于水，损耗大。氮气注入井下特定区域来防止煤自燃技术是一种行之有效的方式，其主要原理是注入氮气来降低区域内氧气浓度，从而减少煤与氧气的氧化还原反应，破坏煤自燃的条件。查阅资料，有相关研究表明，注入氮气后区域内空气中的氧气浓度降至 10％以下，就会停止氧化还原的作用，从而大大降低了煤自燃的隐患，氧气浓度降低至 2％以下时，就能使燃烧的煤炭灭火且抑制其复燃。但是注氮气技术难度较高，普及难度较大，降低井下灾区温度难，灭火降温周期过长，也存在井下人员窒息的隐患 [15] 。

　（3）三项泡沫防灭火：三项泡沫是指通过将一定比例的粉煤灰、黄泥浆等粘液和一定比例的发泡剂配比混合，再通过特定的发泡器发泡，以制备成井下常用的防灭火材料。这样制作的三项泡沐，既可以降低粘液的粘度，也可以降低粘液的表面张力，使粘液具有疏水性，更容易附着再气泡壁上，这样会迅速在煤层中形成大面积的气泡膜，隔绝煤与空气中的氧气结合，破坏煤自燃发火的条件，以达到煤矿煤防灭火的目的。三项泡沫使固体、液体、气体为一体的混合物，它优点在于具有粉煤灰、黄泥浆和惰性气体等材料的隔绝氧气的特点，也有高水分，蒸发即热降低煤温度的特点，其发泡后，体积膨胀增大，与煤的接触面积增加，单位材料的成本降低。是近年来，煤矿中常用的防灭火技术方式。

　（4）均压防灭火：均压防灭火是以改变井下巷道通风系统的压力为调节手段的防灭火措施，主要是通过风窗、调压气室、风机等方法和手段来改变压力。通常分为开区均压防灭火和闭区均压防灭火，对于开区，其每个煤矿内部巷道走向都不同，漏风点和漏风量的情况也不同，需要根据不同的实际情况来制定不同的方案，运用不同的端点压来完成均压工作，以完成这减少漏风的目前。种方式能够使得各区域的压力保持一致，尽可能的减少巷道内漏风，其理论上最好的效果可以达到使巷道漏风量为零，这样会加速巷道内灭火进程和速度。但是均压防灭火缺点也较为明显，其技术难度较大。需要注意的事项较多，对员工提出的要求也较高。

　（5）凝胶防灭火：通常水溶液中含有 1~100nm 粒径大小的分散颗粒是指胶体，而凝胶使胶体的一种特定形式。凝胶同时包含了液体，和固体的特性，同时凝胶也是介于液体和固体之间的一种存在形态。凝胶有液体高含水量，液体离子高扩散速度等优点，也有固体不不流动，有一定抗压强度和力学强度的优点。凝胶材料通常分为无机凝胶和高分子有机凝胶两种。凝胶防灭火的机理主要是一方

　1 绪论

　 面通过内部高达 90％的含水量，来吸收煤体的温度，以降低煤温；另一方面凝胶成胶后可以堵住煤层内部细小孔隙，由于其具备固体的力学特性，可以很好的和媒体接触，形成一层隔绝层，以煤与氧气的接触。

　（6）阻化剂防灭火：阻化剂是上世纪 60 年代发展起来的一项井下防灭火技术。常用的阻化剂有氯化钙（CaCl2）、氯化钠（NaCl2）、氯化镁（MgCl2）等无机盐溶液。阻化剂一般是高含水溶液，其盐溶液具有高吸水性，溶液中的水分喷洒进入井下后蒸发吸热，降低煤体温度。其优点在于成本低，获取简单，喷洒工艺简单，设备少。1976 年我国在平庄王家煤矿第一次使用了抛洒阻化剂来防火，为后续阻化剂的深入研究和使用拉加了帷幕 [16~18] 。

　1.4 胞衣阻化剂防火原理（Fire protection principle of cytoplasmic inhibitor）

　阻化剂就是在采空区的煤层中起到防火的作用，大量使用制成的温敏胞衣阻化剂小球，抛洒在煤矿采空区，可以在煤层表面覆盖。随着采空区空气流动，煤层堆积内部温度上升，温敏胞衣阻化剂小球受热后，外壳胞衣不断溶解，一方面可以吸收煤层内部热量，降低高温带来的自燃隐患，另一方面溶解后的复合胞衣可以附着在煤层表面，隔绝氧气，以达到防火目的。当煤温达到临界值后，温敏胞衣溶解后，内部阻化剂随之释放，大量阻化剂溶液一方面可以吸收空气中的水分，逐渐形成含水液膜，并同样附着在煤层表面，隔绝氧气，另一方面阻化剂的化学溶液含有大量水分，在吸热后会升温挥发，带走大量热量，这几种降温方式同时进行，可以有效达到对采空区煤层防火降温的目的 [19， 20] 。

　1.5 阻化剂防灭火研究现状（Research status of chemical inhibitor fire control）

　本文中所制作的阻化剂为温敏胞衣阻化剂，所谓温敏就是对温度敏感，温敏材料其实就是相变材料。这类材料就是可以随着温度的上升，并达到其相变区间后，改变物理状态，并且在这一过程中，一般伴随着吸热和放热过程。目前研究比较广泛的相变相变材料有无机相变材料和有机相变材料。也称之为石蜡质相变材料和水合盐相变材料。现在也有部分学者在研究合金类相变材料，优点在于可以通过不同配比的金属材料来达到控制合金相变区间的目的，应用更加广泛，尖端科技市场前景广阔 [21， 22] 。但是其合成技术较难，材料获取不易，价格比较昂贵。最早在 2009 年，韦第升等学者就第一次提出了可以利用相变材料来控制研究目标的温度，并在温敏相变材料的应用上做出了研究。目前研究认为有机相变材料虽然化学性质较为稳定，但是缺点也较为明显。其熔点低、易挥发、易燃烧、相对较贵等特点也让有机相变材料的应用前景有待加强。无机相变材料则相对具有

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　价格低廉，容易获取，不易挥发等优点，但需注意其部分无机相变材料的相变温度过高或过低的特性。主要是而本次课题中所研究得温敏相变材料制备胞衣采用的是石蜡质相变材料。石蜡质具备在 47℃-64℃的相变区间内可以从固态转变成液态。而且石蜡具备价格低廉、制备简单、无毒无害等特质 [23， 24] 。温敏胞衣阻化剂是最近提出的一种新型煤矿防灭火技术，设计思路为将高含水的氯盐类阻化液复合相变材料包覆在内部。复合相变材料喷覆所形成的外壳称之为胞衣。将温敏胞衣阻化剂和阻化剂溶液混合抛洒在煤层中。阻化液接触到煤层后，吸收媒体内部热量并蒸发析出盐分，一方面降低区域温度，另一方面可以尽可能地隔绝氧气，减少煤与氧的氧化还原反应。但水溶液形式的普通阻化液失效较快，几个月内就完成整个阻化过程。可是采空区自燃带煤层演变推进成窒息带时间可能长于普通阻化液阻化时间，所以存在后期依旧有自燃发火的可能性，而胞衣阻化剂则针对这点，在煤层后期内部堆积聚热升温至 70℃后，外壳石蜡复合胞衣吸热融化，释放出内部阻化剂溶液，再次开始阻化过程，形成二次阻化的特点，其将大大延缓采空区自燃带煤层发火时间，给与充分时间使之从自燃带向窒息转变。

　近年来，众多学者都将目光投向了相变材料。不光是水合盐相变材料和石蜡质相变材料。合金相变材料，离子液体相变材料、脂肪酸等领域的研究也越来越深入。

　1.6 研究目标与主要研究内容（Research objectives and main research contents）

　1.6.1 研究目标 首先根据崔传波博士和夏翠萍硕士的研究确定温敏胞衣阻化剂的复合相变材料具体浓度配比。再根据研究目的和预设效果来设计批量制备包含阻化液的冰球和复合相变材料胞衣喷涂设备的相关工艺流程，通过对小球不同高度和角度的喷涂，使之能够达到本次研究的批量化生产，且成品温敏胞衣阻化剂小球能够在运输和在采空区抛洒过程中不会破裂而失效的目的。整体的喷涂设备设计和制造复合机械自动化设计原理和满足温敏胞衣阻化剂理论要求。然后研究不同粒径大小的阻化剂小球的抗压强度，力学性能以及阻化效果，以达到在采空区有效防火降温的要求。

　1.6.2 研究内容 本文将首先研究设计温敏胞衣阻化剂热熔喷涂设备的工艺流程设计，根据蒋曙光团队申请的国家专利和崔传播博士、夏翠萍硕士的温敏胞衣阻化剂抑制煤自燃机理研究，对设备的整体设计以及每个部分的机械、管道、设备选型和确定。为了能够达到上述研究中所以到的喷涂制成的胞衣小球既能保留高含水阻化剂

　1 绪论

　 防灭火的优点，又能够改善阻化剂寿命短、腐蚀设备、制作成本高、不利于运输和抛洒操作的缺点，本文将从以下几个方面进行研究和分析。

　（1）先期研究分析制备阻化剂小球的原理，寻找能够快速制备包含阻化液球体的方法。并分析所采用的海藻酸钠溶液与乳酸钙溶液的最优配比浓度和对阻化剂溶液的性能影响，以确定使用海藻酸钠溶液和乳酸钙溶液形成凝胶膜来包裹阻化液形成小球的可行性； （2）目前为止，众多对采空区阻化剂防灭火的研究还主要停留在理论机理层面，涉及到阻化剂制备机械的设计和制造阶段的较少。初步根据温敏胞衣阻化剂制备要求和机械设计原则设计制造小型热熔喷涂验证设备，通过对制备好小球的喷涂实验，已验证设计方式的可行性。

　（3）小型验证热熔喷涂设备的可行性验证确定后，测量管道流量、计算流速以及根据空压机不同压力下的喷覆面积效果来确定喷头型号和后期电机型号，以及管道走向和热熔装备设备型号。最终完成整体工艺流程设计。

　（4）搭建好设备后，制作不同粒径大小的阻化剂小球，并用热熔喷涂设备喷覆上温敏胞衣后，研究分析其不同粒径下的压力强度，抗压性能和阻燃效果，选择最优方案。

　1.7 本章小结（Summary of this chapter）

　本章初始介绍了阻化剂的意义及国内外研究现状。简单介绍了目前矿井常用的防灭火方式，分别为（1）预防性浇灌泥浆防灭火；（2）注惰性气体防灭火技术；（3）三项泡沫防灭火；（4）均压防灭火；（5）凝胶防灭火；（6）阻化剂防灭火。并简单介绍了目前常用的阻化剂种类分别为：（1）氯盐类阻化剂；（2）铵盐类阻化剂；（3）碱类阻化剂；（4）金属氢氧化物阻燃剂；（5）膨胀型阻燃剂；（6）无机纳米阻燃剂；（7）胶体阻化剂；（8）惰性气体及惰性泡沫阻化剂。详细得阐述了温敏胞衣阻化剂的防灭火原理和分析了胞衣阻化剂在当先煤矿防自燃的大环境下的前景和优点。针对蒋曙光团队的专利所作出的阻化胞衣热熔喷涂设备的工艺设计和研究，明确了设计的方向和本文开展的思路。

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　2 自动化流程设计及试验初步设想

　2 Design and test of automation process 2.1 喷涂设计基本介绍（Basic introduction of spray design）

　本文中的流程设计依据中国矿业大学蒋曙光团队提出的“一种相变材料温控胞衣阻化剂制备系统及其方法”，该项目是一个发明专利。其内容公开了一种相变材料温控胞衣阻化剂制备系统及其方法，阻化剂溶液依次经过冰球制备单元、下漏单元、熔融相变材料单元、喷雾单元、冷却单元以及筛分单元后，制备成由相变材料包裹的温控胞衣阻化剂，并能够控制冰球颗粒经过喷雾区时的相变材料附着效果，即控制最终胞衣厚度。该发明采用相变材料作为胞衣材料，能够在高含水复合阻化物外包裹一层相变材料作为胞衣，不仅克服了传统防灭火阻化剂易失效的缺点，而且其对温度的升高比较敏感，能在煤自燃临界温度之前融化，进而使胞衣内的阻化剂释放来抑制煤自燃；制备系统模块化设计，结构简单易操作，可高效的生产加工胞衣阻化剂 ① 。冰球制备单元由 0.06％海藻酸钠溶液与 20％阻化剂溶液充分融合，再与 1％乳酸钙复合溶液。下漏单元由自动分离装置，特殊粒径筛选板组成。熔融相变材料由电机，加热箱，加热电阻丝组成。喷雾单元由万向广角实心锥形压力喷头，环形圆管组成。冷却单元由冷冻箱组成，筛分单元由传送装置和聚液管道装置组成。现代典型工业用途中常见喷涂方式有四种，分别为空气喷涂，高压无气喷涂，静电喷涂，低流量中等压力喷涂 [25] 。这四种喷涂方式的喷涂原理分别为：（1）空气喷涂：吸收空气，并将其压缩，利用压缩空气的高压将涂料雾化后的喷涂方式，改方式操作方便，价格低廉。但是这种喷涂方式的传递较低，一般其喷涂效率仅约 30％，且喷涂时较为考验技术，容易造成喷涂面不均匀，导致原料浪费，而且原料与压缩空气混合直接接触，就必须要对压缩空气进行净化处理，过程比较复杂且技术要求较高，安全规范要求也颇为严格；（2）高压无气喷涂：采用增压泵将原料增至高压，再通过细小喷孔喷出，使物料形成扇形雾状，该方式有利于提高喷涂传递效率。但缺点在于物料雾化喷涂厚度不易控制，喷孔角度不能调节，只适合单一大型工艺喷涂，在本次实验中最重要的缺点为压力过大，该喷涂方式通常压力达到 10Mpa-22Mpa，过大压力对工艺水平要求极高，也对实验产生严重安全隐患。（3）静电喷涂：其原理时在接地工件和喷枪之间加上直流高压，产生静电场，经过相互碰撞均匀地沉积在物料表面，该方式喷涂原料传递效率较高，通常可达 70％，且喷涂在物料上形成的喷涂厚度较为均匀，缺点是静电喷涂对原料的粘度及导电率有较高要求，并非

　 ①

　夏翠萍. 温控胞衣复合材料力学性能和阻燃性能的研究[D]. 中国矿业大学, 2019.

　2 自动化流程设计及试验初步设想

　 任何原料都适合静电喷涂，且设备投资过大，对经济有较高要求：（4）低流量中等压力喷涂：该方式通常采用驱动马达、电动机、压力泵、齿轮泵等发动机或马达，将原料通过压力压缩至雾化状态，压力通常为 0.2Mpa-0.8Mpa。通过喷头喷涂至物料表面，喷头角度和方向可...