本文是一篇机械论文，本课题的阻化剂冰球下漏单元设计中，虽然能够达到批量依次下漏的要求，但未达到自动化程度，应当继续探索，设计出可自动化控制，定时定量空速下漏的设备，以达到工业化水平；
1 绪论
1.1 研究背景与意义
在我国能源结构中，煤炭资源仍然是最重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。因此，本论文中研究的温敏胞衣阻化剂防灭火技术具有重要的意义。
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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。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]。目前市面上主要的几种阻化剂虽然形态大小、价格效果不同，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MgCl2，CaCl2，NaCl。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。在运输过程中，传统阻化剂由于受到货运压力和长途颠簸原因，破损程度大，产品完整率低；在井下使用时，传统阻化剂受到井下温度和风量的影响，会迅速蒸发析出阻化剂内部盐分，导致阻化效果降低。
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1.2 国内外研究现状
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、（NH4）2HPO5）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H2O，水液体出来后又可以吸收煤层中得热量蒸发，降低煤体温度；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。
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2 胞衣阻化剂及自动化设计理论研究
2.1 煤自燃机理理论
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[25~27]。
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[28-29]。
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2.2 矿井常用防灭火方式
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[30]。
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3 下漏单元及喷雾单元设计 .............................. 18
3.1 液氮制备阻化剂冰球设计.......................... 18
3.2 阻化剂与海藻酸钠及乳酸钙溶液混合制备冰球................... 20
3.3 下漏单元设备设计................................. 23
4 熔融相变单元及冷却单元设计 ...................... 30
4.1 相变材料.................................. 30
4.2 熔融相变单元设备................................ 31
4.3 冷却单元................................ 41
5 系统实验验证 ................................. 44
5.1 不同粒径胞衣小球制备实验......................... 44
5.2 温控胞衣小球抗压性能测试分析............................ 50
5.3 本章小结................................ 53
5 系统实验验证
5.1 不同粒径胞衣小球制备实验
对于本次工艺设备的设计和最后成品的质量，最重要的考量就是经济与市场。要充分考虑到成品胞衣阻化剂的市场运输和矿下实际抛洒情况。所以对成品的抗压强度，韧性和表面光滑程度都有一定要求。强度不够，会导致胞衣阻化剂小球在运输过程中球体破裂和井下抛洒过程中形态不完整，内部阻化液体漏出，影响阻燃效果。胞衣表面的光滑程度影响着抛洒后小球能否最大可能的均匀散落在煤层表面。而且胞衣表面如粗糙不平，势必会在煤层中形成受热不均匀的情况，可能会造成内部阻化液不能全部及时释放的局面。为避免这样的不良情况出现，保证产品的最大效果和良品率，应当对成品胞衣小球的强度，光滑程度加以研究分析和确定。
5.1.1 不同粒径冰球制备
对于温控胞衣球体的抗压强度实验，用钢珠球体代替阻化液冰球的包覆实验中，得出了在胞衣包覆层数低于4层时，所有粒径胞衣小球都达不到要求，报以外壳过于单薄，容易破裂，当胞衣包覆层数大于6层后，外壳厚度过大，无法在70℃后及时释放内部阻化液。根据相关实验研究，分析出不同胞衣小球粒径对应的最优胞衣外壳厚度和包裹层数，得出表5-1中对应关系。
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6 结论与展望
6.1 主要结论
煤自燃一直是煤矿安全生产的一大隐患。针对阻化防灭火这一技术特点，本研究课题中所创新设计的胞衣阻化剂，具有稳定性好、抗压性强、具有二次阻化等优点。针对热熔温敏胞衣喷覆研究中，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。主要的出的结论如下：
（1）针对阻化剂冰球不易制备的缺点，提出阻化剂与0.06％的海藻酸钠溶液混合，再与1％的乳酸钙溶液反应，形成球状物体。通过低温环境，将该球状物冷冻成冰球，使批量生产得以实现。
（2）在核心流程中，模拟喷头喷雾效果，确定喷头型号为万向广角实心锥形压力喷头，分布为平行于水平地面，正交分布，圆环直径为35cm；物料桶设计为容积70L，加热桶设计为水浴加热，底部加装翅形加热片和自行编写程序的温控设备；设备外露铁管部分，缠绕镍铬材质的硅胶加热带和外裹玻璃隔热棉；核心部分齿轮泵采用型号为RCB-2，电机型号采用Y90L-4；
（3）针对本课题中所采用的胞衣主体材料石蜡质升温产生气体对井下环境安全的影响。设计石蜡程序升温试验，测定石蜡质与煤体在75℃所产的的CO2、CO的量，确定所用胞衣材质的安全性和规范性；
（4）针对市面上阻化剂的缺点，设计对照实现，验证胞衣阻化剂的稳定性和抗压性。并对整套设备的可靠性进行试验，制备多种不同粒径冰球和胞衣阻化剂小球，通过数据分析确定最终胞衣小球喷覆方案为小球厚度为15cm，胞衣厚度为1.53mm。
参考文献（略）