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注氮设备选型计算

三、设备选型

（一）制氮方案比选

结合目前国内矿井使用的制氮设备情况，按照设备布置形式可分为地面固定（移动）式和、井下移动式两种制氮系统。地面移动式制氮系统机动性好，一般适用于矿区多个矿井间相互使用。地面固定（移动）式与井下移动式制氮系统比较见表7-5-1。

表7-5-1地面固定（移动）式制氮系统与井下移动式制氮系统比较表

地面固定（移动）式制氮系统

井下移动式制氮系统

不在防爆区域内无须考虑防爆。

在防爆区域内工作，所有电机、电器等均须严格按防爆等级执行。

外形体积无限制。

体积受到限制，吸附塔卧式安装，吸附剂的性能无法充分发挥。

可实现无人值守，设备稳定运行（移动式需要专业人员管理）。

必须有专人看管。

故障率低，在相对静态的条件下工作。一旦出现故障，排除方便。

故障率高，整机经常处于动态。故障出现时排除相对困难。

井下需要敷设专用管路。

受到井下空气及吸附塔高度的影响，制氮效率相对较低。

地面需建制氮机房，管路敷设路径长，系统总体造价高。

可利用井下联络巷，不需建制氮机房，管路敷设路径短，系统总体造价低。

按制氮工艺分类主要分为变压吸附式、膜分离式、深冷分离式三种制氮系统。变压吸附式、膜分离式、深冷分离式制氮系统比较见表7-5-2。

表7-5-2变压吸附式、膜分离式、深空冷式制氮系统比较表

项目

变压吸附式

膜分离式

深冷分离式

工艺原理

相同压力下，氧气比氮气更易被吸附。

相同压力下，氧气渗透率高于氮气。

相同压力下，液氧沸点大于液氮沸点。

制氮特点

常温、制氮过程的吸附-均压-解吸-吸附过程压力波动。

常温、压缩空气在膜组件中连续通过，无需切换。氮气压力稳定。

低温、连续、氮气压力稳定。

操作压力（MPa）

0.85

1.3

0.8~0.9

操作温度(℃)

≤45

40～50

-160～-190

产品种类

气氮

气氮

气氮、液氮

启动时间

～40min

～5min

＞12h

氮气纯度%

≤99.99

＜99.9

99～99.99

最大制氮能力

(m3/h)

2500（纯度97%氮气）

1500（纯度97%）

＞10000（根据需要）

主要设备

空气压缩机、过滤器、干燥机、吸附塔、氮气缓冲罐

空气压缩机、过滤器、干燥机、电加热器、膜组件

空气压缩机、预冷机组、分子筛吸附器、电加热器、透平膨胀机、换热器、精馏塔、冷凝蒸发器

占地面积

较大

小

大

相对投资成本

小

大

大

根据表7-5-1、表7-5-2方案比较，地面固定式制氮系统运行成本低、管理方便，设备工作环境好、使用寿命长，总投资省。变压吸附式制氮系统，工艺环节较多，设备体积较大，但技术成熟，备品、备件易购，设备投资相对较少。基于设备运行安全可靠的原则，结合投资、运行和维护费用等因素，设计推荐采用地面固定式变压吸附制氮设备。

（二）推荐方案选型计算

矿井建设规模为0.90Mt/a，矿井移交时装备2个综采工作面，井下共需防灭火注氮用量为2×700=1400m3/h。根据矿井所需注氮用量，计算设备的制氮能力应满足：

∑Qmax≥αγ∑Q＝1.2×1.18×1400＝1982.4Nm3/h

式中：α——富余系数；取1.2；

γ——海拔高度修正系数；取1.18；

Q——矿井所需注氮量；

Qmax——设备所需制氮量。

工业场地内建1座制氮站（与压缩空气站联合建设），站内选用3套KSN-1000型变压吸附制氮机组，其中2套工作，1套备用。KSN-1000型变压吸附制氮机组采用碳分子筛变压吸附技术，具有操作直观的人机界面，智能化全自动控制，按键即可产出高纯氮气，无需专人值守，安装简便，不需特殊设备基础，平整地面即可安装，可靠安全性高，运行成本和维护费用相对较低。

KSN-1000型变压吸附制氮机组主要技术参数及设备配置如下：制氮量1000Nm3/h，氮气纯度≥97%，输出压力0.6MPa。每套机组配1台SA+250A-8T型两级压缩螺杆式空气压缩机、1台KRD-50F型冷冻干燥机、1套KAL-50/10型精密过滤器组件、2台变压吸附塔和1个空气缓冲罐、1个氮气缓冲罐等设备。机组总功率271kW，其中SA+250A-8T型两级压缩空气压缩机排气量51.5m3/min，排气压力0.8MPa，功率250kW，电压10kV；冷却风扇、冷冻干燥机等设备功率20.3kW，电压380V；制氮机功率0.6kW，电压220V。

制氮站最大制氮能力为2000Nm3/h＞1982.4Nm3/h，制氮设备备用数量和能力均不低于正常运行设备的50%，满足《煤炭矿井设计防火规范》（GB51078-2015）要求。

四、氮气输送管路

1、管路管径选择及敷设路径

输氮管路主管选用1趟φ219×6无缝钢管沿制氮站→地面→主斜井井筒→人行石门→采区