瓦斯蓄熱氧化裝置泄爆技術(shù)分析與探討

張 濤

(1 瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；2 中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

煤礦瓦斯蓄熱氧化技術(shù)是近年來(lái)解決低濃度瓦斯利用難題的新興環(huán)保技術(shù)，該技術(shù)利用煤礦井下抽采和乏風(fēng)瓦斯為原料，經(jīng)過(guò)蓄熱氧化裝置和熱交換裝置將甲烷釋放的熱量取出加以利用[1]。

瓦斯蓄熱氧化技術(shù)的核心設(shè)備為蓄熱氧化裝置，其分為氣流分布室、蓄熱室和氧化室三個(gè)部分，裝置正常運(yùn)行時(shí)，氧化室溫度在800 ℃以上，瓦斯中所含的甲烷在氧化室中發(fā)生氧化反應(yīng)釋放出熱量以產(chǎn)生高溫?zé)煔夤┖蠖耸褂肹2]。由于低濃度瓦斯是甲烷和空氣的混合氣，存在爆炸危險(xiǎn)，且甲烷爆炸下限隨著溫度的升高而下降，為了避免爆炸發(fā)生，該技術(shù)限定了瓦斯氣進(jìn)入蓄熱氧化裝置的甲烷濃度須低于1.5%。考慮到裝置在正常工作情況下，有可能由于操作不當(dāng)或其他意外情況導(dǎo)致氧化室內(nèi)出現(xiàn)爆炸或者壓力驟升，為避免設(shè)備破裂、爆炸等安全事故發(fā)生，在氧化室上設(shè)置開(kāi)口泄爆的泄爆裝置及時(shí)泄爆。然而，泄爆裝置的開(kāi)口位置及方向、開(kāi)口大小、泄爆片材質(zhì)等是關(guān)系到能否正常泄爆的關(guān)鍵因素，本文重點(diǎn)從這三個(gè)方面對(duì)瓦斯蓄熱氧化裝置泄爆技術(shù)進(jìn)行分析與探討。

1 泄爆開(kāi)口位置及方向

1.1 蓄熱氧化裝置結(jié)構(gòu)

目前，工業(yè)應(yīng)用較多的瓦斯蓄熱氧化裝置一般設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，分為上、中、下三層：下層為原料氣氣流分布室，設(shè)有導(dǎo)流裝置可以使進(jìn)入裝置的原料氣較為均勻的分散進(jìn)入上層，用以減小裝置阻力提高效率；中層為蓄熱室，蓄熱室內(nèi)鋪滿蓄熱體或蓄熱材料，一般為方形蓄熱陶瓷和矩鞍環(huán)陶瓷，當(dāng)原料氣流經(jīng)蓄熱材料時(shí)被蓄熱材料中蓄積的熱量加熱到一定溫度便于后端發(fā)生氧化反應(yīng)；裝置的最上層是氧化室，這里是原料氣發(fā)生反應(yīng)的主要場(chǎng)所，氧化室中空，內(nèi)襯保溫，甲烷和空氣的預(yù)混氣體從蓄熱氧化裝置最底部的氣流分布室進(jìn)入，流經(jīng)蓄熱室的蓄熱陶瓷加熱后進(jìn)入氧化室，甲烷發(fā)生氧化反應(yīng)生成二氧化碳和水并釋放熱量形成高溫?zé)煔猓@些高溫?zé)煔馍俨糠钟米餮b置自熱平衡，另外大部分從氧化室側(cè)面的煙氣取氣口取出進(jìn)入后端換熱器或發(fā)電機(jī)組進(jìn)行熱能利用。典型的四床式蓄熱氧化裝置結(jié)構(gòu)正視圖如圖1所示。

圖1 四床式蓄熱氧化裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of four bed regenerative oxidation device

四床式蓄熱氧化裝置在運(yùn)行時(shí)，以兩床進(jìn)氣另外兩床出氣并周期性切換的方式實(shí)現(xiàn)爐溫穩(wěn)定和蓄熱材料的蓄熱-放熱-蓄熱的周期性切換，同時(shí)也能保證高溫不會(huì)傳導(dǎo)到蓄熱室下層影響整個(gè)裝置的強(qiáng)度。一般來(lái)說(shuō)，蓄熱氧化裝置運(yùn)行時(shí)，蓄熱室內(nèi)蓄熱陶瓷溫度由下到上呈升高趨勢(shì)，最上層的蓄熱陶瓷溫度約在400 ℃左右，氧化室溫度在800 ℃以上，而甲烷的氧化溫度為538 ℃，故低濃度瓦斯經(jīng)過(guò)蓄熱室預(yù)熱后在蓄熱室和氧化室接觸的高溫區(qū)開(kāi)始反應(yīng)，因此，當(dāng)超過(guò)爆炸極限的低濃度瓦斯進(jìn)入裝置時(shí)爆炸起點(diǎn)也位于蓄熱室與氧化室的邊界區(qū)域。

1.2 泄爆開(kāi)口位置

有研究人員通過(guò)對(duì)甲烷和空氣預(yù)混氣體泄爆過(guò)程的研究發(fā)現(xiàn)，在連通容器內(nèi)，泄爆口位置遠(yuǎn)離容易著火點(diǎn)位置時(shí)，相同的泄爆壓力下能降低容器的最大爆炸壓力[3]。因此，蓄熱氧化裝置泄爆口的位置選擇在遠(yuǎn)離蓄熱室與氧化室邊界的裝置頂部。同時(shí)，由于氧化室內(nèi)有保溫層且為了避免影響裝置的整體強(qiáng)度，不能將開(kāi)口設(shè)置在頂部最邊緣位置，因此，開(kāi)口位置盡量靠近裝置邊緣且遠(yuǎn)離進(jìn)氣的中心位置即可。裝置頂部俯視開(kāi)口位置示意圖如圖2所示。

圖2 四床式蓄熱氧化裝置泄爆開(kāi)口位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of explosion relief opening position of four bed regenerative oxidation device

1.3 泄爆開(kāi)口方向

有研究表明，減小泄爆導(dǎo)管的長(zhǎng)度有利于降低容器的最大爆炸壓力[4-6]。同時(shí)，蓄熱氧化裝置一般安裝在空曠區(qū)域，裝置本身一般高5米以上，且其頂部一般不設(shè)置其他設(shè)備。因此，泄爆開(kāi)口方向向上既能減少轉(zhuǎn)彎導(dǎo)致的泄爆導(dǎo)管變長(zhǎng)，又能在泄爆發(fā)生時(shí)將高壓氣體對(duì)準(zhǔn)天空釋放，避免氣體沖擊傷人或損壞其他設(shè)備。

2 泄爆開(kāi)口大小

泄爆開(kāi)口大小需要滿足將裝置內(nèi)的爆炸氣體安全泄放的要求，即開(kāi)口大小大于安全泄爆的截面積即可。裝置的安全泄爆截面積由下式計(jì)算：

式中：WS——一氧化室的安全泄放量(WS=2.83×10-3ρvd2)，kg/h

ρ——泄放壓力下的氣體密度，kg/m3

v——氧化裝置進(jìn)口管內(nèi)氣體的流速，m/s

d——氧化裝置進(jìn)口管的內(nèi)徑，mm

選取一因素四水平+四因素兩水平的正交試驗(yàn)表進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別采用電學(xué)阻抗法和GB/T 510-1983檢測(cè)方法對(duì)安慶0#車(chē)柴進(jìn)行凝點(diǎn)檢測(cè)，并且采用兩種方法的差值來(lái)評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法，差值越小表明電學(xué)阻抗法的檢測(cè)值越接近標(biāo)準(zhǔn)方法檢測(cè)值。試驗(yàn)方法及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

C——?dú)怏w特性系數(shù)

K——?dú)怏w絕熱指數(shù)

Pd——泄爆片的泄放壓力

M——?dú)怏w的摩爾質(zhì)量，kg/kmol

Z——壓縮系數(shù)

T——?dú)怏w溫度

3 泄爆片材質(zhì)及選型

泄爆片與蓄熱氧化裝置氧化室聯(lián)通，需要長(zhǎng)時(shí)間工作在800 ℃的高溫環(huán)境下，同時(shí)，氧化室內(nèi)的高溫氣體成分主要是由甲烷氧化生成的水蒸氣和二氧化碳以及空氣組成，其他腐蝕性氣體較少可以忽略。因此，爆破片長(zhǎng)期處于800 ℃高溫含水空氣的煙氣中工作，對(duì)其材質(zhì)的力學(xué)性能有一定要求，比如較高的抗疲勞能力、良好的耐腐蝕性、抗高溫蠕變、長(zhǎng)時(shí)間的組織穩(wěn)定性等。其中材料蠕變的影響最為直接，一般爆破片在工作壓力下其應(yīng)力水平較高，蠕變會(huì)使材料在較小的應(yīng)力下發(fā)生塑性變形，最終變形失控導(dǎo)致材料破裂，爆破片若發(fā)生蠕變將使其在低于設(shè)定壓力下破壞，從而影響設(shè)備正常運(yùn)行。

一般來(lái)說(shuō)，高溫條件下，鋼材料的力學(xué)性能會(huì)發(fā)生明顯變化：超過(guò)400 ℃后鋼材硬度隨溫度增加下降，塑性指標(biāo)隨溫度增加而上升。當(dāng)溫度超過(guò)450 ℃時(shí)，鋼材會(huì)發(fā)生蠕變，蠕變與溫度和應(yīng)力的關(guān)系為：若溫度不變，應(yīng)力大則蠕變速度大；若應(yīng)力不變，溫度越高蠕變速度越大。

常用的鋁材爆破片耐溫僅有100 ℃，且在有氧和氧化劑存在的情況下，會(huì)加速腐蝕；純鎳材質(zhì)的爆破片也僅耐溫400 ℃，且純鎳的力學(xué)性能較低，在400 ℃以下就有蠕變現(xiàn)象發(fā)生；奧氏體不銹鋼材質(zhì)在400 ℃以上時(shí)，碳化物優(yōu)先在晶界沉淀析出，增大了晶間腐蝕的傾向性，因此奧氏體不銹鋼材料不宜在400 ℃以上長(zhǎng)期使用。以上三類(lèi)材質(zhì)的爆破片均不能滿足高溫環(huán)境下工作要求。而高溫合金鋼中金屬的熔點(diǎn)越高合金的耐熱溫度越高，尤其是鎳基合金鋼在高溫條件下能保持足夠的強(qiáng)度和抗氧化性，經(jīng)過(guò)處理，其使用溫度可達(dá)到1000～1100 ℃。鎳基合金能滿足高溫條件下的使用要求，同時(shí)，在合金中加入鉬或鉻可以提高其耐腐蝕性。因此，蓄熱氧化裝置的爆破片選用鎳基合金來(lái)制造。

由于蓄熱氧化裝置內(nèi)工作壓力略高于常壓，壓力較低，爆破片選擇正拱開(kāi)縫型設(shè)計(jì)[7]。爆破片夾持器按一般夾持器設(shè)計(jì)即可，無(wú)特殊要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)瓦斯蓄熱氧化裝置泄爆技術(shù)的研究和分析，在瓦斯蓄熱氧化裝置上設(shè)置耐高溫的正拱開(kāi)縫型爆破片是避免意外情況發(fā)生時(shí)裝置內(nèi)爆炸產(chǎn)生的高壓沖擊損壞裝置設(shè)備的有效技術(shù)手段，在工程實(shí)際中，一般在裝置頂部設(shè)置爆破片。爆破片的設(shè)置不僅保護(hù)裝置本身不被破壞，避免運(yùn)行過(guò)程中安全事故的發(fā)生，同時(shí)，相比于蓄熱氧化裝置本身，爆破片價(jià)格低廉易于更換，一旦發(fā)生意外能快速更換爆破片，重啟設(shè)備，從而提高整個(gè)裝置的經(jīng)濟(jì)性。因此，瓦斯蓄熱氧化裝置泄爆技術(shù)是支撐瓦斯蓄熱氧化工藝安全經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。