淺談煤礦瓦斯VPSA提純技術在工程應用中的安全措施

葉靜儉（煤炭工業合肥設計研究院，安徽 合肥 230041）

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淺談煤礦瓦斯VPSA提純技術在工程應用中的安全措施

葉靜儉（煤炭工業合肥設計研究院，安徽 合肥 230041）

將真空變壓吸附（VPSA）技術用于煤礦瓦斯提濃，已成為國內外業界的共識。由于瓦斯的易燃、易爆性，VPSA瓦斯提濃工藝在工業化生產中的安全性顯得尤為重要。結合正在實施的煤礦瓦斯提純制取壓縮天然氣（CNG）項目，對生產系統中的存在的火災、爆炸危險因素進行分析，并提出有效的解決辦法，對于工程的設計和施工都具有一定的實用價值和指導意義。

煤礦瓦斯；VPSA；提純技術；安全措施

1　引言

我國的煤田普遍屬于低滲透煤層，地面預抽采煤層氣難度很大，井下抽采成為主要手段。由于煤層的滲透率低，井下抽采系統負壓大、封堵難度大，使抽采的瓦斯中滲入大量空氣，降低了瓦斯的濃度，從而制約了瓦斯的利用方式，導致瓦斯利用率難以提高。瓦斯大量排空，不僅對環境造成嚴重污染，而且也是一種巨大的能源浪費。

提高瓦斯的濃度，實現更廣泛的用途，是提高利用率的有效方式。在膜分離法、深冷液化法、變壓吸附法、水合物分離法和溶劑吸收法等瓦斯提純方式中，變壓吸附法以其分離效率高、能源消耗低、工藝相對簡單等多方面的優勢，成為低濃度瓦斯提純的首選技術，全國也陸續建設了少量煤礦瓦斯VPSA提濃項目，進入工業化試生產。

2　工程應用中的火災、爆炸危險因素

由于瓦斯的易燃、易爆性，VPSA瓦斯提濃工藝在工業化生產中的安全性顯得尤為重要。現結合我院正在實施的某瓦斯提純濃縮制壓縮天然氣（CNG）項目，對工藝系統設計中需設置的安全措施進行分析。

2.1工藝流程簡述

由儲配站輸送的甲烷濃度35%的原料瓦斯，經安全輸送環節預壓計量，由壓縮凈化環節脫水、除雜質、增壓后，通過變壓吸附裝置提純濃縮至甲烷濃度95%以上，再經天然氣壓縮機，生產合格的車用壓縮天然氣。

表1　原料氣物性參數表

2.2火災、爆炸危險因素

甲烷為易燃易爆氣體，火災危險分類為甲級，在空氣中的主要特性如表2。

表2　甲烷的特性

瓦斯爆炸或燃燒必須具備三個條件：一定濃度的甲烷、一定的含氧量、足夠溫度的火源，三者缺一不可。

一般情況下，瓦斯濃度低于5%時，遇到火源能夠燃燒，但瓦斯氧化生成的熱量很快被多余的瓦斯和周圍介質吸收而降溫，火焰迅速熄滅，不會傳播也不會爆炸；瓦斯濃度大于15%時，空氣中的氧相對減少，只能有一部分瓦斯與氧發生反應，多余的瓦斯卻起著阻止氧化作用，由于瓦斯熱容量比空氣大2.5倍，故熱的散失速度大于熱的生成速度，因此既不爆炸，也不燃燒，但當新鮮空氣不斷供給時，遇火可能燃燒，甚至發生爆炸。

當空氣中甲烷濃度在5～15%時，瓦斯與氧配合比例適當，遇到火源迅速氧化，熱量生成速度大大超過散熱速度，生成的CO2和水蒸氣因熱量急增而急劇膨脹，形成爆炸現象，這個濃度范圍稱為瓦斯爆炸界限，瓦斯爆炸的實質是遇火急劇氧化，沒有足夠的氧，就不會發生瓦斯爆炸。根據甲烷-氧-氮氣混合氣體在常溫下的爆炸三角圖［1～2］，甲烷的爆炸下限臨界氧濃度為12%，隨著甲烷濃度的升高，爆炸臨界氧濃度也會隨之提高，直至甲烷爆炸上限。

實踐證明，空氣中的氧氣濃度降低時，瓦斯的爆炸界限隨之縮小，當氧氣濃度減少到12%以下時，瓦斯混合氣體即使去爆炸性［3］。由此可以理解為：在生產系統不發生泄漏的情況下，瓦斯中氧濃度低于12%時，即使出現火源，系統也是安全的。

根據上述內容分析，在瓦斯提純濃縮過程中可能由于以下原因產生爆炸、火災危險：

（1）設備及管道內的瓦斯濃度在爆炸范圍內，且具有一定的含氧量，由于設備及管道靜電產生火花，導致爆炸和火災；

（2）設備及管道內的瓦斯濃度高于爆炸上限，但由于漏入空氣，瓦斯被稀釋至爆炸濃度范圍內，同時由于設備及管道靜電產生火花，導致爆炸和火災；

（3）設備及管道內的瓦斯泄漏至系統外，濃度達到爆炸范圍內，遇外界火源，產生爆炸、火災危險；

（4）瓦斯加壓過程中，隨著壓力和溫度升高，甲烷爆炸極限范圍加寬，使原本不在爆炸極限范圍內的瓦斯處于危險范圍，同時加壓過程中產生火花，導致爆炸和火災；參考《民用煤層氣（煤礦瓦斯）》（GB26569-2011）的規定，高于30%的瓦斯允許最高輸送壓力為0.8MPa；

（5）生產過程中排空的瓦斯濃度處于爆炸極限范圍內，遇到雷擊等外部火源引起爆炸和火災。

3　工程應用中采取的防火、防爆措施

不同的生產環節，工質的條件不同，對防火、防爆的要求也不同，結合上述生產過程中可能的危險因素采取了不同的防火、防爆措施。

3.1設備本體的防火防爆措施

3.1.1壓縮機的選擇

根據工藝系統的流程，原料氣在進入變壓吸附裝置之前，需經過兩次加壓。在變壓吸附之前，瓦斯的濃度在30～35%，采用濕式加壓，可有效降低壓縮過程中的溫升，增加系統的安全性。第一次加壓至40kPa，壓力較低，采用水環式壓縮機。

第二次加壓至0.7MPa，采用噴水螺桿式壓縮機，經實驗證明該類壓縮機在項目工況下，壓縮過程是安全的；瓦斯的增壓不超過0.8MPa，可滿足30%以上的高濃度瓦斯的輸送安全條件。

經過變壓吸附后，瓦斯的濃度已經達到95%以上，幾乎不含氧氣，對該氣體的壓縮方式沒有特殊的要求，采用往復式的天然氣壓縮機就能滿足要求。

為了吸附劑的再生效果，提高甲烷的回收率，VPSA提純裝置采用抽真空的解吸方式，采用瓦斯抽采常用的水環真空泵，可滿足要求。

3.1.2變壓吸附裝置及吸附劑的選擇

為了保證產氣的連續性，煤礦瓦斯VPSA提純裝置采用六塔布置，交替吸附和再生。本項目的變壓吸附過程是利用吸附劑將瓦斯中的非甲烷吸附，甲烷直接通過的過程。解吸時，罐體內瓦斯濃度不斷下降，將會通過爆炸區間，存在爆炸可能，所以就要求吸附劑具有良好的阻爆和隔爆性能。

項目吸附塔內填裝煤礦瓦斯提純專用吸附劑，同時在吸附塔的進排氣口以及罐體之間的連接管道內填裝了抑爆材料，經過大量的實驗表明，填裝了吸附劑的罐體內，濃度在10～30%的瓦斯在點火時均不發生爆炸，證明吸附劑具有良好的抑爆性能。對于罐體之間的連接管路，采用連通器的實驗方式，連接管內填充抑爆材料，當第一個罐體內發生爆炸時，不會引起另一個罐體的爆炸，證明抑爆材料的抑爆阻爆性能。

在以上兩方面的保護下，瓦斯在整個吸附過程中是安全的。

3.1.3儲氣罐上設置的措施

各緩沖罐、儲氣罐均設置安全放散閥和泄爆裝置，防止系統超壓。放散管均引至室外排放，放散管上設置阻火器，并設防雷保護，防止雷擊和火焰向系統內傳播。

3.2系統設計上設置的防火防爆措施

3.2.1工藝系統的措施

（1）根據生產工藝的特點，在不同的生產環節裝置區之間設置阻火、阻爆裝置，某個環節出現事故時，能最大限度的控制受影響的范圍；

（2）加壓機設置回流旁路，出口設置安全閥，排氣超壓時通過旁路回流和安全閥泄壓，安全閥泄壓通過放散管泄放至室外；

（3）可能出現負壓的管路設置氧含量檢測儀表，防止因空氣的滲入導致瓦斯濃度降低，氧含量升高；

（4）嚴格控制原料氣來源，甲烷濃度小于30%嚴禁入柜，確保進入生產裝置的瓦斯滿足高濃瓦斯的要求，減少生產系統中出現低濃瓦斯的可能；

（5）儲氣柜進出口設水封阻火泄爆裝置，進出管路上設置快速切斷閥，生產系統出現火災時，立刻切斷氣源，保護儲氣柜和抽放站的安全；

（6）本項目的變壓吸附工藝為3級，每一級均采用吸附非甲烷氣體的吸附劑。吸附劑本身具有良好的阻爆和隔爆性能，吸附塔內的瓦斯即使處于爆炸范圍內，也不易發生爆炸，存在安全隱患的是吸附塔與其他外部設備連接的管路中。

一級變壓吸附解吸氣中，CH4濃度低于5%，常壓解吸和真空解吸氣均直接排空，放空管設置阻火器，防止外界火源向系統內傳播；

為了提高系統的甲烷回收率，二、三級解吸氣返回與原料氣混合后重新進入吸附裝置。三級變壓吸附解吸氣CH4濃度高于50%，O2濃度低于2%，可直接輸送，安全性有保障；二級變壓吸附解吸氣雖然CH4濃度低于30%，但O2濃度低于10%，低于甲烷的爆炸極限臨界含氧量12%，也不會發生爆炸；

根據原料氣的設計參數，CH4濃度約35%，O2濃度約12%，在返回氣O2濃度低于12%的情況下，混氣氣的O2濃度一定是低于12%的；此時生產系統內仍是安全的。

3.2.2電氣、控制方面的措施

（1）在爆炸危險區域內電氣設備均選用防爆設備；

（2）在爆炸危險區域內電纜低位敷設，采用地溝或穿管敷設；敷設電纜的溝、套管在穿過爆炸危險環境等級不同的區域之間的隔墻或樓板時，采用非燃性材料嚴密堵塞；

（3）在防火區域內電纜采用穿管敷設或采用阻燃電纜；

（4）為防止靜電危害，所有管道和設備均連接成連續的電氣通路并接地，彎頭、閥門、法蘭盤等連接處用金屬跨接線；

（5）設置避雷針，確保放散區域的安全；

（6）提高自動化程度，在設備發生故障、人員誤操作形成危險狀態時，通過自動報警、自動切換備用設備、啟動連鎖保護裝置和安全裝置，實現事故性安全排放直至安全順序停機等一系列的自動操作，保證系統的安全；

（7）針對引發事故的原因和緊急情況下的需要，設置故障的安全控制系統（FSC）、特殊的連鎖保護、安全裝置和就地操作應急控制系統，以提高系統安全的可靠性。

3.2.3通風系統上的措施

室內有可能有瓦斯泄漏和積聚的場所均設置甲烷濃度檢測及報警裝置，并與防爆風機聯動，及時排出室內的瓦斯。

3.3工程總體規劃布置及配套設施防火防爆措施

（1）總平面布置時重點考慮不同等級的生產建（構）筑物對應不同防火安全間距的要求。

（2）具有爆炸危險的建筑物四面墻體或屋面設置泄爆結構，在發生爆炸事故時及時泄壓，減少爆炸產生的危害。

（3）生產區內設消防供水系統，形成環路，建（構）筑物周圍設有消防通道。

4　結束語

由我院設計的謝一煤礦、新莊孜煤礦低濃度瓦斯VPSA提純項目等數個試驗及工業應用工程已運行3～5年，采取本文所列防火、防爆措施后效果顯著，從未發生火災、爆炸險情。事實證明，煤礦瓦斯提純項目盡管工程案例少、危險因素多，但根據前文分析，凡在可能發生爆炸和火災危險的地方，均采取了相關的防范措施，在生產和檢修過程中，只要我們能認真細致分析，采取有效對策措施，完全能夠避免安全事故的發生。

［1］周利華.礦井火區可燃性混合氣體爆炸三角形判斷法及其爆炸危險性分析［J］.中國安全科學學報，2001，11（2）：47～51.

［2］萬成略，汪 莉.可燃性氣體含氧量安全限值的探討［J］.中國安全科學學報，1999，9（1）：48～53.

［3］何魯鄂.煤礦瓦斯爆炸概述［J］.西部探礦工程，2010（4）：123～124.

2016-5-20

TF53

A

2095-2066（2016）16-0073-02