瓦斯蓄熱氧化裝置泄爆技術分析與探討

張 濤

(1 瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037；2 中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

煤礦瓦斯蓄熱氧化技術是近年來解決低濃度瓦斯利用難題的新興環保技術，該技術利用煤礦井下抽采和乏風瓦斯為原料，經過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]。

瓦斯蓄熱氧化技術的核心設備為蓄熱氧化裝置，其分為氣流分布室、蓄熱室和氧化室三個部分，裝置正常運行時，氧化室溫度在800 ℃以上，瓦斯中所含的甲烷在氧化室中發生氧化反應釋放出熱量以產生高溫煙氣供后端使用[2]。由于低濃度瓦斯是甲烷和空氣的混合氣，存在爆炸危險，且甲烷爆炸下限隨著溫度的升高而下降，為了避免爆炸發生，該技術限定了瓦斯氣進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或其他意外情況導致氧化室內出現爆炸或者壓力驟升，為避免設備破裂、爆炸等安全事故發生，在氧化室上設置開口泄爆的泄爆裝置及時泄爆。然而，泄爆裝置的開口位置及方向、開口大小、泄爆片材質等是關系到能否正常泄爆的關鍵因素，本文重點從這三個方面對瓦斯蓄熱氧化裝置泄爆技術進行分析與探討。

1 泄爆開口位置及方向

1.1 蓄熱氧化裝置結構

目前，工業應用較多的瓦斯蓄熱氧化裝置一般設計為長方體結構，分為上、中、下三層：下層為原料氣氣流分布室，設有導流裝置可以使進入裝置的原料氣較為均勻的分散進入上層，用以減小裝置阻力提高效率；中層為蓄熱室，蓄熱室內鋪滿蓄熱體或蓄熱材料，一般為方形蓄熱陶瓷和矩鞍環陶瓷，當原料氣流經蓄熱材料時被蓄熱材料中蓄積的熱量加熱到一定溫度便于后端發生氧化反應；裝置的最上層是氧化室，這里是原料氣發生反應的主要場所，氧化室中空，內襯保溫，甲烷和空氣的預混氣體從蓄熱氧化裝置最底部的氣流分布室進入，流經蓄熱室的蓄熱陶瓷加熱后進入氧化室，甲烷發生氧化反應生成二氧化碳和水并釋放熱量形成高溫煙氣，這些高溫煙氣少部分用作裝置自熱平衡，另外大部分從氧化室側面的煙氣取氣口取出進入后端換熱器或發電機組進行熱能利用。典型的四床式蓄熱氧化裝置結構正視圖如圖1所示。

圖1 四床式蓄熱氧化裝置結構Fig.1 Structure of four bed regenerative oxidation device

四床式蓄熱氧化裝置在運行時，以兩床進氣另外兩床出氣并周期性切換的方式實現爐溫穩定和蓄熱材料的蓄熱-放熱-蓄熱的周期性切換，同時也能保證高溫不會傳導到蓄熱室下層影響整個裝置的強度。一般來說，蓄熱氧化裝置運行時，蓄熱室內蓄熱陶瓷溫度由下到上呈升高趨勢，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 ℃，故低濃度瓦斯經過蓄熱室預熱后在蓄熱室和氧化室接觸的高溫區開始反應，因此，當超過爆炸極限的低濃度瓦斯進入裝置時爆炸起點也位于蓄熱室與氧化室的邊界區域。

1.2 泄爆開口位置

有研究人員通過對甲烷和空氣預混氣體泄爆過程的研究發現，在連通容器內，泄爆口位置遠離容易著火點位置時，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離蓄熱室與氧化室邊界的裝置頂部。同時，由于氧化室內有保溫層且為了避免影響裝置的整體強度，不能將開口設置在頂部最邊緣位置，因此，開口位置盡量靠近裝置邊緣且遠離進氣的中心位置即可。裝置頂部俯視開口位置示意圖如圖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 泄爆開口方向

有研究表明，減小泄爆導管的長度有利于降低容器的最大爆炸壓力[4-6]。同時，蓄熱氧化裝置一般安裝在空曠區域，裝置本身一般高5米以上，且其頂部一般不設置其他設備。因此，泄爆開口方向向上既能減少轉彎導致的泄爆導管變長，又能在泄爆發生時將高壓氣體對準天空釋放，避免氣體沖擊傷人或損壞其他設備。

2 泄爆開口大小

泄爆開口大小需要滿足將裝置內的爆炸氣體安全泄放的要求，即開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——氧化裝置進口管內氣體的流速，m/s

d——氧化裝置進口管的內徑，mm

選取一因素四水平+四因素兩水平的正交試驗表進行設計，分別采用電學阻抗法和GB/T 510-1983檢測方法對安慶0#車柴進行凝點檢測，并且采用兩種方法的差值來評價試驗方法，差值越小表明電學阻抗法的檢測值越接近標準方法檢測值。試驗方法及試驗結果見表7。

C——氣體特性系數

K——氣體絕熱指數

Pd——泄爆片的泄放壓力

M——氣體的摩爾質量，kg/kmol

Z——壓縮系數

T——氣體溫度

3 泄爆片材質及選型

泄爆片與蓄熱氧化裝置氧化室聯通，需要長時間工作在800 ℃的高溫環境下，同時，氧化室內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，爆破片長期處于800 ℃高溫含水空氣的煙氣中工作，對其材質的力學性能有一定要求，比如較高的抗疲勞能力、良好的耐腐蝕性、抗高溫蠕變、長時間的組織穩定性等。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力水平較高，蠕變會使材料在較小的應力下發生塑性變形，最終變形失控導致材料破裂，爆破片若發生蠕變將使其在低于設定壓力下破壞，從而影響設備正常運行。

一般來說，高溫條件下，鋼材料的力學性能會發生明顯變化：超過400 ℃后鋼材硬度隨溫度增加下降，塑性指標隨溫度增加而上升。當溫度超過450 ℃時，鋼材會發生蠕變，蠕變與溫度和應力的關系為：若溫度不變，應力大則蠕變速度大；若應力不變，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，會加速腐蝕；純鎳材質的爆破片也僅耐溫400 ℃，且純鎳的力學性能較低，在400 ℃以下就有蠕變現象發生；奧氏體不銹鋼材質在400 ℃以上時，碳化物優先在晶界沉淀析出，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 ℃以上長期使用。以上三類材質的爆破片均不能滿足高溫環境下工作要求。而高溫合金鋼中金屬的熔點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度和抗氧化性，經過處理，其使用溫度可達到1000～1100 ℃。鎳基合金能滿足高溫條件下的使用要求，同時，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制造。

由于蓄熱氧化裝置內工作壓力略高于常壓，壓力較低，爆破片選擇正拱開縫型設計[7]。爆破片夾持器按一般夾持器設計即可，無特殊要求。

4 結 語

通過對瓦斯蓄熱氧化裝置泄爆技術的研究和分析，在瓦斯蓄熱氧化裝置上設置耐高溫的正拱開縫型爆破片是避免意外情況發生時裝置內爆炸產生的高壓沖擊損壞裝置設備的有效技術手段，在工程實際中，一般在裝置頂部設置爆破片。爆破片的設置不僅保護裝置本身不被破壞，避免運行過程中安全事故的發生，同時，相比于蓄熱氧化裝置本身，爆破片價格低廉易于更換，一旦發生意外能快速更換爆破片，重啟設備，從而提高整個裝置的經濟性。因此，瓦斯蓄熱氧化裝置泄爆技術是支撐瓦斯蓄熱氧化工藝安全經濟的關鍵技術。