瓦斯蓄热氧化装置泄爆技术分析与探讨

张 涛

(1 瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；2 中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

煤矿瓦斯蓄热氧化技术是近年来解决低浓度瓦斯利用难题的新兴环保技术，该技术利用煤矿井下抽采和乏风瓦斯为原料，经过蓄热氧化装置和热交换装置将甲烷释放的热量取出加以利用[1]。

瓦斯蓄热氧化技术的核心设备为蓄热氧化装置，其分为气流分布室、蓄热室和氧化室三个部分，装置正常运行时，氧化室温度在800 ℃以上，瓦斯中所含的甲烷在氧化室中发生氧化反应释放出热量以产生高温烟气供后端使用[2]。由于低浓度瓦斯是甲烷和空气的混合气，存在爆炸危险，且甲烷爆炸下限随着温度的升高而下降，为了避免爆炸发生，该技术限定了瓦斯气进入蓄热氧化装置的甲烷浓度须低于1.5%。考虑到装置在正常工作情况下，有可能由于操作不当或其他意外情况导致氧化室内出现爆炸或者压力骤升，为避免设备破裂、爆炸等安全事故发生，在氧化室上设置开口泄爆的泄爆装置及时泄爆。然而，泄爆装置的开口位置及方向、开口大小、泄爆片材质等是关系到能否正常泄爆的关键因素，本文重点从这三个方面对瓦斯蓄热氧化装置泄爆技术进行分析与探讨。

1 泄爆开口位置及方向

1.1 蓄热氧化装置结构

目前，工业应用较多的瓦斯蓄热氧化装置一般设计为长方体结构，分为上、中、下三层：下层为原料气气流分布室，设有导流装置可以使进入装置的原料气较为均匀的分散进入上层，用以减小装置阻力提高效率；中层为蓄热室，蓄热室内铺满蓄热体或蓄热材料，一般为方形蓄热陶瓷和矩鞍环陶瓷，当原料气流经蓄热材料时被蓄热材料中蓄积的热量加热到一定温度便于后端发生氧化反应；装置的最上层是氧化室，这里是原料气发生反应的主要场所，氧化室中空，内衬保温，甲烷和空气的预混气体从蓄热氧化装置最底部的气流分布室进入，流经蓄热室的蓄热陶瓷加热后进入氧化室，甲烷发生氧化反应生成二氧化碳和水并释放热量形成高温烟气，这些高温烟气少部分用作装置自热平衡，另外大部分从氧化室侧面的烟气取气口取出进入后端换热器或发电机组进行热能利用。典型的四床式蓄热氧化装置结构正视图如图1所示。

图1 四床式蓄热氧化装置结构Fig.1 Structure of four bed regenerative oxidation device

四床式蓄热氧化装置在运行时，以两床进气另外两床出气并周期性切换的方式实现炉温稳定和蓄热材料的蓄热-放热-蓄热的周期性切换，同时也能保证高温不会传导到蓄热室下层影响整个装置的强度。一般来说，蓄热氧化装置运行时，蓄热室内蓄热陶瓷温度由下到上呈升高趋势，最上层的蓄热陶瓷温度约在400 ℃左右，氧化室温度在800 ℃以上，而甲烷的氧化温度为538 ℃，故低浓度瓦斯经过蓄热室预热后在蓄热室和氧化室接触的高温区开始反应，因此，当超过爆炸极限的低浓度瓦斯进入装置时爆炸起点也位于蓄热室与氧化室的边界区域。

1.2 泄爆开口位置

有研究人员通过对甲烷和空气预混气体泄爆过程的研究发现，在连通容器内，泄爆口位置远离容易着火点位置时，相同的泄爆压力下能降低容器的最大爆炸压力[3]。因此，蓄热氧化装置泄爆口的位置选择在远离蓄热室与氧化室边界的装置顶部。同时，由于氧化室内有保温层且为了避免影响装置的整体强度，不能将开口设置在顶部最边缘位置，因此，开口位置尽量靠近装置边缘且远离进气的中心位置即可。装置顶部俯视开口位置示意图如图2所示。

图2 四床式蓄热氧化装置泄爆开口位置示意图Fig.2 Schematic diagram of explosion relief opening position of four bed regenerative oxidation device

1.3 泄爆开口方向

有研究表明，减小泄爆导管的长度有利于降低容器的最大爆炸压力[4-6]。同时，蓄热氧化装置一般安装在空旷区域，装置本身一般高5米以上，且其顶部一般不设置其他设备。因此，泄爆开口方向向上既能减少转弯导致的泄爆导管变长，又能在泄爆发生时将高压气体对准天空释放，避免气体冲击伤人或损坏其他设备。

2 泄爆开口大小

泄爆开口大小需要满足将装置内的爆炸气体安全泄放的要求，即开口大小大于安全泄爆的截面积即可。装置的安全泄爆截面积由下式计算：

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

ρ——泄放压力下的气体密度，kg/m3

v——氧化装置进口管内气体的流速，m/s

d——氧化装置进口管的内径，mm

选取一因素四水平+四因素两水平的正交试验表进行设计，分别采用电学阻抗法和GB/T 510-1983检测方法对安庆0#车柴进行凝点检测，并且采用两种方法的差值来评价试验方法，差值越小表明电学阻抗法的检测值越接近标准方法检测值。试验方法及试验结果见表7。

C——气体特性系数

K——气体绝热指数

Pd——泄爆片的泄放压力

M——气体的摩尔质量，kg/kmol

Z——压缩系数

T——气体温度

3 泄爆片材质及选型

泄爆片与蓄热氧化装置氧化室联通，需要长时间工作在800 ℃的高温环境下，同时，氧化室内的高温气体成分主要是由甲烷氧化生成的水蒸气和二氧化碳以及空气组成，其他腐蚀性气体较少可以忽略。因此，爆破片长期处于800 ℃高温含水空气的烟气中工作，对其材质的力学性能有一定要求，比如较高的抗疲劳能力、良好的耐腐蚀性、抗高温蠕变、长时间的组织稳定性等。其中材料蠕变的影响最为直接，一般爆破片在工作压力下其应力水平较高，蠕变会使材料在较小的应力下发生塑性变形，最终变形失控导致材料破裂，爆破片若发生蠕变将使其在低于设定压力下破坏，从而影响设备正常运行。

一般来说，高温条件下，钢材料的力学性能会发生明显变化：超过400 ℃后钢材硬度随温度增加下降，塑性指标随温度增加而上升。当温度超过450 ℃时，钢材会发生蠕变，蠕变与温度和应力的关系为：若温度不变，应力大则蠕变速度大；若应力不变，温度越高蠕变速度越大。

常用的铝材爆破片耐温仅有100 ℃，且在有氧和氧化剂存在的情况下，会加速腐蚀；纯镍材质的爆破片也仅耐温400 ℃，且纯镍的力学性能较低，在400 ℃以下就有蠕变现象发生；奥氏体不锈钢材质在400 ℃以上时，碳化物优先在晶界沉淀析出，增大了晶间腐蚀的倾向性，因此奥氏体不锈钢材料不宜在400 ℃以上长期使用。以上三类材质的爆破片均不能满足高温环境下工作要求。而高温合金钢中金属的熔点越高合金的耐热温度越高，尤其是镍基合金钢在高温条件下能保持足够的强度和抗氧化性，经过处理，其使用温度可达到1000～1100 ℃。镍基合金能满足高温条件下的使用要求，同时，在合金中加入钼或铬可以提高其耐腐蚀性。因此，蓄热氧化装置的爆破片选用镍基合金来制造。

由于蓄热氧化装置内工作压力略高于常压，压力较低，爆破片选择正拱开缝型设计[7]。爆破片夹持器按一般夹持器设计即可，无特殊要求。

4 结 语

通过对瓦斯蓄热氧化装置泄爆技术的研究和分析，在瓦斯蓄热氧化装置上设置耐高温的正拱开缝型爆破片是避免意外情况发生时装置内爆炸产生的高压冲击损坏装置设备的有效技术手段，在工程实际中，一般在装置顶部设置爆破片。爆破片的设置不仅保护装置本身不被破坏，避免运行过程中安全事故的发生，同时，相比于蓄热氧化装置本身，爆破片价格低廉易于更换，一旦发生意外能快速更换爆破片，重启设备，从而提高整个装置的经济性。因此，瓦斯蓄热氧化装置泄爆技术是支撑瓦斯蓄热氧化工艺安全经济的关键技术。