煤层气阻火装置在线自动清洗技术研究及试验分析

王晓光,肖 露,张 群,甘海龙

(1.淮北矿业股份有限公司电力分公司,安徽 淮北 235000; 2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆 400037;3.中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆 400037)

地球上人为甲烷排放主要集中在煤炭开采和农业生产过程中[1]。其中煤炭开采过程会释放出大量的煤层气[2-3]。我国煤矿井下煤层气年抽采量近130亿m3,而利用率只有35%,其中低浓度煤层气(甲烷体积分数低于30%)利用率仅13%,每年约有85亿m3抽采煤层气直接排空,加上近200亿m3风排瓦斯[4],每年排空纯甲烷约280亿m3,这既浪费了能源,又对气候变化产生了负面效应。在煤炭生产和矿后活动中约有80%甲烷直接排空[5],占全国甲烷排放总量的38%,对生态环境影响巨大,因此必须重视低浓度煤层气的利用[6-7]。

科学地开发利用煤层气仍然是油气开发重大专项煤层气开发领域的重要内容[8]。低浓度煤层气利用主要是对含氧甲烷进行处理,存在一定的爆炸风险[9]。阻火器广泛安装在低浓度煤层气输送管道上[10],将下游的煤层气利用装置和前端的煤层气抽采泵房分隔,以阻止易燃气体、液体的火焰蔓延,防止回火引起抽采系统爆炸[11]。此外,阻火器还经常安装在排放易燃易爆气体的储罐和管线上,以防止外部火焰窜入存有易燃易爆气体的设备、管道内,或阻止其蔓延[12]。

在阻火器使用过程中,因其阻火滤芯呈多层波纹状且通径狭小[13],流通介质中的杂质和管路中的铁锈、煤屑等物质都极易将其堵塞,导致介质流动受阻,煤层气输送阻力加大,压降升高、能耗增加,影响煤层气利用装置的效率,甚至停机。常规的阻火器结构简单,维护时必须中断发电,进行管路隔离放空介质才能解体清理阻火滤网。这一过程需要开展大量的前期准备工作,耗费大量人力物力,同时频繁拆卸设备,易使设备受损[14]。

依托“十三五”国家重大专项课题的支持,笔者对适用于低浓度煤层气利用中的阻火装置进行研究,开发具有自动清洗功能的阻火装置,并对清洗效果开展试验验证,减少下游利用装置的非故障停车,提高利用效率。

1 清洗方式及清洗原理

煤层气利用装置中的阻火器,可将其阻火芯看成由大量允许经过细小可燃气体分子的细小通道或孔隙的固体填料组成的阻火单元[15]。一般设置波纹板阻火芯,并要求具有足够的机械强度,以抵挡充分的机械冲击和温度冲击,且流动阻力不能过大[16],当阻力增加到一定程度即需要清洗。目前,解决输送管道阻火器堵塞问题的方法是定期拆除阻火器的阻火芯并进行清洗,主要方法有:高压水冲洗法、压缩空气吹扫法和超声波清洗法等[17]。

1)高压水冲洗。属于物理清洗方法[18],与人工、机械清洗超声波等其他清洗方式相比,具有许多优点:①冲洗成本低,高压水清洗使用的介质是自来水,不需添加任何填充物及洗涤剂;②清洗质量较好,由于高压水具有巨大的能量,在清洗阻火芯内孔的冲洗过程中,能够将孔内的结垢物和堵塞物一并剔除干净,清洗后可以见到阻火芯的金属本体,并且清除孔内的坚硬结垢物和堵塞物时对阻火芯没有任何破坏作用;③清洗效率高,高压水射流的冲刷、契劈、剪切、磨削等复合破碎作用,可立即将结垢物打碎脱落,比传统的压缩空气吹扫、手工方法清洗快几倍到几十倍。

2)压缩空气吹扫。对细小煤屑的清除速度较快,但是清除阻火芯内孔上的大颗粒则需要较高压力,因此大管道吹扫需要气量较大,能耗较高。且压缩空气吹扫需要预留放空管道,会增加设备复杂度。另外,可燃粉尘被压缩空气吹扫后,会漂浮起来与空气形成混合物,如果混合物达到该种可燃粉尘的爆炸界限,则很有可能引发粉尘爆炸事故。

3)超声波清洗。利用超声波产生的空化效应,加强水的渗透作用,清洗过程中,声学辐射压力与声学毛细效应促使水渗入工件表面的微小凹陷和微孔,使脉动搅拌加剧,并逐渐溶解、分散和乳化加速[19],进而使阻火芯微孔内的积炭被爆裂、剥落,实现彻底清洗干净阻火芯。这个过程是一种物理效应,对阻火芯与环境无污染。然而,根据煤矿应用经验,超声波清洗大颗粒煤屑效果欠佳,且清洗装置复杂,特别是清洗大管径阻火器时需要大型超声发生器,其在低浓度煤层气输送管道上的使用安全性较差。

拆除清洗阻火器的阻火芯需要耗费大量人力和物力,且不能确保阻火芯每次堵塞后就能得到及时清洗。鉴于此,研制的干式阻火器采用高压水清洗的方式,引入阻力触发式自动清洗结构,并在其内部安装自旋转喷头组,实现阻火芯堵塞后的及时、不停机的自动清洗。干式阻火器自动清洗装置原理及布置如图1所示。

(a)原理图

由图1可知,干式阻火器的自动清洗装置由压差监测系统、控制阀、高压泵、控制器和正压放水器等组成。在阻火器前后设置差压监测系统,采用监测系统内的差压变送器测量阻力,其工作原理是:当压差监测系统检测到阻火芯两端的压差超过1 000 Pa时,即可认为阻火芯已被粉尘堵塞,此时通过控制器给安装在阻火器内部的自旋转喷头供水;高压水进入喷嘴,对阻火芯进行清洗;当阻火芯两端压差小于800 Pa,并延长清洗5 min后,由控制器关闭高压泵,停止供水。

2 试验测试

低浓度煤层气因含氧量较高[20],普遍在低压下(一般不超过5 kPa)进行输送。在大流量管道上,输送管道及设备的横截面积一般较大。在实际工程中应用较多的阻火器是DN500型,目前国内还没有直径比DN500型干式阻火器大且取得安标的阻火器。为了实现干式阻火器的高效清洗,笔者采用DN500干式阻火装置(孔眼当量直径2 mm,波纹板厚度30 mm,波纹板数量2个,波纹带与平带厚度0.25 mm,波纹板间距30 mm),模拟被煤屑堵塞的情况下的自动清洗试验,以便对高压泵、喷嘴、主供水管路管径进行合理选型,并对高压水清洗方式进行优化。最后,对设计完成的自动清洗装置进行效果试验。

2.1 阻火芯清洗试验

试验中发现:环状布置的喷嘴(见图2)清洗效果较好,但是其清洗的面积有限,不适用于大通径阻火芯的清洗。当喷嘴选择不恰当或者供水不足时,高压水经过喷嘴喷出后会被雾化而失去清洗功能;当喷嘴离阻火芯端面的距离较远时,会减弱高压水穿透效果,距离太近则会减小清洗面积。

通过大量的试验,最终确定DN500干式阻火器清洗结构采用自旋转式清洗方式。供水主管路直径为50 mm,采用G1/2、出口直径为3.5 mm(扇形,锥度40°)喷嘴,喷头出口中心线与主管中心线呈15°夹角。每隔90 mm布置1个喷头,两端喷头沿主管轴线对称分布,共16个喷头。清洗系统供水泵扬程125 m,DN50出口直径,供水管路采用ø38 mm×3 mm不锈钢管。喷头与阻火芯的距离为200 mm。上述自动清洗方案喷头喷射出来的水能够覆盖阻火芯整个截面,且能够穿透2片阻火芯,清洗主管能够自行旋转。在室外清洗阻火芯试验效果如图3所示。

(a)清洗前 (b)清洗后

2.2 阻火装置自动清洗试验

为评估上述设计参数的合理性,并检验清洗效果,在重庆清水溪搭建了干式阻火自动清洗试验平台,开展阻火装置自动清洗试验,如图4所示。按前述设计参数加工阻火装置,并将其安装在模拟低浓度煤层气输送管道上。试验前,测试阻火装置的阻力为670 Pa;试验过程中,以煤粉和灰尘作为介质,在管道前的煤层气内加入煤粉和灰尘,开启通风机(风速15 m/s),让煤粉和灰尘附着在阻火芯上。

图4 自动清洗试验平台

通过测压装置发现,阻火装置前后两侧压差很快达到2 000 Pa,即可认为阻火装置已被低浓度煤层气中的粉尘堵塞,需要即时进行清洗。此时预先设定的自动控制系统打开高压泵,开始运转并向各个喷嘴送入高压水;喷嘴向阻火装置阻火芯喷射高压水射流,清洗阻火芯,产生的污水通过正压放水器从排污口排走;泵运行60 s后,阻火装置前后的压差降至1 350 Pa,此时共耗水420 L;泵继续运行至300 s时,该压差逐渐降低到700 Pa,仅比堵塞前的阻力大30 Pa,已满足低浓度煤层气利用装置对阻火装置的阻力要求(≤800 Pa)。

3 结束语

1)低浓度煤层气利用系统前端输送管道上的阻火装置,其阻火芯一般设计成波纹板型,要求流动阻力不能过大。当阻力超过1 000 Pa时,即可认为阻火芯已被杂质堵塞,设置的阻力触发结构控制内部安装的自旋转喷头组,实现阻火装置的在线自动高效节水清洗,减少下游利用装置的非故障停车时间,提高利用效率。

2)在模拟输送管道上对优化后的阻火装置进行自动清洗试验,未堵塞时阻力为670 Pa,自动冲洗300 s后,阻力由2 000 Pa逐渐恢复到700 Pa,满足煤层气利用装置对阻火装置的阻力要求(≤800 Pa)。