煤層氣阻火裝置在線自動清洗技術研究及試驗分析

王曉光,肖 露,張 群,甘海龍

(1.淮北礦業股份有限公司電力分公司,安徽 淮北 235000; 2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室,重慶 400037;3.中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶 400037)

地球上人為甲烷排放主要集中在煤炭開采和農業生產過程中[1]。其中煤炭開采過程會釋放出大量的煤層氣[2-3]。我國煤礦井下煤層氣年抽采量近130億m3,而利用率只有35%,其中低濃度煤層氣(甲烷體積分數低于30%)利用率僅13%,每年約有85億m3抽采煤層氣直接排空,加上近200億m3風排瓦斯[4],每年排空純甲烷約280億m3,這既浪費了能源,又對氣候變化產生了負面效應。在煤炭生產和礦后活動中約有80%甲烷直接排空[5],占全國甲烷排放總量的38%,對生態環境影響巨大,因此必須重視低濃度煤層氣的利用[6-7]。

科學地開發利用煤層氣仍然是油氣開發重大專項煤層氣開發領域的重要內容[8]。低濃度煤層氣利用主要是對含氧甲烷進行處理,存在一定的爆炸風險[9]。阻火器廣泛安裝在低濃度煤層氣輸送管道上[10],將下游的煤層氣利用裝置和前端的煤層氣抽采泵房分隔,以阻止易燃氣體、液體的火焰蔓延,防止回火引起抽采系統爆炸[11]。此外,阻火器還經常安裝在排放易燃易爆氣體的儲罐和管線上,以防止外部火焰竄入存有易燃易爆氣體的設備、管道內,或阻止其蔓延[12]。

在阻火器使用過程中,因其阻火濾芯呈多層波紋狀且通徑狹小[13],流通介質中的雜質和管路中的鐵銹、煤屑等物質都極易將其堵塞,導致介質流動受阻,煤層氣輸送阻力加大,壓降升高、能耗增加,影響煤層氣利用裝置的效率,甚至停機。常規的阻火器結構簡單,維護時必須中斷發電,進行管路隔離放空介質才能解體清理阻火濾網。這一過程需要開展大量的前期準備工作,耗費大量人力物力,同時頻繁拆卸設備,易使設備受損[14]。

依托“十三五”國家重大專項課題的支持,筆者對適用于低濃度煤層氣利用中的阻火裝置進行研究,開發具有自動清洗功能的阻火裝置,并對清洗效果開展試驗驗證,減少下游利用裝置的非故障停車,提高利用效率。

1 清洗方式及清洗原理

煤層氣利用裝置中的阻火器,可將其阻火芯看成由大量允許經過細小可燃氣體分子的細小通道或孔隙的固體填料組成的阻火單元[15]。一般設置波紋板阻火芯,并要求具有足夠的機械強度,以抵擋充分的機械沖擊和溫度沖擊,且流動阻力不能過大[16],當阻力增加到一定程度即需要清洗。目前,解決輸送管道阻火器堵塞問題的方法是定期拆除阻火器的阻火芯并進行清洗,主要方法有:高壓水沖洗法、壓縮空氣吹掃法和超聲波清洗法等[17]。

1)高壓水沖洗。屬于物理清洗方法[18],與人工、機械清洗超聲波等其他清洗方式相比,具有許多優點:①沖洗成本低,高壓水清洗使用的介質是自來水,不需添加任何填充物及洗滌劑;②清洗質量較好,由于高壓水具有巨大的能量,在清洗阻火芯內孔的沖洗過程中,能夠將孔內的結垢物和堵塞物一并剔除干凈,清洗后可以見到阻火芯的金屬本體,并且清除孔內的堅硬結垢物和堵塞物時對阻火芯沒有任何破壞作用;③清洗效率高,高壓水射流的沖刷、契劈、剪切、磨削等復合破碎作用,可立即將結垢物打碎脫落,比傳統的壓縮空氣吹掃、手工方法清洗快幾倍到幾十倍。

2)壓縮空氣吹掃。對細小煤屑的清除速度較快,但是清除阻火芯內孔上的大顆粒則需要較高壓力,因此大管道吹掃需要氣量較大,能耗較高。且壓縮空氣吹掃需要預留放空管道,會增加設備復雜度。另外,可燃粉塵被壓縮空氣吹掃后,會漂浮起來與空氣形成混合物,如果混合物達到該種可燃粉塵的爆炸界限,則很有可能引發粉塵爆炸事故。

3)超聲波清洗。利用超聲波產生的空化效應,加強水的滲透作用,清洗過程中,聲學輻射壓力與聲學毛細效應促使水滲入工件表面的微小凹陷和微孔,使脈動攪拌加劇,并逐漸溶解、分散和乳化加速[19],進而使阻火芯微孔內的積炭被爆裂、剝落,實現徹底清洗干凈阻火芯。這個過程是一種物理效應,對阻火芯與環境無污染。然而,根據煤礦應用經驗,超聲波清洗大顆粒煤屑效果欠佳,且清洗裝置復雜,特別是清洗大管徑阻火器時需要大型超聲發生器,其在低濃度煤層氣輸送管道上的使用安全性較差。

拆除清洗阻火器的阻火芯需要耗費大量人力和物力,且不能確保阻火芯每次堵塞后就能得到及時清洗。鑒于此,研制的干式阻火器采用高壓水清洗的方式,引入阻力觸發式自動清洗結構,并在其內部安裝自旋轉噴頭組,實現阻火芯堵塞后的及時、不停機的自動清洗。干式阻火器自動清洗裝置原理及布置如圖1所示。

(a)原理圖

由圖1可知,干式阻火器的自動清洗裝置由壓差監測系統、控制閥、高壓泵、控制器和正壓放水器等組成。在阻火器前后設置差壓監測系統,采用監測系統內的差壓變送器測量阻力,其工作原理是:當壓差監測系統檢測到阻火芯兩端的壓差超過1 000 Pa時,即可認為阻火芯已被粉塵堵塞,此時通過控制器給安裝在阻火器內部的自旋轉噴頭供水;高壓水進入噴嘴,對阻火芯進行清洗;當阻火芯兩端壓差小于800 Pa,并延長清洗5 min后,由控制器關閉高壓泵,停止供水。

2 試驗測試

低濃度煤層氣因含氧量較高[20],普遍在低壓下(一般不超過5 kPa)進行輸送。在大流量管道上,輸送管道及設備的橫截面積一般較大。在實際工程中應用較多的阻火器是DN500型,目前國內還沒有直徑比DN500型干式阻火器大且取得安標的阻火器。為了實現干式阻火器的高效清洗,筆者采用DN500干式阻火裝置(孔眼當量直徑2 mm,波紋板厚度30 mm,波紋板數量2個,波紋帶與平帶厚度0.25 mm,波紋板間距30 mm),模擬被煤屑堵塞的情況下的自動清洗試驗,以便對高壓泵、噴嘴、主供水管路管徑進行合理選型,并對高壓水清洗方式進行優化。最后,對設計完成的自動清洗裝置進行效果試驗。

2.1 阻火芯清洗試驗

試驗中發現:環狀布置的噴嘴(見圖2)清洗效果較好,但是其清洗的面積有限,不適用于大通徑阻火芯的清洗。當噴嘴選擇不恰當或者供水不足時,高壓水經過噴嘴噴出后會被霧化而失去清洗功能;當噴嘴離阻火芯端面的距離較遠時,會減弱高壓水穿透效果,距離太近則會減小清洗面積。

通過大量的試驗,最終確定DN500干式阻火器清洗結構采用自旋轉式清洗方式。供水主管路直徑為50 mm,采用G1/2、出口直徑為3.5 mm(扇形,錐度40°)噴嘴,噴頭出口中心線與主管中心線呈15°夾角。每隔90 mm布置1個噴頭,兩端噴頭沿主管軸線對稱分布,共16個噴頭。清洗系統供水泵揚程125 m,DN50出口直徑,供水管路采用?38 mm×3 mm不銹鋼管。噴頭與阻火芯的距離為200 mm。上述自動清洗方案噴頭噴射出來的水能夠覆蓋阻火芯整個截面,且能夠穿透2片阻火芯,清洗主管能夠自行旋轉。在室外清洗阻火芯試驗效果如圖3所示。

(a)清洗前 (b)清洗后

2.2 阻火裝置自動清洗試驗

為評估上述設計參數的合理性,并檢驗清洗效果,在重慶清水溪搭建了干式阻火自動清洗試驗平臺,開展阻火裝置自動清洗試驗,如圖4所示。按前述設計參數加工阻火裝置,并將其安裝在模擬低濃度煤層氣輸送管道上。試驗前,測試阻火裝置的阻力為670 Pa;試驗過程中,以煤粉和灰塵作為介質,在管道前的煤層氣內加入煤粉和灰塵,開啟通風機(風速15 m/s),讓煤粉和灰塵附著在阻火芯上。

圖4 自動清洗試驗平臺

通過測壓裝置發現,阻火裝置前后兩側壓差很快達到2 000 Pa,即可認為阻火裝置已被低濃度煤層氣中的粉塵堵塞,需要即時進行清洗。此時預先設定的自動控制系統打開高壓泵,開始運轉并向各個噴嘴送入高壓水;噴嘴向阻火裝置阻火芯噴射高壓水射流,清洗阻火芯,產生的污水通過正壓放水器從排污口排走;泵運行60 s后,阻火裝置前后的壓差降至1 350 Pa,此時共耗水420 L;泵繼續運行至300 s時,該壓差逐漸降低到700 Pa,僅比堵塞前的阻力大30 Pa,已滿足低濃度煤層氣利用裝置對阻火裝置的阻力要求(≤800 Pa)。

3 結束語

1)低濃度煤層氣利用系統前端輸送管道上的阻火裝置,其阻火芯一般設計成波紋板型,要求流動阻力不能過大。當阻力超過1 000 Pa時,即可認為阻火芯已被雜質堵塞,設置的阻力觸發結構控制內部安裝的自旋轉噴頭組,實現阻火裝置的在線自動高效節水清洗,減少下游利用裝置的非故障停車時間,提高利用效率。

2)在模擬輸送管道上對優化后的阻火裝置進行自動清洗試驗,未堵塞時阻力為670 Pa,自動沖洗300 s后,阻力由2 000 Pa逐漸恢復到700 Pa,滿足煤層氣利用裝置對阻火裝置的阻力要求(≤800 Pa)。