王曉光,肖 露,張 群,甘海龍

(1.淮北礦業(yè)股份有限公司電力分公司,安徽 淮北 235000; 2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400037;3.中煤科工集團(tuán)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(kāi)采和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中[1]。其中煤炭開(kāi)采過(guò)程會(huì)釋放出大量的煤層氣[2-3]。我國(guó)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?jǐn)?shù)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(fēng)排瓦斯[4],每年排空純甲烷約280億m3,這既浪費(fèi)了能源,又對(duì)氣候變化產(chǎn)生了負(fù)面效應(yīng)。在煤炭生產(chǎn)和礦后活動(dòng)中約有80%甲烷直接排空[5],占全國(guó)甲烷排放總量的38%,對(duì)生態(tài)環(huán)境影響巨大,因此必須重視低濃度煤層氣的利用[6-7]。

科學(xué)地開(kāi)發(fā)利用煤層氣仍然是油氣開(kāi)發(fā)重大專(zhuān)項(xiàng)煤層氣開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的重要內(nèi)容[8]。低濃度煤層氣利用主要是對(duì)含氧甲烷進(jìn)行處理,存在一定的爆炸風(fēng)險(xiǎn)[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?xì)怏w、液體的火焰蔓延,防止回火引起抽采系統(tǒng)爆炸[11]。此外,阻火器還經(jīng)常安裝在排放易燃易爆氣體的儲(chǔ)罐和管線(xiàn)上,以防止外部火焰竄入存有易燃易爆氣體的設(shè)備、管道內(nèi),或阻止其蔓延[12]。

在阻火器使用過(guò)程中,因其阻火濾芯呈多層波紋狀且通徑狹小[13],流通介質(zhì)中的雜質(zhì)和管路中的鐵銹、煤屑等物質(zhì)都極易將其堵塞,導(dǎo)致介質(zhì)流動(dòng)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(jī)。常規(guī)的阻火器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,維護(hù)時(shí)必須中斷發(fā)電,進(jìn)行管路隔離放空介質(zhì)才能解體清理阻火濾網(wǎng)。這一過(guò)程需要開(kāi)展大量的前期準(zhǔn)備工作,耗費(fèi)大量人力物力,同時(shí)頻繁拆卸設(shè)備,易使設(shè)備受損[14]。

依托“十三五”國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)課題的支持,筆者對(duì)適用于低濃度煤層氣利用中的阻火裝置進(jìn)行研究,開(kāi)發(fā)具有自動(dòng)清洗功能的阻火裝置,并對(duì)清洗效果開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證,減少下游利用裝置的非故障停車(chē),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(jīng)過(guò)細(xì)小可燃?xì)怏w分子的細(xì)小通道或孔隙的固體填料組成的阻火單元[15]。一般設(shè)置波紋板阻火芯,并要求具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度,以抵擋充分的機(jī)械沖擊和溫度沖擊,且流動(dòng)阻力不能過(guò)大[16],當(dāng)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(wèn)題的方法是定期拆除阻火器的阻火芯并進(jìn)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(jī)械清洗超聲波等其他清洗方式相比,具有許多優(yōu)點(diǎn):①?zèng)_洗成本低,高壓水清洗使用的介質(zhì)是自來(lái)水,不需添加任何填充物及洗滌劑;②清洗質(zhì)量較好,由于高壓水具有巨大的能量,在清洗阻火芯內(nèi)孔的沖洗過(guò)程中,能夠?qū)⒖變?nèi)的結(jié)垢物和堵塞物一并剔除干凈,清洗后可以見(jiàn)到阻火芯的金屬本體,并且清除孔內(nèi)的堅(jiān)硬結(jié)垢物和堵塞物時(shí)對(duì)阻火芯沒(méi)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(fù)合破碎作用,可立即將結(jié)垢物打碎脫落,比傳統(tǒng)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(duì)細(xì)小煤屑的清除速度較快,但是清除阻火芯內(nèi)孔上的大顆粒則需要較高壓力,因此大管道吹掃需要?dú)饬枯^大,能耗較高。且壓縮空氣吹掃需要預(yù)留放空管道,會(huì)增加設(shè)備復(fù)雜度。另外,可燃粉塵被壓縮空氣吹掃后,會(huì)漂浮起來(lái)與空氣形成混合物,如果混合物達(dá)到該種可燃粉塵的爆炸界限,則很有可能引發(fā)粉塵爆炸事故。

3)超聲波清洗。利用超聲波產(chǎn)生的空化效應(yīng),加強(qiáng)水的滲透作用,清洗過(guò)程中,聲學(xué)輻射壓力與聲學(xué)毛細(xì)效應(yīng)促使水滲入工件表面的微小凹陷和微孔,使脈動(dòng)攪拌加劇,并逐漸溶解、分散和乳化加速[19],進(jìn)而使阻火芯微孔內(nèi)的積炭被爆裂、剝落,實(shí)現(xiàn)徹底清洗干凈阻火芯。這個(gè)過(guò)程是一種物理效應(yīng),對(duì)阻火芯與環(huán)境無(wú)污染。然而,根據(jù)煤礦應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),超聲波清洗大顆粒煤屑效果欠佳,且清洗裝置復(fù)雜,特別是清洗大管徑阻火器時(shí)需要大型超聲發(fā)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(fèi)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(shí)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(fā)式自動(dòng)清洗結(jié)構(gòu),并在其內(nèi)部安裝自旋轉(zhuǎn)噴頭組,實(shí)現(xiàn)阻火芯堵塞后的及時(shí)、不停機(jī)的自動(dòng)清洗。干式阻火器自動(dòng)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(dòng)清洗裝置由壓差監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、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(shè)置差壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng),采用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)的差壓變送器測(cè)量阻力,其工作原理是:當(dāng)壓差監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到阻火芯兩端的壓差超過(guò)1 000 Pa時(shí),即可認(rèn)為阻火芯已被粉塵堵塞,此時(shí)通過(guò)控制器給安裝在阻火器內(nèi)部的自旋轉(zhuǎn)噴頭供水;高壓水進(jìn)入噴嘴,對(duì)阻火芯進(jìn)行清洗;當(dāng)阻火芯兩端壓差小于800 Pa,并延長(zhǎng)清洗5 min后,由控制器關(guān)閉高壓泵,停止供水。

2 試驗(yàn)測(cè)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(guò)5 kPa)進(jìn)行輸送。在大流量管道上,輸送管道及設(shè)備的橫截面積一般較大。在實(shí)際工程中應(yīng)用較多的阻火器是DN500型,目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有直徑比DN500型干式阻火器大且取得安標(biāo)的阻火器。為了實(shí)現(xiàn)干式阻火器的高效清洗,筆者采用DN500干式阻火裝置(孔眼當(dāng)量直徑2 mm,波紋板厚度30 mm,波紋板數(shù)量2個(gè),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(dòng)清洗試驗(yàn),以便對(duì)高壓泵、噴嘴、主供水管路管徑進(jìn)行合理選型,并對(duì)高壓水清洗方式進(jìn)行優(yōu)化。最后,對(duì)設(shè)計(jì)完成的自動(dòng)清洗裝置進(jìn)行效果試驗(yàn)。

2.1 阻火芯清洗試驗(yàn)

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn):環(huán)狀布置的噴嘴(見(jiàn)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(dāng)噴嘴選擇不恰當(dāng)或者供水不足時(shí),高壓水經(jīng)過(guò)噴嘴噴出后會(huì)被霧化而失去清洗功能;當(dāng)噴嘴離阻火芯端面的距離較遠(yuǎn)時(shí),會(huì)減弱高壓水穿透效果,距離太近則會(huì)減小清洗面積。

通過(guò)大量的試驗(yàn),最終確定DN500干式阻火器清洗結(jié)構(gòu)采用自旋轉(zhuǎn)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(xiàn)與主管中心線(xiàn)呈15°夾角。每隔90 mm布置1個(gè)噴頭,兩端噴頭沿主管軸線(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布,共16個(gè)噴頭。清洗系統(tǒng)供水泵揚(yáng)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(dòng)清洗方案噴頭噴射出來(lái)的水能夠覆蓋阻火芯整個(gè)截面,且能夠穿透2片阻火芯,清洗主管能夠自行旋轉(zhuǎn)。在室外清洗阻火芯試驗(yàn)效果如圖3所示。

(a)清洗前 (b)清洗后

2.2 阻火裝置自動(dòng)清洗試驗(yàn)

為評(píng)估上述設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性,并檢驗(yàn)清洗效果,在重慶清水溪搭建了干式阻火自動(dòng)清洗試驗(yàn)平臺(tái),開(kāi)展阻火裝置自動(dòng)清洗試驗(yàn),如圖4所示。按前述設(shè)計(jì)參數(shù)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(yàn)前,測(cè)試阻火裝置的阻力為670 Pa;試驗(yàn)過(guò)程中,以煤粉和灰塵作為介質(zhì),在管道前的煤層氣內(nèi)加入煤粉和灰塵,開(kāi)啟通風(fēng)機(jī)(風(fēng)速15 m/s),讓煤粉和灰塵附著在阻火芯上。

圖4 自動(dòng)清洗試驗(yàn)平臺(tái)

通過(guò)測(cè)壓裝置發(fā)現(xiàn),阻火裝置前后兩側(cè)壓差很快達(dá)到2 000 Pa,即可認(rèn)為阻火裝置已被低濃度煤層氣中的粉塵堵塞,需要即時(shí)進(jìn)行清洗。此時(shí)預(yù)先設(shè)定的自動(dòng)控制系統(tǒng)打開(kāi)高壓泵,開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)并向各個(gè)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(chǎn)生的污水通過(guò)正壓放水器從排污口排走;泵運(yùn)行60 s后,阻火裝置前后的壓差降至1 350 Pa,此時(shí)共耗水420 L;泵繼續(xù)運(yùn)行至300 s時(shí),該壓差逐漸降低到700 Pa,僅比堵塞前的阻力大30 Pa,已滿(mǎn)足低濃度煤層氣利用裝置對(duì)阻火裝置的阻力要求(≤800 Pa)。

3 結(jié)束語(yǔ)

1)低濃度煤層氣利用系統(tǒng)前端輸送管道上的阻火裝置,其阻火芯一般設(shè)計(jì)成波紋板型,要求流動(dòng)阻力不能過(guò)大。當(dāng)阻力超過(guò)1 000 Pa時(shí),即可認(rèn)為阻火芯已被雜質(zhì)堵塞,設(shè)置的阻力觸發(fā)結(jié)構(gòu)控制內(nèi)部安裝的自旋轉(zhuǎn)噴頭組,實(shí)現(xiàn)阻火裝置的在線(xiàn)自動(dòng)高效節(jié)水清洗,減少下游利用裝置的非故障停車(chē)時(shí)間,提高利用效率。

2)在模擬輸送管道上對(duì)優(yōu)化后的阻火裝置進(jìn)行自動(dòng)清洗試驗(yàn),未堵塞時(shí)阻力為670 Pa,自動(dòng)沖洗300 s后,阻力由2 000 Pa逐漸恢復(fù)到700 Pa,滿(mǎn)足煤層氣利用裝置對(duì)阻火裝置的阻力要求(≤800 Pa)。