淺談煤礦瓦斯氧化裝置換熱器試驗選型

【摘要】在60000m3/h氧化裝置分別內(nèi)置強(qiáng)制循環(huán)和自然循環(huán)兩種換熱器，通過性能對比試驗，確定在性能、安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性方面，更加適應(yīng)氧化裝置工作特性的換熱方案。

【關(guān)鍵詞】氧化裝置；內(nèi)置換熱器；強(qiáng)制循環(huán)；自然循環(huán)；安全可靠性；經(jīng)濟(jì)性

煤礦瓦斯氧化裝置（簡稱“氧化裝置”）是一種采用高溫氧化熱逆流技術(shù)對煤礦風(fēng)排瓦斯和不能用于燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組發(fā)電的抽采瓦斯（摻混）進(jìn)行處理的煤礦節(jié)能減排設(shè)備。其工作原理是通過外部能量在其氧化床建立起一個溫度約為1000℃的溫度場，動力引入煤礦瓦斯（濃度不大于1.2%）至氧化床進(jìn)行氧化反應(yīng)，釋放出的氧化熱量一部分維持氧化反應(yīng)，其余部分通過內(nèi)置換熱器通過水工質(zhì)以蒸汽方式提取利用，達(dá)到減排溫室氣體和利用廢棄能源的目的。在熱量提取方式上，目前以國外瑞典MEGTEC公司為代表的產(chǎn)品，采用外置煙道余熱換熱器，利用排氣余熱制取蒸汽。勝動集團(tuán)自主研發(fā)的氧化裝置采用內(nèi)置換熱器，將換熱器置于氧化裝置氧化床中，較外置換熱器，具有更高的換熱效率和結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點。

為確定與氧化裝置工作特性相適應(yīng)的內(nèi)置換熱方案，試驗小組通過在60000m3/h氧化裝置上先后配置強(qiáng)制循環(huán)和自然循環(huán)兩種方式換熱器，于2010年在陜西礦業(yè)集團(tuán)大佛寺煤礦風(fēng)井廣場，進(jìn)行了為期一年的性能試驗。本篇主要就此兩種循環(huán)方式，在其技術(shù)性能、安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性方面，結(jié)合試驗結(jié)果和原因分析進(jìn)行對比闡述，確定出適宜方案。

一、換熱方案結(jié)構(gòu)與原理

強(qiáng)制循環(huán)，在鍋筒與蒸發(fā)器之間利用循環(huán)泵建立工質(zhì)循環(huán)。自然循環(huán)，在鍋筒和蒸發(fā)器之間利用下降管和上升管中工質(zhì)密度差產(chǎn)生工質(zhì)循環(huán)。循環(huán)過程產(chǎn)生的汽水混合物在鍋筒（汽水分離器）內(nèi)進(jìn)行汽水分離產(chǎn)出蒸汽。下圖是其結(jié)構(gòu)與原理圖。

二、性能試驗對比

1.對氧化床溫度場均勻性的影響

在強(qiáng)制循環(huán)換熱方案試驗過程中，通過布置在氧化床側(cè)面的熱電偶測得場溫顯示，在氧化裝置啟動和運(yùn)行過程中存在氧化床溫度場不均勻現(xiàn)象。這一現(xiàn)象隨著氧化裝置的運(yùn)行呈現(xiàn)惡化趨勢，影響裝置穩(wěn)定運(yùn)行。

通過對這一現(xiàn)象進(jìn)行原因分析發(fā)現(xiàn)，由于蒸發(fā)器在氧化床內(nèi)呈分組水平布置（受工質(zhì)流速限制），在氧化裝置啟動過程中，外部能量建立的溫度場是不均勻的。位于溫度高區(qū)域的換熱管組內(nèi)部形成氣阻，導(dǎo)致處于溫度低區(qū)域換熱管組工質(zhì)流速加快，帶走低溫區(qū)相對多的熱量，從而導(dǎo)致溫度高的區(qū)域溫度場呈上升趨勢，溫度低的區(qū)域溫度場呈下降趨勢，造成氧化床整個溫度場不均勻，致使裝置啟動困難和運(yùn)行不穩(wěn)定。

在自然循環(huán)換熱方案試驗過程中，通過熱電偶測得場溫度顯示，在啟動初期存在溫度場不均勻的現(xiàn)象，但在啟動中后期和運(yùn)行過程中溫度場趨于均勻，而且穩(wěn)定。其原因在于該方案蒸發(fā)器上升管在氧化床內(nèi)呈單組豎直布置，自上至下經(jīng)過氧化床蓄放熱區(qū)。隨著過程的持續(xù)，蒸發(fā)器上升管工質(zhì)流動中自動對高溫區(qū)域吸熱，向低溫區(qū)域放熱，自動平衡氧化床溫度場，使之趨于均勻穩(wěn)定，便于啟動和工作過程穩(wěn)定運(yùn)行。

下圖為氧化裝置在流量60000m3/h，瓦斯?jié)舛?%-6%工況下，氧化床場溫試驗截圖。

2.安全可靠性方面

內(nèi)置強(qiáng)制循環(huán)換熱方案的氧化裝置在額定工況下持續(xù)運(yùn)行不足1000h，就出現(xiàn)換熱器爆管漏水情況。究其原因，在于溫度場的不均勻造成位于不同區(qū)域的換熱管組內(nèi)工質(zhì)流動氣阻不同，位于高溫區(qū)的換熱管組因吸收的熱量多，產(chǎn)生的內(nèi)部氣阻相比位于低溫區(qū)的管組大，氣阻差值隨著運(yùn)行過程越來越大，導(dǎo)致位于高溫區(qū)換熱管內(nèi)因缺少足夠工質(zhì)吸熱造成干燒。另外，強(qiáng)制循環(huán)方案依靠循環(huán)泵驅(qū)動工質(zhì)循環(huán)換熱，循環(huán)泵可靠性原因?qū)е碌墓べ|(zhì)不能正常循環(huán)，使蒸發(fā)器換熱管處于熱慣性很大的高溫場中干燒，也是造成碳化爆管的潛在原因。其結(jié)果是導(dǎo)致氧化裝置無法安全運(yùn)行。

自然循環(huán)方式蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)布置和循環(huán)方式使換熱管內(nèi)始終充滿工質(zhì)，正常情況下不會出現(xiàn)換熱管干燒現(xiàn)象。即便出現(xiàn)鍋筒不能正常補(bǔ)水的極端情況，位于蒸發(fā)器上部的鍋筒內(nèi)工質(zhì)可繼續(xù)維持自然循環(huán)，對溫度場的熱慣性起到了緩沖作用，為故障排除爭取了時間，保證了氧化裝置的運(yùn)行安全。內(nèi)置自然循環(huán)換熱方案的氧化裝置在額定工況下持續(xù)運(yùn)行2160h后，拆檢發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)器上升管無任何碳化跡象。

3.經(jīng)濟(jì)性方面

強(qiáng)制循環(huán)較自然循環(huán)在循環(huán)回路增加了熱水循環(huán)泵，使氧化裝置自用電耗增加了。60000m3/h氧化裝置強(qiáng)制循環(huán)換熱系統(tǒng)配置型號PVHW65-250（Ⅰ）離心式熱水循環(huán)泵，揚(yáng)程80m，功率22kw（不計配套冷卻循環(huán)泵功率）。試驗證明，其二者運(yùn)行功率占到氧化裝置運(yùn)行總功率的10%左右。再者，熱水循環(huán)泵工作在高溫、高壓條件下，特殊的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)決定了其較高的購置價格和維護(hù)費(fèi)用。由此看來，自然循環(huán)方案的經(jīng)濟(jì)性要優(yōu)于強(qiáng)制循環(huán)方案。

4.對循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)的影響

試驗證明，內(nèi)置強(qiáng)制循環(huán)方案的氧化裝置，其循環(huán)系統(tǒng)正常工作的最高試驗壓力為0.8MPa，低于1.3MPa的設(shè)計工作壓力。這是由于受到熱水循環(huán)泵揚(yáng)程（80m）的限制。熱水泵高溫水腔密封采用軸向端面動環(huán)和靜環(huán)機(jī)械密封方式，動環(huán)的軸向密封壓力來自機(jī)械密封的碟片彈簧，該彈簧的剛度根據(jù)熱水泵的揚(yáng)程設(shè)計。一旦系統(tǒng)工作壓力高于熱水泵揚(yáng)程，軸向密封就會失效，出現(xiàn)高溫水腔向冷卻水腔竄水現(xiàn)象。若要保證熱水泵正常工作，其揚(yáng)程應(yīng)高于循環(huán)系統(tǒng)工作壓力，目前國內(nèi)熱水泵多為離心式，揚(yáng)程通常在1MPa以下，限制了循環(huán)系統(tǒng)工作壓力的提升空間。

自然循環(huán)系統(tǒng)由于工質(zhì)的循環(huán)靠上升管和下降管工質(zhì)密度差，沒有熱水泵環(huán)節(jié)，整個循環(huán)系統(tǒng)的工作壓力取決于系統(tǒng)材質(zhì)強(qiáng)度和制造工藝，工作壓力可達(dá)到臨界壓力。內(nèi)置強(qiáng)制循環(huán)方案的氧化裝置，試驗證明其循環(huán)系統(tǒng)壓力完全能夠達(dá)到2.5MPa的設(shè)計工作壓力。

試驗證明，在蒸汽產(chǎn)汽量方面，強(qiáng)制循環(huán)回路由于循環(huán)水泵的壓頭，汽水流動速度高于自然循環(huán)方式，呈紊流狀態(tài)，吸熱系數(shù)大，相同換熱面積，強(qiáng)制循環(huán)方式要比自然循環(huán)方式產(chǎn)汽量高約10%-15%。下圖是兩種循環(huán)方式蒸汽產(chǎn)量與瓦斯?jié)舛汝P(guān)系曲線圖。

三、結(jié)論

（1）通過在60000m3/h氧化裝置配置的兩種循環(huán)方式內(nèi)置換熱器的對比試驗證明，無論在運(yùn)行的安全可靠和經(jīng)濟(jì)性方面，還是在對氧化裝置適應(yīng)性方面，自然循環(huán)方案優(yōu)于強(qiáng)制循環(huán)方案，可做為其首選配置方案。

（2）內(nèi)置自然循環(huán)換熱器的60000m3/h氧化裝置熱效率在60%左右，熱效率低于常用余熱鍋爐。下步可通過如下試驗方向，驗證提高其熱效率的可行性：

a.確定溫度場的相對穩(wěn)定的最大氣流流速，提高對換熱管壁的沖刷速度，提高換熱系數(shù)，提高熱效率。

b.由于CH4氧化過程中，不產(chǎn)生S02，不存在排氣溫度低對換熱器產(chǎn)生露點腐蝕的問題，可通過適量增加換熱面積，降低排氣溫度，提高換熱效率。