淺談煤礦瓦斯VPSA提純技術(shù)在工程應(yīng)用中的安全措施

葉靜儉（煤炭工業(yè)合肥設(shè)計研究院，安徽 合肥 230041）

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淺談煤礦瓦斯VPSA提純技術(shù)在工程應(yīng)用中的安全措施

葉靜儉（煤炭工業(yè)合肥設(shè)計研究院，安徽 合肥 230041）

將真空變壓吸附（VPSA）技術(shù)用于煤礦瓦斯提濃，已成為國內(nèi)外業(yè)界的共識。由于瓦斯的易燃、易爆性，VPSA瓦斯提濃工藝在工業(yè)化生產(chǎn)中的安全性顯得尤為重要。結(jié)合正在實施的煤礦瓦斯提純制取壓縮天然氣（CNG）項目，對生產(chǎn)系統(tǒng)中的存在的火災(zāi)、爆炸危險因素進行分析，并提出有效的解決辦法，對于工程的設(shè)計和施工都具有一定的實用價值和指導(dǎo)意義。

煤礦瓦斯；VPSA；提純技術(shù)；安全措施

1　引言

我國的煤田普遍屬于低滲透煤層，地面預(yù)抽采煤層氣難度很大，井下抽采成為主要手段。由于煤層的滲透率低，井下抽采系統(tǒng)負壓大、封堵難度大，使抽采的瓦斯中滲入大量空氣，降低了瓦斯的濃度，從而制約了瓦斯的利用方式，導(dǎo)致瓦斯利用率難以提高。瓦斯大量排空，不僅對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，而且也是一種巨大的能源浪費。

提高瓦斯的濃度，實現(xiàn)更廣泛的用途，是提高利用率的有效方式。在膜分離法、深冷液化法、變壓吸附法、水合物分離法和溶劑吸收法等瓦斯提純方式中，變壓吸附法以其分離效率高、能源消耗低、工藝相對簡單等多方面的優(yōu)勢，成為低濃度瓦斯提純的首選技術(shù)，全國也陸續(xù)建設(shè)了少量煤礦瓦斯VPSA提濃項目，進入工業(yè)化試生產(chǎn)。

2　工程應(yīng)用中的火災(zāi)、爆炸危險因素

由于瓦斯的易燃、易爆性，VPSA瓦斯提濃工藝在工業(yè)化生產(chǎn)中的安全性顯得尤為重要?，F(xiàn)結(jié)合我院正在實施的某瓦斯提純濃縮制壓縮天然氣（CNG）項目，對工藝系統(tǒng)設(shè)計中需設(shè)置的安全措施進行分析。

2.1工藝流程簡述

由儲配站輸送的甲烷濃度35%的原料瓦斯，經(jīng)安全輸送環(huán)節(jié)預(yù)壓計量，由壓縮凈化環(huán)節(jié)脫水、除雜質(zhì)、增壓后，通過變壓吸附裝置提純濃縮至甲烷濃度95%以上，再經(jīng)天然氣壓縮機，生產(chǎn)合格的車用壓縮天然氣。

表1　原料氣物性參數(shù)表

2.2火災(zāi)、爆炸危險因素

甲烷為易燃易爆氣體，火災(zāi)危險分類為甲級，在空氣中的主要特性如表2。

表2　甲烷的特性

瓦斯爆炸或燃燒必須具備三個條件：一定濃度的甲烷、一定的含氧量、足夠溫度的火源，三者缺一不可。

一般情況下，瓦斯?jié)舛鹊陀?%時，遇到火源能夠燃燒，但瓦斯氧化生成的熱量很快被多余的瓦斯和周圍介質(zhì)吸收而降溫，火焰迅速熄滅，不會傳播也不會爆炸；瓦斯?jié)舛却笥?5%時，空氣中的氧相對減少，只能有一部分瓦斯與氧發(fā)生反應(yīng)，多余的瓦斯卻起著阻止氧化作用，由于瓦斯熱容量比空氣大2.5倍，故熱的散失速度大于熱的生成速度，因此既不爆炸，也不燃燒，但當(dāng)新鮮空氣不斷供給時，遇火可能燃燒，甚至發(fā)生爆炸。

當(dāng)空氣中甲烷濃度在5～15%時，瓦斯與氧配合比例適當(dāng)，遇到火源迅速氧化，熱量生成速度大大超過散熱速度，生成的CO2和水蒸氣因熱量急增而急劇膨脹，形成爆炸現(xiàn)象，這個濃度范圍稱為瓦斯爆炸界限，瓦斯爆炸的實質(zhì)是遇火急劇氧化，沒有足夠的氧，就不會發(fā)生瓦斯爆炸。根據(jù)甲烷-氧-氮氣混合氣體在常溫下的爆炸三角圖［1～2］，甲烷的爆炸下限臨界氧濃度為12%，隨著甲烷濃度的升高，爆炸臨界氧濃度也會隨之提高，直至甲烷爆炸上限。

實踐證明，空氣中的氧氣濃度降低時，瓦斯的爆炸界限隨之縮小，當(dāng)氧氣濃度減少到12%以下時，瓦斯混合氣體即使去爆炸性［3］。由此可以理解為：在生產(chǎn)系統(tǒng)不發(fā)生泄漏的情況下，瓦斯中氧濃度低于12%時，即使出現(xiàn)火源，系統(tǒng)也是安全的。

根據(jù)上述內(nèi)容分析，在瓦斯提純濃縮過程中可能由于以下原因產(chǎn)生爆炸、火災(zāi)危險：

（1）設(shè)備及管道內(nèi)的瓦斯?jié)舛仍诒ǚ秶鷥?nèi)，且具有一定的含氧量，由于設(shè)備及管道靜電產(chǎn)生火花，導(dǎo)致爆炸和火災(zāi)；

（2）設(shè)備及管道內(nèi)的瓦斯?jié)舛雀哂诒ㄉ舷?，但由于漏入空氣，瓦斯被稀釋至爆炸濃度范圍?nèi)，同時由于設(shè)備及管道靜電產(chǎn)生火花，導(dǎo)致爆炸和火災(zāi)；

（3）設(shè)備及管道內(nèi)的瓦斯泄漏至系統(tǒng)外，濃度達到爆炸范圍內(nèi)，遇外界火源，產(chǎn)生爆炸、火災(zāi)危險；

（4）瓦斯加壓過程中，隨著壓力和溫度升高，甲烷爆炸極限范圍加寬，使原本不在爆炸極限范圍內(nèi)的瓦斯處于危險范圍，同時加壓過程中產(chǎn)生火花，導(dǎo)致爆炸和火災(zāi)；參考《民用煤層氣（煤礦瓦斯）》（GB26569-2011）的規(guī)定，高于30%的瓦斯允許最高輸送壓力為0.8MPa；

（5）生產(chǎn)過程中排空的瓦斯?jié)舛忍幱诒O限范圍內(nèi)，遇到雷擊等外部火源引起爆炸和火災(zāi)。

3　工程應(yīng)用中采取的防火、防爆措施

不同的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，工質(zhì)的條件不同，對防火、防爆的要求也不同，結(jié)合上述生產(chǎn)過程中可能的危險因素采取了不同的防火、防爆措施。

3.1設(shè)備本體的防火防爆措施

3.1.1壓縮機的選擇

根據(jù)工藝系統(tǒng)的流程，原料氣在進入變壓吸附裝置之前，需經(jīng)過兩次加壓。在變壓吸附之前，瓦斯的濃度在30～35%，采用濕式加壓，可有效降低壓縮過程中的溫升，增加系統(tǒng)的安全性。第一次加壓至40kPa，壓力較低，采用水環(huán)式壓縮機。

第二次加壓至0.7MPa，采用噴水螺桿式壓縮機，經(jīng)實驗證明該類壓縮機在項目工況下，壓縮過程是安全的；瓦斯的增壓不超過0.8MPa，可滿足30%以上的高濃度瓦斯的輸送安全條件。

經(jīng)過變壓吸附后，瓦斯的濃度已經(jīng)達到95%以上，幾乎不含氧氣，對該氣體的壓縮方式?jīng)]有特殊的要求，采用往復(fù)式的天然氣壓縮機就能滿足要求。

為了吸附劑的再生效果，提高甲烷的回收率，VPSA提純裝置采用抽真空的解吸方式，采用瓦斯抽采常用的水環(huán)真空泵，可滿足要求。

3.1.2變壓吸附裝置及吸附劑的選擇

為了保證產(chǎn)氣的連續(xù)性，煤礦瓦斯VPSA提純裝置采用六塔布置，交替吸附和再生。本項目的變壓吸附過程是利用吸附劑將瓦斯中的非甲烷吸附，甲烷直接通過的過程。解吸時，罐體內(nèi)瓦斯?jié)舛炔粩嘞陆?，將會通過爆炸區(qū)間，存在爆炸可能，所以就要求吸附劑具有良好的阻爆和隔爆性能。

項目吸附塔內(nèi)填裝煤礦瓦斯提純專用吸附劑，同時在吸附塔的進排氣口以及罐體之間的連接管道內(nèi)填裝了抑爆材料，經(jīng)過大量的實驗表明，填裝了吸附劑的罐體內(nèi)，濃度在10～30%的瓦斯在點火時均不發(fā)生爆炸，證明吸附劑具有良好的抑爆性能。對于罐體之間的連接管路，采用連通器的實驗方式，連接管內(nèi)填充抑爆材料，當(dāng)?shù)谝粋€罐體內(nèi)發(fā)生爆炸時，不會引起另一個罐體的爆炸，證明抑爆材料的抑爆阻爆性能。

在以上兩方面的保護下，瓦斯在整個吸附過程中是安全的。

3.1.3儲氣罐上設(shè)置的措施

各緩沖罐、儲氣罐均設(shè)置安全放散閥和泄爆裝置，防止系統(tǒng)超壓。放散管均引至室外排放，放散管上設(shè)置阻火器，并設(shè)防雷保護，防止雷擊和火焰向系統(tǒng)內(nèi)傳播。

3.2系統(tǒng)設(shè)計上設(shè)置的防火防爆措施

3.2.1工藝系統(tǒng)的措施

（1）根據(jù)生產(chǎn)工藝的特點，在不同的生產(chǎn)環(huán)節(jié)裝置區(qū)之間設(shè)置阻火、阻爆裝置，某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)事故時，能最大限度的控制受影響的范圍；

（2）加壓機設(shè)置回流旁路，出口設(shè)置安全閥，排氣超壓時通過旁路回流和安全閥泄壓，安全閥泄壓通過放散管泄放至室外；

（3）可能出現(xiàn)負壓的管路設(shè)置氧含量檢測儀表，防止因空氣的滲入導(dǎo)致瓦斯?jié)舛冉档停鹾可撸?/p>

（4）嚴(yán)格控制原料氣來源，甲烷濃度小于30%嚴(yán)禁入柜，確保進入生產(chǎn)裝置的瓦斯?jié)M足高濃瓦斯的要求，減少生產(chǎn)系統(tǒng)中出現(xiàn)低濃瓦斯的可能；

（5）儲氣柜進出口設(shè)水封阻火泄爆裝置，進出管路上設(shè)置快速切斷閥，生產(chǎn)系統(tǒng)出現(xiàn)火災(zāi)時，立刻切斷氣源，保護儲氣柜和抽放站的安全；

（6）本項目的變壓吸附工藝為3級，每一級均采用吸附非甲烷氣體的吸附劑。吸附劑本身具有良好的阻爆和隔爆性能，吸附塔內(nèi)的瓦斯即使處于爆炸范圍內(nèi)，也不易發(fā)生爆炸，存在安全隱患的是吸附塔與其他外部設(shè)備連接的管路中。

一級變壓吸附解吸氣中，CH4濃度低于5%，常壓解吸和真空解吸氣均直接排空，放空管設(shè)置阻火器，防止外界火源向系統(tǒng)內(nèi)傳播；

為了提高系統(tǒng)的甲烷回收率，二、三級解吸氣返回與原料氣混合后重新進入吸附裝置。三級變壓吸附解吸氣CH4濃度高于50%，O2濃度低于2%，可直接輸送，安全性有保障；二級變壓吸附解吸氣雖然CH4濃度低于30%，但O2濃度低于10%，低于甲烷的爆炸極限臨界含氧量12%，也不會發(fā)生爆炸；

根據(jù)原料氣的設(shè)計參數(shù)，CH4濃度約35%，O2濃度約12%，在返回氣O2濃度低于12%的情況下，混氣氣的O2濃度一定是低于12%的；此時生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)仍是安全的。

3.2.2電氣、控制方面的措施

（1）在爆炸危險區(qū)域內(nèi)電氣設(shè)備均選用防爆設(shè)備；

（2）在爆炸危險區(qū)域內(nèi)電纜低位敷設(shè)，采用地溝或穿管敷設(shè)；敷設(shè)電纜的溝、套管在穿過爆炸危險環(huán)境等級不同的區(qū)域之間的隔墻或樓板時，采用非燃性材料嚴(yán)密堵塞；

（3）在防火區(qū)域內(nèi)電纜采用穿管敷設(shè)或采用阻燃電纜；

（4）為防止靜電危害，所有管道和設(shè)備均連接成連續(xù)的電氣通路并接地，彎頭、閥門、法蘭盤等連接處用金屬跨接線；

（5）設(shè)置避雷針，確保放散區(qū)域的安全；

（6）提高自動化程度，在設(shè)備發(fā)生故障、人員誤操作形成危險狀態(tài)時，通過自動報警、自動切換備用設(shè)備、啟動連鎖保護裝置和安全裝置，實現(xiàn)事故性安全排放直至安全順序停機等一系列的自動操作，保證系統(tǒng)的安全；

（7）針對引發(fā)事故的原因和緊急情況下的需要，設(shè)置故障的安全控制系統(tǒng)（FSC）、特殊的連鎖保護、安全裝置和就地操作應(yīng)急控制系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)安全的可靠性。

3.2.3通風(fēng)系統(tǒng)上的措施

室內(nèi)有可能有瓦斯泄漏和積聚的場所均設(shè)置甲烷濃度檢測及報警裝置，并與防爆風(fēng)機聯(lián)動，及時排出室內(nèi)的瓦斯。

3.3工程總體規(guī)劃布置及配套設(shè)施防火防爆措施

（1）總平面布置時重點考慮不同等級的生產(chǎn)建（構(gòu)）筑物對應(yīng)不同防火安全間距的要求。

（2）具有爆炸危險的建筑物四面墻體或屋面設(shè)置泄爆結(jié)構(gòu)，在發(fā)生爆炸事故時及時泄壓，減少爆炸產(chǎn)生的危害。

（3）生產(chǎn)區(qū)內(nèi)設(shè)消防供水系統(tǒng)，形成環(huán)路，建（構(gòu)）筑物周圍設(shè)有消防通道。

4　結(jié)束語

由我院設(shè)計的謝一煤礦、新莊孜煤礦低濃度瓦斯VPSA提純項目等數(shù)個試驗及工業(yè)應(yīng)用工程已運行3～5年，采取本文所列防火、防爆措施后效果顯著，從未發(fā)生火災(zāi)、爆炸險情。事實證明，煤礦瓦斯提純項目盡管工程案例少、危險因素多，但根據(jù)前文分析，凡在可能發(fā)生爆炸和火災(zāi)危險的地方，均采取了相關(guān)的防范措施，在生產(chǎn)和檢修過程中，只要我們能認(rèn)真細致分析，采取有效對策措施，完全能夠避免安全事故的發(fā)生。

［1］周利華.礦井火區(qū)可燃性混合氣體爆炸三角形判斷法及其爆炸危險性分析［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報，2001，11（2）：47～51.

［2］萬成略，汪 莉.可燃性氣體含氧量安全限值的探討［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報，1999，9（1）：48～53.

［3］何魯鄂.煤礦瓦斯爆炸概述［J］.西部探礦工程，2010（4）：123～124.

2016-5-20

TF53

A

2095-2066（2016）16-0073-02