浅谈煤矿瓦斯氧化装置换热器试验选型

【前言】浅谈煤矿瓦斯氧化装置换热器试验选型由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。强制循环，在锅筒与蒸发器之间利用循环泵建立工质循环。自然循环，在锅筒和蒸发器之间利用下降管和上升管中工质密度差产生工质循环。循环过程产生的汽水混合物在锅筒（汽水分离器）内进行汽水分离产出蒸汽。下图是其结构与原理图。 二、性能试验对比 1.对氧化床温度场...

【摘要】在60000m3/h氧化装置分别内置强制循环和自然循环两种换热器，通过性能对比试验，确定在性能、安全可靠性和经济性方面，更加适应氧化装置工作特性的换热方案。

【关键词】氧化装置；内置换热器；强制循环；自然循环；安全可靠性；经济性

煤矿瓦斯氧化装置（简称“氧化装置”）是一种采用高温氧化热逆流技术对煤矿风排瓦斯和不能用于燃气内燃机组发电的抽采瓦斯（掺混）进行处理的煤矿节能减排设备。其工作原理是通过外部能量在其氧化床建立起一个温度约为1000℃的温度场，动力引入煤矿瓦斯（浓度不大于1.2%）至氧化床进行氧化反应，释放出的氧化热量一部分维持氧化反应，其余部分通过内置换热器通过水工质以蒸汽方式提取利用，达到减排温室气体和利用废弃能源的目的。在热量提取方式上，目前以国外瑞典MEGTEC公司为代表的产品，采用外置烟道余热换热器，利用排气余热制取蒸汽。胜动集团自主研发的氧化装置采用内置换热器，将换热器置于氧化装置氧化床中，较外置换热器，具有更高的换热效率和结构紧凑的优点。

为确定与氧化装置工作特性相适应的内置换热方案，试验小组通过在60000m3/h氧化装置上先后配置强制循环和自然循环两种方式换热器，于2010年在陕西矿业集团大佛寺煤矿风井广场，进行了为期一年的性能试验。本篇主要就此两种循环方式，在其技术性能、安全可靠性和经济性方面，结合试验结果和原因分析进行对比阐述，确定出适宜方案。

一、换热方案结构与原理

强制循环，在锅筒与蒸发器之间利用循环泵建立工质循环。自然循环，在锅筒和蒸发器之间利用下降管和上升管中工质密度差产生工质循环。循环过程产生的汽水混合物在锅筒（汽水分离器）内进行汽水分离产出蒸汽。下图是其结构与原理图。

二、性能试验对比

1.对氧化床温度场均匀性的影响

在强制循环换热方案试验过程中，通过布置在氧化床侧面的热电偶测得场温显示，在氧化装置启动和运行过程中存在氧化床温度场不均匀现象。这一现象随着氧化装置的运行呈现恶化趋势，影响装置稳定运行。

通过对这一现象进行原因分析发现，由于蒸发器在氧化床内呈分组水平布置（受工质流速限制），在氧化装置启动过程中，外部能量建立的温度场是不均匀的。位于温度高区域的换热管组内部形成气阻，导致处于温度低区域换热管组工质流速加快，带走低温区相对多的热量，从而导致温度高的区域温度场呈上升趋势，温度低的区域温度场呈下降趋势，造成氧化床整个温度场不均匀，致使装置启动困难和运行不稳定。

在自然循环换热方案试验过程中，通过热电偶测得场温度显示，在启动初期存在温度场不均匀的现象，但在启动中后期和运行过程中温度场趋于均匀，而且稳定。其原因在于该方案蒸发器上升管在氧化床内呈单组竖直布置，自上至下经过氧化床蓄放热区。随着过程的持续，蒸发器上升管工质流动中自动对高温区域吸热，向低温区域放热，自动平衡氧化床温度场，使之趋于均匀稳定，便于启动和工作过程稳定运行。

下图为氧化装置在流量60000m3/h，瓦斯浓度5%-6%工况下，氧化床场温试验截图。

2.安全可靠性方面

内置强制循环换热方案的氧化装置在额定工况下持续运行不足1000h，就出现换热器爆管漏水情况。究其原因，在于温度场的不均匀造成位于不同区域的换热管组内工质流动气阻不同，位于高温区的换热管组因吸收的热量多，产生的内部气阻相比位于低温区的管组大，气阻差值随着运行过程越来越大，导致位于高温区换热管内因缺少足够工质吸热造成干烧。另外，强制循环方案依靠循环泵驱动工质循环换热，循环泵可靠性原因导致的工质不能正常循环，使蒸发器换热管处于热惯性很大的高温场中干烧，也是造成碳化爆管的潜在原因。其结果是导致氧化装置无法安全运行。

自然循环方式蒸发器的结构布置和循环方式使换热管内始终充满工质，正常情况下不会出现换热管干烧现象。即便出现锅筒不能正常补水的极端情况，位于蒸发器上部的锅筒内工质可继续维持自然循环，对温度场的热惯性起到了缓冲作用，为故障排除争取了时间，保证了氧化装置的运行安全。内置自然循环换热方案的氧化装置在额定工况下持续运行2160h后，拆检发现蒸发器上升管无任何碳化迹象。

3.经济性方面

强制循环较自然循环在循环回路增加了热水循环泵，使氧化装置自用电耗增加了。60000m3/h氧化装置强制循环换热系统配置型号PVHW65-250（Ⅰ）离心式热水循环泵，扬程80m，功率22kw（不计配套冷却循环泵功率）。试验证明，其二者运行功率占到氧化装置运行总功率的10%左右。再者，热水循环泵工作在高温、高压条件下，特殊的结构和材质决定了其较高的购置价格和维护费用。由此看来，自然循环方案的经济性要优于强制循环方案。

4.对循环系统参数的影响

试验证明，内置强制循环方案的氧化装置，其循环系统正常工作的最高试验压力为0.8MPa，低于1.3MPa的设计工作压力。这是由于受到热水循环泵扬程（80m）的限制。热水泵高温水腔密封采用轴向端面动环和静环机械密封方式，动环的轴向密封压力来自机械密封的碟片弹簧，该弹簧的刚度根据热水泵的扬程设计。一旦系统工作压力高于热水泵扬程，轴向密封就会失效，出现高温水腔向冷却水腔窜水现象。若要保证热水泵正常工作，其扬程应高于循环系统工作压力，目前国内热水泵多为离心式，扬程通常在1MPa以下，限制了循环系统工作压力的提升空间。

自然循环系统由于工质的循环靠上升管和下降管工质密度差，没有热水泵环节，整个循环系统的工作压力取决于系统材质强度和制造工艺，工作压力可达到临界压力。内置强制循环方案的氧化装置，试验证明其循环系统压力完全能够达到2.5MPa的设计工作压力。

试验证明，在蒸汽产汽量方面，强制循环回路由于循环水泵的压头，汽水流动速度高于自然循环方式，呈紊流状态，吸热系数大，相同换热面积，强制循环方式要比自然循环方式产汽量高约10%-15%。下图是两种循环方式蒸汽产量与瓦斯浓度关系曲线图。

三、结论

（1）通过在60000m3/h氧化装置配置的两种循环方式内置换热器的对比试验证明，无论在运行的安全可靠和经济性方面，还是在对氧化装置适应性方面，自然循环方案优于强制循环方案，可做为其首选配置方案。

（2）内置自然循环换热器的60000m3/h氧化装置热效率在60%左右，热效率低于常用余热锅炉。下步可通过如下试验方向，验证提高其热效率的可行性：

a.确定温度场的相对稳定的最大气流流速，提高对换热管壁的冲刷速度，提高换热系数，提高热效率。

b.由于CH4氧化过程中，不产生S02，不存在排气温度低对换热器产生露点腐蚀的问题，可通过适量增加换热面积，降低排气温度，提高换热效率。