徐景才

經(jīng)過項(xiàng)目的應(yīng)用，瓦斯氧化裝置在運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)局部保溫效果較差，較薄弱的保溫結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)有明顯的高溫?zé)煔馔庖绗F(xiàn)象。本文針對(duì)制取高溫?zé)犸L(fēng)型瓦斯氧化裝置在運(yùn)行過程中保溫存在的問題進(jìn)行分析總結(jié)，尋求一種適合瓦斯氧化裝置的的迷宮式保溫結(jié)構(gòu)，分析密封在保溫的重要性，通過改進(jìn)前后效果對(duì)比，為后期的氧化裝置保溫性能改進(jìn)提升提供了依據(jù)。
1　引言
瓦斯氧化裝置是用于處理煤礦抽排瓦斯或風(fēng)排瓦斯的一種環(huán)保氧化設(shè)備。本論文將重點(diǎn)討論制取高溫?zé)犸L(fēng)型瓦斯氧化裝置的保溫及密封在運(yùn)行中存在的問題、改進(jìn)措施及效果對(duì)比，分析保溫在氧化裝置的穩(wěn)定運(yùn)行中的重要性。以下氧化裝置均指“制取高溫?zé)犸L(fēng)型瓦斯氧化裝置”。
氧化裝置工作原理：氧化裝置主要由固定式逆流氧化床和控制系統(tǒng)兩部分組成。排氣蓄熱，進(jìn)氣預(yù)熱，進(jìn)排氣交換逆循環(huán)，實(shí)現(xiàn)瓦斯周期性氧化反應(yīng)。其工作過程為：氧化床先用外部能源（如電能或燃?xì)猓┘訜幔瑒?chuàng)造一個(gè)甲烷氧化反應(yīng)的環(huán)境，瓦斯由風(fēng)機(jī)送入氧化床，氧化產(chǎn)熱，排氣側(cè)固體蓄熱，進(jìn)氣側(cè)氣體預(yù)熱，由切換閥實(shí)現(xiàn)瓦斯逆流換向，其中通過回?zé)崞鲗⑴艢獾臒崃炕厥绽糜酂徇M(jìn)氣，提高熱效率。瓦斯中的甲烷在氧化床氧化后，一部熱量維持氧化反應(yīng)的環(huán)境，一部分熱量經(jīng)高溫?zé)煔獬隹趯⒀趸矁?nèi)高溫?zé)煔廨敵霾⒗?，多余部分的熱量?jīng)回?zé)崞鞑糠只厥蘸笸ㄟ^尾氣排風(fēng)口排出，氧化反應(yīng)自動(dòng)維持后，停掉外加熱，如圖示。

在高溫?zé)煔獬隹诙嗽O(shè)置高溫?zé)煔庹{(diào)節(jié)閥，正常工作溫度為900-1000℃，最高1200℃，漏風(fēng)系數(shù)不大于3%，其主要功能在氧化裝置啟動(dòng)階段，將高溫?zé)犸L(fēng)調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，待裝置啟動(dòng)成功后，開啟調(diào)節(jié)閥輸出至用戶端。運(yùn)行過程中，可根據(jù)氧化裝置流量、瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行低溫尾氣調(diào)節(jié)閥與高溫?zé)煔庹{(diào)節(jié)閥的匹配調(diào)節(jié)。如設(shè)備有異常需要緊急停機(jī)，可將高溫?zé)煔庹{(diào)節(jié)閥進(jìn)行關(guān)閉。
氧化裝置的設(shè)計(jì)研發(fā)與常規(guī)鍋爐有許多可借鑒之處，氧化床相當(dāng)于鍋爐爐墻。鍋爐爐墻是指鍋爐本體的爐膛、水平煙道、尾部煙道、本體范圍內(nèi)的煙風(fēng)道、管路系統(tǒng)、空氣預(yù)熱器等結(jié)構(gòu)的外部結(jié)構(gòu)體。類比瓦斯氧化裝置，回?zé)崞飨喈?dāng)于鍋爐的空氣預(yù)熱器、導(dǎo)風(fēng)罩（或風(fēng)道）相當(dāng)于鍋爐系統(tǒng)的進(jìn)排氣風(fēng)道、氧化床本體相當(dāng)于鍋爐本體爐膛。有換熱器結(jié)構(gòu)的氧化裝置其中蒸發(fā)器相當(dāng)于水冷壁、過熱器相當(dāng)于鍋爐的過熱器。無換熱器的氧化裝置相當(dāng)于熱風(fēng)爐。
瓦斯氧化裝置陶瓷蓄熱體側(cè)蓋及頂端及底層保溫隔層將蓄熱陶瓷的高溫?zé)煔?、受熱面與外界隔絕，具有耐火、絕熱、保溫、密封等功能。裝置的密封是指氧化床外部結(jié)構(gòu)件的密封鋼板，其作用是隔絕內(nèi)部煙氣外溢（氧化床工作狀態(tài)為正壓，較普通鍋爐正常工作壓力偏高）。作為裝置密封的第一道也是最重要防線，鋼板密封件與內(nèi)部保溫層配合，對(duì)氧化裝置的保溫、設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行起著十分重要作用。
在保溫設(shè)計(jì)中，參考現(xiàn)鍋爐設(shè)計(jì)方法，但需要對(duì)其中的不同項(xiàng)點(diǎn)進(jìn)行甄別，例如氧化床內(nèi)部工作壓力為1-2kPa，內(nèi)部的溫度場(chǎng)周期性變化，局部高溫的可能性等。
2　氧化裝置保溫現(xiàn)狀分析
2.1氧化裝置保溫關(guān)鍵結(jié)構(gòu)
氧化裝置在正常的熱力工況下運(yùn)行，應(yīng)具備足夠的嚴(yán)密性和良好的隔熱性，提高其密封及保溫質(zhì)量已經(jīng)成為設(shè)備運(yùn)行的基本條件。
在氧化裝置的設(shè)計(jì)中，保溫作為其中關(guān)鍵的技術(shù)，對(duì)裝置的穩(wěn)定、持續(xù)運(yùn)行起到重要作用。對(duì)現(xiàn)有鍋爐保溫設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)研、分析總結(jié)，根據(jù)氧化裝置的工作原理及性能要求，對(duì)氧化裝置左右側(cè)蓋部分的要求有足夠的耐熱隔熱保溫性能（工作溫度為900-1100℃）、密封性能（氧化床內(nèi)部壓力為2kPa左右）及機(jī)械強(qiáng)度性能（支撐蓄熱陶瓷及頂層部件等）。
通過對(duì)制取高溫?zé)犸L(fēng)型瓦斯氧化裝置運(yùn)行初期調(diào)試狀況分析，存在著部件連接端面密封不嚴(yán)，保溫性能差，造成高溫?zé)煔庖绯?，侵蝕鋼板，影響外觀，同時(shí)浪費(fèi)能源，影響熱效率，不利于安全生產(chǎn)。氧化裝置關(guān)鍵的保溫密封薄弱結(jié)構(gòu)主要為側(cè)蓋部分的電阻絲接線端及電極棒空腔、高溫?zé)煔廨敵鰺煹乐苯枪艿?、高溫閥法蘭連接端面等。
2.2保溫部分對(duì)氧化裝置散熱及熱效率影響
以某制取高溫?zé)犸L(fēng)型瓦斯氧化裝置熱量平衡為例進(jìn)行計(jì)算，分析氧化裝置散熱損失在熱平衡中的比重。
1臺(tái)6萬Nm³/h的制高溫?zé)犸L(fēng)的瓦斯氧化裝置，工作濃度為1.0%，氧化率為97%，散熱損失按額定設(shè)計(jì)運(yùn)行總熱量的10%計(jì)算，進(jìn)口溫度為20℃，出口溫度保證為≤60℃，,1kg、20℃飽和空氣含濕量為14.7×10^-3kg。

通過以上的經(jīng)驗(yàn)公式及熱量分配表可知，相比較鍋爐現(xiàn)階段新設(shè)計(jì)的普通鍋爐的散熱損失為2%左右，但氧化裝置的散熱損失為10%，相比較有很大的提升空間。通過改善保溫性能，加強(qiáng)密封效果，對(duì)提高氧化裝置的熱效率將起到重要作用。
2.3氧化裝置密封結(jié)構(gòu)與煙氣泄露主要部位
根據(jù)氧化裝置運(yùn)行過程中，外部密封面板高溫侵蝕嚴(yán)重的三個(gè)部位進(jìn)行分析，并對(duì)存在的問題進(jìn)行搜集、原因分析及設(shè)計(jì)改進(jìn)及后期效果進(jìn)行整理。
1）電阻絲接線端
加熱電阻絲接線端區(qū)域較小，主要是定位完電極棒后，人工填塞保溫棉及澆注料，隔熱密封效果難以保證，由于內(nèi)部壓力偏高，運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，澆注料開裂、保溫棉填塞密實(shí)度差、內(nèi)部正壓較高，容易形成裂縫，會(huì)有部分高溫?zé)煔馔庖绗F(xiàn)象，對(duì)外端面面板及接線電纜形成高溫侵蝕現(xiàn)象，對(duì)設(shè)備外觀及運(yùn)行穩(wěn)定性形成不良影響。
2）高溫?zé)煔怙L(fēng)道直角部分
經(jīng)過運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，在高溫?zé)煔庵苯枪諒澨幫獠棵姘甯邷厍治g嚴(yán)重，如圖3示。主要在設(shè)計(jì)過程中，沒有考慮高溫?zé)煔饬魍ㄖ苯菗Q向時(shí)流通阻力及外部面板的密封性。
3）高溫?zé)煔庹{(diào)節(jié)閥法蘭連接端面部分
在高溫?zé)煹拦苈分?，設(shè)置高溫?zé)煔庹{(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)高溫?zé)煔廨敵隽看笮?。在安裝過程中，由于是硬法蘭連接，端面較大，密封不嚴(yán)易造成高溫?zé)煔庖绯隹赡?。同時(shí)，煙道的壓力過大會(huì)進(jìn)一步加劇煙氣外溢，鋼板表面高溫侵蝕現(xiàn)象。
2.4原因分析
1）設(shè)計(jì)原因
前期設(shè)計(jì)沒有充分考慮外層密封護(hù)板的重要性，在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)過程中，對(duì)與保溫棉密封鋼板處沒有要求全焊，致使在運(yùn)行過程中，存在局部煙氣泄露現(xiàn)象。
沒有重點(diǎn)評(píng)估施工人員對(duì)氧化裝置保溫中的作用，在施工時(shí)，操作人員的業(yè)務(wù)水平對(duì)后期質(zhì)量的影響沒有被重視。
2）施工工藝原因
施工中，對(duì)圖紙中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)處理不全面，特別對(duì)拐角處、開孔處薄弱保溫環(huán)節(jié)處理的不夠細(xì)致。
施工過程中，對(duì)圖紙理解程度不夠，對(duì)圖示中關(guān)鍵部位沒有進(jìn)行嚴(yán)格處理。
3　氧化裝置密封及保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)
根據(jù)設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)施工存在的問題，綜合分析，氧化裝置的密封及保溫問題關(guān)鍵在以下幾個(gè)方面。
1）結(jié)構(gòu)不規(guī)則
規(guī)則的結(jié)構(gòu)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工要求會(huì)降低，質(zhì)量的保證有一定的幫助。在設(shè)計(jì)過程中，盡量避免不必要的異形結(jié)構(gòu)形成。
2）內(nèi)部煙氣流動(dòng)壓力較普通鍋爐壓力偏高（正常的鍋爐壓力一般是負(fù)壓或微負(fù)壓）
氧化裝置正壓運(yùn)行，密封效果不好，煙氣外溢不僅影響鋼板表面的美觀，同時(shí)長(zhǎng)期運(yùn)行將對(duì)設(shè)備的安全性能及操作人員的安全保障起到不良的影響?？梢圆扇∵M(jìn)一步改進(jìn)流體流通的順暢性，降低部件的壓力損失等手段。
3）單件生產(chǎn)，生產(chǎn)組織難度大，成本高。
單件生產(chǎn)對(duì)設(shè)計(jì)及施工的要求都將會(huì)大幅提高，生產(chǎn)組織難度較成熟產(chǎn)品大，成本高，這些不利因素在裝置的密封及保溫設(shè)計(jì)中都應(yīng)該統(tǒng)籌考慮。
結(jié)合以上主要原因，借鑒迷宮式保溫設(shè)計(jì)理念，進(jìn)行了如下改進(jìn)設(shè)計(jì)優(yōu)化：
1）電阻絲接線端改進(jìn)設(shè)計(jì)
將電極棒改變接線方向，通過改變煙氣流通方向，增加流通距離，加強(qiáng)密封保溫，通過迷宮設(shè)計(jì)思路：壓緊模塊組與承接模塊組連接通過迷宮式，增加氣體流通路程；電極棒轉(zhuǎn)90°后避開其流通方向，增加流通阻力，達(dá)到保溫效果。這樣改進(jìn)將最大限度地阻止不同保溫材料及鋼板連接面形成的間隙而產(chǎn)生熱煙氣的波動(dòng)，避免出現(xiàn)不必要的自然通風(fēng)現(xiàn)象的發(fā)生。
2）外密封鋼板焊接方式的改進(jìn)
根據(jù)在運(yùn)行過程中，有高溫?zé)煔鈴臄嗬m(xù)焊縫間隙溢出，通過設(shè)計(jì)改進(jìn)，確保完成內(nèi)部保溫施工要求后，將所有保溫結(jié)構(gòu)密封板鋼結(jié)構(gòu)要求全焊接，不至于有煙氣溢出的可能性發(fā)生。同時(shí)，在氧化裝置開機(jī)啟動(dòng)前，必須進(jìn)行氣密性測(cè)試，進(jìn)一步確保設(shè)備所有端面密封的可靠性。
3）法蘭連接密封施工的改進(jìn)
提高部件法蘭端面的平面度，增加高溫密封石棉板的厚度，以提高其調(diào)整余量，保證其密封的可靠性。
4　密封及保溫結(jié)構(gòu)的整改及效果
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)存在的問題，按照新設(shè)計(jì)方案整改后，達(dá)到如下效果，如圖示。氧化裝置進(jìn)氣流量為5.9-6.1萬Nm³/h，瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.9-1.1%,高溫?zé)煔鉁囟瓤刂圃?00-950℃，可通過調(diào)整濃度控制高溫?zé)煔鉁囟?，流量為?.0-1.2萬Nm³/h?，F(xiàn)氧化裝置已穩(wěn)定運(yùn)行半年，原外部鋼板高溫侵蝕的現(xiàn)象已基本改善。
經(jīng)過改進(jìn)設(shè)計(jì)及整改效果，基本證明這次迷宮式保溫設(shè)計(jì)思路及外部密封面板的全焊要求的合理性。下一步將對(duì)氧化裝置保溫結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、摻混瓦斯氣流順暢性、整體結(jié)構(gòu)的密封保障及維護(hù)的人性化等方面進(jìn)行提高改善，為氧化裝置的熱效率提高做好保障。
5　結(jié)論
煤礦瓦斯氧化裝置在運(yùn)行中散熱損失相較于常規(guī)鍋爐要大，但通過設(shè)計(jì)及施工將保溫做好，將大大提高氧化裝置的熱利用效率。對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行及使用使命將會(huì)起到促進(jìn)作用。
裝置側(cè)蓋保溫部分設(shè)計(jì)不合理、施工工藝、外層密封護(hù)板焊接不嚴(yán)密等都會(huì)造成氧化裝置的高溫?zé)煔庑孤?，影響設(shè)備的氧化效果、對(duì)設(shè)備的外觀質(zhì)量有較大影響，同時(shí)影響熱量的利用效率。同時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間主體框架高溫侵蝕，將嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度，形成一定的安全隱患。
在后期的氧化裝置保溫設(shè)計(jì)中，需要做到以下幾點(diǎn)：
在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，避免過多的異形結(jié)構(gòu)。
對(duì)局部需要鉆孔結(jié)構(gòu)，在保溫盡可能增加煙氣流通通道或改變流通方向等手段的迷宮式設(shè)計(jì)思路。
保溫外層密封面板的嚴(yán)密性。在開機(jī)前，進(jìn)行密封性能試驗(yàn)。
生產(chǎn)組織時(shí)，需充分與原設(shè)計(jì)人員進(jìn)行技術(shù)溝通，技術(shù)人員需對(duì)關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)點(diǎn)進(jìn)行明確，施工人員對(duì)薄弱環(huán)節(jié)做到心中有數(shù)。
通過改進(jìn)設(shè)計(jì)及前后期的對(duì)比分析，氧化裝置的保溫需要重點(diǎn)加強(qiáng)保溫外側(cè)護(hù)板的密封性能、采用迷宮式保溫設(shè)計(jì)理念改變流通方向及距離、提高施工工藝業(yè)務(wù)水平等將能大大改善氧化裝置保溫效果，對(duì)氧化裝置的穩(wěn)定運(yùn)行、壽命的提高及熱效率的提升等具有較大的積極意義。

（來源：浩哲之窗）