浅谈煤矿瓦斯VPSA提纯技术在工程应用中的安全措施

叶静俭（煤炭工业合肥设计研究院，安徽 合肥 230041）



浅谈煤矿瓦斯VPSA提纯技术在工程应用中的安全措施

叶静俭（煤炭工业合肥设计研究院，安徽 合肥 230041）

将真空变压吸附（VPSA）技术用于煤矿瓦斯提浓，已成为国内外业界的共识。由于瓦斯的易燃、易爆性，VPSA瓦斯提浓工艺在工业化生产中的安全性显得尤为重要。结合正在实施的煤矿瓦斯提纯制取压缩天然气（CNG）项目，对生产系统中的存在的火灾、爆炸危险因素进行分析，并提出有效的解决办法，对于工程的设计和施工都具有一定的实用价值和指导意义。

煤矿瓦斯；VPSA；提纯技术；安全措施

1　引言

我国的煤田普遍属于低渗透煤层，地面预抽采煤层气难度很大，井下抽采成为主要手段。由于煤层的渗透率低，井下抽采系统负压大、封堵难度大，使抽采的瓦斯中渗入大量空气，降低了瓦斯的浓度，从而制约了瓦斯的利用方式，导致瓦斯利用率难以提高。瓦斯大量排空，不仅对环境造成严重污染，而且也是一种巨大的能源浪费。

提高瓦斯的浓度，实现更广泛的用途，是提高利用率的有效方式。在膜分离法、深冷液化法、变压吸附法、水合物分离法和溶剂吸收法等瓦斯提纯方式中，变压吸附法以其分离效率高、能源消耗低、工艺相对简单等多方面的优势，成为低浓度瓦斯提纯的首选技术，全国也陆续建设了少量煤矿瓦斯VPSA提浓项目，进入工业化试生产。

2　工程应用中的火灾、爆炸危险因素

由于瓦斯的易燃、易爆性，VPSA瓦斯提浓工艺在工业化生产中的安全性显得尤为重要。现结合我院正在实施的某瓦斯提纯浓缩制压缩天然气（CNG）项目，对工艺系统设计中需设置的安全措施进行分析。

2.1工艺流程简述

由储配站输送的甲烷浓度35%的原料瓦斯，经安全输送环节预压计量，由压缩净化环节脱水、除杂质、增压后，通过变压吸附装置提纯浓缩至甲烷浓度95%以上，再经天然气压缩机，生产合格的车用压缩天然气。

表1　原料气物性参数表

2.2火灾、爆炸危险因素

甲烷为易燃易爆气体，火灾危险分类为甲级，在空气中的主要特性如表2。

表2　甲烷的特性

瓦斯爆炸或燃烧必须具备三个条件：一定浓度的甲烷、一定的含氧量、足够温度的火源，三者缺一不可。

一般情况下，瓦斯浓度低于5%时，遇到火源能够燃烧，但瓦斯氧化生成的热量很快被多余的瓦斯和周围介质吸收而降温，火焰迅速熄灭，不会传播也不会爆炸；瓦斯浓度大于15%时，空气中的氧相对减少，只能有一部分瓦斯与氧发生反应，多余的瓦斯却起着阻止氧化作用，由于瓦斯热容量比空气大2.5倍，故热的散失速度大于热的生成速度，因此既不爆炸，也不燃烧，但当新鲜空气不断供给时，遇火可能燃烧，甚至发生爆炸。

当空气中甲烷浓度在5～15%时，瓦斯与氧配合比例适当，遇到火源迅速氧化，热量生成速度大大超过散热速度，生成的CO2和水蒸气因热量急增而急剧膨胀，形成爆炸现象，这个浓度范围称为瓦斯爆炸界限，瓦斯爆炸的实质是遇火急剧氧化，没有足够的氧，就不会发生瓦斯爆炸。根据甲烷-氧-氮气混合气体在常温下的爆炸三角图［1～2］，甲烷的爆炸下限临界氧浓度为12%，随着甲烷浓度的升高，爆炸临界氧浓度也会随之提高，直至甲烷爆炸上限。

实践证明，空气中的氧气浓度降低时，瓦斯的爆炸界限随之缩小，当氧气浓度减少到12%以下时，瓦斯混合气体即使去爆炸性［3］。由此可以理解为：在生产系统不发生泄漏的情况下，瓦斯中氧浓度低于12%时，即使出现火源，系统也是安全的。

根据上述内容分析，在瓦斯提纯浓缩过程中可能由于以下原因产生爆炸、火灾危险：

（1）设备及管道内的瓦斯浓度在爆炸范围内，且具有一定的含氧量，由于设备及管道静电产生火花，导致爆炸和火灾；

（2）设备及管道内的瓦斯浓度高于爆炸上限，但由于漏入空气，瓦斯被稀释至爆炸浓度范围内，同时由于设备及管道静电产生火花，导致爆炸和火灾；

（3）设备及管道内的瓦斯泄漏至系统外，浓度达到爆炸范围内，遇外界火源，产生爆炸、火灾危险；

（4）瓦斯加压过程中，随着压力和温度升高，甲烷爆炸极限范围加宽，使原本不在爆炸极限范围内的瓦斯处于危险范围，同时加压过程中产生火花，导致爆炸和火灾；参考《民用煤层气（煤矿瓦斯）》（GB26569-2011）的规定，高于30%的瓦斯允许最高输送压力为0.8MPa；

（5）生产过程中排空的瓦斯浓度处于爆炸极限范围内，遇到雷击等外部火源引起爆炸和火灾。

3　工程应用中采取的防火、防爆措施

不同的生产环节，工质的条件不同，对防火、防爆的要求也不同，结合上述生产过程中可能的危险因素采取了不同的防火、防爆措施。

3.1设备本体的防火防爆措施

3.1.1压缩机的选择

根据工艺系统的流程，原料气在进入变压吸附装置之前，需经过两次加压。在变压吸附之前，瓦斯的浓度在30～35%，采用湿式加压，可有效降低压缩过程中的温升，增加系统的安全性。第一次加压至40kPa，压力较低，采用水环式压缩机。

第二次加压至0.7MPa，采用喷水螺杆式压缩机，经实验证明该类压缩机在项目工况下，压缩过程是安全的；瓦斯的增压不超过0.8MPa，可满足30%以上的高浓度瓦斯的输送安全条件。

经过变压吸附后，瓦斯的浓度已经达到95%以上，几乎不含氧气，对该气体的压缩方式没有特殊的要求，采用往复式的天然气压缩机就能满足要求。

为了吸附剂的再生效果，提高甲烷的回收率，VPSA提纯装置采用抽真空的解吸方式，采用瓦斯抽采常用的水环真空泵，可满足要求。

3.1.2变压吸附装置及吸附剂的选择

为了保证产气的连续性，煤矿瓦斯VPSA提纯装置采用六塔布置，交替吸附和再生。本项目的变压吸附过程是利用吸附剂将瓦斯中的非甲烷吸附，甲烷直接通过的过程。解吸时，罐体内瓦斯浓度不断下降，将会通过爆炸区间，存在爆炸可能，所以就要求吸附剂具有良好的阻爆和隔爆性能。

项目吸附塔内填装煤矿瓦斯提纯专用吸附剂，同时在吸附塔的进排气口以及罐体之间的连接管道内填装了抑爆材料，经过大量的实验表明，填装了吸附剂的罐体内，浓度在10～30%的瓦斯在点火时均不发生爆炸，证明吸附剂具有良好的抑爆性能。对于罐体之间的连接管路，采用连通器的实验方式，连接管内填充抑爆材料，当第一个罐体内发生爆炸时，不会引起另一个罐体的爆炸，证明抑爆材料的抑爆阻爆性能。

在以上两方面的保护下，瓦斯在整个吸附过程中是安全的。

3.1.3储气罐上设置的措施

各缓冲罐、储气罐均设置安全放散阀和泄爆装置，防止系统超压。放散管均引至室外排放，放散管上设置阻火器，并设防雷保护，防止雷击和火焰向系统内传播。

3.2系统设计上设置的防火防爆措施

3.2.1工艺系统的措施

（1）根据生产工艺的特点，在不同的生产环节装置区之间设置阻火、阻爆装置，某个环节出现事故时，能最大限度的控制受影响的范围；

（2）加压机设置回流旁路，出口设置安全阀，排气超压时通过旁路回流和安全阀泄压，安全阀泄压通过放散管泄放至室外；

（3）可能出现负压的管路设置氧含量检测仪表，防止因空气的渗入导致瓦斯浓度降低，氧含量升高；

（4）严格控制原料气来源，甲烷浓度小于30%严禁入柜，确保进入生产装置的瓦斯满足高浓瓦斯的要求，减少生产系统中出现低浓瓦斯的可能；

（5）储气柜进出口设水封阻火泄爆装置，进出管路上设置快速切断阀，生产系统出现火灾时，立刻切断气源，保护储气柜和抽放站的安全；

（6）本项目的变压吸附工艺为3级，每一级均采用吸附非甲烷气体的吸附剂。吸附剂本身具有良好的阻爆和隔爆性能，吸附塔内的瓦斯即使处于爆炸范围内，也不易发生爆炸，存在安全隐患的是吸附塔与其他外部设备连接的管路中。

一级变压吸附解吸气中，CH4浓度低于5%，常压解吸和真空解吸气均直接排空，放空管设置阻火器，防止外界火源向系统内传播；

为了提高系统的甲烷回收率，二、三级解吸气返回与原料气混合后重新进入吸附装置。三级变压吸附解吸气CH4浓度高于50%，O2浓度低于2%，可直接输送，安全性有保障；二级变压吸附解吸气虽然CH4浓度低于30%，但O2浓度低于10%，低于甲烷的爆炸极限临界含氧量12%，也不会发生爆炸；

根据原料气的设计参数，CH4浓度约35%，O2浓度约12%，在返回气O2浓度低于12%的情况下，混气气的O2浓度一定是低于12%的；此时生产系统内仍是安全的。

3.2.2电气、控制方面的措施

（1）在爆炸危险区域内电气设备均选用防爆设备；

（2）在爆炸危险区域内电缆低位敷设，采用地沟或穿管敷设；敷设电缆的沟、套管在穿过爆炸危险环境等级不同的区域之间的隔墙或楼板时，采用非燃性材料严密堵塞；

（3）在防火区域内电缆采用穿管敷设或采用阻燃电缆；

（4）为防止静电危害，所有管道和设备均连接成连续的电气通路并接地，弯头、阀门、法兰盘等连接处用金属跨接线；

（5）设置避雷针，确保放散区域的安全；

（6）提高自动化程度，在设备发生故障、人员误操作形成危险状态时，通过自动报警、自动切换备用设备、启动连锁保护装置和安全装置，实现事故性安全排放直至安全顺序停机等一系列的自动操作，保证系统的安全；

（7）针对引发事故的原因和紧急情况下的需要，设置故障的安全控制系统（FSC）、特殊的连锁保护、安全装置和就地操作应急控制系统，以提高系统安全的可靠性。

3.2.3通风系统上的措施

室内有可能有瓦斯泄漏和积聚的场所均设置甲烷浓度检测及报警装置，并与防爆风机联动，及时排出室内的瓦斯。

3.3工程总体规划布置及配套设施防火防爆措施

（1）总平面布置时重点考虑不同等级的生产建（构）筑物对应不同防火安全间距的要求。

（2）具有爆炸危险的建筑物四面墙体或屋面设置泄爆结构，在发生爆炸事故时及时泄压，减少爆炸产生的危害。

（3）生产区内设消防供水系统，形成环路，建（构）筑物周围设有消防通道。

4　结束语

由我院设计的谢一煤矿、新庄孜煤矿低浓度瓦斯VPSA提纯项目等数个试验及工业应用工程已运行3～5年，采取本文所列防火、防爆措施后效果显著，从未发生火灾、爆炸险情。事实证明，煤矿瓦斯提纯项目尽管工程案例少、危险因素多，但根据前文分析，凡在可能发生爆炸和火灾危险的地方，均采取了相关的防范措施，在生产和检修过程中，只要我们能认真细致分析，采取有效对策措施，完全能够避免安全事故的发生。

［1］周利华.矿井火区可燃性混合气体爆炸三角形判断法及其爆炸危险性分析［J］.中国安全科学学报，2001，11（2）：47～51.

［2］万成略，汪 莉.可燃性气体含氧量安全限值的探讨［J］.中国安全科学学报，1999，9（1）：48～53.

［3］何鲁鄂.煤矿瓦斯爆炸概述［J］.西部探矿工程，2010（4）：123～124.

2016-5-20

TF53

A

2095-2066（2016）16-0073-02