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軸承知識

熱風型煤礦瓦斯氧化裝置密封與保溫設計改進

2020-11-20
徐景才
經過項目的應用,瓦斯氧化裝置在運行過程中發現局部保溫效果較差,較薄弱的保溫結構發現有明顯的高溫煙氣外溢現象。本文針對制取高溫熱風型瓦斯氧化裝置在運行過程中保溫存在的問題進行分析總結,尋求一種適合瓦斯氧化裝置的的迷宮式保溫結構,分析密封在保溫的重要性,通過改進前后效果對比,為后期的氧化裝置保溫性能改進提升提供了依據。
1 引言
瓦斯氧化裝置是用于處理煤礦抽排瓦斯或風排瓦斯的一種環保氧化設備。本論文將重點討論制取高溫熱風型瓦斯氧化裝置的保溫及密封在運行中存在的問題、改進措施及效果對比,分析保溫在氧化裝置的穩定運行中的重要性。以下氧化裝置均指“制取高溫熱風型瓦斯氧化裝置”。
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兩部分組成。排氣蓄熱,進氣預熱,進排氣交換逆循環,實現瓦斯周期性氧化反應。其工作過程為:氧化床先用外部能源(如電能或燃氣)加熱,創造一個甲烷氧化反應的環境,瓦斯由風機送入氧化床,氧化產熱,排氣側固體蓄熱,進氣側氣體預熱,由切換閥實現瓦斯逆流換向,其中通過回熱器將排氣的熱量回收利用余熱進氣,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的環境,一部分熱量經高溫煙氣出口將氧化床內高溫煙氣輸出并利用,多余部分的熱量經回熱器部分回收后通過尾氣排風口排出,氧化反應自動維持后,停掉外加熱,如圖示。
在高溫煙氣出口端設置高溫煙氣調節閥,正常工作溫度為900-1000℃,最高1200℃,漏風系數不大于3%,其主要功能在氧化裝置啟動階段,將高溫熱風調節閥關閉,待裝置啟動成功后,開啟調節閥輸出至用戶端。運行過程中,可根據氧化裝置流量、瓦斯濃度進行低溫尾氣調節閥與高溫煙氣調節閥的匹配調節。如設備有異常需要緊急停機,可將高溫煙氣調節閥進行關閉。
氧化裝置的設計研發與常規鍋爐有許多可借鑒之處,氧化床相當于鍋爐爐墻。鍋爐爐墻是指鍋爐本體的爐膛、水平煙道、尾部煙道、本體范圍內的煙風道、管路系統、空氣預熱器等結構的外部結構體。類比瓦斯氧化裝置,回熱器相當于鍋爐的空氣預熱器、導風罩(或風道)相當于鍋爐系統的進排氣風道、氧化床本體相當于鍋爐本體爐膛。有換熱器結構的氧化裝置其中蒸發器相當于水冷壁、過熱器相當于鍋爐的過熱器。無換熱器的氧化裝置相當于熱風爐。
瓦斯氧化裝置陶瓷蓄熱體側蓋及頂端及底層保溫隔層將蓄熱陶瓷的高溫煙氣、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構件的密封鋼板,其作用是隔絕內部煙氣外溢(氧化床工作狀態為正壓,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,鋼板密封件與內部保溫層配合,對氧化裝置的保溫、設備的穩定運行起著十分重要作用。
在保溫設計中,參考現鍋爐設計方法,但需要對其中的不同項點進行甄別,例如氧化床內部工作壓力為1-2kPa,內部的溫度場周期性變化,局部高溫的可能性等。
2 氧化裝置保溫現狀分析
2.1氧化裝置保溫關鍵結構
氧化裝置在正常的熱力工況下運行,應具備足夠的嚴密性和良好的隔熱性,提高其密封及保溫質量已經成為設備運行的基本條件。
在氧化裝置的設計中,保溫作為其中關鍵的技術,對裝置的穩定、持續運行起到重要作用。對現有鍋爐保溫設計進行調研、分析總結,根據氧化裝置的工作原理及性能要求,對氧化裝置左右側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(氧化床內部壓力為2kPa左右)及機械強度性能(支撐蓄熱陶瓷及頂層部件等)。
通過對制取高溫熱風型瓦斯氧化裝置運行初期調試狀況分析,存在著部件連接端面密封不嚴,保溫性能差,造成高溫煙氣溢出,侵蝕鋼板,影響外觀,同時浪費能源,影響熱效率,不利于安全生產。氧化裝置關鍵的保溫密封薄弱結構主要為側蓋部分的電阻絲接線端及電極棒空腔、高溫煙氣輸出煙道直角管道、高溫閥法蘭連接端面等。
2.2保溫部分對氧化裝置散熱及熱效率影響
以某制取高溫熱風型瓦斯氧化裝置熱量平衡為例進行計算,分析氧化裝置散熱損失在熱平衡中的比重。
1臺6萬Nm3/h的制高溫熱風的瓦斯氧化裝置,工作濃度為1.0%,氧化率為97%,散熱損失按額定設計運行總熱量的10%計算,進口溫度為20℃,出口溫度保證為≤60℃,,1kg、20℃飽和空氣含濕量為14.7×10-3kg。
通過以上的經驗公式及熱量分配表可知,相比較鍋爐現階段新設計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,加強密封效果,對提高氧化裝置的熱效率將起到重要作用。
2.3氧化裝置密封結構與煙氣泄露主要部位
根據氧化裝置運行過程中,外部密封面板高溫侵蝕嚴重的三個部位進行分析,并對存在的問題進行搜集、原因分析及設計改進及后期效果進行整理。
1)電阻絲接線端
加熱電阻絲接線端區域較小,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,由于內部壓力偏高,運行時間長,澆注料開裂、保溫棉填塞密實度差、內部正壓較高,容易形成裂縫,會有部分高溫煙氣外溢現象,對外端面面板及接線電纜形成高溫侵蝕現象,對設備外觀及運行穩定性形成不良影響。
2)高溫煙氣風道直角部分
經過運行發現,在高溫煙氣直角拐彎處外部面板高溫侵蝕嚴重,如圖3示。主要在設計過程中,沒有考慮高溫煙氣流通直角換向時流通阻力及外部面板的密封性。
3)高溫煙氣調節閥法蘭連接端面部分
在高溫煙道管路中,設置高溫煙氣調節閥,調節高溫煙氣輸出量大小。在安裝過程中,由于是硬法蘭連接,端面較大,密封不嚴易造成高溫煙氣溢出可能。同時,煙道的壓力過大會進一步加劇煙氣外溢,鋼板表面高溫侵蝕現象。
2.4原因分析
1)設計原因
前期設計沒有充分考慮外層密封護板的重要性,在圖紙設計過程中,對與保溫棉密封鋼板處沒有要求全焊,致使在運行過程中,存在局部煙氣泄露現象。
沒有重點評估施工人員對氧化裝置保溫中的作用,在施工時,操作人員的業務水平對后期質量的影響沒有被重視。
2)施工工藝原因
施工中,對圖紙中的關鍵結構處理不全面,特別對拐角處、開孔處薄弱保溫環節處理的不夠細致。
施工過程中,對圖紙理解程度不夠,對圖示中關鍵部位沒有進行嚴格處理。
3 氧化裝置密封及保溫結構設計改進
根據設計及現場施工存在的問題,綜合分析,氧化裝置的密封及保溫問題關鍵在以下幾個方面。
1)結構不規則
規則的結構對現場施工要求會降低,質量的保證有一定的幫助。在設計過程中,盡量避免不必要的異形結構形成。
2)內部煙氣流動壓力較普通鍋爐壓力偏高(正常的鍋爐壓力一般是負壓或微負壓)
氧化裝置正壓運行,密封效果不好,煙氣外溢不僅影響鋼板表面的美觀,同時長期運行將對設備的安全性能及操作人員的安全保障起到不良的影響。可以采取進一步改進流體流通的順暢性,降低部件的壓力損失等手段。
3)單件生產,生產組織難度大,成本高。
單件生產對設計及施工的要求都將會大幅提高,生產組織難度較成熟產品大,成本高,這些不利因素在裝置的密封及保溫設計中都應該統籌考慮。
結合以上主要原因,借鑒迷宮式保溫設計理念,進行了如下改進設計優化:
1)電阻絲接線端改進設計
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,加強密封保溫,通過迷宮設計思路: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90°后避開其流通方向,增加流通阻力,達到保溫效果。這樣改進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生熱煙氣的波動,避免出現不必要的自然通風現象的發生。
2)外密封鋼板焊接方式的改進
根據在運行過程中,有高溫煙氣從斷續焊縫間隙溢出,通過設計改進,確保完成內部保溫施工要求后,將所有保溫結構密封板鋼結構要求全焊接,不至于有煙氣溢出的可能性發生。同時,在氧化裝置開機啟動前,必須進行氣密性測試,進一步確保設備所有端面密封的可靠性。
3)法蘭連接密封施工的改進
提高部件法蘭端面的平面度,增加高溫密封石棉板的厚度,以提高其調整余量,保證其密封的可靠性。
4 密封及保溫結構的整改及效果
根據現場存在的問題,按照新設計方案整改后,達到如下效果,如圖示。氧化裝置進氣流量為5.9-6.1萬Nm3/h,瓦斯濃度控制在0.9-1.1%,高溫煙氣溫度控制在900-950℃,可通過調整濃度控制高溫煙氣溫度,流量為為1.0-1.2萬Nm3/h。現氧化裝置已穩定運行半年,原外部鋼板高溫侵蝕的現象已基本改善。
經過改進設計及整改效果,基本證明這次迷宮式保溫設計思路及外部密封面板的全焊要求的合理性。下一步將對氧化裝置保溫結構的優化、摻混瓦斯氣流順暢性、整體結構的密封保障及維護的人性化等方面進行提高改善,為氧化裝置的熱效率提高做好保障。
5 結論
煤礦瓦斯氧化裝置在運行中散熱損失相較于常規鍋爐要大,但通過設計及施工將保溫做好,將大大提高氧化裝置的熱利用效率。對設備的穩定運行及使用使命將會起到促進作用。
裝置側蓋保溫部分設計不合理、施工工藝、外層密封護板焊接不嚴密等都會造成氧化裝置的高溫煙氣泄漏,影響設備的氧化效果、對設備的外觀質量有較大影響,同時影響熱量的利用效率。同時,長時間主體框架高溫侵蝕,將嚴重影響結構件的強度,形成一定的安全隱患。
在后期的氧化裝置保溫設計中,需要做到以下幾點:
在結構設計中,避免過多的異形結構。
對局部需要鉆孔結構,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計思路。
保溫外層密封面板的嚴密性。在開機前,進行密封性能試驗。
生產組織時,需充分與原設計人員進行技術溝通,技術人員需對關鍵技術項點進行明確,施工人員對薄弱環節做到心中有數。
通過改進設計及前后期的對比分析,氧化裝置的保溫需要重點加強保溫外側護板的密封性能、采用迷宮式保溫設計理念改變流通方向及距離、提高施工工藝業務水平等將能大大改善氧化裝置保溫效果,對氧化裝置的穩定運行、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)

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