煤层气利用工程的安全性分析.docx

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煤层气利用工程的安全性分析

煤层气利用工程的安全性分析

引言

　　目前煤层气的开发和利用得到国家的特别重视。

全国科学技术大会上的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》确定的16个重大专项之一就是大型油气田和煤层气开发。

　　煤层气作为煤层的一种伴生资源，是一种清洁的能源。

它不仅环境性能好，而且热效率高。

与燃煤相比，煤层气燃烧的灰份排放量为燃煤的1/148，SO2排放量为燃煤的1/700，CO2排放量为燃煤的3/5。

所以，它是常规天然气最现实可靠的补充或替代能源，可以为工业和民用等提供重要的能源。

　　1煤层气的应用方向

　　1.1矿区煤层气作为民用和工业燃气供应

　　在我国矿区，煤层气主要用作居民和工业炉的燃料。

煤层气的民用供应主要包括矿区居民的炊事和供热以及矿区食堂、幼儿园和学校等的公用事业用气。

煤层气也可以作为工业炉的燃料。

与人工煤气相比，煤层气的供应具有投资少、效益高的特点，它不需要另建气源厂。

煤层气作为燃气供应已在我国各矿区内迅速推广[1]。

　　1.2矿区煤层气作为化工生产原料

　　煤层气作为化工生产原料，还可以生产炭黑、甲醛、甲醇和化肥等化工产品。

1952年抚顺矿务局在煤炭系统率先建成了用煤层气生产炭黑的工厂；1970年抚顺矿务局和阳泉矿务局分别建成了甲醛厂。

　　1.3矿区坑口燃气轮机发电厂燃料

　　煤层气代替煤发电和供热不仅能减轻环境污染，而且还能提高热效率。

我国矿区目前使用的煤层气发电技术有两种，即燃气轮机和汽轮机发电。

1990年抚顺矿务局建成了我国第一座煤层气示范电厂；1996年晋城矿务局建成煤层气电站，利用潘庄井田地面垂直井回收的煤层气发电。

　　1.4矿区汽车燃料

　　天然气代替汽油作为运输燃料具有明显的环境效益和经济效益。

与燃油汽车相比，天然气汽车可使汽车尾气中的CO减少89%，碳氢化合物降低72%，NOx减少39%，SO2、苯铅和粉尘等减少100%[3]。

　　1987年，焦作矿务局在用A101B型汽车改装成的煤层气汽车上进行了试验；四川芙蓉矿务局直接用中等浓度煤层气作为汽车燃料，实现了以煤层气代替汽油的改造。

　　煤层气汽车在矿区具有较大的市场，矿区内有大量的运煤汽车和公共汽车，运行距离不长，在矿区内建少量的煤层气加气站，就能保证矿区内车辆的正常运行。

　　1.5管道输送燃气供应

　　回收的煤层气经加压或提纯后可利用或并入天然气管道系统，供给远方城镇用户。

　　我国煤层气抽放包括井下抽放和地面抽放两种。

井下抽放系统回收的煤层气含甲烷约30%～50%，而地面井回收的煤层气甲烷浓度超过90%。

由于煤层气提纯成本较高，因此一般将地面井回收的煤层气注入天然气管道系统。

　　井下抽放系统回收的煤层气，虽然甲烷浓度低，但一般离用户较近，因此，这部分中、低浓度煤层气通常采用较低的压力，通过当地的煤层气管网供给用户使用。

　　另一方面，随着煤层气生产基地的建设，煤层气产量将迅速增加，这种中、低浓度煤层气在当地需求过剩的情况下要考虑长距离输送给缺少气源的城镇使用。

　　目前我国煤层气远距离输送工程应用实例中，一般压力不是很高，距离也较短，如：

抚顺矿务局至沈阳市的煤层气输气管道，设计压力0.8MPa，运行压力0.35MPa，煤层气中甲烷含量大于50%；调兵山市至铁岭市的煤层气输气管道都已建成并安全运行；正在筹建中的沁水煤田至晋城市区的煤层气输气管道压缩机排气压力最大为0.4MPa。

煤层气的爆炸极限范围限制了它的输气压力[2]。

　　2开发应用煤层气的难点和应解决的技术问题

　　目前关于煤层气的利用还没有单独的标准，由于煤层气属于天然气的一种，当煤层气用于城镇燃气供应时，我们可以依据《城镇燃气设计规范》GB50028－93（2002年版），对煤层气利用问题作以下分析。

　　2.1民用、工业用煤层气的热值

　　《城镇燃气设计规范》GB50028－93（2002年版）规定，天然气的质量指标应符合现行国家标准《天然气》GB17820的一类气或二类气的规定。

按这一规定，煤层气作为城镇燃气，其高热值应达到14.65～31.40MJ/m3，甲烷的体积分数应达到36.8%～78.9%。

　　煤层气的热值取决于煤层气中甲烷的浓度。

煤层气中甲烷浓度随煤层沉降深度变化而变化，其次煤的种类、质量对煤层气中甲烷浓度影响很大；另外煤层气的抽放方法不同，抽放过程中混入的空气也不同，这也加大了煤层气甲烷浓度的变化。

煤层气中甲烷浓度的变化，引起煤层气热值的变化，还涉及输配系统的安全性、燃具的适应性以及用户的利益和管理者的经济效益。

　　根据煤矿安全规程的规定，煤层气中甲烷体的积分数在25%以上就可抽放，并且煤层气中甲烷体积分数在30%以上方可利用。

　　2.2供气稳定性和调峰

　　虽然煤层气储量丰富，气质优良，但是具体到一个矿区，则是以煤炭生产为主，煤层气抽放时常是作为保证正常生产所采取的一项安全措施，由于煤层气这种特殊的抽采工艺，气源有时会不稳定。

而民用供气须连续、稳定、可靠，所以在以煤层气作为一个城市的主气源时，需要有备用的调峰气源，该气源的华白指数、热负荷指标及火焰特性与煤层气应满足互换性的要求，并符合规范的规定。

比如可以考虑用水煤气调峰，还可以用液化石油气混空气（简称LPG混空气）作为调峰气源。

阳泉市从1983年开始利用阳泉矿务局矿井气作为城市燃气的气源，后来又采用LPG混空气作为阳泉市城市燃气的补充气源。

[4]

　　2.3安全可靠性

　　以煤层气作为城市的主气源时，必须考虑其安全性，即煤层气中可燃气体的浓度必须在爆炸极限范围以外。

在现行的煤层气行业中，人们所说的煤层气爆炸极限是指常温常压下的爆炸极限，没有考虑到压力温度对它的影响。

事实上，理论与实验都说明了压力温度对爆炸极限有很大的影响。

当煤层气的输气压力较高时，管道内煤层气中甲烷和空气的比例可能处在爆炸极限范围之内，这是十分危险的，也是不容许的。

　　作为煤层气的调峰气源，如采用液化石油气混空气，除本身要满足安全性要求之外，LPG混空气与煤层气在管道内有可能以各种比例混合，这时可燃气体的体积含量同样必须达到安全性要求，并满足规范规定。

1997年投入试运行，2000年通过全面验收的阳泉市液化石油气混空气工程，既可单独供气又可与矿井气掺混供气，安全范围是按可燃气体体积百分含量高于其爆炸上限的1.5倍确定的。

　　2.4煤层气提纯技术

　　煤层气中甲烷含量过低，而且不稳定是煤层气热值低、存在安全隐患的原因。

采用煤层气提纯技术可以有效的解决上述问题，并提高煤层气的利用率。

煤层气提纯技术是指将N2或空气与甲烷分离，使煤层气中甲烷含量相对提高，从而可以提高煤层气的热值及远距离输送的价值。

煤层气提纯技术主要包括低温分离、变压吸附分离和膜分离3种。

　　将N2或空气与甲烷分离的低温工艺，设备投资大，而且只有分离的流量较大时（每天超过1×106立方米）才具有商业价值，而矿区煤层气产量有限时，低温分离工艺就不适合。

　　膜分离技术简单，非常适用于小型气体分离站，但迄今为止，仅仅处于研究开发阶段。

　　变压吸附分离技术现在已经比较成熟，且具有很好的商业价值，我们在煤层气工业中可以加以利用。

　　3煤层气生产、抽集、输送的安全性

　　由以上所述可知，一直困扰煤层气像天然气一样大规模利用的主要因素是煤层气中可燃气体浓度太低，容易使其处于爆炸极限范围之内，其输送利用的安全性难以得到保证。

　　3.1爆炸极限影响因素

（1）压力

　　混合气体的压力对爆炸极限有很大的影响，压力增大，爆炸极限区间的宽度一般会增加，爆炸上限增加，略使爆炸下限下降。

这是因为系统压力增高，其分子间距更为接近，碰撞几率增高，因此使燃烧的最初反应和反应的进行更为容易，所以压力升高，爆炸危险性增大。

反之，压力降低，则爆炸极限范围缩小[5]。

　　待压力降至某值时，其下限与上限重合，此时的最低压力称为爆炸的临界压力。

若压力降至临界压力以下，系统就不爆炸。

因此，在密闭容器内进行减压（负压）操作对安全生产有利。

　　需要说明的是，压力的变化对爆炸上限影响很大，但爆炸下限的变化不明显，而且不规则。

各个文献间的计算结果有一定的差距。

（2）温度

　　常温下爆炸极限数据已很充足，然而摩擦生热、燃烧热等通过热传导、辐射、对流可以使环境温度高于常温。

在实际生产部门中，非常温下（高于室温）可燃气体被预期或非预期引爆的例子屡见不鲜，因此测定非常温下爆炸极限具有非常重要的意义。

　　一般来说，爆炸性气体混合物的温度越高，则爆炸极限范围越大，即：

爆炸下限降低，上限增高。

因为系统温度升高，其分子内能增加，使更多的气体分子处于激发态，原来不燃的混合气体成为可燃、可爆系统，所以温度升高使爆炸危险性增大。

　　（3）燃气的种类及化学性质

　　可燃气体的分子结构及其反应能力，影响其爆炸极限。

对于碳氢化合物而言，具有C—C型单键相连的碳氢化合物，由于碳键牢固，分子不易受到破坏，其反应能力就较差，因而爆炸极限范围小；而对于具有C≡C型三键相连的碳氢化合物，由于其碳键脆弱，分子很容易被破坏，化学反应能力较强，因而爆炸极限范围较大；对于具有C=C型二键相连的碳氢化合物，其爆炸极限范围位于单键与三键之间[6]。

　　对于同一烃类化合物，随碳原子个数的增加，爆炸极限的范围随之变小。

爆炸极限还与导热系数（导温系数）有关，导热系数越大，其导热越快，爆炸极限范围也就越大。

　　（4）惰性气体及杂质

　　可燃气体中含有N2等惰性气体时，随着N2量的增加，爆炸下限增加，爆炸上限减小，爆炸极限范围相应缩小。

N2对爆炸上限有明显的影响，对爆炸下限影响较小。

　　N2对燃气爆炸极限的影响机理主要为稀释氧气浓度、隔离氧气与燃气的接触（窒息作用）、冷却和化学作用。

前3种抑制作用主要是物理作用。

惰性气体浓度加大时，氧浓度相对减少，而在达到爆炸上限时氧的浓度本来就很小，惰性气体浓度稍微增加一点，就会产生很大影响，导致爆炸上限剧烈下降[7]。

　　对于有气体参与的反应，杂质也有很大的影响。

例如，少量的硫化氢会大大降低水煤气和混合气体的燃点，并因此促使其爆炸；而当可燃气体中含有卤代烷时，则能显著缩小爆炸极限的范围，提高爆炸下限和点火能。

因此，气体灭火剂大部分都是卤代烷。

　　（5）燃气与空气混合的均匀程度

　　当燃气与空气充分混合均匀的条件下，若某一点的燃气浓度达到爆炸极限时，整个混合空间的燃气浓度都达到爆炸极限，燃烧或爆炸反应在整个混合气体空间同时进行，其反应不会中断，因此爆炸极限范围大；但当混合不均匀时，就会产生在混合气体内某些点的燃气浓度达到或超过爆炸极限，而另外一些点的燃气浓度达不到爆炸极限，燃烧或爆炸反应就会中断，因此，爆炸极限范围就变小。

　　（6）点火源的形式、能量和点火位置

　　可燃混合物的爆炸实质是瞬间的燃烧，而引发燃爆需要有一定的能量，故而能量特性对爆炸极限范围亦有影响。

点火源的能量、热表面的面积、火源与混合气体的接触时间等，对爆炸极限均有影响。

一般来说，能量强度越高，加热面积越大，作用时间越长，点火的位置越靠近混合气体中心，则爆炸极限范围越大。

不同点火源具有不同的点火温度和点火能量。

如明火能量比一般火花能量大，所对应的爆炸极限范围就大；而电火花能量虽然高，如果不是连续的，点火能量就小，所对应的爆炸极限范围也小。

　　（7）容器的几何形状和尺寸

　　充装容器的材质、尺寸等，对物质爆炸极限均有影响。

实验证明，容器直径越小，爆炸极限范围越小。

这是因为随着管径的减小，因壁面的冷却效应而产生的热损失就逐步加大，参与燃烧的活化分子就少，导致燃烧温度与火焰传播速度就相应降低，当管径（或火焰通道）小到一定程度时，火焰即不能通过。

这一间距称最大灭火间距，亦称之为临界直径，例如，甲烷的临界直径为0.4～0.5mm，小于临界直径时就无爆炸危险。

　　容器几何尺寸对爆炸极限的影响也可以从器壁效应得到解释。

燃烧与爆炸是由自由基产生一系列连锁反应的结果。

在燃烧过程中，只有当新生自由基大于消失的自由基时，燃烧才能继续。

但随着管径的减小，自由基与管道壁的碰撞几率相应增大。

当尺寸减少到一定程度时，自由基（与器壁碰撞）销毁大于自由基产生速度，燃烧反应便不能继续进行。

　　容器材料也有很大的影响，例如氢和氟在玻璃器皿中混合，甚至放在液态空气温度下于黑暗中也会发生爆炸，而在银制器皿中，一般温度下才能发生反应。

　　（8）燃气的湿度

　　当可燃气体中有水存在时，燃气爆炸能力降低，爆炸强度减弱，爆炸极限范围减小。

在一定的气体浓度下，随着含水量的上升，爆炸下限浓度略有上升，而爆炸上限浓度显著下降。

当含水量达到一定值时，上限浓度与下限浓度曲线汇于一点，当气体混合物中含水量超过该点值时，无论燃气浓度如何也不会发生爆炸。

　　其原因在于，混合气中水含量增大，水分子（或水滴）浓度升高，与自由基或自由原子发生三元碰撞的几率也就增大。

大量的水分子（或水滴）与自由基或自由原子碰撞而使其失去反应活性，导致煤层气爆炸反应能力下降，甚至完全失去反应能力。

　　除上述因素外，光对爆炸极限也有影响。

众所周知，在黑暗中氢与氯的反应十分缓慢，但在强光照射下则发生连锁反应导致爆炸。

又如甲烷与氯的混合气体，在黑暗中长时间内不发生反应，但在日光照射下，便会引起激烈的反应，如果两种气体的比例适当则会发生爆炸。

另外，表面活性物质对某些介质也有影响，如在球形器皿内于530℃时，氢与氧完全不反应，但是向器皿中插入石英、玻璃、铜或铁棒时，则发生爆炸。

　　以上就是对燃气爆炸极限影响因素的分析。

当然，仅仅是主要因素的分析，此外，诸如表面活性介质等对爆炸极限也有影响，相比以上所述各因素，影响较少，故不再赘述。

通过以上分析，我们可以掌握或了解燃气生产，储存，输送过程中的爆炸危险因素，弄清诸因素之间的联系和变化规律，从而在工程设计和生产使用中采取相应的防范措施，防止爆炸事故的发生。

　　3.2减少爆炸极限范围措施

　　通过对影响爆炸极限范围的因素进行分析研究，压力、温度对煤层气爆炸极限范围影响较大，因此，要使煤层气达到安全要求，可以从以下几点考虑。

（1）降低煤层气的压力、温度[8][9]

　　通过压力对煤层气爆炸极限范围的影响情况可知：

压力降低，爆炸极限范围减小；温度降低，爆炸极限范围亦减小。

在有其它可行方案来确保安全的前提下，为了保证输送工艺要求，一般不建议采取降低压力的方法来降低爆炸极限范围。

（2）煤层气提纯

　　采用煤层气提纯技术也可以提高煤层气的安全性，使煤层气中甲烷含量高于的爆炸上限，并且留有一定的安全裕量。

　　变压吸附工艺目前是煤层气提纯的首选技术，它可将N2、O2与甲烷分离，处理能力可达5.7～28.3万m3/d，根据中科院山西煤化所提供的资料，采用成熟的变压吸附技术可以使煤层气中甲烷含量达到90～95%。

　　（3）煤层气掺混

　　我国大部分矿区同时具有井下抽放和地面抽放两种抽放系统，井下抽放系统回收的煤层气含甲烷较低，为30%-50%，而地面抽放的煤层气甲烷浓度达到90%以上。

这样我们就可以从地面抽放回收的高甲烷含量的煤层气和井下抽放的低甲烷浓度煤层气进行掺混，使之处于安全输送范围。

　　4结语

　　通过对煤层气利用中存在问题的论述，我们能够清楚地认识到今后煤层气发展的重点及急需解决的问题。

本文并对煤层气利用中出现的安全性问题进行了分析并提出了建议性的措施，对今后的煤层气利用工程有一定的参考价值。