煤層氣的應(yīng)用及安全性分析引言目前煤層氣的開發(fā)和利用得到國家的特別重視全。國科學(xué)技術(shù)大會上的《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》確定的16個重大專項之一就是大型油氣田和煤層氣開發(fā)。煤層氣作為煤層的一種伴生資源，是一種清潔的能源。它不僅環(huán)境性能好，而且熱效率高。與燃煤相比，煤層氣燃燒的灰份排放量為燃煤的1/148，SO2排放量為燃煤的1/700，CO2排放量為燃煤的3/5。所以，它是常規(guī)天然氣最現(xiàn)實可靠的補充或替代能源，可以為工業(yè)和民用等提供重要的能源。1煤層氣的應(yīng)用方向1.1礦區(qū)煤層氣作為民用和工業(yè)燃氣供應(yīng)在我國礦區(qū)，煤層氣主要用作居民和工業(yè)爐的燃料。煤層氣的民用供應(yīng)主要包括礦區(qū)居民的炊事和供熱以及礦區(qū)食堂、幼兒園和學(xué)校等的公用事業(yè)用氣。煤層氣也可以作為工業(yè)爐的燃料。與人工煤氣相比，煤層氣的供應(yīng)具有投資少、效益高的特點，它不需要另建氣源廠。煤層氣作為燃氣供應(yīng)已在我國各礦區(qū)內(nèi)迅速推廣[1]。1.2礦區(qū)煤層氣作為化工生產(chǎn)原料煤層氣作為化工生產(chǎn)原料，還可以生產(chǎn)炭黑、甲醛、甲醇和化肥等化工產(chǎn)品。1952年撫順礦務(wù)局在煤炭系統(tǒng)率先建成了用煤層氣生產(chǎn)炭黑的工廠;1970年撫順礦務(wù)局和陽泉礦務(wù)局分別建成了甲醛廠。1.3礦區(qū)坑口燃氣輪機發(fā)電廠燃料1煤層氣代替煤發(fā)電和供熱不僅能減輕環(huán)境污染，而且還能提高熱效率。我國礦區(qū)目前使用的煤層氣發(fā)電技術(shù)有兩種，即燃氣輪機和汽輪機發(fā)電。1990年撫順礦務(wù)局建成了我國第一座煤層氣示范電廠;1996年晉城礦務(wù)局建成煤層氣電站，利用潘莊井田地面垂直井回收的煤層氣發(fā)電。1.4礦區(qū)汽車燃料天然氣代替汽油作為運輸燃料具有明顯的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。與燃油汽車相比，天然氣汽車可使汽車尾氣中的CO減少89%，碳氫化合物降低72%，NOx減少39%，SO2、苯鉛和粉塵等減少100%[3]。1987年，焦作礦務(wù)局在用A101B型汽車改裝成的煤層氣汽車上進行了試驗;四川芙蓉礦務(wù)局直接用中等濃度煤層氣作為汽車燃料，實現(xiàn)了以煤層氣代替汽油的改造。煤層氣汽車在礦區(qū)具有較大的市場，礦區(qū)內(nèi)有大量的運煤汽車和公共汽車，運行距離不長，在礦區(qū)內(nèi)建少量的煤層氣加氣站，就能保證礦區(qū)內(nèi)車輛的正常運行。1.5管道輸送燃氣供應(yīng)回收的煤層氣經(jīng)加壓或提純后可利用或并入天然氣管道系統(tǒng)，供給遠方城鎮(zhèn)用戶。我國煤層氣抽放包括井下抽放和地面抽放兩種。井下抽放系統(tǒng)回收的煤層氣含甲烷約30%～50%，而地面井回收的煤層氣甲烷濃度超過90%。由于煤層氣提純成本較高，因此一般將地面井回收的煤層氣注入天然氣管道系統(tǒng)。井下抽放系統(tǒng)回收的煤層氣，雖然甲烷濃度低，但一般離用戶較近，因2此，這部分中、低濃度煤層氣通常采用較低的壓力，通過當(dāng)?shù)氐拿簩託夤芄┙o用戶使用。另一方面，隨著煤層氣生產(chǎn)基地的建設(shè)，煤層氣產(chǎn)量將迅速增加，這種中、低濃度煤層氣在當(dāng)?shù)匦枨筮^剩的情況下要考慮長距離輸送給缺少氣源的城鎮(zhèn)使用。目前我國煤層氣遠距離輸送工程應(yīng)用實例中，一般壓力不是很高，距離也較短，如：撫順礦務(wù)局至沈陽市的煤層氣輸氣管道，設(shè)計壓力0.8MPa，運行壓力0.35MPa，煤層氣中甲烷含量大于50%;調(diào)兵山市至鐵嶺市的煤層氣輸氣管道都已建成并安全運行;正在籌建中的沁水煤田至?xí)x城市區(qū)的煤層氣輸氣管道壓縮機排氣壓力最大為0.4MPa。煤層氣的爆炸極限范圍限制了它的輸氣壓力[2]。2開發(fā)應(yīng)用煤層氣的難點和應(yīng)解決的技術(shù)問題目前關(guān)于煤層氣的利用還沒有單獨的標(biāo)準(zhǔn)，由于煤層氣屬于天然氣的一種，當(dāng)煤層氣用于城鎮(zhèn)燃氣供應(yīng)時，我們可以依據(jù)《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》GB50028-93(2002年版)，對煤層氣利用問題作以下分析。2.1民用、工業(yè)用煤層氣的熱值《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》GB50028-93(2002年版)規(guī)定，天然氣的質(zhì)量指標(biāo)應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《天然氣》GB17820的一類氣或二類氣的規(guī)定。按這一規(guī)定，煤層氣作為城鎮(zhèn)燃氣，其高熱值應(yīng)達到14.65～31.40MJ/m3，甲烷的體積分?jǐn)?shù)應(yīng)達到36.8%～78.9%。煤層氣的熱值取決于煤層氣中甲烷的濃度。煤層氣中甲烷濃度隨煤層沉降深度變化而變化，其次煤的種類、質(zhì)量對煤層氣中甲烷濃度影響很大;另外煤層氣的抽放方法不同，抽放過程中混入的空氣也不同，這也加大了煤層氣甲烷濃度的變化。煤層氣中甲烷濃度的變化，引起煤層氣熱值的變化，還涉及輸配系統(tǒng)3的安全性、燃具的適應(yīng)性以及用戶的利益和管理者的經(jīng)濟效益。根據(jù)煤礦安全規(guī)程的規(guī)定，煤層氣中甲烷體的積分?jǐn)?shù)在25%以上就可抽放，并且煤層氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)在30%以上方可利用。2.2供氣穩(wěn)定性和調(diào)峰雖然煤層氣儲量豐富，氣質(zhì)優(yōu)良，但是具體到一個礦區(qū)，則是以煤炭生產(chǎn)為主，煤層氣抽放時常是作為保證正常生產(chǎn)所采取的一項安全措施，由于煤層氣這種特殊的抽采工藝，氣源有時會不穩(wěn)定。而民用供氣須連續(xù)、穩(wěn)定、可靠，所以在以煤層氣作為一個城市的主氣源時，需要有備用的調(diào)峰氣源，該氣源的華白指數(shù)、熱負(fù)荷指標(biāo)及火焰特性與煤層氣應(yīng)滿足互換性的要求，并符合規(guī)范的規(guī)定。比如可以考慮用水煤氣調(diào)峰，還可以用液化石油氣混空氣(簡稱LPG混空氣)作為調(diào)峰氣源。陽泉市從1983年開始利用陽泉礦務(wù)局礦井氣作為城市燃氣的氣源，后來又采用LPG混空氣作為陽泉市城市燃氣的補充氣源。[4]2.3安全可靠性以煤層氣作為城市的主氣源時，必須考慮其安全性，即煤層氣中可燃氣體的濃度必須在爆炸極限范圍以外。在現(xiàn)行的煤層氣行業(yè)中，人們所說的煤層氣爆炸極限是指常溫常壓下的爆炸極限，沒有考慮到壓力溫度對它的影響。事實上，理論與實驗都說明了壓力溫度對爆炸極限有很大的影響。當(dāng)煤層氣的輸氣壓力較高時，管道內(nèi)煤層氣中甲烷和空氣的比例可能處在爆炸極限范圍之內(nèi)，這是十分危險的，也是不容許的。作為煤層氣的調(diào)峰氣源，如采用液化石油氣混空氣，除本身要滿足安全性要求之外，LPG混空氣與煤層氣在管道內(nèi)有可能以各種比例混合，這時可燃氣體的體積含量同樣必須達到安全性要求，并滿足規(guī)范規(guī)定。1997年投入試運行，2000年通過全面驗收的陽泉市液化石油氣混空氣工程，既可單獨供氣又可與礦4井氣摻混供氣，安全范圍是按可燃氣體體積百分含量高于其爆炸上限的1.5倍確定的。2.4煤層氣提純技術(shù)煤層氣中甲烷含量過低，而且不穩(wěn)定是煤層氣熱值低、存在安全隱患的原因。采用煤層氣提純技術(shù)可以有效的解決上述問題，并提高煤層氣的利用率。煤層氣提純技術(shù)是指將N2或空氣與甲烷分離，使煤層氣中甲烷含量相對提高，從而可以提高煤層氣的熱值及遠距離輸送的價值。煤層氣提純技術(shù)主要包括低溫分離、變壓吸附分離和膜分離3種。N2或空氣與甲烷分離的低溫工藝，設(shè)備投資大，而且只有分離的流量較大時(每天超過1×106立方米)才具有商業(yè)價值，而礦區(qū)煤層氣產(chǎn)量有限時，低溫分離工藝就不適合。膜分離技術(shù)簡單，非常適用于小型氣體分離站，但迄今為止，僅僅處于研究開發(fā)階段。變壓吸附分離技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)比較成熟，且具有很好的商業(yè)價值，我們在煤層氣工業(yè)中可以加以利用。煤層氣生產(chǎn)、抽集、輸送的安全性由以上所述可知，一直困擾煤層氣像天然氣一樣大規(guī)模利用的主要因素是煤層氣中可燃氣體濃度太低，容易使其處于爆炸極限范圍之內(nèi)，其輸送利用的安全性難以得到保證。3.1爆炸極限影響因素(1)壓力5混合氣體的壓力對爆炸極限有很大的影響，壓力增大，爆炸極限區(qū)間的寬度一般會增加，爆炸上限增加，略使爆炸下限下降。這是因為系統(tǒng)壓力增高，其分子間距更為接近，碰撞幾率增高，因此使燃燒的最初反應(yīng)和反應(yīng)的進行更為容易，所以壓力升高，爆炸危險性增大。反之，壓力降低，則爆炸極限范圍縮小[5]。待壓力降至某值時，其下限與上限重合，此時的最低壓力稱為爆炸的臨界壓力。若壓力降至臨界壓力以下，系統(tǒng)就不爆炸。因此，在密閉容器內(nèi)進行減壓(負(fù)壓)操作對安全生產(chǎn)有利。需要說明的是，壓力的變化對爆炸上限影響很大，但爆炸下限的變化不明顯，而且不規(guī)則。各個文獻間的計算結(jié)果有一定的差距。(2)溫度常溫下爆炸極限數(shù)據(jù)已很充足，然而摩擦生熱、燃燒熱等通過熱傳導(dǎo)、輻射、對流可以使環(huán)境溫度高于常溫。在實際生產(chǎn)部門中，非常溫下(高于室溫)可燃氣體被預(yù)期或非預(yù)期引爆的例子屢見不鮮，因此測定非常溫下爆炸極限具有非常重要的意義。一般來說，爆炸性氣體混合物的溫度越高，則爆炸極限范圍越大，即：爆炸下限降低，上限增高。因為系統(tǒng)溫度升高，其分子內(nèi)能增加，使更多的氣體分子處于激發(fā)態(tài)，原來不燃的混合氣體成為可燃、可爆系統(tǒng)，所以溫度升高使爆炸危險性增大。(3)燃氣的種類及化學(xué)性質(zhì)可燃氣體的分子結(jié)構(gòu)及其反應(yīng)能力，影響其爆炸極限。對于碳氫化合物6而言，具有C—C型單鍵相連的碳氫化合物，由于碳鍵牢固，分子不易受到破壞，其反應(yīng)能力就較差，因而爆炸極限范圍小;而對于具有C≡C型三鍵相連的碳氫化合物，由于其碳鍵脆弱，分子很容易被破壞，化學(xué)反應(yīng)能力較強，因而爆炸極限范圍較大;對于具有C=C型二鍵相連的碳氫化合物，其爆炸極限范圍位于單鍵與三鍵之間[6]。對于同一烴類化合物，隨碳原子個數(shù)的增加，爆炸極限的范圍隨之變小。爆炸極限還與導(dǎo)熱系數(shù)(導(dǎo)溫系數(shù))有關(guān)，導(dǎo)熱系數(shù)越大，其導(dǎo)熱越快，爆炸極限范圍也就越大。(4)惰性氣體及雜質(zhì)可燃氣體中含有N2等惰性氣體時，隨著N2量的增加，爆炸下限增加，爆炸上限減小，爆炸極限范圍相應(yīng)縮小。N2對爆炸上限有明顯的影響，對爆炸下限影響較小。N2對燃氣爆炸極限的影響機理主要為稀釋氧氣濃度、隔離氧氣與燃氣的接觸(窒息作用)、冷卻和化學(xué)作用。前3種抑制作用主要是物理作用。惰性氣體濃度加大時，氧濃度相對減少，而在達到爆炸上限時氧的濃度本來就很小，惰性氣體濃度稍微增加一點，就會產(chǎn)生很大影響，導(dǎo)致爆炸上限劇烈下降[7]。對于有氣體參與的反應(yīng)，雜質(zhì)也有很大的影響。例如，少量的硫化氫會大大降低水煤氣和混合氣體的燃點，并因此促使其爆炸;而當(dāng)可燃氣體中含有鹵代烷時，則能顯著縮小爆炸極限的范圍，提高爆炸下限和點火能。因此，氣體滅火劑大部分都是鹵代烷。(5)燃氣與空氣混合的均勻程度當(dāng)燃氣與空氣充分混合均勻的條件下，若某一點的燃氣濃度達到爆炸極7限時，整個混合空間的燃氣濃度都達到爆炸極限，燃燒或爆炸反應(yīng)在整個混合氣體空間同時進行，其反應(yīng)不會中斷，因此爆炸極限范圍大;但當(dāng)混合不均勻時，就會產(chǎn)生在混合氣體內(nèi)某些點的燃氣濃度達到或超過爆炸極限，而另外一些點的燃氣濃度達不到爆炸極限，燃燒或爆炸反應(yīng)就會中斷，因此，爆炸極限范圍就變小。(6)點火源的形式、能量和點火位置可燃混合物的爆炸實質(zhì)是瞬間的燃燒，而引發(fā)燃爆需要有一定的能量，故而能量特性對爆炸極限范圍亦有影響。點火源的能量、熱表面的面積、火源與混合氣體的接觸時間等，對爆炸極限均有影響。一般來說，能量強度越高，加熱面積越大，作用時間越長，點火的位置越靠近混合氣體中心，則爆炸極限范圍越大。不同點火源具有不同的點火溫度和點火能量。如明火能量比一般火花能量大，所對應(yīng)的爆炸極限范圍就大;而電火花能量雖然高，如果不是連續(xù)的，點火能量就小，所對應(yīng)的爆炸極限范圍也小。(7)容器的幾何形狀和尺寸充裝容器的材質(zhì)、尺寸等，對物質(zhì)爆炸極限均有影響。實驗證明，容器直徑越小，爆炸極限范圍越小。這是因為隨著管徑的減小，因壁面的冷卻效應(yīng)而產(chǎn)生的熱損失就逐步加大，參與燃燒的活化分子就少，導(dǎo)致燃燒溫度與火焰?zhèn)鞑ニ俣染拖鄳?yīng)降低，當(dāng)管徑(或火焰通道)小到一定程度時，火焰即不能通過。這一間距稱最大滅火間距，亦稱之為臨界直徑，例如，甲烷的臨界直徑為0.4～0.5mm，小于臨界直徑時就無爆炸危險。容器幾何尺寸對爆炸極限的影響也可以從器壁效應(yīng)得到解釋。燃燒與爆炸是由自由基產(chǎn)生一系列連鎖反應(yīng)的結(jié)果。在燃燒過程中，只有當(dāng)新生自由基大于消失的自由基時，燃燒才能繼續(xù)。但隨著管徑的減小，自由基與管道壁的碰撞幾率相應(yīng)增大。當(dāng)尺寸減少到一定程度時，自由基(與器壁碰撞)銷毀大于自由基8產(chǎn)生速度，燃燒反應(yīng)便不能繼續(xù)進行。容器材料也有很大的影響，例如氫和氟在玻璃器皿中混合，甚至放在液態(tài)空氣溫度下于黑暗中也會發(fā)生爆炸，而在銀制器皿中，一般溫度下才能發(fā)生反應(yīng)。(8)燃氣的濕度當(dāng)可燃氣體中有水存在時，燃氣爆炸能力降低，爆炸強度減弱，爆炸極限范圍減小。在一定的氣體濃度下，隨著含水量的上升，爆炸下限濃度略有上升，而爆炸上限濃度顯著下降。當(dāng)含水量達到一定值時，上限濃度與下限濃度曲線匯于一點，當(dāng)氣體混合物中含水量超過該點值時，無論燃氣濃度如何也不會發(fā)生爆炸。其原因在于，混合氣中水含量增大，水分子(或水滴)濃度升高，與自由基或自由原子發(fā)生三元碰撞的幾率也就增大。大量的水分子(或水滴)與自由基或自由原子碰撞而使其失去反應(yīng)活性，導(dǎo)致煤層氣爆炸反應(yīng)能力下降，甚至完全失去反應(yīng)能力。除上述因素外，光對爆炸極限也有影響。眾所周知，在黑暗中氫與氯的反應(yīng)十分緩慢，但在強光照射下則發(fā)生連鎖反應(yīng)導(dǎo)致爆炸。又如甲烷與氯的混合氣體，在黑暗中長時間內(nèi)不發(fā)生反應(yīng)，但在日光照射下，便會引起激烈的反應(yīng)，如果兩種氣體的比例適當(dāng)則會發(fā)生爆炸。另外，表面活性物質(zhì)對某些介質(zhì)也有影響，如在球形器皿內(nèi)于530℃時，氫與氧完全不反應(yīng)，但是向器皿中插入石英、玻璃、銅或鐵棒時，則發(fā)生爆炸。以上就是對燃氣爆炸極限影響因素的分析。當(dāng)然，僅僅是主要因素的分析，此外，諸如表面活性介質(zhì)等對爆炸極限也有影響，相比以上所述各因素，影響較少，故不再贅述。通過以上分析，我們可以掌握或了解燃氣生產(chǎn)，儲存，輸9送過程中的爆炸危險因素，弄清諸因素之間的聯(lián)系和變化規(guī)律，從而在工程設(shè)計和生產(chǎn)使用中采取相應(yīng)的防范措施，防止爆炸事故的發(fā)生。3.2減少