煤層氣利用工程的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(huì)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(gè)重大專項(xiàng)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,S02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(shí)可靠的補(bǔ)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)用方向礦區(qū)煤層氣作為民用和工業(yè)燃?xì)夤?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(diǎn)，它不需要另建氣源廠。煤層氣作為燃?xì)夤?yīng)已在我國各礦區(qū)內(nèi)迅速推廣⑴。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。礦區(qū)坑口燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠燃料煤層氣代替煤發(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?xì)廨啓C(jī)和汽輪機(jī)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。礦區(qū)汽車燃料天然氣代替汽油作為運(yùn)輸燃料具有明顯的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)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?xì)浠衔锝档?2%,NOx減少39%,S02、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(jìn)行了試驗(yàn)；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(shí)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(yùn)煤汽車和公共汽車，運(yùn)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(yùn)行。管道輸送燃?xì)夤?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(yuǎn)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%o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)氐拿簩託夤芫W(wǎng)供給用戶使用。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(yuǎn)距離輸送工程應(yīng)用實(shí)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(jì)壓力0.8MPa,運(yùn)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(yùn)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(jī)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⑵。2開發(fā)應(yīng)用煤層氣的難點(diǎn)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(dú)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?xì)夤?yīng)時(shí)，我們可以依據(jù)《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》GB50028—93（2023年版），對(duì)煤層氣利用問題作以下分析。民用、工業(yè)用煤層氣的熱值《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》GB50028-93（2023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?xì)猓涓邿嶂祽?yīng)達(dá)到14.65?31.40MJ/m3,甲烷的體積分?jǐn)?shù)應(yīng)達(dá)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(duì)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)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(jì)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。供氣穩(wěn)定性和調(diào)峰雖然煤層氣儲(chǔ)量豐富，氣質(zhì)優(yōu)良，但是具體到一個(gè)礦區(qū)，則是以煤炭生產(chǎn)為主，煤層氣抽放時(shí)常是作為保證正常生產(chǎn)所采取的一項(xiàng)安全措施，由于煤層氣這種特殊的抽采工藝，氣源有時(shí)會(huì)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(gè)城市的主氣源時(shí)，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?xì)獾臍庠?，后來又采用LPG混空氣作為陽泉市城市燃?xì)獾难a(bǔ)充氣源。⑷安全可靠性以煤層氣作為城市的主氣源時(shí)，必須考慮其安全性，即煤層氣中可燃?xì)怏w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(duì)它的影響。事實(shí)上，理論與實(shí)驗(yàn)都說明了壓力溫度對(duì)爆炸極限有很大的影響。當(dāng)煤層氣的輸氣壓力較高時(shí)，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(xiǎn)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(shí)可燃?xì)怏w的體積含量同樣必須達(dá)到安全性要求，并滿足規(guī)范規(guī)定。1997年投入試運(yùn)行，2000年通過全面驗(yàn)收的陽泉市液化石油氣混空氣工程，既可單獨(dú)供氣又可與礦井氣摻混供氣，安全范圍是按可燃?xì)怏w體積百分含量高于其爆炸上限的1.5倍確定的。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(duì)提高，從而可以提高煤層氣的熱值及遠(yuǎn)距離輸送的價(jià)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。將N2或空氣與甲烷分離的低溫工藝，設(shè)備投資大