安全文化網 www.zltai.com 　　引言
　　目前煤層氣的開發和利用得到國家的特別重視。全國科學技術大會上的《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》確定的16個重大專項之一就是大型油氣田和煤層氣開發。
　　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，它是常規天然氣最現實可靠的補充或替代能源，可以為工業和民用等提供重要的能源。
　　
　　1煤層氣的應用方向
　　1.1礦區煤層氣作為民用和工業燃氣供應
　　在我國礦區，煤層氣主要用作居民和工業爐的燃料。煤層氣的民用供應主要包括礦區居民的炊事和供熱以及礦區食堂、幼兒園和學校等的公用事業用氣。煤層氣也可以作為工業爐的燃料。與人工煤氣相比，煤層氣的供應具有投資少、效益高的特點，它不需要另建氣源廠。煤層氣作為燃氣供應已在我國各礦區內迅速推廣[1]。
　　1.2礦區煤層氣作為化工生產原料
　　煤層氣作為化工生產原料，還可以生產炭黑、甲醛、甲醇和化肥等化工產品。1952年撫順礦務局在煤炭系統率先建成了用煤層氣生產炭黑的工廠；1970年撫順礦務局和陽泉礦務局分別建成了甲醛廠。
　　1.3礦區坑口燃氣輪機發電廠燃料
　　煤層氣代替煤發電和供熱不僅能減輕環境污染，而且還能提高熱效率。我國礦區目前使用的煤層氣發電技術有兩種，即燃氣輪機和汽輪機發電。1990年撫順礦務局建成了我國第一座煤層氣示范電廠；1996年晉城礦務局建成煤層氣電站，利用潘莊井田地面垂直井回收的煤層氣發電。
　　1.4礦區汽車燃料
　　天然氣代替汽油作為運輸燃料具有明顯的環境效益和經濟效益。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；四川芙蓉礦務局直接用中等濃度煤層氣作為汽車燃料，實現了以煤層氣代替汽油的改造。
　　煤層氣汽車在礦區具有較大的市場，礦區內有大量的運煤汽車和公共汽車，運行距離不長，在礦區內建少量的煤層氣加氣站，就能保證礦區內車輛的正常運行。
　　1.5管道輸送燃氣供應
　　回收的煤層氣經加壓或提純后可利用或并入天然氣管道系統，供給遠方城鎮用戶。
　　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。
　　井下抽放系統回收的煤層氣，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，通過當地的煤層氣管網供給用戶使用。
　　另一方面，隨著煤層氣生產基地的建設，煤層氣產量將迅速增加，這種中、低濃度煤層氣在當地需求過剩的情況下要考慮長距離輸送給缺少氣源的城鎮使用。
　　目前我國煤層氣遠距離輸送工程應用實例中，一般壓力不是很高，距離也較短，如：撫順礦務局至沈陽市的煤層氣輸氣管道，設計壓力0.8MPa，運行壓力0.35MPa，煤層氣中甲烷含量大于50%；調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晉城市區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開發應用煤層氣的難點和應解決的技術問題
　　目前關于煤層氣的利用還沒有單獨的標準，由于煤層氣屬于天然氣的一種，當煤層氣用于城鎮燃氣供應時，我們可以依據《城鎮燃氣設計規范》GB50028－93(2002年版)，對煤層氣利用問題作以下分析。
　　2.1民用、工業用煤層氣的熱值
　　《城鎮燃氣設計規范》GB50028－93(2002年版)規定，天然氣的質量指標應符合現行國家標準《天然氣》GB17820的一類氣或二類氣的規定。按這一規定，煤層氣作為城鎮燃氣，其高熱值應達到14.65～31.40MJ/m3，甲烷的體積分數應達到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，還涉及輸配系統的安全性、燃具的適應性以及用戶的利益和管理者的經濟效益。
　　根據煤礦安全規程的規定，煤層氣中甲烷體的積分數在25%以上就可抽放，并且煤層氣中甲烷體積分數在30%以上方可利用。
　　2.2供氣穩定性和調峰
　　雖然煤層氣儲量豐富，氣質優良，但是具體到一個礦區，則是以煤炭生產為主，煤層氣抽放時常是作為保證正常生產所采取的一項安全措施，由于煤層氣這種特殊的抽采工藝，氣源有時會不穩定。而民用供氣須連續、穩定、可靠，所以在以煤層氣作為一個城市的主氣源時，需要有備用的調峰氣源，該氣源的華白指數、熱負荷指標及火焰特性與煤層氣應滿足互換性的要求，并符合規范的規定。比如可以考慮用水煤氣調峰，還可以用液化石油氣混空氣(簡稱LPG混空氣)作為調峰氣源。陽泉市從1983年開始利用陽泉礦務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。在現行的煤層氣行業中，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。當煤層氣的輸氣壓力較高時，管道內煤層氣中甲烷和空氣的比例可能處在爆炸極限范圍之內，這是十分危險的，也是不容許的。
　　作為煤層氣的調峰氣源，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，并滿足規范規定。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
　　煤層氣中甲烷含量過低，而且不穩定是煤層氣熱值低、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)才具有商業價值，而礦區煤層氣產量有限時，低溫分離工藝就不適合。
　　膜分離技術簡單，非常適用于小型氣體分離站，但迄今為止，僅僅處于研究開發階段。
　　變壓吸附分離技術現在已經比較成熟，且具有很好的商業價值，我們在煤層氣工業中可以加以利用。
　　
　　3煤層氣生產、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，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
　　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和反應的進行更為容易，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，系統就不爆炸。因此，在密閉容器內進行減壓(負壓)操作對安全生產有利。
　　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，而且不規則。各個文獻間的計算結果有一定的差距。
　　(2)溫度
　　常溫下爆炸極限數據已很充足，然而摩擦生熱、燃燒熱等通過熱傳導、輻射、對流可以使環境溫度高于常溫。在實際生產部門中，非常溫下(高于室溫)可燃氣體被預期或非預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。因為系統溫度升高，其分子內能增加，使更多的氣體分子處于激發態，原來不燃的混合氣體成為可燃、可爆系統，所以溫度升高使爆炸危險性增大。
　　(3)燃氣的種類及化學性質
　　可燃氣體的分子結構及其反應能力，影響其爆炸極限。對于碳氫化合物而言，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，化學反應能力較強，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，隨碳原子個數的增加，爆炸極限的范圍隨之變小。爆炸極限還與導熱系數(導溫系數)有關，導熱系數越大，其導熱越快，爆炸極限范圍也就越大。
　　(4)惰性氣體及雜質
　　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，就會產生很大影響，導致爆炸上限劇烈下降[7]。
　　對于有氣體參與的反應，雜質也有很大的影響。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，燃燒或爆炸反應在整個混合氣體空間同時進行，其反應不會中斷，因此爆炸極限范圍大；但當混合不均勻時，就會產生在混合氣體內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是瞬間的燃燒，而引發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，所對應的爆炸極限范圍就大；而電火花能量雖然高，如果不是連續的，點火能量就小，所對應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、尺寸等，對物質爆炸極限均有影響。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，因壁面的冷卻效應而產生的熱損失就逐步加大，參與燃燒的活化分子就少，導致燃燒溫度與火焰傳播速度就相應降低，當管徑(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得到解釋。燃燒與爆炸是由自由基產生一系列連鎖反應的結果。在燃燒過程中，只有當新生自由基大于消失的自由基時，燃燒才能繼續。但隨著管徑的減小，自由基與管道壁的碰撞幾率相應增大。當尺寸減少到一定程度時，自由基(與器壁碰撞)銷毀大于自由基產生速度，燃燒反應便不能繼續進行。
　　容器材料也有很大的影響，例如氫和氟在玻璃器皿中混合，甚至放在液態空氣溫度下于黑暗中也會發生爆炸，而在銀制器皿中，一般溫度下才能發生反應。
　　(8)燃氣的濕度
　　當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活性，導致煤層氣爆炸反應能力下降，甚至完全失去反應能力。
　　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十分緩慢，但在強光照射下則發生連鎖反應導致爆炸。又如甲烷與氯的混合氣體，在黑暗中長時間內不發生反應，但在日光照射下，便會引起激烈的反應，如果兩種氣體的比例適當則會發生爆炸。另外，表面活性物質對某些介質也有影響，如在球形器皿內于530℃時，氫與氧完全不反應，但是向器皿中插入石英、玻璃、銅或鐵棒時，則發生爆炸。
　　以上就是對燃氣爆炸極限影響因素的分析。當然，僅僅是主要因素的分析，此外，諸如表面活性介質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，儲存，輸送過程中的爆炸危險因素，弄清諸因素之間的聯系和變化規律，從而在工程設計和生產使用中采取相應的防范措施，防止爆炸事故的發生。
　　3.2減少爆炸極限范圍措施
　　通過對影響爆炸極限范圍的因素進行分析研究，壓力、溫度對煤層氣爆炸極限范圍影響較大，因此，要使煤層氣達到安全要求，可以從以下幾點考慮。
　　(1)降低煤層氣的壓力、溫度[8][9]
　　通過壓力對煤層氣爆炸極限范圍的影響情況可知：壓力降低，爆炸極限范圍減小；溫度降低，爆炸極限范圍亦減小。在有其它可行方案來確保安全的前提下，為了保證輸送工藝要求，一般不建議采取降低壓力的方法來降低爆炸極限范圍。
　　(2)煤層氣提純
　　采用煤層氣提純技術也可以提高煤層氣的安全性，使煤層氣中甲烷含量高于的爆炸上限，并且留有一定的安全裕量。
　　變壓吸附工藝目前是煤層氣提純的首選技術，它可將N2、O2與甲烷分離，處理能力可達5.7～28.3萬m3/d，根據中科院山西煤化所提供的資料，采用成熟的變壓吸附技術可以使煤層氣中甲烷含量達到90～95%。
　　(3)煤層氣摻混
　　我國大部分礦區同時具有井下抽放和地面抽放兩種抽放系統，井下抽放系統回收的煤層氣含甲烷較低，為30%-50%，而地面抽放的煤層氣甲烷濃度達到90%以上。這樣我們就可以從地面抽放回收的高甲烷含量的煤層氣和井下抽放的低甲烷濃度煤層氣進行摻混，使之處于安全輸送范圍。
　　
　　4結語
　　通過對煤層氣利用中存在問題的論述，我們能夠清楚地認識到今后煤層氣發展的重點及急需解決的問題。本文并對煤層氣利用中出現的安全性問題進行了分析并提出了建議性的措施，對今后的煤層氣利用工程有一定的參考價值。 安全文化網 www.zltai.com