煤層氣與煤礦瓦斯輸送的安全性分析

胡建國(guó) 王紅霞 張彥均 王 勃 薛 崗 許 茜

(西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司，陜西 710018)

1 前言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，西氣東輸、陜京線等輸氣管道的建成以及周邊銷售市場(chǎng)的完善，下游天然氣用戶發(fā)展迅猛，全國(guó)天然氣需求量急劇增加，常規(guī)天然氣的供需矛盾已逐步體現(xiàn)出來(lái)，2014年需求量達(dá)到1816×108m3，而產(chǎn)量為1308×108m3，市場(chǎng)供應(yīng)缺口較大。煤層氣屬非常規(guī)天然氣，是優(yōu)質(zhì)能源和化工原料，具有廣闊的市場(chǎng)前景。我國(guó)是世界上煤層氣資源最豐富的國(guó)家之一，我國(guó)埋深2000m以淺地質(zhì)資源量約36.8×1012m3，與常規(guī)天然氣資源量相當(dāng)，煤層氣資源及開(kāi)發(fā)潛力巨大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2006年我國(guó)因采煤向大氣排放的甲烷氣體(煤礦瓦斯)達(dá)200×108m3，約占我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)中甲烷排放量的三分之一；2010年，煤礦瓦斯抽采量為76.2×108m3，利用量為23×108m3，利用率僅30%。根據(jù)煤層氣“十二五”發(fā)展規(guī)劃，煤層氣產(chǎn)量達(dá)到300×108m3，其中地面開(kāi)發(fā)160×108m3，基礎(chǔ)全部利用，煤礦瓦斯抽采140×108m3，利用率60%以上。煤層氣成分、熱值與常規(guī)天然氣類似，它將是常規(guī)天然氣的有效補(bǔ)充。煤層氣作為一個(gè)資源豐富的獨(dú)立能源新礦種，可望成為中國(guó)21世紀(jì)天然氣以外最重要的潔凈能源之一。開(kāi)發(fā)煤層氣和礦井氣對(duì)我國(guó)利用清潔資源十分必要，也是我國(guó)長(zhǎng)遠(yuǎn)能源戰(zhàn)略儲(chǔ)備所必須的。因此，開(kāi)展煤層氣和礦井氣的輸送安全性研究具有重要戰(zhàn)略意義。

2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2.1 單一氣體的物理性質(zhì)(表1、2)

表1 單一氣體熱值及密度表

注：參比條件為0℃ 101.325kPa。

表2 單一氣體爆炸極限表(%)

注：參比條件為101.325kPa。

2.2 原料氣組分

2.2.1 煤層氣組分

某煤層氣田4口煤層氣井組分見(jiàn)表3。

表3 煤層氣組分表

2.2.2 煤礦瓦斯組分

綜合國(guó)內(nèi)煤礦煤礦瓦斯情況，其組分見(jiàn)表4。

表4 煤礦瓦斯組分表

續(xù)表

3 常溫常壓下爆炸極限的計(jì)算

3.1 燃?xì)獗O限的計(jì)算

將各惰性氣體均看作N2，燃?xì)獗O限可用下式計(jì)算。

(1)

式中：L為含惰性氣體的燃?xì)獾谋O限(上限或下限)，%；Lk為燃?xì)庵锌扇細(xì)饨M分的爆炸極限(上限或下限)，%；rk為燃?xì)庵锌扇細(xì)饨M分含量；rN為燃?xì)庵卸栊詺饨M分含量；ro為燃?xì)庵醒鯕饨M分含量；m為燃?xì)庵锌扇細(xì)饨M分?jǐn)?shù)。

3.2 可燃?xì)怏w濃度的計(jì)算

可燃?xì)怏w濃度為全組分中扣除折算空氣的組分相對(duì)于全組分的含量。可按照式2進(jìn)行計(jì)算。

(2)

式中：rk為燃?xì)庵锌扇細(xì)饨M分含量；m為燃?xì)庵锌扇細(xì)饨M分?jǐn)?shù)。

以上煤層氣和煤礦瓦斯的可燃?xì)怏w濃度見(jiàn)表5。

表5 煤層氣及煤礦瓦斯可燃?xì)怏w濃度表

3.3 燃?xì)廨斔偷陌踩远?/h3>

燃?xì)馐欠癜踩侵溉細(xì)獾臐舛仁欠窀哂谌細(xì)獗O限(或低于爆炸下限)，燃?xì)鉂舛仁侵覆话諝獾钠溆嘟M分(無(wú)空氣基)占該燃?xì)馊M分的百分?jǐn)?shù)。實(shí)際工程中，只需考慮燃?xì)?無(wú)空氣基)濃度高出爆炸上限即可。

3.3 煤層氣的輸送安全性分析

根據(jù)式1計(jì)算，常溫常壓下，煤層氣爆炸上限為15.16%，爆炸下限為5.06%。可燃?xì)怏w濃度為98.693%。因此，常溫常壓下，煤層氣可燃?xì)怏w濃度遠(yuǎn)高于爆炸上限，其輸送是安全的。

3.4 煤礦瓦斯的輸送安全性分析

常溫常壓下，煤礦瓦斯爆炸極限見(jiàn)表6。

表6 煤礦瓦斯爆炸極限表

常溫常壓下，煤礦瓦斯可燃?xì)怏w濃度與爆炸上限之差大于零時(shí)，其輸送應(yīng)該是安全的；小于零時(shí)，輸送是不安全的。但是，燃?xì)獾妮斔托枰欢▔毫Γ鰤旱倪^(guò)程伴隨著溫度升高的過(guò)程。燃?xì)獗O限除與燃?xì)饨M份有關(guān)外，還與其他影響燃燒和化學(xué)反應(yīng)的條件有關(guān)，例如與燃?xì)獾膲毫Α囟扔嘘P(guān)，與點(diǎn)火源的能量也有關(guān)。因此，一定溫度、壓力下的爆炸極限的計(jì)算更為重要，更具有實(shí)際工程意義。

4 煤層氣與煤礦瓦斯的安全性分析

4.1 溫度、壓力對(duì)爆炸極限的影響

燃?xì)獾谋O限與燃?xì)鉁囟取毫τ嘘P(guān)。一般溫度上升會(huì)使爆炸極限區(qū)間變寬(下限降低，上限增高)。隨著壓力的升高，爆炸極限區(qū)間的寬度一般會(huì)增加，略使爆炸下限下降，但對(duì)爆炸上限的影響較大。

一般，燃?xì)獾谋O限與燃?xì)鉁囟取毫Φ年P(guān)系按照式3對(duì)常溫常壓下的爆炸上限進(jìn)行修正。

Ut=[U25+20.6(logP+1)][1+0.0008U25(t-25)]

(3)

式中：Ut為溫度為t爆炸濃度上限，%；U25為溫度為25℃爆炸濃度上限，%；P為燃?xì)鈮毫Γ琈Pa，絕對(duì)；t為燃?xì)鉁囟龋妗?/p>

不同濃度的燃?xì)庠诓煌瑴囟取毫ο碌谋ㄉ舷抟?jiàn)表7～11。

表7 甲烷濃度98.65%的燃?xì)庠诓煌瑴囟取毫ο碌谋ㄉ舷薇?/p>

表8 甲烷濃度50.5%的燃?xì)庠诓煌瑴囟取毫ο碌谋ㄉ舷薇?/p>

續(xù)表

表9 甲烷濃度30%的燃?xì)庠诓煌瑴囟取毫ο碌谋ㄉ舷薇?/p>

表10 甲烷濃度23%的燃?xì)庠诓煌瑴囟取毫ο碌谋ㄉ舷薇?/p>

表11 甲烷濃度16%的燃?xì)庠诓煌瑴囟取毫ο碌谋ㄉ舷薇?/p>

4.2 煤層氣與煤礦瓦斯的輸送安全性分析

甲烷濃度98.65%、66.7%和50.5%的燃?xì)庠跍囟取?00℃、壓力≤1.0MPa的條件下都是可以安全輸送的。甲烷濃度40%的燃?xì)庠跍囟取?00℃、壓力 ≤0.5MPa 的條件下都是可以安全輸送的。甲烷濃度30%的燃?xì)庠跍囟取?00℃、壓力 ≤0.3MPa 的條件下都是可以安全輸送的。其他濃度的燃?xì)獠痪邆浒踩斔偷臈l件。

[1] 王紅霞.煤層氣集輸與處理[M].北京:中國(guó)石化出版社,2013.

[2] 嚴(yán)銘卿. 燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2009.