煤層氣與煤礦瓦斯輸送的安全性分析

胡建國 王紅霞 張彥均 王 勃 薛 崗 許 茜

(西安長慶科技工程有限責任公司，陜西 710018)

1 前言

隨著我國國民經濟快速發展，西氣東輸、陜京線等輸氣管道的建成以及周邊銷售市場的完善，下游天然氣用戶發展迅猛，全國天然氣需求量急劇增加，常規天然氣的供需矛盾已逐步體現出來，2014年需求量達到1816×108m3，而產量為1308×108m3，市場供應缺口較大。煤層氣屬非常規天然氣，是優質能源和化工原料，具有廣闊的市場前景。我國是世界上煤層氣資源最豐富的國家之一，我國埋深2000m以淺地質資源量約36.8×1012m3，與常規天然氣資源量相當，煤層氣資源及開發潛力巨大。據統計，2006年我國因采煤向大氣排放的甲烷氣體(煤礦瓦斯)達200×108m3，約占我國工業生產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%。根據煤層氣“十二五”發展規劃，煤層氣產量達到300×108m3，其中地面開發160×108m3，基礎全部利用，煤礦瓦斯抽采140×108m3，利用率60%以上。煤層氣成分、熱值與常規天然氣類似，它將是常規天然氣的有效補充。煤層氣作為一個資源豐富的獨立能源新礦種，可望成為中國21世紀天然氣以外最重要的潔凈能源之一。開發煤層氣和礦井氣對我國利用清潔資源十分必要，也是我國長遠能源戰略儲備所必須的。因此，開展煤層氣和礦井氣的輸送安全性研究具有重要戰略意義。

2 基礎數據

2.1 單一氣體的物理性質(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口煤層氣井組分見表3。

表3 煤層氣組分表

2.2.2 煤礦瓦斯組分

綜合國內煤礦煤礦瓦斯情況，其組分見表4。

表4 煤礦瓦斯組分表

續表

3 常溫常壓下爆炸極限的計算

3.1 燃氣爆炸極限的計算

將各惰性氣體均看作N2，燃氣爆炸極限可用下式計算。

(1)

式中：L為含惰性氣體的燃氣的爆炸極限(上限或下限)，%；Lk為燃氣中可燃氣組分的爆炸極限(上限或下限)，%；rk為燃氣中可燃氣組分含量；rN為燃氣中惰性氣組分含量；ro為燃氣中氧氣組分含量；m為燃氣中可燃氣組分數。

3.2 可燃氣體濃度的計算

可燃氣體濃度為全組分中扣除折算空氣的組分相對于全組分的含量。可按照式2進行計算。

(2)

式中：rk為燃氣中可燃氣組分含量；m為燃氣中可燃氣組分數。

以上煤層氣和煤礦瓦斯的可燃氣體濃度見表5。

表5 煤層氣及煤礦瓦斯可燃氣體濃度表

3.3 燃氣輸送的安全性定律

燃氣是否安全是指燃氣的濃度是否高于燃氣爆炸極限(或低于爆炸下限)，燃氣濃度是指不包括空氣的其余組分(無空氣基)占該燃氣全組分的百分數。實際工程中，只需考慮燃氣(無空氣基)濃度高出爆炸上限即可。

3.3 煤層氣的輸送安全性分析

根據式1計算，常溫常壓下，煤層氣爆炸上限為15.16%，爆炸下限為5.06%?？扇細怏w濃度為98.693%。因此，常溫常壓下，煤層氣可燃氣體濃度遠高于爆炸上限，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表6。

表6 煤礦瓦斯爆炸極限表

常溫常壓下，煤礦瓦斯可燃氣體濃度與爆炸上限之差大于零時，其輸送應該是安全的；小于零時，輸送是不安全的。但是，燃氣的輸送需要一定壓力，增壓的過程伴隨著溫度升高的過程。燃氣爆炸極限除與燃氣組份有關外，還與其他影響燃燒和化學反應的條件有關，例如與燃氣的壓力、溫度有關，與點火源的能量也有關。因此，一定溫度、壓力下的爆炸極限的計算更為重要，更具有實際工程意義。

4 煤層氣與煤礦瓦斯的安全性分析

4.1 溫度、壓力對爆炸極限的影響

燃氣的爆炸極限與燃氣溫度、壓力有關。一般溫度上升會使爆炸極限區間變寬(下限降低，上限增高)。隨著壓力的升高，爆炸極限區間的寬度一般會增加，略使爆炸下限下降，但對爆炸上限的影響較大。

一般，燃氣的爆炸極限與燃氣溫度、壓力的關系按照式3對常溫常壓下的爆炸上限進行修正。

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為燃氣壓力，MPa，絕對；t為燃氣溫度，℃。

不同濃度的燃氣在不同溫度、壓力下的爆炸上限見表7～11。

表7 甲烷濃度98.65%的燃氣在不同溫度、壓力下的爆炸上限表

表8 甲烷濃度50.5%的燃氣在不同溫度、壓力下的爆炸上限表

續表

表9 甲烷濃度30%的燃氣在不同溫度、壓力下的爆炸上限表

表10 甲烷濃度23%的燃氣在不同溫度、壓力下的爆炸上限表

表11 甲烷濃度16%的燃氣在不同溫度、壓力下的爆炸上限表

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%的燃氣在溫度≤400℃、壓力≤1.0MPa的條件下都是可以安全輸送的。甲烷濃度40%的燃氣在溫度≤400℃、壓力 ≤0.5MPa 的條件下都是可以安全輸送的。甲烷濃度30%的燃氣在溫度≤400℃、壓力 ≤0.3MPa 的條件下都是可以安全輸送的。其他濃度的燃氣不具備安全輸送的條件。

[1] 王紅霞.煤層氣集輸與處理[M].北京:中國石化出版社,2013.

[2] 嚴銘卿. 燃氣工程設計手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,2009.