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煤層氣利用工程的安全性分析

作者:宋漢成1 焦文玲1 李娟娟1 張平2  來源:1 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院 2 中國石油天然氣管道工程有限公司 
評論: 更新日期:2014年07月30日

摘要:本文對煤層氣開發(fā)利用的現(xiàn)狀及遇到的問題進(jìn)行了詳細(xì)的論述,并分析了煤層氣利用工程中的安全性問題,且提出了建議性的措施。

關(guān)鍵詞:煤層氣;爆炸極限;高壓輸送;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(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
??? 1.1 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,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[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?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。
??? 1.4 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%,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(jìn)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(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。
??? 1.5 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%。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(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[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?xì)夤?yīng)時,我們可以依據(jù)《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(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?xì)庠O(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?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。
??? 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?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。[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?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?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?xì)怏w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(yuǎn)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。
??? 將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。

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