摘要：本文對煤層氣開發(fā)利用的現(xiàn)狀及遇到的問題進行了詳細的論述，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。全國科學技術大會上的《國家中長期科學和技術發(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 煤層氣的應用方向
??? 1.1 礦區(qū)煤層氣作為民用和工業(yè)燃氣供應
??? 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(qū)內迅速推廣^[1]。
??? 1.2 礦區(qū)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(tǒng)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(qū)坑口燃氣輪機發(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)電技術有兩種，即燃氣輪機和汽輪機發(fā)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(fā)電。
??? 1.4 礦區(qū)汽車燃料
??? 天然氣代替汽油作為運輸燃料具有明顯的環(huán)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(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)內有大量的運煤汽車和公共汽車，運行距離不長，在礦區(qū)內建少量的煤層氣加氣站，就能保證礦區(qū)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(tǒng)，供給遠方城鎮(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(zhèn)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(qū)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(fā)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(zhèn)燃氣供應時，我們可以依據《城鎮(zhèn)燃氣設計規(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)燃氣設計規(guī)范》GB50028－93(2002年版)規(guī)定，天然氣的質量指標應符合現(xiàn)行國家標準《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(tǒng)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(guī)程的規(guī)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(wěn)定性和調峰
??? 雖然煤層氣儲量豐富，氣質優(yōu)良，但是具體到一個礦區(qū)，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(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(guī)范的規(guī)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(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(guī)范規(guī)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(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(yè)價值，而礦區(qū)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(fā)階段。
??? 變壓吸附分離技術現(xiàn)在已經比較成熟，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。