3 煤層氣生產(chǎn)、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(guī)模利用的主要因素是煤層氣中可燃?xì)怏w濃度太低，容易使其處于爆炸極限范圍之內(nèi)，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(duì)爆炸極限有很大的影響，壓力增大，爆炸極限區(qū)間的寬度一般會(huì)增加，爆炸上限增加，略使爆炸下限下降。這是因?yàn)橄到y(tǒng)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(yīng)和反應(yīng)的進(jìn)行更為容易，所以壓力升高，爆炸危險(xiǎn)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(shí)，其下限與上限重合，此時(shí)的最低壓力稱(chēng)為爆炸的臨界壓力。若壓力降至臨界壓力以下，系統(tǒng)就不爆炸。因此，在密閉容器內(nèi)進(jìn)行減壓(負(fù)壓)操作對(duì)安全生產(chǎn)有利。
??? 需要說(shuō)明的是，壓力的變化對(duì)爆炸上限影響很大，但爆炸下限的變化不明顯，而且不規(guī)則。各個(gè)文獻(xiàn)間的計(jì)算結(jié)果有一定的差距。
??? (2) 溫度
??? 常溫下爆炸極限數(shù)據(jù)已很充足，然而摩擦生熱、燃燒熱等通過(guò)熱傳導(dǎo)、輻射、對(duì)流可以使環(huán)境溫度高于常溫。在實(shí)際生產(chǎn)部門(mén)中，非常溫下(高于室溫)可燃?xì)怏w被預(yù)期或非預(yù)期引爆的例子屢見(jiàn)不鮮，因此測(cè)定非常溫下爆炸極限具有非常重要的意義。
??? 一般來(lái)說(shuō)，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?yàn)橄到y(tǒng)溫度升高，其分子內(nèi)能增加，使更多的氣體分子處于激發(fā)態(tài)，原來(lái)不燃的混合氣體成為可燃、可爆系統(tǒng)，所以溫度升高使爆炸危險(xiǎn)性增大。
??? (3) 燃?xì)獾姆N類(lèi)及化學(xué)性質(zhì)
??? 可燃?xì)怏w的分子結(jié)構(gòu)及其反應(yīng)能力，影響其爆炸極限。對(duì)于碳?xì)浠衔锒裕哂蠧—C型單鍵相連的碳?xì)浠衔?，由于碳鍵牢固，分子不易受到破壞，其反應(yīng)能力就較差，因而爆炸極限范圍?。欢鴮?duì)于具有C≡C型三鍵相連的碳?xì)浠衔?，由于其碳鍵脆弱，分子很容易被破壞，化學(xué)反應(yīng)能力較強(qiáng)，因而爆炸極限范圍較大；對(duì)于具有C=C型二鍵相連的碳?xì)浠衔?，其爆炸極限范圍位于單鍵與三鍵之間^[6]。
??? 對(duì)于同一烴類(lèi)化合物，隨碳原子個(gè)數(shù)的增加，爆炸極限的范圍隨之變小。爆炸極限還與導(dǎo)熱系數(shù)(導(dǎo)溫系數(shù))有關(guān)，導(dǎo)熱系數(shù)越大，其導(dǎo)熱越快，爆炸極限范圍也就越大。
??? (4) 惰性氣體及雜質(zhì)
??? 可燃?xì)怏w中含有N₂等惰性氣體時(shí)，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(yīng)縮小。N₂對(duì)爆炸上限有明顯的影響，對(duì)爆炸下限影響較小。
??? N₂對(duì)燃?xì)獗O限的影響機(jī)理主要為稀釋氧氣濃度、隔離氧氣與燃?xì)獾慕佑|(窒息作用)、冷卻和化學(xué)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(shí)，氧濃度相對(duì)減少，而在達(dá)到爆炸上限時(shí)氧的濃度本來(lái)就很小，惰性氣體濃度稍微增加一點(diǎn)，就會(huì)產(chǎn)生很大影響，導(dǎo)致爆炸上限劇烈下降^[7]。
??? 對(duì)于有氣體參與的反應(yīng)，雜質(zhì)也有很大的影響。例如，少量的硫化氫會(huì)大大降低水煤氣和混合氣體的燃點(diǎn)，并因此促使其爆炸；而當(dāng)可燃?xì)怏w中含有鹵代烷時(shí)，則能顯著縮小爆炸極限的范圍，提高爆炸下限和點(diǎn)火能。因此，氣體滅火劑大部分都是鹵代烷。
??? (5) 燃?xì)馀c空氣混合的均勻程度
??? 當(dāng)燃?xì)馀c空氣充分混合均勻的條件下，若某一點(diǎn)的燃?xì)鉂舛冗_(dá)到爆炸極限時(shí)，整個(gè)混合空間的燃?xì)鉂舛榷歼_(dá)到爆炸極限，燃燒或爆炸反應(yīng)在整個(gè)混合氣體空間同時(shí)進(jìn)行，其反應(yīng)不會(huì)中斷，因此爆炸極限范圍大；但當(dāng)混合不均勻時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生在混合氣體內(nèi)某些點(diǎn)的燃?xì)鉂舛冗_(dá)到或超過(guò)爆炸極限，而另外一些點(diǎn)的燃?xì)鉂舛冗_(dá)不到爆炸極限，燃燒或爆炸反應(yīng)就會(huì)中斷，因此，爆炸極限范圍就變小。
??? (6) 點(diǎn)火源的形式、能量和點(diǎn)火位置
??? 可燃混合物的爆炸實(shí)質(zhì)是瞬間的燃燒，而引發(fā)燃爆需要有一定的能量，故而能量特性對(duì)爆炸極限范圍亦有影響。點(diǎn)火源的能量、熱表面的面積、火源與混合氣體的接觸時(shí)間等，對(duì)爆炸極限均有影響。一般來(lái)說(shuō)，能量強(qiáng)度越高，加熱面積越大，作用時(shí)間越長(zhǎng)，點(diǎn)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(diǎn)火源具有不同的點(diǎn)火溫度和點(diǎn)火能量。如明火能量比一般火花能量大，所對(duì)應(yīng)的爆炸極限范圍就大；而電火花能量雖然高，如果不是連續(xù)的，點(diǎn)火能量就小，所對(duì)應(yīng)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(zhì)、尺寸等，對(duì)物質(zhì)爆炸極限均有影響。實(shí)驗(yàn)證明，容器直徑越小，爆炸極限范圍越小。這是因?yàn)殡S著管徑的減小，因壁面的冷卻效應(yīng)而產(chǎn)生的熱損失就逐步加大，參與燃燒的活化分子就少，導(dǎo)致燃燒溫度與火焰?zhèn)鞑ニ俣染拖鄳?yīng)降低，當(dāng)管徑(或火焰通道)小到一定程度時(shí)，火焰即不能通過(guò)。這一間距稱(chēng)最大滅火間距，亦稱(chēng)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(shí)就無(wú)爆炸危險(xiǎn)。
??? 容器幾何尺寸對(duì)爆炸極限的影響也可以從器壁效應(yīng)得到解釋。燃燒與爆炸是由自由基產(chǎn)生一系列連鎖反應(yīng)的結(jié)果。在燃燒過(guò)程中，只有當(dāng)新生自由基大于消失的自由基時(shí)，燃燒才能繼續(xù)。但隨著管徑的減小，自由基與管道壁的碰撞幾率相應(yīng)增大。當(dāng)尺寸減少到一定程度時(shí)，自由基(與器壁碰撞)銷(xiāo)毀大于自由基產(chǎn)生速度，燃燒反應(yīng)便不能繼續(xù)進(jìn)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(tài)空氣溫度下于黑暗中也會(huì)發(fā)生爆炸，而在銀制器皿中，一般溫度下才能發(fā)生反應(yīng)。
??? (8) 燃?xì)獾臐穸?br /> ??? 當(dāng)可燃?xì)怏w中有水存在時(shí)，燃?xì)獗芰档?，爆炸?qiáng)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(dāng)含水量達(dá)到一定值時(shí)，上限濃度與下限濃度曲線匯于一點(diǎn)，當(dāng)氣體混合物中含水量超過(guò)該點(diǎn)值時(shí)，無(wú)論燃?xì)鉂舛热绾我膊粫?huì)發(fā)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(fā)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(yīng)活性，導(dǎo)致煤層氣爆炸反應(yīng)能力下降，甚至完全失去反應(yīng)能力。
??? 除上述因素外，光對(duì)爆炸極限也有影響。眾所周知，在黑暗中氫與氯的反應(yīng)十分緩慢，但在強(qiáng)光照射下則發(fā)生連鎖反應(yīng)導(dǎo)致爆炸。又如甲烷與氯的混合氣體，在黑暗中長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不發(fā)生反應(yīng)，但在日光照射下，便會(huì)引起激烈的反應(yīng)，如果兩種氣體的比例適當(dāng)則會(huì)發(fā)生爆炸。另外，表面活性物質(zhì)對(duì)某些介質(zhì)也有影響，如在球形器皿內(nèi)于530 ℃時(shí)，氫與氧完全不反應(yīng)，但是向器皿中插入石英、玻璃、銅或鐵棒時(shí)，則發(fā)生爆炸。
??? 以上就是對(duì)燃?xì)獗O限影響因素的分析。當(dāng)然，僅僅是主要因素的分析，此外，諸如表面活性介質(zhì)等對(duì)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(guò)以上分析，我們可以掌握或了解燃?xì)馍a(chǎn)，儲(chǔ)存，輸送過(guò)程中的爆炸危險(xiǎn)因素，弄清諸因素之間的聯(lián)系和變化規(guī)律，從而在工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)使用中采取相應(yīng)的防范措施，防止爆炸事故的發(fā)生。
??? 3.2 減少爆炸極限范圍措施
??? 通過(guò)對(duì)影響爆炸極限范圍的因素進(jìn)行分析研究，壓力、溫度對(duì)煤層氣爆炸極限范圍影響較大，因此，要使煤層氣達(dá)到安全要求，可以從以下幾點(diǎn)考慮。
??? (1) 降低煤層氣的壓力、溫度^[8][9]
??? 通過(guò)壓力對(duì)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(lái)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(lái)降低爆炸極限范圍。
??? (2) 煤層氣提純
??? 采用煤層氣提純技術(shù)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(shù)，它可將N₂、O₂與甲烷分離，處理能力可達(dá)5.7～28.3萬(wàn)m³/d，根據(jù)中科院山西煤化所提供的資料，采用成熟的變壓吸附技術(shù)可以使煤層氣中甲烷含量達(dá)到90～95%。
??? (3) 煤層氣摻混
??? 我國(guó)大部分礦區(qū)同時(shí)具有井下抽放和地面抽放兩種抽放系統(tǒng)，井下抽放系統(tǒng)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(dá)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(jìn)行摻混，使之處于安全輸送范圍。

4 結(jié)語(yǔ)
??? 通過(guò)對(duì)煤層氣利用中存在問(wèn)題的論述，我們能夠清楚地認(rèn)識(shí)到今后煤層氣發(fā)展的重點(diǎn)及急需解決的問(wèn)題。本文并對(duì)煤層氣利用中出現(xiàn)的安全性問(wèn)題進(jìn)行了分析并提出了建議性的措施，對(duì)今后的煤層氣利用工程有一定的參考價(jià)值。

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