煤层气安全输送爆炸极限及临界含氧量分析

煤层气安全输送爆炸极限及最小含氧量分析

摘要：

关键词：

Coal-bed Methane Pipeline Safety Transportation

Explosion Limit and Minimum Oxygen Content

Abstract：

Keywords：

0 引言

煤层气分为地面开发煤层气（简称CBM）、煤矿井下抽放煤层气（简称CMM）、报废矿井煤层气（简称AMM）。地面开发煤层气特点是甲烷含量高，一般可达95%以上，规模大，产量稳定，经处理后可直接进入天然气管道。井下抽放煤层气特点是甲烷含量低，一般在30%-60%之间。

煤层气作为燃气的一种，它的基础知识与理论、设计方法与运行管理以及相关的规范等一直和爆炸极限密切相关。在已有的工程实例中很多就涉及到爆炸极限的问题。《城镇燃气设计规范》GB50028－93（2002年版）规定，液化石油气与空气掺混时，液化石油气的体积分数必须高于其爆炸上限的1.5倍；该规范的修改版将液化石油气的体积分数与其爆炸上限的比值提高到2.0倍。而其它种类的燃气体积百分含量与其爆炸极限的关系，在规范中没有规定，主要是由于可燃气体中氧气的含量很低，可燃气体体积百分含量远离爆炸极限的范围。

常压下两种以上可燃的混合气体的爆炸极限可以按查特利尔(Le Chatelier)法则计算；两种以上可燃的混合气体，含有惰性气体或者氧气的爆炸极限，可以先把某一惰性气体成分与某一可燃气体组合起来视为混合气体中的一种成分再进行计算，关于氮或二氧化碳和某些可燃气体混合时的爆炸极限范围可查图确定。

但煤层气用于城市燃气供应的爆炸极限范围研究还较少，按照上述爆炸极限理论，煤层气中可燃组分的浓度应高于无空气基的爆炸上限，或者可燃组分的浓

度应低于无空气基的爆炸下限。当煤层气的甲烷含量较低时，甲烷体积百分含量可能不满足其爆炸上限的要求，特别是目前城镇燃气设计规范中没有煤层气爆炸极限范围的规定，因此有必要进行煤层气安全输送爆炸极限和最小含氧量分析。 1爆炸极限理论

现有的爆炸极限计算公式基本上可以计算出常温、常压下或高温、高压下某些可燃气体/可燃气体组成的混合物的爆炸极限范围。

爆炸极限计算公式有很多，可以分为按单一组分和多组分爆炸极限计算公式。

1.1 单组分爆炸极限

单组分爆炸极限计算的方法有按爆炸性气体完全燃烧时化学理论浓度计算、根据含碳原子数计算、用爆炸下限计算爆炸上限和用经验公式计算等方法。单组分爆炸极限公式是根据化学反应理论燃烧或者碳氢化合物含碳原子数与爆炸极限的关系等计算爆炸极限，仅仅适用于常温常压下的单组分爆炸极限的计算。当单组分爆炸极限没有公认的数据时，可以据此估算出爆炸极限，并可以用不同的计算公式进行分析和验证。

1.2 多组分爆炸极限

对于多组分爆炸极限已经有广为采用的查特利尔（Le Chatelier ）法则以及惰性气体修正计算方法和配比计算等方法。

1.2.1 查特利尔（Le Chate1ier ）法则

对于多种可燃气混合物的爆炸极限，除可以通过实测确定外，也可以用查特利尔（Le Chate1ier ）法则进行近似计算，计算公式如下：

n

n L X L X L X L +?++=2211100 式中：L — 混合气体的爆炸极限（上限用上标U ，下限用下标L ）的百分数，%； X 1 、X 2… X n — 混合气体中可燃气体体积分数，%；

L 1 、L 2…L n — 混合气体中各可燃气体的爆炸上限或下限，%。

查特利尔法则即可以用于爆炸极限上限的计算，也可以用于爆炸极限下限的计算。当已知单一组分的可燃气体的爆炸极限时，我们可利用查特利尔法则得到多组分混合燃气的爆炸上下限。

1.2.2 含惰性气体的爆炸极限

一般气体并非全由可燃气体成分组成，可能含惰性气体，其爆炸极限（上限或下限）的计算，常用惰性气体修正方法或配比法进行计算。对于配比计算法，

即将某一种惰性气体组分与某一种可燃气气体组分搭配组合后，视为一种组分，这种组分可燃气体的爆炸极限可根据惰性气体与可燃组分之比，以及查特利尔（Le Chate1ier ）法则计算。

惰性气体修正方法更适于爆炸极限的数值计算，计算公式如下式：

(1)10011001N N nA N N

X X L L X L X '+'-='+'- 式中：L nA —含惰性气体燃气(无空气基)的爆炸极限(上限或下限)，%；

L — 无空气、无惰性气(可燃基)的爆炸极限(上限或下限)，%；

X N ′ — 无空气基中惰性气体的体积分数，%。

对上式可改写为

110.01N N nA X X L L

'-'=+ 对照L nA 的计算值与实测值表明，计算得到的L nA 上、下限值分别在实测上、

下限值之外，所以计算值是安全的。

1.2.3 含氧气的爆炸极限

当气体中含有氧气时，可认为已混入了一部分空气。这是它已形成一种含氧的气体混合物，本身也有一个在空气中爆炸的极限问题。在考虑可燃气体与空气的混合时，或某一设备用燃气进行置换空气时，即属于此类问题。为区别无空气基的爆炸极限，已含氧可燃气体与空气以一定比例混合是否达到爆炸极限，要引入一个含有可燃气体的整体爆炸极限。其计算方法是先扣除与含氧量相应的折算空气量（即扣除氧含量及按空气中氧氮比例求出的氮气含量），并重新调整燃气中各组分的体积百分比，然后用上述方法计算出无空气基的燃气爆炸极限，再用下式根据无空气基燃气爆炸极限及可燃气中的折算空气含量计算整体爆炸极限。

1N

T Air L L X =-

式中：T

L —原燃气组分的整体爆炸极限，%；

N L — 无空气基燃气的爆炸极限，%；

Air X — 原燃气的折算空气含量，%。

1.2.4爆炸极限的温度与压力修正

燃气的爆炸极限与其它影响燃烧和化学反应的条件有关。例如与燃气的压力、温度有关，与点火源的能量也有关。对于压力和温度对燃气爆炸极限的影响，结合美国矿业局及扎彼泰基斯（Zabetakis ）等的实验结果，用来修正爆炸极限的影响。

(1) 压力对爆炸极限的影响

根据燃气燃烧与爆炸理论，随着压力的升高，爆炸浓度上、下限的宽度一般会增加，且对上限的影响较大。对于烃类，利用常压（p=0.1MPa ）下的爆炸浓度上限对压力p 下的爆炸浓度上限进行计算的数学模型见下式：

[]1020.6log ()1P U U L L p =++

[]100.206log ()1P L L L L p =-+

式中：P U L —在压力p 下，爆炸浓度上限，%；

P

L L —在压力p 下，爆炸浓度下限，%；

U L —在常压（p=0.1MPa ）下的爆炸浓度上限，%；

L L —在常压（p=0.1MPa ）下的爆炸浓度下限，%；

p —燃气绝对压力，MPa 。

(2) 温度对爆炸极限的影响

压力的增加同时会伴随着温度的提高，随着温度的提高，爆炸浓度上、下限的宽度会增加。爆炸极限与温度的关系的数学模型是：

[]10.000721(25)t

U U L L t =+- []10.000721(25)t L L L L t =-- 式中：t U L —温度t 时的爆炸上限，%；

t

L L —温度t 时的爆炸下限，%；

U L —在常温（t=25℃）时的爆炸上限，%；

L L —在常温（t=25℃）时的爆炸下限，%；

t —燃气温度，℃。

(3) 压力、温度对爆炸极限的综合影响

综合压力和温度对爆炸极限的影响，即将单纯温度或单纯压力的修正公式结合，可得出下列爆炸极限计算式：

[]{}[]1020.6log ()110.000721(-25)pt U U L L p t =+++

[]{}[]100.206log ()110.000721(-25)pt L L L L p t =-+-

式中：pt U L —在压力p 、温度t 下，爆炸浓度上限，%；

pt L L —在压力p 、温度t 下，爆炸浓度下限，%；

U L —在常温常压（t=25℃，p=0.1MPa ）时的爆炸浓度上限，%；

L L —在常温（t=25℃）时的爆炸下限，%；

p —燃气绝对压力，MPa ；

t —燃气温度，℃。

在以后的分析计算中，可以利用上式将压力、温度对燃气爆炸上限、下限的影响综合考虑进去。

多组分气体爆炸极限的数学模型可以解决多种可燃气体成分，在高温或高压下，或者同时高温、高压条件下的爆炸极限计算。当气体中含有惰性气体成分时，可以先用修正方法，将无空气、无惰性气（可燃基）的爆炸极限修正成含惰性气体（无空气基）的爆炸极限（上限或下限），然后再进行温度或压力的修正。当然多组分燃气爆炸极限温度、压力修正计算公式同样适用于单一组分的情况，当已知某一种气体的常温、常压下的爆炸极限时，可直接利用高温或高压下，或者同时高温、高压条件下的爆炸极限修正数学模型进行计算。

1.3 临界氧含量计算

工业生产中将可燃性气体的含氧量作为重要的控制指标。如GB6222—05《工业企业煤气安全规程》规定：发生炉煤气的含氧量大于1%时，禁止并入网路，水煤气含氧量达到0.8%时、高炉煤气含氧量达到1%时，立即切断电除尘器电源；转炉煤气含氧量达到2%时，立即停止回收。对于焦炉煤气，GB6222—05《工业企业煤气安全规程》和GB12710—92《焦化安全规程》都规定，焦炉煤气含氧量达到1%时，切断除尘器电源。然而，可燃性气体安全含氧量控制到多少才是合适的，有些文献就认为焦炉煤气安全含氧量为1%定得太高，一直存在争论。表2给出了利用惰性气体氮气和二氧化碳稀释可燃气体爆炸极限最小氧含量部分试验结果。

可燃性气体在含氧量安全限值时发生的燃烧或爆炸化学反应是不完全的化学反应，随着氧气浓度的增加，可燃性气体分子与氧气发生完全燃烧。理论上，完全反应时的可燃性气体组分浓度可由化学反应式求出。对大多数石油产物而言，氧含量安全限值为(10～11)%，利用式化学反应式计算出烷烃爆炸下限时的理论氧浓度为(10～12)%，而偏高于氧含量安全限值，因为燃烧和爆炸反应不一定是完全的化学反应。理论上多数碳氢化合物，其反应方程式可写为：

22242n m m m C H n O nCO H O ??++=+ ???

最大允许氧含量的最小值在数值上等于处于下限浓度的可燃物刚好完全反应的临界氧含量（部分计算结果见表3）：

max ,4L P t m O L n ??=?+ ??

? 式中： max O ——最大允许氧含量，%；

4

m n +——反应系数； ,L

P t L ——温度t 、压力P 下的爆炸下限，%。

爆炸三角图是判断可燃气体混合物爆炸极限及最小氧含量的一种有效方法，图4为甲烷、氧气、氮气的爆炸三角图，其中甲烷的临界氧浓度约为12%，比化学反应式计算的最小氧含量要高，与实验值相同。三角图表示爆炸范围是非常方便的，图中L1，L2，临界氧浓度和U1，U2围成的近似三角区为可燃性气体的爆炸范围。L2，U2为可燃性气体在氧气中的爆炸下限和爆炸上限，L1，U1为可燃性气体在空气中的爆炸下限和爆炸上限，通过爆炸范围与顶点C 的直线为空气线，空气线在O —N 的交点处氧气浓度为20.95%。图中，连接顶点为C 与N 的一边是氧浓度为零的线。平行这条边的直线，表示氧浓度为一定值的混合物，与该边平行而与爆炸三角区项点相切的那条线，是要求的含氧量安全限值，即图1中所示的临界氧浓度。

U2U1

L2L1

可燃气体浓度(%)氮气浓度(%)氧气浓度(%)C

O N

90109010

80208020

70307030

60406040

50505050

40604060

30703070

2080

2080109010

90

图1甲烷-氧-氮气混合体在常温常压下的爆炸三角图

Figure1 Pipeline Dent drawing

2分析方法

根据已有的爆炸极限研究理论与研究成果，可以较容易得到常温常压下煤层气的爆炸极限范围及临界氧含量，当温度或压力超过常温或常压时，就要根据具体情况选择适当的分析方法确定。煤层气爆炸极限范围以及临界氧含量可以通过试验或理论计算获取。试验的优点是能够得到确定试验条件下的爆炸极限及临界氧含量，缺点是试验结果受到许多限制或因素影响，所得到的数据需经过定性、定量的分析，以判定是否可用。当计算公式中的参数已知时，采用较为成熟的理论计算方法研究爆炸极限和氧含量更为简捷可靠。因此建议一般的煤层气工程爆炸极限及氧含量分析采取补充少量试验的基础上修正理论计算模型的方法，如果能够通过历史试验数据完成模型修正，则也可省去试验部分。

3工程案例

该工程为山西某矿区煤层气脱氧、加压、液化工艺安全分析，主要工作范围包括：1）煤层气脱氧后，加压到5MPa，气体温度升高，判定该过程的安全性；2）加压后的脱氧煤层气进行深冷液化，由气相转变为液相，随着转化进行，甲烷浓度逐渐变小，判定该过程的安全性；3）液化后的煤层气储存在储罐内，液态甲烷会产生小部分气化，判定该过程的安全性。

以甲烷在常温常压下的爆炸极限为基础，利用含氧、惰性气体修正公式及多组分燃气爆炸极限的计算公式，并分别对压力或温度参数各自进行爆炸极限修正计算，或者对温度、压力进行综合的爆炸极限修正计算，这样就可以满足香港煤气煤层气脱氧、加压、液化工艺的爆炸极限及临界氧含量研究，具体可以归结为7个分问题的研究：①单组分可燃气体爆炸极限研究；②含氧可燃气体爆炸极限研究；③含氧及惰性气体的混合气体爆炸极限研究；④一定压力、温度条件下的爆炸极限研究；⑤爆炸极限安全评估；⑥临界氧含量研究；⑦工程安全条件下的氧含量确定，分析技术路线参见图2。

图2煤层气安全输送详细分析步骤

Figure2 Detailed analysis steps of coal-bed gas safety transportation 3.1 安全系数选择

煤矿安全规程中规定，矿井气中甲烷体积分数在25%以上可抽放。矿井气中甲烷体积分数在30%以上方可利用。甲烷体积分数为30%恰好是甲烷在常温常压

下爆炸上限15%的2倍。从现有的美国煤层气输送工程可知，在美国，从矿井中所回收的甲烷，绝大部分被注入到天然气管道销售，且要求进入天然气管道的煤层气中甲烷含量在95％以上，并且不含有害气体。国内输送天然气压力高达12兆帕，在压力12MPa，温度15℃，煤层气甲烷含量为95%的条件下，煤层气的爆炸上限为55.90%，可燃气体浓度95%，此时所得的当量安全系数为1.7，故煤层气爆炸极限的安全系数选择1.5是可行的。

3.2 脱氧和加压阶段

3.3 液化和储存阶段

4 结论与建议

5 参考文献

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