李潤之 司榮軍 茅曉輝

(1.山東科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,山東 266510;2.煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院工業(yè)防爆研究所,重慶 400037)

2006年2月9日,大型油氣田和煤層氣開發(fā)被國務(wù)院發(fā)布的《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》列為16個重大專項之一,煤層氣的開發(fā)和利用引起了國家及社會的高度重視。采用煤層氣液化技術(shù),可以促進煤層氣的利用,并且在很大程度上滿足大力發(fā)展煤層氣技術(shù)的需求。開發(fā)利用煤層氣資源,不但可以彌補煤炭供應(yīng)缺口,而且可以改善能源質(zhì)量。大力開發(fā)煤層氣液化技術(shù),成為當(dāng)前研究煤層氣技術(shù)的關(guān)鍵。

部分煤層氣含有一定濃度的氧氣,存在爆炸危險性。若想對含量煤層氣進行脫氧液化,就必須對其整個工藝過程的爆炸危險性進行分析,采取相應(yīng)的安全技術(shù)及措施,以保證生產(chǎn)過程中的安全。本文介紹了一種含氧煤層氣脫氧液化系統(tǒng),對其整個工藝過程進行了爆炸危險性分析,并提出了相應(yīng)的安全技術(shù)及措施,為含氧煤層氣的開發(fā)利用過程中防止安全事故的發(fā)生提供了依據(jù)。

1 脫氧液化過程工藝流程

常溫原料氣首先與高溫產(chǎn)品氣混合進入脫氧燃燒反應(yīng)器進行脫氧,此處所混合的高溫產(chǎn)品即為經(jīng)過脫氧換熱后的氣體,混合高溫產(chǎn)品氣的目的是為了預(yù)熱常溫原料氣和降低反應(yīng)器入口的氧氣濃度。常溫原料氣脫氧后,經(jīng)過換熱器進行冷卻,所得冷卻后的產(chǎn)品氣再與一部分常溫原料氣進行混合后進行加壓,使得壓力達到5.0×106Pa,再經(jīng)過深冷液化過程,最后進入儲罐進行儲存。含氧煤層氣整個脫氧液化過程的工藝流程及脫氧過程工藝流程如圖1和圖2所示。其中部分重要環(huán)節(jié)各氣體組分及溫度如表1所示。

表1 重要環(huán)節(jié)各氣體組分及溫度

圖1 脫氧液化過程工藝流程圖

圖2 脫氧過程工藝流程

2 理論分析

2.1 甲烷的爆炸條件

發(fā)生甲烷爆炸事故必須具備的基本條件：在常溫常壓下,甲烷濃度處于甲烷爆炸的極限范圍內(nèi)(5%～16%);氧氣的最低濃度為12%;有大于引燃甲烷最小點火能量 (0.28mJ)存在。

但是,實驗研究和事故案例分析表明,甲烷爆炸受很多因素影響,如混合氣體比、環(huán)境壓力、環(huán)境溫度、點火能量等?；旌蠚怏w的初始壓力對爆炸極限的影響較復(fù)雜。在0.1～20MPa的壓力下,對爆炸下限影響不大,對爆炸上限影響較大;當(dāng)壓力大于2.0MPa時,爆炸下限變小,爆炸上限變大,爆炸范圍擴大?；旌蠚怏w的初始溫度越高,爆炸極限范圍越寬,即爆炸下限降低,上限增高,爆炸危險性增加。

2.2 加壓過程爆炸極限分析

加壓過程爆炸上、下限的計算如式 (1)、式(2)所示 (燃氣與空氣摻滲,符號具體意義參見文獻[4])。

2.3 液化過程爆炸極限分析

綜合溫度壓力以及組分對爆炸極限的影響,爆炸極限的計算如式(3)、式(4),(符號具體意義參見文獻[5、6、7])。

2.4 最大允許氧含量

實際上,在液化過程中,氣態(tài)組分若想爆炸,還與氣態(tài)中氧含量有關(guān),若氧氣嚴重不足,則不會發(fā)生爆炸。從理論上講,對多數(shù)碳氫化合物,其反應(yīng)方程式可寫為：

其最大允許氧含量的最小值在數(shù)值上等于處于下限濃度(L下)的可燃物剛好完全反應(yīng)所需要的臨界氧含量,用等式表示為：

而最大允許氧含量的最大值則對應(yīng)于爆炸上限時的實際氧含量,可見兩者的極限值具有一一對應(yīng)的關(guān)系。由于最大允許氧含量最小值和最大值與爆炸極限是一一對應(yīng)的關(guān)系,因此它們也隨之發(fā)生變化,表現(xiàn)為：當(dāng)溫度和壓力升高時,最大值和最小值相對各自原來的值變小,相應(yīng)地可燃物各個濃度所對應(yīng)的最大允許氧含量也較原值變小,反之則都較原值變大。

3 爆炸危險性分析

3.1 脫氧過程爆炸危險性分析

煤層氣中的甲烷含量一般在30%～45%之間,O2含量從11.39%～14.49%之間,且隨著甲烷濃度的降低,氧氣的含量逐步增高。含氧煤層氣進入脫氧系統(tǒng)后首先進入脫氧燃燒反應(yīng)器,通過甲烷燃燒完成脫氧過程,而在進行脫氧燃燒的過程中,隨著燃燒的進行,氧氣濃度降低了,甲烷也會有所損耗,在這個過程中甲烷的濃度有可能進入爆炸極限范圍內(nèi) (甲烷的爆炸范圍為5%～16%),反應(yīng)器內(nèi)溫度較高,存在爆炸危險性。

3.2 加壓過程爆炸危險性分析

由于加壓過程的環(huán)境壓力較高,對甲烷爆炸極限的影響較大。運用式 (1)和式 (2)計算煤層氣在氣體壓縮機中的爆炸極限,以一般壓縮機出口條件 (120℃,1.0MPa)為例,爆炸上限為39.02%。而為了降低成本,在冷卻產(chǎn)品氣進入加壓系統(tǒng)之前,混入了部分常溫原料氣,使得此過程中氧氣的濃度增加。因此,該處存在爆炸危險性。

3.3 液化過程爆炸危險性分析

加壓后的深冷液化過程,混合氣體由氣相變?yōu)橐合?其中,轉(zhuǎn)化過程是逐步進行的,各種氣體的氣相組分逐漸變小,直到最后全部液化。三種氣體(甲烷、氮氣、氧氣)的沸點以及熔點如表2所示。

表2 各氣體的沸點及熔點

從三種氣體的沸點及熔點可以看出,液化過程中是甲烷氣體先進行液化,然后是氮氣,最后是氧氣。通過式 (3)和式 (4)計算液化過程低溫兩相流條件下氣態(tài)組分的爆炸極限,在煤層氣液化至過冷過程中,甲烷含量必然穿過爆炸極限范圍,液化安全性降低。

4 安全對策及措施

(1)在含氧煤層氣及常溫原料氣進入脫氧系統(tǒng)之前以及進行脫氧之后,需在管道上安裝被動或主動式隔 (抑)爆裝置,防止脫氧系統(tǒng)中發(fā)生爆炸時,波及含氧煤層氣輸送管道及后面的換熱器等設(shè)備設(shè)施,避免造成更大的損失;

(2)為了防止加壓過程及液化過程中發(fā)生爆炸危險,須通過精確計算之后加壓過程和液化過程中甲烷的爆炸極限,進而確定最大允許氧含量,通過對最大氧含量的計算,在冷卻產(chǎn)品氣進入加壓系統(tǒng)前混合常溫原料氣的環(huán)節(jié),精確控制混入常溫原料氣的比例;

(3)在加壓過程和液化過程的始末,均須安裝被動或主動式隔 (抑)爆裝置,防止一旦發(fā)生爆炸時,造成更大的損失;

(4)工作人員必須嚴格按照操作規(guī)程作業(yè),防止發(fā)生誤操作,引起不必要的安全事故。

[1] 張存森.煤層氣液化流程及技術(shù)現(xiàn)狀 [J].煤氣與熱力,2008,28(9)：12-14.

[2] 范慶虎,李紅艷,尹全森,等.低濃度煤層氣液化技術(shù)及其應(yīng)用 [J].天然氣工業(yè),2008,28(3)：117-120.

[3] 余國保,郭開華,粱棟,等.高效煤層氣儲運及低溫液化技術(shù)可行性研究 [J].油氣田地面工程,2008,27(5)：9-10.

[4] 嚴銘卿,廉樂明.天然氣輸配工程 [M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2005.

[5] 余國保,李廷勛,郭開華,等.煤層氣液化全流程爆炸極限分析 [J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2008,30(6)：48-51.

[6] Shigeo K,Kenji T.ExtendedLe Chatelier’s Formula for Carbon Dioxide Dilution Effect on Flammability Limits[J].Journal of Hazardous Materials,2006,138(1)：1-8.

[7] Shigeo K,Kenji T,Extended Le Chatelier’s Formula and Nitrogen Dilution Effect on the Flammability Limits[J].Fire SafetyJournal,2006,41(5)：406-417.

[8] 蔡風(fēng)英,談宗山,孟赫.化工安全工程 [M].北京：科學(xué)出版社,2001.