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氣體濃度太低，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)間的寬度一般會增加，爆炸上限增加，略使爆炸下限下降。這是因為系統(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)的進行更為容易，所以壓力升高，爆炸危險性增大。反之，壓力降低，則爆炸極限范圍縮小^[5]。
??? 待壓力降至某值時，其下限與上限重合，此時的最低壓力稱為爆炸的臨界壓力。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)進行減壓(負壓)操作對安全生產(chǎn)有利。
??? 需要說明的是，壓力的變化對爆炸上限影響很大，但爆炸下限的變化不明顯，而且不規(guī)則。各個文獻間的計算結(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、燃燒熱等通過熱傳導(dǎo)、輻射、對流可以使環(huán)境溫度高于常溫。在實際生產(chǎn)部門中，非常溫下(高于室溫)可燃氣體被預(yù)期或非預(yù)期引爆的例子屢見不鮮，因此測定非常溫下爆炸極限具有非常重要的意義。
??? 一般來說，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。因為系統(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性增大。
??? (3) 燃氣的種類及化學性質(zhì)
??? 可燃氣體的分子結(jié)構(gòu)及其反應(yīng)能力，影響其爆炸極限。對于碳氫化合物而言，具有C—C型單鍵相連的碳氫化合物，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τ诰哂蠧≡C型三鍵相連的碳氫化合物，由于其碳鍵脆弱，分子很容易被破壞，化學反應(yīng)能力較強，因而爆炸極限范圍較大；對于具有C=C型二鍵相連的碳氫化合物，其爆炸極限范圍位于單鍵與三鍵之間^[6]。
??? 對于同一烴類化合物，隨碳原子個數(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)
??? 可燃氣體中含有N₂等惰性氣體時，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對爆炸上限有明顯的影響，對爆炸下限影響較小。
??? N₂對燃氣爆炸極限的影響機理主要為稀釋氧氣濃度、隔離氧氣與燃氣的接觸(窒息作用)、冷卻和化學作用。前3種抑制作用主要是物理作用。惰性氣體濃度加大時，氧濃度相對減少，而在達到爆炸上限時氧的濃度本來就很小，惰性氣體濃度稍微增加一點，就會產(chǎn)生很大影響，導(dǎo)致爆炸上限劇烈下降^[7]。
??? 對于有氣體參與的反應(yīng)，雜質(zhì)也有很大的影響。例如，少量的硫化氫會大大降低水煤氣和混合氣體的燃點，并因此促使其爆炸；而當可燃氣體中含有鹵代烷時，則能顯著縮小爆炸極限的范圍，提高爆炸下限和點火能。因此，氣體滅火劑大部分都是鹵代烷。
??? (5) 燃氣與空氣混合的均勻程度
??? 當燃氣與空氣充分混合均勻的條件下，若某一點的燃氣濃度達到爆炸極限時，整個混合空間的燃氣濃度都達到爆炸極限，燃燒或爆炸反應(yīng)在整個混合氣體空間同時進行，其反應(yīng)不會中斷，因此爆炸極限范圍大；但當混合不均勻時，就會產(chǎn)生在混合氣體內(nèi)某些點的燃氣濃度達到或超過爆炸極限，而另外一些點的燃氣濃度達不到爆炸極限，燃燒或爆炸反應(yīng)就會中斷，因此，爆炸極限范圍就變小。
??? (6) 點火源的形式、能量和點火位置
??? 可燃混合物的爆炸實質(zhì)是瞬間的燃燒，而引發(fā)燃爆需要有一定的能量，故而能量特性對爆炸極限范圍亦有影響。點火源的能量、熱表面的面積、火源與混合氣體的接觸時間等，對爆炸極限均有影響。一般來說，能量強度越高，加熱面積越大，作用時間越長，點火的位置越靠近混合氣體中心，則爆炸極限范圍越大。不同點火源具有不同的點火溫度和點火能量。如明火能量比一般火花能量大，所對應(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，點火能量就小，所對應(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，對物質(zhì)爆炸極限均有影響。實驗證明，容器直徑越小，爆炸極限范圍越小。這是因為隨著管徑的減小，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，當管徑(或火焰通道)小到一定程度時，火焰即不能通過。這一間距稱最大滅火間距，亦稱之為臨界直徑，例如，甲烷的臨界直徑為0.4～0.5mm，小于臨界直徑時就無爆炸危險。
??? 容器幾何尺寸對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。在燃燒過程中，只有當新生自由基大于消失的自由基時，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。當尺寸減少到一定程度時，自由基(與器壁碰撞)銷毀大于自由基產(chǎn)生速度，燃燒反應(yīng)便不能繼續(xù)進行。
??? 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) 燃氣的濕度
??? 當可燃氣體中有水存在時，燃氣爆炸能力降低，爆炸強度減弱，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。當含水量達到一定值時，上限濃度與下限濃度曲線匯于一點，當氣體混合物中含水量超過該點值時，無論燃氣濃度如何也不會發(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，在黑暗中長時間內(nèi)不發(fā)生反應(yīng)，但在日光照射下，便會引起激烈的反應(yīng)，如果兩種氣體的比例適當則會發(fā)生爆炸。另外，表面活性物質(zhì)對某些介質(zhì)也有影響，如在球形器皿內(nèi)于530 ℃時，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，則發(fā)生爆炸。
??? 以上就是對燃氣爆炸極限影響因素的分析。當然，僅僅是主要因素的分析，此外，諸如表面活性介質(zhì)等對爆炸極限也有影響，相比以上所述各因素，影響較少，故不再贅述。通過以上分析，我們可以掌握或了解燃氣生產(chǎn)，儲存，輸送過程中的爆炸危險因素，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
??? 通過對影響爆炸極限范圍的因素進行分析研究，壓力、溫度對煤層氣爆炸極限范圍影響較大，因此，要使煤層氣達到安全要求，可以從以下幾點考慮。
??? (1) 降低煤層氣的壓力、溫度^[8][9]
??? 通過壓力對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??；溫度降低，爆炸極限范圍亦減小。在有其它可行方案來確保安全的前提下，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5.7～28.3萬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到90～95%。
??? (3) 煤層氣摻混
??? 我國大部分礦區(qū)同時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行摻混，使之處于安全輸送范圍。

4 結(jié)語
??? 通過對煤層氣利用中存在問題的論述，我們能夠清楚地認識到今后煤層氣發(fā)展的重點及急需解決的問題。本文并對煤層氣利用中出現(xiàn)的安全性問題進行了分析并提出了建議性的措施，對今后的煤層氣利用工程有一定的參考價值。

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