含氧煤層氣脫氧液化系統爆炸危險性分析

李潤之 司榮軍 茅曉輝

(1.山東科技大學資源與環境工程學院,山東 266510;2.煤炭科學研究總院重慶研究院工業防爆研究所,重慶 400037)

2006年2月9日,大型油氣田和煤層氣開發被國務院發布的《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》列為16個重大專項之一,煤層氣的開發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,可以促進煤層氣的利用,并且在很大程度上滿足大力發展煤層氣技術的需求。開發利用煤層氣資源,不但可以彌補煤炭供應缺口,而且可以改善能源質量。大力開發煤層氣液化技術,成為當前研究煤層氣技術的關鍵。

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,采取相應的安全技術及措施,以保證生產過程中的安全。本文介紹了一種含氧煤層氣脫氧液化系統,對其整個工藝過程進行了爆炸危險性分析,并提出了相應的安全技術及措施,為含氧煤層氣的開發利用過程中防止安全事故的發生提供了依據。

1 脫氧液化過程工藝流程

常溫原料氣首先與高溫產品氣混合進入脫氧燃燒反應器進行脫氧,此處所混合的高溫產品即為經過脫氧換熱后的氣體,混合高溫產品氣的目的是為了預熱常溫原料氣和降低反應器入口的氧氣濃度。常溫原料氣脫氧后,經過換熱器進行冷卻,所得冷卻后的產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。其中部分重要環節各氣體組分及溫度如表1所示。

表1 重要環節各氣體組分及溫度

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(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、環境壓力、環境溫度、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,氣態組分若想爆炸,還與氣態中氧含量有關,若氧氣嚴重不足,則不會發生爆炸。從理論上講,對多數碳氫化合物,其反應方程式可寫為：

其最大允許氧含量的最小值在數值上等于處于下限濃度(L下)的可燃物剛好完全反應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的關系。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的關系,因此它們也隨之發生變化,表現為：當溫度和壓力升高時,最大值和最小值相對各自原來的值變小,相應地可燃物各個濃度所對應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后首先進入脫氧燃燒反應器,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 (甲烷的爆炸范圍為5%～16%),反應器內溫度較高,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,在冷卻產品氣進入加壓系統之前,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,混合氣體由氣相變為液相,其中,轉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,防止脫氧系統中發生爆炸時,波及含氧煤層氣輸送管道及后面的換熱器等設備設施,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,在冷卻產品氣進入加壓系統前混合常溫原料氣的環節,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程作業,防止發生誤操作,引起不必要的安全事故。

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