摘要：煤層氣爆炸極限的準(zhǔn)確確定是煤層氣安全開發(fā)利用的前提條件。煤層氣爆炸極限不僅取決于單組分可燃性氣體組成及其含量等自身因素，還受到大氣壓力、溫度等因素的影響，因而首先對(duì)煤層氣中單組分可燃性氣體爆炸極限的準(zhǔn)確確定十分必要。為此，采用按完全燃燒所需要的氧原子數(shù)和按化學(xué)計(jì)量濃度兩種理論方法對(duì)煤層氣中常見的單組分可燃性氣體進(jìn)行計(jì)算及分析。結(jié)果表明，兩種理論方法對(duì)爆炸下限的計(jì)算比爆炸上限更好地接近實(shí)驗(yàn)值，其中按完全燃燒所需要氧原子數(shù)的改進(jìn)方法更為準(zhǔn)確。然后對(duì)含有多組分的煤層氣，采用理查特利(Le Chatlier)公式法進(jìn)行了理論計(jì)算，分析了惰性氣體、壓力、溫度對(duì)爆炸極限的影響，與溫度相比，壓力對(duì)爆炸上限的影響更大。因此，在煤層氣的開發(fā)利用中，應(yīng)盡可能在低溫和低壓條件下操作。
關(guān)鍵詞：煤層氣；甲烷；可燃性氣體；爆炸極限；計(jì)算方法；影響因素；抑爆
煤層氣的成分與熱值與常規(guī)天然氣類似，可望成為中國(guó)21世紀(jì)天然氣以外最重要的一種潔凈能源，將是常規(guī)天然氣的重要補(bǔ)充[1]。但是由于井下抽采的煤層氣是甲烷和空氣的混合物，易燃易爆性又使得它成為威脅安全生產(chǎn)的頭號(hào)元兇，迫切需要對(duì)煤層氣爆炸特性進(jìn)行研究。爆炸試驗(yàn)有一定的危險(xiǎn)性，實(shí)驗(yàn)研究難度很大，利用理論計(jì)算則能較好地滿足需求。因此，對(duì)井下抽采煤層氣爆炸極限展開理論分析和研究，不僅是預(yù)防該類事故的基本前提，而且在理論研究和實(shí)踐應(yīng)用方面也具有現(xiàn)實(shí)意義。
目前對(duì)爆炸極限的確定基本上可以歸納為以下4類[2～4]：按完全燃燒所需氧原子數(shù)計(jì)算、按化學(xué)計(jì)量濃度計(jì)算、按理查特利(Le Chatlier)公式法確定爆炸極限以及純經(jīng)驗(yàn)公式。煤層氣爆炸極限與多種因素有關(guān)，不僅取決于甲烷濃度、氣量等自身?xiàng)l件，還受到大氣壓力、溫度等方面的影響。掌握外界條件對(duì)爆炸極限的影響規(guī)律和計(jì)算方法，根據(jù)實(shí)際氣體濃度得到的爆炸極限對(duì)工業(yè)生產(chǎn)會(huì)有明確的指導(dǎo)意義。
1 煤層氣爆炸極限的理論分析
煤層氣的組成主要是甲烷和空氣的混合物或是以甲烷為主的多種有機(jī)燃?xì)夂涂諝獾幕旌衔?。?zhǔn)確把握單組分爆炸極限的理論計(jì)算法方法是確定混合組分爆炸極限的前提。
1.1 單組分可燃性氣體爆炸極限的計(jì)算
1.1.1按完全燃燒所需要的氧原子數(shù)
式中L下限或上限為單組分氣體的爆炸下限或上限；n0為每摩爾有機(jī)可燃性氣體完全燃燒時(shí)所必需氧原子的物質(zhì)的量；當(dāng)計(jì)算爆炸下限時(shí)，a=b=c=1；當(dāng)計(jì)算爆炸上限時(shí)，a=c=4，b=0。
劉彬[5]利用氧氣系數(shù)a代替n0，提出了對(duì)上述爆炸極限公式的改進(jìn)方法：
式中A為1mol的有機(jī)可燃性氣體完全燃燒時(shí)需要的氧氣摩爾量；α為氧氣系數(shù)，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得到。當(dāng)在化學(xué)計(jì)量濃度時(shí)，空氣供給為理論值，α=1；當(dāng)計(jì)算爆炸下限時(shí)，空氣供給過量，α=2；當(dāng)計(jì)算爆炸上限時(shí)，空氣供給不足，α=1/3。
1.1.2按化學(xué)計(jì)量濃度
化學(xué)計(jì)量濃度是可燃性氣體完全燃燒，按化學(xué)反應(yīng)方程式算出的可燃性氣體空氣混合物中可燃性氣體的濃度，立足于這一對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得到相關(guān)系數(shù)(η)。即
式中當(dāng)計(jì)算爆炸下限時(shí)，η=0.55；當(dāng)計(jì)算爆炸上限時(shí)，η=4.8；Cst為燃?xì)饣瘜W(xué)計(jì)量比濃度(體積)。
理論上，與1mol空氣完全燃燒的可燃性氣體CnHmOλFf，的體積濃度(Cst)是：
式中在空氣中燃燒時(shí)，A=4.773(是空氣中氧摩爾分?jǐn)?shù)0.21的倒數(shù))；在氧氣中燃燒時(shí)，A=1。
利用上述方法對(duì)煤層氣中常見有機(jī)可燃性氣體(或蒸氣)的爆炸極限進(jìn)行了計(jì)算(見表1)。
由表1結(jié)果可以看出：
1) 3種公式對(duì)于爆炸下限的計(jì)算比爆炸上限更接近實(shí)驗(yàn)值。因?yàn)樵诒ㄏ孪迺r(shí)氧氣過量，可燃性氣體能夠充分燃燒，用完全反應(yīng)方程式進(jìn)行計(jì)算是合適的。而在爆炸上限時(shí)，可燃性氣體過量，氧氣不足，反應(yīng)不完全，用完全反應(yīng)方程式進(jìn)行計(jì)算誤差較大。
2) 在對(duì)烷烴、烯烴的爆炸下限計(jì)算中，公式(2)的計(jì)算值更接近于實(shí)驗(yàn)值。但是由于公式(2)的氧氣系數(shù)是由有限的可燃性氣體爆炸極限實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得到，對(duì)這些可燃性氣體而言，比其他方法更為準(zhǔn)確，而對(duì)于其他可燃性氣體是否適用尚未確定。因此有一定的局限性。
1.2 復(fù)雜組成可燃混合氣體爆炸極限的計(jì)算
煤層氣屬于由多種有機(jī)可燃性氣體并含有惰性氣體(N2、C02、水蒸氣)組成的混合氣體。其爆炸極限會(huì)受到惰性氣體的抑制作用，使得上限和下限范圍變窄，當(dāng)上限和下限重合時(shí)，即為爆炸臨界點(diǎn)。
對(duì)于這種混合氣體，其爆炸極限理論計(jì)算方法如下：
①將混合氣中氮?dú)夂脱鯕庖钥諝庵械谋壤?N2：02=4：1)扣除；②將剩下的混合氣中的可燃性氣體分別和其中的惰性氣體配對(duì)，將其視為“新”的可燃性氣體(體積為兩種氣體的體積和)；③利用可燃性氣體與惰性氣體的混合爆炸極限圖，分別得到調(diào)整后的“新”可燃性氣爆炸極限；④利用理查特利(Le chatlier)公式計(jì)算得到混合氣體的爆炸極限。
式中L混為混合氣體的爆炸極限；L1，L2，…，Ln為各純組分的爆炸極限；V1，V2，…，Vn為各純組分的體積分?jǐn)?shù)。
以貴州某煤層氣為例，利用以上方法計(jì)算了多組分煤層氣的爆炸上限和下限(見表2)。由表2可以看出，混合氣的爆炸極限與純氣體的爆炸極限有一定區(qū)別。
以上理論計(jì)算是在常溫常壓下，但是實(shí)際操作都是在特定的溫度和壓力下進(jìn)行。岡此需要對(duì)理論計(jì)算值根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修正。
2 爆炸極限的影響因素
2.1 惰性氣體對(duì)爆炸極限的影響
惰性組成在混合氣中發(fā)揮了一種稀釋作用，故在計(jì)算中采取“消元法”來體現(xiàn)這種作用。不同的惰性氣體對(duì)煤層氣爆炸極限的影響有較大差別，C02比N2對(duì)CH4爆炸極限有更大的影響，C02的惰化效果比N2好[6]。
2.2 壓力對(duì)爆炸極限的影響
壓力對(duì)甲烷爆炸上限的影響顯著，對(duì)爆炸下限影響較小。
對(duì)壓力進(jìn)行修正[7]：
LU,p=LU+20.6(lgp+1) (6)
式中LU,p是壓力P時(shí)的爆炸上限；LU是常壓(p=0.1MPa)時(shí)的爆炸上限；p是燃?xì)饨^對(duì)壓力。
對(duì)貴州某煤層氣運(yùn)用式(6)在不同壓力下的爆炸極限進(jìn)行理論計(jì)算，結(jié)果如圖1所示。
從圖1中可以看出，隨著壓力的增大。煤層氣的爆炸上限有著明顯的上升，爆炸極限范圍擴(kuò)大。這是因?yàn)殡S著壓力升高，分子間距減小，分子碰撞概率增大，導(dǎo)致燃燒反應(yīng)更易發(fā)生。
2.3 溫度對(duì)爆炸極限的影響
對(duì)溫度進(jìn)行修正[7]：
LU=LU[1+8×10-4(t-25)] (7)
LL=LL[1+8×10-4(t-25)] (8)
式中LU,t是溫度t時(shí)的爆炸上限；LL,t是溫度t時(shí)的爆炸下限；LU是t=25℃時(shí)的爆炸上限；LL是溫度為t=25℃時(shí)的爆炸下限；t為燃?xì)鉁囟取?/span>
對(duì)貴州某煤層氣采用式(7)和式(8)計(jì)算不同溫度下的爆炸極限，結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯?，隨著溫度的升高，煤層氣的爆炸下限有所下降，而爆炸上限則有所上升，使得爆炸極限范圍增大。這是因?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)，原來不燃的混合氣體成為可燃、可爆氣體，所以溫度升高使爆炸危險(xiǎn)性增大，對(duì)生產(chǎn)安全會(huì)造成極大的威脅。
2.4 綜合溫度、壓力對(duì)煤層氣爆炸極限的影響
對(duì)于爆炸上限，對(duì)溫度、壓力的綜合作用進(jìn)行修正[7]：
式中LL,pt是壓力p、溫度t時(shí)的爆炸上限；LU是常壓(p=0.1MPa)、t=25℃時(shí)的爆炸上限。
圖3給出了溫度和壓力對(duì)爆炸上限的綜合影響?？梢钥闯鲭S著溫度、壓力的提高，爆炸極限范圍增大。在同一溫度下，壓力由0.1MPa升高到1.0MPa，其爆炸極限由15.14%擴(kuò)大到35.74%。在同一壓力下，溫度由25℃升高到160℃，低壓時(shí)，爆炸上限幾乎沒有變化；在高壓時(shí)，爆炸上限由34.79%上升至35.74%?？梢妷毫?duì)爆炸上限的影響甚于溫度對(duì)其的影響。因此，在煤層氣的工業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)盡可能在低壓下操作。
3 結(jié)束語
3.1 理論分析結(jié)果
對(duì)煤層氣中常見的單組分可燃性氣體，按完全燃燒所需要的氧原子數(shù)和按化學(xué)計(jì)量濃度兩種理論方法對(duì)爆炸下限的計(jì)算比爆炸上限更好地接近實(shí)驗(yàn)值，其中按完全燃燒所需要氧原子數(shù)的改進(jìn)方法更為準(zhǔn)確。對(duì)含有多組分的煤層氣，需采用理查特利(Le chatlier)公式法進(jìn)行理論計(jì)算。在實(shí)際操作中，為保證絕對(duì)安全，需要對(duì)溫度、壓力進(jìn)行修正。
3.2 減小爆炸極限范圍的措施
在工業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)盡可能使煤層氣在低溫和低壓條件下操作。將煤層氣中可燃組分濃度控制在爆炸上限之上并留有一定的余量，可以提高生產(chǎn)的安全性。當(dāng)惰性氣體體積分?jǐn)?shù)加大時(shí)，氧體積分?jǐn)?shù)相對(duì)減少，導(dǎo)致爆炸上限大幅度下降。故可采用充氮?dú)獾姆椒ㄟM(jìn)行抑爆。
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(本文作者：黃海仙1 李明1 顧安忠2 石玉美2 1.同濟(jì)大學(xué)化學(xué)系；2.上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所)
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