超低温下甲烷爆炸极限分析及实验测试装置设计.pdf

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化工机械
2016年
超低温下甲烷爆炸极限分析及
实验测试装置设计
崔淦李自力付阳赵翔宇
(中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院
摘要国内大量学者对含氧煤层气液化流程中各阶段的爆炸危险性进行了分析评价,而评价过程中
采用的超低温下甲烷的爆炸极限数据都是基于现有的经验公式计算得到的。通过低温下甲烷爆炸极限
实验数据与该等经验公式的计算结果进行对比发现,该等经验公式在计算超低温下甲烷的爆炸极限时
已不再用,因此前人对煤层气液化流程爆炸危险性的评价结果不完全正确。针对现有低温下甲烷爆
炸极限数据的局限性,构建了一套测试超低温工况下甲烷爆炸极服的实验装置,并对实验过程中爆炸容
器的热应力进行了建模分析。研究结果表明:爆炸过程中,容器会产生很大的热应力,超过了材料的许
用应力;在容器体积不变的情况下可通过増加长径比来减小热应力。
关键词煤层气液化流程实验裝置设计超低温甲烷爆炸热应力
中图分类号T050.2
文献标识码
文章编号0254-6094(2016)03-0302-09
随着世界各国对环保的重视、对能源需求的前主要的脱氧技术包括吸附法、膜分离法、燃烧脱
增大,以及石油等传统能源日益紧缺,煤层气作为氧法和低温分离法。其中低温分离法可彻底脱除
种新型的高热值能源(其热偵是通用煤的2~5杂质,产品纯度高,因而较为常用。而且,日前
倍)而被广泛应用。煤层气燃烧后生成二氧化碳由中国煤炭科工集团重庆煤科院、重庆松藻煤电
和水,产生的温室气体和污染远低于煤炭、汽油及有限责任公司和中国科学院理化技术研究所共同
柴油等,可减少温室气体的排放,具有良好的环保建设的低浓度瓦斯深冷液化中试基地以低浓度瓦
效益。我国煤层气资源丰富,是世界上继斯为原料生产液化天然气(ILNC)装置调试成功,
俄罗斯和加拿大之后的第三大煤层气储量国。顺利产出合格ING产品,证明了这一技术方案的
煤层埋深2000m以浅的煤层气资源安全性和可行性9?。在液化过程中气体组成发
总量达36.8×10"m3,约占全世界煤层气总资源生变化,遇到残余重烃液滴、粉尘碰撞产生的零星
量的13%?。我国以前对煤层气采取放空的方火化或外界热源影响时,可能发生燃烧爆炸?。
式,不仅浪费资源,而且污染坏境。现在需要开发现有的研究结果表明,整个煤层气低温工况下危
新的技术来利用这部分能量。但是,抽取的煤层险性较高的是分馏阶段(温度-160~-170℃、
气中会混入空气,甲烷浓度通常在30%~80%范压力0.1~0.3MPa),尤其在分馏塔顶部,甲烷
围内,在利用现有的管道进行加压输送时,存在爆浓度有可能在爆炸极限范围内使得个裝置貝有
炸的隐患,所以迫切需要解决井下抽放的煤层气爆炸危險性。因此,对整个液化流程进行模拟,找
脱氧问题,以提高综合利用价值?。
出貝有爆炸危险性的阶段,并采取一定的安全措
煤层气的脱氧是国内外的一个技术难题。日施,对于提高实际生产的安全性很有必要。
国家科技重大专项大型油气田及煤层气开发(20087X05017-0401),中央高校基本科研业务费专项资金项日
(15CX06071A)
淦,男,1989年1月生,博土研究生。山东省青岛市,266580
第43卷第3期
化工机械
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煤层气液化流程安全性评价
温下的甲烷爆炸极限,并以此为参考进行安全性
1.1评价现状
评价,虽然爆炸柲限经验公式已在常温或高温工
国内诸多学者对煤层气液化流程安全性进行况得到较好的验证,但是在低温工况下是否适用
了分析评价。余国保等针对煤层气开发现状,提口前没有探讨,因此,有必要讨论经验公式在低温
出液环泵加压煤层气的混合制冷剂循环液化新工环境下的适用性。
艺,结合现有的甲烷爆炸极限经验公式,分析计算2爆炸极限经验公式的低温适用性探讨
了煤层气液化全流程中的爆炸极限2。李润之2.1经验公式
等对一简单含氧煤层气的脱氧液化流程工艺进行
影响爆炸极限的因素有很多,如初始温度、压
描述,在理论分析的基础上对整个液化流程中的力及点火源的能量等。当煤层气的成分是甲烷与
各个环节进行爆炸危险性分析,得出相应的安全空气的混合物时,考虑温度和压力的影响,混合物
对策与措施。李秋英等针对某一典型煤层气的爆炸极限计算公式为:
气源条件和组分特点,设计了一种新型的液化精
U=LUm:+20.6(lgp+1)」1+8x10(t-25)(1)
馏工艺流程,结合 ITYSYS软件模拟计算结果和爆
=Lce,[1-8×10-(t-25)]
炸极限理论,对该液化精馏工艺流程的爆炸极限式中ー一某一压力温度下的爆炸下限,%
进行了分析计算,结果表明煤层气中甲烷浓度在
常温常压下甲烷的爆炸下限,%
斥缩、液化和节流过程中都高于爆炸上限,操作过
P初始乐力,MPa;
程安全性比较高,但在精馏塔顶部甲烷浓度开始
初始温度,℃;
低于爆炸上限而导致精馏过程存在安全隐虑?。
Uー一某一压力温度下的爆炸上限,%
马文华等应用扩展的爆炸三角形理论,对一种含
Uc,一常温常压下甲烷的爆炸上限,%。
氧煤层气的低温液化一分馏工艺流程进行了安在煤层气液化流程的乐缩阶段和冷量回收阶
全性分析。通过比较主要节点的组分含量是段,甲烷呈气相,无相变的发生。而在液化、节流
否处于爆炸范围内对流程的安全性进行评价。
及精馏等阶段,因为发生相变,使得甲烷的浓度发
1.2评价方法
生改变,此时,影响屮烷爆炸极限的因素除了温度
以上评价方法都是利用 HYSYS软件对整个和压力条件外,还有气体组成成分的影响。当甲
液化流程进行模拟,得出各个阶段的工况参数烷与空气混合气体中有惰性气体成分存在时,爆
(包括甲烷浓度、温度和压力参数)。由于常温常炸性混合气体可看作被惰性气体稀释的燃气与空
压下甲烷的爆炸极限5%~15%在低温工况下已气的混合物?。液化流程中涉及的气体可以看
不再适用,而这些数据均是采用常温常压、高温高作被氮气稀释的混合气体。根据 Extended Le
压下得出的甲烷爆炸极限经验公式计算得到的低 Chatelier公式可知燃气的爆炸极限为:
U/=1100c
CI
c1n1+(100-Uan,)[0.00122(1-c1)+0.00187(1-1)2-0.00242(1-1)3
20.6(lgp+1)[1+8×10(t-25)
(3)
1-8×104(-25)1
(4)不同低温工况与不同氮气含量下的甲烷爆炸极
0.00187(1-c1
限,并与现有的低温下屮烷的爆炸极限数据进行
式中G1甲烷的摩尔分数
了对比,其对比结果如图1所示
含惰性气体下某一压力温度下的爆
图1中,exp-.(-Ii)和exp-U(-Hi)分别代表
炸下限,%;
LiZM等实验測试的爆炸下限和上限S;exp-L
消耗1md甲烷所需的氧气的摩尔数;(- Karim)代表 Karim G A等实验测试的爆炸下
V"一含惰性气体下某ー一パ力温度下的爆限:exp-U(- herba)代表 Wierzha[等测试的
炸上限,%。
爆炸上限;cal-L.和cal-U分别代表经验公式计
2.2经验公式验证
算的爆炸下限和爆炸上限;r表示可燃气体中惰
利用以上经验公式(3)、(4)计算了常压下,性气体与甲烷的