摘要：煤層氣爆炸極限的準確確定是煤層氣安全開發利用的前提條件。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，因而首先對煤層氣中單組分可燃性氣體爆炸極限的準確確定十分必要。為此，采用按完全燃燒所需要的氧原子數和按化學計量濃度兩種理論方法對煤層氣中常見的單組分可燃性氣體進行計算及分析。結果表明，兩種理論方法對爆炸下限的計算比爆炸上限更好地接近實驗值，其中按完全燃燒所需要氧原子數的改進方法更為準確。然后對含有多組分的煤層氣，采用理查特利(Le Chatlier)公式法進行了理論計算，分析了惰性氣體、壓力、溫度對爆炸極限的影響，與溫度相比，壓力對爆炸上限的影響更大。因此，在煤層氣的開發利用中，應盡可能在低溫和低壓條件下操作。
關鍵詞：煤層氣；甲烷；可燃性氣體；爆炸極限；計算方法；影響因素；抑爆
煤層氣的成分與熱值與常規天然氣類似，可望成為中國21世紀天然氣以外最重要的一種潔凈能源，將是常規天然氣的重要補充[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的頭號元兇，迫切需要對煤層氣爆炸特性進行研究。爆炸試驗有一定的危險性，實驗研究難度很大，利用理論計算則能較好地滿足需求。因此，對井下抽采煤層氣爆炸極限展開理論分析和研究，不僅是預防該類事故的基本前提，而且在理論研究和實踐應用方面也具有現實意義。
目前對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計算、按化學計量濃度計算、按理查特利(Le Chatlier)公式法確定爆炸極限以及純經驗公式。煤層氣爆炸極限與多種因素有關，不僅取決于甲烷濃度、氣量等自身條件，還受到大氣壓力、溫度等方面的影響。掌握外界條件對爆炸極限的影響規律和計算方法，根據實際氣體濃度得到的爆炸極限對工業生產會有明確的指導意義。
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燃氣和空氣的混合物。準確把握單組分爆炸極限的理論計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算
1.1.1按完全燃燒所需要的氧原子數
式中L下限或上限為單組分氣體的爆炸下限或上限；n0為每摩爾有機可燃性氣體完全燃燒時所必需氧原子的物質的量；當計算爆炸下限時，a=b=c=1；當計算爆炸上限時，a=c=4，b=0。
劉彬[5]利用氧氣系數a代替n0，提出了對上述爆炸極限公式的改進方法：
式中A為1mol的有機可燃性氣體完全燃燒時需要的氧氣摩爾量；α為氧氣系數，利用實驗數據回歸得到。當在化學計量濃度時，空氣供給為理論值，α=1；當計算爆炸下限時，空氣供給過量，α=2；當計算爆炸上限時，空氣供給不足，α=1/3。
1.1.2按化學計量濃度
化學計量濃度是可燃性氣體完全燃燒，按化學反應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，立足于這一對應關系，通過實驗數據回歸得到相關系數(η)。即
式中當計算爆炸下限時，η=0.55；當計算爆炸上限時，η=4.8；Cst為燃氣化學計量比濃度(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，A=4.773(是空氣中氧摩爾分數0.21的倒數)；在氧氣中燃燒時，A=1。
利用上述方法對煤層氣中常見有機可燃性氣體(或蒸氣)的爆炸極限進行了計算(見表1)。
由表1結果可以看出：
1) 3種公式對于爆炸下限的計算比爆炸上限更接近實驗值。因為在爆炸下限時氧氣過量，可燃性氣體能夠充分燃燒，用完全反應方程式進行計算是合適的。而在爆炸上限時，可燃性氣體過量，氧氣不足，反應不完全，用完全反應方程式進行計算誤差較大。
2) 在對烷烴、烯烴的爆炸下限計算中，公式(2)的計算值更接近于實驗值。但是由于公式(2)的氧氣系數是由有限的可燃性氣體爆炸極限實驗數據回歸得到，對這些可燃性氣體而言，比其他方法更為準確，而對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 復雜組成可燃混合氣體爆炸極限的計算
煤層氣屬于由多種有機可燃性氣體并含有惰性氣體(N2、C02、水蒸氣)組成的混合氣體。其爆炸極限會受到惰性氣體的抑制作用，使得上限和下限范圍變窄，當上限和下限重合時，即為爆炸臨界點。
對于這種混合氣體，其爆炸極限理論計算方法如下：
①將混合氣中氮氣和氧氣以空氣中的比例(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，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，分別得到調整后的“新”可燃性氣爆炸極限；④利用理查特利(Le chatlier)公式計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數。
以貴州某煤層氣為例，利用以上方法計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別。
以上理論計算是在常溫常壓下，但是實際操作都是在特定的溫度和壓力下進行。岡此需要對理論計算值根據實際情況進行修正。
2 爆炸極限的影響因素
2.1 惰性氣體對爆炸極限的影響
惰性組成在混合氣中發揮了一種稀釋作用，故在計算中采取“消元法”來體現這種作用。不同的惰性氣體對煤層氣爆炸極限的影響有較大差別，C02比N2對CH4爆炸極限有更大的影響，C02的惰化效果比N2好[6]。
2.2 壓力對爆炸極限的影響
壓力對甲烷爆炸上限的影響顯著，對爆炸下限影響較小。
對壓力進行修正[7]：
LU,p=LU+20.6(lgp+1) (6)
式中LU,p是壓力P時的爆炸上限；LU是常壓(p=0.1MPa)時的爆炸上限；p是燃氣絕對壓力。
對貴州某煤層氣運用式(6)在不同壓力下的爆炸極限進行理論計算，結果如圖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，爆炸極限范圍擴大。這是因為隨著壓力升高，分子間距減小，分子碰撞概率增大，導致燃燒反應更易發生。
2.3 溫度對爆炸極限的影響
對溫度進行修正[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時的爆炸上限；LL,t是溫度t時的爆炸下限；LU是t=25℃時的爆炸上限；LL是溫度為t=25℃時的爆炸下限；t為燃氣溫度。
對貴州某煤層氣采用式(7)和式(8)計算不同溫度下的爆炸極限，結果如圖2所示。可以看出，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。這是因為系統溫度升高，其分子內能增加，使更多的氣體分子處于激發態，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性增大，對生產安全會造成極大的威脅。
2.4 綜合溫度、壓力對煤層氣爆炸極限的影響
對于爆炸上限，對溫度、壓力的綜合作用進行修正[7]：
式中LL,pt是壓力p、溫度t時的爆炸上限；LU是常壓(p=0.1MPa)、t=25℃時的爆炸上限。
圖3給出了溫度和壓力對爆炸上限的綜合影響。可以看出隨著溫度、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%擴大到35.74%。在同一壓力下，溫度由25℃升高到160℃，低壓時，爆炸上限幾乎沒有變化；在高壓時，爆炸上限由34.79%上升至35.74%。可見壓力對爆炸上限的影響甚于溫度對其的影響。因此，在煤層氣的工業生產中，應盡可能在低壓下操作。
3 結束語
3.1 理論分析結果
對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和按化學計量濃度兩種理論方法對爆炸下限的計算比爆炸上限更好地接近實驗值，其中按完全燃燒所需要氧原子數的改進方法更為準確。對含有多組分的煤層氣，需采用理查特利(Le chatlier)公式法進行理論計算。在實際操作中，為保證絕對安全，需要對溫度、壓力進行修正。
3.2 減小爆炸極限范圍的措施
在工業生產中，應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，可以提高生產的安全性。當惰性氣體體積分數加大時，氧體積分數相對減少，導致爆炸上限大幅度下降。故可采用充氮氣的方法進行抑爆。
參考文獻
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[4] 許滿貴，徐精彩.工業可燃性氣體爆炸極限及其計算[J].西安科技大學學報，2005，25(2)：139-142.
[5] 劉彬.有機可燃性氣體爆炸極限的推薦計算方法[J].昆明理工大學學報：理工版，2007，32(1)：119-124.
[6] 王華，葛嶺梅，鄧軍.惰性氣體抑制礦井瓦斯爆炸的實驗研究[J].礦業安全與環保，2008，35(1)：4-7.
[7] 嚴銘卿，廉樂明.天然氣輸配工程[M].北京：中國建筑工業出版社，2005：52.
(本文作者：黃海仙1 李明1 顧安忠2 石玉美2 1.同濟大學化學系；2.上海交通大學制冷與低溫工程研究所)
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