煤层气利用安全保障技术基础理论研究

Coal bed methane (Coal Bed Methane (CBM)) is a kind of clean energy . In recent years , our country attaches great importance to the exploitation and utilization of coalbed methane .But so far the exploitation and utilization of low concentration coalbed methane have not widely generalize , bottleneck restrictions of which is safety problems . Methane is the main components of coalbed methane , the explosion limit of which is not changeless ,affecting by many factors , such as environmental pressures, environmental temperature and ignition energy , etc . technological conditions change the methane's environmental pressures, environmental temperature, etc during the process of the coalbed methane's exploitation and utilization . consequently, in this process , methane may be within the range of explosion limit and have explosion risk . Therefore this project will research on the basic theory of safety control technology in CBM's utilization from three aspects including theoretical analysis , experimental research and numerical simulation . An insensive study will be made of methane's explosive characteristics and changing regularity in different environmental conditions . On that basis , safety control technology and measures will be put forward of each technological process of CBM's utilization , providing theoretical support for safety control technology in the process of CBM's utilization .

煤层气是一种洁净的能源，近年来，煤层气的开发和利用引起了国家的高度重视。但目前低浓度煤层气的开发利用并未得到广泛推广，其制约瓶颈在于安全问题。煤层气主要成分为甲烷，甲烷爆炸极限不是固定不变的，它受到许多因素的影响，如环境压力、环境温度、点火能量等。在煤层气的开发、利用过程中，由于工艺条件改变了甲烷的环境压力、环境温度等，使得此过程中的甲烷可能处于爆炸极限范围内，具有爆炸危险性。因此，本课题拟从理论分析、实验研究以及数值模拟研究三个方面对煤层气利用安全保障技术基础理论进行研究，主要针对不同环境条件对甲烷的爆炸特性及规律进行深入研究，在此基础上提出煤层气利用各工艺过程的安全保障技术及措施，为煤层气利用过程中的安全保障技术提供理论支撑。

在低浓度含氧煤层气的开发利用过程中，工艺条件复杂，爆炸危险这一安全难题未能得到有效解决，使得煤层气的应用与推广受到严重制约。由于煤层气的主要成分是甲烷，本项目从理论分析、实验研究以及数值模拟研究三个方面对不同环境条件下甲烷的爆炸特性及影响规律进行研究，在此基础上提出其安全保障技术措施，为低浓度含氧煤层气利的开发利用提供了理论支撑。.基于热爆炸理论和链式反应理论，分析了温度、压力和点火能量等环境条件对甲烷爆炸特性的影响机理。通过实验研究，得出了单一环境因素与多因素耦合条件下对甲烷爆炸特性的影响规律。研究表明：环境压力、环境温度以及点火能量对甲烷爆炸特性均有明显影响，得出了各环境参数对瓦斯爆炸极限、最大爆炸压力、最大压力上升速率、点火延迟时间等特征参数的影响规律。在环境压力为1.78MPa时，甲烷爆炸上限增大到23.8%；在点火能量450J的条件下，甲烷爆炸极限范围变为4.85%～16.8%；在环境温度200℃时，甲烷爆炸极限范围变为4.21%～17.7%；富氧条件下，即使在-161℃的超低温环境下也能发生爆炸，且爆炸威力巨大。而多因素耦合比单一因素对甲烷爆炸极限的影响更明显，在环境压力、温度与点火能量两两耦合下，随环境参数值的变大，甲烷爆炸上限的上升幅度比爆炸下限的下降幅度更为明显。.借助CHEMKIN与FLUENT模拟软件对甲烷爆炸过程进行了数值模拟研究，通过温度及主要自由基浓度敏感性分析，确定了影响爆炸反应的主要基元反应；通过爆炸流场的分析，得出不同条件下爆炸温度、爆炸压力以及火焰传播的变化规律，发现环境压力对甲烷爆炸特性的影响最为显著，环境温度的影响次之，点火能量的影响最小。.针对低浓度含氧煤层气的燃烧脱氧、变压吸附以及深冷液化三大主要工艺及其存在的爆炸危险性进行了分析，提出了预防爆炸事故的安全保障技术措施，为低浓度含氧煤层气的开发利用提供了有力的安全保障。