毕业论文课题相关文献综述

文献综述1.选题的意义甲烷在自然界的分布很广，甲烷是最简单的有机物，俗名：天然气，沼气。也是含碳量最小（含氢量最大）的烃，也是天然气、沼气、油田气及煤矿坑道气的主要成分。它可用来作为燃料及制造氢气、碳黑、一氧化碳、乙炔、氢氰酸及甲醛等物质的原料。甲烷对人基本无毒，但浓度过高时，使空气中氧含量明显降低，使人窒息。当空气中甲烷达25%-30%时，可引起头痛、头晕、乏力、注意力不集中、呼吸和心跳加速、共济失调。若不及时远离，可致窒息死亡。皮肤接触液化的甲烷，可致冻伤。甲烷也是一种温室气体。GWP的分析显示，以单位分子数而言，甲烷的温室效应要比二氧化碳大上25倍。煤层气又称煤层甲烷或煤层瓦斯，是煤层在其形成演化过程中经生物化学和热解作用所生成，并储集在煤层中的天然气，这使得煤层气可以作为优质民用燃料、工业燃料、化工原料、液化天然气燃料和合成油原料等。煤层气作为民用燃料，和煤炭比较具有热值高、污染小、使用安全等特点，不需庞大的净化处理装置，不腐蚀、不堵塞输气设备。在美国，则是将开采的煤层气经加压后输入天然气管道，然后输向全国各地。煤层气允许进入天然气管道的条件是甲烷浓度要高于95%。煤层气作为工业燃料主要用于发电厂、加工业和汽车工业。煤层气发电可以使用直接燃用煤层气的往复式发动机和燃气轮机，也可用煤层气作为锅炉燃料，利用蒸汽发电。欧洲的很多国家，在多年前就已经应用煤矿抽取的瓦斯进行发电。煤层气富集的地区煤炭资源都十分丰富，附近大都有一些火力发电厂，电网发达，应用煤层气发电可以直接输入电网；煤层气可以作为玻璃厂和冶炼厂的洁净燃料。目前玻璃厂熔炉主要还是以煤炭作燃料，用煤层气作燃料不仅成本低，热值高，而且有利于改善厂区环境，提高产品质量，大幅度提高玻璃厂、冶炼厂的经济效益；汽车用压缩天然气的技术指标为甲烷浓度必须达到90%～100%，乙烷以上的烷烃含量不超过6.5%。煤层气中甲烷成分占绝对优势，浓缩后甲烷浓度可达95%以上，乙烷以上的烷烃含量极少，因此，煤层气非常适合于生产汽车用压缩天然气，还可以与柴油混合制成车用混合燃料。甲烷是一种重要的化工原料，可以用来合成多种化学产品，如合成氨、甲醇、乙炔、硝基甲烷、氢气等，大约有20多种，加上二次加工后的五六十种产品，合计近百种化工产品，涉及国民经济的许多领域。因为由于混入空气，氧气含量在5-10%左右，而氧气是一种可燃性助剂，煤层气中混入氧气使得煤层气的贮存、运输、使用等存在一定的困难。这就需要对甲烷进行提纯。2.甲烷的性质2.1物理性质甲烷物理性质：甲烷是无色、可燃和无毒的气体。沸点为-161.49℃。甲烷对空气的重量比是0.54，比空气约轻一半。甲烷溶解度很少，在20℃、0.1千帕时，100单位体积的水，只能溶解3个单位体积的甲烷2.2化学性质取代反应甲烷的卤化中，主要有氯化、溴化。甲烷与氟反应是大量放热的，一旦发生反应，大量的热难以移走，破坏生成的氟甲烷，只得到碳和氟化氢。因此直接的氟化反应难以实现，需用稀有气体稀释。碘与甲烷反应需要较高的活化能，反应难以进行。因此，碘不能直接与甲烷发生取代反应生成碘甲烷。但它的逆反应却很容易进行。以氯化为例：可以看到试管内氯气的黄绿色气体逐渐变淡，有白雾生成，试管内壁上有油状液滴生成，这是甲烷和氯气反应的所生成的一氯甲烷、二氯甲烷、氯仿（或三氯甲烷）、四氯化碳（或四氯甲烷）、氯化氢和少量的乙烷（杂质）的混合物。CH4 Cl2→（光照）CH3Cl（气体） HClCH3Cl Cl2→（光照）CH2Cl2（油状物） HClCH2Cl2 Cl2→（光照）CHCl3（油状物） HClCHCl3 Cl2→（光照）CCl4（油状物） HCl试管中液面上升，食盐水中白色晶体析出，这是反应中生成的氯化氢溶于水的缘故。因为氯化氢极易溶于水，溶于水后增加了水中氯离子的浓度，使氯化钠晶体析出。用大拇指按住试管管口，提出液面，管口向上，向试管中滴入紫色石蕊试液或锌粒，可验证它是稀盐酸。如果控制氯的用量，用大量甲烷，主要得到氯甲烷；如用大量氯气，主要得到四氯化碳。工业上通过精馏，使混合物一一分开。以上几个氯化产物，均是重要的溶剂与试剂。特点：①在室温暗处不发生反应；②髙于250℃发生反应；③在室温有光作用下能发生反应；④用光引发反应，吸收一个光子就能产生几千个氯甲烷分子；⑤如有氧或有一些能捕捉自由基的杂质存在，反应有一个诱导期，诱导期时间长短与存在这些杂质多少有关。根据上述事实的特点可以判断，甲烷的氯化是一个自由基型的取代反应。氧化反应甲烷最基本的氧化反应就是燃烧：CH4 2O2→CO2 2H2O甲烷的含氢量在所有烃中是最高的，达到了25%，因此相同质量的气态烃完全燃烧，甲烷的耗氧量最高。点燃纯净的甲烷，在火焰的上方罩一个干燥的烧杯，很快就可以看到有水蒸气在烧杯壁上凝结。倒转烧杯，加入少量澄清石灰水，振荡，石灰水变浑浊。说明甲烷燃烧生成水和二氧化碳。把甲烷气体收集在高玻璃筒内，直立在桌上，移去玻璃片，迅速把放有燃烧着的蜡烛的燃烧匙伸入筒内，烛火立即熄灭，但瓶口有甲烷在燃烧，发出淡蓝色的火焰。这说明甲烷可以在空气里安静地燃烧，但不助燃。用大试管以排水法先从氧气贮气瓶里输入氧气2/3体积，然后再通入1/3体积的甲烷。用橡皮塞塞好，取出水面。将试管颠倒数次，使气体充分混和。用布把试管外面包好，使试管口稍微下倾，拔去塞子，迅速用燃着的小木条在试管口引火，即有尖锐的爆鸣声发生。这个实验虽然简单，但也容易失败。把玻璃导管口放出的甲烷点燃，把它放入贮满氯气的瓶中，甲烷将继续燃烧，发出红黄色的火焰，同时看到有黑烟和白雾。黑烟是炭黑，白雾是氯化氢气体和水蒸气形成的盐酸雾滴。加热分解在隔绝空气并加热至1000℃的条件下，甲烷分解生成炭黑和氢气CH4=（1000℃）=C 2H2氢气是合成氨及汽油等工业的原料；炭黑是橡胶工业的原料形成水合物甲烷可以形成笼状的水合物，甲烷被包裹在笼里。也就是我们常说的可燃冰。它是在一定条件（合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、PH值等）下由水和天然气在中高压和低温条件下混合时组成的类冰的、非化学计量的、笼形结晶化合物（碳的电负性较大，在高压下能吸引与之相近的氢原子形成氢键，构成笼状结构）。它可用mCH4nH2O来表示，m代表水合物中的气体分子，n为水合指数（即水分子数）。可燃冰主要储存于海底或寒冷地区的永久冻土带，比较难以寻找和勘探。新研制的灵敏度极高的仪器，可以实地即时测出海底土壤、岩石中各种超微量甲烷、乙烷、丙烷及氢气的精确含量，由此判断出可燃冰资源存在与否和资源量等各种指标。甲烷含量超过99%的天然气水合物又称为甲烷水合物

3.生产工艺简介含氧煤层气（又称瓦斯气），是煤矿在开采过程中为防止瓦斯爆炸和突出，保证煤矿安全生产而在矿井下抽排出的煤层气，由于在抽采过程中煤层穿透部分空气而使该煤层气抽采出来时含有大量的空气。因此它与在地面抽采的煤层气不一样，地面抽采的煤层气与常规天然气组成基本相同。煤层气是一种热值高、无污染的新能源，其热值与天然气相当，燃烧后很洁净，几乎不产生废气。是非常宝贵的清洁能源和化工原料。由于在采煤过程中抽排的瓦斯中甲烷含量相对偏低，其组成份中含有10%至16%（甚至更高）的氧，严重制约了含氧煤层气的综合利用。我国目前在采煤过程中抽排的含氧煤层气，折合纯甲烷量每年达到数百上千亿标方，相当于常规天然气量，但由于受种种条件限制，除少数矿区通过管道输送周围民用或就地发电外，大部分直接排入大气，不仅造成巨大的资源浪费，且使大气污染严重。3.1含氧煤层气分离工艺为了有效提高煤矿开采的安全性，减少瓦斯气的直接对空排放，促进经济可持续发展及开发高效、经济的清洁能源，解决城市及边远地区和乡镇的燃气应用问题，常见的含氧煤层气分离技术有含氧煤层气直接分离和脱氧分离两种。3.1.1含氧煤层气直接分离1变压吸附法变压吸附（PressureSwingAdsorption--PSA）技术是有效的气体分离提纯方法，自20世纪80年代以来已广泛用于石油、天然气、化工的气体分离工业，其原理是基于压力和循环条件在加压时完成气体混合物的分离，在低压时完成吸附剂的再生，用部分产品气作为脱附冲洗气。矿井抽放煤层气各组分气体（包括少量杂质组分）在吸附剂上的吸附活性排序为H2N2CH4、COCO2H2O、有机物等。对煤层气经过预净化处理除去了H2O、CO2等杂质的抽采瓦斯。可看成是CH4和空气的混合气体。以CH4/空气或CH4/N2表示。国外对CH4/N2体系的PSA研究，几乎都是采用CMS为吸附剂，对应以动力学效应进行分离浓缩CH4，但是这些不多的研究主要针对天然气或是油田气，而针对煤矿瓦斯的研究非常少。CH4和N2的吸附性太接近，导致从矿井抽放煤层气中分离提纯CH4难度特别大。目前国内的煤层气净化浓缩技术研究主要借助于天然气工业的研究成果。早在1983年，西南化工研究院在河南焦作矿务局安装了瓦斯的变压吸附分离浓缩CH4的示范装置，以活性炭为吸附剂，采用通常的Skarstrom循环步骤，能够将瓦斯中甲烷的浓度从30.4%提高到63.9%；增加置换步骤，还可以使瓦斯中甲烷的浓度提高到93.7%。但当时考虑含氧煤层气分离时对甲烷的爆炸问题过于乐观，技术全面性考虑不足，虽然在示范装置运行期间没有发生事故，但甲烷爆炸的问题始终存在，因而在运行一段时间后很快中止了该模型的继续运行。1983年西南化工研究设计院在河南焦作进行含氧煤层气变压吸附分离实验后，对含氧煤层气的应用进行了全面的研究，申请了多项专利。本着安全第一的原则，坚持含氧煤层气必须先脱氧再进行分离。脱氧后的煤层气经PSA分离后甲烷浓度达到60%以上，收率大于90%，这样的煤层气（O2＜0.5%，CH4＞60%）可直接液化制LNG。2膜分离法薄膜分离法有不少优点，不需要发生相态的变化，设备简单，占地面积小，可连续运行。但气体各组分对薄膜的渗透能力不同，其渗透量与组分的渗透系数有关、与渗透膜的面积有关、与膜两侧的气体组分的分压差也有关。在分离中造成了产品气的损失，而且过高的压力会对混合气产生安全隐患，不适合在含氧煤层气分离采用。3含氧煤层气直接液化中国科学院理化技术研究所与北京赞成国际投资公司和阳煤集团合作，开展了含氧煤层气低温液化分离实验研究，其原理是先将气体混合物冷凝为液体，然后再按各组分蒸发温度的不同将它们分离，分离过程在低压和低温下进行，可直接制得LNG。虽然该方法甲烷的收率较高，但煤矿排出的瓦斯气氧含量波动范围较大，分离过程中由于CH4-O2爆炸范围决定了安全问题永远存在隐患。当管道部分地方因某种原因产生火花或静电以及温度压力突变时就有爆炸的可能，该方法的安全性还有待在实际生产中得到检验。3.1.2脱氧后分离常温常压下，甲烷在空气中的爆炸极限在5～15%之间，因此直接利用煤矿瓦斯具有一定的危险性。由于煤层气易爆的特性，限制了煤层气的综合回收利用。目前国内煤层气仅有少量用于发电，或就近作为民用燃料。煤层气有效利用方式为：对于高品质煤层气（CH4≥95%），可直接当作天然气使用，用作燃料或化工原料；对于中等浓度的含氧煤层（CH430%），经脱氧已符合国家城市燃气标准，产品气可作为城市燃气，第二步经变压吸附或深冷法进行提纯，得到甲烷含量大于95%以上的浓缩气，产品可作为工业和民用燃料CNG或LNG；对于低品质的煤层气（CH430%），可直接发电。目前我国排放的煤层气主要为中等甲烷浓度的含氧煤层气，西南化工研究设计院本着安全生产、以人为本的原则，主张含氧煤层气在浓缩前须先进行脱氧，并在此领域进行了多年研究，取得了一系列研究成果，发了焦炭法脱氧、贵金属催化剂催化脱氧、耐硫性催化剂催化脱氧三种工艺，利用西南院雄厚的工程开发力量，借助其它类似的工艺方法，已可工业化。1焦炭法脱氧焦炭法脱氧是在高温条件下，含氧煤层气中的氧与焦炭反应，同时少量的甲烷发生裂解产生氢和碳又与氧反应，从而达到从含氧煤层气中除氧的目的。反应温度控制在650～850℃，一般为700～800℃，如反应温度低于550℃时，则反应不进行。反应温度偏低，含氧煤层气脱氧不完全，焦炭燃烧也不完全，焦炭耗量增大；在温度高于900℃时，甲烷裂解程度急剧变大。所以为了保证脱氧达到要求，焦炭燃烧得较为完全，甲烷裂解不致过大，选择的最佳反应温度范围为700～800℃。又因焦炭与氧反应、甲烷与氧反应，均是强放热反应，因此在工艺流程上，将反应后的气体循环一部分至反应前与原料气混合，通过控制含氧煤层气氧含量，从而达到控制适宜的反应温度的目的。焦炭法脱氧的优点在于约70%的氧与焦炭反应，30%的氧与甲烷反应，因此对甲烷的损失较小。而缺点在于此法要消耗资源焦炭，焦炭的消耗成本约为整个运行费用的50%左右。另外焦炭中含有硫，焦炭含硫量随着制备焦炭的煤的不同而随之改变。通常情况下脱氧后的脱氧气中硫含量≤150mg/m3。因此必须进行脱硫，也相应增加了运行成本；焦炭脱氧后的脱氧气需经过水洗，此水洗后的水中含有硫化物，虽然可以循环利用，但总要排出一部分，因此也产生了含硫废水排放的问题；且焦炭法脱氧其加焦出渣，劳动强度大，环境灰尘较大，难以实现自控操作。焦炭法脱氧因气体中补充了碳适用于煤层气制甲醇。2贵金属催化剂催化脱氧贵金属催化脱氧是在一定的温度条件下，含氧煤层气中的氧在催化剂的存在下与甲烷反应，从而达到脱氧的目的。西南化工研究设计院研究开发了贵金属脱氧催化剂，由于含氧煤层气含有少量的硫化物主要是H2S，根据煤矿不同，硫含量不同，硫会导致催化剂中毒而引起失活。因此，要在反应前先进行脱硫，再进行催化脱氧。反应温度在250～350℃，而甲烷与氧反应是强放热反应，因此在工艺流程上，将脱氧反应后的气体循环一部分至反应前与原料气混合，控制一定的氧含量来控制反应温度，以保证反应温度不致过高，从而避免催化剂被烧结而使活性下降。贵金属催化剂催化脱氧优点在于催化剂活性较强，脱氧后气体中氧基本除尽，工艺操作简便，便于自动控制，且脱氧反应温度较低，设备简单，而不足之处在于催化剂价格较贵。因此在煤层气甲烷含量≥70%，氧含量相对较小时选用此方法。如氧含量过高，为控制反应温度，则循环量增大，能耗增大，造成脱氧成本增大。另外，硫对贵金属催化剂有毒害作用，因此要在脱氧反应前先进行脱硫，这样也导致了脱氧成本增大。贵金属催化剂催化脱氧适宜处理甲烷含量＞70%，氧含量＜4%的煤层气，如氧含量过高，为控制反应温度，则循环量增大，能耗增大，造成脱氧成本增大。3耐硫型催化剂催化脱氧综合上述两种方法的优缺点，西南化工研究设计院开发了耐硫性脱氧催化剂，此工艺是在常压和一定温度的条件下，含氧煤层气通过催化剂床层，其中的甲烷与氧反应，从而达到除氧的目的。温度一般控制在400～700℃。甲烷与氧反应是强放热反应，每消耗1%的氧气，反应放热使床层的绝热温升约90～100℃，为此将脱氧后的气体循环一部分与原料煤层气混合，以调节进入反应器之前气体的含氧量，从而达到控制反应温度的目的。因此低氧含量和高氧含量的煤层气都能适用。此方法的优点是催化剂具有耐硫性，且一般煤矿煤层气含硫量≤10mg/m3，所以此方法可以不用预先脱硫，因而节省了脱硫此一环节的处理费用。由于催化剂选用的是非贵金属催化剂，因此催化剂的价格大幅下降；此工艺操作简便，便于自动控制，设备简单。与焦炭法相比，该方法省却了水洗过程，因而没有含硫废水的排放，避免了二次污染，且焦炭法脱氧加焦出渣，劳动强度大，环境灰尘较大，占地面积大，且无法实现自控操作。三种煤层气脱氧工艺的运行成本，其中贵金属催化剂催化脱氧成本最高，焦炭法脱氧次之，耐硫性催化剂脱氧处理费用最低，其运行成本比焦炭法下降约20%。反应后高温气体的热量可以通过废热锅炉回收利用，反应过程中虽然消耗了甲烷，但可以产生蒸汽，这有利于降低生产成本。3.2工艺选择本课题采用变压吸附工艺分离回收瓦斯气中的甲烷经压缩或液化制取车用CNG。该工艺使用三种专用吸附剂，在40-60℃、3kPa-0.7MPa压力条件下，将煤矿瓦斯原料气通过三级变压吸附（吸附塔内分别装填30-DKT、DKT612、DKT611吸附剂，甲烷的回收率为95%以上）进行富集、脱氧、浓缩，最后将提纯后的甲烷经压缩到25.0MPa制成产品CNG，整个工艺过程甲烷的回收率为95%以上。本课题生产过程属于密闭的连续的物理分离过程，设计工艺路线短，操作控制条件温和，自动化程度高；原料为低浓度煤矿瓦斯气，为降低碳排放、改善当地的大气环境做出贡献。该工艺与催化脱氧工艺比较具有流程短、装置占地小、运行费用低、甲烷产率高、操作条件温和、无副产物生产、无化学变化等优点。此方法采用了变压吸附工艺分离瓦斯气中的氧气和氮气，既避免了催化脱氧法中的副产物CO、CO2分离问题，又避免了瓦斯气直接深冷液化法中装置庞大和安全问题，使分离过程变得简单。3.2.1工艺流程1瓦斯气富集工段来自瓦斯抽放站储气柜的瓦斯气压力为2-4kPa，常温，甲烷浓度35%左右经管道送入界区内。从管道输送来的原料瓦斯气进入界区后，先经过瓦斯气管道上设置的紧急切断阀、过滤器、计量装置。经过计量的瓦斯气通过水封后，原料瓦斯气分成A/B两路，A路瓦斯气8500m3/h经过水环式瓦斯气加压机（C101A-B）升压至0.15MPa.（G），升压后的瓦斯气再经过分液罐、丝网除沫器（V102）除去游离水分。脱水后的瓦斯气经过程控阀门，由变压吸附富集塔T201A/B/C/D/E/F中的任意两台的底部进入富集塔进行吸附，吸附塔内装填的吸附剂为30-DKT和DKT612，瓦斯气中的甲烷被塔内的吸附剂吸附，未被吸附的空气（氮、氧）通过塔顶放空，放空尾气中的甲烷含量小于2%。当吸附塔内的吸附剂吸附甲烷饱和后在程控阀的控制下，通过富集真空水环泵P201A/B/C均压、解吸出吸附剂中的甲烷，同时吸附剂得到再生。解吸气中的甲烷含量大于50%，解吸甲烷气与B路原料瓦斯气4000m3/h进入富集气罐（V301）混合、脱水，混合气甲烷浓度大于40%，体积10920m3。此工段由六塔吸附、均压、解吸交替进行，实现连续运行。2瓦斯气脱氧工段来自富集工段富集罐（V301）的混合气进入喷水螺杆压缩机（C301A-D）加压至0.7MPa.（G），然后进入冷却器（E301）冷冻到2-3℃，进入丝网除沫器（V102），将混合气中90%以上的水分冷凝脱除。混合气脱水后进入一级换热器升温至40℃后经过程控阀门，由变压吸附脱氧塔T401A/B/C/D/E/F中的任意一台的底部进入脱氧塔进行吸附，吸附塔内装填的吸附剂为30-DKT和DKT611，瓦斯气中的氧气和部分氮气被塔内的吸附剂吸附，未被吸附的氮气、甲烷通过塔顶气体进入脱氧气罐（V402）储存、中转并进入浓缩工段，其间三个吸附塔和均压罐经过三次均压，一个塔解吸。当吸附塔内的吸附剂吸附氧气饱和后在程控阀的控制下，通过脱氧真空水环泵P401A/B/C与均压罐（V401）的均压、解吸出吸附剂中的氧气，同时吸附剂得到再生。初期解吸气中的甲烷含量大返回富集工段重新富集，后期解吸气甲烷含量低（富氧气）直接放空。此工段由六塔吸附、均压、解吸交替进行，实现连续运行。3甲烷浓缩工段来自脱氧工段脱氧气罐（V402）的脱氧甲烷气体由变压吸附浓缩T501A/B/C/D/E/F中的任意一台的底部进入浓缩塔进行吸附，吸附塔内装填的吸附剂为30-DKTDKT612，脱氧气中的甲烷被塔内的吸附剂吸附，未被吸附的氮气通过塔顶直接放空。当吸附塔内的吸附剂吸附甲烷饱和后在程控阀的控制下，通过无油真空泵（P501A/B/C/D/E/F）解吸出吸附剂中的甲烷，同时吸附剂得到再生。解吸气中的甲烷通过冷却器（E501）冷却、脱去水分，脱水后进入甲烷缓冲罐（V501）送入CNG压缩充装工段。4CNG压缩、充装工段来自浓缩工段甲烷缓冲罐（V501）中的甲烷气经过无油往复式压缩机（C601A-C）一级压缩后压力达到0.75MPa，然后进入干燥装置，脱去其中的水分，使其露点达到或低于国家汽车用标准(即标准状态下-65℃)，干燥后的气体经缓冲罐（V601）进入二级无油往复式压缩机（C701A-E），经过多级增压后，压力达到25MPa，级间气体通过水冷却器和油水分离器后进入下一级。压缩后的高压气体经过压缩机过滤后，通过优先顺序控制盘通向储气井。5产品贮运系统CNG产品直接充入天然气储气井进行储存、中转，CNG储气井10根，总储量10000Nm3，产品储存周期5小时。产品委托专业运输公司采用专门的CNG储罐运输车运输，单台CNG运输车可运约4000Nm3CNG，罐车的设计压力为25MPa，实际装运为22MPa左右。3.2.2主要工艺装置、设备及选材本工艺共有设备90台（套）。其中机泵38台（套），非标设备46台（套）。本工艺的主要设备可见表3-1。表3-1主要设备一览表序号设备名称技术规格数量（台/套）选材一塔类1富集吸附塔塔型：填料塔规格：Φ2400mm11600填料高度：H=9400mm吸附剂：30-DKTAL吸附剂：DKT6126Q345R2脱氧吸附塔塔型：填料塔规格：Φ2200mm11000填料高度：H=8400mm吸附剂：30-DKTAL6Q345R3浓缩吸附塔塔型：填料塔规格：Φ240011500mm填料高度H：9200mm6Q345R二容器类1原料气水封类型:水封槽规格:□15001500H=4000mm1Q245R2原料分液罐塔型:立式容器规格:DN200025m3H=9500mm1Q345R3富集气分液罐塔型:立式容器规格:DN10003.5m3H=5000mm1Q345R4富集气罐塔型:立式容器规格:DN240040m3H=10200mm1Q345R5冷冻气分液罐塔型:立式容器规格:DN8002.0m3H=5000mm1Q345R6脱氧均压罐塔型:立式容器规格:DN240040.0m3H=10200mm1Q345R7脱氧气缓冲罐塔型:立式容器规格：DN140010.0m3H=7600mm1Q345R8真空缓冲罐塔型:立式容器规格：DN10001.0m3H=3000mm2Q345R9甲烷缓冲罐塔型:立式容器规格:DN240050.0m3H=13000mm1Q345R10一级换热器102m212011冷却器102m2130412甲烷冷却器60m21Q345R三动力设备1煤层气加压机形式：水环式型号：2BEC500加压气量：8500Nm3/h进气压力：5KPa排气压力：150KPa配套电机：防爆dⅡCT42IP54电机功率：350KW2组合件2富集煤层气真空泵形式：水环式型号：2BEC420抽气量：8000Nm3/h进气压力：-70～10KPa排气压力：20KPa配套电机：防爆dⅡCT4IP54电机功率：180KW3组合件3富集煤层气压缩机进气压力：5KPa排气压力：0.7MPa配套电机：防爆dⅡCT4IP54电机功率：400KW4组合件4脱氧真空泵形式：水环式真空泵型号：2BEC400抽气量：6000Nm3/h进气压力：-70～10KPa排气压力：常压配套电机：防爆dⅡCT4IP54电机功率：110KW3组合件5浓缩甲烷真空泵形式：无油往复式型号：WLW-1200B抽气量：4320Nm3/h进气压力：0～0.07MPa排气压力：0.02MPa配套电机：防爆dⅡCT4IP54电机功率：110KW5组合件6富集煤层气螺杆式冷冻机组形式：螺杆式冷冻机组型号：YSLG16F处理气量：10000Nm3/h1组合件7CNG压缩机（一级）形式：无油往复式型号：H-38/5JX压缩气量：2250Nm3/h进气压力：～0.01MPa排气压力：0.75MPa配套电机：防爆dⅡCT4IP54电机功率：～250KW3组合件8CNG压缩机（二级）形式：无油往复式型号：Z-4.55/5-250压缩气量：1150Nm3/h进气压力：～0.5MPa排气压力：25.0MPa配套电机：防爆dⅡCT4IP54电机功率：～185KW5组合件9循环水泵形式：双吸离心泵型号：8SH-9A流量：270m3/h扬程：46m电机功率：55kw3组合件10热水泵形式：双吸离心泵型号：6SH-9A流量：180m3/h扬程：35m电机功率：30kw2组合件11凉水塔形式：玻璃钢冷却塔处理能力：300m3/h电机功率：22kw2组合件12仪表空压机形式：空气压缩机型号：压缩气量：228m3/h电机功率：22kw1组合件13氮气站空压机形式：空气压缩机型号：907压缩气量：228m3/h电机功率：90kw1组合件

3.2.3管道系统管道输送的介质包括仪表用空气、氮气、冷冻盐水、软水、工业上水、循环水等公用介质和煤矿瓦斯气、CNG等工艺物料。装置中输送仪表用空气、氮气的管道为压力管道。装置中输送煤矿瓦斯气、CNG气体，毒性分类为轻度，火灾危险性分类为甲类。装置中输送冷冻盐水，无毒，不燃，管道为压力管道。

4.危险性分析4.1工艺过程及设备的危险、有害因素分析1）火灾爆炸危险性分析（1）危险物质危险、有害因素分析煤层气的主要成分甲烷属一级可燃气体,具有甲类火灾危险性,爆炸极限为5%-15%,最小点火能量仅为0.28mJ，燃烧速度快,燃烧热值高,对空气的比重为0.55,扩散系数为0.196,极易燃烧、爆炸,并且扩散能力强,火势蔓延迅速,一旦发生火灾难以施救。因此，煤层气具有易燃易爆的特性，当煤层气与空气混合达到一定的浓度范围时,就会形成爆炸性混合气体。1m3煤层气爆炸当量相当于6-12kgTNT炸药,稍有泄漏,遇上明火,都会发生威力巨大的爆炸。（2）工艺分析甲烷在储存、运输、装卸、使用、生产过程中若有关人员缺乏对物质燃烧爆炸的了解，未按有关规定作业或管理不到位，存在火灾爆炸危险。整个工艺流程中，没有化学反应，是一个纯粹的物理过程。生产过程中的操作条件多为中、高压，低温范围。尽管生产过程在密闭系统进行，但在发生事故、检修或装置区内水封水位控制不当，都有可能使甲烷气体跑出来与空气混合形成爆炸性混合气体，遇火星或激发能源发生爆炸。按生产单元进行危险源分析如下：①原料气部分原料气是难以控制的一个环节，因为来气通常都是从矿井下抽采的煤层气，并附加一定的压力，特别是低浓度煤层气在输运过程中存在极大的爆炸危险性，为与之连接的变压吸附装置也带来安全隐患。而且井下抽采的煤层气可能含带煤尘颗粒，若煤尘带有爆炸性，遇到一定的能量也可能发生爆炸。②煤层气加压单元根据流程显示，当原料气中甲烷含量低于20%时将通过水环压缩机进行压缩，此时的温度控制在50℃，加压为100150KPa，此时的甲烷气体是处于爆炸极限范围内的，如遇到点火源和静电、高温存在爆炸危险性。③吸附富集单元压缩后的气体经气水分离后进入富集系统，利用低压变压吸附装置，吸附剂选择性吸附甲烷，其它气体组分直接排出，排出的气体中甲烷的含量约0.9%。在这一过程中，甲烷的体积浓度在爆炸极限范围内，存在爆炸危险性。该单元内没有电气火花的产生，但是要防止静电积累和高温。吸附装置吸附的甲烷通过抽真空方式回收甲烷，其甲烷含量在50-60%（依据原料瓦斯气中甲烷含量而定，若原料瓦斯气中甲烷含量在20%，此时真空解吸的甲烷含量在45%左右），这一真空解析过程中甲烷浓度不确定，在爆炸极限范围之内，因此也存在爆炸危险性。④混合气体压缩单元富集后的气体与原料气混合进行压缩，此时的甲烷浓度在40%以上，环境压力为0.7MPa，混合气体浓度并不在爆炸极限范围之内，但发生泄漏，导致与空气混合就可能达到爆炸极限。⑤脱氧单元：经过压缩后的混合气体再到变压吸附脱氧装置，气体进入该装置后，在吸附剂的吸附作用下，将瓦斯气中的氧气吸附，气相中的氧气含量逐渐降低，最终使氧气含量小于1%的气体从吸附剂的出口排出。在这一过程中，没有温度的变化，甲烷浓度也不在爆炸极限范围之内，但发生泄漏，导致与空气混合就可能达到爆炸极限，如遇到点火源和静电、高温存在爆炸危险性。⑥脱氮单元：这一过程类似于脱氧单元，而且混合气体中氧气含量小于1%，但发生泄漏，导致与空气混合就可能达到爆炸极限，如遇到点火源和静电、高温存在爆炸危险性。⑦气体放空单元如排空口遭受雷击，或者外火进入系统，可能导致火灾爆炸事故。（3）相关设备火灾爆炸危险性分析存在火灾爆炸危险的设备有脱硫塔、瓦斯气富集塔、瓦斯气脱氧塔、甲烷浓缩塔、CNG储气井（柜）、储存中转中低压甲烷的缓冲罐、压力管道等。脱硫塔、瓦斯气富集塔、瓦斯气脱氧塔、甲烷浓缩塔、CNG储气井（柜）、储存中转中低压甲烷的缓冲罐：在设计、制造中有缺陷，或制造材质不符合要求，会导致在使用过程中出现金属材质疲劳现象，使金属强度降低，产生裂缝，发生爆裂，容器内的甲烷喷出与空气混合形成爆炸性混合气体，遇火星或激发能源发生爆炸事故。工艺过程处于带压状态,工艺设备容易造成泄漏,气体外泄可能发生地点很多,管道焊缝、阀门、法兰盘、压缩机、干燥器、回收罐、过滤罐等都有可能发生泄漏。泄漏气体一旦遇引火源,就会发生火灾和爆炸。2）静电事故CNG因其中含有固体、液体杂质,从管道口(破损处)高速喷出时,会在强烈摩擦下产生大量的静电。输送过程中时,气体在管道中高速流动,也容易产生静电火源。穿化纤布料衣服、高绝缘鞋的人员在操作、行走、起立时会产生静电。工艺过程中产生的静电可能引起爆炸和火灾,也可能给人以电击,还可能妨碍生产。3）中毒生产作业过程中因各种原因泄漏出的甲烷，会引起中毒危害，空气中天然气浓度过高时，人可因缺氧而头疼、呼吸困难，甚至昏迷、窒息而死。而当其泄漏到操作环境中时，会造成窒息危害。短期接触：轻度头痛、头晕、呕吐、乏力。重度昏迷、醒后可有脑水肿，引起失语、偏瘫。长期接触可导致神经衰弱综合症。吸入高浓度天然气具有麻醉作用，发生事故时由于空气中氧分压的下降引起窒息。火灾爆炸事故中，危险物质燃烧、爆炸后产生新的毒物，如一氧化碳、二氧化碳等毒物，在抢救过程中，如果缺乏有效的保护，存在中毒危险。4）噪声危害性工艺过程的噪声主要来自压缩机、真空泵、制冷机、各种水泵等。持续接触高强度的噪声，对作业人员的健康有害。5）腐蚀（1）电化学失重腐蚀煤层气可能会含有少量硫，金属和含硫天然气接触发生电化学反应，使金属表面形成蚀坑、斑眯和大面积腐蚀等现象，造成设备减薄、穿孔、甚至引起爆炸。如某输气管线使用16MΩΦ6308螺纹管焊接管，由于管内低凹处积水，形成电化学失重腐蚀，造成两次爆破事故，其中一次通气仅8个月就使8mm厚的管壁成薄为0.5mm，引起爆破。（2）氢脆和硫化物应力腐蚀破裂氢脆就是金属在含硫天然气作用下，由电化学反应过程中产生的氢，渗入金属内部，使材料变脆。硫化物应力腐蚀破裂是金属在含硫天然气和固定应力两者同时作用下产生的破裂。4.2输气管道的危险、有害因素分析输气管道的主要危险是管道泄漏造成的火灾、爆炸危险。在采用压力管道输送煤层气时，由于有大量O2,H、S、CO等杂质的存在以及煤层气加压时伴有温度的升高，因此可能存在煤层气在爆炸极限范围内运行的情况。当出现事故时，天然气集输气管道释放出的天然气可能带来下列危害：天然气若立即着火即产生燃烧热辐射，在危险距离内的人会受到热辐射伤害；天然气未立即着火可形成爆炸气体云团，遇火就会发生爆炸，在危险距离以内人会受到爆炸冲击波的伤害，建筑物会受到损坏。工艺过程中管道主要造成泄漏的主要原因有：1）腐蚀作用煤层气本身含有一定成分的二氧化碳、水等组分。在一定条件下对管道内壁具有一定的内腐蚀作用。2）地质灾害因素地质灾害因素包括沙土移动,黄土湿陷,滑坡,泥石流,洪水,地面沉降,砂土液化等。3）第三方破坏因素人类活动，如开荒、基建等提高了管道风险的水平。4）管子、管件危险有害因素目前，国内除公称直径较小（一般为DN150以下）的输送管道采用无缝钢管外，其它都采用螺旋缝埋弧焊钢管这种钢管焊缝长度较长，焊缝产生缺陷的概率高捍缝受力情况复杂，内壁存在较大的拉应力；并且几何尺寸不稳定，装配、焊接后易形成错边、棱角等在运行过程中受压力、热应力等载荷作用，加上管道内部介质和外部土壤的腐蚀，将造成腐蚀或应力腐蚀、疲劳或腐蚀疲劳等失效弯头等管件受介质冲刷、热胀冷缩产生变形而可能产生事故隐患。在运行过程中，管线内外部严重腐蚀，气温突然变化，管线急剧膨胀或收缩；管线受外力压轧、打击等，都将造成事故。4.3各工段存在的危险、有害因素分布煤层气生产设备和管道较多，控制较复杂，，存在如火灾、中毒、爆炸、有害物料泄漏等潜在风险和危害。主要危害场所为生产装置区、罐区和辅助区，主要的危险、有害因素包括中毒、火灾、爆炸、冻伤等，详见表4-1。

5.安全对策与建议5.1工艺及设备1）进入工作界区的瓦斯气首先通过安全水封。无论是瓦斯储配站还是生产现场，任意一方发生超压或事故，则突破安全水封放空泄压，确保装置的安全。2）保证原料瓦斯气符合要求，严格控制瓦斯气中的甲烷体积浓度不低于30%。若瓦斯气中的甲烷体积浓度在20-30%之间，应快速启动高浓度甲烷参混系统，确保整个运行系统甲烷体积浓度不低于30%。4）富集瓦斯气压缩：严格控制压缩过程中的温度不得超过80℃，喷水螺杆压缩机的冷却水不得断流且水质符合要求。5）压缩机、CNG储气柜（井）进出口设置高低压报警和高压超限停机装置。压缩机出口与第一个截止阀之间设安全阀。压缩机组的润滑油系统设低压报警和停机装置。CNG加气机设安全限压装置。装置区内的设备、管道凡经增压、输送、储存需显示压力的地方，均设压力测点，并设供压力表拆卸时高压气体泄压时的安全泄气孔。6）脱氧解吸过程中，解吸气中的甲烷体积浓度不得高于4%。一旦超过4%，应快速启动氮气系统，用氮气进行置换或稀释。7）在满足生产的条件下，对有可能产生泄漏危险的装置和设备尽量安装在露天或半露天的厂房中，以利于泄漏的天然气扩散稀释。当必须采用室内厂房时，则厂房建筑应具有良好的自然通风，或加装必要的机械通风设备。8）提高自动化控制程度，采用DCS集散控制系统集中控制以减少操作人员进入现场的次数。9）在设备（容器）、管道中安装一定数量的抑爆材料，脱氧吸附塔选用导电性能优异的吸附剂，能及时将产生的静电移除，以防止事故的产生。10）各用电设备，可燃气体设备、管道均做防静电接地保护，并与全厂接地网相连。11）有火灾爆炸危险的场所安装火灾报警器及易燃易爆检测仪。12）机电设备均根据防爆区域选用相应等级的防爆电气设备。13）甲烷的最大流速限制在8m/s以下。14）设备内部压力可能超过允许压力的设备，均设置安全阀并将超压泄放的有害气体送入事故处理系统。15）各级变压吸附塔气体放空管均设置有阻火器。

5.2生产过程中的自动控制系统和紧急停机、事故处理的保护措施CNG生产工艺十分复杂，控制要求相当高。如果某些工艺参数出现异常而不能及时得到控制，将导致爆炸等生产事故，会造成极大的经济损失，为了确保工艺过程的安全进行，设置一套完整的联锁控制系统，对生产过程中的重要参数均设有联锁及超限报警已引起操作人员注意。5.3主要技术、工艺和装置、设备、设施建立地下储气井安全监控系统及联锁装置。当储气井系统出现CNG泄漏时,能自动关闭储气井地下与地面的通道。在装置的进出口总管上设置紧急切断阀，以杜绝引起火灾爆炸的可能性。在距离较长的输气管道上，设置紧急切断阀。5.4配套及辅助工程管道在进行设计时，应严格按照《输气管道工程设计规范》（GB50251-2003）等国家法律、法规及规范进行设计和最后施工。应遵守以下要求：（1）输气管道主要采用埋地方式敷设，特殊地段采用土堤、地面等形式敷设。（2）输气管道应设置清管设施。（3）输气进出口管线必须设置截断阀。（4）应在进站截断阀上游和出站截断阀下游设置泄压放空设施。（5）输气管道应沿线设置里程桩、转角桩、交叉和警示牌等永久性标志。5.5主要装置、设备、设施布局1)瓦斯气分离提浓分三处建设，即瓦斯气富集、脱氧、浓缩三处。将各处的压缩机、泵、吸附塔分别集中布置，并留有一定通道，以便于管理、操作、维修。2）除吸附塔及容器露天布置外，压缩机、真空泵布置在厂房内，以便于甲烷扩散。3）提浓后的瓦斯气压缩、储存、充装也分三处建设。精脱水装置露天布置，压缩集中布置在厂房内，CNG储存、充装布置在敞开式厂房，便于甲烷扩散。

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