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壓縮煤層氣與液化煤層氣公路運輸的工藝與技術探討


編輯:2021-06-10 11:32:12

摘要:煤層氣俗稱瓦斯,是煤炭伴生、以吸附狀態儲存于煤層內的非常規天然氣,是煤礦事故的根源,為預防瓦斯爆炸的事故發生,變害為寶,從2005年起,我國已每年投資30億元人民幣,用于加強煤層氣開發和利用。煤層氣已經成為石油、天然氣可靠且強大的補充能源。把煤層氣加工成為煤層氣壓縮(以下簡稱CNG)和液化煤層氣(以下簡稱LCBM),通過汽車運輸將CNG和LNG送到下游市場用戶,是煤層氣利用的主要方式。
    關鍵詞:壓縮煤層氣(CNG);液化煤層氣(LCBM);汽車運輸;壓縮煤層氣運輸設備;液化煤層氣運輸設備;成本
    1 前言
    煤層氣俗稱瓦斯,是一種清潔能源,其成分與天然氣完全同質,熱值與天然氣相當,已經成為石油、天然氣可靠且強大的補充能源。
    煤層氣是煤炭伴生、以吸附狀態儲存于煤層內的非常規天然氣,是有機物在上億年前在成煤的碳化過程中形成的、以甲烷為主要成分的非常規天然氣。作為—種危險氣體,當其在空氣中濃度達到5%~15%時,遇明火就會爆炸,這是煤礦瓦斯爆炸事故的根源。
    中國擁有約36.8萬億m3的煤層氣資源量,國有重點煤礦中高瓦斯突出礦井占48%。根據我國發改委審議并原則通過的《煤層氣(煤礦瓦斯)開發利用“十一五”規劃》,到2010年,全國煤層氣壺逞達100億m3;利用80億m3,新增煤層氣探明地質儲量31300億m3;逐步建立煤層氣和煤礦瓦斯開發利用產業體系。
    從2005年起,我國已每年投資30億元人民幣,用于加強煤層氣開發和利用。我國發改委《資源綜合利用“十一五”和2015年專項規劃》表明,要在全國建設2~3個煤層氣開發~回收利用示范基地?!蛾P于加快煤層氣抽采利用的若干意見》的出臺,將大大激發企業綜合利用煤層氣的積極性。
    山西晉城已經開始享受煤層氣帶來的便禾懺口實惠,變害為寶。晉城煤業集團的煤層氣壓縮氣(CNG)已經在晉城市展開商業運營。該市大約有2000多輛公交和出租車都裝上了壓縮“煤層氣罐”,與汽油比較,燃用煤層氣可以節約近一半費用。與山西晉城相鄰的山西長治、河南鄭州、洛陽、焦作、濟源等城市的公交、出租車用戶和工業用戶也都在使用清潔純凈的煤層氣。
    煤層氣產業的發展,形成與之相關的煤層氣開采、加工、儲存、輸運、氣化、利用等產業鏈。本文著重論述煤層氣(包括壓縮煤層氣和液化煤層氣)的運輸工藝和技術。
    2 煤層氣運輸的特點
    2.1 煤層氣的特性
    煤層氣是與煤伴生、共生的氣體資源,其主要成分甲烷含量一般為90%~99%。按熱值計算,甲烷的熱值為33.5~33.7kJ/m3,比1公斤標準煤的發熱量還要高。1000Nm3甲烷相當于1噸標準煤,熱值略低于石油伴生的天然氣,煤層氣比空氣輕,其密度是空氣的0.55倍,稍有泄漏會向上擴散,只要保持室內空氣流通,即可避免爆炸和火災。
    2.2 煤層氣利用的特殊性
煤層氣產地一般都處于比較偏遠的地區。煤層氣的使用必須以到達用戶為前提。煤層氣利用的特殊性主要在以下幾個方面:
    (1) 煤層氣不可大量儲存。因此對用戶煤層氣只能即用即供。只能以超出幾倍的供氣能力通過運輸或管輸來保證用戶的需求。
    (2) 煤層氣作為一種能源,淡旺季的用量存在巨大差異。所以汽車運輸因其靈活便利******得以滿足用戶不同時段的需求。
    (3) 下游的用戶在有意向使用煤層氣時,必然會落實氣源問題和保障問題。上游市場必須加大供氣和運輸保障能力,才能開拓市場。
    2.3 解決的方法
    為了提高供氣保障和運輸能力,晉城煤業集團在煤層氣運力建設、壓縮及液化、利用輸送管網方面進行了大量投入:
煤層氣壓縮(CNG)。是煤層氣加壓并以氣態儲存在容器中。晉城煤業集團擁有目前國內大規模的煤層氣壓縮站,日設計壓縮能力共達74萬m3。
    煤層氣液化(LCBM)。LCBM是運用深冷技術將煤層氣冷卻至-162℃在常壓下成為液態,使625Nm3煤層氣液化為1m3的LNG,經過液化的煤層氣再通過貯存運輸和接受終端系管網統送至用戶使用。液化煤層氣具有運輸便利、利用靈活,屬潔凈能源,環保效益明顯,使用安全性高、氣化潛熱高、充裝能力大,利用程度高等優點。為了擴展煤層氣應用的地域空間(CNG運輸的經濟半徑150km左右,LCBM運輸的經濟半徑約1000km),晉煤集團與香港中華煤氣公司合作,建成并投產了全國******個、規模大、工藝新,一期曰處理能力為30萬m3的煤層氣液化(LCBM)廠;該項目的二期工程已經投產。同時,晉煤王臺煤層氣液化項目也正在做前期準備工作。2011年底,晉城煤業集團液化能力可達120萬m3/d。發展LCBM項目,一是為實現煤層氣的長距離運輸奠定了基礎,二是發展較大用戶時,可以采用CNG、LCBM互為補充的供氣方式,從而提高供氣保障能力。
    另外還通過煤層氣輸送管網和管道的建設,將煤層氣送往晉城市用于民用、汽車加氣。
    通過努力,目前晉城煤業集團煤層氣已廣泛用于發電、民用燃氣與采暖、汽車燃料、工業燃料等領域,形成了全國大的煤層氣開發利用規模。
    2.4 運輸模式
    (1) CNG運輸
    適于短程輸送煤層氣(一般在往返500km以內)的運輸方式即壓縮煤層氣(CNG)方式正方興未艾,一般將煤層氣壓縮至20~25MPa,用裝載大容積無縫鋼瓶的半掛車(國外一般稱長管拖車)運送。該種運輸方式機動靈活、運輸成本低廉、見效快、風險小。
    晉煤的壓縮煤層氣從山西晉城的嘉峰鎮運往晉城市、長治市、河南洛陽、濟源、焦作等地區,滿足以上地區的工業用氣、居民用氣和汽車加氣等需
    (2) LCBM運輸
    是將煤層氣在-162℃的低溫下使其變成液態,成為液化煤層氣,即LCBM,通過低溫槽車或罐式集裝箱將LNG運往使用地區,在使用地區再將LCBM重新還原為氣態供用戶使用;運輸距離一般在往返1000km-6000km。
    晉煤的液化煤層氣從山西的晉城市嘉峰鎮運往廣東、江蘇、江西、浙江、湖南、湖北、遼寧、河南、陜西、山東等省份,滿足港華公司和其他下游市場用戶的市場需求。
    3 壓縮煤層氣(CNG)的運輸
    3.1 運輸方案
    (1) 甩掛式運輸
    即牽引車頭將滿載CNG的長管拖車拖入子站后,將掛車卸下,將子站停滯的空車拖回母站充裝,重車則充當儲罐留在子站,牽引車頭與掛車不是一一對應的,而是變化的。
    (2) 點對點即時調度
    由子站的調度根據罐箱的CNG的壓力判斷卸氣情況,依據母站到子站之間的距離,提前預留運輸所需的時間量,通知車隊的調度,車隊調度安排車輛,可以提高運輸的車輛周轉率,減少車輛在子站的滯留時間。
    (3) 車輛運行的流程(SOP流程)
    按照我國《危險貨物安全管理條例》和《道路危險貨物運輸管理規定》的規定,每輛CNG運輸車輛配備持有危險貨物從業資格證的駕駛員一名、持有押運證的押運員一名,并遵守:調度派車-充裝-出車檢查-安全囑咐-重車運送-交付-空車返回-結算的SOP流程。運輸途中須遵守我國危險品運輸、我國的交通法規等相關規定。
    3.2 CNG運輸的設備狀況
    (1) CNG運輸的牽引主車
    采用單一CNG作燃料的牽引車具有成本優勢,比用柴油作燃料的牽引車輛節約燃油費用40%以上,且能夠拓展煤層氣的銷售市場,有利于空氣質量的改善,所以采用單一的CNG作燃料的運輸車輛已經成為CNG運輸的趨勢。
    單一燃料CNG牽引車技術要求:
    車輛配置
    ① 后橋承重要求15噸以上、發動機燃氣供給系統選用進口技術。
    ② 一次充氣MIN續駛里程不低于300公里。
    ③ 具有燃氣過流保護裝置。
    ④ 驅動方式選用雙橋驅動(單橋車輛超限且安全性差)。
    ⑤ 進氣方式采用增壓中冷。
    (2) CNG運輸的長管拖車
    該類型半掛車是將數個大容積無縫鋼瓶端部連接在一起放于掛車上,可用于運送CNG。由于集束式九管車充裝容量比八管車多20%以上,所以長管拖車目前發展的趨勢是用集束式九管車取代過去的集裝式八管車。
    ① 長管拖車總體結構
    長管拖車總體結構分行走機構、大容積無縫鋼瓶(以下簡稱氣瓶)及連接裝置三部分。行走機構需滿足裝載總質量及軸荷等要求,且需根據裝載氣瓶的特殊結構進行改裝。氣瓶外徑為一般為325mm~610mm,以559mm(22in.)使用居多,數量一般為8-10個,氣瓶的工作壓力一般為20MPa~25MPa。半掛車外形尺寸、總重量及軸荷均達到GB1589—2004《道路車輛外廓尺寸、軸荷及質量限值》的要求
    ② 半掛車總體結構
    半掛車總體結構分行走機構、大容積無縫鋼瓶(以下簡稱氣瓶)及連接裝置三部分。行走機構需滿足裝載總質量及軸荷等要求,且需根據裝載氣瓶的特殊結構進行改裝。氣瓶外徑為一般為325mm~610mm,以559mm(22in.)使用居多,數量一般為8-10個,氣瓶的工作壓力一般為20MPa~25MPa。半掛車外形尺寸、總重量及軸荷均達到GB1589-2004《道路車輛外廓尺寸、軸荷及質量限值》的要求。
    氣瓶兩端經熱旋壓收口成形,兩端瓶口均加工內外螺紋,兩端外螺紋與安裝法蘭聯接,瓶口內螺紋上旋緊螺塞,在螺塞上連接管件,前端設有爆破片裝置,后端操作倉設有充卸氣管路、快裝接頭、排污裝置、安全附件等。
    (3) 半掛車的結構特點
    ① 行走機構
    行走機構采用骨架式結構,行走機構上加裝ABS防抱死制動系統。行走機構高度和質心高度盡量降低,以提高車輛的側向穩定性。
    ② 氣瓶與半掛車行走機構的連接結構
    氣瓶兩端均靠支撐板予以固定。半掛車后部設置操作倉,操作倉設計成剛性結構,并與大梁焊接固定。
    ③ 安全措施
    半掛車裝載介質壓縮天然氣易燃易爆,氣瓶的工作壓力高,使用時需經常來往于城市道路建筑密集地帶,安全問題非常重要。采取的安全措施如下。
    a. 氣瓶主要檢驗項目
    瓶體任何部分不允許焊接修補。
    氣瓶成型及水壓試驗后逐只進行磁粉檢測,確保不得有任何裂紋狀缺陷存在。以5/3倍工作壓力進行水壓試驗檢驗。水壓試驗過程中應測定氣瓶殘余變形率不得大于5%。氣瓶逐只進行水下氣密性試驗,確保瓶體及密封處不滲漏。
    b. 爆破片裝置:氣瓶的兩端均設置爆破片裝置。
    c. 安全聯鎖裝置
    在操作倉內設置氣動安全聯鎖裝置,靠汽車行走部分自帶氣包提供氣源,充卸氣過程中、操作狀態時使汽車處于制動狀態,充卸氣完畢,操作倉門關閉后,制動才予以解除,汽車可正常行駛。
    d. 導靜電裝置
    操作倉管路上設置導靜電片,可隨時導出運行時及充卸氣時積聚的靜電荷。
     e. 排污裝置
     定期對氣瓶內積液進行排污,以減緩濕硫化氫對材料的腐蝕。
    f. 滅火裝置
    半掛車兩側各配一只5kg干粉滅火器,以備火災險情時急用。
    g. 管路結構
    操作倉內充卸氣匯總管及各分支管經表面滲透檢測。充卸氣管及氣體排空管均用管夾予以固定,以減輕運行時對管路振動的影響。
    另外還設置有壓力表和溫度計。
    4 液化煤層氣的運輸
    4.1 運輸方案
    (1) LCBM運輸方式的選擇是,采用LCBM低溫槽車或罐式集裝箱,用汽車運輸。而選擇容積大于50m3的低溫槽車,用技術先進、性能穩定、運行安全可靠的牽引半掛列車載運低溫槽車由于其經濟性和安全性已經成為LCBM運輸的選擇。
    (2) 在全線運輸過程中,在約1000km的區間,設一個中轉驛站,使駕駛員在沿途能夠得到休息、停車、加油,并能夠對罐箱進行檢查,在中途設立驛站,不僅避免了駕駛人員長途運輸的疲勞程度,且使車輛在途中也處于受控狀態,從而確保了車輛運行的安全|生,確保液化煤層氣的及時、準確到達下游城市接氣站。
    (3) 按照《中華人民共和國道路交通安全法》和我國危險貨物運輸的相關規定,每輛車配備兩名駕駛員,每名駕駛員持有危險貨物從業資格證和押運證,兩人交替駕駛車輛和押運車輛,每四小時進行交替,使駕駛員在長途運輸中能夠保持充分的休息,保證行車的安全。
    采取每車三名駕駛員,兩名駕駛員出車,三人輪流休息的方式,既可以保證駕駛員良好的休息,保證安全行車,也能夠極大提高車輛的運轉效率,使每車每月行駛里程提升至2萬km左右,實現良好效益。
    (4) 由于LCBM的密度比LNG小,通常一噸LCBM的汽化率約為1486m3,而LNG約為1337m3,所以在LNG與LCBM混裝時要將LCBM卸干凈,避免由于密度的差異造成液體的翻滾,產生安全隱患。
    4.2 運輸設備
    LCBM低溫槽車的技術指標為:罐內壓力為0.7MPa,內罐材料為Ocr18Ni9不銹鋼,外罐材料為16MnR,內外罐間采用鋁箔紙多層纏繞抽高真空至0.001Pa進行保溫,內外罐之間選用導熱系數小強度高的絕熱材料,容器安裝有真空檢測裝置,安全閥排放處設置有阻火器,安全閥采用安全閥門與熔爆片組合裝置,管路緊急切斷裝置,防靜電裝置,液位計,壓力表等。    低溫槽車的罐箱內容積通常為51m3,充裝系數為90%,約合每個集裝箱充裝LNG46m3(折常壓下氣態煤層氣28600m3)。
    4.3 安全性及安全措施
    (1) 液化煤層氣的特性決定在低溫容器中發生爆炸危險極小。
    (2) 設計的安全措施
    ① 設計容器的內罐可承受0.7MPa壓力,保證儲罐長時間儲藏和運輸不泄放,罐內壓力升到0.7MPa在正常情況下可達90天左右。
    ② 容器上設置有安全泄放裝置,緊急切斷裝置,液位測量裝置導靜電裝置。氣體排放出口集中而且需經過阻火器再排放
    ③ 進******壓試驗,所有附件安裝完后進******密性試驗按集裝箱制作要求進行各種型式試驗,包括堆碼、頂角件起吊、底角件起吊,內外部縱向和橫向栓固作用能力,橫、縱向鋼性試驗,載荷傳遞區試驗,低溫性能試驗,真空度檢測等。
    5 成本的控制
    控制公路運輸煤層氣的成本,主要從五個方面入手:(1)、提高車輛運行速度;(2)、提高單車裝氣量;(3)、減少過路過橋費;(4)、降低燃油費用;(5)、有效控制輪胎費用。
    5.1 為了提高車輛運行速度,采取以下措施:
    ① 對CNG運輸對車輛做好保養和維護,提高車輛的完好率,對LCBM運輸買進口車,包括奔馳、沃爾沃、斯堪尼亞牽引車等,保證了車輛90-98%的完好率。
    ② 采用驛站式運輸模式,使司機能夠在驛站得以休息、停車、檢查罐箱,能有效地提高運輸速度,保證行車安全。
    ③ 提高調度科學調配車輛的水平,利用GPS等科學的手段加大對車輛充裝、運輸、卸氣(液)時間的監控和考核,提高車輛的周轉率。
    通過采取以上措施,使LCBM車輛單車每天運行距離在800~1200km之間,CNG車輛單車每天運行距離在300~800km。
    5.2 在提高單車裝氣量的方面:
對CNG運輸提高充裝氣量和卸氣量,對八管束的車輛將卸氣量控制在3400~3700m3;對LCBM運輸采用51m3及以上的罐式槽車,使單裝車氣量達到近28500~30000m3。
    5.3 為有效減少過路過橋費,采取如下措施:
    對行車路線進行精選,保證路途短和區間收費站個數少,收費額低。
    5.4 在降低燃油費用方面,也分三步進行:
    ① 對CNG運輸采用單一的CNG運輸牽引車;對LCBM運輸推行LNG單一燃料牽引卡車。
    ② 與沿途中石油、中石化、中海油加油站協商,按超低價格在各加油站加油。
    5.5 在控制輪胎的費用方面
    ① 請輪胎公司為輪胎做翻新服務,花費40%的成本增加80%的行駛里程。
    ② 制定嚴格的輪胎管理制度,制定不同輪胎的行駛里程標準定額,并付諸實施,對駕駛員按照輪胎行駛里程進行節獎超罰,延長輪胎的使用壽命,降低輪胎的使用成本。
    ③ 對輪胎進行定期的保養,包括四輪換位、輪胎的平衡、充裝氮氣等措施降低輪胎的使用壽命。
    6 信息技術與新能源在煤層氣運輸當中的應用
    6.1 危險貨物管理系統的應用:
    該系統能夠實現在系統上的人、車、證、合同信息的管理,實現調度派車、完貨的功能和駕駛員油料費、過路費用、罰款的統計報表,車輛修理費用的統計功能,尤其能夠自動生成報表,給經理層提供單車成本核算報表、車隊效益報表,為經營者提供決策的依據。
    6.2 衛星定位監控系統(GPS)的應用:
    能夠隨時提供每輛車的運行速度、運行位置、超速報警、超速統計、軌跡回放等信息,以及柵欄設定,即監控車輛是否按照規定的路線行駛,避免車輛繞路等現象,使車輛的運行處于受控狀態,提高科學調度和安全管理的水平。
    6.3 單一CNG、LNG燃料和雙燃料車輛的使用:
    ① 目前正在運營的CNG運行的燃油車輛,可以通過發動機再制造、發動機改裝等方式改裝為單一燃料或柴油一煤層氣混燒的雙燃料汽車,以降低車輛的燃料成本;經過改裝的雙燃料車輛的天然氣替代柴油的比率為50~80%。
    ② 購買原廠生產的單一CNG燃料的牽引車輛,已經成為煤層氣運輸的趨勢。
    ③ 對LNG運輸由于運輸里程較遠,而CNG作燃料的車輛續駛里程僅為300~500km,采用LNG作燃料的牽引車輛續駛里程約為800km,今后隨著LNG加氣站的普及和LNG汽車技術的日漸成熟,用LNG作燃料的LNG運輸車輛將成為未來的發展趨勢。
    7 結論
    壓縮煤層氣和液化煤層氣的運輸是煤層氣開發與利用當中的重要環節,運輸企業根據煤層氣運輸的實際情況,優化車輛裝備的配置、優化運輸的道路選擇、提高科學調度的水平、將信息化技術運用到運輸管理中、提高安全管理水平,通過科學管理來提升運輸企業的效益和管理水平,壓縮煤層氣和液化煤層氣的公路運輸對加快煤層氣資源的開發利用,確保煤礦安全生產,推動產業結構優化升級和能源結構調整,促進經濟社會和諧發展都有重大的意義。
    參考文獻:
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