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摘 要：通过分析瓦斯的物化特性和现场瓦斯的治理情况，重点论述了选煤厂各主要工艺环节瓦斯的溢出速度和聚集特点，从而指导瓦斯排放设备的选型。
关键词：瓦斯；瓦斯的物化性质；瓦斯释放速度；分布规律
一、理论研究
1、瓦斯的物化性质
1）瓦斯的定义
瓦斯的主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般还含有硫化氢、二氧化碳、氮和水气，以及微量的惰性气体（如氦和氩）等。在标准状况下，甲烷至丁烷以气体状态存在，戊烷以上为液体。 如遇明火，即可燃烧或发生“瓦斯”爆炸。
2）瓦斯的物化性质
瓦斯对空气的相对密度是0.554，渗透能力是空气的1.6倍。在标准状态下瓦斯的密度为0.716g/L，难溶于水，无色无味。瓦斯的化学性质较为活跃，达到一定浓度时，能使人因缺氧而窒息，与明火易发生燃烧或爆炸。瓦斯在煤体或围岩中是以游离状态和吸着状态存在的。
2、瓦斯爆炸条件及危害
瓦斯爆炸的条件是：一定浓度的瓦斯、高温火源的存在和充足的氧气。瓦斯爆炸产生的高温高压，促使爆源附近的气体以极大的速度向外冲击，造成人员伤亡，破坏巷道和器材设施，扬起大量煤尘并使之参与爆炸，产生更大的破坏力。另外，爆炸后生成大量的有害气体，造成人员中毒死亡。
1）瓦斯浓度
瓦斯爆炸有一定的浓度范围，在空气中瓦斯遇火后能引起爆炸的浓度范围被称为瓦斯爆炸界限。瓦斯爆炸界限为5%～16%；当瓦斯浓度低于5%时，遇火不爆炸，但能在火焰外围形成燃烧层；当瓦斯浓度为9.5%时，其爆炸威力最大(氧和瓦斯完全反应)；瓦斯浓度达到16%以上时，失去其爆炸性，但在空气中遇明火会燃烧。瓦斯爆炸界限并不是固定不变的，它还受温度、压力、煤尘、其它可燃性气体和惰性气体的混入量等因素的影响。
2）引火温度
瓦斯的引火温度，即瓦斯引爆的最低温度。一般认为，瓦斯的引火温度为650℃～750℃。但因受瓦斯浓度、火源性质及混合气体压力等因素影响而产生变化。当瓦斯含量在7%～8%时最易引爆；当混合气体的压力增高时，引燃温度即降低；在火源温度相同时，火源面积越大、燃火时间越长，越易引爆瓦斯。
3）氧的浓度
实践证明，空气中的氧气浓度降低时，瓦斯爆炸界限随之缩小。当氧气浓度减少到12%以下时，瓦斯混合气体即失去爆炸性。井下密闭的火区内往往积存大量瓦斯，且有火源存在，但因氧的浓度低，并不会发生爆炸。如果有新鲜空气进入，氧气浓度达到12%以上，就可能发生爆炸。因此，对火区应严加管理，在启封火区时更应格外慎重，必须在火熄灭后才能启封。
二、工艺设计
选煤厂各生产环节中瓦斯浓度最大的场所一般会出现在：煤仓扰动时仓体上部空间和出煤时仓下给煤机出口处。
在瓦斯防治系统设计时，应认真分析煤炭的瓦斯释放特点、工艺流程和储煤设施的具体情况，结合现场的有关数据，并参考周边和类似选煤厂的经验，通过对以上各方面因素的全面考虑去指导通风机的选型。
（一）通风机的选型
1、瓦斯释放原理分析
煤炭一旦开采出来，脱离了井下高压的环境，瓦斯便会不断的从煤体内部的裂隙和微孔中缓慢的释放出来，由于煤种、粒度、成煤条件和埋藏深度等因素的影响，瓦斯的释放速度、释放时间和释放的瓦斯量会有较大的区别。
当煤炭静止存放且煤堆透气性能不好时，瓦斯会大量的赋存在煤堆中的煤炭颗粒间，其浓度最高可达50%左右。一旦煤堆扰动，瓦斯会迅速从煤堆中向上部和随煤流从给煤机出口溢出，其扩散速度是静止时的数倍或数十倍，造成局部（煤仓仓体上部和给煤机出口处）瓦斯浓度突然增大，对瓦斯浓度的控制和防爆带来困难。
2、治理方案
在煤仓内煤炭不扰动（不进出）时，如经常对煤堆进行扰动或通过通风置换煤堆中的瓦斯，会降低瓦斯在煤炭颗粒间的赋存浓度，是降低瓦斯瞬时涌出量的根本办法，从而减少瓦斯溢出的最大速度和正常速度的差值。可以考虑在煤仓内壁布置风道或利用煤仓破拱系统对煤堆进行经常性的通风换气。
3、设备选型
一般煤炭企业要求煤仓内最高瓦斯浓度小于1.0%～1.5%，需要通过瓦斯排放系统将瓦斯浓度控制在0.7%～1.2%（即低于制度要求0.3%）。根据煤质特征、工艺流程和储煤设施特点等因素，预测煤仓内部瓦斯溢出的最大量和正常量，对通风机进行选型。
设计通风能力应略有富余，使用方案应在实际生产中摸索调整，既要保证安全，又要降低能耗。没有必要通风量过大，不但会消耗大量能量，又增加了噪声、粉尘和煤仓的供暖损耗，具体风机的选型方案可以考虑：
1）煤仓不集中时，采用1台通风机平时使用，1～3台同型号的通风机在煤仓进出煤炭时备用；
2）煤仓集中布置时，可考虑采用管路联通各煤仓，共同利用一套瓦斯排放系统，可通过工作状态的互补、共用备用设备减少设备投资和运营费用。
（二）仓体上部顶梁设计的注意事项
1、瓦斯分布特点
由于瓦斯相对密度较小，易聚集在煤仓仓体的上部，同时又由于仓体顶梁将其分割为许多四周密封的格，阻止瓦斯的左右流动，给瓦斯排放带来了较大的困难。
2、设计中应注意的地方
土建专业仓体顶板设计，应注意减少次梁的数量（即减少封闭的小空间），尽量采用楼板的局部加厚或增大其配筋来代替次梁。
需要重点关注仓体上部顶梁分割出的“封闭空间”的瓦斯排放，仓体顶梁分割的每一个区间都必须设置排除瓦斯的通道或充填。可通过向上设置风道和仓壁预留通风孔的方式将仓内瓦斯排除。仓体顶板设置通向室外的风道（穿过仓上建筑物）和通风孔（通向仓上建筑物，再二次排放）；仓体侧壁宜在不同高度设置进气口，起到进气和将煤堆缝隙间瓦斯带出的作用。冬季仓上建筑物和转载点应根据瓦斯监测数据，注意及时进行开窗通风。
仓体顶板梁的布置图见图1
图1 仓体顶板梁的布置图
（三）仓上建筑物的瓦斯排放
最新的《煤化工工程设计防火规范》GB50xxx-20xx（2010.2.1）征求意见稿要求：每座煤仓顶部应设置袋式除尘器，袋式除尘器排出的尾气应引至室外。故在除尘的同时，可将排放瓦斯的因素一并考虑。
仓上建筑物一般要求瓦斯浓度低于0.5%～0.8%，排放瓦斯以开窗自然通风为主；死角设置通风管道，管道直径大于400mm。
对于瓦斯从煤体中的释放速度较慢的煤种，采用无动力通风系统排出瓦斯就有可能保持仓内瓦斯不超标，该方式具有安全可靠（不用电）、免维护、一次性投资低和运营费用少等诸多优点，经济效益也是十分可观的。
对于瓦斯从煤体中的释放速度较快的煤种，可采用小功率通风机24h通风，以保证仓内瓦斯不超标。
（四）煤仓仓下给煤机处瓦斯浓度
煤堆静止时，煤炭暴露在空气中的面积相对较小，瓦斯释放速度慢。给煤机处瓦斯浓度一般低于0.5%，本次调研表明采用无动力风道便可保证仓下各死角的瓦斯也低于0.5%。如果煤质特殊时瓦斯不超标，可根据现场经验配置小型通风机（2×2.2kW或2×5.5kW），每座煤仓可以1用1备，或通过管路连接多仓共同备用。
出煤时，煤炭间隙中賦存的瓦斯会伴随煤流迅速从给煤机出口处释放，瓦斯浓度急剧提高，特别是配合快速定量装车站的产品仓下给煤机，瓦斯释放速度将是平时的几十倍。
（五）应重视煤堆静止时的瓦斯排放
1）煤堆静止时，瓦斯从煤炭的内部裂隙和微孔中缓慢的释放出来，不断的聚集在煤堆中煤炭颗粒间且浓度越来越大，此时瓦斯监控点测得的瓦斯浓度并不大，一旦发生扰动，瓦斯便会迅速溢出，故必须配置较大型号的通风机才能保证瓦斯不超标。这样不但增大了通风机的型号，而且增大了瓦斯超标的几率。
2）应重视煤堆静止时的瓦斯排放，以降低煤炭颗粒间的瓦斯浓度，降低煤堆扰动时瓦斯的瞬间释放量。设计中可以考虑利用空气炮的管路系统，进行通风换气。
三、结论与建议
综上所述，瓦斯排放系统的工艺设计应注意以下方面：
（1）煤仓扰动时仓内和仓下给煤机处的通风机的选型，应根据现场的有关数据进行计算和选型，通风能力应保留一定的富余能力；
（2）通风机应考虑通过管路和风阀控制，多座煤仓共用。
（3）煤仓静止时的瓦斯排放通风机应根据现场的有关数据另行进行计算和选型，不必要过度通风。
（4）应重视煤堆静止时的瓦斯排放。
注：文章内的图表、公式请到PDF格式下查看
关键词：瓦斯；瓦斯的物化性质；瓦斯释放速度；分布规律
一、理论研究
1、瓦斯的物化性质
1）瓦斯的定义
瓦斯的主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般还含有硫化氢、二氧化碳、氮和水气，以及微量的惰性气体（如氦和氩）等。在标准状况下，甲烷至丁烷以气体状态存在，戊烷以上为液体。 如遇明火，即可燃烧或发生“瓦斯”爆炸。
2）瓦斯的物化性质
瓦斯对空气的相对密度是0.554，渗透能力是空气的1.6倍。在标准状态下瓦斯的密度为0.716g/L，难溶于水，无色无味。瓦斯的化学性质较为活跃，达到一定浓度时，能使人因缺氧而窒息，与明火易发生燃烧或爆炸。瓦斯在煤体或围岩中是以游离状态和吸着状态存在的。
2、瓦斯爆炸条件及危害
瓦斯爆炸的条件是：一定浓度的瓦斯、高温火源的存在和充足的氧气。瓦斯爆炸产生的高温高压，促使爆源附近的气体以极大的速度向外冲击，造成人员伤亡，破坏巷道和器材设施，扬起大量煤尘并使之参与爆炸，产生更大的破坏力。另外，爆炸后生成大量的有害气体，造成人员中毒死亡。
1）瓦斯浓度
瓦斯爆炸有一定的浓度范围，在空气中瓦斯遇火后能引起爆炸的浓度范围被称为瓦斯爆炸界限。瓦斯爆炸界限为5%～16%；当瓦斯浓度低于5%时，遇火不爆炸，但能在火焰外围形成燃烧层；当瓦斯浓度为9.5%时，其爆炸威力最大(氧和瓦斯完全反应)；瓦斯浓度达到16%以上时，失去其爆炸性，但在空气中遇明火会燃烧。瓦斯爆炸界限并不是固定不变的，它还受温度、压力、煤尘、其它可燃性气体和惰性气体的混入量等因素的影响。
2）引火温度
瓦斯的引火温度，即瓦斯引爆的最低温度。一般认为，瓦斯的引火温度为650℃～750℃。但因受瓦斯浓度、火源性质及混合气体压力等因素影响而产生变化。当瓦斯含量在7%～8%时最易引爆；当混合气体的压力增高时，引燃温度即降低；在火源温度相同时，火源面积越大、燃火时间越长，越易引爆瓦斯。
3）氧的浓度
实践证明，空气中的氧气浓度降低时，瓦斯爆炸界限随之缩小。当氧气浓度减少到12%以下时，瓦斯混合气体即失去爆炸性。井下密闭的火区内往往积存大量瓦斯，且有火源存在，但因氧的浓度低，并不会发生爆炸。如果有新鲜空气进入，氧气浓度达到12%以上，就可能发生爆炸。因此，对火区应严加管理，在启封火区时更应格外慎重，必须在火熄灭后才能启封。
二、工艺设计
选煤厂各生产环节中瓦斯浓度最大的场所一般会出现在：煤仓扰动时仓体上部空间和出煤时仓下给煤机出口处。
在瓦斯防治系统设计时，应认真分析煤炭的瓦斯释放特点、工艺流程和储煤设施的具体情况，结合现场的有关数据，并参考周边和类似选煤厂的经验，通过对以上各方面因素的全面考虑去指导通风机的选型。
（一）通风机的选型
1、瓦斯释放原理分析
煤炭一旦开采出来，脱离了井下高压的环境，瓦斯便会不断的从煤体内部的裂隙和微孔中缓慢的释放出来，由于煤种、粒度、成煤条件和埋藏深度等因素的影响，瓦斯的释放速度、释放时间和释放的瓦斯量会有较大的区别。
当煤炭静止存放且煤堆透气性能不好时，瓦斯会大量的赋存在煤堆中的煤炭颗粒间，其浓度最高可达50%左右。一旦煤堆扰动，瓦斯会迅速从煤堆中向上部和随煤流从给煤机出口溢出，其扩散速度是静止时的数倍或数十倍，造成局部（煤仓仓体上部和给煤机出口处）瓦斯浓度突然增大，对瓦斯浓度的控制和防爆带来困难。
2、治理方案
在煤仓内煤炭不扰动（不进出）时，如经常对煤堆进行扰动或通过通风置换煤堆中的瓦斯，会降低瓦斯在煤炭颗粒间的赋存浓度，是降低瓦斯瞬时涌出量的根本办法，从而减少瓦斯溢出的最大速度和正常速度的差值。可以考虑在煤仓内壁布置风道或利用煤仓破拱系统对煤堆进行经常性的通风换气。
3、设备选型
一般煤炭企业要求煤仓内最高瓦斯浓度小于1.0%～1.5%，需要通过瓦斯排放系统将瓦斯浓度控制在0.7%～1.2%（即低于制度要求0.3%）。根据煤质特征、工艺流程和储煤设施特点等因素，预测煤仓内部瓦斯溢出的最大量和正常量，对通风机进行选型。
设计通风能力应略有富余，使用方案应在实际生产中摸索调整，既要保证安全，又要降低能耗。没有必要通风量过大，不但会消耗大量能量，又增加了噪声、粉尘和煤仓的供暖损耗，具体风机的选型方案可以考虑：
1）煤仓不集中时，采用1台通风机平时使用，1～3台同型号的通风机在煤仓进出煤炭时备用；
2）煤仓集中布置时，可考虑采用管路联通各煤仓，共同利用一套瓦斯排放系统，可通过工作状态的互补、共用备用设备减少设备投资和运营费用。
（二）仓体上部顶梁设计的注意事项
1、瓦斯分布特点
由于瓦斯相对密度较小，易聚集在煤仓仓体的上部，同时又由于仓体顶梁将其分割为许多四周密封的格，阻止瓦斯的左右流动，给瓦斯排放带来了较大的困难。
2、设计中应注意的地方
土建专业仓体顶板设计，应注意减少次梁的数量（即减少封闭的小空间），尽量采用楼板的局部加厚或增大其配筋来代替次梁。
需要重点关注仓体上部顶梁分割出的“封闭空间”的瓦斯排放，仓体顶梁分割的每一个区间都必须设置排除瓦斯的通道或充填。可通过向上设置风道和仓壁预留通风孔的方式将仓内瓦斯排除。仓体顶板设置通向室外的风道（穿过仓上建筑物）和通风孔（通向仓上建筑物，再二次排放）；仓体侧壁宜在不同高度设置进气口，起到进气和将煤堆缝隙间瓦斯带出的作用。冬季仓上建筑物和转载点应根据瓦斯监测数据，注意及时进行开窗通风。
仓体顶板梁的布置图见图1
图1 仓体顶板梁的布置图
（三）仓上建筑物的瓦斯排放
最新的《煤化工工程设计防火规范》GB50xxx-20xx（2010.2.1）征求意见稿要求：每座煤仓顶部应设置袋式除尘器，袋式除尘器排出的尾气应引至室外。故在除尘的同时，可将排放瓦斯的因素一并考虑。
仓上建筑物一般要求瓦斯浓度低于0.5%～0.8%，排放瓦斯以开窗自然通风为主；死角设置通风管道，管道直径大于400mm。
对于瓦斯从煤体中的释放速度较慢的煤种，采用无动力通风系统排出瓦斯就有可能保持仓内瓦斯不超标，该方式具有安全可靠（不用电）、免维护、一次性投资低和运营费用少等诸多优点，经济效益也是十分可观的。
对于瓦斯从煤体中的释放速度较快的煤种，可采用小功率通风机24h通风，以保证仓内瓦斯不超标。
（四）煤仓仓下给煤机处瓦斯浓度
煤堆静止时，煤炭暴露在空气中的面积相对较小，瓦斯释放速度慢。给煤机处瓦斯浓度一般低于0.5%，本次调研表明采用无动力风道便可保证仓下各死角的瓦斯也低于0.5%。如果煤质特殊时瓦斯不超标，可根据现场经验配置小型通风机（2×2.2kW或2×5.5kW），每座煤仓可以1用1备，或通过管路连接多仓共同备用。
出煤时，煤炭间隙中賦存的瓦斯会伴随煤流迅速从给煤机出口处释放，瓦斯浓度急剧提高，特别是配合快速定量装车站的产品仓下给煤机，瓦斯释放速度将是平时的几十倍。
（五）应重视煤堆静止时的瓦斯排放
1）煤堆静止时，瓦斯从煤炭的内部裂隙和微孔中缓慢的释放出来，不断的聚集在煤堆中煤炭颗粒间且浓度越来越大，此时瓦斯监控点测得的瓦斯浓度并不大，一旦发生扰动，瓦斯便会迅速溢出，故必须配置较大型号的通风机才能保证瓦斯不超标。这样不但增大了通风机的型号，而且增大了瓦斯超标的几率。
2）应重视煤堆静止时的瓦斯排放，以降低煤炭颗粒间的瓦斯浓度，降低煤堆扰动时瓦斯的瞬间释放量。设计中可以考虑利用空气炮的管路系统，进行通风换气。
三、结论与建议
综上所述，瓦斯排放系统的工艺设计应注意以下方面：
（1）煤仓扰动时仓内和仓下给煤机处的通风机的选型，应根据现场的有关数据进行计算和选型，通风能力应保留一定的富余能力；
（2）通风机应考虑通过管路和风阀控制，多座煤仓共用。
（3）煤仓静止时的瓦斯排放通风机应根据现场的有关数据另行进行计算和选型，不必要过度通风。
（4）应重视煤堆静止时的瓦斯排放。
注：文章内的图表、公式请到PDF格式下查看