煤層氣開發(fā)利用

【專家解說】：中科院理化技術研究所所長劉新厚介紹，煤層氣產業(yè)是近20多年來在世界上崛起的新興產業(yè)。煤層氣是一種以吸附狀態(tài)為主、生成并儲存于煤層及其圍巖中的甲烷氣體，發(fā)熱量大于8100大卡/立方米;與常規(guī)天然氣成分大體相同，煤層氣主要由95%以上的甲烷組成，另外5%的氣體一般是二氧化碳或氮氣，天然氣成分也主要是甲烷，其余的成分變化較大;用途也相同，均是優(yōu)質能源和化工原料，可以混輸混用。 它們的不同之處是:煤層氣基本不含碳二以上的重烴，產出時不含無機雜質，天然氣一般含有大量含碳二以上的重烴，產出時含無機雜質;在地下存在方式不同，煤層氣主要是以大分子團的吸附狀態(tài)存在于煤層中，而天然氣主要是以游離氣體狀態(tài)存在于砂巖或灰?guī)r中等。 因此，開發(fā)利用煤層氣不僅可從根本上防止煤礦瓦斯事故的發(fā)生、改善煤礦安全生產，還可變害為寶，把煤炭開采過程中產生的煤層氣有效利用，在一定程度上改善我國的能源結構，增加潔凈的氣體能源，彌補我國常規(guī)天然氣在地域分布和供給量上的不足。有資深專家早就提出，21世紀是煤層氣大發(fā)展的時代，煤層氣是我國常規(guī)天然氣最現(xiàn)實、可靠的替代能源。 此外，開發(fā)利用煤層氣可以有效減排溫室氣體、改善大氣環(huán)境。據聯(lián)合國統(tǒng)計，我國每年因采煤向大氣排放的甲烷氣體達190億立方米，約占我國工業(yè)生產甲烷排放量的1/3，已引起國際社會的普遍關注。開發(fā)利用煤層氣，對改善環(huán)境意義非同小可。 為了開發(fā)利用煤層氣，目前國際上的主要在研技術有4種:變壓吸附法、膜分離法、燃燒脫氧法和低溫分離法。 研究人員通過若干年的探索發(fā)現(xiàn)，采用變壓吸附法是讓吸附質在較高壓力下進行吸附操作，然后降低壓力使吸附質脫附，用部分產品氣作為脫附沖洗氣。吸附過程是在壓力下進行的，再生沖洗一般在常壓下進行。變壓吸附具有能耗低、脫附時間短、操作方便等優(yōu)點，但其產品回收率比較低，只有40%~50%，因為吸附層中存在空隙，吸附時空隙中貯存的產品氣體在脫附階段被排放而損失掉，而且還需要用部分產品氣做沖洗之用。產品純度和回收率之間存在矛盾，提高回收率，則純度又下降。因此對含氧煤層氣的分離，采用這種方法不夠經濟。 薄膜分離法有不少優(yōu)點，不需要發(fā)生相態(tài)的變化，設備簡單，占地面積小，可連續(xù)運行。但氣體各組分對薄膜的滲透能力不同，其滲透量與組分的滲透系數有關、與滲透膜的面積有關、與膜兩側的氣體組分的分壓差也有關。在分離中造成了產品氣的損失，而且過高的壓力會對混合氣產生安全隱患，不適合在煤礦采用。 燃燒的方法與前兩種方法相比，脫氧較為徹底，可以將含氧量降到0.5%以下。可缺點是設備比較復雜，在燃燒過程中還會增加原料氣中的CO2、CO、SO2以及H2S的含量。煤層氣通常含CO2很少，僅0.2%~0.5%，有的完全不含硫化物，可以用分子篩在脫水的同時就把CO2脫除。如果采用燃燒法脫氧，脫氧以后，又需要增加一套復雜的脫CO2、硫化物的醇胺脫酸設備，不僅增加了設備投資、增加了能耗，而且使操作更加不便，也不適合在煤礦采用。 低溫分離法的原理是先將氣體混合物冷凝為液體，然后再按各組分蒸發(fā)溫度的不同將它們分離，是最適合含氧煤層氣分離的方案。首先，這種方案分離的產品純度最高;其次，這種方案比較安全，分離過程在低壓和低溫下進行，即使處在甲烷的燃燒爆炸范圍內也不容易產生燃燒和爆炸;第三，這種方案最經濟，因為要想生產液化天然氣(LNG)，就必須把原料氣的溫度降到甲烷液化溫度，在降溫的過程中進行低溫分離，可以同時分離和脫除氧、氮，不需為脫除氧、氮增加額外的能耗。而其他方法或者需要增加能耗，或者需要損失一部分原料氣，有的還增加了酸性氣體的含量，增加了氣體凈化投資，且只能脫氧，不能同時脫氮。而低溫分離法可以同時分離和脫除氧、氮。 已經申請國家發(fā)明專利的中科院理化技術研究所研究員張武告訴記者，甲烷的臨界溫度為190.7K，也就是說，至少要在-82.45℃以下，并加壓到46.4 bar，它才能變成液體。如果在大氣壓下，其液化溫度則是-161.5℃。因此煤層氣的液化只能在低溫下實現(xiàn)。煤層氣的制冷、液化流程與天然氣一樣，有復疊式制冷液化循環(huán)、混合制冷劑制冷液化循環(huán)、帶膨脹機的制冷液化循環(huán)等。含氧煤層氣通常壓力很低，只是微正壓，在液化分離過程中能生產出部分純氮，正好可以彌補氮氣制冷循環(huán)制冷劑的泄漏。