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中国煤层气综合利用技术方案

责任编辑：Q.H.Fan 浏览：2004次时间： 2008-01-30 09:35:12 | 来源:采集所得

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摘要: 摘要煤层气可作为一种新的洁净能源取代煤炭和天然气。现我国煤层气抽取量的90%作为民用燃料，剩余的作为化工原料。本文重点论述了我国煤层气的民用、直接工业应用、发电和瓦斯汽车利用情况及今后发展规划。并简述我国天然气管道运输的概况，以及介绍几种煤层气..

关键词：中国煤层气综合利用技术方案

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    摘  要  煤层气可作为一种新的洁净能源取代煤炭和天然气。现我国煤层气抽取量的90%作为民用燃料，剩余的作为化工原料。本文重点论述了我国煤层气的民用、直接工业应用、发电和瓦斯汽车利用情况及今后发展规划。并简述我国天然气管道运输的概况，以及介绍几种煤层气的提纯技术。

    1  引  言

煤层气作为一种洁净能源代替褐煤、硬煤和焦炉煤气等，不仅环境性能好，而且热效率高。甲烷的热值为33.5～33.7kJ(8000～9000kcal/m3)。按热值计算，大致1000m3甲烷相当于1t标准煤。

    煤层气综合利用价值很高，除民用外，可用于燃气轮机发电、供热、压缩液化后作动力燃料，还可做甲醇、合成氨等化工产品，也是农药、医药、染料等有机化工产品的基础原料。

    一般来说，从生产矿区的采空区抽出的煤层气浓度较低，并含有较多的杂质，而在未开采地区采用地面钻井生产的煤层气浓度高、质量好。中等质量的煤层气适合当地民用或供井口瓦斯电厂。高质量的煤层气适合进入天然气管道系统，输送到远方用户，供应其他大城市居民、大电厂、化肥厂和化工厂使用。

    2  民用和直接工业应用方案

    煤层气的民用主要包括矿区居民的炊事和供热以及矿区食堂、幼儿园、学校的公用事业用气。与人工煤气相比，煤层气的民用具有投资少和效益高的特点，它不需另建气源厂。供民用的煤层气一般含甲烷35～40%，不含其他干馏有害杂质，无需复杂的净化工艺。因此，煤层气的民用已在各矿区迅速推行。

    煤层气利用系统一般由瓦斯泵、瓦斯罐、调压站和输气管道组成。我国目前有两类煤层气供应系统：一类为低压一级供应系统，煤层气压力维持在2000Pa以上；另一类为中、低压供应系统，中压为35000Pa，低压为2000Pa。在一般情况下，瓦斯罐内的气压为5000～6000Pa。总之，煤层气民用的基本技术条件如下：

    图1  我国煤矿典型的瓦斯抽放泵站，使用罗茨鼓风机，出口压力40kPa，流量60m3/min。——甲烷浓度＞30%；

    ——足够的气源、稳定的气压，当用于炊事时，气压应大于2000Pa；

    ——气体混合物中无有害杂质；

    ——完善的气体储存和输送设施。

图2  我国煤矿典型瓦斯利用站储气罐，一般为湿式螺旋三节储罐，容量为5000m3和10000m3两种。

1982年以来，我国将矿井瓦斯利用工作正式纳入国家节能基本建设投资计划。截止1993年底，已建成投产瓦斯利用工程50余处，年利用瓦斯量约4亿m3。

目前已建设贮气罐总容量达65万m3，输配主干线约620km，供气22万多户。同时还开发了瓦斯发电、生产化工原料和烧炉窑、锅炉等一系列工业生产项目。目前，我国煤层气的工业应用主要在矿区矿井通风流预热和热水锅炉、煤的干燥等。另外也有少量煤层气用于生产化工产品，例如松藻矿务局建成投产了一座年产600t碳黑的化工厂，而抚顺矿务局的西露天矿甲醛厂在1970年10月投产后，年产甲醛500t。

    煤炭部将煤层气开发作为煤炭工业发展战略性起步工程之一。根据煤炭工业综合利用发展规划，到2000年，计划新建设煤层气利用站7座，增加利用能力2.8亿m3。

3  发  电

    煤层气代替煤发电供热不仅能减轻环境污染，而且能提高热效率。实用的煤层气发电技术可分为以下四种：

    (1)往复式发动机

    包括火花点火式四冲程发动机和狄塞尔双燃料发动机。这种发动机热效率高，燃料气的入口压力低，但一次性投资高，维修费用昂贵。

    (2)燃气轮机

    燃气轮机的燃料必须使用高压煤层气，高压煤层气可直接取自高压主管道或通过外部煤层气压缩机来提供。燃气轮机的工作效率高达30%。英国拉斯顿TB5000燃气轮机，完全能燃用煤层气。燃气轮机排放气体中的大量余热可通过废热锅炉加以利用以满足供暖需要。燃气轮机的缺点是需要将燃气加压到18atm以上，煤层气的甲烷浓度应在40%以上。

    (3)汽轮机

    汽轮机技术与其它技术相比，热动力效率较低，但该设备的运行十分可靠，服务年限长。在常压下，使用标准锅炉燃用煤层气来生产蒸汽，这种锅炉对煤层气的质量要求不高。

    (4)联合循环系统

    联合循环是煤层气能源动力转换效率最高的一种方式(见图3)。

    图3  联合循环发电

燃气轮机的排放气体温度高，含氧丰富，可直接送到余热锅炉生产蒸汽来驱动蒸汽轮机，这种联合循环系统可获得大约45%的热效率。

    近年来，煤层气发电发展很快。英国有8座煤矿安装了煤层气发电机组，其中哈华斯煤矿的联合循环发电厂装机容量为15兆瓦。澳大利亚BHP公司计划安装94台煤层气发电机组，每台发电能力为1兆瓦，其中54台安装在阿平煤矿，其余安装在陶尔煤矿。德国胡戈煤矿安装的煤层气发电机组功率为6.5兆瓦，年发电量为4800万度。

    近年来，我国也开始进行煤层气发电试验和示范。第一个煤层气发电试验示范项目是抚顺矿务局老虎台煤矿煤层气电站，规模为1×1500kW。从挪威DRP公司引进KGZ-3C燃气轮机一套，并由该公司配套的法国Leroy-Somer公司交流同步发电机一台和美国德莱塞公司GSL-309螺杆式压缩机一套及相应控制设备。配套选用的PA100G70-50/49型交流同步发电机，其额定功率为1900kVA(1520kW)燃气轮机燃料消耗热指标9.32MJ/s，按甲烷浓度49.6%的低热值12865kJ/m3折算，耗气量为41.3Nm3/min，燃气轮机配套的燃气压缩机进气量为46.7Nm3/min。

图4  中国天然气长距离输送管道分布图该项目于1988年4月开工，1989年3月设备安装完毕。从几段时间的运行看，这套引进技术和设备也是基本成功的。目前存在的最大问题是瓦斯压缩机供气量不足，仅达到额定流量65%，从而使发电机组的实际输出功率只达到额定功率的88～95%。如能调试好或调换合适的瓦斯压缩机，运行效果将会更好。

    六枝矿务局凉水井煤矿利用国产退役的飞机发动机作为原动机，配国产发电机，以矿井抽出的煤层气为燃料发电，取得成功，并获贵州省1991年科技进步奖。该煤层气电站设计装机容量为2×400kW，一开一备，年累计发电7000kW/h。选用国产的TF03B型燃气内燃发电机组，其功率为400kW，原动机耗气量为0.4Nm3/kWh。

    该项目1991年9月开工建设，1992年5月建成试运行。运行结果表明，利用国产设备，以煤层气为燃料发电是成功的。国产机组不仅价格低，维修方便，设备规格也比较多，选型自由度大，便于与不同规模的矿井配套，是现阶段推广矿井瓦斯发电技术主要选择的设备，具有很大的现实意义。

    4  瓦斯汽车

    汽车是造成大气污染的重要污染源，它们排放CO、碳氢化合物和氮氧化物。柴油车辆还排放颗粒物。随着车辆不断增加，作为主要燃料的石油将会变得短缺。天然气对环境十分有利，因为它能减少车辆排出的所有污染物的排放。因此，使用甲烷作为燃料的经济和环境效益十分明显。

    作为汽车燃料的压缩天然气的工艺参数为：甲烷浓度为90～100%；乙烷以上的烃类含量不超过6.5%。因为甲烷是煤层气的主要成分，经过富集，甲烷浓度可增加到95%，而乙烷以上的烃类含量很小。因此，煤层气十分适合于生产压缩天然气作为汽车燃料。

    压缩天然气可提供任何内燃机能使用的低成本、高效、洁净而又丰富的燃料。目前，天然气汽车的能量效率已等于或大于汽油和其它代用燃料的效率。根据美国天然气协会的报告，每1m3压缩天然气相当于1.33升汽油。目前，拥有天然气汽车的国家主要有乌克兰、加拿大、新西兰、墨西哥、意大利和美国等，把常用的天然气汽车作为城市车队。压缩天然气是一种成熟的技术。

    目前，我国有700多万辆汽车，而且汽车数量以13%的年增长率增长。大多数汽车的发动机效率低，而且燃料消费大。这不仅造成当地能源供应的紧张，而且还影响当地的大气质量。因此，其出路在于开发替代燃料，其中包括增加使用天然气、甲醇和乙醇。在六十年代，我国因常规燃料的短缺而推进了天然气汽车的利用，并在拥有天然气资源和基础设施的地区获得了巨大的成功。

    与大多数国家一样，我国推广天然气汽车的障碍是没有高压天然气汽车的加气设施，因此汽车必须直接从管道加气。虽然中国已引进一些加气设备，后来因设备和车辆问题，这些加气站没有被有效地利用。

5  管道输送

    回收的煤层气经压缩后可由天然气管道系统输送。管道系统对煤层气的要求为；(1)甲烷浓度在95%以上；(2)加压至350～550磅/英寸2(23.8～37.4atm)。

    美国有十分完善的天然气管道设施。美国煤层气利用市场主要是进入天然气管道。因此有关天然气管道运输的政策规定对煤层气利用有直接影响。

    在1985年以前，天然气购销市场由天然气管道公司所垄断。1992年5月，联邦能源法规委员会又颁布第363号法令，取消管道公司对天然气购销市场的控制，规定管道公司只能从事输送服务。而天然气生产公司和销售公司则有权直接进行谈判，签定购销合同。为了将天然气输送到用户，天然气生产公司或煤气公司可以向管道公司购买管道运输容量，为此需要向管道公司支付管道建设费和运气费，这两项费用是由有关法规规定的。

在美国，采出的煤层气一般都是通过天然气管道提供给用户。因此，需要在煤层气生产地点到天然气干线之间辅设一段新的管道。建设新管道时需要经过市或县计划委员会及联邦能源法规委员会在该州的分支机构批准。煤矿可以同天然气管道公司直接谈判，包括输送量、时间长度及投资份额等。

中国在1993年，天然气产量达到169.5亿m3，气田达79个。目前，中国已敷设的天然气管道达5902km，主要分布在四川、广东、河北等。另外，从陕西延安到北京的一条天然气管道已经开工建设，管线长度达900km，管径为720mm×9，起点输气压力为5.8MPa，进北京接收站压力为2MPa左右。这条天然气管道在设计时已经考虑到将来鄂尔多斯盆地的煤层气开发。我国天然气管道的建设一般均为从气田直接连到各个用户，而跨省的天然气管道系统尚未形成。从总体上看，中国绝大多数高瓦斯矿区都缺乏完整的天然气管道系统。目前主要通过短距离煤气管道供给附近用户，开滦的唐山矿则已将煤层气并入城市煤气系统。因此，中国煤层气开发适合于建设地方性管道系统。将煤层气供给居民、附近的工厂和公用事业单位，从而实现矿区的煤气化，改善当地的环境质量。在建造管道运输工程时，应考虑煤层气的输送成本、产地与市场的距离以及资源的开采年限。

6  煤层气提纯技术

    煤层气的主要成分是甲烷，杂质主要有氧，氮及其他气体。表1为松藻煤矿井下抽出煤层气的成分组成。一般来说，与井下抽放相比，采用地面钻井抽放的煤层气质量要高得多。

表1  煤层气样品分析化验报告

成 份     打通一矿    打通二矿     石壕煤矿

O2         9.63         5.60         4.09

N2        35.64        21.32        15.57

CO2        0.28         0.54         0.76

CH4       54.78        70.64        75.47

CO       ＞29.89ppm   ＜29.89ppm   ＜29.89ppm

He      ＜38.3ppm     ＜38.3ppm    ＜38.3ppm

    将氮气与甲烷分离的现有技术通常采用低温工艺，基础投资大，并只在分离大量气流时才经济(每天几百万立方米)。然而，许多富集工艺正处于不同的研究和开发阶段，它们可经济地用于处理30万m3/d以下气流，因此，这些工艺可在煤矿应用。其中一些工艺是专门用来去除天然气中的氮，但在有氧气存在的条件下，他们功能还是未知数。

    Mehra工艺利用碳氢溶剂去除氮气。这种工艺已在现场得到验证，据报道其运行成本比低温工艺低15%。假如这种工艺能处理氧气，那么它可以经济地处理4200～8500m3/d的中等甲烷浓度的煤层气。

    Bend研究机构采用金属基液体吸收剂来去除甲烷中的氮气。根据实验结果，甲烷混合气体的处理成本为每一千立方米需要19美元，并预计可降到11美元。但目前该工艺尚未进行现场试验。

    Nitrotec工程公司已开发出变压吸附工艺，该工艺利用碳分子筛从氮气和氧气中吸附甲烷。他们指出处理1000m3气体的成本为26～48美元，处理能力可达5.7～28.3万m3/d，处理的混合气体的甲烷浓度为75～92%。

    气体分离技术公司在变压吸附工艺中利用天然沸石将甲烷混合物中的氮气和氧气吸附出来。根据实验室试验，该工艺处理每1000m3的成本为4～16美元，混合气体的甲烷浓度为40～90%，处理能力可达2.8～14.2万m3/d。该工艺目前尚未进行现场试验。

    膜技术研究公司与几家其它公司合作研究开发氮气和甲烷的膜分离技术。这种技术具有十分诱人的发展前景，因为该技术不仅简单，而且能适用于小型气体分离站。但是，迄今为止，在开发氮气和甲烷分离膜方面还没有成功的报道。

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