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1、煤层气开发与小型液化天然气装置 The Exploitation of Coal Mine Methane and Small Scale Liquefication Workshop煤层气简介: 英语词汇为:Coal Mine Methane (CMM) 或者Coal Bed Methane (CBM) 煤炭形成过程中，在高压和厌氧的条件下产生大量气体， 其成分主要是甲烷(占85%以上)，吸附在煤体上，成为煤 层气，通常称为“瓦斯”。 瓦斯是煤矿井下常见的一种有害气体，无色、无味、易燃 、易爆。在煤层开采过程中会自动放散出来。当空气中瓦 斯的浓度在55到16之间时，有明火就会发生爆炸 ，而浓
2、度在95的时候，其爆炸威力最大，破坏性也 最强。瓦斯爆炸时会产生高温、高压、冲击波，并放出有毒气体。 煤层气双面性: 瓦斯爆炸和瓦斯突出事故是煤矿安全的最大威胁，所以瓦 斯被认为是对煤矿开采最危险的有害气体。 甲烷还是一种会产生强烈温室效应的温室气体，其温室效 应是二氧化碳的20倍以上,煤层气大量排入大气将导致气 候变暖，影响全球环境。 煤层气又是洁净的高热值非常规天然气，是一种能源资源 ，如能综合利用，将会收到增加洁净能源供应，改善煤矿 安全，保护全球环境等多重效益。瓦斯爆炸事故: 2004年，全国共发生煤矿死亡事故3639起，造成6027人 死亡，瓦斯更是15次死伤10人以上矿难的罪魁祸首
3、。据 统计，死亡3人以上的煤矿事故中，瓦斯事故的比例接近 70，死亡10人以上的煤矿事故中，瓦斯事故占到90 以上。 据联合国有关部门统计，中国每年因采煤向大气排放的煤 层气达194亿立方米，占世界采煤排放煤层气总量的13 ，居世界第一，已引起国际社会普遍关注。 煤层气资源数量: 目前世界拥有的煤层气资源总量约为240万亿立方米，资 源量最多的5个国家依次为：俄罗斯、中国、加拿大、美 国、澳大利亚。 我国埋深2000米的浅煤层的煤层气储量约为3035万亿 立方米，大体与我国的天然气总量相当，资源十分丰富。 据计算，1000立方米煤层气相当于1吨标准煤，其发热量 可达30兆焦/立方米以上，据此估
4、算我国的煤层气储量相 当于350亿吨标准煤或240亿吨石油。如果能将丰富的煤 层气资源加以开发利用，可以有效缓解当前的能源紧张局 面。 我国煤层气分布与利用: 我国丰富的煤层气资源主要分布在经济较为发达但洁净能 源相对匮乏的中东部地区，与石油天然气资源呈逆向分布 ，因此，开发利用煤层气资源还可以弥补我国油气资源分 布与经济发展逆向分布的不足，以满足华东、华中地区经 济快速发展对洁净能源的迫切需求。从这个意义上讲，我 国煤层气资源勘探开发的市场前景十分广阔。 我国的煤层气资源不仅在总量上占有一定优势，在区域分 布、埋藏深度等方面也有利于规划开发。煤层气资源在我 国境内分布广泛，地理位置又相对集中
5、，基本可以划分为 中部、西部和东部三大资源区。其中中部地区约占资源量 的64；其次是西部地区，以沁水盆地和鄂尔多斯盆地资 源量最大，超过10万亿立方米，为集中开发提供了资源条 件。 瓦斯利用典型: 安徽淮南煤矿10年前瓦斯事故频发，但通过多方面的努力 ，将瓦斯抽放出来成为清洁能源，企业变成了安全生产的 典型。 目前在河南焦作、安徽淮北、山西阳泉等地，煤层气已成 为居民的主燃料之一。山西晋城四合矿区使用煤层气发电 ，其发电效率从燃煤电厂的38提高到55，而单位能量 排放的二氧化碳则比燃煤电厂下降47。 在晋城地区，通过地面钻孔抽采地下煤层气，目前已形成 规模。中联煤层气有限公司、晋城煤业集团、山
6、西亚美大 宁能源有限公司已建成了100余座地面抽采钻井，并分别建 成了煤层气压缩站，通过专用槽车将压缩后的煤层气运至 城市内供居民生活和部分用气工业使用。 煤层气具体利用: 煤层气等同于天然气，是一种清洁燃料，可以代替汽油作 为汽车燃料使用。 煤层气在城市中应用途径也非常广泛。煤层气可通过煤层 气槽车或集中输气管道送至城市集中居民区，供居民、宾 馆、饭店等使用，减少烧煤的浪费和污染，优化城市大气 环境。 煤层气发电余热和尾气还可以综合利用，如发电尾气余热 通过加装热交换器，取代井筒热风炉,燃烧尾气还可用于 回收二氧化碳制作干冰. 专家保守估算，2004年中国煤矿通风瓦斯的排放达140亿 立方米
7、，超过“西气东输”一年120亿立方米的输气量。 我国煤层气(俗称瓦斯)资源丰富，分布区域广，位居世界 第三，储量与我国陆上30万亿立方米的天然气资源量基 本相当，相当于450亿吨标煤。但我国每年瓦斯的实际利 用率不到2%。 美国煤层气利用: 20世纪70年代末至80年代初，美国开始进行地面开采煤 层气试验并取得成功。从1983年到1995年的12年间，煤 层气年产量从1.7亿立方米猛增至250亿立方米，迅速形 成产业化规模。2003年美国煤层气产量超过450亿立方米 ，2004年则达500亿立方米左右，占天然气产量的810左右，成为重要的能源资源。 美国主要煤层气生产基地 （l）圣胡安盆地。圣
8、胡安盆地被认为是世界上最具有生产能力的煤层气 盆地。1997年，圣胡安盆地的煤层气产量达到2124亿 m3，占美国当年煤层气产量的74.8。 （2）黑勇士盆地。黑勇士盆地主要位于美国阿拉巴马州，黑勇士盆地已 建成18个煤层气田，1994年的煤层气产量已达到266亿 m3。 （3）粉河盆地。1997年煤层气产量为36亿m3。 （4）拉顿盆地。拉顿盆地位于科罗拉多州东南部和新墨 西哥州的东北部1997年拉顿盆地煤层气产量为5.6亿m3。煤层气预处理和净化技术: 井上抽放煤层气的浓度较高,是极为优质的能源,但是在采 矿过程中实际排放的甲烷浓度较低,仅含4075%.其余主 要为二氧化碳和氮气,需要浓缩
9、处理. 用变压吸附技术(PSA)浓缩甲烷应用这种方法将含20甲 烷的瓦斯浓缩后，产品中甲烷浓度可达50以上，产品 回收率达90以上 空分精馏塔深度脱氮 气体水合物技术实现甲烷和氮气分离. 膜分离技术 溶剂吸收技术 深度干燥技术 深冷技术我国燃气资源现状: 燃气资源，是指除了管道天然气外能够被利用的各种可燃 气体，包括煤层气、焦炉煤气、沼气、秸秆气、炭黑气、 油母页岩气，以及无法外输的石油伴生气等。 每年排空的燃气资源为8个西气东输气量. 地域分布的广泛性是造成我国燃气资源未能充分利用的重 要原因. 据中国工程院“发展燃气机充分利用我国燃气能源的研究” 项目报告，目前，我国每年采煤排放的煤层气在
10、130亿立 方米以上，每年可利用总量达80亿立方米，折合标煤近 1000万吨； 每年空排的焦炉煤气近200亿立方米，约折合标煤1100万 吨； 每年还有总量20%以上的冶炼尾气被直接空排或空烧，约 折合标煤880万吨； 此外，我国每年可产沼气100亿立方米，约折合标煤730 万吨； 若将我国秸秆可利用量3.5亿吨的10%用来生产秸秆气， 则每年生产的秸秆气约折合标煤900万吨。其他燃气较难 统计其总量，但也是可以利用的一部分燃气能源。 煤层气也称非常规天然气，特点是: 单井产量不很高。除就地使用外，铺设管道外输常常不合 算，因此浪费很严重。因此: 如果采用低温制冷的方法，把煤层气液化，其体积将
11、缩小 600多倍，便于运输和利用。与管道输送相比，液化运输 更为灵活，可以随着气源和用户的变化而变化。 在气量不大的情况下（每天几万至几十万标方），液化运 输的成本更低。 可采用小型液化装置将煤层气液化运往附近加气站/燃气 电厂/城市居民用气,将大大加快煤层气利用进程. 煤层气液化的优点: 我国现己探明的规模较大、供气稳定的天然气气田较少， 而且多处于边缘山区和西北沙漠。其余多为储量低，分布 松散，没有建设管道输送、大规模基地液化、公用设施价 值的小型气田 煤层气多分布于山区、矿区，储量、供气量不稳定，气 源条件变化大，开采时间短，开采设备启停变化大，尤其 是小型煤矿，不具备大规模商业开发的价
12、值。 管道气输送沿线城市的用气日调峰，事故备用气源，周边 小城镇供气，城市LNG,CNG汽车加气站的建设。 未来中国中小型天然气液化系统的市场主要在如下几个方面： 1) 直接以LNG为燃料的大型长途运输和重型工业车队 (Transportation Fleets). 2) 以常温压缩天然气(CNG)为燃料的小型和中型汽车的液化 储存和加压(LCNG)的汽车加气站。 3) 以大量消耗和稳定可靠为特征的天然气发电厂的LNG调峰 厂和LNG储罐。 4) 管输天然气的液化储存并向边远用户的远程运输。 5) 以大量消耗清洁热力能源为特征的制造业，如陶瓷和玻璃 工业等。 6) 小储量偏散分布天然气藏（st
13、randed field）的液化回收。 7) 油田伴生天然气。 8) 煤层天然气（瓦斯）的液化回收。 9) 大城市垃圾池沼气（甲烷）回收等等。 已有小型天然气液化装置(国内): 1999 年 1 月建成投运的 每天两万标方天然气“陕北气田 LNG 示范工程”是发展我国 LNG 工业的先导工程，也是 我国第一座小型 LNG 工业化装置。该装置采用天然气膨 胀制冷循环. 上海LNG装置（法国索菲公司设计),采用混合制冷循环,每 天10万标方天然气. 中原油田，带预冷的天然气节流膨胀制冷的LNG装置， 液化能力为每天15万标方天然气 . 大庆油田,哈尔滨工业大学,每天20万标方天然气,混合制冷 剂.
14、 其它实验装置包括西南石油学院,天津大学, 四川科阳, 吉林油田,均为实验性的小型液化装置.周 远 中国科学院院士，中国科学院理化技术研究所研究员 关于加快我国具有自主知识产权的液化天然气技术研发的建议 1. 开展天然气液化技术的相关基础研究和技术攻关 建议以现有深冷混合工质节流制冷技术为基础，深入开展深冷混合工质节 流制冷流程的优化设计，提高液化效率及优化流程结构和简化流程组织，减 少设备初投资。2.建立具有中小规模的天然气液化装置 建议开展相关中小型液化装置（10万m3/d及以下的量级规模）的方案论 证、设计及制造建设工作。 3.组建类似国家级工程中心形式的液化天然气技术研发平台 建议依靠
15、国内现有研究单位，组建液化天然气技术研发的工程中心，在天 然气液化、煤层气液化分离、车用液化天然气燃料等新兴能源领域发挥重大 作用。 科学院低温中心动向 :哈尔滨工业大学动向: 1.针对大庆“湿气田”的液化天然气以及适合煤层气液化的 中小型橇装式天然气液化装置。 2.哈尔滨工业大学低温与超导技术研究所所长贾林祥博士 与鹤岗市东兴物资有限公司签订了“合作建设煤层气液化 厂协议”。 3.该校低温系所建中小型液化装置为供城市门站调峰用的中小型透平膨胀机制冷循环系统 和基地型的混合制冷剂 液化系统 2004年11月911日在北京召开了以“制冷与低温科学技 术研究前沿”为主题的香山科学会议第240次学术
16、研讨会 会议最后产生六点总结,其中第四点具体为:(4) 开展以天然气和煤层气液化为对象的深冷混合工质节 流制冷研究对改善我国的能源利用和降低煤矿安全事故具 有学术和应用上的双重意义。以吸附/吸收为代表的热致 浓度差制冷技术是利用太阳能和工业废热等低品位热源方 面的一项重要技术，混合吸附和吸收机理以及开发小温差 的强化传热技术是促进这一技术工程化的关键科学问题。 国外 GTI发展小型液化装置针对:1.燃气车辆;2.边际分散气田;3.生物质气(垃圾填埋气,沼气,城市污水处理气);4.工业调峰用户;GTI小型液化装置:250gallon/per day liquefier successfully tested and designed;1000 gallon/per day liquefier b
