張偉莉

【摘要】低濃度瓦斯是指甲烷含量小于30%的那部分瓦斯。目前我國(guó)低濃度瓦斯利用率較低。根據(jù)國(guó)家發(fā)改委和國(guó)家能源局發(fā)布的《煤層氣（煤礦瓦斯）開(kāi)發(fā)利用“十二五”規(guī)劃》，到2015年，煤礦地下抽采瓦斯的利用率要達(dá)到60%以上。利用低濃度瓦斯生產(chǎn)LNG是提高低濃度瓦斯利用率的一條新的利用途徑。本文主要介紹低濃度瓦斯提純和液化制LNG技術(shù)進(jìn)展，并展望低濃度瓦斯制LNG的發(fā)展前景。

【關(guān)鍵詞】低濃度瓦斯 LNG 提純 液化 發(fā)展前景

1 引言

煤層氣是一種以吸附狀態(tài)賦存于煤層中的非常規(guī)天然氣，也稱(chēng)煤礦瓦斯，其主要成份是甲烷。根據(jù)甲烷濃度的高低，可以將煤層氣分為三類(lèi)：甲烷含量大于80%的那部分氣體，稱(chēng)為煤層氣；甲烷含量小于80%的那部分氣體，稱(chēng)為煤礦瓦斯，其中，甲烷含量大于30%小于80%的稱(chēng)為高濃度瓦斯，甲烷含量小于30%的那部分氣體，稱(chēng)為低濃度瓦斯；甲烷含量小于0.75%的那部分氣體，稱(chēng)為乏風(fēng)，又稱(chēng)煤礦風(fēng)排瓦斯。

本文主要針對(duì)低濃度瓦斯進(jìn)行研究，并探討低濃度瓦斯制LNG的技術(shù)進(jìn)展和發(fā)展前景。

2 低濃度瓦斯制LNG的技術(shù)進(jìn)展

低濃度瓦斯制LNG的關(guān)鍵技術(shù)為低濃度瓦斯提純技術(shù)及天然氣液化技術(shù)。

2.1 LNG的概念解析

天然氣是一種混和物，主要成分有甲烷、氮及C2～C5的飽和烷烴，另外還含有微量的氦、二氧化碳及硫化氫等。在常壓下，當(dāng)冷卻至約-162℃時(shí)，天然氣則由氣態(tài)變成液態(tài)，稱(chēng)為液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡(jiǎn)稱(chēng)LNG）。通過(guò)制冷液化后，LNG就成為含甲烷（96%以上）和乙烷（4%）及少量C3～C5烷烴的低溫液體。換句話來(lái)說(shuō)，LNG是由天然氣轉(zhuǎn)變的另一種能源形式。

2.2 低濃度瓦斯提純技術(shù)

對(duì)于低濃度瓦斯的提濃，目前，在實(shí)驗(yàn)性生產(chǎn)裝置上獲得成功的方法有膜分離法、變壓吸附法（PSA）和真空變壓吸附法（VPSA）等。

膜分離法是用高分子中空纖維膜作為選擇障礙層，利用膜的選擇性（孔徑大?。?，以膜的兩側(cè)存在的能量差作為推動(dòng)力，允許某些組分穿過(guò)而保留混合物中其它組分，從而達(dá)到分離目的的技術(shù)。該方法缺點(diǎn)是在處理煤礦瓦斯時(shí)，需要對(duì)處于爆炸極限范圍的瓦斯進(jìn)行加壓，自5kPa左右加壓至0.6MPa以上，很容易發(fā)生爆炸。

變壓吸附法（PSA）是利用吸附劑對(duì)不同物質(zhì)的吸附能力、速度和容量的不同，以及吸附劑對(duì)混合氣體中各種組分的吸附容量隨壓力而變化的物理特性，采用自動(dòng)控制閥門(mén)開(kāi)關(guān)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)升壓吸附、降壓解析的氣體分離技術(shù)。該技術(shù)仍需對(duì)原料氣進(jìn)行升壓，也不適合用于煤礦瓦斯提純。

真空變壓吸附法（VPSA）是利用固體吸附劑對(duì)氣體組份吸附的明顯選擇和擴(kuò)散性的差異，通過(guò)氣源在接近常壓下做周期性、在不同的吸附器中循環(huán)變化，其解吸（或再生）采用真空抽吸的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)氣體的分離技術(shù)。該技術(shù)對(duì)原料氣不需要加壓，在進(jìn)行瓦斯提純時(shí)，低濃瓦斯在常壓下被吸附后，采用抽真空方式提高瓦斯純度，即利用抽真空的辦法降低被吸附組分的分壓，使被吸附的組分（CH4）在負(fù)壓下解吸出來(lái)。目前在制富氧、制CO2等工業(yè)裝置上有成功的應(yīng)用。

煤礦低濃度瓦斯提純一般采用真空變壓吸附法（VP-SA），一般，經(jīng)過(guò)二級(jí)提濃后，CH4濃度可以達(dá)到90%以上?？梢运椭撂烊粴庖夯b置生產(chǎn)LNG。

2.3 天然氣液化技術(shù)

天然氣液化主要有階式制冷循環(huán)、混合冷劑制冷循環(huán)和膨脹機(jī)制冷循環(huán)這幾種工藝。階式制冷技術(shù)適合于大規(guī)模的液化項(xiàng)目，膨脹機(jī)制冷技術(shù)適合于小規(guī)模的液化項(xiàng)目，混合冷劑制冷循環(huán)技術(shù)則適用于中小型的項(xiàng)目?；旌侠鋭┲评浼夹g(shù)工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備少，能耗低，適應(yīng)性強(qiáng)，操作靈活，開(kāi)停車(chē)方便，技術(shù)先進(jìn)、成熟，在我國(guó)在建和已建成的天然氣制LNG項(xiàng)目中得到了普遍應(yīng)用。

煤礦瓦斯液化與煤層氣液化有所不同的是，煤礦瓦斯經(jīng)過(guò)凈化處理之后，可以使用分離出來(lái)的氮?dú)庾鳛閱我焕鋭﹣?lái)實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)的目的。

3 低濃度瓦斯制LNG技術(shù)的應(yīng)用

2011年4月12日，由中國(guó)煤炭科工集團(tuán)重慶研究院、重慶能源集團(tuán)松藻煤電公司、中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所三家單位共同建設(shè)的國(guó)內(nèi)首套低濃度瓦斯深冷液化工業(yè)化試驗(yàn)裝置在松藻煤電公司逢春煤礦建成，該裝置采用國(guó)際先進(jìn)的MRC混合制冷工藝（深冷精餾法），在-182度的低溫和0.3MP的低壓下同步進(jìn)行含氧瓦斯的分離和液化，每天能處理甲烷含量為29%～31%的低濃度瓦斯（瓦斯）4800立方米，生產(chǎn)液化甲烷氣（LNG）1.1噸。瓦斯液化提純后，其體積縮小為原來(lái)的1/625，甲烷濃度達(dá)到99%以上，達(dá)到工業(yè)和民用使用標(biāo)準(zhǔn)。甲烷回收率98.75%，綜合電耗為2.8kWh/m³。該項(xiàng)目創(chuàng)新性地提出并形成了一套以濕法脫碳、分子篩脫水，以混合冷劑制冷、在低溫低壓下同時(shí)液化與分離含氧瓦斯中的CH4、O2和N2的技術(shù)方法，研制出了4800m³/d低濃度瓦斯含氧液化中試裝置和含氧瓦斯液化冷箱等關(guān)鍵設(shè)備。

2010年8月2日，盤(pán)江煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司關(guān)于實(shí)施低濃度瓦斯提純利用工業(yè)化示范項(xiàng)目的請(qǐng)示得到了貴州省能源局（黔能源發(fā)[2010] 437號(hào)）的批復(fù)。該項(xiàng)目總投資為4500萬(wàn)元。項(xiàng)目工藝技術(shù)方案采用真空變壓吸附（vpsa）法，對(duì)16%以上濃度煤礦瓦斯進(jìn)行脫氧提純。本項(xiàng)目采用煤礦瓦斯氣一段提濃，二段提濃和儲(chǔ)存三個(gè)工序，確保產(chǎn)品質(zhì)量。項(xiàng)目建成后，低濃度瓦斯耗量約9600萬(wàn)Nm³/a（經(jīng)脫氧提純后形成純CH4 1536萬(wàn)Nm³/a）；主要產(chǎn)品為符合國(guó)家天然氣標(biāo)準(zhǔn)GB17820-1999要求、烴含量≥95%（v）的工業(yè)天然氣，產(chǎn)能為1428.4萬(wàn)Nm³/a天然氣，約合10541.6t/a。

2012年9月，全國(guó)首套“低濃度瓦斯提純制LNG”項(xiàng)目——山西瑞陽(yáng)煤層氣公司含氧煤層氣液化5萬(wàn)噸/年LNG項(xiàng)目一期“低濃度瓦斯提純制CNG”項(xiàng)目在山西省昔陽(yáng)縣寺家莊礦一次性試運(yùn)行成功，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到或超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。該項(xiàng)目是陽(yáng)煤集團(tuán)低濃度瓦斯開(kāi)發(fā)利用的創(chuàng)新項(xiàng)目，是山西省國(guó)資委監(jiān)管的2012年重點(diǎn)項(xiàng)目。

4 低濃度瓦斯制LNG技術(shù)的發(fā)展前景

天然氣作為一種清潔能源在我國(guó)的能源消費(fèi)中的比例逐漸提高，未來(lái)我國(guó)天然氣的供應(yīng)缺口非常大，發(fā)展低濃度瓦斯制LNG技術(shù)具有較好的市場(chǎng)前景。

甲烷氣體被液化后，體積將縮小為原來(lái)的1/625，運(yùn)輸成本比壓縮氣體低，與管道輸送相比，液化運(yùn)輸更為靈活和方便。

雖然目前我國(guó)低濃度瓦斯制LNG技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，但離大規(guī)模應(yīng)用還有一定距離。要積極關(guān)注中試裝置和工業(yè)化示范裝置的運(yùn)行，積累經(jīng)驗(yàn)，穩(wěn)步推進(jìn)低濃度瓦斯制LNG的工業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用。積極發(fā)展低濃度瓦斯制LNG技術(shù)，不僅可以充分利用能源，減少環(huán)境污染，而且對(duì)煤礦企業(yè)也能產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語(yǔ)

利用低濃度瓦斯生產(chǎn)LNG是提高低濃度瓦斯利用率的一條新的利用途徑。低濃度瓦斯制LNG技術(shù)先進(jìn)，前景較好。應(yīng)結(jié)合工業(yè)化示范裝置的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，穩(wěn)步推進(jìn)低濃度瓦斯制LNG的工業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用。

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