李 雪 飛

(1.煤炭科學技術研究院有限公司煤化工分院,北京 100013;2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室,北京 100013;3.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術裝備重點實驗室,北京 100013)

0 引 言

煤層氣是以吸附狀態(tài)賦存于煤層中的非常規(guī)天然氣,主要成分是甲烷[1]。甲烷引發(fā)溫室效應的能力是CO2的21倍。如果將煤層氣有效處理并加以利用,其燃燒熱值與天然氣相當,而且潔凈不產生廢氣[2]。結合煤炭生產布局開展的煤層氣開發(fā)活動稱為瓦斯區(qū)煤層氣開發(fā),開發(fā)方式包括地面預抽、井下預抽、采煤過程中抽和采煤后抽等[3]。截至 “十二五”末期,我國煤層氣(煤礦瓦斯)抽采量180億m3、利用量86億m3,其中井下瓦斯抽采量136億m3、利用量48億m3,利用率35.3%。地面煤層氣產量44億 m3、利用量38億 m3,利用率86.4%[4]。

目前,針對井下抽采瓦斯按濃度可分為3種利用方式,即高濃度瓦斯利用(甲烷含量30% ～90%)、低濃度瓦斯利用(甲烷含量＜30%)、乏風瓦斯利用(甲烷含量＜8%)[5]。高濃度瓦斯利用主要包括直接發(fā)電[6-8]、民用和工業(yè)燃料[9]、提純制壓縮天然氣(CNG)和液化天然氣(LNG)[10-13]等;低濃度瓦斯利用主要以發(fā)電、提純利用為主[14-19];乏風瓦斯利用主要是蓄熱氧化利用[20-21]。為提高低濃度煤層氣利用率,需要開發(fā)不同濃度范圍的煤層氣利用技術,同時進行技術經(jīng)濟分析,以提高其競爭性和市場應用前景。本文針對低濃度煤層氣濃縮提質制CNG技術,以年產2 000萬Nm3壓縮天然氣項目為例,進行了技術經(jīng)濟分析評價,為該技術的推廣應用提供指導。

1 技術選擇

煤炭科學技術研究院有限公司經(jīng)過“十一五”和“十二五”的小試研發(fā)、中試放大驗證及工業(yè)示范,成功開發(fā)了低濃度煤層氣提質利用技術,工藝流程如圖1所示。

圖1 低濃度煤層氣提質制壓縮天然氣工藝流程Fig.1 Process of CNG production with coal-bed methane

新鮮原料氣經(jīng)過安全輸送系統(tǒng)后進入混合壓縮凈化系統(tǒng),與二級變壓吸附裝置返回的氣體混合,混合后原料氣進入煤層氣壓縮機,排氣壓力0.4～0.5 MPa,壓縮后氣體經(jīng)過濾裝置、冷干機和活性炭罐進行除塵、除水、除油處理,凈化后的煤層氣依次進入兩級變壓吸附裝置濃縮分離,變壓吸附系統(tǒng)可將原料氣CH4從35%提濃至90%以上,提濃氣體壓力0.3 MPa。尾氣中CH4含量小于5%。提濃后的煤層氣進入CNG制備系統(tǒng),經(jīng)脫水處理后進入壓縮機壓縮至25 MPa。CNG產品進入儲氣罐儲存供給CNG母站或子站。

工藝技術特點：① 深度脫氧。一次吸附脫氧率90%以上,O2體積分數(shù)可從12%～14%降至約1%,后續(xù)濃縮安全可靠。② 一次壓縮多級濃縮?？山档湍芎?0%以上,減少壓縮設備投資。③ 濃縮后氣體帶壓。壓力不浪費,CNG或LNG再加工能耗低。④吸附劑效率高。裝填量小,吸附塔體積小,吸附劑總價相對便宜。⑤ 濃縮效率高。甲烷體積分數(shù)從約30%濃縮至90%以上,吸附劑原料氣處理能力高,具有良好的抑爆及導靜電能力,吸附容量大,分離效率高。⑥ 產品方案靈活。帶壓濃縮氣可生產CNG、LNG,提高了項目的經(jīng)濟性及抗風險能力。

2 工藝方案

2.1 設計基礎條件

原料氣總量7 500 Nm3/h,壓力2～3 kPa,溫度≤40℃,其組成為：CH430%,O212%,CO21%,N257%。

2.2 產品設計指標

產品氣壓力25 MPa,溫度為常溫,總量2 500 Nm3/h,其 組 成 為： CH495.00%,O20.4%,N24.60%。

2.3 主要設備選型

主要設備選型見表1。安全輸送系統(tǒng)主要設備有水封阻火泄爆裝置、氣體計量撬、全自動反清洗過濾器?；旌蠅嚎s凈化系統(tǒng)主要設備有混合器、煤層氣壓縮機、過濾器、冷干機和活性炭過濾器。變壓吸附濃縮系統(tǒng)主要設備有一、二級吸附塔、緩沖罐和真空泵。CNG制備系統(tǒng)主要設備有天然氣壓縮機、調壓計量撬、加臭機和單槍加氣柱等。公用工程及輔助設施主要有冷卻塔、空壓機和軟水裝置。

2.4 公用工程消耗

公用工程消耗見表2。公用工程消耗主要包括壓縮機和真空泵等動力設備電耗,壓縮機和真空泵等設備冷卻用循環(huán)冷卻水以及補充用新鮮水,儀表閥門用儀表空氣。

2.5 占地及勞動定員

總占地面積約18 000 m2。工程生產裝置和輔助生產設施均為連續(xù)化生產,生產操作實行“四班三運轉”制,勞動定員共24人。

3 投資及經(jīng)濟成本分析

3.1 工程投資

工程投資估算結果見表3?？偼顿Y7 846萬元,其中建設投資6 990萬元,建設期借款利息590萬元,流動資金266萬元。

3.2 經(jīng)濟評價及成本估算

3.2.1 經(jīng)濟評價數(shù)據(jù)

1)原輔材料、動力燃料用量及價格(含稅)。煤層氣用量1 900萬Nm3,折純價格0.25元/Nm3;用電量 1 562.56 萬 kWh,電價 0.65 元/kWh;新鮮水用量2.672萬 t,水價10元/t。

2)工人工資及福利費。人均工資及福利費按5萬元/a計。

3)產品價格。壓縮天然氣(CNG)產品價格按2.6 元/Nm3計。

表1 主要設備一覽Table 1 List of major production equipment

表2 公用工程消耗指標Table 2 Consumption index of utility

表3 工程投資估算Table 3 Estimation of project cost 萬元

3.2.2 經(jīng)濟評價結果

經(jīng)濟評價結果見表4。項目總投資7 846萬元,其中建設投資6 988萬元,建設期利息590萬元,流動資金266萬元。項目年均銷售收入5 294萬元,總成本費用2 683萬元,利潤總額2 177萬元,凈利潤1 633萬元。工程投資財務內部收益率(所得稅后)為31.87%,投資回收期(所得稅后)為 4.44 a(含1.5 a建設期)。項目技術經(jīng)濟可行。

3.2.3 生產成本估算

結合經(jīng)濟評價結果,工程投資財務從原材料、動力、工資及福利費、修理費、折舊、攤銷、利息等方面對單位產品成本進行核算,其結果見表5。

表4 經(jīng)濟評價指標Table 4 Index of economic analysis

從表5可以看出,單位產品完全成本為1.32元/Nm3。CNG產品出廠價按2.6元/Nm3計,尚有1.28元/Nm3的盈余。折合每立方低濃度煤層氣(非折純)經(jīng)過加工提純后,可實現(xiàn)0.457元的收益,年收益2 560萬元(含銷售稅金附加及增值稅),在達到煤礦瓦斯綜合治理要求的同時實現(xiàn)收益。

表5 單位產品成本核算Table 5 Cost accounting of production

4 結 論

1)低濃度煤層氣提質利用技術,可以將原料CH4含量從35%提高到90%以上,O2含量從12%降低至1%以下。原料氣一次壓縮多級濃縮,能耗低。產品方案靈活,可以制備CNG、LNG。

2)年產2 000萬Nm3壓縮天然氣項目,總投資為7 846萬元,其中建設投資6 990萬元,建設期借款利息590萬元,流動資金266萬元。工程投資財務內部收益率(所得稅后)為31.87%,投資回收期(所得稅后)為4.44 a(含 1.5 a建設期)。

3)單位產品完全成本1.32元/Nm3,CNG產品出廠價按 2.6元/Nm3計,尚有 1.28元/Nm3的盈余。折合每立方低濃度煤層氣(非折純)經(jīng)過加工提純后,可以實現(xiàn)0.457元的收益,年收益達2 560萬元。

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