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。目前我國低濃度瓦斯利用率較低。根據(jù)國家發(fā)改委和國家能源局發(fā)布的《煤層氣（煤礦瓦斯）開發(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：甲烷含量大于80%的那部分氣體，稱為煤層氣；甲烷含量小于80%的那部分氣體，稱為煤礦瓦斯，其中，甲烷含量大于30%小于80%的稱為高濃度瓦斯，甲烷含量小于30%的那部分氣體，稱為低濃度瓦斯；甲烷含量小于0.75%的那部分氣體，稱為乏風，又稱煤礦風排瓦斯。

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

2 低濃度瓦斯制LNG的技術(shù)進展

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，當冷卻至約-162℃時，天然氣則由氣態(tài)變成液態(tài)，稱為液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡稱LNG）。通過制冷液化后，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。換句話來說，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)

對于低濃度瓦斯的提濃，目前，在實驗性生產(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力，允許某些組分穿過而保留混合物中其它組分，從而達到分離目的的技術(shù)。該方法缺點是在處理煤礦瓦斯時，需要對處于爆炸極限范圍的瓦斯進行加壓，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）是利用吸附劑對不同物質(zhì)的吸附能力、速度和容量的不同，以及吸附劑對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，采用自動控制閥門開關(guān)，自動實現(xiàn)升壓吸附、降壓解析的氣體分離技術(shù)。該技術(shù)仍需對原料氣進行升壓，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氣體組份吸附的明顯選擇和擴散性的差異，通過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實現(xiàn)氣體的分離技術(shù)。該技術(shù)對原料氣不需要加壓，在進行瓦斯提純時，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）在負壓下解吸出來。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)過二級提濃后，CH4濃度可以達到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)模的液化項目，膨脹機制冷技術(shù)適合于小規(guī)模的液化項目，混合冷劑制冷循環(huán)技術(shù)則適用于中小型的項目?；旌侠鋭┲评浼夹g(shù)工藝簡單，設(shè)備少，能耗低，適應(yīng)性強，操作靈活，開停車方便，技術(shù)先進、成熟，在我國在建和已建成的天然氣制LNG項目中得到了普遍應(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)過凈化處理之后，可以使用分離出來的氮氣作為單一冷劑來實現(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，由中國煤炭科工集團重慶研究院、重慶能源集團松藻煤電公司、中國科學院理化技術(shù)研究所三家單位共同建設(shè)的國內(nèi)首套低濃度瓦斯深冷液化工業(yè)化試驗裝置在松藻煤電公司逢春煤礦建成，該裝置采用國際先進的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，其體積縮小為原來的1/625，甲烷濃度達到99%以上，達到工業(yè)和民用使用標準。甲烷回收率98.75%，綜合電耗為2.8kWh/m³。該項目創(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，盤江煤電（集團）有限責任公司關(guān)于實施低濃度瓦斯提純利用工業(yè)化示范項目的請示得到了貴州省能源局（黔能源發(fā)[2010] 437號）的批復(fù)。該項目總投資為4500萬元。項目工藝技術(shù)方案采用真空變壓吸附（vpsa）法，對16%以上濃度煤礦瓦斯進行脫氧提純。本項目采用煤礦瓦斯氣一段提濃，二段提濃和儲存三個工序，確保產(chǎn)品質(zhì)量。項目建成后，低濃度瓦斯耗量約9600萬Nm³/a（經(jīng)脫氧提純后形成純CH4 1536萬Nm³/a）；主要產(chǎn)品為符合國家天然氣標準GB17820-1999要求、烴含量≥95%（v）的工業(yè)天然氣，產(chǎn)能為1428.4萬Nm³/a天然氣，約合10541.6t/a。

2012年9月，全國首套“低濃度瓦斯提純制LNG”項目——山西瑞陽煤層氣公司含氧煤層氣液化5萬噸/年LNG項目一期“低濃度瓦斯提純制CNG”項目在山西省昔陽縣寺家莊礦一次性試運行成功，各項指標均達到或超過設(shè)計標準。該項目是陽煤集團低濃度瓦斯開發(fā)利用的創(chuàng)新項目，是山西省國資委監(jiān)管的2012年重點項目。

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的能源消費中的比例逐漸提高，未來我國天然氣的供應(yīng)缺口非常大，發(fā)展低濃度瓦斯制LNG技術(shù)具有較好的市場前景。

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

雖然目前我國低濃度瓦斯制LNG技術(shù)已經(jīng)達到了國際先進水平，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)化示范裝置的運行，積累經(jīng)驗，穩(wěn)步推進低濃度瓦斯制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，而且對煤礦企業(yè)也能產(chǎn)生較好的經(jīng)濟效益。

5 結(jié)語

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，前景較好。應(yīng)結(jié)合工業(yè)化示范裝置的運行經(jīng)驗，穩(wěn)步推進低濃度瓦斯制LNG的工業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用。

參考文獻

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