探索當前低濃度煤層氣液化技術及其應用

王 鵬

(寧夏回族自治區(qū)煤田地質(zhì)局，寧夏 銀川 750010)

在新時代下，各個領域飛速發(fā)展，煤炭資源的需求量不斷增加，加大了煤礦開采的力度。我國是一個煤層氣資源豐富的國家，但規(guī)模小、濃度低是煤層氣資源的顯著特點。但就煤層氣技術的研究來說，勘探、開采方法是主要的研究方向，液化技術的研究特別少。為了滿足不同領域?qū)γ禾抠Y源的需求，對我國低濃度煤層氣液化技術進行一系列的研究，更好地推動我國煤炭資源的開采有著非常深遠的意義。

一、低濃度煤層氣

簡單來說，煤層氣是煤炭資源開采過程中抽排出的瓦斯。甲烷是煤層氣的核心組成元素，屬于一種氣體，具有較強的溫室效應。一旦這種氣體排放到空氣中，所產(chǎn)生的溫室效應是二氧化碳的20 倍，大氣溫度急劇升高。同時，煤層氣也屬于一種清潔能源。在燃燒的過程中，并不會產(chǎn)生煙塵、二氧化硫，對環(huán)境造成嚴重的污染。就我國煤層氣的現(xiàn)狀來說，儲量是及其豐富的，但開發(fā)利用并不多。就相關資料表明，在2009年，我國煤層氣的利用率為28.7%，還沒用到煤層氣儲量的1/3。此外，對于低濃度煤層氣來說，就是抽排出的煤層氣，其中含有氮氧成分。其中的甲烷、氧氣等組成元素的濃度都比較低。通常情況下，甲烷的濃度為30%-50%，氧氣的濃度為10%-15%。低濃度煤層氣能夠有效防止煤炭資源開采過程中瓦斯爆炸、突出事故的頻繁發(fā)生，為保證煤礦生產(chǎn)的安全提供有利的支撐力量。

二、低濃度煤層氣的液化系統(tǒng)

想要對低濃度煤層氣液化技術進行更深入的研究，更好地應用到煤炭資源開采過程中，需要從實際出發(fā)，對低濃度煤層氣的液化系統(tǒng)予以仔細的分析。在研究的過程中，需要先對低濃度煤層氣進行凈化處理，分離其中的有害物質(zhì)，比如，二氧化硫，使低濃度煤層氣能夠達到液化之前的凈化標準。以此為基礎，通過冷制單元對低濃度煤層氣進行冷卻液化處理，以節(jié)流閥為橋梁，進入到精餾單元中，使氣液得到有效地分離。在分離過程中，其中的液化部分可以作為相應的成分進入到儲存系統(tǒng)中，被儲存下來。需要注意的是:其中的節(jié)流閥節(jié)流壓力需要根據(jù)實際情況合理設置。在不同壓力情況下，飽和煤層氣液體的甲烷回收率是不相同的。通常情況下，液化系統(tǒng)中進氣壓力大于1MPa，煤層氣中的甲烷會摩爾分數(shù)達到87%，氮氣、氧氣分別為10%、3%的時候，低濃度煤層氣的甲烷回收率是最高的，可以達到89%。在液化系統(tǒng)運行過程中，氮氣、氧氣的含量會不斷增加，進氣壓力也會隨之增大。而甲烷的回收率和它們成反比例關系，會不斷降低。同時，在進氣壓力增大的時候，混入空氣成分的煤層氣爆炸系數(shù)會變大，為液化系統(tǒng)留下安全隱患。因而，為了提高甲烷的回收率，需要使節(jié)流閥節(jié)流前的液體處于過冷狀態(tài)，不斷增加過冷度。

三、煤層氣凈化單元

總的來說，在低濃度煤層氣技術研究中，其中的凈化單元主要采用的是這樣的工藝流程，以質(zhì)量分數(shù)為15%的MEA 溶液為基點，來吸收煤層氣中的脫酸性氣體。具體來說，在加壓之后，煤層氣以吸收塔為路徑，脫除其中的二氧化碳，并使用干燥塔進行深度脫水。以此為基礎，干燥后的煤層氣需要進入液化單元進行冷卻液化處理。最后，才進入到精餾單元實現(xiàn)精餾提純。

四、煤層氣液化單元的工藝流程

對于液化單元來說，其中的閉式制冷循環(huán)的組成部分并不是單一的嗎，比如，分離器、換熱器。而其中的制冷工質(zhì)是由多種成分組成的混合制冷劑，比如，甲烷、氮氣。該制冷劑能夠提供不同沸點的溫度，可以防止不可逆?zhèn)鳠崾姑簩託獍l(fā)生冷卻、液化。在調(diào)節(jié)制冷劑的作用下，換熱器內(nèi)部的溫度差能夠得到有效地改善，并使液化系統(tǒng)的換熱效率得以提高，可以減少系統(tǒng)運作中的熱量損耗，減少成本的支出。

五、精餾

對于低濃度煤層氣來說，低溫蒸餾方法主要利用的是這樣的分離原理:以氮氣、甲烷、氧氣為媒介，充分利用它們之間的沸點差，使其中的氮氣、氧氣成分能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)分離。就相關研究來說，如果對應精餾塔理論中的塔板系數(shù)增加，煤層氣中所含的氧氣成分將會減少。在低濃度煤層氣技術研究中，精餾是液化系統(tǒng)的最后一步，也是至關重要的環(huán)節(jié)之一。

六、低濃度煤層氣液化技術的應用

在新形勢下，隨著低濃度煤層氣技術研究不斷深入，該技術已開始逐漸應用到煤礦資源開采過程中。就其應用來說，在2007年的時候，相關設研究所在大慶油田中建立了一個天然液化技術試驗的基地。在基地中，用于試驗的液化裝置是從低濃度煤層氣開發(fā)的實際情況出發(fā)專門設計的，其組成部分具有多樣化的特點，比如，凈化、精餾。該裝置在應用的過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)在不同氣源中重復進行安裝使用，非常方便。同時，在煤層氣液化系統(tǒng)中，還融入了深冷、測試技術，齊總的液化流程都是在大型計算機的協(xié)作下進行模擬計算的，具有很高的準確度。在2008年，該試驗裝置已經(jīng)進入調(diào)試運行階段。而在之后幾年里，該裝置不斷被完善，已能在低濃度煤層氣開采中發(fā)揮一定的作用。

七、結語

總之，在煤礦資源開采過程中，低濃度煤層氣技術的應用發(fā)揮著舉足輕重的作用。在一系列研究中，該技術不斷完善，能夠防止瓦斯爆炸、突出事故的不斷發(fā)生，保證施工人員的生命安全，使煤礦生產(chǎn)處于有序地運行中。同時，它能夠使低濃度煤層氣資源得到有效地開采，提高煤炭資源的利用率，滿足不同領域的需求，緩解日益加重的能源危機，不斷推動我國煤炭開采事業(yè)前行。

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