煤矿瓦斯气的分离和液化

煤矿瓦斯气的分离和液化煤矿瓦斯气的分离和液化杨克剑杨克剑北京国能时代能源科技发展有限公司北京国能时代能源科技发展有限公司二〇〇八年二〇〇八年11、项目的提出、项目的提出煤层气煤层气(CoalBedMethane(CoalBedMethane简称简称CBMCBM))--------吸附在煤层中的非常规天然气吸附在煤层中的非常规天然气。。煤矿瓦斯气煤矿瓦斯气(CoalMineMethane(CoalMineMethane简称简称CMM)CMM)------采矿时抽排的、混有空气采矿时抽排的、混有空气的低浓度的煤层气的低浓度的煤层气,,也称含氧煤层气，它是煤矿安全的主要灾害也称含氧煤层气，它是煤矿安全的主要灾害源源,,曾造成了无数次矿毁人亡的事故。曾造成了无数次矿毁人亡的事故。煤层气（包括煤矿瓦斯）又是一种宝贵的资源煤层气（包括煤矿瓦斯）又是一种宝贵的资源，是上好，是上好的化工原料和工业、发电和居民生活的燃料。的化工原料和工业、发电和居民生活的燃料。我国的煤层气资源十分丰富我国的煤层气资源十分丰富全球埋深全球埋深20002000米以浅的煤层气资源：米以浅的煤层气资源：240240万亿立方米万亿立方米全球埋深全球埋深20002000米以浅的煤层气资源：米以浅的煤层气资源：240240万亿立方米万亿立方米中国埋深中国埋深20002000米以浅的煤层气资源：米以浅的煤层气资源：31.531.5万亿立方米，万亿立方米，占全球占全球1/81/8以上。居世界第三位以上。居世界第三位。。我国煤层气开发利用很不充分我国煤层气开发利用很不充分一方面，我国一方面，我国天然气资源相对紧缺天然气资源相对紧缺。。另一方面，为采煤安全，每年我国抽取、排入大气的煤层另一方面，为采煤安全，每年我国抽取、排入大气的煤层气有上百亿立方米（气有上百亿立方米（20042004年统计为年统计为140140亿立方米）。亿立方米）。是世界最主要的煤层气排放国，排放量占世界第一位。是世界最主要的煤层气排放国，排放量占世界第一位。煤层气排放所造成的温室效应是二氧化碳的煤层气排放所造成的温室效应是二氧化碳的2020多倍，多倍，不但不但造成了严重的大气污染，也是很大的资源浪费。造成了严重的大气污染，也是很大的资源浪费。全球煤矿瓦斯（全球煤矿瓦斯（CMMCMM）排放）排放（根据美国环保局（根据美国环保局20042004年统计年统计MMTCO2eMMTCO2e））120140160180200020406080100120中国美国乌克兰澳大利亚俄罗斯印度南非波兰德国英国捷克为什么煤矿瓦斯气没有得到充分利用？为什么煤矿瓦斯气没有得到充分利用？浓度低，混有空气浓度低，混有空气。。氧气是助燃剂，使加工和运输变得危氧气是助燃剂，使加工和运输变得危险。险。近年来，我国也引进了从地面打井、对尚未开采的煤矿提近年来，我国也引进了从地面打井、对尚未开采的煤矿提近年来，我国也引进了从地面打井、对尚未开采的煤矿提近年来，我国也引进了从地面打井、对尚未开采的煤矿提前抽取纯煤层气的技术。但是这项技术才刚刚开始推广。前抽取纯煤层气的技术。但是这项技术才刚刚开始推广。在目前，在目前，抽排的煤矿瓦斯气大部分处于放空状态，抽排的煤矿瓦斯气大部分处于放空状态，这个问这个问题必须得到解决。题必须得到解决。怎样使煤矿瓦斯气能够变得安全、好用？怎样使煤矿瓦斯气能够变得安全、好用？脱除氧气（变得安全）脱除氧气（变得安全）去除氮气（提高热值，降低运输成本）去除氮气（提高热值，降低运输成本）去除氮气（提高热值，降低运输成本）去除氮气（提高热值，降低运输成本）脱除水分和二氧化碳等杂质、液化成脱除水分和二氧化碳等杂质、液化成LNG,LNG,体积缩小为纯体积缩小为纯甲烷气的甲烷气的1/6001/600，更便于运输和使用。，更便于运输和使用。提出煤矿瓦斯气分离液化项目提出煤矿瓦斯气分离液化项目液化天然气（液化天然气（LNGLNG）运输船）运输船22、项目技术方案和设计、项目技术方案和设计煤层气主要成分是甲烷煤层气主要成分是甲烷，与以丙、丁烷为主的石油气不同。石油气在，与以丙、丁烷为主的石油气不同。石油气在常温下压缩，就可以变成液体，就是罐装液化气常温下压缩，就可以变成液体，就是罐装液化气（（LPGLPG））。。煤层气和天然气只能在低温下变成液体。在一个大气压下，甲烷的液煤层气和天然气只能在低温下变成液体。在一个大气压下，甲烷的液化温度，是摄氏零下化温度，是摄氏零下161.5161.5度。因此，只能在低温下实现度。因此，只能在低温下实现（（LNGLNG））。。煤层气分离可有不同的方法，但低温分离纯度高，回收率高。煤层气分离可有不同的方法，但低温分离纯度高，回收率高。采用低采用低温技术温技术--------使分离液化同时完成。使分离液化同时完成。北京国能时代北京国能时代能源科技发展有限公司能源科技发展有限公司致力于能源、环保项目开发致力于能源、环保项目开发20042004年起，开始关注煤层气的利用和开发年起，开始关注煤层气的利用和开发20062006年，开始投资进行煤矿瓦斯气分离液化项目年，开始投资进行煤矿瓦斯气分离液化项目的方案研究和实验。的方案研究和实验。瓦斯气分离液化需要很好的低温技术基础瓦斯气分离液化需要很好的低温技术基础作为项目负责人：作为项目负责人：二十世纪六、七十年代二十世纪六、七十年代::在中科院物理所，参与研制国内在中科院物理所，参与研制国内第一台第一台2020升升//时氦液化机（约时氦液化机（约--269269°°CC）。）。19701970--1976:1976:主持国内第一台带气体轴承透平膨胀机的氦制主持国内第一台带气体轴承透平膨胀机的氦制冷机研制冷机研制(KM4,(KM4,--253253°°C,1600W).C,1600W).成功用于人造卫星试验，成功用于人造卫星试验，获科学大会奖。试验系统获国家科技进步一等奖。获科学大会奖。试验系统获国家科技进步一等奖。19761976--1977:1977:主持主持“毛主席纪念堂制冷系统研究”，获毛主“毛主席纪念堂制冷系统研究”，获毛主席纪念堂工程指挥部奖席纪念堂工程指挥部奖..19801980--1990:1990:研究开发气体轴承透平膨胀机和研究开发气体轴承透平膨胀机和KM3KM3气体制气体制冷系统（冷系统（--253253°°C,600WC,600W））成功进行了多种型号的卫星实验成功进行了多种型号的卫星实验东方红三号，东方红三号，风云一号，风云一号，风云二号，风云二号，返回式卫星等返回式卫星等研制的研制的透平膨胀透平膨胀机用于空机用于空气分离气分离1990:1990:开始天然气开始天然气液化工作液化工作19931993--19941994吉林油田小型天然气液化装置吉林油田小型天然气液化装置国内第一台天然气全液化装置国内第一台天然气全液化装置原科学院院长周光召、李政道博士、原科委原科学院院长周光召、李政道博士、原科委副主任邓楠等参观副主任邓楠等参观LNGLNG汽车汽车由于将技术成果成功应用于国民经济由于将技术成果成功应用于国民经济::又获得又获得中国科学院科技进步二等奖中国科学院科技进步二等奖国家科技进步三等奖国家科技进步三等奖19971997为中原油田作出为中原油田作出“预冷加节流天然气液化技术方案”“预冷加节流天然气液化技术方案”20022002为上海天然气管网有限公司为上海天然气管网有限公司LNGLNG站站作出作出“乙烯替代乙烷制冷剂技术方案”“乙烯替代乙烷制冷剂技术方案”20042004--20062006负责北海新奥负责北海新奥LNGLNG项目，液化量项目，液化量1515万万Nm3/Nm3/天天（（上述低温工程、空气分离、天然气液化等工作，为上述低温工程、空气分离、天然气液化等工作，为开展煤矿瓦斯气的工作奠定了很好的基础）开展煤矿瓦斯气的工作奠定了很好的基础）20022002：了解到瓦斯气大量放空的情况，提出低温分离液化：了解到瓦斯气大量放空的情况，提出低温分离液化方案方案。。20052005：改进方案、进行计算设计：改进方案、进行计算设计20052005：改进方案、进行计算设计：改进方案、进行计算设计20062006：计算机模拟计算的结果很好，申请了国家专利。：计算机模拟计算的结果很好，申请了国家专利。在公司支持下成立项目组，开始攻关，在公司支持下成立项目组，开始攻关，并设计、建造了小型工业化生产装置。并设计、建造了小型工业化生产装置。煤矿瓦斯分离液化的步骤煤矿瓦斯分离液化的步骤（先压缩净化，再冷凝为液体，（先压缩净化，再冷凝为液体，然后按蒸发温度不同进行分离）。然后按蒸发温度不同进行分离）。气体分离：变压吸附法、膜分离法、燃烧脱氧法气体分离：变压吸附法、膜分离法、燃烧脱氧法等，都不太适合用来分离煤矿瓦斯气等，都不太适合用来分离煤矿瓦斯气美国美国BCCKBCCK公司采用氧化反应法，生产气体甲烷。公司采用氧化反应法，生产气体甲烷。我们提出用低温分离法我们提出用低温分离法11）分离纯度高、回收率高）分离纯度高、回收率高11）分离纯度高、回收率高）分离纯度高、回收率高22）安全性能好）安全性能好33）分离与液化一次完成，经济性好）分离与液化一次完成，经济性好但这种方案前人从来没有这样实验过。但这种方案前人从来没有这样实验过。33、小型工业化生产装置、小型工业化生产装置原料气：原料气：CH435%CH435%，其余空气，，其余空气，CO20.2CO20.2--0.5%0.5%压缩：低压压缩机压缩：低压压缩机净化：化学反应加分子筛吸附净化：化学反应加分子筛吸附制冷：氮气膨胀制冷系统制冷：氮气膨胀制冷系统液化分离：冷箱（热交换器、分馏塔）液化分离：冷箱（热交换器、分馏塔）储存：储存：LNGLNG储罐储罐控制：控制：DCSDCS控制系统控制系统冷箱分馏塔和冷箱分馏塔和LNGLNG储槽储槽装置中的原料气压缩机装置中的原料气压缩机实验装置中的分子筛净化器实验装置中的分子筛净化器氮气制冷压缩机氮气制冷压缩机氮气储罐及稳压控制氮气储罐及稳压控制工作中的透平膨胀机工作中的透平膨胀机主冷箱下部主冷箱下部DCSDCS集中控制系统集中控制系统44、装置试实验结果、装置试实验结果20072007年年77月设备全部到现场，月设备全部到现场，88月月44日第一次联合调试日第一次联合调试20072007年年88月月44日晚上日晚上88时许，冷箱和分馏塔的温度降到了零时许，冷箱和分馏塔的温度降到了零下下170170度以下。度以下。晚上晚上1010时，甲烷塔开始有液体出现，仪表显示液体中的甲时，甲烷塔开始有液体出现，仪表显示液体中的甲烷浓度越来越高。烷浓度越来越高。88月月55日凌晨两点多钟，仪表显示甲烷浓度达到日凌晨两点多钟，仪表显示甲烷浓度达到99%99%以上，以上，液位也达到满液位。回流空气的甲烷含量低于液位也达到满液位。回流空气的甲烷含量低于0.1%0.1%。。技术方案的优点技术方案的优点一、一、分离纯度高分离纯度高，阳煤集团检测中心的检测结果，液体产品的，阳煤集团检测中心的检测结果，液体产品的纯度达到了纯度达到了99.29%99.29%，中科院兰州地质所，采用色谱和质谱进，中科院兰州地质所，采用色谱和质谱进行分析和检测，结果是行分析和检测，结果是99.86%99.86%。。二、二、安全性好安全性好，分离过程完全是在低压和低温状态下进行的，，分离过程完全是在低压和低温状态下进行的，含氧煤层气进入分馏塔后，处在温度为零下含氧煤层气进入分馏塔后，处在温度为零下170170度以下的密度以下的密闭空间内。这样即使处在甲烷燃烧和爆炸的范围内，如果闭空间内。这样即使处在甲烷燃烧和爆炸的范围内，如果没有足够大的能量的火源使气体局部温度升高，也不会发没有足够大的能量的火源使气体局部温度升高，也不会发没有足够大的能量