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可再生新能源

低浓度煤层气的利用 摘要:我国拥有世界第三的煤层气资源,但是其中CH4体积分数在30%以下的低浓度煤层气数量占60%以上,这些煤层气不能直接燃烧,如果直接排入大气的话,不仅造成资源的浪费,而且CH4的温室效应是CO2的20倍,对环境具有极大的影响。目前对于低浓度煤层气主要深冷液化分离、变压吸附、燃烧脱氧等技术进行回收,而对超低浓度的矿井通风气分别作为辅助燃料、主要燃料、浓缩等进行研究,本文将对这几项技术做一简单的介绍。 关键字:低浓度CH4;煤层气;温室效应;通风气 1.煤层气利用现状 煤层气,又称煤矿瓦斯,其主要成分为甲烷。据探测,全国煤层埋深2km以浅的煤层气资源量为36.8×1012m3,与常规陆上天然气资源量基本相当,约占世界煤层气总资源量的13%,其中可采资源量为10.87×1012 m3。然而,我国煤层气利用率并不高。以2012年为例,煤层气产量126.02亿立方米,利用率41.72%,其中地面抽采25.73亿立方米,利用率78.4%,井下抽采100.30亿立方米,利用率32.3%。可见,井下抽采煤层气量约是地面抽采的4倍,而利用率还不到其一半,显然,要提高煤层气利用率,井下抽采利用的科技攻关是焦点。井下抽采的煤层气由于混入了空气,俗称含氧瓦斯气,甲烷浓度一般在20%左右,甚至低至5%,处于瓦斯爆炸范围。其中,少量甲烷含量高于30%的高浓度瓦斯气且地理位置优越的作为民用或工业燃气,其它主要考虑发电;低于0.75%的含氧瓦斯气则氧化销毁或利用;多数瓦斯气未被利用而直接放空,造成煤矿含氧瓦斯气利用率低下。根据我国2010年修订的《煤矿安全规程》的规定,“抽采的瓦斯浓度低于30%时,不得作为燃气直接燃烧;用于内燃机发电或作其他用途时,瓦斯的利用、输送必须按有关标准的规定,并制定安全技术措施。” 低浓度煤层气的提纯方法 2.1深冷液化分离技术 低浓度煤层气深冷液化分离技术是在低温下利用含氧煤层气中各混合物蒸发温度的不同,使其中的甲烷和空气分离开,分离和液化同步进行,产品为液态天然气(LNG),方便运输和利用。深冷液化技术的工艺流程主要包括原料气进气压缩、脱酸和脱水净化、制冷与液化分离、LNG的储存等部分。其中制冷与液化分离是其中的核心部分。例如,西南化工研究设计院的陶鹏万等采用低温法分离CH4的体积分数在50%以下的煤层气时,增设一个产品气辅助循环装置,获得95%以上的CH4产品;重庆能源集团投产的低浓度煤层气深冷液化工业化试验装置在-182℃的低温和0.3MPa的低压下可把含氧煤层气的分离和液化同步进行。 2.2变压吸附(PSA)技术 变压吸附分离技术是吸附分离技术的一种实现方式,是根据吸附剂对瓦斯气体不同组分的吸附能力不同,并且吸附量随压力变化而变化的物理原理进行分离的。任何一种吸附对于同一被吸附气体即吸附质来说,在吸附平衡情况下,温度越低,压力越高,吸附量越大。反之,温度越高,压力越低,则吸附量越小。变压吸附技术是以压力的循环变化为分离推动力,使一种或多种组分得以浓缩或纯化的技术。变压吸附技术的核心是吸附剂,吸附剂对组分吸附的选择性决定分离技术的难易程度和经济效益。目前国内外用于分离CH4和N2的吸附剂主要为活性炭、炭分子筛和沸石分子筛。活性炭具有高比表面积,利用平衡吸附原理可将CH4和N2进行分离,是国内吸附剂的主要研究对象。重庆大学鲜学福院士认为由于CH4和N2在活性炭上的分离系数太小,要在循环次数不多的情况下实现将煤矿抽采的瓦斯CH4浓度从30%左右提高到90%还很难。炭分子筛是一种炭质非极性吸附材料,而沸石分子筛是一种离子型极性吸附剂。利用炭分子筛或天然沸石吸附CH4,分离N2、O2,可将CH4的体积分数从20%提高到50%?95%。四川达科特能源科技有限公司,采用低浓度含氧瓦斯分离甲烷生产CNG和LNG工艺技术与工业示范,主要是针对井下抽采的含氧瓦斯气,通过将变压吸附技术与抑爆技术相结合,实现低浓度瓦斯提纯,含氧量降到0.5%以下,完全符合车用压缩天然气的各项质量要求。根据该公司的介绍,如果把甲烷分离出来做成液化天然气,每立方米的生产成本(包括正常运行的水电气消耗、设备折旧、操作管理费、维修费用)在1.4~1.6元,气源成本0.4元,总成本在2元左右,而出厂批发价可以达到4元,意即赢利为2元。以该公司在重庆的项目为例,总投资2.5亿元,预计3年即可收回成本。 2.3燃烧脱氧技术 燃烧法是利用氧气的助燃性质与可燃物,如气、甲烷、焦炭等反应,生成水、二氧化碳等产物除去,脱氧程度较为彻底,但过程中伴随原料的损失和废气的生成。燃烧脱氧分为非催化脱氧和催化脱氧。非催化脱氧即煤层气通过燃烧反应器与炽热的焦炭层或氢气在高温下发生化学反应,生成水和CO2等产物而除去,同时原料气会发生损耗。催化脱氧利用铂、钯等贵金属

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