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含氧煤层气分离液化

成果简介
    煤层气俗称瓦斯。它是一种留存或吸附在煤层中、基本上未经转移的可燃性气体，其成分95%以上是甲烷。瓦斯爆炸引起的矿难是我国煤矿安全生产的最大威胁之一。据有关部门统计，我国每年因瓦斯灾害造成的死亡人数达2000人以上，因而瓦斯事故造成的人员伤亡和经济损失，在社会上形成很大负面影响。同时，煤层气也是一种宝贵的清洁能源和重要的化工原料，其热值与天然气相当，而且燃烧后很洁净，几乎不产生任何废气，是上好的工业、化工、发电和居民生活燃料。

    我国的煤层气资源极为丰富，储量占世界第一位，约为美国的第三。但是美国的煤层气开发和利用比较发达，据1997年统计，其煤层气年产量比我国当年天然气的全年总产量还要高。而我国煤层气开发却很少，很少有工业上的应用。煤层气的特点是单井产量不高，单井铺设管道外输，常常不合算。地面打井开采的煤层气纯度很高，甲烷含量在95%以上，利用起来还较为方便，可以把许多口井的气集中起来，然后铺设管道向外输送。或者将其液化，制成低温的液化煤层气，用槽车运送出去，这样更为灵活。但是采煤过程中抽放的煤层气（可以称为含氧煤层气），压力很低，甲烷含量也低，约在50%左右，有的甚至低至30%以下。抽放的煤层气中混有空气。由于空气中的氧气是危险的助燃剂，这就给煤层气的加工和输送带来了困难。这种含空气的煤层气通常只能就地使用或放空，煤层气如对空排放，其温室气体对大气臭氧层的破坏是二氧化碳的21-23倍。据报道，我国每年排入大气的煤层气就占全世界采煤排放的煤层气总量的三分之一，这不但造成了严重的大气污染，也是很大的资源浪费。如果能采用某种适当的方法，把含氧煤层气中的煤层气（主要是甲烷）和空气分离出来，然后将提纯后的煤层气液化，这就极大地方便了运输和利用。提纯煤层气液化后，其体积将缩小600多倍，比压缩运输成本低。与管道输送相比，液化运输更为灵活，可以随着气源和用户的变化而改变运输的路线。而且在气量不大的情况下（每天几万至几十万标方），液化运输的成本也更低。
在目前能源紧缺的情况下，把原本无法很好利用的含氧煤层气利用起来，这是一件利国利民、而且对企业也能产生经济效益的大好事。

    该研究所我国最早从事气体制冷和液化设计、成套集成的单位。理化所研究人员在对我国各大煤矿的煤层气资源进行考察后，仔细研究了含空气煤层气的特点，首先提出了采用低温分离的方法将煤层气中的甲烷等可燃性气体从混合气中分离、液化。

    含氧煤层气原料气首先进行压缩、净化处理，然后进入冷箱中的分离塔进行降温和分离。其中，制冷系统主要由制冷压缩机、后冷却器、透平膨胀机和热交换器组成。在装置启动之前，制冷系统中充满氮气；装置启动之后，制冷气体经压缩机压缩, 再经过冷却器冷却，然后进入冷箱，在换热器中被反流的冷气进一步降低温度，然后经透平膨胀机膨胀, 温度和压力都下降，这股冷气体与塔顶出来的冷氮气汇合，就是整个系统的冷源。

    在冷箱中的换热器里，原料气被膨胀后的低温制冷气体所冷却，温度降低到气液两相状态。温度下降后的含氧煤层气经阀门减压后进入分离塔，其液体自上而下流过塔板，在分离塔底部的蒸发器内，煤层气液体的一部分被蒸发为气体，被蒸发的气体由下向上流动与向下流动的液体进行热、质交换。在热、质交换的过中，向上流动的气体被流下来液体所冷却，其中高沸点的组分（甲烷）先被冷凝。而向下流的液体被向上的气体所加热，其中低沸点的组分（氮、氧）先被蒸发。因此，在分馏塔中，越向上，气体中的甲烷含量越少。越向下，液体中的甲烷含量越多。

    最后，在塔的顶部可以得到纯度很高的空气（甲烷含量小于1%），而在塔的底部则得到纯度很高的液体甲烷等燃料气，其纯度可以达到99%以上。空气在分离出来以后，还可以进一步分离出少部分氮气，以弥补制冷系统氮气的泄漏损失，其余富氧空气则可以放空。

    这种专为含氧煤层气设计的制冷、分离液化流程，其液化和分离都在低温下进行，液化和分离同步进行，一次完成，分离纯度高，安全性能好，在分离的同时就可制取LNG，而且在装置运行稳定以后，其制冷工质完全从原料气中分离获得，不需要另行购买。设备由几个部分组成，安装、联接都比较方便。因此，是一种十分先进的流程。

    2007年8月初，理化所于山西阳泉搭建的日处理量为4300方的煤层气分离、液化工业性实验装置在国际上首次试验成功。液体甲烷从液化分离装置中源源不断地流出，塔顶的微量甲烷测量仪显示由塔顶分离出来的空气中甲烷含量在0.1%以下。

    利用含氧煤层气工艺生产单位产品的能耗将比纯天然气的液化高，但含氧煤层气的原料气价格却比纯天然气要低得多。按照一台中小型规模的含氧煤层气分离液化装置（每天处理19万标方含氧煤层气，年生产能力为20000吨液化天然气）的经济分析，装置每标方的液化煤层气产品的出厂成本将在1.5元左右。按照目前液化煤层气的市场情况，经济效益是比较好的。另外，本项目技术的有效推广，将能从很大程度上改变我国煤层气抽排放空的现象，对节能减排有十分重要的社会效益。
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