国内外煤层气的转化利用技术综述

1、国内外煤层气的转化利用技术综述前言煤层气又称煤层甲烷( coalbed methane)，是与煤伴生、共生的天然气资源，是一种潜在的储量巨大的洁净能源。煤层气开发利用具有重要的战略意义，它将改善我国的能源结构 ，促进我国以煤为主的能源体系逐步向对环境无害的可持续发展的模式转变，形成洁净能源新产业。同时，煤层气的地面开发预抽了赋存在煤层中的瓦斯，可有效降低或杜绝煤矿生产过程中的瓦斯灾害，改善煤矿安全生产条件，减少煤层气排放所导致的温室效应，保护全球大气环境。另外，煤层气可作为煤炭的接续能源，为资源枯竭型城市的经济转型提供能源保证。本文将简要介绍国内外煤层气的转化利用技术。1.国内外煤层气开发利用

2、现状1.1世界煤层气资源分布据国际能源机构 (iea)估计，全球陆上煤田埋深于2 km的煤层气资源量约为261013m3，是常规天然气探明储量2倍多；全球可采煤层气储量已达13.781013m3。其中，俄罗斯、 加拿大、 中国、 美国、 澳大利亚等国煤层气储量均超过 101012m3（见表1）。1.2国内外开发利用现状1.美国 美国是世界上煤层气商业化开发最为成功、产量最高的国家。美国煤层气工业起步于20世纪70年代，大规模开发始于80年代。美国有完善的天然气管道系统，生产的煤层气大部分进入天然气管网销售给燃气公司，矿井抽放的煤层气有的直接供给坑口发电厂，或与煤混合燃烧作为锅炉燃料。2.加拿大

3、 加拿大的煤层气开发起步比较晚，2000年以前由于市场价格、生产技术等原因，曾把煤层气列为无经济开采价值的资源，19872001年，加拿大仅有250口煤层气生产井。2000年以后，在加拿大政府的支持下，一些研究机构根据本国以低变质煤为主的特点，开展了一系列的技术研究工作，多分支水平井、连续油管压裂等技术取得了重大进展，降低了煤层气开采成本，使一些公司有了积极性，2003年encana和mgv公司合作，钻了1015口煤层气井，试采气5.1108m3，2006年煤层气井超过7700口，产量55108m3。3.澳大利亚 煤层气的勘探始于1976年。20世纪末，充分吸收美国煤层气资源评价和勘探、测试方

4、面的成功经验，针对本国煤层含气量高、含水饱和度变化大、原地应力高等地质特点，成功开发和应用水平井高压水射流改造技术， 使鲍恩盆地煤层气勘探开发取得了重大突破。澳大利亚的一些矿井已广泛应用水平钻孔、斜交钻孔和地面采空区垂直钻孔抽放技术。1998年澳大利亚煤层气产量只有0.56108m3，而到2006年底就达到18108m3，现已形成商业化开发。4.德国 在煤层气发电利用上较为成功，主要技术特点是模块化燃气发电机组，采用集装箱式设计，便于拆装、运输，对30%浓度以上甚至略低于30%甲烷浓度的气体进行发电利用，实现了电热联产。5.中国 2008年，我国煤矿井下煤层气抽采量53108m3，地面煤层气开

5、采量7.5108m3；至2009年，我国已建成地面煤层气产能 25108m3。2010年地面煤层气产能力争达到35108m3， 产量2109m3。 规划2020年产量31010m3； 2030年产量51010m3，与美国现阶段产量相当。在煤层气地面开采利用方面，中国石油天然气集团公司已经率先在山西沁水将地面开采的煤层气送入西气东输主干线，年产能 6108m3，实现煤层气与天然气共输共用。其他地面开采的煤层气主要用于矿区及周边地区民用燃料、工业燃料以及汽车燃料、 生产炭黑等。山西太原、晋城、长治等地已经建成多座煤层气加气站，部分出租车已改用压缩煤层气( cng )。此外，近几年来，我国煤层气发电

6、特别是用低浓度煤层气(ch4体积分数为6%以上)发电技术进展较快，2009年全国瓦斯发电机组已超过1200台，总装机容量达到92104kw，其中，国产发电机组占70%，进口机组占30%。世界最大规模、总装机容量12 104kw的山西晋城煤业集团公司寺河瓦斯发电厂，年利用煤层气1.8108m3(折纯)。2.煤层气的主要转化利用技术从资源利用的角度，煤层气用途非常广泛，可以用作民用、工业、发电、汽车燃料和化工原料等。1m3煤层气约相当于1kg燃油、1.3kg标准煤、9.5度电、3m3水煤气、1.1 1.3升汽油。且煤层气燃烧所产生的污染，大体上只有石油的1/40，煤炭的1/800，燃烧后生成二氧化

7、碳和水，不产生一氧化碳等有毒气体。2.1用作民用及工业燃料煤层气作为民用燃料，和煤炭比较具有热值高、污染小、使用安全等特点，不需庞大的净化处理装置，不腐蚀、不堵塞输气设备。在美国，一般将开采的煤层气经加压后输入天然气管道，然后输向全国各地。煤层气允许进入天然气管道的条件是甲烷浓度要高于95%。煤层气还可以作为玻璃厂和冶炼厂的洁净燃料。目前玻璃厂熔炉主要还是以煤炭作燃料，用煤层气作燃料不仅低，热值高，而且有利于改善厂区环境，提高产品质量，大幅度提高玻璃厂、冶炼厂的经济效益。煤层气也可用作汽车燃料，汽车用压缩天然气的技术指标为甲烷浓度必须达到90%100%，乙烷以上的烷烃含量不超过6.5%。煤层气

8、中甲烷成分占绝对优势，浓缩后甲烷浓度可达95%以上，乙烷以上的烷烃含量极少。因此，煤层气非常适合于生产汽车用压缩天然气，还可以与柴油混合制成车用混合燃料。2.2用于发电 煤层气发电是煤层气资源利用的最佳途径之一，发电设备主要有大中型燃气轮机、微型燃气轮机和内燃机，其中在燃气轮机技术的基础上可发展热电联产。2.2.1煤层气发电利用流程 煤层气发电是指利用从矿井抽出的煤层气，采用瓦斯发电机组，实现煤层气发电、制热，变废为宝，开辟综合利用的新途径。煤层气发电利用过程各个环节的关系如图1所示。图1 电各子系统关系2.2.2煤层气发电技术及设备1.大中型燃气轮机简单的大中型燃气轮机装置由空气压缩机 、燃

9、烧室 、动力透平和一个发电机组成。简单的结构示意图见图2。图2 大中型燃气轮机结构简图 大中型燃气轮机发电的特点有：(1)装机容量范围宽，从500kw25mw均可；(2)工作效率为30%左右；(3)可采用热电联产技术；(4)十分适合矿井煤层气，可利用中等质量的煤层气(甲烷含量35%70%)，有的制造厂家甚至已经研制出可利用品质煤层气(甲烷含量7.5%)的燃气轮机；(5)技术成熟：德国、英国、日本、澳大利亚等国都已经成功的利用煤层气作为燃气轮机的燃料来发电。近几年的技术发展使燃气轮机的效率更高，寿命更长，维持费用也更低了；(6)需要配置压缩机：燃气轮机要求介质压力为18个大气压，而抽放出来的煤层

10、气压力约为一个大气压，因此需要配置压缩机，会消耗一部分电力。(7) 燃烧所需空气量由装机功率决定，对于简单循环的燃气轮机来说，每kw安装功率每小时需要空气约10m3(对于1100mw的燃气轮机)。循环方式越复杂，需要的空气流量越小。2.微型燃气轮机微型燃气轮机技术由航空技术发展而来。微型燃气轮机系统由一个空冷的小型燃气轮机连接到高速发电机和单轴压缩机上组成。结构示意图见图3。图3 微型燃气轮机结构简图 微型燃气轮机有以下特点：(1)装机容量为302000kw；(2)简单的结构使其有较高的输出能力，噪音小，效率高；(3)紧凑的结构使其可以放在窄小的地方，但维护费用较高；(4)产生电力主要用于提供

11、地区用电，不并入电网。3.内燃机目前的内燃机按点火方式主要分为两类：一类是以电火花为点火方式的，它的结构特点有一套点火系统，缸盖上装有火花塞。另一类是以柴油为点火方式的，它是在柴油发动机的基础上增加一套供气系统后构成的，这种发动机通常称为 “燃气/柴油双燃料发动机”，它的结构特点是有两套燃料供给系统和油气转换 装置。内燃机有以下特点：(1)装机容量104000kw；(2)模块化设计,体积小巧，若煤层气消耗完时可轻易的重新安装在其他地方；(3)对气体浓度变化适应性强；(4)燃料消耗量：每天消耗甲烷约100m3；(5)气体人口压力低，不需要压缩机。4.热电联产及联合循环结合燃气轮机，可发展热电联产

12、技术，利用燃气轮机尾气为煤矿供应热能，用于煤炭加热、烘干等。图4 热电联产系统简图热电联产技术有以下特点(1)装机容量500kw500mw；(2)利用中等质量的煤层气发电效率可超过80%；(3)可以为矿井提供足够的坑口电力供应；(4)获得的热量可供应煤炭的加热或烘干所需。此外也可采用燃气蒸汽联合循环。燃气蒸汽联合循环凭借其高效、低污染的优点越来越得到重视，它有以下优点：(1)高效率：联合循环电厂的热效率可高58；(2)电厂用水少：与燃煤电厂相比，联合循环燃气机组耗水量约为同等容量 燃煤机组的5060，十分适合煤层气蕴藏量丰富又缺水的西部地区使用；(3)污染物排放量小，几乎无灰尘的排放，采用低n

13、ox燃烧技术，nox排放量低。5.联合燃烧技术联合燃烧技术是用煤层气和煤同时作为锅炉的燃料，产生的蒸汽推动蒸汽轮机发电。只需将传统的燃煤经过改造即可投人使用，增加燃气供应系统，燃气点火装置和加热器。图5 联合燃烧系统简图这种发电方式的特点有：(1)降低so2、nox、co2和飞灰的排放量：估计加入每1的甲烷可降低nox的排放5%，降低so2排放1%5%，基本无飞灰排放；(2)燃料多样化：可使用低热值廉价的煤，气体在燃料中的比例可从10%100%，具体数值取决于锅炉的设计，气体性质和用户的需要，一旦供应不了煤层气，可直接燃煤；(3)改善系统功率，与用油点火相比更经济；可促进炭的燃烧，所需过量空气

14、少；(4)投资少，技术风险小；(5)对水质的要求高；(6)耗气量大：装机容量600mw，甲烷占燃料的3%时，每天消耗煤层气约10万m3。6.各种发电方式的比较发电方式优点缺点大中型燃气轮机装机容量范围广，适用于大中型电厂，热效率较内燃机高，可使用中等质量煤层气一次性投入大，要求燃气浓度和成分稳定，只能采取固定式微型燃气轮机装机容量小，适用于单个矿井。噪音小，体积小，便于安装和移动主要用于移动式发电，应用范围不广，要求燃气成分及浓度稳定内燃机适用于中型发电厂，模块化设计，结构紧凑，移动方便，对燃料浓度的变化适应性强效率较燃气轮机稍低，运行费用较燃气轮机高热电联产及联合循环热效率高，利用多种能量仅

15、适用于大型电站联合燃烧在燃煤锅炉上改进后即可使用，投资费用少对水质要求高，仅适用于大型电站7.煤层气发电的发展在20世纪80年代后期，美国、英国、澳大利亚等国家开始利用煤矿瓦斯发电。发电设备主要为燃气轮机，瓦斯体积分数一般在40%以上。我国第1个煤层气发电示范项目是辽宁抚顺矿物局的老虎台电站，采用引进的功率为1500kw的 kgz3c燃气轮机 ,瓦斯体积分数为 40.4%。晋城矿业集团的寺河矿区采用2台功率为2000kw的燃气轮机，瓦斯体积分数为55%65%。国内第1个内燃机瓦斯发电项目是在山西五里庙煤矿电站，采用的是胜动集团的功率为 400 kw的瓦斯发电机组 ,瓦斯体积分数在30%以上。在

16、中国低浓度瓦斯发电机组生产厂家胜田动力机械集团公司，可以生产利用低浓度瓦斯(6%25%)发电机组。2005年淮南矿业集团与胜利油田动力机械集团在淮南矿区谢一矿建设了低浓度瓦斯发电进行低浓度瓦斯细水雾输送机发电技术工业性试验。改变了瓦斯浓度在30%以上才能利用,煤矿大量的低于30%的瓦斯都排放到大气中的现状。2.3用作工业原料2.3.1生产甲醇 含氧煤层气用非催化转化制甲醇，煤层气可全部直接利用，硫化物回收成硫磺，整个工艺过程原料煤层气元素接近100%利用，而且可实现有毒有害气体零排放，避免了对环境的危害，是一种理想的清洁生产利用途径。而且产品甲醇是常温常压下液体产品，储存运输方便，大量的可用管

17、道转输，少量可装槽车用火车或汽车运，较灵活，也可用作化工原料。煤层气中的甲烷采用高温转化工艺转化成甲醇合成气。甲烷可在任何压力下进行高温转化，高温转化的转化气中ch4含量低，高压转化可使原料气制备与合成甲醇在等压下进行，这样可大大降低压缩动力消耗。但由于煤层气含较多的 o2，进行压缩容易爆炸，不安全，所以采用常压高温转化，用鼓风机或煤层气压力送入转化器，并向转化器内加入来自空分的氧，煤层气于13501450时转化成co+h2甲醇合成气。工艺流程图见图6。图6 煤层气非催化转化低压合成甲醇生产工艺流程流程说明：煤层气由收集气柜用鼓风机增压换热后入烧嘴同空分(用深冷空分)制得的氧经换热后并加入蒸汽

18、，在烧嘴内混合喷出，在转化炉内进行非催化转化将ch4 转化成 co+h2 合成气，经废锅回收高温热量副产蒸汽，一部分用于转化，一部分用于净化和甲醇精馏，合成气再经冷却送净化。脱硫采用湿法串干法，根据 h2s 含量而定，净化后合成气进入压缩机，加压至5mpa同循环气汇合入甲醇合成塔合成甲醇，出塔合成气经换热冷却甲醇分离而得粗甲醇，再经精馏制得精甲醇产品。分离出甲醇的合成气由于惰性气体积累增加，须要弛放一部分分离甲醇后的弛放气，以维持甲醇合成气中的惰性气体量。弛放气可用psa 或中空纤维回收h2或用作蒸汽锅炉燃料。 经弛放一部分弛放气后的合成气再经循环机加压送回甲醇合成塔进行甲醇合成。根据国内有关

19、单位对利用鄂尔多斯煤层气生产甲醇(2套50万t/a装置)设计结果，采用煤层气非催化部分氧化合成甲醇工艺，每 t甲醇消耗煤层气1750m3(折纯)，计入各项费用，若煤层气价格按0.5元/m3，则甲醇生产成本为1020元/ t。按照目前甲醇2300元/t计，具有一定的赢利空间。该装置每年(操作时间按8000h计)消耗 ch4体积分数为80%煤层气14108m3，可见只有充足的煤层气原料才能维持装置稳定运行。2.3.2生产低碳烯烃、二甲醚等下游产品与天然气一样，煤层气也可作为经甲醇制低碳烯烃(mto )的原料。目前，采用天然气的mto工艺已经实现工业化。其代表性技术主要有以乙烯为主产物的 uop /

20、hydro- mto 工艺和以丙烯为主产物的lurgi-mtp工艺以及mobil-mtp工艺。二甲醚主要用于替代lpg和柴油，生产工艺分为二步法(首先用合成气合成甲醇、然后甲醇脱水生成二甲醚 )和一步法 (由合成气直接合成二甲醚)，目前二步法较为成熟。山西沁水地区以煤层气为原料经甲醇生产液体燃料二甲醚( 30万 t/a)和化工产品项目已经通过国家发改委批准立项，该项目生产1t二甲醚的煤层气消耗量可达1082m3的先进指标，装置年用煤层气量3.2108m3。2.3.3生产合成油天然气合成油 (gtl)技术完全适用于煤层气。以生产中间馏分油为主要产品的gtl转化技术，包括天然气转化制合成气，通过费

21、托反应将合成气转化为液体烃，产品改质三部分。目前gtl工艺采用的合成气，绝大部分是以天然气为原料生产的。其中以haldor topsoe公司的自热转化技术为主，由于反应温度低、耗氧少，生成的h2/co比为2，适合合成油反应的需要，水碳比为0.6，比其他自热转化技术低得多，因而装置投资低、效率高，是目前首推的合成气生产技术，也是未来大型gtl厂合成气生产的基础技术。由于费托合成新型钴基催化剂和淤浆床反应器技术的进步，近年来gtl的投资和操作费用已经有所降低。gtl技术最根本的问题是其经济性，技术的可行性依赖于成本低廉的天然气作原料；另外合成气生成和后续转化之间能源整合的优化，也是提高经济性的关键

22、之一。因此使用廉价煤层气制合成油比天然气具有成本上的优势。2.4煤层气的液化利用低温液化后的煤层气体积缩小625倍，1台35m3的标准液化气槽车可运输 21000 nm3煤层气。2000 年以来，随着低温深冷技术的成熟和发展，美国等西方发达国家针对煤层气的特点也相继研发了小型液化系统，综开发和利用煤矿区煤层气。美国近两年已经研制成功液化气量在100010000加仑/d的天然气液化系统，并大力推广这项新技术。西南化工研究设计院提出了煤层气脱氧制lng技术方案。思路是：结合成熟的天然气净化与液化等单元技术以降低技术风险，将研究重点放在“煤层气脱氧工艺与催化剂”关键技术上；在技术路线的设计上，将脱氧

23、放在首个环节，保障了后续分离工艺的安全运行；脱氧后的气体再经脱碳、脱水、脱氮等净化工艺，最后提浓甲烷，制得lng。由于煤层气脱氧后氮气含量较高，因此在深冷单元需要考虑氮气的脱除。整个工艺流程分为脱氧、脱碳、脱水、深冷分离液化四个单元，如图7所示。图7 煤层气脱氧深冷制lng工艺流程煤层气脱氧制lng工艺路线具有较好的经济性，以采用脱氧、脱碳、脱水、深冷分离液化工艺，每天处理40万nm3原料煤层气为例，装置性能指标见表2。表2 煤层气脱氧液化装置指标性能指标脱氧制lng工艺原料气(甲烷含量35%) nm3/h17000产品气(折纯甲烷) nm3/h4780固定资产投资 万元12000总电耗 kw

24、h6111能耗 kwh/nm3(纯甲烷)1.033. 煤层气转化利用的新技术3.1三重整工艺制合成气 三重整工艺，即ch4水蒸气o2混合转化反应(指在同一个反应器内同时进行 co2转化、ch4水蒸气转化以及ch4部分氧化3种反应，即三重整反应)，具有过程能效高、合成气h2 /co值适宜、缓解催化剂积炭的优点。由于井下抽放煤层气中含有大量的 ch4、空气以及少量的co2，因此，可直接以煤层气为原料，辅以少量的水蒸气进行 ch4 三重整反应,以实现廉价合成气的生产。但由于该反应是在较高的温度 (850)下进行，反应过程中涉及复杂的氧化与还原反应，催化剂本身在高温反应时会逐渐发生变化，因此要实现工业

25、化应用还有很多工作要做。3.2甲烷氧化菌降解瓦斯制甲醇 甲烷在甲烷氧化菌内存在的甲烷单加氧酶(mmo)的催化作用下转化为甲醇，生成的甲醇在醇脱氢酶的作用下转化为甲醛，甲醛在醛脱氢酶作用下转化为甲酸，甲酸在酸脱氢酶作用下转化为co2和h2o，即ch4ch3ohhchohcoohco2。如果提高mmo活性，并抑制甲醇脱氢酶的活性就可以控制反应进度、提高甲醇的积累，研究表明edta、邻二氮杂菲和双毗啶等可以防止甲醇的继续氧化。因此，该方法为由煤层气制甲醇提供了另一新思路。3.3煤层用作燃料电池燃料燃料电池大体分为以下5类：碱性燃料电池(afc)、磷酸盐燃料电池(pafc)、熔融碳酸盐燃料电池(mcf

26、c)、高温固体燃料电池(sofc)和聚合物电解质燃料电池(pefc)，其pafc和sofc特别适合以煤层气作为燃料。利用煤层气开发燃料电池的关键问题就是要对煤层气进行预处理，清除掉其中少量的污染物质，主要是硫及其他卤素元素，使其进入燃料电池之前体积分数小于0.0003%，但目前存在包括阳极积炭、反应机理、阳极材料(催化剂)、反应热效应匹配和热平衡等许多难题有待解决。4.利用煤层气时的安全性问题甲烷的爆炸极限为5%16%，由于在开采煤层气时，难免混入部分空气，且部分地区开采的煤层气甲烷浓度较低，有些甚至处于其爆炸极限范围之内，因此，在运输利用煤层气时，必须考虑其安全性问题。研究表明，压力 温度对

27、煤层气爆炸极限范围影响较大，因此要使煤层气达到安全要求 可以从以下几点考虑：(1)降低煤层气的压力、温度。通压力对煤层气爆炸极限范围的影响情况可知：压力降低，爆炸极限范围减小；温度降低，爆炸极限范围亦减小。在有其它可行方案来确保安全的前提下，为了保证输送工艺要求，一般不建议采取降低压力的方法来降低爆炸极限范围。(2)煤层气提纯。采用煤层气提纯技术也可以提高煤层气的安全性，使煤层气中甲烷含量高于的爆炸上限，并且留有一定的安全裕量。变压吸附工艺目前是煤层气提纯的首选技术，它可将n2、o2与甲烷分离，处理能力可达5.7万m3/d28.3万m3/d，根据中科院山西煤化所提供的资料采用成熟的变压吸附技术可以使煤层气中甲烷含量达到9095%。(3) 煤层气