第十一章 煤层气及CO2利用

1、第十一章第十一章 煤层气及煤层气及CO2CO2富集利用技术富集利用技术 第一节 煤层气的生成与赋存 煤层气的生成 地球化学特征 煤层气的储层特性 煤层气的转移 煤层气气藏的形成 煤层气资源评价 第一节 煤层气的生成与赋存 l 煤层气是一种有机成因的天然气,在长期成煤过程中，成煤 物质由于生物作用和热作用发生一系列的微生物降解和物理 化学变化而生成的CH4为主的煤系伴生气体。 生物成因气 生物气成因类型划分 生物气的形成条件 1.物质基础：产气的有机质 2.有利于甲烷菌繁殖环境条件 a) 温度与盐度 微生物活动的最大深度和温度目前尚没有明确定论，盐度是另一个控制 生物气出现的重要环境条件，随盐度

2、增高微生物多样性减少,mol/kg或更 高的氯离子浓度是许多微生物发育的极限浓度，产甲烷菌在氯离子浓度高 于4mol/kg地层水中不能存活。 b) 沉积速率 许多文献认为生物气形成需要高沉积速率，事实上，沉积速率对生物气 的产生和保存具多重影响 。 c) 有机碳含量和有机质类型 热成因气 l热成气主要形成于成熟阶段（0.5%R 1.9%）。 l煤的热演化过程中，各阶段都能形成CH4。CH4是煤化过程中最主要的烃类 产物。主要赋存在煤层和邻近岩层中。 二、煤层气的地球化学特征 l煤层气的湿度随煤级或埋藏深度的变化呈现出一定规律性 l煤层气的地球化学特征受煤阶影响。 三、煤层气的储层特性 煤层中孔

3、隙和裂缝为煤层气的赋存提供了空间，也为其运移提 供了通道。其中基质孔隙是煤层气存储的主要场所。 l1.吸附 2.游离气 3.溶解甲烷 四、煤层气的运移 解吸 扩散 1.体积扩散 2.克努森扩散 3.表面扩散 流动 须符合达西定律 五、煤层气气藏的形成 气藏事一种自生自储的非常规天然气。 影响因素 1.煤层厚度 2.变质程度 3.埋藏深度 4.地质构造 Kp V L 六、煤层气资源评价 1.煤的含气量 2.吸附时间 3.渗透率 渗透率公式 4.煤储层压力和煤层气压力 23 () QL K App 第二节 煤层气的利用 l煤层气作为民用和工业染料 l煤层气作为化工原料 1.生产化工产品 2.生产炭

4、黑 3.煤层气制氢 l煤层气发电 l煤层气作为发动机燃料 目前主要利用高浓度瓦斯和中浓度瓦斯。 1.CNG技术 2.中等浓度煤层气代汽油技术 3.煤层气液化技术 我国煤层气开发起步晚，基础理论和技术上都无法与常规天然气相比。尤 其是我国煤层气储层与美国相比普遍存在低压、低渗、低饱和的“三低”现象， 从理论和技术方面都存在若干关键性难题。目前我国技术人员虽然已基本掌握 关于煤层气开发的常规技术。然而，由于我国地质条件复杂，即使是美国煤层 气开发商在我国从事煤层气风险勘探也少有突破。因此，我国的煤层气研究在 关键技术的攻、已有成果的推广应用及成果转化方面还有诸多工作要做。 第三节 二氧化碳的分离与

5、富集 一、温室气体和CO2 燃料燃烧就会向大气中释放二氧化碳（CO2），而 CO2的聚集会导致全球变暖和海水的酸化。碳的捕集和 储存（CCS）技术可以在源头捕集CO2并将其封储在存储 设备中，从而减少温室效应。 一九九年国家二氧化碳排放比例 人、动物、植物的人、动物、植物的 呼吸、煤等燃料的燃烧呼吸、煤等燃料的燃烧 绿色植物的光合作用绿色植物的光合作用 自然界中氧气与二氧化碳的循自然界中氧气与二氧化碳的循 环环 第三节 二氧化碳的分离与富集 一、温室气体和CO2 2009年全世界化石燃料燃 烧所产生的CO2大约为300亿 吨。电力生产中所排放的CO2 所占比例最大。大约60%的排 放来自于大型

6、的固定排放源 （10万吨CO2/年），使用天 然气或煤作为燃料的火电厂 大约占其中的30%。全球大约 有2000座年排放量超过100万 吨CO2的电站，它们是CO2捕 集的最重要的潜在目标。 第三节 二氧化碳的分离与富集 一、温室气体和CO2 l 碳捕集 CO2是一种不稳定的气体，要从惰性气体（主 要是氮气）中捕集CO2是非常困难的，成本相当 高，还需要额外的能量。由于传统的火电站是 在大气压力下燃烧天然气或煤炭，在清洁的惰 性气体排放到大气以前，CO2必须在非常困难的 条件下分离出来。这样做的目的是得到浓缩的 易于传输的高压CO2气流。实现这一目的主要有 三种方法: 第三节 二氧化碳的分离与

7、富集 一、温室气体和CO2 l 碳捕集与封存 碳捕集与封存（Carbon Capture and Storage，简称CCS，也被译作碳捕获与埋存、 碳收集与储存等）是指将大型发电厂所产生的 二氧化碳（CO2）收集起来，并用各种方法储存 以避免其排放到大气中的一种技术。这种技术 被认为是未来大规模减少温室气体排放、减缓 全球变暖最经济、可行的方法。 第三节 二氧化碳的分离与富集 一、温室气体和CO2 l 二氧化碳捕集 二氧化碳的捕集方式主要有三种：燃烧前捕集（Pre- combustion）、富氧燃烧（Oxy-fuel combustion）和 燃烧后捕集（Post-combustion）。

8、第三节 二氧化碳的分离与富集 一、温室气体和CO2 l 二氧化碳燃烧前捕集 燃烧前捕集主要运用于IGCC（整体煤气化联合循环） 系统中，将煤高压富氧气化变成煤气，再经过水煤气变 换后将产生CO2和氢气（H2），气体压力和CO2浓度都很 高，将很容易对CO2进行捕集。剩下的H2可以被当作燃 料使用。 该技术的捕集系统小，能耗低，在效率以及对污染 物的控制方面有很大的潜力，因此受到广泛关注。然而， IGCC发电技术仍面临着投资成本太高，可靠性还有待提 高等问题。 第三节 二氧化碳的分离与富集 一、温室气体和CO2 l 二氧化碳富氧燃烧 富氧燃烧采用传统燃煤电站的技术流程，但通 过制氧技术，将空气中

9、大比例的氮气（N2）脱 除，直接采用高浓度的氧气（O2）与抽回的部 分烟气（烟道气）的混合气体来替代空气，这 样得到的烟气中有高浓度的CO2气体，可以直接 进行处理和封存。 目前欧洲已有在小型电厂进行改造的富氧燃 烧项目。该技术路线面临的最大难题是制氧技 术的投资和能耗太高，现在还没找到一种廉价 低耗的能动技术。 第三节 二氧化碳的分离与富集 一、温室气体和CO2 l 二氧化碳燃烧后捕集 燃烧后捕集即在燃烧排放的烟气中捕集CO2， 目前常用的CO2分离技术主要有化学吸收法（利 用酸碱性吸收）和物理吸收法（变温或变压吸 附），此外还有膜分离法技术，正处于发展阶 段，但却是公认的在能耗和设备紧凑性

10、方面具 有非常大潜力的技术。 从理论上说，燃烧后捕集技术适用于任何一 种火力发电厂。然而，普通烟气的压力小体积 大，CO2浓度低，而且含有大量的N2，因此捕集 系统庞大，耗费大量的能源。 第三节 二氧化碳的分离与富集 一、温室气体和CO2 l 运输 捕集到的CO2通常压缩到超临界状态（压力 74 bar）进行运输。CO2可以通过管道或者装 在储罐中通过铁路、公路和海上进行运输。当 大量CO2的输送距离达到1000公里左右时，管道 是首选。 第三节 二氧化碳的分离与富集 一、温室气体和CO2 l CO2的压缩 再生塔中的CO2通常压力较低，必须压缩到至少80 bar的临界压力。在80-250 b

11、ar的压力下，CO2的密度变 化大体上与温度的变化呈线性关系。CO2密度越大，管 道的直径越小，机械设备（泵或压缩机）也越小，因此 在相同的流速下，成本可能越低。 将CO2冷却至27之下达到密相所需的成本可能很高。 在寒冷气候下，就最后的压缩阶段而言，泵的效率高于 压缩机。在冷却到10-15时，利用冷的海水可以大大 节省成本。苏尔寿的多级泵可用于两相压缩，吸入压力 在临界压力之下。 CO2工业吸收有以下几种： 1.Fluor法 2.Purisol法 3.Rectisol法4.Selexol法 图为Selexol法工艺流程图 二、CO2的分离与富集 l 吸收法 1.物理吸收法 2.化学吸收法 2

12、.化学吸收法 传统的回收烟气中CO2 主要采用以一乙醇胺为主溶剂的MEA法。 MEA法已经过了广泛的研究,并成功地 应用于化工厂的CO2 回收。但是, MEA 技术具有成本较高、吸收慢、吸 收容量小、吸收剂用量大、设备腐蚀 率高、胺类会被其他烟气成分降解、 吸收剂再生时能耗高等不足。因此, 有必要对该技术进行改进,以降低成 本,提高吸收剂的利用效率。 吸附法 1.物理吸附 2.化学吸附 气体分离法 1.低温分离法 2.膜分离法 3.O2/CO2混合燃烧法 生物法 膜-溶剂吸收耦合分离技术 其他 例如 生成水合物来分离温室气体的方法 第四节 二氧化碳的储存处理与利用 l地质储存 l海洋储存 l生

13、物储存 l矿物储存 lCO2的利用 科技前沿：科技前沿：二氧化碳的捕获和封存二氧化碳的捕获和封存 挪挪 威威 从从1996年开始，在北海斯莱帕油田已年开始，在北海斯莱帕油田已 经捕集和封存了超过经捕集和封存了超过1000万吨的万吨的CO2 。 中中 国国 目前正在开发目前正在开发CO2 收集深埋技术。收集深埋技术。 澳大利亚澳大利亚将着眼于温室气体排放的海底碳封存。将着眼于温室气体排放的海底碳封存。 英英 国国 日前开发出一种日前开发出一种CO2 捕获和存储新技捕获和存储新技 术，可以使术，可以使CO2 永久贮藏在岩石中。永久贮藏在岩石中。 德德 国国 最近提出了一个不同的思路，将最近提出了一

14、个不同的思路，将CO2 转化成塑料原料。转化成塑料原料。 返回 二氧化碳地质储存就是指这些工厂 排放的二氧化碳进行分离和收集，不 向大气中排放，而是注入到合适的深 层地质结构中，永久性地埋存在地下， 这样一来可以大大地减少二氧化碳的 排量，是应对全球气候变化的有力武 器。另外，提高能源使用效率、转变 能源消费模式和利用可再生能源也都 是降低二氧化碳排放的有效手段。 一、地质储存 适合二氧化碳地质储存的位置包括：衰竭的油气田、深层盐水结构和深度 不可开采煤层。其中衰竭油气田和深层盐水结构会用到前面提到的五种圈 闭结构。在这些结构中，储存二氧化碳的沉积岩上部都有盖层。不可开采 煤层目前还只是潜在的

15、一个备选方案，因为它的储存二氧化碳的圈闭机制 稍有不同，有时是填充在煤炭的颗粒当中。 返回 二、海洋储存 l 海洋封存二氧化碳，是控制化石燃料燃烧导致气候变化的有 效手段。 l 海洋碳储层的储量到目前为止是最大的。海洋碳储层的储量 比陆地碳储层高出数倍，而陆地碳储层的储量大于大气碳储层 的储量。 海洋如何吸收 大气中的二氧 化碳？ 在海-气界面二氧化碳的迁移速度是迅速的，尤其当强风 引起混合层中携有碎浪和空气气泡时。二氧化碳在海水中的 溶解度大于淡水，海水较高的pH值（约等于8）将导致以下平 衡等式从左边向右边反应： 2223 233 2 33 COH OH CO H COHHCO HCOHCO CO2在海水中处理方法有： 1.浅海储存 2 深海储存 同时我们也应注意二氧化碳和海水发生反应，形成了弱酸 （碳酸），提高了海水的酸性（表现为pH