国内外煤层气的转化利用技术综述课件

国内外煤层气的转化利用技术综述

专业：化学工程姓名：翟继博学号：201231460主要内容1.国内外煤层气开发利用现状2.煤层气的主要转化利用技术3.煤层气转化利用的新技术4.利用煤层气时的安全性问题1.国内外煤层气开发利用现状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2km的煤层气资源量约为26×1013m3，是常规天然气探明储量2倍多；全球可采煤层气储量已达13.78×1013m3。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10×1012m3（见左表）。

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53×108m3，地面煤层气开采量7.5×108m3；至2009年，我国已建成地面煤层气产能25×108m3。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6×108m3，实现煤层气与天然气共输共用。

此外，近几年来，我国煤层气发电特别是用低浓度煤层气(CH4体积分数为6%~25%)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92×104kw，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1.8×108m3(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。而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。煤层气允许进入天然气管道的条件是甲烷浓度要高于95%。

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、内燃机和微型燃气轮机，其中在燃气轮机技术的基础上可发展热电联产。(一)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下图所示。

(二)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、燃烧室、动力透平和一个发电机组成。

特点：(1)装机容量范围宽，从500kW～25MW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(5)技术成熟(6)需要配置压缩机，会消耗一部分电力

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。

特点：(1)装机容量为30～2000kW；(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地区用电，不并入电网。

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KGZ—3C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%。我国第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400kW的瓦斯发电机组,瓦斯体积分数在30%以上。

在中国低浓度瓦斯发电机组生厂家——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(1)生产甲醇煤层气中CH4转化制合成气工艺有催化氧化或非催化部分氧化两种工艺.催化氧化法对转化前的煤层气净化要求很高。一般需脱除H2S。有机硫化物须达到0.1rg/g以下，才能满足在镍催化剂下将CH4转化成CO+H2，而且工艺流程长、投资大.非催化部分氧化法，煤层气不需净化，在常压下直接进行转化，同时昂贵的ZnO脱硫剂用量少，工艺技术成熟可靠。根据国内有关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。

以煤层气为原料生产甲醇具有以天然气为原料生产甲醇的低投资、高利润的优点，又具有以煤为原料制甲醇的低成本、大规模的优势。表2为以天然气、石脑油、渣油和煤4种原料制甲醇的成本比较。表24种原料制甲醇的成本比较

(3)生产炭黑甲烷在高温下燃烧热分解后可产生粉状碳颗粒，即炭黑。它是橡胶、涂料等工业不可缺少的填加剂。甲烷浓度40%～90%时均可烧制炭黑。一般每立方米纯甲烷可生产炭黑120g～150g。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21000Nm3煤层气。美国近两年已经研制成功液化气量在1000～10000加仑/d的天然气液化系统，并大力推广这项新技术。日前，阳泉煤业集团在液化技术上与中国科学院理化技术研究所低温系统关键技术组提出了1个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并液化的方案，设计了2种具体的分离、液化流程。阳泉煤业集团于2007年7月建成双塔实验装置，可使液体甲烷的浓度稳定地达到99%以上。

3.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CH4→CH3OH→HCHO→HCOOH→CO2。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。

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/d～28.