煤层气液化技术
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摘要: 1.中国煤层气资源与环保能源发展策略 1.1煤层气及其主要特性 煤层气，俗称煤矿瓦斯，即天然气。它是与煤伴生、共生的气体资源，其主要成分为甲烷，甲烷含量一般为90%-99%。每吨褐煤能生成38-50立方米煤层气，无烟煤可生成346-422立方米煤层气。按热值计算,甲烷..
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1.中国煤层气资源与环保能源发展策略
1.1煤层气及其主要特性
煤层气，俗称煤矿瓦斯，即天然气。它是与煤伴生、共生的气体资源，其主要成分为甲烷，甲烷含量一般为90%-99%。每吨褐煤能生成38-50立方米煤层气，无烟煤可生成346-422立方米煤层气。按热值计算,甲烷的热值为33.5-33.7kJ(8000-9000kcal/m3)，比1公斤标准煤的发热量还要高。1000Nm3甲烷相当于1吨标准煤。
1.2世界煤层气资源和开发利用
世界煤层气储量约占世界天然气总储量的30%以上，世界上已经发现的26个最大的天然气田(>2830亿立方米)中，就有16个是煤层气田，其煤层气储量占天然气总储量的77%，位居世界前五位的特大气田均为煤层气田。
美国从80年代以来，为了发展煤层气产业，先后投入60多亿美元，进行了大规模的科研和试验，取得了总体勘探开发技术的突破。1984年，美国国会通过了煤层气享受税款补贴政策。在这项政策和大量科技成果的积极推动下，美国煤层气井由1986年的200口井，到1992年发展到6000口井。
美国快速发展煤层气产业的经验已引起世界各产煤国家的广泛关注，英、德、澳、波兰、印度等国都已经制定了相应的鼓励政策，积极推动本国煤层气的发展。
1.3天然气在世界能源结构中的重要性
煤，石油和天然气是当今世界一次能源的三大支柱,天然气在日本等某些能源消费大国已经成为第二大能源。19世纪前期，人类以煤炭代替柴薪为主要能源，实现了工业革命，带来了世界资本主义的发展，是第一次能源革命。20世纪中期，开始以石油代替煤炭为主要能源，带来了世界经济的繁荣，是第二次能源革命。进入21世纪，全世界将出现以天然气代替石油为主要能源的又一次能源消费结构大变革，预计2010年，天然气在世界能源结构中将占35-40%，成为第一大能源，将是第三次能源革命，21世纪是清洁能源的时代。
目前世界天然气占能源比重的25%,自1990年以来每年以23%的速率增长。能源结构的变化反映社会经济的进步，落后的能源结构必然不利于经济的发展。
以煤炭为主要能源是基于我国能源发展的历史，单一的煤炭能源不仅造成严重的环境污染，而且会制约我国经济的高速发展。开发利用煤层气资源，不仅可以弥补煤炭供应缺口，而且可以改善能源质量。开发天然气资源，优化能源结构已经成为我国能源安全战略的重要组成部分。中国的经济起飞发生在人类第三次能源革命时期，中国的经济发展必将以清洁能源的大规模使用为特征。西方工业革命是以牺牲地球自然环境为代价的，21世纪的中国担负着发展绿色环保能源工业的历史使命。
世界能源经济正在由石油能源经济向天然气能源经济过渡。世界石油能源经济的巅峰期已经结束，英国石油、壳牌石油、埃克森美孚石油公司正在疯狂抢购LNG生产权，广东LNG接收站启动了本世纪最大的能源市场－中国天然气市场的国际竞争。
1.4中国天然气能源经济形势。
(1)中国国家能源安全战略——世界第二大能源消费国，处于工业化中期，目前石油进口依存度已经超过40%，中国经济发展的能源基础不在国内，迫使中国趟进了动荡的世界石油地缘政治的浑水。
(2)中国的大气环保义务——煤炭能源经济的环保成本太高，世界十大烟雾污染城市中国占7个，北京08年奥运会的环保压力。
(3)煤矿安全生产与社会安全——2005年阜新煤矿214人、山西细水69人、新疆神龙83人、广东大兴123人、七台河171人、唐山106人，全国连续发生重大、特别重大煤矿瓦斯爆炸事故。
(4)大庆要靠天然气实现可持续发展——大庆油田注水采油，5000万吨原油缺口，庆深气田与俄罗斯天然气管道协议。
(5)西气东输、陕气进京——管道气供气不足、北京天然气荒、新疆200辆液化天然气槽车4500公里运往沈阳。
(6)东南沿海进口液化天然气接收站——广东、福建在建，已报国务院有12个。
1.5中国的煤层气资源
中国是煤炭资源大国,煤层气储量丰富，居世界第三位,埋深2000米以内的煤层气资源量达31.46万亿立方米，其中，埋深1500米以内的约占总资源量的60%。主要分布在山西地区(以阳泉为中心)、陕西、东北地区(以抚顺为中心)、新疆、内蒙古、河南、云南和重庆、贵州地区。
储量在1000亿m3以上的矿区：阳泉、离柳、晋城、淮南、淮北、韩城、盘江等。
储量在1百至数百亿立方米的矿区：平顶山、彬长、开滦、鸡西、焦作、鹤壁、安阳、鹤岗、筠连、登封、黄陵、芙蓉、天府、铁法、双鸭山、松藻、阜新、南桐和抚顺。
1.6中国的煤层气利用前景
我国丰富的煤层气资源可作为后备战略资源。国家已将煤层气开发利用列入“十一五”规划的能源发展计划之中，并将在为煤层气勘探开发利用提供财政支持和鼓励政策。去年11月在美国召开的“煤层气推向市场战略合作伙伴计划”已经正式启动，中国是13个成员国之一。“中国煤层气走向市场将逐渐掀起一轮新的能源热潮。”
未来15年中国天然气需求的年增长率将达到12%，两倍于国民生产总值的增速。到2020年，中国天然气供应中的51%将来自国内气田的开采，39%将来自液化天然气进口，届时中国沿海将建成12个进口液化天然气接收站，另外的10%可能来自俄罗斯和中亚国家的管道天然气进口。2005年我国通过海运进口的液化天然气已达到320万吨，2010年将达到1900万吨，2015年将达到3300万吨。
1.7煤层气的利用途径
煤层气的利用可分为两类，即能源和原料。
能源——煤层气发电，每亿度电排放SO2是煤电厂的千分之一；煤电厂热效率最高40%，天然气电厂可达56%；煤层气工业燃料，锅炉燃料、金属冶炼、陶瓷玻璃工业；城市居民燃气，煤制气热值低(14.6kJ/m3)，天然气热值高(35.6kJ/m3)，天然气是21世纪中国城市民用燃气首选燃料；汽车燃料，改善汽车尾气对大气的污染。
原料——煤层气制合成氨，世界合成氨的73.7%来自天然气原料;甲醇80%由天然气生产；煤层气制乙炔，由天然气部分氧化法生产乙炔，由乙炔生产PVC制品。
2.煤层气开发利用与绿色环保型安全矿山的可持续发展策略
2.1煤层气向大气排放是造成地球自然环境恶化的主要原因
煤层气中的主要成分甲烷是一种很强的温室效应气体，甲烷的温室效应是CO2的20多倍。对臭氧层的破坏能力是CO2的7倍。排放到大气的煤层气中还混杂有甲烷的同系物、H2、H2S、CO、NO、NH3、SO2、乙醛、汽油蒸汽、汞和砷的蒸汽、CO2、N2、Ar、He以及Rn、Th、Ac等放射性物质。不仅污染大气，对人体健康也有害。
根据联合国的调查报告，中国煤矿在开采过程中每年向大气排放的甲烷量达194亿m3，约占世界采煤排放甲烷总量的三分之一，引起国际社会的严重关注。若用1亿m3煤层气代替煤作燃料，不仅可以大大减少大气中甲烷的含量，而且可以节省30万吨煤，少排放0.36万吨CO2和0.5万吨煤烟尘。
2.2煤层气的开采利用关系到矿工生命安全和社会稳定
煤层气是矿井发生瓦斯爆炸和瓦斯突出灾害事故的有害根源。据统计，中国煤矿瓦斯爆炸事故约占世界瓦斯爆炸事故的40%。历年来因瓦斯事故而死亡的人数，约占煤炭行业工伤事故死亡人数的30%-40%。
通过开采煤层气(先采气后采煤)不仅可以从根本上防止瓦斯事故、保障煤矿安全，而且可以使煤炭建井费用至少降低1/4，极大地提高煤矿经济效益。同时，开采并利用煤层气，可以有效地缓解某些由于煤炭经济衰退而带来的城市发展难题。
3.煤层气液化技术是煤层气开发利用的关键技术
3.1限制煤层气开发利用的根本原因
煤层气气井的分布具有偏散小的特点：
偏——气源远离大型工业区,远离大城市居民区；
散——气井大面积分布、不集中、气源形不成规模；
小——单井产量不够大，储量有限，可开采期短。
近煤层气田大规模应用的条件：
化工厂落地生根,投资大,要求规模化,需要长期稳定的大产量气源；
大型发电厂同样需要长期稳定的大产量气源；
小型发电厂不能上网,同样无法实现能源远距离输送。
煤层气远距离运输的办法：
远距离铺设天然气管道——“西气东输”，巨额投资；
常温高压气瓶车载运输——“钢铁运输”，成本太高；
低温常压液化槽车运输——“无边无界”，低成本,新疆到广东。
3.2煤层气液化的优点
(1)天然气液化后便于进行经济可靠的运输。用专门的LNG槽车、轮船、把边远、沙漠、海上分散的天然气，经液化后进行长距离运输到销售地，它比管道输气可节省大量投资，而且方便可靠，风险小，适应性强。
(2)储存效率高、占地少、投资省。据有关资料统计，建成1MPa的6座l000m3的天然气球罐的投资，要比建成1座储气量相当的0.5MPa的100m3LNG储罐的投资高出80倍之多。
(3)有利于城市负荷的平衡调节。一些城市燃气化以后，由于民用气量冬用多、夏用少，或者因用气的化工厂检修或者天然气厂本身进行技术改造，甚至是输气管网出故障等，都会造成定期或不定期的供气的不平衡，而建设LNG储罐就能起到削峰填谷的作用。目前，在美国、日本、欧洲已建成投产100多座LNG调峰装置，它比地面高压储气罐和地下储气库建设节省土地、资金、工期，而且方便、灵活，不受地质条件限制。
(4)生产过程中释放出的冷量可回收利用。例如可将LNG汽化时产生的冷量，用作冷藏、冷冻、低温粉碎等。因此，有的调峰装置就和冷冻厂进行联合建设。按目前LNG生产的工艺技术水平，可将天然气液化生产所耗能量的50%加以回收利用。
(5)低温液化还可分离出部分有用的副产品。在生产过程的不同阶段，可分离出C2、C3、C4、C5+烃类，以及H2S、H2等化工原料及燃料。LNG也可同提氦(He)进行联产。因为He的液化温度是-269℃，所以当温度降到-l62℃时，LNG就先分离出来了。现在四川威远化工厂是一座日处理l万m3天然气的提He厂，同时可日产LNG产品3吨左右。
(6)LNG可作为优质的车用燃料。与汽车烧汽油相比，它具有辛烷值高、抗爆性好、燃烧完全、排气污染少、发动机寿命长、降低运输成本等优点；即使与压缩天然气(CNG)汽车相比，它也具有储存效率高、加一次气续行程远，车装钢瓶压力小、重量轻、数量小；建站不受供气管网的限制等优越之处。
(7)生产使用比较安全。LNG的燃点650℃，比汽油高230多度；LNG爆炸极限4.7%～15%，汽油为1%～5%，高出2.5～4.7倍；LNG密度为0.47左右，汽油为O.7左右；它与空气相比更轻，所以稍有泄漏立即飞散，不致引起自然爆炸。正由于LNG具有低温、轻质、易蒸发的特性，可防止被人窃取或变卖造成损失。
(8)有利于环境保护，减少城市污染。目前我国城市污染源主要来自大量烧煤和车辆排放的尾气所造成的。若汽车改烧LNG，其有害物大为减少。它与汽油车相比，据美国的测试资料，CH由0.54降为O.26；CO由8.35降为0.03；NOx由1.92降为1.23；S0x由0.71降为0；Pb由0.08降为0。据国内测试资料，LNG汽车与汽油车相比：CH减少72%；NOx减少39%；CO减少24%；SO2减少90%。
3.3煤层气液化解决煤层气远距离运输问题
煤层气液化运输的优点：低温液化后的煤层气体积缩小625倍，一台35立方米的标准液化气槽车可运输21000标方煤层气，相当于8个标准气井的全部日产量。液化槽车是“高速公路上的天然气管道”，“通公路的地方就通液化天然气”，“液化技术为煤层气装上了轮子”。
煤层气液化储存的优点：大型LNG储罐可达7,000～200,000立方米液化天然气，小型LNG储罐可存5～50立方米液化天然气，液化天然气经简单的气化装置就可重新变成气态使用，液化储存的天然气可以用于城市管网和解决天然气电厂的调峰难题。
煤层气液化克服了长途铺设管线耗资大,覆盖地区有限,且不具备储存和调峰能力的缺点。
3.2液化天然气是安全的燃料
液化天然气(LNG)的可燃极限、点火温度、蒸汽密度和易爆性等有关安全的指标都好于汽油和液化石油气(LPG)。天然气的可燃性使天然气工业同其他燃料工业一样具有安全生产和使用问题，但是LNG工业几乎是经历了无事故发展的30年。自1970年以来，全世界只发生过16起与LNG有关的事故。自1980年以来，全世界只有两人的死亡与LNG有关。一般说来，LNG是目前可用的最安全的工业和民用燃料
4.国内外煤层气液化技术的现状
4.1工艺流程
目前世界上通常采用的小型LNG系统工艺循环：带丙烷预冷的混合工质闭式循环(C3/MRC);单工质透平膨胀闭式循环(N2/Turbine);Joule-Thomson膨胀开式循环(Letdown);透平膨胀开式循环(Letdown);混合工质透平膨胀闭式循环(Brayton/Claude);级联式闭式循环(Cascade);热声振荡制冷循环(ThermalAcoustic);磁制冷循环等等。
世界上已有29个国家开展了煤层气研究、勘探和开发活动，从事煤层气开发的各国公司约有20多个。美国从80年代以来，进行了大规模的科研和试验，取得了总体勘探开发技术的突破。1984年，美国国会通过了煤层气享受税款补贴政策。在这项政策和大量科技成果的积极推动下，美国煤层气产量从1983年的6.7亿立方米猛增到1997年的300亿立方米，增长了40余倍，约是我国同年天然气产量的1.5倍。美国快速发展煤层气产业的经验已引起世界各产煤国家的广泛关注，英、德、澳、波兰、印度等国都已经制定了相应的鼓励政策，积极推动本国煤层气的发展。
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，综合开发和利用煤矿瓦斯。美国近两年已经研制成功液化气量在1000－10000加仑/天的天然气液化系统，并大力推广这项新技术。近来，个别美国和日本公司已经开始针对中国瓦斯矿难问题，极力向中国推销小型天然气液化设备。
4.2哈工大天然气液化工业系统实验研究平台
实验平台由哈工大低温与超导技术研究所(国家“985规划”建设中的国家重点实验室)设计和制造；日产20立方米和5立方米液化天然气的全尺寸工业实验平台，投资1000万元；2005年初已完成工业实验平台的工程设计，目前正在建设中，预计2006年8月底将完成煤层气液化技术实验中心的建设。
该系统包括天然气净化、液化、贮存三个部分，全部采用可移动的撬装式模块化结构，可在不同气源地重复安装使用；该系统移植了现代大科学工程中使用的远程全自动监控与测试技术；液化流程和工艺过程经大型计算机数值模拟，可针对具体气源条件进行快速优化设计。
4.3煤层气液化工业的政策法规研究
世界LNG工业史和近年国外小型LNG工业实践的经验说明，LNG工业的发展不能只靠科学技术的开发，LNG工业涉及国有资产、能源、环保、安全等问题，有其自身特殊的社会经济学特征。经济政策与科学技术的强耦合关系要求政府和社会的合作与支持。涉及的有关课题包括：
(1)研究煤层气液化技术的工业经济学课题；
(2)研究国家和地方的气源价格政策和气源租赁合同政策；
(3)研究煤层气工业的环保优惠政策和高科技企业退税政策；
(4)研究煤层气工业链的结构和探索上中下游的合作模式；
(5)研究煤层气工业投资与贷款政策；
(6)移植国外LNG相关标准，推动中国LNG工业法规的立法。
国际经验表明，由于煤层气项目前期投入较大，煤层气产业在起步阶段需要政府的支持和扶持。中国煤层气产业目前尚处于初级发展阶段，应该在融资、税收、价格、科研投入、资金引进等方面建立适当的优惠政策，吸引商业资金和民间资金进入煤层气工业领域。由于煤层气产业的公共社会性质，如保障能源供给，减少环境污染和降低采煤死亡率等等，政府应投入部分资金补贴或参股，以减少民间投资的风险。
国际经验还表明。没有良好的法制环境，煤层气产业很难得到长期快速稳定的发展。鉴于目前普遍存在对煤层气开发利用价值认识不足的情况，中国应考虑从法律角度硬性规定，具有一定规模的煤矿必须合理开发利用煤层气，同时还要修改环保法规，强化对煤层气排放的限制。根据“京都议定书”的“清洁发展机制(CDM)”框架，温室气体减排额可以进行买卖。中国应充分利用这一机制，向专门的国际基金出售温室气体减排量。这不仅解决煤矿安全问题，还可以降低投资成本。 |
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