提示：煤矿区煤层气目前主要用于民用燃料、发电燃料和化工原料。中国变压吸附网特推荐本文提出的采用变压吸附技术, 将低浓度煤层气浓缩为高浓度煤层气, 从而进一步加工处理生产压输天然气(CNG) 和液化天然气(LNG) 的技术方案。文章还以重庆松藻煤电公司为例, 对这种煤层气利用新方案的经济性作了分析。

重庆钢铁集团设计院, 重庆　400080 ; 2. 四川南充炼油化工总厂, 四川南充　637000

1 　煤矿区煤层气的常规利用途径

目前国内对煤矿区煤层气的利用基本上有两种途径, 一是作为矿区周围居民燃料使用或者作为矿区发电用燃料; 二是作为化工原料, 如利用煤层气生产碳黑等化工产品。这些利用途径都受到煤层气抽采浓度的制约。

2 　煤矿区煤层气变压吸附技术

由于井下抽采的煤矿区煤层气浓度不高, 利用途径有一定的限制。因此, 我们提出采用以下两种新的利用方案, 对煤层气提纯, 提高煤层气浓度,,拓宽煤层气的利用途径。新方案中都是通过变压吸附来达到煤层气提纯的目的。

211 　技术原理

变压吸附(PSA) 是吸附分离技术中的一项用于分离气体混合物的技术。现已广泛应用于化工、石油化工、钢铁、冶炼、电子、金属热处理、啤酒等领域。吸附是指当两种相态不同的物质接触时,其中密度较低物质的分子在密度较高的物质表面被富集的现象和过程。具有吸附作用的物质(一般为密度相对较大的多孔固体) 被称为吸附剂,被吸附的物质(一般为密度相对较小的气体或液体) 称为吸附质。变压吸附是因压力不同而吸附剂吸附性能的差异来选择性吸附进行气体分离的过程。根据煤层气中的CH4 、N2 、O2物理特性不同, 采用合适的吸附剂和合适的压力可以达到提纯煤层气的目的。

212 　变压吸附提纯

方案1 采用变压吸附技术, 将低浓度煤层气浓缩为高浓度煤层气, 高浓度煤层气中的CH4 含量接近于天然气, 原则上可与天然气互换而无需改变天然气用户的表、灶具、管网和其他用气设备, 也可以用作CNG汽车加气站的气源。除在矿区及周边地区发展CNG加气站外, 剩余部分的产品气可管输至离矿区临近的一些无天然气气源的小城镇发展居民用气及CNG加气站, 最远端可并入远距离城市的天然气储配站, 作为天然气的补充气源。其流程示意图如图1。

    此方案将长输低热值燃气改为短输高热值燃气, 从而可大幅度减少工程投资, 大幅度缩短工期。与低浓度煤层气相比, 高浓度煤层气在经济性和安全性方面要好得多。该方案采用低温工艺, 基础投资大, 在分离大量气流时经济效益才特别显著。目前许多富集工艺正处于不同的研究和开发阶段, 将来可以较为经济地用于处理30 万m3/ d 以下的煤层气气流。

213 　变压吸附提纯加深冷法液化

    方案2 首先利用变压吸附技术提纯煤层气(与方案1 相同) 。然后将高浓度煤层气全部或大部分采用深冷法液化, 生产液化天然气, 然后再将液化天然气用LNG槽车运送至LNG加气站、CNG加气站和民用天然气储配站的LNG储槽。在LNG加气站可直接向LNG 汽车加气( 无需加压) , 在CNG加气站及民用储配站需汽化后使用。LNG在汽化过程中吸热作用强烈, 可以增设冷库或冷食品加工厂以回收冷量节能, 甚至可以利用LNG的冷量建设空分站(俗称氧气站) , 生产氧气、氮气、液氧、液氮、液氩以期获得更大的经济效益。此方案的流程示意图如图2。

      此方案用槽车输送LNG产品, 无需再建管输系统, 将工程的环境影响降低至最小, 工程投资相对长输方案也较低, 建设工期相对也较短, 见效快, 受益地区可以更远(数百至上千里) 。

3 　方案应用

     煤矿区煤层气利用新方案投资较高, 但是效益显著, 现以重庆松藻煤电公司为例, 对新方案的经济性进行分析。松藻煤电公司位于重庆市綦江县打通镇, 是西南最大的动力煤生产基地, 煤层气储量223 亿m3 ,近三年煤层气抽采量均超过1 亿m3 , 并且每年以2000 万m3 速度增长, 去年的抽放量已经达到1、2亿m3 。