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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2 km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）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 加拿大的煤层气开发起步比较晚，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。

3.澳大利亚 20世纪末，充分吸收美国煤层气资源评价和勘探、测试方面的成功经验，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  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.煤层气煤层气的主要转化利用技术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% 煤层气可以作为玻璃厂和冶炼厂的洁净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2000 kW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瓦斯发电机组工艺流程图 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2 4种原料制甲醇的成本比较(2)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，通过费托反应将合成气转化为液体烃，产品改质三部分 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 . 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 (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～150g2.4煤层气的液化利用煤层气的液化利用 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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(MCFC)、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.利用煤层利用煤层气时的安全性问题气时的安全性问题 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～28.3万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90～95％。

(3)煤层气掺混 我国大部分矿区同时具有井下抽放和地面抽放两种抽放系统，井下抽放系统回收的煤层气含甲烷较低为30%～50%，而地面抽放的煤层气甲烷浓度达到90%以上这样我们就可以从地面抽放回收的高甲烷含量的煤层气和井下抽放的低甲烷浓度煤层气进行掺混，使之处于安全输送范围 煤层气资源由于其巨大的蕴藏量及开发利用价值，已引起普遍重视但目前煤层气利用受到诸多因素制约，主要表现在：(1)煤层气开采步伐缓慢，高浓度煤层气产量低，若用来生产化工产品则很难实现规模化；(2)缺乏含氧低浓度煤层气的浓缩及安全利用技术，使这部分煤层气除少部分利用外，其余大部分只能稀释后排空，造成煤层气资源的极大浪费，而且加剧温室效应；(3)在煤层气开发区域，缺少配套的长输管线，致使开发与市场脱节；(4)煤层气化工利用进展缓慢，不利于煤层气资源的高效利用 因此，在煤层气应用领域仍有很多工作要做，很多技术仍需要去改进，新技术也期待被开发结束语结束语。