煤層氣液化技術(shù)

1.中國煤層氣資源與環(huán)保能源發(fā)展策略1.1煤層氣及其主要特性煤層氣，俗稱煤礦瓦斯，即天然氣。它是與煤伴生、共生的氣體資源，其主要成分為甲烷，甲烷含量一般為90%-99%。每噸褐煤能生成38-50立方米煤層氣，無煙煤可生成346-422立方米煤層氣。按熱值計(jì)算,甲烷的熱值為33.5-33.7kJ(8000-9000kcal/m3)，比1公斤標(biāo)準(zhǔn)煤的發(fā)熱量還要高。1000Nm3甲烷相當(dāng)于1噸標(biāo)準(zhǔn)煤。1.2世界煤層氣資源和開發(fā)利用世界煤層氣儲(chǔ)量約占世界天然氣總儲(chǔ)量的30%以上，世界上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的26個(gè)最大的天然氣田(>2830億立方米)中，就有16個(gè)是煤層氣田，其煤層氣儲(chǔ)量占天然氣總儲(chǔ)量的77%，位居世界前五位的特大氣田均為煤層氣田。美國從80年代以來，為了發(fā)展煤層氣產(chǎn)業(yè)，先后投入60多億美元，進(jìn)行了大規(guī)模的科研和試驗(yàn)，取得了總體勘探開發(fā)技術(shù)的突破。1984年，美國國會(huì)通過了煤層氣享受稅款補(bǔ)貼政策。在這項(xiàng)政策和大量科技成果的積極推動(dòng)下，美國煤層氣井由1986年的200口井，到1992年發(fā)展到6000口井。美國快速發(fā)展煤層氣產(chǎn)業(yè)的經(jīng)驗(yàn)已引起世界各產(chǎn)煤國家的廣泛關(guān)注，英、德、澳、波蘭、印度等國都已經(jīng)制定了相應(yīng)的鼓勵(lì)政策，積極推動(dòng)本國煤層氣的發(fā)展。1.3天然氣在世界能源結(jié)構(gòu)中的重要性煤，石油和天然氣是當(dāng)今世界一次能源的三大支柱,天然氣在日本等某些能源消費(fèi)大國已經(jīng)成為第二大能源。19世紀(jì)前期，人類以煤炭代替柴薪為主要能源，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)革命，帶來了世界資本主義的發(fā)展，是第一次能源革命。20世紀(jì)中期，開始以石油代替煤炭為主要能源，帶來了世界經(jīng)濟(jì)的繁榮，是第二次能源革命。進(jìn)入21世紀(jì)，全世界將出現(xiàn)以天然氣代替石油為主要能源的又一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)大變革，預(yù)計(jì)2010年，天然氣在世界能源結(jié)構(gòu)中將占35-40%，成為第一大能源，將是第三次能源革命，21世紀(jì)是清潔能源的時(shí)代。目前世界天然氣占能源比重的25%,自1990年以來每年以23%的速率增長。能源結(jié)構(gòu)的變化反映社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，落后的能源結(jié)構(gòu)必然不利于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。以煤炭為主要能源是基于我國能源發(fā)展的歷史，單一的煤炭能源不僅造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，而且會(huì)制約我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展。開發(fā)利用煤層氣資源，不僅可以彌補(bǔ)煤炭供應(yīng)缺口，而且可以改善能源質(zhì)量。開發(fā)天然氣資源，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為我國能源安全戰(zhàn)略的重要組成部分。中國的經(jīng)濟(jì)起飛發(fā)生在人類第三次能源革命時(shí)期，中國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展必將以清潔能源的大規(guī)模使用為特征。西方工業(yè)革命是以犧牲地球自然環(huán)境為代價(jià)的，21世紀(jì)的中國擔(dān)負(fù)著發(fā)展綠色環(huán)保能源工業(yè)的歷史使命。世界能源經(jīng)濟(jì)正在由石油能源經(jīng)濟(jì)向天然氣能源經(jīng)濟(jì)過渡。世界石油能源經(jīng)濟(jì)的巔峰期已經(jīng)結(jié)束，英國石油、殼牌石油、?？松梨谑凸菊诏偪駬屬廘NG生產(chǎn)權(quán)，廣東LNG接收站啟動(dòng)了本世紀(jì)最大的能源市場(chǎng)－中國天然氣市場(chǎng)的國際競爭。1.4中國天然氣能源經(jīng)濟(jì)形勢(shì)。(1)中國國家能源安全戰(zhàn)略——世界第二大能源消費(fèi)國，處于工業(yè)化中期，目前石油進(jìn)口依存度已經(jīng)超過40%，中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的能源基礎(chǔ)不在國內(nèi)，迫使中國趟進(jìn)了動(dòng)蕩的世界石油地緣政治的渾水。(2)中國的大氣環(huán)保義務(wù)——煤炭能源經(jīng)濟(jì)的環(huán)保成本太高，世界十大煙霧污染城市中國占7個(gè)，北京08年奧運(yùn)會(huì)的環(huán)保壓力。(3)煤礦安全生產(chǎn)與社會(huì)安全——2005年阜新煤礦214人、山西細(xì)水69人、新疆神龍83人、廣東大興123人、七臺(tái)河171人、唐山106人，全國連續(xù)發(fā)生重大、特別重大煤礦瓦斯爆炸事故。(4)大慶要靠天然氣實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展——大慶油田注水采油，5000萬噸原油缺口，慶深氣田與俄羅斯天然氣管道協(xié)議。(5)西氣東輸、陜氣進(jìn)京——管道氣供氣不足、北京天然氣荒、新疆200輛液化天然氣槽車4500公里運(yùn)往沈陽。(6)東南沿海進(jìn)口液化天然氣接收站——廣東、福建在建，已報(bào)國務(wù)院有12個(gè)。1.5中國的煤層氣資源中國是煤炭資源大國,煤層氣儲(chǔ)量豐富，居世界第三位,埋深2000米以內(nèi)的煤層氣資源量達(dá)31.46萬億立方米，其中，埋深1500米以內(nèi)的約占總資源量的60%。主要分布在山西地區(qū)(以陽泉為中心)、陜西、東北地區(qū)(以撫順為中心)、新疆、內(nèi)蒙古、河南、云南和重慶、貴州地區(qū)。儲(chǔ)量在1000億m3以上的礦區(qū)：陽泉、離柳、晉城、淮南、淮北、韓城、盤江等。儲(chǔ)量在1百至數(shù)百億立方米的礦區(qū)：平頂山、彬長、開灤、雞西、焦作、鶴壁、安陽、鶴崗、筠連、登封、黃陵、芙蓉、天府、鐵法、雙鴨山、松藻、阜新、南桐和撫順。1.6中國的煤層氣利用前景我國豐富的煤層氣資源可作為后備戰(zhàn)略資源。國家已將煤層氣開發(fā)利用列入“十一五”規(guī)劃的能源發(fā)展計(jì)劃之中，并將在為煤層氣勘探開發(fā)利用提供財(cái)政支持和鼓勵(lì)政策。去年11月在美國召開的“煤層氣推向市場(chǎng)戰(zhàn)略合作伙伴計(jì)劃”已經(jīng)正式啟動(dòng)，中國是13個(gè)成員國之一?！爸袊簩託庾呦蚴袌?chǎng)將逐漸掀起一輪新的能源熱潮?！蔽磥?5年中國天然氣需求的年增長率將達(dá)到12%，兩倍于國民生產(chǎn)總值的增速。到2020年，中國天然氣供應(yīng)中的51%將來自國內(nèi)氣田的開采，39%將來自液化天然氣進(jìn)口，屆時(shí)中國沿海將建成12個(gè)進(jìn)口液化天然氣接收站，另外的10%可能來自俄羅斯和中亞國家的管道天然氣進(jìn)口。2005年我國通過海運(yùn)進(jìn)口的液化天然氣已達(dá)到320萬噸，2010年將達(dá)到1900萬噸，2015年將達(dá)到3300萬噸。1.7煤層氣的利用途徑煤層氣的利用可分為兩類，即能源和原料。能源——煤層氣發(fā)電，每億度電排放SO2是煤電廠的千分之一；煤電廠熱效率最高40%，天然氣電廠可達(dá)56%；煤層氣工業(yè)燃料，鍋爐燃料、金屬冶煉、陶瓷玻璃工業(yè)；城市居民燃?xì)?，煤制氣熱值?14.6kJ/m3)，天然氣熱值高(35.6kJ/m3)，天然氣是21世紀(jì)中國城市民用燃?xì)馐走x燃料；汽車燃料，改善汽車尾氣對(duì)大氣的污染。原料——煤層氣制合成氨，世界合成氨的73.7%來自天然氣原料;甲醇80%由天然氣生產(chǎn)；煤層氣制乙炔，由天然氣部分氧化法生產(chǎn)乙炔，由乙炔生產(chǎn)PVC制品。2.煤層氣開發(fā)利用與綠色環(huán)保型安全礦山的可持續(xù)發(fā)展策略2.1煤層氣向大氣排放是造成地球自然環(huán)境惡化的主要原因煤層氣中的主要成分甲烷是一種很強(qiáng)的溫室效應(yīng)氣體，甲烷的溫室效應(yīng)是CO2的20多倍。對(duì)臭氧層的破壞能力是CO2的7倍。排放到大氣的煤層氣中還混雜有甲烷的同系物、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等放射性物質(zhì)。不僅污染大氣，對(duì)人體健康也有害。根據(jù)聯(lián)合國的調(diào)查報(bào)告，中國煤礦在開采過程中每年向大氣排放的甲烷量達(dá)194億m3，約占世界采煤排放甲烷總量的三分之一，引起國際社會(huì)的嚴(yán)重關(guān)注。若用1億m3煤層氣代替煤作燃料，不僅可以大大減少大氣中甲烷的含量，而且可以節(jié)省30萬噸煤，少排放0.36萬噸CO2和0.5萬噸煤煙塵。2.2煤層氣的開采利用關(guān)系到礦工生命安全和社會(huì)穩(wěn)定煤層氣是礦井發(fā)生瓦斯爆炸和瓦斯突出災(zāi)害事故的有害根源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國煤礦瓦斯爆炸事故約占世界瓦斯爆炸事故的40%。歷年來因瓦斯事故而死亡的人數(shù)，約占煤炭行業(yè)工傷事故死亡人數(shù)的30%-40%。通過開采煤層氣(先采氣后采煤)不僅可以從根本上防止瓦斯事故、保障煤礦安全，而且可以使煤炭建井費(fèi)用至少降低1/4，極大地提高煤礦經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，開采并利用煤層氣，可以有效地緩解某些由于煤炭經(jīng)濟(jì)衰退而帶來的城市發(fā)展難題。

3.煤層氣液化技術(shù)是煤層氣開發(fā)利用的關(guān)鍵技術(shù)3.1限制煤層氣開發(fā)利用的根本原因煤層氣氣井的分布具有偏散小的特點(diǎn)：偏——?dú)庠催h(yuǎn)離大型工業(yè)區(qū),遠(yuǎn)離大城市居民區(qū)；散——?dú)饩竺娣e分布、不集中、氣源形不成規(guī)模；小——單井產(chǎn)量不夠大，儲(chǔ)量有限，可開采期短。近煤層氣田大規(guī)模應(yīng)用的條件：化工廠落地生根,投資大,要求規(guī)?；?需要長期穩(wěn)定的大產(chǎn)量氣源；大型發(fā)電廠同樣需要長期穩(wěn)定的大產(chǎn)量氣源；小型發(fā)電廠不能上網(wǎng),同樣無法實(shí)現(xiàn)能源遠(yuǎn)距離輸送。煤層氣遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)霓k法：遠(yuǎn)距離鋪設(shè)天然氣管道——“西氣東輸”，巨額投資；常溫高壓氣瓶車載運(yùn)輸——“鋼鐵運(yùn)輸”，成本太高；低溫常壓液化槽車運(yùn)輸——“無邊無界”，低成本,新疆到廣東。3.2煤層氣液化的優(yōu)點(diǎn)(1)天然氣液化后便于進(jìn)行經(jīng)濟(jì)可靠的運(yùn)輸。用專門的LNG槽車、輪船、把邊遠(yuǎn)、沙漠、海上分散的天然氣，經(jīng)液化后進(jìn)行長距離運(yùn)輸?shù)戒N售地，它比管道輸氣可節(jié)省大量投資，而且方便可靠，風(fēng)險(xiǎn)小，適應(yīng)性強(qiáng)。(2)儲(chǔ)存效率高、占地少、投資省。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，建成1MPa的6座l000m3的天然氣球罐的投資，要比建成1座儲(chǔ)氣量相當(dāng)?shù)?.5MPa的100m3LNG儲(chǔ)罐的投資高出80倍之多。(3)有利于城市負(fù)荷的平衡調(diào)節(jié)。一些城市燃?xì)饣院螅捎诿裼脷饬慷枚?、夏用少，或者因用氣的化工廠檢修或者天然氣廠本身進(jìn)行技術(shù)改造，甚至是輸氣管網(wǎng)出故障等，都會(huì)造成定期或不定期的供氣的不平衡，而建設(shè)LNG儲(chǔ)罐就能起到削峰填谷的作用。目前，在美國、日本、歐洲已建成投產(chǎn)100多座LNG調(diào)峰裝置，它比地面高壓儲(chǔ)氣罐和地下儲(chǔ)氣庫建設(shè)節(jié)省土地、資金、工期，而且方便、靈活，不受地質(zhì)條件限制。(4)生產(chǎn)過程中釋放出的冷量可回收利用。例如可將LNG汽化時(shí)產(chǎn)生的冷量，用作冷藏、冷凍、低溫粉碎等。因此，有的調(diào)峰裝置就和冷凍廠進(jìn)行聯(lián)合建設(shè)。按目前LNG生產(chǎn)的工藝技術(shù)水平，可將天然氣液化生產(chǎn)所耗能量的50%加以回收利用。(5)低溫液化還可分離出部分有用的副產(chǎn)品。在生產(chǎn)過程的不同階段，可分離出C2、C3、C4、C5+烴類，以及H2S、H2等化工原料及燃料。LNG也可同提氦(He)進(jìn)行聯(lián)產(chǎn)。因?yàn)镠e的液化溫度是-269℃，所以當(dāng)溫度降到-l62℃時(shí)，LNG就先分離出來了?，F(xiàn)在四川威遠(yuǎn)化工廠是一座日處理l萬m3天然氣的提He廠，同時(shí)可日產(chǎn)LNG產(chǎn)品3噸左右。(6)LNG可作為優(yōu)質(zhì)的車用燃料。與汽車燒汽油相比，它具有辛烷值高、抗爆性好、燃燒完全、排氣污染少、發(fā)動(dòng)機(jī)壽命長、降低運(yùn)輸成本等優(yōu)點(diǎn)；即使與壓縮天然氣(CNG)汽車相比，它也具有儲(chǔ)存效率高、加一次氣續(xù)行程遠(yuǎn)，車裝鋼瓶壓力小、重量輕、數(shù)量??；建站不受供氣管網(wǎng)的限制等優(yōu)越之處。(7)生產(chǎn)使用比較安全。LNG的燃點(diǎn)650℃，比汽油高230多度；LNG爆炸極限4.7%～15%，汽油為1%～5%，高出2.5～4.7倍；LNG密度為0.47左右，汽油為O.7左右；它與空氣相比更輕，所以稍有泄漏立即飛散，不致引起自然爆炸。正由于LNG具有低溫、輕質(zhì)、易蒸發(fā)的特性，可防止被人竊取或變賣造成損失。(8)有利于環(huán)境保護(hù)，減少城市污染。目前我國城市污染源主要來自大量燒煤和車輛排放的尾氣所造成的。若汽車改燒LNG，其有害物大為減少。它與汽油車相比，據(jù)美國的測(cè)試資料，CH由0.54降為O.26；CO由8.35降為0.03；NOx由1.92降為1.23；S0x由0.71降為0；Pb由0.08降為0。據(jù)國內(nèi)測(cè)試資料，LNG汽車與汽油車相比：CH減少72%；NOx減少39%；CO減少24%；SO2減少90%。3.3煤層氣液化解決煤層氣遠(yuǎn)距離運(yùn)輸問題煤層氣液化運(yùn)輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)：低溫液化后的煤層氣體積縮小625倍，一臺(tái)35立方米的標(biāo)準(zhǔn)液化氣槽車可運(yùn)輸21000標(biāo)方煤層氣，相當(dāng)于8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣井的全部日產(chǎn)量。液化槽車是“高速公路上的天然氣管道”，“通公路的地方就通液化天然氣”，“液化技術(shù)為煤層氣裝上了輪子”。煤層氣液化儲(chǔ)存的優(yōu)點(diǎn)：大型LNG儲(chǔ)罐可達(dá)7,000～200,000立方米液化天然氣，小型LNG儲(chǔ)罐可存5～50立方米液化天然氣，液化天然氣經(jīng)簡單的氣化裝置就可重新變成氣態(tài)使用，液化儲(chǔ)存的天然氣可以用于城市管網(wǎng)和解決天然氣電廠的調(diào)峰難題。煤層氣液化克服了長途鋪設(shè)管線耗資大,覆蓋地區(qū)有限,且不具備儲(chǔ)存和調(diào)峰能力的缺點(diǎn)。3.2液化天然氣是安全的燃料液化天然氣(LNG)的可燃極限、點(diǎn)火溫度、蒸汽密度和易爆性等有關(guān)安全的指標(biāo)都好于汽油和液化石油氣(LPG)。天然氣的可燃性使天然氣工業(yè)同其他燃料工業(yè)一樣具有安全生產(chǎn)和使用問題，但是LNG工業(yè)幾乎是經(jīng)歷了無事故發(fā)展的30年。自1970年以來，全世界只發(fā)生過16起與LNG有關(guān)的事故。自1980年以來，全世界只有兩人的死亡與LNG有關(guān)。一般說來，LNG是目前可用的最安全的工業(yè)和民用燃料4.國內(nèi)外煤層氣液化技術(shù)的現(xiàn)狀4.1工藝流程目前世界上通常采用的小型LNG系統(tǒng)工藝循環(huán)：帶丙烷預(yù)冷的混合工質(zhì)閉式循環(huán)(C3/MRC);單工質(zhì)透平膨脹閉式循環(huán)(N2/Turbine);Joule-Thomson膨脹開式循環(huán)(Letdown);透平膨脹開式循環(huán)(Letdown);混合工質(zhì)透平膨脹閉式循環(huán)(Brayton/Claude);級(jí)聯(lián)式閉式循環(huán)(Cascade);熱聲振蕩制冷循環(huán)(ThermalAcoustic);磁制冷循環(huán)等等。世界上已有29個(gè)國家開展了煤層氣研究、勘探和開發(fā)活動(dòng)，從事煤層氣開發(fā)的各國公司約有20多個(gè)。美國從80年代以來，進(jìn)行了大規(guī)模的科研和試驗(yàn)，取得了總體勘探開發(fā)技術(shù)的突破。1984年，美國國會(huì)通過了煤層氣享受稅款補(bǔ)貼政策。在這項(xiàng)政策和大量科技成果的積極推動(dòng)下，美國煤層氣產(chǎn)量從1983年的6.7億立方米猛增到1997年的300億立方米，增長了40余倍，約是我國同年天然氣產(chǎn)量的1.5倍。美國快速發(fā)展煤層氣產(chǎn)業(yè)的經(jīng)驗(yàn)已引起世界各產(chǎn)煤國家的廣泛關(guān)注，英、德、澳、波蘭、印度等國都已經(jīng)制定了相應(yīng)的鼓勵(lì)政策，積極推動(dòng)本國煤層氣的發(fā)展。2000年以來，隨著低溫深冷技術(shù)的成熟和發(fā)展，美國等西方發(fā)達(dá)國家針對(duì)煤層氣的特點(diǎn)也相繼研發(fā)了小型液化系統(tǒng)，綜合開發(fā)和利用煤礦瓦斯。美國近兩年已經(jīng)研制成功液化氣量在1000－10000加侖/天的天然氣液化系統(tǒng)，并大力推廣這項(xiàng)新技術(shù)。近來，個(gè)別美國和日本公司已經(jīng)開始針對(duì)中國瓦斯礦難問題，極力向中國推銷小型天然氣液化設(shè)備。4.2哈工大天然氣液化工業(yè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由哈工大低溫與超導(dǎo)技術(shù)研究所(國家“985規(guī)劃”建設(shè)中的國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)設(shè)計(jì)和制造；日產(chǎn)20立方米和5立方米液化天然氣的全尺寸工業(yè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，投資1000萬元；2005年初已完成工業(yè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工程設(shè)計(jì)，目前正在建設(shè)中，預(yù)計(jì)2006年8月底將完成煤層氣液化技術(shù)實(shí)驗(yàn)中心的建設(shè)。該系統(tǒng)包括天然氣凈化、液化、貯存三個(gè)部分，全部采用可移動(dòng)的撬裝式模塊化結(jié)構(gòu)，可在不同氣源地重復(fù)安裝使用；該系統(tǒng)移植了現(xiàn)代大科學(xué)工程中使用的遠(yuǎn)程全自動(dòng)監(jiān)控與測(cè)試技術(shù)；液化流程和工藝過程經(jīng)大型計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，可針對(duì)具體氣源條件進(jìn)行快速優(yōu)化設(shè)計(jì)。4.3煤層氣液化工業(yè)的政策法規(guī)研究世界LNG工業(yè)史和近年國外小型LNG工業(yè)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)說明，LNG工業(yè)的發(fā)展不能只靠科學(xué)技術(shù)的開發(fā)，LNG工業(yè)涉及國有資產(chǎn)、能源、環(huán)保、安全等問題，有其自身特殊的社會(huì)經(jīng)濟(jì)學(xué)特征。經(jīng)濟(jì)政策與科學(xué)技術(shù)的強(qiáng)耦合關(guān)系要求政府和社會(huì)的合作與支持。涉及的有關(guān)課題包括：(1)研究煤層氣液化技術(shù)的工業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)課題；(2)研究國家和地方的氣源價(jià)格政策和氣源租賃合同政策；(3)研究煤層氣工業(yè)的環(huán)保優(yōu)惠政策和高科技企業(yè)退稅政策；(4)研究煤層氣工業(yè)鏈的結(jié)構(gòu)和探索上中下游的合作模式；(5)研究煤層氣工業(yè)投資與貸款政策；(6)移植國外LNG相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)中國LNG工業(yè)法規(guī)的立法。國際經(jīng)驗(yàn)表明，由于煤層氣項(xiàng)目前期投入較大，煤層氣產(chǎn)業(yè)在起步階段需要政府的支持和扶持。中國煤層氣產(chǎn)業(yè)目前尚處于初級(jí)發(fā)展階段，應(yīng)該在融資、稅收、價(jià)格、科研投入、資金引進(jìn)等方面建立適當(dāng)?shù)膬?yōu)惠政策，吸引商業(yè)資金和民間資金進(jìn)入煤層氣工業(yè)領(lǐng)域。由于煤層氣產(chǎn)業(yè)的公共社會(huì)性質(zhì)，如保障能源供給，減少環(huán)境污染和降低采煤死亡率等等，政府應(yīng)投入部分資金補(bǔ)貼或參股，以減少民間投資的風(fēng)險(xiǎn)。國際經(jīng)驗(yàn)還表明。沒有良好的法制環(huán)境，煤層氣產(chǎn)業(yè)很難得到長期快速穩(wěn)定的發(fā)展。鑒于目前普遍存在對(duì)煤層氣開發(fā)利用價(jià)值認(rèn)識(shí)不足的情況，中國應(yīng)考慮從法律角度硬性規(guī)定，具有一定規(guī)模的煤礦必須合理開發(fā)利用煤層氣，同時(shí)還要修改環(huán)保法規(guī)，強(qiáng)化對(duì)煤層氣排放的限制。根據(jù)“京都議定書”的“清潔發(fā)展機(jī)制(CDM)”框架，溫室氣體減排額可以進(jìn)行買賣。中國應(yīng)充分利用這一機(jī)制，向?qū)ｉT的國際基金出售溫室氣體減排量。這不僅解決煤礦安全問題，還可以降低投資成本。煤層氣液化技術(shù)賈林祥

1.中國煤層氣資源與環(huán)保能源發(fā)展策略

1.1煤層氣及其主要特性

煤層氣，俗稱煤礦瓦斯，即天然氣。它是與煤伴生、共生的氣體資源，其主要成分為甲烷，甲烷含量一般為90%-99%。每噸褐煤能生成38-50立方米煤層氣，無煙煤可生成346-422立方米煤層氣。按熱值計(jì)算,甲烷的熱值為33.5-33.7kJ(8000-9000kcal/m3)，比1公斤標(biāo)準(zhǔn)煤的發(fā)熱量還要高。1000Nm3甲烷相當(dāng)于1噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

1.2世界煤層氣資源和開發(fā)利用

世界煤層氣儲(chǔ)量約占世界天然氣總儲(chǔ)量的30%以上，世界上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的26個(gè)最大的天然氣田(>2830億立方米)中，就有16個(gè)是煤層氣田，其煤層氣儲(chǔ)量占天然氣總儲(chǔ)量的77%，位居世界前五位的特大氣田均為煤層氣田。

美國從80年代以來，為了發(fā)展煤層氣產(chǎn)業(yè)，先后投入60多億美元，進(jìn)行了大規(guī)模的科研和試驗(yàn)，取得了總體勘探開發(fā)技術(shù)的突破。1984年，美國國會(huì)通過了煤層氣享受稅款補(bǔ)貼政策。在這項(xiàng)政策和大量科技成果的積極推動(dòng)下，美國煤層氣井由1986年的200口井，到1992年發(fā)展到6000口井。

美國快速發(fā)展煤層氣產(chǎn)業(yè)的經(jīng)驗(yàn)已引起世界各產(chǎn)煤國家的廣泛關(guān)注，英、德、澳、波蘭、印度等國都已經(jīng)制定了相應(yīng)的鼓勵(lì)政策，積極推動(dòng)本國煤層氣的發(fā)展。1.3天然氣在世界能源結(jié)構(gòu)中的重要性

煤，石油和天然氣是當(dāng)今世界一次能源的三大支柱,天然氣在日本等某些能源消費(fèi)大國已經(jīng)成為第二大能源。19世紀(jì)前期，人類以煤炭代替柴薪為主要能源，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)革命，帶來了世界資本主義的發(fā)展，是第一次能源革命。20世紀(jì)中期，開始以石油代替煤炭為主要能源，帶來了世界經(jīng)濟(jì)的繁榮，是第二次能源革命。進(jìn)入21世紀(jì)，全世界將出現(xiàn)以天然氣代替石油為主要能源的又一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)大變革，預(yù)計(jì)2010年，天然氣在世界能源結(jié)構(gòu)中將占35-40%，成為第一大能源，將是第三次能源革命，21世紀(jì)是清潔能源的時(shí)代。

目前世界天然氣占能源比重的25%,自1990年以來每年以23%的速率增長。能源結(jié)構(gòu)的變化反映社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，落后的能源結(jié)構(gòu)必然不利于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

以煤炭為主要能源是基于我國能源發(fā)展的歷史，單一的煤炭能源不僅造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，而且會(huì)制約我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展。開發(fā)利用煤層氣資源，不僅可以彌補(bǔ)煤炭供應(yīng)缺口，而且可以改善能源質(zhì)量。開發(fā)天然氣資源，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為我國能源安全戰(zhàn)略的重要組成部分。中國的經(jīng)濟(jì)起飛發(fā)生在人類第三次能源革命時(shí)期，中國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展必將以清潔能源的大規(guī)模使用為特征。西方工業(yè)革命是以犧牲地球自然環(huán)境為代價(jià)的，21世紀(jì)的中國擔(dān)負(fù)著發(fā)展綠色環(huán)保能源工業(yè)的歷史使命。

世界能源經(jīng)濟(jì)正在由石油能源經(jīng)濟(jì)向天然氣能源經(jīng)濟(jì)過渡。世界石油能源經(jīng)濟(jì)的巔峰期已經(jīng)結(jié)束，英國石油、殼牌石油、?？松梨谑凸菊诏偪駬屬廘NG生產(chǎn)權(quán)，廣東LNG接收站啟動(dòng)了本世紀(jì)最大的能源市場(chǎng)－中國天然氣市場(chǎng)的國際競爭。

1.4中國天然氣能源經(jīng)濟(jì)形勢(shì)。

(1)中國國家能源安全戰(zhàn)略——世界第二大能源消費(fèi)國，處于工業(yè)化中期，目前石油進(jìn)口依存度已經(jīng)超過40%，中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的能源基礎(chǔ)不在國內(nèi)，迫使中國趟進(jìn)了動(dòng)蕩的世界石油地緣政治的渾水。

(2)中國的大氣環(huán)保義務(wù)——煤炭能源經(jīng)濟(jì)的環(huán)保成本太高，世界十大煙霧污染城市中國占7個(gè)，北京08年奧運(yùn)會(huì)的環(huán)保壓力。

(3)煤礦安全生產(chǎn)與社會(huì)安全——2005年阜新煤礦214人、山西細(xì)水69人、新疆神龍83人、廣東大興123人、七臺(tái)河171人、唐山106人，全國連續(xù)發(fā)生重大、特別重大煤礦瓦斯爆炸事故。

(4)大慶要靠天然氣實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展——大慶油田注水采油，5000萬噸原油缺口，慶深氣田與俄羅斯天然氣管道協(xié)議。

(5)西氣東輸、陜氣進(jìn)京——管道氣供氣不足、北京天然氣荒、新疆200輛液化天然氣槽車4500公里運(yùn)往沈陽。

(6)東南沿海進(jìn)口液化天然氣接收站——廣東、福建在建，已報(bào)國務(wù)院有12個(gè)。

1.5中國的煤層氣資源

中國是煤炭資源大國,煤層氣儲(chǔ)量豐富，居世界第三位,埋深2000米以內(nèi)的煤層氣資源量達(dá)31.46萬億立方米，其中，埋深1500米以內(nèi)的約占總資源量的60%。主要分布在山西地區(qū)(以陽泉為中心)、陜西、東北地區(qū)(以撫順為中心)、新疆、內(nèi)蒙古、河南、云南和重慶、貴州地區(qū)。

儲(chǔ)量在1000億m3以上的礦區(qū)：陽泉、離柳、晉城、淮南、淮北、韓城、盤江等。

儲(chǔ)量在1百至數(shù)百億立方米的礦區(qū)：平頂山、彬長、開灤、雞西、焦作、鶴壁、安陽、鶴崗、筠連、登封、黃陵、芙蓉、天府、鐵法、雙鴨山、松藻、阜新、南桐和撫順。

1.6中國的煤層氣利用前景

我國豐富的煤層氣資源可作為后備戰(zhàn)略資源。國家已將煤層氣開發(fā)利用列入“十一五”規(guī)劃的能源發(fā)展計(jì)劃之中，并將在為煤層氣勘探開發(fā)利用提供財(cái)政支持和鼓勵(lì)政策。去年11月在美國召開的“煤層氣推向市場(chǎng)戰(zhàn)略合作伙伴計(jì)劃”已經(jīng)正式啟動(dòng)，中國是13個(gè)成員國之一?！爸袊簩託庾呦蚴袌?chǎng)將逐漸掀起一輪新的能源熱潮?！?/p>

未來15年中國天然氣需求的年增長率將達(dá)到12%，兩倍于國民生產(chǎn)總值的增速。到2020年，中國天然氣供應(yīng)中的51%將來自國內(nèi)氣田的開采，39%將來自液化天然氣進(jìn)口，屆時(shí)中國沿海將建成12個(gè)進(jìn)口液化天然氣接收站，另外的10%可能來自俄羅斯和中亞國家的管道天然氣進(jìn)口。2005年我國通過海運(yùn)進(jìn)口的液化天然氣已達(dá)到320萬噸，2010年將達(dá)到1900萬噸，2015年將達(dá)到3300萬噸。

1.7煤層氣的利用途徑

煤層氣的利用可分為兩類，即能源和原料。

能源——煤層氣發(fā)電，每億度電排放SO2是煤電廠的千分之一；煤電廠熱效率最高40%，天然氣電廠可達(dá)56%；煤層氣工業(yè)燃料，鍋爐燃料、金屬冶煉、陶瓷玻璃工業(yè)；城市居民燃?xì)?，煤制氣熱值?14.6kJ/m3)，天然氣熱值高(35.6kJ/m3)，天然氣是21世紀(jì)中國城市民用燃?xì)馐走x燃料；汽車燃料，改善汽車尾氣對(duì)大氣的污染。

原料——煤層氣制合成氨，世界合成氨的73.7%來自天然氣原料;甲醇80%由天然氣生產(chǎn)；煤層氣制乙炔，由天然氣部分氧化法生產(chǎn)乙炔，由乙炔生產(chǎn)PVC制品。

2.煤層氣開發(fā)利用與綠色環(huán)保型安全礦山的可持續(xù)發(fā)展策略

2.1煤層氣向大氣排放是造成地球自然環(huán)境惡化的主要原因

煤層氣中的主要成分甲烷是一種很強(qiáng)的溫室效應(yīng)氣體，甲烷的溫室效應(yīng)是CO2的20多倍。對(duì)臭氧層的破壞能力是CO2的7倍。排放到大氣的煤層氣中還混雜有甲烷的同系物、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等放射性物質(zhì)。不僅污染大氣，對(duì)人體健康也有害。

根據(jù)聯(lián)合國的調(diào)查報(bào)告，中國煤礦在開采過程中每年向大氣排放的甲烷量達(dá)194億m3，約占世界采煤排放甲烷總量的三分之一，引起國際社會(huì)的嚴(yán)重關(guān)注。若用1億m3煤層氣代替煤作燃料，不僅可以大大減少大氣中甲烷的含量，而且可以節(jié)省30萬噸煤，少排放0.36萬噸CO2和0.5萬噸煤煙塵。

2.2煤層氣的開采利用關(guān)系到礦工生命安全和社會(huì)穩(wěn)定

煤層氣是礦井發(fā)生瓦斯爆炸和瓦斯突出災(zāi)害事故的有害根源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國煤礦瓦斯爆炸事故約占世界瓦斯爆炸事故的40%。歷年來因瓦斯事故而死亡的人數(shù)，約占煤炭行業(yè)工傷事故死亡人數(shù)的30%-40%。

通過開采煤層氣(先采氣后采煤)不僅可以從根本上防止瓦斯事故、保障煤礦安全，而且可以使煤炭建井費(fèi)用至少降低1/4，極大地提高煤礦經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，開采并利用煤層氣，可以有效地緩解某些由于煤炭經(jīng)濟(jì)衰退而帶來的城市發(fā)展難題。

3.煤層氣液化技術(shù)是煤層氣開發(fā)利用的關(guān)鍵技術(shù)

3.1限制煤層氣開發(fā)利用的根本原因

煤層氣氣井的分布具有偏散小的特點(diǎn)：

偏——?dú)庠催h(yuǎn)離大型工業(yè)區(qū),遠(yuǎn)離大城市居民區(qū)；

散——?dú)饩竺娣e分布、不集中、氣源形不成規(guī)模；

小——單井產(chǎn)量不夠大，儲(chǔ)量有限，可開采期短。

近煤層氣田大規(guī)模應(yīng)用的條件：

化工廠落地生根,投資大,要求規(guī)?；?需要長期穩(wěn)定的大產(chǎn)量氣源；

大型發(fā)電廠同樣需要長期穩(wěn)定的大產(chǎn)量氣源；

小型發(fā)電廠不能上網(wǎng),同樣無法實(shí)現(xiàn)能源遠(yuǎn)距離輸送。

煤層氣遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)霓k法：

遠(yuǎn)距離鋪設(shè)天然氣管道——“西氣東輸”，巨額投資；

常溫高壓氣瓶車載運(yùn)輸——“鋼鐵運(yùn)輸”，成本太高；

低溫常壓液化槽車運(yùn)輸——“無邊無界”，低成本,新疆到廣東。

3.2煤層氣液化的優(yōu)點(diǎn)

(1)天然氣液化后便于進(jìn)行經(jīng)濟(jì)可靠的運(yùn)輸。用專門的LNG槽車、輪船、把邊遠(yuǎn)、沙漠、海上分散的天然氣，經(jīng)液化后進(jìn)行長距離運(yùn)輸?shù)戒N售地，它比管道輸氣可節(jié)省大量投資，而且方便可靠，風(fēng)險(xiǎn)小，適應(yīng)性強(qiáng)。

(2)儲(chǔ)存效率高、占地少、投資省。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，建成1MPa的6座l000m3的天然氣球罐的投資，要比建成1座儲(chǔ)氣量相當(dāng)?shù)?.5MPa的100m3LNG儲(chǔ)罐的投資高出80倍之多。

(3)有利于城市負(fù)荷的平衡調(diào)節(jié)。一些城市燃?xì)饣院?，由于民用氣量冬用多、夏用少，或者因用氣的化工廠檢修或者天然氣廠本身進(jìn)行技術(shù)改造，甚至是輸氣管網(wǎng)出故障等，都會(huì)造成定期或不定期的供氣的不平衡，而建設(shè)LNG儲(chǔ)罐就能起到削峰填谷的作用。目前，在美國、日本、歐洲已建成投產(chǎn)100多座LNG調(diào)峰裝置，它比地面高壓儲(chǔ)氣罐和地下儲(chǔ)氣庫建設(shè)節(jié)省土地、資金、工期，而且方便、靈活，不受地質(zhì)條件限制。

(4)生產(chǎn)過程中釋放出的冷量可回收利用。例如可將LNG汽化時(shí)產(chǎn)生的冷量，用作冷藏、冷凍、低溫粉碎等。因此，有的調(diào)峰裝置就和冷凍廠進(jìn)行聯(lián)合建設(shè)。按目前LNG生產(chǎn)的工藝技術(shù)水平，可將天然氣液化生產(chǎn)所耗能量的50%加以回收利用。

(5)低溫液化還可分離出部分有用的副產(chǎn)品。在生產(chǎn)過程的不同階段，可分離出C2、C3、C4、C5+烴類，以及H2S、H2等化工原料及燃料。LNG也可同提氦(He)進(jìn)行聯(lián)產(chǎn)。因?yàn)镠e的液化溫度是-269℃，所以當(dāng)溫度降到-l62℃時(shí)，LNG就先分離出來了?，F(xiàn)在四川威遠(yuǎn)化工廠是一座日處理l萬m3天然氣的提He廠，同時(shí)可日產(chǎn)LNG產(chǎn)品3噸左右。

(6)LNG可作為優(yōu)質(zhì)的車用燃料。與汽車燒汽油相比，它具有辛烷值高、抗爆性好、燃燒完全、排氣污染少、發(fā)動(dòng)機(jī)壽命長、降低運(yùn)輸成本等優(yōu)點(diǎn)；即使與壓縮天然氣(CNG)汽車相比，它也具有儲(chǔ)存效率高、加一次氣續(xù)行程遠(yuǎn)，車裝鋼瓶壓力小、重量輕、數(shù)量??；建站不受供氣管網(wǎng)的限制等優(yōu)越之處。

(7)生產(chǎn)使用比較安全。LNG的燃點(diǎn)650℃，比汽油高230多度；LNG爆炸極限4.7%～15%，汽油為1%～5%，高出2.5～4.7倍；LNG密度為0.47左右，汽油為O.7左右；它與空氣相比更輕，所以稍有泄漏立即飛散，不致引起自然爆炸。正由于LNG具有低溫、輕質(zhì)、易蒸發(fā)的特性，可防止被人竊取或變賣造成損失。

(8)有利于環(huán)境保護(hù)，減少城市污染。目前我國城市污染源主要來自大量燒煤和車輛排放的尾氣所造成的。若汽車改燒LNG，其有害物大為減少。它與汽油車相比，據(jù)美國的測(cè)試資料，CH由0.54降為O.26；CO由8.35降為0.03；NOx由1.92降為1.23；S0x由0.71降為0；Pb由0.08降為0。據(jù)國內(nèi)測(cè)試資料，LNG汽車與汽油車相比：CH減少72%；NOx減少39%；CO減少24%；SO2減少90%。

3.3煤層氣液化解決煤層氣遠(yuǎn)距離運(yùn)輸問題

煤層氣液化運(yùn)輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)：低溫液化后的煤層氣體積縮小625倍，一臺(tái)35立方米的標(biāo)準(zhǔn)液化氣槽車可運(yùn)輸21000標(biāo)方煤層氣，相當(dāng)于8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣井的全部日產(chǎn)量。液化槽車是“高速公路上的天然氣管道”，“通公路的地方就通液化天然氣”，“液化技術(shù)為煤層氣裝上了輪子”。

煤層氣液化儲(chǔ)存的優(yōu)點(diǎn)：大型LNG儲(chǔ)罐可達(dá)7,000～200,000立方米液化天然氣，小型LNG儲(chǔ)罐可存5～50立方米液化天然氣，液化天然氣經(jīng)簡單的氣化裝置就可重新變成氣態(tài)使用，液化儲(chǔ)存的天然氣可以用于城市管網(wǎng)和解決天然氣電廠的調(diào)峰難題。煤層氣液化克服了長途鋪設(shè)管線耗資大,覆蓋地區(qū)有限,且不具備儲(chǔ)存和調(diào)峰能力的缺點(diǎn)。3.2液化天然氣是安全的燃料

液化天然氣(LNG)的可燃極限、點(diǎn)火溫度、蒸汽密度和易爆性等有關(guān)安全的指標(biāo)都好于汽油和液化石油氣(LPG)。天然氣的可燃性使天然氣工業(yè)同其他燃料工業(yè)一樣具有安全生產(chǎn)和使用問題，但是LNG工業(yè)幾乎是經(jīng)歷了無事故發(fā)展的30年。自1970年以來，全世界只發(fā)生過16起與LNG有關(guān)的事故。自1980年以來，全世界只有兩人的死亡與LNG有關(guān)。一般說來，LNG是目前可用的最安全的工業(yè)和民用燃料

4.國內(nèi)外煤層氣液化技術(shù)的現(xiàn)狀

4.1工藝流程

目前世界上通常采用的小型LNG系統(tǒng)工藝循環(huán)：帶丙烷預(yù)冷的混合工質(zhì)閉式循環(huán)(C3/MRC);單工質(zhì)透平膨脹閉式循環(huán)(N2/Turbine);Joule-Thomson膨脹開式循環(huán)(Letdown);透平膨脹開式循環(huán)(Letdown);混合工質(zhì)透平膨脹閉式循環(huán)(Brayton/Claude);級(jí)聯(lián)式閉式循環(huán)(Cascade);熱聲振蕩制冷循環(huán)(ThermalAcoustic);磁制冷循環(huán)等等。

世界上已有29個(gè)國家開展了煤層氣研究、勘探和開發(fā)活動(dòng)，從事煤層氣開發(fā)的各國公司約有20多個(gè)。美國從80年代以來，進(jìn)行了大規(guī)模的科研和試驗(yàn)，取得了總體勘探開發(fā)技術(shù)的突破。1984年，美國國會(huì)通過了煤層氣享受稅款補(bǔ)貼政策。在這項(xiàng)政策和大量科技成果的積極推動(dòng)下，美國煤層氣產(chǎn)量從1983年的6.7億立方米猛增到1997年的300億立方米，增長了40余倍，約是我國同年天然氣產(chǎn)量的1.5倍。美國快速發(fā)展煤層氣產(chǎn)業(yè)的經(jīng)驗(yàn)已引起世界各產(chǎn)煤國家的廣泛關(guān)注，英、德、澳、波蘭、印度等國都已經(jīng)制定了相應(yīng)的鼓勵(lì)政策，積極推動(dòng)本國煤層氣的發(fā)展。

2000年以來，隨著低溫深冷技術(shù)的成熟和發(fā)展，美國等西方發(fā)達(dá)國家針對(duì)煤層氣的特點(diǎn)也相繼研發(fā)了小型液化系統(tǒng)，綜合開發(fā)和利用煤礦瓦斯。美國近兩年已經(jīng)研制成功液化氣量在1000－10000加侖/天的天然氣液化系統(tǒng)，并大力推廣這項(xiàng)新技術(shù)。近來，個(gè)別美國和日本公司已經(jīng)開始針對(duì)中國瓦斯礦難問題，極力向中國推銷小型天然氣液化設(shè)備。

4.2哈工大天然氣液化工業(yè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由哈工大低溫與超導(dǎo)技術(shù)研究所(國家“985規(guī)劃”建設(shè)中的國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)設(shè)計(jì)和制造；日產(chǎn)20立方米和5立方米液化天然氣的全尺寸工業(yè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，投資1000萬元；2005年初已完成工業(yè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工程設(shè)計(jì)，目前正在建設(shè)中，預(yù)計(jì)2006年8月底將完成煤層氣液化技術(shù)實(shí)驗(yàn)中心的建設(shè)。

該系統(tǒng)包括天然氣凈化、液化、貯存三個(gè)部分，全部采用可移動(dòng)的撬裝式模塊化結(jié)構(gòu)，可在不同氣源地重復(fù)安裝使用；該系統(tǒng)移植了現(xiàn)代大科學(xué)工程中使用的遠(yuǎn)程全自動(dòng)監(jiān)控與測(cè)試技術(shù)；液化流程和工藝過程經(jīng)大型計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，可針對(duì)具體氣源條件進(jìn)行快速優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.3煤層氣液化工業(yè)的政策法規(guī)研究

世界LNG工業(yè)史和近年國外小型LNG工業(yè)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)說明，LNG工業(yè)的發(fā)展不能只靠科學(xué)技術(shù)的開發(fā)，LNG工業(yè)涉及國有資產(chǎn)、能源、環(huán)保、安全等問題，有其自身特殊的社會(huì)經(jīng)濟(jì)學(xué)特征。經(jīng)濟(jì)政策與科學(xué)技術(shù)的強(qiáng)耦合關(guān)系要求政府和社會(huì)的合作與支持。涉及的有關(guān)課題包括：

(1)研究煤層氣液化技術(shù)的工業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)課題；

(2)研究國家和地方的氣源價(jià)格政策和氣源租賃合同政策；

(3)研究煤層氣工業(yè)的環(huán)保優(yōu)惠政策和高科技企業(yè)退稅政策；

(4)研究煤層氣工業(yè)鏈的結(jié)構(gòu)和探索上中下游的合作模式；

(5)研究煤層氣工業(yè)投資與貸款政策；

(6)移植國外LNG相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)中國LNG工業(yè)法規(guī)的立法。

國際經(jīng)驗(yàn)表明，由于煤層氣項(xiàng)目前期投入較大，煤層氣產(chǎn)業(yè)在起步階段需要政府的支持和扶持。中國煤層氣產(chǎn)業(yè)目前尚處于初級(jí)發(fā)展階段，應(yīng)該在融資、稅收、價(jià)格、科研投入、資金引進(jìn)等方面建立適當(dāng)?shù)膬?yōu)惠政策，吸引商業(yè)資金和民間資金進(jìn)入煤層氣工業(yè)領(lǐng)域。由于煤層氣產(chǎn)業(yè)的公共社會(huì)性質(zhì)，如保障能源供給，減少環(huán)境污染和降低采煤死亡率等等，政府應(yīng)投入部分資金補(bǔ)貼或參股，以減少民間投資的風(fēng)險(xiǎn)。

國際經(jīng)驗(yàn)還表明。沒有良好的法制環(huán)境，煤層氣產(chǎn)業(yè)很難得到長期快速穩(wěn)定的發(fā)展。鑒于目前普遍存在對(duì)煤層氣開發(fā)利用價(jià)值認(rèn)識(shí)不足的情況，中國應(yīng)考慮從法律角度硬性規(guī)定，具有一定規(guī)模的煤礦必須合理開發(fā)利用煤層氣，同時(shí)還要修改環(huán)保法規(guī)，強(qiáng)化對(duì)煤層氣排放的限制。根據(jù)“京都議定書”的“清潔發(fā)展機(jī)制(CDM)”框架，溫室氣體減排額可以進(jìn)行買賣。中國應(yīng)充分利用這一機(jī)制，向?qū)ｉT的國際基金出售溫室氣體減排量。這不僅解決煤礦安全問題，還可以降低投資成本。煤層氣氮膨脹制冷液化工藝參數(shù)優(yōu)化計(jì)算摘要：論述了煤層氣氮膨脹制冷液化工藝的工藝參數(shù)的計(jì)算方法，分析了煤層氣液化流程中影響壓縮機(jī)功率的因素。關(guān)鍵詞：液化天然氣；液化煤層氣；氮膨脹制冷；功耗；工藝計(jì)算OptimalCalculationofCoalBedMethaneLiquefactionProcessParametersinNitrogenExpanderRefrigerationWANGWen-jun，DUJian-mei，JIANGJian-zhi，CHANGYu-chunAbstract：Thecalculationmethodofcoalbedmethaneliquefactionprocessparametersinnitrogenexpanderrefrigerationisdescribed-Thefactorsinfluencingcompressorpowerinliquefactionprocessofcoalbedmethaneareanalyzed.Keywords：liquefiednaturalgas；liquefiedcoalbedmethane；nitrogenexpanderrefrigeration；powerconsumption；processcalculation煤層氣俗稱瓦斯，是儲(chǔ)存在煤層中的一種煤層氣，是清潔高效的能源，其主要成分是甲烷。煤層氣的存在對(duì)我國的煤礦開采一直是重大的安全隱患，“先抽后采”是煤礦安全運(yùn)行的保證。此外，未經(jīng)處理或回收的煤層氣直接排放到大氣中會(huì)造成溫室效應(yīng)，破壞臭氧層?，F(xiàn)在利用深冷技術(shù)，把煤層氣冷卻至-162℃而形成液化煤層氣(LCBM)，便于儲(chǔ)存和遠(yuǎn)距離運(yùn)輸。1氮膨脹制冷液化工藝

氮膨脹液化工藝近年來在我國應(yīng)用較多。特別是對(duì)小規(guī)模液化廠，它具有流程簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、造價(jià)略低、運(yùn)行靈活、技術(shù)成熟、易于操作和控制等特點(diǎn)。制冷劑采用單組分的氮?dú)?，安全性好，放空不?huì)引起火災(zāi)或爆炸危險(xiǎn)[1、2]。其缺點(diǎn)是功耗較高，比采用混合制冷劑液化流程高40%左右[3]。氮膨脹制冷液化工藝流程見圖1。

(1)煤層氣流程

煤層氣原料氣經(jīng)壓縮、脫硫、脫碳、干燥、脫汞后進(jìn)入本工段。先進(jìn)入冷箱，冷箱主要由1～4號(hào)換熱器組成，經(jīng)過1號(hào)換熱器預(yù)冷后，分離出的重?zé)N由點(diǎn)25排出到重?zé)N儲(chǔ)罐，分離后的氣相經(jīng)2、3、4號(hào)換熱器分別液化、深冷，經(jīng)點(diǎn)6節(jié)流降壓到點(diǎn)24。點(diǎn)24即為成品液化煤層氣，由管道余壓輸送到儲(chǔ)罐，在常壓或壓力下儲(chǔ)存。

(2)制冷劑氮?dú)饬鞒?/p>

氮?dú)饨?jīng)壓縮機(jī)壓縮、水冷后，依次進(jìn)入低壓增壓機(jī)、中壓增壓機(jī)增壓、冷卻器冷卻，然后由點(diǎn)7進(jìn)入冷箱。經(jīng)1號(hào)換熱器初步預(yù)冷后進(jìn)入中壓膨脹機(jī)，膨脹后溫度、壓力均降低，同時(shí)輸出膨脹功帶動(dòng)中壓增壓機(jī)。膨脹后的氮?dú)庥牲c(diǎn)9進(jìn)入3號(hào)換熱器繼續(xù)冷卻，由點(diǎn)10進(jìn)入低壓膨脹機(jī)，膨脹后溫度、壓力進(jìn)一步降低，同時(shí)輸出膨脹功帶動(dòng)低壓增壓機(jī)。經(jīng)低壓膨脹機(jī)膨脹后的制冷劑由換熱器的最冷端點(diǎn)11逐級(jí)進(jìn)入各換熱器，為煤層氣和制冷劑提供冷量。

2典型氮膨脹制冷液化工藝計(jì)算2.1工藝計(jì)算目的

工藝計(jì)算的目的是確定流程中各點(diǎn)的溫度、壓力、制冷劑流量，計(jì)算壓縮機(jī)功率。2.2計(jì)算前需確定的已知條件

(1)冷箱入口煤層氣溫度、壓力、流量及組成。

本次計(jì)算以山西晉城某地區(qū)煤層氣為條件，氣體摩爾分?jǐn)?shù)為：甲烷0.971，氮?dú)?.024，氧氣0.005；煤層氣日處理量為25×104m3/d，平均小時(shí)流量為10417m3/h，煤層氣來氣壓力為0.5MPa(本文壓力均指絕對(duì)壓力)，溫度為34℃。

(2)LCBM儲(chǔ)罐的儲(chǔ)存溫度、壓力，由LCBM儲(chǔ)罐類型決定。

(3)換熱器端面冷、熱流體溫差，取3℃。

(4)機(jī)械設(shè)備的效率，由設(shè)備廠家提供。

(5)換熱器阻力，本次計(jì)算冷箱總阻力取0.1MPa，每個(gè)換熱器平均分配，由此引起的誤差對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響在誤差允許范圍內(nèi)。2.3工藝計(jì)算過程

(1)點(diǎn)1

通過迭代計(jì)算原料氣壓縮機(jī)功率和制冷劑壓縮機(jī)功率之和最小時(shí)，煤層氣壓縮機(jī)出口壓力減去吸收塔、脫水、脫汞裝置及管道的阻力，作為進(jìn)冷箱壓力。

(2)點(diǎn)7

點(diǎn)7是制冷劑進(jìn)冷箱壓力，一般為4.4～4.7MPa。經(jīng)過迭代計(jì)算尋找壓縮機(jī)功耗最小時(shí)對(duì)應(yīng)的p7。該點(diǎn)溫度T7=T1。

(3)點(diǎn)24

點(diǎn)24處于冷箱中LCBM節(jié)流后狀態(tài)。其壓力為儲(chǔ)罐的儲(chǔ)存壓力加輸送過程局部阻力、沿程阻力和液位高差靜壓，并考慮一定富余量。溫度按儲(chǔ)罐工作溫度計(jì)算(考慮從冷箱至儲(chǔ)罐因有壓降而引起的焦耳-湯姆遜效應(yīng)將導(dǎo)致一定的溫降，會(huì)抵消一部分因輸送管道受熱而引起的溫升，故計(jì)算時(shí)按溫度相等計(jì)算，由此所引起的誤差在允許范圍內(nèi))。

(4)點(diǎn)6

點(diǎn)6壓力為煤層氣冷箱入口壓力減去各換熱器阻力。根據(jù)節(jié)流前點(diǎn)6的焓h6和節(jié)流后點(diǎn)24的焓h24相等，由軟件計(jì)算點(diǎn)6溫度T6。

(5)點(diǎn)11

點(diǎn)11處于氮?dú)饨?jīng)低壓膨脹機(jī)膨脹后的狀態(tài)，p11取0.4MPa。點(diǎn)6與點(diǎn)11端面換熱溫差取3℃，是板翅式換熱器的最小換熱溫差。若溫差取得過大，換熱器火用損失大，壓縮機(jī)功耗高。工程設(shè)計(jì)時(shí)點(diǎn)10壓力取1.49MPa，根據(jù)點(diǎn)11參數(shù)及p10可由軟件計(jì)算出T10。

(6)點(diǎn)15

T15=T1-3

(1)

p15=p11-△p

(2)式中Ti——點(diǎn)i溫度，K

pi——點(diǎn)i絕對(duì)壓力，MPa

△p——制冷劑通過4個(gè)換熱器的總阻力，MPa，取0.1MPa

(7)點(diǎn)8和點(diǎn)2

p8=p7-△p1

(3)

T2=T8

(4)

p2=p1-△p1

(5)式中△p1——制冷劑或煤層氣通過1號(hào)換熱器的阻力，MPa，取0.025MPa

T8是影響制冷劑壓縮機(jī)功耗的主要因素之一，需迭代計(jì)算以尋找最小功耗對(duì)應(yīng)的T8，迭代溫度范圍為230～245K。

(8)點(diǎn)9和點(diǎn)4

p9=p10+△p3

(6)

T4=T9

(7)

p4=p1-△p1-△p2

(8)式中△p3——制冷劑或煤層氣通過3號(hào)換熱器的阻力，MPa，取0.025MPa

△p2——制冷劑或煤層氣通過2號(hào)換熱器的阻力，MPa，取0.025MPa

根據(jù)點(diǎn)8溫度瓦按等熵膨脹由軟件計(jì)算出咒。

(9)確定制冷劑的循環(huán)量g棚

列1、2、3、4號(hào)換熱器熱平衡方程。

1號(hào)換熱器熱平衡方程：

qm,1(h1-h2)+qm,7(h7-h8)=qm,7(h15-h14)

(9)

2號(hào)換熱器熱平衡方程：

qm,1(h3-h4)=qm,7(h14-h13)

(10)

3號(hào)換熱器熱平衡方程：

qm,1(h4-h5)+qm,7(h9-h10)=qm,7(h13-h12)

(11)

4號(hào)換熱器熱平衡方程：

qm,1(h5-h6)=qm,7(h12-h11)

(12)式中qm,i——點(diǎn)i煤層氣或制冷劑質(zhì)量流量，kg/h

hi——點(diǎn)i煤層氣或制冷劑的比焓，kJ/(kg·K)

由式(9)～(12)求出qm,7。

(10)求T14

由式(9)求得h14，作閃蒸計(jì)算由軟件求T14。

(11)求T13

由式(10)求得h13，作閃蒸計(jì)算由軟件求T13。

(12)求T12

由式(12)求得h12，作閃蒸計(jì)算由軟件求T12。

(13)確定低壓增壓機(jī)出口壓力p20

確定p20后，中壓增壓機(jī)入口壓力為：

p21=p20-△pc

(13)式中△pc——單臺(tái)冷卻器阻力，MPa，取0.01MPa

確定中壓增壓機(jī)入口溫度、壓力及出口壓力后可計(jì)算出中壓增壓機(jī)所需功率Ps,2。試算不同的P20，使中壓膨脹機(jī)輸出功率Pe,2滿足中壓增壓機(jī)功率需要。

(14)確定壓縮機(jī)出口壓力p17

確定p17的方法同上，即低壓膨脹機(jī)輸出功率Pe,1能夠滿足低壓增壓機(jī)功率Ps,1。

(15)計(jì)算壓縮機(jī)功率Pc

由壓縮機(jī)進(jìn)口壓力、溫度及出口壓力可計(jì)算出壓縮機(jī)功率Pc。2.4結(jié)果的約束條件

各換熱器端面不能出現(xiàn)負(fù)溫差，且冷熱流體的設(shè)計(jì)溫差不小于3℃。

在氮膨脹制冷液化工藝中，煤層氣壓縮后壓力約5MPa的情況下，190K時(shí)已全部液化，由于煤層氣從開始液化到全部液化溫度區(qū)間比較小，但在此溫度區(qū)間內(nèi)由于要釋放出大量的潛熱，故此溫度區(qū)間冷負(fù)荷占換熱器總負(fù)荷的比例較大。在氮膨脹制冷液化系統(tǒng)中，煤層氣主要在2號(hào)換熱器完成液化。如果液化溫度區(qū)間在2號(hào)換熱器底部，則此時(shí)2號(hào)換熱器煤層氣需要的冷負(fù)荷全部集中在底部較低的溫度區(qū)間。由于制冷劑沒有相變，提供的冷負(fù)荷隨溫度分布比較均勻，