第十一章 煤層氣及CO2利用

1、第十一章第十一章 煤層氣及煤層氣及CO2CO2富集利用技術(shù)富集利用技術(shù) 第一節(jié) 煤層氣的生成與賦存 煤層氣的生成 地球化學(xué)特征 煤層氣的儲層特性 煤層氣的轉(zhuǎn)移 煤層氣氣藏的形成 煤層氣資源評價 第一節(jié) 煤層氣的生成與賦存 l 煤層氣是一種有機(jī)成因的天然氣,在長期成煤過程中，成煤 物質(zhì)由于生物作用和熱作用發(fā)生一系列的微生物降解和物理 化學(xué)變化而生成的CH4為主的煤系伴生氣體。 生物成因氣 生物氣成因類型劃分 生物氣的形成條件 1.物質(zhì)基礎(chǔ)：產(chǎn)氣的有機(jī)質(zhì) 2.有利于甲烷菌繁殖環(huán)境條件 a) 溫度與鹽度 微生物活動的最大深度和溫度目前尚沒有明確定論，鹽度是另一個控制 生物氣出現(xiàn)的重要環(huán)境條件，隨鹽度

2、增高微生物多樣性減少,mol/kg或更 高的氯離子濃度是許多微生物發(fā)育的極限濃度，產(chǎn)甲烷菌在氯離子濃度高 于4mol/kg地層水中不能存活。 b) 沉積速率 許多文獻(xiàn)認(rèn)為生物氣形成需要高沉積速率，事實上，沉積速率對生物氣 的產(chǎn)生和保存具多重影響 。 c) 有機(jī)碳含量和有機(jī)質(zhì)類型 熱成因氣 l熱成氣主要形成于成熟階段（0.5%R 1.9%）。 l煤的熱演化過程中，各階段都能形成CH4。CH4是煤化過程中最主要的烴類 產(chǎn)物。主要賦存在煤層和鄰近巖層中。 二、煤層氣的地球化學(xué)特征 l煤層氣的濕度隨煤級或埋藏深度的變化呈現(xiàn)出一定規(guī)律性 l煤層氣的地球化學(xué)特征受煤階影響。 三、煤層氣的儲層特性 煤層中孔

3、隙和裂縫為煤層氣的賦存提供了空間，也為其運(yùn)移提 供了通道。其中基質(zhì)孔隙是煤層氣存儲的主要場所。 l1.吸附 2.游離氣 3.溶解甲烷 四、煤層氣的運(yùn)移 解吸 擴(kuò)散 1.體積擴(kuò)散 2.克努森擴(kuò)散 3.表面擴(kuò)散 流動 須符合達(dá)西定律 五、煤層氣氣藏的形成 氣藏事一種自生自儲的非常規(guī)天然氣。 影響因素 1.煤層厚度 2.變質(zhì)程度 3.埋藏深度 4.地質(zhì)構(gòu)造 Kp V L 六、煤層氣資源評價 1.煤的含氣量 2.吸附時間 3.滲透率 滲透率公式 4.煤儲層壓力和煤層氣壓力 23 () QL K App 第二節(jié) 煤層氣的利用 l煤層氣作為民用和工業(yè)染料 l煤層氣作為化工原料 1.生產(chǎn)化工產(chǎn)品 2.生產(chǎn)炭

4、黑 3.煤層氣制氫 l煤層氣發(fā)電 l煤層氣作為發(fā)動機(jī)燃料 目前主要利用高濃度瓦斯和中濃度瓦斯。 1.CNG技術(shù) 2.中等濃度煤層氣代汽油技術(shù) 3.煤層氣液化技術(shù) 我國煤層氣開發(fā)起步晚，基礎(chǔ)理論和技術(shù)上都無法與常規(guī)天然氣相比。尤 其是我國煤層氣儲層與美國相比普遍存在低壓、低滲、低飽和的“三低”現(xiàn)象， 從理論和技術(shù)方面都存在若干關(guān)鍵性難題。目前我國技術(shù)人員雖然已基本掌握 關(guān)于煤層氣開發(fā)的常規(guī)技術(shù)。然而，由于我國地質(zhì)條件復(fù)雜，即使是美國煤層 氣開發(fā)商在我國從事煤層氣風(fēng)險勘探也少有突破。因此，我國的煤層氣研究在 關(guān)鍵技術(shù)的攻、已有成果的推廣應(yīng)用及成果轉(zhuǎn)化方面還有諸多工作要做。 第三節(jié) 二氧化碳的分離與

5、富集 一、溫室氣體和CO2 燃料燃燒就會向大氣中釋放二氧化碳（CO2），而 CO2的聚集會導(dǎo)致全球變暖和海水的酸化。碳的捕集和 儲存（CCS）技術(shù)可以在源頭捕集CO2并將其封儲在存儲 設(shè)備中，從而減少溫室效應(yīng)。 一九九年國家二氧化碳排放比例 人、動物、植物的人、動物、植物的 呼吸、煤等燃料的燃燒呼吸、煤等燃料的燃燒 綠色植物的光合作用綠色植物的光合作用 自然界中氧氣與二氧化碳的循自然界中氧氣與二氧化碳的循 環(huán)環(huán) 第三節(jié) 二氧化碳的分離與富集 一、溫室氣體和CO2 2009年全世界化石燃料燃 燒所產(chǎn)生的CO2大約為300億 噸。電力生產(chǎn)中所排放的CO2 所占比例最大。大約60%的排 放來自于大型

6、的固定排放源 （10萬噸CO2/年），使用天 然氣或煤作為燃料的火電廠 大約占其中的30%。全球大約 有2000座年排放量超過100萬 噸CO2的電站，它們是CO2捕 集的最重要的潛在目標(biāo)。 第三節(jié) 二氧化碳的分離與富集 一、溫室氣體和CO2 l 碳捕集 CO2是一種不穩(wěn)定的氣體，要從惰性氣體（主 要是氮氣）中捕集CO2是非常困難的，成本相當(dāng) 高，還需要額外的能量。由于傳統(tǒng)的火電站是 在大氣壓力下燃燒天然氣或煤炭，在清潔的惰 性氣體排放到大氣以前，CO2必須在非常困難的 條件下分離出來。這樣做的目的是得到濃縮的 易于傳輸?shù)母邏篊O2氣流。實現(xiàn)這一目的主要有 三種方法: 第三節(jié) 二氧化碳的分離與

7、富集 一、溫室氣體和CO2 l 碳捕集與封存 碳捕集與封存（Carbon Capture and Storage，簡稱CCS，也被譯作碳捕獲與埋存、 碳收集與儲存等）是指將大型發(fā)電廠所產(chǎn)生的 二氧化碳（CO2）收集起來，并用各種方法儲存 以避免其排放到大氣中的一種技術(shù)。這種技術(shù) 被認(rèn)為是未來大規(guī)模減少溫室氣體排放、減緩 全球變暖最經(jīng)濟(jì)、可行的方法。 第三節(jié) 二氧化碳的分離與富集 一、溫室氣體和CO2 l 二氧化碳捕集 二氧化碳的捕集方式主要有三種：燃燒前捕集（Pre- combustion）、富氧燃燒（Oxy-fuel combustion）和 燃燒后捕集（Post-combustion）。

8、第三節(jié) 二氧化碳的分離與富集 一、溫室氣體和CO2 l 二氧化碳燃燒前捕集 燃燒前捕集主要運(yùn)用于IGCC（整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)） 系統(tǒng)中，將煤高壓富氧氣化變成煤氣，再經(jīng)過水煤氣變 換后將產(chǎn)生CO2和氫氣（H2），氣體壓力和CO2濃度都很 高，將很容易對CO2進(jìn)行捕集。剩下的H2可以被當(dāng)作燃 料使用。 該技術(shù)的捕集系統(tǒng)小，能耗低，在效率以及對污染 物的控制方面有很大的潛力，因此受到廣泛關(guān)注。然而， IGCC發(fā)電技術(shù)仍面臨著投資成本太高，可靠性還有待提 高等問題。 第三節(jié) 二氧化碳的分離與富集 一、溫室氣體和CO2 l 二氧化碳富氧燃燒 富氧燃燒采用傳統(tǒng)燃煤電站的技術(shù)流程，但通 過制氧技術(shù)，將空氣中

9、大比例的氮氣（N2）脫 除，直接采用高濃度的氧氣（O2）與抽回的部 分煙氣（煙道氣）的混合氣體來替代空氣，這 樣得到的煙氣中有高濃度的CO2氣體，可以直接 進(jìn)行處理和封存。 目前歐洲已有在小型電廠進(jìn)行改造的富氧燃 燒項目。該技術(shù)路線面臨的最大難題是制氧技 術(shù)的投資和能耗太高，現(xiàn)在還沒找到一種廉價 低耗的能動技術(shù)。 第三節(jié) 二氧化碳的分離與富集 一、溫室氣體和CO2 l 二氧化碳燃燒后捕集 燃燒后捕集即在燃燒排放的煙氣中捕集CO2， 目前常用的CO2分離技術(shù)主要有化學(xué)吸收法（利 用酸堿性吸收）和物理吸收法（變溫或變壓吸 附），此外還有膜分離法技術(shù)，正處于發(fā)展階 段，但卻是公認(rèn)的在能耗和設(shè)備緊湊性

10、方面具 有非常大潛力的技術(shù)。 從理論上說，燃燒后捕集技術(shù)適用于任何一 種火力發(fā)電廠。然而，普通煙氣的壓力小體積 大，CO2濃度低，而且含有大量的N2，因此捕集 系統(tǒng)龐大，耗費(fèi)大量的能源。 第三節(jié) 二氧化碳的分離與富集 一、溫室氣體和CO2 l 運(yùn)輸 捕集到的CO2通常壓縮到超臨界狀態(tài)（壓力 74 bar）進(jìn)行運(yùn)輸。CO2可以通過管道或者裝 在儲罐中通過鐵路、公路和海上進(jìn)行運(yùn)輸。當(dāng) 大量CO2的輸送距離達(dá)到1000公里左右時，管道 是首選。 第三節(jié) 二氧化碳的分離與富集 一、溫室氣體和CO2 l CO2的壓縮 再生塔中的CO2通常壓力較低，必須壓縮到至少80 bar的臨界壓力。在80-250 b

11、ar的壓力下，CO2的密度變 化大體上與溫度的變化呈線性關(guān)系。CO2密度越大，管 道的直徑越小，機(jī)械設(shè)備（泵或壓縮機(jī)）也越小，因此 在相同的流速下，成本可能越低。 將CO2冷卻至27之下達(dá)到密相所需的成本可能很高。 在寒冷氣候下，就最后的壓縮階段而言，泵的效率高于 壓縮機(jī)。在冷卻到10-15時，利用冷的海水可以大大 節(jié)省成本。蘇爾壽的多級泵可用于兩相壓縮，吸入壓力 在臨界壓力之下。 CO2工業(yè)吸收有以下幾種： 1.Fluor法 2.Purisol法 3.Rectisol法4.Selexol法 圖為Selexol法工藝流程圖 二、CO2的分離與富集 l 吸收法 1.物理吸收法 2.化學(xué)吸收法 2

12、.化學(xué)吸收法 傳統(tǒng)的回收煙氣中CO2 主要采用以一乙醇胺為主溶劑的MEA法。 MEA法已經(jīng)過了廣泛的研究,并成功地 應(yīng)用于化工廠的CO2 回收。但是, MEA 技術(shù)具有成本較高、吸收慢、吸 收容量小、吸收劑用量大、設(shè)備腐蝕 率高、胺類會被其他煙氣成分降解、 吸收劑再生時能耗高等不足。因此, 有必要對該技術(shù)進(jìn)行改進(jìn),以降低成 本,提高吸收劑的利用效率。 吸附法 1.物理吸附 2.化學(xué)吸附 氣體分離法 1.低溫分離法 2.膜分離法 3.O2/CO2混合燃燒法 生物法 膜-溶劑吸收耦合分離技術(shù) 其他 例如 生成水合物來分離溫室氣體的方法 第四節(jié) 二氧化碳的儲存處理與利用 l地質(zhì)儲存 l海洋儲存 l生

13、物儲存 l礦物儲存 lCO2的利用 科技前沿：科技前沿：二氧化碳的捕獲和封存二氧化碳的捕獲和封存 挪挪 威威 從從1996年開始，在北海斯萊帕油田已年開始，在北海斯萊帕油田已 經(jīng)捕集和封存了超過經(jīng)捕集和封存了超過1000萬噸的萬噸的CO2 。 中中 國國 目前正在開發(fā)目前正在開發(fā)CO2 收集深埋技術(shù)。收集深埋技術(shù)。 澳大利亞澳大利亞將著眼于溫室氣體排放的海底碳封存。將著眼于溫室氣體排放的海底碳封存。 英英 國國 日前開發(fā)出一種日前開發(fā)出一種CO2 捕獲和存儲新技捕獲和存儲新技 術(shù)，可以使術(shù)，可以使CO2 永久貯藏在巖石中。永久貯藏在巖石中。 德德 國國 最近提出了一個不同的思路，將最近提出了一

14、個不同的思路，將CO2 轉(zhuǎn)化成塑料原料。轉(zhuǎn)化成塑料原料。 返回 二氧化碳地質(zhì)儲存就是指這些工廠 排放的二氧化碳進(jìn)行分離和收集，不 向大氣中排放，而是注入到合適的深 層地質(zhì)結(jié)構(gòu)中，永久性地埋存在地下， 這樣一來可以大大地減少二氧化碳的 排量，是應(yīng)對全球氣候變化的有力武 器。另外，提高能源使用效率、轉(zhuǎn)變 能源消費(fèi)模式和利用可再生能源也都 是降低二氧化碳排放的有效手段。 一、地質(zhì)儲存 適合二氧化碳地質(zhì)儲存的位置包括：衰竭的油氣田、深層鹽水結(jié)構(gòu)和深度 不可開采煤層。其中衰竭油氣田和深層鹽水結(jié)構(gòu)會用到前面提到的五種圈 閉結(jié)構(gòu)。在這些結(jié)構(gòu)中，儲存二氧化碳的沉積巖上部都有蓋層。不可開采 煤層目前還只是潛在的

15、一個備選方案，因為它的儲存二氧化碳的圈閉機(jī)制 稍有不同，有時是填充在煤炭的顆粒當(dāng)中。 返回 二、海洋儲存 l 海洋封存二氧化碳，是控制化石燃料燃燒導(dǎo)致氣候變化的有 效手段。 l 海洋碳儲層的儲量到目前為止是最大的。海洋碳儲層的儲量 比陸地碳儲層高出數(shù)倍，而陸地碳儲層的儲量大于大氣碳儲層 的儲量。 海洋如何吸收 大氣中的二氧 化碳？ 在海-氣界面二氧化碳的遷移速度是迅速的，尤其當(dāng)強(qiáng)風(fēng) 引起混合層中攜有碎浪和空氣氣泡時。二氧化碳在海水中的 溶解度大于淡水，海水較高的pH值（約等于8）將導(dǎo)致以下平 衡等式從左邊向右邊反應(yīng)： 2223 233 2 33 COH OH CO H COHHCO HCOHCO CO2在海水中處理方法有： 1.淺海儲存 2 深海儲存 同時我們也應(yīng)注意二氧化碳和海水發(fā)生反應(yīng)，形成了弱酸 （碳酸），提高了海水的酸性（表現(xiàn)為pH