國內(nèi)外煤層氣的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)綜述

國內(nèi)外煤層氣的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)綜述

專業(yè)：化學(xué)工程姓名：翟繼博學(xué)號(hào)：201231460國內(nèi)外煤層氣的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)綜述共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!主要內(nèi)容1.國內(nèi)外煤層氣開發(fā)利用現(xiàn)狀2.煤層氣的主要轉(zhuǎn)化利用技術(shù)3.煤層氣轉(zhuǎn)化利用的新技術(shù)4.利用煤層氣時(shí)的安全性問題國內(nèi)外煤層氣的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)綜述共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!1.國內(nèi)外煤層氣開發(fā)利用現(xiàn)狀1.1世界煤層氣資源分布

據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)(IEA)估計(jì)，全球陸上煤田埋深于2km的煤層氣資源量約為26×1013m3，是常規(guī)天然氣探明儲(chǔ)量2倍多；全球可采煤層氣儲(chǔ)量已達(dá)13.78×1013m3。其中，俄羅斯、加拿大、中國、美國、澳大利亞等國煤層氣儲(chǔ)量均超過10×1012m3（見左表）。國內(nèi)外煤層氣的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)綜述共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!

4.德國在煤層氣發(fā)電利用上較為成功，主要技術(shù)特點(diǎn)是模塊化燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，采用集裝箱式設(shè)計(jì)，便于拆裝、運(yùn)輸，對(duì)30%濃度以上甚至略低于30%甲烷濃度的氣體進(jìn)行發(fā)電利用，實(shí)現(xiàn)了電熱聯(lián)產(chǎn)。5.中國2008年，我國煤礦井下煤層氣抽采量53×108m3，地面煤層氣開采量7.5×108m3；至2009年，我國已建成地面煤層氣產(chǎn)能25×108m3。在煤層氣地面開采利用方面，中國石油天然氣集團(tuán)公司已經(jīng)率先在山西沁水將地面開采的煤層氣送入西氣東輸主干線，年產(chǎn)能6×108m3，實(shí)現(xiàn)煤層氣與天然氣共輸共用。國內(nèi)外煤層氣的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)綜述共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!

2.煤層氣的主要轉(zhuǎn)化利用技術(shù)

從資源利用的角度，煤層氣用途非常廣泛，可以用作民用、工業(yè)、發(fā)電、汽車燃料和化工原料等。1m3煤層氣約相當(dāng)于1kg燃油、1.3kg標(biāo)準(zhǔn)煤、9.5度電、3m3水煤氣、1.1~1.3升汽油。而煤層氣燃燒所產(chǎn)生的污染，大體上只有石油的1/40，煤炭的1/800，燃燒后生成二氧化碳和水，不產(chǎn)生一氧化碳等有毒氣體。2.1用作民用及工業(yè)燃料

煤層氣作為民用燃料，和煤炭比較具有熱值高、污染小、使用安全等特點(diǎn)，不需龐大的凈化處理裝置，不腐蝕、不堵塞輸氣設(shè)備。煤層氣允許進(jìn)入天然氣管道的條件是甲烷濃度要高于95%。國內(nèi)外煤層氣的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)綜述共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!

2.2用于發(fā)電

煤層氣發(fā)電是煤層氣資源利用的最佳途徑之一，發(fā)電設(shè)備主要有大中型燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)和微型燃?xì)廨啓C(jī)，其中在燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上可發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)。(一)煤層氣發(fā)電利用流程煤層氣發(fā)電是指利用從礦井抽出的煤層氣，采用瓦斯發(fā)電機(jī)組，實(shí)現(xiàn)煤層氣發(fā)電、制熱，變廢為寶，開辟綜合利用的新途徑。煤層氣發(fā)電利用過程各個(gè)環(huán)節(jié)的關(guān)系如下圖所示。國內(nèi)外煤層氣的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)綜述共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!

2.微型燃?xì)廨啓C(jī)。微型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)由航空技術(shù)發(fā)展而來。微型燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)由一個(gè)空冷的小型燃?xì)廨啓C(jī)連接到高速發(fā)電機(jī)和單軸壓縮機(jī)上組成。

特點(diǎn)：(1)裝機(jī)容量為30～2000kW；(2)簡單的結(jié)構(gòu)使其有較高的輸出能力，噪音小，效率高；(3)緊湊的結(jié)構(gòu)使其可以放在窄小的地方，但維護(hù)費(fèi)用較高；(4)產(chǎn)生電力主要用于提供地區(qū)用電，不并入電網(wǎng)。國內(nèi)外煤層氣的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)綜述共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!國內(nèi)外煤層氣的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)綜述共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!

在20世紀(jì)80年代后期，美國、英國、澳大利亞等國家開始利用煤礦瓦斯發(fā)電。發(fā)電設(shè)備主要為燃?xì)廨啓C(jī)，瓦斯體積分?jǐn)?shù)一般在40%以上。我國第1個(gè)煤層氣發(fā)電示范項(xiàng)目是遼寧撫順礦物局的老虎臺(tái)電站，采用引進(jìn)的功率為1500kW的KGZ—3C燃?xì)廨啓C(jī),瓦斯體積分?jǐn)?shù)為40.4%。晉城礦業(yè)集團(tuán)的寺河礦區(qū)采用2臺(tái)功率為2000kW的燃?xì)廨啓C(jī)，瓦斯體積分?jǐn)?shù)為55%～65%。我國第1個(gè)內(nèi)燃機(jī)瓦斯發(fā)電項(xiàng)目是在山西五里廟煤礦電站，采用的是勝動(dòng)集團(tuán)的功率為400kW的瓦斯發(fā)電機(jī)組,瓦斯體積分?jǐn)?shù)在30%以上。國內(nèi)外煤層氣的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)綜述共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!

在中國低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組生廠家——?jiǎng)偬飫?dòng)力機(jī)械集團(tuán)公司，可以生產(chǎn)利用低濃度瓦斯(6%~25%)發(fā)電機(jī)組。2005年淮南礦業(yè)集團(tuán)與勝利油田動(dòng)力機(jī)械集團(tuán)在淮南礦區(qū)謝一礦建設(shè)了低濃度瓦斯發(fā)電進(jìn)行低濃度瓦斯細(xì)水霧輸送機(jī)發(fā)電技術(shù)工業(yè)性試驗(yàn)。改變了瓦斯?jié)舛仍?0%以上才能利用,煤礦大量的低于30%的瓦斯都排放到大氣中的現(xiàn)狀。國內(nèi)外煤層氣的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)綜述共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!

以煤層氣為原料生產(chǎn)甲醇具有以天然氣為原料生產(chǎn)甲醇的低投資、高利潤的優(yōu)點(diǎn)，又具有以煤為原料制甲醇的低成本、大規(guī)模的優(yōu)勢。表2為以天然氣、石腦油、渣油和煤4種原料制甲醇的成本比較。表24種原料制甲醇的成本比較國內(nèi)外煤層氣的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)綜述共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!

(3)生產(chǎn)炭黑甲烷在高溫下燃燒熱分解后可產(chǎn)生粉狀碳顆粒，即炭黑。它是橡膠、涂料等工業(yè)不可缺少的填加劑。甲烷濃度40%～90%時(shí)均可燒制炭黑。一般每立方米純甲烷可生產(chǎn)炭黑120g～150g。2.4煤層氣的液化利用低溫液化后的煤層氣體積縮小625倍，1臺(tái)35m3的標(biāo)準(zhǔn)液化氣槽車可運(yùn)輸21000Nm3煤層氣。美國近兩年已經(jīng)研制成功液化氣量在1000～10000加侖/d的天然氣液化系統(tǒng)，并大力推廣這項(xiàng)新技術(shù)。日前，陽泉煤業(yè)集團(tuán)在液化技術(shù)上與中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所低溫系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)組提出了1個(gè)采用低溫分離的方法，將煤層氣中的甲烷等可燃性氣體從混合氣中分離并液化的方案，設(shè)計(jì)了2種具體的分離、液化流程。陽泉煤業(yè)集團(tuán)于2007年7月建成雙塔實(shí)驗(yàn)裝置，可使液體甲烷的濃度穩(wěn)定地達(dá)到99%以上。

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3.2甲烷氧化菌降解瓦斯制甲醇甲烷在甲烷氧化菌內(nèi)存在的甲烷單加氧酶(MMO)的催化作用下轉(zhuǎn)化為甲醇，生成的甲醇在醇脫氫酶的作用下轉(zhuǎn)化為甲醛，甲醛在醛脫氫酶作用下轉(zhuǎn)化為甲酸，甲酸在酸脫氫酶作用下轉(zhuǎn)化為CO2和H2O，即CH4→CH3OH→HCHO→HCOOH→CO2。如果提高M(jìn)MO活性，并抑制甲醇脫氫酶的活性就可以控制反應(yīng)進(jìn)度、提高甲醇的積累，研究表明EDTA、鄰二氮雜菲和雙毗啶等可以防止甲醇的繼續(xù)氧化。因此，該方法為由煤層氣制甲醇提供了另一新思路。國內(nèi)外煤層氣的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)綜述共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!

4.利用煤層氣時(shí)的安全性問題甲烷的爆炸極限為5％～16％，由于在開采煤層氣時(shí)，難免混入部分空氣，且部分地區(qū)開采的煤層氣甲烷濃度較低，有些甚至處于其爆炸極限范圍之內(nèi)，因此，在運(yùn)輸利用煤層氣時(shí)，必須考慮其安全性問題。研究表明，壓力溫度對(duì)煤層氣爆炸極限范圍影響較大，因此要使煤層氣達(dá)到安全要求可以從以下幾點(diǎn)考慮：(1)降低煤層氣的壓力、溫度通壓力對(duì)煤層氣爆炸極限范圍的影響情況可知：壓力降低，爆炸極限范圍減?。粶囟冉档?，爆炸極限范圍亦減小。在有其它可行方案來確保安全的前提下，為了保證輸送工藝要求，一般不建議采取降低壓力的方法來降低爆炸極限范圍。國內(nèi)外煤層氣的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)綜述共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!

煤層氣資源由于其巨大的蘊(yùn)藏量及開發(fā)利用價(jià)值，已引起普遍重視。但目前煤層氣利用受到諸多因素制約，主要表現(xiàn)在：(1)煤層氣開采步伐緩慢，高濃度煤層氣產(chǎn)量低，若用來生產(chǎn)化工產(chǎn)品則很難實(shí)現(xiàn)規(guī)模化；(2)缺乏含氧低濃度煤層氣的濃縮及安全利用技術(shù)，使這部分煤層氣除少部分利用外，其余大部分只能稀釋后排空，造成煤層氣資源的極大浪費(fèi)，而且加劇溫室效應(yīng)；(3)在煤層氣開發(fā)區(qū)域，缺少配套的長輸管線，致使開發(fā)與市場脫節(jié)；(4)煤層氣化工利用進(jìn)展緩慢，不利于煤層氣資源的高效利用。因此，在煤層氣應(yīng)用領(lǐng)域仍有很多工作要做，很多技術(shù)仍需要去改進(jìn)，新技術(shù)也期待被開發(fā)。結(jié)束語國內(nèi)外煤層氣的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)綜述共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!1.2國內(nèi)外開發(fā)利用現(xiàn)狀1.美國美國是世界上煤層氣商業(yè)化開發(fā)最為成功、產(chǎn)量最高的國家。美國有完善的天然氣管道系統(tǒng)，生產(chǎn)的煤層氣大部分進(jìn)入天然氣管網(wǎng)銷售給燃?xì)夤荆V井抽放的煤層氣有的直接供給坑口發(fā)電廠，或與煤混合燃燒作為鍋爐燃料。2.加拿大加拿大的煤層氣開發(fā)起步比較晚，2000年以后，在加拿大政府的支持下，一些研究機(jī)構(gòu)根據(jù)本國以低變質(zhì)煤為主的特點(diǎn)，開展了一系列的技術(shù)研究工作，多分支水平井、連續(xù)油管壓裂等技術(shù)取得了重大進(jìn)展，降低了煤層氣開采成本。3.澳大利亞20世紀(jì)末，充分吸收美國煤層氣資源評(píng)價(jià)和勘探、測試方面的成功經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)本國煤層含氣量高、含水飽和度變化大、原地應(yīng)力高等地質(zhì)特點(diǎn)，成功開發(fā)和應(yīng)用水平井高壓水射流改造技術(shù)，使鮑恩盆地煤層氣勘探開發(fā)取得了重大突破。

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此外，近幾年來，我國煤層氣發(fā)電特別是用低濃度煤層氣(CH4體積分?jǐn)?shù)為6%~25%)發(fā)電技術(shù)進(jìn)展較快，2009年全國瓦斯發(fā)電機(jī)組已超過1200臺(tái)，總裝機(jī)容量達(dá)到92×104kw，其中，國產(chǎn)發(fā)電機(jī)組占70%，進(jìn)口機(jī)組占30%。世界最大規(guī)模、總裝機(jī)容量12×104kw的山西晉城煤業(yè)集團(tuán)公司寺河瓦斯發(fā)電廠，年利用煤層1.8×108m3(折純)。國內(nèi)外煤層氣的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)綜述共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!

煤層氣可以作為玻璃廠和冶煉廠的潔凈燃料。用煤層氣作燃料不僅低，熱值高，而且有利于改善廠區(qū)環(huán)境，提高產(chǎn)品質(zhì)量，大幅度提高玻璃廠、冶煉廠的經(jīng)濟(jì)效益。煤層氣也可用作汽車燃料，汽車用壓縮天然氣的技術(shù)指標(biāo)為甲烷濃度必須達(dá)到90%～100%，乙烷以上的烷烴含量不超過6.5%。煤層氣中甲烷成分占絕對(duì)優(yōu)勢，濃縮后甲烷濃度可達(dá)95%以上，乙烷以上的烷烴含量極少，因此，煤層氣非常適合于生產(chǎn)汽車用壓縮天然氣，還可以與柴油混合制成車用混合燃料。國內(nèi)外煤層氣的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)綜述共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!

(二)煤層氣發(fā)電技術(shù)及設(shè)備1.大中型燃?xì)廨啓C(jī)。簡單的大中型燃?xì)廨啓C(jī)裝置由空氣壓縮機(jī)、燃燒室、動(dòng)力透平和一個(gè)發(fā)電機(jī)組成。

特點(diǎn)：(1)裝機(jī)容量范圍寬，從500kW～25MW均可；(2)工作效率為30%左右；(3)可采用熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)；(4)十分適合礦井煤層氣，可利用中等質(zhì)量的煤層氣(5)技術(shù)成熟(6)需要配置壓縮機(jī)，會(huì)消耗一部分電力

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瓦斯發(fā)電機(jī)組工藝流程圖國內(nèi)外煤層氣的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)綜述共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!

2.3用作工業(yè)原料(1)生產(chǎn)甲醇煤層氣中CH4轉(zhuǎn)化制合成氣工藝有催化氧化或非催化部分氧化兩種工藝.催化氧化法對(duì)轉(zhuǎn)化前的煤層氣凈化要求很高。一般需脫除H2S。有機(jī)硫化物須達(dá)到0.1rg/g以下，才能滿足在鎳催化劑下將CH4轉(zhuǎn)化成CO+H2，而且工藝流程長、投資大.非催化部分氧化法，煤層氣不需凈化，在常壓下直接進(jìn)行轉(zhuǎn)化，同時(shí)昂貴的ZnO脫硫劑用量少，工藝技術(shù)成熟可靠。根據(jù)國內(nèi)有關(guān)單位對(duì)利用鄂爾多斯煤層氣生產(chǎn)甲醇(2套50萬t/a裝置)設(shè)計(jì)結(jié)果，采用煤層氣非催化部分氧化合成甲醇工藝，每t甲醇消耗煤層氣1750m3(折純)，計(jì)入各項(xiàng)費(fèi)用，若煤層氣價(jià)格按0.5元/m3，則甲醇生產(chǎn)成本為1020元/t。按照目前甲醇2300元/t計(jì)，具有一定的贏利空間。國內(nèi)外煤層氣的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)綜述共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!

(2)生產(chǎn)合成油

天然氣合成油(GTL)技術(shù)完全適用于煤層氣。以生產(chǎn)中間餾分油為主要產(chǎn)品的GTL轉(zhuǎn)化技術(shù)，包括天然氣轉(zhuǎn)化制合成氣，通過費(fèi)托反應(yīng)將合成氣轉(zhuǎn)化為液體烴，產(chǎn)品改質(zhì)三部分。其中以HaldorTopsoe公司的自熱轉(zhuǎn)化技術(shù)為主，由于反應(yīng)溫度低、耗氧少，生成的H2/CO比為2，適合合成油反應(yīng)的需要，水碳比為0.6，比其他自熱轉(zhuǎn)化技術(shù)低得多，因而裝置投資低、效率高，是目前首推的合成氣生產(chǎn)技術(shù)，也是未來大型GTL廠合成氣生產(chǎn)的基礎(chǔ)技術(shù).GTL技術(shù)最根本的問題是其經(jīng)濟(jì)性，技術(shù)的可行性依賴于成本低廉的天然氣作原料；另外合成氣生成和后續(xù)轉(zhuǎn)化之間能源整合的優(yōu)化，也是提高經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵之一。因此使用廉價(jià)煤層氣制合成油比天然氣具有成本上的優(yōu)勢。國內(nèi)外煤層氣的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)綜述共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁!

3.煤層氣轉(zhuǎn)化利用的新技術(shù)3.1三重整工藝制合成氣三重整工藝，即CH4水蒸氣O2混合轉(zhuǎn)化反應(yīng)(指在同一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)同時(shí)進(jìn)行CO2轉(zhuǎn)化、CH4水蒸氣轉(zhuǎn)化以及CH4部分氧化3種反應(yīng)，即三重整反應(yīng))，具有過程能效高、合成氣H2/CO值適宜、緩解催化劑積炭的優(yōu)點(diǎn)。由于井下抽放煤層氣中含有大量的CH4、空氣以及少量的CO2，因此，可直接以煤層氣為原料，輔以少量的水蒸氣進(jìn)行CH4三重整反應(yīng),以實(shí)現(xiàn)廉價(jià)合成氣的生產(chǎn)。但由于該反應(yīng)是在較高的溫度(850℃)下進(jìn)行，反應(yīng)過程中涉及復(fù)雜的氧化與還原反應(yīng)，催化劑本身在高溫反應(yīng)時(shí)會(huì)逐漸發(fā)生變化，因此要實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用還有很多工作要做。國內(nèi)外煤層氣的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)綜述共28頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁!

3.3煤層用作燃料電池燃料燃料電池大體分為以下5類：堿性燃料電池(AFC)、磷酸鹽燃料電池(