煤層氣在城市燃氣中的利用

1煤層氣——重要的補充氣源

    近年來，我國的天然氣事業(yè)得到了飛速發(fā)展。2005年天然氣的產(chǎn)量已達500×10。m3／a，同比增長20·6％，銷售量為403×10。m3／a。截至2005年，城市天然氣的銷售量為201.5×10。m3／a，占天然氣總銷售量的50％及城市各種燃氣銷售量的43.3％。

    隨著大規(guī)模的城市天然氣利用，已出現(xiàn)了天然氣能源供應(yīng)緊張的局面，并且制約了城市天然氣的發(fā)展。常規(guī)能源的短缺，尤其是石油、天然氣等能源在儲量、勘探、開發(fā)、生產(chǎn)的增長上遠滿足不了經(jīng)濟高速發(fā)展的需求，能源的擴展已成為社會經(jīng)濟發(fā)展

的重要影響因素。

據(jù)預(yù)測,我國到2010年天然氣需求量為(1000～1 200)×10。m3／a，而生產(chǎn)量估計為800×108 m3／a，缺口為(200～400)×10。m3／a；到2020年，天然氣需求量將達到2 000×10。m3／a，而國內(nèi)的生產(chǎn)能力約(1 000～1 200)×10。m3／a，缺口擴大到(800～1 000)×10。rn3／a。為緩解天然氣能源供需緊張狀況，在積極貫徹我國天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展“立足國內(nèi)，利用海外”原則的基礎(chǔ)上，進一步發(fā)展外向型能源經(jīng)濟，大力引進國外天然氣資源，除了從俄羅斯和中亞 (土庫曼斯坦、哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦)進口 (400～600)×10。m3／a陸上管道天然氣外，每年還需要從海上進口(1 500～3 000)×10。t／／a液化天然氣。

  在此能源背景下，我國豐富的煤層氣資源的利用自然提到了規(guī)劃和開發(fā)議程上。據(jù)最新資料評價：我國埋深為300～2 000 m的煤層氣資源量約36×101。m。，可采資源量約10×101。m3／a，與我國陸上常規(guī)天然氣資源量相當，居世界第3位。加快煤層氣的開發(fā)利用已列入國家“十一五”發(fā)展規(guī)劃綱要之中，煤層氣將很快進入我國后備戰(zhàn)略資源，成為天然氣最現(xiàn)實的補充氣源。

2煤層氣利用規(guī)劃

    煤礦瓦斯的抽采有地面抽采、井下抽采及地面和井下混合抽采3種形式。歸結(jié)為成品氣，一般分為煤層氣(CBM)和煤礦瓦斯氣(cMM)。

    煤層氣指吸附在地下煤層中的天然可燃氣，在煤礦開采前實行預(yù)抽，主要成分是甲烷，其濃度高，甲烷體積分數(shù)約95％。

    煤礦瓦斯氣指在煤礦開采過程中，從礦井中吸收和排放的煤層氣，一般稱為瓦斯，由于在抽排過程中摻進了大量空氣，所以其甲烷濃度比較低，一般體積分數(shù)只有30％～40％，甚至更低。

    根據(jù)國家發(fā)展和改革委員會煤層氣(煤礦瓦斯)開發(fā)利用十一五規(guī)劃，2005年全國煤層氣(煤礦瓦斯)的利用量約10×10。m3／a。規(guī)劃到2010年煤層氣(煤礦瓦斯)產(chǎn)量達100×10。m3／a，其中，地面抽采煤層氣50×10。m。，利用率為100％；井下抽采瓦斯50×10。m3／a，利用率>60％。

    目前經(jīng)國家認定的煤層氣探明地質(zhì)儲量約1 000×10。m。，煤層氣可采儲量約470×10。m。，計劃到2010年新增煤層氣探明地質(zhì)儲量為3 000 x10。m。。因此，隨著國家勘探開發(fā)力度的加大，煤層氣的產(chǎn)量將逐漸增長。

    十一五期間，地面抽采煤層氣開發(fā)的地區(qū)有：山西、新疆、陜西、遼寧、貴州、河南、安徽、重慶、黑龍江、云南、四川等。煤礦瓦斯氣抽采開發(fā)的地區(qū)是：山西、貴州、安徽、遼寧、河南、陜西、重慶、四川、寧夏、黑龍江、湖南、江西、河北、甘肅、內(nèi)蒙古、吉林、江蘇等。

    對于煤層氣的利用，國家除已出臺一系列優(yōu)惠措施政策之外，還規(guī)定“煤層氣經(jīng)處理后，質(zhì)量達到標準的，可優(yōu)先并入天然氣管網(wǎng)及城市公共供氣管網(wǎng)”。因此，中部地區(qū)和長江三角洲地區(qū)將是十一五期間煤層氣的主要消費市場，山西、北京、天津、河南、河北等地將直接受惠于煤層氣的開發(fā)。在滿足中部市場及煤層氣開發(fā)的周邊地區(qū)的需求后，富余的煤層氣還可通過管道進入國家各主要輸氣干管，送往東部經(jīng)濟發(fā)達的地區(qū)。

    為此，國家在十一五期間規(guī)劃了10條煤層氣輸送管道，將開發(fā)的煤層氣送往附近的城市和用戶，與天然氣有互換性條件的還可與天然氣管道連通。

3煤層氣作為城市氣源應(yīng)關(guān)注的問題

3．1  應(yīng)保證城市燃氣對氣源的質(zhì)量要求

    作為城市燃氣，其成分、熱值和雜質(zhì)含量等均應(yīng)符合《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》(GB 50028--2006)中關(guān)于天然氣質(zhì)量指標的規(guī)定，即：天然氣熱值、總硫和硫化氫含量、水露點指標應(yīng)符合《天然氣》(GB17820—1999)的一類氣或二類氣的規(guī)定。在天然氣交接點的壓力和溫度條件下，天然氣的烴露點應(yīng)比最低環(huán)境溫度低5℃；天然氣中不應(yīng)有固態(tài)、液態(tài)、

膠狀物質(zhì)。

  4T類礦井氣甲烷體積分數(shù)為38％～44％，低熱值為12．9～14．9 MJ／m’，與《天然氣》(GB 17820—1999)的規(guī)定相差較大。低熱值燃氣作為城市燃氣使用，將涉及對大中型城市輸配系統(tǒng)的經(jīng)濟性、在較高壓力和溫度狀況下使用的安全性以及有多種氣源時的互換性等問題。因此，作為城市燃氣使用的煤層氣除了雜質(zhì)含量應(yīng)符合《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》 (GB 50028--2006)規(guī)定之外，對其熱值指標也應(yīng)有所要求。

    對于需要進入天然氣管網(wǎng)的煤層氣，更是要按照管網(wǎng)中可能進人的各種氣源的互換要求，確定煤層氣的組成特性和質(zhì)量標準。

3．2應(yīng)充分注意使用的安全性

    煤層氣是一種混合氣體，其中主要成分為甲烷，并含有部分N：和O：及少量H：、CO：。甲烷在常溫 (20℃)及常壓下，其爆炸極限為5．0％～15．0％。

    煤層氣在城市的利用不僅局限于礦區(qū)周圍的就近使用，還常需要經(jīng)加壓后通過管道長距離輸送，然后進入城市門站。有條件的也有可能升壓后匯入天然氣輸氣干管。對于大中型城市，常采用中壓級制管網(wǎng)進行輸配。因此，煤層氣在城市利用過程中會形成壓力和溫度升高的工作狀況。

    壓力和溫度的上升將使煤層氣的爆炸極限范圍擴大，尤其對爆炸上限影響較大，致使有可能出現(xiàn)在煤層氣爆炸極限范圍內(nèi)運行的危險情況。特別是當使用的原始煤層氣組成中甲烷含量較低時，更容易產(chǎn)生這種情況。

    壓力和溫度與爆炸極限計算的相關(guān)公式，在有關(guān)文獻中均有介紹…。下面將不同壓力和溫度下煤層氣爆炸上限的計算值列于表1。

表1  煤層氣在不同壓力(表壓)和溫度下的爆炸上限計算值Tab．1 Calculated values 0f upper explosive limit 0f combedmethane under different pressures(gauge)and temperatures

 

    《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》(GB 50028--2006)規(guī)定，城鎮(zhèn)燃氣安全運行的范圍為爆炸上限的2倍以上。因此，必須根據(jù)煤層氣使用過程中最高的壓力和溫度工況進行計算，以規(guī)范的規(guī)定限定煤層氣在采氣時可能出現(xiàn)的最低甲烷組分含量，防止安全事故的發(fā)生。以此規(guī)定計算，4T類礦井氣在常溫時，僅能在表壓0．05 MPa下安全運行。因此，4T類礦井氣較適宜于小型礦區(qū)或就近供應(yīng)的小范圍區(qū)域用氣以及發(fā)電和工業(yè)用氣。

3．3煤層氣利用的經(jīng)濟性

    城市利用煤層氣主要是作為燃料使用，因此燃氣的熱值直接影響城市輸配設(shè)施建設(shè)的造價、運行費用、勞動生產(chǎn)效率和企業(yè)的經(jīng)濟效益。為創(chuàng)建節(jié)約型社會，城市采用高熱值燃氣輸配，始終是燃氣企業(yè)追求高效運作的目標。與此相應(yīng)，各國燃氣行業(yè)都制定了各自管網(wǎng)中天然氣熱值的準入標準…，

見表2。

  表2部分國家天然氣管網(wǎng)規(guī)定的熱值標準(低熱值)

Tab．2 Standards for heating value 0f natural g in pipeline    in some countries(10w heating value)

MJ／m。

 

    我國除應(yīng)執(zhí)行《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》(GB50028--2006)對城市天然氣熱值的規(guī)定外，還應(yīng)根據(jù)目前國內(nèi)天然氣主要干管利用的新疆氣、陜甘寧氣、青海氣、四川氣、沿海氣、液化天然氣、煤層氣等各種氣源以及日后有可能連通共網(wǎng)情況，盡快制定國家天然氣管網(wǎng)的熱值和互換性的統(tǒng)一標準以及城市天然氣(包括煤層氣)進人城市的準入標準。

3．4提高煤層氣中甲烷含量的措施

    隨著國家對煤層氣大規(guī)模開發(fā)以及城市利用力度的加大，煤層氣提濃將成為煤層氣城市利用的一種發(fā)展趨勢。目前，經(jīng)濟實用而且工藝較成熟的主要方法有以下兩種。

  ①摻混提濃

  在煤層氣開采時，同時可能獲得甲烷體積分數(shù)>95％的高濃度煤層氣和甲烷體積分數(shù)為30％～40％的濃度較低的煤礦瓦斯氣，根據(jù)運行工況下爆炸極限的計算，及時混配，將甲烷含量低的煤礦瓦斯氣增濃，達到安全輸送及城市用氣要求。

  ②變壓吸附

  變壓吸附(PSA)是一種節(jié)能型常規(guī)氣體分離與凈化技術(shù)，可以通過該技術(shù)將低濃度的煤礦瓦斯氣提濃至甲烷體積分數(shù)達90％以上。變壓吸附法是通過吸附劑的選擇性吸附以及在較高壓力下吸附容量大、在較低壓力下吸附容量小的特性，使煤礦瓦斯氣在高壓和低壓交替操作下，完成吸附和解吸再生過程，得到高濃度產(chǎn)品煤層氣。

    據(jù)有關(guān)資料介紹，選用高效甲烷吸附劑，在O．1～0．3 MPa壓力和常溫下操作，可由煤礦瓦斯氣制取甲烷體積分數(shù)≥90％的高濃度產(chǎn)品煤層氣，運行成本約O．35～0．40元/_M³。