含氧煤层气液化精馏提纯技术模拟研究

煤矿开采过程中产生的煤层气由于含有氧气,很难加工利用,绝大部分被放空。本文针对典型的含氧煤层气气源,设计了一种液化精馏工艺流程,并采用流程处理软件HYSYS对流程进行模拟分析。结果表明,该工艺总能耗低,可彻底除去氧、氮杂质,获得高纯的液态甲烷产品。     

含氧煤层气低温脱氧液化工艺及安全分析

国内煤层气井下抽采利用率低,造成大量的煤层气资源排空浪费。针对含甲烷浓度低(以甲烷摩尔分数40%为例)的含氧煤层气,提出含氧煤层气开发利用的低温脱氧液化工艺流程,并给出流程计算结果和液化系统单位能耗;通过HYSYS对含氧煤层气低温脱氧液化工艺流程进行模拟,结合爆炸三角形理论,对工艺流程的安全性进行分析,指出含氧煤层气采用低温脱氧液化技术可能存在的安全隐患,并通过分析提出消除安全隐患的方法和措施,指导含氧煤层气低温脱氧液化工艺设计。     

低浓度煤层气液化技术及其应用

针对大庆庆深煤层气气源条件，提出采用液化精馏的方法处理含有大量氮氧的低浓度煤层气，生产LNG。定义了适用于低浓度煤层气液化系统的煤层气气源中甲烷摩尔分数为30%~87%；该方法中的净化单元采用MEA溶液化学吸收酸性气体，液化单元采用具有高效率的混合工质制冷剂液化流程，低温部分采用精馏塔脱除氮氧组分提高LNG中甲烷含量；运用大型数值分析软件对液化系统进行了模拟计算与比较分析，分析了混合制冷剂中CH₄、C₂H₆、C₄H₁₀及N₂等组分对液化单元换热器内部最小温差的影响。分析结果显示：合理的制冷工质配比能够有效地降低换热温差，减少不可逆损失，提高换热效率。LNG中的含氧量随着精馏塔理论塔板数的增加而降低，但精馏塔的高度相应地增加。因此，应适当增加理论板数以有效地提高LNG中甲烷的浓度。计算结果将有助于低浓度煤层气液化装置的国产化应用与推广。     

利用吸附余压预冷的煤层气氮膨胀液化流程

煤层气液化是对煤层气进行开发利用的一种有效方式。而由于受抽采技术的限制,煤层气中常含有较多的氮气。因此在预净化处理后,还须在液化前进行变压吸附或液化后进行低温精馏实现氮和甲烷的分离,从而提高甲烷浓度。为此,构建了一种新型的吸附-液化一体化的氮膨胀液化流程,将吸附后排出的带余压氮气直接膨胀对浓缩后的煤层气进行预冷。通过HYSYS模拟计算考察了不同含氮量和不同吸附余压下系统单位产品液化功的变化情况,并与不带预冷的普通氮膨胀液化流程及丙烷预冷氮膨胀液化流程进行比较。结果表明,高含氮量下,一体化的流程能够大大降低系统功耗。     

我国含氧煤层气分离液化成功

含氧煤层气分离液化在山西省阳泉市阳煤集团实验成功。不仅可以清除煤矿爆炸的祸根，而且将其变成接替能源中的新宠。中国科学院理化技术研究所的专家介绍说，成功地将含氧煤层气分离液化，即将煤层气中的甲烷等可燃性气体和空气分离，并将提纯后的煤层气液化，这在我国乃至国际上都是第一次。     

含氧煤层气直接深冷分离甲烷的安全工艺方法

提出了一种含氧煤层气直接深冷精馏分离甲烷的安全方法,其通过在精馏塔内通入氮气降低塔内氧含量到极限氧含量以下以确保精馏过程的安全,避免了预先对含氧煤层气进行脱氧处理的过程,同时利用制氮装置可回收氮气循环使用。该工艺方法使用混合制冷和氮制冷提供冷量,并将制氮装置用于工艺过程,所需的设备成熟,工艺过程安全性和适应性好,在正常和非正常工况下都能保证安全,适用于不同甲烷浓度的含氧煤层气,LNG产品能耗在0.7kWh/m3~1.7kWh/m3之间。     

从含氧煤层气中安全分离提纯甲烷的工艺方法

针对低温液化分离提纯含氧煤层气流程中的安全问题,提出了控制最低尾气出口温度、添加阻燃成分和预粗脱氧3种防止爆炸的技术手段。结合低温液化分离流程特点,利用爆炸三角形理论,分别给出了上述3种防爆措施的详细实现方法。控制最低尾气出口温度方法的核心就是通过控制液化分离流程的最低温度,将尾气浓度状态点控制在爆炸三角区上限线以上;添加燃阻成分和预粗脱氧方法的核心是：使混合物在分离过程中最可能出现进入爆炸三角区的区域（对低温分离通常在可燃气体液化分离区域）内,氧浓度降低到当地温度、压力下爆炸三角形图上以临界点和纯可燃气体点的连线及以下。基于大量文献数据,拟合出不同温度和压力下甲烷爆炸上限和下限的计算关联式。     

含氧煤层气液化HYSYS模拟及安全性分析

设计了一种混合制冷剂和氮节流共同制冷的含氧煤层气液化精馏工艺,模拟结果显示,该工艺可以较为彻底地去除氮气、氧气等,对x(CH_4)为40%的煤层气进料,获得LNG产品纯度高达99.91%,甲烷回收率为97.12%,LNG生产能耗为0.94k W·h/m~3(STP)。对该工艺进行了爆炸安全性分析,表明煤层气仅在精馏塔顶部有爆炸可能性。采用往精馏塔通入氮气降低塔内氧含量的方法来保证操作安全,并对通入氮气的流量和位置进行了优化。结果表明从精馏塔内气体中氧的物质的量分数大于8%的最下层塔板处通入与煤层气同流量的氮气,对氧气稀释效果最好,在保证高纯度LNG产品和甲烷回收率的同时,生产能耗升高30%。     

高效煤层气储运及低温液化技术可行性研究

对比分析煤层气几种潜在储运方法的优缺点,结合煤层气特点及发展利用现状,指出小型煤层气液化是我国煤层气开发利用较为合理的选择。在国内外小型煤层气液化技术的基础上,分析了混合制冷剂流程和氮气透平膨胀机液化流程各自特点,并提出一种新型安全高效煤层气液化工艺。     

低温法浓缩煤层气中的甲烷

叙述了采用低温法分离煤层气(CMM)的工艺流程,并讨论了工艺条件对分离过程的影响。对于含甲烷45%以上的煤层气,可将甲烷浓度提高到95%~99%,低温装置的甲烷回收率可达95%~99%。     

Coalbed methane genesis, occurrence and accumulation in China

Coalbed methane (CBM) is an important type of unconventional gas. Commercial development of CBM in America has been very successful since the 1980s. The CBM industry in Australia and Canada has developed rapidly during the last decade. Commercial development of CBM in China started in the 1990s, and has made great progress. The geological theory of CBM in China has achieved great advancement in genesis, occurrence and accumulation. On the aspect of CBM genesis, five CBM genetic types (primary biogenic gas, secondary biogenic gas, thermal degradation gas, pyrolysis gas and mixed gas) are identified by studying the geochemical characteristics of CBM, and a tracing indicator system is established. The discovery of secondary biogenic gas in medium-high rank coal reservoirs has widened the potential of CBM resources. On the aspect of CBM occurrence, the gas adsorption regulation under combined action of temperature and pressure is revealed by conducting adsorption experiments of different coal ranks under varying temperature and pressure conditions. Besides, by applying the adsorption potential theory in CBM research, the adsorption model under combined action of temperature and pressure is established. The new model can predict CBM resources accurately, and overcome the limitation of the traditional Langmuir model which uses just a single factor to describe the adsorption characteristics of deep buried coal. On the aspect of CBM accumulation, it is proposed that there are three evolutionary stages during CBM accumulation, including gas generation and adsorption, unsaturated gas adsorption, gas desorption-diffusion and preservation. Controlled by tectonic evolution, hydrodynamics and sealing conditions, CBM tends to be regionally enriched in synclines. Advances in geological theory of CBM in China can not only improve understanding of natural gas, but also provide new ideas for further exploration of CBM.     

煤层气利用新方案

在介绍煤层气的常规利用方案的基础上，提出了两种利用煤层气的新方案：一是采用变压吸附技术，纯化瓦斯气，将低浓度瓦斯气浓缩为高浓度瓦斯气，加压后成为CNG，用作CNG气源或较远距离城市的天然气气源；二是在第一种方案的基础上，将高浓度瓦斯气全部采用深冷法加以液化，生产LNG，并将LNG运送至更远距离用作LNG加气站、CNG加气站气源。最后还以松藻煤电公司为例，作了新方案的工程预算     

中国煤层气采收潜力的研究

常规煤层气生产量的获取不仅对国家经济可持续发展及能源安全具有重要作用，而且也是ＣＯ_２注入煤层提高煤层气采收率和ＣＯ_２埋藏量估算的关键。根据中国煤层气资源丰度、甲烷含气量、煤层渗透率、地层压力和勘探程度因素等，分析得到了中国不同煤层气聚气带生产的校正因子；根据甲烷含量大于4 m³/t的1500 m以浅煤层气资源量和资源特点，在煤层气平均采收率为30%的基础上，采用对平均采收率校正的方法，对中国4个聚气区和29个聚气带煤层气采用常规生产技术的采收量进行了计算，并结合中国天然气的产量分析了煤层气的生产期。研究表明，在所评价的29个煤层气聚气带中，采用常规煤层气生产技术可以采收33347×１０^８m³ 煤层气，主要的煤层气生产聚气带为华北区的沁水和华南区的滇东-黔西，分别占可采出煤层气的29.05%和21.80%。按2002年天然气实际生产量和2010年天然气预测产量计算，中国煤层气采用常规煤层生产技术可分别生产103 ａ和40 ａ。     

我国煤层气富集规律及资源潜力新认识

阐述了不同煤阶煤层气富集规律,总结了中高煤阶沉积控藏、水动力控气、断裂控制的特征,并指出是否具有充足的气源补给和良好的封盖条件是低煤阶富集的关键。在煤层气地质资源量计算上虽然仍利用体积法,但随着煤层气勘探开发工作的进一步开展,详实的资源评价参数大大增加了计算结果的准确性,同时丰富可采资源量的研究方法,进一步提高了其结果的可靠性。结合我国煤层气资源分类分布结果,总结了我国煤层气资源整体上“南北分区、东西分带”的特征,即由东向西从相对富气带转变为相对贫气带,由北向南从压力类型区渐变为应力类型区,处于中间地带的华北、鄂尔多斯等盆地容易形成富集高产区。     

我国煤层气产业发展问题分析

我国煤层气产业发展虽然已逐步进入煤层气地面勘探开发阶段,有一些企业从多方面从事煤层气产业相关研究和勘探开发,但发展至今煤层气产业仍集中在以解决煤矿瓦斯事故为主的模式上,地面勘探开发利用效果较差。从我国煤层气产业发展的现状分析认为,煤层气产业发展缓慢不是我国复杂的地形和地质条件问题,也不是勘探开发技术问题,关键是改革创新问题。解决问题的突破点是平衡好政府、企业各方的经济利益,应做到统筹各方,建立政府指导、多方联动、整装勘查、探采一体、企业运作的新机制,这样才能改变产业发展滞缓的现状。     

浅议我国西北低煤阶含煤盆地煤层气的勘探对策

通过国内外实例，分析含气量和含气饱和度在煤层气勘探评价中的作用，认为在低煤阶含煤盆地中进行煤层气勘探很有前景。美国的粉河、尤因塔盆地和我国的铁法盆地的煤阶都为低煤阶，含气量也不高，但都获得了商业气流，勘探见到了成效。其主要原因在于它们都具有较高的含气饱和度，加之煤层巨厚和渗透率较高，这些有利因素弥补了其它方面的不利。在我国的煤炭和煤层气资源分布中，西北地区低煤阶煤占了相当的比例，结合实例和分析西北低煤阶盆地的特点后认为：在西北含煤盆地进行煤层气勘探必须重视生物成因气的研究，加强盆地的水动力因素及保存条件的研究。     

国内外低煤阶煤层气地质差异性与聚气模式探讨

全球低煤阶煤层气资源丰富,煤层厚度大、含气量偏低、渗透性好、单井产量高,成为煤层气地质评价与产业发展的重点。国外低煤阶煤层气产量已占煤层气总产量的80%,而中国仅为1.8%。通过国内外低煤阶煤层气资源分布、勘探开发进展、地质差异性、成藏共性特点及聚气模式等研究,得出以下结论：中国低煤阶煤层气资源丰富,主要赋存于新疆侏罗系、内蒙古东部白垩系及中国东北地区古近系煤层;在以挤压、碰撞为主的构造演化背景下,中国低煤阶煤层物性显著变差,湿润气候区降雨或干旱气候区山前冰川融水的补给使煤层产生次生生物气,但区域动力变质、岩浆接触热变质所产生的热成因气,使新疆、中国东北地区低煤阶煤层含气量普遍偏高;地质差异性导致中国低煤阶煤层气风化带深、聚气模式多样、产气量偏低;气候条件、构造演化对低煤阶煤层气聚集影响显著,“淡水补给生气”、“圈闭聚气”是国内外低煤阶煤层气成藏且气井高产的共性主控因素,但生气、聚气阶段的差异会形成不同特点的煤层气藏;中国低煤阶煤层气“甜点”区评价应注重一定埋深、高煤层水矿化度、单斜/向斜的承压水滞留区或断块、背斜等圈闭部位。     

煤层中甲烷水合物存在可能性探讨

之所以进行此项研究，就是力图使煤层气和瓦斯研究者重视煤层中甲烷水合物的存在，拓展煤层气或天然气水合物研究领域。为此，依据目前形成甲烷或天然气水合物的物质基础和温度压力的最新研究成果，结合煤层气形成及组成、含气煤层条件和煤的孔隙特征，探讨了煤层中甲烷水合物形成的可能性，并对煤层中甲烷水合物的相关问题进行了初步讨论。研究表明：①煤层中存在着甲烷水合物形成的物质、储存和温压条件；②煤的微孔结构和煤层气组成，特别是重烃组分有利于甲烷水合物在煤中的形成；③煤层中不仅存在着吸附态、游离态和溶解态甲烷，而且还存在着固态水合物甲烷；④煤层周围的岩层中也可能存在非常规天然气水合物。煤层气勘探开发和瓦斯防治过程中应重视煤层及其围岩中甲烷水合物的存在，对此还有大量的研究工作要做。     

大庆探区煤层气资源综合利用策略

通过对比大庆探区含煤盆地与美国煤层气商业开发成功盆地异同,在深入分析煤层气资源特点基础上,提出了大庆探区煤层气资源综合利用对策:勘探目标优选突出新思路,推进5个转变,即"研究方向定位,由煤田地质向综合地质转变;目标优选方法,由地质成果向综合成果转变;资源类型选择,由煤层气向煤成气转变;布井方式确定,由单井向井组转变;综合效益评价,由工业气流向商业价值转变",不断追求煤层气资源"甜点"目标准确圈定和合理实施;相关工程实施突出新技术,强化5项应用,即"‘二宽一高’地震预测煤层技术、多方式钻完井技术、多方法气层综合评价技术、多参数实验室分析技术、简型高效压裂排采技术",切实满足煤层气资源客观评价和有效探采;生产经营管理突出新机制,探索5方面实践,即"低成本工程、一体化模式、油煤联合、对外合作、小公司运作",全面促进煤层气资源综合利用效益最大化。     

二甲醚掺混低发热量煤层气混合气体的互换性研究

国内天然气产量虽然增长迅速,但仍然满足不了急剧增长的消费率,补充非常规天然气,对于缓解国内天然气短缺、优化能源结构尤为重要.中国煤层气资源丰富,但利用率极低,尤其是低发热量煤层气,因其甲烷浓度达不到直接利用的要求,不得不排入大气中,造成巨大的能源浪费.分别通过AGA和Weaver指数法研究了不同二甲醚掺混比例下低发热量...