含氧煤層氣分離液化工業(yè)實驗成功剪彩儀式

        2007年8月9日，一個振奮人心的消息從山西陽泉傳出：煤層氣分離、液化工業(yè)性裝置在陽煤集團(tuán)五礦試驗工廠試驗成功。這個由中科院理化技術(shù)研究所、北京贊成國際投資有限公司和山西陽泉煤業(yè)集團(tuán)共同完成的試驗項目獲得成功，在國際上尚屬首次。

        “殺手/朋友”，瓦斯的雙重身份

        煤層氣，也就是我們俗稱的瓦斯。它是一種留存或吸附在煤層中、基本上未經(jīng)轉(zhuǎn)移的可燃性氣體，也稱非常規(guī)天然氣，其主要成分是甲烷。
        對于瓦斯這種氣體，人們通常是“談虎色變”，它被人們稱為煤礦“第一殺手”。因為在煤礦開采過程中，抽放的煤層氣中都混有空氣，由于空氣中的氧氣是危險的助燃劑，隨時可能導(dǎo)致爆炸事故發(fā)生。這就給煤層氣的加工和輸送帶來了困難，甚至?xí)Σ傻V人員的生命安全帶來嚴(yán)重的威脅。而煤層氣如不有效地被利用而對空排放，其溫室氣體對大氣臭氧層的破壞是二氧化碳的21～23倍。但是，我們更應(yīng)該看到的是：煤層氣也是人類非常需要的一個“朋友”。它是一種寶貴的清潔能源和重要的化工原料，其熱值與天然氣相當(dāng)，而且燃燒后很潔凈，幾乎不產(chǎn)生任何廢氣，是上好的工業(yè)、化工、發(fā)電和居民生活燃料。
        我國的煤層氣資源極為豐富，儲量占世界第一位，約為美國的３倍。但是美國的煤層氣開發(fā)和利用比較發(fā)達(dá)，據(jù)1997年統(tǒng)計，其煤層氣年產(chǎn)量比我國當(dāng)年天然氣的全年總產(chǎn)量還要高。而我國煤層氣開發(fā)卻很少，更少有工業(yè)上的應(yīng)用。
當(dāng)前國際上對于含氧煤層氣的分離研究推出了四種可供選擇的方法：變壓吸附法、膜分離法、燃燒脫氧法、低溫精餾分離法。但是前面三種方法都沒有取得工業(yè)性試驗的成功，所以此次我國研究人員研制的低溫精餾分離法試驗成功成為國際首例。這意味著我國煤礦禍患——瓦斯將得到有效治理和安全利用，數(shù)以萬億計立方米的清潔能源將廣泛地用于工業(yè)、民用等領(lǐng)域，這場礦井煤層氣綜合利用領(lǐng)域的技術(shù)革命勢必對我國能源結(jié)構(gòu)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

        反復(fù)研究，力求最佳方案

        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（原中科院低溫中心低溫透平實驗室）是我國最早從事氣體制冷和液化設(shè)計、成套集成的單位。此次煤層氣分離、液化工業(yè)性試驗項目的首席科學(xué)家、專利發(fā)明人楊克劍研究員就是該實驗室的創(chuàng)始人,早年他曾參與了我國最早的批量生產(chǎn)氦液化設(shè)備（約-269℃）的工作，這比天然氣、煤層氣液化的溫度（約-160℃）要低得多。
        楊克劍研究員十分關(guān)注低溫技術(shù)在能源領(lǐng)域的應(yīng)用。從20世紀(jì)90年代起，他帶領(lǐng)研究生王群、張武、王文川等科研人員，全部采用國產(chǎn)設(shè)備，先后研制了兩種小型的液化天然氣工業(yè)性裝置，這兩臺裝置是國內(nèi)最早的天然氣液化設(shè)備。此后，他和副研究員張武又多次參與了國內(nèi)各低溫液化天然氣（LNG）項目的設(shè)計、安裝和調(diào)試工作。
        從2002年開始，楊克劍研究員在考察我國各大煤礦的煤層氣資源時發(fā)現(xiàn)，我國有極為豐富的煤層氣資源，但是利用得很不充分。尤其是采煤過程中抽放的煤層氣，由于甲烷含量較低，絕大部分處于放空狀態(tài)，十分可惜。此后，他又仔細(xì)研究了這種含氧煤層氣的特點，發(fā)現(xiàn)我國煤層氣單井產(chǎn)量不高，單井鋪設(shè)管道外輸，常常不合算。地面打井開采的煤層氣純度很高，甲烷含量在95%以上，利用起來還較為方便，可以把許多口井的氣集中起來，然后鋪設(shè)管道向外輸送；或者將其液化，制成低溫的液化天然氣（LNG），用槽車運(yùn)送出去，這樣更為靈活。但是，采煤過程中抽放的煤層氣，壓力很低，甲烷含量也低，約在50%左右，有的甚至低至30%以下。含空氣的煤層氣通常只能就地使用，放空浪費的現(xiàn)象就更嚴(yán)重，這個問題一直沒有得到很好的解決。如果能采用某種適當(dāng)?shù)姆椒?，把含氧煤層氣中的煤層氣（主要是甲烷）和空氣分離開來，然后將提純后的煤層氣液化，這就極大地方便了運(yùn)輸和利用。在目前能源緊缺的情況下，解決了這個問題，把原本無法很好利用的含氧煤層氣利用起來，這是一件利國利民，而且對企業(yè)也能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益的大好事。
        于是，楊克劍研究員首先向國內(nèi)一家大型煤礦提出了一個采用低溫分離的方法，將這種煤層氣中的甲烷等可燃性氣體從混合氣中分離、液化的方案，并希望與他們合作，先完成工業(yè)性試驗。但是，由于當(dāng)時提出的技術(shù)方案還不夠成熟等各種原因，沒有能夠得到支持。
        這以后，他和副研究員張武等低溫系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)組的研究人員，又進(jìn)一步改進(jìn)了方案，并計算、設(shè)計了兩種具體的分離、液化流程。
        低溫精餾法是一種低溫分離的方法，它的原理是先將氣體混合物冷凝為液體，然后再按各組份蒸發(fā)溫度的不同，在分離塔內(nèi)將它們分離。這是一個能夠?qū)⒑趺簩託夥蛛x，同時徹底脫除氧、氮氣的方案。
        但是采用這個方案，最大的技術(shù)難點有兩個：一是保證過程的安全性，二是保證分離的純度。由于含氧煤層氣中有氧氣存在，使得它在加工過程中的危險性大大增加。在分離過程中，隨著甲烷濃度的變化，其中有一個階段，正好是屬于甲烷的燃燒和爆炸的范圍。因此，存在著很大的風(fēng)險，這是前人沒有做過的事情。
        “明知山有虎，偏向虎山行”，楊克劍、張武等科研人員懷著對社會高度負(fù)責(zé)的使命感，憑著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度與勇敢的探索精神繼續(xù)探索前行。
        經(jīng)過仔細(xì)地分析研究，通過控制溫度、壓力、流速和設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)，制定了一整套防火、防爆、防靜電等安全設(shè)計方案。同時，為了保證分離的純度，他們在設(shè)計上精益求精，反復(fù)計算，比較了十多種計算結(jié)果，力求得到最好的分離效果。計算機(jī)模擬的結(jié)果顯示，分離液化后生產(chǎn)的液化天然氣純度可以達(dá)到99%以上，分離后排放的空氣甲烷含量小于1%。

晉城工業(yè)試驗裝置

        科企結(jié)合，實現(xiàn)煤層氣分離液化

        可行性方案確定了，可是需要建設(shè)一整套工業(yè)化實驗裝置，資金從哪里來？由于科學(xué)院的研究經(jīng)費十分有限，那么將科研單位的技術(shù)與企業(yè)的資金相結(jié)合自然是相得益彰。此次試驗的合作伙伴便找了幾個企業(yè)：北京贊成國際投資有限公司、陽泉煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司和山西晉城礦業(yè)集團(tuán)。
        早在2004年，北京贊成國際投資有限公司就開始關(guān)注煤層氣的開發(fā)和應(yīng)用，曾與一家設(shè)計院合作，想采用燃燒的方法脫除含氧煤層氣中的氧氣。2005年，他們與中科院理化技術(shù)研究所低溫技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)組張武副研究員聯(lián)系，討論有關(guān)煤層氣脫氧以后的液化問題，張武立刻談到正在進(jìn)行的含氧煤層氣低溫分離液化的方案，這種可以把分離和液化同步進(jìn)行的方案，立即引起了北京贊成國際投資有限公司董事長劉寧的極大興趣，雙方一拍即合，很快就簽訂了合作協(xié)議，設(shè)備采購和制造的工作也很快著手落實。
        陽煤集團(tuán)是國家規(guī)劃的全國13個大型煤炭基地之一。陽泉礦區(qū)煤炭地質(zhì)儲量214億噸，煤層氣資源量約為6448億立方米。陽煤集團(tuán)所屬的11個生產(chǎn)礦井都是高瓦斯（礦井煤層氣）生產(chǎn)礦井，也是目前中國瓦斯抽排量最大的礦區(qū)。他們有充足的氣源、場地、人員、周邊環(huán)境以及水電資源，可按雙塔方案建設(shè)含氧煤層氣分離液化的工業(yè)性試驗裝置。
        同時山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司（簡稱晉城礦業(yè)集團(tuán)）也在寺河礦區(qū)按照中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所的單塔方案建設(shè)含氧煤層氣分離液化的工業(yè)性試驗裝置。
        2007年7月，陽泉的雙塔試驗裝置建成，科研人員們先分別對各部分單體設(shè)備進(jìn)行了調(diào)試。8月4日上午，開始對裝置進(jìn)行了第一次聯(lián)合調(diào)試。先啟動氮氣壓縮機(jī)和透平膨脹機(jī)對裝置進(jìn)行預(yù)冷，由于外購配套的氮氣壓縮機(jī)的氣量明顯低于設(shè)計要求的氣量，因此預(yù)冷時間比較長。晚上8時許，冷箱及分離塔的溫度降到了零下170度以下，開始向塔內(nèi)送入甲烷含量為35%的含氧煤層氣，晚上10時，甲烷塔開始積液。裝置中的液體甲烷濃度分析顯示儀顯示的甲烷濃度逐漸升高，從8月5日凌晨兩點多鐘開始，液體甲烷濃度分析顯示儀開始穩(wěn)定地顯示甲烷濃度達(dá)到100%，塔頂?shù)奈⒘考淄闇y量儀顯示，由塔頂分離出來的空氣中，其甲烷含量在0.1%以下，經(jīng)液化后的煤層氣汩汩流出。
        2007年8月20日清晨，又從晉城傳來令人振奮的消息：中科院理化技術(shù)研究所與晉煤集團(tuán)合作的單塔含氧煤層氣試驗裝置也順利調(diào)試成功，產(chǎn)出的LNG的純度經(jīng)現(xiàn)場檢驗，在99%以上，其中的氧含量只有0.07%，同時還得到了約30Nm3/h的純度在99.9%的氮氣，試驗結(jié)果更是令人滿意。
        這種前人從來沒有做過的全新的試驗裝置，第一次聯(lián)調(diào)就能調(diào)試出合格的液化天然氣產(chǎn)品，不禁讓人感嘆科技的力量，感慨我們科研人員的力量！
        據(jù)專家介紹，煤層氣分離、液化項目的有效推廣，將能從很大程度上改變我國煤層氣抽排放空的現(xiàn)象，對節(jié)能減排有十分重要的意義。此外，含氧煤層氣的工藝，由于要將產(chǎn)品流量兩倍以上的原料氣都進(jìn)行降溫和液化并分離出產(chǎn)品氣液體，其單位產(chǎn)品的能耗將比純天然氣的液化要高。但是，含氧煤層氣的原料氣價格卻比純天然氣要低得多。按照對一臺中小型規(guī)模的含氧煤層氣分離液化裝置（每天處理19萬標(biāo)方含氧煤層氣，年生產(chǎn)能力為萬噸液化天然氣）的經(jīng)濟(jì)分析，裝置每標(biāo)方的液化天然氣產(chǎn)品的出廠成本將在1.5元左右。從目前液化天然氣的市場情況看，在后石油時代，此舉必然帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。