煤层气在城市燃气中的利用

1煤层气——重要的补充气源

    近年来，我国的天然气事业得到了飞速发展。2005年天然气的产量已达500×10。m3／a，同比增长20·6％，销售量为403×10。m3／a。截至2005年，城市天然气的销售量为201.5×10。m3／a，占天然气总销售量的50％及城市各种燃气销售量的43.3％。

    随着大规模的城市天然气利用，已出现了天然气能源供应紧张的局面，并且制约了城市天然气的发展。常规能源的短缺，尤其是石油、天然气等能源在储量、勘探、开发、生产的增长上远满足不了经济高速发展的需求，能源的扩展已成为社会经济发展

的重要影响因素。

据预测,我国到2010年天然气需求量为(1000～1 200)×10。m3／a，而生产量估计为800×108 m3／a，缺口为(200～400)×10。m3／a；到2020年，天然气需求量将达到2 000×10。m3／a，而国内的生产能力约(1 000～1 200)×10。m3／a，缺口扩大到(800～1 000)×10。rn3／a。为缓解天然气能源供需紧张状况，在积极贯彻我国天然气产业发展“立足国内，利用海外”原则的基础上，进一步发展外向型能源经济，大力引进国外天然气资源，除了从俄罗斯和中亚 (土库曼斯坦、哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦)进口 (400～600)×10。m3／a陆上管道天然气外，每年还需要从海上进口(1 500～3 000)×10。t／／a液化天然气。

  在此能源背景下，我国丰富的煤层气资源的利用自然提到了规划和开发议程上。据最新资料评价：我国埋深为300～2 000 m的煤层气资源量约36×101。m。，可采资源量约10×101。m3／a，与我国陆上常规天然气资源量相当，居世界第3位。加快煤层气的开发利用已列入国家“十一五”发展规划纲要之中，煤层气将很快进入我国后备战略资源，成为天然气最现实的补充气源。

2煤层气利用规划

    煤矿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种形式。归结为成品气，一般分为煤层气(CBM)和煤矿瓦斯气(cMM)。

    煤层气指吸附在地下煤层中的天然可燃气，在煤矿开采前实行预抽，主要成分是甲烷，其浓度高，甲烷体积分数约95％。

    煤矿瓦斯气指在煤矿开采过程中，从矿井中吸收和排放的煤层气，一般称为瓦斯，由于在抽排过程中掺进了大量空气，所以其甲烷浓度比较低，一般体积分数只有30％～40％，甚至更低。

    根据国家发展和改革委员会煤层气(煤矿瓦斯)开发利用十一五规划，2005年全国煤层气(煤矿瓦斯)的利用量约10×10。m3／a。规划到2010年煤层气(煤矿瓦斯)产量达100×10。m3／a，其中，地面抽采煤层气50×10。m。，利用率为100％；井下抽采瓦斯50×10。m3／a，利用率>60％。

    目前经国家认定的煤层气探明地质储量约1 000×10。m。，煤层气可采储量约470×10。m。，计划到2010年新增煤层气探明地质储量为3 000 x10。m。。因此，随着国家勘探开发力度的加大，煤层气的产量将逐渐增长。

    十一五期间，地面抽采煤层气开发的地区有：山西、新疆、陕西、辽宁、贵州、河南、安徽、重庆、黑龙江、云南、四川等。煤矿瓦斯气抽采开发的地区是：山西、贵州、安徽、辽宁、河南、陕西、重庆、四川、宁夏、黑龙江、湖南、江西、河北、甘肃、内蒙古、吉林、江苏等。

    对于煤层气的利用，国家除已出台一系列优惠措施政策之外，还规定“煤层气经处理后，质量达到标准的，可优先并入天然气管网及城市公共供气管网”。因此，中部地区和长江三角洲地区将是十一五期间煤层气的主要消费市场，山西、北京、天津、河南、河北等地将直接受惠于煤层气的开发。在满足中部市场及煤层气开发的周边地区的需求后，富余的煤层气还可通过管道进入国家各主要输气干管，送往东部经济发达的地区。

    为此，国家在十一五期间规划了10条煤层气输送管道，将开发的煤层气送往附近的城市和用户，与天然气有互换性条件的还可与天然气管道连通。

3煤层气作为城市气源应关注的问题

3．1  应保证城市燃气对气源的质量要求

    作为城市燃气，其成分、热值和杂质含量等均应符合《城镇燃气设计规范》(GB 50028--2006)中关于天然气质量指标的规定，即：天然气热值、总硫和硫化氢含量、水露点指标应符合《天然气》(GB17820—1999)的一类气或二类气的规定。在天然气交接点的压力和温度条件下，天然气的烃露点应比最低环境温度低5℃；天然气中不应有固态、液态、

胶状物质。

  4T类矿井气甲烷体积分数为38％～44％，低热值为12．9～14．9 MJ／m’，与《天然气》(GB 17820—1999)的规定相差较大。低热值燃气作为城市燃气使用，将涉及对大中型城市输配系统的经济性、在较高压力和温度状况下使用的安全性以及有多种气源时的互换性等问题。因此，作为城市燃气使用的煤层气除了杂质含量应符合《城镇燃气设计规范》 (GB 50028--2006)规定之外，对其热值指标也应有所要求。

    对于需要进入天然气管网的煤层气，更是要按照管网中可能进人的各种气源的互换要求，确定煤层气的组成特性和质量标准。

3．2应充分注意使用的安全性

    煤层气是一种混合气体，其中主要成分为甲烷，并含有部分N：和O：及少量H：、CO：。甲烷在常温 (20℃)及常压下，其爆炸极限为5．0％～15．0％。

    煤层气在城市的利用不仅局限于矿区周围的就近使用，还常需要经加压后通过管道长距离输送，然后进入城市门站。有条件的也有可能升压后汇入天然气输气干管。对于大中型城市，常采用中压级制管网进行输配。因此，煤层气在城市利用过程中会形成压力和温度升高的工作状况。

    压力和温度的上升将使煤层气的爆炸极限范围扩大，尤其对爆炸上限影响较大，致使有可能出现在煤层气爆炸极限范围内运行的危险情况。特别是当使用的原始煤层气组成中甲烷含量较低时，更容易产生这种情况。

    压力和温度与爆炸极限计算的相关公式，在有关文献中均有介绍…。下面将不同压力和温度下煤层气爆炸上限的计算值列于表1。

表1  煤层气在不同压力(表压)和温度下的爆炸上限计算值Tab．1 Calculated values 0f upper explosive limit 0f combedmethane under different pressures(gauge)and temperatures

 

    《城镇燃气设计规范》(GB 50028--2006)规定，城镇燃气安全运行的范围为爆炸上限的2倍以上。因此，必须根据煤层气使用过程中最高的压力和温度工况进行计算，以规范的规定限定煤层气在采气时可能出现的最低甲烷组分含量，防止安全事故的发生。以此规定计算，4T类矿井气在常温时，仅能在表压0．05 MPa下安全运行。因此，4T类矿井气较适宜于小型矿区或就近供应的小范围区域用气以及发电和工业用气。

3．3煤层气利用的经济性

    城市利用煤层气主要是作为燃料使用，因此燃气的热值直接影响城市输配设施建设的造价、运行费用、劳动生产效率和企业的经济效益。为创建节约型社会，城市采用高热值燃气输配，始终是燃气企业追求高效运作的目标。与此相应，各国燃气行业都制定了各自管网中天然气热值的准入标准…，

见表2。

  表2部分国家天然气管网规定的热值标准(低热值)

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

MJ／m。

 

    我国除应执行《城镇燃气设计规范》(GB50028--2006)对城市天然气热值的规定外，还应根据目前国内天然气主要干管利用的新疆气、陕甘宁气、青海气、四川气、沿海气、液化天然气、煤层气等各种气源以及日后有可能连通共网情况，尽快制定国家天然气管网的热值和互换性的统一标准以及城市天然气(包括煤层气)进人城市的准入标准。

3．4提高煤层气中甲烷含量的措施

    随着国家对煤层气大规模开发以及城市利用力度的加大，煤层气提浓将成为煤层气城市利用的一种发展趋势。目前，经济实用而且工艺较成熟的主要方法有以下两种。

  ①掺混提浓

  在煤层气开采时，同时可能获得甲烷体积分数>95％的高浓度煤层气和甲烷体积分数为30％～40％的浓度较低的煤矿瓦斯气，根据运行工况下爆炸极限的计算，及时混配，将甲烷含量低的煤矿瓦斯气增浓，达到安全输送及城市用气要求。

  ②变压吸附

  变压吸附(PSA)是一种节能型常规气体分离与净化技术，可以通过该技术将低浓度的煤矿瓦斯气提浓至甲烷体积分数达90％以上。变压吸附法是通过吸附剂的选择性吸附以及在较高压力下吸附容量大、在较低压力下吸附容量小的特性，使煤矿瓦斯气在高压和低压交替操作下，完成吸附和解吸再生过程，得到高浓度产品煤层气。

    据有关资料介绍，选用高效甲烷吸附剂，在O．1～0．3 MPa压力和常温下操作，可由煤矿瓦斯气制取甲烷体积分数≥90％的高浓度产品煤层气，运行成本约O．35～0．40元/_M³。