国内外煤层气利用现状及技术途径分析.pdf

第28卷 第4期 2010年7月 石化技术与应用 Petrochemical Technology 国内煤层气开发利用处于起步阶段,在满足燃料市场需求的同时,应加大技术创新,重点研究煤层气制 合成气、 甲醇新型下游产品如烯烃、 二甲醚以及煤层气制氢气、 乙二醇等技术,实现煤层气资源合理有效 利用;深入研究低浓度煤层气脱氧及浓缩技术,为煤层气综合利用创造条件;煤矿企业应与资金、 技术雄 厚的石油天然气公司联合,采取“ 先采气、 后采煤 ” 开发模式,实现煤层气开发利用的快速发展。 关键词煤层气;甲醇;合成气;烯烃;二甲醚;氢气;乙二醇 中图分类号 P 618. 11 文献标识码A 文章编号 1009 - 00452010 04 - 0341 - 06 煤层气俗称瓦斯,是与煤伴生、 共生的气体 资源,主要成分是CH4,是一种潜在的洁净能源, 蕴藏量极为丰富。据国际能源机构 IEA估计, 全球陆上煤田埋深于2 km的煤层气资源量约为 2610 13m3 ,是常规天然气探明储量的2倍多;全 球可采煤层气储量已达13. 7810 13m3。其中 ,俄 罗斯、 加拿大、 中国、 美国、 澳大利亚等国煤层气 储量均超过110 13 m 3。 我国煤层气资源丰富,位居世界第三第一 俄罗斯,第二加拿大。据国内最新一轮评价结 果2005年 [1 ] ,全国煤层埋深2 km以浅的煤层 气资源量为36. 810 12 m 3 ,与常规陆上天然气资 源量基本相当,其中可采资源量为10. 87 10 12m3 ,主要分布在华北、 西北及南方地区,分别 占全国资源总量的56. 3 , 28. 1 , 14. 3;东北 地区煤层气资源较少,仅占1. 3。按照含气盆 地煤层气资源量赋存情况,鄂尔多斯、 沁水、 准噶 尔、 二连、 滇东黔西、 吐哈等盆地的资源总量均超 过110 12 m 3 ,在全国位居前列。由于中东部地 区天然气资源缺乏,煤层气储量相对丰富,而西 部地区天然气资源丰富,煤层气资源相对较少, 因此,我国煤层气与常规天然气资源具有一定的 互补性。 煤层气既是清洁燃料和化工原料,也是一种 强温室气体,其温室效应是CO2的21倍,更是煤 矿安全事故的“ 杀手 ” 。开发利用煤层气资源,对 于调整我国能源结构、 形成煤层气新型能源产 业、 改善煤矿安全生产条件、 减少瓦斯事故以及 温室气体排放,具有十分重要的意义。 1 国内外主要国家煤层气开发利用现状 ① 根据开采方式的不同,可将煤层气分为地面 钻井开采的煤层气和煤矿井下抽采煤层气2种。 地面钻井开采的煤层气是在采煤之前利用地面 井开采出的煤层气,其特点是CH4含量高,一般 体积分数不小于90 ,并且开采规模大,产量稳 定,煤层气采出后经脱水等处理后即可直接输入 天然气管道,与天然气共混共输。井下抽采煤层 气主要是为了保证煤矿安全生产而抽出的,是在 煤炭开采中和开采后从煤体及围岩中抽取的煤 层气,这种煤层气由于混入大量空气致使煤层气 稀释,也称含氧煤层气,其CH4含量较低,体积分 数一般在20～60甚至更低,其他主要成分为 N2,O2, CO2等,为保证含氧煤层气远距离输送的 安全性和经济性,须进行脱氧、 脱氮等提浓处理, 将煤层气浓缩到CH4体积分数在95以上。 ①收稿日期 2010 - 02 - 11;修回日期 2010 - 05 - 17 作者简介黄格省1965 , 男,陕西凤翔人,高级工程师,主 要从事炼油化工及煤层气领域战略信息研究。 1. 1 国外煤层气开发利用现状 自20世纪70年代末至80年代初美国率先 成功开采煤层气以来,世界各国竞相开发煤层 气 [2 - 5 ]。经过多年发展 ,煤层气产业正在世界范 围内形成。目前全球共有30多个国家和地区进 行了煤层气的勘探与开发,但仅有美国、 加拿大 和澳大利亚等少数国家形成工业化规模开采。 目前,用煤层气发电和作为民用燃料比较普遍。 美国主要是将煤层气注入天然气管道系统煤层 气允许进入天然气管道的条件是CH4体积分数 要高于95 ,除此之外,还用来生产汽车燃料及 合成氨、 甲醇等。德国、 法国、 加拿大、 俄罗斯、 澳 大利亚和日本都是主要用来发电。印度和英国 则主要把煤层气用于发电或汽车燃料CNG。 目前许多国家对煤层气开发给予税收优惠 等方面的政策支持。美国对煤层气的帮扶政策 及措施最为完善和有效。首先,对煤层气生产实 行税收优惠和补贴,大大减轻了煤层气生产的风 险;还分别针对各地具体情况制定专门法规,以 鼓励和保护商家对煤层气投资的兴趣。在煤层 气营销方面,美国政府实施天然气管道市场开放 政策,使开发商生产的煤层气能自由通过全国天 然气管道直接进入用户。英国、 波兰、 俄罗斯、 乌 克兰和印度等国,也都采取税收优惠和补贴政策, 支持和鼓励本国煤层气产业发展。可以看出,煤层 气产业已受到各国普遍重视,但煤层气产业发展方 兴未艾,整体上处于开发利用的初级阶段。 1. 2 我国煤层气开发利用现状 2008年,我国煤矿井下煤层气抽采量53 10 8 m 3 ,地面煤层气开采量7. 510 8 m 3 ;至 2009年,我国已建成地面煤层气产能2510 8 m 3。 2010年地面煤层气产能力争达到3510 8 m 3 ,产 量210 9 m 3。 2020年产量310 10m3; 2030年产量 510 10m3 ,与美国现阶段产量相当。煤层气开采 企业主要有中国石油煤层气勘探开发公司、 中联煤 层气公司、 晋城煤业集团等;在华国外企业主要有 美国格瑞克公司、 远东能源公司等。 在煤层气地面开采利用方面,中国石油天然 气集团公司已经率先在山西沁水将地面开采的 煤层气送入西气东输主干线,年产能610 8 m 3 , 实现煤层气与天然气共输共用。其他地面开采 的煤层气主要用于矿区及周边地区民用燃料、 工 业燃料以及汽车燃料、 生产炭黑等。山西太原、 晋城、 长治等地已经建成多座煤层气加气站,部 分出租车已改用压缩煤层气CNG [6]。 在矿井抽放的煤层气利用方面,其CH4体积 分数在30以下的低浓度煤层气数量占60以 上。这部分煤层气不能直接利用作民用和工业 燃料,也难以作为CNG和LNG项目的原料,但作 为发电燃料可以大幅增加煤层气利用率,具有一 定的经济效益和良好的环境效益。近几年来,我 国煤层气发电特别是用低浓度煤层气 CH 4体积 分数为6以上发电技术进展较快, 2009年全 国瓦斯发电机组已超过1 200台,总装机容量达 到9210 4 kW,其中,国产发电机组占70 ,进口 机组占30。世界最大规模、 总装机容量12 10 4 kW的山西晋城煤业集团公司寺河瓦斯发电 厂,年利用煤层气1. 810 8 m 3 折纯 [7 ]。 2 煤层气利用的主要技术途径 2. 1 煤层气用作燃料 煤层气与煤炭相比具有热值高、 污染小、 使 用安全等特点,且不需庞大的净化处理装置,不 腐蚀、 不堵塞输气设备,因而可作为民用和工业 燃料、 发电及汽车燃料。煤层气作为民用燃料已 得到广泛应用;作为工业燃料主要用于发电厂、 加工业。不同型号的煤层气发电机设备可以利 用不同浓度的煤层气。煤层气发电可以使用直 接燃用煤层气的往复式发动机和燃气轮机,也可 用煤层气作为锅炉燃料,利用蒸汽发电。煤层气 可替代煤炭作为玻璃厂和冶炼厂的洁净燃料,不 仅成本低,热值高,而且有利于改善环境,提高产 品质量。 汽车用CNG的技术指标为CH4体积分数必 须达到90～100 , C2以上的烷烃体积分数不 超过6. 5。 高浓度煤层气中CH4成分占绝对优 势,低浓度煤层气浓缩后CH4体积分数可达 95以上, C2以上的烷烃含量极少,因此,煤层 气非常适合于生产汽车用CNG,用以代替汽油, 提高燃烧效率,降低燃烧排放,减轻环境污染,而 且价格比汽油便宜。 2. 2 用作化工原料生产C1化工产品及合成油 2. 2. 1 生产合成气 目前工业上制合成气主要采用烃类水蒸气 243石 化 技 术 与 应 用 第28卷 转化工艺。该工艺投资大、 能耗高,所得合成气 的H2/CO比摩尔比,下同较高,适合于合成氨 及制氢,而不适用于甲醇合成和费-托合成等过 程。因此,近年来国内外对合成气相关新工艺、 新催化剂的研发异常活跃,主要研究内容有CH4 催化部分氧化、CH4- CO2临氧自热转化及CH4水 蒸气O2混合转化等 [8 ]。其中 CH4水蒸气O2混 合转化反应指在同一个反应器内同时进行CO2 转化、CH4水蒸气转化以及CH4部分氧化3种反 应,即三重整反应 , 由于具有过程能效高、 合成 气H2/CO值适宜、 缓解催化剂积炭的优点,有望 在大量CH4/CO2/H2O排放场合得到应用。 三重整工艺制合成气是未来煤层气利用的 一个重要方向。由于井下抽放煤层气中含有大 量的CH4、 空气以及少量的CO2,因此,可直接以 煤层气为原料,辅以少量的水蒸气进行CH4三重 整反应,以实现廉价合成气的生产。国内外近年 来对该工艺的研究取得了长足进展, CH4和CO2 的转化率、H2与CO的收率均很高,同时对流化 床反应器的研究也取得较大进展。但由于该反 应是在较高的温度850℃下进行,反应过程中 涉及复杂的氧化与还原反应,催化剂本身在高温 反应时会逐渐发生变化,因此要实现工业化应用 还有很多工作要做。 2. 2. 2 生产合成氨 目前生产合成氨的原料主要有天然气、 油田 伴生气、 石脑油、 重油和煤,其中以天然气和油田 伴生气为原料的合成氨产量占世界合成氨总产 量的84 我国仅占20 ,主要工艺有美国 Kellogg公司的节能型工艺和KAAP工艺,美国 Braun公司的低能耗低成本深冷净化工艺,美国 I CI公司的AMV节能型工艺和LCA工艺等。煤 层气富含CH4,一般很少含硫,完全可以像天然 气一样用作生产合成氨所需的氢气,在技术上不 会存在问题。 2. 2. 3 生产甲醇及其新型下游产品烯烃、 二 甲醚 1生产甲醇 全球有70以上的甲醇是以天然气为原料 经合成气生产的,其余是以煤为原料生产的。生 产方法分为高压法19. 6～29. 4 MPa、 低压法 5. 0～ 8. 0MPa和中压法 9. 8～ 12. 0MPa。目 前世界上主要采用低压法和中压法两种工艺,以 低压法为主。低压法中以I CI工艺和Lurgi工艺 为代表。目前ICI工艺在全球应用最广,适合以 天然气为原料制甲醇。天然气生产甲醇投资虽 低,但成本偏高。而用煤层气为原料生产甲醇从 资源利用及经济性方面来看都具有可行性。 煤层气中CH4转化制合成气工艺有催化氧 化或非催化部分氧化两种工艺,催化氧化法对转 化前的煤层气净化要求很高,一般需脱除H2S,有 机硫化物须达到0. 1μg/g以下,才能满足在镍催 化剂下将CH4转化成CO H2,而且工艺流程长、 投资大;而采用非催化部分氧化法,煤层气不需 净化,在常压下直接进行转化,同时昂贵的ZnO 脱硫剂用量少,工艺技术成熟可靠。根据国内有 关单位对利用鄂尔多斯煤层气生产甲醇 2 套 50万t/a装置设计结果 [9 ] ,采用煤层气非催化 部分氧化合成甲醇工艺,每t甲醇消耗煤层气 1 750 m 3 折纯 , 计入各项费用,若煤层气价格按 0. 5元/m 3 ,则甲醇生产成本为1 020元/ t。按照 目前甲醇2 300元/a计,具有一定的赢利空间。 该装置每年操作时间按8 000 h计消耗CH4体 积分数为80煤层气1410 8 m 3 ,可见只有充足 的煤层气原料才能维持装置稳定运行。 近年来,我国甲醇产能扩张过快,加之进口 甲醇的冲击,甲醇供应出现严重过剩,致使甲醇 装置开工率很低, 2009年不足50。为解决甲醇 出路,发展下游传统产品如甲醛、 醋酸、N, N-二 甲基甲酰胺DMF、 甲基叔丁基醚MTBE等,固 然可以增加甲醇的消费量,但这些产品本身也面 临着市场容量有限、 产能过剩的问题,因此发展 新型甲醇下游产品如甲醇制烯烃、 二甲醚等是其 主要应用方向。 2生产低碳烯烃 与天然气一样,煤层气也可作为经甲醇制低 碳烯烃MTO的原料。目前,采用天然气的MTO 工艺已经实现工业化。其代表性技术主要有以 乙烯为主产物的UOP/Hydro - MTO工艺和以丙 烯为主产物的Lurgi - MTP工艺以及Mobil - MTP 工艺,国外已建有工业示范装置,这些工艺均比 以石脑油为原料的工艺经济性好。我国中科院 大连化物所首次将SAPO - 34催化材料应用于甲 醇制烯烃的催化过程,开发了相应的催化剂和与 343 第4期 黄格省等.国内外煤层气利用现状及技术途径分析 之配套的循环流化床中试技术;利用该中试技术 在日处理甲醇50 t的工业化试验装置上实现了 近100甲醇转化率,低碳烯烃乙烯、 丙烯、 丁 烯选择性达90以上。采用大连化物所技术, 神华集团60万t/a甲醇制烯烃装置计划在 2010年9月建成投产。随着MTO技术的进步, 煤层气经甲醇制烯烃技术有望实现工业化。 3生产二甲醚 二甲醚主要用于替代LPG和柴油,生产工艺 分为二步法首先用合成气合成甲醇、 然后甲醇 脱水生成二甲醚和一步法由合成气直接合成 二甲醚 , 目前二步法我国已广泛采用,技术成熟 可靠;一步法合成二甲醚是今后发展方向,但技 术尚不成熟,有待工业化验证。制备二甲醚的原 料有煤、 煤层气、 渣油、 石油焦、 生物质等。山西 沁水地区以煤层气为原料经甲醇生产液体燃料 二甲醚 30 万 t/a 和化工产品项目已经通过国家 发改委批准立项 [10 ] ,该项目生产1 t二甲醚的煤层 气消耗量可达1 082 m 3 的先进指标,装置年用煤 层气量3. 210 8 m 3。目前我国二甲醚行业需求 增长缓慢, 2009年行业开工率不到30。这是 因为二甲醚掺混LPG的标准尚未出台,消费者对 热值低于LPG的二甲醚掺混石油气并不认可,此 外车用二甲醚也没有得到大规模的推广。 2. 2. 4 生产合成油 天然气合成油GTL技术完全适用于煤层 气。以生产中间馏分油为主要产品的GTL转化 技术,包括天然气转化制合成气,通过费托反应 将合成气转化为液体烃,产品改质三部分。目前 GTL工艺采用的合成气,绝大部分是以天然气为 原料生产的。其中以Haldor Topsoe公司的自热 转化技术为主,由于反应温度低、 耗氧少,生成的 H2/CO比为2,适合合成油反应的需要,水碳比 为0. 6,比其他自热转化技术低得多,因而装 置投资低、 效率高,是目前首推的合成气生产 技术,也是未来大型GTL厂合成气生产的基础 技术。由于费托合成新型钴基催化剂和淤浆 床反应器技术的进步,近年来GTL的投资和操 作费用已经有所降低。GTL技术最根本的问 题是其经济性,技术的可行性依赖于成本低廉 的天然气作原料 [ 11 ] ;另外合成气生成和后续 转化之间能源整合的优化,也是提高经济性的 关键之一。因此使用廉价的煤层气制合成油 比天然气具有成本上的优势。 2. 2. 5 煤层气制氢及用作燃料电池燃料 氢能以其高燃烧率、 燃烧产物洁净、 易于低 成本储存和输送以及用途多样化等突出优点,已 引起广泛关注。目前制氢的方法主要有化石燃 料水蒸气转化制氢、 电解水制氢、 光化学制氢、 生 物制氢和工业尾气制氢等。在化石燃料制氢中, 以富含CH4的天然气、 煤层气制氢最具吸引力。 近年来重点研究的制氢新方法主要有3种 1 CH4催化部分氧化法此技术开发出一 种离子交换膜制氢反应器系统。在一个反应器 内,分离空气中的O2,使O2与CH4在膜反应壁上 发生部分氧化生产H2和CO并最终收集H2。这 种技术具有潜在的高产量制氢优势 [12 ]。 2 CH4催化裂解法该法是在催化剂存在 下将CH4裂解为H2和单质碳,在裂解生成高纯 度H2的同时,还可得到高附加值的炭黑和碳纳 米管等材料,具有可观的经济价值。目前,国内 外对这一反应的催化剂、 载体、 反应条件等开展 了大量研究,但在催化剂制备、 催化反应条件控 制等方面仍需进一步探索研究 [13 ]。 3 CH4与CO2转化法与水蒸气转化相比 , 采用CH4与CO2转化制氢合成气技术不仅可 大幅降低能耗,更能将CO2这种温室气体加以利 用,具有环境、 经济双重效益。该法缺点是催化 剂易积炭而失活,其实现工业化应用的关键是要 研制 出 高 活 性、 高 选 择 性 及 高 稳 定 性 的 催 化剂 [14]。 燃料电池在发达国家已成为十分活跃的研 究领域,其主要燃料是H2,富含CH4的煤层气是 生产H2理想原料。但首要条件是要对煤层气进 行预处理,除掉其中少量的污染物质主要是硫 及其他卤素元素 , 使其进入燃料电池之前质量 分数小于310 - 6。研究表明[15] , CH4作燃料应 用于固体氧化物燃料电池 SOFC发展前景看 好,但目前存在包括阳极积炭、 反应机理、 阳极材 料催化剂、 反应热效应匹配和热平衡等许多难 题有待解决。 2. 2. 6 煤层气制乙二醇 近年来,随着我国聚酯产业的快速发展,对 原料乙二醇的需求旺盛,但国内乙二醇产能不 443石 化 技 术 与 应 用 第28卷 足,大部分依靠进口。目前工业上生产乙二醇采 用石油路线,由于石油资源日益短缺,非石油路 线生产乙二醇逐渐受到重视。非石油路线采用 以煤、 天然气、 煤层气生产合成气直接合成乙二 醇或经甲醇、 甲醛间接合成乙二醇。非石油路线 生产乙二醇目前尚未能实现工业应用,但由于生 产合成气的原料来源天然气、 煤层气、 甲醇等 丰富、 价格低廉,因此开发非石油路线合成乙二 醇,尤其是开发温和条件下以合成气为原料制乙 二醇技术非常具有吸引力。中科院福建物构所 经过多年努力,研究了合成气制乙二醇核心催化 剂关键技术,采用该所技术的煤基合成气制乙二 醇工业示范项目2010年即将实现工业化,其中 合成气制乙二醇环节是技术关键,如果取得成 功,无疑会为以煤层气为原料经合成气制乙二醇 技术的推广应用奠定基础。 3 煤层气资源利用面临的问题及建议 煤层气资源由于其巨大的蕴藏量及开发利 用价值,已引起普遍重视。但目前煤层气利用受 到诸多因素制约,主要表现在 1煤层气开采步 伐缓慢,高浓度煤层气产量低,若用来生产化工 产品则很难实现规模化 ; 2 缺乏含氧低浓度煤 层气的浓缩及安全利用技术,使这部分煤层气除 少部分利用外,其余大部分只能稀释后排空,造 成煤层气资源的极大浪费,而且加剧温室效应; 3在煤层气开发区域,缺少配套的长输管线,致 使开发与市场脱节 ; 4 煤层气化工利用进展缓 慢,不利于煤层气资源的高效利用。这些问题需 要国家有关部门从宏观层面统一规划,加强统筹 协调与指导,逐步实施加以解决。最后,提出以 下几点建议 1加大煤层气重点下游产品开发。目前国 外煤层气化工利用发展较慢,煤层气除用于发电 和作为燃料等少数领域之外,其他方面的应用还 未形成规模;国内煤层气开发利用尚处起步阶 段,今后应加大技术创新,重点研究煤层气制合 成气、 甲醇新型下游产品技术,实现煤层气资源 有效利用。当然煤层气资源不能盲目用于化工 产品生产,而是要在保障国内近年来急需的燃气 供应的同时,从化工产品的市场状况及其技术经 济分析方面考虑,有针对性地进行详细论证,确 有市场前景和经济效益的产品才值得开发。就 近几年国内甲醇市场已经饱和的实际情况而言, 研究重点应放在甲醇下游相关新型产品烯烃、 乙二醇等及煤层气制氢方面。 2加大低浓度煤层气浓缩技术研究。煤层 气的化工利用均要求其CH4体积分数达到95 以上,因此对于井下抽放的低浓度煤层气而言, 必须进行脱氧和CH4浓缩预处理,目前CH4浓缩 技术主要有低温精馏技术、 变压吸附技术、 水合 物法等,这些技术均不同程度存在一些缺点,有 待进一步深入研究。 3解决煤层气生产规模及管道输送问题。 目前国内煤层气气源分布分散,产能低、 产量小, 因此无论就地利用、 还是远距离输送都存在规模 不足的问题;实现规模化开采,还应具有与之配 套的煤层气输送管道。基于此,应尽力提高煤层 气产量及使零散气源集中的问题,同时在重点矿 区统筹建设煤层气管道设施,为煤层气规模化生 产、 输送及利用创造条件。 4加强联合开发煤层气。获得高浓度煤层 气、 实现煤层气有效利用的根本途径是采取“ 先 采气、 后采煤 ” 开发模式。煤矿行业应与资金、 技 术雄厚的石油天然气公司合作开发煤层气,借助 其在石油天然气开发方面的成熟技术和经验,在 煤层气开发利用方面实现快速发展。 参考文献 [1]中国煤层气资源分布[ EB /OL ]. 2009 - 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In foreign countries, the coal - bed gas was mainly applied to the yield of electricity generation and fuel,while its chemical utilization was developed slowly . In China, the utilization was still at its early stage. Efforts should be rted to develop novel technologies, especially those in transfor ming coal - bed gas into syngas, olefins, dimethyl ether, hydro2 gen, glycol and other down - stream chemicals . In order to utilize coal - bed gas reasonably and com2 prehensively, the deoxygenation and enriching tech2 nologies should be developed for coal - bed methane gas . The combination of coal enterprises with petro2 leum and natural gas companieswas suggested to ac2 celerate the development of coal - bed methane by extracting gas first and mining coal nextmode. Key words coal - bed gas;methanol; syngas; ole2 fins; di methyl ether; hydrogen; glycol ●简讯● 荷兰帝斯曼推出用于汽车领域的生物基工程塑料 据“ICIS, 2010 - 04 - 14” 报道,荷兰化工巨 头帝斯曼公司已经推出了其首个用于汽车部件 的生物基工程塑料产品系列。帝斯曼公司此次 推出的生物基工程塑料包括一种含70蓖麻油 基材料的冠名为EcoPaxx的聚酰胺,这种产品可 用于汽车引擎罩内的热塑性材料;同时还推出一 种含有55可再生材料的冠名为Palapreg ECO P 55 - 01的复合树脂,主要用于汽车车体部件,如 外板等。目前Palapreg ECO产品已经准备进行 商业化生产,当前已经有7～8家原始设备生产 商与该公司签署协议,计划将Palapreg ECO生物 基工程塑料用于汽车部件生产中。EcoPaxx产品 也将于2011年一季度正式对外销售。 荆门石化 庞晓华 供稿 643石 化 技 术 与 应 用 第28卷