煤層氣分離與液化技術工業化實驗成功之路
煤層氣：新興產業之夢
8月8日下午去山西之前，同事提醒：不要想在山西看到藍天白云——我國的這一重要產煤省一年365天都是灰蒙蒙的。但傍晚到達山西陽泉時，在灰暗的天空下，記者們聽到了一個在其他地方無法聽到的美妙構思：“我們想讓煙囪里開出鮮花！”
說這句話的人是民營企業北京贊成國際投資有限公司董事長劉寧。
他是不是在說夢話？他的夢能實現嗎？
在接下來的采訪中，記者發現，劉寧的夢正在一步步變成現實。
劉寧介紹，北京贊成國際投資有限公司一直以經營商業地產和開發文化項目為主，近年來獲得了豐厚的回報。而公司也希望投資具有社會效益和長遠利益的項目，因此從2004年起開始關注煤層氣（俗稱“瓦斯”）的開發和應用，并曾與一家設計院合作，希望采用燃燒的方法脫除含氧煤層氣中的氧氣，結果不理想，但并未放棄。
他說：“當我從網上發現中科院理化技術研究所的低溫精餾技術可應用于煤層氣的開發利用時，立即聯絡了理化所的相關人員。很快，我與該所副研究員張武談到了他的研究小組的低溫系統關鍵技術可作為含氧煤層氣低溫分離與液化的方案。大家都認為這種技術可以對煤層氣進行同步分離和液化。我們幾乎是一拍即合。一方出資，一方‘出力’，馬上就開始著手實驗工作。”
他們為何看好含氧煤層氣技術的研發？
中科院理化技術研究所所長劉新厚介紹，煤層氣產業是近20多年來在世界上崛起的新興產業。煤層氣是一種以吸附狀態為主、生成并儲存于煤層及其圍巖中的甲烷氣體，發熱量大于8100大卡/立方米；與常規天然氣成分大體相同，煤層氣主要由95%以上的甲烷組成，另外5%的氣體一般是二氧化碳或氮氣，天然氣成分也主要是甲烷，其余的成分變化較大；用途也相同，均是優質能源和化工原料，可以混輸混用。
它們的不同之處是：煤層氣基本不含碳二以上的重烴，產出時不含無機雜質，天然氣一般含有大量含碳二以上的重烴，產出時含無機雜質；在地下存在方式不同，煤層氣主要是以大分子團的吸附狀態存在于煤層中，而天然氣主要是以游離氣體狀態存在于砂巖或灰巖中等。
因此，開發利用煤層氣不僅可從根本上防止煤礦瓦斯事故的發生、改善煤礦安全生產，還可變害為寶，把煤炭開采過程中產生的煤層氣有效利用，在一定程度上改善我國的能源結構，增加潔凈的氣體能源，彌補我國常規天然氣在地域分布和供給量上的不足。有資深專家早就提出，21世紀是煤層氣大發展的時代，煤層氣是我國常規天然氣最現實、可靠的替代能源。
此外，開發利用煤層氣可以有效減排溫室氣體、改善大氣環境。據聯合國統計，我國每年因采煤向大氣排放的甲烷氣體達190億立方米，約占我國工業生產甲烷排放量的1/3，已引起國際社會的普遍關注。開發利用煤層氣，對改善環境意義非同小可。
夢想成真：低溫精餾探路
據張武介紹，為了開發利用煤層氣，目前國際上的主要在研技術有4種：變壓吸附法、膜分離法、燃燒脫氧法和低溫分離法。
研究人員通過若干年的探索發現，采用變壓吸附法是讓吸附質在較高壓力下進行吸附操作，然后降低壓力使吸附質脫附，用部分產品氣作為脫附沖洗氣。吸附過程是在壓力下進行的，再生沖洗一般在常壓下進行。變壓吸附具有能耗低、脫附時間短、操作方便等優點，但其產品回收率比較低，只有40%～50%，因為吸附層中存在空隙，吸附時空隙中貯存的產品氣體在脫附階段被排放而損失掉，而且還需要用部分產品氣做沖洗之用。
產品純度和回收率之間存在矛盾，提高回收率，則純度又下降。因此對含氧煤層氣的分離，采用這種方法不夠經濟。
薄膜分離法有不少優點，不需要發生相態的變化，設備簡單，占地面積小，可連續運行。但氣體各組分對薄膜的滲透能力不同，其滲透量與組分的滲透系數有關、與滲透膜的面積有關、與膜兩側的氣體組分的分壓差也有關。在分離中造成了產品氣的損失，而且過高的壓力會對混合氣產生安全隱患，不適合在煤礦采用。
燃燒的方法與前兩種方法相比，脫氧較為徹底，可以將含氧量降到0.5%以下。可缺點是設備比較復雜，在燃燒過程中還會增加原料氣中的CO2、CO、SO2以及H2S的含量。煤層氣通常含CO2很少，僅0.2%～0.5%，有的完全不含硫化物，可以用分子篩在脫水的同時就把CO2脫除。如果采用燃燒法脫氧，脫氧以后，又需要增加一套復雜的脫CO2、硫化物的醇胺脫酸設備，不僅增加了設備投資、增加了能耗，而且使操作更加不便，也不適合在煤礦采用。
低溫分離法的原理是先將氣體混合物冷凝為液體，然后再按各組分蒸發溫度的不同將它們分離，是最適合含氧煤層氣分離的方案。首先，這種方案分離的產品純度最高；其次，這種方案比較安全，分離過程在低壓和低溫下進行，即使處在甲烷的燃燒爆炸范圍內也不容易產生燃燒和爆炸；第三，這種方案最經濟，因為要想生產液化天然氣（LNG），就必須把原料氣的溫度降到甲烷液化溫度，在降溫的過程中進行低溫分離，可以同時分離和脫除氧、氮，不需為脫除氧、氮增加額外的能耗。而其他方法或者需要增加能耗，或者需要損失一部分原料氣，有的還增加了酸性氣體的含量，增加了氣體凈化投資，且只能脫氧，不能同時脫氮。而低溫分離法可以同時分離和脫除氧、氮。
已經申請國家發明ZL的中科院理化技術研究所研究員楊克劍告訴記者，甲烷的臨界溫度為190.7K，也就是說，至少要在-82.45℃以下，并加壓到46.4 bar，它才能變成液體。如果在大氣壓下，其液化溫度則是-161.5℃。因此煤層氣的液化只能在低溫下實現。煤層氣的制冷、液化流程與天然氣一樣，有復疊式制冷液化循環、混合制冷劑制冷液化循環、帶膨脹機的制冷液化循環等。含氧煤層氣通常壓力很低，只是微正壓，在液化分離過程中能生產出部分純氮，正好可以彌補氮氣制冷循環制冷劑的泄漏。
鼓勵政策：催生新興產業加速發展
當實驗室完成實驗后，北京贊成國際投資公司和中科院理化技術研究所希望將成果進一步應用于煤礦。它們在全國各地尋求第三方進行合作，以便把實驗室技術進行擴大中試。然而，幾年前，它們的實驗室技術難以得到企業的支持。因為了解這一技術的煤礦很少，且當時國家并未像現在這樣強調節能減排。對煤礦企業而言，使用這一技術比直接挖煤出售難得多，還需要培養一批技術人員。
最近幾年，隨著改善環境的呼聲提高、中央政府的重視，我國有關部門從不同層面和角度制定了一系列鼓勵發展煤層氣產業的政策。如《中華人民共和國煤炭法》第35條規定，“國家鼓勵煤礦企業開發利用煤層氣”；財政部、國家稅務總局制定了增值稅優惠政策，規定中外合作開采陸上煤層氣按實物征收5％的增值稅，不抵扣進項稅額；自營開采陸上煤層氣增值稅實行先征后返的政策，即按13％的稅率征收，返還8個百分點等。
2007年，北京贊成國際投資公司、中科院理化技術研究所終于和山西陽煤集團達成協議，共同開展日處理4300立方米煤層氣工業裝置實驗。
在三方共同努力下，山西陽泉的雙塔實驗裝置于2007年7月建成，技術人員分別對各部分單體設備進行了調試。
“8月4日上午，進行了第一次聯合調試。氮氣壓縮機啟動了，透平膨脹機開始預冷。晚上8時許，煤層氣實驗設備的冷箱及分離塔的溫度降到了零下170攝氏度以下，開始向塔內送入甲烷含量為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，當濃度穩定地顯示達到100%時，在場的試驗人員歡呼起來……這樣一種全新的試驗裝置，能在第一次聯調就調試出合格的液化天然氣產品，這是項目組全體人員辛勤勞動的結果，也是地方各級政府大力支持、各協作單位大力配合的結果！”一直守在實驗現場的張武十分激動地向記者描述。
這就是8月8日引起媒體普遍關注的首次在我國實驗成功的工業化分離、液化含氧煤層氣技術。據悉，合作三方將以最快速度研制更大規模的煤層氣裝置。可以預見，在不久的將來，科學家的尖端技術與獨具慧眼的企業資本結合，將使經濟效益、社會效益顯著的煤層氣開發利用技術在煤礦廣泛使用，黑色的煤礦不再釋放出污染大氣的溫室氣體，而會遍開地球上最具想象力的花朵。
