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【摘要】低浓度瓦斯是指甲烷含量小于30%的那部分瓦斯。目前我国低浓度瓦斯利用率较低。根据国家发改委和国家能源局发布的《煤层气（煤矿瓦斯）开发利用“十二五”规划》，到2015年，煤矿地下抽采瓦斯的利用率要达到60%以上。利用低浓度瓦斯生产LNG是提高低浓度瓦斯利用率的一条新的利用途径。本文主要介绍低浓度瓦斯提纯和液化制LNG技术进展，并展望低浓度瓦斯制LNG的发展前景。
【关键词】低浓度瓦斯 LNG 提纯 液化 发展前景
1 引言
煤层气是一种以吸附状态赋存于煤层中的非常规天然气，也称煤矿瓦斯，其主要成份是甲烷。根据甲烷浓度的高低，可以将煤层气分为三类：甲烷含量大于80%的那部分气体，称为煤层气；甲烷含量小于80%的那部分气体，称为煤矿瓦斯，其中，甲烷含量大于30%小于80%的称为高浓度瓦斯，甲烷含量小于30%的那部分气体，称为低浓度瓦斯；甲烷含量小于0.75%的那部分气体，称为乏风，又称煤矿风排瓦斯。
本文主要针对低浓度瓦斯进行研究，并探讨低浓度瓦斯制LNG的技术进展和发展前景。
2 低浓度瓦斯制LNG的技术进展
低浓度瓦斯制LNG的关键技术为低浓度瓦斯提纯技术及天然气液化技术。
2.1 LNG的概念解析
天然气是一种混和物，主要成分有甲烷、氮及C2～C5的饱和烷烃，另外还含有微量的氦、二氧化碳及硫化氢等。在常压下，当冷却至约-162℃时，天然气则由气态变成液态，称为液化天然气（Liquefied Natural Gas，简称LNG）。通过制冷液化后，LNG就成为含甲烷（96%以上）和乙烷（4%）及少量C3～C5烷烃的低温液体。换句话来说，LNG是由天然气转变的另一种能源形式。
2.2 低浓度瓦斯提纯技术
对于低浓度瓦斯的提浓，目前，在实验性生产装置上获得成功的方法有膜分离法、变压吸附法（PSA）和真空变压吸附法（VPSA）等。
膜分离法是用高分子中空纤维膜作为选择障碍层，利用膜的选择性（孔径大小），以膜的两侧存在的能量差作为推动力，允许某些组分穿过而保留混合物中其它组分，从而达到分离目的的技术。该方法缺点是在处理煤矿瓦斯时，需要对处于爆炸极限范围的瓦斯进行加压，自5kPa左右加压至0.6MPa以上，很容易发生爆炸。
变压吸附法（PSA）是利用吸附剂对不同物质的吸附能力、速度和容量的不同，以及吸附剂对混合气体中各种组分的吸附容量随压力而变化的物理特性，采用自动控制阀门开关，自动实现升压吸附、降压解析的气体分离技术。该技术仍需对原料气进行升压，也不适合用于煤矿瓦斯提纯。
真空变压吸附法（VPSA）是利用固体吸附剂对气体组份吸附的明显选择和扩散性的差异，通过气源在接近常压下做周期性、在不同的吸附器中循环变化，其解吸（或再生）采用真空抽吸的方式来实现气体的分离技术。该技术对原料气不需要加压，在进行瓦斯提纯时，低浓瓦斯在常压下被吸附后，采用抽真空方式提高瓦斯纯度，即利用抽真空的办法降低被吸附组分的分压，使被吸附的组分（CH4）在负压下解吸出来。目前在制富氧、制CO2等工业装置上有成功的应用。
煤矿低浓度瓦斯提纯一般采用真空变压吸附法（VP-SA），一般，经过二级提浓后，CH4浓度可以达到90%以上。可以送至天然气液化装置生产LNG。
2.3 天然气液化技术
天然气液化主要有阶式制冷循环、混合冷剂制冷循环和膨胀机制冷循环这几种工艺。阶式制冷技术适合于大规模的液化项目，膨胀机制冷技术适合于小规模的液化项目，混合冷剂制冷循环技术则适用于中小型的项目。混合冷剂制冷技术工艺简单，设备少，能耗低，适应性强，操作灵活，开停车方便，技术先进、成熟，在我国在建和已建成的天然气制LNG项目中得到了普遍应用。
煤矿瓦斯液化与煤层气液化有所不同的是，煤矿瓦斯经过净化处理之后，可以使用分离出来的氮气作为单一冷剂来实现制冷循环的目的。
3 低浓度瓦斯制LNG技术的应用
2011年4月12日，由中国煤炭科工集团重庆研究院、重庆能源集团松藻煤电公司、中国科学院理化技术研究所三家单位共同建设的国内首套低浓度瓦斯深冷液化工业化试验装置在松藻煤电公司逢春煤矿建成，该装置采用国际先进的MRC混合制冷工艺（深冷精馏法），在-182度的低温和0.3MP的低压下同步进行含氧瓦斯的分离和液化，每天能处理甲烷含量为29%～31%的低浓度瓦斯（瓦斯）4800立方米，生产液化甲烷气（LNG）1.1吨。瓦斯液化提纯后，其体积缩小为原来的1/625，甲烷浓度达到99%以上，达到工业和民用使用标准。甲烷回收率98.75%，综合电耗为2.8kWh/m3。该项目创新性地提出并形成了一套以湿法脱碳、分子筛脱水，以混合冷剂制冷、在低温低压下同时液化与分离含氧瓦斯中的CH4、O2和N2的技术方法，研制出了4800m3/d低浓度瓦斯含氧液化中试装置和含氧瓦斯液化冷箱等关键设备。
2010年8月2日，盘江煤电（集团）有限责任公司关于实施低浓度瓦斯提纯利用工业化示范项目的请示得到了贵州省能源局（黔能源发[2010] 437号）的批复。该项目总投资为4500万元。项目工艺技术方案采用真空变压吸附（vpsa）法，对16%以上浓度煤矿瓦斯进行脱氧提纯。本项目采用煤矿瓦斯气一段提浓，二段提浓和储存三个工序，确保产品质量。项目建成后，低浓度瓦斯耗量约9600万Nm3/a（经脱氧提纯后形成纯CH4 1536萬Nm3/a）；主要产品为符合国家天然气标准GB17820-1999要求、烃含量≥95%（v）的工业天然气，产能为1428.4万Nm3/a天然气，约合10541.6t/a。
2012年9月，全国首套“低浓度瓦斯提纯制LNG”项目——山西瑞阳煤层气公司含氧煤层气液化5万吨/年LNG项目一期“低浓度瓦斯提纯制CNG”项目在山西省昔阳县寺家庄矿一次性试运行成功，各项指标均达到或超过设计标准。该项目是阳煤集团低浓度瓦斯开发利用的创新项目，是山西省国资委监管的2012年重点项目。
4 低浓度瓦斯制LNG技术的发展前景
天然气作为一种清洁能源在我国的能源消费中的比例逐渐提高，未来我国天然气的供应缺口非常大，发展低浓度瓦斯制LNG技术具有较好的市场前景。
甲烷气体被液化后，体积将缩小为原来的1/625，运输成本比压缩气体低，与管道输送相比，液化运输更为灵活和方便。
虽然目前我国低浓度瓦斯制LNG技术已经达到了国际先进水平，但离大规模应用还有一定距离。要积极关注中试装置和工业化示范装置的运行，积累经验，稳步推进低浓度瓦斯制LNG的工业化大规模应用。积极发展低浓度瓦斯制LNG技术，不仅可以充分利用能源，减少环境污染，而且对煤矿企业也能产生较好的经济效益。
5 结语
利用低浓度瓦斯生产LNG是提高低浓度瓦斯利用率的一条新的利用途径。低浓度瓦斯制LNG技术先进，前景较好。应结合工业化示范装置的运行经验，稳步推进低浓度瓦斯制LNG的工业化大规模应用。
参考文献
[1] 龙伍见.我国煤矿低浓度瓦斯利用技术研究现状及前景展望[J].矿业安全与环保，2010（8）
[2] 张增平.煤矿低浓瓦斯提纯技术及经济性分析[J].中国煤层气，2010（2）
[3] 何翌，刘春华，孟尚.煤层气/煤矿瓦斯的净化和液化技术[C].2009第九届国际煤层气论坛论文集，2009（11）
【关键词】低浓度瓦斯 LNG 提纯 液化 发展前景
1 引言
煤层气是一种以吸附状态赋存于煤层中的非常规天然气，也称煤矿瓦斯，其主要成份是甲烷。根据甲烷浓度的高低，可以将煤层气分为三类：甲烷含量大于80%的那部分气体，称为煤层气；甲烷含量小于80%的那部分气体，称为煤矿瓦斯，其中，甲烷含量大于30%小于80%的称为高浓度瓦斯，甲烷含量小于30%的那部分气体，称为低浓度瓦斯；甲烷含量小于0.75%的那部分气体，称为乏风，又称煤矿风排瓦斯。
本文主要针对低浓度瓦斯进行研究，并探讨低浓度瓦斯制LNG的技术进展和发展前景。
2 低浓度瓦斯制LNG的技术进展
低浓度瓦斯制LNG的关键技术为低浓度瓦斯提纯技术及天然气液化技术。
2.1 LNG的概念解析
天然气是一种混和物，主要成分有甲烷、氮及C2～C5的饱和烷烃，另外还含有微量的氦、二氧化碳及硫化氢等。在常压下，当冷却至约-162℃时，天然气则由气态变成液态，称为液化天然气（Liquefied Natural Gas，简称LNG）。通过制冷液化后，LNG就成为含甲烷（96%以上）和乙烷（4%）及少量C3～C5烷烃的低温液体。换句话来说，LNG是由天然气转变的另一种能源形式。
2.2 低浓度瓦斯提纯技术
对于低浓度瓦斯的提浓，目前，在实验性生产装置上获得成功的方法有膜分离法、变压吸附法（PSA）和真空变压吸附法（VPSA）等。
膜分离法是用高分子中空纤维膜作为选择障碍层，利用膜的选择性（孔径大小），以膜的两侧存在的能量差作为推动力，允许某些组分穿过而保留混合物中其它组分，从而达到分离目的的技术。该方法缺点是在处理煤矿瓦斯时，需要对处于爆炸极限范围的瓦斯进行加压，自5kPa左右加压至0.6MPa以上，很容易发生爆炸。
变压吸附法（PSA）是利用吸附剂对不同物质的吸附能力、速度和容量的不同，以及吸附剂对混合气体中各种组分的吸附容量随压力而变化的物理特性，采用自动控制阀门开关，自动实现升压吸附、降压解析的气体分离技术。该技术仍需对原料气进行升压，也不适合用于煤矿瓦斯提纯。
真空变压吸附法（VPSA）是利用固体吸附剂对气体组份吸附的明显选择和扩散性的差异，通过气源在接近常压下做周期性、在不同的吸附器中循环变化，其解吸（或再生）采用真空抽吸的方式来实现气体的分离技术。该技术对原料气不需要加压，在进行瓦斯提纯时，低浓瓦斯在常压下被吸附后，采用抽真空方式提高瓦斯纯度，即利用抽真空的办法降低被吸附组分的分压，使被吸附的组分（CH4）在负压下解吸出来。目前在制富氧、制CO2等工业装置上有成功的应用。
煤矿低浓度瓦斯提纯一般采用真空变压吸附法（VP-SA），一般，经过二级提浓后，CH4浓度可以达到90%以上。可以送至天然气液化装置生产LNG。
2.3 天然气液化技术
天然气液化主要有阶式制冷循环、混合冷剂制冷循环和膨胀机制冷循环这几种工艺。阶式制冷技术适合于大规模的液化项目，膨胀机制冷技术适合于小规模的液化项目，混合冷剂制冷循环技术则适用于中小型的项目。混合冷剂制冷技术工艺简单，设备少，能耗低，适应性强，操作灵活，开停车方便，技术先进、成熟，在我国在建和已建成的天然气制LNG项目中得到了普遍应用。
煤矿瓦斯液化与煤层气液化有所不同的是，煤矿瓦斯经过净化处理之后，可以使用分离出来的氮气作为单一冷剂来实现制冷循环的目的。
3 低浓度瓦斯制LNG技术的应用
2011年4月12日，由中国煤炭科工集团重庆研究院、重庆能源集团松藻煤电公司、中国科学院理化技术研究所三家单位共同建设的国内首套低浓度瓦斯深冷液化工业化试验装置在松藻煤电公司逢春煤矿建成，该装置采用国际先进的MRC混合制冷工艺（深冷精馏法），在-182度的低温和0.3MP的低压下同步进行含氧瓦斯的分离和液化，每天能处理甲烷含量为29%～31%的低浓度瓦斯（瓦斯）4800立方米，生产液化甲烷气（LNG）1.1吨。瓦斯液化提纯后，其体积缩小为原来的1/625，甲烷浓度达到99%以上，达到工业和民用使用标准。甲烷回收率98.75%，综合电耗为2.8kWh/m3。该项目创新性地提出并形成了一套以湿法脱碳、分子筛脱水，以混合冷剂制冷、在低温低压下同时液化与分离含氧瓦斯中的CH4、O2和N2的技术方法，研制出了4800m3/d低浓度瓦斯含氧液化中试装置和含氧瓦斯液化冷箱等关键设备。
2010年8月2日，盘江煤电（集团）有限责任公司关于实施低浓度瓦斯提纯利用工业化示范项目的请示得到了贵州省能源局（黔能源发[2010] 437号）的批复。该项目总投资为4500万元。项目工艺技术方案采用真空变压吸附（vpsa）法，对16%以上浓度煤矿瓦斯进行脱氧提纯。本项目采用煤矿瓦斯气一段提浓，二段提浓和储存三个工序，确保产品质量。项目建成后，低浓度瓦斯耗量约9600万Nm3/a（经脱氧提纯后形成纯CH4 1536萬Nm3/a）；主要产品为符合国家天然气标准GB17820-1999要求、烃含量≥95%（v）的工业天然气，产能为1428.4万Nm3/a天然气，约合10541.6t/a。
2012年9月，全国首套“低浓度瓦斯提纯制LNG”项目——山西瑞阳煤层气公司含氧煤层气液化5万吨/年LNG项目一期“低浓度瓦斯提纯制CNG”项目在山西省昔阳县寺家庄矿一次性试运行成功，各项指标均达到或超过设计标准。该项目是阳煤集团低浓度瓦斯开发利用的创新项目，是山西省国资委监管的2012年重点项目。
4 低浓度瓦斯制LNG技术的发展前景
天然气作为一种清洁能源在我国的能源消费中的比例逐渐提高，未来我国天然气的供应缺口非常大，发展低浓度瓦斯制LNG技术具有较好的市场前景。
甲烷气体被液化后，体积将缩小为原来的1/625，运输成本比压缩气体低，与管道输送相比，液化运输更为灵活和方便。
虽然目前我国低浓度瓦斯制LNG技术已经达到了国际先进水平，但离大规模应用还有一定距离。要积极关注中试装置和工业化示范装置的运行，积累经验，稳步推进低浓度瓦斯制LNG的工业化大规模应用。积极发展低浓度瓦斯制LNG技术，不仅可以充分利用能源，减少环境污染，而且对煤矿企业也能产生较好的经济效益。
5 结语
利用低浓度瓦斯生产LNG是提高低浓度瓦斯利用率的一条新的利用途径。低浓度瓦斯制LNG技术先进，前景较好。应结合工业化示范装置的运行经验，稳步推进低浓度瓦斯制LNG的工业化大规模应用。
参考文献
[1] 龙伍见.我国煤矿低浓度瓦斯利用技术研究现状及前景展望[J].矿业安全与环保，2010（8）
[2] 张增平.煤矿低浓瓦斯提纯技术及经济性分析[J].中国煤层气，2010（2）
[3] 何翌，刘春华，孟尚.煤层气/煤矿瓦斯的净化和液化技术[C].2009第九届国际煤层气论坛论文集，2009（11）