煤层气分离与液化技术工业化实验成功之路
煤层气：新兴产业之梦
8月8日下午去山西之前，同事提醒：不要想在山西看到蓝天白云——我国的这一重要产煤省一年365天都是灰蒙蒙的。但傍晚到达山西阳泉时，在灰暗的天空下，记者们听到了一个在其他地方无法听到的美妙构思：“我们想让烟囱里开出鲜花！”
说这句话的人是民营企业北京赞成国际投资有限公司董事长刘宁。
他是不是在说梦话？他的梦能实现吗？
在接下来的采访中，记者发现，刘宁的梦正在一步步变成现实。
刘宁介绍，北京赞成国际投资有限公司一直以经营商业地产和开发文化项目为主，近年来获得了丰厚的回报。而公司也希望投资具有社会效益和长远利益的项目，因此从2004年起开始关注煤层气（俗称“瓦斯”）的开发和应用，并曾与一家设计院合作，希望采用燃烧的方法脱除含氧煤层气中的氧气，结果不理想，但并未放弃。
他说：“当我从网上发现中科院理化技术研究所的低温精馏技术可应用于煤层气的开发利用时，立即联络了理化所的相关人员。很快，我与该所副研究员张武谈到了他的研究小组的低温系统关键技术可作为含氧煤层气低温分离与液化的方案。大家都认为这种技术可以对煤层气进行同步分离和液化。我们几乎是一拍即合。一方出资，一方‘出力’，马上就开始着手实验工作。”
他们为何看好含氧煤层气技术的研发？
中科院理化技术研究所所长刘新厚介绍，煤层气产业是近20多年来在世界上崛起的新兴产业。煤层气是一种以吸附状态为主、生成并储存于煤层及其围岩中的甲烷气体，发热量大于8100大卡/立方米；与常规天然气成分大体相同，煤层气主要由95%以上的甲烷组成，另外5%的气体一般是二氧化碳或氮气，天然气成分也主要是甲烷，其余的成分变化较大；用途也相同，均是优质能源和化工原料，可以混输混用。
它们的不同之处是：煤层气基本不含碳二以上的重烃，产出时不含无机杂质，天然气一般含有大量含碳二以上的重烃，产出时含无机杂质；在地下存在方式不同，煤层气主要是以大分子团的吸附状态存在于煤层中，而天然气主要是以游离气体状态存在于砂岩或灰岩中等。
因此，开发利用煤层气不仅可从根本上防止煤矿瓦斯事故的发生、改善煤矿安全生产，还可变害为宝，把煤炭开采过程中产生的煤层气有效利用，在一定程度上改善我国的能源结构，增加洁净的气体能源，弥补我国常规天然气在地域分布和供给量上的不足。有资深专家早就提出，21世纪是煤层气大发展的时代，煤层气是我国常规天然气最现实、可靠的替代能源。
此外，开发利用煤层气可以有效减排温室气体、改善大气环境。据联合国统计，我国每年因采煤向大气排放的甲烷气体达190亿立方米，约占我国工业生产甲烷排放量的1/3，已引起国际社会的普遍关注。开发利用煤层气，对改善环境意义非同小可。
梦想成真：低温精馏探路
据张武介绍，为了开发利用煤层气，目前国际上的主要在研技术有4种：变压吸附法、膜分离法、燃烧脱氧法和低温分离法。
研究人员通过若干年的探索发现，采用变压吸附法是让吸附质在较高压力下进行吸附操作，然后降低压力使吸附质脱附，用部分产品气作为脱附冲洗气。吸附过程是在压力下进行的，再生冲洗一般在常压下进行。变压吸附具有能耗低、脱附时间短、操作方便等优点，但其产品回收率比较低，只有40%～50%，因为吸附层中存在空隙，吸附时空隙中贮存的产品气体在脱附阶段被排放而损失掉，而且还需要用部分产品气做冲洗之用。
产品纯度和回收率之间存在矛盾，提高回收率，则纯度又下降。因此对含氧煤层气的分离，采用这种方法不够经济。
薄膜分离法有不少优点，不需要发生相态的变化，设备简单，占地面积小，可连续运行。但气体各组分对薄膜的渗透能力不同，其渗透量与组分的渗透系数有关、与渗透膜的面积有关、与膜两侧的气体组分的分压差也有关。在分离中造成了产品气的损失，而且过高的压力会对混合气产生安全隐患，不适合在煤矿采用。
燃烧的方法与前两种方法相比，脱氧较为彻底，可以将含氧量降到0.5%以下。可缺点是设备比较复杂，在燃烧过程中还会增加原料气中的CO2、CO、SO2以及H2S的含量。煤层气通常含CO2很少，仅0.2%～0.5%，有的完全不含硫化物，可以用分子筛在脱水的同时就把CO2脱除。如果采用燃烧法脱氧，脱氧以后，又需要增加一套复杂的脱CO2、硫化物的醇胺脱酸设备，不仅增加了设备投资、增加了能耗，而且使操作更加不便，也不适合在煤矿采用。
低温分离法的原理是先将气体混合物冷凝为液体，然后再按各组分蒸发温度的不同将它们分离，是最适合含氧煤层气分离的方案。首先，这种方案分离的产品纯度最高；其次，这种方案比较安全，分离过程在低压和低温下进行，即使处在甲烷的燃烧爆炸范围内也不容易产生燃烧和爆炸；第三，这种方案最经济，因为要想生产液化天然气（LNG），就必须把原料气的温度降到甲烷液化温度，在降温的过程中进行低温分离，可以同时分离和脱除氧、氮，不需为脱除氧、氮增加额外的能耗。而其他方法或者需要增加能耗，或者需要损失一部分原料气，有的还增加了酸性气体的含量，增加了气体净化投资，且只能脱氧，不能同时脱氮。而低温分离法可以同时分离和脱除氧、氮。
已经申请国家发明ZL的中科院理化技术研究所研究员杨克剑告诉记者，甲烷的临界温度为190.7K，也就是说，至少要在-82.45℃以下，并加压到46.4 bar，它才能变成液体。如果在大气压下，其液化温度则是-161.5℃。因此煤层气的液化只能在低温下实现。煤层气的制冷、液化流程与天然气一样，有复叠式制冷液化循环、混合制冷剂制冷液化循环、带膨胀机的制冷液化循环等。含氧煤层气通常压力很低，只是微正压，在液化分离过程中能生产出部分纯氮，正好可以弥补氮气制冷循环制冷剂的泄漏。
鼓励政策：催生新兴产业加速发展
当实验室完成实验后，北京赞成国际投资公司和中科院理化技术研究所希望将成果进一步应用于煤矿。它们在全国各地寻求第三方进行合作，以便把实验室技术进行扩大中试。然而，几年前，它们的实验室技术难以得到企业的支持。因为了解这一技术的煤矿很少，且当时国家并未像现在这样强调节能减排。对煤矿企业而言，使用这一技术比直接挖煤出售难得多，还需要培养一批技术人员。
最近几年，随着改善环境的呼声提高、中央政府的重视，我国有关部门从不同层面和角度制定了一系列鼓励发展煤层气产业的政策。如《中华人民共和国煤炭法》第35条规定，“国家鼓励煤矿企业开发利用煤层气”；财政部、国家税务总局制定了增值税优惠政策，规定中外合作开采陆上煤层气按实物征收5％的增值税，不抵扣进项税额；自营开采陆上煤层气增值税实行先征后返的政策，即按13％的税率征收，返还8个百分点等。
2007年，北京赞成国际投资公司、中科院理化技术研究所终于和山西阳煤集团达成协议，共同开展日处理4300立方米煤层气工业装置实验。
在三方共同努力下，山西阳泉的双塔实验装置于2007年7月建成，技术人员分别对各部分单体设备进行了调试。
“8月4日上午，进行了第一次联合调试。氮气压缩机启动了，透平膨胀机开始预冷。晚上8时许，煤层气实验设备的冷箱及分离塔的温度降到了零下170摄氏度以下，开始向塔内送入甲烷含量为35%的含氧煤层气；晚上10时，甲烷塔开始积液。装置中的液体甲烷浓度分析显示仪显示的甲烷浓度逐渐升高，当浓度稳定地显示达到100%时，在场的试验人员欢呼起来……这样一种全新的试验装置，能在第一次联调就调试出合格的液化天然气产品，这是项目组全体人员辛勤劳动的结果，也是地方各级政府大力支持、各协作单位大力配合的结果！”一直守在实验现场的张武十分激动地向记者描述。
这就是8月8日引起媒体普遍关注的首次在我国实验成功的工业化分离、液化含氧煤层气技术。据悉，合作三方将以最快速度研制更大规模的煤层气装置。可以预见，在不久的将来，科学家的尖端技术与独具慧眼的企业资本结合，将使经济效益、社会效益显著的煤层气开发利用技术在煤矿广泛使用，黑色的煤矿不再释放出污染大气的温室气体，而会遍开地球上最具想象力的花朵。
