李 雪 飛

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司煤化工分院,北京 100013;2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室,北京 100013;3.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點實驗室,北京 100013)

0 引 言

煤層氣是以吸附狀態(tài)賦存于煤層中的非常規(guī)天然氣,主要成分是甲烷[1]。甲烷引發(fā)溫室效應(yīng)的能力是CO2的21倍。如果將煤層氣有效處理并加以利用,其燃燒熱值與天然氣相當(dāng),而且潔凈不產(chǎn)生廢氣[2]。結(jié)合煤炭生產(chǎn)布局開展的煤層氣開發(fā)活動稱為瓦斯區(qū)煤層氣開發(fā),開發(fā)方式包括地面預(yù)抽、井下預(yù)抽、采煤過程中抽和采煤后抽等[3]。截至 “十二五”末期,我國煤層氣(煤礦瓦斯)抽采量180億m3、利用量86億m3,其中井下瓦斯抽采量136億m3、利用量48億m3,利用率35.3%。地面煤層氣產(chǎn)量44億 m3、利用量38億 m3,利用率86.4%[4]。

目前,針對井下抽采瓦斯按濃度可分為3種利用方式,即高濃度瓦斯利用(甲烷含量30% ～90%)、低濃度瓦斯利用(甲烷含量＜30%)、乏風(fēng)瓦斯利用(甲烷含量＜8%)[5]。高濃度瓦斯利用主要包括直接發(fā)電[6-8]、民用和工業(yè)燃料[9]、提純制壓縮天然氣(CNG)和液化天然氣(LNG)[10-13]等;低濃度瓦斯利用主要以發(fā)電、提純利用為主[14-19];乏風(fēng)瓦斯利用主要是蓄熱氧化利用[20-21]。為提高低濃度煤層氣利用率,需要開發(fā)不同濃度范圍的煤層氣利用技術(shù),同時進行技術(shù)經(jīng)濟分析,以提高其競爭性和市場應(yīng)用前景。本文針對低濃度煤層氣濃縮提質(zhì)制CNG技術(shù),以年產(chǎn)2 000萬Nm3壓縮天然氣項目為例,進行了技術(shù)經(jīng)濟分析評價,為該技術(shù)的推廣應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 技術(shù)選擇

煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司經(jīng)過“十一五”和“十二五”的小試研發(fā)、中試放大驗證及工業(yè)示范,成功開發(fā)了低濃度煤層氣提質(zhì)利用技術(shù),工藝流程如圖1所示。

圖1 低濃度煤層氣提質(zhì)制壓縮天然氣工藝流程Fig.1 Process of CNG production with coal-bed methane

新鮮原料氣經(jīng)過安全輸送系統(tǒng)后進入混合壓縮凈化系統(tǒng),與二級變壓吸附裝置返回的氣體混合,混合后原料氣進入煤層氣壓縮機,排氣壓力0.4～0.5 MPa,壓縮后氣體經(jīng)過濾裝置、冷干機和活性炭罐進行除塵、除水、除油處理,凈化后的煤層氣依次進入兩級變壓吸附裝置濃縮分離,變壓吸附系統(tǒng)可將原料氣CH4從35%提濃至90%以上,提濃氣體壓力0.3 MPa。尾氣中CH4含量小于5%。提濃后的煤層氣進入CNG制備系統(tǒng),經(jīng)脫水處理后進入壓縮機壓縮至25 MPa。CNG產(chǎn)品進入儲氣罐儲存供給CNG母站或子站。

工藝技術(shù)特點：① 深度脫氧。一次吸附脫氧率90%以上,O2體積分?jǐn)?shù)可從12%～14%降至約1%,后續(xù)濃縮安全可靠。② 一次壓縮多級濃縮?？山档湍芎?0%以上,減少壓縮設(shè)備投資。③ 濃縮后氣體帶壓。壓力不浪費,CNG或LNG再加工能耗低。④吸附劑效率高。裝填量小,吸附塔體積小,吸附劑總價相對便宜。⑤ 濃縮效率高。甲烷體積分?jǐn)?shù)從約30%濃縮至90%以上,吸附劑原料氣處理能力高,具有良好的抑爆及導(dǎo)靜電能力,吸附容量大,分離效率高。⑥ 產(chǎn)品方案靈活。帶壓濃縮氣可生產(chǎn)CNG、LNG,提高了項目的經(jīng)濟性及抗風(fēng)險能力。

2 工藝方案

2.1 設(shè)計基礎(chǔ)條件

原料氣總量7 500 Nm3/h,壓力2～3 kPa,溫度≤40℃,其組成為：CH430%,O212%,CO21%,N257%。

2.2 產(chǎn)品設(shè)計指標(biāo)

產(chǎn)品氣壓力25 MPa,溫度為常溫,總量2 500 Nm3/h,其 組 成 為： CH495.00%,O20.4%,N24.60%。

2.3 主要設(shè)備選型

主要設(shè)備選型見表1。安全輸送系統(tǒng)主要設(shè)備有水封阻火泄爆裝置、氣體計量撬、全自動反清洗過濾器。混合壓縮凈化系統(tǒng)主要設(shè)備有混合器、煤層氣壓縮機、過濾器、冷干機和活性炭過濾器。變壓吸附濃縮系統(tǒng)主要設(shè)備有一、二級吸附塔、緩沖罐和真空泵。CNG制備系統(tǒng)主要設(shè)備有天然氣壓縮機、調(diào)壓計量撬、加臭機和單槍加氣柱等。公用工程及輔助設(shè)施主要有冷卻塔、空壓機和軟水裝置。

2.4 公用工程消耗

公用工程消耗見表2。公用工程消耗主要包括壓縮機和真空泵等動力設(shè)備電耗,壓縮機和真空泵等設(shè)備冷卻用循環(huán)冷卻水以及補充用新鮮水,儀表閥門用儀表空氣。

2.5 占地及勞動定員

總占地面積約18 000 m2。工程生產(chǎn)裝置和輔助生產(chǎn)設(shè)施均為連續(xù)化生產(chǎn),生產(chǎn)操作實行“四班三運轉(zhuǎn)”制,勞動定員共24人。

3 投資及經(jīng)濟成本分析

3.1 工程投資

工程投資估算結(jié)果見表3。總投資7 846萬元,其中建設(shè)投資6 990萬元,建設(shè)期借款利息590萬元,流動資金266萬元。

3.2 經(jīng)濟評價及成本估算

3.2.1 經(jīng)濟評價數(shù)據(jù)

1)原輔材料、動力燃料用量及價格(含稅)。煤層氣用量1 900萬Nm3,折純價格0.25元/Nm3;用電量 1 562.56 萬 kWh,電價 0.65 元/kWh;新鮮水用量2.672萬 t,水價10元/t。

2)工人工資及福利費。人均工資及福利費按5萬元/a計。

3)產(chǎn)品價格。壓縮天然氣(CNG)產(chǎn)品價格按2.6 元/Nm3計。

表1 主要設(shè)備一覽Table 1 List of major production equipment

表2 公用工程消耗指標(biāo)Table 2 Consumption index of utility

表3 工程投資估算Table 3 Estimation of project cost 萬元

3.2.2 經(jīng)濟評價結(jié)果

經(jīng)濟評價結(jié)果見表4。項目總投資7 846萬元,其中建設(shè)投資6 988萬元,建設(shè)期利息590萬元,流動資金266萬元。項目年均銷售收入5 294萬元,總成本費用2 683萬元,利潤總額2 177萬元,凈利潤1 633萬元。工程投資財務(wù)內(nèi)部收益率(所得稅后)為31.87%,投資回收期(所得稅后)為 4.44 a(含1.5 a建設(shè)期)。項目技術(shù)經(jīng)濟可行。

3.2.3 生產(chǎn)成本估算

結(jié)合經(jīng)濟評價結(jié)果,工程投資財務(wù)從原材料、動力、工資及福利費、修理費、折舊、攤銷、利息等方面對單位產(chǎn)品成本進行核算,其結(jié)果見表5。

表4 經(jīng)濟評價指標(biāo)Table 4 Index of economic analysis

從表5可以看出,單位產(chǎn)品完全成本為1.32元/Nm3。CNG產(chǎn)品出廠價按2.6元/Nm3計,尚有1.28元/Nm3的盈余。折合每立方低濃度煤層氣(非折純)經(jīng)過加工提純后,可實現(xiàn)0.457元的收益,年收益2 560萬元(含銷售稅金附加及增值稅),在達(dá)到煤礦瓦斯綜合治理要求的同時實現(xiàn)收益。

表5 單位產(chǎn)品成本核算Table 5 Cost accounting of production

4 結(jié) 論

1)低濃度煤層氣提質(zhì)利用技術(shù),可以將原料CH4含量從35%提高到90%以上,O2含量從12%降低至1%以下。原料氣一次壓縮多級濃縮,能耗低。產(chǎn)品方案靈活,可以制備CNG、LNG。

2)年產(chǎn)2 000萬Nm3壓縮天然氣項目,總投資為7 846萬元,其中建設(shè)投資6 990萬元,建設(shè)期借款利息590萬元,流動資金266萬元。工程投資財務(wù)內(nèi)部收益率(所得稅后)為31.87%,投資回收期(所得稅后)為4.44 a(含 1.5 a建設(shè)期)。

3)單位產(chǎn)品完全成本1.32元/Nm3,CNG產(chǎn)品出廠價按 2.6元/Nm3計,尚有 1.28元/Nm3的盈余。折合每立方低濃度煤層氣(非折純)經(jīng)過加工提純后,可以實現(xiàn)0.457元的收益,年收益達(dá)2 560萬元。

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