内容发布更新时间 : 2024/12/23 22:42:17星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。
厘泊（CP）、微泊（μP）、千克力秒平方米（Kgf·s/m2）、帕斯卡秒（Pa·s）、毫帕斯卡秒（mPa·s）。1P=102CP=106μP =0.0101972 Kgf·s/m2=0.0980665 Pa·s=98. 0665mPa·s。煤层气的粘度很小，在地表常压20℃时，甲烷的动力粘度系数为1.08×10-5 mPa·s。表示粘度的参数还有运动粘度系数（即动力粘度与密度的比值，单位：cm2/s）和相对粘度（即液体的绝对粘度与水的绝对粘度的比值）
煤层气的粘度与气体的组成、温度、压力等条件有关，在正常压力下，粘度随温度的升高而变大，这与分子运动加速，气体分子碰撞次数增加有关，而随分子量增大而变小。在较高压力下，煤层气的粘度随压力增加而增长，随温度的升高而减小，随分子量的增大而增大。
表2-2 煤中吸附介质分子直径、沸点和分子自由程（0℃， 0101325MPa） 吸附介质 分子量 分子直径／nm 临界温度／℃ 临界压力／MPa 平均自由程／nm 沸点／℃ 动力粘度／×10-5Pa·s 偏心因子 液态密度/g·cm-3 绝对密度/kg·m-3 (15.5℃) 相对密度(15.5℃) 热值/KJ·m-3 溶解系数m3/m3·atm CH4 16.042 0.33~0.42 -82.57 4.604 53.0 -161.49 1.084 0.008 0.425 0.677 0.554 37.62 0.033 H2O 18 0.29 374.1 21.83 100 0.344 0.998 1.00 N2 28.013 CO2 44.010 C2H6 30.070 H2S 34.070 100.39 9.05 -60.33 1.48 1.178 23.73 2.58 H2 2.016 -239.90 1.297 -252.70 0.069 12.07 0.32~0.38 0.33~0.47 0.44~0.55 -126.2 3.399 74.6 -195.80 1.765 0.040 1.182 0.967 不可燃 0.016 31.06 7.384 83.9 -78.50 1.466 0.225 0.777 1.858 1.519 不可燃 0.87 32.37 4.880 -88.60 1.269 1.038 65.90 0.047 表2-3 煤层气成分的物理性质
气体 味 色 相对比重 水溶性 爆炸性 毒性 CH4 无 无 0.554 难溶 5.3~16 无 CO 微有甜 无 0.97 微溶 12.5~75 有 CO2 略带酸味 无 1.52 易溶 不爆 无 H2S 臭味 无 1.19 易溶 4.3~45.5 有 SO2 酸味硫磺味 无 2.2 易溶 有 NO 有刺激味 褐红色 1.57 极易溶 有 H2 无 无 0.07 微溶 4~74.2 无 四、煤层气的临界点
临界温度是指气相纯物质维持液相的最高温度，高于这一温度，气体即不能用简单升高压力的办法（不降低温度）使之转化为液体；临界压力是指气、液两相共存的最高压力，即在临界温度时，气体凝析所需的压力。高于临界温度，无论压力多大，气体不会液化；高于临界压力，不管温度多少，液态和气态不能同时存在。只有当温度和压力均超过其临界温度和临界压力时，才称为超临界状态。
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地层条件下，煤层甲烷超临界吸附的现象是存在的。但只有当煤层甲烷压力（气压）超过4.60MPa（表2-1）才真正出现超临界流体，实际上在我国煤矿瓦斯实测压力中超过此压力的矿井是比较少的。但对于原位且处于封闭系统的煤储层，储层中水压等于气压，只要煤层埋深超过500m，煤层甲烷就可能成为现超临界流体。
对于甲烷和氮气，任一埋深储层温度均高于临界温度，无论压力多大，均不会液化；对于二氧化碳，当储层温度低于31.1℃（表2-2），对于乙烷，当储层温度低于32.4℃（表2-2），而储层压力（气压）高于液化压力，二者可以呈液态形式存在。按正常地温梯度3℃/100m、正常储层压力梯度0.98 MPa/100m，设恒温带深度为20m、温度为10℃，则埋深500m左右，储层温度约为25℃、储层压力为4.9 MPa，此时二者均低于临界温度和压力，二氧化碳和乙烷以气态形式存在；当埋深达到800m，储层温度约为34℃，高于临界温度，二氧化碳和乙烷仍为气态。但当二氧化碳压力大于7.38 MPa、乙烷压力大于4.98 MPa，二氧化碳和乙烷有可能成为超临界流体；只有在500~ 800m范围内的局部层段（封闭体系），储层温度低于临界温度，储层压力高于液化压力，二氧化碳和乙烷才可能以液态形式存在（图2-7）。
上面所述临界温度和临界压力是对单一气体组分而言的。在自然条件下，煤层气通常是多种组分气体的混合物。混合气体的临界温度，高于其最低沸点组分的临界温度，低于最高沸点的临界温度，等于组成混合气体的各个组分的绝对临界温度与相应的分子浓度的乘积之和。相应地也可以计算出混合气体的临界压力。这种计算出来的叫做混合气
压力/MPa1098765432100储层压力液化压力100200300400500600700800900煤层埋深／m体的拟临界温度和拟临界压力。 图2-7 二氧化碳在正常地温条件下的液化区间
五、煤层气的溶解度
煤层气能不同程度地溶解于煤储层的地下水中，不同的气体溶解度差别很大。20℃、1atm下单位体积水中溶解的气体体积称为溶解度（m3气/m3水），溶解度同气体压力的比值称为溶解系数（m3/m3·atm）。甲烷溶解度随压力的增加而增加，低压时呈线性关系，高压时（＞10MPa）呈曲线关系（图2-6）。温度对溶解度的影响较复杂，温度＜80℃时，随温度升高
溶 解 2.0 1.5 10.2MPa 6.8MPa 3.4MPa 2.5 度 1.0 溶解度降低；＞80℃时，溶解度随温m3/m3 0.5 度升高而增加（图2-8），甲烷溶解度随矿化度的增加而减少（图2-9）。所以在高温高压的地下水中溶解气明显增加。如果煤层水被CO2饱和
0 0 20 40 60 80 100 120 温度/℃ 时，则甲烷在水中的溶解度会 图2-8 甲烷在水中的溶解度与温度的关系
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明显增大。
六、主要气体组分的性质
甲烷为无色、无味、无溴、无毒的气体（表2-3）。但煤储层中往往含有少量其它芳香族碳氢气体，因此常常伴着一些苹果的香味。在大气压0.101325 MPa，温度0℃的标准状态下，甲烷的分子量为16.043，分子大小约为0.33~ 0.42nm；密度为0.0667Kg/m3，相对密度为0.554，比空气轻，当空气中混有5.3~16.0%浓度的甲烷，遇火即可燃烧或爆炸；动力粘度为1.084 ×10-5 Pa·s；临界温度为-82.57℃，临界压力为4.604MPa（表2-2）；热值约为37.6KJ/kg。
4.53.0甲烷溶解度(m3甲烷/m3水)甲烷溶解度(m3甲烷/m3水)4.03.53.02.52.01.51.00.50.00T=20℃T=40℃T=60℃T=80℃2.52.01.51.00.50.00T=20℃T=40℃T=60℃T=80℃矿化度=20mg/ml369121518压力/MPa2124273033矿化度=100mg/ml3691215182124273033压力/MPa1.8甲烷溶解度(m3甲烷/m3水)甲烷溶解度(m3甲烷/m3水)1.61.41.21.00.80.60.40.20.00T=20℃T=40℃T=60℃T=80℃矿化度=200mg/ml1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10.00T=20℃T=40℃T=60℃矿化度=300mg/ml36912151821242730333691215182124273033压力/MPa压力/MPa图 2-9 不同温度、不同矿化度条件下的甲烷溶解度与压力的关系
（部分数据源自庞雄奇，2003）
氮气是一种无色、无臭、无味的气体，微溶于水，0℃时1ml水仅能溶解0.023ml的氮气。在1个大气压，温度15.55℃时，其密度为1.182kg/m3，相对密度为0.967（表2-2）。
二氧化碳为无色、无嗅、略具酸味气体。在大气压0.101325 MPa，温度0℃的标准状态下，二氧化碳的分子量为44.010，分子大小约为0.33~ 0.47nm；密度为1.858Kg /m3，相对密度为1.519，比空气重，突然喷出可使人窒息；动力粘度为1.084 ×10-5 Pa·s；临界温度为31.06℃，临界压力为7.384MPa（表2-2）。
第五节
煤层气对环境的影响
甲烷是大气中主要的温室气体之一，对红外线的吸收能力很强。根据对包裹在冰核中气
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泡的气体成分研究。过去200~300年来，大气中甲烷浓度已增加一倍，从工业革命以前的0.6ppm~0.7ppm增至现在的1.7ppm（Tyler，1991）。
甲烷对大气的化学及辐射特性有重要影响，从体积上，其温室效应是CO2的25~30倍。据估算，大气中甲烷浓度每增加1 ppm，可导致地球表面温度增加1℃（Donner，1980）。
大气中的CH4可与-OH、O3、H2O、HOx、H2、Cl2及其它成分发生一系列化学反应，从而影响大气中的H2O和O3的浓度及大气中总体氧化能力。大气中其它气体，如CH3Cl、CH3Br、CHClF3、CH2Cl2和SO2等含量，都直接或间接地受CH4和-OH浓度的影响。所有这些气体都影响大气的物理性质，增加的CH4温室效应。
第六节 煤层气的利用
甲烷的临界温度为-82.57℃，这就是说，只要温度比-82.57℃，不管将压力增加到多大，都不可能使甲烷变成液体；当温度等于-82.57℃，压力升高到4.6MPa时，甲烷才开始变为液体。这意味着在一般温度条件（即大气温度）下，是不可能将甲烷液化的。因此，在常温下煤层气不能用作液化天然气（LNG）工业的原料，但却是优质的压缩天然气（CNG）工业的原料。低温条件下天然气的液化（LNG）是一项重大的先进技术，液化后的体积只有同量气态天然气的1/625，从而极大地方便了煤层气的储存、运输和使用，已被许多国家和地区广泛采用。
煤层甲烷的最佳利用方案随地区不同而变化，取决于气体的数量和质量以及当地的能源市场。总之，煤层气的就地使用非常适合我国的国情，这是因为产气量大且十分靠近潜在的工业和民用用户。目前，统一的管道基础设施的缺乏制约了煤层气的大规模利用。
煤层气作为一种洁净能源代替褐煤、硬煤和焦炉煤气等，不仅环境性能好，而且热效率高。甲烷的热值为36.72KJ／m3。按热值计算，大致1000m3甲烷相当于1t标准煤。1250m3甲烷相当于1t石油，1m3高浓度甲烷可发3度电。
1、化工原料
煤层气中的甲烷浓度很高，可与天然气混输，用于制造化工产品，如甲醛，甲醇、甲胺、尿素和碳黑等。甲醇用途最不广泛，不仅是重要的化工原料，又是廉价的汽车燃料，“中国一号” 甲醇汽车被誉为“绿色汽车工程”，是我国汽车工业的一次革命。另外，甲醇可制成甲醇电池，应用于其它基础行业。
2、合成油
煤层气合成油（GTL）由合成气、费—托合成和产品精制三部分组成。通过费—托法工艺将煤层气合成转化成含硫量小于1ug/g，芳香烃小于是%（体积百分比）、十六烷值大于70的柴油燃料。
3、工业与民用燃料
煤层气可用于发电、汽车燃料和居民生活用气等多个方面。煤层气经压缩后可由天然气管道系统输送。目前，我国已敷设的天然气管道达5902km，主要分布在四川、广东、河北
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等。另外，“西气东输” 管道、陕西延安到北京的天然气管道都为煤层气开发预留了入口。从总体上看，中国绝大多数矿区都缺乏完整的天然气管道系统。目前主要通过汽车短距离运输供给附近用户，如晋城地区将煤层气压缩到20MPa，每车约装4500m3标准气运送到城市用户。因此，中国适合于建设地方性管道系统。将煤层气供给居民，附近的工厂和公用事业单位，从而实现矿区的煤气化，改善当地的环境质量。在建造管道运输工程时，应考虑煤层气的输送成本、产地与市场的距离以及资源的开采年限。
我国煤矿使用的电主要由燃煤电厂提供，矸石电厂只提供少量电力。煤矿供热也主要以煤为能源。煤层气代替煤发电供热不仅能减轻环境污染，而且能提高热效率。实用的煤层气发电技术可分为以下四种：
1）往复式发动机
包括火花点火式四冲程发动机和狄塞尔双燃料发动机。这种发动机热效率高，燃料气的入口压力低，但一次性投资高，维修费用昂贵。
2）燃气轮机
燃气轮机的燃料必须使用高压煤层气，高压煤层气可直接取自高压主管道或通过外部煤层气压缩机来提供。燃气轮机的工作效率高达30％。英国的拉斯顿TB5000燃气轮机，完全能燃用煤层气。燃气轮机排放气体中的大量余热可通过废热锅炉加以利用以满足供暖需要。燃气轮机的缺点是需要将燃气加压到1.8MPa以上，煤层气的甲烷浓度应在40％以上。
3）汽轮机
汽轮机技术与其它技术相比，热动力效率较低，但该设备的运行十分可靠，服务年限长。在常压下，使用标准锅炉燃用煤层气来生产蒸汽，这种锅炉对煤层气的质量要求不高。
4）联合循环系统
联合循环是煤层气能源动力转换效率最高的一种方式。燃气轮机的排放气体温度高，含氧丰富，可直接送到预热锅炉生产蒸汽来驱动蒸汽轮机，这种联合循环系统可获得大约45％的热效率。
汽车是造成大气污染的重要污染源，它们排放CO、碳氢化合物和氮氧化物。柴油车辆还排放颗粒物。随着车辆在中国的不断增加，作为主要燃料的石油将会变得越来越短缺。使用煤层气能减少车辆排出的污染物。因此，使用压缩甲烷作为燃料的经济和环境效益十分明显。
煤层气的民用主要包括矿区居民的炊事和供热以及矿区食堂、幼儿园、学校的公用事业用气。与人工煤气相比，煤层气的民用具有投资少和效益高的特点，它不需另建气源厂。供民用的煤层气一般含甲烷35%~40％，不含其他干馏有害杂质，无需复杂的净化工艺。因此，煤层气的民用已在各矿区迅速推行。
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