含氧煤层气分离液化工业实验成功剪彩仪式
2007年8月9日，一个振奋人心的消息从山西阳泉传出：煤层气分离、液化工业性装置在阳煤集团五矿试验工厂试验成功。这个由中科院理化技术研究所、北京赞成国际投资有限公司和山西阳泉煤业集团共同完成的试验项目获得成功，在国际上尚属首次。
“杀手/朋友”，瓦斯的双重身份
煤层气，也就是我们俗称的瓦斯。它是一种留存或吸附在煤层中、基本上未经转移的可燃性气体，也称非常规天然气，其主要成分是甲烷。
对于瓦斯这种气体，人们通常是“谈虎色变”，它被人们称为煤矿“第一杀手”。因为在煤矿开采过程中，抽放的煤层气中都混有空气，由于空气中的氧气是危险的助燃剂，随时可能导致爆炸事故发生。这就给煤层气的加工和输送带来了困难，甚至会对采矿人员的生命安全带来严重的威胁。而煤层气如不有效地被利用而对空排放，其温室气体对大气臭氧层的破坏是二氧化碳的21～23倍。但是，我们更应该看到的是：煤层气也是人类非常需要的一个“朋友”。它是一种宝贵的清洁能源和重要的化工原料，其热值与天然气相当，而且燃烧后很洁净，几乎不产生任何废气，是上好的工业、化工、发电和居民生活燃料。
我国的煤层气资源极为丰富，储量占世界第一位，约为美国的３倍。但是美国的煤层气开发和利用比较发达，据1997年统计，其煤层气年产量比我国当年天然气的全年总产量还要高。而我国煤层气开发却很少，更少有工业上的应用。
当前国际上对于含氧煤层气的分离研究推出了四种可供选择的方法：变压吸附法、膜分离法、燃烧脱氧法、低温精馏分离法。但是前面三种方法都没有取得工业性试验的成功，所以此次我国研究人员研制的低温精馏分离法试验成功成为国际首例。这意味着我国煤矿祸患——瓦斯将得到有效治理和安全利用，数以万亿计立方米的清洁能源将广泛地用于工业、民用等领域，这场矿井煤层气综合利用领域的技术革命势必对我国能源结构产生深远影响。
反复研究，力求最佳方案
中国科学院理化技术研究所低温系统关键技术组（原中科院低温中心低温透平实验室）是我国最早从事气体制冷和液化设计、成套集成的单位。此次煤层气分离、液化工业性试验项目的首席科学家、专利发明人杨克剑研究员就是该实验室的创始人,早年他曾参与了我国最早的批量生产氦液化设备（约-269℃）的工作，这比天然气、煤层气液化的温度（约-160℃）要低得多。
杨克剑研究员十分关注低温技术在能源领域的应用。从20世纪90年代起，他带领研究生王群、张武、王文川等科研人员，全部采用国产设备，先后研制了两种小型的液化天然气工业性装置，这两台装置是国内最早的天然气液化设备。此后，他和副研究员张武又多次参与了国内各低温液化天然气（LNG）项目的设计、安装和调试工作。
从2002年开始，杨克剑研究员在考察我国各大煤矿的煤层气资源时发现，我国有极为丰富的煤层气资源，但是利用得很不充分。尤其是采煤过程中抽放的煤层气，由于甲烷含量较低，绝大部分处于放空状态，十分可惜。此后，他又仔细研究了这种含氧煤层气的特点，发现我国煤层气单井产量不高，单井铺设管道外输，常常不合算。地面打井开采的煤层气纯度很高，甲烷含量在95%以上，利用起来还较为方便，可以把许多口井的气集中起来，然后铺设管道向外输送；或者将其液化，制成低温的液化天然气（LNG），用槽车运送出去，这样更为灵活。但是，采煤过程中抽放的煤层气，压力很低，甲烷含量也低，约在50%左右，有的甚至低至30%以下。含空气的煤层气通常只能就地使用，放空浪费的现象就更严重，这个问题一直没有得到很好的解决。如果能采用某种适当的方法，把含氧煤层气中的煤层气（主要是甲烷）和空气分离开来，然后将提纯后的煤层气液化，这就极大地方便了运输和利用。在目前能源紧缺的情况下，解决了这个问题，把原本无法很好利用的含氧煤层气利用起来，这是一件利国利民，而且对企业也能产生经济效益的大好事。
于是，杨克剑研究员首先向国内一家大型煤矿提出了一个采用低温分离的方法，将这种煤层气中的甲烷等可燃性气体从混合气中分离、液化的方案，并希望与他们合作，先完成工业性试验。但是，由于当时提出的技术方案还不够成熟等各种原因，没有能够得到支持。
这以后，他和副研究员张武等低温系统关键技术组的研究人员，又进一步改进了方案，并计算、设计了两种具体的分离、液化流程。
低温精馏法是一种低温分离的方法，它的原理是先将气体混合物冷凝为液体，然后再按各组份蒸发温度的不同，在分离塔内将它们分离。这是一个能够将含氧煤层气分离，同时彻底脱除氧、氮气的方案。
但是采用这个方案，最大的技术难点有两个：一是保证过程的安全性，二是保证分离的纯度。由于含氧煤层气中有氧气存在，使得它在加工过程中的危险性大大增加。在分离过程中，随着甲烷浓度的变化，其中有一个阶段，正好是属于甲烷的燃烧和爆炸的范围。因此，存在着很大的风险，这是前人没有做过的事情。
“明知山有虎，偏向虎山行”，杨克剑、张武等科研人员怀着对社会高度负责的使命感，凭着严谨的科学态度与勇敢的探索精神继续探索前行。
经过仔细地分析研究，通过控制温度、压力、流速和设计合理的结构，制定了一整套防火、防爆、防静电等安全设计方案。同时，为了保证分离的纯度，他们在设计上精益求精，反复计算，比较了十多种计算结果，力求得到最好的分离效果。计算机模拟的结果显示，分离液化后生产的液化天然气纯度可以达到99%以上，分离后排放的空气甲烷含量小于1%。
晋城工业试验装置
科企结合，实现煤层气分离液化
可行性方案确定了，可是需要建设一整套工业化实验装置，资金从哪里来？由于科学院的研究经费十分有限，那么将科研单位的技术与企业的资金相结合自然是相得益彰。此次试验的合作伙伴便找了几个企业：北京赞成国际投资有限公司、阳泉煤业集团有限责任公司和山西晋城矿业集团。
早在2004年，北京赞成国际投资有限公司就开始关注煤层气的开发和应用，曾与一家设计院合作，想采用燃烧的方法脱除含氧煤层气中的氧气。2005年，他们与中科院理化技术研究所低温技术关键技术组张武副研究员联系，讨论有关煤层气脱氧以后的液化问题，张武立刻谈到正在进行的含氧煤层气低温分离液化的方案，这种可以把分离和液化同步进行的方案，立即引起了北京赞成国际投资有限公司董事长刘宁的极大兴趣，双方一拍即合，很快就签订了合作协议，设备采购和制造的工作也很快着手落实。
阳煤集团是国家规划的全国13个大型煤炭基地之一。阳泉矿区煤炭地质储量214亿吨，煤层气资源量约为6448亿立方米。阳煤集团所属的11个生产矿井都是高瓦斯（矿井煤层气）生产矿井，也是目前中国瓦斯抽排量最大的矿区。他们有充足的气源、场地、人员、周边环境以及水电资源，可按双塔方案建设含氧煤层气分离液化的工业性试验装置。
同时山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司（简称晋城矿业集团）也在寺河矿区按照中国科学院理化技术研究所的单塔方案建设含氧煤层气分离液化的工业性试验装置。
2007年7月，阳泉的双塔试验装置建成，科研人员们先分别对各部分单体设备进行了调试。8月4日上午，开始对装置进行了第一次联合调试。先启动氮气压缩机和透平膨胀机对装置进行预冷，由于外购配套的氮气压缩机的气量明显低于设计要求的气量，因此预冷时间比较长。晚上8时许，冷箱及分离塔的温度降到了零下170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，从8月5日凌晨两点多钟开始，液体甲烷浓度分析显示仪开始稳定地显示甲烷浓度达到100%，塔顶的微量甲烷测量仪显示，由塔顶分离出来的空气中，其甲烷含量在0.1%以下，经液化后的煤层气汩汩流出。
2007年8月20日清晨，又从晋城传来令人振奋的消息：中科院理化技术研究所与晋煤集团合作的单塔含氧煤层气试验装置也顺利调试成功，产出的LNG的纯度经现场检验，在99%以上，其中的氧含量只有0.07%，同时还得到了约30Nm3/h的纯度在99.9%的氮气，试验结果更是令人满意。
这种前人从来没有做过的全新的试验装置，第一次联调就能调试出合格的液化天然气产品，不禁让人感叹科技的力量，感慨我们科研人员的力量！
据专家介绍，煤层气分离、液化项目的有效推广，将能从很大程度上改变我国煤层气抽排放空的现象，对节能减排有十分重要的意义。此外，含氧煤层气的工艺，由于要将产品流量两倍以上的原料气都进行降温和液化并分离出产品气液体，其单位产品的能耗将比纯天然气的液化要高。但是，含氧煤层气的原料气价格却比纯天然气要低得多。按照对一台中小型规模的含氧煤层气分离液化装置（每天处理19万标方含氧煤层气，年生产能力为万吨液化天然气）的经济分析，装置每标方的液化天然气产品的出厂成本将在1.5元左右。从目前液化天然气的市场情况看，在后石油时代，此举必然带来可观的经济效益。