煤礦乏風(fēng)瓦斯處理和發(fā)電項(xiàng)目CDM案例分析

張志洪

（上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院，上海200240）

在煤礦生產(chǎn)中為了安全的需要，通常采用通風(fēng)方法將瓦斯排出礦井，這部分煤層氣與空氣的混合體稱為乏風(fēng)瓦斯（VAM，Ventilation Air Methane）。乏風(fēng)瓦斯中CH4的體積分?jǐn)?shù)極低（0.1%～0.75%），目前沒有技術(shù)可以進(jìn)行直接燃燒，而是直接排進(jìn)大氣中。為減少乏風(fēng)瓦斯直接排放對(duì)環(huán)境的破壞和提高瓦斯的利用率，重慶某煤礦引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的熱逆流反應(yīng)器，對(duì)直接排放的乏風(fēng)瓦斯進(jìn)行處理，減少CH4排放，并利用氧化過(guò)程中產(chǎn)生的額外熱能進(jìn)行發(fā)電，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

筆者以該乏風(fēng)瓦斯處理和發(fā)電項(xiàng)目為例，運(yùn)用煤層氣方法學(xué)ACM0008進(jìn)行溫室氣體減排量的分析和經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)。

1 煤礦乏風(fēng)瓦斯的利用

1.1 煤礦乏風(fēng)瓦斯特點(diǎn)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界煤礦CH4排放量約占全世界CH4排放總量的8%，其中絕大部分為煤礦乏風(fēng)瓦斯。

我國(guó)的煤礦乏風(fēng)瓦斯有如下特點(diǎn)：

（1）乏風(fēng)瓦斯量極大，利用潛力巨大。中國(guó)礦井瓦斯大部分通過(guò)通風(fēng)排入大氣，每年向大氣中排放的乏風(fēng)瓦斯量約為1.5×1010m3，相當(dāng)于CO22.0×108t。

（2）乏風(fēng)瓦斯?jié)舛鹊?，利用困難。目前中國(guó)煤礦的乏風(fēng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)一般在0.1%～0.75%，無(wú)法使用傳統(tǒng)燃燒器直接進(jìn)行燃燒。

1.2 煤礦乏風(fēng)瓦斯利用技術(shù)

目前利用乏風(fēng)瓦斯作為燃料的技術(shù)主要有兩種：一是麥格特克（MEGTEC）系統(tǒng)技術(shù)公司提供的熱逆流反應(yīng)器（TFRR），二是加拿大能源技術(shù)研究院提供的催化熱逆流反應(yīng)器（CFRR）［1］。

1.2.1 熱逆流反應(yīng)器（TFRR）

熱逆流反應(yīng)器是由一個(gè)鋼制容器組成，內(nèi)部是陶瓷床，加熱元件位于陶瓷床中央。項(xiàng)目啟動(dòng)時(shí)先用電加熱將反應(yīng)器的陶瓷中心部分加熱到1 000℃，當(dāng)煤礦乏風(fēng)瓦斯通過(guò)陶瓷床中部的高溫區(qū)時(shí)，CH4迅速氧化并釋放熱量，通過(guò)熱交換，氧化能量被傳遞到陶瓷床材料的周圍。當(dāng)乏風(fēng)瓦斯中CH4的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.2%左右時(shí)，則系統(tǒng)無(wú)須再用電加熱就可以維持自身的運(yùn)轉(zhuǎn)；若CH4的體積分?jǐn)?shù)超過(guò)0.2%，則多余熱量可以通過(guò)熱交換導(dǎo)出，用來(lái)供熱或發(fā)電。

1.2.2 催化逆流反應(yīng)器（CFRR）

催化逆流反應(yīng)器的工作原理與熱逆流反應(yīng)器不同的是在中心高溫區(qū)上下兩側(cè)裝有催化媒。在催化劑的作用下，CH4可以在較低的溫度下（600℃）發(fā)生氧化，并釋放能量。

根據(jù)美國(guó)環(huán)保局的技術(shù)評(píng)估，熱逆流反應(yīng)器和催化逆流反應(yīng)器都可以有效地治理和利用煤礦乏風(fēng)瓦斯。但是從實(shí)際應(yīng)用角度來(lái)看，目前只有熱逆流反應(yīng)器在煤礦有大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 項(xiàng)目規(guī)模

某項(xiàng)目乏風(fēng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)約0.6%，安裝處理能力62 500m3／h乏風(fēng)瓦斯的TFRR 6臺(tái)，乏風(fēng)瓦斯的總處理量375 000m3／h，配備一臺(tái)4MW汽輪發(fā)電機(jī)組，總投資約6 000萬(wàn)元。CH4的消除率大于97%。

項(xiàng)目實(shí)施后，可以大大減少溫室氣體CH4的排放，還可以獲得可觀的售電收入，而不需要額外的燃料消耗，并且可以通過(guò)項(xiàng)目所實(shí)現(xiàn)的“經(jīng)核證的減排量”（CERs，Certified Emission Reductions），向發(fā)達(dá)國(guó)家出售，獲得一定的收益。

2.2 實(shí)施方法與效果

煤礦乏風(fēng)瓦斯CDM項(xiàng)目采用的方法學(xué)為ACM0008修訂版“用于煤層氣和煤礦瓦斯的收集、發(fā)電（電力或動(dòng)力）、生熱和／或通過(guò)放空燃燒將CH4消除的統(tǒng)一基準(zhǔn)線方法學(xué)”。

煤礦乏風(fēng)瓦斯處理和發(fā)電項(xiàng)目，除了消除或減少直接排空的乏風(fēng)瓦斯中的CH4外，還可以利用其熱量進(jìn)行發(fā)電，替代其他發(fā)電方式，具有雙重減排效果。

由于煤礦乏風(fēng)瓦斯中CH4的體積分?jǐn)?shù)很低，無(wú)法直接燃燒處理、用于發(fā)電或居民燃?xì)夤┙o，故可以確定基準(zhǔn)線情景為：維持現(xiàn)狀，即繼續(xù)排空所有乏風(fēng)瓦斯，繼續(xù)使用電網(wǎng)電力。

2.3 CO2減排量的計(jì)算

2.3.1 計(jì)算方法

根據(jù)已批準(zhǔn)的整合方法學(xué)ACM0008，乏風(fēng)瓦斯處理與發(fā)電項(xiàng)目的CO2減排量為：

式中：ER為項(xiàng)目活動(dòng)的CO2減排量；EB為基準(zhǔn)線CO2排放量；EP為項(xiàng)目的CO2排放量；EL為泄漏CO2排放量。

基準(zhǔn)線CO2排放量EB為：

式中：EBMD為基準(zhǔn)線情況下銷毀CH4所產(chǎn)生排放的基準(zhǔn)線CO2排放量，t；EBMR為每年被項(xiàng)目活動(dòng)利用而避免向大氣排放的基準(zhǔn)線CO2排放量，t；EBUse為項(xiàng)目活動(dòng)替代的發(fā)電、熱能利用或輸入燃?xì)廨斉渚W(wǎng)管導(dǎo)致的基準(zhǔn)線CO2排放量，t。

項(xiàng)目的CO2排放量為：

式中：EP為項(xiàng)目CO2排放量，t；EPME為回收和利用CH4所消耗能源所產(chǎn)生的項(xiàng)目CO2排放量，t；EPMD為CH4利用所產(chǎn)生的項(xiàng)目CO2排放量，t；EPUM為CH4利用過(guò)程中未充分燃燒產(chǎn)生的項(xiàng)目CO2排放量，t。

項(xiàng)目產(chǎn)生的泄漏CO2排放量為：

式中：EL為泄漏CO2排放量，t；ELd為由于替代其他CH4熱能利用所產(chǎn)生的泄漏CO2排放量，t；ELo為由于其他不確定性產(chǎn)生的泄漏CO2排放量，t。

2.3.2 計(jì)算數(shù)據(jù)

CDM項(xiàng)目實(shí)例的主要參數(shù)見表1。

表1 CDM實(shí)例的主要參數(shù)

計(jì)算如下：

（1）基準(zhǔn)線CO2排放量EB計(jì)算

CH4的溫室效應(yīng)潛力相當(dāng)于CO2的21倍，即排放1tCH4相當(dāng)于CO2排放21t。

在基準(zhǔn)線情景中，全部乏風(fēng)瓦斯都被直接排空，因此EBMD＝0。

每年被項(xiàng)目活動(dòng)利用而在基準(zhǔn)線情景下排入大氣中的CH4量13 710t，其產(chǎn)生的基準(zhǔn)線CO2排放量為：

該項(xiàng)目活動(dòng)產(chǎn)生的熱能用于發(fā)電，可以替代華中電網(wǎng)電力中這部分電量的CO2排放量，不存在其他熱能利用或輸入燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)。EBUse可以按以下公式求出：

式中：EFELEC為項(xiàng)目替代的發(fā)電CO2排放因子，t／（MW·h）；GEN為項(xiàng)目的總發(fā)電量，MW·h。

根據(jù)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)應(yīng)對(duì)氣候變化司發(fā)布的 《2 0 1 2年中國(guó)區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子》［2］，重慶市所在華中區(qū)域電網(wǎng) OM（operation margin）CO2排放因子是0.9 9 4 4t／（M W·h），BM （build margin）CO2排放 因 子 是0.473 3t／（MW·h），各 取50%的加權(quán)平均值，用于CDM項(xiàng)目的電網(wǎng)組合CO2排放因子為0.733 8t／（MW·h）。

由此得出基準(zhǔn)線CO2排放量：

（2）項(xiàng)目排放CO2量計(jì)算

在項(xiàng)目實(shí)施后，項(xiàng)目本身需要消耗8 500 MW·h的電力，可以得出回收和利用CH4所消耗能源所產(chǎn)生的項(xiàng)目CO2排放量為：

乏風(fēng)瓦斯經(jīng)處理后，其中97%的CH4被氧化為CO2，由此產(chǎn)生的CO2排放量為：

其中2.75為CH4和CO2的折算系數(shù)。

反應(yīng)器的CH4消除率為97%，還有3%的CH4未經(jīng)消除直接排入大氣，這部分CH4量為411t。所以，CH4利用過(guò)程中未充分燃燒產(chǎn)生的項(xiàng)目CO2排放量為：

由此得出項(xiàng)目實(shí)施后的年CO2排放量為：

（3）泄漏CO2排放量

由于項(xiàng)目活動(dòng)實(shí)施之前基準(zhǔn)線中的熱能需求為零，因而也不會(huì)產(chǎn)生由于跟基準(zhǔn)線熱能需求沖突而造成的泄漏，因此ELd為零。

其他不確定性產(chǎn)生的泄漏量暫不考慮。

因此項(xiàng)目產(chǎn)生的泄漏排放量可以忽略不計(jì)。（4）項(xiàng)目CO2減排量

根據(jù)公式（1），每年的項(xiàng)目CO2減排量為：

2.4 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

2.4.1 收支分析

該項(xiàng)目實(shí)施后的收入有：

（1）發(fā)電收入

該項(xiàng)目發(fā)電功率4MW，扣除廠用電1 000kW，凈發(fā)電功率為3 000kW，每年上網(wǎng)供電總量為2.55×107kW·h。

根據(jù)國(guó)家發(fā)改委《關(guān)于利用煤層氣（煤礦瓦斯）發(fā)電工作的實(shí)施意見》和煤層氣（煤礦瓦斯）電廠上網(wǎng)電價(jià)，比照國(guó)家發(fā)展改革委制定的（發(fā)改價(jià)格〔2006〕7號(hào)）《可再生能源發(fā)電價(jià)格和費(fèi)用分?jǐn)偣芾碓囆修k法》中生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目上網(wǎng)電價(jià)（執(zhí)行當(dāng)?shù)?005年脫硫燃煤機(jī)組標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)加補(bǔ)貼電價(jià)），重慶地區(qū)的煤層氣發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)約為0.58元／kW·h，每年的售電收入為1 479萬(wàn)元。

（2）CERs凈減排收入

2008年前價(jià)格區(qū)間在每噸10～30歐元，2008年后國(guó)際碳價(jià)持續(xù)下跌，目前已跌至約1歐元；但隨著歐洲整體經(jīng)濟(jì)形勢(shì)好轉(zhuǎn)，碳價(jià)會(huì)有大幅反彈。

項(xiàng)目年CO2減排量為261 420t，按8元／t進(jìn)行計(jì)算，每年售碳收入為210萬(wàn)元。當(dāng)按40元／t計(jì)算時(shí)，每年售碳收入為1 049萬(wàn)元。

該項(xiàng)目的運(yùn)行成本包括材料費(fèi)、修理費(fèi)、工資福利費(fèi)、折舊費(fèi)、攤銷費(fèi)、其他費(fèi)用、財(cái)務(wù)費(fèi)用等，估算成本約400萬(wàn)元／年。

2.4.2 凈利潤(rùn)

由上述收支分析得出：碳價(jià)8元／t時(shí)，年凈利潤(rùn)為1 479＋210-400＝1 289萬(wàn)元，按25%稅率計(jì)，年凈利潤(rùn)約967萬(wàn)元；碳價(jià)40元／t時(shí)，凈利潤(rùn)為1 479＋1 049-400＝2 128元，按25%稅率計(jì)，凈利潤(rùn)為1 596萬(wàn)元。

2.4.3 設(shè)備殘值

在經(jīng)濟(jì)壽命期結(jié)束后，設(shè)備殘值按總投資的5%計(jì)，即300萬(wàn)元。

2.4.4 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

該項(xiàng)目的主要經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)見表2。

表2 CDM實(shí)例經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

當(dāng)內(nèi)部收益率（IRR）［3］大于或等于基準(zhǔn)收益率（ic＝8%）時(shí)，項(xiàng)目可行。即使碳價(jià)水平為8元／t時(shí)，項(xiàng)目?jī)?nèi)部收益率為10.2%，大于行業(yè)基準(zhǔn)收益率，可見項(xiàng)目有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)以上案例的分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）煤礦乏風(fēng)瓦斯處理和發(fā)電項(xiàng)目，不僅可以減少溫室氣體排放，而且可以得到電力，有較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

（2）盡管現(xiàn)階段國(guó)際碳價(jià)水平較低（8元／t），但發(fā)電得到的高收益使得項(xiàng)目仍然能夠有較好的經(jīng)濟(jì)收益。

（3）隨著國(guó)際經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的好轉(zhuǎn)和國(guó)際氣候談判的深入，國(guó)際碳價(jià)反彈的空間很大。屆時(shí)，煤礦乏風(fēng)瓦斯處理和發(fā)電項(xiàng)目將會(huì)有更大的發(fā)展前景，本文可為此類項(xiàng)目提供一定的借鑒。

［1］袁亮.中國(guó)煤礦區(qū)煤層氣清潔發(fā)展機(jī)制項(xiàng)目開發(fā)理論與實(shí)踐［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2008.

［2］國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)應(yīng)對(duì)氣候變化司.2012中國(guó)區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子［OL］.http：／／cdm.ccchina.gov.cn／Web-Site／CDM／UpFile／File2975.pdf.

［3］國(guó)家發(fā)展改革委建設(shè)部.建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法與參數(shù)［M］.3版.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2006.