煤礦瓦斯利用節(jié)能減排量化計(jì)算方法

王君杰

【摘要】本文論述了煤礦瓦斯利用的必要性，介紹了瓦斯綜合利用的主要途徑，結(jié)合某一礦區(qū)的瓦斯綜合利用項(xiàng)目的實(shí)際情況，對該礦區(qū)的瓦斯利用項(xiàng)目的節(jié)能和減排的具體效果進(jìn)行了詳細(xì)的量化分析計(jì)算。從中可以看出瓦斯綜合利用對環(huán)境保護(hù)以及經(jīng)濟(jì)效益有著重大影響。

【關(guān)鍵詞】瓦斯利用；節(jié)能減排；量化計(jì)算

1煤礦瓦斯利用的必要性

煤礦瓦斯的主要成份為甲烷（CH4），是煤的共伴生資源。它既是威脅煤礦安全生產(chǎn)的氣體，又是可直接應(yīng)用的潔凈能源和優(yōu)良的化工原料。其濃度達(dá)95%時(shí)，熱值為8000～9000kcal/m3。每1000m3濃度為95%的煤層氣相當(dāng)于1噸輕油和1.5噸標(biāo)煤。煤層氣作為原料可加工合成+氨、甲醇、乙炔、氫氣、炭黑等20余種化工產(chǎn)品。目前世界發(fā)達(dá)國家生產(chǎn)合成氨用天然氣（主要成份為甲烷，和煤層氣的主要成份基本相同）為原料的約占76%，生產(chǎn)甲醇占80%。

我國是一個產(chǎn)煤大國,礦井瓦斯是煤礦安全生產(chǎn)的最大隱患。國家對煤礦瓦斯抽采工作非常重視,將其作為治理瓦斯的根本措施,提出了“先抽后采、能抽盡抽、以用促抽”的十二字方針,并制訂了《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》等一系列標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī),加大了瓦斯抽采工作的力度,煤礦瓦斯抽采量逐年大幅度增加。我國煤礦瓦斯排放量居世界首位,大量的瓦斯排放不僅浪費(fèi)了寶貴的清潔能源,同時(shí)也加重了全球溫室效應(yīng)的影響。因此,結(jié)合我國煤礦瓦斯的排放特點(diǎn),從技術(shù)及經(jīng)濟(jì)角度研究適宜的瓦斯利用技術(shù),對加強(qiáng)我國煤礦抽放瓦斯和風(fēng)排瓦斯的資源化利用,具有十分的重要意義。

2煤礦瓦斯利用的主要技術(shù)途徑

煤礦瓦斯綜合利用目前的主要方式有：瓦斯發(fā)電、瓦斯鍋爐與瓦斯民用燃?xì)狻?/p>

瓦斯發(fā)電：通過瓦斯燃燒將其熱能轉(zhuǎn)換成電能，因?yàn)閷ν咚官|(zhì)量要求不高，投資小，見效快，裝機(jī)靈活，技術(shù)可靠，已成為煤礦瓦斯利用的一種主要方式。

瓦斯鍋爐：通過對一些老舊鏈條燃煤鍋爐進(jìn)行改造，如拆除煤斗、鏈條爐排上鋪設(shè)耐火磚、拆除除渣機(jī)、更換鼓風(fēng)機(jī)和改造爐拱等。將原鏈條燃煤鍋爐改造成為瓦斯鍋爐。

瓦斯民用燃?xì)猓涸诟邼舛韧咚梗ā?0%）氣源的氣量和氣壓穩(wěn)定的礦區(qū)，且有完善的氣體存儲和輸送設(shè)施，周邊有合適的燃?xì)庥脩簦撏咚箍芍苯幼鳛槊裼萌細(xì)廨斔椭劣脩舳恕?/p>

本文根據(jù)某礦區(qū)各礦井一年內(nèi)瓦斯抽采及擬建項(xiàng)目利用情況，預(yù)計(jì)本次瓦斯綜合利用節(jié)能項(xiàng)目建設(shè)完成后，該礦區(qū)年利用瓦斯總量將為2800萬m3（純量）。其中瓦斯發(fā)電為2000萬m3（純量），瓦斯鍋爐為80萬m3（純量），瓦斯燃?xì)鉃?20萬m3（純量）。本文將以這些數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對該礦區(qū)瓦斯綜合利用項(xiàng)目的節(jié)能減排效果進(jìn)行量化分析。節(jié)能量化分析最終以節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤為指標(biāo)，而減排量化分析最終以減排CO2總量為標(biāo)準(zhǔn)，并折算至申請CDM項(xiàng)目補(bǔ)助標(biāo)準(zhǔn)。

3節(jié)能減排量化計(jì)算

3.1節(jié)能量化計(jì)算

3.1.1瓦斯發(fā)電節(jié)能量化計(jì)算

1m3（純量）瓦斯理論發(fā)電量為：d1=■×?茁１＝■×30％＝3.06

公式中各符號意義為：

Q1——1m3（純量）瓦斯發(fā)熱值（kj）;q——1kWh電所含能量（kj）；

β1——瓦斯發(fā)電機(jī)組平均效率；d1——1m3（純量）瓦斯理論發(fā)電量（kWh）。

由于瓦斯抽采量和濃度的波動較大以及電網(wǎng)損耗，導(dǎo)致瓦斯發(fā)電機(jī)組效率下降。因此，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，1m3（純量）瓦斯實(shí)際發(fā)電量為D=2.8kWh。

因此，該礦區(qū)瓦斯發(fā)電項(xiàng)目建成后，預(yù)計(jì)年收入電量為：

W=S1×D(1-?茁2)=2000×2.8×(1-5％)=5320

公式中各符號意義為：

S1——預(yù)計(jì)瓦斯發(fā)電項(xiàng)目年利用瓦斯量（萬m3）;D——1m3（純量）瓦斯實(shí)際發(fā)電量（kWh）；

β2——瓦斯發(fā)電機(jī)組自用電比例；W——預(yù)計(jì)年收入電量為（萬kWh）。

而1kg標(biāo)準(zhǔn)煤發(fā)電量為：d2=■×?茁3＝■×35％＝2.84

公式中各符號意義為：

Q2——1kg標(biāo)準(zhǔn)煤發(fā)熱值（kj）;q——1kWh電所含能量（kj）；

β3——火力發(fā)電機(jī)組平均效率；d2——1kg標(biāo)準(zhǔn)煤發(fā)電量（kWh）。

因此，該礦區(qū)瓦斯發(fā)電項(xiàng)目年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤量為：

M1=■=■=18732

公式中各符號意義為：

W——預(yù)計(jì)年收入電量為（萬kWh）;d2——1kg標(biāo)準(zhǔn)煤發(fā)電量（kWh）；M1—瓦斯發(fā)電項(xiàng)目年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤量(t)。

根據(jù)以上計(jì)算，該礦區(qū)瓦斯發(fā)電項(xiàng)目年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤將達(dá)18732t。

3.2瓦斯鍋爐節(jié)能量化計(jì)算

預(yù)計(jì)該礦區(qū)燃煤鍋爐改造為瓦斯鍋爐項(xiàng)目完成后，瓦斯鍋爐年消耗瓦斯量為80萬m3（純量）。根據(jù)燃煤鍋爐及瓦斯鍋爐特點(diǎn)，改造后，由熱量平衡可計(jì)算出年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤量為：

M2=■=■=1220

公式中各符號意義為：

Q1——1m3（純量）瓦斯發(fā)熱值（kj）;Q2——1kg標(biāo)準(zhǔn)煤發(fā)熱值（kj）;

S2——預(yù)計(jì)瓦斯鍋爐項(xiàng)目年利用瓦斯量（萬m3）;η1——瓦斯鍋爐燃燒熱效率；

η2——燃煤鍋爐燃燒熱效率；M2——瓦斯鍋爐項(xiàng)目年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤量(t)。

根據(jù)以上計(jì)算，該礦區(qū)瓦斯發(fā)電項(xiàng)目年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤將達(dá)到1220t。

3.3瓦斯民用燃?xì)夤?jié)能量化計(jì)算

預(yù)計(jì)該礦區(qū)瓦斯民用燃?xì)忭?xiàng)目建設(shè)完成后，年消耗瓦斯量為720萬m3（純量）。根據(jù)熱量平衡計(jì)算出年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤量為：

公式中各符號意義為：

M3=■=■=15373

Q1——1m3（純量）瓦斯發(fā)熱值（kj）;Q2——1kg標(biāo)準(zhǔn)煤發(fā)熱值（kj）;

S3——預(yù)計(jì)瓦斯燃?xì)忭?xiàng)目年利用瓦斯量（萬m3）;λ1—民用燃?xì)馄骄鶡嵝剩?/p>

λ2—民用燃煤平均熱效率；M3—瓦斯燃?xì)忭?xiàng)目年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤量(t)。

根據(jù)以上計(jì)算，該礦區(qū)瓦斯民用燃?xì)忭?xiàng)目建成后年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤將達(dá)到15373t。

3.4礦區(qū)節(jié)能總量計(jì)算

公式中各符號意義為：

M=M1+M2+M3=18732+1220+15373=35325

M——瓦斯綜合利用項(xiàng)目年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤量(kg)；M1——瓦斯發(fā)電項(xiàng)目年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤量(kg)

M2——瓦斯鍋爐項(xiàng)目年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤量(kg)；M3——瓦斯燃?xì)忭?xiàng)目年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤量(kg)

該礦區(qū)一年瓦斯綜合利用總節(jié)能量為35325t標(biāo)準(zhǔn)煤，節(jié)能效果十分顯著。

4減排量化計(jì)算

甲烷是一種僅次于二氧化碳的全球第二大溫室氣體，其溫室效應(yīng)是二氧化碳的21倍。中國的甲烷排放問題十分突出。2007年中國經(jīng)濟(jì)部門溫室氣體排放的構(gòu)成中，甲烷的當(dāng)量二氧化碳排放量已遠(yuǎn)高于英國、加拿大、德國等國化石燃料燃燒產(chǎn)生二氧化碳排放量。同時(shí)，甲烷在大氣中的壽命為12-17年，比二氧化碳在大氣中存留時(shí)間（50-200年）短很多。甲烷的減排對大氣中溫室氣體的減少具有迅速的影響，可以作為優(yōu)先減排對象。

根據(jù)該礦區(qū)年利用瓦斯總量將為2800萬m3（純量）。因此，其直接減排甲烷氣體折算至CO2量為：

P1=S×p×21=2800×104×0.714×21=419832

公式中各符號意義為：

S——預(yù)計(jì)瓦斯項(xiàng)目年利用瓦斯量（萬m3）;

ρ——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下甲烷密度（kg/m3）;P1—減排甲烷氣體折算至CO2量（t），而由于甲烷燃燒過程中也產(chǎn)生CO2氣體，因此，在計(jì)算其減排量時(shí)，需要扣除這一部分的CO2。

甲烷燃燒化學(xué)方程式為：CH4+2O2 = CO2+2H2O

因此，甲烷燃燒自身產(chǎn)生的CO2量為：P2=S×ρ×■=2800×104 ×0.714×■=54978

公式中各符號意義為：

S——預(yù)計(jì)瓦斯項(xiàng)目年利用瓦斯量（萬m3）;ρ——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下甲烷密度（kg/m3）;

m1——CO2分子量；m2——甲烷分子量；P2——甲烷燃燒排放CO2量（t）

由于該項(xiàng)目總節(jié)約標(biāo)煤量為35325t，在節(jié)約了該部分標(biāo)煤后，同時(shí)也減排了這部分標(biāo)煤燃燒所產(chǎn)生的CO2，該部分減排量計(jì)算為：

公式中各符號意義為：

P3=M×α×K=35325×8.73×10-5×29270=90268

M——瓦斯綜合利用項(xiàng)目年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤量(t);α——標(biāo)煤的二氧化碳排放因子（tCO2e/MJ）

α=8.73x10-5t/MJ;K—標(biāo)煤的低位發(fā)熱量(MJ)；K=29270MJ;

P3——項(xiàng)目節(jié)約標(biāo)煤的當(dāng)量排放量（t）

根據(jù)以上計(jì)算，礦區(qū)瓦斯利用項(xiàng)目總減排CO2量為：

p=p1-p2+p3=419823-54978+90268=488122

公式中各符號意義為：

P——瓦斯綜合利用項(xiàng)目年減排CO2量(t)；P1——減排甲烷氣體折算至CO2量(t)

P2——甲烷燃燒排放CO2量(t)；P3——項(xiàng)目節(jié)約標(biāo)煤的當(dāng)量排放量(t)

該礦區(qū)瓦斯利用項(xiàng)目年利用瓦斯量為2800萬m3（純量），根據(jù)計(jì)算相當(dāng)于每年減排了488122t的二氧化碳。國家發(fā)改委為CERs 制定了最低交易價(jià)格為8歐元/t，如果申請CDM項(xiàng)目，保守估計(jì)，CERs交易將能為該企業(yè)帶來390.48萬歐元的收入，按目前1歐元兌換8.65元人民幣計(jì)，折合人民幣3377.65萬元的減排效益。

5結(jié)語

煤礦瓦斯是一種對煤礦安全生產(chǎn)有害的氣體，但如果加以合理科學(xué)的利用，煤礦瓦斯也是一種寶貴的資源，瓦斯利用不僅能為煤礦企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益，而且對煤礦安全生產(chǎn)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，響應(yīng)國家政策，建立煤礦區(qū)循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈起著舉足重輕的作用。加大煤礦瓦斯利用的力度，是實(shí)現(xiàn)高瓦斯煤礦可持續(xù)發(fā)展，建設(shè)礦區(qū)生態(tài)文明的必經(jīng)之路。

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［責(zé)任編輯：劉帥］