中國煤炭生產(chǎn)甲烷排放現(xiàn)狀及對策研究

徐東耀等

摘要：指出了煤炭行業(yè)的甲烷排放也是造成溫室效應(yīng)的重要因素之一，氣候的變化直接影響到人類社會的可持續(xù)發(fā)展，我國有著豐富的煤層氣儲藏量，為發(fā)展新清潔能源奠定了堅實的基礎(chǔ)，但是由于政策和技術(shù)限制，我國煤炭行業(yè)每年向大氣中排放了大量的煤炭甲烷氣體，尤其是低濃度煤炭甲烷，造成了資源浪費(fèi)的同時也是煤炭生產(chǎn)安全的隱患。結(jié)合我國煤炭甲烷排放特征，分析了我國煤炭甲烷排放現(xiàn)狀和主要的利用技術(shù)，并提出了中國煤炭甲烷排控的對策。

關(guān)鍵詞：煤炭行業(yè)；煤炭甲烷；利用技術(shù)；排控對策

中圖分類號： X502

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 16749944（2015）06017004

1 引言

中國是一個產(chǎn)煤大國，同時有著豐富的煤層氣資源[1]，我國非常重視煤炭甲烷的抽采及利用[2]，提出了煤炭甲烷利用的12字方針：“先抽后采、能抽盡抽、以用促抽”，提高煤礦對甲烷的抽采力度。雖然我國煤炭甲烷利用技術(shù)起步較早，1996年以來，我國煤礦甲烷抽采量和利用量逐漸增加，但是抽采利用率卻保持在33%左右，煤礦甲烷的抽采量逐年升高，到2005年抽采量有了一次質(zhì)的飛躍，到2009年突破60億m3，2010年達(dá)到近70億m3。

我國煤炭甲烷排放量居世界首位，大量的低濃度的煤炭甲烷直接抽排到大氣中，不但浪費(fèi)了大量的資源，而且還加劇了全球溫室效應(yīng)的惡化[3]。因此，結(jié)合我國煤炭甲烷排放特點(diǎn)，從技術(shù)和政策角度研究適合我國煤炭甲烷的控排對策[4]。對我國的煤炭甲烷的資源化[5]和控排措施的制定，具有重要的意義。

2 我國煤礦甲烷排放和利用

2.1 煤炭甲烷排放現(xiàn)狀

由于煤炭作為國家支柱能源產(chǎn)業(yè)，它的重要的戰(zhàn)略地位為其蒙上了一層神秘的面紗，因此煤礦甲烷的生產(chǎn)量也相對不透明，但是對于一個國家或者一個區(qū)域來說，煤礦甲烷的涌出量和排放量還是有跡可循的，是具有一定規(guī)律性，通過計算公式得到的涌出量稱之為相對涌出量[6]，將相對涌出量和絕對涌出量相互綜合，以后者作為基礎(chǔ)就可以得到一定的函數(shù)關(guān)系，即煤礦甲烷涌出量是和原煤產(chǎn)量有一定線性關(guān)系的。

根據(jù)《礦井瓦斯等級鑒定規(guī)范》（AQ1025）甲烷的涌出量包括抽采部分和風(fēng)排部分，涵蓋七個涌出源：開采層甲烷涌出、鄰近層甲烷涌出、圍巖瓦甲烷涌出、煤壁甲烷涌出、落煤甲烷涌出、生產(chǎn)采區(qū)采空區(qū)甲烷涌出、已采采空區(qū)甲烷涌出。如表1所示，為2005～2013年全國煤炭行業(yè)原煤總產(chǎn)量和甲烷涌出量。

圖1中實線是近10年我國原煤產(chǎn)量的走勢，而虛線是對應(yīng)的煤礦甲烷的涌出量的走勢，相比之下我們可以直觀地看出這兩者有一定的相關(guān)性，通過簡單相關(guān)系數(shù)Rxy=∑n[]i=1（xi-）（yi-）[]∑n[]i=1（xi-）2∑n[]i=1（yi-）2來研究兩者的水平和變化趨勢的關(guān)系，不難得出兩者相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.994，證明這兩者之間存在著很強(qiáng)的相關(guān)性。因此，根據(jù)企業(yè)的原煤生產(chǎn)量計算出的煤礦甲烷涌出量的數(shù)據(jù)是相當(dāng)可靠的，具有很強(qiáng)的參考性。

2.2 煤炭甲烷利用現(xiàn)狀

2.2.1 煤炭甲烷抽采現(xiàn)狀

從20世紀(jì)90年代開始，隨著我國煤炭產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，煤礦甲烷的抽采利用量也呈逐年增長的趨勢。尤其是近10年以來每年的甲烷抽采量都有較大幅度的增長，從國家安監(jiān)部門歷年統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，2009年甲烷抽采量超過6×109m3，而2010年的統(tǒng)計值就已逼近7×109m3（表2），另外，由于調(diào)查范圍的大小及統(tǒng)計方式的差異導(dǎo)致有些報告中顯示2010年煤礦瓦斯抽采量分別為7.5×109m3和7×109m3（數(shù)據(jù)分別來自《煤礦瓦斯開發(fā)利用“十二五”規(guī)劃》和《煤炭工業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃》，由于二者都沒有給出歷年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，因此本文主要以安監(jiān)部門發(fā)布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)來進(jìn)行研究預(yù)測，兩個《規(guī)劃》中的數(shù)據(jù)僅作參照，但是總體來看我國甲烷的抽采量是呈上升趨勢的[7]。

我國煤礦甲烷的抽采量占產(chǎn)生量的比例還比較低[8]，主要原因是目前的抽采偏重于高瓦斯礦井和瓦斯突出礦井，大部分煤礦甲烷沒有抽采而直接排放。

2.2.2 煤炭甲烷利用現(xiàn)狀

參考相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以煤礦瓦斯防治部級協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組第八次會議～第十一次會議中相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2010～2013年的煤礦甲烷抽采量和利用量情況見表3，表4。

圖2為我國1996～2010年煤礦甲烷的排放量和利用量趨勢，煤礦甲烷的利用量呈逐年上升的形勢，在2010年達(dá)到峰值21.94億m3；抽采甲烷的排放量每年也呈現(xiàn)增長的趨勢，到2010年達(dá)到47.7億m3；煤礦甲烷利用率2004年以前超過40%，然而由于原煤產(chǎn)量的放大效應(yīng)，煤礦甲烷涌出量大量增加，2004年以來其利用率維持在30%的水平左右，利用率比較低[9]。

圖2 我國煤礦抽采甲烷利用量與排放量走勢

3 煤炭甲烷利用技術(shù)

3.1 高濃度煤炭甲烷的利用技術(shù)

近幾年來，在工業(yè)發(fā)電、各種燃料等能源利用產(chǎn)業(yè)的資源利用上，煤礦甲烷因其在區(qū)域上的持續(xù)發(fā)展逐漸發(fā)揮其作用，在這些能源利用產(chǎn)業(yè)上得到了良好的利用，例如煤礦甲烷作為燃料使用（居民用戶以及汽車燃料），用作發(fā)電的瓦斯發(fā)電裝機(jī)，以及煤礦甲烷回收利用清潔發(fā)展機(jī)制項目。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，我國在“十一五”期間，煤礦甲烷的累計使用量為95億m3，這相當(dāng)于省下了1000萬t的煤炭，在一定程度上二氧化碳的產(chǎn)生量也有所降低[10]。

3.1.1 煤炭甲烷發(fā)電

近幾十年，我國各省市的煤礦甲烷發(fā)電產(chǎn)業(yè)都取得了很大的成就，煤礦甲烷的開發(fā)利用展現(xiàn)了空前的發(fā)展態(tài)勢，煤礦甲烷利用總量屢創(chuàng)新高，其中以山西省與貴州省等為首，年發(fā)電量逐年突破。2010年，全球最大的瓦斯發(fā)電廠也在我國建成并投入使用，這表示我國的煤礦甲烷發(fā)電技術(shù)趨于國際領(lǐng)先地位，并獲得國際認(rèn)可。

3.1.2 煤炭甲烷民用

煤礦甲烷用于民用產(chǎn)業(yè)開始于20世紀(jì)50年代初期，我國首次進(jìn)行瓦斯預(yù)抽并且獲得成功，這開創(chuàng)我國煤礦甲烷大范圍量產(chǎn)的歷史。由于開采的多數(shù)煤礦甲烷成分非常雜亂豐富，濃度極不穩(wěn)定，跟天然氣基本無法實現(xiàn)共同輸送。但我國的煤礦甲烷在此領(lǐng)域依然取得了卓越成效，煤礦甲烷液化廠不斷建成投產(chǎn)，甲烷產(chǎn)量、用戶數(shù)量以及管網(wǎng)長度持續(xù)攀升。

3.1.3 煤炭甲烷工業(yè)利用

煤礦甲烷跟天然氣的特點(diǎn)有些類似，因此同樣在工業(yè)生產(chǎn)中可以作為優(yōu)質(zhì)的原料。它作為一種潔凈的資源跟汽油作用十分類似，煤礦甲烷作為工業(yè)原料時成本較低，收效卻很大。用于工業(yè)生產(chǎn)時所需要的占地面積也很少，最重要的是對環(huán)境的污染減到了最小化，非常環(huán)保。我國煤礦甲烷工業(yè)利用項目主要有鐵法煤礦甲烷供法庫縣陶瓷城項目，陽泉煤礦甲烷氧化鋁焙燒項目[11]。

3.1.4 煤炭甲烷用于汽車燃料

眾所周知，當(dāng)甲烷的體積分?jǐn)?shù)超過90%時才可以作為燃料在機(jī)動車上使用，因此它成為繼石油和天然氣后一種新型補(bǔ)充或替代能源。作為汽車燃料的煤礦甲烷跟天然氣的特點(diǎn)和作用都非常類似，不僅投入的資金很少，而且對車輛內(nèi)部的損耗很小，而且還非常安全可靠，最重要的是對環(huán)境污染程度很小，十分環(huán)保[11]。

3.2 低濃度煤炭甲烷的利用技術(shù)

國內(nèi)研發(fā)較為成熟且進(jìn)入工業(yè)試驗階段的技術(shù)主要有以下幾種：內(nèi)燃機(jī)直接發(fā)電技術(shù)、濃縮提純技術(shù)以及催化氧化氣輪機(jī)發(fā)電技術(shù)。

3.2.1 內(nèi)燃機(jī)直接發(fā)電技術(shù)

在低濃度煤礦甲烷內(nèi)燃機(jī)直接發(fā)電方面，中國率先取得突破，擁有了全球第一個成功研制低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組的技術(shù)，能夠把濃度高于6%的低濃度瓦斯轉(zhuǎn)化成電能。隨著低濃度煤礦甲烷利用技術(shù)逐漸得到重視，國內(nèi)參與研發(fā)低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組的單位逐年增多，技術(shù)層面的難題一一得到解決并且極好地運(yùn)用在實際批量生產(chǎn)中。

3.2.2 催化氧化氣輪機(jī)發(fā)電技術(shù)

日本是世界上第一個研發(fā)出低濃度煤礦甲烷催化氧化氣輪機(jī)發(fā)電技術(shù)，其機(jī)理是：利用催化燃燒技術(shù)，吸附空氣中的氧氣與甲烷于催化劑表層，再在催化劑強(qiáng)大的氧化作用下，在低溫的環(huán)境下氧化燃料，該過程既不產(chǎn)生氮氧化物，也不會產(chǎn)生火焰。整個的工藝流程如下：燃?xì)廨啓C(jī)將較低濃度的煤礦甲烷自動吸入，通過催化燃燒燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電。

3.3 超低濃度煤炭甲烷的利用技術(shù)

濃度低于5%的甲烷稱為超低濃度煤礦甲烷，通常條件下，它不能被點(diǎn)燃或者維持燃燒。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示：我國煤礦所排放的煤礦甲烷氣體中，礦井通風(fēng)瓦斯（乏風(fēng)）占據(jù)了一半多的比例，每年對空排放甲烷氣體的總量相等于2000萬t煤炭燃燒所產(chǎn)生的能量，這是一座500kW的超大型火力發(fā)電廠一年的煤炭總用量。

我國于2015年開始利用自行開發(fā)生產(chǎn)的通風(fēng)甲烷氧化技術(shù)及煤礦乏風(fēng)氧化裝置，已經(jīng)可以將超低濃度的煤礦甲烷通過收集，再對其發(fā)生氧化而產(chǎn)生大量熱能，這些熱能通過階段性使用以及在氧化裝置的協(xié)助下制得過熱高壓蒸汽，這種高壓蒸汽能夠驅(qū)動蒸汽輪機(jī)發(fā)電，剩下的蒸汽熱還可用提供給民用[12]。

4 煤炭甲烷控排對策研究

通過上文對我國煤炭行業(yè)甲烷排放和利用現(xiàn)狀的分析，根據(jù)我國煤炭行業(yè)自身的特點(diǎn)，提出以下幾條建議。

（1）提高現(xiàn)有煤礦甲烷抽采利用政策標(biāo)準(zhǔn)。煤層氣抽采利用中央財政補(bǔ)貼、瓦斯發(fā)電加價等政策已實施5年了，應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整，并逐步形成定期調(diào)整機(jī)制。

（2）對于不同煤礦甲烷（煤礦瓦斯）開發(fā)利用項目實行分類有差別的財政補(bǔ)貼。建議不同地區(qū)提高財政補(bǔ)貼的標(biāo)準(zhǔn)，可在中央財政補(bǔ)貼的標(biāo)準(zhǔn)上調(diào)20%～40%的補(bǔ)貼額度，以鼓勵煤炭企業(yè)開展煤層氣（煤礦瓦斯）開發(fā)利用項目的積極性。

（3）重視低濃度煤礦甲烷的利用技術(shù)。由于我國煤層滲透率低，賦藏條件復(fù)雜，抽采出的煤礦甲烷很大一部分是濃度低于30%的低濃度煤礦甲烷。因此，政府應(yīng)在低濃度瓦斯利用方面加大科研力度，研發(fā)多途徑、高效率利用低濃度瓦斯的方式。

參考文獻(xiàn)：

[1]帕梅拉·富蘭克林. 通過國際甲烷市場化伙伴計劃發(fā)展煤礦甲烷項目[C]//2005第五屆國際煤層氣論壇暨第一屆中日煤炭技術(shù)研討會“國際甲烷市場化合作計劃”中國地區(qū)會議.2005.中國北京.

[2]張仁健.中國甲烷排放現(xiàn)狀[J].氣候與環(huán)境研究，1999（2）：67～75.

[3]徐振剛，張振勇.甲烷排放源及減排對策[J].潔凈煤技術(shù)，1999（3）：10～12，42.

[4]田彥彥，劉曉斐.我國煤礦甲烷排污權(quán)交易制度構(gòu)建及法律保障[J].中北大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，2012（1）：41～45.