山西省煤礦甲烷排放量與利用量精細測算

劉 虹 趙美琳 趙 康 張 瑞 馬庭林薛文林 侯志華 張清源 張孝義

1. 中國礦業(yè)大學（北京）管理學院 2. 中國宏觀經(jīng)濟研究院能源研究所 3. 山西今日智庫能源有限公司

0 引言

甲烷是僅次于二氧化碳的第二大溫室氣體[1]。2021年8月9日，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第六次評估報告第一工作組報告特別強調(diào)了全球甲烷減排的重要性[2]，“十四五”規(guī)劃首次將甲烷排放寫入五年規(guī)劃，提出“加大甲烷、氫氟碳化物、全氟化碳等其他溫室氣體控制力度”[3]。我國煤炭行業(yè)的甲烷排放量巨大，其中井工開采是煤炭開采活動中最大的甲烷排放源，其甲烷排放量約占煤礦甲烷排放總量的83%[4]。因此，有必要對井工開采過程中的甲烷排放量進行定量研究。

據(jù)國家能源局統(tǒng)計，山西省是我國主要的煤炭生產(chǎn)區(qū)域之一，近 70 年以來煤炭總產(chǎn)量高達 200×108t[5]，在這一過程中，大量賦存在煤層中的甲烷排放到大氣中。因此，進行山西省煤礦的甲烷排放量與利用量精細化測算對深入開展我國煤炭行業(yè)的甲烷排放研究具有代表性意義[6]。為此，筆者基于山西省2019年煤礦甲烷排放源的各礦區(qū)企業(yè)實測數(shù)據(jù)，對井工開采過程中甲烷排放量進行初步測算，以期為建立完整的煤礦甲烷排放量清單提供理論方法和實踐經(jīng)驗。

1 研究思路及方法

1.1 研究思路

原煤產(chǎn)量法是計算煤礦甲烷排放量相對準確且合理有效的方法，通常利用《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》（以下簡稱《指南》）推薦的煤炭開采過程中的甲烷排放因子和實際測量的國家或區(qū)域煤炭產(chǎn)量數(shù)據(jù)，來測算某個國家或地區(qū)的甲烷排放量[7-8]。然而相關研究顯示[9]，由于礦井類型和數(shù)量的差異，以及乏風中低濃度甲烷（體積分數(shù)通常不超過0.75%）利用率較低[10]，通常被直接排放到大氣中[11-12]，且煤體的變形程度會影響煤層中甲烷的釋放和運移[13-16]，《指南》提供的甲烷排放因子參考值在我國煤炭產(chǎn)業(yè)實際研究、使用的過程中精度不夠[17]。

為提高甲烷排放定量計算的準確性，筆者采用原煤產(chǎn)量法作為煤礦甲烷排放量的計算方法，并結合實測調(diào)查和典型樣本推演，通過原煤產(chǎn)量和煤礦監(jiān)測數(shù)據(jù)測算不同類型煤礦的甲烷涌出因子[18]，采用噸煤的甲烷涌出量與利用量的差值即凈排放量計算得到甲烷排放因子，更真實地反映煤礦開采過程中甲烷的排放強度，最后基于甲烷凈排放量和區(qū)域面積計算各區(qū)域的甲烷地理排放強度，精準細化測算山西省域內(nèi)煤礦甲烷氣體排放量的情況。

1.2 區(qū)域煤礦甲烷排放量與利用量計算方法

1.2.1 甲烷涌出因子和排放因子

研究定義的甲烷涌出因子與《指南》定義的井工煤礦開采過程中的甲烷排放因子概念一致，即噸煤生產(chǎn)過程中甲烷的平均排放量[19]。根據(jù)礦井的原煤年產(chǎn)量和甲烷涌出量加權計算煤礦的甲烷涌出因子：

式中ΔXi表示X區(qū)域第i類型礦井的甲烷涌出因子，m3/t；X表示山西省的11個行政區(qū)域；i表示高瓦斯礦井、煤與瓦斯突出礦井、低瓦斯礦井等3種礦井類型；j表示第i類型礦井中的某一礦井；mi表示第i類型礦井的數(shù)量；QTij表示樣本中第i類型礦井中的第j個礦井的甲烷涌出量，m3；Mij為樣本中第i類型礦井中的第j個礦井的原煤年產(chǎn)量，t。

研究定義的甲烷排放因子是指甲烷涌出量減去利用量后的甲烷凈排放量與原煤產(chǎn)量的比值?；诿旱V開采過程中瓦斯動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算各區(qū)域不同類型礦井的甲烷排放因子：

式中ΔNXi表示X區(qū)域第i類型礦井的甲烷排放因子，m3/t；rij為樣本中第i類型礦井中的第j個礦井的甲烷利用率。然后基于不同類型煤礦的甲烷排放因子和不同類型礦井的數(shù)量占比（統(tǒng)計樣本中礦井類型占比），計算各區(qū)域甲烷排放因子：

式中ΔNX表示X區(qū)域的甲烷排放因子，m3/t；PXi表示樣本中X區(qū)域的i類型煤礦的數(shù)量占比。

1.2.2 甲烷涌出量和凈排放量

基于測算的甲烷涌出因子和原煤年產(chǎn)量數(shù)據(jù)，計算山西省各行政區(qū)域不同類型礦井的甲烷年涌出量：

式中QTXi表示X區(qū)域第i類型礦井的甲烷年涌出量，m3；MXi表示X區(qū)域第i類型礦井原煤年產(chǎn)量，t。

甲烷凈排放量是指逃逸到大氣中的甲烷排放量，基于樣本數(shù)據(jù)中測算的甲烷排放因子和原煤年產(chǎn)量數(shù)據(jù)，計算山西省各行政區(qū)域不同類型礦井的甲烷年凈排放量：

式中QNXi表示X區(qū)域第i類型礦井的甲烷年凈排放量，m3。

1.2.3 甲烷回收利用量

基于測算的各行政區(qū)域的煤礦甲烷年涌出量和甲烷年凈排放量數(shù)據(jù)，計算各行政區(qū)域的煤礦甲烷年利用量：

式中UX表示X區(qū)域的甲烷年利用量，m3。同時計算2019 年各行政區(qū)域的甲烷利用率 ：

式中RX表示X區(qū)域的甲烷利用率。

1.2.4 甲烷地理排放強度

甲烷地理排放強度用區(qū)域煤礦甲烷年凈排放量（換算為質(zhì)量單位）和所在地區(qū)面積的比值表示,計算公式如下：

式中QIX表示X區(qū)域的甲烷地理排放強度，t/km2；ρCH4表示標況下甲烷的密度，0.716 kg/m3。SX表示X區(qū)域面積，km2。

2 研究樣本

本次研究選取了2019年山西省不同行政區(qū)域178座不同類型礦井作為樣本，按照各礦井所屬行政區(qū)域統(tǒng)計礦井類型及原煤年產(chǎn)量，其中高瓦斯礦井數(shù)量為143處，煤與瓦斯突出礦井數(shù)量為29處，低瓦斯礦井數(shù)量為6處。同時，根據(jù)煤礦開采過程中的瓦斯動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算樣本區(qū)域不同類型礦井的甲烷涌出量（表1）。

表1 2019年山西省統(tǒng)計樣本礦井類型、原煤產(chǎn)量及甲烷涌出量數(shù)據(jù)匯總表

3 實證結果與分析

3.1 甲烷涌出因子和排放因子

根據(jù)公式（1）和（2）分別計算各區(qū)域不同類型礦井的甲烷涌出因子和甲烷排放因子，對于缺失的少量監(jiān)測數(shù)據(jù)，需要根據(jù)行政區(qū)域的地理位置關系建立平衡方程，運用LINGO軟件求解未知量，結果如表2所示。

表2計算結果表明，山西省各區(qū)域不同類型礦井的甲烷涌出因子和排放因子差別較大。煤與瓦斯突出礦井的甲烷涌出因子介于0.73～45.47 m3/t，甲烷排放因子介于0.73～17.51 m3/t；高瓦斯礦井的涌出因子介于1.08～31.57 m3/t，甲烷排放因子介于0.96～14.46 m3/t；低瓦斯礦井的甲烷涌出因子和排放因子均小于10 m3/t，甲烷涌出因子介于0.13 ～ 8.48 m3/t，甲烷排放因子介于 0.13 ～ 6.29 m3/t。計算結果同時也表現(xiàn)出：煤與瓦斯突出礦井和高瓦斯礦井的原煤產(chǎn)量對甲烷涌出量的影響較大；低瓦斯礦井的原煤產(chǎn)量對甲烷涌出量影響較小[18]。

基于不同類型礦井的甲烷排放因子測算結果和樣本中不同類型煤礦的數(shù)量占比，根據(jù)公式（3）求得各行政區(qū)域甲烷排放因子，同時求出山西省甲烷排放因子為5.08 m3/t?？傮w來看，山西省甲烷排放因子高值區(qū)主要集中分布在中部（太原市、陽泉市、晉中市、呂梁市、臨汾市）和東南部（長治市和晉城市）；低值區(qū)主要分布在北部（大同市、忻州市、朔州市）和西南部（運城市）。

3.2 煤礦甲烷排放量和利用量

3.2.1 甲烷涌出量和凈排放量

根據(jù)山西省煤炭工業(yè)廳煤炭資源地質(zhì)局在2020年3月份公布的山西省煤礦全名單，收集整理山西省不同類型礦井的生產(chǎn)能力數(shù)據(jù)，匯總求得山西省2019 年全部煤礦的生產(chǎn)能力為 12.629 5×108t。通過查閱《山西省統(tǒng)計年鑒》，獲得山西省2019年原煤總產(chǎn)量數(shù)據(jù)為 9.879 5×108t，原煤產(chǎn)量和生產(chǎn)能力的比值為0.782 3?；跇颖緮?shù)據(jù)，測算出山西省2019年各行政區(qū)域不同類型礦井原煤產(chǎn)量（表3）。

表3 2019年山西省各區(qū)域不同類型礦井原煤產(chǎn)量表 單位：104 t

基于測算的甲烷涌出因子和原煤產(chǎn)量數(shù)據(jù)，根據(jù)公式（4）和公式（5）分別計算山西省2019年各行政區(qū)域不同類型礦井的甲烷涌出量和甲烷凈排放量（表4）。

表4 2019年山西省各區(qū)域不同類型礦井甲烷涌出量和凈排放量表 單位：108 m3

匯總求得2019年山西省所有類型礦井甲烷涌出總量約 63.91×108m3，甲烷凈排放量約 40.39×108m3。高瓦斯礦井的甲烷涌出總量約28.06×108m3，甲烷凈排放量約16.68×108m3；煤與瓦斯突出礦井的甲烷涌出總量約17.64×108m3，甲烷凈排放量約為8.08×108m3；低瓦斯礦井的甲烷涌出總量約18.21×108m3，甲烷凈排放量約 15.63×108m3。根據(jù)計算可知，2019年晉城市、晉中市、呂梁市煤與瓦斯突出礦井和高瓦斯礦井的甲烷涌出量均較高。究其原因，一是由于煤與瓦斯突出礦井和高瓦斯礦井的數(shù)量較多；二是由于開采煤層的煤階較高，甲烷吸附量大[20]；三是由于原煤產(chǎn)量高。長治市和陽泉市低瓦斯礦井甲烷涌出量大，而煤與瓦斯突出礦井和高瓦斯礦井涌出量相對較小，可能與強烈的構造作用導致煤體破碎有關[21-22]。

3.2.2 甲烷利用量

煤層氣是重要的清潔能源，甲烷是煤層氣的主要成分。據(jù)國際能源機構的統(tǒng)計，煤礦甲烷排放主要來源于井工開采，占比約為83%。根據(jù)國家溫室氣體清單數(shù)據(jù)可知，2019年中國煤炭開采導致的甲烷排放量約2 000×104t[23]，有效回收和利用煤炭開采過程中排放的甲烷對緩解溫室效應至關重要。基于甲烷涌出量和凈排放量的測算結果（表4），根據(jù)公式（5）和公式（6）計算甲烷利用量和利用率，測算甲烷利用量結果如表5所示。2019年山西省各區(qū)域的甲烷利用率較高，平均利用率為36.78%，其中陽泉市利用率最高，約48.28%；晉中市、晉城市、忻州市、呂梁市的甲烷利用率均高于平均利用率水平，并且部分地區(qū)的煤礦甲烷抽采利用率超過80%。不同類型礦井的甲烷利用率差異較大，煤與瓦斯突出礦井和高瓦斯礦井的甲烷利用率較高，分別為54.18%和40.53%。

表5 2019年山西省各區(qū)域不同類型礦井甲烷利用量及利用率表

3.3 甲烷地理排放強度

甲烷地理排放強度可用來判別甲烷排放對所在地區(qū)大氣環(huán)境污染的影響程度，基于煤礦甲烷凈排放量測算結果（表4），與標況下甲烷密度（0.716 kg/m3）相乘得到質(zhì)量級甲烷凈排放量，根據(jù)公式（8）求得各行政區(qū)域甲烷排放強度，測算結果如表6所示。

表6 2019年山西省各區(qū)域煤礦甲烷地理排放強度表

甲烷地理排放強度高值區(qū)主要集中分布在中部以東區(qū)域（太原市、陽泉市和晉中市）和東南部（長治市和晉城市），主要原因是這五個城市地處沁水盆地、鄂爾多斯盆地東緣兩個高突瓦斯區(qū)內(nèi)，區(qū)域煤與瓦斯突出礦井和高瓦斯礦井分布密集，煤層對甲烷的吸附能力強，甲烷含量普遍偏高[22]。相比區(qū)域甲烷排放因子分布，高值區(qū)并未包括中部以西區(qū)域（呂梁市、臨汾市），是因為這兩個城市的區(qū)域面積較大導致計算結果偏低。甲烷地理排放強度和甲烷排放因子低值區(qū)相吻合，主要分布在北部（大同市、忻州市、朔州市）和西南部（運城市）。

4 結論與建議

以山西省典型礦井為研究對象，采用原煤產(chǎn)量法和礦井實測法，基于2019年煤礦開采過程中瓦斯動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，首次精細化測算了不同類型礦井的甲烷涌出因子、甲烷排放因子和甲烷地理排放強度，編制了省域內(nèi)詳細的甲烷排放清單。主要結論如下：

1）山西省不同類型礦井的甲烷涌出因子存在較大差異，煤與瓦斯突出礦井甲烷涌出因子介于0.73～ 45.47 m3/t，高瓦斯礦井介于 1.08～ 31.57 m3/t，低瓦斯礦井介于0.13～8.48 m3/t。不同類型礦井的甲烷排放因子也存在較大差異，山西省礦井的甲烷排放因子介于0.13～17.51 m3/t，煤與瓦斯突出礦井最大，高瓦斯礦井次之，低瓦斯礦井最小。山西省礦井的甲烷涌出因子范圍（0.13～45.47 m3/t）與《指南》給出的參考值（10～25 m3/t）偏差較大，表明甲烷涌出因子具有非均質(zhì)性，編制詳細的區(qū)域甲烷排放清單是必要的。

2）山西省2019年甲烷涌出量、凈排放量和利用量分別為 63.91×108m3、40.39×108m3、23.50×108m3，甲烷利用率為36.78%。且不同類型礦井的甲烷利用率差異較大，煤與瓦斯突出礦井和高瓦斯礦井的甲烷利用率較高，分別為54.18%和40.53%。

3）山西省不同行政區(qū)域甲烷排放強度差異巨大，甲烷排放強度高值區(qū)集中分布在中部和東南部，是由于城市地處沁水盆地、鄂爾多斯盆地東緣兩個高突瓦斯區(qū)內(nèi)，區(qū)域煤與瓦斯突出礦井和高瓦斯礦井分布密集所致，煤層對甲烷的吸附能力強，甲烷含量普遍偏高。

基于上述結論，針對山西省煤礦開采過程中甲烷減排和利用提出如下建議：

1）部署煤礦甲烷排放量管控的頂層設計勢在必行。建議制定符合國情的煤礦甲烷排放量管控制度，將甲烷排放量控制納入國家氣候目標。以《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測規(guī)劃綱要（2020—2035年）》總體布局為依托，編制溫室氣體排放清單，構建我國甲烷排放監(jiān)測體系。

2）進一步加強煤礦煤層氣與井下瓦斯協(xié)同開采，根據(jù)煤層物性特征、開采規(guī)劃等因素，協(xié)同發(fā)展井下瓦斯抽采和地面煤層氣開采工藝，降低礦區(qū)煤層中甲烷排放的絕對含量。針對不同類型礦井甲烷濃度差異采用不同的利用途徑以實現(xiàn)甲烷高效利用，甲烷濃度超過30%可直接用于發(fā)電、民用、瓦斯鍋爐等；濃度介于8%～30%之間，可考慮提純至30%。

3）由于乏風中低濃度甲烷難以單獨利用，建議深入開展富集和純化工藝的研究，拓寬低濃度甲烷綠色利用閾值。濃度低于8%的甲烷可與高濃度甲烷混合后進行利用，積極提高煤礦甲烷利用率，實現(xiàn)煤礦低碳綠色開采。