中國煤炭生產甲烷排放現狀及對策研究

徐東耀等

摘要：指出了煤炭行業的甲烷排放也是造成溫室效應的重要因素之一，氣候的變化直接影響到人類社會的可持續發展，我國有著豐富的煤層氣儲藏量，為發展新清潔能源奠定了堅實的基礎，但是由于政策和技術限制，我國煤炭行業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，造成了資源浪費的同時也是煤炭生產安全的隱患。結合我國煤炭甲烷排放特征，分析了我國煤炭甲烷排放現狀和主要的利用技術，并提出了中國煤炭甲烷排控的對策。

關鍵詞：煤炭行業；煤炭甲烷；利用技術；排控對策

中圖分類號： X502

文獻標識碼： A 文章編號： 16749944（2015）06017004

1 引言

中國是一個產煤大國，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的飛躍，到2009年突破60億m3，2010年達到近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，不但浪費了大量的資源，而且還加劇了全球溫室效應的惡化[3]。因此，結合我國煤炭甲烷排放特點，從技術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 煤炭甲烷排放現狀

由于煤炭作為國家支柱能源產業，它的重要的戰略地位為其蒙上了一層神秘的面紗，因此煤礦甲烷的生產量也相對不透明，但是對于一個國家或者一個區域來說，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，以后者作為基礎就可以得到一定的函數關系，即煤礦甲烷涌出量是和原煤產量有一定線性關系的。

根據《礦井瓦斯等級鑒定規范》（AQ1025）甲烷的涌出量包括抽采部分和風排部分，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、生產采區采空區甲烷涌出、已采采空區甲烷涌出。如表1所示，為2005～2013年全國煤炭行業原煤總產量和甲烷涌出量。

圖1中實線是近10年我國原煤產量的走勢，而虛線是對應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性，通過簡單相關系數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系，不難得出兩者相關系數高達0.994，證明這兩者之間存在著很強的相關性。因此，根據企業的原煤生產量計算出的煤礦甲烷涌出量的數據是相當可靠的，具有很強的參考性。

2.2 煤炭甲烷利用現狀

2.2.1 煤炭甲烷抽采現狀

從20世紀90年代開始，隨著我國煤炭產業的不斷發展，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，從國家安監部門歷年統計數據可知，2009年甲烷抽采量超過6×109m3，而2010年的統計值就已逼近7×109m3（表2），另外，由于調查范圍的大小及統計方式的差異導致有些報告中顯示2010年煤礦瓦斯抽采量分別為7.5×109m3和7×109m3（數據分別來自《煤礦瓦斯開發利用“十二五”規劃》和《煤炭工業發展“十二五”規劃》，由于二者都沒有給出歷年的統計數據，因此本文主要以安監部門發布的統計數據為基礎來進行研究預測，兩個《規劃》中的數據僅作參照，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 煤炭甲烷利用現狀

參考相關統計數據，以煤礦瓦斯防治部級協調領導小組第八次會議～第十一次會議中相關統計數據，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年達到峰值21.94億m3；抽采甲烷的排放量每年也呈現增長的趨勢，到2010年達到47.7億m3；煤礦甲烷利用率2004年以前超過40%，然而由于原煤產量的放大效應，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

3.1 高濃度煤炭甲烷的利用技術

近幾年來，在工業發電、各種燃料等能源利用產業的資源利用上，煤礦甲烷因其在區域上的持續發展逐漸發揮其作用，在這些能源利用產業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），用作發電的瓦斯發電裝機，以及煤礦甲烷回收利用清潔發展機制項目。根據相關數據，我國在“十一五”期間，煤礦甲烷的累計使用量為95億m3，這相當于省下了1000萬t的煤炭，在一定程度上二氧化碳的產生量也有所降低[10]。

3.1.1 煤炭甲烷發電

近幾十年，我國各省市的煤礦甲烷發電產業都取得了很大的成就，煤礦甲烷的開發利用展現了空前的發展態勢，煤礦甲烷利用總量屢創新高，其中以山西省與貴州省等為首，年發電量逐年突破。2010年，全球最大的瓦斯發電廠也在我國建成并投入使用，這表示我國的煤礦甲烷發電技術趨于國際領先地位，并獲得國際認可。

3.1.2 煤炭甲烷民用

煤礦甲烷用于民用產業開始于20世紀50年代初期，我國首次進行瓦斯預抽并且獲得成功，這開創我國煤礦甲烷大范圍量產的歷史。由于開采的多數煤礦甲烷成分非常雜亂豐富，濃度極不穩定，跟天然氣基本無法實現共同輸送。但我國的煤礦甲烷在此領域依然取得了卓越成效，煤礦甲烷液化廠不斷建成投產，甲烷產量、用戶數量以及管網長度持續攀升。

3.1.3 煤炭甲烷工業利用

煤礦甲烷跟天然氣的特點有些類似，因此同樣在工業生產中可以作為優質的原料。它作為一種潔凈的資源跟汽油作用十分類似，煤礦甲烷作為工業原料時成本較低，收效卻很大。用于工業生產時所需要的占地面積也很少，最重要的是對環境的污染減到了最小化，非常環保。我國煤礦甲烷工業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，當甲烷的體積分數超過90%時才可以作為燃料在機動車上使用，因此它成為繼石油和天然氣后一種新型補充或替代能源。作為汽車燃料的煤礦甲烷跟天然氣的特點和作用都非常類似，不僅投入的資金很少，而且對車輛內部的損耗很小，而且還非常安全可靠，最重要的是對環境污染程度很小，十分環保[11]。

3.2 低濃度煤炭甲烷的利用技術

國內研發較為成熟且進入工業試驗階段的技術主要有以下幾種：內燃機直接發電技術、濃縮提純技術以及催化氧化氣輪機發電技術。

3.2.1 內燃機直接發電技術

在低濃度煤礦甲烷內燃機直接發電方面，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電機組的技術，能夠把濃度高于6%的低濃度瓦斯轉化成電能。隨著低濃度煤礦甲烷利用技術逐漸得到重視，國內參與研發低濃度瓦斯發電機組的單位逐年增多，技術層面的難題一一得到解決并且極好地運用在實際批量生產中。

3.2.2 催化氧化氣輪機發電技術

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

3.3 超低濃度煤炭甲烷的利用技術

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

我國于2015年開始利用自行開發生產的通風甲烷氧化技術及煤礦乏風氧化裝置，已經可以將超低濃度的煤礦甲烷通過收集，再對其發生氧化而產生大量熱能，這些熱能通過階段性使用以及在氧化裝置的協助下制得過熱高壓蒸汽，這種高壓蒸汽能夠驅動蒸汽輪機發電，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甲烷排放和利用現狀的分析，根據我國煤炭行業自身的特點，提出以下幾條建議。

（1）提高現有煤礦甲烷抽采利用政策標準。煤層氣抽采利用中央財政補貼、瓦斯發電加價等政策已實施5年了，應適當進行調整，并逐步形成定期調整機制。

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

（3）重視低濃度煤礦甲烷的利用技術。由于我國煤層滲透率低，賦藏條件復雜，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，政府應在低濃度瓦斯利用方面加大科研力度，研發多途徑、高效率利用低濃度瓦斯的方式。

參考文獻：

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

[2]張仁健.中國甲烷排放現狀[J].氣候與環境研究，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，1999（3）：10～12，42.

[4]田彥彥，劉曉斐.我國煤礦甲烷排污權交易制度構建及法律保障[J].中北大學學報：社會科學版，2012（1）：41～45.