中國氣體燃料資源及開發利用前景展望

馮立巖 翟 君 杜寶國 隆武強

1.大連理工大學內燃機研究所 2.大連理工大學船舶制造國家工程研究中心

氣體燃料主要包括常規天然氣、煤層氣、垃圾填埋氣、頁巖氣等輕質氣體燃料。這些燃料資源豐富且燃燒清潔。隨著我國經濟高速發展、人口迅速增加，傳統能源消耗量迅猛增長，溫室氣體排放量快速上升，我國已經取代美國成為世界第一大溫室氣體排放國，這使得我國在溫室氣體減排問題上承受著巨大的國際壓力。另外，主要由傳統內燃機和傳統火力發電所產生的顆粒（PM）和氮氧化物（NOx）等有害物排放也成為危害環境的突出問題［1－2］。迅速發展并推廣綠色節能氣體燃料發動機是解決上述問題的有效舉措之一。氣體燃料發動機具有良好的經濟性和排放性能。與傳統液體燃料發動機相比，氣體燃料發動機的溫室氣體排放量和有害物排放量較低［3－4］。可見，在經濟發展迅猛、能源緊缺、環境惡化等因素的共同驅動下，我國對氣體燃料發動機的需求是非常緊迫的。而且，我國大量的氣體燃料資源儲備也為氣體燃料發動機的發展提供了契機。

為此，介紹了我國氣體燃料資源的分布和利用情況［5－6］，并結合對我國氣體燃料發動機應用及發展現狀的分析，對氣體燃料的開發和氣體燃料發動機的發展提出了建議。

1 中國氣體燃料資源

1.1 常規天然氣（Conventional Natural Gas）

據新一輪全國油氣資源評價結果，中國的常規天然氣資源儲備量約為35.03×1012m3［7］，已證實的天然氣可開采資源量由2002年的2×1012m3增長到了2009年的3.7×1012m3［8］。天然氣產量在過去的10年里增長迅速，2001年的天然氣產量為303×108m3，而2011年天然氣產量則達到了1 025×108m3（表1）。與此同時，天然氣的消費量也由2001年的274×108m3增加到了2011年的1 307×108m3。以2010年為例，電力、熱力的生產和供應業消耗了180×108m3的天然氣，占當年天然氣消費總量的16.8%；交通運輸、倉儲和郵政業消耗的天然氣量為106.7×108m3，占當年天然氣消費總量的9.9%。為滿足如此高速增長的天然氣消費水平且避免過度開采，中國從2006年開始進口天然氣，僅2011年的天然氣進口量就已達到309×108m3，占當年天然氣消費總量的23.6%。

表1 中國天然氣的產量、消耗量及進口量統計表 108 m3

1.2 煤層氣（Coal Mined Gas，CMG）

煤層氣是煤礦生成過程中在煤層產生的一種伴生氣體，是由生物質在生物和地質的作用下形成的一種可燃氣體，其主要成分是甲烷。根據其中的甲烷含量，煤層氣可以劃分為以下3種類型［9－11］。

1）地面抽采煤層氣（Coalbed Methane，CBM）：甲烷的含量達到氣體組成的80%～95%，且其成分相對穩定。通常在煤礦開采前由地表直接鉆井抽取。

2）井下抽采煤層氣（Coal Mined Methane，CMM）：甲烷含量的變化范圍較寬，從25%到80%不等，氣體的成分受到開采礦井的地質和通風等情況影響較大。在中國，由于氣體儲存地質情況極度復雜，開采技術也不成熟，這一類型煤層氣的甲烷含量尤其不穩定。

3）礦井乏風（Ventilation Air Methane，VAM）：甲烷含量很少，只有0.05%～0.7%。極低的甲烷含量使得礦井乏風成為最難以回收和利用的煤層氣。通常情況下，礦井乏風在煤礦開采的過程中被直接排放到大氣中去，成為煤礦開采過程中溫室氣體的主要來源。

圖1 中國煤層氣開采利用情況示意圖［13－14］

中國煤層氣資源十分豐富（圖1），2006年的煤層氣資源評價結果表明，中國埋深2 000m以淺的煤層氣資源總量達為36.81×1012m3，與常規的天然氣資源量相當［12］。由圖1可知，中國較早利用井下開采煤層氣，產量增長較快，由1993年的5×108m3增長到2011年的約92×108m3；對于地面開采煤層氣的回收和利用則起步較晚，2005年其產量才有了零的突破，但自利用以來，其產量增長平穩，截至2011年底，產量達到23×108m3（產量和利用量均以純甲烷計，以下相同）。

1.3 垃圾填埋氣（Landfill Gas，LFG）

垃圾填埋氣是城市生活垃圾被填埋于地下之后在厭氧條件下經生物分解產生的，其主要成分是甲烷和二氧化碳，其中甲烷占氣體組成的40%～60%。垃圾填埋氣是一種可再生的生物質能，去除其中的二氧化碳和一些有害的氣體成分之后，可以作為內燃機的替代燃料，應用到發電和交通運輸領域。

近年來中國的城市化和工業化發展迅速，同時中國又擁有全球最大的人口基數，城市生活垃圾（Municipal Solid Waste，MSW）的數量增長迅速。2010年，中國的城市生活垃圾量為15 733.7×104t，而1996年，該值僅為10 825.4×104t，平均年增長率達3.5%。

填埋是中國城市生活垃圾最常用的處理方式，幾乎一半的城市生活垃圾被運送到垃圾填埋場，埋于地下。垃圾的生物降解和垃圾填埋氣的產生從第一批垃圾被填埋入地下就開始了［15］，但其產生氣體的甲烷含量和產氣速率受到垃圾的成分、填埋地區的地理條件和氣候情況等多方面因素的影響，垃圾填埋氣的平均產生速率難以準確測量和預測。魏寧等人［16］針對中國的垃圾填埋場和城市生活垃圾的成分對垃圾填埋氣的產生速率進行了計算和預測：1t垃圾被填埋后可產生30～70m3的甲烷，筆者采用其均值（50m3／t）對垃圾填埋氣的產量進行估算。表2給出了2003年至2011年中國填埋的垃圾總量［8］和估算的垃圾填埋氣產量。

表2 2003—2011年中國城市生活垃圾填埋量和垃圾填埋氣產量估算值表

1.4 頁巖氣（Shale Gas，SG）

頁巖氣是指從富有機質黑色頁巖中開采的，或者自生自儲、在頁巖納米級孔隙中連續聚集的天然氣［17］，這部分天然氣以吸附或游離的狀態聚集于頁巖層中，其中吸附狀態的天然氣占氣體總量的40%～85%［18］，它是一種非常規的油氣資源。

2011年4月，美國能源信息署（EIA）發布了“世界頁巖氣資源初步評價報告”，報告表明，全球頁巖氣可開采資源總量約為187.6×1012m3。北美、加拿大、歐洲和亞洲均有較豐富的頁巖氣資源［19］。美國是利用頁巖氣最成功的國家之一，其頁巖氣開采已經有180多年的歷史［18］。中國對頁巖氣的研究則剛剛起步，目前的研究重點還在氣體的累積機制和產生規律上。現有的關于頁巖氣礦井的資料幾乎是空白，目前的大部分研究所用的數據是基于傳統的石油和天然氣資源，煤層氣和固體礦質開采的數據也常被作為參考，所研究的頁巖的樣本大部分都來自于地表或者是近地表［20］。由于數據的極度缺乏，中國的潛在頁巖氣資源儲備量難以估測。張金川等人［21］對頁巖氣的地質特征、成藏邊界條件及識別方法做了討論，對中國的頁巖氣分布做了分析，結果表明，我國可開采的頁巖氣資源量為（15～30）×1012m3，與美國的頁巖氣資源量相當。

頁巖氣的儲藏深度范圍較廣，從近地表到地下3 000m不等，而中國廣泛的地域面積和復雜的地形地貌可能會使這一數值跨度更大，這使得頁巖氣的開采難度較大。雖然我國頁巖氣的開采難度較大，利用技術不成熟，但美國經過多年的發展已經積累了頁巖氣形成機理和儲藏機制的重要信息和技術可供借鑒。中國政府對頁巖氣資源的關注程度也在不斷加大，制訂了多項促進頁巖氣發展的方針和政策。據BP世界能源的預測，中國2030年頁巖氣的開采量可以達到1.7×108m3／d，占中國氣體燃料產量的20%［22］。頁巖氣有望在不遠的將來成為一種內燃機的替代能源投入使用。

2 氣體燃料在動力領域的應用

氣體燃料除了可以用于民用及工業加熱設備外，還可以廣泛應用于動力領域，用于運載器動力設備和發電設備。在動力領域中，主要設備是氣體燃料發動機。

2.1 氣體燃料發動機的減排效應

燃燒工質為氣體的內燃機被稱為氣體燃料發動機，上述4種氣體均可以作為氣體燃料發動機的燃料，可廣泛應用于公路運輸、水路運輸、發電等多個領域。近年來，先進的氣體燃料發動機的熱效率已遠高于汽油機，并接近于先進柴油機的熱效率［23－25］。而甲烷作為上述4種氣體燃料的主要成分，其熱值較高，且碳氫比遠低于傳統液體燃料（汽油、柴油等）。這就大大降低了其燃燒產物中的溫室氣體含量。煤層氣和垃圾填埋氣本來就是2種較大的溫室氣體來源，且甲烷的溫室效應為二氧化碳的25倍［26］。將它們作為內燃機的代用燃料不僅可以減少直接排空造成的大氣污染，還可以減少內燃機燃燒所產生的二氧化碳排放量。

與此同時，目前先進氣體燃料發動機的NOx與PM的排放量都很低，這方面的優勢為傳統柴油機和煤電設備所無法企及。在深受NOx造成的光化學污染和PM造成的霧霾所困擾的中國，發展和推廣綠色節能的氣體燃料發動機無疑是極具吸引力的解決方案。

2.2 氣體燃料發動機的發展現狀

天然氣是目前在中國被利用得最為廣泛的一種氣體燃料，將天然氣作為內燃機燃料的技術也已經日趨成熟。根據交通部的數據，截至2012年，天然氣公交已占全國公交總量的18.2%［27］。與此同時，多艘柴油—LNG雙燃料船舶已經投入使用。“氣化長江戰略”于2011年4月正式啟動，以LNG發動機為動力的8艘船舶已在長江武漢段、蕪湖、京杭運河及珠江4地投入運行［28］。

2005年10月，國家發展與改革委員會頒布《清潔發展機制（Clean Development Mechanism，CDM）項目運行管理辦法》，其中回收和利用煤層氣是在中國開展清潔發展機制項目的重點領域。2010年全國煤層氣發電裝機容量接近150×104kW，而2005年該值還不到20×104kW［29］。目前中國已經建成數個煤層氣聯合循環發電項目，都采用的是進口內燃機組，單機功率為4～500MW，所利用的煤層氣甲烷濃度可低于30%［29］。

我國對垃圾填埋氣的使用開始較晚，其中內燃機是目前垃圾填埋氣應用最廣的領域［30］。與其他垃圾填埋氣的利用方法相比較，如進入供氣管道、供熱制冷等，利用垃圾填埋氣內燃機機組來發電是目前較為成熟的辦法。對我國而言，填埋氣預處理設備、填埋氣發電設備和輸電設備可全部國產化［16］。

無論從用戶個體所追求的經濟性目標看，還是從社會整體所要求的環保目標出發，中國對氣體燃料發動機的需求都是極其旺盛的，市場是非常龐大的。然而，我國目前氣體燃料發動機產品卻難以滿足市場和社會需求。我國在300mm缸徑以上大型氣體燃料發動機領域處于空白狀態。現有的170～280mm缸徑國產氣體燃料發動機的平均有效壓力均低于1.4 MPa，有效熱效率低于0.4［31－32］；而國外170mm 以上缸徑氣體燃料發動機的平均有效壓力普遍高于1.8 MPa，有效熱效率普遍大于0.45［33－38］。可見國產氣體燃料發動機的強化程度和經濟性水平偏低，難以滿足用戶需求，在國內市場也缺乏競爭力。

對于煤層氣發動機，進口發電機組的有效熱效率也已經超過40%［36］，而國產煤層氣發電機組的效率仍低于35%［26］。但白紅彬與楊俊輝［39］的研究顯示，雖然目前國產煤層氣發電機組的發電效率低于進口機組，但其對煤層氣甲烷濃度的敏感性較低，造價較低。

1998年，杭州天子嶺垃圾填埋場LFG發電站建成，并投產發電，一期工程安裝了2臺燃氣發動機組，每臺裝機容量為970kW［40］。2005年，南京天井洼垃圾填埋氣發電項目注冊成功，成為中國首個垃圾填埋氣發電CDM項目，其先后投入的發電機組的裝機容量分別為1 100kW 和500kW［41］。截至2010年，我國已有20個垃圾填埋氣回收和利用項目成為CDM注冊項目［42］。目前，香港所有垃圾填埋場均利用填埋氣作為發電機組的燃料［43］。但目前國內的LFG發動機幾乎還是空白，上述垃圾填埋場所用的LFG發動機均為進口機型，高昂的發動機成本和維護、維修費用成為發展LFG發電的最大障礙之一。

綜上可知，國內大型氣體燃料發動機在型號上和技術水平上全方位落后，缺乏競爭力，難以滿足國內市場需求。對此不利局面，政府和工業界及學術界已有共識，要加快掌握核心技術，盡快研制出技術先進、價格合理的產品，工業和信息化部分別于2012和2013年在高技術船舶項目中對中、高、低速大型氣體燃料發動機立項，以官產學研相結合的方式，有力推進我國大型氣體燃料發動機的技術進步和產業體系的形成。

3 氣體燃料發展空間分析

3.1 煤層氣資源分布優勢

中國煤層氣和天然氣資源分布情況如圖2所示，煤層氣資源在中國的分布較為均勻，其中，東部地區的煤層氣儲備量最大，達到11.32×1012m3，占全國資源總量的30.8%，即便在天然氣資源匱乏的南部地區也蘊藏12.7%的煤層氣資源。西部和中部地區天然氣和煤層氣資源都比較豐富，因此，國家政策鼓勵其煤層氣電站的建設，同時禁止在陜、蒙、晉、皖等13個大型煤炭基地所在地區建設基本負荷為天然氣的發電項目。

圖2顯示，東部和南部天然氣資源的空缺可以由當地的煤層氣資源填補。同時，“西氣東輸”管線經過的部分地區恰為煤層氣資源豐富的地區，煤層氣作為非常規天然氣，在經過簡單處理之后可以與天然氣混輸混用，減少煤層氣專用管網的建設，既可以節約資金，又提高了天然氣管網的利用率［44］。

圖2 中國煤層氣和常規天然氣資源分布情況圖［2，38］

目前，我國主要的煤層氣發電站都集中在山西省，在其余煤炭資源豐富的地區利用煤層氣內燃機機組進行發電不僅可以緩解天然氣不足帶來的壓力，同時，回收利用煤礦開采過程中排放的甲烷氣體可以大大減少溫室氣體的排放量。

3.2 煤層氣利用率有待提高

由于地面開采煤層氣具有較高的甲烷含量，其利用率增長很快，2011年的利用率已經達到了76.28%。對于井下開采煤層氣，較大的甲烷含量變化范圍使得其利用存在較大的障礙。

井下開采煤層氣的利用率并沒有隨著其產量的快速增長而上升，1993—2000年，由于氣體開采技術的限制，只能回收甲烷成分較高的煤層氣，使其利用率較高；2004年之后，開采技術的發展讓可回收的井下開采煤層氣大大增加，但甲烷含量波動范圍變大，而氣體利用技術并沒有很大進步，導致其利用率維持在30%左右。以2010年為例，井下開采煤層氣的產量為75×108m3，其中只有約23×108m3得到了利用。

在CDM的支持下，煤層氣企業可以引進國外的資金和技術，并向國家申請資金進行自主研發。目前，很多企業和科研機構在對利用煤層氣的內燃機進行優化，使其可以利用濃度更低、氣體含量波動范圍更大的煤層氣。勝動集團與淮南礦業聯合開發的“低濃度瓦斯細水霧輸送系統及瓦斯發電技術”目前已在70多座瓦斯發電站上得到利用，該技術降低了低濃度煤層氣在運輸過程中爆炸的風險；與此同時，電控混合器和預燃室的使用使得甲烷濃度超過6%的煤層氣都可以被內燃機組利用［45］。但是國產煤層氣發動機效率較低，進口機型不適合國內氣體成分波動大的氣源，是目前煤層氣的利用效率不高的兩個主要原因。

3.3 垃圾填埋氣和頁巖氣利用前景巨大

雖然垃圾填埋氣和頁巖氣在我國還沒有得到廣泛的應用，尤其是頁巖氣才剛剛處于開采階段，但它們作為生物質能和非常規天然氣資源，在氣體燃料發動機上有很大的發展前景。

在一些發達國家，垃圾填埋氣的回收和利用已經進行了20多年［46］。而我國對垃圾填埋氣的利用才剛剛開始，目前老填埋場數量較多，大多數已經處于產氣高峰；新建填埋場的設施逐漸完善，可以借鑒香港垃圾填埋場對垃圾填埋氣的處理辦法，鋪設收集管道，提高垃圾填埋氣收集效率，采用以垃圾填埋氣作為燃料的內燃機，現采現用。由前文的分析可知，作為可再生的生物質能，垃圾填埋氣作為內燃機替代燃料的節能減排效果顯著，而發展中國家可以通過CDM向發達國家銷售CO2減排額度來獲取利益（即溫室氣體排放權交易），國家發展與改革委員會制訂的《可再生能源發電價格和費用分攤管理試行辦法》中，國家對于垃圾填埋氣發電項目有0.25元／kWh的補助，這使得垃圾填埋氣發電項目受到了前所未有的關注。借鑒國外先進的填埋氣產業化經驗和商業運作模式，結合我國垃圾填埋場分布的實際情況，建立適合中小規模分散式回收利用的產業化模式，將使垃圾填埋氣發電站在未來幾年得到迅速發展。

國家能源局、國家發展與改革委員會、財政部和國土資源部在2012年3月聯合發文正式制訂《頁巖氣發展規劃（2011—2015年）》；中央財政明確表示將在2012—2015年對頁巖氣開采企業給予0.4元／m3的補貼，由此可見，國家對頁巖氣的發展給予厚望。從2009年開始，我國在頁巖氣開發方面與美國合作，借鑒美國多年累積的經驗和技術可以大大加快頁巖氣開發和利用的步伐。未來幾十年，天然氣的需求將快速增長，需求缺口將逐漸擴大，發展頁巖氣有良好的市場前景。天然氣發動機技術的不斷完善，儲運設施的不斷健全，使得在不久的將來使用頁巖氣成為天然氣的補充成為可能。

4 結論

我國氣體燃料資源豐富，常規氣、煤層氣、垃圾填埋氣和頁巖氣都可以作為內燃機的代用燃料，應用于運輸、發電等多個領域。憑借良好的排放性能和潛在的溫室氣體減排效應，氣體燃料和氣體燃料發動機受到越來越多的關注。政府出臺了多項措施鼓勵開發和利用氣體燃料；大量的企業和研究機構針對氣體燃料發動機的結構和性能進行研究，使其能更好地適應氣體燃料的特點。氣體燃料的利用和氣體燃料發動機的發展需要政府和能源工業及動力工業的關注。

1）健全煤層氣利用設施。我國煤層氣的開采已經進入高速發展階段，而相應的利用設施還不健全。我國應當合理規劃天然氣管道的布置，利用開采和運輸天然氣資源的技術和經驗來推動煤層氣的發展。

2）規范市場，優化資源利用比例。我國的常規天然氣和煤層氣資源分布基本屬于互補的狀態；垃圾填埋氣的分布則較為分散，垃圾填埋場的規模以中小型居多，需要的發電機組個數少，功率大多在1 000kW左右，因此對小型LFG發電機組的需求量大；頁巖氣資源的開采才剛剛起步，其分布和儲藏量有待進一步探明。針對這些我國特有的國情，對于不同地區應有不同的氣體燃料發展側重點，提高氣體燃料的利用效率。

3）加快氣體燃料發動機的研究。我國對于大型氣體燃料發動機的開發和應用起步較晚，現有國產機型的熱效率和強化指標都偏低，這大大制約了我國氣體燃料的應用和發展。國家在給予氣體燃料開發補助的同時，需要進一步提高對氣體燃料發動機技術研發的重視程度，加快氣體燃料發動機的研究進度，盡快掌握高水平氣體燃料發動機核心技術，開發具有自主知識產權的國際先進水平發動機，站穩國內市場，面向國際市場。

4）針對不同的氣體燃料，優化氣體燃料發動機的性能。目前我國氣體燃料發動機主要使用的燃料是常規天然氣，大部分性能優化都是針對天然氣發動機的，對于使用垃圾填埋氣及煤層氣的內燃機研究較少。雖然垃圾填埋氣和煤層氣的主要成分都是甲烷，但它們各自特點不同。垃圾填埋氣中含有大量的二氧化碳，而煤層氣的甲烷含量波動范圍大，所以需要在燃料提純、燃料改性方面做大量的研究工作，同時，還要提高發動機本身的適應性，針對不同燃料優化發動機性能，研制出適合不同氣體燃料的機型。

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