能源轉(zhuǎn)型背景下煤層氣開發(fā)利用的效益與途徑
——以昔陽縣為例

賈楓美,陳家琪，牛小紅

(1.山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院,太原 030031;2.東北師范大學(xué) 環(huán)境學(xué)院,長春 130117;太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,太原 030024)

煤層氣俗稱瓦斯,其主要成分為甲烷(CH4),是一種烴類氣體,且一般吸附在煤基質(zhì)顆粒表面,是煤的伴生礦產(chǎn)資源,盡管它可能會(huì)嚴(yán)重威脅到煤礦的安全生產(chǎn),但它同時(shí)也是一種新型能源[1]。煤層氣中的甲烷含量大于95%,熱值是通用煤的2倍～5倍,與天然氣的熱值相差甚小,屬非常規(guī)天然氣,可以與天然氣混輸混用,而且燃燒后很潔凈,產(chǎn)生的廢氣較少[2]。因此,煤層氣是一種方便、高效、潔凈的氣體能源。

山西省有著非常豐富的煤炭資源,相應(yīng)的與煤伴生的煤層氣資源也十分豐富,其中淺煤層中的煤層氣資源總量約10萬億m3,約占全國資源儲(chǔ)量的三分之一;每年煤礦采煤抽放排空的煤層氣約60億m3,幾乎是國家“西氣東輸”工程年輸氣量的一半[3],這種方式排放煤層氣不僅浪費(fèi)了寶貴的資源,還對環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。因此,合理抽采并有效利用煤層氣,不僅可以降低煤礦瓦斯事故的發(fā)生率,還可以為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)建設(shè)提供優(yōu)質(zhì)的清潔能源,有效改善周邊生態(tài)環(huán)境。昔陽縣作為全國最大煤炭生產(chǎn)基地、山西省的重點(diǎn)產(chǎn)煤縣之一,依靠自己的優(yōu)勢并及時(shí)抓住國家政策扶持的機(jī)遇,對煤層氣進(jìn)行了合理的利用,取得了較好的安全效益、環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益[4]。不僅為煤層氣富集區(qū)的縣域煤層氣綜合利用提供了經(jīng)驗(yàn),并且對山西煤炭經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展具有一定的借鑒意義。

1 昔陽縣基本概況

昔陽縣,位于山西省晉中市東部,太行山西麓,東鄰河北省井陘、贊皇、邢臺(tái),內(nèi)丘四縣市,南與和順縣相望,西與壽陽縣交界,北與陽泉平定接壤,國土總面積1 954 km2,全縣轄5個(gè)鎮(zhèn)7個(gè)鄉(xiāng)、335個(gè)行政村,總?cè)丝?3.8萬人,城區(qū)面積約5.8 km2,人口約6.2萬人。

昔陽境內(nèi)煤、鐵、鋁、鉛等礦產(chǎn)資源豐富,全縣含煤巖系總面積726 km2,占全縣國土總面積的37.1%,現(xiàn)勘查面積達(dá)到553.08 km2,約占全縣含煤面積76%。預(yù)測全縣煤炭資源量為73.3億t,現(xiàn)已探明儲(chǔ)量21.42億km2,區(qū)域上屬沁水煤田,煤系地層主要為石炭系上統(tǒng)的太原組合,二疊系下統(tǒng)的太原組,富含瓦斯,煤質(zhì)為優(yōu)質(zhì)無煙煤。

昔陽縣南峪煤礦利用年產(chǎn)10萬t的中小煤礦井下瓦斯抽放系統(tǒng)抽出的瓦斯,經(jīng)檢測瓦斯?jié)舛冗_(dá)98%左右,達(dá)到天然氣水平,噸煤瓦斯涌出量最大為85m3,經(jīng)測算該礦瓦斯儲(chǔ)量約2.6億m3,按當(dāng)時(shí)開采量計(jì)算,可穩(wěn)定日均提供濃度45%以上的混合瓦斯氣量約2.6萬m3,服務(wù)年限約38 a,而同類型生產(chǎn)礦井在縣城周邊臨近區(qū)域15座,可見昔陽縣具有煤層氣資源量大、質(zhì)量高等特點(diǎn)。

2 煤層氣的利用與效益

2.1 煤層氣的利用現(xiàn)狀

昔陽縣煤層氣綜合利用項(xiàng)目,始于1998年,當(dāng)時(shí)主要縣營煤礦基本屬于高瓦斯管理礦井,煤礦開采總回風(fēng)瓦斯?jié)舛炔粩嗤黄茋颐旱V安全規(guī)程規(guī)范上限,事故苗頭頻發(fā),給煤礦安全生產(chǎn)帶來很大壓力及負(fù)面影響。在煤炭開采過程中,唯一的應(yīng)對措施就是不斷加大總回風(fēng)量,這種方法不僅直接增大了生產(chǎn)管理成本,而且難以從根本上保證和解決安全生產(chǎn)問題[5]。為了較好地解決這一問題,昔陽縣南峪煤礦在省市縣各行業(yè)管理部門的支持下,建設(shè)了全省第一家年產(chǎn)10萬t的中小煤礦井下瓦斯抽放系統(tǒng)。由于政府政策的推動(dòng),企業(yè)的市場化運(yùn)作,相關(guān)部門及單位組建了昔陽縣瓦斯工程利用聯(lián)合體,實(shí)施集中抽取、輸送、儲(chǔ)配等一系列流程,對煤層氣進(jìn)行綜合開發(fā)和利用。

隨著煤礦開采技術(shù)的不斷進(jìn)步,煤層氣的抽采方式實(shí)現(xiàn)了較大的技術(shù)突破,之前主要從井下尾巷及采空密閉墻進(jìn)行抽采,而現(xiàn)在轉(zhuǎn)變?yōu)榈孛嫦瘸楹蟛伞Ｓ捎谶@一技術(shù)的突破,煤層氣的供氣數(shù)量和質(zhì)量有了很大的保障和提高,供氣氣源由單一變?yōu)槿垂?儲(chǔ)配由儲(chǔ)氣柜供氣為主變?yōu)楣艿乐惫夤裾{(diào)峰,煤層氣的應(yīng)用技術(shù)和工藝流程方面已經(jīng)逐步走向成熟。

煤層氣在昔陽縣的用途主要集中在以下幾個(gè)方面:

1)作為民用燃料。昔陽縣在綜合利用方面,先以民用燃料為切入點(diǎn),不僅將煤層氣作為鍋爐的燃料,還用于金屬冶煉、合成氨和甲醇,成為了全國第一個(gè)用煤層氣實(shí)施城市居民生活燃?xì)夤?yīng)的縣份。祥云燃?xì)庳?zé)任有限公司經(jīng)過多年的實(shí)踐,探索出了一套安全高效優(yōu)質(zhì)的供氣模式,得到了用戶的廣泛好評及認(rèn)可。截止2016年底,昔陽縣煤層氣全年生產(chǎn)總量5 625萬m3,居民燃?xì)庥脩暨_(dá)19 000戶,包括了縣域各企業(yè)單位及餐飲業(yè)200余戶,及部分未集中供熱或冬季采暖用戶,基本實(shí)現(xiàn)了縣城煤層氣供氣的全覆蓋,用氣普及率達(dá)到了92%以上,并惠及管網(wǎng)覆蓋的兩個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)周邊農(nóng)村用戶。據(jù)測算,年均可替代原煤67 500 t,減少燃煤產(chǎn)出的二氧化硫3 347 t、煙塵7 858 t、氮氧化物816 t、一氧化碳10 178 t和灰渣56 865 t。

2)作為發(fā)電燃料。煤層氣用來發(fā)電,具有以下優(yōu)點(diǎn):成本低、熱效率高、清潔、對環(huán)境無污染等。為此,昔陽縣逐步推進(jìn)了四個(gè)煤礦坑口高濃度瓦斯發(fā)電廠和一個(gè)煤礦坑口低濃度瓦斯電廠(在建),實(shí)現(xiàn)了燃?xì)獍l(fā)電、收集余熱、再蒸氣發(fā)電、再收集余熱、后改善煤礦職工生產(chǎn)生活條件等的一系列循環(huán)利用。

目前昔陽縣又在建設(shè)國新能源昔陽煤層氣熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目,采用低氮燃燒技術(shù),建設(shè)120兆瓦級燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)二拖一供熱機(jī)組,該項(xiàng)目建成投產(chǎn)后預(yù)計(jì)年發(fā)電量6億kW·h,并為縣城及周邊農(nóng)村增加集中采暖面積110萬m2。

3)作為汽車燃料。為了推進(jìn)汽車清潔能源項(xiàng)目,昔陽縣加快了高濃度瓦斯氣體CNG加氣母站、子站,LNG加氣母站的建設(shè)和運(yùn)營,幾乎全部出租車和公交車實(shí)現(xiàn)了CNG加氣運(yùn)營,部分重型卡車200 km服務(wù)半徑內(nèi)采用CNG服務(wù)半徑400 km采用LNG加液運(yùn)營。該項(xiàng)目的順利運(yùn)行證實(shí)了煤層氣是一種很有發(fā)展前途的汽車燃料。

2.2 煤層氣開發(fā)利用的效益

1)安全效益。礦井瓦斯對煤礦的安全生產(chǎn)構(gòu)成了威脅,煤層氣的開采可以有效地改善當(dāng)?shù)孛旱V的安全生產(chǎn)條件,通過井下的瓦斯抽放技術(shù),能夠從根本上預(yù)防和防治煤礦瓦斯事故,降低了瓦斯事故的發(fā)生率,有效地保障礦工的生命安全和煤礦的安全生產(chǎn)。

2)環(huán)境效益。煤層氣是一種優(yōu)質(zhì)清潔的燃料,與液化石油氣、汽油相比價(jià)格低、甲烷值高,燃燒性能好,發(fā)熱量大,煙塵少,燃燒后氮氧化合物排放量低,二氧化碳排放量較汽油減少25%,一氧化碳、碳?xì)浠衔锏榷荚跇?biāo)準(zhǔn)排放量的10%以下,是一種潔凈的氣體燃料。

昔陽縣將煤層氣作為民用燃料,減少了對煤的使用,相應(yīng)地也降低了溫室氣體及有害氣體的排放。昔陽縣也通過推進(jìn)汽車清潔能源項(xiàng)目,提升了當(dāng)?shù)毓卜?wù)及物流業(yè)的現(xiàn)代化水平,調(diào)整了汽車能源消費(fèi)結(jié)構(gòu),大幅降低運(yùn)營成本,使用低成本清潔燃料,減少了汽車尾氣中苯、氮氧化合物以及鉛的排放,取得了良好的環(huán)境效益,邁開了引進(jìn)綠色清潔能源的步伐,是緩解地球生態(tài)平衡破壞及溫室效應(yīng)等嚴(yán)重問題的有效措施之一。

3)經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。煤層氣的開發(fā)利用不僅帶動(dòng)了礦區(qū)的發(fā)展,還有效地拉動(dòng)了昔陽經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展,改善了生產(chǎn)生活環(huán)境,提高居民生活質(zhì)量,將昔陽創(chuàng)建為國家級衛(wèi)生城市、國家級園林城市做出了巨大貢獻(xiàn)。在取得安全效益與環(huán)境效益的同時(shí),燃?xì)饴?lián)合體公司年?duì)I業(yè)收入達(dá)1000余萬元,實(shí)現(xiàn)利稅近100萬元的經(jīng)濟(jì)效益,不僅創(chuàng)造了煤層氣及其產(chǎn)業(yè)鏈商業(yè)價(jià)值,還形成了新的生產(chǎn)力和市場盈利模式。

此外,昔陽縣通過一系列項(xiàng)目的實(shí)施,有效地提高了煤層氣資源就地轉(zhuǎn)化率,緩解了能源緊張,并在資源深度加工中催生出化工建材等新的產(chǎn)業(yè),使資源利用率得到最大范圍的延伸,推進(jìn)了能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整優(yōu)化,促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

3 結(jié)論

1)煤層氣是一種方便、高效、潔凈的氣體能源,是21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動(dòng)力。昔陽縣具有豐富的煤層氣資源,隨著煤礦開采技術(shù)的不斷進(jìn)步,昔陽縣實(shí)現(xiàn)了煤層氣抽采方式的技術(shù)突破,使煤層氣的供氣數(shù)量和質(zhì)量得以保障和提高,為煤層氣的使用做出了突出的貢獻(xiàn)。

2)煤層氣在昔陽縣的應(yīng)用領(lǐng)域可以歸結(jié)為三大類:作為民用燃料、發(fā)電燃料和汽車燃料。通過對煤層氣的合理開發(fā)與廣泛使用,使昔陽縣獲得了較好的安全效益、環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

3)煤層氣已經(jīng)成為了繼煤、石油之后的全球第三大能源,山西省甚至全國都應(yīng)當(dāng)借鑒昔陽縣的經(jīng)驗(yàn),把握住國家政策扶持的機(jī)遇,深入貫徹落實(shí)國務(wù)院支持山西省進(jìn)一步深化改革促進(jìn)資源型經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展意見行動(dòng)計(jì)劃》,切實(shí)從行動(dòng)上執(zhí)行《山西打造全國能源革命排頭兵行動(dòng)方案》,推動(dòng)山西省的煤炭綠色低碳轉(zhuǎn)化、清潔高效利用,實(shí)現(xiàn)煤炭利用由燃料、原料向材料轉(zhuǎn)變,合理科學(xué)地開采和利用煤層氣,爭當(dāng)全國煤炭清潔高效利用的排頭兵。