煤礦瓦斯氣體整治與對策的思考

汪天凱　付仲欣　張白婷

[摘要]我國是煤炭資源大國,瓦斯資源儲量也相當豐富。煤礦瓦斯主要成分是甲烷,這是它能作為一種清潔能源的前提,同時,也是它能對環境以及安全產生危害的原因。如何利用好這種資源,成為當前的一個熱點問題。如果對這種新型的清潔能源有較好的利用,在解決一些環境問題的同時,還會消除一些安全隱患,帶來較大的經濟效益、社會效益。

[關鍵詞]瓦斯 瓦斯利用 安全 環境 經濟效益

中圖分類號:TQ53文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0910095-02

一、引言

煤礦瓦斯即為煤層氣,其主要成分為烷烴,甲烷占絕大部分,另含少量乙烷、丙烷、丁烷,硫化氫、二氧化碳以及微量的惰性氣體。在標準狀態下,甲烷至丁烷都以氣態存在。瓦斯通常以自生自儲的方式賦存于煤層中。當在空氣中達到一定濃度時,遇明火可發生爆炸,造成安全事故。其本質是一種熱一鏈式反應,是一定濃度的甲烷和氧氣在一定溫度作用下產生的激烈氧化反應。

但值得注意的是,由于瓦斯主要成分為低分子量烷烴,熱值高,所以它是一種潔凈能源和優質化工原料。開發利用煤礦瓦斯資源,不僅能夠大幅度增加高效潔凈能源供給,減少煤礦甲烷的排放量還可以有效緩解溫室效應,同時有望遏制礦井瓦斯災害改善煤礦安全生產條件。

我國具有豐富的瓦斯資源,其廣泛分布于五大聚煤區的華北和西北聚煤大區和六大含煤層系。埋深2000m以淺的資源量約為27×1012m3,與常規天然氣資源量接近,占世界煤層氣總資源量的10%。煤層氣的開發前景是十分誘人的。

二、瓦斯氣體產生的影響

我們知道,甲烷氣體是可燃的氣體,因而它是一種可利用的資源,同時,它又是一種溫室氣體。因此了解瓦斯(煤層氣)排放所帶來的問題以及它的利用現狀是十分有必要的。

(一)煤礦瓦斯氣體排放對環境的影響

IPCC(世界氣象組織和聯合國環境規劃署聯合組建的政府間氣候變化準們委員會)預測:全球地表增溫的幅度可能在1.1-6.4℃,引起全球環流的途徑改變,高溫、熱浪、洪澇、干旱等極端事件將頻繁發生、范圍將更廣,海平面上升,幅度為18-59cm。溫室效應則加劇了這一全球氣候的變化以及給環境造成了不利影響。

自1760年出現工業化以來,二氧化碳,甲烷等溫室氣體快速增加,地球大氣溫度因溫室氣體作用而升高,導致溫室效應。從儀器觀測表明,自1906-2005年這一百年的時間里,全球地表平均溫度上升了0.74℃。近來中國地表溫度增加明顯,升溫幅度約為0.5-0.8℃。從1994年到2004年中國溫室氣體排放總量的年增長率約為4%,主要成分為二氧化碳氣體以及甲烷氣體。1994年,中國二氧化碳排放量為26億噸,甲烷排放量為3429萬噸。甲烷溫室效應在全球氣候變暖中的份額為15%,僅次于二氧化碳。另外,處在平流層的甲烷在光照下與自由基結合科轉化成為二氧化碳或一氧化碳。所以甲烷的溫室效應是二氧化碳的20-24倍。

據聯合國統計,我國每年因采煤向大氣中排放的甲烷氣體(瓦斯)達190億立方米,居世界第一,約占我國工業生產中甲烷排放量的1/3,同時占世界采煤排放甲烷總量的1/3。目前中國溫室氣體排放量僅次于美國,居世界第二位,對此我國采取節能減排措施,在“十一五”規劃中確定了兩項約束性指標,即到2010年,國內生產總值能耗將在2005年基礎上降低20%左右,主要污染物排放總量減少10%。

(二)瓦斯氣體的能源地位

煤燃燒后生成二氧化碳,一氧化碳,二氧化硫,二氧化氮等多種大氣污染物,而瓦斯燃燒后生成二氧化碳和水,瓦斯可謂是清潔燃料。1m3瓦斯相當于1kg燃油或1.25kg標準煤,每使用1m3的瓦斯代替油可節省2元以上,瓦斯可謂是高效、經濟的能源。

中國的一次能源產量和消費量均位居世界第二,煤炭的開采率占一次能源總產量的77.1%,煤炭消費量占一次能源總消費量的69.6%(表1)。相比美國,俄羅斯,中國煤的生產和消費是最多的。而作為清潔型能源的天然氣,生產量占一次能源總生產量的3%,消費量占一次能源總消費量的2.7%,同比美國和俄羅斯為最低。

在我國瓦斯與天然氣的儲量大致相同,天然氣為38萬億立方米,煤層氣(瓦斯)為35萬億立方米(埋深2000m以淺)。天然氣主要產于中國西部地區,煤層氣(瓦斯)則產于中國中部、東部,以及貴州、云南、廣西等西南地區。因此天然氣和煤層氣(瓦斯)可以互補。如果我國大力提高清潔能源天然氣及煤層氣的生產和消費,將其替代一部分的化石燃料,不僅能降低大氣污染,同時帶來一定的經濟效益。

(三)瓦斯氣體的安全隱患

眾所周知,煤礦瓦斯爆炸事故是井下重大事故之一。促使瓦斯爆炸的主要因素有自然因素、安全技術手段、安全裝備水平等;發生瓦斯爆炸的原因又有很多,如風扇斷電停鳳、風量不足、串聯通風、瓦斯積存等等。瓦斯爆炸事故,會造成重大的人員傷亡和財產損失。根據多年對煤礦事故的統計分析,瓦斯爆炸多為大事故,一次死亡10人以上的特大事故中,絕大多數是瓦斯爆炸,約占特大事故總數的70%。

基于對以上瓦斯爆炸的危害和瓦斯爆炸的特點、原因分析,可以知道,當瓦斯濃度大于安全值時,遇火花即可發生瓦斯爆炸事故。為減小井下瓦斯氣體的濃度,煤礦主要采取井下抽排,通風的形式,將井下氣體直接抽排至大氣中。這樣,瓦斯資源就被大量的浪費了。

三、我國煤層氣資源開發現狀及利用方法

(一)我國煤層氣資源開發現狀

我國煤炭儲量豐富,煤層瓦斯資源也很豐富。埋深2000m以淺的煤層氣資源總量達30×1012～35×1012m3,可采資源量約為11×1012m3。其中,1000m以淺的資源量為11.85×1012m3,1000～1500m范圍內為8.39×1012m3,1500～2000m范圍內煤層氣資源量為9.96×1012m3。與常規天然氣資源量相當,約占世界煤層氣總資源量的13%,居世界第二位。同時,我國煤層氣資源分布比較集中,主要分布在中部和東部地區,其中在黔西、鄂爾多斯西緣、晉城-陽泉高瓦斯帶占資源總量的70.13%。我國22個重點煤礦區煤層氣資源構成如圖1所示。

據估計,2000年世界煤礦瓦斯排放量約為30.8Gm3,2020年可達39.3m3。自20世紀50年代,我國開始進行井下煤層氣抽采,截至1999年,我國累計抽采煤層氣131.24×108m3。近幾年,我國煤層氣產業發展迅速,據不完全統計,截至2006年,我國已開展煤層氣抽采礦井有264處。在2006年1～11月,國有重點煤礦井下煤層氣抽采量已達23.4×108m3。雖然煤層氣抽采量很大,但是抽采率卻很低,平均不足30%(表2),遠低于世界平均50%的水平。由此推斷,每年我國大約向大氣排放12.5×108～19.0×108m3,這樣既污染了環境,又浪費了資源。

注:數據來源于國家安全監督管理局;2006年數據為1-11月份。

(二)我國煤層氣資源開發及利用方法

由瓦斯的成分可以看出,其主要成分為低分子量烷烴,熱值高,為一種潔凈能源和優質化工原料,它能減少二氧化硫和粉塵排放量近100%,減少二氧化碳排放量60%和氮氧化合物排放量50%,并有助于減少酸雨形成,緩解地球溫室效應。所以利用煤層瓦斯是有很多好處的。

當前我國煤層氣的開采主要有地面開采和井下抽排兩種方式。

井下抽排在我國已經有很長的歷史了,不過抽出的氣體大多直接排放至大氣,未能有效的利用,利用的部分也大部分集中在民用,少部分用于發電及工業原料。總體來看,我國礦井的煤層氣利用偏低。

另一種方法是地面開采,主要通過鉆井方法,在煤礦開采前5-10年,以地面鉆井方式開采,不僅采出煤層氣純度高,而且為煤礦開采也減小了安全隱患。這種方法在我國剛剛起步,只要的鉆井開采方式有直井壓裂開采、多分枝水平井開采、以及“一井三用”鉆井方式開采。現在晉煤集團、淮北礦業集團對煤礦的瓦斯氣已經進行了地下開采,并且在沁水盆地建立了煤層氣開采示范點。

當前煤層氣的利用主要有如下幾種方法:

1.利用煤層氣發電。利用煤層氣發電是當前的首選方案。從技術角度看,利用煤層氣是沒有問題的,不過經濟可行性方面還需要進一步討論。美國曾經做過分析,利用小型內燃機組,當甲烷濃度在50﹪時,成本約為0.035美元/度;當濃度為40﹪時,成本約為0.044美元/度。相比之下,工業發動機發電成本約為0.027美元/度。所以,如果煤層氣甲烷濃度在50﹪時,這種發電方式是可利用的,否則應當放棄。低濃度甲烷可以另作他用。

2.制作天然氣汽車燃料。壓縮天然氣(CNG)是當前已經利用的一種清潔能源。CNG的主要成分是甲烷,利用煤層氣制作CNG的工藝簡單,無需液化分離,直接將其壓縮即可利用,可運至汽車加氣站或用于礦區驅動采礦機械。

3.充當化工原料。由于煤層氣的成分與常規天然氣相近,因此借鑒天然氣化工的發展方向開發煤層氣加工,應當是煤層氣利用的一條途徑。當前,澳大利亞的seamgas公司對本國的煤層氣資源利用途徑進行了嚴格評估,他們認為在合成氮、硝酸銨和硝酸等化工原料方面利用潛力很大。

4.礦井自用。這是當前利用比較普遍的方法。在工業上,可以用作發電、烘干煤等方面;在生活上,可以用作取暖、家用燃氣等方面。

四、瓦斯治理的設想

瓦斯氣體就像一把雙刃劍,關鍵在于如何利用。一方面,它是與天然氣類似的潔凈能源,另一方面它又是造成環境污染以及使煤礦存在安全隱患的“惡魔”。

我國自1993年起,已經成為原油進口國,在1998年,我國進口原油已達2730萬噸,我國的能源已經出現嚴重的供不應求的狀況。從世界能源的發展趨勢來看,天然氣能源有可能成為未來能源消費的主導方向。預計在2010年,我國天然氣需求量將超過1000億m3,天然氣缺口將達300億m3。煤層氣作為主要成分和性能與天然氣相似的結晶能源,它的開發利用前景必將十分廣闊。

在空氣污染、溫室效應、臭氧層“空洞”等環境問題日益突出的今天,人們對于清潔能源的需求越來越高,同時,對于環境保護的意識也逐步增強。變廢為寶、物盡其用的思想已根深于人們心中。另外,在人民對生活質量要求不斷提高的今天,人們對自身的生命財產安全也有了更高的要求,煤礦瓦斯事故被越來越多的人所重視。因此,加大天然氣、煤層氣以及其他清潔能源的利用率已是必然趨勢,并且各國也制定出相應的鼓勵與強制政策。

當前我國為煤層氣的開發、利用制定了一系列的鼓勵與優惠政策:1. 開發利用煤層氣征收5%的增值稅;2. 實行“兩免三減半”;3. 對于勘探開發煤層氣項目所需要進口的物資,比照石油、天然氣的進口優惠政策;4. 煤層氣價格按市場經濟原則,由供需方協商確定。并且國家發展改革委員會編制了《煤層氣(煤礦瓦斯)開發利用“十一五”規劃》。這些都為我國的煤氣層氣產業創造了有利的政策環境。

五、結語

我國是煤炭產量以及煤層氣儲量的大國,但是,我國當前對于煤層氣的抽采以及利用率還是很低,因此煤層氣這種新型的清潔能源在我國發展的潛力是巨大的。雖然我國煤層氣的開發、利用起步較晚、基礎較薄,不過相信在國家、社會、科學工作者共同的努力下,我國的煤層氣產業必然會大跨步的前發展,有煤層氣產業帶動的環保、經濟、社會效益也會逐步展現。

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作者簡介:

汪天凱(1988-),男,漢族,內蒙古包頭市人,現就讀于中國地質大學(北京)能源學院,資源勘查工程(能源)專業,研究方向:石油地質。