煤礦瓦斯利用節能減排量化計算方法

王君杰

【摘要】本文論述了煤礦瓦斯利用的必要性，介紹了瓦斯綜合利用的主要途徑，結合某一礦區的瓦斯綜合利用項目的實際情況，對該礦區的瓦斯利用項目的節能和減排的具體效果進行了詳細的量化分析計算。從中可以看出瓦斯綜合利用對環境保護以及經濟效益有著重大影響。

【關鍵詞】瓦斯利用；節能減排；量化計算

1煤礦瓦斯利用的必要性

煤礦瓦斯的主要成份為甲烷（CH4），是煤的共伴生資源。它既是威脅煤礦安全生產的氣體，又是可直接應用的潔凈能源和優良的化工原料。其濃度達95%時，熱值為8000～9000kcal/m3。每1000m3濃度為95%的煤層氣相當于1噸輕油和1.5噸標煤。煤層氣作為原料可加工合成+氨、甲醇、乙炔、氫氣、炭黑等20余種化工產品。目前世界發達國家生產合成氨用天然氣（主要成份為甲烷，和煤層氣的主要成份基本相同）為原料的約占76%，生產甲醇占80%。

我國是一個產煤大國,礦井瓦斯是煤礦安全生產的最大隱患。國家對煤礦瓦斯抽采工作非常重視,將其作為治理瓦斯的根本措施,提出了“先抽后采、能抽盡抽、以用促抽”的十二字方針,并制訂了《煤礦瓦斯抽采基本指標》等一系列標準和法規,加大了瓦斯抽采工作的力度,煤礦瓦斯抽采量逐年大幅度增加。我國煤礦瓦斯排放量居世界首位,大量的瓦斯排放不僅浪費了寶貴的清潔能源,同時也加重了全球溫室效應的影響。因此,結合我國煤礦瓦斯的排放特點,從技術及經濟角度研究適宜的瓦斯利用技術,對加強我國煤礦抽放瓦斯和風排瓦斯的資源化利用,具有十分的重要意義。

2煤礦瓦斯利用的主要技術途徑

煤礦瓦斯綜合利用目前的主要方式有：瓦斯發電、瓦斯鍋爐與瓦斯民用燃氣。

瓦斯發電：通過瓦斯燃燒將其熱能轉換成電能，因為對瓦斯質量要求不高，投資小，見效快，裝機靈活，技術可靠，已成為煤礦瓦斯利用的一種主要方式。

瓦斯鍋爐：通過對一些老舊鏈條燃煤鍋爐進行改造，如拆除煤斗、鏈條爐排上鋪設耐火磚、拆除除渣機、更換鼓風機和改造爐拱等。將原鏈條燃煤鍋爐改造成為瓦斯鍋爐。

瓦斯民用燃氣：在高濃度瓦斯（≥30%）氣源的氣量和氣壓穩定的礦區，且有完善的氣體存儲和輸送設施，周邊有合適的燃氣用戶，該瓦斯可直接作為民用燃氣輸送至用戶端。

本文根據某礦區各礦井一年內瓦斯抽采及擬建項目利用情況，預計本次瓦斯綜合利用節能項目建設完成后，該礦區年利用瓦斯總量將為2800萬m3（純量）。其中瓦斯發電為2000萬m3（純量），瓦斯鍋爐為80萬m3（純量），瓦斯燃氣為720萬m3（純量）。本文將以這些數據為基礎，對該礦區瓦斯綜合利用項目的節能減排效果進行量化分析。節能量化分析最終以節約標準煤為指標，而減排量化分析最終以減排CO2總量為標準，并折算至申請CDM項目補助標準。

3節能減排量化計算

3.1節能量化計算

3.1.1瓦斯發電節能量化計算

1m3（純量）瓦斯理論發電量為：d1=■×?茁１＝■×30％＝3.06

公式中各符號意義為：

Q1——1m3（純量）瓦斯發熱值（kj）;q——1kWh電所含能量（kj）；

β1——瓦斯發電機組平均效率；d1——1m3（純量）瓦斯理論發電量（kWh）。

由于瓦斯抽采量和濃度的波動較大以及電網損耗，導致瓦斯發電機組效率下降。因此，根據經驗，1m3（純量）瓦斯實際發電量為D=2.8kWh。

因此，該礦區瓦斯發電項目建成后，預計年收入電量為：

W=S1×D(1-?茁2)=2000×2.8×(1-5％)=5320

公式中各符號意義為：

S1——預計瓦斯發電項目年利用瓦斯量（萬m3）;D——1m3（純量）瓦斯實際發電量（kWh）；

β2——瓦斯發電機組自用電比例；W——預計年收入電量為（萬kWh）。

而1kg標準煤發電量為：d2=■×?茁3＝■×35％＝2.84

公式中各符號意義為：

Q2——1kg標準煤發熱值（kj）;q——1kWh電所含能量（kj）；

β3——火力發電機組平均效率；d2——1kg標準煤發電量（kWh）。

因此，該礦區瓦斯發電項目年節約標準煤量為：

M1=■=■=18732

公式中各符號意義為：

W——預計年收入電量為（萬kWh）;d2——1kg標準煤發電量（kWh）；M1—瓦斯發電項目年節約標準煤量(t)。

根據以上計算，該礦區瓦斯發電項目年節約標準煤將達18732t。

3.2瓦斯鍋爐節能量化計算

預計該礦區燃煤鍋爐改造為瓦斯鍋爐項目完成后，瓦斯鍋爐年消耗瓦斯量為80萬m3（純量）。根據燃煤鍋爐及瓦斯鍋爐特點，改造后，由熱量平衡可計算出年節約標準煤量為：

M2=■=■=1220

公式中各符號意義為：

Q1——1m3（純量）瓦斯發熱值（kj）;Q2——1kg標準煤發熱值（kj）;

S2——預計瓦斯鍋爐項目年利用瓦斯量（萬m3）;η1——瓦斯鍋爐燃燒熱效率；

η2——燃煤鍋爐燃燒熱效率；M2——瓦斯鍋爐項目年節約標準煤量(t)。

根據以上計算，該礦區瓦斯發電項目年節約標準煤將達到1220t。

3.3瓦斯民用燃氣節能量化計算

預計該礦區瓦斯民用燃氣項目建設完成后，年消耗瓦斯量為720萬m3（純量）。根據熱量平衡計算出年節約標準煤量為：

公式中各符號意義為：

M3=■=■=15373

Q1——1m3（純量）瓦斯發熱值（kj）;Q2——1kg標準煤發熱值（kj）;

S3——預計瓦斯燃氣項目年利用瓦斯量（萬m3）;λ1—民用燃氣平均熱效率；

λ2—民用燃煤平均熱效率；M3—瓦斯燃氣項目年節約標準煤量(t)。

根據以上計算，該礦區瓦斯民用燃氣項目建成后年節約標準煤將達到15373t。

3.4礦區節能總量計算

公式中各符號意義為：

M=M1+M2+M3=18732+1220+15373=35325

M——瓦斯綜合利用項目年節約標準煤量(kg)；M1——瓦斯發電項目年節約標準煤量(kg)

M2——瓦斯鍋爐項目年節約標準煤量(kg)；M3——瓦斯燃氣項目年節約標準煤量(kg)

該礦區一年瓦斯綜合利用總節能量為35325t標準煤，節能效果十分顯著。

4減排量化計算

甲烷是一種僅次于二氧化碳的全球第二大溫室氣體，其溫室效應是二氧化碳的21倍。中國的甲烷排放問題十分突出。2007年中國經濟部門溫室氣體排放的構成中，甲烷的當量二氧化碳排放量已遠高于英國、加拿大、德國等國化石燃料燃燒產生二氧化碳排放量。同時，甲烷在大氣中的壽命為12-17年，比二氧化碳在大氣中存留時間（50-200年）短很多。甲烷的減排對大氣中溫室氣體的減少具有迅速的影響，可以作為優先減排對象。

根據該礦區年利用瓦斯總量將為2800萬m3（純量）。因此，其直接減排甲烷氣體折算至CO2量為：

P1=S×p×21=2800×104×0.714×21=419832

公式中各符號意義為：

S——預計瓦斯項目年利用瓦斯量（萬m3）;

ρ——標準狀態下甲烷密度（kg/m3）;P1—減排甲烷氣體折算至CO2量（t），而由于甲烷燃燒過程中也產生CO2氣體，因此，在計算其減排量時，需要扣除這一部分的CO2。

甲烷燃燒化學方程式為：CH4+2O2 = CO2+2H2O

因此，甲烷燃燒自身產生的CO2量為：P2=S×ρ×■=2800×104 ×0.714×■=54978

公式中各符號意義為：

S——預計瓦斯項目年利用瓦斯量（萬m3）;ρ——標準狀態下甲烷密度（kg/m3）;

m1——CO2分子量；m2——甲烷分子量；P2——甲烷燃燒排放CO2量（t）

由于該項目總節約標煤量為35325t，在節約了該部分標煤后，同時也減排了這部分標煤燃燒所產生的CO2，該部分減排量計算為：

公式中各符號意義為：

P3=M×α×K=35325×8.73×10-5×29270=90268

M——瓦斯綜合利用項目年節約標準煤量(t);α——標煤的二氧化碳排放因子（tCO2e/MJ）

α=8.73x10-5t/MJ;K—標煤的低位發熱量(MJ)；K=29270MJ;

P3——項目節約標煤的當量排放量（t）

根據以上計算，礦區瓦斯利用項目總減排CO2量為：

p=p1-p2+p3=419823-54978+90268=488122

公式中各符號意義為：

P——瓦斯綜合利用項目年減排CO2量(t)；P1——減排甲烷氣體折算至CO2量(t)

P2——甲烷燃燒排放CO2量(t)；P3——項目節約標煤的當量排放量(t)

該礦區瓦斯利用項目年利用瓦斯量為2800萬m3（純量），根據計算相當于每年減排了488122t的二氧化碳。國家發改委為CERs 制定了最低交易價格為8歐元/t，如果申請CDM項目，保守估計，CERs交易將能為該企業帶來390.48萬歐元的收入，按目前1歐元兌換8.65元人民幣計，折合人民幣3377.65萬元的減排效益。

5結語

煤礦瓦斯是一種對煤礦安全生產有害的氣體，但如果加以合理科學的利用，煤礦瓦斯也是一種寶貴的資源，瓦斯利用不僅能為煤礦企業帶來經濟效益，而且對煤礦安全生產，保護生態環境，響應國家政策，建立煤礦區循環經濟產業鏈起著舉足重輕的作用。加大煤礦瓦斯利用的力度，是實現高瓦斯煤礦可持續發展，建設礦區生態文明的必經之路。

【參考文獻】

［１］張福凱，徐龍君.甲烷對全球氣候變暖的影響及減排措施[J].礦業安全與環保，2004（10）:6-8.

［２］段茂盛，周勝.清潔發展機制方法學應用指南[M].北京：中國環境科學出版社，2010，1：151-157.

［３］高陽.瓦斯發電技術與節能減排[J].節能與環保，2008（12）:34-36.

［４］曾祥遠.貴州大型煤礦企業瓦斯發電 CDM 項目關鍵問題的分析與研究[D].貴州：貴州大學，2009:16-19.

［５］張博，陳國謙，陳彬.甲烷排放與應對氣候變化國家戰略探析[J].中國人口：資源與環境,2012(7):8-12.

［６］王麗麗.瓦斯 CDM 項目之路能走多遠[N].中國煤炭報，2010-5-10（003）.

［責任編輯：劉帥］