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)學院,太原 030031;2.東北師范大學 環(huán)境學院,長春 130117;太原理工大學 礦業(yè)工程學院,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,盡管它可能會嚴重威脅到煤礦的安全生產(chǎn),但它同時也是一種新型能源[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了寶貴的資源,還對環(huán)境造成了嚴重的污染。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?shù)亟?jīng)濟建設(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、山西省的重點產(chǎn)煤縣之一,依靠自己的優(yōu)勢并及時抓住國家政策扶持的機遇,對煤層氣進行了合理的利用,取得了較好的安全效益、環(huán)境效益、經(jīng)濟效益與社會效益[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,并且對山西煤炭經(jīng)濟轉(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,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個鎮(zhèn)7個鄉(xiāng)、335個行政村,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)勘查面積達到553.08 km2,約占全縣含煤面積76%。預測全縣煤炭資源量為73.3億t,現(xiàn)已探明儲量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_98%左右,達到天然氣水平,噸煤瓦斯涌出量最大為85m3,經(jīng)測算該礦瓦斯儲量約2.6億m3,按當時開采量計算,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。

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目,始于1998年,當時主要縣營煤礦基本屬于高瓦斯管理礦井,煤礦開采總回風瓦斯?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)帶來很大壓力及負面影響。在煤炭開采過程中,唯一的應對措施就是不斷加大總回風量,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,企業(yè)的市場化運作,相關(guān)部門及單位組建了昔陽縣瓦斯工程利用聯(lián)合體,實施集中抽取、輸送、儲配等一系列流程,對煤層氣進行綜合開發(fā)和利用。

隨著煤礦開采技術(shù)的不斷進步,煤層氣的抽采方式實現(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?儲配由儲氣柜供氣為主變?yōu)楣艿乐惫夤裾{(diào)峰,煤層氣的應用技術(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,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,成為了全國第一個用煤層氣實施城市居民生活燃氣供應的縣份。祥云燃氣責任有限公司經(jīng)過多年的實踐,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,居民燃氣用戶達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,基本實現(xiàn)了縣城煤層氣供氣的全覆蓋,用氣普及率達到了92%以上,并惠及管網(wǎng)覆蓋的兩個鄉(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:成本低、熱效率高、清潔、對環(huán)境無污染等。為此,昔陽縣逐步推進了四個煤礦坑口高濃度瓦斯發(fā)電廠和一個煤礦坑口低濃度瓦斯電廠(在建),實現(xiàn)了燃氣發(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)項目,采用低氮燃燒技術(shù),建設(shè)120兆瓦級燃氣——蒸汽聯(lián)合循環(huán)二拖一供熱機組,該項目建成投產(chǎn)后預計年發(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。為了推進汽車清潔能源項目,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)和運營,幾乎全部出租車和公交車實現(xiàn)了CNG加氣運營,部分重型卡車200 km服務半徑內(nèi)采用CNG服務半徑400 km采用LNG加液運營。該項目的順利運行證實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?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、碳氫化合物等都在標準排放量的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。昔陽縣也通過推進汽車清潔能源項目,提升了當?shù)毓卜占拔锪鳂I(yè)的現(xiàn)代化水平,調(diào)整了汽車能源消費結(jié)構(gòu),大幅降低運營成本,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等嚴重問題的有效措施之一。

3)經(jīng)濟效益與社會效益。煤層氣的開發(fā)利用不僅帶動了礦區(qū)的發(fā)展,還有效地拉動了昔陽經(jīng)濟社會發(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。在取得安全效益與環(huán)境效益的同時,燃氣聯(lián)合體公司年營業(yè)收入達1000余萬元,實現(xiàn)利稅近100萬元的經(jīng)濟效益,不僅創(chuàng)造了煤層氣及其產(chǎn)業(yè)鏈商業(yè)價值,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目的實施,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,推進了能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整優(yōu)化,促進了經(jīng)濟與社會的協(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世紀經(jīng)濟發(fā)展的動力。昔陽縣具有豐富的煤層氣資源,隨著煤礦開采技術(shù)的不斷進步,昔陽縣實現(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。

2)煤層氣在昔陽縣的應用領(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)濟效益與社會效益。

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當借鑒昔陽縣的經(jīng)驗,把握住國家政策扶持的機遇,深入貫徹落實國務院支持山西省進一步深化改革促進資源型經(jīng)濟轉(zhuǎn)型發(fā)展意見行動計劃》,切實從行動上執(zhí)行《山西打造全國能源革命排頭兵行動方案》,推動山西省的煤炭綠色低碳轉(zhuǎn)化、清潔高效利用,實現(xiàn)煤炭利用由燃料、原料向材料轉(zhuǎn)變,合理科學地開采和利用煤層氣,爭當全國煤炭清潔高效利用的排頭兵。