煤層氣的多種利用方式

□趙國泉

1 煤層氣資源和利用概況

煤層氣是指賦存在煤層中、以甲烷為主要成分、以吸附在煤基質(zhì)顆粒表面為主，并部分游離于煤孔隙中或溶解于煤層水中的氣體。煤層氣利用是由地面打鉆，抽采未受采動影響賦存在煤層中的烴類甲烷氣體（濃度一般為95%～98%）。煤礦瓦斯是伴隨煤礦生產(chǎn)，烴類甲烷氣體從煤層中解析出來逸散到生產(chǎn)空間和空氣混合體的總稱（濃度一般為1%～80%）。作為資源概念時，兩者統(tǒng)稱為煤層氣。專業(yè)上把天然氣稱為常規(guī)天然氣，而把煤層氣與頁巖氣稱為非常規(guī)天然氣，其本質(zhì)都是天然氣，即天然形成之氣。這三種氣形成方式相差無幾，都是古老的生物遺體在地質(zhì)作用下形成的。

國際能源機(jī)構(gòu)（IEA）的資料顯示，全世界每年因煤炭開采而直接向大氣中排放的煤層氣達(dá)315億～540億立方米，既是能源的極大浪費(fèi)，又對環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞。

根據(jù)全國油氣資源評價結(jié)果，我國埋深2000米以淺的煤層氣地質(zhì)資源量為36.81×1012立方米，超過了天然氣35×1012立方米的地質(zhì)資源量；埋深1500米以淺的煤層氣可采資源量為10.87×1012立方米，是天然氣可采資源量的1/2左右。我國煤層氣資源量巨大，開發(fā)潛力巨大，是常規(guī)天然氣的有效接替能源。

近年來，我國煤層氣市場保持增長態(tài)勢。2018年，我國煤層氣抽采量為183.7億立方米，其中地面煤層氣抽采量為54.6億立方米，井下抽采量為129.1億立方米，利用量99億立方米，利用率為53.8%。

煤層氣的利用率受到多種條件的限制，比如運(yùn)輸、濃度等，因此利用率一直不高，目前主要用于民用、工業(yè)燃?xì)狻l(fā)電、汽車燃料、壓縮與液化、化工原料等。

2 煤層氣的多種利用方式

2.1 民用和工業(yè)燃?xì)?/h3>

早在1982年，我國煤炭工業(yè)部加工利用局就以“煤加計(jì)（82）第52號”文件規(guī)定了煤層氣（煤礦瓦斯）利用的順序應(yīng)優(yōu)先民用的原則。近幾年來，隨著城市化進(jìn)程的加快，我國天然氣消費(fèi)量呈現(xiàn)快速增長態(tài)勢，2018年消費(fèi)量超過2800億立方米，其中城市燃?xì)庥昧棵黠@增加，民用天然氣供應(yīng)也越來越緊張。為解決氣源問題，各大燃?xì)夤炯娂姲涯抗饷橄蛎簩託狻Ｃ簩託忾_發(fā)利用為緩解天然氣供需矛盾提供了一種新途徑。例如，安徽淮南礦區(qū)現(xiàn)有瓦斯民用小區(qū)135個，供氣中心6個，用戶約6.6萬戶，民用燃?xì)夤芫W(wǎng)173.57千米，年利用瓦斯量超過1000萬立方米。此外，煤層氣還可作為工業(yè)燃?xì)馓娲禾亢吞烊粴狻Ｃ簩託庾鳛閮?yōu)質(zhì)、清潔、價廉的能源，現(xiàn)已被廣泛用作工業(yè)鍋爐、陶瓷生產(chǎn)和氧化鋁焙燒的工業(yè)燃料。

2.2 煤層氣發(fā)電

煤層氣發(fā)電是一個多效益型煤層氣利用項(xiàng)目，能有效地將礦區(qū)抽采的煤層氣變?yōu)殡娔埽奖愕剌斔偷礁鞯亍?/p>

煤層氣發(fā)電設(shè)備簡單并已成系列，而且運(yùn)行可靠，可根據(jù)氣源量選定利用規(guī)模。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組效率可達(dá)80%以上，熱能轉(zhuǎn)化率較高，有利于節(jié)約能源，1千瓦· 時電力耗氣量在0.23～0.30標(biāo)準(zhǔn)立方米之間。各種型號發(fā)電機(jī)組熱耗不同，除了機(jī)組設(shè)備制造的原因外，還在于它們外供的熱能等因素不同。煤層氣發(fā)電機(jī)組可以直接使用從礦井抽放的低濃度（＞35%）煤層氣，有利于建設(shè)坑口電站。煤層氣發(fā)電可以使用直接燃用煤層氣的往復(fù)式發(fā)電機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)，也可用煤層氣作為鍋爐燃料，利用蒸汽透平發(fā)電。新的發(fā)展趨勢是建立聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，有效地利用發(fā)電余熱。

煤層氣發(fā)電采用的主機(jī)設(shè)備主要有以下三種：蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組。

近年來，隨著煤層氣抽采利用優(yōu)惠政策的出臺和完善，國內(nèi)企業(yè)利用煤層氣發(fā)電的積極性日益高漲，發(fā)電裝機(jī)規(guī)模逐年上升，技術(shù)研發(fā)和裝備制造水平不斷提高。

在燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組的發(fā)電過程中，燃料的能量約有35% 被轉(zhuǎn)化為電能，約有30% 隨尾氣排出，約有25% 被發(fā)動機(jī)冷卻水帶走，通過機(jī)身散發(fā)等約占10%，而這其中約有一半的能量是可以被二次使用的。據(jù)測算，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組每提供100千瓦· 時的電力，排出的尾氣余熱可滿足2500平方米的采暖需求或1300 平方米的制冷需求。由此可見，熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)既節(jié)能環(huán)保，又可帶來經(jīng)濟(jì)效益，使得一次能源向二次能源轉(zhuǎn)換過程中損耗的能源得到充分利用，最大程度地提高能源的使用效率，在大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的今天是十分必要的。

2.3 煤層氣液化

煤層氣液化是指煤層氣經(jīng)凈化、提純后，在一定的溫度壓力下，從氣態(tài)變成液態(tài)的工藝。煤層氣液化后，體積將縮小600倍，會大大降低運(yùn)輸成本。使用液化天然氣槽車運(yùn)送，可以隨氣源和用戶的改變而改變運(yùn)輸路線，甚至可以作為現(xiàn)有的天然氣管道調(diào)峰資源使用。煤層氣液化可分為地面煤層氣（CBM）液化和煤礦瓦斯（CMM）液化。

地面煤層氣(CBM)濃度一般在90%以上，經(jīng)脫碳、脫硫、脫汞和脫水后，可直接加壓、深冷液化成液化煤層氣（LCBM）。

煤礦瓦斯一般濃度較低，且含有氧氣，若直接加壓液化會引起爆炸。應(yīng)采用深冷精餾的方法，把含氧煤礦瓦斯的分離和液化在低溫的條件下同步完成，提純制成液化煤層氣。該方法可以把濃度為35%～50%的礦井瓦斯提純液化為濃度99.8%的液化天然氣（LNG）。

2.4 煤層氣用作化工原料

目前，煤層氣用作化工原料主要是生產(chǎn)合成氨、甲醇、乙炔、氯甲烷、氫氰酸、二硫化碳等下游加工產(chǎn)品，而主導(dǎo)產(chǎn)品是合成氨和甲醇。

以煤層氣為原料生產(chǎn)合成氨和尿素是一種經(jīng)濟(jì)的利用方式。我國是農(nóng)業(yè)大國，化肥需求量大。為改善環(huán)境和提高效益，在煤層氣產(chǎn)區(qū)附近建設(shè)合成氨和尿素生產(chǎn)裝置是相對合理的。

2.5 低濃度瓦斯的發(fā)電利用

在我國的煤礦開采過程中，每年直接排放到大氣中的瓦斯約為180億立方米（純甲烷），其中濃度在6%～30%的低濃度瓦斯約占排放總量的11%，為20億立方米左右。由于沒有有效的利用方式，絕大部分低濃度瓦斯被直接排入大氣，既浪費(fèi)了大量清潔能源，又污染了環(huán)境。低濃度瓦斯發(fā)電是指利用甲烷濃度小于30%的瓦斯發(fā)電。為了使抽采出來的瓦斯得到利用，就必須盡快開展低濃度瓦斯安全輸送技術(shù)開發(fā)與裝備研制。低濃度瓦斯的安全輸送和直接利用，對促進(jìn)礦井瓦斯的開發(fā)和利用、保證礦井安全高效生產(chǎn)具有十分重大的意義。

2.6 風(fēng)排瓦斯（VAM）利用

煤礦開采中，瓦斯排出量的70%是通過乏風(fēng)（又稱“煤礦風(fēng)排瓦斯”，指甲烷濃度低于0.75%的煤礦瓦斯）排出的。我國的煤礦開采中，每年通過乏風(fēng)排出的純甲烷為100億～150億立方米，與西氣東輸?shù)目偭肯喈?dāng)。這就好比每年有1000萬～1500萬噸原油或2000萬～3000萬噸煤炭被白白浪費(fèi)掉，其數(shù)量差不多是一個350萬～500萬千瓦的超大型火力發(fā)電廠一年的用煤量。

一個高瓦斯礦區(qū)百萬噸產(chǎn)量的礦井，每分鐘的乏風(fēng)量在5000～10000立方米，每分鐘通過乏風(fēng)排出的純甲烷就是25～50立方米，每年排出的純甲烷為1000萬～2000萬立方米，相當(dāng)于向大氣排放了130萬～250萬噸二氧化碳。如果我們能將乏風(fēng)氧化利用技術(shù)推廣應(yīng)用，節(jié)能效果將十分顯著。