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(dāng)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(huán)境以及安全產(chǎn)生危害的原因。如何利用好這種資源,成為當(dāng)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(huán)境問題的同時,還會消除一些安全隱患,帶來較大的經(jīng)濟效益、社會效益。

[關(guān)鍵詞]瓦斯 瓦斯利用 安全 環(huán)境 經(jīng)濟效益

中圖分類號:TQ53文獻標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,甲烷至丁烷都以氣態(tài)存在。瓦斯通常以自生自儲的方式賦存于煤層中。當(dāng)在空氣中達(dá)到一定濃度時,遇明火可發(fā)生爆炸,造成安全事故。其本質(zhì)是一種熱一鏈?zhǔn)椒磻?yīng),是一定濃度的甲烷和氧氣在一定溫度作用下產(chǎn)生的激烈氧化反應(yīng)。

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(yōu)質(zhì)化工原料。開發(fā)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(yīng),同時有望遏制礦井瓦斯災(zāi)害改善煤礦安全生產(chǎn)條件。

我國具有豐富的瓦斯資源,其廣泛分布于五大聚煤區(qū)的華北和西北聚煤大區(qū)和六大含煤層系。埋深2000m以淺的資源量約為27×1012m3,與常規(guī)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(fā)前景是十分誘人的。

二、瓦斯氣體產(chǎn)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(xiàn)狀是十分有必要的。

(一)煤礦瓦斯氣體排放對環(huán)境的影響

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

自1760年出現(xiàn)工業(yè)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(dǎo)致溫室效應(yīng)。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?xì)怏w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(yīng)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(jié)合科轉(zhuǎn)化成為二氧化碳或一氧化碳。所以甲烷的溫室效應(yīng)是二氧化碳的20-24倍。

據(jù)聯(lián)合國統(tǒng)計,我國每年因采煤向大氣中排放的甲烷氣體(瓦斯)達(dá)190億立方米,居世界第一,約占我國工業(yè)生產(chǎn)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(jié)能減排措施,在“十一五”規(guī)劃中確定了兩項約束性指標(biāo),即到2010年,國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗將在2005年基礎(chǔ)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(dāng)于1kg燃油或1.25kg標(biāo)準(zhǔn)煤,每使用1m3的瓦斯代替油可節(jié)省2元以上,瓦斯可謂是高效、經(jīng)濟的能源。

中國的一次能源產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)和消費是最多的。而作為清潔型能源的天然氣,生產(chǎn)量占一次能源總生產(chǎn)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(chǎn)于中國西部地區(qū),煤層氣(瓦斯)則產(chǎn)于中國中部、東部,以及貴州、云南、廣西等西南地區(qū)。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(chǎn)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(jīng)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(shù)手段、安全裝備水平等;發(fā)生瓦斯爆炸的原因又有很多,如風(fēng)扇斷電停鳳、風(fēng)量不足、串聯(lián)通風(fēng)、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(chǎn)損失。根據(jù)多年對煤礦事故的統(tǒng)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(shù)是瓦斯爆炸,約占特大事故總數(shù)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(dāng)瓦斯?jié)舛却笥诎踩禃r,遇火花即可發(fā)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(fēng)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(fā)現(xiàn)狀及利用方法

(一)我國煤層氣資源開發(fā)現(xiàn)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(dá)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(nèi)為8.39×1012m3,1500～2000m范圍內(nèi)煤層氣資源量為9.96×1012m3。與常規(guī)天然氣資源量相當(dāng),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(qū),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(qū)煤層氣資源構(gòu)成如圖1所示。

據(jù)估計,2000年世界煤礦瓦斯排放量約為30.8Gm3,2020年可達(dá)39.3m3。自20世紀(jì)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(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,據(jù)不完全統(tǒng)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(dá)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(yuǎn)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(huán)境,又浪費了資源。

注:數(shù)據(jù)來源于國家安全監(jiān)督管理局;2006年數(shù)據(jù)為1-11月份。

(二)我國煤層氣資源開發(fā)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(yōu)質(zhì)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(yīng)。所以利用煤層瓦斯是有很多好處的。

當(dāng)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(jīng)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(fā)電及工業(yè)原料?？傮w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(xiàn)在晉煤集團、淮北礦業(yè)集團對煤礦的瓦斯氣已經(jīng)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(dāng)前煤層氣的利用主要有如下幾種方法:

1.利用煤層氣發(fā)電。利用煤層氣發(fā)電是當(dāng)前的首選方案。從技術(shù)角度看,利用煤層氣是沒有問題的,不過經(jīng)濟可行性方面還需要進一步討論。美國曾經(jīng)做過分析,利用小型內(nèi)燃機組,當(dāng)甲烷濃度在50﹪時,成本約為0.035美元/度;當(dāng)濃度為40﹪時,成本約為0.044美元/度。相比之下,工業(yè)發(fā)動機發(fā)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(fā)電方式是可利用的,否則應(yīng)當(dāng)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(dāng)前已經(jīng)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(qū)驅(qū)動采礦機械。

3.充當(dāng)化工原料。由于煤層氣的成分與常規(guī)天然氣相近,因此借鑒天然氣化工的發(fā)展方向開發(fā)煤層氣加工,應(yīng)當(dāng)是煤層氣利用的一條途徑。當(dāng)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(yán)格評估,他們認(rèn)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(dāng)前利用比較普遍的方法。在工業(yè)上,可以用作發(fā)電、烘干煤等方面;在生活上,可以用作取暖、家用燃?xì)獾确矫妗?/p>

四、瓦斯治理的設(shè)想

瓦斯氣體就像一把雙刃劍,關(guān)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(huán)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(jīng)成為原油進口國,在1998年,我國進口原油已達(dá)2730萬噸,我國的能源已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重的供不應(yīng)求的狀況。從世界能源的發(fā)展趨勢來看,天然氣能源有可能成為未來能源消費的主導(dǎo)方向。預(yù)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(dá)300億m3。煤層氣作為主要成分和性能與天然氣相似的結(jié)晶能源,它的開發(fā)利用前景必將十分廣闊。

在空氣污染、溫室效應(yīng)、臭氧層“空洞”等環(huán)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(huán)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(zhì)量要求不斷提高的今天,人們對自身的生命財產(chǎn)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(yīng)的鼓勵與強制政策。

當(dāng)前我國為煤層氣的開發(fā)、利用制定了一系列的鼓勵與優(yōu)惠政策:1. 開發(fā)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(fā)煤層氣項目所需要進口的物資,比照石油、天然氣的進口優(yōu)惠政策;4. 煤層氣價格按市場經(jīng)濟原則,由供需方協(xié)商確定。并且國家發(fā)展改革委員會編制了《煤層氣(煤礦瓦斯)開發(fā)利用“十一五”規(guī)劃》。這些都為我國的煤氣層氣產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造了有利的政策環(huán)境。

五、結(jié)語

我國是煤炭產(chǎn)量以及煤層氣儲量的大國,但是,我國當(dāng)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(fā)展的潛力是巨大的。雖然我國煤層氣的開發(fā)、利用起步較晚、基礎(chǔ)較薄,不過相信在國家、社會、科學(xué)工作者共同的努力下,我國的煤層氣產(chǎn)業(yè)必然會大跨步的前發(fā)展,有煤層氣產(chǎn)業(yè)帶動的環(huán)保、經(jīng)濟、社會效益也會逐步展現(xiàn)。

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作者簡介:

汪天凱(1988-),男,漢族,內(nèi)蒙古包頭市人,現(xiàn)就讀于中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院,資源勘查工程(能源)專業(yè),研究方向:石油地質(zhì)。