徐东耀等

摘要：指出了煤炭行业的甲烷排放也是造成温室效应的重要因素之一，气候的变化直接影响到人类社会的可持续发展，我国有着丰富的煤层气储藏量，为发展新清洁能源奠定了坚实的基础，但是由于政策和技术限制，我国煤炭行业每年向大气中排放了大量的煤炭甲烷气体，尤其是低浓度煤炭甲烷，造成了资源浪费的同时也是煤炭生产安全的隐患。结合我国煤炭甲烷排放特征，分析了我国煤炭甲烷排放现状和主要的利用技术，并提出了中国煤炭甲烷排控的对策。

关键词：煤炭行业；煤炭甲烷；利用技术；排控对策

中图分类号： X502

文献标识码： A 文章编号： 16749944（2015）06017004

1 引言

中国是一个产煤大国，同时有着丰富的煤层气资源[1]，我国非常重视煤炭甲烷的抽采及利用[2]，提出了煤炭甲烷利用的12字方针：“先抽后采、能抽尽抽、以用促抽”，提高煤矿对甲烷的抽采力度。虽然我国煤炭甲烷利用技术起步较早，1996年以来，我国煤矿甲烷抽采量和利用量逐渐增加，但是抽采利用率却保持在33%左右，煤矿甲烷的抽采量逐年升高，到2005年抽采量有了一次质的飞跃，到2009年突破60亿m3，2010年达到近70亿m3。

我国煤炭甲烷排放量居世界首位，大量的低浓度的煤炭甲烷直接抽排到大气中，不但浪费了大量的资源，而且还加剧了全球温室效应的恶化[3]。因此，结合我国煤炭甲烷排放特点，从技术和政策角度研究适合我国煤炭甲烷的控排对策[4]。对我国的煤炭甲烷的资源化[5]和控排措施的制定，具有重要的意义。

2 我国煤矿甲烷排放和利用

2.1 煤炭甲烷排放现状

由于煤炭作为国家支柱能源产业，它的重要的战略地位为其蒙上了一层神秘的面纱，因此煤矿甲烷的生产量也相对不透明，但是对于一个国家或者一个区域来说，煤矿甲烷的涌出量和排放量还是有迹可循的，是具有一定规律性，通过计算公式得到的涌出量称之为相对涌出量[6]，将相对涌出量和绝对涌出量相互综合，以后者作为基础就可以得到一定的函数关系，即煤矿甲烷涌出量是和原煤产量有一定线性关系的。

根据《矿井瓦斯等级鉴定规范》（AQ1025）甲烷的涌出量包括抽采部分和风排部分，涵盖七个涌出源：开采层甲烷涌出、邻近层甲烷涌出、围岩瓦甲烷涌出、煤壁甲烷涌出、落煤甲烷涌出、生产采区采空区甲烷涌出、已采采空区甲烷涌出。如表1所示，为2005～2013年全国煤炭行业原煤总产量和甲烷涌出量。

图1中实线是近10年我国原煤产量的走势，而虚线是对应的煤矿甲烷的涌出量的走势，相比之下我们可以直观地看出这两者有一定的相关性，通过简单相关系数Rxy=∑n[]i=1（xi-）（yi-）[]∑n[]i=1（xi-）2∑n[]i=1（yi-）2来研究两者的水平和变化趋势的关系，不难得出两者相关系数高达0.994，证明这两者之间存在着很强的相关性。因此，根据企业的原煤生产量计算出的煤矿甲烷涌出量的数据是相当可靠的，具有很强的参考性。

2.2 煤炭甲烷利用现状

2.2.1 煤炭甲烷抽采现状

从20世纪90年代开始，随着我国煤炭产业的不断发展，煤矿甲烷的抽采利用量也呈逐年增长的趋势。尤其是近10年以来每年的甲烷抽采量都有较大幅度的增长，从国家安监部门历年统计数据可知，2009年甲烷抽采量超过6×109m3，而2010年的统计值就已逼近7×109m3（表2），另外，由于调查范围的大小及统计方式的差异导致有些报告中显示2010年煤矿瓦斯抽采量分别为7.5×109m3和7×109m3（数据分别来自《煤矿瓦斯开发利用“十二五”规划》和《煤炭工业发展“十二五”规划》，由于二者都没有给出历年的统计数据，因此本文主要以安监部门发布的统计数据为基础来进行研究预测，两个《规划》中的数据仅作参照，但是总体来看我国甲烷的抽采量是呈上升趋势的[7]。

我国煤矿甲烷的抽采量占产生量的比例还比较低[8]，主要原因是目前的抽采偏重于高瓦斯矿井和瓦斯突出矿井，大部分煤矿甲烷没有抽采而直接排放。

2.2.2 煤炭甲烷利用现状

参考相关统计数据，以煤矿瓦斯防治部级协调领导小组第八次会议～第十一次会议中相关统计数据，2010～2013年的煤矿甲烷抽采量和利用量情况见表3，表4。

图2为我国1996～2010年煤矿甲烷的排放量和利用量趋势，煤矿甲烷的利用量呈逐年上升的形势，在2010年达到峰值21.94亿m3；抽采甲烷的排放量每年也呈现增长的趋势，到2010年达到47.7亿m3；煤矿甲烷利用率2004年以前超过40%，然而由于原煤产量的放大效应，煤矿甲烷涌出量大量增加，2004年以来其利用率维持在30%的水平左右，利用率比较低[9]。

图2 我国煤矿抽采甲烷利用量与排放量走势

3 煤炭甲烷利用技术

3.1 高浓度煤炭甲烷的利用技术

近几年来，在工业发电、各种燃料等能源利用产业的资源利用上，煤矿甲烷因其在区域上的持续发展逐渐发挥其作用，在这些能源利用产业上得到了良好的利用，例如煤矿甲烷作为燃料使用（居民用户以及汽车燃料），用作发电的瓦斯发电装机，以及煤矿甲烷回收利用清洁发展机制项目。根据相关数据，我国在“十一五”期间，煤矿甲烷的累计使用量为95亿m3，这相当于省下了1000万t的煤炭，在一定程度上二氧化碳的产生量也有所降低[10]。

3.1.1 煤炭甲烷发电

近几十年，我国各省市的煤矿甲烷发电产业都取得了很大的成就，煤矿甲烷的开发利用展现了空前的发展态势，煤矿甲烷利用总量屡创新高，其中以山西省与贵州省等为首，年发电量逐年突破。2010年，全球最大的瓦斯发电厂也在我国建成并投入使用，这表示我国的煤矿甲烷发电技术趋于国际领先地位，并获得国际认可。

3.1.2 煤炭甲烷民用

煤矿甲烷用于民用产业开始于20世纪50年代初期，我国首次进行瓦斯预抽并且获得成功，这开创我国煤矿甲烷大范围量产的历史。由于开采的多数煤矿甲烷成分非常杂乱丰富，浓度极不稳定，跟天然气基本无法实现共同输送。但我国的煤矿甲烷在此领域依然取得了卓越成效，煤矿甲烷液化厂不断建成投产，甲烷产量、用户数量以及管网长度持续攀升。

3.1.3 煤炭甲烷工业利用

煤矿甲烷跟天然气的特点有些类似，因此同样在工业生产中可以作为优质的原料。它作为一种洁净的资源跟汽油作用十分类似，煤矿甲烷作为工业原料时成本较低，收效却很大。用于工业生产时所需要的占地面积也很少，最重要的是对环境的污染减到了最小化，非常环保。我国煤矿甲烷工业利用项目主要有铁法煤矿甲烷供法库县陶瓷城项目，阳泉煤矿甲烷氧化铝焙烧项目[11]。

3.1.4 煤炭甲烷用于汽车燃料

众所周知，当甲烷的体积分数超过90%时才可以作为燃料在机动车上使用，因此它成为继石油和天然气后一种新型补充或替代能源。作为汽车燃料的煤矿甲烷跟天然气的特点和作用都非常类似，不仅投入的资金很少，而且对车辆内部的损耗很小，而且还非常安全可靠，最重要的是对环境污染程度很小，十分环保[11]。

3.2 低浓度煤炭甲烷的利用技术

国内研发较为成熟且进入工业试验阶段的技术主要有以下几种：内燃机直接发电技术、浓缩提纯技术以及催化氧化气轮机发电技术。

3.2.1 内燃机直接发电技术

在低浓度煤矿甲烷内燃机直接发电方面，中国率先取得突破，拥有了全球第一个成功研制低浓度瓦斯发电机组的技术，能够把浓度高于6%的低浓度瓦斯转化成电能。随着低浓度煤矿甲烷利用技术逐渐得到重视，国内参与研发低浓度瓦斯发电机组的单位逐年增多，技术层面的难题一一得到解决并且极好地运用在实际批量生产中。

3.2.2 催化氧化气轮机发电技术

日本是世界上第一个研发出低浓度煤矿甲烷催化氧化气轮机发电技术，其机理是：利用催化燃烧技术，吸附空气中的氧气与甲烷于催化剂表层，再在催化剂强大的氧化作用下，在低温的环境下氧化燃料，该过程既不产生氮氧化物，也不会产生火焰。整个的工艺流程如下：燃气轮机将较低浓度的煤矿甲烷自动吸入，通过催化燃烧燃气轮机发电。

3.3 超低浓度煤炭甲烷的利用技术

浓度低于5%的甲烷称为超低浓度煤矿甲烷，通常条件下，它不能被点燃或者维持燃烧。根据数据显示：我国煤矿所排放的煤矿甲烷气体中，矿井通风瓦斯（乏风）占据了一半多的比例，每年对空排放甲烷气体的总量相等于2000万t煤炭燃烧所产生的能量，这是一座500kW的超大型火力发电厂一年的煤炭总用量。

我国于2015年开始利用自行开发生产的通风甲烷氧化技术及煤矿乏风氧化装置，已经可以将超低浓度的煤矿甲烷通过收集，再对其发生氧化而产生大量热能，这些热能通过阶段性使用以及在氧化装置的协助下制得过热高压蒸汽，这种高压蒸汽能够驱动蒸汽轮机发电，剩下的蒸汽热还可用提供给民用[12]。

4 煤炭甲烷控排对策研究

通过上文对我国煤炭行业甲烷排放和利用现状的分析，根据我国煤炭行业自身的特点，提出以下几条建议。

（1）提高现有煤矿甲烷抽采利用政策标准。煤层气抽采利用中央财政补贴、瓦斯发电加价等政策已实施5年了，应适当进行调整，并逐步形成定期调整机制。

（2）对于不同煤矿甲烷（煤矿瓦斯）开发利用项目实行分类有差别的财政补贴。建议不同地区提高财政补贴的标准，可在中央财政补贴的标准上调20%～40%的补贴额度，以鼓励煤炭企业开展煤层气（煤矿瓦斯）开发利用项目的积极性。

（3）重视低浓度煤矿甲烷的利用技术。由于我国煤层渗透率低，赋藏条件复杂，抽采出的煤矿甲烷很大一部分是浓度低于30%的低浓度煤矿甲烷。因此，政府应在低浓度瓦斯利用方面加大科研力度，研发多途径、高效率利用低浓度瓦斯的方式。

参考文献：

[1]帕梅拉·富兰克林. 通过国际甲烷市场化伙伴计划发展煤矿甲烷项目[C]//2005第五届国际煤层气论坛暨第一届中日煤炭技术研讨会“国际甲烷市场化合作计划”中国地区会议.2005.中国北京.

[2]张仁健.中国甲烷排放现状[J].气候与环境研究，1999（2）：67～75.

[3]徐振刚，张振勇.甲烷排放源及减排对策[J].洁净煤技术，1999（3）：10～12，42.

[4]田彦彦，刘晓斐.我国煤矿甲烷排污权交易制度构建及法律保障[J].中北大学学报：社会科学版，2012（1）：41～45.