能源轉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顆粒表面,是煤的伴生礦產資源,盡管它可能會嚴重威脅到煤礦的安全生產,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,還可以為當地經濟建設提供優(yōu)質的清潔能源,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基地、山西省的重點產煤縣之一,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驗,并且對山西煤炭經濟轉型發(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,總人口23.8萬人,城區(qū)面積約5.8 km2,人口約6.2萬人。

昔陽境內煤、鐵、鋁、鉛等礦產資源豐富,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,煤質為優(yōu)質無煙煤。

昔陽縣南峪煤礦利用年產10萬t的中小煤礦井下瓦斯抽放系統(tǒng)抽出的瓦斯,經檢測瓦斯?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、質量高等特點。

2 煤層氣的利用與效益

2.1 煤層氣的利用現狀

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管理成本,而且難以從根本上保證和解決安全生產問題[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,建設了全省第一家年產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,相關部門及單位組建了昔陽縣瓦斯工程利用聯合體,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。

隨著煤礦開采技術的不斷進步,煤層氣的抽采方式實現了較大的技術突破,之前主要從井下尾巷及采空密閉墻進行抽采,而現在轉變?yōu)榈孛嫦瘸楹蟛?。由于這一技術的突破,煤層氣的供氣數量和質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{峰,煤層氣的應用技術和工藝流程方面已經逐步走向成熟。

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過多年的實踐,探索出了一套安全高效優(yōu)質的供氣模式,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,并惠及管網覆蓋的兩個鄉(xiāng)鎮(zhèn)周邊農村用戶。據測算,年均可替代原煤67 500 t,減少燃煤產出的二氧化硫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生活條件等的一系列循環(huán)利用。

目前昔陽縣又在建設國新能源昔陽煤層氣熱電聯產項目,采用低氮燃燒技術,建設120兆瓦級燃氣——蒸汽聯合循環(huán)二拖一供熱機組,該項目建成投產后預計年發(fā)電量6億kW·h,并為縣城及周邊農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加氣母站的建設和運營,幾乎全部出租車和公交車實現了CNG加氣運營,部分重型卡車200 km服務半徑內采用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構成了威脅,煤層氣的開采可以有效地改善當地煤礦的安全生產條件,通過井下的瓦斯抽放技術,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。

2)環(huán)境效益。煤層氣是一種優(yōu)質清潔的燃料,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,提升了當地公共服務及物流業(yè)的現代化水平,調整了汽車能源消費結構,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濟社會發(fā)展,改善了生產生活環(huán)境,提高居民生活質量,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,燃氣聯合體公司年營業(yè)收入達1000余萬元,實現利稅近100萬元的經濟效益,不僅創(chuàng)造了煤層氣及其產業(yè)鏈商業(yè)價值,還形成了新的生產力和市場盈利模式。

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業(yè),使資源利用率得到最大范圍的延伸,推進了能源結構的調整優(yōu)化,促進了經濟與社會的協調發(fā)展。

3 結論

1)煤層氣是一種方便、高效、潔凈的氣體能源,是21世紀經濟發(fā)展的動力。昔陽縣具有豐富的煤層氣資源,隨著煤礦開采技術的不斷進步,昔陽縣實現了煤層氣抽采方式的技術突破,使煤層氣的供氣數量和質量得以保障和提高,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域可以歸結為三大類: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、經濟效益與社會效益。

3)煤層氣已經成為了繼煤、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濟轉型發(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化、清潔高效利用,實現煤炭利用由燃料、原料向材料轉變,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。