碳中和目標(biāo)下煤礦甲烷減排趨勢(shì)模型及關(guān)鍵技術(shù)

劉文革，徐 鑫，韓甲業(yè)，王 勃，李 志，嚴(yán) 媛

(應(yīng)急管理部信息研究院(煤炭信息研究院)，北京 100029)

應(yīng)對(duì)全球氣候變化目前已經(jīng)成為國(guó)際社會(huì)廣泛共識(shí)，根據(jù)《巴黎協(xié)定》提出的到21世紀(jì)末全球平均氣溫較工業(yè)化前水平上升幅度不超過(guò)2 ℃并努力控制在1.5 ℃目標(biāo)，全球需要在2065—2070年實(shí)現(xiàn)碳中和。習(xí)近平主席在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上提出中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，CO排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，體現(xiàn)了中國(guó)對(duì)全人類共同利益的大國(guó)責(zé)任擔(dān)當(dāng)，將可能使全球?qū)崿F(xiàn)碳中和的時(shí)間提前5～10 a。但相比于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家50～70 a的過(guò)渡期，中國(guó)從碳達(dá)峰到碳中和只有30 a，2030年后中國(guó)的年減排率平均達(dá)8%～10%，遠(yuǎn)超發(fā)達(dá)國(guó)家減排的速度和力度。因此我國(guó)若要實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，在強(qiáng)化CO排放控制的同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)甲烷等非CO溫室氣體的排放控制顯得尤為必要。目前加大甲烷排放的控制力度已經(jīng)被納入到我國(guó)最新發(fā)布的“十四五”規(guī)劃和2035遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要中。2021年11月，中國(guó)和美國(guó)在聯(lián)合國(guó)氣候變化格拉斯哥大會(huì)期間發(fā)布的《中美關(guān)于在21世紀(jì)20年代強(qiáng)化氣候行動(dòng)的格拉斯哥聯(lián)合宣言》中，將甲烷減排作為雙方最具代表性的合作領(lǐng)域之一，并提出促進(jìn)有關(guān)甲烷減排挑戰(zhàn)和解決方案的聯(lián)合研究。中國(guó)將制定一份全面、有力度的甲烷國(guó)家行動(dòng)計(jì)劃，爭(zhēng)取在21世紀(jì)20年代取得控制和減少甲烷排放的顯著效果。

甲烷排放主要來(lái)自能源、農(nóng)業(yè)和廢棄物三大領(lǐng)域，其中有50%～65%的排放來(lái)自人類活動(dòng)。人類能源活動(dòng)造成的甲烷排放主要來(lái)自油氣、煤炭生產(chǎn)運(yùn)輸和使用過(guò)程中的甲烷逃逸排放。煤炭行業(yè)的甲烷排放作為人類能源活動(dòng)的重要甲烷排放源之一，貫穿于煤炭開采過(guò)程及礦后活動(dòng)中。國(guó)際能源署發(fā)布的《世界能源展望2019》顯示，2018年全球煤礦甲烷泄漏量達(dá)4 000萬(wàn)t。對(duì)于我國(guó)來(lái)說(shuō)，能源和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域都是甲烷減排的重點(diǎn)領(lǐng)域，目前油氣、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的研究學(xué)者紛紛發(fā)布研究成果，提出碳中和對(duì)本領(lǐng)域的發(fā)展啟示及未來(lái)的發(fā)展路徑。我國(guó)作為世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)，以煤為主的能源資源稟賦和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展所處的階段，決定了未來(lái)很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展仍然離不開煤炭，2021年下半年以來(lái)的能源供應(yīng)緊張問(wèn)題也再一次凸顯了煤炭作為保障能源的重要地位。在全球低碳轉(zhuǎn)型和我國(guó)能源綠色低碳發(fā)展的大背景下，筆者基于我國(guó)煤礦甲烷的排放現(xiàn)狀規(guī)律研究，分析研判影響煤礦甲烷排放的重要因素，錨定2060碳中和目標(biāo)，積極探索煤礦甲烷減排的可持續(xù)發(fā)展路徑，推動(dòng)煤礦甲烷減排關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，對(duì)于助力我國(guó)能源行業(yè)盡早實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰具有重要意義。

1 我國(guó)煤礦甲烷排放現(xiàn)狀

1.1 煤礦甲烷排放構(gòu)成

根據(jù)《IPCC2006指南》，煤炭行業(yè)的溫室氣體排放主要來(lái)自煤炭開采過(guò)程、礦后活動(dòng)、低溫氧化、非控制燃燒和廢棄煤礦，其中低溫氧化和非控制燃燒產(chǎn)生的溫室氣體以CO為主，甲烷的排放主要來(lái)自煤炭開采過(guò)程、礦后活動(dòng)和廢棄煤礦排放，如圖1所示。

煤炭開采過(guò)程(包括地下開采和露天開采)中的排放主要是指煤炭采掘活動(dòng)造成煤巖層擾動(dòng)導(dǎo)致吸附其中的甲烷變成游離態(tài)釋放到大氣中的排放，其中地下開采過(guò)程中的甲烷排放通過(guò)井下抽采系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)排放，部分可以實(shí)現(xiàn)回收利用；礦后活動(dòng)的排放主要是指煤炭分選、儲(chǔ)存、運(yùn)輸及燃燒前的粉碎等過(guò)程中，煤炭中殘存的瓦斯緩慢釋放產(chǎn)生的甲烷排放；

圖1 煤礦甲烷排放來(lái)源示意Fig.1 Schematic diagram of coal mine methane emission sources

廢棄煤礦的排放主要是指煤炭開采停止后，煤礦中殘存的瓦斯從地表裂隙或人為通道中繼續(xù)緩慢釋放產(chǎn)生的甲烷排放。

我國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)，2020年煤炭產(chǎn)量占世界煤炭總產(chǎn)量的50.7%，煤炭開采方式以地下開采為主。煤礦地下開采過(guò)程中的甲烷排放是我國(guó)煤礦甲烷最主要的排放來(lái)源，由此帶來(lái)的礦后活動(dòng)產(chǎn)生的甲烷排放也成為我國(guó)煤礦甲烷排放的主要來(lái)源之一。新疆和內(nèi)蒙古自治區(qū)適合露天開采的煤炭資源較為豐富，幾乎占我國(guó)露天煤炭資源的90%以上，近年來(lái)隨著我國(guó)煤炭生產(chǎn)布局的“西移”戰(zhàn)略實(shí)施，露天開采煤炭產(chǎn)量的占比呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，露天開采過(guò)程中的甲烷排放也有所增加。從1998年至今，我國(guó)先后關(guān)閉了70 000多處資源枯竭型和不符合安全生產(chǎn)條件的煤礦，隨著我國(guó)廢棄煤礦數(shù)量越來(lái)越多，廢棄煤礦的甲烷排放量也呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。結(jié)合國(guó)內(nèi)學(xué)者近年來(lái)的研究成果，綜合考慮中國(guó)煤炭行業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化和近年來(lái)煤炭開采各環(huán)節(jié)甲烷排放數(shù)據(jù)變化，測(cè)算目前我國(guó)煤礦地下開采、礦后活動(dòng)、露天開采和廢棄煤礦等排放來(lái)源占總排放量的比例分別約為80%，13%，5%和2%(圖2)。

圖2 我國(guó)煤礦甲烷排放構(gòu)成Fig.2 Coal methane emission proportion in China

1.2 煤礦甲烷排放量

根據(jù)IPCC溫室氣體排放清單指南的方法，不同環(huán)節(jié)甲烷排放量采用原煤產(chǎn)量乘以排放因子的計(jì)算方法來(lái)獲得。排放因子的選取中，不確定性最小的為采用礦井實(shí)測(cè)法T3獲得的數(shù)據(jù)，其次為采用本地化排放因子T2進(jìn)行的測(cè)算，最低層級(jí)為采用全球平均排放因子T1進(jìn)行的測(cè)算。目前美國(guó)、澳大利亞、俄羅斯、德國(guó)、波蘭等世界主要產(chǎn)煤國(guó)家在排放量較大的環(huán)節(jié)都采用了高層級(jí)的T2或T3方法，我國(guó)國(guó)家溫室氣體排放清單中煤礦甲烷排放因子的選取目前采用T1和T2相結(jié)合的方法。根據(jù)2005—2014年的國(guó)家溫室氣體排放清單數(shù)據(jù)，煤礦甲烷的排放量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，峰值出現(xiàn)在2012年，為2 384.7萬(wàn)t，比2005年增長(zhǎng)了77%(圖3)。煤炭開采甲烷排放量與煤炭產(chǎn)量的增長(zhǎng)率變化趨勢(shì)基本一致。

圖3 2005—2014年煤炭開采及甲烷排放相關(guān)數(shù)據(jù)Fig.3 Coal mining & methane emission in 2005-2014

隨著我國(guó)煤礦瓦斯抽采和利用技術(shù)的不斷發(fā)展，經(jīng)過(guò)“十一五”階段及前期的連續(xù)攻關(guān)，我國(guó)的煤礦瓦斯抽采量不斷提高(圖3)，利用方式也呈現(xiàn)多元化趨勢(shì)，目前已經(jīng)開發(fā)了民用或工業(yè)燃料、液化LNG、煤礦瓦斯提純或發(fā)電、蓄熱氧化供熱發(fā)電、燃?xì)忮仩t和CNG清潔能源汽車等多種利用方式，逐漸形成煤礦甲烷梯級(jí)利用的新局面。其中民用燃?xì)夂屯咚拱l(fā)電2種利用方式的煤礦瓦斯利用量之和約占所有瓦斯抽采量的27.1%(圖4)。

圖4 2015年煤礦瓦斯不同利用方式的占比Fig.4 Different CMM utilization proportion in 2015

根據(jù)我國(guó)煤礦瓦斯防治部際協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組關(guān)于煤礦瓦斯抽采利用量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可以基于T3方法測(cè)算煤礦地下開采過(guò)程中的煤礦瓦斯統(tǒng)計(jì)排放量，用于煤礦甲烷減排潛力的估算。計(jì)算公式為

(1)

需要說(shuō)明，煤礦瓦斯統(tǒng)計(jì)排放量(CH)只是總排放量的一部分，不包括通風(fēng)瓦斯、礦后活動(dòng)等難以利用的甲烷排放量。隨著煤礦瓦斯的抽采利用率逐漸提高，基于T3方法的煤礦瓦斯統(tǒng)計(jì)排放量在2015年也出現(xiàn)峰值，峰值為88.3億m，合計(jì)591.6萬(wàn)t，之后呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì)(圖5)?！笆奈濉逼陂g，預(yù)計(jì)煤礦瓦斯抽采利用率會(huì)進(jìn)一步提高到50%左右，煤礦甲烷的統(tǒng)計(jì)排放量也會(huì)呈現(xiàn)繼續(xù)下降趨勢(shì)。

圖5 2005—2020年煤礦瓦斯統(tǒng)計(jì)排放量及抽采利用率Fig.5 Statistical emission and extraction utilization of coal mine methane in 2005-2020

1.3 煤礦甲烷排放特點(diǎn)

(1)煤礦瓦斯甲烷濃度變化范圍大。在煤炭開采活動(dòng)過(guò)程中，抽采瓦斯、通風(fēng)瓦斯、采空區(qū)地面煤層氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)為0.5%～95.0%，如此分散且廣泛的甲烷體積分?jǐn)?shù)變化范圍增加了甲烷減排的難度。

(2)低濃度瓦斯占比較大。由于我國(guó)煤炭地質(zhì)賦存條件復(fù)雜，煤層透氣性差、滲透率低，多數(shù)瓦斯礦井處于“三軟”煤層中，不利于鉆孔。所以抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)在8%～30%的低濃度甲烷占比較大，不易利用，也是導(dǎo)致煤礦甲烷排放利用率低的主要原因。

(3)通風(fēng)瓦斯稀薄且排放量最大。為了保證地下開采過(guò)程中井下礦工的安全，井下通風(fēng)風(fēng)流中各關(guān)鍵部位都設(shè)定了相應(yīng)的瓦斯體積分?jǐn)?shù)上限。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》，主回風(fēng)巷的瓦斯體積分?jǐn)?shù)應(yīng)小于0.75%，為確保井下工人生命健康和安全生產(chǎn)，需使通風(fēng)量達(dá)到相關(guān)要求，因此造成數(shù)量巨大的通風(fēng)瓦斯直接排放到空氣中。但在現(xiàn)有技術(shù)條件下，如此稀薄的通風(fēng)瓦斯難以有效利用。

(4)廢棄煤礦瓦斯排放底數(shù)不清。我國(guó)廢棄煤礦大部分是高瓦斯礦井和瓦斯突出礦井，上下鄰近煤層、礦井殘留的煤柱和井下采空區(qū)內(nèi)仍富含大量的殘存瓦斯，可能從地表裂隙或人為通道中繼續(xù)緩慢釋放。此外廢棄煤礦的甲烷排放不僅會(huì)造成溫室氣體增多，還可能發(fā)生安全生產(chǎn)事故。我國(guó)“十四五”期間仍將繼續(xù)淘汰落后產(chǎn)能，關(guān)閉資源枯竭和不符合安全生產(chǎn)條件要求的煤礦，廢棄煤礦甲烷排放未來(lái)呈增加趨勢(shì)。但目前存在排放底數(shù)尚未完全摸清等問(wèn)題，需要加強(qiáng)開展研究。

2 我國(guó)煤礦甲烷排放趨勢(shì)

加快調(diào)整我國(guó)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步減少煤炭消費(fèi)在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比例，嚴(yán)格控制煤炭產(chǎn)量和生產(chǎn)規(guī)模，從源頭上減少煤炭供應(yīng)，優(yōu)化煤炭生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，逐步退出高瓦斯等災(zāi)害嚴(yán)重的礦井，增大露天開采的比例，使煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求協(xié)調(diào)推進(jìn)，都能有效減少我國(guó)煤礦甲烷的排放。

2.1 煤礦甲烷排放影響因素分析

..煤炭消費(fèi)量的影響

在能源革命的引領(lǐng)下，我國(guó)的一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化調(diào)整，煤炭在一次能源消費(fèi)中的比例逐漸減低。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局的相關(guān)數(shù)據(jù)，2018年煤炭在我國(guó)一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比例首次降到60%以下，2020年下降到56.8%。煤炭消費(fèi)量在2013年出現(xiàn)峰值并進(jìn)入平臺(tái)期，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)對(duì)能源的需求量持續(xù)增加，煤炭的消費(fèi)量出現(xiàn)了階段性上升趨勢(shì)(圖6)，且進(jìn)一步向電力、鋼鐵、建材、化工四大主要耗煤行業(yè)集中，四大耗煤行業(yè)的煤炭消費(fèi)占比由2015年的81.8%增加至2020年的94%，鋼鐵、水泥、化工等主要工業(yè)領(lǐng)域疊加電力、交通和建筑行業(yè)的碳排放量已經(jīng)占到全國(guó)碳排放總量的90%以上。大幅削減高耗能用煤行業(yè)的煤炭消費(fèi)量，加快實(shí)現(xiàn)新能源對(duì)化石能源的替代，是碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的必然要求。目前我國(guó)正在加快煤炭減量步伐，“十四五”時(shí)期嚴(yán)格合理控制煤炭消費(fèi)增長(zhǎng)，“十五五”時(shí)期逐步減少。但是發(fā)達(dá)國(guó)家的發(fā)展歷程表明，即使有可替代的能源出現(xiàn)，煤炭仍然會(huì)在碳達(dá)峰之后的多年內(nèi)保持一定的消費(fèi)量，如德國(guó)碳達(dá)峰之后的煤炭消費(fèi)量多年保持在2億t左右；美國(guó)在碳達(dá)峰之后，煤炭消費(fèi)量長(zhǎng)期保持在7億～10億t，直到2018年才快速下降至5億t左右。根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的預(yù)測(cè)研判結(jié)果，預(yù)計(jì)2050年我國(guó)煤炭消費(fèi)量在6.7億～10.7億tce。

圖6 2005—2020年我國(guó)煤炭消費(fèi)量變化趨勢(shì)Fig.6 Coal consumption in China in 2005-2020

..煤炭供應(yīng)量的影響

IEA的最新研究表明，同為化石能源，煤炭領(lǐng)域的甲烷減排比油氣領(lǐng)域的甲烷減排難度更大，但是在現(xiàn)有技術(shù)條件下，仍然能夠通過(guò)采取有效的措施有效減少煤炭行業(yè)的甲烷排放，其中減少煤炭供應(yīng)是甲烷減排最有效的方法，減少供應(yīng)占煤炭減排潛力的72.5%。我國(guó)目前的煤炭供應(yīng)以國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的煤炭為主，輔以部分煤炭進(jìn)口。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局的數(shù)據(jù)，2020年我國(guó)的煤炭進(jìn)口量為3.04億t，考慮我國(guó)未來(lái)擴(kuò)大內(nèi)循環(huán)及限制進(jìn)口煤質(zhì)量等政策的影響，煤炭進(jìn)口量也將呈現(xiàn)逐步減少的趨勢(shì)。隨著煤炭消費(fèi)量的大幅削減，我國(guó)的煤炭產(chǎn)量預(yù)計(jì)會(huì)呈現(xiàn)大幅下降的趨勢(shì)，由此引起的煤炭地下開采過(guò)程中的甲烷排放量和在甲烷排放構(gòu)成中的排放占比都將呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，但仍將為最主要的煤礦甲烷排放來(lái)源。

..煤礦數(shù)量的影響

煤礦關(guān)閉后，煤礦瓦斯仍然會(huì)繼續(xù)不斷地從封閉不嚴(yán)的通風(fēng)口或地表裂隙帶持續(xù)無(wú)組織逸散，因此隨著廢棄煤礦數(shù)量的持續(xù)增加，由此造成的廢棄煤礦甲烷排放占比會(huì)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。2002—2018年間，美國(guó)地下煤礦的數(shù)量從1 426座下降至679座，與此同時(shí)，廢棄煤礦瓦斯排放量在所有煤礦瓦斯排放量中的占比由5%增加到10.5%。我國(guó)煤礦數(shù)量由2005年的2.48萬(wàn)處左右減少到2020年的4 700處左右。隨著煤礦去產(chǎn)能工作和煤炭供給側(cè)改革的深入推進(jìn)，未來(lái)規(guī)劃中煤礦數(shù)量仍將進(jìn)一步減少。到“十四五”末，煤礦數(shù)量將控制在4 000處左右。隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、5G、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)在煤炭開采過(guò)程中發(fā)揮更大的作用，至2060年煤礦數(shù)量甚至可能降到1 000處以下。

..煤炭生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的影響

由于露天開采的煤層一般都接近地表，煤中吸附的甲烷量小，通過(guò)露天采煤排放的甲烷量較少。而地下開采中，原始瓦斯含量越高的礦井開采時(shí)排放的甲烷量越大，因此煤炭生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的調(diào)整也會(huì)對(duì)甲烷排放量產(chǎn)生較大影響。隨著我國(guó)露天開采技術(shù)水平的不斷提升，露天采煤量占煤炭產(chǎn)量的比例已經(jīng)從1990年的3%增長(zhǎng)到2018年的16(圖7)。

圖7 我國(guó)露天煤礦產(chǎn)量和占比Fig.7 Surface coal mine production & proportion in China

截止到2017年底，我國(guó)高瓦斯礦井共計(jì)1 084處，突出礦井677處，碳中和目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)和煤礦安全監(jiān)管要求的進(jìn)一步提高，會(huì)加速煤炭生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的深度調(diào)整，高瓦斯礦井、煤與瓦斯突出礦井等災(zāi)害嚴(yán)重的礦井會(huì)逐漸減少,促使煤礦地下開采的煤炭產(chǎn)量占比進(jìn)一步減小，露天開采的比例會(huì)持續(xù)增高，露天開采產(chǎn)生的煤礦甲烷排放將呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，成為煤礦甲烷排放不可忽視的來(lái)源之一。

2.2 煤礦甲烷排放量預(yù)測(cè)

..預(yù)測(cè)方法

結(jié)合前述影響因素分析，分基準(zhǔn)情景、發(fā)展情景和新政策情景對(duì)我國(guó)煤礦甲烷的排放趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。將煤礦甲烷的排放來(lái)源分成煤礦地下開采過(guò)程、煤礦露天開采過(guò)程、礦后活動(dòng)和廢棄煤礦甲烷排放4個(gè)部分。煤礦甲烷總排放量的計(jì)算式為

(CH)=+++

(2)

式中，(CH)為煤礦甲烷總排放量，t；為煤礦地下開采過(guò)程中的甲烷排放量，t；為煤礦露天開采過(guò)程中的甲烷排放量，t；為礦后活動(dòng)造成的甲烷排放量，t；為廢棄煤礦的甲烷排放量，t。

(1)對(duì)于的預(yù)測(cè)。根據(jù)煤礦地下開采甲烷排放量與煤炭產(chǎn)量的相關(guān)性關(guān)系，采用以消定產(chǎn)原則，建立煤礦甲烷排放主因素分析模型如下：

=()()

(3)

()=()-()

(4)

式中，為煤礦地下開采過(guò)程甲烷排放量與地下開采煤炭產(chǎn)量的相關(guān)性系數(shù)；()為煤礦地下開采產(chǎn)量占比的函數(shù)；()為煤炭產(chǎn)量的函數(shù)；()為煤炭消費(fèi)量的函數(shù)；()為煤炭進(jìn)口量的函數(shù)。

(2)對(duì)于，和的預(yù)測(cè)。鑒于礦后活動(dòng)、露天開采過(guò)程和廢棄煤礦產(chǎn)生的甲烷排放量目前缺少基于實(shí)測(cè)的準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究結(jié)果和筆者對(duì)于煤礦地下開采、礦后活動(dòng)、露天開采和廢棄煤礦甲烷排放占比的判斷作為歷史數(shù)據(jù)(表1)，采用相對(duì)比例法對(duì)，，和排放源的占比趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

=1---

(5)

式中，為煤礦地下開采過(guò)程中的甲烷排放量占比；為煤礦露天開采過(guò)程中的甲烷排放量占比；為廢棄煤礦的甲烷排放量占比；為礦后活動(dòng)造成的甲烷排放量占比。

(3)根據(jù)煤礦地下開采過(guò)程中的甲烷排放量和占比的變化，對(duì)煤礦甲烷總排放量(CH)進(jìn)行預(yù)測(cè)

(CH)=

(6)

表1 不同年份煤礦甲烷排放來(lái)源占比變化Table 1 Proportion trend of coal mine methaneemission in different years

2.2.2 預(yù)測(cè)結(jié)果與討論

(1)煤礦地下開采甲烷排放量預(yù)測(cè)。煤礦地下開采過(guò)程中，由于煤礦甲烷作為煤礦開采過(guò)程的伴生物，其涌出量會(huì)隨著采煤方法和采掘工藝的變化等發(fā)生顯著的變化，并受到煤層賦存條件、煤炭開采量、煤炭開采深度、煤炭地質(zhì)構(gòu)造、溫度、壓力等多種影響因素的波動(dòng)影響，其中煤炭開采量對(duì)于煤礦甲烷的涌出和排放量具有顯著的影響。王寧利用簡(jiǎn)單相關(guān)關(guān)系研究變量之間相關(guān)關(guān)系的密切程度和變化趨勢(shì)，測(cè)算得出原煤產(chǎn)量和煤礦甲烷涌出量之間存在強(qiáng)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性系數(shù)為0.994。筆者采用上述的相關(guān)性系數(shù)值，取0.994。

參考國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的研究結(jié)果，設(shè)定到2060年，基準(zhǔn)情景、發(fā)展情景和新政策情景下煤炭的消費(fèi)量()分別為10億、8億和6億tce(圖8)，煤炭的進(jìn)口量()分別降至3億、2.1億和1.4億tce，根據(jù)式(4)預(yù)測(cè)出煤炭產(chǎn)量()的變化趨勢(shì)。

圖8 不同情景下我國(guó)煤礦消費(fèi)量趨勢(shì)預(yù)測(cè)Fig.8 Trend forecast of coal mine consume in China under different scenarios

根據(jù)我國(guó)近年來(lái)露天煤礦產(chǎn)量占比變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)未來(lái)煤礦地下開采產(chǎn)量占比()的變化。根據(jù)式(3)，計(jì)算到2060年煤礦地下開采過(guò)程中的甲烷排放量的變化趨勢(shì)(圖9)。預(yù)計(jì)到2060年，基準(zhǔn)情景、發(fā)展情景和新政策情景下煤礦地下開采過(guò)程的甲烷排放量將分別減少到366.0萬(wàn)、308.5萬(wàn)和240.5萬(wàn)t左右。

圖9 不同情景2060年煤礦地下開采過(guò)程甲烷排放量預(yù)測(cè)Fig.9 Trend forecast of underground coal mining emission in 2060 under different scenarios

(2)不同排放來(lái)源的煤礦甲烷排放占比預(yù)測(cè)。根據(jù)表1的歷史數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)，預(yù)測(cè)未來(lái)煤礦地下開采過(guò)程的甲烷排放占比將呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，預(yù)計(jì)到2060年，煤礦地下開采過(guò)程的甲烷排放占比下降至約67.5%；露天開采及廢棄煤礦的甲烷排放占比呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，預(yù)計(jì)到2060年，露天開采及廢棄煤礦的甲烷排放占比分別上升至13.1%和6.4%；礦后活動(dòng)的甲烷排放占比變化不大，預(yù)計(jì)到2060年，礦后活動(dòng)的甲烷排放占比維持在13.2%左右(圖10)。

圖10 煤礦甲烷排放占比趨勢(shì)預(yù)測(cè)Fig.10 Trend forecast of coal mine methane emission proportion

(3)煤礦甲烷排放量預(yù)測(cè)。根據(jù)式(5)和式(6)，預(yù)計(jì)到2060年，基準(zhǔn)情景、發(fā)展情景和新政策3種情景下，我國(guó)煤礦甲烷的排放量將分別達(dá)到542.2萬(wàn)、457.0萬(wàn)和365.0萬(wàn)t。3種情景下的煤礦甲烷排放量變化趨勢(shì)如圖11所示。

圖11 不同情景2060年煤礦甲烷排放量趨勢(shì)預(yù)測(cè)Fig.11 Trend forecast of coal mine methane emissions in 2060 under different scenarios

3 碳中和目標(biāo)下的煤礦甲烷減排路徑及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 煤礦甲烷減排路徑

煤礦甲烷減排需在“綠色發(fā)展、統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、多措并舉、支撐保障”的減排原則指導(dǎo)下，遵循“技術(shù)-經(jīng)濟(jì)-政策”協(xié)同發(fā)展的總體路徑。具體路徑主要包括以下6個(gè)方面(圖12)：

(1)源頭治理。大力推廣應(yīng)用智能化抽采等煤礦瓦斯精準(zhǔn)抽采技術(shù)，突破軟煤層塌孔和廢棄煤礦瓦斯開發(fā)等技術(shù)瓶頸，提升抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)，從源頭上減少煤礦瓦斯的排放。

(2)技術(shù)支撐。加大技術(shù)與經(jīng)濟(jì)可行的煤礦瓦斯利用關(guān)鍵技術(shù)突破，降低利用成本，為煤礦瓦斯減排提供技術(shù)支撐和保證。

(3)分質(zhì)利用。針對(duì)不同體積分?jǐn)?shù)的煤礦瓦斯，結(jié)合煤礦瓦斯利用的各項(xiàng)技術(shù)使用條件，積極開展民用燃?xì)?、工業(yè)鍋爐、煤礦瓦斯發(fā)電、瓦斯提純利用、氧化供熱等煤礦瓦斯多元化綜合利用。

(4)政策保障。進(jìn)一步出臺(tái)完善財(cái)政補(bǔ)貼、稅費(fèi)減免、發(fā)電上網(wǎng)加價(jià)等多種獎(jiǎng)補(bǔ)和扶持地區(qū)差異化政策，探索民營(yíng)企業(yè)與國(guó)有企業(yè)有效合作的商業(yè)化運(yùn)營(yíng)模式。

(5)監(jiān)測(cè)核算。鼓勵(lì)相關(guān)部門和企業(yè)，開展煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)技術(shù)和核算方法研究。有序推進(jìn)煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)試點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)，發(fā)揮示范項(xiàng)目引領(lǐng)推動(dòng)作用。

(6)完善碳市場(chǎng)。結(jié)合市場(chǎng)發(fā)展階段有序推進(jìn)將煤礦瓦斯利用產(chǎn)生的碳減排納入碳交易市場(chǎng)落地，通過(guò)碳減排收益增加項(xiàng)目收益，帶動(dòng)企業(yè)開展煤礦瓦斯利用的積極性。

圖12 煤礦甲烷減排路徑Fig.12 Pathway of coal mine methane emission reduction

3.2 煤礦甲烷減排關(guān)鍵技術(shù)

(1)高濃度瓦斯減排技術(shù)。煤礦瓦斯發(fā)電、民用燃?xì)夂推嚾剂鲜歉邼舛韧咚?一般體積分?jǐn)?shù)≥30%)的主要利用領(lǐng)域，具有較高的技術(shù)成熟度，也能獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益，成為促進(jìn)我國(guó)煤礦甲烷減排最有價(jià)值的瓦斯利用技術(shù)。作為利用方式的延伸，低濃度瓦斯壓縮提純液化也是具有減排潛力的甲烷減排途徑之一。

(2)低濃度瓦斯減排技術(shù)。對(duì)于低濃度瓦斯(一般指體積分?jǐn)?shù)在5%～30%)，主要減排途徑為發(fā)電。由于低濃度瓦斯處于瓦斯的爆炸范圍5%～16%，所以低濃度瓦斯面臨的技術(shù)難題是防止在輸送和利用過(guò)程中瓦斯爆炸事故的發(fā)生。在低濃度瓦斯輸送技術(shù)中的安全問(wèn)題得到解決之后，經(jīng)過(guò)大規(guī)模應(yīng)用過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)積累，低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)也逐步發(fā)展成為一種成熟度較高的低濃度瓦斯利用技術(shù)。

低濃度瓦斯提純技術(shù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于經(jīng)濟(jì)高效地實(shí)現(xiàn)CH/N的分離，目前普遍使用的技術(shù)為變壓吸附技術(shù)，工藝流程如圖13所示。

圖13 低濃度瓦斯提純工藝流程Fig.13 Low-concentration gas purification process flow chart

(3)通風(fēng)瓦斯減排技術(shù)。通風(fēng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)一般在0.75%以下，具有排放量大、濃度稀薄、利用難度大等特點(diǎn)，有效的通風(fēng)瓦斯利用技術(shù)成為我國(guó)煤礦甲烷控排過(guò)程中需要重點(diǎn)突破的關(guān)鍵技術(shù)。國(guó)內(nèi)外通風(fēng)瓦斯利用方式可以分為兩大類：一類是作為主燃料利用方式，采用逆流式熱氧化和逆流式催化氧化技術(shù)2種技術(shù)；另一類是作為輔助燃料利用方式，采用混合燃燒技術(shù)。目前具有較大發(fā)展前景的技術(shù)之一為雙向蓄熱式氧化技術(shù)。該技術(shù)的構(gòu)成是中心為電加熱單元、床體(一般為蓄熱陶瓷)、熱交換單元。在初始階段，利用電加熱將床體的中間部分預(yù)加熱至甲烷自燃的溫度(1 000 ℃)，一個(gè)完整的工藝流程循環(huán)包括2次改變氣流的方向，所以氣流改變一次流向是半個(gè)循環(huán)。在第1個(gè)半循環(huán)時(shí)，乏風(fēng)以外界溫度從反應(yīng)器的一端流入并通過(guò)反應(yīng)器。當(dāng)混合氣體的溫度超過(guò)甲烷自燃溫度時(shí)，甲烷在床體中心附近發(fā)生氧化反應(yīng)。燃燒產(chǎn)生的熱量及未燃燒的氣體繼續(xù)通過(guò)床體，將熱量傳遞到離床體中心位置較遠(yuǎn)部位。當(dāng)較遠(yuǎn)部位的床體充分加熱時(shí)，較近處的床體會(huì)因?yàn)橐原h(huán)境溫度進(jìn)入的新氣體而溫度下降。為了使反應(yīng)能夠繼續(xù)進(jìn)行，系統(tǒng)會(huì)利用進(jìn)、排氣閥的自動(dòng)控制系統(tǒng)使反應(yīng)器中的風(fēng)流方向逆轉(zhuǎn)，進(jìn)入第2個(gè)半循環(huán)。新風(fēng)流自較遠(yuǎn)處進(jìn)入并從床體吸收熱量，接近反應(yīng)器中心處甲烷達(dá)到自燃溫度，氧化放出熱量，并傳遞至較近處的床體然后排出。如此循環(huán)往復(fù)，使床體中心區(qū)域有個(gè)固定寬度的高溫區(qū)，并使這個(gè)寬度保持基本恒定。中心溫度加上絕熱溫升可以達(dá)到1 000 ℃，然后通過(guò)熱交換器將熱量傳輸出去，加以利用。目前我國(guó)已有多個(gè)氧化供熱項(xiàng)目投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)。

與熱氧化技術(shù)相比，催化氧化技術(shù)可以使通風(fēng)瓦斯的自燃溫度由1 000 ℃降低至350 ℃左右，還能減少高溫NO的生成，是碳中和目標(biāo)下煤礦瓦斯利用技術(shù)發(fā)展的未來(lái)主流方向。通風(fēng)瓦斯催化氧化催化劑合成在近幾年取得了較大突破，筆者研究團(tuán)隊(duì)先后研發(fā)了貴金屬以及銅錳復(fù)合物等價(jià)格低廉的非貴金屬催化劑，但由于礦井通風(fēng)環(huán)境復(fù)雜、所含雜質(zhì)種類繁多，還有催化劑高效再生技術(shù)等重要瓶頸尚需突破。將低濃度瓦斯(體積分?jǐn)?shù)<8%)和通風(fēng)瓦斯綜合利用的方式也是較為有效的通風(fēng)瓦斯減排技術(shù)，主要采用安全采集摻混輸送成套工藝系統(tǒng)及控制技術(shù)，把抽采泵站的低濃度瓦斯摻混到通風(fēng)瓦斯里使混合體積分?jǐn)?shù)達(dá)到1.2%左右后燃燒發(fā)電，這樣一是提高了通風(fēng)瓦斯氧化的體積分?jǐn)?shù)和穩(wěn)定性，二是增加了煤礦瓦斯利用量，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié) 論

(1)目前我國(guó)的煤礦甲烷排放總量仍然較大，仍需加強(qiáng)地下煤礦開采等重點(diǎn)排放環(huán)節(jié)的甲烷排放管控工作，鼓勵(lì)地方和行業(yè)企業(yè)開展甲烷排放控制合作，加大示范項(xiàng)目和工程推廣力度，推動(dòng)甲烷利用相關(guān)技術(shù)、裝備和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

(2)加強(qiáng)煤礦甲烷開采、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和利用各環(huán)節(jié)排放的監(jiān)測(cè)、核算、報(bào)告和核查體系建設(shè)。推動(dòng)重點(diǎn)設(shè)施甲烷排放數(shù)據(jù)收集和分析，開展重點(diǎn)區(qū)域、重點(diǎn)企業(yè)甲烷減排成效評(píng)估跟蹤，提升甲烷排放測(cè)量的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

(3)深入推動(dòng)低濃度瓦斯高效提濃技術(shù)、超低濃度通風(fēng)瓦斯催化氧化銷毀和余熱利用技術(shù)等末端治理技術(shù)的研發(fā)，促進(jìn)煤礦瓦斯綜合利用量和利用率的提高是實(shí)現(xiàn)煤礦甲烷減排的加速技術(shù)驅(qū)動(dòng)器。

(4)盡快摸清廢棄煤礦瓦斯排放底數(shù)，建立有效的廢棄煤礦瓦斯逸散監(jiān)測(cè)及治理利用技術(shù)體系，掌握我國(guó)廢棄煤礦瓦斯排放的規(guī)律特點(diǎn)，推廣廢棄煤礦甲烷利用示范工程，推廣先進(jìn)適用技術(shù)，大力減少?gòu)U棄煤礦瓦斯排放。

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