井工煤礦全生命周期甲烷捕集核算及減排路徑

原白云,岳宗耀,高保彬,李兵兵,賈天讓

1.河南理工大學(xué)工商管理學(xué)院能源經(jīng)濟研究中心,河南焦作 454000;2.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院,河南焦作 454000

全球化石能源消費帶來溫室氣體排放增長,由此引發(fā)溫室效應(yīng)等環(huán)境問題。在百年尺度上,甲烷(CH4)的增溫潛勢是CO2的20 余倍[1]?！吨忻栏窭垢缏?lián)合宣言》中提出,甲烷減排是減少溫室氣體排放的重點。根據(jù)國家能源局公布的最新數(shù)據(jù),2022年我國煤炭消費量占能源消費總量的56%[2],而井工煤礦煤炭開采等活動導(dǎo)致的CH4排放量,占全國CH4排放總量的38%[3],是最大的CH4排放源。因此,制定CH4減排措施,有必要系統(tǒng)地對井工煤礦CH4排放展開研究。

當(dāng)前核算CH4排放的方法主要分為環(huán)境甲烷濃度測量值(自上而下)法和單個來源的排放估計數(shù)(自下而上)法[4]。國外學(xué)者核算煤礦CH4排放量的方法主要有三種:第一種是氣體排放程度(DGE)方法,對地下煤礦的CH4排放量進行測算[5]。第二種是統(tǒng)計方法,使用地質(zhì)數(shù)據(jù)集、測量的軸瓦斯排放和采空區(qū)氣體通氣孔(GGV)生產(chǎn)值,以具體的數(shù)值測算煤礦CH4氣體排放量[6]。第三種是模型分析方法,通過地質(zhì)分析和建模以及瓦斯控制系統(tǒng)的數(shù)值,對煤層的CH4含量進行測算[7]。三種方法主要針對煤礦開采過程中的CH4排放進行核算。

國內(nèi)一些學(xué)者對煤炭開采過程中溫室氣體排放也進行了相關(guān)研究,取得了一系列研究成果。曹原廣等[8]基于生命周期法和井工煤礦工作流程,構(gòu)建了井工煤礦全生命周期的碳排放核算模型。GAO 等[9]基于《國家溫室氣體清單指南IPCC—2019》(以下簡稱《IPCC—2019 指南》)梳理了中國煤炭開采產(chǎn)生的CH4排放量。CHEN 等[10]根據(jù)煤礦廢棄前的產(chǎn)能估算了1980 年至2020 年廢棄煤礦的CH4排放量。馬翠梅等[11]針對煤礦不同排放源CH4逃逸開展研究,提出了煤炭CH4逃逸排放計算方法。國內(nèi)學(xué)者的研究主要針對煤礦開采和廢棄煤礦中CH4的排放量核算。

目前的研究尚未將《IPCC—2019 指南》中最新增補的內(nèi)容考慮在內(nèi),對甲烷捕集的核算方法有待改進。在《IPCC—2019 指南》中,核算范圍最新增補了煤炭地質(zhì)勘探環(huán)節(jié)的溫室氣體排放[12],煤炭生產(chǎn)過程中逃逸排放源及排放因子也得到補充?；诖?本文以CH4近零排放為目標,探索井工煤礦全生命周期內(nèi)各階段CH4捕集核算方法,構(gòu)建井工煤礦全生命周期CH4捕集核算模型,進而提出相應(yīng)的減排路徑及方案,為井工煤礦CH4精準減排提供參考。

1 井工煤礦全生命周期CH4 捕集核算模型構(gòu)建

以井工煤礦的實際工作流程為依據(jù),對井工煤礦全生命周期CH4捕集進行研究。依據(jù)生命周期理論,將井工煤礦全生命周期劃分為4 個階段:地質(zhì)勘探階段、煤炭開采階段、礦后活動階段及煤礦廢棄階段。井工煤礦全生命周期CH4捕集核算模型的邊界如圖1 所示。

圖1 井工煤礦全生命周期CH4 捕集核算邊界示意圖Fig.1 Boundary of CH4 capture accounting for the whole life cycle of underground coal mines

通過收集分析相關(guān)資料,依據(jù)《IPCC—2019 指南》和國家標準《溫室氣體排放核算與報告要求第11 部分:煤炭生產(chǎn)企業(yè):GB/T 32151.11—2018》(以下簡稱《GB/T 32151.11—2018》),構(gòu)建了井工煤礦全生命周期CH4捕集核算模型。井工煤礦全生命周期CH4捕集計算方法見式(1)。

式中,E(CH4)為煤礦CH4總排放量,t;Ee、Em、Eaf、Eab分別為地質(zhì)勘探、煤炭開采、礦后活動、廢棄煤礦階段造成的CH4排放量,t。

1.1 地質(zhì)勘探階段CH4 排放量

地質(zhì)勘探階段CH4排放量(Ee)計算方法見式(2)。

式中,A為勘探活動的鉆孔數(shù)量;EF為勘探鉆孔的CH4排放因子。

考慮不同的井工煤礦在煤炭勘探階段的鉆孔數(shù)量可能存在數(shù)據(jù)不可獲得的問題,以及煤炭勘探鉆孔的CH4排放因子的不同,本文提供2 種勘探階段CH4排放量的核算方法。

1.1.1 區(qū)域估值法

將特定鉆井的排放量視為該勘探區(qū)域的排放因子,與該勘探區(qū)域的鉆孔數(shù)相乘得到該區(qū)域地質(zhì)勘探階段CH4的排放量。以此方法把每個區(qū)域的排放量相加,可以估算出該煤礦勘探階段的CH4排放量。其計算方法見式(3)。

式中,n為該煤礦地質(zhì)勘探的區(qū)域單元數(shù)量;Asi為第i個地質(zhì)勘探區(qū)域的鉆孔數(shù)量;EFsi為第i個地質(zhì)勘探區(qū)域的CH4排放因子,m3/鉆孔;CF為轉(zhuǎn)換因子,即CH4的密度。

1.1.2 平均估值法

對于未在任何勘探區(qū)域鉆井中測量CH4排放量的煤礦,可采用平均估值法進行核算。采用該方法核算時,首先將勘探煤層分為3 個深度范圍(0 ～600 m;600 ～1 200 m;1 200 m 以下),參考《IPCC—2019 指南》 設(shè)置相應(yīng)的CH4排放因子[11],同時根據(jù)煤礦在相應(yīng)深度范圍內(nèi)新勘探增加的煤炭資源儲備量數(shù)據(jù),可以得到井工煤礦地質(zhì)勘探階段CH4排放量。其計算方法見式(4)。

式中,Ai為一定時期內(nèi)第i個煤層深度范圍下的儲煤增加量;EFi為第i個煤層深度范圍下CH4排放因子,m3/t。

若在勘探周期內(nèi)煤炭資源量發(fā)生減少,該勘探階段的CH4排放應(yīng)被視為零排放,而不是負排放。

1.2 煤炭開采階段CH4 排放量

煤炭開采階段CH4排放量(Em)計算方法見式(5)。

式中,Esm為抽采系統(tǒng)的CH4排放量,t;Eum為通風(fēng)系統(tǒng)的CH4排放量,t;Efl為火炬燃燒造成的CH4銷毀量,t;Eru為回收的CH4利用量,t。

1.2.1 抽采系統(tǒng)CH4排放量

針對井工煤礦抽采系統(tǒng)產(chǎn)生的CH4排放量(Esm)的核算,本文提供3 種方法。

(1) 依據(jù)《煤礦瓦斯抽采基本指標》對抽采系統(tǒng)CH4排放量進行核算[13]。其計算方法見式(6)。

式中,n為預(yù)抽塊段數(shù);K為鄰近層和圍巖CH4儲量系數(shù);L1i為第i個工作面長度,m;L2i為第i個工作面走向長度,m;M為煤層平均厚度,m;γ為煤的視密度,t/m3;X為煤層CH4含量,m3/t;η為CH4預(yù)抽率;t為預(yù)抽時間,a。

(2) 將煤層CH4含量降到8 m3/t,作為考察臨界值對CH4排放量進行核算。其計算方法見式(7)。

式中,p為煤層殘余相對CH4壓力,MPa;a為CH4吸附常數(shù),煤的極限吸附量,m3/t;b為CH4吸附常數(shù),MPa-1;φ為煤的孔隙率;Ad為煤的灰分質(zhì)量分數(shù);Mad為煤的水分質(zhì)量分數(shù);γ為煤的容重,t/m3。

(3) 對于高產(chǎn)高效礦井,根據(jù)地質(zhì)條件、生產(chǎn)計劃等將井下預(yù)抽區(qū)域分塊段進行CH4排放量的計算。當(dāng)一個礦井、采區(qū)或工作面的通風(fēng)所能允許的CH4涌出量小于絕對CH4涌出量時,需要進行CH4抽采,即滿足式(8)條件。

式中,q為礦井(采區(qū)或工作面)的CH4涌出量,m3/min;qf為通風(fēng)所能承擔(dān)的最大CH4涌出量,m3/min;v為《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的工作面最高風(fēng)速;S為通風(fēng)巷道(或工作面)斷面積,m2;C為《煤礦安全規(guī)程》允許的風(fēng)流中的CH4濃度;K為CH4涌出不均衡系數(shù)。

礦井各塊段抽采率(P)與抽采時間(t)呈正相關(guān)關(guān)系,抽采率隨抽采時間的增加而升高,且各塊段變化趨勢曲線間距非常接近。因此,可以假設(shè)函數(shù)形式如式(9)。

結(jié)合式(9),可推得礦井CH4抽采量計算方法,見式(10)。

式中,λ為抽采率隨抽采時間變化的系數(shù);n為抽采塊段的數(shù)量;Pi為塊段i的年CH4抽采率;qi為塊段i的煤層CH4儲量,m3;ti為塊段i的年CH4抽采時間,月;Wi為塊段i的煤層原始CH4含量,m3/t;mi為塊段i的煤炭儲量,t;Q0i為塊段i極限最大風(fēng)量,m3/min;Ci為塊段i巷道內(nèi)CH4平均體積分數(shù)。

塊段極限最大風(fēng)量(Q0)計算方法見式(11)。

式中,L為最小控頂距,m;H為設(shè)計平均采高,m;Φ為有效斷面系數(shù);v為采煤工作面允許的最高風(fēng)速,m/s。

1.2.2 通風(fēng)造成的CH4排放量

通風(fēng)造成的CH4排放量(Eum)計算方法見式(12)。

式中,m為月份;qCH4-W為測定當(dāng)月平均每分鐘的CH4風(fēng)排量,在0 ℃、一個標準大氣壓下的標準流量,Nm3/min;d為礦井當(dāng)月的實際工作日數(shù),d。

當(dāng)月平均每分鐘的CH4風(fēng)排量qCH4-W計算方法見式(13)。

式中,N為每月測定次數(shù);n為測定序號;QR為第n班回風(fēng)巷風(fēng)流中的風(fēng)流量,Nm3/min;CR-CH4為第n班回風(fēng)巷風(fēng)流中的CH4體積分數(shù)。

1.2.3 火炬燃燒CH4銷毀量

火炬燃燒CH4銷毀量(Efl)計算方法見式(14)。

式中,Qf為煤層氣(煤礦瓦斯)的火炬燃燒量(混量),Nm3;VCH4為煤層氣(煤礦瓦斯)中CH4的體積濃度;OFf為火炬燃燒的碳氧化率。

1.2.4 CH4回收利用量

CH4回收利用量(Eru)計算方法見式(15)。

式中,Qu為企業(yè)回收利用的瓦斯氣體量(混量),Nm3;VCH4為企業(yè)回收利用的瓦斯氣體中CH4的體積分數(shù)。

1.3 礦后活動階段CH4 排放量

礦后活動階段CH4排放量(Eaf)計算方法見式(16)。

式中,i為煤炭生產(chǎn)企業(yè)井工煤礦的CH4等級;ADi為CH4等級為i的所有礦井全年原煤產(chǎn)量之和,t/a;EFi為CH4等級為i的礦井礦后活動CH4排放因子。

1.4 廢棄礦井階段CH4 排放量

廢棄礦井階段CH4排放量(Eab)計算方法見式(17)。

式中,T為井工煤礦預(yù)期廢棄的總年數(shù);Eabi為井工煤礦第i個廢棄年預(yù)計的CH4排放量,t/a;Earui為井工煤礦第i個廢棄年CH4的回收和利用量,t/a;Eabz為井工煤礦廢棄階段CH4資源總儲量,t;EFabi為井工煤礦第i個廢棄年CH4的排放因子,a-1;i為礦井當(dāng)前的廢棄年數(shù);a和b是常量,決定下降曲線。

綜上,井工煤礦全生命周期CH4捕集核算模型如圖2 所示。

圖2 井工煤礦全生命周期CH4 捕集核算模型Fig.2 Accounting model of CH4 capture in the whole life cycle of underground coal mine

實際應(yīng)用過程中,核算模型在式(1)至式(18)中的排放系數(shù)可采用實測數(shù)據(jù),或參考《IPCC—2019 指南》和《GB/T 32151.11—2018》中的缺省值確定。

2 井工煤礦CH4 減排路徑分析

2.1 排放足跡分析

對井工煤礦全生命周期各階段的CH4排放足跡進行分析,分析不同階段井工煤礦CH4排放占比,有助于明確CH4減排重點,為尋找CH4減排路徑和實施減排措施提供指導(dǎo)。

《IPCC—2019 指南》中明確指出,井工煤炭開采及礦后活動2 個階段CH4排放量較大,對CH4排放趨勢的影響較大,因此被列為中國溫室氣體清單的關(guān)鍵類別[14]。在井工煤礦全生命周期中,煤炭開采階段CH4排放量占據(jù)主導(dǎo)地位,占總量的50%～70%[11];其次是礦后活動階段和廢棄階段,分別占據(jù)總量的10%～25%[11]和5%～20%[15];勘探階段的甲烷排放相對較低,占總量的1% 左右[16]。井工煤礦全生命周期各階段CH4足跡分布規(guī)律如圖3 所示。

圖3 井工煤礦全生命周期各階段CH4 足跡分布Fig.3 Distribution of CH4 footprint in each stage of underground coal mine life cycle

在實際應(yīng)用中,不同井工煤礦具體占比數(shù)據(jù)會受到煤礦的地質(zhì)條件、開采方式、安全管理等因素的影響,因此需要根據(jù)具體的煤礦情況進行分析。

2.2 減排路徑

在井工煤礦全生命周期中,CH4的主要排放方式是通過自然逸散或抽排通風(fēng)進入大氣中,CH4排放的主要來源包括:地質(zhì)勘探過程中鉆探鉆孔造成的逃逸排放;煤炭開采時通風(fēng)系統(tǒng)和抽采系統(tǒng)產(chǎn)生的CH4排放;煤炭加工處理、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)煤中殘余CH4逃逸排放;廢棄礦井遺煤層中CH4逃逸排放。

井工煤礦CH4減排路徑(圖4)應(yīng)包括井工煤礦全生命周期各個階段,涵蓋CH4氣體流量與濃度精準監(jiān)測、煤礦CH4高效精準抽采、全濃度CH4綜合利用等關(guān)鍵技術(shù)。

圖4 井工煤礦全生命周期CH4 減排路徑Fig.4 CH4emission reduction method in the whole life cycle of underground coal mine

2.2.1 CH4排放監(jiān)測

CH4氣體排放監(jiān)測作為煤礦CH4高效抽采利用的基礎(chǔ),將直接影響煤礦甲烷減排方案實施的效果?！睹旱V瓦斯抽采達標暫行規(guī)定》中明確指出,礦井CH4抽放泵站的相應(yīng)位置應(yīng)設(shè)置流量傳感器等相關(guān)設(shè)備,對抽采的CH4流量、濃度等參數(shù)進行監(jiān)測?！段廴驹醋詣颖O(jiān)控管理辦法》中規(guī)定,CH4抽放系統(tǒng)應(yīng)安裝監(jiān)控設(shè)備并將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)同步至環(huán)保部門的監(jiān)控中心。

現(xiàn)行規(guī)定和辦法中針對煤炭開采階段的CH4排放監(jiān)測技術(shù),主要包括催化燃燒法、光干涉法、熱導(dǎo)法、紅外吸收光譜法等[17]。

(1) 催化燃燒法:通過測量CH4在氣室內(nèi)燃燒溫度的變化,將熱量變化轉(zhuǎn)化為電信號,根據(jù)電信號輸出值判斷CH4濃度。

(2) 光干涉法:對比CH4氣體與空氣折射率的差異來判斷CH4的濃度。如果監(jiān)測區(qū)域其他氣體(CO2、N2等)含量過高,會導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果誤差較大。

(3) 熱導(dǎo)法:以氣體的導(dǎo)熱系數(shù)為判斷依據(jù),測定空氣中CH4的體積分數(shù)。只有當(dāng)CH4體積分數(shù)較大時,熱導(dǎo)法才適用。

(4) 紅外吸收光譜法:包括非分散紅外光譜(NDIR)和可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TDLAS)兩種。NDIR 主要利用CH4在中紅外區(qū)產(chǎn)生的紅外吸收光譜進行濃度監(jiān)測;TDLAS 主要利用CH4在近紅外區(qū)產(chǎn)生的紅外吸收光譜,通過驅(qū)動系統(tǒng)改變激光的工作溫度和電流來調(diào)諧波長,可以對不同濃度范圍進行監(jiān)測。

CH4排放監(jiān)測技術(shù)對比如圖5 所示。催化燃燒法、光干涉法、熱導(dǎo)法主要用于煤礦開采階段井下CH4濃度監(jiān)測,催化燃燒法適用于監(jiān)測低濃度CH4,熱導(dǎo)法適用于高濃度CH4監(jiān)測,而光干涉法的監(jiān)測范圍處于兩者之間。紅外吸收光譜法與前三種方法相比,具有更寬的監(jiān)測范圍、更小的誤差、更高的穩(wěn)定性、更廣的適用范圍,可以應(yīng)用于地質(zhì)勘探、礦后活動、廢棄礦井階段CH4氣體濃度監(jiān)測。

圖5 CH4 監(jiān)測技術(shù)對比Fig.5 Comparison of CH4 monitoring technologies

2.2.2 CH4高效精準抽采

CH4高效精準抽采是實現(xiàn)煤礦CH4綜合利用的前提,涉及的技術(shù)環(huán)節(jié)包括CH4含量精準測定、CH4涌出量精準預(yù)測、煤礦全生命周期CH4抽采、CH4抽采過程精準調(diào)控等。

(1) CH4含量精準測定。CH4氣體含量精準測定是CH4高效抽采的基礎(chǔ)。在井工煤礦實施鉆探抽采之前,需利用井下定向長鉆孔等設(shè)備對目標區(qū)域CH4含量進行探測,鉆探過程中需最大限度保證采樣的原始狀態(tài)及探測結(jié)果的準確性。基于此,有學(xué)者開發(fā)了“五?！?保壓、保溫、保質(zhì)、保光、保濕)取芯技術(shù)[18],對煤礦CH4含量實現(xiàn)高精度、高保真度測量。

(2) CH4涌出量精準預(yù)測。CH4涌出量的預(yù)測方法經(jīng)過不斷改進,由最初的單因素預(yù)測方法,逐步向多元測算方法發(fā)展,包括灰色理論、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等預(yù)測方法[19]。不同學(xué)者將不同的方法相結(jié)合,提出了各種預(yù)測技術(shù),并在實踐中不斷修正和改進,已形成較為成熟的CH4含量預(yù)測方法。

(3) 煤礦全生命周期CH4抽采。煤礦全生命周期CH4抽采覆蓋煤礦井下“中硬煤層、碎軟煤層、頂板巖層”全區(qū)域[20],包括煤層氣開發(fā)、開采層CH4抽采、鄰近層CH4抽采、采空區(qū)CH4抽采、圍巖CH4抽采、綜合抽采等多種形式。在CH4含量精準測定、涌出量精準預(yù)測的基礎(chǔ)上,借助旋轉(zhuǎn)地質(zhì)導(dǎo)向定向鉆進、碎軟煤層雙動力頭雙管定向鉆進、井下大直徑高位長鉆孔定向鉆進等技術(shù)[21],對煤礦勘探階段、開采階段、礦后活動階段、廢棄礦井階段進行連續(xù)抽采,實現(xiàn)煤礦全生命周期各階段CH4應(yīng)抽盡抽(圖6)。

圖6 煤礦全生命周期CH4 抽采示意圖Fig.6 CH4 drainage in the whole life cycle of coal mine

煤層氣開發(fā)作為CH4減排的核心環(huán)節(jié)之一,有助于煤礦實現(xiàn)甲烷資源的利用最大化和排放最小化。在煤礦未開發(fā)地區(qū),利用直井或水平井對自然狀態(tài)下的煤層氣進行開采,可以實現(xiàn)對煤層中嵌存的CH4資源進行有效釋放和利用。多分支水平井在我國的應(yīng)用較為廣泛,其特點是可增加有效供給范圍,單井抽采效率高,對煤層及周邊自然環(huán)境的危害較小。將煤層氣開發(fā)與CH4高效抽采緊密結(jié)合,煤礦可以在減少排放的同時,獲取穩(wěn)定的能源供應(yīng)。

針對采空區(qū)CH4抽采,需考慮采空區(qū)的煤層數(shù)。對于單層煤或?qū)娱g距較小的雙層煤,可采用抽放井、穿層抽采等技術(shù)進行抽采;當(dāng)煤層較多時,可采用回采巷道抽采、低壓差抽采等技術(shù)對采空區(qū)進行抽采[22]?？紤]礦井采空區(qū)的結(jié)構(gòu)和地質(zhì)條件的差異,從采空區(qū)的CH4含量測定到抽采過程的精準調(diào)控,需要結(jié)合采空區(qū)的特點優(yōu)化抽采流程。

(4) CH4抽采過程精準調(diào)控。CH4抽采過程精準調(diào)控包括CH4抽采增透技術(shù)和流量調(diào)控技術(shù)。依托CH4含量精準測定,形成由點到面的綜合增透體系;綜合CH4各監(jiān)測點實時數(shù)據(jù),保證CH4抽采系統(tǒng)安全、高效工作,為CH4高效抽采提供支撐。

2.2.3 CH4全濃度利用技術(shù)

CH4全濃度利用技術(shù)是實現(xiàn)煤礦甲烷減排的關(guān)鍵點,直接影響減排目標的實施效果。目前我國煤礦CH4利用技術(shù)已取得積極進展,主要利用途徑包括發(fā)電、工業(yè)燃料等方面。CH4內(nèi)燃機發(fā)電、低濃度CH4蓄熱氧化、低濃度CH4直接燃燒等利用技術(shù)應(yīng)用較為廣泛,在河南、山西、安徽等地均有推廣應(yīng)用[23-25]。CH4利用應(yīng)包括全濃度分級利用,不同濃度范圍的CH4利用方式也有所不同(圖7)。

圖7 煤礦CH4 全濃度分級利用示意圖Fig.7 Full-concentration graded utilization of coal mine gas

圖8 煤礦企業(yè)CH4 減排方案示意圖Fig.8 CH4 emission reduction schemes for coal mining enterprises

體積分數(shù)在1% ～5% 之間的CH4多用于發(fā)電、熱能利用、混合燃料等方面。當(dāng)前CH4發(fā)電技術(shù)大致分為內(nèi)燃機組、燃氣輪機組、蒸汽輪機組三類[26],內(nèi)燃機發(fā)電相比其他兩者效率更高、應(yīng)用更為廣泛。燃氣發(fā)電機或燃氣渦輪機將甲烷燃燒產(chǎn)生動力,轉(zhuǎn)化為電能供應(yīng)礦山和周邊地區(qū)。除發(fā)電以外,此體積分數(shù)范圍內(nèi)的CH4也可以被用于產(chǎn)生熱能,如供熱、蒸汽生產(chǎn)等,滿足工業(yè)和民用領(lǐng)域的熱能需求。將CH4與其他燃料混合,如天然氣,可以用于內(nèi)燃機發(fā)動機,如汽車、發(fā)電機等,提供動力。

體積分數(shù)在5% ～30% 之間的CH4可用于天然氣供應(yīng)、化學(xué)品制造、燃料電池等。在CH4體積分數(shù)適中的情況下,可以通過凈化處理將甲烷注入天然氣管道,供應(yīng)市場或社區(qū)的天然氣供應(yīng)。通過催化和化學(xué)反應(yīng),將CH4轉(zhuǎn)化為化學(xué)品,如甲醇、合成氣等,也可用于工業(yè)化學(xué)制品的生產(chǎn)。利用CH4進行固體氧化物燃料電池[27],將甲烷氧化產(chǎn)生電能,可以實現(xiàn)高效清潔能源轉(zhuǎn)化。

體積分數(shù)高于30%的CH4氣體,目前主要用于燃氣發(fā)電、工業(yè)用途、合成氣制備等方面[28]。用于燃氣發(fā)電,如燃氣輪機或燃氣內(nèi)燃機,將甲烷的燃燒熱能轉(zhuǎn)化為電能;用于高溫工業(yè),如冶金、玻璃、陶瓷等領(lǐng)域;CH4的燃燒能夠提供所需的高溫能源,用于原料加熱、反應(yīng)驅(qū)動等;通過壓縮或液化的方式可以將高濃度CH4進行儲存,作為能源的后備;壓縮甲烷(CNG)和液化甲烷(LNG)可以在需要能源的時候釋放出來供應(yīng)電力或其他能源需求。

3 井工煤礦CH4 減排路徑實施方案

在煤礦企業(yè)實施具體CH4減排方案時,需要將技術(shù)與企業(yè)管理相結(jié)合,以確保方案的有效實施。煤礦企業(yè)CH4減排方案(圖7)主要內(nèi)容包括:

(1) 制定明確的甲烷減排策略和計劃。根據(jù)企業(yè)的規(guī)模、生產(chǎn)工藝和地理條件,企業(yè)管理者應(yīng)制定長期和短期的減排目標,明確實施路徑和時間表。根據(jù)煤礦生命周期的不同階段,制定詳細的減排計劃,確保地質(zhì)勘探、煤炭開采、加工處理、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)均覆蓋在減排計劃內(nèi)。

(2) 建立全方位的CH4排放監(jiān)測體系。將井工煤礦生命周期各階段的CH4排放納入監(jiān)測范圍,通過安裝流量傳感器、監(jiān)控設(shè)備等,實時監(jiān)測煤礦CH4流量、濃度等參數(shù)。在不同階段,應(yīng)采用催化燃燒法、光干涉法、熱導(dǎo)法和紅外吸收光譜法等多種監(jiān)測方法,確保煤礦井下CH4含量的精準測定。

(3) 建立完善的CH4排放數(shù)據(jù)庫。將CH4監(jiān)測技術(shù)、CH4排放數(shù)據(jù)庫與核算模型相結(jié)合,實現(xiàn)井工煤礦全生命周期CH4排放的科學(xué)監(jiān)測與精確核算,為CH4減排奠定基礎(chǔ)。

(4) 采用現(xiàn)代化的CH4高效抽采技術(shù)。利用CH4含量精準測定和涌出量預(yù)測,采用先進的地質(zhì)導(dǎo)向定向鉆進技術(shù),可提高抽采效率,減少甲烷泄漏。結(jié)合碎軟煤層雙動力頭雙管定向鉆進、井下大直徑高位長鉆孔等技術(shù),對不同階段的瓦斯進行連續(xù)抽采,最大限度地減少排放。依托精準測定和預(yù)測,采用增透技術(shù)和流量調(diào)控技術(shù),實現(xiàn)CH4抽采過程的精準調(diào)控和最優(yōu)化。

(5) 根據(jù)甲烷濃度的不同范圍,制定全濃度甲烷利用策略。對體積分數(shù)大于30% 的CH4,推廣燃氣發(fā)電技術(shù),將甲烷轉(zhuǎn)化為清潔能源;對體積分數(shù)5%～30% 的CH4,可以考慮注入天然氣管道供應(yīng),或用于化學(xué)品制造;對體積分數(shù)低于5% 的CH4,經(jīng)過催化氧化、蓄熱氧化等裝置燃燒后再利用。引入先進的內(nèi)燃機組、燃氣輪機組等CH4發(fā)電技術(shù),將甲烷的能量轉(zhuǎn)化為電能或熱能,供應(yīng)礦山和周邊地區(qū)。

(6) 加強技術(shù)創(chuàng)新與人才培養(yǎng)。與科研機構(gòu)、技術(shù)公司合作,持續(xù)推進甲烷減排技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用。技術(shù)創(chuàng)新與人才培養(yǎng)需要一定的資金投入,提升企業(yè)整體對甲烷減排技術(shù)的理解和應(yīng)用能力。管理者應(yīng)合理規(guī)劃資源投入,積極與政府、科研機構(gòu)等建立合作關(guān)系,獲取技術(shù)支持和資金支持。以CH4發(fā)電技術(shù)為例,當(dāng)前甲烷發(fā)電項目基本以BOT( Build-Operate-Transfer ) 和 BOO ( Build-Own-Operate)模式建設(shè)。例如,河南能源義煤集團與河南青天新能源公司達成BOT 合作模式建設(shè)瓦斯發(fā)電項目;川煤集團威鑫煤業(yè)公司和華榮能源公司以BOO 合作模式建設(shè)瓦斯發(fā)電項目。在煤礦CH4減排實踐中,煤礦企業(yè)應(yīng)結(jié)合自身實際條件選擇不同的合作模式,推動煤礦甲烷資源的最大化利用。

(7) 定期進行評估與審核。應(yīng)持續(xù)監(jiān)控甲烷排放情況,并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行及時的調(diào)整和改進,以確保減排方案的有效性和持續(xù)性。

(8) 根據(jù)技術(shù)進步和市場變化,不斷完善方案。對減排方案也需要進行經(jīng)濟評估,評估投資回報周期和減排效果。結(jié)合企業(yè)實際情況,制定可行的投資計劃,確保甲烷減排措施的經(jīng)濟可行性。

4 結(jié)論與展望

(1) 基于全生命周期視角,構(gòu)建了井工煤礦全生命周期CH4捕集核算模型。根據(jù)井工煤礦工作流程,其全生命周期大致可分為煤炭勘探階段、煤炭開采階段、礦后活動階段、煤礦廢棄階段,結(jié)合《IPCC—2019 指南》以及《GB/T 32151.11—2018》國家標準設(shè)計了井工煤礦全生命周期CH4捕集核算方法。

(2) 分析了井工煤礦全生命周期各階段的CH4排放足跡,明確CH4減排途徑,提出了減排方案。煤炭開采階段CH4排放是目前甲烷減排的重點環(huán)節(jié),煤礦礦后活動以及廢棄階段的甲烷排放量也不能忽視。井工煤礦應(yīng)加大CH4排放監(jiān)測力度,實現(xiàn)煤礦全生命周期甲烷排放精準核算,促進CH4高效抽采,推進全濃度CH4分級利用技術(shù),提高CH4綜合利用水平。CH4減排具體實施方案也需要根據(jù)不同企業(yè)的實際情況進行調(diào)整和定制,以確保其有效性和可行性。

(3) 目前,我國煤礦CH4氣體抽采的體積分數(shù)基本在30% 以下,主要集中于煤礦開采前預(yù)抽以及開采過程中抽排,并且對低濃度CH4的利用率不足30% ,現(xiàn)有CH4利用技術(shù)存在經(jīng)濟性差、穩(wěn)定性差等諸多缺陷。因此,為有效控制溫室氣體排放,實現(xiàn)我國甲烷減排目標,亟需進一步突破高濃度CH4氣體安全高效抽采技術(shù)、低濃度CH4富集與提濃技術(shù)、全濃度CH4高效率發(fā)電技術(shù)等關(guān)鍵理論與技術(shù)難題。