“双碳”背景下探寻煤矿瓦斯利用“良方”

转自：国家矿山安全监察局

12月1日，生态环境部和国家市场监督管理总局联合发布了新修订的《煤层气（煤矿瓦斯）排放标准》。新标准强调，在满足安全生产的前提下，通过更加严格的排放控制要求和监测要求，强化甲烷排放控制，积极应对气候变化，改善生态环境质量。

第二十届国际煤层气研讨会发布的数据显示，截至2023年底，我国高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井有1500处左右，主要分布在安徽、河南、山西、陕西等地。

“煤矿瓦斯的主要成分是甲烷，甲烷是全球第二大温室气体。”应急管理部信息研究院（煤炭信息研究院）院长郑景奇说，“开展煤矿瓦斯抽采利用，不仅能够治理瓦斯灾害，而且能够减少温室气体排放。”

近年来，聚焦“双碳”目标、能源结构转型、煤矿安全生产，我国陆续出台了一系列加强煤矿瓦斯防治和煤层气开发利用工作的政策措施，瓦斯抽采利用政策体系不断完善。

在做好煤炭产业规划布局方面，我国严格控制高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井建设项目审批；规定高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井应配套建设瓦斯抽采与综合利用设施，鼓励先抽后建、先采气后采煤；对不具备瓦斯灾害治理能力的高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井，引导淘汰退出。

在制定煤层气（煤矿瓦斯）开发利用规划方面，我国从勘探开发、输送与利用、科技创新等方面布局，建设煤层气开发产业化基地、瓦斯抽采规模化矿区，加大科技攻关支持力度，推动煤层气快速增储上产。

在加强激励扶持方面，我国加快高瓦斯、煤与瓦斯突出煤矿安全技术改造，遴选推广煤层气（煤矿瓦斯）开发、瓦斯治理先进适用技术、装备，支持将煤层气开发利用项目作为温室气体自愿减排项目，对煤层气（煤矿瓦斯）抽采利用给予财政补贴、专项资金支持，出台煤层气（煤矿瓦斯）抽采利用企业相关税费优惠政策。

在一系列相关政策的支持下，煤炭行业相关企业与机构正在加快煤矿瓦斯利用步伐。

“我国煤矿瓦斯资源分布广、储量大，埋深小于2000米的煤矿瓦斯总量高达36.81万亿立方米。煤矿瓦斯的抽采与利用，是煤矿节能减排的关键环节。”中国安全生产科学研究院院长周福宝说。

堵点卡点要通过技术打通

据周福宝介绍，我国埋藏深度超过1500米的中深层煤层气，资源量丰富，需要高水平的技术和复杂的工艺，开发成本高；埋藏深度1500米以内的浅层煤层气，资源量相对较小，储量小且丰度低，规模开发的经济性不足。

如何构建适用于我国地质条件的煤层气开发模式？

中国煤炭科工集团研发团队全面协同部署1500米以浅煤层气开发应用与煤炭集约化高效采掘生产，选择西南地区、两淮地区、鄂尔多斯盆地三种不同地质条件的地区进行煤层气开发，最终形成适合我国目前条件下的煤层气开发技术体系，实现“建、产、掘、抽”一体化煤与煤层气协同开发。

“煤层气与煤炭同源共生，开发过程中相互影响，井上下联合开发可以破解众多地质、安全难题。”中国煤炭科工集团副总经理刘见中说，“我国13个重点矿区，煤层气地质资源量为6.6万亿立方米。瓦斯抽采和利用，要能抽尽抽、应抽尽抽，不能只选择‘甜点’，回避堵点卡点。这些难点问题，要通过技术来解决。”

据介绍，我国瓦斯抽采基本技术路线为：通过抽采动力源将瓦斯从煤层中抽吸至地面，再对不同浓度的瓦斯进行利用，并在这个过程中监测计量。

在瓦斯抽采环节，长期以来，我国瓦斯抽采动力设备为水环真空泵。“水环真空泵虽然安全性能高，但能耗高、效率低，实际运行效率仅为10%到40%。”周福宝说。

2019年，“节能型泵及真空设备制造”被列入国家绿色产业指导目录。

中国安全生产科学研究院研究团队提出水环真空泵减阻节能新方法，将工质由水改变为高分子减阻液，大幅降低泵运行过程中的摩擦和涡流损失，从而降低水环泵能耗。

目前，这项技术已在陕西、山西、安徽推广应用。其中，在山西潞安化工集团古城煤矿应用后，节能率在15%以上，单台900千瓦水环真空泵年节电量达190万千瓦时，泵站年节能净效益超200万元。

“在甲烷排放监测环节，现阶段，我国煤炭行业对甲烷排放尚缺乏有效的计量方法、体系和标准，缺少在地面对矿区范围内的甲烷排放进行计量的系统。”周福宝说。

去年8月，生态环境部发布《深化碳监测评估试点工作方案》，要求在煤炭行业开展甲烷排放监测试点。同年，中国安全生产科学研究院探索建立我国首套矿井甲烷排放智能监测系统，目前在国家能源集团布尔台煤矿、上湾煤矿进行试点应用。

在瓦斯抽采利用过程中，智能化是重要一环。

“目前，我国瓦斯抽采作业过程复杂繁琐，多为隐蔽性、复杂工程，涉及部门与人员较多，抽采过程自动化管控程度低，抽采系统标准化程度不高，抽采管网重监测、轻分析、弱控制。”光力科技股份有限公司董事长赵彤宇说。

光力科技股份有限公司研发团队提出了瓦斯抽采关键过程管控智能化方案，主要包括抽采系统透明管理、高效智能钻场施工、精准监测智能评判、矿区双碳智能管控四大类瓦斯智慧抽采关键技术装备。

其中，该公司发明的新型智能钻机，可一键全自动钻进、数据全面监测、孔内参数随钻探测、自适应高效钻进，大幅降低了施钻人员劳动强度，提高了钻探效率和钻孔精度。新型智能钻机于今年4月入选矿山领域机器人典型应用场景。

“通过装备智能化、管理信息化、流程规范化、设计与施工协同集成，我们不断提高瓦斯治理工程的技术标准化和规范化水平，为瓦斯治理提供辅助决策，提升瓦斯防治智能化水平。”赵彤宇说。

第二十届国际煤层气研讨会数据显示，截至2023年底，我国累计钻井近2.3万口，累计探明煤层气地质储量1.1万亿立方米。

来自国家能源局的数据显示，2023年，我国煤层气产量达117.7亿立方米，居世界第三位。

健全甲烷市场化减排机制

“基于全球变暖潜能值的计算结果显示，1吨甲烷在100年内对于全球变暖的影响，是1吨二氧化碳所带来影响的28倍。”周福宝介绍，在大气中，二氧化碳可以存在数百年，而甲烷的寿命约为12年，减少甲烷排放可以在短期内显著减缓全球气候变暖。

今年3月，国际能源署（IEA）发布的《2024年全球甲烷追踪》报告指出，2023年，全球化石能源的生产和使用导致近1.2亿吨甲烷排放，其中煤炭的生产和使用导致4000万吨的甲烷排放。

为不断完善甲烷市场化减排机制，近年来，我国持续推进CCER（中国核证自愿减排量）体系建设，深入研究CCER方法学。

CCER是指对我国境内可再生能源、林业碳汇、甲烷利用等项目的温室气体减排效果进行量化核证，并在国家温室气体自愿减排交易注册登记系统中登记的温室气体减排量。

早在12年前，国家发展改革委就发布了《温室气体自愿减排交易管理暂行办法》，提出CCER机制，对国内温室气体自愿减排项目等五个事项实施备案管理。

自“双碳”战略目标提出以来，全国碳市场及相关配套机制的建设进展大大加快。2021年7月，全国碳排放权交易市场正式启动。今年1月，全国温室气体自愿减排交易市场正式启动，与全国碳排放权交易市场共同构成了“强制碳配额+自愿碳减排”两个相互关联的碳市场体系。

“自愿碳减排促进我国煤炭甲烷减排经济可行性、煤炭甲烷减排技术创新能力、煤炭甲烷利用率不断提高。”应急管理部信息研究院（煤炭信息研究院）副院长刘文革说。

数据显示，2020年，我国煤矿瓦斯抽采量128亿立方米，相比2006年增长2.8倍；煤矿瓦斯利用量57.4亿立方米，相比2006年增长4倍。2023年，全国煤矿瓦斯利用量58亿立方米，减排二氧化碳8700万吨。

刘文革坦言，目前，我国煤炭甲烷排放基础工作仍存在基础数据不清、统计核算能力不足、核查体系尚未成熟等问题，煤炭甲烷排放精准测量技术有待进一步优化，催化氧化技术研发有待进一步加强，安全技术水平有待进一步提高。

“保障煤矿瓦斯安全利用是推进煤炭甲烷控排的重中之重。我们要不断提高装备设施安全水平，防范事故发生。”刘文革说。

今年6月，国家能源局公布的数据显示，我国矿井数量由1万多处减少到4200处左右。

“这些关闭矿井尤其是高瓦斯和突出煤矿，关闭后剩余大量瓦斯资源。残存瓦斯易引发瓦斯爆炸事故，关闭矿井的瓦斯从地表裂缝逸出，造成温室气体排放。”刘文革说。

在美国，开展关闭矿井瓦斯利用，可以在自愿减排市场交易中获得减排收益。

“美国目前已有3个关闭矿井瓦斯开发利用项目在‘加利福尼亚空气资源委员会限额贸易方案’进行注册，可获得12美元/吨的减排收益，关闭矿井瓦斯发电可以获得约4欧分/千瓦时的额外收益。”美国环保局煤层气办公室主任沃尔雅·罗斯切卡表示。

“未来关闭矿井的瓦斯利用，有待纳入自愿碳减排支持范围，我国自愿碳减排体系有待进一步健全完善。”刘文革建议，加强煤炭甲烷开采、运输、储存、利用各环节排放的监测、报告和核算等核查体系（MRV）建设；加强全浓度瓦斯梯级利用技术攻关；健全相关法规标准体系，适时修订煤矿瓦斯利用安全相关法规标准，健全完善煤矿瓦斯输送、逸散监测相关标准和检定规程；加大超低浓度乏风瓦斯催化氧化销毁和余热利用技术、低浓度瓦斯高效提纯技术、甲烷浓度在3%到9%的煤矿瓦斯直燃技术等关键技术的科研攻关。

向超低浓度瓦斯发起攻关

根据《煤矿瓦斯发电工程设计规范》，甲烷体积浓度大于或等于30%的煤矿瓦斯为高浓度瓦斯；甲烷体积浓度大于或等于7%且小于30%的煤矿瓦斯为低浓度瓦斯。

针对甲烷体积浓度小于7%的煤矿瓦斯，目前没有明确定义。在业内，广义上称甲烷体积浓度小于7%的煤矿瓦斯为超低浓度瓦斯。也有专家指出，甲烷体积浓度小于3%的煤矿瓦斯可被称为超低浓度瓦斯；甲烷体积浓度低于0.75%的煤矿瓦斯为乏风瓦斯（风排瓦斯、通风瓦斯）。

据周福宝介绍，不同浓度的煤矿瓦斯，其抽采利用程度也不同。

其中，高浓度瓦斯可被用作高浓度内燃发电、管道民用燃气、LNG、CNG等，其利用技术已基本成熟；低浓度瓦斯被用于内燃机发电、供热等，可实现大部分利用。而超低浓度瓦斯利用存在困难，大部分超低浓度瓦斯被直接排放。

2020年11月，生态环境部、国家发展改革委、国家能源局三部门联合发布了《关于进一步加强煤炭资源开发环境影响评价管理的通知》，鼓励对甲烷体积浓度在2%（含）至8%的抽采瓦斯以及乏风瓦斯探索开展综合利用。

2023年11月，生态环境部等11部门印发《甲烷排放控制行动方案》。

“方案印发一年多以来，我们将甲烷控排2024重点工作细化为35项，建立排放因子数据库，提升甲烷排放数据准确性，修订煤层气煤矿瓦斯排放标准，将禁止排放的煤矿瓦斯浓度下限从30%下调到8%。”生态环境部应对气候变化司一级巡视员蒋兆理说。

今年7月，生态环境部组织编制了《温室气体自愿减排项目方法学 煤矿低浓度瓦斯和风排瓦斯利用（征求意见稿）》，鼓励煤矿企业申请低浓度瓦斯和风排瓦斯回收利用的自愿减排项目，进一步提高煤矿瓦斯回收利用率，削减甲烷排放。

今年12月1日，新修订的《煤层气（煤矿瓦斯）排放标准》明确指出，在保障煤矿通风安全的前提下，禁止排放高浓度煤矿瓦斯，禁止排放甲烷体积浓度高于8%且抽采纯量高于10立方米/分钟的煤矿瓦斯。

在系列政策的要求与支持下，煤炭行业对于超低浓度瓦斯和乏风瓦斯的利用探索正在展开。

“既然甲烷浓度低，难捕捉，那么能否换一个思路，捕捉氧气和氮气，让甲烷浓度相对变高？”周福宝说。为此，中国安全生产科学研究院研发团队研发了基于吸附动力学选择性的“微压—真空”变压吸附提浓技术，实现氧气、氮气、甲烷高效率分离，并在1300多次循环实验中保持效果稳定。

不满足于单一的技术路径，中国安全生产科学研究院研发团队还探索出基于固体氧化物燃料电池（SOFC）的低浓度甲烷高效清洁发电新技术，通过电化学反应，直接将甲烷化学能转化为电能，破解传统内燃机发电效率低、污染重的技术难题。此外，该研发团队探索出乏风甲烷低温催化氧化技术，开发了一种新型催化剂（钙钛矿氧化物浸渍颗粒型催化剂）。

“像海绵吸水一样，这种催化剂可以更有效吸附甲烷气体。该技术已在安徽省展开实验，转化率为50%以上，但距离产业化还有一段距离。”周福宝说。

在北京扬德环保能源科技股份有限公司，成套技术方案正在矿区落地实践。

“当煤矿掺混瓦斯甲烷浓度较低（0.3%至0.5%）时，无法提取热量，我们通过技术手段销毁甲烷，达到减少温室气体排放的目的。”北京扬德环保能源科技股份有限公司总裁许政洪说，“当煤矿掺混瓦斯甲烷浓度大于0.5%时，通过氧化反应可产生950摄氏度的高温热风。我们通过增加相关配套技术设备，利用这部分煤矿瓦斯实现热电冷三联供、供暖、井筒进风加热、煤泥烘干等。”

利用这套技术方案，晋能控股集团李阳煤矿年摧毁瓦斯量3000万标准立方米，年碳减排量49万吨；潞安化工集团漳村煤矿年摧毁瓦斯量1700万标准立方米，年碳减排量25万吨；中煤山西华宁煤业公司年摧毁瓦斯300万标准立方米，年碳减排量4.5万吨。

中国矿业大学低碳能源与动力工程学院研发团队以多孔介质燃烧为基础理论依据，研究揭示了甲烷浓度小于9%瓦斯爆燃过程中能量释放和传播机制，提出了小空间热流循环自激振荡式瓦斯直燃利用方法，发明了首台防爆轰火焰管道阻火器。

中国矿业大学低碳能源与动力工程学院学科主任赵培涛指出，煤矿瓦斯安全高效利用具有显著的社会效益、环境效益，可促进煤矿安全生产节能降碳、提质增效。但同时，煤矿瓦斯利用应充分考量技术经济性，遵循“梯级”原则，在经济承受范围内，匹配不同技术方案。

蒋兆理说：“下一步，我们将继续落实甲烷行动方案重点任务，推动新修订瓦斯排放标准落实，鼓励更多煤炭企业开展自主减排行动，回收利用低浓度瓦斯和乏风瓦斯。”（陶冉）

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