能源转型背景下煤层气开发利用的效益与途径——以昔阳县为例

贾枫美,陈家琪，牛小红

(1.山西职业技术学院,太原 030031;2.东北师范大学 环境学院,长春 130117;太原理工大学 矿业工程学院,太原 030024)

煤层气俗称瓦斯,其主要成分为甲烷(CH4),是一种烃类气体,且一般吸附在煤基质颗粒表面,是煤的伴生矿产资源,尽管它可能会严重威胁到煤矿的安全生产,但它同时也是一种新型能源[1]。煤层气中的甲烷含量大于95%,热值是通用煤的2倍～5倍,与天然气的热值相差甚小,属非常规天然气,可以与天然气混输混用,而且燃烧后很洁净,产生的废气较少[2]。因此,煤层气是一种方便、高效、洁净的气体能源。

山西省有着非常丰富的煤炭资源,相应的与煤伴生的煤层气资源也十分丰富,其中浅煤层中的煤层气资源总量约10万亿m3,约占全国资源储量的三分之一;每年煤矿采煤抽放排空的煤层气约60亿m3,几乎是国家“西气东输”工程年输气量的一半[3],这种方式排放煤层气不仅浪费了宝贵的资源,还对环境造成了严重的污染。因此,合理抽采并有效利用煤层气,不仅可以降低煤矿瓦斯事故的发生率,还可以为当地经济建设提供优质的清洁能源,有效改善周边生态环境。昔阳县作为全国最大煤炭生产基地、山西省的重点产煤县之一,依靠自己的优势并及时抓住国家政策扶持的机遇,对煤层气进行了合理的利用,取得了较好的安全效益、环境效益、经济效益与社会效益[4]。不仅为煤层气富集区的县域煤层气综合利用提供了经验,并且对山西煤炭经济转型发展具有一定的借鉴意义。

1 昔阳县基本概况

昔阳县,位于山西省晋中市东部,太行山西麓,东邻河北省井陉、赞皇、邢台,内丘四县市,南与和顺县相望,西与寿阳县交界,北与阳泉平定接壤,国土总面积1 954 km2,全县辖5个镇7个乡、335个行政村,总人口23.8万人,城区面积约5.8 km2,人口约6.2万人。

昔阳境内煤、铁、铝、铅等矿产资源丰富,全县含煤岩系总面积726 km2,占全县国土总面积的37.1%,现勘查面积达到553.08 km2,约占全县含煤面积76%。预测全县煤炭资源量为73.3亿t,现已探明储量21.42亿km2,区域上属沁水煤田,煤系地层主要为石炭系上统的太原组合,二叠系下统的太原组,富含瓦斯,煤质为优质无烟煤。

昔阳县南峪煤矿利用年产10万t的中小煤矿井下瓦斯抽放系统抽出的瓦斯,经检测瓦斯浓度达98%左右,达到天然气水平,吨煤瓦斯涌出量最大为85m3,经测算该矿瓦斯储量约2.6亿m3,按当时开采量计算,可稳定日均提供浓度45%以上的混合瓦斯气量约2.6万m3,服务年限约38 a,而同类型生产矿井在县城周边临近区域15座,可见昔阳县具有煤层气资源量大、质量高等特点。

2 煤层气的利用与效益

2.1 煤层气的利用现状

昔阳县煤层气综合利用项目,始于1998年,当时主要县营煤矿基本属于高瓦斯管理矿井,煤矿开采总回风瓦斯浓度不断突破国家煤矿安全规程规范上限,事故苗头频发,给煤矿安全生产带来很大压力及负面影响。在煤炭开采过程中,唯一的应对措施就是不断加大总回风量,这种方法不仅直接增大了生产管理成本,而且难以从根本上保证和解决安全生产问题[5]。为了较好地解决这一问题,昔阳县南峪煤矿在省市县各行业管理部门的支持下,建设了全省第一家年产10万t的中小煤矿井下瓦斯抽放系统。由于政府政策的推动,企业的市场化运作,相关部门及单位组建了昔阳县瓦斯工程利用联合体,实施集中抽取、输送、储配等一系列流程,对煤层气进行综合开发和利用。

随着煤矿开采技术的不断进步,煤层气的抽采方式实现了较大的技术突破,之前主要从井下尾巷及采空密闭墙进行抽采,而现在转变为地面先抽后采。由于这一技术的突破,煤层气的供气数量和质量有了很大的保障和提高,供气气源由单一变为三源供气,储配由储气柜供气为主变为管道直供气柜调峰,煤层气的应用技术和工艺流程方面已经逐步走向成熟。

煤层气在昔阳县的用途主要集中在以下几个方面:

1)作为民用燃料。昔阳县在综合利用方面,先以民用燃料为切入点,不仅将煤层气作为锅炉的燃料,还用于金属冶炼、合成氨和甲醇,成为了全国第一个用煤层气实施城市居民生活燃气供应的县份。祥云燃气责任有限公司经过多年的实践,探索出了一套安全高效优质的供气模式,得到了用户的广泛好评及认可。截止2016年底,昔阳县煤层气全年生产总量5 625万m3,居民燃气用户达19 000户,包括了县域各企业单位及餐饮业200余户,及部分未集中供热或冬季采暖用户,基本实现了县城煤层气供气的全覆盖,用气普及率达到了92%以上,并惠及管网覆盖的两个乡镇周边农村用户。据测算,年均可替代原煤67 500 t,减少燃煤产出的二氧化硫3 347 t、烟尘7 858 t、氮氧化物816 t、一氧化碳10 178 t和灰渣56 865 t。

2)作为发电燃料。煤层气用来发电,具有以下优点:成本低、热效率高、清洁、对环境无污染等。为此,昔阳县逐步推进了四个煤矿坑口高浓度瓦斯发电厂和一个煤矿坑口低浓度瓦斯电厂(在建),实现了燃气发电、收集余热、再蒸气发电、再收集余热、后改善煤矿职工生产生活条件等的一系列循环利用。

目前昔阳县又在建设国新能源昔阳煤层气热电联产项目,采用低氮燃烧技术,建设120兆瓦级燃气——蒸汽联合循环二拖一供热机组,该项目建成投产后预计年发电量6亿kW·h,并为县城及周边农村增加集中采暖面积110万m2。

3)作为汽车燃料。为了推进汽车清洁能源项目,昔阳县加快了高浓度瓦斯气体CNG加气母站、子站,LNG加气母站的建设和运营,几乎全部出租车和公交车实现了CNG加气运营,部分重型卡车200 km服务半径内采用CNG服务半径400 km采用LNG加液运营。该项目的顺利运行证实了煤层气是一种很有发展前途的汽车燃料。

2.2 煤层气开发利用的效益

1)安全效益。矿井瓦斯对煤矿的安全生产构成了威胁,煤层气的开采可以有效地改善当地煤矿的安全生产条件,通过井下的瓦斯抽放技术,能够从根本上预防和防治煤矿瓦斯事故,降低了瓦斯事故的发生率,有效地保障矿工的生命安全和煤矿的安全生产。

2)环境效益。煤层气是一种优质清洁的燃料,与液化石油气、汽油相比价格低、甲烷值高,燃烧性能好,发热量大,烟尘少,燃烧后氮氧化合物排放量低,二氧化碳排放量较汽油减少25%,一氧化碳、碳氢化合物等都在标准排放量的10%以下,是一种洁净的气体燃料。

昔阳县将煤层气作为民用燃料,减少了对煤的使用,相应地也降低了温室气体及有害气体的排放。昔阳县也通过推进汽车清洁能源项目,提升了当地公共服务及物流业的现代化水平,调整了汽车能源消费结构,大幅降低运营成本,使用低成本清洁燃料,减少了汽车尾气中苯、氮氧化合物以及铅的排放,取得了良好的环境效益,迈开了引进绿色清洁能源的步伐,是缓解地球生态平衡破坏及温室效应等严重问题的有效措施之一。

3)经济效益与社会效益。煤层气的开发利用不仅带动了矿区的发展,还有效地拉动了昔阳经济社会发展,改善了生产生活环境,提高居民生活质量,将昔阳创建为国家级卫生城市、国家级园林城市做出了巨大贡献。在取得安全效益与环境效益的同时,燃气联合体公司年营业收入达1000余万元,实现利税近100万元的经济效益,不仅创造了煤层气及其产业链商业价值,还形成了新的生产力和市场盈利模式。

此外,昔阳县通过一系列项目的实施,有效地提高了煤层气资源就地转化率,缓解了能源紧张,并在资源深度加工中催生出化工建材等新的产业,使资源利用率得到最大范围的延伸,推进了能源结构的调整优化,促进了经济与社会的协调发展。

3 结论

1)煤层气是一种方便、高效、洁净的气体能源,是21世纪经济发展的动力。昔阳县具有丰富的煤层气资源,随着煤矿开采技术的不断进步,昔阳县实现了煤层气抽采方式的技术突破,使煤层气的供气数量和质量得以保障和提高,为煤层气的使用做出了突出的贡献。

2)煤层气在昔阳县的应用领域可以归结为三大类:作为民用燃料、发电燃料和汽车燃料。通过对煤层气的合理开发与广泛使用,使昔阳县获得了较好的安全效益、环境效益、经济效益与社会效益。

3)煤层气已经成为了继煤、石油之后的全球第三大能源,山西省甚至全国都应当借鉴昔阳县的经验,把握住国家政策扶持的机遇,深入贯彻落实国务院支持山西省进一步深化改革促进资源型经济转型发展意见行动计划》,切实从行动上执行《山西打造全国能源革命排头兵行动方案》,推动山西省的煤炭绿色低碳转化、清洁高效利用,实现煤炭利用由燃料、原料向材料转变,合理科学地开采和利用煤层气,争当全国煤炭清洁高效利用的排头兵。