煤层气的多种利用方式

□赵国泉

1 煤层气资源和利用概况

煤层气是指赋存在煤层中、以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主，并部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的气体。煤层气利用是由地面打钻，抽采未受采动影响赋存在煤层中的烃类甲烷气体（浓度一般为95%～98%）。煤矿瓦斯是伴随煤矿生产，烃类甲烷气体从煤层中解析出来逸散到生产空间和空气混合体的总称（浓度一般为1%～80%）。作为资源概念时，两者统称为煤层气。专业上把天然气称为常规天然气，而把煤层气与页岩气称为非常规天然气，其本质都是天然气，即天然形成之气。这三种气形成方式相差无几，都是古老的生物遗体在地质作用下形成的。

国际能源机构（IEA）的资料显示，全世界每年因煤炭开采而直接向大气中排放的煤层气达315亿～540亿立方米，既是能源的极大浪费，又对环境造成了严重破坏。

根据全国油气资源评价结果，我国埋深2000米以浅的煤层气地质资源量为36.81×1012立方米，超过了天然气35×1012立方米的地质资源量；埋深1500米以浅的煤层气可采资源量为10.87×1012立方米，是天然气可采资源量的1/2左右。我国煤层气资源量巨大，开发潜力巨大，是常规天然气的有效接替能源。

近年来，我国煤层气市场保持增长态势。2018年，我国煤层气抽采量为183.7亿立方米，其中地面煤层气抽采量为54.6亿立方米，井下抽采量为129.1亿立方米，利用量99亿立方米，利用率为53.8%。

煤层气的利用率受到多种条件的限制，比如运输、浓度等，因此利用率一直不高，目前主要用于民用、工业燃气、发电、汽车燃料、压缩与液化、化工原料等。

2 煤层气的多种利用方式

2.1 民用和工业燃气

早在1982年，我国煤炭工业部加工利用局就以“煤加计（82）第52号”文件规定了煤层气（煤矿瓦斯）利用的顺序应优先民用的原则。近几年来，随着城市化进程的加快，我国天然气消费量呈现快速增长态势，2018年消费量超过2800亿立方米，其中城市燃气用量明显增加，民用天然气供应也越来越紧张。为解决气源问题，各大燃气公司纷纷把目光瞄向煤层气。煤层气开发利用为缓解天然气供需矛盾提供了一种新途径。例如，安徽淮南矿区现有瓦斯民用小区135个，供气中心6个，用户约6.6万户，民用燃气管网173.57千米，年利用瓦斯量超过1000万立方米。此外，煤层气还可作为工业燃气替代煤炭和天然气。煤层气作为优质、清洁、价廉的能源，现已被广泛用作工业锅炉、陶瓷生产和氧化铝焙烧的工业燃料。

2.2 煤层气发电

煤层气发电是一个多效益型煤层气利用项目，能有效地将矿区抽采的煤层气变为电能，方便地输送到各地。

煤层气发电设备简单并已成系列，而且运行可靠，可根据气源量选定利用规模。燃气发电机组效率可达80%以上，热能转化率较高，有利于节约能源，1千瓦· 时电力耗气量在0.23～0.30标准立方米之间。各种型号发电机组热耗不同，除了机组设备制造的原因外，还在于它们外供的热能等因素不同。煤层气发电机组可以直接使用从矿井抽放的低浓度（＞35%）煤层气，有利于建设坑口电站。煤层气发电可以使用直接燃用煤层气的往复式发电机、燃气轮机，也可用煤层气作为锅炉燃料，利用蒸汽透平发电。新的发展趋势是建立联合循环系统，有效地利用发电余热。

煤层气发电采用的主机设备主要有以下三种：蒸汽轮机发电机组、燃气轮机发电机组、燃气内燃机发电机组。

近年来，随着煤层气抽采利用优惠政策的出台和完善，国内企业利用煤层气发电的积极性日益高涨，发电装机规模逐年上升，技术研发和装备制造水平不断提高。

在燃气内燃机发电机组的发电过程中，燃料的能量约有35% 被转化为电能，约有30% 随尾气排出，约有25% 被发动机冷却水带走，通过机身散发等约占10%，而这其中约有一半的能量是可以被二次使用的。据测算，燃气内燃机发电机组每提供100千瓦· 时的电力，排出的尾气余热可满足2500平方米的采暖需求或1300 平方米的制冷需求。由此可见，热电冷联供系统既节能环保，又可带来经济效益，使得一次能源向二次能源转换过程中损耗的能源得到充分利用，最大程度地提高能源的使用效率，在大力发展循环经济的今天是十分必要的。

2.3 煤层气液化

煤层气液化是指煤层气经净化、提纯后，在一定的温度压力下，从气态变成液态的工艺。煤层气液化后，体积将缩小600倍，会大大降低运输成本。使用液化天然气槽车运送，可以随气源和用户的改变而改变运输路线，甚至可以作为现有的天然气管道调峰资源使用。煤层气液化可分为地面煤层气（CBM）液化和煤矿瓦斯（CMM）液化。

地面煤层气(CBM)浓度一般在90%以上，经脱碳、脱硫、脱汞和脱水后，可直接加压、深冷液化成液化煤层气（LCBM）。

煤矿瓦斯一般浓度较低，且含有氧气，若直接加压液化会引起爆炸。应采用深冷精馏的方法，把含氧煤矿瓦斯的分离和液化在低温的条件下同步完成，提纯制成液化煤层气。该方法可以把浓度为35%～50%的矿井瓦斯提纯液化为浓度99.8%的液化天然气（LNG）。

2.4 煤层气用作化工原料

目前，煤层气用作化工原料主要是生产合成氨、甲醇、乙炔、氯甲烷、氢氰酸、二硫化碳等下游加工产品，而主导产品是合成氨和甲醇。

以煤层气为原料生产合成氨和尿素是一种经济的利用方式。我国是农业大国，化肥需求量大。为改善环境和提高效益，在煤层气产区附近建设合成氨和尿素生产装置是相对合理的。

2.5 低浓度瓦斯的发电利用

在我国的煤矿开采过程中，每年直接排放到大气中的瓦斯约为180亿立方米（纯甲烷），其中浓度在6%～30%的低浓度瓦斯约占排放总量的11%，为20亿立方米左右。由于没有有效的利用方式，绝大部分低浓度瓦斯被直接排入大气，既浪费了大量清洁能源，又污染了环境。低浓度瓦斯发电是指利用甲烷浓度小于30%的瓦斯发电。为了使抽采出来的瓦斯得到利用，就必须尽快开展低浓度瓦斯安全输送技术开发与装备研制。低浓度瓦斯的安全输送和直接利用，对促进矿井瓦斯的开发和利用、保证矿井安全高效生产具有十分重大的意义。

2.6 风排瓦斯（VAM）利用

煤矿开采中，瓦斯排出量的70%是通过乏风（又称“煤矿风排瓦斯”，指甲烷浓度低于0.75%的煤矿瓦斯）排出的。我国的煤矿开采中，每年通过乏风排出的纯甲烷为100亿～150亿立方米，与西气东输的总量相当。这就好比每年有1000万～1500万吨原油或2000万～3000万吨煤炭被白白浪费掉，其数量差不多是一个350万～500万千瓦的超大型火力发电厂一年的用煤量。

一个高瓦斯矿区百万吨产量的矿井，每分钟的乏风量在5000～10000立方米，每分钟通过乏风排出的纯甲烷就是25～50立方米，每年排出的纯甲烷为1000万～2000万立方米，相当于向大气排放了130万～250万吨二氧化碳。如果我们能将乏风氧化利用技术推广应用，节能效果将十分显著。