煤层气的资源化与环境保护

1煤层气的资源化与环境保护摘要：煤层气是指储集在煤层及邻近围岩中以CH4为主的多组分气体，它是一种清洁能源，也是天然气的重要补充能源。开发利用煤层气，使其资源化可增加清洁气源、减少煤矿事故及改善环境保护。本文阐述了煤层气的形成、类别、特性、开采方式以及资源化的途径，并以松藻煤矿利用煤层气情况为例，进行了环境效益评价。关键词：煤层气；煤层气资源化；松藻煤矿；环境效益评价1、煤层气的概述1．1简述煤层气煤层气俗称“瓦斯”，其主要成分是CH4（甲烷),与煤炭伴生、以吸附状态储存于煤层内的非常规天然气，热值是通用煤的2-5倍，主要成分为甲烷。1立方米纯煤层气的热值相当于1.13kg汽油、1.21kg标准煤，其热值与天然气相当，可以与天然气混输混用，而且燃烧后很洁净，几乎不产生任何废气，是上好的工业、化工、发电和居民生活燃料。煤层气空气浓度达到5%-16%时，遇明火就会爆炸，这是煤矿瓦斯爆炸事故的根源。煤层气直接排放到大气中，其温室效应约为二氧化碳的21倍，对生态环境破坏性极强。在采煤之前如果先开采煤层气，煤矿瓦斯爆炸率将降低70%到85%。煤层气的开发利用具有一举多得的功效：提高瓦斯事故防范水平，具有安全效应；有效减排温室气体，产生良好的环保效应；作为一种高效、洁净能源，商业化能产生巨大的经济效益。21.2煤层气的形成及类别1.2.1煤层气的形成煤层气是由植物腐殖质在高温高压下成煤过程中同时形成的一种可燃气体。在成煤过程第一阶段,即生物化学作用时期,植物遗体在微生物作用下氧化分解成泥炭,此时尚不生成煤层气；在第二阶段,即煤化作用时期,伴随泥炭向褐煤转变开始生成煤层气；在第三阶段,即深度炭化时期,低炭化褐煤向高炭化煤(气煤、贫煤、无烟煤等)转变时伴随生成大量煤层气。1.2.2煤层气的类别煤层气存在于煤层中,根据其储存状态,可分为三种,即游离煤层气、吸附煤层气和水溶煤层气。游离煤层气也称自由煤层气,一般占煤层气总量的5%～12%。其量值取决于煤层气的压力、温度及煤层空隙率。吸附煤层气在碳分子引力下吸附在煤孔隙内表面上或碳分子团内部,其量约占煤层气总量的80%～95%。吸附煤层气与自由煤层气之间在压力和温度变化时可以相互转化。压力降低温度升高则前者可转变为后者,如压力增高温度降低,则后者可转变为前者。水溶煤层气溶于水中,其含量与煤层水矿化程度、温度及压力有关。1.2.3煤层气的特性煤层气无色、无味、易燃、易爆，其密度比空气小（约为0.55倍），其爆炸范围为5—15%，稍有泄漏会向上扩散，只要保持室内空气流通，即可避免爆炸和火灾。地面井开发的煤层气与常规天然气成分类似，主要成分甲烷。不同煤种、不同深度及不同开采方式产生的煤层气成分相差较大。32、煤层气的资源化和环境保护2.1我国煤层气开采发展史我国开始进行煤层气抽采是从20世纪50年代开始的，当时仅有抚顺、阳泉、天府和北票等6个矿井抽采煤层气，年抽采量约60×106m3；60年代又有中梁山、焦作、淮南、松藻、峰峰等局的20多个矿井先后开展了抽采煤气工作，年抽采量为16×107m3；70年代抽采矿井猛增到83个，抽采量达24×107m3；80年代抽采矿井达到111个，抽采量达到38×107m3，1996年41个局133个矿井在抽采煤层气，年抽出量达6.307×108m3。1999年，全国共有44个矿务局对矿井进行煤层气的抽采工作。最近几年，煤矿区煤层气抽采非常活跃。据不完全统计，2000年，全国有184座煤矿建立了井下抽采系统和地面输配气系统，年抽采量达到8.58×108m3；2002年我国共有141个煤矿实施煤层气抽采，年抽采煤层气总量达8.67×108m3；2005年，我国共有228座煤矿进行煤层气抽采，煤层气抽采总量达到21.33×108m3；2006年，我国有重点煤矿286煤层气抽采的矿井有266处，占92.3%。2.2实际生产中煤层气的开发方式在实际生产中，为了避免煤层气大量外排，造成环境污染，从而先将煤层气开发。其开发方式主要可分为利用地面井抽采和煤矿区煤层气井下抽采两类。（1）地面井开采煤层气地面钻井开采是在常规天然气开采技术的基础上，根据煤层的岩石力学特性、煤层气储存特点和产出规律发展起来的煤层气开采技4术。先在地面钻井后再进行完井。根据地质构造和煤质不同,可分别采用压裂制造空隙和制造洞穴方法完井。这种开采方式规模大,产量稳定,煤层气甲烷含量高。煤层气略经处理后可输入天然气管道系统供远方用户采用，因而可以替补天然气在缺额期间的使用。（2）井下抽采主要是为煤炭企业生产安全服务。其抽采方式主要有三种。首先是采煤前预抽,其法为在工作面圈定前顺煤层布置钻孔进行预抽放,以降低煤层气量及压力；其次为边掘边抽，即在采煤巷道掘进过程中在掘进工作面端头钻孔抽放；第三为采空区抽放,即在井下密闭采空区置管再用专用抽采泵站抽放。一般井下抽采所得煤层气的甲烷含量较低,约为30%～60%，采空区抽采的煤层气甲烷含量则只有15%～25%。井下抽取的煤层气虽然甲烷含量和热值比地面井开采的煤层气少，但仍不失为一种有相当热值可利用的能源。井下抽采得到的煤层气必须经过提纯和升压后才能注入天然气管道系统。由于提纯成本高，所以一般不将其注入天然气管道。2.3煤层气的资源化2.3.1煤层气资源化的必要性煤层气作为能源和化工原料是可以而且应该利用的。煤层气既是高热能的清洁能源,又是良好的化工原料。我国境内蕴藏着丰富的煤层气资源,预计埋深浅于2000m以内的资源量可达36.81×1012m3,与我国陆上常规天然气资源量相当,煤层气资源量位居世界第三位,其中已探明煤层气储量51023.08×108m3。2.3.2煤层气资源化的途径煤层气资源化的途径主要有以下两类：（1）能源。煤层气具有和天然气相当的热值，而且不含煤炭干馏物质，不需要庞大的净化处理装置，不腐蚀、不堵塞输气设备，很适于用作工业和民用燃料。我国很多煤矿企业已将井下抽采的煤层气部分通过专用管道输送到职工家中作为民用燃气使用。煤层气作为工业燃料使用时，可以省去煤的洗选、运输、粉碎、消烟、除尘、排渣等投资费用，而且运输方便、保护效益好、普通的燃煤锅炉稍做改造就可使用煤层气。并且对于某些行业，如玻璃工业、陶磁建材行业,煤层气燃烧充分,窑炉温度高,比用煤炭为燃料烧制的产品质量更好,成品率更高。煤层气发电是近些年来新兴的煤层气利用项目,可以使用直接燃用煤层气的往复式发动机和燃气轮机,也可用煤层气作为锅炉燃料,利用蒸汽发电。此外,煤层气也已试验性的应用于汽车燃料。（2）化工原料。煤层气还可以用做化工原料来生产一系列化工产品，如合成氨、甲醇、乙炔和炭黑等。和煤炭、天然气等传统化工原料相比，煤层气的生产成本更加低廉。据统计，煤层气生产成本为0.037美元/m3,仅是煤制煤气产生成本0.194美元/m3的19%，是天然气生成成本0.132美元/m3的28%。如果在化学工业中用煤层气部分代替天然气、石油等煤炭等传统原料，可以大大节约生产成本，提高企业经济效益。2.3.3煤层气资源化和环境保护我国是煤炭资源大国,也是煤炭消费大国,煤炭的使用量约占整个社6会能源消耗总量的75%,煤炭的燃烧直接导致大量CO2的排放,2000年我国的CO2排放量约为30亿t,随着经济的发展,预计到2020年我国的CO2排放量将达到55亿t。煤层气作为新型能源的应用,可以减少国民经济中煤的使用量,从而间接减少了CO2的排放量，减少温室效应。在煤炭使用过程中，除了会排放大量的CO2外，还会释放很多种污染物，如CO、NOX、SO2、烟尘等，严重危害大气环境。煤层气在燃烧过程中虽然也会释放出有害污染物，但与煤炭相比，污染物排放量大为减少。3、松藻矿区煤层气利用及效益分析评价3.1松藻矿区概况松藻矿区是重庆市煤层气储备丰富的矿区，位于重庆市綦江县境内，矿区开采面积约235.50km2，共含煤9-12层，煤层含硫3.0%-4.0%、灰分16%-38%、挥发分10%、低位发热量21.771-28.470MJ/kg，属于中灰、高硫无烟煤。矿区从1965年开始建设，经过40余年开发，共建成6对矿井，即松藻煤矿、同华煤矿、打通煤矿、渔阳煤矿、石壕煤矿及逢春煤矿，设计生产能力共计4.5Mt/a。松藻矿区煤层气开发利用处于重庆市前列。1992年松藻矿区煤层气被列入联合国开发署“中国煤层气自愿开发”项目；1996年松藻矿区石壕井田施工了重庆市第1个煤层气试气探井；2003年重庆市首座煤层气发电站在松藻矿区逢春煤矿建成投产。3.2松藻煤层气资源状况松藻矿区各矿井均属煤与瓦斯突出矿井，煤炭地层的煤层气含量7高、压力大。矿区先现拥有煤层气资源储量383.23亿m3，其中松藻矿30.79亿m3、同华矿11.83亿m3、打通矿103.39亿m3、渝阳矿47.07亿m3、石壕矿85.49亿m3、逢春矿40.78亿m3,、梨园坝矿63.88亿m3，小渔坨矿38.95亿m3。松藻矿区平均煤层气含量27.1m3/t，CH4浓度97%，资源丰度1.71m3/km2，含气饱和度90%。2008年矿区煤层气涌出量达732.21m3/min，煤层气压力1.2—4.5MPa,原始透气性系数5.71×10-3—3.19×10-2m2/（MPa2·d）。随着矿井深度的增加，煤层气涌出量将更大。3.3松藻矿区煤层气抽采情况及利用现状松藻矿区煤层气得抽采技术不断得到改善，抽采系统与设备也得到更新，抽采能力提高。矿区现有煤层气抽采泵站11个，抽采泵21台，抽采管长度95.68亿km，抽采钻机103台。2006年矿区煤层气抽采量1.68亿m3，吨煤煤层气抽采量达37.93m3。至2006年底，全矿区居民用气共3809万m3/a。其中气化居民约1.86万户，用气量2100万m3/a左右；约2000人的职工食堂用气36万m3/a左右；16台（32t）生活锅炉用气约1510万m3/a，10t茶水炉用气约107万m3/a，约2100个取暖炉用气56万m3/a左右。矿区煤层气发电站总装机容量为22×500kW，年发电5075万kW·h，年用气约为2830万m3，其中地槽电站装机容量8×500kW，年用气约1030万m3；金鸡岩电厂装机容量14×500kW，年用气约1800万m3。3.4环境效益评价煤层气利用的环境效益是相对于燃煤而言的，需对比分析各耗能单元燃煤层气与燃煤各自排放的污染物。8（1）耗煤量与耗煤层气量估算松藻矿区各耗能单元耗煤量与耗煤层气量估算见表1。表1松藻矿区各耗能单元耗煤量与耗煤层气量估算耗能单元单元数耗煤量（万t/a）耗煤层气量（万m3/a）职工食堂2000人0.07436生活锅炉16台1.7601510茶水炉10t0.130107取暖炉2100个0.06556发电站22500kW2.0302830合计4.0594539（2）污染物排放系数及排放量综合《环境统计手册》、《环境保护实用数据手册》及《三废处理工程技术手册》等有关资料，统计得出松藻矿区各耗能单元燃煤及燃煤层气的污染物排放系数（结果见表2），在根据耗煤量、耗煤层气量及污染物排放系数可计算出污染物排放量（结果见表3）。表2松藻矿区各耗能单元污染物排放系数耗能单元SO2TSPCOCO2NOX炉渣燃煤燃气燃煤燃气燃煤燃气燃煤燃气106燃煤燃气燃煤燃气职工食堂4863022.86302.010.116.3021301.373.991643.241440生活锅炉486304.57302.02.636.3021301.374.811643.2414409茶水炉4863022.86302.010.116.3021301.373.991643.241440取暖炉4863022.86302.022.706.3021301.373.621643.241440发电站186300.40238.50.23017311.379.0862001400注：燃煤污染物排放系数单位为kg/t，燃煤层气污染物排放系数单位为kg/106m3。表3松藻矿区各耗能单元燃煤及燃煤层气时污染物排放量耗能单元SO2TSPCOCO2NOX炉