煤矿瓦斯利用节能减排量化计算方法

王君杰

【摘要】本文论述了煤矿瓦斯利用的必要性，介绍了瓦斯综合利用的主要途径，结合某一矿区的瓦斯综合利用项目的实际情况，对该矿区的瓦斯利用项目的节能和减排的具体效果进行了详细的量化分析计算。从中可以看出瓦斯综合利用对环境保护以及经济效益有着重大影响。

【关键词】瓦斯利用；节能减排；量化计算

1煤矿瓦斯利用的必要性

煤矿瓦斯的主要成份为甲烷（CH4），是煤的共伴生资源。它既是威胁煤矿安全生产的气体，又是可直接应用的洁净能源和优良的化工原料。其浓度达95%时，热值为8000～9000kcal/m3。每1000m3浓度为95%的煤层气相当于1吨轻油和1.5吨标煤。煤层气作为原料可加工合成+氨、甲醇、乙炔、氢气、炭黑等20余种化工产品。目前世界发达国家生产合成氨用天然气（主要成份为甲烷，和煤层气的主要成份基本相同）为原料的约占76%，生产甲醇占80%。

我国是一个产煤大国,矿井瓦斯是煤矿安全生产的最大隐患。国家对煤矿瓦斯抽采工作非常重视,将其作为治理瓦斯的根本措施,提出了“先抽后采、能抽尽抽、以用促抽”的十二字方针,并制订了《煤矿瓦斯抽采基本指标》等一系列标准和法规,加大了瓦斯抽采工作的力度,煤矿瓦斯抽采量逐年大幅度增加。我国煤矿瓦斯排放量居世界首位,大量的瓦斯排放不仅浪费了宝贵的清洁能源,同时也加重了全球温室效应的影响。因此,结合我国煤矿瓦斯的排放特点,从技术及经济角度研究适宜的瓦斯利用技术,对加强我国煤矿抽放瓦斯和风排瓦斯的资源化利用,具有十分的重要意义。

2煤矿瓦斯利用的主要技术途径

煤矿瓦斯综合利用目前的主要方式有：瓦斯发电、瓦斯锅炉与瓦斯民用燃气。

瓦斯发电：通过瓦斯燃烧将其热能转换成电能，因为对瓦斯质量要求不高，投资小，见效快，装机灵活，技术可靠，已成为煤矿瓦斯利用的一种主要方式。

瓦斯锅炉：通过对一些老旧链条燃煤锅炉进行改造，如拆除煤斗、链条炉排上铺设耐火砖、拆除除渣机、更换鼓风机和改造炉拱等。将原链条燃煤锅炉改造成为瓦斯锅炉。

瓦斯民用燃气：在高浓度瓦斯（≥30%）气源的气量和气压稳定的矿区，且有完善的气体存储和输送设施，周边有合适的燃气用户，该瓦斯可直接作为民用燃气输送至用户端。

本文根据某矿区各矿井一年内瓦斯抽采及拟建项目利用情况，预计本次瓦斯综合利用节能项目建设完成后，该矿区年利用瓦斯总量将为2800万m3（纯量）。其中瓦斯发电为2000万m3（纯量），瓦斯锅炉为80万m3（纯量），瓦斯燃气为720万m3（纯量）。本文将以这些数据为基础，对该矿区瓦斯综合利用项目的节能减排效果进行量化分析。节能量化分析最终以节约标准煤为指标，而减排量化分析最终以减排CO2总量为标准，并折算至申请CDM项目补助标准。

3节能减排量化计算

3.1节能量化计算

3.1.1瓦斯发电节能量化计算

1m3（纯量）瓦斯理论发电量为：d1=■×?茁１＝■×30％＝3.06

公式中各符号意义为：

Q1——1m3（纯量）瓦斯发热值（kj）;q——1kWh电所含能量（kj）；

β1——瓦斯发电机组平均效率；d1——1m3（纯量）瓦斯理论发电量（kWh）。

由于瓦斯抽采量和浓度的波动较大以及电网损耗，导致瓦斯发电机组效率下降。因此，根据经验，1m3（纯量）瓦斯实际发电量为D=2.8kWh。

因此，该矿区瓦斯发电项目建成后，预计年收入电量为：

W=S1×D(1-?茁2)=2000×2.8×(1-5％)=5320

公式中各符号意义为：

S1——预计瓦斯发电项目年利用瓦斯量（万m3）;D——1m3（纯量）瓦斯实际发电量（kWh）；

β2——瓦斯发电机组自用电比例；W——预计年收入电量为（万kWh）。

而1kg标准煤发电量为：d2=■×?茁3＝■×35％＝2.84

公式中各符号意义为：

Q2——1kg标准煤发热值（kj）;q——1kWh电所含能量（kj）；

β3——火力发电机组平均效率；d2——1kg标准煤发电量（kWh）。

因此，该矿区瓦斯发电项目年节约标准煤量为：

M1=■=■=18732

公式中各符号意义为：

W——预计年收入电量为（万kWh）;d2——1kg标准煤发电量（kWh）；M1—瓦斯发电项目年节约标准煤量(t)。

根据以上计算，该矿区瓦斯发电项目年节约标准煤将达18732t。

3.2瓦斯鍋炉节能量化计算

预计该矿区燃煤锅炉改造为瓦斯锅炉项目完成后，瓦斯锅炉年消耗瓦斯量为80万m3（纯量）。根据燃煤锅炉及瓦斯锅炉特点，改造后，由热量平衡可计算出年节约标准煤量为：

M2=■=■=1220

公式中各符号意义为：

Q1——1m3（纯量）瓦斯发热值（kj）;Q2——1kg标准煤发热值（kj）;

S2——预计瓦斯锅炉项目年利用瓦斯量（万m3）;η1——瓦斯锅炉燃烧热效率；

η2——燃煤锅炉燃烧热效率；M2——瓦斯锅炉项目年节约标准煤量(t)。

根据以上计算，该矿区瓦斯发电项目年节约标准煤将达到1220t。

3.3瓦斯民用燃气节能量化计算

预计该矿区瓦斯民用燃气项目建设完成后，年消耗瓦斯量为720万m3（纯量）。根据热量平衡计算出年节约标准煤量为：

公式中各符号意义为：

M3=■=■=15373

Q1——1m3（纯量）瓦斯发热值（kj）;Q2——1kg标准煤发热值（kj）;

S3——预计瓦斯燃气项目年利用瓦斯量（万m3）;λ1—民用燃气平均热效率；

λ2—民用燃煤平均热效率；M3—瓦斯燃气项目年节约标准煤量(t)。

根据以上计算，该矿区瓦斯民用燃气项目建成后年节约标准煤将达到15373t。

3.4矿区节能总量计算

公式中各符号意义为：

M=M1+M2+M3=18732+1220+15373=35325

M——瓦斯综合利用项目年节约标准煤量(kg)；M1——瓦斯发电项目年节约标准煤量(kg)

M2——瓦斯锅炉项目年节约标准煤量(kg)；M3——瓦斯燃气项目年节约标准煤量(kg)

该矿区一年瓦斯综合利用总节能量为35325t标准煤，节能效果十分显著。

4减排量化计算

甲烷是一种仅次于二氧化碳的全球第二大温室气体，其温室效应是二氧化碳的21倍。中国的甲烷排放问题十分突出。2007年中国经济部门温室气体排放的构成中，甲烷的当量二氧化碳排放量已远高于英国、加拿大、德国等国化石燃料燃烧产生二氧化碳排放量。同时，甲烷在大气中的寿命为12-17年，比二氧化碳在大气中存留时间（50-200年）短很多。甲烷的减排对大气中温室气体的减少具有迅速的影响，可以作为优先减排对象。

根据该矿区年利用瓦斯总量将为2800万m3（纯量）。因此，其直接减排甲烷气体折算至CO2量为：

P1=S×p×21=2800×104×0.714×21=419832

公式中各符号意义为：

S——预计瓦斯项目年利用瓦斯量（万m3）;

ρ——标准状态下甲烷密度（kg/m3）;P1—减排甲烷气体折算至CO2量（t），而由于甲烷燃烧过程中也产生CO2气体，因此，在计算其减排量时，需要扣除这一部分的CO2。

甲烷燃烧化学方程式为：CH4+2O2 = CO2+2H2O

因此，甲烷燃烧自身产生的CO2量为：P2=S×ρ×■=2800×104 ×0.714×■=54978

公式中各符号意义为：

S——预计瓦斯项目年利用瓦斯量（万m3）;ρ——标准状态下甲烷密度（kg/m3）;

m1——CO2分子量；m2——甲烷分子量；P2——甲烷燃烧排放CO2量（t）

由于该项目总节约标煤量为35325t，在节约了该部分标煤后，同时也减排了这部分标煤燃烧所产生的CO2，该部分减排量计算为：

公式中各符号意义为：

P3=M×α×K=35325×8.73×10-5×29270=90268

M——瓦斯综合利用项目年节约标准煤量(t);α——标煤的二氧化碳排放因子（tCO2e/MJ）

α=8.73x10-5t/MJ;K—标煤的低位发热量(MJ)；K=29270MJ;

P3——项目节约标煤的当量排放量（t）

根据以上计算，矿区瓦斯利用项目总减排CO2量为：

p=p1-p2+p3=419823-54978+90268=488122

公式中各符号意义为：

P——瓦斯综合利用项目年减排CO2量(t)；P1——减排甲烷气体折算至CO2量(t)

P2——甲烷燃烧排放CO2量(t)；P3——项目节约标煤的当量排放量(t)

该矿区瓦斯利用项目年利用瓦斯量为2800万m3（纯量），根据计算相当于每年减排了488122t的二氧化碳。国家发改委为CERs 制定了最低交易价格为8欧元/t，如果申请CDM项目，保守估计，CERs交易将能为该企业带来390.48万欧元的收入，按目前1欧元兑换8.65元人民币计，折合人民币3377.65万元的减排效益。

5结语

煤矿瓦斯是一种对煤矿安全生产有害的气体，但如果加以合理科学的利用，煤矿瓦斯也是一种宝贵的资源，瓦斯利用不仅能为煤矿企业带来经济效益，而且对煤矿安全生产，保护生态环境，响应国家政策，建立煤矿区循环经济产业链起着举足重轻的作用。加大煤矿瓦斯利用的力度，是实现高瓦斯煤矿可持续发展，建设矿区生态文明的必经之路。

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［责任编辑：刘帅］