煤层气（煤矿瓦斯）开发利用途径及其重要意义分析

2023-07-03黄伟东

化工设计通讯 2023年6期

黄伟东

（窑街煤电集团有限公司技术创新中心，甘肃兰州 730084）

1 概述

煤层气作为一类以吸附形式贮存于煤层内的非常规气体，在矿井中煤层气又称为“瓦斯”，其组成同普通天然气体大致一样，完全能够同普通天然气体混合运输和使用，并可以成为同普通天然气体同样的优质能源和化工原料。只要有煤矿的地区就在一定程度上赋存着煤层气。而我国的煤层气资源储量丰富，对于这一新型能源进行合理的开发和利用，将会有利于改善我国的能源结构，降低温室气体排放量，减少对大气的污染，能够从根源上解决煤矿的安全问题，促进我国经济的长期、稳定发展。

2 煤层气开发利用存在问题

2.1 煤层气的空用量大，浪费现象严重

2.1.1 管网很难实现公平开放，集输调峰能力差

对于煤层气的开发而言，其运输的管网通常被相关的垄断公司所拥有的，并且其市场竞争力较大，对第三方的管线管理权利的下放不足，并没有实现管网建设的资源共享，同时，在较多的竞争问题之下，导致管输成本增加，管线修建运营效益偏低。除此之外，地方的煤层气运输企业在基础设施建设的能力上较弱，由于在不同的社会发展阶段对煤层气的供需要求不同，使得在煤层气开发较为富足的阶段并不能得到有效的长途运输，因此，在此阶段会造成煤层气资源的大量浪费[1]。

2.1.2 受政策影响，小型撬装液化站项目建设困难

在我国煤层气发展初期，因为地方偏僻、在开采的初期产量较少、后期的产量不稳定，而在基础的运输设施建设上成本投入较大、建设的速度较为缓慢且在建设过程中具有一定的安全隐患，因此很难做到煤层气的开采与运输管道施工的同时运转，从而出现了气体富足而无法被使用的局面。对于中小型的撬装液化站建设而言，具有建设力度小、速度快、设施运用灵活、重复性利用高等优点，但由于其建设场地为临时地块，因此并不能获得有效的相关经营证书，同时在监管、质量检测等部门都不能进行合理的登记，使得目前仍不能正常开展充装工作，进而导致企业不能准确有效使用新增资源。

2.1.3 采空区开发不稳定，瓦斯很难实现有效利用

对于采空区的瓦斯气体开发，就有可能存在现行矿井的原始资源并不确切，井底积水情况不明，分布分散，抽采含量变动较大；且设置井坑的密度远不及常规的地面矿井，集输费比较高昂；抽出的瓦斯浓度并不稳定，且加压液化后需要提浓处置，投入高；而地面抽采装置价格贵，投入风险也很大等问题。

2.2 煤矿瓦斯利用率整体偏低，利用提升空间大

2.2.1 不能统一规划瓦斯利用，加大利用的难度

就大部分的瓦斯开发区而言，在建设开发利用瓦斯的工程中，并没有将其配套设施的建设进行充分的考虑，使得在后续的开发和利用的计划、选择等环节中出现较大的困难，同时也使得对瓦斯综合利用的工程建设进度较为缓慢。此外，由于目前大部分的真空泵设备的体型较大，在对开发系统的控制上缺乏有效的控制能力，并且，在开发瓦斯中，甲烷的体积分数并没有达到30%，在增压设备和运输管道的建设上存在缺失，因此，这种瓦斯的开发主要应用在低压发电中，并且发电的效率极低。

2.2.2 不同开发区的联网能力较弱，不具备调节峰期的能力

部分浓度较高的瓦斯开发区在进行甲烷的开采中，体积分数超过30%的高浓度气体，与煤层气的开发存在较大的差异，并且在开发完这种气体后，没有构建起针对性的运输管道系统，同时在调节利用峰期上存在能力缺失的问题，造成大量的高浓度气体浪费现象。

2.3 瓦斯发电受较多因素的影响，发电能力受到限制

2.3.1 自采自用政策落实性不强，限制瓦斯发电的开展

自采自用的瓦斯发电方式能够极大地降低对不合理运输线路的建设投入，节约建设用地和接入点。供电企业支持煤炭企业发展自发的积极性并不高，电网接入系统也较难得到国家批准，而且接入国网的程序比较繁杂，且多数瓦斯保护电厂距离国家网变电站较远，因此接入网络的工程整体投入成本度较大，在一定程度上阻碍了瓦斯发电工程建设的顺利进行。

2.3.2 相关手续办理周期较长，阻碍工程施工进度

在进行瓦斯利用工程项目的建设中，需要与用地、环境、电价等相关部门进行有效的协作，而这些多样且复杂的审核流程使得瓦斯利用工程项目的建设出现因审核时间较长、过程较为复杂等问题而出现阻碍工程施工进度，最终会造成大量瓦斯资源的浪费。

2.4 煤层气利用市场不完善，欠缺高附加值企业

我国煤层气工业上下游产业链的不完善，煤层气应用行业竞争力较差，用气行业接受气价的上升动力较弱，以及缺少高附加值产品的应用，使得大量煤层气经由通道运输方式向邻近地区出现低价出售的现象，进一步限制了我国煤层气开发利用的建设进度。

2.5 缺乏相关标准的协调性，项目验收标准差异较大

在瓦斯开发利用工程的建设上，其所使用的标准来源于众多的单位，这些单位之间的相关标准并不能构建成一个完整的系统，如瓦斯保护发电厂和抽采泵站的位置、发电低的瓦斯保护运输管线的保护设施设置等规定的冲突，工程在实施验收阶段易产生认识错误、实施困难的现象，干扰工程施工。

2.6 科技创新能力不足，利用途径单一

由于煤层气开发利用的支持能力欠缺，支持措施薄弱，使新型资源方式开发不足。煤层气生产甲醇工程受到技术、工艺等诸多因素影响，操作复杂，尚未大面积普及使用[2]。

3 煤层气的利用途径和特征

在对煤层气的运输模式上，通常有管道、液化槽、压缩槽车、吸附储运等运输形式，其利用途径及特点如表1所示。

表1 煤层气主要利用途径及特点汇

4 煤层气开发利用的重要意义

4.1 能够保障能源供应的有效性

全球能源发展已经历了两个主要变化。在工业革命之前，人们主要使用柴油为燃料，首次工业革命中，蒸汽机的诞生推动燃煤逐渐代替柴油。在第二次工业革命中，内燃机的诞生推动石油逐渐代替煤。而目前，全球能源发展也正处在第三个变化期，可再生能源正在蓬勃发展，最后将代替众多不可再生能源。而煤层气在点燃后基本不会产生任何废物，是世界上好的工业、化学、发电和居家生活能源。在20世纪末，由于美国首次实现了对煤层气地面开发获得了成功，因此全球各地也逐步开始关注煤层气资源。在煤层气开发利用的开发与使用等方面，也获得了较大的进展。进一步加强对我国煤层气资源的开发利用力度，是解决我国能源需求问题的可行选择之一。

4.2 能够优化我国能源格局

改革开放后，国内经济一直维持着高速经济发展，资源消费也随之提高。我国能源消费相当于目前全球资源消耗总额的一半。即使能持续实现下降，也仍然会占目前世界能耗的大部分。但是，由于国内的巨大资源存量等客观情况已经确定了在比较长的一段时间里，煤炭作为国内的重要基础资源而难以取代。将“贯彻以煤炭资源为主体、电能为中枢、油气和新动能全面提升的能耗策略”。据预测，2050年我国将可以完全把煤转变为国有基本资源，但仍有约30亿t 的需要。在未来30 a 内，每年煤炭消耗达到全国煤矿总产量的一半以上，此局面将很难实现改善。

4.3 能够保障煤矿的安全生产

当煤层气中空气含量超过一定比例时，遇到明火就会爆炸，这也是矿井瓦斯爆炸发生的主要原因。“十一五”时期，在我国的高度重视下，国家利用煤层气事业获得了明显进展。在煤矿生产水平不断提高的状况下，矿井事故数量、矿井百万吨死亡率均不断减少，煤矿安全生产态势也不断平稳改善。至2010年，我国煤层气抽采总量十分庞大，安全事故却在逐渐减少。但是，由于受到煤炭地质、开发环境极为复杂，以及技术手段的成熟度不够高等因素的影响，目前我国煤层气发展速度仍滞后于发达国家。

4.4 能够有效地对环境进行保护

当前，能源开发利用逐步向节约、有效、清洁、低碳方式转变。煤层气的主要成分为甲烷等气体，直接释放在大气中产生的温室效应约为超临界二氧化碳的21～25倍，对自然环境破坏力极大。至2010年，我国煤层气已生产了32.5亿t，接近全球产量的一半，而使用煤气后生成的超临界二氧化碳则比使用原油和天然气的高得多。

5 煤层气开发利用策略

5.1 强化互通、储气调峰等能力，提高利用效率

5.1.1 加快煤层气管网企业的公平改革开放进程

立足于能源管网的组建上，完善煤层气管网公共接入体系，煤层气干线管网、国内和省际管线等对第三方市场的平等放开。进一步完善开放市场监管制度，并实施更为精细、操作性更强的市场监管政策。制定推行煤层气安全计价制度，体现平等的契约原则，加大对违法行为的管理和惩处力度，构建公平的市场竞争机制，避免出现重复开发和同质化竞争，形成差异化竞争参与体制，推动长途运输管网互联互通和外输管网共建，增强煤层气供给服务功能[3]。

5.1.2 加快储气调峰设施的建设进程，强化峰谷调节能力

加大对储气调峰的运营能力建设力度，实现对储气调峰运营方式的有效整合，引导社会各种投入的主体企业协同投资建造储气设施，因地制宜建立地下储气库，并引导中石油、中国城市煤气等在全国重点的矿场建立相关工厂，形成多元化的储存系统，进而推动储气设施的规模化、集成化经营建设进程。