煤层气是可以变害为宝的清洁能源

能源研究俱乐部 综合,  其他 2019-12-09 17:05:53
     

2019年10月11日,国家能源委员会会议指出,根据中国以煤为主的能源资源禀赋,科学规划煤炭开发布局,加快输煤输电大通道建设,推动煤炭安全绿色开采和煤电清洁高效发展,有效开发利用煤层气。


日前,国家发展改革委印发《产业结构调整指导目录(2019年本)》,其中鼓励类项目包括煤层气勘探、开发、利用和煤矿瓦斯抽采、利用。实践证明,煤层气的开发利用具有多重价值,不但可以大幅降低煤矿瓦斯事故率、减少矿排温室气体,还可作为洁净能源产生巨大的经济效益,对保障能源安全和降低天然气对外依存度具有十分重要意义。


一、“瓦斯”是煤矿重特大事故的主要灾害源


煤层气在煤矿俗称“瓦斯”,是与煤伴生的独立矿种,属非常规天然气,是近20年在国际上崛起的洁净、优质能源和化工原料。煤层气以甲烷为主要成分,是储存在煤层中、以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤体孔隙中的烃类气体。煤层气热值是通用煤的2~5倍,1立方米纯煤层气的热值相当于1.13千克汽油、1.21千克标准煤,其热值与天然气相当,可以与天然气混输混用,而且燃烧后几乎不产生任何废气,是很好的化工原料、发电和居民生活燃料。


作为煤矿“瓦斯”的煤层气,长期以来是煤矿重特大事故的主要灾害源,主要包括瓦斯爆炸事故、煤与瓦斯突出事故。中国国有煤矿的46%为高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井,瓦斯事故发生时会诱发顶板、火灾或透水等次生事故,煤矿重特大事故中瓦斯事故比例极高。其中,瓦斯突出是一种地质灾害,在大量的有害气体瞬间涌入后,会形成窒息,但不一定会发生爆炸。瓦斯爆炸则有三个关键点:一是空气中氧气含量达到12%以上,二是瓦斯中甲烷浓度5%~16%之间,三是有明火,点火温度达到650度以上。实践证明,煤矿开采深度越深,瓦斯瞬间释放的能量也会越大。目前,中国东部矿区煤矿开采深度逐年加大,瓦斯事故风险越来越高。


为有效治理瓦斯事故,中国煤矿安监部门先后制定了煤矿瓦斯治理“先抽后采,监测监控,以风定产”的“十二字方针”和“通风可靠,抽采达标,监控有效,管理到位”的“十六字体系”,但究其根本出发点来看,更多地还是聚焦在预防瓦斯事故。目前,中国煤层气年抽采量(井下和地面)已接近200亿立方米,2018年煤矿百万吨死亡率下降至0.093,瓦斯事故死亡58人,煤层气抽采使中国煤矿瓦斯事故得到了有效遏制。


二、加强对煤层气开发利用可实现变害为宝


煤层气在煤矿的危害,除了会酿成瓦斯爆炸或瓦斯突出事故以外,抽放排空还会造成对大气环境的严重破坏。加强对煤层气的开发利用,不但可以遏制瓦斯事故,还可以减排温室气体,作为洁净能源也有巨大的经济效益。


与国际比较,中国煤层气赋存条件相对较差,同时受地质条件复杂和适应性技术不到位等影响,煤层气目前总体产量和利用率还比较低,特别是对于低浓度煤层气,很多煤矿仅仅实现了抽放排空,没有得到合理有效利用,而且造成严重的大气污染和温室效应。通常,煤矿瓦斯抽采浓度高于8%的瓦斯,可用于发电、民用或工业生产,而浓度低于8%的瓦斯则会直接排空。预计每年中国约有100亿立方米的煤矿抽采瓦斯和200亿立方米的通风排放瓦斯因利用困难而直接排空,其温室效应是二氧化碳的21倍。


当前,煤层气作为气体能源家族三大成员之一,与天然气、天然气水合物的勘探开发一样,日益受到世界各国的重视。从世界范围来看,全球埋深浅于2000米的煤层气资源约为240万亿立方米,美国是世界上煤层气商业化开发最成功的国家。


据统计,中国煤层气地质资源量位居世界第三,居于俄罗斯、美国之后,占世界煤层气总量的12%。中国42个主要含煤盆地埋深2000米以浅的煤层气地质资源量36.81万亿立方米,资源丰度0.98亿立方米/平方千米,埋深1500米以浅的煤层气可采资源量达10.87万亿立方米,3000米以内的远景资源量达55.2万亿立方米。内蒙古、新疆、山西、贵州和云南等地因得天独厚的地质资源条件,是中国最具有规模化开采煤层气、发展煤层气产业的地区。


据BP的分析,预计2040年前后世界一次能源消费结构中天然气的占比将逐步超过煤炭和石油。2018年,中国一次性能源消费结构中,煤炭占59%,石油占18.9%,天然气仅占7.8%,天然气消费占比远低于近24%的世界平均水平。2018年,中国天然气消费达到2808亿立方米,其中国内产量1603亿,净进口量达1205亿,对外依存度已经超过43%。随着对生态环境保护的要求越来越高,终端能源需求逐步向优质高效洁净能源转化,天然气的需求将继续迅猛增长。因此,开发利用煤层气可使天然气在能源消费构成中的比重大大提高,对保障能源安全具有重要意义。


三、煤层气清洁高效利用现状分析


中国《煤层气(煤矿瓦斯)开发利用“十三五”规划》提出,到2020年建成2~3个煤层气产业化基地;煤层气抽采量达到240亿立方米,其中地面煤层气产量100亿立方米,利用率90%以上;煤矿井下瓦斯抽采140亿立方米,利用率50%以上;煤矿瓦斯发电装机容量280万千瓦,民用超过168万户。在优质高效洁净能源需求日益增长的今天,国家及有关省区已出台多项政策来积极扶持、推动发展煤层气产业,特别是在煤炭主产区,推动实现煤层气与煤炭资源的共采。


长期以来,国外对中国煤层气钻采技术实行严格封锁和保密。经过20多年探索,中国煤层气开发和煤矿瓦斯抽采取得了长足进展,初步形成了一系列勘探、开采和利用的工艺技术,不少煤层气企业找到了适合自己的开采方式。当前,煤层气清洁高效利用的形式比较多,但常见的有瓦斯发电、工业用气、集中供热、机械动力、汽车动力、家庭炊事等。


低浓度瓦斯发电项目可为煤矿提供热、电、冷等多种产品,以解决煤泥烘干、井筒加热、生产用电、生产生活用热、制冷等问题,同时运行过程不产生固体废物和废水,产生的废气经由原来燃煤锅炉排气筒排出。由于它能将瓦斯的主要成分甲烷充分热分解,排出的气体成分和空气十分接近。


山西省是煤层气综合利用比较成功的省份,山西省的煤层气地面抽采量占到全国总量的90%。山西晋城是全国最早开发利用煤层气的地区,境内的晋煤集团已经形成了“煤层气、天然气、焦炉煤气”多气源开发利用体系,其倡导的“井上井下联合、采煤采气一体”模式特色鲜明,即通过地面打井与煤矿井下抽取相结合,实现煤炭和瓦斯的边采边抽。如今,沁水煤田已成为中国煤层气开发程度最高、生产活动最活跃的地区之一,拥有煤层气生产井11000余口。


安徽的两淮矿区示范工程也成功实现了两淮矿区松软煤层条件下瓦斯安全高效抽采,大幅提高了两淮矿区煤炭产量、瓦斯抽采量和瓦斯抽采率,为全国同类条件矿区安全高效瓦斯抽采提供了成功借鉴和技术保障,该模式已推广至全国10多个矿区100多个矿井。


日前,甘肃兰州市红古区海石湾煤矿地面煤层气抽采项目圆满结束,标志着甘肃省拥有了第一口煤层气井。据甘肃煤田地质局党委书记、局长王永超介绍,该井的目的煤层为中侏罗统窑街组煤二层,埋深适中、含气量大、资源丰度值高、赋存条件好,具有良好的煤层气开发前景。


此外,云南、贵州、四川、新疆、内蒙古等省区,煤层气开发利用也取得了不俗的业绩。


四、当前煤层气开发利用的问题与建议


“十三五”以来,虽然煤层气开发利用取得了长足进展,但也面临诸多问题,突出表现为矿业权垄断,社会资本难以进入;地方投入与收入严重不匹配,煤权和气权归属不统一,造成经济纠纷和安全隐患;资源总体探明率低,后备资源严重不足,总体投资力度明显走弱;已开发区低产井占比大,产能转化率低、资源动用率低、单井产量低;适用不同地质条件的勘探开发技术尚未形成等等。对此,笔者提出下述建议,谨供有关部门决策参考。


首先,建议理顺矿产资源监管体制,特别是落实“三气共采”(煤层气、致密气、页岩气)协调开发成为当务之急。新设矿业权应依法优先出让给具有技术、人才、财力和经验的企业,向构造煤、大埋深煤、高应力煤要资源,向废弃煤矿井、采动区要资源,推进煤层气、致密气、页岩气“三气共采”和一体化发展。同时,建立煤层气开采权定期退出机制,积极引进社会资本,打破垄断僵局。


其次,建议有关部门统筹协调煤层气开发企业与煤炭生产企业之间的合作,统筹煤气一体化协调开发,统筹考虑矿井内煤、水、气乃至地下空间资源的合理利用,并通过数据资产化、管理算法化、运营精准化,使开发企业获得相应的经济效益,并产生更大更好的社会效益。


三是在国家层面实施大型煤层气田国家重大科技专项,并设立勘探开发创新专项基金,支持煤层气勘探开发的基础理论研究和开发利用工艺的探索和研究。国家煤层气质检中心、煤与煤层气共采和煤炭资源开发与安全开采国家重点实验室牵头,承担着国家煤层气重大科技研发任务,要加快推动煤层气理论创新和技术创新。数据显示,“十三五”期间,国家重大科技专项中煤层气的项目数量和中央财政资金投入较“十二五”期间分别下降37.5%和49%,建议在国家科技重大专项上持续加以扶持,根据实际资源状况,按大盆地、大区域,分类进行联合攻关,首先解决占中国煤层气资源多数的、难采气田的有针对性技术问题。


总之,从长远和综合来看,推进科技进步和市场化开发是中国煤层气产业发展的两个重要引擎,是煤层气产业发展的双翼。要聚焦煤层气科技瓶颈问题,加强基础研究和示范工程攻关,逐步探索适合中国各类煤层气资源的系列技术、工艺、装备;培育并建立煤层气市场化开发机制,积极引进社会资本,打破僵化垄断局面,支持有条件的煤层气企业上市融资,有效提高煤层气产业的经济效益和社会效益,最终为中国生态文明建设和保障能源安全、能源有效供给作出应有贡献。


(作者:张立宽;作者单位:能源情报研究中心。本文写作过程中,得到了中联煤层气有限责任公司原董事长孙茂远、中国矿业大学教授林柏泉、中国石油大学教授张遂安、新疆大学煤层气地质学学科带头人教授傅雪海的支持与帮助,在此一并表示感谢。)


(编辑:张素英  审校:张艳)
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