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張立寬:淺談開發利用煤層氣的現實意義
字號:[    ] 發布時間:2019-12-24 10:01:58 來源:中國礦業報

  2019年10月11日,李克強總理在國家能源委員會會議上指出,根據我國以煤為主的能源資源稟賦,科學規劃煤炭開發布局,加快輸煤輸電大通道建設,推動煤炭安全綠色開采和煤電清潔高效發展,有效開發利用煤層氣。

  近日,國家發展改革委印發《產業結構調整指導目錄(2019年本)》,其中鼓勵類項目包括煤層氣勘探、開發、利用和煤礦瓦斯抽采、利用。實踐證明,煤層氣的開發利用具有多重價值,不但可以大幅降低煤礦瓦斯事故率、減少礦排溫室氣體,還可作為潔凈能源產生巨大的經濟效益,對保障能源安全和降低天然氣對外依存度具有十分重要意義。

  “瓦斯”是煤礦重特大事故的主要災害源

  煤層氣在煤礦俗稱“瓦斯”,是與煤伴生的獨立礦種,屬非常規天然氣,是近20年在國際上崛起的潔凈、優質能源和化工原料。煤層氣以甲烷為主要成分,是儲存在煤層中、以吸附在煤基質顆粒表面為主、部分游離于煤體孔隙中的烴類氣體。煤層氣熱值是通用煤的2-5倍,1立方米純煤層氣的熱值相當于1.13千克汽油、1.21千克標準煤,其熱值與天然氣相當,可以與天然氣混輸混用,而且燃燒后幾乎不產生任何廢氣,是很好的化工原料、發電和居民生活燃料。

  作為煤礦“瓦斯”的煤層氣,長期以來是煤礦重特大事故的主要災害源,由此導致的事故主要包括瓦斯爆炸事故和煤與瓦斯突出事故。我國國有煤礦的46%為高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井,瓦斯事故發生時會誘發頂板、火災或透水等次生事故,煤礦重特大事故中瓦斯事故比例極高。其中,瓦斯突出是一種地質災害,在大量的有害氣體瞬間涌入后,會使人窒息,但不一定會發生爆炸。瓦斯爆炸則有三個關鍵點:一是空氣中氧氣含量達到12%以上,二是瓦斯中甲烷濃度達到5%-16%之間,三是有明火,點火溫度達到650度以上。實踐證明,煤礦開采深度越深,瓦斯瞬間釋放的能量也會越大。目前,我國東部礦區煤礦開采深度逐年加大,瓦斯事故風險越來越高。

  為有效治理瓦斯事故,我國煤礦安監部門先后制定了煤礦瓦斯治理“先抽后采,監測監控,以風定產”的“十二字方針”和“通風可靠,抽采達標,監控有效,管理到位”的“十六字體系”,但究其根本出發點來看,更多地還是聚焦在預防瓦斯事故。目前,我國煤層氣年抽采(井下和地面)量已接近200億立方米。2018年煤礦百萬噸死亡率下降至0.093,瓦斯事故死亡58人,煤層氣抽采使我國煤礦瓦斯事故得到了有效遏制。

  加強對煤層氣開發利用可實現變害為寶

  煤層氣在煤礦的危害,除了會釀成瓦斯爆炸或瓦斯突出事故以外,抽放排空還會造成對大氣環境的嚴重破壞。加強對煤層氣的開發利用,不但可以遏制瓦斯事故,還可以減排溫室氣體,作為潔凈能源也有巨大的經濟效益。

  與國際比較,我國煤層氣賦存條件相對較差,同時受地質條件復雜和適應性技術不到位等的影響,目前煤層氣總體產量和利用率還比較低,特別是對于低濃度煤層氣,很多煤礦僅僅實現了抽放排空,沒有得到合理有效利用,而且造成嚴重的大氣污染和溫室效應。通常,煤礦瓦斯抽采濃度高于8%的瓦斯,可用于發電、民用或工業生產,而濃度低于8%的瓦斯則會直接排空,預計每年我國約有100億立方米的煤礦抽采瓦斯和200億立方米的通風排放瓦斯因利用困難而直接排空,其溫室效應是二氧化碳的21倍。

  當前,煤層氣作為氣體能源家族三大成員之一,與天然氣、天然氣水合物的勘探開發一樣,日益受到世界各國的重視。從世界范圍來看,全球埋深淺于2000米的煤層氣資源約為240萬億立方米。美國是世界上煤層氣商業化開發最成功的國家。據BP的分析,預計2040年前后世界一次能源消費結構中天然氣的占比將逐步超過煤炭和石油。

  據統計,我國煤層氣地質資源量位居世界第三,居于俄羅斯、美國之后,占世界煤層氣總量的12%。我國42個主要含煤盆地埋深2000米以淺的煤層氣地質資源量36.81萬億立方米,資源豐度0.98億立方米/平方千米,埋深1500米以淺的煤層氣可采資源量達10.87萬億立方米,3000米以內的遠景資源量達55.2萬億立方米。內蒙古、新疆、山西、貴州和云南等三省兩區因得天獨厚的地質資源條件,是我國最具有規;_采煤層氣、發展煤層氣產業的地區。

  2018年,我國一次性能源消費結構中,煤炭占59%,石油占18.9%,天然氣僅占7.8%,天然氣消費占比遠低于近24%的世界平均水平。2018年,我國天然氣消費達到2808億立方米,其中國內產量1603億立方米,凈進口量達1205億立方米,對外依存度已經超過45%。隨著對生態環境保護的要求越來越高,終端能源需求逐步向優質高效潔凈能源轉化,天然氣的需求將繼續迅猛增長。因此,開發利用煤層氣可使燃氣在能源消費構成中的比重大大提高,對保障能源安全具有重要意義。

  我國煤層氣清潔高效利用簡況

  我國《煤層氣(煤礦瓦斯)開發利用“十三五”規劃》提出,到2020年建成2-3個煤層氣產業化基地;煤層氣抽采量達到240億立方米,其中地面煤層氣產量100億立方米,利用率90%以上;煤礦井下瓦斯抽采140億立方米,利用率50%以上;煤礦瓦斯發電裝機容量280萬千瓦,民用超過168萬戶。在優質高效潔凈能源需求日益增長的今天,國家及有關省區已出臺多項政策來積極扶持、推動發展煤層氣產業,特別是在煤炭主產區,推動實現煤層氣與煤炭資源的共采。

  當前,煤層氣清潔高效利用的形式比較多,但常見的有瓦斯發電、工業用氣、集中供熱、機械動力、汽車動力、家庭炊事等。簡而言之,凡是用天然氣的地方,都可以用煤層氣作為替代。長期以來,國外對我國煤層氣鉆采技術實行嚴格封鎖和保密。經過20多年探索,我國煤層氣開發和煤礦瓦斯抽采取得了長足進展,初步形成了一系列勘探、開采和利用的工藝技術,不少煤層氣企業找到了適合自己的開采方式。

  低濃度瓦斯發電項目可為煤礦提供熱、電、冷等多種產品,以解決煤泥烘干、井筒加熱、生產用電、生產生活用熱、制冷等問題,同時運行過程不產生固體廢物和廢水,產生的廢氣經由原來燃煤鍋爐排氣筒排出。由于它能將瓦斯的主要成分甲烷充分熱分解,排出的氣體成分和空氣十分接近。據了解,目前北京揚德環境科技股份有限公司、山東淄博新能源公司和勝動公司等致力于低濃度瓦斯利用技術的研發和應用。

  山西省是煤層氣綜合利用比較成功的省份,山西省的煤層氣地面抽采量占到全國總量的90%。山西晉城是全國最早開發利用煤層氣的地區,境內的晉煤集團已經形成了“煤層氣、天然氣、焦爐煤氣”多氣元開發利用體系,其倡導的“井上井下聯合、采煤采氣一體”模式特色鮮明,即通過地面打井與煤礦井下抽取相結合,實現煤炭和瓦斯的邊采邊抽。如今,沁水煤田已成為我國煤層氣開發程度最高、生產活動最活躍的地區之一,擁有煤層氣生產井11000余口。

  安徽的兩淮礦區示范工程也成功實現了兩淮礦區松軟煤層條件下瓦斯安全高效抽采,大幅提高了兩淮礦區煤炭產量、瓦斯抽采量和瓦斯抽采率,為全國同類條件礦區安全高效瓦斯抽采提供了成功借鑒和技術保障,該模式已推廣至全國10 多個礦區100 多個礦井。

  不久前,甘肅蘭州市紅古區海石灣煤礦地面煤層氣抽采項目圓滿結束,標志著甘肅省真正擁有了自己的第一口煤層氣井。據甘肅煤田地質局黨委書記、局長王永超介紹,該井的目的煤層為中侏羅統窯街組煤二層,埋深適中、含氣量大、資源豐度值高、賦存條件好,具有良好的煤層氣開發前景。

  此外,云南、貴州、四川、新疆、內蒙古等省區,煤層氣開發利用也取得了不俗的業績。

  當前煤層氣開發利用問題與建議

  “十三五”以來,雖然煤層氣開發利用取得了長足進展,但也面臨諸多問題,突出表現為礦業權壟斷,社會資本難以進入;地方投入與收入嚴重不匹配,煤權和氣權歸屬不統一,造成經濟糾紛和安全隱患;資源總體探明率低,后備資源嚴重不足,總體投資力度明顯走弱;已開發區低產井占比大,產能轉化率低、資源動用率低、單井產量低;適用不同地質條件的勘探開發技術尚未形成等等。對此,筆者提出下述建議,謹供有關部門決策參考。

  首先,建議國家理順礦產資源監管體制,特別是落實“三氣共采”(煤層氣、致密氣、頁巖氣)協調開發,成為目前當務之急。新設礦業權應依法優先出讓給具有技術、人才、財力和經驗的企業,向構造煤、大埋深煤、高應力煤要資源,向廢棄煤礦井、采動區要資源,推進煤層氣、致密氣、頁巖氣“三氣共采”和一體化發展。同時,建立煤層氣開采權定期退出機制,積極引進社會資本,打破壟斷僵局。

  其次,建議有關部門統籌協調煤層氣開發企業與煤炭生產企業之間的合作,統籌煤氣一體化協調開發,統籌考慮礦井內煤、水、氣乃至地下空間資源的合理利用,并通過數據資產化、管理算法化、運營精準化,使開發企業獲得相應的經濟效益,并產生更大更好的社會效益。

  三是在國家層面實施大型煤層氣田國家重大科技專項并設立勘探開發創新專項基金,支持煤層氣勘探開發的基礎理論研究和開發利用工藝的探索和研究。由國家煤層氣質檢中心、煤與煤層氣共采和煤炭資源開發與安全開采國家重點實驗室牽頭,承擔國家煤層氣重大科技研發任務,加快推動煤層氣理論創新和技術創新。數據顯示,“十三五”期間,國家重大科技專項中煤層氣的項目數量和中央財政資金投入較“十二五”期間分別下降37.5%和49%。建議在國家科技重大專項上持續加以扶持,根據實際資源狀況,按大盆地、大區域,分類進行聯合攻關,首先解決占我國煤層氣資源多數的、難采氣田的有針對性技術問題。

  總之,從長遠和綜合來看,推進科技進步和市場化開發是我國煤層氣產業發展的兩個重要引擎,是煤層氣產業發展的雙翼。要聚焦煤層氣科技瓶頸問題,加強基礎研究和示范工程攻關,逐步探索適合我國各類煤層氣資源的系列技術、工藝、裝備;培育并建立煤層氣市場化開發機制,積極引進社會資本,打破僵化壟斷局面,支持有條件的煤層氣企業上市融資,有效提高煤層氣產業的經濟效益和社會效益,最終為我國生態文明建設和保障能源安全、能源有效供給做出應有貢獻。

(作者單位:國家能源局中電傳媒能源情報研究中心)

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