【正文】 合評價 10 點(diǎn)科技攻關(guān) ， 在抽放技術(shù) 和裝備等方面取得重要進(jìn)展。② 瓦斯抽放裝備方面 ： 成功研制了專用系 列全液壓鉆機(jī)及定向鉆進(jìn)鉆具、瓦斯抽放系統(tǒng)安全裝置、抽放系統(tǒng)及泵站監(jiān)測系統(tǒng)等。這些專用設(shè)備與技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用， 進(jìn)一步 推動了我國煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)利用工作的進(jìn)展。 先后施工了 287口評價測試井和采氣試驗(yàn)井 并通過國家“ 六五 ” 、 “ 七五 ” 、 “ 八五 ” 、 “ 九五 ” 、 “ 十五 ”煤層氣攻關(guān)項(xiàng)目及國家 “ 973” 煤層氣項(xiàng) 目， 基本掌握了煤層氣的賦存分布規(guī)律、資源評價 技術(shù)、儲層測試及數(shù)值模擬技術(shù)， 初步建立了煤層 氣資源數(shù)據(jù)庫， 嘗試了不同的開采技術(shù)方法。 中國礦業(yè)大學(xué) 11 3 研究意義 研究意義 我國豐富的煤層氣是一種最現(xiàn)實(shí)的戰(zhàn)略資源。無論從資源還是借鑒國外煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)來看，我國煤層氣都有形成新型產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)實(shí)潛力。具體來講，本文研究內(nèi)容主要包括以下四方面 : 1. 從煤礦區(qū)煤層氣涵義界定出發(fā)，圍繞煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)利用策略、利用技 術(shù)現(xiàn)狀、綜合評價方法三個層次對煤礦區(qū)煤層氣相關(guān)研究領(lǐng)域進(jìn)行系統(tǒng)地回顧和介紹。 2. 對煤礦區(qū)煤層氣利用進(jìn)行系統(tǒng)分析， 展開對煤礦區(qū)煤層氣利用技術(shù)評價關(guān)注點(diǎn)進(jìn)行探索，重點(diǎn)分析了煤礦區(qū)煤層氣利用技術(shù)特征 。 3. 對綜合評價 進(jìn)行了詳細(xì)的 理論分析 4. 選取技術(shù)最成熟、市場應(yīng)用最廣泛、最具典型代表性的煤礦區(qū)煤層氣 開發(fā)利用技術(shù)作為評價對象，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會四個維度對 煤礦區(qū)煤層氣進(jìn)行量化評價，并進(jìn)行多因素情景分析， 分別考慮不同政策激勵情景下對煤礦區(qū)的煤層氣的開發(fā)利用及綜合評價方法進(jìn)行分析論述 技術(shù)路線 煤礦區(qū)煤層氣利用技術(shù)綜合評價 12 圍繞 所述的研究內(nèi)容，本論文的技術(shù)路線如圖所示 ： 本 文收集了近年來關(guān)于煤礦區(qū)煤層開發(fā)利用技術(shù)及綜合評價方法的數(shù)據(jù)、圖表、資料，并將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行重新歸納整理，運(yùn)用統(tǒng)計學(xué)、歸納學(xué)研究方法對煤礦區(qū)煤層開發(fā)利用技術(shù)及綜合評價方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析與論述，讓讀者對其有了具體的了解。為更清晰了解本文研究對象，本論文研究在開篇將煤層氣涵義進(jìn)行界定，以便更好地討論煤礦區(qū)煤層氣相關(guān)問題 煤層氣涵義和分類 根據(jù) 1994 年版《中國小百科 全書》 [9]中有關(guān)煤成氣定義可知，煤成氣可分為兩個大類，即煤生氣和煤層氣。而煤層氣是基本上未逸散運(yùn)移出煤層生氣層的、以吸附或游離狀態(tài)賦存于煤層及周圍巖石中的煤成氣。 寧成浩 (2021)按照煤層氣采收 方式的不同，將煤層氣分為兩大類，即煤層甲烷氣 (Coal Bed Methane，簡 稱 CBM，也稱地面煤層氣 )和煤礦瓦斯 (Coal Mine Methane，簡稱 CMM，也稱煤礦煤層氣 )。 CBM 回收的目的，一方面是考慮其可作為天然氣替代能源進(jìn)行利用，另一方面是出于滿足日后煤礦正常安全生產(chǎn)的需要，必須對要開采煤層中的甲烷進(jìn)行預(yù)抽。在煤礦實(shí)際生產(chǎn)過程中，出于安全與能源利用的考慮，必須對煤礦瓦斯抽采或者強(qiáng)制通風(fēng)排放，因 此 CMM 又可以分為煤礦抽采瓦斯 (Coal Mine Methane drained，簡 寫 CMMd)和煤礦風(fēng)排瓦斯 (Ventilation Mine Methane，簡 寫 VMM)，如表所示。一般將抽采煤層氣和報廢礦井煤層氣統(tǒng)稱為煤礦區(qū)煤層氣。其中，未開發(fā)煤層氣 (VCBM)與采煤過程沒有聯(lián)系，常與石油工業(yè)聯(lián)系，以地面 鉆井抽放為主 。 CMM 主要是在伴隨煤炭開采過程，煤炭開采前、采中、采后從煤體或圍巖中抽取煤層氣。 學(xué)者們關(guān)于煤層氣的分類方式大同小異，在本論文研究中，筆者采用寧成浩學(xué)者關(guān)于煤層氣的分類方式。依據(jù)煤層氣的涵義和分類，煤礦區(qū)煤層氣又稱煤礦瓦斯，是一種與采煤活動密切相 關(guān)的煤層氣資源，開發(fā)對象是即將或己進(jìn)行煤層開采的礦井或廢棄礦井中的煤層吸附甲烷。 煤層氣（ CBM） 未開發(fā)煤層氣（ VCBM） 煤礦區(qū)煤層氣（ CMM） 抽 放 煤 層 氣（ CMMd） 廢氣礦井煤層氣（ AMM） 風(fēng)排煤層氣（ VAM） 煤礦區(qū)煤層氣利用技術(shù)綜合評價 16 煤礦區(qū)煤層氣的特征 : (l) 煤礦生產(chǎn)中是一種有害氣體，對煤礦安全生產(chǎn)造成巨大威脅 。 (3) 一種溫室氣體，它的溫室效應(yīng)是二氧化碳的 21 倍。本論文主要以煤礦區(qū)煤層氣為研究對象，針對采煤過程中煤礦區(qū)煤層氣利用問題進(jìn)行研究 煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)利用策略綜述 全球煤層氣資源豐富，根據(jù)國際能源署 (IEA)的統(tǒng)計資料，全球煤層氣資源 量可能超過 260 萬億立方米。其中以美國、加拿大、澳大利亞及中國最為突出。從 1983 年到 2021 年，美國煤層氣年產(chǎn)量從 億立方米猛增至 590 億立方米，如圖 2— 3 所示。煤層氣占美國氣體能源 (天然氣 )總量 的 8%— 10%，成為國內(nèi)中國礦業(yè)大學(xué) 17 重要的能源資源。在環(huán)境政策上，美國強(qiáng)制性要求采煤企業(yè)在采煤過程中必須達(dá)到一定抽采率，核準(zhǔn)甲烷排放量 。并 利用征收的排污費(fèi)建立煤層氣開發(fā)利用補(bǔ)貼資金。關(guān)于稅收補(bǔ)貼方面，美國《能源意外獲利法》第 29 條規(guī)定，非常規(guī)能源開發(fā)用單位產(chǎn)量的所得稅補(bǔ)貼值形式表示，補(bǔ)貼值隨產(chǎn)量 變化而變化，補(bǔ)貼率隨通貨膨脹指數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使企業(yè)從中獲得巨大經(jīng)濟(jì)收益 。在技術(shù)政策上，以美國能源部、 環(huán)保局和天然氣研究所為代表的政府機(jī)構(gòu)，先后投入 60 多億美元支持有關(guān)研究機(jī) 構(gòu)和技術(shù)咨詢公司開展大量煤層氣科學(xué)研究和試驗(yàn)工作。到了 2021 年，煤層氣生產(chǎn)井已達(dá) 2900 多口，年產(chǎn)量達(dá)到 億立方米，截止到 2021 年底，加拿大煤層氣產(chǎn)量為 70 億立方米，煤層氣的 發(fā)展進(jìn)入了一個新階段。加拿大政府沒有專門為煤層氣產(chǎn)業(yè)出臺優(yōu)惠的稅費(fèi)政策，但政府部門在產(chǎn)業(yè)管理中的職責(zé)明確分工和對產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢和投資方向及時引導(dǎo)，為加拿大煤層氣產(chǎn)業(yè)形成靈活的市場機(jī)制發(fā)揮著重要的作用。另外，也有學(xué)者認(rèn)為加拿大煤層氣礦權(quán)管理模式和資料共享制度為其煤層氣產(chǎn)業(yè)在技術(shù)成熟后的快速發(fā)展提供了保證條件。澳大利亞的煤層氣勘探工作始于 1976 年， 1998 年的產(chǎn)量只有 億立方米，到 2021 年底煤層氣產(chǎn)量約為 18 億立方米，截 止到 2021 年底，澳大利亞煤層氣產(chǎn)量為 30 億立方米，己進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)化開發(fā) 階段。政府設(shè)置了煤炭開采前必須將煤層瓦斯含量降低到 3 立方米 /噸以下的規(guī)則，一方面 完全保證了煤炭開發(fā)的安全，另一方面通過“先采氣、后采煤”大大促進(jìn)了 煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，很好地解決了煤層氣開發(fā)和煤炭開采之間的矛盾，煤炭企業(yè)對煤層氣開發(fā)保持一種歡迎和支持的態(tài)度。 (四 ) 其他國家 其他國家為了鼓勵本國的煤層氣開發(fā)利用，也制定了許多對策。此外，煤層氣已經(jīng) 依據(jù)《石油和天然氣法》納入天然氣的定義和管理范疇， 從法律上擴(kuò)展了天然氣的定義。德國 2021 年生效的《可再生能源法》，給予 煤層氣發(fā)電極大優(yōu)惠，并鼓勵企業(yè)在相關(guān)設(shè)備上開展中長期投資。俄羅斯和烏克蘭也正在 制定一些稅收優(yōu)惠政策和管理法規(guī)，鼓勵外國公司投資開發(fā)本國的煤層氣資源。1957 年，陽泉礦務(wù)局四礦試驗(yàn)成功了鄰近層抽采煤層 氣的方法。1993 年，井下抽放系統(tǒng)年抽采量達(dá) 億立方米，部分 地區(qū)開始用于工業(yè)和民用取暖。 2021 年，全國范圍內(nèi)涉及民用、發(fā)電、工業(yè)燃料等方面利用量達(dá) 25 億立方米，如圖 2— 7 所示。在制裁方面，對不符合安全生產(chǎn)、抽采不達(dá)標(biāo)的煤礦依法予以整頓關(guān)閉 。煤層中噸煤瓦斯含量必須降到規(guī)定保準(zhǔn)以下，方可實(shí)施煤炭 開采 。在鼓勵方面，出臺了一系列優(yōu)惠政 策，例如銷售煤層氣 (煤礦瓦斯 )增值稅先征后返、免征所得稅、加速抽采設(shè)備 折舊、煤層氣 (煤礦瓦斯 )利用財政補(bǔ)貼、鼓勵煤層氣 (煤礦瓦斯 )發(fā)電上網(wǎng)和 優(yōu)惠電價等優(yōu)惠政策。如今，煤礦區(qū)煤層氣利用技術(shù)處于不斷發(fā)展中。煤礦區(qū)煤層氣的利用途徑主要有 :l)民用 :將開采的煤層氣經(jīng)加壓后輸入天然氣管道，然后輸 向全國各地。 2)發(fā)電 :美國國會通過的《 1992 年能源政策法》 1605(b)款規(guī)定，電力部門若從燒煤轉(zhuǎn)為燒 煤層氣、減少二氧化碳排放時，可得到優(yōu)惠貸款，并能獲得政府規(guī)定的補(bǔ)貼率為中國礦業(yè)大學(xué) 21 美元 /KH 的能源補(bǔ)貼費(fèi)。 4)燃燒 :對于采空區(qū)煤層氣，大多數(shù)情況下這種 煤層氣中甲烷含量和數(shù)量多變，是一種很難利用或無經(jīng)濟(jì)利用價值的氣體，燃燒煤層氣是減少煤礦甲烷排放的一種經(jīng)濟(jì)可行的辦法。 (二 ) 加拿大 加拿大煤層氣開發(fā)比較晚，其起步時間基本與中國開展煤層氣工作的時間相當(dāng)。2021 年以后，利用北美地區(qū)常規(guī)天然氣儲量和產(chǎn)量下降，供應(yīng)形勢日 趨緊張，天然氣價格日益上升給煤層氣帶來的機(jī)遇，在政府支持下，展開對煤層氣系列技術(shù)研究。 (三 ) 澳大利亞 除美國之外，澳大利亞擁 有最商業(yè)化的先進(jìn)煤礦區(qū)煤層氣工業(yè)，并且是世界上最大的煤礦區(qū)煤層氣發(fā)電項(xiàng)目的所在地。此外，位于 Appin 現(xiàn)場的 54 臺發(fā)動機(jī)采用礦井乏風(fēng)作為燃燒氣體， 以利用礦井乏風(fēng)中的甲烷氣體。英國的礦井煤層氣抽采和利用已有多年歷史，生產(chǎn)的煤層氣主要用作鍋爐燃?xì)饣蚬?給建在礦區(qū)的煤層氣電站，少量民用。在德國，煤層氣工業(yè)集中于兩種煤層氣利用，一是煤炭開采過程中的煤層氣，二是廢棄煤礦煤層氣。 2021 年 4 月 1 日，德國聯(lián)邦政府為了鼓勵煤層氣工業(yè)利用，頒布一項(xiàng)特別法律 :煤層氣公司生 產(chǎn)的瓦斯每發(fā) 1 度電，由電力公司另外多付給煤層氣公司 8 歐分。 在波蘭，生產(chǎn)礦區(qū)內(nèi)約 10 個煤礦區(qū)煤層氣項(xiàng)目正在開展。 42 個煤礦建有煤層氣抽采系統(tǒng)， 煤礦區(qū)煤層氣利用集中在發(fā)電、供熱 /鍋爐燃料、工業(yè)應(yīng)用、車用燃料方面。目前國內(nèi)有七個 CMM 回收項(xiàng)目在生產(chǎn)礦井開展， 其中四個項(xiàng)目在伯朝拉盆地和一個在庫茲巴斯盆地，主要用來提供鍋爐燃料。 國內(nèi)煤礦區(qū)煤層氣利用技術(shù)現(xiàn)狀綜述 目前，中國煤礦區(qū)煤層氣利用方式主要集中在民用、發(fā)電、化工原料和汽車燃料等。煤層氣作為民用燃料，和煤炭比較具有熱值高、污染少，節(jié)能效果顯著，對居住環(huán)境改善較明顯，社會效益、環(huán)境效益好。 （二） 發(fā)電技術(shù) 煤層氣發(fā)電技術(shù)在國內(nèi)已有十幾年的發(fā)展。隨著技 術(shù)發(fā)展，也出現(xiàn)專門用于煤層氣發(fā)電的煤層氣發(fā)電機(jī)組。 ①蒸汽輪機(jī)發(fā)電技術(shù) :蒸汽輪機(jī)發(fā)電技術(shù)原理是在常壓下使用煤層氣作為鍋 爐燃料，燃?xì)忮仩t產(chǎn)生蒸汽，由它驅(qū)動發(fā)電設(shè)備。但它運(yùn)行熱效率低，需要對鍋爐用水的軟化處理，鍋爐房較大的土建工程加大了土建投資。只有當(dāng)產(chǎn)氣量特別大且供氣年限長的情況下，才 選擇蒸汽輪機(jī)發(fā)電。出于安全考慮，用于燃?xì)廨啓C(jī)的煤層氣中甲烷濃度應(yīng)在 40%以上。但是燃?xì)廨啓C(jī)需要高壓燃料，除直接有高壓天然氣管道供氣中國礦業(yè)大學(xué) 23 外，須在燃?xì)廨啓C(jī)前增加加壓設(shè)備將壓力提高到 ，并需設(shè)高壓勻壓箱，壓縮機(jī)的高溫還需用冷卻器降溫。國外該項(xiàng)技術(shù)廠商較多， 如 GE、 Solar 等，國內(nèi)撫順礦務(wù)局老虎臺礦采用的是 KGZ— 3C 型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電設(shè)備。 ③燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電技術(shù) :內(nèi)燃機(jī)技術(shù)原理是甲烷 (天然氣、煤層氣、礦井瓦 斯、垃圾填埋氣等 )與空氣混合至爆炸限 (5— 15%)，在防爆氣缸內(nèi)爆燃做功，推 動活塞運(yùn)動，從而帶動同步發(fā)電機(jī)發(fā)電。另一種是狄塞爾雙燃料發(fā)動機(jī)。相對于其他燃煤層氣發(fā)電技術(shù)，發(fā)電效率高，通 常在 32%— 40%。但是一次性投資高，維修費(fèi)昂貴。美國的卡特彼勒、康明斯、荷蘭的瓦西蘭等國外公司以及國內(nèi)勝動集團(tuán)、啟東市寶駒動力機(jī)械廠等有能力提供成套的煤層氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組。主要工藝原理是，甲烷經(jīng)水蒸汽或空氣催化部分氧化法重整所得的合成氣，即一氧化碳和氫氣的混和物，在鋁、鋅、銅催化劑作用下生成甲醇、合成氨等。目前，以高濃度煤礦區(qū)煤層氣作為源頭生產(chǎn)甲醛等化工產(chǎn)品時，還面臨著經(jīng)濟(jì)性的問題，首先煤礦區(qū)煤層氣要達(dá)到合成氣要求，需要凈化富集系統(tǒng)，否則必須考慮其他新技術(shù)，如中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所開發(fā)的超臨界相合成工藝等 ?；茨现x二礦曾 用礦井抽放瓦斯生產(chǎn)甲醛，但因抽放量不穩(wěn)定以及生產(chǎn)設(shè)備達(dá)不到滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)化率、吸收率均較低，很難體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益。此項(xiàng)技術(shù)要求瓦斯?jié)舛容^高，如白岌溝礦氣爐法炭黑 裝置要求瓦斯?jié)舛炔坏陀?84%。 LCBM 工藝比通常的液化天然氣 (LNG)工藝相對簡單，因?yàn)槊簩託庵袔缀醪缓瑲?、?和重?zé)N。運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)可靠，儲存效率高、占地少、主要設(shè)備國產(chǎn)化、投資省等特點(diǎn)，使得煤層氣液化越來越受到企業(yè)和國家的重視。 (五 ) 車用燃料技術(shù)腳 ] 我國曾于上世紀(jì)五六十年代利用礦井瓦斯作為汽車燃料替代緊缺的汽油，取得很好的經(jīng)濟(jì)效益，并在汽車燃料供給、燃燒系統(tǒng)的改裝上積累了許多實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。改用煤層氣燃 料的車輛純煤層氣耗量為 立方米 /公里，一年內(nèi)節(jié)省汽油 噸。改 裝后的汽車耗瓦斯 (混量 ) 立方米 /公里 (純瓦斯耗量 立方米 /公里 )。另一方面，受經(jīng)濟(jì)性影響，不可能將低濃度瓦斯凈化富集到代 用天然氣，這也限制了瓦斯車用的規(guī)模。目前評價問題研究大致可分為兩類，一類主要是對評價指標(biāo)體系的研究，一類主要是對評價方法的研究。因?yàn)榍罢呤墙鉀Q (某類 )個性問題，后者針對評價中的 共性問題。 中國礦業(yè)大學(xué) 25 各領(lǐng)域綜合評價方法綜述 常見的評價方法大致可以分為 9 類