煤矿瓦斯排放与利用(wzf)

煤矿瓦斯排放与利用研究员/博导/国家安全生产专家11/6/20221提纲：一.全国煤矿瓦斯涌排现状与预测二.煤矿瓦斯排放的影响三.煤矿中、低浓度瓦斯治理与利用四.煤矿瓦斯减排与利用CDM研究五.主要结论11/6/20222一、全国煤矿分布及瓦斯涌排现状1.煤矿的分布概况27个省、直辖市、自治区，1264个县均有煤矿分布，占行政区划的44.2%；2007年7月全国共有各类煤矿12577处；57个市县瓦斯灾害比较突出；11/6/20223一、全国煤矿分布及瓦斯涌排现状1.煤矿的分布概况国有重点煤矿总数681处、其中纳入45户重点监控企业的煤矿共414处；国有地方煤矿总数约2210处；全国煤矿中高瓦斯矿井4462处，煤与瓦斯突出矿井911处；11/6/20224一、全国煤矿分布及瓦斯涌排现状1.煤矿的分布概况国有重点煤矿多分布在我国中北部地区；低瓦斯矿井主要分布在我国北部；高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井主要分布在我国中东部、中南和西南部地区；11/6/20225一、全国煤矿分布及瓦斯涌排现状国有重点矿煤炭产量和瓦斯等级分布情况国有重点煤矿产量和瓦斯等级分布概况国有重点煤矿煤炭多产自我国中北部低瓦斯矿井主要分布在我国北部，而高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井主要分布在我国中东部和中南部2003年国有重点煤矿瓦斯涌出量62.3亿m32005年全国煤矿瓦斯涌出量150亿m311/6/20226一、全国煤矿分布及瓦斯涌排现状2.我国煤矿瓦斯涌排情况几乎所有矿井均有瓦斯涌出；2002年初步调查全国煤矿瓦斯涌出量100亿m3；2003年国有重点煤矿瓦斯涌出量约62.3m3；2005年全国煤矿瓦斯涌出量约130-150亿m3；11/6/20227国有重点煤矿中，高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井数量和煤炭产量比例都在50%左右，这使得高瓦斯突出矿井瓦斯涌出量所占比例接近90%。一、全国煤矿分布及瓦斯涌排现状11/6/20228一、全国煤矿分布及瓦斯涌排现状2.我国煤矿瓦斯涌排情况国有重点煤矿瓦斯涌出情况差异较大；除少数煤矿（如晋城、阳泉）外，多数矿井瓦斯涌出较低；高瓦斯，突出矿井平均瓦斯涌出量20Mm3/a左右；低瓦斯矿井平均瓦斯涌出量2Mm3/a左右11/6/20229一、全国煤矿分布及瓦斯涌排现状2.我国煤矿瓦斯涌排情况国有重点煤矿瓦斯涌出量呈逐年增加趋势，这与煤炭产量增加趋势一致；瓦斯涌出量的增幅小于产量的增幅，瓦斯排放系数稳中有降；低瓦斯矿井瓦斯涌出较为稳定，基本上不受煤炭增产的影响；高、突矿井的瓦斯涌出基本上随煤炭产量增加而增加。11/6/202210随着我国煤矿瓦斯抽放技术日臻成熟，我国国有重点煤矿瓦斯抽放量逐年增加。据调研计算结果。2006年全国瓦斯抽放量达到32亿m3，其中国有重点煤矿26亿m3一、全国煤矿分布及瓦斯涌排现状3.国有重点煤矿瓦斯抽放情况11/6/202211一、全国煤矿分布及瓦斯涌排现状3.国有重点煤矿瓦斯抽放情况认真贯彻“十二字”方针，加大了瓦斯抽放力度，瓦斯抽放装备和工艺的技术进步，使我国国有重点煤矿瓦斯抽放量逐年提高。全国瓦斯抽放量2006年达32亿m3，2007年达43亿m3；多数抽放矿井瓦斯抽放量仅在6Mm3/a左右；贯彻“十六字”工作体系后，抽放量将进一步提高11/6/202212一、全国煤矿分布及瓦斯涌排现状多数抽放矿井瓦斯抽放量仅在6Mm3/a左右注1：横坐标为年瓦斯抽放量，单位：Mm3/年；纵坐标为矿井个数，单位：个。注2：年瓦斯抽放量小于30Mm3/年的抽放矿井瓦斯抽放量分布直方图。11/6/202213一、全国煤矿分布及瓦斯涌排现状多数抽放矿井的瓦斯抽放率在30%左右注：横坐标是瓦斯抽放率（%），纵坐标是矿井数量（个）11/6/202214一、全国煤矿分布及瓦斯涌排现状多数矿井瓦斯抽放浓度在25%左右注：*按国家煤矿安全规程，瓦斯浓度≥25%才能进行抽放，否则必须放空，但为防止瓦斯积聚，允许使用移动抽放泵对25%以下煤矿瓦斯进行临时抽放注：横坐标是瓦斯抽放浓度（%），纵坐标是矿井数量（个）11/6/202215一、全国煤矿分布及瓦斯涌排现状4.国有重点煤矿瓦斯风排情况据调研计算，2003年国有重点煤矿瓦斯风排量47亿m3，其中低瓦斯矿井所占比例为15%，而高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井所占比例达85%11/6/202216一、全国煤矿分布及瓦斯涌排现状4.国有重点煤矿瓦斯风排情况各矿风排瓦斯情况差异较大，寺河矿高达1亿m3以上，多数矿较小；高瓦斯突出矿井风排瓦斯量平均在14Mm3/a左右；低瓦斯矿井风排瓦斯量平均在2Mm3/a左右；多数矿井风排瓦斯浓度在0.2%左右；11/6/202217一、全国煤矿分布及瓦斯涌排现状4.国有重点煤矿瓦斯风排情况低瓦斯矿井涌出的瓦斯主要依靠风井排放;高瓦斯突出矿井的瓦斯1/3通过抽放系统抽排，2/3通过风流排放;瓦斯风排仍然是煤矿瓦斯的主要排放方式.11/6/202218一、全国煤矿分布及瓦斯涌排现状5.地方煤矿瓦斯涌排情况与国有重点煤矿相比，地方煤矿中高瓦斯、突出矿井所占比重小，多数为低瓦斯矿井；山西地方煤矿中，低瓦斯矿井约占90%11/6/202219一、全国煤矿分布及瓦斯涌排现状5.地方煤矿瓦斯涌排情况地方煤矿瓦斯涌出与高瓦斯突出矿井数量有很大相关性晋城市高瓦斯矿井116个，占山西地方矿高瓦斯矿井的34.8%.其中，相对瓦斯涌出量大于20m3/t的矿井有48个；山西省5个有煤与瓦斯突出的地方矿均在晋城，其瓦斯排放系数高达45m3/t；晋城市地方矿加权平均后的瓦斯排放系数在25%左右；11/6/202220一、全国煤矿分布及瓦斯涌排现状5.地方煤矿瓦斯涌排情况乡镇煤矿瓦斯排放系数低，而国有地方和国有重点煤矿相当乡镇矿开采深度浅，煤层瓦斯含量低，使得瓦斯排放系数低；2003年晋城市瓦斯排放系数小于3m3/t的乡镇矿占全市乡镇矿总数的40%；国有地方矿瓦斯排放系数较高，晋城市瓦斯排放系数大于20m3/t的矿井占全市的70%；国有地方矿的瓦斯排放系数接近国有重点煤矿，即10m3/t。11/6/202221一、全国煤矿分布及瓦斯涌排现状6.全国煤矿瓦斯涌排量估计全国煤矿瓦斯涌排量估计（2003年）与其它研究机构近年来研究结果的比较每年，数据年代不详130中国工程院每年，数据年代不详194联合国有关机构96（2000年）130（2004年）煤炭信息研究院其中，国有重点煤矿62.74亿m3，国有地方及乡镇煤矿26.8489.58国家发改委能源研究所（2000年）备注瓦斯排放量（亿m3）研究单位和个人11/6/202222一、全国煤矿分布及瓦斯涌排现状2002年全国煤矿瓦斯涌出量估计2010年全国煤矿瓦斯涌出量估计2010年全国煤矿瓦斯涌出较2002年密集的省份主要集中在山西、淮南、淮北、贵州、东北一带，都是国家传统的产煤区和高瓦斯涌出区。值得注意的是，除西南外，我国西部大部分煤矿都是低瓦斯矿井，虽然未来煤炭产量增幅较为明显，但瓦斯涌出量同比增加很少，因此，未来瓦斯涌排治理及利用仍须以山西、淮南、淮北、贵州、东北为重点。11/6/202223二、煤矿瓦斯排放的影响1.我国煤层瓦斯资源与特征国土资源部2006年公布为36.81×1012m3，与我国天然气相当，居世界产煤国前列。3328~1411~1936.86~7617~11311/6/202224二、煤矿瓦斯排放的影响总量东部西部中部100%31.46万亿m310.8%3.39万亿m325.4%7.99万亿m363.8%20.08万亿m311/6/202225二、煤矿瓦斯排放的影响煤层瓦斯资源多为少生（气）中储（气）型和多生低储型，合计约占我国煤层瓦斯资源量的70%，仅有30%的煤层瓦斯有可能通过地面垂直钻井技术开采。煤层瓦斯资源约70%分布在地下1000m以深，仅有30%分布在1000m以浅，从经济上进一步限制了地面钻井开采煤层瓦斯气能力。11/6/202226二、煤矿瓦斯排放的影响2.煤层瓦斯抽排分类煤炭生产阶段资源枯竭，矿井废弃采前预抽或仅产气煤炭正常开采%CH413040809095CBM地面钻井煤层瓦斯气CMMd,u可利用的矿井抽放瓦斯CMMd,e未利用放空的矿井抽放瓦斯VAM矿井风排瓦斯AMM废弃矿井瓦斯11/6/202227二、煤矿瓦斯排放的影响3.煤矿瓦斯事故造成的危害24起死亡百人以上的特别重大事故中，瓦斯事故17起，事故起数占70.8%，死亡人数占61.4%；1次死亡3人以上的重特大事故中，瓦斯事故占55%；1次死亡10人以上的特大事故中，瓦斯事故占80%；2007年煤矿重特大事故中瓦斯事故起数占78.6%，死亡人数占80.3%。11/6/202228二、煤矿瓦斯排放的影响4.煤矿瓦斯对全球气候变化的影响较大（来源：刘德顺，CDM项目体制、方法学与实施框架，清洁发展机制(CDM)培训讲义，中国CDM能力建设项目，2005年6月）11/6/202229二、煤矿瓦斯排放的影响WORLD：2000中国：1994（来源：PAMELAM.FRANKLIN等，METHANETOMARKETSPARTNERSHIP:OPPORTUNITIESFORCOALMINEMETHANEPROJECTDEVELOPMENT，2004第四届国际煤层气论坛）（来源：《中华人民共和国气候变化初始国家信息通报》，中国计划出版社，2004年，北京）11/6/202230二、煤矿瓦斯排放的影响5.煤矿瓦斯排放造成的资源浪费严重清洁能源资源浪费清洁能源资源匮乏每年有近100亿m3的煤矿瓦斯未能有效利用而直接排放。甲烷是高热值清洁能源QCH4=35~36MJ/m3，燃烧尾气中烟尘、二氧化硫含量极低。以煤为主的能源结构，天然气等清洁能源所占比例很小；约合12.6Mtce/a(煤当量)的能源；若按燃煤，每年有大量的燃煤污染物排入大气，污染了环境11/6/202231二、煤矿瓦斯排放的影响6.煤矿瓦斯排放的公众化常识水平不高对瓦斯事故频繁发生的原因知之甚少；不了解煤矿瓦斯是一种导致气候变暖的温室气体；对煤矿瓦斯利用技术及减排机制不太了解；缺少煤矿瓦斯排放与利用的信息。11/6/202232三、煤矿中低浓度瓦斯治理与利用技术11/6/202233三、煤矿中低浓度瓦斯治理与利用技术11/6/2022342003年我国重点煤矿抽放瓦斯利用量达到6.2亿m3，利用率近40%；2006年我国重点煤矿抽放瓦斯利用量达到6亿m3，利用率近23.5%；2007年我国重点煤矿抽放瓦斯利用量达到14.5亿m3，利用率近33%；抽放瓦斯利用矿井数占抽放矿井数的1/3；我国重点煤矿瓦斯利用规模的利用率差别很大，抽放瓦斯利用水平不均衡；贯彻国务院瓦斯治理“十二字”方针后，抽放矿井数、抽放量、利用率逐年提高。三、煤矿中低浓度瓦斯治理与利用技术11/6/202235三、煤矿中低浓度瓦斯治理与利用技术1.我国煤矿瓦斯利用的主要技术途径民用，作为燃气供居民使用（压缩瓦斯和管道瓦斯）；发电：内燃机组和燃气轮机机组；工业燃料：钢铁厂、汽车用燃料；工业原料：炭黑。11/6/202236三、煤矿中低浓度瓦斯治理与利用技术2.国内外正在研究的煤矿中浓度瓦斯利用技术抽放瓦斯净化富集技术吸附/解吸法技术渗透分离法技术低温液化分离法技术11/6/202237三、煤矿中低浓度瓦斯治理与利用技术2.国内外正在研究的煤矿中浓度瓦斯利用技术抽放瓦斯发电（供热）技术＊往复式燃气发动机（内燃机）发电技术＊燃气轮机发电技术＊燃气锅炉—蒸气轮机发电技术＊联合循环多联供技术11/6/202238三、煤矿中低浓度瓦斯治理与利用技术2.国内外正在研究的煤矿中浓度瓦斯利用技术化工原料技术高浓度抽放瓦斯或经净化富集后的高品位甲烷气作为化工原料气（合成气）生产甲醇、甲醛等高附加值产品制炭黑11/6/202239三、煤矿中低浓度瓦斯治理与利用技术2.国内外正在研究的煤矿中浓度瓦斯利用技术汽车燃料技术火炬燃烧技术对达不到瓦斯利用要求浓度，而浓度不是太低的抽放瓦斯，可以用火炬燃烧技术将甲烷氧化燃烧成CO2，以减排温室气体。11/6/202240三、煤矿中低浓度瓦斯治理与利用技术3.低浓度风排瓦斯利用技术富集技术液化床浓缩器技术可将甲烷浓度由0.1～0.9%富集到20%配气技术通过高浓度的甲烷气或高热值的丙烷气与低浓度瓦斯配制成可以利用的产品11/6/202241三、煤矿中低浓度瓦斯治理与利用技术配气技术浓缩器技术技术流程：矿井风排瓦斯从吸附器底端进入，向上逆流通过液化床，吸附介质吸附甲烷增重7～20％后，落入吸附器底部被存储器收集，再通过吸附介质传输系统送至解吸器，而后通过提高温度将浓缩的甲烷解吸出来成为高浓度产品气，解吸后的吸附介质通过传输系统重新回到吸附器继续使用。技术应用：多用于化工等行业VOC处理。类似研究：能将甲烷浓度0.1～0.9%的原料气富集到甲烷浓度20%的产品气，如果来流甲烷浓度更高，产品气中甲烷浓度可增加至30%或更高。工程适用性：模拟风排瓦斯进行测试，无工程应用技术特点：配气技术相对较为简单，即通过高浓度的甲烷气或高热值的丙烷气与低浓度瓦斯混合，配成可以利用的产品气，如国外已有将抽放瓦斯注入风排瓦斯以提高风排瓦斯中甲烷浓度的案例。工程适用性：国外为稳定瓦斯气，多有采用11/6/202242三、煤矿中低浓度瓦斯治理与利用技术3.低浓度风排瓦斯利用技术氧化燃烧技术流转反应器技术也称为逆流反应器、流向变换反应器技术，能实现风排瓦斯在1000℃以上，或在催化剂作用下较低温度的自氧化稳定燃烧，多余热可回收利用或发电。11/6/202243三、煤矿中低浓度瓦斯治理与利用技术风排瓦斯V2V1V1V2HeatExchanger固体层固体层废气、废热下风流上风流甲烷完全氧化利用固定床中固体层与气体层再生热热交换原理，实现风排瓦斯周期性自热氧化反应。技术原理保持1000℃以上燃烧温度使用催化剂降低甲烷氧化反应活化能，实现在相对较低温度下的自稳定氧化燃烧。技术分类11/6/202244时间1994年2001-2002年

2005年甲烷减排试验示范阶段，热能未回收地点：英国煤炭公司应用：风排瓦斯（混量）8000m3/h，甲烷浓度0.3~0.6%。甲烷减排与小规模热能生产示范阶段地点：澳大利亚BHP公司APPIN煤矿应用：风排瓦斯（混量）6000m3/h，有90%的热回收生产热水大规模甲烷减排与能源生产示范阶段地点：澳大利亚BHPBilliton公司WestCLIFF煤矿应用：风排瓦斯（混量）规模达到250,000m3/h（相当于矿井风排瓦斯总量的1/5），可产生6MW电能热流转反应器技术（TFRR）研究与示范11/6/202245加拿大CANMET中试试验装置基本技术条件：自动点火温度350～800℃，最低甲烷工作浓度0.1%，甲烷浓度可变，适用于甲烷的减排，但如果回收热量用于发电则需要补充额外燃料以提高甲烷浓度。热回收效率：对于浓度0.3~1.0%的风排瓦斯，热回收效率在50~95%，当浓度0.5%时，热量回收效率75%技术应用：2003年，LefebvreFrèresLtée公司在蒙特利尔安装CH4MIN装备，处理1800m3/h的矿井乏风。北京化工大学试验室装置基本技术条件：在实验台规模（催化剂装填量1升）开展了0.5~1%模拟风排瓦斯减排，当浓度1%时，气体混合物温度能达到750℃。在不同的反应条件下，甲烷催化氧化燃烧的转化率均超过98%，能在较宽的操作条件下实现低浓度甲烷自热氧化燃烧，循环周期最长超过50分钟。技术应用：正准备与煤化工分院共同开展技术推广及示范。催化流转反应器技术（CFRR）研究与示范11/6/202246流转反应器技术特点特征热流转反应器催化流转反应器工作原理流转流转催化剂无有自动点火温度1000℃350—800℃循环周期较短较长最低甲烷浓度0.2%0.1%减排适用性适于减排适于减排回收热量用于发电的可能性需额外补充甲烷，提高供气浓度，并保持浓度稳定需额外补充甲烷，提高供气浓度并保持浓度稳定甲烷浓度可变性可变可变11/6/202247三、煤矿中低浓度瓦斯治理与利用技术3.低浓度风排瓦斯利用技术微型贫烧燃气涡轮机技术间壁回热式涡轮机和接触反应贫烧涡轮机。前者利用燃烧产生的热量将含有甲烷的矿井乏风预热至自燃点（700—1000℃之间）燃烧，用来发动涡轮机。要求瓦斯浓度大于1.6%，因此在乏风中需额外补充甲烷，澳大利亚已开发出1%浓度的接触式燃气轮机，它能够在低浓度下运行。11/6/202248三、煤矿中低浓度瓦斯治理与利用技术3.低浓度风排瓦斯利用技术辅助燃烧技术风排瓦斯中有一定量的可燃成分，可以取代周围空气用于内燃机、燃气轮机作为助燃剂使用，从而节约部分燃料，减少甲烷排放量。可节约主燃料8～10%，减少瓦斯排放量20%～80%。11/6/202249三、煤矿中低浓度瓦斯治理与利用技术3.低浓度风排瓦斯利用技术常规粉煤发电站助燃风排瓦斯在粉煤发电站锅炉内燃烧，可替代全部或部分环境空气。其基本技术条件是燃烧度应在1400—1650℃11/6/202250三、煤矿中低浓度瓦斯治理与利用技术3.低浓度风排瓦斯利用技术常规粉煤发电站助燃废煤/尾煤/风排瓦斯在旋转炉内混合燃烧基本技术条件：燃烧温度1200℃～1550℃废煤/尾煤/风排瓦斯在流化床内混合燃烧基本技术条件：燃烧温度850℃—950℃内燃发动机助燃基本技术条件：燃烧温度1800℃—2000℃常规燃气轮机助燃基本技术条件：燃烧温度1400℃—1650℃11/6/202251三、煤矿中低浓度瓦斯治理与利用技术3.全尺度浓度煤矿瓦斯减排与利用技术综合体系将煤矿瓦斯净化富集技术、低浓度瓦斯利用技术及中浓度瓦斯利用技术耦合在一起就构成了全尺度浓度煤矿瓦斯减排与利用技术综合体系，可根据煤矿瓦斯排放实际情况，进行技术方案的选择，生产天然气、电力、热、冷、化工品及车用燃料等11/6/202252三、煤矿中低浓度瓦斯治理与利用技术11/6/202253四、煤矿瓦斯减排与利用CDM研究1.清洁发展机制过去1万年中地球的气温是比较稳定的，工业革命以来，人类能源消费不断增加，导致温室气体在地球表面大气层中不断积累，加剧了地球大气的温室效应联合国于1990年建立了气候变化框架公约政府间谈判委员会，1992年通过了《联合国气候变化框架公约》，1997年通过了《京都议定书》确保其CO2、CH4等六种受控的温室气体排放总量，在2008—2012的承诺期内比1990年至少减少5.2%11/6/202254四、煤矿瓦斯减排与利用CDM研究1.清洁发展机制为了使发达国家能够完成减排义务，《京都议定书》建立了三种辅助机制，即“联合履约机制”“清洁发展机制”“排放贸易”。发达国家可以通过这三种机制在本国以外取得减排的低消额。这三种机制中，只有清洁发展机制（CDM）是发达国家缔约方与发展中国家缔约方之间的合作机制。11/6/202255四、煤矿瓦斯减排与利用CDM研究1.清洁发展机制CDM是一种国际合作机制；对发达国家而言，CDM提供了一种灵活的履约机制对发展中国家，通过CDM项目可以获得部分资金缓助和先进技术；世界银行研究表明，中国可以提供世界CDM所需项目的一半以上，约含1亿—2亿吨CO2当量吨CO2的温室气体；2002—2005年，有77.348亿人民币投入中国四个CDM项目。11/6/202256四、煤矿瓦斯减排与利用CDM研究2.煤矿瓦斯减排与利用CDM项目发展概况CDM对治理和利用煤矿风排瓦斯的意义＊带来难得的发展机遇＊引入先进的科学技术＊增加融资机会＊搭建广阔的国际合作平台11/6/202257我国已向EB（CDM执行理事会）提出申请的五个煤矿瓦斯减排与利用CDM项目概况温室气体减排技术以中浓度瓦斯为对象，类型有民用及工业用燃料、瓦斯发电以及火炬燃烧，采用了多种先进技术，如升级已有的抽放技术，包括瓦斯钻孔精确定位、长距离钻孔、使用高密度管增强管道密封性以及优化抽放管道布局等，或是采用地面钻井开采煤层气与抽