我国煤矿瓦斯回收利用技术

作者和致谢书 Authors民辉高一汉郝婷李伟王存阳谢 作者按字母顺序列出。除非另有说明 ， 否则所有来自 RMI 的作者。 其他贡献者 高 Junlian，管理科学与工程系副教授，中国矿业大学 联系人 王伟,wwang @ rmi. org高敏辉,mgao @ rmi. org 版权和引文 高敏辉, 王伟, 郝一汉,煤矿瓦斯回收利用技术发展趋势与展望, RMI, 2024,https: / / rmi. org/ insight / coal - mine - mine - mas - recovery - and - utilization - technologies /. RMI重视合作，并通过分享知识和见解来加速能源转型。因此，我们允许有兴趣的各方通过Creative Commons CC BY-SA 4.0许可协议引用、分享和引用我们的工作。https: / / creativecommons. org / licenses / by - sa / 4.0 / 。 除非另有说明 ， 否则所有使用的图像均来自 iStock. com 。 Acknowledgements 我们要感谢为这项研究提供意见和建议的所有专家 ： Xin Xu，应急管理部信息院能源安全单元副处长Jing Chen，浙江亿阳能源技术有限公司Jianjun Zhou，山西高创能源新技术有限公司 特别感谢全球甲烷中心对本报告的支持。 本报告的内容不代表上述专家、机构或项目发起方的观点。 关于 RMI RMI 是一家独立的非营利组织，于1982年作为Rocky Mountain Institute成立，通过市场驱动的解决方案推动全球能源系统的转型，以符合1.5°C的未来目标，并确保所有人都能拥有清洁、繁荣的零碳未来。我们在世界上最重要的地理区域开展工作，并与企业、政策制定者、社区和非政府组织合作，识别并规模化能源系统干预措施，以在2030年前至少减少50%的气候污染。RMI在美国科罗拉多州巴塞特和博尔德设有办公室，在纽约市、加利福尼亚州奥克兰、华盛顿特区、尼日利亚阿布贾以及中国北京设有办事处。 关于中国矿业大学 中国矿业大学（北京）（CUMTB）是一所教育部直属的国家重点大学，被认定为“双一流”倡议的一部分，并且是工业技术创新战略联盟的创始成员之一。该校历史悠久，可追溯至1909年，专注于能源相关学科，尤其在采矿工程和安全科学方面表现出色。CUMTB在创新研究领域处于领先地位，取得了诸如中国首台采矿机器人等重要进展，并在煤制油技术方面取得重大突破。该校与国内外合作伙伴广泛合作，支持能源行业的高质量发展。 目录 导言 5 煤矿甲烷(CMM) 的回收和利用 ： 煤炭生产商减少排放的积极举措6 煤炭生产是温室气体（GHG）排放的来源………6 CMM回收与利用是减少煤炭生产排放的关键手段………………………………7 CMM回收与利用带来多重益处…………………………………………………………8 三坐标测量机的回收和利用现状 10 中国建立了CMM回收与利用的技术体系......10中国初步制定了CMM回收与利用的政策......14中国在CMM回收与利用方面的努力开始显现成效......17 发展潜力和技术进步 19 CMM恢复与利用仍有很大的改进空间……技术 readiness 和经济可行性需进一步提升。21三坐标测量机回收利用技术的潜力与成本效益分析 _ 25 CMM 回收和利用技术展望 26 新技术政策与新市场为CMM利用技术开辟新机遇…….26 CMM恢复与利用技术的成熟度不断提高和成本不断降低…….29 CMM恢复与利用技术所需投资及市场规模…….33 建议 36 附录 ： 三坐标测量机回收和利用技术清单 38 尾注 40 Introduction 中国的工业正在积极推动能源转型和产业升级，以实现国家雄心勃勃的碳达峰和碳中和目标。2023年，清洁能源在中国总能源消费中的占比达到了26.4%，较十年前增长了10.9%。同时，中国在绿色能源供应方面多年位居世界前列，可再生能源装机容量约占全球总量的40%。截至2024年7月底，中国风能和太阳能发电总装机容量达到12亿千瓦，提前6年实现了规划目标。尽管清洁能源迅速扩张，传统化石燃料仍然是能源系统的重要组成部分，并支撑着社会和经济的发展。煤炭企业正越来越多地投入绿色技术创新、优化能源管理，并追求生态恢复和资源利用，以减少碳排放。 作为中国减少煤炭生产碳排放的关键举措之一，煤矿甲烷（CMM）回收与利用在政府政策的支持下取得了显著成效。煤生产过程中产生的伴随气体，通常称为CMM，其主要成分是甲烷，类似于常规天然气。将CMM作为一种能源进行回收和利用不仅补充了能源供应、实现了资源利用并带来了经济效益，还直接减少了煤生产过程中的逸散排放，为短期内避免甲烷排放提供了有效途径。鉴于CMM回收与利用带来的显著气候、能源和经济利益，自第十一五计划期间（2006-2010年）以来，中国采取了一系列政策措施以加速CMM技术的发展。因此，CMM的利用量稳步增加，在甲烷排放控制方面发挥了积极作用。 中国继续引入甲烷排放控制目标和政策，开启了CMM回收与利用潜力进一步发展的契机。2023年多个部委联合发布的《甲烷排放控制行动计划》将CMM回收与利用列为能源领域甲烷排放控制的关键措施之一。2024年7月，生态环境部就《自愿减少温室气体排放项目方法学：煤矿低浓度排水甲烷和通风空气甲烷利用》征求意见。这些政策不仅为CMM利用市场开辟了新的机遇，也为尽管具有巨大潜力但在经济可行性、技术成熟度和市场接受度方面面临挑战的技术创造了发展前景。 RMI与中国矿业大学（北京）联合撰写了本报告，旨在帮助政策制定者、企业、投资者及其他利益相关方更好地识别CMM回收与利用的潜力和可能性。报告分析并探讨了中国CMM技术的现状及其回收潜力，并对中国CMM技术的成熟度、成本和投资需求进行了展望，同时提出了下一步的建议。本报告旨在为相关市场参与者和政策制定者提供参考。 煤矿甲烷(CMM) 的回收和利用 ： 煤炭生产商减少排放的积极举措 煤炭生产是温室气体(GHG) 排放的来源 作为中国的首要能源，煤炭长期为国家的经济和社会发展提供坚实的基础。中国对煤炭的需求量大，因此维持了较高的煤炭生产和消费水平。自1980年以来，煤炭在中国一次能源生产和总能源消耗中的份额一直超过55%，支持了电力、钢铁、建筑材料和化工等关键行业的发展。在实现碳中和的目标下，中国积极促进向新能源和清洁能源的转型，同时严格且合理地控制煤炭总消费量。随着关键行业煤炭消费量达到饱和状态，煤炭生产和消费的比例趋于稳定或下降。2023年，中国的一次能源生产中煤炭占比为67%，而2005年的这一比例为77.4%。尽管2005年至2023年间总能源消耗显著增加，但由煤炭提供的能源比例从2005年的72.4%下降到2023年的55%。1 中国的煤炭生产是温室气体排放的来源。煤炭生产涉及煤炭开采、加工、存储和运输，这些过程会产生来自固定和移动设备燃烧化石燃料产生的二氧化碳排放以及来自煤炭开采和采矿后活动的逸散甲烷排放。2023年，中国煤炭生产的总温室气体（GHG）排放量约为6亿吨二氧化碳当量（见图表1）。煤炭生产的排放量高于其他关键能源密集型行业。2 行业——与铝相比，排放量高出50%，与氨生产相比，排放量高出220%。煤炭生产的排放占水泥行业排放总量的47%，占钢铁行业排放总量的40%。鉴于煤炭在中国温室气体排放中占据显著份额，减少生产相关的排放对于实现中国的碳达峰和碳中和目标至关重要。 煤炭生产的排放量将继续下降。煤炭储备和政策将促进中国煤炭生产集中化，优化生产和运输。到2030年，煤炭生产排放预计从2020年的水平减少20%，约为5亿吨二氧化碳当量。2实施煤炭生产过程中的减排举措将有助于中国实现碳达峰和碳中和目标。 三坐标测量机的回收和利用是减少煤炭生产排放的关键手段 煤炭生产中排放的主要温室气体以及该过程中减排的重点是甲烷。大多数煤炭生产过程中的温室气体（GHG）排放来自能源消耗和逸散排放。煤炭生产过程中消耗的能源主要来自于原煤、石油、天然气和电力及热能，这些能源使用主要产生以二氧化碳为主的排放，约占整个工艺过程总GHG排放量的40%。逸散排放则主要来自煤炭开采、洗选、运输和储存等活动中的甲烷泄漏，这一部分排放占到了相当大的比例，最高可达57%。2根据一些估计，甲烷排放量占总排放量的比例——因此成为减排的主要目标（见图表2）。此外，在 煤矿关闭后的10到30年内，还会缓慢释放地下煤矿中的甲烷。目前，中国关闭的煤矿数量可能多达10,000个，并且到2030年这一数字可能会增加到15,000个。3因此 ， 减少废弃矿山的甲烷排放也是一个值得追踪的领域。 CMM 回收利用是煤炭生产中减少排放的关键手段。甲烷排放可以通过技术手段有效回收和利用。与常规天然气类似，CMM（煤层甲烷）可以作为燃料进行燃烧。在这个过程中，甲烷被氧化成二氧化碳和水，并释放热量用于发电和供暖。甲烷的全球变暖潜能值在100年周期内是二氧化碳的28倍，因此CMM的回收和利用可以显著减少煤炭生产对气候的影响。同时，所产生的电力和热能可以替代煤矿中的燃煤锅炉及其他设施，进一步降低现场煤炭消耗产生的二氧化碳排放。 CMM 恢复和利用提供多种优势 在减少温室气体排放的同时 ， CMM 回收和利用提供了多种好处 ， 包括 ： •能源效益 ：CMM 含有与常规天然气相同的主成分甲烷，在适当浓度下可以直接作为天然气使用以替代煤炭。每1,000立方米（m³）3) 回收利用的纯 CMM 相当于节约 1.2 吨标准煤当量 (tce) 。 •经济效益 ：CMM利用产生的电力和热能可以替代矿山中的煤炭消耗，减少对购电的需求，从而降低矿山的运营成本。此外，过剩的电力、热能和气体可以出售以向其他地区供应能源，产生利润。 •安全效益 ：CMM恢复和利用可以有效降低气体爆炸的风险，并最大限度地减少因气体浓度过高导致的生产中断，从而显著提高矿山的安全性和运营稳定性。 •其他社会福利 ：甲烷不仅是强大的温室气体，也是臭氧的前体。CMM（碳氢化合物甲烷混合物）利用可以减少甲烷排放，从而减缓臭氧的增长，有利于人类福祉和农业生产。CMM 项目的建设和运营还为当地社区创造了新的就业机会，有助于矿工的再就业。 CMM 利用可以为煤矿提供多种经济利益(见附件 3) ， 包括 ： •矿区节能 ：利用CMM在采矿区域内替代煤炭，可以实现局部回收和利用。它可以用于为矿山及其设施提供热能和热水，并为地下矿井提供隔热，从而减少煤炭消耗和外购热能的需求。 •电力和热力销售 ：CMM 可用于生成电力或蒸汽。产生的电力可以出售给电网，而产生的蒸汽可以通过管道供应以加热周围区域。 •管道燃气直销 ：高浓度的CMM 可以作为非常规天然气使用，通过管道输送到邻近的住宅区用于烹饪和取暖，或者通过管道输送到工厂作为工业锅炉的燃料。 •化工原料气 ：高浓度 CMM 可作为化工原料生产炭黑、甲醇等产品。 三坐标测量机回收利用现状 中国已建立三坐标测量机回收利用技术体系 CMM 在煤炭生产过程中的主要排放源来自煤炭开采、采矿后活动以及废弃矿井。在采矿过程中，煤层被破碎，释放出储存在煤层中的CMM进入大气。煤炭开采可以分为露天（表层）开采和地下开采。露天开采产生的气体直接逸入大气中，而不经过管道；而地下开采产生的气体则通过排水系统和通风系统输送到地表。采矿过程并不能完全释放所有的CMM。在后续的加工、储存和运输活动中，煤逐渐释放出的气体被视为采矿后活动的排放源。此外，煤矿在退役后的一定时期内仍可能通过自然或人为途径继续释放CMM。4， 导致资源浪费和温室气体排放量增加。 地下开采产生的 CMM 可以通过通风和排水收集 系统收集通过通风系统获得的CMM被称为VAM，其浓度范围为0%-0.75%