美国煤层气的开发利用现状

煤层气，又称瓦斯，其主要成分为甲烷，是煤矿生产中最大的安全隐患。煤层气如能科学合理地开发利用，不仅能排除隐患，还能创造经济效益，使之成为一种优质洁净的能源。一立方米甲烷的燃烧值相当于1.14公斤标准煤炭。现刊登美国环保局煤层气办公室主任卡尔·舒尔茨先生撰写的有关美国煤矿区煤层气开发利用的文章，让我们了解一下美国是怎样开发利用煤层气及减少甲烷排放的。
　　煤层气的开发
　　甲烷作为一种温室气体对全球变暖的影响力是二氧化碳的21倍，从数量上来说是仅次于二氧化碳的第二大温室气体。在美国，煤矿甲烷排放作为人类活动产生的主要甲烷排放源，仅次于垃圾填埋场、农业活动、天然气管道的泄漏。美国环保局估算，1999年美国煤矿的甲烷排放量为43亿立方米。
　　美国煤矿从70年代开始，通过采煤前预抽和采空区井抽放回收煤层气。到80年代初，煤矿开始将抽出的优质煤层气注入到天然气管道系统。目前美国煤矿每年的煤层气回收、使用或销售量已达到14亿立方米。
　　从安全生产角度来讲，在矿井工作面不能通过通风来有效控制瓦斯浓度的情况下，煤矿经营者应该使用井下煤层气抽放系统，根据地质条件、储层特征和井巷布置方式，向煤层或邻近层打抽放钻孔，并采用相应设备回收煤层气。
　　虽然美国煤矿抽放出来的煤层气大部分都得到了利用，但美国的井工煤矿通过煤矿通风，每年仍然排放24亿立方米的甲烷。因此美国环保局目前将这些矿井乏风中的甲烷，作为进一步降低甲烷排放的另一个重要目标。
　　煤层气的市场
　　如果煤矿区煤层气能符合管道天然气的标准，输入天然气管道系统是最可行的市场之一。在开采前的煤层中或在尚未计划开采的煤层中抽放煤层气，可以得到甲烷含量至少为95％的优质管道气体。美国煤矿区煤层气的主要市场是输入天然气管道。
　　美国的一些地方将煤矿甲烷作为发电的燃料来使用。与输入管道的煤层气不同，用燃气轮机、内燃机、燃气轮机发电不需要优质的煤层气，甲烷含量为30％的甲烷－空气混合气体即可用于发电。因此，采空区井抽放回收的煤层气都可用来发电。
　　煤层气还可以在煤矿现场使用，如煤层气可以与煤在锅炉中混和燃烧用来采暖和发电，加入锅炉的煤层气可占总燃料的10％—100％，这种方法特别适用于那些位于电厂或工业锅炉附近的煤矿。
　　又如，许多井工煤矿附近有选煤厂，煤矿传统上是采用煤炭为这些设施提供燃料，这也可采用煤层气替代煤。最近，美国弗吉尼亚州的一座煤矿正采用回收的煤层气作为该矿选煤厂热力干燥机的燃料，还用于地面设施室内取暖、洗澡房烧热水和热电厂的燃料。
　　这样美国煤炭工业极其成功地为90％的抽放煤层气找到了市场。
　　燃烧回收的采空区煤层气
　　煤矿采空区的一些煤层气可以加以利用，但在大多数情况下这种煤层气中甲烷含量和数量多变，是一种很难或无经济利用价值的气体。出于环保、卫生和安全原因的考虑，燃烧煤层气是减少煤矿甲烷排放的一种最经济且技术可行的方法，这在世界许多工业中是一种标准的做法。与将煤层气排放到大气中相比，通过燃烧处理释放的温室气体比直接排
放降低7.5倍。
　　最近的示范实验表明，煤矿业主可安全地实施在控制下的采空区煤层气燃烧，以便有益于煤炭的开采安全和全球的环境。
　　在抽出的煤层气无法得到有效利用的情况下，放空点燃不失为一种低成本甲烷减排方法，美国环保局将继续扶持以放空点燃的方式安全地减少甲烷排放量。
　　处理矿井乏风中的甲烷
　　由于矿井乏风中的甲烷含量非常低（一般小于1％），煤炭经营者们尚无一种完善的技术来回收这种气体。不过经过十年多年的研究，现在的技术已能以较低成本减排甲烷。美国环保局考虑采用对矿井乏风的甲烷进行催化和热反向流反应处理。
　　热反向流反应技术采用气体和热交换介质固体床之间的再生热交换原理。矿井乏风以一个方向流入和通过反应器，气体温度不断提高，直至甲烷氧化。然后，氧化的热产品随着继续向床的另一边移动而逐渐降热，直至气体流动自动发生反转。
　　热力反应器采用甲烷自动点火温度（1000摄氏度）工作。催化反应器能大量降低自动点火温度。采用热交换技术的这两种反应器均产生热量，可用来满足当地的采暖需要，或用来发电。根据实验室和现场的经验，反向流反应技术的几次示范性实验结果已使这种方法接近商业化。

　　矿井乏风甲烷作为煤矿甲烷的最大排放源，尽管已经开发出了能够将低浓度甲烷转化成热能的技术，但大部分矿井乏风甲烷依然是直接排入大气中。随着煤矿煤层气抽放效率的提高，从技术上来说，以较低的成本大量减少井下煤层气排放是有可能的。美国环保局正积极支持矿井乏风甲烷减排，并期望在未来几年中能够在实现矿井乏风甲烷减排产业化方面取得突破。