美国煤矿甲烷减排技术与政策

美国煤矿甲烷减排技术与政策
1 概述
甲烷是除二氧化碳外最主要的温室气体，甲烷在全球温室效应中所占的比例约为
18％。

同时，甲烷比CO2具有更强烈的温室效应，在100年期限内，每克甲烷的温室效应约为每克CO2的21倍左右。

美国是世界第二大产煤国，每年因煤炭开采而排放的甲烷达49～77亿m3。

根据美国环保局的调查，1996年被调查的79座煤矿共释放甲烷40亿m3，其中有17座煤矿建立了矿井甲烷利用系统，利用总量为13.9亿m3，有20多座煤矿建立了甲烷抽放系统。

而1995年，美国采煤作业所释放出的甲烷量占全美范围内甲烷释放量的12％左右。

美国从70年代开始回收煤矿甲烷，首先是从煤矿安全角度出发。

较早开展煤层甲烷抽放的煤矿是吉姆瓦特资源公司（JWR）拥有的位于阿拉巴马州的兰溪三、四、五和七矿。

1994年，当JWR在对其兰溪三号矿井进行井下巷道开拓时，遇到了大量的瓦斯涌出，而且单采用通风方式无法解除瓦斯隐患，于是决定预抽煤层甲烷以提高矿井安全水平。

后来，JWR和一家石油公司联合应用地面垂直井进行煤层气开发，并成立了黑勇士甲烷公司（BWM）。

到1996年，BＷＭ公司的煤层气产量达113万m3／ｄ，平均抽放效率为46％。

在所抽放的甲烷中，地面垂直井抽出量占34％，采动区井占62％，井下钻孔占4％。

到1994年，全美范围内有10座煤矿建立了甲烷抽放与利用项目，
共抽出甲烷9.9亿m3。

而1996年抽放利用量达13.9亿m3。

随着煤层甲烷抽放与利用量的增加，减少了温室气体的排放和环境污染。

1996年与1994年相比，所减排的甲烷量相当减排2500万ｔCO2。

在美国，从矿井中所回收的甲烷，绝大部分被注入到天然气管道销售。

进入天然气管道的煤层气要求甲烷含量在95％以上，并且不含有害气体。

除注入天然气管道销售外；煤矿所回收的部分甲烷也用来进行发电或通风空气加热等。

在美国，回收甲烷矿井数量和回收甲烷量的增加，主要是由以下四种因素所引起的：
（1）越来越多的煤炭生产者对煤层甲烷回收技术越来越熟悉；
（2）所生产的甲烷除管道销售外，还被生产者通过其它途径加以利用并产生经济效益；
（3）在大多数煤层甲烷生产州中，煤层甲烷的所有权问题已得到解决；
（4）已有的甲烷利用项目证实了煤层甲烷项目经济上的可行性。

此外，联邦能源委员会636和888号法令的颁布，排除了天然气和电力行业限制竞争的因素，为煤矿甲烷生产商进入天然气输送和电力输送领域扫清了障碍。

2 煤层气减排技术
2．1 煤层气抽放
在井工矿中，煤层气对矿井安全生产构成很大的威胁。

为了解决这些困难，矿井可以通过提高通风量来降低工作面的瓦斯浓度，而在很多高瓦斯矿井或突出矿井则需要建立煤层气抽放系统以解决瓦斯问题。

井工矿可以根据实际情况采用不同的抽放方法，目前主要的抽放方法有采前抽放、开采中抽放和采后抽放。

另外矿井还可以采用综合抽放方法以提高抽放率，从而提高矿井安全水平。

下面就不同的抽放煤层气方法进行分别描述。

（1）采前地面垂直井抽放方法
采前地面垂直井是在采煤前，从煤层和围岩中抽取高质量煤层气的最佳抽放方法。

在设计和施工上，采前地面垂直井与石油天然气井相似，为了提高采气量，地面垂直井一般需要进行压裂处理。

地面垂直井可以在采前几年或十几年钻成。

由于所抽出的煤层气不会有空气混入，而煤层气中的甲烷含量一般在90％以上，因而所抽放的煤层气可以直接注入天然气输气管道。

地面垂直井在早期通常有大量的地层水产出，只有当井筒中水位下降到一定位置后，才能有大量甲烷产生。

使用地面垂直井抽放煤层气所采出的煤层气量取决于钻井时间，若地面井在采前10年就开始生产，煤层气的抽出率有时可达50％～70％。

目前在美国，地面垂直井抽放煤层气在矿区中应用较广，尤其是在相对独立的项目中，所抽出的煤层气直接售予天然气管道公司。

美国目前有11座煤矿使用采前地面垂直井抽放技术回收煤层气。

所生产的煤层气大部分直接售予天然气管道公司。

（2）采动区井
采动区井一般是在采前从地面打井到煤层上方3～15ｍ左右，当采煤工作面向钻孔推进时，煤层卸压而产生裂隙。

由此造成围岩碎裂形成采空区。

煤层和周围地层中的煤层气通过裂隙进入采空区。

在采空区井
中通常需要保持真空以防止甲烷流入工作面。

在初始阶段，采空区可以抽出近乎纯甲烷的气体，但随着时间的推移，矿井中的空气有时会流入采空区，从而使甲烷浓度降低。

从采空区井中所抽出的煤层气热值一般在2669～7118ｋｃａｌ／m3。

通过严格的管理和监测，采空区井也可以长期生产高浓度甲烷气体。

在美国吉姆瓦特资源公司、固本公司和皮博迪公司，目前已从采空区井中生产出优质煤层气。

在采空区井中，产气量有时非常高，尤其是在采煤工作面接近采空区井形成岩层碎裂后。

吉姆瓦特资源公司在其采空区井中曾有最高单井产气量超过5.64万m3／ｄ的记录。

随着时间的推移，产气量逐渐下降直到一个相对稳定产量（约2820 m3／ｄ）。

根据采空区井的数目及井间距不同，使用采空区井可以回收30％～50％的矿井甲烷。

目前，美国有22个煤矿用采空区井回收矿井煤层气。

大部分煤矿把抽出的煤层气直接排空。

（3）水平钻孔
水平钻孔是指井下用以抽放未开采区或即将开采区中煤层气的钻孔。

水平钻孔通常为122～244ｍ长。

在一座煤矿中有时可以使用上百个井下水平钻孔同时抽放煤层气，抽出的煤层气通过井下采气管道送到地面。

因为水平钻孔是抽放本煤层中的甲烷，抽放效率一般较低（10％～18％）。

所抽出的煤层气热值一般为8453ｋｃａｌ／。

目前在美国大约有16座煤矿采用井下水平钻孔抽放煤层气。

（4）水m3平长钻孔
与水平钻孔相似，水平长钻孔也是在井下用定向钻井技术向未开采
煤层打的长度超过1000ft的钻孔。

水平长钻孔可以回收近乎纯甲烷的气体，抽放率可达50％左右。

水平长钻孔是回收高热值甲烷气体的一种有效的抽放技术，在高沼低渗透率煤层中尤为实用。

美国犹他州的勇士谷煤矿采用了这种技术。

（5）穿层钻孔
井下穿层钻孔可以用来抽放煤层及上下围岩中的煤层气。

穿层钻孔抽出的煤层气热值与采动区井类似。

该方法在美国由于采动区井的较广泛使用而基本被取代。

穿层钻孔的抽放率约20％。

2.2 煤层气利用
在美国，抽出的煤矿甲烷主要是注入天然气管道系统，其次为就地利用和发电。

（1）管道输送
管道输送对煤层气的质量要求为：甲烷含量大于95％，非可燃气体含量低于2％。

目前美国已将垂直标准井和采空区井抽出的煤层气注入管道系统。

1996年，美国有15座煤矿将抽放的煤层气注入天然气管道。

美国BＯＣ公司和固本煤炭公司合作，在固本煤炭公司布坎南－矿建立采空区煤层气提纯示范项目，用ＰSＡ工艺将含甲烷70％的煤层气提纯至天然气管道运输所要求的质量。

另一种改善矿井煤层气质量的办法是混合，将较低热值的煤层气与高热值煤层气混合，这已在阿拉巴马州的部分煤矿获得成功。

（2）煤层气发电
煤层气发电能利用中热值以上的煤层气。

如燃气轮机对煤层气的热
值要求为3114ｋｃａｌ／m3。

煤层气所发电量既可由煤矿本身使用，也可以卖给电力公司。

目前，美国俄亥俄州的内姆斯-矿正应用煤层气发电，并供给附近的一座煤矿。

该电站用内燃机发电，装机容量为500ｋＷ。

另外，计划在该矿建一个燃料电池示范项目。

（3）就地利用
煤矿甲烷还可供给当地的选煤厂和汽车加气站。

美国固本公司利用回收的甲烷作为选煤厂干燥机的加热燃料。

而美国的加气站目前正为80000多辆车提供压缩天然气。

煤矿甲烷还可供给附近的工业用户，用作锅炉燃料、区域供热以及用于热电联供系统。

（4）直接燃烧
当抽放的煤矿甲烷暂时不能利用时，可直接燃烧，将CH4转化成CO2排空，从而显著减少温室效应。

由于1ｔ甲烷的温室效应相当于21ｔCO2，因此甲烷直接燃烧与直接排空相比，温室效应减少94％。

3 法规与政策
控制煤矿甲烷排放是美国实施《气候变化行动计划》的重要组成部分，美国能源部和环保局密切配合，从政策、资金、信息等几方面促进煤矿甲烷的回收和利用，其中对美国煤矿甲烷回收利用项目具有推动作用的法规和政策有以下几个方面。

3.1 《1980原油意外获利法》第29条税款补贴政策
为了鼓励非常规燃料的生产，美国政府制订了《1980原油意外获利法》，其中第29条税款补贴政策可以确保在石油跌价时期，包括煤层气在内的非常规燃料生产具有竞争力。

该政策规定，从1980年至1992年钻成的煤层气井以及于1992年12月31日以前开钻的煤层气井可享受税款补贴，并延续到2002年。

根据该政策，若煤层气热值为8500ｋｃａｌ／m3，则在1996年、2000年和2002年，每1000m3煤层气的税款补贴额分别为37美元、43美元和47美元。

1985年和1986年曾对该条款进行修改。

其中一次修改是煤层气可以直接售给用户；另一次修改是税款补贴额不能超过预计最低纳税额。

税款补贴额是指超出常规税的那部分。

美国目前对煤层气生产实行“先征后返”政策，即先按联邦税法征税，然后根据第29条税收优惠政策给予税款补贴。

在多数情况下，煤层气生产者得到的税款补贴比上交的税款要多，因而可以得到实惠，所以积极性很高。

3.2 636号法令
1992年5月，美国联邦能源管理委员会颁布636号法令，从而使天然气工业走向市场经济，天然气价格从过去由联邦机构决定转向由市场供需来确定。

该法令要求跨州管道公司分解它们的天然气销售、存储及输送业务，必须在公平的基础上向任何发货商提供天然气输送服务。

天然气生产公司可以向管道公司购买管道运输容量，向用户直接供气。

636号法令对煤层气生产商产生下列影响：
（1）在煤层气销售方面，生产商拥有更多的市场和机会。

由于大多数高瓦斯矿井邻近主要的天然气消费市场，煤层气生产商能轻易地将其产品直接供给当地天然气输送公司或最终用户；
（2）煤层气生产商能根据用户的具体需求，针对性地提供适销对路
的煤层气产品；
（3）进入输送系统已不再是煤层气进入二级市场的障碍；
（4）鉴于季节性天然气需求变化和高昂的管道输送容量占用成本，天然气储存是非常需要的，煤层气生产商可以用废弃的煤矿来储存煤层气，以便加强煤矿甲烷的销售能力以及更好地为市场服务。

煤矿煤层气开发项目是否赢利，取决于煤层气的价格。

目前，美国天然气井口价平均为0.07美分／m3。

煤层气价格对赢利回收煤层气的数量和煤矿个数具有重大影响，美国ＩＣF公司对美国到2000年的煤矿甲烷减排的预测结果见表1。

表1 2000年美国煤矿甲烷赢利性减排估算
3.3 环境政策
美国政府为了实现其控制温室气体排放的目标，制订了以市场为导向的经济鼓励政策，主要包括可交换排放权和排放费等。

（1）可交换排放权
可交换排放权是由政府规定的允许某一工业形成的全部排放量或排放率。

这一总
排放量在该部门各企业之间进行分配，并采用允许排放量管理制度，因此每个企业获得一定数量的排放权。

内部分配后，企业便可以交换这些配额，在排放权的交换市场中，每排放单位的价格大致相当于未来排放物的减排成本。

可交换排放权制度能使更经济地减少排放量的企业将多余的排放权出售，而减排成本高的企业可选择从其它人手里购买多余的排放权。

回收煤层气的定额可以在二氧化碳可交换排放权制度中进行交换。

（2）排放费
征收排放费可使企业以它们能够实现的最低成本来减少其排放量；此时排放物的减排成本低于排放成本。

排放费收得过低，只能起到一种特种税作用，并且管理成本过高，排放收费标准过高，虽然会明显减少排放量，但会影响企业产品的竞争力。

征收煤层气排放费将使煤炭成本增加，进而影响煤炭销售，但煤矿的经营者有义务承担环境成本。

3.4 投资政策
美国联邦政府通过其有关部门以提供贷款、贷款担保和资金援助形式来资助煤层气开发利用项目。

农业部农村企业与合作开发局负责为农村企业提供贷款、贷款担保和援助资金。

由于许多高瓦斯矿井处于农村地区，因而较容易从本地农村信贷部获得煤层气项目贷款，贷款限额为15万美元，贷款利息为1％。

商业部经济发展局可为高瓦斯矿井发展煤层气发电、管道输气销售或居民用气项目提供资助。

小企业管理局主要是为那些无能力获得私营银行
贷款的小企业提供贷款担保，从而使银行愿意向这类小企业提供贷款，节能项目可获优先考虑。

1993～1995年，小企业管理局共提供贷款担保215亿美元。

煤矿回收煤层气项目一般属于节能项目，为优先考虑项目。

3.5 绿色定价与电力公司补偿。

绿色定价就是用户可以选用标准价的常规电力或电价略高的绿色电力，电力公司负责购买足够的环境友好性能源来满足用户的需要。

例如，美国的尼亚加拉莫豪克电力公司是全美第一家实施绿色定价的公司，该公司的绿色定价计划包括每月收取6美元的用户附加费，其中1美元用于植树，其余5美元用于开发可再生能源。

考虑到温室气体减排成本和常规发电设施的增容，电力公司投资绿色电力是具有吸引力的。

电力公司可通过多种方式加入绿色定价计划。

例如直接向煤层气回收项目投资；从回收甲烷的煤矿购买排放许可；以SO2排放许可交换温室气体减排额；参加由多个电力公司合资建设的煤矿甲烷回收项目并共享减排额。

例如俄亥俄电力公司购买该州内尔姆斯-矿甲烷所发的电，用这种绿色电力代替部分常规电力，从而减少CO2的排放；而尼亚加拉莫豪克电力公司则已用CO2减排额来交换SO2排放许可。

4 障碍分析
美国煤矿回收的甲烷主要注入天然气管道，然而许多能够赢利的煤矿煤层气开发项目都未能实施。

煤层气开发项目的主要障碍包括煤层气所有权、项目开发条件的制约以及技术障碍。

4.1 煤层气所有权
煤层气所有权的不明确性是美国煤层气回收项目实施最主要的障
碍。

所有权问题上的模棱两可妨碍了人们对煤层气回收项目的投资。

常规的石油和天然气在地质是上可以分离的，而煤层气的储层是煤层，很难将煤层气和煤层的所有权分离开来。

过去煤层气一直被看作是煤炭开采时涌出的有害气体，而不是一种具有经济利益的资源。

因此，在历史上租地中并不包括煤层气，而煤炭、石油和天然气的开采者和土地所有者都可能声称拥有煤层气所有权，这将会出现所有权的纠纷。

目前，美国各州对煤层气所有权的解决方案有：（1）煤层气是天然气；（2）煤层气属于煤炭；（3）早期获得所有权者优先；（4）具体事例具体裁定；（5）煤炭企业主有权开采煤炭吸附的煤层气；（6）煤炭业主和煤层气业主共享煤层气开采权；（7）煤炭业主和煤层气业主对煤层气开发拥有相同的份额。

4.2 项目开发条件的制约
（1）资金投入
煤层气回收利用项目往往需要大量投资，与其它能源项目相比，煤层气项目因经济效益较差而难以吸引大量投资。

于是，美国一些州制订鼓励政策来促进煤层气回收。

例如，弗吉尼亚州实施煤层气税收信贷政策来促进其煤炭行业的就业；阿拉巴马州允许煤层气开发商少交税。

另外，自80年代以来，大多数煤炭公司优先投资于煤矿现代化，以提高煤炭生产率。

鉴于资金有限，煤炭公司用于煤层气回收利用项目上的投资则很少。

（2）开发风险
温室效应、酸雨等全球环境问题受到各国的日益关注，并纷纷采取
行动控制环境污染。

在这种情况下，煤炭工业将面临严峻的挑战，煤炭公司对其将来的煤炭生产缺乏信心，因而对长期的煤层气回收项目更是犹豫不决。

另外，煤层气开发往往采用新技术、新工艺，由于决策者对煤层气回收和利用不熟悉，因此对煤层气项目的立项不积极。

4.3 煤层气井的生产特点
煤层气井与常规天然气井的生产特点不同。

常规天然气井的产量可由开发商随意控制，这有利于天然气的供应。

对于煤层气开发，地面垂直井的产量可被控制，而层内钻孔和采空区井的煤层气产量则很难控制，因为它们主要出于煤矿安全的目的而抽放甲烷。

另外，天然气用户对天然气消费的季节性变化和输气管道能力的限制，使无法稳定供气的煤层气项目难以找到市场。

为了解决天然气需求波动和管道输送能力问题，可利用报废矿井贮存煤层气。

水处理也是煤层气项目面临的一种障碍。

煤层气垂直井往往从煤层及其周围岩层产出水。

若煤层气井邻近淡水水体或其它环境脆弱地区，就应对抽出水进行有效的处理，目前处理方法主要包括深井回灌和地面处理。

抽出水的处理实际上增加了开发项目的生产成本。

5 总结
（1）甲烷是一种温室气体，其温室效应是CO2的21倍，煤炭开采是甲烷排放的重要来源，美国每年因煤炭开采而排放甲烷为49～77亿m3；
（2）煤矿甲烷减排是技术进步、政府财政支持、经济政策、环境政
策综合作用的结果，尤其是税款补贴政策的实施，大大促进了煤矿甲烷的回收和利用；
（3）在煤矿甲烷抽放技术中，地面标准井和采空区井抽放技术在美国应用最普遍，它们的抽放率分别达50％～70％和30％～50％。

美国已有22座煤矿采用了采空区井抽放技术。

在煤矿甲烷利用方面，因美国拥有四通八达的天然气管网，因此注入天然气管道成为首选方案，仅有少量煤矿甲烷用于发电和工业燃料。

煤矿甲烷直接燃烧也是一种有效的温室气体减排方法，该方法能使温室效应减少94％；
（4）在政策与法规方面，第29条税款补贴政策使煤层气生产商在能源生产中处于有利的竞争地位；而636号法令则打破了管道公司对天然气销售、输送领域的垄断权；可交换排放权制度和排放定额制度能够促使有关企业减少污染物的排放；电力的绿色定价政策鼓励电力公司购买用洁净能源生产的电，从而为煤层气电厂提供良好的市场环境；
（5）煤层气价格是影响煤矿甲烷赢利性减排的主要因素，若到2000年煤层气井口价维持在0.08美元／m3，则全美煤矿甲烷赢利性减排量为23.5亿m3；
（6）煤层气回收利用项目实施的主要障碍包括煤层气所有权、项目的资金投入、风险和技术以及生产矿区的煤层甲烷生产特点等。