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甲烷的减排潜力不容忽视 | 图源:istockphoto.com,Vadim_Orlov

 

导  读

最新数据显示,虽然出现了能源危机,但全球碳排放量仍在飙升。二氧化碳之外,第二大温室气体甲烷的减排潜力不容忽视。然而,作为我国目前最大的甲烷排放源,煤层气逸散的减排之路依然困难重重。

撰文 | 陈美安

责编 | 冯灏

在《联合国气候变化框架公约》第二十七次缔约方大会(COP27)上,中国气候变化事务特使解振华透露,中国已完成控制甲烷排放的行动计划战略,目前正在审批阶段。接下来,甲烷减排主要着力点在油气、农业畜牧业,垃圾废弃物三个领域,方案亦明确了相应目标、计划和激励性政策措施。

来自美国国家海洋和大气管理局(NOAA)近期的初步分析显示,2021年全球大气甲烷平均含量达到1895.7ppb,年增幅达到17ppb [1],是1983年系统监测以来大气甲烷含量甲烷增幅最大的一年 [2]。

全球甲烷浓度不仅增速快,排放总量不少,是仅次于二氧化碳排放最高的温室气体。与二氧化碳相比,甲烷的全球变暖效应也更强。在甲烷排放到大气中的头20年内,其在地球大气层中吸收热量的能力是二氧化碳的80多倍。而在甲烷释放到大气的100年内,同样体积的甲烷吸收热量的能力也是二氧化碳的20多倍。

由于甲烷减排的重要性,在2021年第26届联合国气候变化大会(COP 26)上,有100多个国家联合签署了全球甲烷承诺倡议(Global Methane Pledge),旨在到2030年将甲烷在2020年基础上减少至少30%。中美两国也在COP26上发布了《中美关于在21世纪20年代强化气候行动的格拉斯哥联合宣言》,将甲烷减排作为交流合作的重点领域 [3]。

 

中国甲烷排放,煤层气逸散居首位

作为全球甲烷排放大国,根据2018年提交的《气候变化第二次两年更新报告》,中国2014年甲烷排放达到11.61亿吨二氧化碳当量,约占当年全国总温室气体排放的10.4%,其中,来自能源供应的煤矿开采和矿后活动中的煤层气逸散是最大的排放源,占比39%。

图1 甲烷排放占比 | 数据来源:《中华人民共和国气候变化第二次两年更新报告》

 

中国甲烷排放中煤层气逸散占比最大的这一特点,也是与其他国家和地区的重要区别。EDGAR全球数据库的2017年甲烷排放的数据显示,中国甲烷排放中来自能源供应的排放占比最大,主要来自煤炭开采以及矿后活动带来的煤层气逸散。

图2 中国、欧洲、美国的甲烷排放对比 | 数据来源:EDGAR 全球数据库

 

尽管随着中国煤炭开采总量的下降,煤矿相关的甲烷排放相应减少,但清华大学2021年发布的《中国长期低碳发展战略转型路径研究》综合报告中显示,从2015年到2030年,煤炭开采过程排放占甲烷总排放比例分布在39% - 44% 之间,到2050年将有所下降,但是占比仍有25.5% [4]。

 

两个五年计划均未完成目标

数据显示,与煤矿开采相关的甲烷排放中,有83%来自风排瓦斯(甲烷浓度<0.75%),11%来自其他的低浓度煤矿瓦斯(甲烷浓度在1%-30%之间),仅有6% 来自高浓度煤层气(甲烷浓度>30%)[5]。

作为一种优质清洁能源,煤层气(煤矿瓦斯)的开采一般通过地面钻井抽采和井下抽采,前者抽采的煤层气中甲烷浓度高,一般被称为地面煤层气,经过简单处理就可以直接接入到天然气管网进行利用,因此,高浓度煤层气逸散的占比较小。

井下抽采煤层气一般被称为煤矿瓦斯,多伴随煤炭开采进行,这一部分煤层气由于会有空气混入,因此浓度较低,其抽采利用率远低于前者。

以煤层气(煤矿瓦斯)开发利用 “十二五” 规划为例,规划目标为2015年地面开采达到160亿立方米,基本全部利用;煤矿瓦斯抽采利用率达 60% 以上 [6]。但是数据显示,到2015年,煤层气利用率达到了86.4%,但是煤矿瓦斯利用率仅为35.3% [7],与规划目标差距较大。而我国在煤层气(煤矿瓦斯)开发利用 “十三五” 规划中设定的2020年煤层气(煤矿瓦斯)开发利用目标也未能完成 [8]。由于井下抽采的煤层气甲烷浓度在30%以下的低浓度煤矿瓦斯占比较大且不易利用,最后被排放到大气中,导致甲烷排放的增加。

此外,由于煤层气也是一种易燃易爆的气体,爆炸的风险对煤矿的安全生产带来隐患。为了确保煤矿生产安全,会有大量空气通入矿井,使矿井中的煤矿瓦斯甲烷浓度小于0.75%(这部分的煤层气也被称为风排或者乏风瓦斯)。风排瓦斯由于甲烷浓度极低,利用困难,因此大多直接排空。

 

标准缺失,加上激励不足

首先,现有的排放标准并没有对低浓度瓦斯排放做出限制要求。为了促进煤层气(煤矿瓦斯)的利用,中国在2008年发布了《煤层气(煤矿瓦斯)排放标准(暂行)》,其中规定煤层气地面开发系统的煤层气和煤矿瓦斯抽放系统的高浓度瓦斯(甲烷体积分数≥30%)禁止排放。但是标准并没有对低浓度瓦斯(甲烷体积分数<30%)和煤矿回风井的风排瓦斯的排放有控排要求 [9]。

图3 图表来自 《煤层气(煤矿瓦斯)排放标准(暂行)GB 21522-2008》


其次,现在标准主要侧重在以甲烷浓度为指标限制瓦斯排放,但是对于甲烷排放总量没有要求 [10]。按照现行标准要求,煤矿需要对管道内的甲烷浓度、流量、压力、温度等参数进行监测。并且按照《污染源自动监控管理办法》的规定,安装煤层气 (煤矿瓦斯)排放自动监控设备,并与环保部门的监控中心联网,但是并未提到对甲烷排放总量有限制。

因此,为实现甲烷排放浓度达标,企业可通过加大进入抽采系统的空气量,稀释抽采瓦斯的甲烷浓度后进行排放。这也是导致目前煤层气甲烷逸散以低浓度煤层气为主的重要原因之一。

现有的煤层气(煤矿瓦斯)开发利用补贴政策也未能对低浓度瓦斯利用形成有效的激励。从2007年开始,中央财政对煤层气(瓦斯)的开采利用进行补贴,标准为0.2元/立方米,并在2016年将标准提高为0.3元/立方米。由于不同浓度煤矿瓦斯开采成本的差异,采用统一的补贴政策对低浓度煤矿瓦斯利用略显不足。北京大学能源研究院特聘研究员杨富强告诉《知识分子》,“目前煤层气的政策补贴尚未形成针对不同浓度煤层气的差异化激励机制,针对不同浓度煤矿瓦斯的分层次激励措施会更加有效”。

 

利用成本高,缺乏经济性

目前,对甲烷浓度在5%- 30%的低浓度煤矿瓦斯的开发利用以发电为主,但是由于发电机组效率较低,如何经济有效地开发利用低浓度煤矿瓦斯仍有待加强 [11]。此外,由于该浓度区间处在瓦斯的爆炸范围,因此,另一个技术难点是需要防止在对其输送以及提纯浓缩过程中存在的爆炸风险 [12,13]。

对于目前抽采的煤矿瓦斯中甲烷排放占比最高的风排瓦斯,由于甲烷浓度极低,回收利用难度系数更高。

目前的利用方式可以分为两类,一类是主要燃料利用技术,风排瓦斯作为主要燃料,通过热氧化或催化氧化产生二氧化碳和水,回收产生的热量用于供暖、洗浴,或者把热能转换为动能用发电 [14]。这类技术也大多处在实验或小规模示范阶段。

另一类是辅助燃料利用技术,将风排瓦斯作为辅助燃料,替代空气输入到燃气轮机、内燃机、锅炉等燃烧系统中进行燃烧 [15]。目前技术的应用和发展还不是很成熟,除内燃机助燃技术进行工业示范外,多数处在实验阶段 [16]。一位不愿具名的业内专家告诉《知识分子》,“对于超低浓度瓦斯,尽管目前也有一些较为成熟的技术,例如通过特殊的燃烧器进行燃烧或者是氧化利用。但是利用成本高,缺乏经济性,并且也没有专门的国家补贴政策。”

由于针对低浓度瓦斯、尤其是风排瓦斯高效利用的经济性不足,因而未能形成稳定的市场需求。早前,风排瓦斯利用可以通过注册《京都议定书》下的清洁发展项目(在该机制下,发达国家可以向发展中国家购买碳减排项目来抵消其排放量)出售碳减排额来提高项目经济性。截至2016年6月,中国成功注册的风排瓦斯利用项目有13个,采用的技术均为逆流式热氧化技术 [17]。

针对来自国内煤矿、在联合国注册成功的风排瓦斯清洁发展机制项目的案例研究显示,这些项目在有碳减排收入的情况下才具有经济性;在没有碳减排收入的情况下,项目内部收益率为-18%。

图4 有无碳减排量收入的不同项目 | 图源[18]

 

如何破题?

随着《京都议定书》第一阶段的结束,我国也逐渐停止了清洁发展机制的项目注册。但是,国内建立的自愿碳减排交易市场中也包括了煤矿瓦斯利用项目。

此外,目前全国碳市场中可以纳入5%的国家核证自愿减排量(CCER),其中也包括了甲烷利用的CCER项目,例如针对煤层气开发利用的CM-003-V01——回收煤层气、煤矿瓦斯和通风瓦斯用于发电、动力供热/或通过火炬或无焰氧化分解 [19]。随着全球自愿碳市场的发展,基于国际碳信用标准开发的煤层气减排项目也有望在国际市场上进行交易 [20]。

除了申请CCER项目以外,通过合同能源管理方式,即由节能技术供应方为煤矿企业提供服务,通过项目所实现的节能成本来支付节能项目成本的方式,也能提高低浓度煤矿瓦斯利用的经济性。

展望未来,随着我国能源的低碳转型,能源生产端也在逐渐退煤,由煤炭开采产生的甲烷排放也会减少。但是与此同时,废弃矿井数量也在增加。数据显示,我国煤矿数量已经从2015年的1万多处减少到2020年底4700处以下,并且计划到 “十四五” 末将数量控制在4000处左右 [21]。

应急管理部信息研究院能源安全研究所所长韩甲业在2021年接受《中国能源报》采访中也提到,“目前,我国对废弃矿井瓦斯利用尚处于摸索阶段,研究表明,到2030年,我国废弃矿井数量将达到1.5万处,若不加以控制,排放将随之大大增加。”  [22] 未来加强对废弃矿井的甲烷排放研究以及减排行动将进一步助力我们应对气候变化。

厦门大学中国能源政策研究院教授张博建议说,对低浓度瓦斯及乏风瓦斯回收利用项目、超低浓度和乏风瓦斯销毁项目,给予一定的差异化政策性补贴,引入相关的市场化交易机制,有望激发煤炭生产企业的积极性,出台符合国情的行业性甲烷控排行动方案,适当提高煤矿甲烷排放控制要求,开展标准修订工作。

此外,提高煤矿瓦斯甲烷排放数据质量也是开展甲烷减排的一项基础工作。美国环保协会北京代表处高级主管冉泽表示,过去煤炭企业出于安全的考虑对煤矿瓦斯浓度非常重视,有相关的监测设备并形成了一定的数据基础,但是对排放的重视程度相对欠缺。在加强应对气候变化的背景下,未来需要加强煤矿企业甲烷排放监测、报告与核查(MRV)机制的建设。 

 

参考文献:

1. 浓度单位,ppb 指十亿分之一。2. NOAA. (April 7, 2022). Increase in atmospheric methane set another record during 2021. https://www.noaa.gov/news-release/increase-in-atmospheric-methane-set-another-record-during-2021#:~:text=NOAA's%20preliminary%20analysis%20showed%20the,during%202020%20was%2015.3%20ppb. 3. 中美关于在21世纪20年代强化气候行动的格拉斯哥联合宣言:https://www.mee.gov.cn/ywdt/hjywnews/202111/t20211111_959900.shtml 4. 清华大学气候变化与可持续发展研究院. (2021). 中国长期低碳发展战略与转型路径研究综合报告. 中国环境出版集团.5. Zhou, F., Xia, T., Wang, X., Zhang, Y., Sun, Y., & Liu, J. (2016). Recent developments in coal mine methane extraction and utilization in China: a review. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 31, 437–458.6. 煤层气(煤矿瓦斯)开发利用“十二五”规划: http://www.nea.gov.cn/131337364_31n.pdf 7. 煤层气(煤矿瓦斯)开发利用“十三五”规划: http://www.gov.cn/xinwen/2016-12/04/content_5142853.htm 8. 朱妍. (2021). 能源透视:煤层气为何屡交低分答卷. 中国能源报. http://energy.people.com.cn/n1/2021/0115/c71661-32000743.html    9. 煤层气(煤矿瓦斯)排放标准(暂行)(GB 21522—2008):https://www.mee.gov.cn/ywgz/fgbz/bz/bzwb/dqhjbh/dqgdwrywrwpfbz/200804/t20080414_121137.htm10.  马翠梅, 高敏惠, & 褚振华. (2021). 中国煤矿甲烷排放标准执行情况及政策建议. 世界环境, 47–49.11. 杨颖, 曲冬蕾, 李平, & 于建国. (2018). 低浓度煤层气吸附浓缩技术研究与发展. 化工学报, 69(11), 4518–4529.12. 同上。13. 刘文革, 徐鑫, 韩甲业, 王勃, 李志, & 严媛. (2022). 碳中和目标下煤矿甲烷减排趋势模型及关键技术. 煤炭学报, 47(1), 470–479.14. 赵路正. (2017). 煤矿乏风中的甲烷利用技术经济分析. 煤炭工程, 7, 97–99.15. 曹敏敏, 王雪峰, 王荀, & 陈雪. (2022). 煤矿低浓度甲烷利用技术研究进展. 煤炭技术, 41(1), 101–105.16. 赵路正. (2017). 煤矿乏风中的甲烷利用技术经济分析. 煤炭工程, 7, 97–99.17. 同上。18. 赵路正. (2017). 煤矿乏风中的甲烷利用技术经济分析. 煤炭工程, 7, 97–99.)19. CM-003-V01 回收煤层气、煤矿瓦斯和通风瓦斯用于发电、动力、 供热和/或通过火炬或无焰氧化分解: https://www.ccchina.org.cn/archiver/cdmcn/UpFile/Files/Default/20130311165532236827.pdf 20. VM 0014  interception and destruction of fugitive methane from coal bed methane seeps  v1.0: https://verra.org/methodology/vm0014-interception-and-destruction-of-fugitive-methane-from-coal-bed-methane-cbm-seeps-v1-0/   21.中国煤炭工业协会. (2021). 2020煤炭行业发展年度报告. http://www.coalchina.org.cn/uploadfile/2021/0303/20210303022435291.pdf 22. 朱妍. (2021),部署甲烷减排拖延不得. 中国能源报. https://m.in-en.com/article/html/energy-2303055.shtml

 

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由饶毅、鲁白、谢宇三位学者创办的移动新媒体平台,现任主编为周忠和、毛淑德、夏志宏。知识分子致力于关注科学、人文、思想。我们将兼容并包,时刻为渴望知识、独立思考的人努力,共享人类知识、共析现代思想、共建智趣中国。

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