在全球氣候治理的議題中，相較于公眾更為熟知的二氧化碳，甲烷（CH?）減排問題同樣緊迫。甲烷是僅次于二氧化碳的第二大溫室氣體，其增溫效應(yīng)高出二氧化碳數(shù)十倍。全球范圍內(nèi)的甲烷正在以幾十年內(nèi)最快的速度增長1，并在2023年創(chuàng)下排放新高2。

在我國，甲烷排放主要來自能源活動、農(nóng)業(yè)活動和廢棄物管理。能源活動是甲烷排放的最大來源，而煤礦甲烷更是占到能源部門甲烷的87%3。

在中國的能源版圖中，山西省無疑是一塊重地：煤炭儲量占全國四分之一，煤層氣（瓦斯）探明儲量居全國之首。這個“因煤而興”的傳統(tǒng)能源大省，如今正面臨著一個更隱秘的黑色難題——甲烷減排。

圖注：左權(quán)阜生煤業(yè)低濃度瓦斯多孔燃燒供熱科研示范項目

甲烷是瓦斯的主要成分，在煤炭開采時從煤層中逸出。山西的甲烷排放就主要來自煤礦作業(yè)，當(dāng)?shù)孛磕昝旱V釋放的甲烷，相當(dāng)于2億噸二氧化碳當(dāng)量，占全國總排放量的近三成?。

但問題并不止于此。在煤礦甲烷排放中，有將近九成來自 “低濃度瓦斯”，即甲烷濃度低于30%的礦井瓦斯。長期以來，這部分瓦斯因政策監(jiān)管不足、利用技術(shù)門檻高、經(jīng)濟(jì)效益低等原因，常常被直接排入大氣。

這一政策空白終于在2024年12月被填補(bǔ)：新修訂的《煤層氣（煤礦瓦斯）排放標(biāo)準(zhǔn)》，要求甲烷體積濃度高于8%且抽采純量高于10立方米每分鐘的煤礦瓦斯禁止排放，此前這一數(shù)值為30%。這一變化意味著，過去大量直接排放的低濃度瓦斯，如今已被納入約束范疇。此前有專家表示，新標(biāo)準(zhǔn)修訂后，每年可額外削減甲烷排放量近27億立方米，預(yù)計到2030年，這個數(shù)字可達(dá)到30億立方米?。

制度的完善是一方面，更大的挑戰(zhàn)在于如何將這些"禁止排放"的瓦斯真正轉(zhuǎn)化為可利用的資源。在山西這個傳統(tǒng)能源大省，不少礦區(qū)已經(jīng)開始探索低濃度甲烷利用的實(shí)踐路徑。例如晉中市左權(quán)縣，就有兩座礦井采用“直燃供熱”技術(shù)，將低濃度瓦斯直接燃燒，為礦區(qū)及周邊設(shè)施提供穩(wěn)定熱源，為行業(yè)提供了頗具啟發(fā)性的樣本。

一、甲烷濃度越低，減排難度越大

甲烷燃燒后的主要產(chǎn)物是二氧化碳和水，因此甲烷被視為一種較清潔的能源。但要將其從地下煤礦中安全提取并高效利用，仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

在甲烷利用領(lǐng)域，目前有三種主流技術(shù)路徑：

第一種是瓦斯發(fā)電，這是最早的利用低濃度瓦斯的方式，也是目前甲烷減排最便捷、最成熟、最廣泛的方式，但該技術(shù)對瓦斯?jié)舛扔休^高要求，低濃度瓦斯使用受限，瓦斯利用效率低。再者，審批流程長、并網(wǎng)手續(xù)復(fù)雜也會影響項目落地。隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)趨嚴(yán)，發(fā)電尾氣的脫硝處理成為必要條件，項目合規(guī)壓力隨之增加。

第二種技術(shù)是蓄熱氧化，它將乏風(fēng)或空氣通過摻混裝置摻入到低濃度瓦斯中，經(jīng)控制系統(tǒng)自動調(diào)控，使混合后的瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在1%—2%左右，再進(jìn)入氧化裝置內(nèi)進(jìn)行無焰氧化，產(chǎn)生的熱量用于供暖或發(fā)電。但這種技術(shù)的初始投資較高，瓦斯利用效率偏低，如果僅發(fā)電，經(jīng)濟(jì)性偏低。分析顯示，蓄熱氧化技術(shù)的平均裝機(jī)成本約是內(nèi)燃機(jī)發(fā)電技術(shù)的3.3倍，但其發(fā)電收入?yún)s不到內(nèi)燃機(jī)發(fā)電技術(shù)的40%?，而結(jié)合給煤礦供熱，可有效提升經(jīng)濟(jì)性。

第三種是直燃供熱技術(shù)，其原理在特殊多孔材料內(nèi)實(shí)現(xiàn)氣體預(yù)混和穩(wěn)定燃燒，再進(jìn)入鍋爐爐膛高效轉(zhuǎn)化為熱能。但由于現(xiàn)行《煤礦安全規(guī)程》中，部分關(guān)于技術(shù)適用性的規(guī)定未能與技術(shù)創(chuàng)新同步，影響了這一技術(shù)的應(yīng)用推廣進(jìn)程。

“任何技術(shù)都不是完美的，關(guān)鍵在于因地制宜。” 山西科城能源環(huán)境創(chuàng)新研究院助理研究員劉杰說，煤礦深處變量眾多，需要在效率、安全與經(jīng)濟(jì)性之間找到權(quán)衡。

劉杰談到，低濃度瓦斯是甲烷減排的隱秘角落。煤礦甲烷濃度越低，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上實(shí)現(xiàn)減排的難度就越大。

二、低濃度瓦斯利用解法：從“排出去”到“燒起來”

從太原出發(fā)，車行兩小時即可抵達(dá)晉中市左權(quán)縣。這是一個典型的太行山區(qū)縣：“八山一水一分田” 是對該資源型地區(qū)地貌格局的真實(shí)寫照。左權(quán)縣是全國百個重點(diǎn)產(chǎn)煤縣之一，2024年左權(quán)縣的煤炭開采與洗選行業(yè)增加值占到規(guī)模以上工業(yè)的57%?。

三年前，山西潞安集團(tuán)左權(quán)阜生煤業(yè)投運(yùn)了“低濃度瓦斯多孔燃燒供熱科研示范項目”，通過燃燒低濃度瓦斯替代天然氣，為整個煤礦高效供熱。

“以前大家管瓦斯，主要是為了煤礦安全，現(xiàn)在是安全、利用、減排一起管。”王志峰站長談到，他自項目投運(yùn)第一天起便駐扎在此，負(fù)責(zé)甲烷利用項目整體的統(tǒng)籌管理。

與傳統(tǒng)龐大嘈雜的瓦斯發(fā)電鍋爐房不同，在礦區(qū)附近的甲烷直燃處理廠房安靜、布局緊湊，12臺配備低濃度瓦斯多孔介質(zhì)燃燒裝置的蒸汽鍋爐依次排列。

王志峰解釋，這項裝置的核心原理是把那些原本排入空氣、難以利用的瓦斯收集起來，經(jīng)過摻混稀釋后，將其濃度穩(wěn)定在6.8%—9%之間。隨后送入低濃度瓦斯燃燒器中直接燃燒，加熱鍋爐產(chǎn)生高溫蒸汽。

每臺設(shè)備每小時最多可以產(chǎn)生2噸的飽和蒸汽，用來給礦區(qū)供暖、供熱，毫不浪費(fèi)。經(jīng)測算，該項目每年能利用680萬立方米瓦斯，相當(dāng)于減少了13.04萬噸二氧化碳當(dāng)量的排放量。

在一臺鍋爐的觀察口前，我們看到爐膛內(nèi)的藍(lán)色火焰。“火焰顏色可以代表燃燒效率，顏色越藍(lán)說明燃燒越充分。”王志峰說：“這種技術(shù)不僅回收利用難以處理的低濃度瓦斯，而且還能實(shí)打?qū)嵉厥″X——每年為煤礦節(jié)省超1000萬元天然氣采購費(fèi)用，直接減免了冬季取暖的外購開支。”

三、一場能源錯位危機(jī)下的技術(shù)突圍

溯源這項煤礦瓦斯利用技術(shù)，最初實(shí)則來自一個“反差感”的發(fā)現(xiàn)。

“2017年全國大規(guī)模推行“煤改氣”政策時，天然氣需求迅速上升，價格隨之飆升。”山西高創(chuàng)能源新技術(shù)有限公司技術(shù)顧問周建軍說。

作為該項目背后的技術(shù)推動者之一，周建軍對當(dāng)年的能源供需危機(jī)情形仍記憶猶新。他提到，工業(yè)天然氣價格在當(dāng)年暴漲至10元/立方米，供暖用氣成本成為沉重負(fù)擔(dān)。例如山西省陽泉的某個煤礦，僅冬季供暖就要每天花費(fèi)20萬元去采購天然氣。

這也引起了另一位瓦斯利用技術(shù)專家王信的注意。王信在走訪煤礦時發(fā)現(xiàn)一個矛盾的現(xiàn)象：煤礦一邊把濃度約10%的瓦斯被排入空氣，另一邊卻高價外購天然氣供熱。

“為什么不直接用這些瓦斯取暖？”他提出了一個簡單卻具備顛覆性的建議。

2018年起，王信帶領(lǐng)技術(shù)團(tuán)隊開始研發(fā)基于多孔介質(zhì)燃燒原理的低濃度瓦斯專用燃燒器，并同步搭建了模擬蒸汽鍋爐系統(tǒng)，開展熱能轉(zhuǎn)化實(shí)驗。2019年，該技術(shù)首次在太原某煤礦實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，熱效率突破95%。這些原本被忽視的低濃度甲烷資源，被成功轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定蒸汽熱源。

“這項技術(shù)的最大特點(diǎn)就是‘直接’。”周建軍說，不同于傳統(tǒng)瓦斯利用技術(shù)，這項多孔燃燒技術(shù)不需要中間環(huán)節(jié)，不靠氣體轉(zhuǎn)化，也無需重新設(shè)計整套供熱系統(tǒng)，只需更換原鍋爐燃燒器，從而讓低濃度瓦斯“變廢為熱”。

直燃供熱技術(shù)帶來的好處是全鏈條的：建設(shè)周期短、啟動快、能效高，每生產(chǎn)一噸蒸汽，便可有效利用80立方米的煤礦瓦斯。設(shè)備消耗電量不超過4度電，同時該技術(shù)的運(yùn)維成本很低，除日常維護(hù)外，僅需定期保養(yǎng)燃燒器，無需額外投入。

從經(jīng)濟(jì)效益看，項目通過售賣蒸汽給煤礦獲益，每噸蒸汽的價格約為200—300元。相比之下，若煤礦企業(yè)采用天然氣供熱，在當(dāng)前氣價約為5元/立方米的情況下，每噸蒸汽的熱力成本可高達(dá)400元，成本差距明顯。

如果用這80立方米瓦斯發(fā)電，大約能發(fā)240度電，按每度0.5元的電價算，總收益是120元，遠(yuǎn)低于賣蒸汽的收益。

如果采用蓄熱氧化的技術(shù)生產(chǎn)蒸汽，每噸蒸汽需要約120立方米瓦斯，同時消耗20—30度電，整體能耗更高。并且在相同處理規(guī)模下，蓄熱氧化技術(shù)的設(shè)備投資也比直燃供熱貴三到四成。

在環(huán)保效益層面，由于燃燒速度快、火焰極短，燃燒產(chǎn)物在高溫區(qū)的停留時間大幅縮短，使得整體燃燒溫度控制在1000℃以下，從源頭上減少了熱力型氮氧化物（NOx）的生成，同時充足的空氣供給也減少了一氧化碳的排放。

王志峰告訴我們，智能運(yùn)維技術(shù)也讓項目管理更高效且更省人力。過去需要13人值守的鍋爐房，現(xiàn)在可以做到僅需3人巡檢。多出的人力被派往其他項目現(xiàn)場，承擔(dān)起更多統(tǒng)籌與協(xié)調(diào)的管理任務(wù)。

四、技術(shù)落地的“最后一公里”

盡管已取得諸多突破，但直燃供熱技術(shù)仍然不夠完美，季節(jié)需求差異帶來新的挑戰(zhàn)：夏季供熱需求驟減，設(shè)備負(fù)荷下降，煤礦瓦斯的利用效率面臨季節(jié)性空檔。

技術(shù)團(tuán)隊開始將目光投向礦區(qū)之外的工業(yè)場景。他們意識到，只有在更多元的熱力需求中，瓦斯的利用才能擺脫季節(jié)的束縛。因此，玻璃制造、食品加工、工業(yè)窯爐……這些對溫度具備更穩(wěn)定需求的行業(yè)，成為王信與其技術(shù)團(tuán)隊關(guān)注的下一步方向。

周建軍介紹，王信的技術(shù)團(tuán)隊開始在玻璃制造行業(yè)展開創(chuàng)新嘗試，用低濃度瓦斯作為工業(yè)燃料替代天然氣。目前他們已經(jīng)在山西省某個玻璃廠的小型窯爐上完成小試驗證，中試實(shí)驗正在進(jìn)行中。

“玻璃行業(yè)對燃料價格極為敏感，如果直燃技術(shù)能穩(wěn)定替代天然氣，節(jié)省的成本將十分可觀。”他說，未來希望將瓦斯燃料端的供應(yīng)能力逐步拓展，嵌入更多有持續(xù)熱力需求的工業(yè)流程，在礦區(qū)外找到更多元的技術(shù)落點(diǎn)。

周建軍還提到，現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的滯后也從一定程度上限制了規(guī)模化推廣。按照現(xiàn)行《煤礦安全規(guī)程》，30%以下濃度的瓦斯不得直接燃燒，但這項規(guī)定源于過去對安全風(fēng)險的謹(jǐn)慎考量。隨著控制技術(shù)的進(jìn)步，當(dāng)前的實(shí)際操作中已能實(shí)現(xiàn)對燃燒過程的精細(xì)管控，現(xiàn)行政策亟待與技術(shù)創(chuàng)新同步。

他們集中攻克了三個關(guān)鍵難點(diǎn)：一是7%—30%瓦斯?jié)舛炔▌拥膶?shí)時適配；二是燃燒壓力的精準(zhǔn)調(diào)控；三是極端工況下的本質(zhì)安全保障。為此，該團(tuán)隊自主研發(fā)了“智能動態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)”，通過軟硬件協(xié)同控制、實(shí)時監(jiān)測（精度±0.5%）、變頻配風(fēng)與旋流混合等手段，實(shí)現(xiàn)燃?xì)饣旌掀羁刂圃?%以內(nèi)，同時采用放回火爐頭，在工程端按照國標(biāo)部署阻爆、抑爆、泄爆三道安全屏障，并再疊加水封阻爆、阻爆轟器，構(gòu)成“六防”安全系統(tǒng)。

“我們明白政策背后的審慎出發(fā)點(diǎn)，但很多時候?qū)嵺`跑得比紙面快一些。”他談到，團(tuán)隊會專注做好技術(shù)，用穩(wěn)定的運(yùn)行記錄，為技術(shù)大規(guī)模推廣爭取多一些空間。

類似的低濃度甲烷利用案例還有很多：在山西省晉城市，伯方煤礦采用低濃度瓦斯多孔燃燒供熱技術(shù)，利用8%左右的低濃度瓦斯，用于滿足伯方煤礦的風(fēng)井場地、抽采泵站和工業(yè)場地提供的供熱需求6，其年均甲烷摧毀量達(dá)到202萬立方米6。

在山西省呂梁市，柳林縣寨崖底煤礦采用直燃制熱，汽輪機(jī)發(fā)電技術(shù)，利用低濃度瓦斯安全輸送系統(tǒng)把約為6%濃度的瓦斯送入熱能島，產(chǎn)生高溫?zé)煔猓俳?jīng)過余熱鍋爐產(chǎn)生中溫中壓蒸汽，推動汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電，其年均甲烷摧毀量達(dá)到1200萬立方米6。

當(dāng)前，山西正站在能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的十字路口。曾一度被視為減排難題的低濃度瓦斯，正借助技術(shù)創(chuàng)新逐步被納入資源化利用體系，成為推動山西甲烷減排的重要解法之一。這些實(shí)踐不僅構(gòu)成了山西省地方氣候行動中的積極探索，也成為全國綠色低碳轉(zhuǎn)型進(jìn)程中的現(xiàn)實(shí)樣本。盡管未來仍有諸多難點(diǎn)尚待突破，但一個全新方向已在探索中浮現(xiàn)，為低濃度甲烷減排打開更多可能。

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4.楊鸝,秦艷,趙躍華,李鑫迪,袁雅婷,宋曼嬌,劉宇,楊美艷,劉杰,許小靜.(2024). 山西低碳轉(zhuǎn)型中長期展望： 基于 EPS 模型構(gòu)建“雙碳”路徑. 北京：綠色創(chuàng)新發(fā)展研究院

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（作者： 綠色創(chuàng)新發(fā)展研究院（iGDP））