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浅谈煤层气资源化与环境保护

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浅谈 煤层气 资源 环境保护
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    收 稿 日 期 : 2009 - 01 - 15基 金 项 目 : 安 徽 省 自 然 科 学 基 金 项 目 (070415271X) ; 安 徽 省 教 育 厅 自 然 科 学 研 究 项 目 (2006 者 简 介 : 胡   坤 (1981 - ) , 男 , 安 徽 淮 南 人 , 现 为 安 徽 理 工 大 学 在 读 博 士 , 研 究 方 向 为 煤 层 气 资 源 化 。浅 谈 煤 层 气 资 源 化 与 环 境 保 护胡   坤 , 陈 明 强 , 郭 永 存(安 徽 理 工 大 学 , 安 徽 淮 南   232001)摘   要 : 煤 层 气 是 指 储 集 在 煤 层 及 邻 近 围 岩 中 以 主 的 多 组 分 气 体 。 煤 炭 开 采 过 程 中煤 层 气 的 直 接 排 放 不 仅 会 引 起 大 气 环 境 内 温 室 气 体 的 增 加 , 而 且 会 对 大 气 造 成 污 染 , 更 是 对 资 源的 一 种 严 重 浪 费 ; 煤 层 气 的 资 源 化 利 用 为 国 民 经 济 提 供 了 新 型 清 洁 能 源 , 也 解 决 了 煤 层 气 直 接 排放 引 起 的 环 境 问 题 , 但 在 开 发 过 程 中 气 井 也 会 对 水 、 土 壤 、 植 被 等 周 围 环 境 造 成 不 良 影 响 。 要 辩证 地 看 待 煤 层 气 的 资 源 化 与 环 境 保 护 的 关 系 , 既 要 明 确 煤 层 气 资 源 化 利 用 , 又 要 加 强 环 保 措 施 降低 钻 井 过 程 中 的 对 环 境 造 成 危 害 , 更 好 的 利 用 煤 层 气 资 源 。关 键 词 : 煤 层 气 ; 资 源 化 ; 环 境 保 护 ; 温 室 效 应中 图 分 类 号 :   文 献 标 识 码 : A    文 章 编 号 : 1671 - 0959 (2009) 1120091203煤 层 气 是 指 成 煤 层 在 煤 化 作 用 过 程 中 形 成 的 , 储 集 在煤 层 及 邻 近 围 岩 中 以 主 的 多 组 分 气 体 , 也 称 煤 层 吸附 气 、 煤 层 瓦 斯 。 除 , 煤 层 气 一 般 还 含 有 少 量 低 浓度 的 高 级 烃 类 化 合 物 和 不 可 燃 气 体 等 组 分 , 具 有 丰 富 的 热值 , 在 常 温 常 压 下 , 每 立 方 米 煤 层 气 可 产 生 33496的 热 量 [ 1 ] , 是 一 种 良 好 的 气 态 能 源 。 但 在 传 统 的 煤 炭 开 采过 程 中 , 达 到 一 定 浓 度 的 煤 层 气 会 引 起 矿 井 瓦 斯 爆 炸 , 导致 巨 大 的 经 济 损 失 以 及 严 重 的 人 员 伤 亡 , 所 以 在 煤 矿 生 产中 煤 层 气 通 常 被 作 为 矿 井 “ 废 气 ” 集 中 抽 排 到 大 气 中 。 煤层 气 的 随 意 排 放 也 给 生 态 环 境 造 成 了 不 良 影 响 。1  煤 层 气 直 接 排 放 引 起 的 环 境 问 题111  煤 层 气 的 温 室 效 应煤 层 气 的 主 要 成 分 为 含 量 超 过 95% ) , 而 是 引 起 大 气 温 室 效 应 的 主 要 气 体 之 一 。 它 对 进 入 大 气 的 太阳 辐 射 能 、 红 外 线 具 有 很 强 的 吸 收 能 力 , 并 且 向 外 发 射 红外 辐 射 , 因 而 具 有 “ 加 热 ” 效 应 。 量 排 放 到 大 气 中 ,使 地 球 表 面 余 热 通 过 大 气 层 向 宇 宙 间 散 发 的 “ 热 阻 ” 增 大 ,表 1  敏 感 指 标 值 “ 三 率 ” 分 析 法 计 算 结 果临 界 值 取 值/L· m 1预 测总 次 数预 测 无 突 出危 险 次 数预 测 有 突 出危 险 次 数实 际 有 突 出明 显 征 兆 次 数预 测 突 出率 /%预 测 突 出准 确 率 /%预 测 不 突 出准 确 率 / %410 82 76 6 5 7132 83133 100100510 82 77 5 5 6110 100100 100100610及 以 上 82 78 4 5 4188 80100 98172准 确 率 ( 100% )和 较 高 预 测 不 突 出 准 确 率 ( 100% ) , 而 以610L /m 临 界 值 , 不 能 满 足 预 测 不 突 出 准 确 率100%的 要 求 。 因 此 , 初 步 确 定 510L /m 潘 一 矿 13 - 1煤 层 瓦 斯 突 出 预 测 敏 感 指 标 步 临 界 值 。5  结 论 与 建 议通 过 对 潘 一 矿 2632 ( 3)顺 槽 跟 踪 考 察 , 采 用 模 糊 聚 类分 析 法 确 定 了 作 为 潘 一 矿 13 - 1煤 层 的 突 出 预 测 敏感 指 标 。 在 此 基 础 上 , 采 用 “ 三 率 ” 分 析 法 计 算 得 到 了 的 临 界 值 为 510L /m 论 。 对 于 潘 一 矿 该 区 域 13 斯 突 出 预 测 工 作 有 一 定 的 指 导 意 义 。在 预 测 过 程 中 , 指 标 超 标 地 点 主 要 分 布 在 地 质 构 造 ,尤 其 是 断 层 附 近 ; 同 时 , 该 矿 以 往 发 生 的 突 出 事 故 也 多 发生 在 构 造 附 近 。 因 此 , 建 议 在 巷 道 掘 进 过 程 中 加 强 对 地 质构 造 的 前 探 工 作 , 确 保 矿 井 安 全 生 产 。参 考 文 献 :[ 1 ]   樊 栓 保 . 国 内 外 煤 与 瓦 斯 突 出 预 测 的 新 方 法 [ J ]. 矿 业 安全 与 环 保 , 2000, 27 (5) : 17~ 19.(责 任 编 辑   李 泽 荃 )192009年 第 11期                   煤   炭   工   程                   研 究 探 讨  从 而 加 重 了 地 球 表 面 温 室 效 应 。根 据 政 府 间 气 候 变 化 委 员 会 确 定 , 综 合 热 势为 21, 而 为 1, 即 起 温 室 效 应 的效 果 相 当 于 同 等 重 量 的 21倍 , 这 还 未 包 括 非 发 性 化 合 物 对 温 室 效 应 的 影 响 作 用 [ 2 ]。过 去 的 二 三 百 年 来 , 人 类 开 发 地 球 资 源 的 活 动 日 益 频繁 , 导 致 大 气 中 的 度 已 增 加 了 一 倍 , 大 气 中 浓 度 每 增 加 1 × 10 - 6 , 可 导 致 地 球 表 面 温 度 增 加 1℃ 。 而 煤矿 开 采 过 程 中 , 排 放 量 就 占 所 有 化 石 燃 料 中 排 放 出的 量 的 50% [ 3 ]。112  煤 层 气 对 大 气 的 污 染煤 层 气 中 除 , 还 含 有 、汞 、 砷 等 成 分 。 虽 然 这 些 成 分 相 对 含 量 是 非 常 低 的 ,但 煤 层 气 的 排 放 总 量 巨 大 , 我 国 仅 采 煤 行 业 每 年 集 中 排 放至 大 气 中 的 煤 层 气 总 量 就 近 194亿 所 以 它 们 对 环 境 造成 的 污 染 及 危 害 也 不 能 小 视 。 成 酸 雨 或 酸 沉 降 的 主 要 前 提 物 , 并 且 多 种 大 气 污 染 物 共 存 时 会 加 强 其 它 污 染 物 的 毒 性 ,比 如 以 使 苯 并 ( a)芘 的 致 癌 作 用 增 强 ; 发 生 大 气 光 化 学 反 应 , 形 成 光 化 学 烟 雾 的 一 次 污 染 物 ; 和 血 红 蛋 白 ( 合 生 成 碳 氧 血 红 蛋 白 (, 影响 人 类 血 液 供 氧 ; 具 有 很 强 的 毒 性 , 空 气 中 含 有 少 量时 就 会 引 起 人 的 头 痛 ; 汞 、 砷 等 物 质 对 人 类 也 有 很 强的 致 病 危 害 。2  煤 层 气 资 源 化 的 必 要 性 及 其 途 径211  煤 层 气 资 源 化 的 必 要 性煤 层 气 作 为 能 源 和 化 工 原 料 是 可 以 而 且 应 该 利 用 的 。煤 层 气 既 是 高 热 能 的 清 洁 能 源 , 又 是 良 好 的 化 工 原 料 。 我国 境 内 蕴 藏 着 丰 富 的 煤 层 气 资 源 , 预 计 埋 深 浅 于 2000 资 源 量 可 达 36181 × 1012 与 我 国 陆 上 常 规 天 然 气 资源 量 相 当 , 煤 层 气 资 源 量 位 居 世 界 第 三 位 , 其 中 已 探 明 煤层 气 储 量 1023108 × 108 4 ]。 应 当 加 快 煤 层 气 的 有 效 利 用 ,一 方 面 可 以 缓 解 直 接 排 放 给 大 气 环 境 带 来 的 影 响 , 另 一 方面 也 可 以 为 国 民 经 济 提 供 新 型 的 能 源 和 原 材 料 。212  煤 层 气 资 源 化 的 途 径煤 层 气 资 源 化 的 途 径 主 要 有 以 下 两 类 :1) 能 源 。 煤 层 气 具 有 和 天 然 气 相 当 的 热 值 , 而 且 不 含煤 炭 干 馏 物 质 , 不 需 要 庞 大 的 净 化 处 理 装 置 , 不 腐 蚀 、 不堵 塞 输 气 设 备 , 很 适 于 用 作 工 业 和 民 用 燃 料 。 我 国 很 多 煤矿 企 业 已 将 井 下 抽 采 的 煤 层 气 部 分 通 过 专 用 管 道 输 送 到 职工 家 中 作 为 民 用 燃 气 使 用 。 煤 层 气 作 为 工 业 燃 料 使 用 时 ,可 以 省 去 煤 的 洗 选 、 运 输 、 粉 碎 、 消 烟 、 除 尘 、 排 渣 等 投资 费 用 , 而 且 运 输 方 便 , 保 护 效 益 好 , 普 通 的 燃 煤 锅 炉 稍做 改 造 就 可 以 使 用 煤 层 气 。 并 且 对 于 某 些 行 业 , 如 玻 璃 工业 、 陶 磁 建 材 行 业 , 煤 层 气 燃 烧 充 分 , 窑 炉 温 度 高 , 比 用煤 炭 为 燃 料 烧 制 的 产 品 质 量 更 好 , 成 品 率 更 高 。煤 层 气 发 电 是 近 些 年 来 新 兴 的 煤 层 气 利 用 项 目 , 可 以使 用 直 接 燃 用 煤 层 气 的 往 复 式 发 动 机 和 燃 气 轮 机 , 也 可 用煤 层 气 作 为 锅 炉 燃 料 , 利 用 蒸 汽 发 电 [ 5 ]。 此 外 , 煤 层 气 也已 试 验 性 的 应 用 于 汽 车 燃 料 。2) 化 工 原 料 。 煤 层 气 还 可 以 用 做 化 工 原 料 来 生 产 一 系列 化 工 产 品 , 如 合 成 氨 、 甲 醇 、 乙 炔 和 炭 黑 等 。 和 煤 炭 、天 燃 气 等 传 统 化 工 原 料 相 比 , 煤 层 气 的 生 产 成 本 更 加 低 廉 。据 统 计 , 煤 层 气 生 产 成 本 为 01037美 元 / 仅 是 煤 制 煤气 生 产 成 本 01194美 元 / 19% , 是 天 然 气 生 产 成 本01132美 元 / 28% [ 6 ]。 如 果 在 化 学 工 业 中 用 煤 层 气 部分 替 代 天 燃 气 、 石 油 及 煤 炭 等 传 统 原 料 , 可 以 大 大 节 约 生产 成 本 , 提 高 企 业 经 济 效 益 。213  煤 层 气 开 发 的 方 式当 今 煤 层 气 的 开 发 利 用 主 要 有 两 种 方 式 , 一 是 井 下 抽放 ; 二 是 地 面 钻 井 开 采 。 井 下 抽 放 , 主 要 是 为 煤 炭 企 业 生产 安 全 服 务 , 抽 出 的 气 体 量 较 少 、 热 值 低 , 一 般 只少 量 的 用 于 民 用 燃 料 。 煤 层 气 地 面 钻 井 开 采 是 在 常 规 天 然气 开 采 技 术 的 基 础 上 , 根 据 煤 层 的 岩 石 力 学 特 性 、 煤 层 气生 点 及 产 出 规 律 发 展 起 来 的 煤 层 气 开 采 技 术 , 通 过钻 井 施 工 形 成 储 层 到 地 面 的 流 动 通 道 , 经 进 一 步 的 完 井 作业 改 善 储 气 层 与 井 筒 的 渗 流 条 件 , 再 通 过 排 水 作 业 降 低 储气 层 孔 隙 压 力 , 使 煤 层 中 的 吸 附 气 体 解 吸 并 流 到 地 面 , 从而 达 到 开 采 煤 层 气 的 目 的 。 早 在 1920年 美 国 就 在 粉 河 盆 地中 部 打 出 了 世 界 上 第 一 口 煤 层 气 自 流 井 [ 7 ]。 经 过 近 一 个 世纪 的 发 展 , 煤 层 气 钻 井 开 发 工 艺 已 初 见 成 效 , 成 为 煤 层 气资 源 化 利 用 的 最 主 要 方 式 。3  煤 层 气 资 源 化 的 环 保 意 义311  减 少 煤 层 气 温 室 效 应我 国 煤 矿 年 排 放 量 为 194亿 占 全 世 界 排 放 总 量 的 1 /3左 右 。 并 且 随 着 国 民 经 济 对 煤 炭 需 求量 的 上 升 , 煤 炭 的 大 量 开 采 必 然 会 导 致 大 量 产 生 和排 放 , 预 计 2010年 我 国 煤 矿 排 放 量 将 达 到 246亿 1 ]。 因 此 加 快 煤 层 气 资 源 化 , 提 高 煤 矿 煤 层 气 利 用 率 ,对 减 少 温 室 气 体 排 放 , 改 善 大 气 环 境 来 说 具 有 重 要 的 意 义 。我 国 是 煤 炭 资 源 大 国 , 也 是 煤 炭 消 费 大 国 , 煤 炭 的 使用 量 约 占 整 个 社 会 能 源 消 耗 总 量 的 75% , 煤 炭 的 燃 烧 直 接导 致 大 量 排 放 , 2000年 我 国 的 放 量 约 为 30亿 t, 随 着 经 济 的 发 展 , 预 计 到 2020年 我 国 的 放 量将 达 到 55亿 t。 煤 层 气 作 为 新 型 能 源 的 应 用 , 可 以 减 少 国民 经 济 中 煤 的 使 用 量 , 从 而 间 接 减 少 了 排 放 量 。312  降 低 污 染 物 排 放图 1是 20世 纪 末 我 国 的 能 源 消 费 结 构 图 , 从 图 1中 可29研 究 探 讨                   煤   炭   工   程                   2009年 第 11期  以 看 出 , 我 国 的 能 源 消 耗 主 要 还 是 依 赖 于 煤 炭 资 源 , 达7416% , 而 过 量 的 煤 炭 使 用 , 除 了 会 排 放 大 量 的 ,还 会 释 放 很 多 种 污 染 物 , 如 烟 尘 等 , 严重 危 害 大 气 环 境 。 煤 层 气 在 燃 烧 过 程 中 虽 然 也 会 释 放 出 有害 污 染 物 , 但 与 煤 炭 相 比 , 污 染 物 排 放 量 大 为 减 少 。表 1是 热 值 相 当 的 3000 层 气 和 3199 煤 燃 烧后 产 生 的 污 染 物 对 比 表 , 从 中 可 以 看 出 , 煤 层 气 排 放 的 各种 污 染 物 的 量 都 远 远 低 于 燃 煤 排 放 的 污 染 物 的 量 , 烟 尘 的 排 放 量 分 别 只 有 燃 煤 排 放 量 的 012% ,2011% , 315%和 1%。 同 燃 煤 相 比 , 煤 层 气 完 全 可 以 称 得上 是 一 种 新 型 的 “ 洁 净 能 源 ” 。 我 国 煤 炭 占 总 能 源 消 耗 的 比重 大 , 用 煤 层 气 部 分 替 代 燃 煤 的 潜 力 巨 大 , 加 快 煤 层 气 资源 化 的 步 伐 , 对 降 低 大 气 污 染 物 的 排 放 , 改 善 大 气 环 境 有着 重 要 的 意 义 。表 1  煤 层 气 与 燃 煤 排 放 污 染 物 对 比 表燃   料 排 气 量 /O /Ox/g g 烟 尘 / 层 气 8105 × 104 010189 10120 1189 01863199 煤 10187 × 104 7160 50174 53164 83182图 1  我 国 能 源 消 费 结 构 图4  煤 层 气 资 源 化 应 当 注 意 的 环 境 问 题在 煤 层 气 资 源 化 过 程 中 , 煤 层 气 井 也 会 给 周 围 环 境 造成 一 定 的 影 响 。 虽 然 危 害 性 相 对 较 小 , 但 也 应 当 在 钻 井 过程 中 加 强 环 保 措 施 , 把 对 环 境 造 成 的 危 害 降 到 最 低 。 钻 井时 为 了 使 煤 层 中 所 吸 附 储 集 的 甲 烷 气 体 释 放 出 来 , 需 采 取排 水 降 压 措 施 , 将 大 量 煤 田 地 层 水 排 出 地 表 。 这 些 水 中 含有 大 量 煤 粉 悬 浮 物 、 高 矿 化 度 、 高 盐 份 , 排 入 周 围 水 体 ,将 会 引 起 一 定 范 围 内 水 质 的 变 化 , 还 可 能 导 致 地 下 水 矿 化度 增 大 ; 排 入 土 壤 会 造 土 壤 盐 碱 化 , 肥 力 降 低 , 还 会 抑 制农 作 物 对 N、 收 , 造 成 农 作 物 的 减 产 。 开 采 煤 层 气 时为 了 解 决 煤 层 渗 透 率 低 的 问 题 所 采 用 的 压 裂 液 , 一 般 为 非交 联 的 凝 胶 , 它 含 有 70%的 泡 沫 , 还 含 有 表 面 活 性 剂 和 缓蚀 剂 等 多 种 有 机 物 , 也 会 对 环 境 造 成 污 染 。 此 外 , 钻 井 废液 也 含 有 大 量 的 有 害 物 质 , 对 农 作 物 的 生 长 也 有 不 利 影 响 。5  结   论综 上 , 煤 层 气 的 直 接 排 放 不 仅 会 引 起 大 气 环 境 内 温 室气 体 的 增 加 , 而 且 会 对 大 气 造 成 污 染 , 更 是 对 资 源 的 一 种严 重 浪 费 ; 煤 层 气 的 资 源 化 利 用 为 国 民 经 济 提 供 了 新 型 清洁 能 源 , 也 解 决 了 煤 层 气 直 接 排 放 引 起 的 环 境 问 题 , 但 在开 发 过 程 中 气 井 也 会 对 周 围 环 境 造 成 不 良 影 响 。 要 辩 证 地看 待 煤 层 气 的 资 源 化 与 环 境 保 护 的 关 系 , 既 要 明 确 煤 层 气资 源 化 的 “ 利 大 于 弊 ” , 又 要 加 强 环 保 措 施 降 低 钻 井 过 程 中的 对 环 境 造 成 危 害 。 要 更 好 的 利 用 煤 层 气 资 源 。 可 以 从 以下 几 个 方 面 入 手 : ① 着 重 对 煤 层 气 蕴 藏 规 律 及 开 发 技 术 的研 究 , 加 快 煤 层 气 资 源 化 、 产 业 化 的 步 伐 ; ② 扩 大 煤 层 气资 源 应 用 范 围 , 新 建 煤 层 气 发 电 等 煤 层 气 利 用 项 目 , 在 部分 行 业 推 广 煤 层 气 替 代 燃 煤 ; ③ 推 进 煤 层 气 相 关 环 保 技 术研 究 , 加 大 煤 层 气 开 发 项 目 的 环 保 措 施 投 入 , 把 煤 层 气 资源 化 对 环 境 的 负 影 响 降 到 最 低 。参 考 文 献 :[ 1 ]   籍 成 静 . 积 极 开 发 利 用 煤 层 气 提 高 环 境 质 量 [ J ]. 山 西 焦煤 科 技 , 2003, (5) : 22~ 24.[ 2 ]   徐 龙 君 , 鲜 学 福 , 刘 成 伦 . 煤 层 气 污 染 控 制 及 其 资 源 化 利用 的 研 讨 [ J ]. 矿 业 安 全 与 环 保 , 2000, (4) : 6~ 8.[ 3 ]   苏 现 波 , 陈 江 峰 , 孙 俊 民 , 等 . 煤 层 气 地 质 学 与 勘 探 开 发[M ]. 北 京 : 科 学 出 版 社 , 2001.[ 4 ]   中 国 石 油 大 学 (北 京 )课 题 组 . 中 国 煤 层 气 生 产 可 行 性 研 究[ R ]. 2008.[ 5 ]   鲜 保 安 , 崔 思 华 , 蓝 海 峰 , 等 . 中 国 煤 层 气 开 发 关 键 技 术及 综 合 利 用 [ J ]. 天 然 气 工 业 , 2004, (5) : 104~ 107.[ 6 ]   田 波 . 煤 层 气 的 有 效 利 用 和 环 境 效 益 [ J ]. 煤 炭 转 化 ,1997, (7) : 49~ 55.[ 7 ]   吴 佩 芳 , 谭 仲 平 , 司 淑 平 , 等 . 煤 层 气 开 发 的 理 论 与 实 践[M ]. 北 京 : 地 质 出 版 社 , 2000.[ 8 ]   程 宏 斌 , 张 丽 霞 . 煤 层 气 与 环 境 [ J ]. 煤 炭 加 工 与 综 合 利用 , 2004, (3) : 44~ 47.[ 9 ]   谢 会 斌 . 环 境 统 计 [M ]. 哈 尔 滨 : 黑 龙 江 科 学 技 术 出 版社 , 1986.[ 10 ]   潘 红 磊 . 煤 层 气 勘 探 开 发 和 利 用 的 环 境 影 响 分 析 [ J ]. 油气 田 环 境 保 护 , 1996, (2) : 33~ 35.(责 任 编 辑   赵 巧 芝 )392009年 第 11期                   煤   炭   工   程                   研 究 探 讨  
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