破解低濃度甲烷減排困局：來自山西的創新解法
【谷騰環保網訊】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，其增溫效應高出二氧化碳數十倍。全球范圍內的甲烷正在以幾十年內最快的速度增長，并在2023年創下排放新高。
在我國，甲烷排放主要來自能源活動、農業活動和廢棄物管理。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%。
在中國的能源版圖中，山西省無疑是一塊重地：山西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”的傳統能源大省，如今面對一個更隱秘的黑色難題——甲烷減排。
圖注：左權阜生煤業低濃度瓦斯多孔燃燒供熱科研示范項目
甲烷（CH?）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，當地每年煤礦釋放的甲烷，相當于2億噸二氧化碳當量，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管不足、利用技術門檻高、經濟效益低等原因，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：新修訂的《煤層氣（煤礦瓦斯）排放標準》，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，新標準修訂后，每年可額外削減甲烷排放量近27億立方米，預計到2030年，這個數字可達到30億立方米。
制度的完善是一方面，更大的挑戰在于如何將這些“禁止排放”的瓦斯真正轉化為可利用的資源。在山西這片傳統能源大省，不少礦區已經開始探索低濃度甲烷利用的實踐路徑。例如晉中市左權縣，就有兩座礦井采用“直燃供熱”技術，將低濃度瓦斯直接燃燒，為礦區及周邊設施提供穩定熱源，為行業提供了頗具啟發性的樣本。
甲烷濃度越低，減排難度越大
甲烷燃燒后的主要產物是二氧化碳和水，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。
在甲烷利用領域，目前有3種主流技術路徑：
第一種是瓦斯發電，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，但該技術對瓦斯濃度有較高要求，低濃度瓦斯使用受限，瓦斯利用效率低。再者，審批流程長、并網手續復雜也會影響項目落地。隨著環保標準趨嚴，發電尾氣的脫硝處理成為必要條件，項目合規壓力隨之增加。
第二種技術是蓄熱氧化，它將乏風或空氣通過摻混裝置摻入到低濃度瓦斯中，經控制系統自動調控，使混合后的瓦斯濃度穩定在1-2%左右，再進入氧化裝置內進行無焰氧化，產生的熱量用于供暖或發電。但這種技術的初始投資較高，瓦斯利用效率偏低，如果僅發電，經濟性偏低：分析顯示，蓄熱氧化技術的平均裝機成本約是內燃機發電技術的3.3倍，但其發電收入卻不到內燃機發電技術的40%，但結合給煤礦供熱，經濟性也不錯。
第三種是直燃供熱技術，其原理在特殊多孔材料內實現氣體預混和穩定燃燒，再進入鍋爐爐膛高效轉化為熱能。但由于現行《煤礦安全規程》中，部分關于技術適用性的規定未能與技術創新同步，影響了這一技術的應用推廣進程。
“任何技術都不是完美的，關鍵在于因地制宜。” 山西科城能源環境創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、安全與經濟性之間找到權衡。
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，在技術和經濟上實現減排的難度就越大。
低濃度瓦斯利用解法：從“排出去”到“燒起來”
從太原出發，車行兩小時，我們抵達了晉中市左權縣。這是一個典型的太行山區縣：“八山一水一分田” 是對該資源型地區地貌格局的真實寫照。左權縣是全國百個重點產煤縣之一，2024年左權縣的煤炭開采與洗選行業增加值占到規模以上工業的57%。
我們此行的目的地是山西潞安集團左權阜生煤業。三年前，這里投運了“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，現在是安全、利用、減排一起管。”王志峰站長談到，他自項目投運第一天起便駐扎在此，負責甲烷利用項目整體的統籌管理。
他帶我們來到礦區附近的甲烷直燃處理廠房，與傳統龐大嘈雜的瓦斯發電鍋爐房不同，這里安靜、緊湊，12臺配備低濃度瓦斯多孔介質燃燒裝置的蒸汽鍋爐依次排列。
王站長解釋，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，經過摻混稀釋后，將其濃度穩定在6.8%—9%之間。隨后送入低濃度瓦斯燃燒器中直接燃燒，加熱鍋爐產生高溫蒸汽。
每臺設備每小時最多可以產生2噸的飽和蒸汽，用來給礦區供暖、供熱，毫不浪費。經測算，該項目每年能利用680萬立方米瓦斯，相當于減少了13.04萬噸二氧化碳當量的排放量。
在一臺鍋爐的觀察口前，我們看到爐膛內的藍色火焰。“火焰顏色可以代表燃燒效率，顏色越藍說明燃燒越充分。”王志峰說。“這種技術不僅回收利用難以處理的低濃度瓦斯，而且還能實打實地省錢——每年為煤礦節省超1000萬元天然氣采購費用，直接減免了冬季取暖的外購開支。”
一場能源錯位危機下的技術突圍
溯源這項煤礦瓦斯利用技術，最初實則來自一個“反差感”的發現。
“2017年全國大規模推行‘煤改氣’政策時，天然氣需求迅速上升，價格隨之飆升。”山西高創能源新技術有限公司技術顧問周建軍說。作為該項目背后的技術推動者之一，他對當年的能源供需危機情形仍記憶猶新。
他提到，工業天然氣價格在當年暴漲至10元/立方米，供暖用氣成本成為沉重負擔。例如山西省陽泉的某個煤礦，僅冬季供暖就要每天花費20萬元去采購天然氣。
這也引起了另一位瓦斯利用技術專家王信的注意。王信在走訪煤礦時發現一個矛盾的現象：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，王信帶領技術團隊開始研發基于多孔介質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，開展熱能轉化實驗。2019年，該技術首次在太原某煤礦實現商業化應用，熱效率突破95%。這些原本被忽視的低濃度甲烷資源，被成功轉化為穩定蒸汽熱源。
“這項技術的最大特點就是‘直接’。”周建軍說。不同于傳統瓦斯利用技術，這項多孔燃燒技術不需要中間環節，不靠氣體轉化，也無需重新設計整套供熱系統，只需更換原鍋爐燃燒器，從而讓低濃度瓦斯“變廢為熱”。
直燃供熱技術帶來的好處是全鏈條的：建設周期短、啟動快、能效高，每生產一噸蒸汽，便可有效利用80立方米的煤礦瓦斯。設備消耗電量不超過4度電，同時該技術的運維成本很低，除日常維護外，僅需定期保養燃燒器，無需額外投入。
從經濟效益看，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，若煤礦企業采用天然氣供熱，在當前氣價約為5元/立方米的情況下，每噸蒸汽的熱力成本可高達400元，成本差距明顯。
站長給我們算了一筆賬，如果用這80立方米瓦斯去發電，大約能發240度電，按每度0.5元的電價算，總收益是120元，遠低于賣蒸汽的收益。
如果采用蓄熱氧化的技術生產蒸汽，每噸蒸汽需要約120立方米瓦斯，同時消耗20至30度電，整體能耗更高。并且在相同處理規模下，蓄熱氧化技術的設備投資也比直燃供熱貴三到四成。
在環保效益層面，由于燃燒速度快、火焰極短，燃燒產物在高溫區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，智能運維技術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，現在可以做到僅需3人巡檢。多出的人力被派往其他項目現場，承擔起更多統籌與協調的管理任務。
技術落地的“最后一公里”
盡管已取得諸多突破，但直燃供熱技術仍然不夠完美，季節需求差異帶來新的挑戰：夏季供熱需求驟減，設備負荷下降，煤礦瓦斯的利用效率面臨季節性空檔。
技術團隊開始將目光投向礦區之外的工業場景。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的束縛。因此，玻璃制造、食品加工、工業窯爐……這些對溫度具備更穩定需求的行業，成為王信與其技術團隊關注的下一步方向。
周建軍介紹，王信的技術團隊開始在玻璃制造行業展開創新嘗試，用低濃度瓦斯作為工業燃料替代天然氣。目前他們已經在山西省某個玻璃廠的小型窯爐上完成小試驗證，中試實驗正在進行中。
“玻璃行業對燃料價格極為敏感，如果直燃技術能穩定替代天然氣，節省的成本將十分可觀。”他說。未來，他們希望將瓦斯燃料端的供應能力逐步拓展，嵌入更多有持續熱力需求的工業流程，在礦區外找到更多元的技術落點。
周建軍還提到，現行技術標準的滯后也從一定程度上限制了規模化推廣。按照現行《煤礦安全規程》，30%以下濃度的瓦斯不得直接燃燒，但這項規定源于過去對安全風險的謹慎考量。隨著控制技術的進步，當前的實際操作中已能實現對燃燒過程的精細管控，現行政策亟待與技術創新同步。
他們集中攻克了三個關鍵難點：一是7%—30%瓦斯濃度波動的實時適配，二是燃燒壓力的精準調控，三是極端工況下的本質安全保障。為此，團隊自主研發了“智能動態穩定控制系統”，通過軟硬件協同控制、實時監測（精度±0.5%）、變頻配風與旋流混合等手段，實現燃氣混合偏差控制在5%以內。同時，采用放回火爐頭，在工程端按照國標部署阻爆、抑爆、泄爆三道安全屏障，并再疊加水封阻爆、阻爆轟器，構成“六防”安全系統。
“我們明白政策背后的審慎出發點，但很多時候實踐跑得比紙面快一些。”他談到，團隊會專注做好技術，用穩定的運行記錄，為技術大規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，利用8%左右的低濃度瓦斯，用于滿足伯方煤礦的風井場地、抽采泵站和工業場地提供的供熱需求6，其年均甲烷摧毀量達到202萬立方米。
在山西省呂梁市，柳林縣寨崖底煤礦采用直燃制熱，汽輪機發電技術，利用低濃度瓦斯安全輸送系統把約為6%濃度的瓦斯送入熱能島，產生高溫煙氣，再經過余熱鍋爐產生中溫中壓蒸汽，推動汽輪發電機組發電，其年均甲烷摧毀量達到1200萬立方米。
當前，山西正站在能源結構轉型的十字路口。曾一度被視為減排難題的低濃度瓦斯，正借助技術創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。這些實踐不僅構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型進程中的現實樣本。盡管未來仍有諸多難點尚待突破，但一個全新方向已在探索中浮現，為低濃度甲烷減排打開更多可能。
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