導讀：
最新數據顯示，雖然出現了能源危機，但全球碳排放量仍在飆升。二氧化碳之外，第二大溫室氣體甲烷的減排潛力不容忽視。然而，作為我國目前最大的甲烷排放源，煤層氣逸散的減排之路依然困難重重。
在《聯合國氣候變化框架公約》第二十七次締約方大會（COP27）上，中國氣候變化事務特使解振華透露，中國已完成控制甲烷排放的行動計劃戰略，目前正在審批階段。接下來，甲烷減排主要著力點在油氣、農業畜牧業，垃圾廢棄物三個領域，方案亦明確了相應目標、計劃和激勵性政策措施。
來自美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）近期的初步分析顯示，2021年全球大氣甲烷平均含量達到1895.7ppb，年增幅達到17ppb [1]，是1983年系統監測以來大氣甲烷含量甲烷增幅最大的一年 [2]。
全球甲烷濃度不僅增速快，排放總量不少，是僅次于二氧化碳排放最高的溫室氣體。與二氧化碳相比，甲烷的全球變暖效應也更強。在甲烷排放到大氣中的頭20年內，其在地球大氣層中吸收熱量的能力是二氧化碳的80多倍。而在甲烷釋放到大氣的100年內，同樣體積的甲烷吸收熱量的能力也是二氧化碳的20多倍。
由于甲烷減排的重要性，在2021年第26屆聯合國氣候變化大會（COP 26）上，有100多個國家聯合簽署了全球甲烷承諾倡議（Global Methane Pledge），旨在到2030年將甲烷在2020年基礎上減少至少30%。中美兩國也在COP26上發布了《中美關于在21世紀20年代強化氣候行動的格拉斯哥聯合宣言》，將甲烷減排作為交流合作的重點領域 [3]。
中國甲烷排放，煤層氣逸散居首位
作為全球甲烷排放大國，根據2018年提交的《氣候變化第二次兩年更新報告》，中國2014年甲烷排放達到11.61億噸二氧化碳當量，約占當年全國總溫室氣體排放的10.4%，其中，來自能源供應的煤礦開采和礦后活動中的煤層氣逸散是最大的排放源，占比39%。
中國甲烷排放中煤層氣逸散占比最大的這一特點，也是與其他國家和地區的重要區別。EDGAR全球數據庫的2017年甲烷排放的數據顯示，中國甲烷排放中來自能源供應的排放占比最大，主要來自煤炭開采以及礦后活動帶來的煤層氣逸散。
盡管隨著中國煤炭開采總量的下降，煤礦相關的甲烷排放相應減少，但清華大學2021年發布的《中國長期低碳發展戰略轉型路徑研究》綜合報告中顯示，從2015年到2030年，煤炭開采過程排放占甲烷總排放比例分布在39% - 44% 之間，到2050年將有所下降，但是占比仍有25.5% [4]。
兩個五年計劃均未完成目標
數據顯示，與煤礦開采相關的甲烷排放中，有83%來自風排瓦斯（甲烷濃度<0.75%），11%來自其他的低濃度煤礦瓦斯（甲烷濃度在1%-30%之間），僅有6% 來自高濃度煤層氣（甲烷濃度>30%）[5]。
作為一種優質清潔能源，煤層氣（煤礦瓦斯）的開采一般通過地面鉆井抽采和井下抽采，前者抽采的煤層氣中甲烷濃度高，一般被稱為地面煤層氣，經過簡單處理就可以直接接入到天然氣管網進行利用，因此，高濃度煤層氣逸散的占比較小。
井下抽采煤層氣一般被稱為煤礦瓦斯，多伴隨煤炭開采進行，這一部分煤層氣由于會有空氣混入，因此濃度較低，其抽采利用率遠低于前者。
以煤層氣（煤礦瓦斯）開發利用 “十二五” 規劃為例，規劃目標為2015年地面開采達到160億立方米，基本全部利用；煤礦瓦斯抽采利用率達 60% 以上 [6]。但是數據顯示，到2015年，煤層氣利用率達到了86.4%，但是煤礦瓦斯利用率僅為35.3% [7]，與規劃目標差距較大。而我國在煤層氣（煤礦瓦斯）開發利用 “十三五” 規劃中設定的2020年煤層氣（煤礦瓦斯）開發利用目標也未能完成 [8]。由于井下抽采的煤層氣甲烷濃度在30%以下的低濃度煤礦瓦斯占比較大且不易利用，最后被排放到大氣中，導致甲烷排放的增加。
此外，由于煤層氣也是一種易燃易爆的氣體，爆炸的風險對煤礦的安全生產帶來隱患。為了確保煤礦生產安全，會有大量空氣通入礦井，使礦井中的煤礦瓦斯甲烷濃度小于0.75%（這部分的煤層氣也被稱為風排或者乏風瓦斯）。風排瓦斯由于甲烷濃度極低，利用困難，因此大多直接排空。
標準缺失，加上激勵不足
首先，現有的排放標準并沒有對低濃度瓦斯排放做出限制要求。為了促進煤層氣（煤礦瓦斯）的利用，中國在2008年發布了《煤層氣（煤礦瓦斯）排放標準（暫行）》，其中規定煤層氣地面開發系統的煤層氣和煤礦瓦斯抽放系統的高濃度瓦斯（甲烷體積分數≥30%）禁止排放。但是標準并沒有對低濃度瓦斯（甲烷體積分數<30%）和煤礦回風井的風排瓦斯的排放有控排要求 [9]。
其次，現在標準主要側重在以甲烷濃度為指標限制瓦斯排放，但是對于甲烷排放總量沒有要求 [10]。按照現行標準要求，煤礦需要對管道內的甲烷濃度、流量、壓力、溫度等參數進行監測。并且按照《污染源自動監控管理辦法》的規定，安裝煤層氣 （煤礦瓦斯）排放自動監控設備，并與環保部門的監控中心聯網，但是并未提到對甲烷排放總量有限制。
因此，為實現甲烷排放濃度達標，企業可通過加大進入抽采系統的空氣量，稀釋抽采瓦斯的甲烷濃度后進行排放。這也是導致目前煤層氣甲烷逸散以低濃度煤層氣為主的重要原因之一。
現有的煤層氣（煤礦瓦斯）開發利用補貼政策也未能對低濃度瓦斯利用形成有效的激勵。從2007年開始，中央財政對煤層氣（瓦斯）的開采利用進行補貼，標準為0.2元/立方米，并在2016年將標準提高為0.3元/立方米。由于不同濃度煤礦瓦斯開采成本的差異，采用統一的補貼政策對低濃度煤礦瓦斯利用略顯不足。北京大學能源研究院特聘研究員楊富強告訴《知識分子》，“目前煤層氣的政策補貼尚未形成針對不同濃度煤層氣的差異化激勵機制，針對不同濃度煤礦瓦斯的分層次激勵措施會更加有效”。
利用成本高，缺乏經濟性
目前，對甲烷濃度在5%- 30%的低濃度煤礦瓦斯的開發利用以發電為主，但是由于發電機組效率較低，如何經濟有效地開發利用低濃度煤礦瓦斯仍有待加強 [11]。此外，由于該濃度區間處在瓦斯的爆炸范圍，因此，另一個技術難點是需要防止在對其輸送以及提純濃縮過程中存在的爆炸風險 [12,13]。
對于目前抽采的煤礦瓦斯中甲烷排放占比最高的風排瓦斯，由于甲烷濃度極低，回收利用難度系數更高。
目前的利用方式可以分為兩類，一類是主要燃料利用技術，風排瓦斯作為主要燃料，通過熱氧化或催化氧化產生二氧化碳和水，回收產生的熱量用于供暖、洗浴，或者把熱能轉換為動能用發電 [14]。這類技術也大多處在實驗或小規模示范階段。
另一類是輔助燃料利用技術，將風排瓦斯作為輔助燃料，替代空氣輸入到燃氣輪機、內燃機、鍋爐等燃燒系統中進行燃燒 [15]。目前技術的應用和發展還不是很成熟，除內燃機助燃技術進行工業示范外，多數處在實驗階段 [16]。一位不愿具名的業內專家告訴《知識分子》，“對于超低濃度瓦斯，盡管目前也有一些較為成熟的技術，例如通過特殊的燃燒器進行燃燒或者是氧化利用。但是利用成本高，缺乏經濟性，并且也沒有專門的國家補貼政策。”
由于針對低濃度瓦斯、尤其是風排瓦斯高效利用的經濟性不足，因而未能形成穩定的市場需求。早前，風排瓦斯利用可以通過注冊《京都議定書》下的清潔發展項目（在該機制下，發達國家可以向發展中國家購買碳減排項目來抵消其排放量）出售碳減排額來提高項目經濟性。截至2016年6月，中國成功注冊的風排瓦斯利用項目有13個，采用的技術均為逆流式熱氧化技術 [17]。
針對來自國內煤礦、在聯合國注冊成功的風排瓦斯清潔發展機制項目的案例研究顯示，這些項目在有碳減排收入的情況下才具有經濟性；在沒有碳減排收入的情況下，項目內部收益率為-18%。
如何破題？
隨著《京都議定書》第一階段的結束，我國也逐漸停止了清潔發展機制的項目注冊。但是，國內建立的自愿碳減排交易市場中也包括了煤礦瓦斯利用項目。
此外，目前全國碳市場中可以納入5%的國家核證自愿減排量（CCER），其中也包括了甲烷利用的CCER項目，例如針對煤層氣開發利用的CM-003-V01——回收煤層氣、煤礦瓦斯和通風瓦斯用于發電、動力供熱/或通過火炬或無焰氧化分解 [19]。隨著全球自愿碳市場的發展，基于國際碳信用標準開發的煤層氣減排項目也有望在國際市場上進行交易 [20]。
除了申請CCER項目以外，通過合同能源管理方式，即由節能技術供應方為煤礦企業提供服務，通過項目所實現的節能成本來支付節能項目成本的方式，也能提高低濃度煤礦瓦斯利用的經濟性。
展望未來，隨著我國能源的低碳轉型，能源生產端也在逐漸退煤，由煤炭開采產生的甲烷排放也會減少。但是與此同時，廢棄礦井數量也在增加。數據顯示，我國煤礦數量已經從2015年的1萬多處減少到2020年底4700處以下，并且計劃到 “十四五” 末將數量控制在4000處左右 [21]。
應急管理部信息研究院能源安全研究所所長韓甲業在2021年接受《中國能源報》采訪中也提到，“目前，我國對廢棄礦井瓦斯利用尚處于摸索階段，研究表明，到2030年，我國廢棄礦井數量將達到1.5萬處，若不加以控制，排放將隨之大大增加。” [22] 未來加強對廢棄礦井的甲烷排放研究以及減排行動將進一步助力我們應對氣候變化。
廈門大學中國能源政策研究院教授張博建議說，對低濃度瓦斯及乏風瓦斯回收利用項目、超低濃度和乏風瓦斯銷毀項目，給予一定的差異化政策性補貼，引入相關的市場化交易機制，有望激發煤炭生產企業的積極性，出臺符合國情的行業性甲烷控排行動方案，適當提高煤礦甲烷排放控制要求，開展標準修訂工作。
此外，提高煤礦瓦斯甲烷排放數據質量也是開展甲烷減排的一項基礎工作。美國環保協會北京代表處高級主管冉澤表示，過去煤炭企業出于安全的考慮對煤礦瓦斯濃度非常重視，有相關的監測設備并形成了一定的數據基礎，但是對排放的重視程度相對欠缺。在加強應對氣候變化的背景下，未來需要加強煤礦企業甲烷排放監測、報告與核查（MRV）機制的建設。
參考文獻：
1. 濃度單位，ppb 指十億分之一。
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. 中美關于在21世紀20年代強化氣候行動的格拉斯哥聯合宣言：https://www.mee.gov.cn/ywdt/hjywnews/202111/t20211111_959900.shtml
4. 清華大學氣候變化與可持續發展研究院. (2021). 中國長期低碳發展戰略與轉型路徑研究綜合報告. 中國環境出版集團.
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. 煤層氣（煤礦瓦斯）開發利用“十二五”規劃: http://www.nea.gov.cn/131337364_31n.pdf
7. 煤層氣（煤礦瓦斯）開發利用“十三五”規劃: http://www.gov.cn/xinwen/2016-12/04/content_5142853.htm
8. 朱妍. (2021). 能源透視：煤層氣為何屢交低分答卷. 中國能源報. http://energy.people.com.cn/n1/2021/0115/c71661-32000743.html
9. 煤層氣（煤礦瓦斯）排放標準（暫行）（GB 21522—2008）：https://www.mee.gov.cn/ywgz/fgbz/bz/bzwb/dqhjbh/dqgdwrywrwpfbz/200804/t20080414_121137.htm
10. 馬翠梅, 高敏惠, & 褚振華. (2021). 中國煤礦甲烷排放標準執行情況及政策建議. 世界環境, 47–49.
11. 楊穎, 曲冬蕾, 李平, & 于建國. (2018). 低濃度煤層氣吸附濃縮技術研究與發展. 化工學報, 69(11), 4518–4529.
12. 同上。
13. 劉文革, 徐鑫, 韓甲業, 王勃, 李志, & 嚴媛. (2022). 碳中和目標下煤礦甲烷減排趨勢模型及關鍵技術. 煤炭學報, 47(1), 470–479.
14. 趙路正. (2017). 煤礦乏風中的甲烷利用技術經濟分析. 煤炭工程, 7, 97–99.
15. 曹敏敏, 王雪峰, 王荀, & 陳雪. (2022). 煤礦低濃度甲烷利用技術研究進展. 煤炭技術, 41(1), 101–105.
16. 趙路正. (2017). 煤礦乏風中的甲烷利用技術經濟分析. 煤炭工程, 7, 97–99.
17. 同上。
18. 趙路正. (2017). 煤礦乏風中的甲烷利用技術經濟分析. 煤炭工程, 7, 97–99.)
19. CM-003-V01 回收煤層氣、煤礦瓦斯和通風瓦斯用于發電、動力、 供熱和/或通過火炬或無焰氧化分解: 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.中國煤炭工業協會. (2021). 2020煤炭行業發展年度報告. http://www.coalchina.org.cn/uploadfile/2021/0303/20210303022435291.pdf
22. 朱妍. (2021)，部署甲烷減排拖延不得. 中國能源報. https://m.in-en.com/article/html/energy-2303055.shtml
