摘要：晋城市煤层气探明储量为3 706亿m3，占全省总储量的1/2以上、全国总储量的2/5以上，是我国目前规模最大、最成熟的煤层气开发利用区域。通过对瓦斯发电电解水制氢、瓦斯重整制氢和光伏发电电解水制氢等制氢方式的经济性进行分析对比，探讨瓦斯发电电解水制氢的可行性，以此提高煤层气的附加值。
关键词：瓦斯利用,瓦斯发电,电解水制氢,煤制氢,瓦斯重整制氢
0引言
煤层气在煤矿称为煤矿瓦斯，主要成分是甲烷，甲烷在空气中的浓度（全文“瓦斯浓度”均为“瓦斯体积分数”）达到5％～16％时，遇明火就会发生爆炸，直接排放到大气中，其温室效应约为CO2的21倍。因此，对煤矿瓦斯进行有效利用，既可以避免煤矿瓦斯事故发生，又有利于增加洁净能源供应、减少温室气体排放，达到保护生命、保护资源和保护环境的多重目标。晋城市作为全国最大的瓦斯抽采利用区域，主产区所在地沁水盆地南部为目前最具开发价值的煤层气资源之一。近年来，晋城市持续以技术创新推动煤层气高效开发利用，并与氢能、碳交易等相结合，取得了良好的经济效益和社会效益[1-2]。
1瓦斯的分类及利用
煤矿瓦斯的分类主要依据其浓度，一般分为高浓度瓦斯、低浓度瓦斯和超低浓度瓦斯（含煤矿通风乏风）。高浓度瓦斯的浓度大于30％，可以直接燃烧供发电机组发电。低浓度瓦斯的浓度在9％～30％，可以在低浓度瓦斯内燃机组进行发电。而超低浓度瓦斯（含煤矿通风乏风）的浓度在9％以下，可以通过煤矿乏风氧化装置直接或经过掺混、稀释后利用[3-4]。
从煤矿瓦斯的利用方向来看，主要分为两类：
1）能源利用：将瓦斯作为一种新型的清洁能源进行利用，包括利用瓦斯进行发电、供暖和化工等领域。瓦斯发电是环保且经济效益显著的利用方式，可以减少对传统能源的依赖，并降低温室气体排放。
2）环保利用：通过瓦斯利用技术将瓦斯纳入环境保护范畴，达到节能减排的目的。瓦斯具有强烈的温室效应，合理利用瓦斯可以降低矿井内的瓦斯浓度，减少煤矿安全事故的发生。 同时，也可以减少大气中的温室气体含量，缓解全球气候变化。
在瓦斯利用技术方面，主要有瓦斯收集技术和瓦斯利用技术两大类。瓦斯收集技术包括抽采法、分层酸化法和氧气煤层采出法等，用于收集和利用瓦斯。
瓦斯利用技术则主要有热值利用和电值利用两种，热值利用是指利用瓦斯所含热量进行加热、烘干等工业活动，而电值利用则是通过发电机组将瓦斯的化学能转化为电能。
总的来说，煤矿瓦斯的利用不仅可以提高能源利用效率，减少能源浪费，还可以降低温室气体排放，缓解全球气候变化，保障煤矿安全，具有重要的经济、环保和安全意义。
2不同发电形式成本分析
2.1煤电
目前，燃煤发电平均标准煤耗约为302.5 g/（kW·h），按5 500 kcal标煤的单价为800元/t计算，则1 kW·h电的燃料成本为0.24元，加上财务、折旧和维修等费用，1 kW·h电的完全成本为0.3元左右。由于火电使用得通过电网，目前，晋城地区某化工公司企业用电平均价格约为0.6元/（kW·h）。
2.2瓦斯发电
根据晋城某瓦斯发电厂的相关数据[5-6]，1 m3瓦斯气可以发电3.7 kW·h，1 m3瓦斯气成本为0.53元（30％以上的瓦斯气折纯），因此，1 kW·h电的燃料成本为0.14元。如果是完全成本（含折旧、财务、运维）的话，1 kW·h电的燃料成本约为0.33元。
2.3光伏发电
由于国内不同区域光照条件不同，光伏发电时效也不同，晋城属于光伏Ⅲ类区域（发电小时数为1 200~1 400 h），每千瓦装机年均发电1 150 h。当前，光伏发电EPC成本约为3 240元/（kW·h），25年发电总量为28 750 kW·h，则1 kW·h电成本投资约为0.11元，如果考虑财务和运维费用的话，1 kW·h电的完全成减少煤矿安全事故的发生。同时，也可以减少大气中本约为0.3元[7-8]。
3不同制氢方式成本分析
3.1煤制氢成本分析
煤制氢制是目前技术最成熟、规模最大的制氢方式，由于近年来煤价较高，制氢成本也相应增加[9-12]。以某集团公司不同气化技术制氢为例，如表1所示。
3.2瓦斯重整制氢成本分析
瓦斯重整制氢是以瓦斯为原料，用水蒸气作为氧化剂，来制取富氢混合气。主要包括瓦斯气提纯和重整两部分成本。
3.2.1瓦斯气提纯
一套进气量为20 000 m3/h的提纯装置，将15%纯度的瓦斯气提纯到35％左右，提纯1 m3 CH4的运行成本为0.7元左右。如果将30％纯度提升到90%左右，再加建设投资，提纯1 m3 CH4的完全成本约为1元。
3.2.2瓦斯气重整
瓦斯重整制氢按照规模为3 000 m3/h，投资2.9万元/m3的H2约8 700万元，运行时间按8 000 h测算，瓦斯重整制氢成本如表2所示。
从表2成本测算可以看出，瓦斯气重整制氢的完全成本为1.156+0.6P。
3.3电解水制氢成本分析
目前，电解水制氢主要有三种方式：碱性电解水制氢、质子交换膜电解水制氢和SOEC电解水制氢。碱性电解水制氢是目前技术最成熟、投资最低、消耗最高的制氢技术，随着质子交换膜电解水制氢的商业化，未来很长一段时间会在市场中占据主导地位。SOEC电解水制氢的消耗最低，总体能量转化效率最高，但还在实验室研究阶段，有待进一步突破。综合国内电解水运行实际情况，本报告以碱性电解水制氢来分析。
按规模为1 000 m3/h，投资额为3 600万元（H2单价为3.6万元/m3），运行时间为8 000 h进行测算，电解水制氢成本如表3所示。
3.4不同制氢方式成本
对3种制氢方式进行成本分析，对比结果如表4所示。
从表4可以看出，气流床煤制氢成本最低，瓦斯提纯重整制氢成本较低，电解水制氢成本最高。低浓度瓦斯气按0.53元/m3测算，由于近年来煤价升高，导致固定床煤制氢成本较高。如果瓦斯重整制氢按晋城地区工业用气2.85元/m3计算的话，瓦斯重整制氢成本约2.3元/m3，就和固定床煤制氢成本持平。另外，瓦斯发电电解水制氢成本虽然相对于电网及光伏发电较低，但远高于煤制氢与瓦斯重整制氢的成本。
4结语
在目前高煤价下，煤制氢成本相对还是最低的，瓦斯提纯后重整制氢的成本低于固定床煤制氢成本。
对于瓦斯发电电解水制氢而言，制取1 m3 H2的成本约为2.5元，相对较高。如果将氢气运往化工厂、加氢站再利用的话，还要考虑压缩、运输等费用，成本更高，从经济效益来说可行性不大。因此，瓦斯提纯后重整制氢相比瓦斯发电电解水制氢经济性较好。
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