勞工藝文

對煤層氣的認識和利用／陳文樹

澳洲一處海上天然氣開採井(2,載自www.abc.net.au網站) 「煤層氣」的形成與燃燒熱值        或許不少人會對「煤層氣」之名稱覺得陌生，它是存在於煤礦層中或分散在煤 系岩層中的一種天然生成氣體，為煤礦形成過程中經過化學上的熱解作用，同時以吸附或游離狀態留存於煤層及固態岩層的可燃性烴類氣體(註一)，亦可 視為是以煤礦層為儲存區的特殊性可燃氣體，英文稱為“coal-bedgas＂、“coal-bed methane＂，但是在不同的煤礦區或煤礦層，其成分仍會有所不同，有的含有些許的氮(N2)或一氧化碳(CO)；而天然氣(natural gas)則是沈積於地底下的物質，經過長期轉化及變質 裂解而產生之可燃性氣態碳氫化 合物，主要成分亦為甲烷，惟其他的化合物較少，具有無色、無味和無毒之特性，大都是在油田區開採原油時伴隨而出的。因此，稍具專業者即可明瞭煤層氣和天 然氣雖然皆屬天然產出的可燃氣體，但兩者仍有所區別。        將煤層氣燃燒後即會產生與天然氣相當的高熱值，經實驗得知每一立方公尺的高品質煤層氣，熱值相當於1.13公斤的汽油或1.21公斤的標準煤，惟在各礦場或礦層區採出的煤層氣，真正之熱值和其甲烷含量有密切的關連。於良好礦層抽採獲取的煤層氣，甲烷含量常可高於95%，在常溫常壓下每立方公尺約可產生8,200~9,200仟卡的熱值；而於等級稍差礦層區所抽採的煤層氣，甲烷含量常卻會降至4 0 %，此際每立方公尺僅得產生3,500~3,900仟卡的熱值。另則因為燃燒煤層氣不會產生灰渣，故污染度極低，是優質的化工和能源燃料，還可用於發電。        部分煤層氣因為會游離於煤層孔隙中或溶解於煤層積水內，以致發生於煤礦區內的爆炸，即有頗大的比例是由於火花引燃礦區內的煤層氣所造成的禍害，蓋當煤層氣在空氣中的濃度達到5~16%時，一旦點燃明火即會引發爆炸。但是倘能適當開採煤層氣並善加利用，則得以之作為燃料同時減少煤礦區的事故，俟礦區的煤層氣明顯減少後再開採煤炭當可愈為安全，從而使得煤礦場的爆炸發生率大幅降低70~85%。由於煤層氣的密度僅為空氣的0.55，顯比空氣為輕，故煤層氣若泄漏出去即會向上擴散，但只要維持空氣流通，即可防止發生爆炸或火災。再者，因為煤層氣的一氧化碳含量極低，所以亦較不致有造成中毒之危虞(註二)。 高庚計畫所在位置         自1980年代起，能源科技業界便開始探討如何開採煤層氣，直至1990年代初期始發展出可靠的技術以開採此一新型的優化能源。在研究階段亦有專家提出極為特殊的構想，乃將氫氣加壓灌入煤礦區再將高壓氫氣點燃引爆，使氫氣與煤炭中的碳元素化合為氣態的甲烷等烴類的碳氫化合物，即以人為方式生成大量的煤層氣，再以輸入二氧化碳擠壓法將煤層氣開採出來，此法若確能如同實驗室的理想狀況而控制得宜，當較開採固態的煤炭節省成本。然而，就實務情形言之，由於 地質狀況不易掌握，變數和危險度均極多、極高，故以人為方式加入氫氣引爆煤炭層的想法，不僅有影響地質結構之虞，且若稍有差即易肇致大規模的爆炸崩塌而不宜貿然進行。所幸，依現今之技術，已可將原本貯存於地底礦區的煤層氣開從事部分的開採。

煤層氣在全球的蘊藏量和開採利用        依據能源業界專家們的評估，全世界埋藏深度少於2 , 0 0 0 公尺的煤層氣，近約有200~240萬億立方公尺，與天然氣、天然氣水合物(gas hydrate，又稱可燃冰或甲烷冰)同樣的被視為是「氣體能源」的三大領域，且多於可開採天然氣儲量的兩倍，因此各個主要產煤國均極重視煤層氣之探勘開發。若以近十年來的發展趨勢觀之，開採煤層氣之量已逐年明顯增加，預定於2020~2030年之間，煤層氣在舉世各國的能源結構上，比率或許將超過固體的煤炭或氣體的天然氣。美、德、英和俄羅斯諸國在煤層氣之使用上，則早於其他的產煤國家，且開發技術亦較成熟進步。        美國是現今對於商業化開採煤層氣最為成功的國家。1983年時，其開發煤層氣的年產量僅及1.7億立方公尺，但在2008年時煤層氣之產量已超越520億立方公尺。另一極力於開採煤層氣的國家則是中國大陸，但是，天然氣的開採或自外國購入，無法趕上迅速增加的需求，因此必須逐漸轉而開採具同等功效且同屬潔淨氣體能源的煤層氣，俾將氣體燃料在能源消費結構中的比重，於2010年年底提升至10%以上。        中國大陸亦蘊藏著極為豐富的煤層氣，在全世界74個蘊藏有煤層氣礦產資源的國家當中，高居於第三位(僅次於俄羅斯和加拿大)，其煤層氣資源總蘊藏量多達40~50萬億立方公尺，而蘊藏量多於5,000億立方公尺的產區或群落即計有14個。埋藏深度在2,000公尺以內的中國大陸淺層煤層氣之量，約有36萬億立方公尺，其中1,000公尺以內、1,000~1,500公尺和1,500~2,000公尺的煤層氣蘊藏量，分別占2,000公尺深度區內煤層氣蘊藏總量的38.8%、28.8%和32.4%，主要分布於華北晉陝地區(即山西、陝西諸省)和西北的新疆、內蒙古地區，且各占全國的56.3%和28.1%，華中數省和西南的四川、雲貴數省亦皆有煤層氣蘊涵區。近數年來，若干邊陲區均陸續發現到有儲量豐盛的煤層氣，如新疆的準噶爾盆地(約8,000億立方公尺)，內蒙古地區的二連盆地(約2萬億立方公尺)、鄂爾多斯盆地(約1.2萬億立方公尺)…等，頗令其民眾雀躍歡欣。        煤層氣的開採有「地面鑽井」和「加氣抽出」兩種方式。1980年代初期，美國首度嘗試以地面鑽井的方式以開採煤層氣並獲致預期成果，但此一作法只適合於開採埋藏深度較淺的煤層氣，對貯藏於較深地底的煤層氣恐就難有用武之地了，故加氣抽出的新法乃逐漸取代了在地面鑽井以導出煤層氣之作法。現今開採煤層氣所常應用之技術，是將被加壓的二氧化碳或氮氣注入煤層深處，從而壓擠出存藏於煤層中的氣體，由於氮氣遠較二氧化碳為貴，故一般大都是利用二氧化碳作為壓擠媒介，而且還得讓二氧化碳被封存於煤層當中。在開採煤層氣的過程應嚴防其洩露，否則不僅是浪費了寶貴的能源，且因為甲烷所造成的溫室效應，近約為二氧化碳的21倍，以致危害程度反將愈加重大。中國大陸的中石油公司，與澳洲A r r o wEnergy公司簽約訂購煤層氣澳洲一處海上天然氣開採井(1,載自amazonaws.com網站)         澳洲境內亦蘊藏有豐沛的煤層氣，多年來係由一家獲有政府授權、名為“A r r owEnergy＂的公司從事開採銷售，2008年起尚因經營不善而傳出財務危機，必須尋求有意認股收購的大型法人股東挹注財源以協助其度過難關，此亦使得意欲問津的業者得以較低廉的價位認購其股價，一躍而為其新主。中國大陸的石油天然氣公司(以下簡稱中石油)和荷蘭皇家殼牌公司(Royal DutchShell PLC)經過協商，共同提議出資34.4億澳元(每股為4 . 45澳元) 以聯合收購A r r owEnergy，斯項購併計畫並已獲得澳洲的外商投資監管單位(Foreign Investment ReviewBoard , FIRB)核准。嗣後，中石油公司將於海外擁有更多的煤層氣控制權，所開採的煤層氣並得先予液化，再運回中國大陸境內銷售。        在大陸中石油公司擬具的新世代能源策略中，煤層氣是其收購的重要能源之一，適逢澳洲的Arrow Energy公司有意尋求新買家，此不啻是擁占斯項能源，擴展市場規模的良好契機。而Arrow公司在被購併前又曾收購昆士蘭州「漁人地區」(Fisherman｀s Landing)的天然氣開發股權，因而中石油和殼牌兩公司將可再輾轉獲有該「漁人地區」的天然氣掌控權。大陸中石油公司在開採煤層氣方面已有相當厚實的經驗和為能力，除了對於煤層氣開採業者授予一連串的優惠稅制外，同時准許 業者可以自行決定煤層氣的售價，此等措施對於業界之開採煤層氣，具有極大的誘因，甚至於冀望在海外亦能擁有煤層氣的開採權，再運回大陸轉售。尤其是因為開採技術上的創新突破，已得使其作業成本大幅降低，而國際原油價格的持續飆高，亦使得煤層氣之價位連帶的水漲船高，這些因素俱皆促成了中石油公司樂於聯合殼牌公司以購併澳洲的Arrow Energy事業。2009年時，中石油公司在大陸內部原已擁有開採6億立方公尺煤層氣的產能，隨著技術上的成熟穩定和市場上消費量的增加，以及成功收購澳洲A r r ow Energy公司，將推展「高庚計畫」(Gorgon Project)、即於西澳外海高庚島等島嶼大量開採油氣礦產的作為，可使其包括煤層氣在內的油氣開採量逐年增多。預估至今(2010)年底該公司的煤層氣產能，還可較2009年度增加10~12%，中石油公司還計畫在2015年時將煤層氣的年產量，大舉的提高至35~40億立方公尺。結語        在石油和天然氣能源日趨減少、供應日趨緊絀的情況下，屬高效良質和清潔乾淨能源的煤層氣將相對的增加其重要性。妥善抽取應用煤層氣，既具充分利用能源、促進經濟發展的功效，並可減少造成地球暖化的溫室效應。另外，亦可將煤層氣轉用為發電燃料、工業燃料或成為汽車燃料，還可將其液化後運至石化工廠，用於生產氨、醇類和醛類等化合物，頗具開發利用之價值，前景十分看好。註一：「烴」是由碳和氫兩種元素形成的有機化合物，泛稱為碳氫化合物(hydrocarbon)，易和氯氣、氧氣及溴蒸氣…等反應生成烴基化合物，甚多種類的有機化合物乃是由烴分子中一個或多個氫原子，被其他元素的原子或原子團取代所形成的化合物。烴化合物之種類極多，結構已知者多逾2,000種，例如甲烷(CH4)和氯氣即可生成一氯甲烷(CH3Cl)、二氯甲烷(CH2Cl2) 和三氯甲烷(CHCl3)等烴化合物。註二：氣態的天然氣也比空氣經，比重約為空氣的0.68，遇有洩漏時擴散亦快。而氣態的丙烷或丁烷，與為空氣的比重則達1. 5或2.0(液化石油氣即是將原為氣體的丙烷或丁烷，低溫液化而成)，故洩漏時容易沉降且不易擴散，以致其危險性比煤層氣或天然氣高出極多。