在全球气候治理的议题中，相较于公众更为熟知的二氧化碳，甲烷减排问题同样紧迫。甲烷是仅次于二氧化碳的第二大温室气体，其增温效应高出二氧化碳数十倍。全球范围内的甲烷正在以几十年内最快的速度增长（1），并在2023年创下排放新高（2）。
在我国，甲烷排放主要来自能源活动、农业活动和废弃物管理。能源活动是甲烷排放的最大来源，而煤矿甲烷更是占到能源部门甲烷的87%（3）。
在中国的能源版图中，山西省无疑是一块重地：山西煤炭储量占全国四分之一，煤层气（瓦斯）探明储量居全国之首。这个“因煤而兴”的传统能源大省，如今面对一个更隐秘的黑色难题——甲烷减排。
图注：左权阜生煤业低浓度瓦斯多孔燃烧供热科研示范项目
甲烷（CH₄）是瓦斯的主要成分，在煤炭开采时从煤层中逸出。山西的甲烷排放就主要来自煤矿作业，当地每年煤矿释放的甲烷，相当于2亿吨二氧化碳当量，占全国总排放量的近三成（4）。
但问题并不止于此。在煤矿甲烷排放中，有将近九成来自 “低浓度瓦斯”——即甲烷浓度低于30%的矿井瓦斯。长期以来，这部分瓦斯因政策监管不足、利用技术门槛高、经济效益低等原因，常常被直接排入大气。
这一政策空白终于在2024年12月被填补：新修订的《煤层气（煤矿瓦斯）排放标准》，要求甲烷体积浓度高于8%且抽采纯量高于10立方米每分钟的煤矿瓦斯禁止排放，此前这一数值为30%。这一变化意味着，过去大量直接排放的低浓度瓦斯，如今已被纳入约束范畴。此前有专家表示，新标准修订后，每年可额外削减甲烷排放量近27亿立方米，预计到2030年，这个数字可达到30亿立方米（5）。
制度的完善是一方面，更大的挑战在于如何将这些“禁止排放”的瓦斯真正转化为可利用的资源。在山西这片传统能源大省，不少矿区已经开始探索低浓度甲烷利用的实践路径。例如晋中市左权县，就有两座矿井采用“直燃供热”技术，将低浓度瓦斯直接燃烧，为矿区及周边设施提供稳定热源，为行业提供了颇具启发性的样本。
一、甲烷浓度越低，减排难度越大
甲烷燃烧后的主要产物是二氧化碳和水，被视为一种较清洁的能源。但要将其从地下煤矿中安全提取并高效利用，仍面临诸多挑战。
在甲烷利用领域，目前有三种主流技术路径：
第一种是瓦斯发电，这是最早的利用低浓度瓦斯的方式，也是目前甲烷减排最便捷、最成熟、最广泛的方式，但该技术对瓦斯浓度有较高要求，低浓度瓦斯使用受限，瓦斯利用效率低。再者，审批流程长、并网手续复杂也会影响项目落地。随着环保标准趋严，发电尾气的脱硝处理成为必要条件，项目合规压力随之增加。
第二种技术是蓄热氧化，它将乏风或空气通过掺混装置掺入到低浓度瓦斯中，经控制系统自动调控，使混合后的瓦斯浓度稳定在1-2%左右，再进入氧化装置内进行无焰氧化，产生的热量用于供暖或发电。但这种技术的初始投资较高，瓦斯利用效率偏低，如果仅发电，经济性偏低：分析显示，蓄热氧化技术的平均装机成本约是内燃机发电技术的3.3倍，但其发电收入却不到内燃机发电技术的40%（6），但结合给煤矿供热，经济性也不错。
第三种是直燃供热技术，其原理在特殊多孔材料内实现气体预混和稳定燃烧，再进入锅炉炉膛高效转化为热能。但由于现行《煤矿安全规程》中，部分关于技术适用性的规定未能与技术创新同步，影响了这一技术的应用推广进程。
“任何技术都不是完美的，关键在于因地制宜。” 山西科城能源环境创新研究院助理研究员刘杰说。煤矿深处变量众多，需要在效率、安全与经济性之间找到权衡。
刘杰谈到，低浓度瓦斯是甲烷减排的隐秘角落。煤矿甲烷浓度越低，在技术和经济上实现减排的难度就越大。
二、低浓度瓦斯利用解法：从“排出去”到“烧起来”
从太原出发，车行两小时，我们抵达了晋中市左权县。这是一个典型的太行山区县：“八山一水一分田” 是对该资源型地区地貌格局的真实写照。左权县是全国百个重点产煤县之一，2024年左权县的煤炭开采与洗选行业增加值占到规模以上工业的57%（7）。
我们此行的目的地是山西潞安集团左权阜生煤业。三年前，这里投运了“低浓度瓦斯多孔燃烧供热科研示范项目”，通过燃烧低浓度瓦斯替代天然气，为整个煤矿高效供热。
“以前大家管瓦斯，主要是为了煤矿安全，现在是安全、利用、减排一起管。”王志峰站长谈到，他自项目投运第一天起便驻扎在此，负责甲烷利用项目整体的统筹管理。
他带我们来到矿区附近的甲烷直燃处理厂房，与传统庞大嘈杂的瓦斯发电锅炉房不同，这里安静、紧凑，12台配备低浓度瓦斯多孔介质燃烧装置的蒸汽锅炉依次排列。
王站长解释，这项装置的核心原理是把那些原本排入空气、难以利用的瓦斯收集起来，经过掺混稀释后，将其浓度稳定在6.8%-9%之间。随后送入低浓度瓦斯燃烧器中直接燃烧，加热锅炉产生高温蒸汽。
每台设备每小时最多可以产生2吨的饱和蒸汽，用来给矿区供暖、供热，毫不浪费。经测算，该项目每年能利用680万立方米瓦斯，相当于减少了13.04万吨二氧化碳当量的排放量。
在一台锅炉的观察口前，我们看到炉膛内的蓝色火焰。“火焰颜色可以代表燃烧效率，颜色越蓝说明燃烧越充分。”王志峰说。“这种技术不仅回收利用难以处理的低浓度瓦斯，而且还能实打实地省钱——每年为煤矿节省超1000万元天然气采购费用，直接减免了冬季取暖的外购开支。”
三、一场能源错位危机下的技术突围
溯源这项煤矿瓦斯利用技术，最初实则来自一个“反差感”的发现。
“2017年全国大规模推行“煤改气”政策时，天然气需求迅速上升，价格随之飙升。”山西高创能源新技术有限公司技术顾问周建军说。作为该项目背后的技术推动者之一，他对当年的能源供需危机情形仍记忆犹新。
他提到，工业天然气价格在当年暴涨至10元/立方米，供暖用气成本成为沉重负担。例如山西省阳泉的某个煤矿，仅冬季供暖就要每天花费20万元去采购天然气。
这也引起了另一位瓦斯利用技术专家王信的注意。王信在走访煤矿时发现一个矛盾的现象：煤矿一边把浓度约10%的瓦斯被排入空气，另一边却高价外购天然气供热。
“为什么不直接用这些瓦斯取暖？”他提出了一个简单却具备颠覆性的建议。
2018年起，王信带领技术团队开始研发基于多孔介质燃烧原理的低浓度瓦斯专用燃烧器，并同步搭建了模拟蒸汽锅炉系统，开展热能转化实验。2019年，该技术首次在太原某煤矿实现商业化应用，热效率突破95%。这些原本被忽视的低浓度甲烷资源，被成功转化为稳定蒸汽热源。
“这项技术的最大特点就是‘直接’。”周建军说。不同于传统瓦斯利用技术，这项多孔燃烧技术不需要中间环节，不靠气体转化，也无需重新设计整套供热系统，只需更换原锅炉燃烧器，从而让低浓度瓦斯“变废为热”。
直燃供热技术带来的好处是全链条的：建设周期短、启动快、能效高，每生产一吨蒸汽，便可有效利用80立方米的煤矿瓦斯。设备消耗电量不超过4度电，同时该技术的运维成本很低，除日常维护外，仅需定期保养燃烧器，无需额外投入。
从经济效益看，项目通过售卖蒸汽给煤矿获益，每吨蒸汽的价格约为200-300元。相比之下，若煤矿企业采用天然气供热，在当前气价约为5元/立方米的情况下，每吨蒸汽的热力成本可高达400元，成本差距明显。
站长给我们算了一笔账，如果用这80立方米瓦斯去发电，大约能发240度电，按每度0.5元的电价算，总收益是120元，远低于卖蒸汽的收益。
如果采用蓄热氧化的技术生产蒸汽，每吨蒸汽需要约120立方米瓦斯，同时消耗20至30度电，整体能耗更高。并且在相同处理规模下，蓄热氧化技术的设备投资也比直燃供热贵三到四成。
在环保效益层面，由于燃烧速度快、火焰极短，燃烧产物在高温区的停留时间大幅缩短，使得整体燃烧温度控制在1000℃以下，从源头上减少了热力型氮氧化物（NOx）的生成，同时充足的空气供给也减少了一氧化碳的排放。
王志峰告诉我们，智能运维技术也让项目管理更高效且更省人力。过去需要13人值守的锅炉房，现在可以做到仅需3人巡检。多出的人力被派往其他项目现场，承担起更多统筹与协调的管理任务。
四、技术落地的“最后一公里”
尽管已取得诸多突破，但直燃供热技术仍然不够完美，季节需求差异带来新的挑战：夏季供热需求骤减，设备负荷下降，煤矿瓦斯的利用效率面临季节性空档。
技术团队开始将目光投向矿区之外的工业场景。他们意识到，只有在更多元的热力需求中，瓦斯的利用才能摆脱季节的束缚。因此，玻璃制造、食品加工、工业窑炉……这些对温度具备更稳定需求的行业，成为王信与其技术团队关注的下一步方向。
周建军介绍，王信的技术团队开始在玻璃制造行业展开创新尝试，用低浓度瓦斯作为工业燃料替代天然气。目前他们已经在山西省某个玻璃厂的小型窑炉上完成小试验证，中试实验正在进行中。
“玻璃行业对燃料价格极为敏感，如果直燃技术能稳定替代天然气，节省的成本将十分可观。”他说。未来，他们希望将瓦斯燃料端的供应能力逐步拓展，嵌入更多有持续热力需求的工业流程，在矿区外找到更多元的技术落点。
周建军还提到，现行技术标准的滞后也从一定程度上限制了规模化推广。按照现行《煤矿安全规程》，30%以下浓度的瓦斯不得直接燃烧，但这项规定源于过去对安全风险的谨慎考量。随着控制技术的进步，当前的实际操作中已能实现对燃烧过程的精细管控，现行政策亟待与技术创新同步。
他们集中攻克了三个关键难点：一是7%-30%瓦斯浓度波动的实时适配，二是燃烧压力的精准调控，三是极端工况下的本质安全保障。为此，团队自主研发了“智能动态稳定控制系统”，通过软硬件协同控制、实时监测（精度±0.5%）、变频配风与旋流混合等手段，实现燃气混合偏差控制在5%以内。同时，采用“防回火炉头”，在工程端按照国标部署阻爆、抑爆、泄爆三道安全屏障，并再叠加水封阻爆、阻爆轰器，构成“六防”安全系统。
“我们明白政策背后的审慎出发点，但很多时候实践跑得比纸面快一些。”他谈到，团队会专注做好技术，用稳定的运行记录，为技术大规模推广争取多一些空间。”
类似的低浓度甲烷利用案例还有很多：在山西省晋城市，伯方煤矿采用低浓度瓦斯多孔燃烧供热技术，利用8%左右的低浓度瓦斯，用于满足伯方煤矿的风井场地、抽采泵站和工业场地提供的供热需求，其年均甲烷摧毁量达到202万立方米。
在山西省吕梁市，柳林县寨崖底煤矿采用直燃制热，汽轮机发电技术，利用低浓度瓦斯安全输送系统把约为6%浓度的瓦斯送入热能岛，产生高温烟气，再经过余热锅炉产生中温中压蒸汽，推动汽轮发电机组发电，其年均甲烷摧毁量达到1200万立方米。
当前，山西正站在能源结构转型的十字路口。曾一度被视为减排难题的低浓度瓦斯，正借助技术创新逐步被纳入资源化利用体系，成为推动山西甲烷减排的重要解法之一。这些实践不仅构成了山西省地方气候行动中的积极探索，也成为全国绿色低碳转型进程中的现实样本。尽管未来仍有诸多难点尚待突破，但一个全新方向已在探索中浮现，为低浓度甲烷减排打开更多可能。
参考文献：
1. Oliver Milman. Global methane emissions rising at fastest rate in decades, scientists warn. The Guardian. https://www.theguardian.com/environment/article/2024/jul/30/methane-emissions-study
2. NOAA. International report confirms record-high global temperatures, greenhouse gases in 2023. https://www.noaa.gov/news-release/international-report-confirms-record-high-global-temperatures-greenhouse-gases-in-2023
3. 《中华人民共和国气候变化第三次两年更新报告》，2023
4. 杨鹂,秦艳,赵跃华,李鑫迪,袁雅婷,宋曼娇,刘宇,杨美艳,刘杰,许小静.(2024). 山西低碳转型中长期展望： 基于 EPS 模型构建“双碳”路径. 北京：绿色创新发展研究院
5. 《瓦斯排放限值下调，可实现年减排约5000万吨二氧化碳当量》,中国环境报,2024年12月20日.
6. 刘杰,刘宇,宋沛鑫等人.山西省煤炭开采甲烷减排政策研究.山西科城能源环境创新研究院.2024.
7. 左权县统计局关于2024年国民经济和社会发展的统计公报.左权县统计局,2025年5月7日.