露天煤礦能源消耗引致溫室氣體排放計量模型建構(gòu)

劉福明，才慶祥，陳樹召，周 偉

(中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221008)

露天煤礦不僅是生產(chǎn)一次能源的重要基地，而且也是當?shù)刂匾哪茉聪膯挝弧Ｎ覈笮同F(xiàn)代化露天煤礦年產(chǎn)都在10.00～20.0Mt，每年電能和油類燃料消耗的數(shù)額十分龐大，這些消耗都將引起溫室氣體的排放，研究表明能源消耗排放是露天煤礦最主要的排放源，其排放量約是露天礦總排放量50%以上。其次，在露天礦的諸多排放源中，能源消耗產(chǎn)生的排放是唯一的受控排放源，通過采礦工程、工藝和管理水平的改進可以很大程度地降低其排放量。而且針對該排放源采取的減排措施不會對企業(yè)的經(jīng)濟效益產(chǎn)生負面影響，相反可以降低采礦成本改善其經(jīng)濟效益。另外，露天煤礦能源消耗造成的溫室氣體排放與非煤露天礦差異性很小，適合露天煤礦的計算方法同樣適用于其他露天礦。因此，精確計量此類排放不僅可以使制定煤礦減排措施時有的放矢，帶來可觀的效益回報，而且計算方法具有很大的推廣空間。IPCC指南強調(diào)為了提高計算結(jié)果的可靠性，對關(guān)鍵排放源不能用活動水平乘以IPCC提高的缺省排放因子來計算，應(yīng)在特定的計量模型的基礎(chǔ)上，確定各露天礦相應(yīng)的排放參數(shù)來計算。本課題著重建立露天礦電力消耗和油類燃料消耗溫室氣體計算模型，深入研究該類排放的計算方法。

1 電能消耗產(chǎn)生的溫室氣體間接排放系數(shù)計量模型建構(gòu)

對能源系統(tǒng)作全面客觀的溫室氣體排放時，僅考慮能源轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)是不充分的，應(yīng)該從資源的開發(fā)開始，把開采、運輸、轉(zhuǎn)換、廢物處置等作為一個完整的電能源生產(chǎn)的燃料循環(huán)鏈，只有經(jīng)過這樣全面綜合的考慮，才能對能源系統(tǒng)作出合乎實際的判斷。根據(jù)生命周期分析方法的實際應(yīng)用，首先確定本項工作的系統(tǒng)邊界為電能源鏈所有過程的能源，因為在電能源鏈中，它們所排放的溫室氣體占整個電能源鏈多次能源和材料消耗所產(chǎn)生的溫室氣體的大部分。因此，煤電能源鏈的生命周期碳排放計量范圍如圖1所示。

圖1 煤電能源鏈的生命周期碳排放計量范圍[2]

煤電能源鏈的溫室氣體排放主要來自煤炭生產(chǎn)開采洗選、電煤運輸及燃煤發(fā)電3個階段，基于此本文構(gòu)建了如下的煤電能源鏈的碳排放系數(shù)計量模型，3階段碳排放子模型的求和函數(shù)：

EFb=EFbp+EFbt+EFbg

(1)

式中：EFb為煤電能源鏈的碳排放系數(shù)總量，g/kWh；EFbp為煤炭生產(chǎn)環(huán)節(jié)的碳排放系數(shù)總量， g/kWh;EFbt為電煤運輸環(huán)節(jié)的碳排放系數(shù)總量，g/kWh；EFbg為燃煤發(fā)電環(huán)節(jié)的碳排放系數(shù)總量，g/kWh。

1.1 電廠發(fā)電環(huán)節(jié)的碳排放系數(shù)計量模型

由于煤炭在生產(chǎn)和運輸中都存在電能需求，而電力生產(chǎn)又是在電廠完成的，因此，這些環(huán)節(jié)由電能消耗帶來的碳排放將取決于電廠單位發(fā)電的排放。為方便計，對各環(huán)節(jié)電耗產(chǎn)生的碳排放只計算其在發(fā)電環(huán)節(jié)的產(chǎn)生量，故本文首先計量電廠發(fā)電環(huán)節(jié)的碳排放系數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)火力電廠的N2O排放量十分有限，可以忽略不計，固CO2排放系數(shù)計算公式：

(2)

式中：g為電廠發(fā)電的單位耗煤量，kg/kWh；Q為電廠燃煤的平均單位發(fā)熱量，MJ/kg；β為燃料的含碳率，kg/MJ；3.6為一度電的熱值，MJ/kWh；η為電廠的發(fā)電效率[1]。

1.2 煤炭生產(chǎn)環(huán)節(jié)的碳排放計量模型

根據(jù)煤電能源鏈的系統(tǒng)思想，要想求出電廠發(fā)一度電帶來的能源鏈上游環(huán)節(jié)溫室氣體排放，首先就得事先求出單位發(fā)電量要求煤炭生產(chǎn)端的原煤開采量和運輸環(huán)節(jié)的煤炭運輸量，電廠單位發(fā)電量的煤炭調(diào)運量Qt計算式：

(3)

式中：Cs為發(fā)電廠標準煤耗，g / kWh；ds為標煤轉(zhuǎn)化為等熱量洗出煤的質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)；α為為煤炭在運輸過程中的總遺撒率；λ為原煤洗出率。

煤炭生產(chǎn)環(huán)節(jié)的碳排放包括煤開采和洗選過程中能源消耗產(chǎn)生的溫室氣體，以及原煤在開采和洗選過程釋放出的煤層吸附氣體，故煤炭生產(chǎn)環(huán)節(jié)的碳排放計量模型：

(4)

式中:x為煤生產(chǎn)過程中使用的燃料或能源， 此環(huán)節(jié)主要指煤炭、燃油和電能( t 或 kWh)， X為三者的集合;Ubp為煤炭生產(chǎn)的單位能耗(原煤或電能)；Wbp為煤炭洗選的單位能耗；Y為單位原煤在開采和洗選過程釋放出的煤層吸附氣體量；ex為消耗能源種類所對應(yīng)的排放系數(shù)；i為吸附氣體種類，包括CH4和CO2；GWP為全球變暖效能因子。

表1 IPCC 關(guān)于部分溫室氣體的預設(shè) GWP 值 gCO2 當量/ g 溫室氣體

1.3 煤炭運輸環(huán)節(jié)的碳排放計量模型

煤炭運輸?shù)闹饕绞绞氰F路公路和水路運輸，其中鐵路運輸一直是煤炭運輸?shù)闹髁Ω髂杲y(tǒng)計年鑒貨類運輸周轉(zhuǎn)量表顯示，從 1990 年代末開始鐵路運煤分擔率一直保持在 50%左右，2001 年左右甚至逼近 60% 我國公路和水路的煤炭運輸比例一直無確定權(quán)威機構(gòu)作相關(guān)統(tǒng)計，只有煤炭科學院交通部等部門作了相關(guān)工作，見表2。在我國鐵路煤炭運輸中， 火車燃油基本以柴油為主，公路煤炭等大宗貨物運輸方面， 一般用20t及以上中重型車進行運輸， 燃料也多為柴油水路煤炭運輸方面， 海輪和駁船是主要的運輸船型，前者多用于北煤南運，而駁船則作為內(nèi)河水運的主力水路運輸?shù)娜剂现饕獮槿剂嫌?渣油)，由于船舶能耗強度和燃料油排放方面的數(shù)據(jù)缺失，故本文對我國煤炭水路運輸中的油種進行了近似替代處理因為輪船的發(fā)動機功率非常大，又在一個封閉的環(huán)境下工作，所以輪船主機一般用渣油或重柴油，輪船輔機消防泵救生艇等用油也為柴油。因此，本文將煤炭船舶運輸用油也以柴油處理。基于各煤炭運輸方式運輸量的分擔率可得煤炭運輸環(huán)節(jié)碳排放計量模型,見式(5)。

表2 中國煤炭運輸量分擔率(單位：%)

(5)

式中：i為不同的煤炭運輸方式， 文中主要指鐵路運輸 水路運輸 公路運輸這3種煤炭運輸方式；j為燃料和能源類型，文中主要指汽油、柴油、電能；Ui,j為第i類運輸工具使用第j種燃料或能源的能耗強度，t / ( t km)或 kWh / ( t km)；Ui,j,k為第i類運輸工具使用第j種燃料或能源產(chǎn)生的第k類溫室氣體的碳當量排放系數(shù)，gCO2當量/ kWh；ri,j為使用第j種燃料或能源的第i類交通工具總運輸里程占所有類別運輸工具總運輸里程的比重，%；Qti為第i類運輸工具運輸?shù)拿禾靠偭浚?所有類型運輸工具的運輸總量為Qt,t；Si為第i類運輸工具的平均運輸里程，km[2]。

2 露天礦油類燃料消耗產(chǎn)生的溫室氣體排放計量模型建構(gòu)

一座千萬t級露天礦每年由礦用自卸卡車和輔助設(shè)備消耗的油類燃料達數(shù)萬t，燃油不僅是露天采礦成本的主要組成部分，而且也是露天礦溫室氣體的主要排放源。燃油產(chǎn)生的溫室氣體主要有CO2和N2O，雖然N2O的絕對排放量與CO2相比甚至可以忽略，但單位體積N2O產(chǎn)生的溫室效應(yīng)是CO2的310倍，所以計算溫室氣體排放就不能將N2O這一項忽略，用溫室效應(yīng)的當量CO2值PWG將其統(tǒng)一計算為CO2的排放。另外，露天礦的開采過程中，硬巖爆破一般采用銨油炸藥(主要由硝酸銨和柴油配制而成)，這種炸藥在爆炸時要放出大量的CO2，也是露天礦的溫室氣體排放源[4]，故可以得到露天礦油類燃料消耗溫室氣體排放結(jié)構(gòu)式：

RE=RE1+RE2+RE3

(6)

式中：RE1為露天礦運輸設(shè)備燃油溫室氣體排放量，kg；RE2為露天礦非運輸設(shè)備燃油溫室氣體排放量，kg；RE3為露天礦爆破工程溫室氣體排放量，kg。

3.1 露天礦運輸設(shè)備燃油溫室氣體排放量計算

隨著我國露天采礦的發(fā)展，國內(nèi)幾乎所有露天煤礦都采用卡車運輸，而露天礦使用的大型礦用卡車是露天礦主要的燃油消耗源，燃料燃燒排放的主要溫室氣體有CO2、N2O、CH4。計算公式如下：

RE1=RECO2+REN2OaN2O+RECH4(aCH4-1)

(7)

式中：RECO2為CO2排放量，kg；REN2O為N2O排放量，kg；aN2 O為 N2O的全球變暖潛勢(GWP)，這里取310；RECH4為CH4排放量，kg；aCH4為CH4的全球變暖潛勢(GWP)，這里取24.5；1為由CH4中含的C 在CO2中已經(jīng)計算過一次，為了避免重復計算，須從CH4中去除；a—燃料類型，如汽油、柴油、天然氣、LPG等[4]。

(8)

REco2為CO2的排放量，此處可以為CH4、N2O；Fa為消耗燃料的熱值，MJ；EFa為排放因子，kg/MJ；REx為除CO2外的溫室氣體排放量；Sa,b,c,d為某一運輸設(shè)備引擎在穩(wěn)定熱運行階段所行駛的距離，km；Ca,b,c,d熱啟動階段的排放，kg；a為燃料類型(例如，柴油，汽油，天然氣等)；b為車輛類型；c為排放控制技術(shù)(例如為控制，催化轉(zhuǎn)換器等)；d為道路類型[5]。

2.2 露天礦非運輸設(shè)備燃油溫室氣體排放量計算

露天礦的非運輸燃油設(shè)備主要包括部分采掘設(shè)備和推土機、平路機等輔助設(shè)備，由于該類設(shè)備的主要燃料消耗與行駛距離沒有線性相關(guān)關(guān)系，而與工作時間存在線性關(guān)系，所以適用于運輸設(shè)備的計量模型不再適用，須建立與工作時間有關(guān)的計量予以處理，計量模型如下：

(9)

式中：Nij為使用燃料j的車輛i的數(shù)量；Hij為車輛i年使用小時(h)；Pij為車輛i的平均額定功率(kW)；LFij為車輛i一般負荷因子(0到1之間)；EFijy為車輛i使用燃料j排放溫室氣體y的當量CO2排放因子(kg/kWh)[5]。

2.3 露天礦爆破工程溫室氣體排放量計算

露天礦的上覆巖層以及煤層的硬度較大時，采掘設(shè)備很難直接采掘，需要增加爆破環(huán)節(jié)。目前我國露天礦廣泛使用的是硝銨炸藥，因為硝銨炸藥是正氧平衡炸藥, 在爆炸時則生成大量的氧化氮氣體，硝酸銨的爆炸反應(yīng)方程式如下：

NH4NO3→2H2O+N2+[O]+112.9kJ/mol

(10)

剩余的氧和氮氣在高溫下生成多種氮氧化物，這些氧化物多是有毒氣體，為了避免有毒氣體的污染，露天礦在炸藥配置是加入了柴油、瀝青等可燃劑以消耗炸藥自身氧的富余量，同時帶來溫室氣體的排放[6]，所以露天礦爆破工程溫室氣體排放量的計算公式如下：

BE3=G·ω·EF

(11)

式中：G為露天礦年消耗炸藥量，t；ω為炸藥中可燃劑的含量；EF為炸藥可燃劑的排放因子，kg/t。

3 結(jié)論

論文對露天煤礦能源消耗引致溫室氣體排放量計算方法進行了研究，得出如下結(jié)論：

1)文章應(yīng)用全生命周期分析方法建立了煤電能源鏈的碳排放量計算總模型和各環(huán)節(jié)的子計量模型，通過模型可以求得我國燃煤電廠在煤的生產(chǎn)、加工、運輸各環(huán)節(jié)引致的溫室氣體排放量及煤電能源鏈溫室氣體總排放量，進而可以更精確地得出露天礦電能消耗引致的溫室氣體排放量。

2)基于露天礦消耗燃料不同途徑碳排放系數(shù)的差異性，建立了適合各種燃料用途的排放計量模型，模型具體到每一臺設(shè)備特定的運行環(huán)境和特定的運行狀態(tài)，并創(chuàng)造性的建立了爆破環(huán)節(jié)排放的溫室氣體的計量模型，以保證露天礦能源消耗溫室氣體計量的完整性。

3)從煤電鏈的視角審視我國的溫室氣體的減排，火力電廠的發(fā)電環(huán)節(jié)的排放量占據(jù)煤電鏈排放量的大部分，而近年來我國電力行業(yè)技術(shù)改革已經(jīng)使該環(huán)節(jié)的排放量有了很大程度的減少，同時也使這一環(huán)節(jié)的減排空間大大的縮小，而我國的減排任務(wù)還在不斷的加大，要克服這一矛盾就只能訴諸煤電鏈的另一主要排放環(huán)節(jié)——煤炭生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

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