基于能源替代的煤炭礦區碳排放量測算方法研究

蓋 麗,任一鑫,苗 旺,蔣蓬陽

(山東科技大學a.經管學院;b.礦業學院,山東 青島 266590)

理論經濟研究

基于能源替代的煤炭礦區碳排放量測算方法研究

蓋 麗a,任一鑫a,苗 旺b,蔣蓬陽b

(山東科技大學a.經管學院;b.礦業學院,山東 青島 266590)

建立了煤炭礦區碳排放測算模型,通過分析煤炭礦區能源種類及特征,建立煤炭礦區能源替代體系,進而構建基于能源替代的煤炭礦區碳排放量測算模型。

能源替代;煤炭礦區;碳排放量

一、引言

作為“富炭、貧油、少氣”的國家,在未來較長一段時間內,我國能源供應仍是以煤炭為主,煤炭礦區依然是我國能源的主要供應單元。中國為實現經濟可持續發展,改善粗放式經濟發展模式帶來的環境污染,將低碳發展制定為我國的重要發展戰略,并提出到2020年單位國內生產總值碳排放量比2005年降低40%～45%的發展目標[1]。

煤炭礦區作為煤炭生產、加工的集聚地,其中可用能源種類繁多,包括煤、柴油、汽油、天然氣、煤矸石、余熱、地熱、乏風、沼氣、太陽能、風能、煤層氣等多種類型能源。由于煤炭礦區能源之間關系復雜,關聯性強,能源之間既可以替代,又可以互補。針對煤炭礦區能源間這一特性,用清潔能源、低碳能源、可再生能源代替高污染能源、不可再生能源,以達到減少碳排放量的目的[2]。

科學有效的碳排放測算方法是實施監管節能減排、促進低碳發展的前提;同時對量化和評價能源替代對碳減排的作用,積極尋求更好的能源替代策略具有重要意義。

二、煤炭礦區碳排放測算方法研究

(一)煤炭礦區碳排放測算方法選擇

煤炭行業碳排放測算方法主要分為三類:實測法;物料平衡法;排放因子法。

實測法是指通過一定的監測手段或相關部門認定的連續計量設施,測量二氧化碳的流速、流量以及濃度等數據來計算二氧化碳排放總量的一種測量方法。其公式為:C=K×Q×P (其中K表示單位排放系數,Q表示空氣流量;P表示空氣中二氧化碳濃度;C表示二氧化碳排放量)實測法是現場實測得到的數據,具有精度高、更接近實際的優點,但是其存在費用高、過程復雜的缺點。

物料平衡法是通過質量守恒定律,對能源燃燒過程中使用的物料進行定量分析的方法。其公式∑C投入=∑C排出+∑C固定。該方法不僅適用于整個生產系統,還是用于某一工序。物料平衡法需要系統的、全面的研究各個生產過程,程序復雜,但精確度相對較高。

排放系數法是在正常技術經濟和管理條件下,單位化石能源燃燒排放二氧化碳數量的均值。公式:C=K×M (K表示碳排放系數,M表示能源消耗量),其具有計算簡便的優點,但是其準確度較低。

由于煤炭礦區能源種類及能耗領域較多,且受生產環境限制,實測法和物料平衡法不宜在礦區廣泛應用,但是可以在個別領域內使用。因此,本文煤炭礦區碳排放測算主要應用排放因子法,在個別領域采用實測法和物料平衡法。

(二)煤炭礦區碳排放測算模型構建

1.煤炭礦區概念界定。隨著我國煤炭企業的不斷發展變革以及循環經濟在礦區的推廣,煤炭礦區逐步從以煤炭為單一產品的生產結構向以煤炭生產為基礎的多產品生產結構轉型。因此,本文所指的煤炭礦區是指以煤炭生產、加工為主導,帶動其他附屬產業共同發展,形成的集生產、生活、服務為一體的經濟區域。

2.碳排放領域劃分。目前,我國大部分煤炭礦區都分為三個區域:生活區、生產區、服務辦公區。由于每個區域功能不同、耗能種類不同,一般礦區在能耗統計中會將每個區域分別統計,根據上述特點,本文將煤炭礦區碳排放領域劃分為三個區域,生活排放區、生產排放區和服務辦公排放區。其中生活排放區又可以進一步劃分為:職工宿舍區、食堂、澡堂、其他四部分;服務辦公區可以進一步劃分為:辦公樓、醫院、學校、招待所、其他五部分;生產排放區比較復雜,首先將其分為煤炭開采、煤炭加工、附屬企業三部分。綜上所述,煤炭礦區碳排放區域劃分結構如圖1所示。

圖2 煤炭礦區碳排放形式結構圖

3.碳排放形式劃分。煤炭行業屬于地下采掘業,這一性質導致煤炭礦區碳排放形式與其他企業存在較大差別,煤炭礦區不僅具有耗能碳排放部分,還包括非耗能碳排放部分。其中非耗能碳排放部分主要來自于瓦斯排放、煤矸石堆放排放、煤炭堆放排放三部分,如圖2所示。

4.能源種類分析。煤炭礦區作為能源供應者和消費者,扮演雙重身份,致使其可用能源種類較多,常用能源:電力、煤炭、天然氣、汽油、柴油。新能源:風能、地熱、太陽能、生物質能等。廢棄能源:煤泥、中煤、煤矸石、煤層氣、乏風、余熱、余壓、礦井水溫差等。

5.碳排放測算體系構建。根據礦區碳排放區域劃分結構圖以及碳排放形式劃分結構圖,以及不同排放區域選擇的碳排放測算方法,本著操作方便、涵蓋全面的原則,構建煤炭礦區

煤炭礦區職工生活排放區中,以消耗電能、煤炭、天然氣為主。碳排放測算體系如圖3所示。

為簡化煤炭礦區碳排放測算過程,因消耗電、煤、汽油、柴油、天然氣等化石能源而造成的碳排放用排放因子法測算;煤矸石電廠和非耗能部分的碳排放量采用實測法測算;矸石磚廠排放量采用物料平衡法測算。綜上所述,煤炭礦區碳排放量測算模型為:

=C11+C12+C13+C21+C22+C23+C31+C32+C33+C41+C42+C43

=(C11+C23+C41)+C12+C13+C21+C22+(C31+C32+C33+C42)+C43.

(1)

其中:C11、C12、C13、C21、C22、C23、C41計算運用排放因子法計算,公式為C=K×M;C31、C32、C33、C43采用直接測算法,公式為C=K×Q×P,由于循環經濟在礦區的不斷發展,煤矸石堆放問題已得到解決;隨著礦井現代化建設,煤炭生產、銷售一體,煤炭堆放時間較短,因此本文假設因煤矸石、煤炭堆放而造成的碳排放量為零;C42計算運用物料平衡法進行計算,公式為∑C投入=∑C排出+∑C固定。

三、基于能源替代的煤炭礦區碳排放量模型構建

(一)煤炭礦區能源間替代分析

圖3 煤炭礦區碳排放測算體系

1.煤礦能源種類及特征分析。根據煤炭礦區按照能源的特征可將煤炭礦區能源分為常規能源、新能源和閑置能源三類。常規能源是指已經大規模生產和廣泛利用的能源,主要有電、煤、油等;新能源是剛開發利用或正在積極研究、有待推廣的能源,包括太陽能、風能、生物質能、地熱能等[3];閑置能源是生產過程中產生的,但較少或沒有被開發利用的能源,主要包括余熱、煤層氣、中煤、煤泥、煤矸石、礦井水攜帶熱量、乏風攜帶熱量等。由于煤炭礦區生物質能主要來自于有機物發酵,因此本文的生物質能用沼氣代替。以上能源部分特征如表1所示。

2.煤炭礦區能源替代關系分析。結合前文及表1對煤炭礦區各類能源開放、存儲、利用、產量、碳排放系數等特征的分析,以及各個耗能領域的耗能特點,研究分析了汽油、柴油、煤、電、天然氣等各種化石能源的可替代能源,如表2所示。

3.煤炭礦區能源替代體系構建。構建思路:根據礦區能源的數量、品質和需求不同,建立能源種類替代子系統,合理分配使用各種能源;根據礦區范圍內各耗能領域的特點,建立耗能領域集成子系統,實現耗能領域的合理組織;以低碳經濟和可持續發展思想為指導,確保能源安全為前提,立足于礦區的現狀,建立優質、高效、可持續發展的能源與耗能領域組合替代體系,實現能源的平衡與調度盡量做到物盡其用、就近利用[3]。煤炭礦區能源替代體系如圖4所示。

表1 煤炭礦區能源特征分析表

表2 煤炭礦區能源替代關系表

注:Y表示列能源能替代行能源;N表示列能源不能替代行能源。

4.基于能源替代的煤炭礦區碳排放量測算。根據煤炭礦區能源替代體系可知,電能的可替代能源為礦井水熱量、乏風熱量、太陽能、地熱能和風能,均為不含碳能源,此處假設以上五種能源使用量分別為M1、M2、M3、M4、M5;煤的替代能源為煤矸石電廠和矸石磚廠的余熱,其使用量為M6;天然氣的替代能源為煤層氣和生物質能,其使用量分別為M7、M8,由于煤層氣和生物質能(沼氣)與天然氣成分相同,因此此處能源替代可視為對碳排放量無影響;由于煤層氣、煤矸石被充分回收利用,煤炭堆放碳排放量不計,因此在實行能源替代后,非耗能碳排放可忽略不計。根據煤炭礦區碳排放測算模型,得到能源替代后的煤炭礦區碳排放測算模型為

(2)

圖4 煤炭礦區能源替代結構圖

四、能源替代對煤炭礦區碳減排的作用機理分析

通過煤炭礦區能源替代體系可以發現,煤炭礦區能源替代是運用可再生能源替代不可再生能源、清潔能源替代化石能源,廢棄能源替代常規能源,以實現化石能源的高效利用,新能源和廢棄能源的充分利用[4]。

能源替代屬于能源優化配置的方法之一,對化石能源的減量化利用和碳減排具有促進作用。第一,能源替代能夠有效的提高化石能源(即常規能源)的利用效率,從而間接的減少了煤炭礦區對化石能源的消耗量,進而減少了煤炭礦區的碳排放量;第二,煤炭礦區能源替代使太陽能、風能、地熱能、生物質能等新能源得到充分利用,替代了部分化石能源,直接減少了化石能源的消耗量,從而降低了煤炭礦區碳排放量;第三,煤炭礦區能源替代減少了廢棄能源的排放,降低了因廢棄能源排放而造成的能源浪費和煤炭礦區碳排放量。煤炭礦區能源替代對煤炭礦區碳減排量作用機理如圖5所示。

圖5 煤炭礦區能源集成利用對化石能源減量化作用機理

五、結論

煤炭礦區作為煤炭生產、加工集聚地,可用能源豐富;充分利用煤炭礦區中的太陽能、地熱能、生物質能、風能等新能源,回收利用煤層氣、乏風熱量、礦井水熱量及煤矸石等廢棄能源,以替代煤、油、氣、電等常規能源,能夠提高化石能源利用效率,減少能源浪費,進而減少煤炭礦區的碳排放量[5]。

[1]劉竹,耿涌,薛冰,等.城市能源消費碳排放核算方法[J].資源科學,2011,(7):1325-1330.

[2]任一鑫,曾憲迪,張士強,等.濱湖煤礦能源集成利用研究[J].中國煤炭,2013,39(2):111-115.

[3]唐曉城,張偉,任一鑫,等.煤炭礦區能源集成利用體系研究[J].礦冶工程,2014,(2):110-114.

[4]安靜.地區產業結構、能源消費與經濟增長關系研究[J].財經理論研究,2014,(1):15-20.

[5]石寧.我國能源消費影響因素實證分析[J].財經理論研究,2014,(2):14-17.

[責任編輯:劉 煒]

10.3969/j.issn.1672-5956.2017.02.004

2017-03-09

山東科技大學研究生科技創新項目“空間集聚視角下煤炭產業能源效率區域差異及影響因素研究——基于18個產煤省市的實證研究”(SDKDYC170227).

蓋麗,1990年生,女,山東煙臺人,山東科技大學碩士生, 研究方向為資源利用與優化配置,(電子信箱)ningai1225@163.com。任一鑫,1962年生,男,山東青島人,山東科技大學教授,博士,博士生導師,研究方向為礦區循環經濟、能源管理。

F416.21

A

1672-5956(2017)02-0024-07