“雙碳”目標下煤礦低碳運行模式研究與探討

高 蕊

(應急管理部信息研究院，北京市朝陽區，100029)

0 引言

實現碳達峰碳中和是推動我國經濟高質量發展的內在要求，為此國家層面進行了一系列決策部署，在《新時代的中國能源發展白皮書》《國務院關于加快建立健全綠色低碳循環發展經濟體系的指導意見》《中共中央 國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》《2030年前碳達峰行動方案》《關于嚴格能效約束推動重點領域節能降碳的若干意見》《“十四五”節能減排綜合工作方案》《關于完善能源綠色低碳轉型體制機制和政策措施的意見》等政策文件中均涉及碳達峰碳中和相關內容。碳達峰碳中和目標既是推進我國經濟高質量發展的國家戰略，也將推進經濟社會廣泛而深刻的系統性變革，對各行各業產生深刻的影響[1]。

能源生產和消費相關活動是最主要的二氧化碳排放源，大力推動能源領域碳減排是做好碳達峰碳中和工作、加快構建現代能源體系的重要舉措。2020年我國化石能源消費比重超過80%，是碳排放的主要來源，其中，煤炭消費產生的碳排放量占70%以上。相較于美國、歐盟、日本等發達國家(地區)，我國“雙碳”目標時間緊任務重。我國現階段經濟社會高質量發展仍需要大量能源消耗，基于我國目前的能源結構與基本國情，煤炭行業的碳排放高居前列，減少煤炭行業碳排放是實現“雙碳”目標的重中之重[2-4]。

2016年以來，我國煤炭行業供給側結構性改革穩步推進，原煤產量保持低速增長?！?021年國民經濟和社會發展統計公報》顯示，2021年我國全年能源消費總量為52.4億t標煤，煤炭消費量占比56.0%，保持持續下降趨勢。我國能源結構持續向綠色能源轉型。然而，煤炭占化石能源礦產資源已探明儲量的94%以上，我國的基礎工業依然非常依賴煤炭，能源資源賦存條件和經濟社會發展所處階段決定了相當長時間內煤炭依然是能源供給端的主要支撐，仍需要煤炭發揮基礎能源作用，并且很多行業短期內很難找到煤炭的替代品。美國、德國、日本等在碳達峰以后仍然使用煤炭，只是煤炭的用途發生了變化。預計我國在 2060年實現碳中和后，仍需要煤炭發揮電力調峰、碳質還原劑以及保障能源安全等作用，做好經濟社會發展的能源兜底保障[1,4-6]。

煤礦既是煤炭的生產單元，也是煤炭等能源的消耗單元，亟需制定相應措施來減少煤礦碳排放。因此，首先要分析煤礦的碳排放源及其構成，并結合煤礦實際找出原煤生產各階段的碳排放源，是減少煤礦碳排放、保障煤礦低碳運行的必要舉措，也是煤炭行業落實碳達峰碳中和目標的具體行動[7-8]。

1 煤礦碳排放源分析

煤礦系統與外界存在物質與能量交換，內部各運行單元也存在物質與能量交換。煤炭從掘進開采、選煤加工、堆放運輸、燃燒利用、廢物處置等過程都存在能量傳輸，各環節均會產生不同程度碳排放，包括煤炭生產過程中CH4、CO2等溫室氣體直接碳排放，以及電能消耗等產生的間接碳排放。煤礦系統各環節碳排放如圖1所示。分析生產工藝、利用方式等對碳排放的影響，找出煤礦生產過程中碳排放關鍵環節，為不確定性碳排放源的識別、碳排放總量的控制、碳排放趨勢的分析等提供參考依據，從而制定煤炭低碳運行應對措施[8-10]。

圖1 煤礦系統各環節碳排放

(1)煤炭采掘環節的碳排放。原煤掘進開采環節主要由巷道開拓、工作面采煤、原煤運輸等組成。井下設備中掘進機、采煤機、移動空壓機、通風機、水泵、帶式輸送機等主要消耗電能，鍋爐房主要消耗煤炭，汽油、柴油等燃料油在井工煤礦則消耗較少。煤炭開采破碎煤層及周圍層會釋放瓦斯、產生礦井水、煤矸石等副產物。抽出瓦斯未被利用的部分排入大氣。根據聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)評估報告，CH4的GWP(全球增溫潛勢)是CO2的25倍，是重要溫室氣體排放源。而礦井水、煤矸石產生的碳排放量較低、較緩、較難測量[11]。

(2)選煤加工環節的碳排放。濕式選煤加工環節主要由原煤準備、重介浮選、煤泥水處理、矸石排出等組成。相關設備中煤漿泵、運輸機、分選機、浮選機、空壓機等主要消耗電能，煤泥烘干機等主要消耗煤炭、燃料油等，排矸推土機、煤泥運輸汽車等主要消耗柴油等燃料油。采掘出的煤比煤層破碎時釋放瓦斯緩慢。

(3)煤炭堆放運輸環節的碳排放。煤炭運輸交通工具主要消耗燃料油，產生的溫室氣體有CO2、N2O、CH4等，N2O、CH4排放量遠小于CO2，但N2O的GWP是CO2的298倍，即N2O、CH4都是重要溫室氣體排放源。煤炭、矸石堆放存儲期間可能自燃，從而造成碳排放。煤炭運輸過程中，可能發生遺煤自然氧化，但反應緩慢，生成CO2較少，散發熱量較低[11]。

(4)煤炭燃燒利用環節的碳排放。鍋爐房、坑口電廠等將煤炭作為燃料燃燒排放CO2，燃燒發電主要消耗原煤、煤泥、矸石、汽油、柴油、瓦斯等。

(5)廢物處置環節的碳排放。煤礦生產過程中會產生礦井水、鍋爐煙氣、煤矸石等廢水、廢氣、固廢,廢物處置過程中設備設施主要消耗電能，經過處理的廢物可被再次利用。

(6)煤礦主要碳排放分析。分析各環節碳排放源，將煤礦碳排放源分為能源消耗排放源、逸散排放源等。煤礦生產運行的各環節中，煤炭采掘、選煤加工、煤炭堆放運輸環節的碳排放較低，燃燒利用環節的碳排放較高。煤礦區域煤炭采掘、選煤加工、煤炭堆放運輸環節碳排放主要來自瓦斯氣體排放，部分來自煤炭、矸石自燃，加強瓦斯的抽采利用是降低碳排放的有效方式[11-13]。

根據煤礦碳排放源分析，結合煤礦實際情況，引入先進科學技術，逐步建成低能耗、智能化煤礦，在煤炭生產過程中降低能耗和減少碳排放，實現高碳能源低碳化，是碳達峰碳中和目標實現的重中之重[7-8,10]。

2 煤礦低碳運行“減碳”有機體系

2.1 “零碳煤礦”理想狀態目標

煤礦發展的理想狀態是建設“井下無人、地上無煤、純清潔能源”的5.0時代礦井，實現零碳排放的綠色發展。目前，我國主要通過探索建立零碳示范礦區、建設智能化煤礦、加快煤炭行業轉型升級，向著零碳排放的目標而努力。然而，目前煤礦運行還做不到“零碳”，“低碳”便成為煤礦發展的途徑[14]。

2.2 低碳煤礦建設與發展

煤炭是傳統高碳能源，低碳煤礦建設與發展的主要路徑為4個方向：一是減少煤炭生產過程中CH4、CO2等溫室氣體直接碳排放；二是促進先進技術節能，提高能源利用效率，減少能耗，降低間接碳排放；三是減少破壞生態系統，促進自然碳循環，增加生態碳匯；四是有條件地新建、改建、擴建礦井，探索流態化開采技術，逐步將煤炭變為“純清潔能源”[3-4,14]，從而探索開發煤礦低碳運行模式。

2.3 煤礦低碳運行“減碳”有機體系

煤礦低碳運行主要從6個方面構建“減碳”有機體系，即集成集約、智能建設、綠色開采、循環利用、捕獲封存、生態治理，煤礦低碳運行“減碳”有機體系，如圖2所示。

圖2 煤礦低碳運行“減碳”有機體系

(1)集成集約。結合煤炭資源儲量、資源稟賦條件、煤礦開采技術、輸送通道、市場需求、自然生態、環境容量、工業園區、城鎮規劃等情況，優化煤礦布局，合理集中生產，優化產能結構，整合相關資源，從采區布局、系統可靠、采掘計劃、勞動組織、作業方式等方面，使煤礦各項工作協調推進。建設山西、蒙西、蒙東、陜北、新疆等煤炭科學產能支撐基地，探索煤炭開發利用一體化、礦井建設與地下空間利用一體化，充分利用煤礦地面、井下空間及自然資源，礦井與新能源協同發展，建設煤基多元能源協同清潔能源基地。優化煤礦布局銜接和資源配置，促進煤礦集成集約發展，有利于環節簡化、系統優化、投入降低、用人減少、安全向好、效率提高、效益提升，發揮煤炭供應基地的重要作用[15-17]。

(2)智能建設。煤礦智能化是煤炭工業高質量發展的核心技術支撐，是煤炭生產方式和生產力革命的新階段，是實現“雙碳”目標的重要推動力。煤礦智能化是一個不斷發展的過程，智能化系統和裝備需要不斷迭代升級。煤礦全流程智能化建設與生產，通過改善煤礦企業經營管理方式，降低時間與人力成本以及工人勞動強度，提升煤礦安全生產水平，優化煤礦系統能源分配，針對不同煤層賦存與開采條件采用最優開采方法，提高煤炭的開采水平和效率，提升煤礦開拓、運輸和安全保障，減少開采過程中不必要的能源消耗，提高煤炭資源的開發利用效率，減少煤炭生產對生態環境的影響。根據煤炭產量需求波動，利用云計算、大數據、物聯網、人工智能等信息技術，推進柔性煤炭科學產能礦井建設，提高煤炭供應調節能力。智能化開采不但有效支撐當前煤炭開發，也為深部資源的開采奠定了技術基礎，逐步實現真正的井下無人。煤礦智能化建設通過節能、提產、增效實現的碳減排比碳捕集和封存的減排量更具經濟性，可同時提升生產效率和經營效益[15,18-22]。

(3)綠色開采。煤系共伴生資源共探共采能夠有效減少煤炭開采過程中的碳排放。煤礦開采最主要的碳排放源是瓦斯，既造成溫室效應又造成資源浪費，瓦斯高效抽采利用則是在碳減排的同時彌補天然氣資源不足。采用綠色開采技術，在開發利用煤炭資源的同時，將與煤炭共伴生的瓦斯、地下水、地熱等作為資源進行保護和利用。對于技術難以有效控制的采動損害在采后進行修復，如地下含水層修復、土地復墾等。采動損害與環境問題多是由煤炭開采引起的巖層運動引發，控制采動巖層破斷運動，減輕采煤對環境的影響，實現煤層及共伴生資源的共采或保護。煤礦綠色開采要最大程度減輕煤炭開采對地下水、土地等生態環境破壞以及其他資源的損傷，在最小采動損害情況下取得最大的資源采出率，實現最佳的經濟、環境和社會效益。煤炭開采在進入深部開采后，將面臨更大的科技難題。探索流態化開采，將深地煤炭等固體礦產資源原位轉化為氣態、液態或氣固液混態物質，在井下實現無人化智能化的采選充、熱電氣等一體化開采與轉化的流態化開采技術，可實現地下資源開采的變革。在現有煤炭開采及轉化技術支撐架構的基礎上，逐步實現部分煤礦深部原位流態化開采，煤炭不到地面，由開采煤炭轉變為開采“清潔能源”[14,21,23-24]。

(4)循環利用。在煤炭勘查、采選、加工、利用等過程中，煤礦生產資源形成閉環流動，最大限度循環利用參與到煤炭生命周期中的物質、能量，不斷提升煤矸石、煤泥、礦井水和生活污水等各類廢棄資源的利用效率。礦井水循環利用可以有效緩解缺水難題，預防水害的同時，還可作為煤化工生產用水。礦井生產過程中產生的矸石回填到井下采空區內，可以解決地面堆積的環境生態問題。井下矸石置換“三下”壓煤，能夠減少地表移動變形量，還能回收呆滯煤。煤炭經燃燒發電產生大量粉煤灰,未經綜合利用的粉煤灰造成占地污染危害，部分粉煤灰中蘊含豐富的鋁、硅等資源，有些伴生鎵、鋰、稀土等多種稀有金屬元素，具有利用價值[25-28]。

(5)捕獲封存?！半p碳”目標最直接的體現就是減少碳排放，碳捕集、利用與封存(CCUS)技術是往地下打孔，將CO2注入封存，是有效減少碳排放的技術措施。煤礦CCUS逐步實現從“挖炭”到“埋碳”的轉變，將超臨界狀態的CO2注入無法開采的煤礦可將煤層中的瓦斯驅出，提高瓦斯采收率。2022年，國內規模最大的煤電CCUS示范工程國家能源集團江蘇公司50萬t/a二氧化碳捕集與資源化能源化利用技術研究及示范項目進入主體施工階段，通過優化大型碳捕集系統與電廠熱力系統耦合，可解決大型火力發電廠的碳減排問題。但CCUS還沒有形成產業化，研發工作在持續[26]。

(6)生態治理。煤炭生產開發活動過程中，煤礦區域及周邊地表生態環境會不同程度受到影響，如地表塌陷、耕地破壞、植被減少、矸石堆積、水體污染、大氣污染等。通過生態修復治理，將開采活動對生態環境的影響降低到最小程度，可有效降低生態碳匯損失，甚至可增加生態碳匯，促進礦區資源開采與生態效益協調發展。在采煤塌陷區建立復墾示范基地，采取生態修復、井下矸石回填廢棄巷道、地面矸石填溝造田種植植物、礦區水資源保護利用等生態修復治理措施，對煤礦區碳匯管理、碳儲變化、增匯固碳具有直接或間接的促進作用。煤炭開采產生了大量的地下空間，一些廢棄礦井的地下空間正在嘗試存儲、國防、旅游等多種利用方式。探索與流態開采相配套的地下空間開發利用技術，將對未來煤礦生產方式產生重要影響[14,21]。

3 煤礦低碳運行動態優化模式

對于“雙碳”目標，中國氣候變化事務特使解振華表示，2030年前碳達峰是二氧化碳的達峰，2060年前碳中和不只是二氧化碳，還包括甲烷、氫氟碳化物、全氟化碳等非二氧化碳溫室氣體的排放。在2022年全國兩會上，全國人大代表、中國工程院院士、安徽理工大學校長袁亮從加強煤炭行業“雙碳”技術研究及甲烷全濃度利用方面，提出“甲烷減排”的建議。

瓦斯排放是煤礦重要碳排放來源，減少瓦斯排放，尤其是乏風瓦斯排放，將是煤礦減碳的重點和難點之一。瓦斯主要成分CH4的增溫效應和潛勢大于CO2，其實際排放量換算成CO2排放當量即是瓦斯排放產生的碳排放[10]。

碳排放強度是衡量低碳化發展水平的重要核心指標，即單位生產總值的CO2排放量[17,29]。因此，煤礦在低碳運行模式下，選用碳排放強度作為衡量煤礦低碳發展的指標。煤礦碳排放強度計算式為：

(1)

式中：I——煤礦碳排放強度；

C——煤礦CO2排放總量；

G——煤礦單位工業增加值。

其中，根據IPCC評估報告，CH4的GWP是CO2的25倍，因此將煤礦CH4實際排放量換算成CO2排放當量，計入到煤礦CO2排放總量

煤礦碳排放量等于各環節產生的溫室氣體總和，隨著煤礦生產規模以及集成集約、智能建設、綠色開采、循環利用、捕獲封存、生態治理等發展程度的變化而變化。

參照《IPCC國家溫室氣體清單指南》《IPCC 國家溫室氣體清單優良作法指南和不確定性管理》《工業企業溫室氣體排放核算和報告通則》《中國煤炭生產企業溫室氣體排放核算方法與報告指南》，碳排放測算方法主要包括實測法、物料平衡法、排放因子法、實際測量法等，排放因子法是比較常用的方法[11-13]。

由集成集約、智能建設、綠色開采、循環利用、捕獲封存、生態治理等6個方面形成的“減碳”有機體系，將促進煤礦動態低碳化發展，即煤礦碳排放強度持續降低，從而動態調整“減碳”措施，煤礦低碳運行動態優化模式，如圖3所示。

圖3 煤礦低碳運行動態優化模式

4 結語

煤炭是我國實現碳達峰碳中和目標的關鍵領域。研究認為，煤礦可從集成集約、智能建設、綠色開采、循環利用、捕獲封存、生態治理等方面構建“減碳”有機體系，探索發展煤礦低碳運行模式。采用碳排放強度，即單位生產總值的CO2排放量，作為衡量低碳化發展水平的重要核心指標。通過煤炭生產消費碳排放過程，分析煤礦各環節碳排放源，將煤礦碳排放源分為能源消耗排放源、逸散排放源等。有效衡量煤礦低碳化發展水平，動態調整“減碳”措施。逐步探索智能化柔性產能、流態化開采等技術，煤炭不到地面，直接在地下實現采選充、熱電氣一體化生產，開采煤炭轉變為開采“清潔能源”。