基于生命周期評價方法的石灰石礦山碳排放核算模型研究

肖志雄,李偉

(1.武漢理工大學資源與環境工程學院,湖北 武漢 430000;2.武漢理正工程科技有限公司,湖北 武漢 430000)

0 引言

我國是世界上最大的水泥生產國,2021年水泥產量達到23.63億t,約占全球總量的55%。水泥產業在提供主要建筑材料的同時,也成為了重要的溫室氣體排放源,2020年排放了11.12億t溫室氣體,約占我國工業生產總碳排放當量的10.17%[1-2]。為應對氣候變化危機,達成“碳達峰”“碳中和”目標,政府開始大力推廣碳排放權交易制度,這必將導致水泥產業生產成本顯著上升,為此,水泥企業必須尋求更高效、更全面的節能減排路徑[3-4]。

碳排放核算是分析碳排放溯源結構的基礎,也是提供針對性節能減排措施的前提。目前通用的溫室氣體核算方法為排放因子法[5],可分為三類:首先是根據IPCC 發布的《國家溫室氣體清單指南》,建立了用于核算水泥生產過程中為生產熟料而煅燒碳酸鹽產生的溫室氣體排放模型;其次是基于世界資源研究所和世界可持續發展工商理事會于2001年頒布的《溫室氣體議定書》,考慮了煅燒碳酸鹽過程中的運營邊界和組織邊界;最后參考世界可持續發展工商理事會2001年發布的水泥可持續性倡議行動(CSI),在IPCC的基礎上提出間接排放因子的概念,計算了生料制備、熟料煅燒和水泥粉磨等主要工藝流程中的間接溫室氣體排放因子[6-7],提供的核算方法包括直接排放和間接排放。在此基礎上,中國建筑材料科學研究總院和國家發展與改革委員會陸續推出了適用于中國水泥工業的碳排放核算方法和碳排放因子。

但目前研究尚存在兩點不足:一是水泥四大生產流程中,生料制備、熟料煅燒和水泥粉磨過程的碳排放核算方法已經成熟,但缺乏適用于礦山生產過程的碳排放核算方法;二是針對水泥工業生產過程中使用新型節能減排技術的研究,在宏觀角度上評估技術的推廣成本和效益潛力的方法較為成熟,但缺乏礦山決策各項節能減排技術的節能減排效果和經濟合理性的微觀層面分析方法。

為填補石灰石礦山生產過程中溫室氣體排放核算模型和節能減排技術決策模型的空白,本文旨在綜合分析石灰石礦山的共同生產規律,圈定石灰石礦山碳排放核算邊界,構建以設備性能參數、開采設計參數、碳排放源排放因子為輸入數據的石灰石礦山碳排放核算輸入數據清單,并基于生命周期評價理論[8],識別各工藝的溫室氣體排放源,揭示礦石開采—采礦工藝實施—采礦設備運行—碳排放源消耗—碳排放溯源機制,構建石灰石開采全工藝流程的碳排放核算模型。實現石灰石礦山碳排放的精確量化溯源[9-10]。基于盈虧平衡分析法,建立石灰石開采節能降碳技術決策模型,收集石灰石礦山適用的節能減碳技術,精細化評估各工藝環節節能降碳技術應用后的降碳潛力,構建節能技術應用成本和減碳節約成本的盈虧平衡分析模型。以數據包絡分析算法為核心,構建不同決策單元組成的最優生產前沿面,獲取礦山應用節能減碳設計的最優決策。并基于所建立的石灰石礦山碳排放核算模型和節能降碳技術決策模型,以宜城石灰石礦為生產實例,核算宜城石灰石礦的能源消耗和各工藝碳排放,結合各采選工藝及設備的碳排放核算結果,精細化評估各工藝環節節能減碳技術應用后的減碳潛力,決策節能減碳技術的應用方案。

1 研究模型

1.1 石灰石礦山碳排放核算模型

在石灰石礦山生產階段,目前國內大部分礦山仍然沿用相對傳統的間斷開采工藝,即自卸卡車運送石料到山下固定破碎站進行破碎的方式。此種開采方式主要的作業流程為在生產臺階上穿孔爆破后產生石料堆,挖掘機將石料堆中的石料裝載至自卸卡車,經過自卸卡車運輸至破碎站,破碎機將石料破碎后通過固定式長皮帶輸送機運送至原料堆場[10]。基于以上分析,確定穿孔、爆破、采裝、運輸、破碎五大露天開采工藝為生命周期的系統邊界[11-12],如圖1所示。

圖1 露天礦山生產系統邊界

通過系統邊界分析,識別石灰石礦山各工藝存在的直接和間接兩種碳排放源,直接排放主要是使用化石燃料和工業炸藥產生的碳排放[13],間接排放則是消耗的電能和化石燃料在其制備過程中造成的碳排放[14]。由于礦山生產過程中碳排放源種類較多,并且排放溫室氣體的設備種類不一,所以將礦山生產過程中各類溫室氣體排放源的排放因子數據轉換為統一的當量單位,是核算系統能夠準確核算的重要準備工作。根據碳排放源的分類,需要確定化石燃料、電能以及工業炸藥的碳排放因子。為此,生態環境部發布了相關的溫室氣體排放因子,見表1。

表1 石灰石礦山各因素的碳排放因子

1.1.1 穿孔工作

穿孔工作是按照爆破設計參數,在采場礦巖內鉆鑿爆破孔,裝入炸藥進行爆破,以便后續的采裝、運輸等工作。石灰石礦山穿孔工作采用潛孔和牙輪鉆機,存在柴油和電能兩種耗能形式。穿孔工作產生的能耗取決于臺階高度、炮孔深度、炮孔單孔控制面積、鉆機功率、鉆機鉆孔速度和內燃機將燃料轉化為輸出功率的效率。當礦山的穿孔設備型號已知,根據礦山礦巖的巖石力學參數,采用工程類比法,得到穿孔設備的鑿巖速度,當設備參數已知時,石灰石礦山穿孔工作產生的溫室氣體排放可由式(1)計算:

式中,E1為穿孔工作的溫室氣體排放,t CO2eq/a;Ef為化石燃料的排放因子,t CO2eq/t;Ee代表電力的排放因子,t CO2/MWh;ω為內燃機燃燒化石燃料轉化為輸出功率的轉化率,t/k Wh;l為鉆孔長度,m;V為年采礦巖量,m3/a;P1為鉆機的功率,k W;v1為鉆機鉆孔速度,m/h;θ1為鉆機的時間利用系數,%;M為單孔控制面積,m2;H為臺階高度,m。

1.1.2 爆破工作

在石灰石礦山,礦巖松碎工作一般采用臺階爆破的方式,以適于采掘設備的挖掘。爆破過程中產生的溫室氣體排放主要來自于工業炸藥的消耗。臺階爆破消耗的炸藥量可根據炸藥單耗進行計算。在開采設計中,可以采用工程類比法,確定項目爆破礦巖過程中的炸藥單耗。當炸藥單耗已知,石灰石礦山爆破工藝產生的溫室氣體排放可由式(2)計算:

式中,E2為爆破工作的溫室氣體排放,t CO2eq/a;Eexp為炸藥的排放因子,t CO2eq/t;q為炸藥單耗,kg/m3。

1.1.3 采裝工作

采裝工作是將爆破松碎的礦石從爆堆中采掘出來,裝入到運輸設備中。石灰石礦山將單斗挖掘機、液壓挖掘機和裝載機作為主要采裝設備。單斗挖掘機和液壓挖掘機的驅動方式有電力驅動式、內燃驅動式(柴油機)和復合驅動式。裝載機是以鏟斗在輪式自行設備前端進行鏟裝的裝載設備。這種設備與單斗挖掘機和液壓挖掘機相比,雖然生產能力較低,但是重量輕、造價低、快速靈活、調度操作方便。裝載機主要以柴油機驅動為主。當電鏟功率、礦巖碎脹系數、單次采裝消耗時間、電鏟滿斗系數、電鏟裝載能力已知時,石灰石礦山采裝工藝產生的溫室氣體排放可用式(3)計算:

式中,E3為采裝工作的溫室氣體排放,t CO2eq/a;P2為電鏟的功率,k W;σ為礦巖的碎脹系數,%;t1為電鏟單次采裝消耗時間,s;α1為電鏟的滿斗系數,%;V1為電鏟的裝載能力,m3。

1.1.4 運輸工作

石灰石礦山運輸工作有兩方面,一方面是將剝離的廢石運輸到排土場,另一方面將礦石運輸到水泥加工廠。自卸卡車、牽引電機車和皮帶輸送機是最主要的運輸設備,根據礦床賦存條件、地形條件等因素的不同,采用一種或多種運輸方式聯合運輸的方法。當平均車速、平均運距、載重等運輸設計和設備參數已知時,石灰石礦山運輸工藝產生的溫室氣體排放可以用式(4)計算:

式中,E4為運輸工作的溫室氣體排放,t CO2eq/a;P3為自卸卡車的功率,k W;P4為牽引電機車的功率,k W;P5為皮帶輸送機的功率,k W;L1為卡車運輸距離,km;L2為電機車運輸距離,km;Q a為礦山年采礦巖量,t/a;α2為卡車滿斗系數,%;α3為牽引電機車滿斗系數,%;Q1為卡車的單次運輸能力,t;Q2為電機車的單次運輸能力,t;Q3為皮帶輸送機單位時間的運輸能力,t/h。v2為自卸卡車的平均速度,km/h;v3為電機車的平均速度,km/h。

1.1.5 破碎工作

破碎工作可以滿足運輸設備、裝載設備和初選設備對礦石塊度的需求。根據破碎后產出礦巖的塊度,破碎工作可以分為3個步驟:初碎、細碎和磨礦。其中細碎和磨礦主要在選礦廠進行,在礦山生產中涉及的主要是初碎。石灰石礦山使用的初碎設備主要包括:顎式破碎機、旋回破碎機。當破碎機功率和生產能力已知時,石灰石礦山破碎工藝產生的溫室氣體排放可由式(5)計算:

式中,E5為爆破工作的溫室氣體排放,t CO2eq/a;P6為破碎機的功率,k W;Q4為破碎機單位時間的生產能力,t/h。

1.2 節能降碳技術決策模型

為了提高企業層面節能減排潛力評估的準確性,將生命周期評價的方法與ECSC 和CACC 方法相結合,以考慮產能利用率。節能技術和減少碳排放的貢獻可以分別由式(6)和式(7)估算:

式中,ECMn,t和CEMn,t分別是技術n在第t年減緩能源消耗和降低碳排放的潛力;是第t年采礦設備i現場發生的能源消耗和碳排放,可以通過LCA 模型進行估算;ECCAP和CECAP分別是原始設計中的能耗消耗和碳排放量;和是技術n對節能減碳的單位貢獻,可以從使用該技術的說明性示例中得出;是采礦設備i的裝機容量,該技術n將部署到該設備上。

另一方面,一項技術的投資也取決于裝機容量,節省單位能源或減少單位碳排放的相關成本可分別由式(8)和式(9)計算。

最終,通過積累這些具有成本效益的技術的貢獻,可以預測石灰石礦山在節能或減少碳排放方面的潛力。

2 模型應用及分析

2.1 溫室氣體排放核算

宜城石灰石礦馬頭山采區位于湖北省宜城市板橋鎮,礦山采用露天方法,劃分為黃牛山、馬頭山、胡咀山3個采區進行開采,生產規模分別為60萬t/a、40萬t/a、140萬t/a,采礦工藝包括:穿孔、爆破、裝載、運輸,各工藝環節涉及的材料及設備參數見表2至表5。

表2 宜城石灰石礦穿孔設備生產能力及設備性能參數

表3 宜城石灰石礦山爆破參數

表4 宜城石灰石礦山裝載設備生產能力及設備性能參數

表5 宜城石灰石礦運輸設備生產能力及設備性能參數

根據馬頭山礦各項生產工藝涉及的設備、生產設備的性能參數、能源消耗參數和計算所得的工業炸藥、化石燃料、電能的排放因子,對宜城石灰石礦的能源消耗和碳排放進行核算,已將化石燃料、電能和炸藥3種形式的物質轉化為標煤當量,使其標準化以便于比較,核算結果見表6、表7。

表6 宜城石灰石礦能源消耗核算結果 GJ/kt

表7 宜城石灰石礦山碳排放核算結果 t CO2 eq/kt

由表6可知,在宜城石灰石礦各采區,工業炸藥導致的能源消耗均占主導地位(710.757 GJ/kt),而電能和化石燃料導致的能源消耗(空壓機、挖掘機、卡車)占比均小于工業炸藥。黃牛山采區的卡車運輸的消耗的能源遠高于該采區的剝巖能耗,同時也高于其他采區的能源消耗,這是由于黃牛山采區的礦石運距為9.6 km,遠高于其他運距(黃牛山廢石運距為2 km,而胡咀山、馬頭山的礦石和廢石運距均為1.6 km)。

由表7可知,運輸工藝是石灰石礦山的主要碳排放源,占比70%,而爆破工藝的碳排放量占比較低,僅占總排放量的0.08%,這表明用于驅動穿孔設備的空壓機和驅動汽車的柴油發動機所消耗的電能以及化石燃料是石灰石礦山的主要碳排放源,因此適當增加炸藥單耗,同時增大孔網參數,減少大塊率,可以有效提高采裝效率,尤其是運輸過程中的車輛滿斗系數,提高運輸效率,將有助降低礦山總體的碳排放。表6和表7中數據還表明,對于相同類型能源設備(如卡車),其消耗的能源與產生的碳排放呈正相關關系。而不同類型的能源之間,能源的消耗量與碳排放量之間并不存在正相關的關系(如炸藥和化石燃料)。

2.2 節能減排技術決策

以碳排放模型的計算結果為基礎,導入碳減排潛力精細化評估模型,分析8項國家發改委提供的節能減排技術在宜城石灰石礦應用的節能減排潛力,國家發改委提供的節能減排技術見表8。

表8 國家發改委提供的節能減排技術

根據國家發改委提供的各項技術的實際應用案例,首先對各項技術應用后的單位節能潛力和單位減碳潛力進行計算,計算結果見表9。

表9 節能減排技術應用的成本、節能潛力和減碳潛力

圖2為礦山節能供給曲線,由圖2可知,在不考慮相互作用的情況下,技術T1、T2、T7、T8的節能成本低于200 CNY/tce,其值分別為18 CNY/tce、79 CNY/tce、159 CNY/tce、186 CNY/tce,因此,在當前能源價格為200 CNY/tce時,只有這4項技術在經濟上是合理的。

圖2 礦山節能供給曲線

3 結論

本文基于生命周期評價方法,以石灰石礦山的設備參數、生產參數和溫室氣體排放因子為輸入數據,構建了適用于石灰石礦山的溫室氣體排放核算模型。并以馬頭山礦為例,根據所得的碳排放核算數據,輸入節能減排技術決策模型,得出如下結論。

(1)在宜城石灰石礦各采區,工業炸藥導致的能源消耗均占主導地位(710.757 GJ/kt)。但運輸工藝的碳排放達到70%,爆破工藝的碳排放量占比較低,僅占總排放量的0.08%,適當增加炸藥單耗、孔網參數,提高車輛滿斗系數,有助降低礦山總體的碳排放。

(2)基于節能減碳潛力評估模型,輸入碳排放核算數據,得到8項國家發改委提供的節能減排技術在宜城石灰石礦應用的節能減排潛力,技術T1、T2、T7、T8 分別為18 CNY/tce、79 CNY/tce、159 CNY/tce、186 CNY/tce,當能源價格為200 CNY/tce時,這4項技術在經濟上合理。這一結果可以指導礦山節能減排技術的應用決策。