露天煤礦能源消耗引致溫室氣體排放計(jì)量模型建構(gòu)

劉福明，才慶祥，陳樹召，周 偉

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)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(dāng)?shù)刂匾哪茉聪膯挝?。我?guó)大型現(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(jìn)可以很大程度地降低其排放量。而且針對(duì)該排放源采取的減排措施不會(huì)對(duì)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生負(fù)面影響，相反可以降低采礦成本改善其經(jīng)濟(jì)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(jì)算方法同樣適用于其他露天礦。因此，精確計(jì)量此類排放不僅可以使制定煤礦減排措施時(shí)有的放矢，帶來可觀的效益回報(bào)，而且計(jì)算方法具有很大的推廣空間。IPCC指南強(qiáng)調(diào)為了提高計(jì)算結(jié)果的可靠性，對(duì)關(guān)鍵排放源不能用活動(dòng)水平乘以IPCC提高的缺省排放因子來計(jì)算，應(yīng)在特定的計(jì)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(jì)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(jì)算模型，深入研究該類排放的計(jì)算方法。

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

對(duì)能源系統(tǒng)作全面客觀的溫室氣體排放時(shí)，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(yùn)輸、轉(zhuǎn)換、廢物處置等作為一個(gè)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(duì)能源系統(tǒng)作出合乎實(shí)際的判斷。根據(jù)生命周期分析方法的實(shí)際應(yīng)用，首先確定本項(xiàng)工作的系統(tǒng)邊界為電能源鏈所有過程的能源，因?yàn)樵陔娔茉存溨?，它們所排放的溫室氣體占整個(gè)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(jì)量范圍如圖1所示。

圖1 煤電能源鏈的生命周期碳排放計(jì)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(yùn)輸及燃煤發(fā)電3個(gè)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(jì)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(yùn)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(jì)量模型

由于煤炭在生產(chǎn)和運(yùn)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(jì)，對(duì)各環(huán)節(jié)電耗產(chǎn)生的碳排放只計(jì)算其在發(fā)電環(huán)節(jié)的產(chǎn)生量，故本文首先計(jì)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(jì)，固CO2排放系數(shù)計(jì)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(jì)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(yùn)輸環(huán)節(jié)的煤炭運(yùn)輸量，電廠單位發(fā)電量的煤炭調(diào)運(yùn)量Qt計(jì)算式：

(3)

式中：Cs為發(fā)電廠標(biāo)準(zhǔn)煤耗，g / kWh；ds為標(biāo)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(yùn)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(jì)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(duì)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(yù)設(shè) GWP 值 gCO2 當(dāng)量/ g 溫室氣體

1.3 煤炭運(yùn)輸環(huán)節(jié)的碳排放計(jì)量模型

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

表2 中國(guó)煤炭運(yùn)輸量分擔(dān)率(單位：%)

(5)

式中：i為不同的煤炭運(yùn)輸方式， 文中主要指鐵路運(yùn)輸 水路運(yùn)輸 公路運(yùn)輸這3種煤炭運(yùn)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(yùn)輸工具使用第j種燃料或能源的能耗強(qiáng)度，t / ( t km)或 kWh / ( t km)；Ui,j,k為第i類運(yùn)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(dāng)量排放系數(shù)，gCO2當(dāng)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(yùn)輸里程占所有類別運(yùn)輸工具總運(yùn)輸里程的比重，%；Qti為第i類運(yùn)輸工具運(yùn)輸?shù)拿禾靠偭浚?所有類型運(yùn)輸工具的運(yùn)輸總量為Qt,t；Si為第i類運(yùn)輸工具的平均運(yùn)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(jì)量模型建構(gòu)

一座千萬t級(jí)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(dá)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(duì)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(jì)算溫室氣體排放就不能將N2O這一項(xiàng)忽略，用溫室效應(yīng)的當(dāng)量CO2值PWG將其統(tǒng)一計(jì)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(shí)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(yùn)輸設(shè)備燃油溫室氣體排放量，kg；RE2為露天礦非運(yùn)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(yùn)輸設(shè)備燃油溫室氣體排放量計(jì)算

隨著我國(guó)露天采礦的發(fā)展，國(guó)內(nèi)幾乎所有露天煤礦都采用卡車運(yùn)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(jì)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(shì)(GWP)，這里取310；RECH4為CH4排放量，kg；aCH4為CH4的全球變暖潛勢(shì)(GWP)，這里取24.5；1為由CH4中含的C 在CO2中已經(jīng)計(jì)算過一次，為了避免重復(fù)計(jì)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(yùn)輸設(shè)備引擎在穩(wěn)定熱運(yùn)行階段所行駛的距離，km；Ca,b,c,d熱啟動(dòng)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(yùn)輸設(shè)備燃油溫室氣體排放量計(jì)算

露天礦的非運(yùn)輸燃油設(shè)備主要包括部分采掘設(shè)備和推土機(jī)、平路機(jī)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(shí)間存在線性關(guān)系，所以適用于運(yùn)輸設(shè)備的計(jì)量模型不再適用，須建立與工作時(shí)間有關(guān)的計(jì)量予以處理，計(jì)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(shí)(h)；Pij為車輛i的平均額定功率(kW)；LFij為車輛i一般負(fù)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(dāng)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(jì)算

露天礦的上覆巖層以及煤層的硬度較大時(shí)，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(guó)露天礦廣泛使用的是硝銨炸藥，因?yàn)橄蹁@炸藥是正氧平衡炸藥, 在爆炸時(shí)則生成大量的氧化氮?dú)怏w，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?dú)庠诟邷叵律啥喾N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(shí)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(jì)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(duì)露天煤礦能源消耗引致溫室氣體排放量計(jì)算方法進(jìn)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(jì)算總模型和各環(huán)節(jié)的子計(jì)量模型，通過模型可以求得我國(guó)燃煤電廠在煤的生產(chǎn)、加工、運(yùn)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(jìn)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(jì)量模型，模型具體到每一臺(tái)設(shè)備特定的運(yùn)行環(huán)境和特定的運(yùn)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(jì)量模型，以保證露天礦能源消耗溫室氣體計(jì)量的完整性。

3)從煤電鏈的視角審視我國(guó)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(guó)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(shí)也使這一環(huán)節(jié)的減排空間大大的縮小，而我國(guó)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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