煤炭開采的溫室氣體逸散排放估算研究＊

楊永均 張紹良 侯湖平，3

(1.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.中國礦業(yè)大學(xué)低碳能源研究院，江蘇省徐州市，221116；3.江蘇省資源環(huán)境信息工程重點實驗室，江蘇省徐州市，221116)

瓦斯伴煤而生，煤炭采掘、采后過程中溫室氣體 (CH4、CO2)逸散排放，其中CH4排放量約占到全球人類活動排放源的5%，受到氣候變化和資源利用的普遍關(guān)注，被IPCC單列為能源部分的排放源之一，世界上主要產(chǎn)煤國進行了煤炭開采的國家溫室氣體編制和煤層氣市場化調(diào)查。據(jù) 《煤層氣(煤礦瓦斯)開發(fā)利用 “十二五”規(guī)劃》和 《“十二五”控制溫室氣體排放工作方案》，到2015年煤礦瓦斯利用率達到60%以上，全國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放比2010年下降17%，因此，煤炭開采溫室氣體逸散排放估算結(jié)果對于節(jié)能減排評估、溫室氣體控制、資源保護利用有積極的意義。然而，在估算過程中存在煤炭開采瓦斯逸散和產(chǎn)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計薄弱、排放因子數(shù)據(jù)不確定性較大、能源活動數(shù)據(jù)缺乏等問題，因此亟待開展煤炭開采的溫室氣體逸散排放及其清單編制的相關(guān)研究工作。

本文通過概述世界主要產(chǎn)煤國逸散排放估算的相關(guān)情況，研究分析國內(nèi)外逸散排放估算的目標(biāo)組織、數(shù)據(jù)與方法學(xué)、質(zhì)量控制，探索逸散排放估算過程中存在的主要問題和困難，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合我國估算研究現(xiàn)狀，針對估算過程中存在的問題提出了建議，展望未來逸散排放估算研究趨勢，以期對中國煤炭開采溫室氣體逸散排放估算及其研究提供借鑒。

1 煤炭開采的溫室氣體逸散

1.1 逸散排放源及其過程

煤炭開采溫室氣體逸散排放主要包括:采掘活動擾動煤巖層，賦存瓦斯 (主要是CH4)通過地下煤礦的通風(fēng)和抽放系統(tǒng)、露天煤礦的邊坡和地面直接逸散；采出煤體在后處理過程中，如加工、儲運過程中會繼續(xù)解析出瓦斯，低溫氧化、非受控燃燒也會排放溫室氣體；廢棄的地下、露天煤礦可能會通過自然或人為通道繼續(xù)排放溫室氣體，如圖1所示。

圖1 煤炭開采溫室氣體逸散排放源及其過程

目前成熟的溫室氣體清單主要關(guān)注的是采掘活動、廢棄煤礦排放源，對于采出煤體中的低溫氧化和非受控燃燒和廢棄露天煤礦尚沒有估算方法。然而，由于低溫氧化、煤層自燃、煤炭堆放源產(chǎn)生的溫室氣體也不容忽視，可利用遙感監(jiān)測、數(shù)據(jù)實測等方法進行溫室氣體排放估算。

1.2 主要產(chǎn)煤國溫室氣體逸散排放量

截至2013年，世界主要產(chǎn)煤國中，美、澳、俄、哈、波五國提供了1990-2010煤炭開采溫室氣體清單，其他如中國、印度等提交了國家信息通報，按照IPCC提供的方法核算了煤炭開采溫室氣體逸散量。同時，《全球1990-2030年人為非CO2溫室氣體排放報告》顯示，我國2010年煤炭開采溫室氣體逸散排放量約295.5Mt CO2(約14.07 Mt CH4)，居世界第一，約占世界總量的50.2%，見圖2。中國國家信息通報溫室氣體清單中估算2005年CH4排放量為12.92Mt，國家瓦斯等級鑒定結(jié)果估算中國2008年煤礦瓦斯排放量為14.5 Mt(未扣除抽放利用部分)，國家發(fā)改委能源研究所文獻報道中國2000年排放CH46.53Mt，煤炭信息研究院文獻報道中國2004年煤礦通風(fēng)CH4的排放量為140億m3(約100.24Mt)?？梢?，煤炭開采溫室氣體逸散造成溫室效應(yīng)的同時，表現(xiàn)出較大的資源利用機會和節(jié)能減排潛力。

圖2 主要產(chǎn)煤國煤炭開采溫室氣體逸散情況

2 國內(nèi)外逸散排放估算分析

2.1 目標(biāo)與組織

煤炭開采逸散排放的CH4兼具溫室氣體、資源特性。編制該項清單的目標(biāo)在于控制溫室氣體和保護利用資源，其作用可用于國家清單編制、組織層次上溫室氣體排放和清除量化及環(huán)境影響評估、煤層氣市場化。組織實施清單編制的單位主要有能源管理、環(huán)境保護、煤礦安監(jiān)部門，面向國家清單編制實施采用 “自上而下”的數(shù)據(jù)調(diào)查方法；面向煤層氣市場化的實施采用 “煤層氣抽放利用專項上報或調(diào)查”；面向瓦斯管理的瓦斯等級鑒定實施采用 “自下而上”的數(shù)據(jù)逐級上報方法。從中國的多次估算結(jié)果來看，由于評估時點和目標(biāo)、數(shù)據(jù)內(nèi)容存在不一致性，估算結(jié)果有較大差異，清單編制體系尚不能兼顧目標(biāo)。

2.2 數(shù)據(jù)與方法學(xué)

2.2.1 數(shù)據(jù)

主要產(chǎn)煤國在編制煤炭開采溫室氣體逸散排放時廣泛采用了能源統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如煤炭及煤層氣賦存與產(chǎn)量，美國煤礦安全健康局 (MSHA)、澳大利亞建設(shè)了煤炭生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)上報系統(tǒng)；溫室氣體逸散排放數(shù)據(jù)依賴于各國的礦井調(diào)查或瓦斯安全管理，如通風(fēng)速率、瓦斯含量和等級、瓦斯組分?jǐn)?shù)據(jù)，IPCC提供了國家層面的排放因子數(shù)據(jù)庫，然而IPCC提供的排放因子不能適用于各國的實際煤炭生產(chǎn)情況，在國家溫室氣體清單編制過程中采用了適用于本國煤田的數(shù)據(jù)，但全球范圍內(nèi)，仍然缺乏對廢棄煤礦、礦后活動溫室氣體排放數(shù)據(jù)的調(diào)查，導(dǎo)致數(shù)據(jù)完整性受到影響。中國煤炭工業(yè)統(tǒng)計采取自下而上的逐級上報方式進行，分省市、煤種、隸屬統(tǒng)計煤炭產(chǎn)量數(shù)據(jù)，復(fù)旦大學(xué)嘗試建立中國煤炭流向與潛在碳排放因子數(shù)據(jù)庫 (CCEF)，礦井瓦斯等級鑒定提供了排放因子數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，國家能源局將中國分為華北、東北等六個大區(qū)，分別確定排放因子，但我國缺乏對廢棄煤礦、露天煤礦、礦后活動溫室氣體排放的數(shù)據(jù)調(diào)查，僅有小樣本瓦斯逸散調(diào)研報道。

2.2.2 方法學(xué)

估算煤炭開采溫室氣體逸散排放，相關(guān)方法有排放因子、實測、地質(zhì)統(tǒng)計方法，各方法的用途、適用條件不一樣，其估算過程和結(jié)果也存在較大的差異，如表1所示。主要產(chǎn)煤國采用了排放因子和實測統(tǒng)計相結(jié)合的方法編制國家溫室氣體清單，但對排放因子的細(xì)化程度不一樣。從已有的估算案例來看，中國國家、區(qū)域 (省級)溫室氣體清單編制和礦井尺度的溫室氣體排放估算均主要采用了排放因子法，瓦斯賦存和擾動有較大的地域不一致性，排放因子地域細(xì)化不夠，國家層面提供的排放因子數(shù)據(jù)尚不能滿足區(qū)域 (省級)層次的快速評估。

表1 煤炭開采溫室氣體逸散排放估算的相關(guān)方法學(xué)

2.3 質(zhì)量控制

在評估過程中組織目標(biāo)、數(shù)據(jù)方法等容易造成評估清單不確定，如不同的估算目標(biāo)選擇性估算逸散排放源，造成數(shù)據(jù)內(nèi)容不一致，帶來估算結(jié)果具有非完整性，不同評估方法帶來不同層級的不確定性，時間序列保證也存在差異。此外，煤炭開采溫室氣體逸散本身也具有不確定性，受地質(zhì)、采礦等多種條件的影響，礦井內(nèi)瓦斯涌出在時間上具有較大的不確定性，而在空間上又存在地質(zhì)分異性和分區(qū)特征，美國、南非等主要產(chǎn)煤國在評估本國溫室氣體逸散排放量時，不同地域礦井、不同逸散排放時間上的調(diào)研數(shù)據(jù)也都反應(yīng)了這一問題，其影響到清單估算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

因此，煤炭開采溫室氣體逸散清單質(zhì)量，一方面受到組織和目標(biāo)、數(shù)據(jù)和方法學(xué)等人為因素的影響，另一方面，估算結(jié)果還受到瓦斯涌出自然規(guī)律的較大影響?？刂魄鍐钨|(zhì)量，需要優(yōu)化評估體系，維護數(shù)據(jù)完整性和方法準(zhǔn)確性，還需要兼顧煤礦瓦斯地質(zhì)規(guī)律，利用其分區(qū)特征和涌出規(guī)律降低清單總體不確定性。

3 我國煤炭開采溫室氣體逸散排放估算建議

由于自然和人為因素帶來的數(shù)據(jù)非完整性、方法不確定性等造成煤炭開采溫室氣體逸散清單估算過程數(shù)據(jù)組織困難、估算結(jié)果不確定性較大，針對這種問題，我國煤炭開采溫室氣體逸散排放估算可在以下幾個方面加強探索。

3.1 建設(shè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)體系

增加我國廢棄、露天煤礦、礦后活動的溫室氣體逸散情況調(diào)研，實測溫室氣體組分、排放系數(shù)等，維持逸散源的數(shù)據(jù)完整性；對產(chǎn)量數(shù)據(jù)進行動態(tài)統(tǒng)計，維持?jǐn)?shù)據(jù)的時間序列性。為克服瓦斯涌出的地質(zhì)分異性，可以利用我國編制的三級瓦斯地質(zhì)圖和瓦斯地質(zhì)分區(qū)理論，細(xì)化區(qū)域 (煤田)排放因子缺省值；充分利用能源統(tǒng)計數(shù)據(jù)和瓦斯等級鑒定資料建設(shè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)體系，引入GIS(地理信息系統(tǒng))進行數(shù)據(jù)組織和管理。

3.2 構(gòu)建混合估算方法

實測統(tǒng)計法，對地下煤礦進行瓦斯監(jiān)測能獲取較為準(zhǔn)確的溫室氣體排放數(shù)據(jù)。但針對新建礦井、露天煤礦、礦后活動、廢棄煤礦，常沒有可用的監(jiān)測數(shù)據(jù)，則可以利用排放因子法和地質(zhì)統(tǒng)計法進行逸散排放量進行評估。因此，優(yōu)先考慮礦井實測統(tǒng)計法，混合運用缺省排放因子和地質(zhì)統(tǒng)計法，有助于完整評估我國煤炭開采溫室氣體逸散排放量。

3.3 加強估算的質(zhì)量控制

由于煤炭開采溫室氣體逸散排放估算結(jié)果對于溫室氣體清單編制、節(jié)能減排評估、資源利用有著重要作用，又涉及到國家、組織 (區(qū)域或省級)、礦井等不同的估算組織邊界。因此，估算質(zhì)量控制應(yīng)統(tǒng)一溫室氣體 (CH4和CO2)與資源利用(CH4)數(shù)據(jù)內(nèi)涵、明確估算組織邊界、評估所選用的估算方法的不確定性。

4 結(jié)論與展望

在全球IPCC清單編制和煤層氣市場化背景下，編制煤炭開采溫室氣體逸散排放清單對于資源保護利用、節(jié)能減排評估和溫室氣體控制有著積極的意義，但由于受到組織目標(biāo)不兼顧、數(shù)據(jù)非完整性、方法學(xué)等人為原因和瓦斯涌出規(guī)律等自然原因的影響，估算結(jié)果不確定性大，不利于國家、區(qū)域(省級)層面的清單編制。我國可在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)體系、混合估算方法、質(zhì)量控制方面加強探索，從而完善煤炭開采溫室氣體逸散排放估算，探索逸散排放的時空分布特征，發(fā)現(xiàn)節(jié)能減排潛力，促進是在國家和企業(yè)溫室氣體控制、節(jié)能減排的低碳發(fā)展目標(biāo)。

[1]才慶祥，劉福明，陳樹召.露天煤礦溫室氣體排放計算方法[J].煤炭學(xué)報，2012 (1)

[2]李宏軍，胡予紅.中國煤礦甲烷對溫室氣體貢獻量的初步評估[J].中國煤層氣，2008(2)

[3]鄭爽.我國煤層甲烷類溫室氣體排放及清單編制[J].中國煤炭，2002 (5)

[4]黃盛初，劉文革，趙國泉.中國煤層氣開發(fā)利用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].中國煤炭，2009(1)

[5]袁曉輝，顧朝林.北京城市溫室氣體排放清單基礎(chǔ)研究[J].城市環(huán)境與城市生態(tài)，2011(1)

[6]劉文革，張斌川，劉馨等.中國煤礦區(qū)甲烷零排放[J].中國煤層氣，2005 (2)

[7]朱松麗.澳大利亞能源活動溫室氣體排放清單編制經(jīng)驗及對我國的借鑒意義[J].氣候變化研究進展，2011 (3)

[8]張曉慧，劉金平.我國地下煤礦溫室氣體溢散排放研究[J].中國煤炭，2011(7)

[9]張子敏，林又玲，呂紹林.中國煤層瓦斯分布特征[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，1998

[10]David A.K.，Stephen D.P.，Sushma S.M.An Improved Inventory of Methane Emissions from Coal Mining in the United States[J].Journal of the Air ＆Waste Management Association，2000 (50)

[11]Saghafi A.A Tier 3method to estimate fugitive gas emissions from surface coal mining[J].International Journal of Coal Geology，2012 (100)

[12]Lloyd P.J.D.，Cook A.Methane release from South African coal mines[J].The Journal of The South African Institute of Mining and Metallurgy，2005 (105)