露天礦低碳型運(yùn)輸工藝的選擇方法

金 磊 ，杜勇志，李雪健，于洪洋，周志偉，李建剛，王永軍

（1.神華寶日希勒能源有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦產(chǎn)資源開發(fā)利用技術(shù)及裝備研究院，遼寧 阜新 123000；3.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000;4.內(nèi)蒙古煤礦設(shè)計(jì)研究院 露天采礦所，內(nèi)蒙古 呼和浩特，010010）

煤炭是我國(guó)資源儲(chǔ)量最豐富的化石能源，現(xiàn)階段煤炭仍是國(guó)家能源安全的壓艙石，占中國(guó)一次性能源消耗的56.8%，碳減排壓力巨大。能源消耗導(dǎo)致的碳排放增加是氣候變化的關(guān)鍵因素。廣義上看，碳排放指的是溫室氣體的排放，但二氧化碳是溫室氣體的重要組成，所以將狹義“碳排放”視為“二氧化碳排放”。露天礦能源消耗產(chǎn)生的排放是唯一受控排放源，通過采礦工藝和管理水平的改進(jìn)可以極大地降低碳排放量。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)露天礦碳排放問題的研究不是很多。才慶祥[1]、劉福明[2]等初步探討了露天礦溫室氣體排放的方法，構(gòu)建了露天礦能源消耗導(dǎo)致溫室氣體排放的計(jì)量模型；張振芳[3]建立了露天礦碳排放量初步核算模型和基于生產(chǎn)環(huán)節(jié)的露天礦碳排放量核算模型；周游[4]在識(shí)別溫室氣體排放源的基礎(chǔ)上構(gòu)建了溫室氣體核算模型，初步提出露天礦的減排策略。綜上述分析，專家學(xué)者大多對(duì)露天礦溫室氣體排放量模型進(jìn)行研究，對(duì)于生產(chǎn)運(yùn)輸環(huán)節(jié)的碳排放研究甚少，主要集中于提高運(yùn)輸管理和調(diào)度水平來節(jié)省運(yùn)距，達(dá)到降能減排的效果[5－6]。

所謂低碳型開采工藝是指在可持續(xù)發(fā)展理念指導(dǎo)下、露天礦開采過程中，通過總量調(diào)控、運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化、技術(shù)創(chuàng)新和制度完善等多種手段，最大限度降低油料、電能等能源消耗[7]，不斷提高能源使用效率，最大可能減少溫室氣體排放，達(dá)到煤炭產(chǎn)能提高與生態(tài)環(huán)境保護(hù)雙贏的一種開采工藝。露天礦開采過程中，組成不同開采工藝的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，運(yùn)輸作業(yè)成本占露天礦總成本的50%～65%[8]，運(yùn)輸作業(yè)過程會(huì)排放大量的碳，運(yùn)輸能耗約占露天礦總能耗的60%，運(yùn)輸環(huán)節(jié)是露天礦碳排放量的最大來源。露天礦生產(chǎn)運(yùn)輸系統(tǒng)的碳排放主要是由卡車運(yùn)輸?shù)暮挠驮O(shè)備和膠帶運(yùn)輸?shù)暮碾娫O(shè)備產(chǎn)生的。為此，從能源消耗強(qiáng)度和能源效率角度，建立基于運(yùn)輸環(huán)節(jié)的不同運(yùn)輸方式的碳排放計(jì)算模型。

1 能源消耗強(qiáng)度

露天開采工藝中的運(yùn)輸環(huán)節(jié)承擔(dān)了煤、巖的主體運(yùn)輸任務(wù)，常用的基本運(yùn)輸方式有鐵道、汽車和帶式輸送機(jī)等，鐵道運(yùn)輸在我國(guó)露天礦已被汽車或帶式輸送機(jī)替代。所以，露天礦運(yùn)輸環(huán)節(jié)的能耗類別主要有油和電力，卡車運(yùn)輸和帶式輸送機(jī)運(yùn)輸分別以油和電作為動(dòng)力的來源。

1.1 耗油設(shè)備能源消耗強(qiáng)度

露天礦運(yùn)輸環(huán)節(jié)的耗油設(shè)備主要是卡車以額定功率運(yùn)行時(shí)所消耗柴/汽油達(dá)到的理論生產(chǎn)能力。設(shè)卡車在空載和重載時(shí)都以額定功率運(yùn)行，卡車完成一次運(yùn)輸消耗的能源強(qiáng)度為：

式中：q 為完成一次運(yùn)輸?shù)目ㄜ嚹茉聪膹?qiáng)度，kW·h；Lk為卡車運(yùn)輸?shù)木嚯x，km；v0為卡車運(yùn)行的空載速度，km/h；vt為卡車運(yùn)行的滿載速度，km/h；Pk為卡車運(yùn)行的額定功率，kW。

卡車完成一次運(yùn)輸?shù)纳a(chǎn)能力指的是卡車滿載時(shí)的物料體積，卡車單位生產(chǎn)能力的耗油量W0為：

式中：W0為卡車單位生產(chǎn)能力的能源消耗，量（kW·h）/m3；m 為卡車的載重量，t；λ 為運(yùn)輸物料的密度，t/m3。

1.2 耗電設(shè)備能源消耗強(qiáng)度

露天礦運(yùn)輸環(huán)節(jié)的耗電設(shè)備主要是帶式輸送機(jī)在滿功率運(yùn)行時(shí)能夠達(dá)到理論生產(chǎn)能力，故帶式輸送機(jī)運(yùn)輸?shù)哪茉聪膹?qiáng)度WE為：

式中：WE為帶式輸送機(jī)運(yùn)輸單位生產(chǎn)能力的能源消耗，（kW·h）/m3；PD為帶式輸送機(jī)設(shè)備的額定功率，kW；Q0為帶式輸送機(jī)設(shè)備的生產(chǎn)能力，m3/h。

2 能源效率

2.1 卡車運(yùn)輸做功

底盤應(yīng)許發(fā)動(dòng)機(jī)的功率P 為：

式中：P 為卡車完成一次運(yùn)輸所需平均功率，kW；g 為重力加速度，g=9.8 m/s2；f 為滾動(dòng)阻力系數(shù)，0.021；CD為空氣阻力系數(shù)，0.65；A 為汽車正面投影面積，A=B1H1；B1為前輪距；H1為汽車前臉高m；ma為汽車總質(zhì)量；v 為平均車速，45km/h。

卡車完成一次運(yùn)輸包括重車運(yùn)輸和空車運(yùn)輸返程2 部分，卡車完成一次運(yùn)輸?shù)淖龉ty為：

式中：m0為汽車空載質(zhì)量（自身自重），t；S 為卡車的運(yùn)距，km。

2.2 帶運(yùn)式輸送機(jī)輸做功

無論采用半連續(xù)工藝還是連續(xù)工藝，帶式輸送機(jī)做功采用相同的公式計(jì)算。帶式輸送機(jī)運(yùn)輸機(jī)張力分布圖如圖1。

圖1 膠帶運(yùn)輸機(jī)張力分布圖

假設(shè)工作面、端幫及排土的帶式運(yùn)輸機(jī)均為水平布置，帶式輸送機(jī)傾角為0°，則帶式輸送機(jī)直線段和空段運(yùn)行阻力為：

式中：CF為阻力值折算系數(shù)；FL為膠帶第1 個(gè)計(jì)算點(diǎn)的張力，F(xiàn)L=F1；Fy為膠帶最后第1 個(gè)計(jì)算點(diǎn)的張力，N；n 為摩擦力備用系數(shù)，1.15；μ 為膠帶與滾筒間的摩擦因數(shù)，0.25；θ 為膠帶與兩滾筒間的圍包角之和，200°。

膠帶運(yùn)輸機(jī)主軸牽引力F 為：

膠帶運(yùn)輸機(jī)牽引力做功WJD：

2.3 工藝的能源效率

功密度與能源消耗強(qiáng)度的比值稱為工藝的能源效率；通過比較不同工藝的能源利用效率，就可以選出低碳型露天開采工藝。

露天礦不同的生產(chǎn)工藝系統(tǒng)中每個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)的做功也有明顯的差異，運(yùn)輸功和挖掘功占每種工藝總功的絕大部分，運(yùn)輸功在不同工藝下差異最大。帶式輸送機(jī)運(yùn)輸是耗電設(shè)備，是各種運(yùn)輸方式中耗功最大，比卡車運(yùn)輸?shù)墓γ芏雀叱? 個(gè)數(shù)量級(jí)，但帶式輸送機(jī)運(yùn)輸是成本較低的運(yùn)輸方式，歸因于卡車是耗油設(shè)備，提供等量能量需要的柴油的價(jià)格高于電能的價(jià)格。此外卡車能量需要通過柴油機(jī)發(fā)電，再用電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)做功。能量經(jīng)過多次轉(zhuǎn)換，且轉(zhuǎn)化率低和損失多，導(dǎo)致卡車運(yùn)輸成本增加較大。而卡車運(yùn)輸方式具有工藝技術(shù)成熟、適應(yīng)性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)靈活，是近年來發(fā)展較快的露天開采工藝。綜合考慮多因素影響，才能選擇出合理、低碳、綠色的開采工藝。

從露天礦運(yùn)輸作業(yè)環(huán)節(jié)中，只有在提升能源使用效率前提下，通過建立碳排放測(cè)算模型，根據(jù)能源消耗量和碳排放因子等因素的影響推導(dǎo)出排放量，進(jìn)而分析查找出產(chǎn)生碳排放量的源頭，采取精準(zhǔn)管控、精確施策，才能促進(jìn)碳排放強(qiáng)度和能耗強(qiáng)度持續(xù)下降，最大可能地減少溫室氣體排放，實(shí)現(xiàn)減緩氣候變化的目標(biāo)。

3 碳排放測(cè)算模型

3.1 碳排放測(cè)算模型

由于2 種運(yùn)輸方式的做功原理和能源形式完全不同，需要建立與之對(duì)應(yīng)的碳排放因子計(jì)算模型，才能保證計(jì)算結(jié)果的可靠性。按照露天礦碳排放的生產(chǎn)運(yùn)輸環(huán)節(jié)分別建立耗油設(shè)備和耗電設(shè)備的碳排放因子計(jì)算模型。因此，露天礦運(yùn)輸環(huán)節(jié)的碳排放量測(cè)算公式為：

式中：CYS為運(yùn)輸環(huán)節(jié)的碳排放量，t；CKC為卡車運(yùn)輸?shù)奶寂欧帕?，t；CJD為帶式輸送機(jī)運(yùn)輸?shù)奶寂欧帕?，t。

式中：FKC為卡車的柴油消耗量，t；EFCY為柴油的碳排放因子；FKQ為卡車的汽油消耗量，t；EFQY為汽油的碳排放因子。

式中：FJD為帶式輸送機(jī)的用電消耗量，MWh；EFJD為露天礦所在區(qū)域電網(wǎng)的碳排放因子。

3.2 碳排放因子

1）耗油設(shè)備的碳排放因子。卡車運(yùn)輸消耗柴/汽油，膠帶運(yùn)輸消耗電能，二者之間的排放機(jī)理和排放環(huán)節(jié)有明顯的差異。耗油設(shè)備碳排放因子依據(jù)2006年IPCC 發(fā)布的被國(guó)際公認(rèn)為核算溫室氣體排放的《2006 年IPCC 國(guó)家溫室氣體清單指南》，其中發(fā)布的碳排放因子至今仍被廣泛使用。因此，采用IPCC（2006）中CO2的排放因子。露天礦的能源碳排放因子見表1。

表1 露天礦的能源碳排放因子

2）耗電設(shè)備的碳排放因子。電力排放因子按照《中國(guó)煤炭生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南（試行）》（發(fā)改氣候辦2014 [2920]號(hào)）[9]中規(guī)定的方法進(jìn)行核算，各電網(wǎng)的CO2排放因子見表2。本文選取按照露天礦所在地域分布的電網(wǎng)，選擇相應(yīng)的排放因子作為電力統(tǒng)一的排放因子。

表2 各電網(wǎng)的CO2排放因子

4 實(shí)例研究

以內(nèi)蒙古自治區(qū)某露天礦為例。該礦由中國(guó)神華能源股份有限公司控股建設(shè)，煤炭資源儲(chǔ)量就達(dá)23 億t，國(guó)家核定生產(chǎn)能力年產(chǎn)原煤35 Mt，2020 年共開采原煤21.44 Mt。

4.1 碳排放量

1）能源消耗的碳排放。2020 年該露天礦能源消費(fèi)量為：電力35 530 MWh，汽油131.8 t，柴油60 966 t；能源消耗導(dǎo)致的CO2排放因子為：電力0.884 3，汽油3.07，柴油3.19；消耗電力、汽油、柴油致的CO2排放量為：31 419.18、404.63、194 481.54 t。由此得出該露天礦2020 年由能源消耗導(dǎo)致的CO2排放為226 305.35 t。

2)溫室氣體排放。此處因自燃導(dǎo)致的溫室氣體排放和植被吸收CO2的量忽略不計(jì)。根據(jù)在露天礦生產(chǎn)中，運(yùn)輸過程會(huì)排放大量的碳，運(yùn)輸能耗約占露天礦總能耗的60%計(jì)算，可以較精準(zhǔn)預(yù)測(cè)該露天礦2020 年溫室氣體排放量為377 175.58 t。與當(dāng)年實(shí)際溫室氣體排放量374 863.1 t 基本相當(dāng)。該礦2020年實(shí)際上能源消耗導(dǎo)致的 排放占60.37%，而在礦山運(yùn)輸作業(yè)中，運(yùn)輸能耗占總能耗的40%～70%，可見，以上快速測(cè)算的方法，滿足工程實(shí)際要求。

4.2 碳排放源的精準(zhǔn)管控

1）用油成本引起碳排放的管控。露天礦2020 年碳排放結(jié)果表明：該礦耗油產(chǎn)生的碳排放占總碳排放總量的86.12%，其碳排放貢獻(xiàn)度最大；耗電產(chǎn)生的碳排放占總碳排放總量的13.88%，它的碳排放貢獻(xiàn)度比較小。因此，應(yīng)該加大用油的成本管控，會(huì)取得顯著的碳減排效果。油的消耗主要體現(xiàn)在卡車、推土機(jī)等內(nèi)燃設(shè)備上，屬于重點(diǎn)管控對(duì)象。內(nèi)燃設(shè)備是油消耗的主要載體，油的消耗一般分為硬消耗和軟消耗2 種。硬消耗是指設(shè)備一旦開始運(yùn)行消耗的燃油量，它同設(shè)備的性能和狀態(tài)息息相關(guān)；軟消耗是指受到人為因素影響而發(fā)生變化消耗的燃油量，它同維護(hù)保養(yǎng)程度、作業(yè)環(huán)境、司機(jī)的技術(shù)水平等多種因素有關(guān)[10]。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析：露天礦一般軟消耗占燃油消耗總量的30%左右，可見，軟消耗降本的空間很大。

2）用電成本引起碳排放的管控。運(yùn)輸作業(yè)環(huán)節(jié)中，電的消耗主要體現(xiàn)在膠帶運(yùn)輸?shù)淖鳂I(yè)上。此處管控技術(shù)主要從膠帶輸送機(jī)的日常維護(hù)管理、設(shè)備操控人員的定期培訓(xùn)、供配電實(shí)施監(jiān)控技術(shù)、建立相應(yīng)的保障機(jī)制等方面施行。

4.3 降低能耗的精確施策

1）降低用油成本采取的措施。露天礦在耗油的成本控制上可采取的措施：實(shí)施物資供應(yīng)中心的油庫數(shù)字化燃油管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)取油、加油、耗油等各個(gè)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，及時(shí)準(zhǔn)確掌握用油設(shè)備造成的油耗；加強(qiáng)設(shè)備定期保養(yǎng)，同時(shí)對(duì)“油老虎”設(shè)備及時(shí)維修，確保在正常使用柴油的消耗范圍內(nèi)，定期對(duì)司機(jī)的操作水平進(jìn)行訓(xùn)練和考核，降低人為因素對(duì)油耗的影響[10]；保證設(shè)備運(yùn)行作業(yè)環(huán)境，力爭(zhēng)做到幫齊底平，及時(shí)清理路面，提升道路質(zhì)量；強(qiáng)化運(yùn)輸環(huán)節(jié)的成本管控，優(yōu)化運(yùn)輸?shù)穆窂?，減少怠速及空運(yùn)里程，達(dá)到減油減排、降本增效的目的。

2）降低用電成本采取的措施。露天礦在耗電的成本控制上可采取的措施：建立設(shè)備配件臺(tái)賬信息；加強(qiáng)設(shè)備操作人員的技術(shù)培訓(xùn)，強(qiáng)化設(shè)備的日常保養(yǎng)工作；提升設(shè)備利用率，有效降低折舊費(fèi)占比；采用遠(yuǎn)程監(jiān)控供變電等新的技術(shù)手段，有效降低因惡劣天氣環(huán)境，對(duì)供電作業(yè)造成的影響；實(shí)施低成本戰(zhàn)略保障機(jī)制：建立成本管理信息系統(tǒng)，安全管控機(jī)制，落實(shí)安全生產(chǎn)責(zé)任制，建立應(yīng)急管理系統(tǒng)，制定安全考核機(jī)制，實(shí)現(xiàn)露天礦可持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié)語

1）從能源消耗強(qiáng)度和能源效率角度，根據(jù)各種設(shè)備的做功計(jì)算公式及功密度計(jì)算公式，推導(dǎo)出計(jì)算不同露天開采工藝的能源利用率的方法，通過比較不同工藝的能源利用效率，合理選出綠色、低碳的運(yùn)輸工藝，為露天開采工藝的選擇提供了可靠的理論依據(jù)。

2）結(jié)合露天礦煤炭開采能源消耗大、運(yùn)輸成本高、碳排放量測(cè)算復(fù)雜的特點(diǎn)，提出露天礦碳排放量測(cè)算模型，以具體實(shí)例驗(yàn)證模型的正確性，精準(zhǔn)計(jì)算出露天礦生產(chǎn)運(yùn)輸系統(tǒng)的碳排放，進(jìn)而預(yù)測(cè)了整個(gè)礦山的碳排放量，為露天礦管理者提供了碳資產(chǎn)規(guī)模、排放趨勢(shì)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息，并提供了碳排放源的精準(zhǔn)管控和降低能耗的精確施策方案。

3）為使露天礦向低碳化發(fā)展，從運(yùn)輸工藝角度提出有效的節(jié)能減排策略：如提高能效、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、CO2捕集、封存與利用、無人駕駛利用、人工智能和大數(shù)據(jù)的使用，來減少能源消耗所帶來的溫室氣體排放，有效控制能源消費(fèi)和碳排放量，實(shí)現(xiàn)能源消費(fèi)的低碳可持續(xù)利用。為實(shí)現(xiàn)碳中和愿景，露天開采行業(yè)需遵循能源命運(yùn)共同體理念，推動(dòng)低碳綠色開采、科學(xué)用煤，提高企業(yè)應(yīng)對(duì)碳市場(chǎng)的能力。