綜采工作面回采過程中碳排放的生命周期分析

雍海寧，許宸瑞，楊嘉豪，姬益邦，張玉權(quán)，王瀚藝

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京） 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京100083）

0 引 言

在當(dāng)代的生態(tài)問題中，全球變暖是一個(gè)首要的挑戰(zhàn)。2020 年9 月22 日，習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上作出莊嚴(yán)承諾，中國的二氧化碳排放力爭于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和。據(jù)相關(guān)報(bào)告數(shù)據(jù)測算，我國由化石能源消費(fèi)產(chǎn)生的碳排放總量為100 億t左右。其中，煤炭消費(fèi)產(chǎn)生的二氧化碳排放量占75%左右，其次為石油和天然氣，占比分別為14%和7%。如今煤炭資源是我國的主體消費(fèi)能源，盡管近年來中國一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)不斷改善，煤炭所占比重不斷下降，但2018 年仍高達(dá)60%[1]。因此，分析其中各個(gè)環(huán)節(jié)的能耗碳排放就變得尤為重要。

一些學(xué)者對煤炭開發(fā)過程溫室氣體排放進(jìn)行研究，取得了一系列的研究成果。張媛以晉城長河流域的11 個(gè)煤礦為研究區(qū)，更新礦區(qū)煤礦開采CO2和CH4排放強(qiáng)度，得出礦區(qū)開采噸煤炭排放量[2]。于勝民等以中國7 575 處井工煤礦CO2相對涌出量測定數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，統(tǒng)計(jì)得井工煤礦開采過程CO2逃逸排放因子[3]。但從研究現(xiàn)狀來看，我國煤炭行業(yè)碳排放相關(guān)研究多屬于綜述性質(zhì)，從具體方面進(jìn)行分析碳排放的研究較少。本文針對綜采工作面回采過程中能耗和碳排放的生命周期分析問題，利用生命周期評價(jià)理論體系，對綜采工作面作業(yè)過程中各個(gè)部分碳排放來源與數(shù)量進(jìn)行研究，并構(gòu)建對應(yīng)的碳排放計(jì)算模型，同時(shí)進(jìn)行實(shí)例分析，在此基礎(chǔ)上就綜采工作面節(jié)能減排工作提出建議。

1 煤礦地下開采過程碳排放分析

本文以人和礦A303 井下單一工作面為主要研究對象，以煤炭從開采到運(yùn)出工作面回采巷道做為整個(gè)過程?；谏芷谠u價(jià)理論和煤礦地下開采具體流程，將煤礦地下開采過程劃分為3 大部分進(jìn)行研究，即采煤、通風(fēng)和供電損耗。其中，以采煤部分為核心，圍繞其進(jìn)行各階段的碳排放計(jì)算[4]。

1.2 煤礦地下開采過程碳排放計(jì)算邊界

煤礦地下開采碳排放是指煤礦在井下生產(chǎn)范圍所涉及的各階段過程，由于消耗了物資和能源而向外界環(huán)境排放產(chǎn)生的碳排放量，為了計(jì)算煤礦地下開采過程產(chǎn)生的碳排放總量，首先需要確定碳排放計(jì)算邊界。由于整個(gè)礦井結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部系統(tǒng)繁雜，設(shè)備流動(dòng)頻繁，不利于具體分析和計(jì)算。因此，本文以單一采煤工作面為主要研究對象，并對此進(jìn)行相關(guān)計(jì)算和分析。

本文以采煤部分為主要研究方向，包括破煤、裝煤、運(yùn)煤、支護(hù)和采空區(qū)處理5 個(gè)階段，其中采空區(qū)處理不做分析。煤礦地下開采過程碳排放邊界示意圖如圖1 所示。

圖1 煤礦地下開采過程碳排放邊界示意Fig.1 Carbon emission boundary during underground coal mining

1.3 煤礦地下開采過程碳排放清單分析

煤礦地下開采過程碳排放清單分析是指將地下煤礦在生產(chǎn)過程中從外界輸入資源及能源消耗的工程量進(jìn)行具體量化，同時(shí)量化分析地下煤礦在生產(chǎn)過程中消耗資源及能源后向外界環(huán)境排放出的CO2總量。其中所需碳排放因子數(shù)據(jù)可從相關(guān)部門數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)庫和研究人員的文獻(xiàn)中獲得，見表1[5]。

表1 主要建材的碳排放因子Table 1 Carbon emission factors of main building materials

2 煤礦地下開采碳排放計(jì)算模型

2.1 碳排放計(jì)算方法及其計(jì)算模型

本文采用排放系數(shù)法，其基本原理是“碳排放量=活動(dòng)數(shù)據(jù)×排放因子”。該方法方便直接、可信度高，得到了政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的推薦[6]。

依據(jù)煤礦地下開采過程中單一工作面的生產(chǎn)過程及其碳排放來源，可得到煤礦地下開采過程中每生產(chǎn)一噸煤的碳排放量計(jì)算模型，即：

式中：R 為煤礦地下開采過程中每生產(chǎn)1 t 煤的碳排放量；Res為工作面采煤部分噸煤碳排放量；Rsw為工作面通風(fēng)部分噸煤碳排放量。

2.2 煤礦地下開采碳排放計(jì)算過程

2.2.1 工作面采煤回采

工作面采煤包含5 大工序，即破煤、裝煤、運(yùn)煤、支護(hù)和采空區(qū)處理。因?yàn)榇笮蜋C(jī)械進(jìn)行作業(yè)前有大量碳排放的為前四階段，所以本文以破煤、裝煤、運(yùn)煤、支護(hù)為主要研究內(nèi)容，就其作業(yè)過程中碳排放量計(jì)算過程進(jìn)行總結(jié)。假定所選煤礦所用電力均為火力發(fā)電且以各機(jī)械額定功率計(jì)算。該部分碳排放總量為：

式中：Rec為工作面生產(chǎn)過程碳排放量總和；Rbc為破煤階段碳排放量；Rcl為裝煤階段碳排放量；Rt為運(yùn)煤階段碳排放量；Rw為支護(hù)階段碳排放量。

（1） 破煤。

破煤部分中割煤機(jī)等大型機(jī)械在進(jìn)行作業(yè)過程中產(chǎn)生的碳排放量不可忽視。首先確立其碳排放計(jì)算模型，再依據(jù)煤礦給出的工作面日產(chǎn)出W，進(jìn)而可得到噸煤產(chǎn)生碳排放量。則破煤過程機(jī)械能耗：

式中：Ebc為破煤過程總機(jī)械能耗，kWh；m采為采煤機(jī)數(shù)量；e采為采煤機(jī)作業(yè)能耗，kWh；m噴為噴霧泵數(shù)量；e噴為噴霧泵作業(yè)能耗，kWh；P采為噴霧泵額定功率，kW；t采為噴霧泵工作時(shí)間，h。

則噸煤破煤機(jī)械能耗Jbc=Ebc/W；噸煤碳排放量Rbc=Jbc×C。

（2） 裝煤。

裝煤過程即將破煤過程中割下的原煤裝載進(jìn)入運(yùn)輸系統(tǒng)。而在采煤工作面生產(chǎn)過程中裝煤階段主要機(jī)械為刮板輸送機(jī)。則其能耗公式：

式中：m刮為刮板輸送機(jī)數(shù)量；e刮為刮板輸送機(jī)作業(yè)能耗，kWh。

則噸煤裝煤機(jī)械能耗Jcl=Ecl/nW（n 為采煤工作面每日進(jìn)刀循環(huán)數(shù)）；噸煤碳排放量Rcl=Jcl×C。

（3） 運(yùn)煤。

運(yùn)煤階段主要產(chǎn)生途徑為運(yùn)輸機(jī)械所消耗能源而引起的碳排放。根據(jù)相關(guān)調(diào)查，煤礦地下運(yùn)輸階段的主要運(yùn)輸機(jī)械設(shè)備為橋式轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)和膠帶輸送機(jī)。

運(yùn)煤階段的單日碳排放量計(jì)算為：

式中：Rd為運(yùn)輸階段的單日碳排放量，kg；Ni為運(yùn)輸機(jī)械個(gè)數(shù)；Pi為運(yùn)輸機(jī)械功率，kW；Ti為運(yùn)輸機(jī)械日工作時(shí)長，h；Ei為不同能源的碳排放因子。

運(yùn)煤階段運(yùn)輸引起的碳排放量計(jì)算為：

式中：Rt為運(yùn)輸1 t 煤所引起碳排放量，kg；Rd為運(yùn)輸階段單日碳排放量，kg；n 為工作面單日循環(huán)數(shù)。

（4） 支護(hù)。

巷道支護(hù)在煤礦生產(chǎn)過程中存在能源和建材的損耗，可分為2 部分：一為移架過程中由液壓泵站供能的液壓支架能耗；二為在巷道初步支護(hù)過程中所需消耗的建材及安裝設(shè)備能耗。則支護(hù)部分碳排放量：

液壓支架移架能耗：

式中：Ehs為液壓支架移架能耗，kWh；n1為液壓泵站數(shù)量；P泵為液壓泵站額定功率，kW；t移為液壓支架每日移架所用時(shí)間，h。

則噸煤能耗Jhs=E/w；噸煤碳排放量Rhs=Jhs×C。

建材消耗及安裝設(shè)備能耗：

式中：Rm為建材噸煤碳排放量，kg；Mi為某建材總質(zhì)量，kg；Ci為某建材相應(yīng)碳排放因子，tCO2/t；a 為采煤工作面服務(wù)年限，d。

安裝設(shè)備能耗為：

式中：E1為安裝設(shè)備能耗，kWh；P1為安裝設(shè)備額定功率，kW；t1為打孔時(shí)間，h；t2為攪拌時(shí)間，h；n1為打孔數(shù)目。

2.2.2 工作面通風(fēng)

通風(fēng)系統(tǒng)確保了礦井中人員和設(shè)備的安全，其設(shè)備包括通風(fēng)機(jī)組、電氣設(shè)備、通風(fēng)網(wǎng)路、輔助裝置等。

對于單一工作面而言，可通過對工作面所需最大通風(fēng)量Q1的計(jì)算，與礦井總進(jìn)風(fēng)量Q 做對比，得到單一工作面風(fēng)量占比系數(shù)K，即：

后可對礦井風(fēng)機(jī)功耗Etw及占比系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，可得通風(fēng)所需能耗Esw，進(jìn)而可得出噸煤能耗Jsw和噸煤碳排放量Rsw，即：

2.2.3 井下供電損耗

對單一工作面而言，損耗主要來自于設(shè)備能源損耗和照明系統(tǒng)2 方面。但相對于采煤和通風(fēng)過程機(jī)械的能量損耗，照明系統(tǒng)所帶來的損耗過小，可忽略不計(jì)。而煤礦設(shè)備一般分布較廣，利用率、負(fù)荷率、電能效率一般較低。采煤生產(chǎn)系統(tǒng)電能效率和用電量所占比例見表2[8]。

表2 礦井各生產(chǎn)系統(tǒng)電能效率及用電比例Table 2 Power efficiency and power consumption ratio of each production system in the mine

3 實(shí)例研究

新疆人和礦A303 回采工作面為A3 采區(qū)第3個(gè)采煤工作面，該工作面切眼斜長174 m，A303軌道運(yùn)輸順槽長1 242 m，A303 膠帶運(yùn)輸順槽長1 214 m。

3.1 計(jì)算過程

3.1.1 工作面采煤

依據(jù)A303 回采工作面相關(guān)信息參數(shù)可計(jì)算得工作面采煤各階段由機(jī)械工作產(chǎn)生得能耗與碳排放見表3。

表3 工作面采煤階段由機(jī)械工作產(chǎn)生的能耗與碳排放Table 3 Energy consumption and carbon emission generated by mechanical work in coal mining stage of working face

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及調(diào)查部分建材碳排放因子，見表4[9]。

表4 建材碳排放因子Table 4 Carbon emission factors of specific building materials

依據(jù)A303 回采工作面相關(guān)信息參數(shù)可計(jì)算得工作面采煤各階段由支護(hù)建材消耗產(chǎn)生的碳排放量如表5 所示[10]。

表5 工作面支護(hù)建材消耗產(chǎn)生的碳排放量Table 5 Carbon emissions from the consumption of support building materials in the working face

由上述數(shù)據(jù)可得工作面采煤部分噸煤碳排放總量為12.397 kg。

3.1.2 工作面通風(fēng)計(jì)算

已知該工作面所需最大風(fēng)量為830 m3/min[11]。依據(jù)礦井設(shè)備資料可知，通風(fēng)機(jī)的型號為2 臺KDF-6.3 對旋軸流式局部通風(fēng)機(jī)，額定功率P 為120 kW，全壓效率為85%，通風(fēng)量為975 m3/min，且通風(fēng)機(jī)工作時(shí)間T 為24 h，則：

可得：

3.1.3 井下供電損耗

對上述各個(gè)階段的能耗計(jì)算，通過對表2 中各個(gè)系統(tǒng)電能利用效率進(jìn)行查詢計(jì)算（支護(hù)階段損耗較小可忽略不計(jì)）：

3.1.3.1 工作面采煤電能損耗

（1） 破煤階段噸煤電能損耗。

（2） 裝煤階段噸煤電能損耗。

（3） 運(yùn)煤階段噸煤電能損耗。

3.1.3.2 工作面通風(fēng)電能損耗

由該礦井局部通風(fēng)機(jī)作業(yè)參數(shù)可知，該通風(fēng)機(jī)全壓效率為85%。

通風(fēng)機(jī)電能損耗：

則供電部分每生產(chǎn)1 t 煤產(chǎn)生的碳排放量Rs為3.471 kg。

綜上可得出，該工作面生產(chǎn)過程中噸煤碳排放為16.484 kg。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由3.1 中計(jì)算結(jié)果可得，該工作面生產(chǎn)過程各部分噸煤碳排放量占比、工作面采煤部分各個(gè)階段碳排放量占比和井下供電損耗各項(xiàng)占比，如圖2所示。

圖2 工作面生產(chǎn)過程各部分噸煤碳排放量占比Fig.2 Proportion of carbon emission per ton of coal in the production process of working face

圖3 工作面采煤部分各個(gè)階段碳排放量占比Fig.3 Proportion of carbon emission at each stage of coal mining working face

圖4 井下供電損耗各項(xiàng)占比Fig.4 Proportion of underground power supply loss

依據(jù)圖表可知，在工作面生產(chǎn)過程中，采煤部分碳排放所占比例遠(yuǎn)大于通風(fēng)和供電部分，達(dá)69%。且在工作面采煤和井下供電部分中，又以運(yùn)煤階段為主要占比部分，分別達(dá)到79%和63%?？梢?，煤炭運(yùn)輸方面是碳排放的重點(diǎn)?？芍撃戤a(chǎn)量約為18 萬t 的采煤工作面，其年產(chǎn)碳排放量，相當(dāng)于約3 000 m3的林木生長蓄積量[12]。

4 建 議

針對本文研究結(jié)果，就煤礦地下開采過程，尤其是煤炭運(yùn)輸階段，進(jìn)行節(jié)能減排提出改進(jìn)建議。

（1） 對運(yùn)煤機(jī)械勤加保養(yǎng)，減少故障率。運(yùn)煤階段的能耗損失占據(jù)工作面總體能耗損失的大半，從節(jié)能減排的角度看，對該階段作業(yè)機(jī)械的維護(hù)保養(yǎng)應(yīng)放在第一位，減少其故障率，使之減少不必要的能耗和碳排放。

（2） 建立健全合理的管理制度，在工時(shí)不變的前提下，進(jìn)行更為精細(xì)合理的人員配置及設(shè)備管理，降低生產(chǎn)過程中各個(gè)階段設(shè)備的不必要能耗，進(jìn)而降低能耗，減少碳排放量。

5 結(jié) 論

論文針對單一綜采工作面采煤、通風(fēng)和供電3部分生產(chǎn)的碳排放量，利用生命周期評價(jià)方式，對其生產(chǎn)過程所產(chǎn)生碳排放進(jìn)行邊界劃分和清單分析，主要結(jié)論如下。

（1） 使用IPCC(2006)中排放因子及排放系數(shù)等計(jì)算方法，以工作面采煤5 大工序?yàn)榛A(chǔ)，建立了綜采工作面生產(chǎn)過程中碳排放的生命周期計(jì)算模型。

（2） 以新疆人和礦A303 綜采工作面為例，分析該工作面的能耗和碳排放，得出該工作面生產(chǎn)過程中噸煤碳排放為16.484 kg，工作面采煤部分碳排放占比約69%，其他部分占31%，且在工作面采煤部分，運(yùn)煤階段碳排放占比最大，達(dá)79%。因此，運(yùn)煤階段可作為節(jié)能減排的重點(diǎn)對象。