我國煤炭的單位熱值碳含量研究

鄭劍平

(中國煤炭加工利用協(xié)會(huì)，北京 100013)

為貫徹落實(shí)習(xí)近平總書記在第75屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論上提出的“30·60碳達(dá)峰碳中和”目標(biāo)，國家層面陸續(xù)出臺(tái)了《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》(中發(fā)〔2021〕36號(hào))、《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》等重要文件，進(jìn)一步明確我國實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰總體目標(biāo)，部署重大舉措，明確實(shí)施路徑，對于統(tǒng)一全黨認(rèn)識(shí)和意志，匯聚全黨全國力量來完成這一艱巨任務(wù)具有重大意義。

為了適應(yīng)“雙碳”形勢發(fā)展的要求，煤炭行業(yè)應(yīng)該清楚計(jì)算出各個(gè)環(huán)節(jié)中的碳排放情況，明確各組織營運(yùn)邊界和做好碳排放源的碳排放統(tǒng)計(jì)與清單編制工作[1-4]。同時(shí)為配合有關(guān)部門即將開展的碳核查、碳配額和全國碳市場交易等方面的工作，推動(dòng)煤炭行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，積極參與碳減排行動(dòng)計(jì)劃，迫切需要摸清各煤種原煤、商品煤的碳含量底數(shù)和CO2排放因子，制定出科學(xué)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策，穩(wěn)定煤炭行業(yè)發(fā)展和生產(chǎn)運(yùn)行[5]。為幫助煤炭生產(chǎn)企業(yè)準(zhǔn)確核算和規(guī)范報(bào)告溫室氣體排放量，國家市場監(jiān)督管理總局、中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)聯(lián)合發(fā)布了GB/T 32151.11-2018《溫室氣體排放核算與報(bào)告要求 第11部分：煤炭生產(chǎn)企業(yè)》國家標(biāo)準(zhǔn)[6]，規(guī)定了煤炭生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體排放量的核算步驟和核算方法，其中關(guān)于煤炭產(chǎn)品單位熱值碳含量，主要分為無煙煤、煙煤、褐煤、洗精煤及其他洗煤產(chǎn)品五類，相應(yīng)的單位熱值碳含量都是一個(gè)缺省值[7]。也有相關(guān)學(xué)者[8，9]開展了基于發(fā)熱量來研究煤炭中的碳含量，計(jì)算出我國無煙煤、煙煤、次煙煤、褐煤的單位熱值碳含量平均值，且發(fā)現(xiàn)隨著煤化程度的提高，煤炭單位熱值碳含量逐漸減小，但到無煙煤時(shí)，單位熱值碳含量又有所增大，比煙煤、次煙煤都要高。

綜上所述，以往關(guān)于單位熱值碳含量的研究中，只是將整個(gè)煤炭分為無煙煤、煙煤、褐煤這三大類，并未對煙煤進(jìn)行詳細(xì)的劃分和討論，給出的單位熱值碳含量指標(biāo)太過于寬泛，以此來計(jì)算煤炭產(chǎn)品的二氧化碳排放因子則必然存在一定的缺陷。為此，中國煤炭加工利用協(xié)會(huì)在全國范圍內(nèi)開展了全國原煤、商品煤中碳元素含量專項(xiàng)調(diào)查研究，力求摸清各煤種的單位熱值碳含量，這項(xiàng)工作得到了國家能源、晉能控股、山東能源、中煤集團(tuán)、陜煤化、山西焦煤等大型煤炭生產(chǎn)企業(yè)的大力協(xié)助，通過這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并以煤種來分類統(tǒng)計(jì)分析，研究我國各煤種的單位熱值碳含量情況。

1 調(diào)研方案及計(jì)算方法

本次調(diào)研數(shù)據(jù)通過調(diào)研表填報(bào)，主要以各煤炭企業(yè)2020年生產(chǎn)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，各單位對其生產(chǎn)的原煤和商品煤日常的工業(yè)分析、元素分析及發(fā)熱量分析進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后，按照煤種分別填報(bào)產(chǎn)量Q、全水分Mt、空干基水分Mad、空干基灰分Aad、空干基揮發(fā)分Vad、元素分析中的空干基碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)Cad及收到基低位發(fā)熱量Qnet，ar等數(shù)據(jù)。

收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，研究工作組先對各企業(yè)填報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行甄別，剔除掉有誤的數(shù)據(jù)后，再將數(shù)據(jù)統(tǒng)一換算成收到基碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)Car，根據(jù)產(chǎn)量數(shù)據(jù)加權(quán)計(jì)算出各企業(yè)、各煤種的平均碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)和發(fā)熱量，再計(jì)算出各煤種的單位熱值碳含量平均值，最終可得出了褐煤、長焰煤、不粘煤、弱粘煤、氣煤、氣肥煤、1/3焦煤、肥煤、焦煤、瘦煤、貧瘦煤、貧煤、無煙煤的單位熱值碳含量平均值，可作為碳排放計(jì)量和碳排放系數(shù)計(jì)算時(shí)的參考值。

其中，煤中的全水分Mt采用GB/T 211-2017[10]中規(guī)定的方法進(jìn)行檢測；空干基水分Mad、灰分Aad、揮發(fā)分Vad采用GB/T 212-2008[11]中規(guī)定進(jìn)行檢測；碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)Cad采用GB/T 476-2008[12]中的規(guī)定進(jìn)行檢測；收到基低位發(fā)熱量Qnet，ar則根據(jù)GB/T 213-2008[13]進(jìn)行測試并換算而得。

2 結(jié)果與討論

2.1 全國原煤、商品煤中碳含量整體分析

本次調(diào)研共統(tǒng)計(jì)到12個(gè)大型煤炭企業(yè)集團(tuán)的原煤、商品煤煤質(zhì)數(shù)據(jù)，區(qū)域覆蓋山西、內(nèi)蒙古、陜西、新疆、貴州、安徽、山東、河南、寧夏、河北等省，其中原煤產(chǎn)量共計(jì)167 072.48萬t，商品煤141 995.22萬t，占2020年全國原煤產(chǎn)量(39億t)的42.8%，樣本數(shù)據(jù)具有良好的代表性，統(tǒng)計(jì)結(jié)果詳見表1。

由表1及圖1、圖2可知，各煤炭企業(yè)原煤的收到基碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)(產(chǎn)量加權(quán)平均)范圍為39.71%～54.87%，平均50.45%；發(fā)熱量的范圍為16.23～22.57 MJ/kg，平均19.22 MJ/kg；單位熱值碳含量范圍為24.3×10-3～27.1×10-3kg/GJ，平均26.3×10-3kg/GJ。

商品煤的收到基碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)(產(chǎn)量加權(quán)平均)范圍為45.33%～64.87%，平均56.39%；發(fā)熱量的范圍為18.24～24.93 MJ/kg，平均21.49 MJ/kg；單位熱值碳含量范圍為24.7×10-3～27.1×10-3kg/GJ，平均26.2×10-3kg/GJ。

圖3是各煤炭企業(yè)的原煤和商品煤的平均單位熱值碳含量，整體上，商品煤和原煤的單位熱值碳含量值是相近的，因各企業(yè)集團(tuán)煤炭洗選工藝差異，入選比例差別，以及部分煉焦商品煤在日常檢測過程中未進(jìn)行發(fā)熱量測量，致使各企業(yè)的商品煤和原煤間的單位熱值碳含量數(shù)據(jù)有的增大，有的減小。因而，單純比較各煤炭企業(yè)的原煤和商品煤的單位熱值碳含量間的差異，意義不太大。且動(dòng)力煤和煉焦煤間本來就存在很大差別，因此，后文將著重研究各大煤種的碳含量變化情況。

表1 各煤炭企業(yè)的原煤、商品煤的碳含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖1 各煤炭企業(yè)原煤、商品煤的平均碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖2 各煤炭企業(yè)原煤、商品煤的平均發(fā)熱量

圖3 各煤炭企業(yè)原煤、商品煤的平均單位熱值碳含量

2.2 各煤種碳含量指標(biāo)情況

通過各企業(yè)填報(bào)的數(shù)據(jù)，再對統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)按照各個(gè)煤種的不同分類進(jìn)行分析，得出結(jié)果如表2和圖4、圖5所示，同時(shí)，對比圖6中的各個(gè)煤種原煤和商品煤的單位熱值碳含量變化趨勢，結(jié)果分析表明，各煤種原煤的單位熱值碳含量范圍為24.0×10-3～27.8×10-3kg/GJ，商品煤的范圍為23.4×10-3～27.5×10-3kg/GJ。

圖4 各煤種原煤、商品煤的平均碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表2 各煤種碳含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖5 各煤種原煤、商品煤的平均發(fā)熱量

圖6 不同煤種原煤、商品煤的平均單位熱值碳含量

煤炭經(jīng)過洗選后，發(fā)熱量和碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)都有所增大，對于褐煤、中低階煙煤，單位熱值碳含量稍有減小，煉焦配煤的單位熱值碳含量也都有所減小，但肥煤和焦煤降低的幅度較大；反之，高階煙煤(貧瘦煤、貧煤)和無煙煤都有所增大，其中無煙煤增大幅度最大，達(dá)到2.2×10-3kg/GJ。對于大部分煤種，原煤經(jīng)過洗選加工后，單位熱值碳含量減小了，即在同等的熱值要求下，二氧化碳的排放量減少了。

分析各煤種的單位熱值碳含量數(shù)據(jù)可知，整體趨勢是單位熱值碳含量隨著煤階的升高先減小后增大，中低階煙煤基本滿足隨著煤階的升高而降低，煉焦煙煤基本保持不變，無煙煤的單位熱值碳含量又增大很多。

因?yàn)槊禾咳紵龝r(shí)放出的熱量主要與煤中的C、H、O元素含量有關(guān)，單位質(zhì)量的H產(chǎn)生的熱量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于C，但煤中的H含量比較低，一般在5%以下，煤中的O與C之間結(jié)合在一起，導(dǎo)致部分C被氧化，因此O含量越高，發(fā)熱量越低。隨著煤化程度的增加，C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一直在增大，H的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在中等煤化程度幾乎不變，直到無煙煤時(shí)，明顯減小，O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)則隨著煤階的升高而減小。

中等變質(zhì)程度前，隨著煤階升高，發(fā)熱量迅速增大，超過了C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加率，使得煤的單位熱值碳含量由褐煤到煙煤是減小的；到高變質(zhì)程度階段，由于H的質(zhì)量分?jǐn)?shù)發(fā)生明顯的下降，且C的減小和O的減小幅度很小，使得煤炭的發(fā)熱量略微降低，導(dǎo)致無煙煤的單位熱值碳含量又有所增大，超過了煙煤的單位熱值碳含量。

3 結(jié) 論

(1)我國各煤種原煤的單位熱值碳含量范圍在24.0×10-3～27.8×10-3kg/GJ之內(nèi)，商品煤在23.4×10-3～27.5×10-3kg/GJ之內(nèi)。

(2)煤炭經(jīng)過洗選后，發(fā)熱量和碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)都有所增大，除貧瘦煤、瘦煤和無煙煤外，其他煤炭的單位熱值碳含量稍有減小，其中無煙煤增大幅度最大，達(dá)到2.2×10-3kg/GJ。

(3)隨著煤化程度的升高，單位熱值碳含量先減小后增大。