井工煤礦開采全生命周期碳排放特征研究

曹原廣，劉 娜

(1.山西能源學(xué)院，山西 太原 030006;2.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024)

2020年9月，習(xí)近平主席向國際社會做出了中國的二氧化碳排放力爭2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和的鄭重承諾。煤炭生產(chǎn)帶來的碳排放是造成我國采礦業(yè)碳排放的一個主要因素[1]，且未來較長時間內(nèi)，化石能源的消耗將成為我國二氧化碳排放的主要來源[2]。在“碳達(dá)峰與碳中和”目標(biāo)及新的經(jīng)濟(jì)形勢下，我國必須對碳排放問題進(jìn)行科學(xué)的研究和分析，煤炭行業(yè)也必須積極探尋低碳發(fā)展之路，實現(xiàn)以煤炭的低碳化生產(chǎn)和利用[3，4]。其中，煤炭開采將成為推動節(jié)能減排、實現(xiàn)低碳發(fā)展的重要環(huán)節(jié)[5，6]，對煤炭開采過程的碳排放進(jìn)行精細(xì)化核算，可以清晰地了解煤炭開采過程中排放強度較大的重點排放源[7]，進(jìn)而為從源頭上制定煤炭開采減排路徑提供數(shù)據(jù)支撐，為企業(yè)實行技術(shù)創(chuàng)新和節(jié)能減排提供重要依據(jù)[8]。

1 煤炭行業(yè)碳排放研究進(jìn)展

在煤炭行業(yè)的碳排放研究方面，IPCC發(fā)布的《2006年國家溫室氣體清單指南》提供了碳排放核算的基本方法論，國內(nèi)學(xué)者對IPCC清單指南提供的核算模型及排放因子進(jìn)行了修正和擴(kuò)展，使其更具適用性。于勝民、馬翠梅等分別對中國煤炭開采和礦后活動所產(chǎn)生的CH4逃逸排放進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，并對相應(yīng)排放因子的計算方法進(jìn)行了修正[9，10]。也有一些學(xué)者將研究聚焦到煤炭生產(chǎn)階段，Zhou等[11]分析了中國煤炭開采的碳排放結(jié)構(gòu)及強度，結(jié)果顯示甲烷在煤礦開采的碳排放中貢獻(xiàn)最大，并在此基礎(chǔ)上提出了瓦斯排放控制與利用技術(shù)體系；Wang等[12]研究了煤炭開采部門的碳排放，并提出煤礦瓦斯對煤炭行業(yè)減排潛力具有關(guān)鍵性影響，他們的研究表明，在煤礦的生產(chǎn)過程中，瓦斯的逃逸是一個重要的碳排放源，煤礦瓦斯的技術(shù)創(chuàng)新將是決定煤炭行業(yè)減排潛力的關(guān)鍵因素。Luo等、Lin等通過估算煤炭生產(chǎn)過程的碳排放，分別對煤炭城市的煤炭供應(yīng)鏈中碳排放情況及中國煤炭城市CO2排放的區(qū)域差異進(jìn)行了分析[13，14]，闡述了煤炭開采產(chǎn)生的碳排放給城市帶來的影響。

在碳排放核算方法方面，生命周期評價(Life Cycle Assessment，LCA)是一種常見的碳排放核算方法，它是以過程分析為基礎(chǔ)的一種“自下而上”核算方法，被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品或活動過程產(chǎn)生的碳排放核算[15]。生命周期法在煤炭行業(yè)的碳排放研究方面也有一定的應(yīng)用，王曉琳等[1]以盤江集團(tuán)煤礦為例對煤炭礦區(qū)全生命周期的碳排放源構(gòu)成進(jìn)行了分析，樊金璐等[16]對煤炭開發(fā)利用全產(chǎn)業(yè)鏈典型路線的碳排放進(jìn)行了分析，并對不同煤炭利用方式的碳排放進(jìn)行了核算。

上述研究在現(xiàn)有基本方法學(xué)的基礎(chǔ)上建立了煤炭行業(yè)碳排放核算模型，為厘清煤炭生產(chǎn)行業(yè)的碳排放源、探究煤炭行業(yè)的碳排放特征奠定了基礎(chǔ)，但這些研究并未深入煤炭井工開采的全生命周期，本文基于生命周期法完善了煤炭井工開采的全生命周期碳排放強度核算模型，探究了煤炭開采過程的碳排放強度規(guī)律。

2 煤炭開采的全生命周期碳排放模型構(gòu)建

2.1 碳排放邊界的確定

在對煤炭開采的全生命周期碳排放強度進(jìn)行研究時，本文僅以煤炭井工開采的實際工藝流程為依據(jù)，將煤炭開采的全生命周期具體劃分為巷道掘進(jìn)、設(shè)備安裝、煤炭回采、設(shè)備回撤四個具體環(huán)節(jié)，并在此基礎(chǔ)上對各個環(huán)節(jié)的排放源進(jìn)行詳細(xì)的分析，厘清煤炭開采全生命周期的碳排放源，進(jìn)而對煤炭開采全生命周期的碳排放及碳排放強度進(jìn)行進(jìn)一步研究。

碳排放邊界是指碳排放的核算范圍[17]，本文主要研究煤炭開采全生命周期的碳排放問題，因此應(yīng)當(dāng)以煤炭開采子系統(tǒng)為核算邊界，核算系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備及相應(yīng)的活動所產(chǎn)生的溫室氣體[18]。煤炭井工開采的設(shè)施范圍包括回采、掘進(jìn)等基本生產(chǎn)系統(tǒng)和通風(fēng)、運輸、提升等輔助生產(chǎn)系統(tǒng)。需要注意的是，煤炭生產(chǎn)過程中的人員出行及日常辦公所造成的直接或間接溫室氣體排放不納入核算范圍，該部分碳排放通常計入城市碳排放中[19]。煤炭開采全生命周期內(nèi)碳排放的核算邊界如圖1所示。

圖1 煤炭開采全生命周期碳排放核算邊界

2.2 碳排放源識別

從煤炭開采的全生命周期出發(fā)，識別與分析了直接或間接排放溫室氣體的各項活動，按照排放方式的不同，將煤炭開采全生命周期的各排放源劃分為以下三類：

1)化石燃料燃燒產(chǎn)生的CO2直接排放。煤炭開采過程中各種設(shè)備、車輛消耗柴油、汽油、煤油等油品，鍋爐等設(shè)備消耗燃煤都屬于化石燃料燃燒，煤炭井工開采主要以電力消費為主，原煤、汽油、柴油等化石燃料的用量并不大，但是為了保證煤炭開采全生命周期碳排放核算體系的完整和全面，應(yīng)將其納入碳排放核算之中[2]。除此之外，若煤礦將煤炭開采過程中抽采的瓦斯(甲烷)用作自身燃料，則因這一部分甲烷燃燒產(chǎn)生的二氧化碳排放也應(yīng)當(dāng)計入化石燃料燃燒排放。

2)煤炭開采導(dǎo)致的逃逸排放。煤炭開采的逃逸排放是指煤炭開采過程中，由于煤層和巖石的暴露、破碎，使得原本固封在煤層中的瓦斯氣體釋放到大氣中。因此，由于瓦斯涌出而導(dǎo)致的CH4逃逸排放也應(yīng)當(dāng)納入溫室氣體排放總量的核算中。若煤礦在煤炭開采時采用火炬燃燒或催化氧化的方式銷毀瓦斯氣體或?qū)⑼咚够厥绽茫瑒t在計算時應(yīng)當(dāng)扣減相應(yīng)的銷毀量和回收利用量，加因銷毀瓦斯而產(chǎn)生的二氧化碳排放，這種計算甲烷逃逸排放的方法屬于實測法。除實測法外，IPCC清單指南通過煤炭產(chǎn)量與相應(yīng)的排放因子和轉(zhuǎn)換系數(shù)的乘積來核算甲烷的逃逸量，具體排放因子的數(shù)值則根據(jù)煤層深度及瓦斯含量來確定。

3)消耗水和電隱含的CO2間接排放。煤炭開采的間接排放是指煤炭開采過程中由于電力和干凈水的消耗所造成的隱含的碳排放。煤炭開采既是能源生產(chǎn)活動，同時也是高耗能產(chǎn)業(yè)，煤炭開采過程復(fù)雜，涉及到的生產(chǎn)工序和設(shè)備系統(tǒng)較多，電能消耗量較大，而電力的生產(chǎn)過程往往伴隨著溫室氣體的排放，因此煤炭開采過程消耗電能的同時也造成了相應(yīng)的溫室氣體排放，在核算碳排放時煤炭開采全生命周期消耗電能的溫室氣體排放量也應(yīng)當(dāng)包含在內(nèi)[20]。此外，煤炭開采過程中為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境會使用大量清潔水資源來降塵，水資源的生產(chǎn)過程也會產(chǎn)生溫室氣體的排放，這些間接排放的具體計算方法為消耗的電力與干凈水的數(shù)量與其相應(yīng)的碳排放因子的乘積。煤炭開采碳排放源的結(jié)構(gòu)及分類如圖2所示。

圖2 煤炭開采碳排放源的結(jié)構(gòu)及分類

2.3 模型構(gòu)建

根據(jù)上述煤炭開采全生命周期分析，結(jié)合IPCC清單指南及國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建了煤炭開采的全生命周期碳排放核算模型，具體如下：

根據(jù)上述煤炭開采的全生命周期碳排放源分析，碳排放總量等于化石燃料燃燒的CO2直接排放量、CH4逃逸排放量以及消耗電力和新鮮水的CO2間接排放之和，計算公式為：

E=E1+E2+E3+E4+E5

(1)

式中，E為煤炭開采全生命周期的CO2排放總量，t；E1為化石燃料燃燒的CO2直接排放量，t；E2為CO2逃逸排放量，t；E3為CH4逃逸排放量，需折算為二氧化碳當(dāng)量，tCO2e；E4為消耗電力的CO2間接排放量，t；E5為消耗清潔水的CO2間接排放量，t。

2.3.1 化石燃料燃燒的碳排放計算

煤炭開采全生命周期的化石燃料燃燒的二氧化碳排放量由核算邊界內(nèi)各種化石燃料的消費量和二氧化碳排放因子計算得到，計算公式為：

E1=∑iDi×Fi

(2)

式中，Di為第i種化石燃料的消費量，固體燃料和液體燃料單位為t，氣體燃料單位為104m3；Fi為第i種化石燃料的碳排放因子，單位為tCO2/t；i為化石燃料類型代號。

2.3.2 CO2逃逸的碳排放計算

煤炭開采的二氧化碳逃逸排放量等于井工開采的二氧化碳逃逸排放量與甲烷火炬燃燒或催化氧化產(chǎn)生的二氧化碳排放量之和，計算公式為：

E2=Q1×1.84×10+E6

(3)

式中，Q1為煤炭井工開采的CO2逃逸排放量，104m3(指常溫常壓下)；E6為甲烷火炬燃燒或催化氧化產(chǎn)生的二氧化碳排放量，t。

2.3.3 CH4逃逸的碳排放計算

對煤炭開采過程中的甲烷逃逸排放有兩種主要的核算方法：一種為實測法，即根據(jù)煤炭生產(chǎn)企業(yè)在開采過程中對瓦斯氣體排放的測量數(shù)據(jù)算得；另一種是根據(jù)IPCC提供缺省值和煤炭產(chǎn)量進(jìn)行測算。

1)根據(jù)實測法計算碳排放，煤炭開采全生命周期的甲烷逃逸量等于甲烷逃逸排放總量減去甲烷的火炬燃燒或催化氧化銷毀量和甲烷的回收利用量，為了統(tǒng)一計量和比較，需要將甲烷的排放量折算為二氧化碳當(dāng)量，計算公式為：

E3=(Q2-Q3-Q4)×0.67×10×G

(4)

式中，Q2為煤炭開采的甲烷逃逸排放量，104m3(指常溫常壓下)；Q3為甲烷的火炬燃燒或催化氧化銷毀量，104m3(指常溫常壓下)；Q4為甲烷的回收利用量，104m3(指常溫常壓下)；G為甲烷相比二氧化碳的全球增溫潛勢(GWP)值，缺省值為21。

2)根據(jù)IPCC清單法計算碳排放，煤炭開采全生命周期的甲烷逃逸排放總量等于CH4排放因子、地下煤產(chǎn)量與轉(zhuǎn)換因子(即CH4的密度，可將CH4體積轉(zhuǎn)換成CH4質(zhì)量的系數(shù))三者的乘積，計算公式為：

E3=D1×F1=Q5×C×ρ×F1

(5)

式中，D1為甲烷的排放量，等于煤炭產(chǎn)量、煤炭中甲烷含量與甲烷的密度之積，t；F1為甲烷的排放因子，根據(jù)IPCC規(guī)定的缺省值為21，單位為tCO2e/t；Q5為地下煤產(chǎn)量，t；C為煤炭中的甲烷含量(排放系數(shù))，根據(jù)煤層深度及特性的不同，甲烷排放系數(shù)可分為三大類：低CH4排放系數(shù)=10m3/t，平均CH4排放系數(shù)=18m3/t，高CH4排放系數(shù)=25m3/t；ρ為甲烷的密度，t/m3。

2.3.4 電力消耗的碳排放計算

煤炭開采全生命周期內(nèi)，掘進(jìn)機(jī)、采煤機(jī)、運輸設(shè)備等消耗電力造成的二氧化碳排放等于電力消耗量與電力的二氧化碳排放因子之積，計算公式為：

當(dāng)電動滑門控制器接收到關(guān)門信號時，解鎖電動機(jī)動作，解鎖裝置通過拉桿使中控鎖工作，中控鎖通過操縱軟索解開開門保持機(jī)構(gòu)鎖。當(dāng)檢測到開門保持機(jī)構(gòu)完成解開動作，解鎖電動機(jī)停止動作。同時滑門驅(qū)動電動機(jī)開始工作，帶動滑門關(guān)閉。當(dāng)滑門即將到關(guān)閉位置時，后鎖撞到后鎖扣，滑門處于半關(guān)閉狀態(tài)，滑門驅(qū)動電動機(jī)停止動作，此時閉鎖電動機(jī)開始工作，將后鎖與后鎖扣鎖定，進(jìn)入二級鎖內(nèi)，滑門處于完全關(guān)閉狀態(tài)，同時前鎖和前鎖扣自動鎖定。

E4=D2×F2

(6)

式中，D2為煤炭開采全生命周期內(nèi)電力消耗量，MW·h；F2為電力的二氧化碳排放因子。

2.3.5 水資源消耗的碳排放計算

煤炭開采全生命周期內(nèi)，礦井降塵所消耗的清潔水資源的CO2間接碳排放量等于消耗的水資源量與其二氧化碳排放因子之積，計算公式為：

E5=D3×F3

(7)

式中，D3為煤炭開采全生命周期內(nèi)水資源消耗量，t；F3為水的二氧化碳排放因子。

3 煤炭開采全生命周期碳排放強度實例研究

3.1 礦井概況

M煤礦位于山西省臨汾市，是一座低瓦斯的井工煤礦，作為研究對象的工作面長為2400m，寬為180m，煤層平均厚度為2.85m，煤的平均密度為1.35t/m3，根據(jù)上述基本信息可以計算得出該工作面的煤炭總量為1662120t。M煤礦的年產(chǎn)量為120萬t，每年實際工作時間按360d計，則該工作面共需499d開采完成。M煤礦一個工作面的開采過程中，設(shè)備的安裝與撤回的時間各為半個月，在一年的生產(chǎn)中，掘進(jìn)的時間為11個月，回采的時間為10個月。

3.2 M煤礦碳排放核算數(shù)據(jù)說明

煤炭開采全生命周期的碳排放核算需要兩個方面的數(shù)據(jù)：一是活動水平數(shù)據(jù)，即煤炭開采過程中的能源消費量及產(chǎn)品的產(chǎn)量，該方面的數(shù)據(jù)通過對企業(yè)的調(diào)研得出；二是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，即在核算煤炭開采全生命周期的碳排放時所需要的各排放源的二氧化碳排放因子、二氧化碳及甲烷的全球增溫潛勢值(GWP)等，該部分?jǐn)?shù)據(jù)通過查閱國際、國內(nèi)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定。

在核算煤炭開采全生命周期的碳排放強度時，活動水平數(shù)據(jù)由M煤礦提供，電力、新鮮水的消耗量以及煤炭的產(chǎn)量根據(jù)M煤礦2021年的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)計算，由于該煤礦主要消耗的能源類型為電力，煤炭及燃油的消耗量非常小，因此在該案例的研究中，因化石燃料燃燒而產(chǎn)生的二氧化碳排放忽略不計，僅核算電力、新鮮水的消耗產(chǎn)生的CO2間接排放以及甲烷的逃逸排放。

本文的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的選擇方面，電力的二氧化碳排放因子采用山西省能源局提供的數(shù)據(jù)，電力排放因子取值為0.7399 tCO2/(MW·h)；新鮮水的二氧化碳排放因子參考王莉莉、劉靜靜[21，22]等人的研究成果，水的排放因子取值為2.12×10-4tCO2e/t；依據(jù)M煤礦實際情況，該煤礦屬于低瓦斯?jié)舛让旱V，因此煤炭中的甲烷含量選擇2006年IPCC清單中低甲烷排放系數(shù)，即10 m3/t；在20℃、1個大氣壓下甲烷的密度為6.7×10-4t/m3；甲烷的全球增溫潛勢值(GWP)為21，來源于《IPCC第四次評估報告》。為了使計算結(jié)果具有可比性，將二氧化碳的排放因子乘以其GWP值(CO2的GWP值為1)，將二氧化碳的排放量轉(zhuǎn)化為二氧化碳當(dāng)量。

3.3 M煤礦碳排放強度測算

表1 煤炭開采全生命周期電耗與CO2排放情況

從上述計算可以看出，在煤炭開采的全生命周期中，維持礦井正常運行的基礎(chǔ)電力消耗占煤礦生產(chǎn)用電的比重最大，此外，掘進(jìn)和回采的相關(guān)設(shè)備運行也是造成電力消耗的重要環(huán)節(jié)，分別占到了電力消費總量的14.74%和23.64%。因此，為減少煤炭開采的電力消耗，可以從加強礦井的用電管理和更換節(jié)能設(shè)備入手，降低礦井運行的電力消耗，進(jìn)而減少煤炭開采的二氧化碳間接排放。

根據(jù)前文所述，對M煤礦的碳排放研究包括消費電力和新鮮水的間接排放、甲烷的逃逸排放三個部分，結(jié)合上述數(shù)據(jù)和本文第三節(jié)所構(gòu)建的煤炭開采的全生命周期碳排放模型[式(1)—式(6)]，計算得到M煤礦煤炭開采的碳排放情況，結(jié)合煤炭產(chǎn)量數(shù)據(jù)可以計算得到碳排放強度。具體結(jié)果見表2。根據(jù)表2的計算結(jié)果可知，M煤礦煤炭開采的碳排放強度為0.321tCO2e/t，即該煤礦生產(chǎn)1t原煤會排放0.321t二氧化碳，從排放源的角度來看，電力的消耗排放二氧化碳占57.17%，新鮮水的消耗排放二氧化碳可忽略不計，甲烷逃逸排放量折合二氧化碳占42.82%。

從上述計算結(jié)果可以看出，電力消耗和甲烷的逃逸是造成井工煤礦碳排放的最主要因素，且電力消費的間接排放對煤炭開采過程的碳排放貢獻(xiàn)最大，通過節(jié)能設(shè)備和節(jié)能技術(shù)減少電力消費則能夠有效降低二氧化碳的間接排放；如果煤炭開采過程中的甲烷能夠合理地回收利用，將在減少礦山排放的同時提高安全水平和經(jīng)濟(jì)效益。

表2 煤炭開采碳排放強度

4 結(jié)論與建議

本文構(gòu)建了煤炭開采全生命周期的碳排放模型，并結(jié)合實際案例對煤炭開采全生命周期的碳排放強度及各環(huán)節(jié)的電力消耗情況進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

1)維持礦井正常運行的基礎(chǔ)耗電量占礦井工業(yè)用電比重最大。在煤炭開采的全生命周期內(nèi)，維持礦井的正常運行的基礎(chǔ)耗電量占礦井工業(yè)用電的58.13%，是煤炭開采全生命周期內(nèi)的最大的耗電項；除此之外，掘進(jìn)和回采的相關(guān)設(shè)備運行也是造成電力消耗的重要環(huán)節(jié)，分別占到了電力消費總量的14.74%和23.64%。

2)電力消耗和甲烷的逃逸是井工煤礦的主要排放源。且電力消費的間接排放對煤炭開采過程的碳排放貢獻(xiàn)最大，占煤炭開采全生命周期二氧化碳排放的57.17%，甲烷逃逸產(chǎn)生的碳排放占煤炭開采全生命周期二氧化碳排放的42.82%。

通過上述研究可以看出，在煤炭開采的全生命周期內(nèi)，電力消耗、甲烷逃逸及新鮮水的消耗等活動都會造成溫室氣體排放，因此，煤炭生產(chǎn)企業(yè)要實現(xiàn)節(jié)能減排和低碳發(fā)展，最終達(dá)成煤炭行業(yè)的“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)，就必須采取一系列措施實現(xiàn)煤炭生產(chǎn)的節(jié)能減排，一方面，要實施源頭治理，采用清潔生產(chǎn)方式。在煤礦設(shè)計、建設(shè)、生產(chǎn)等環(huán)節(jié)，全面采用低碳、清潔、安全、高效的生產(chǎn)技術(shù)工藝和裝備，從源頭減輕煤炭開采對生態(tài)環(huán)境的破壞。另一方面，要加強資源利用，將煤炭開采過程中產(chǎn)生的瓦斯、煤矸石、礦井水等各類副產(chǎn)品進(jìn)行資源化利用，實現(xiàn)煤礦廢棄物的減量化、資源化、無害化，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。