減少溫室氣體排放的煤炭開采碳足跡探討

劉守全

（江煤貴州礦業(yè)集團有限責任公司， 貴州 貴陽 550000）

0 引言

人為活動影響生態(tài)、環(huán)境狀況和氣候變化，從而對世界人口的健康產生負面影響，縮短健康預期壽命，增加死亡率，惡化生活條件。人類活動產生的有毒排放物是造成環(huán)境變化的主要原因之一。自然溫室效應為地球上生命的形成和保存創(chuàng)造了必要的環(huán)境，但它的增加破壞了區(qū)域和全球層面生態(tài)系統過程的平衡。

人類活動直接或間接產生的所有溫室氣體排放總量通常被稱為碳足跡，碳足跡以二氧化碳當量（CO2e）表示，通過將特定溫室氣體的質量乘以其全球變暖潛勢，它被認為相當于二氧化碳。不同的國家和不同的國際組織都有不同的規(guī)定計算碳足跡的方法，但目標是相同的——減少溫室氣體的負面影響。

煤礦開采釋放出的甲烷被困在煤炭和周圍的地層中，美國環(huán)境保護署預測，到2030 年，全球煤礦的甲烷排放量將超過7.843 億t 二氧化碳當量。中國將占總數的55%以上，其次是美國（約10%）、俄羅斯（約7%）、澳大利亞（約5%）、烏克蘭、印度和哈薩克斯坦（各約3%～4%）。全球排放量的變化主要是由煤炭使用的變化引起的，而石油和天然氣使用的增長在20 世紀70 年代石油危機之后的1980 年以來并沒有減弱。煤炭開采、加工企業(yè)和煤炭作為燃料的使用是溫室氣體的來源之一，同時煤塵污染環(huán)境，向地下水排放有毒元素等。許多分析人士認為，煤炭的使用可能已經達到頂峰。全球煤炭使用量的峰值在很大程度上取決于我國，我國占全球煤炭原材料使用量的50%。據預測，我國的經濟和社會發(fā)展將在未來十年左右依賴煤炭。本研究旨在評估煤炭行業(yè)的現狀，通過碳足跡研究煤礦企業(yè)對環(huán)境的影響程度，并考慮減少煤炭開采和使用所產生的負面后果的可能方法。

1 采煤業(yè)概況

世界上主要的煤炭開采國包括中國、美國、印度、澳大利亞和俄羅斯，除南極洲外，所有大陸都有已知的煤炭儲量，但分布不均勻，北半球儲量最高。但全球90%的煤炭儲量集中在10 個國家（美國、俄羅斯、澳大利亞、中國、印度、印度尼西亞、德國、烏克蘭、波蘭和哈薩克斯坦）。黑煤的主要消費國是中國、美國、印度、南非、烏克蘭、波蘭和俄羅斯，褐煤的主要消費國是德國、中國、俄羅斯和美國。全球煤炭生產的規(guī)模與全球煤炭消費的規(guī)模大致相當。

1.1 煤炭工業(yè)生命周期的碳足跡

經濟、科技的發(fā)展人口的增長和煤炭消費不斷增加對環(huán)境造成了破壞。煤炭開采作為煤炭消費的主要環(huán)節(jié)，在煤炭消費產生的碳排放總量中占有重要地位。隨著技術的不斷發(fā)展，煤礦地下開采的過程正逐步實現機械化，向綜采煤礦技術轉變，目前已被廣泛應用。地下煤礦開采產生的二氧化碳排放的主要來源包括能源利用、溫室氣體排放、煤炭自燃、廢石和原煤等。

地下煤礦開采產生的二氧化碳排放的主要來源包括能源利用、溫室氣體排放、煤炭自燃、廢石和原煤等。通常，煤礦中自發(fā)加熱引起的火災是由于煤層、儲存區(qū)或運輸過程中緩慢氧化造成的，煤在氧化過程中發(fā)生自發(fā)加熱，其速率隨溫度的升高而增加。煤低溫氧化初期的氣態(tài)產物為CO、CO2和H2O，當溫度升高時，CH4、H2和其他低分子量的碳氫化合物被釋放出來。對煤炭自燃氣體排放及其對環(huán)境的影響進行了一些研究，由于燃燒產生的許多氣體是在傳統的煤炭開采過程中形成的，但這些氣體的濃度隨環(huán)境變化而變化，因此沒有統一的方法來評估煤炭氧化過程中的溫室氣體排放。

輔助元素也是二氧化碳排放的來源，如排水系統、通風系統、員工每天的能源消耗、辦公空間消耗、運輸系統等。在露天煤礦開采中，必須考慮到產生二氧化碳排放的以下幾個階段：露天煤礦采區(qū)調查、技術材料（混凝土、鋼材等）的使用以及適當的機器（筑路機、挖掘機等），需要考慮現場破碎、裝車、運輸、頂板固定、處理煤等過程，所有的過程都會產生大量的二氧化碳。

機械的使用和煤氣出口是該礦碳排放的主要來源：工作面廣泛采用耗電的噴淋式泵站，減少粉塵量，產生溫室氣體排放；在地下煤礦開采過程中，甲烷會泄漏；爆破的性能導致了一定的碳排放。每噸煤的碳排放量為29.196 t，運輸占地下煤礦總碳排放量的29%。煤炭企業(yè)需要通過礦井產生的甲烷二次利用來發(fā)電，并利用這些甲烷進行各種技術創(chuàng)新。

1.2 企業(yè)用煤對環(huán)境的負面影響

盡管國際社會在努力減少碳足跡，但燃煤電廠對環(huán)境的負面影響仍然很大。煤電廠嚴重污染飲用水和地下水，在煤礦附近的鄰近河流在季風季節(jié)可能受砷、鉻、錳污染，旱季可能受砷、鉻、錳、鉛、鎳污染；地下水可能受到鉻、鉛、錳的污染，這些因素的存在對人的健康產生不利影響。

煤炭企業(yè)排放的廢棄物對土壤造成了嚴重的污染，Zhang 對煤礦廠區(qū)土壤進行了評估，測定了6 種重金屬（As、Pb、Cu、Zn、Mn 和Cd）及其潛在的環(huán)境風險，結果表明，鎘、砷污染較為嚴重。砷、鉛和鎘的積累主要與人為來源有關，包括煤礦開采和燃燒，以及工業(yè)廢氣排放。Cu、Mn、Zn 主要來源于源物質（自然源），采礦改變了土壤的pH 值，土壤要么變成酸性，要么變成堿性，這使得植物和一些土壤微生物無法維持最佳的生存條件。

礦區(qū)的增加相應地減少了自然景觀，人口過剩加上農業(yè)面積的減少，加劇了糧食生產問題。因此，Li 研究發(fā)現，在燃煤電廠附近種植的79%的蔬菜和67%的谷物中，汞含量超過了PTWI 食品安全標準，對當地居民的健康構成了重要威脅。與其他類型的工作相比，礦工患職業(yè)病的風險更高，尤其是呼吸系統疾病，職業(yè)病的風險不僅限于地下礦工，也延伸到露天礦工人。因此，發(fā)展創(chuàng)新現代化技術旨在減少煤炭企業(yè)有毒、致癌物質的排放。

2 減少煤炭企業(yè)對環(huán)境影響的措施

從開采到生產的所有階段，煤炭都是溫室氣體的排放源。有兩種方法可以解決碳足跡問題，即減少產生溫室氣體排放的生命過程的數量，或者消除這些排放。國際社會對碳足跡問題的態(tài)度模棱兩可，一方面，他們提出了嚴厲的措施——完全不使用煤炭和一般的碳氫化合物，轉而使用替代能源（太陽能、風能等）；另一方面，作為溫室氣體主要排放國之一，美國認為沒有必要支持《巴黎協定》，于2017 年退出了《巴黎協定》。根據EPA 的數據，在過去20 年中，美國煤炭部門的甲烷排放量減少了40 Tg 二氧化碳當量（CO2e）。人們認為，這種減少是由于煤炭產量的減少和地下開采向露天開采的過渡。煤炭進出口雙方的大多數人都同意：減少恢復環(huán)境措施的負面影響，因為大多數技術過程中的二氧化碳捕獲技術都是相當昂貴的。持減少觀念的人認為對環(huán)境的影響有許多不同的方法，方法可按應用區(qū)域（大氣、水體和水生生物資源）和影響目標（生產或消費廢物管理領域、土地復墾和保護、以及生物多樣性保護的一般方法）。

在Holl 的工作中，制定了標準，對其進行評估是選擇填海方法所必需的：恢復的目的（生態(tài)和社會）、周邊景觀、生態(tài)系統穩(wěn)定性（生態(tài)系統在遭受破壞后恢復其原有結構和功能的程度和速度）、資源（修復的估計成本）。復墾方法分為物理、化學和生物三種，值得注意的是，這些方法結合使用效果最好，而不是單獨使用。

物理方法（物理- 機械）旨在減少侵蝕，減少土壤壓實同時提高其質量，為植被恢復創(chuàng)造條件。例如，這種方法是通過向土壤施用有機肥料（堆肥和石灰石）來實現的，并施用從附近地點帶來的肥沃土壤?；瘜W方法的目的是去除土壤中的污染物并恢復其pH值。大多數情況下，化學方法與物理方法密切相關。因此，化學方法包括向土壤中引入化肥（（氮、磷、鉀）和重要微量元素（鋅、銅、石灰等）。在物理和化學方法中，利用生物煤是一個很有前途的方向。生物煤是一種通過熱解獲得的添加劑（原料在低氧含量的環(huán)境下在300～800 ℃的溫度下加熱），向土壤中添加生物煤有助于碳捕獲，增加土壤的pH 值，減少可溶性宏量營養(yǎng)素的淋失。換句話說，生物炭有可能增加土壤中的碳儲量，提高其肥力，保持土壤生態(tài)系統的平衡，為增加產量開辟了前景。

生物方法（植物修復）建議將微生物或綠色植物引入土壤中，以進行植物提取和植物穩(wěn)定。結果表明，該方法改善了土壤質量，加快了植被的恢復。Bolan 將植物提取（包括植物對重金屬的吸收和轉運）和植物穩(wěn)定（植物和土壤添加劑通過根、芽或根際沉積的吸收和積累來固定重金屬）描述為植物修復階段。Masha還區(qū)分了根過濾和植物揮發(fā)，指出了植物提取的有效性。Mirza 綜述了五種植物修復技術的特點。草、灌木、樹木都可以作為復墾的植物對象，Li 提出使用土壤的本地代表作為開墾的植物對象，因為首先它們更有活力，其次外來植物物種會嚴重改變當地的生態(tài)系統。文獻還研究了大麻（Cannabis sativa L.）對賓夕法尼亞州廢棄煤礦土壤的生長和恢復能力，結果表明，這些植物對重金屬具有較高的耐受性，這決定了它們在開墾荒地上的應用前景。

然而，令人擔憂的是，受干擾土地上的植物在吸收了重金屬后，可能通過進入動物體內而產生毒性作用。Bilski 研究表明，大麥、高粱、油菜籽、油菜、苜蓿和多年生黑麥草不積累金屬，適合開墾受干擾的土地，這些植物生長在添加了煤灰的營養(yǎng)培養(yǎng)基上。研究發(fā)現，大麥和蘇丹草即使生長在含有100%煤灰的培養(yǎng)基上，也不會積累有毒的重金屬。

3 結論

在未來幾十年里，完全放棄包括碳氫化合物在內的化石燃料作為一種能源是不可能的。盡管幾十年來一直在解決碳足跡問題，但仍然沒有一個通用的方法。對包括煤礦企業(yè)在內的企業(yè)提出了建議，但是沒有一種完全禁止的方法是有效的。解決之道在于和諧，在于實現溫室氣體排放與沉積之間的平衡。在這種情況下，生物回收方法是最好的選擇。碳多邊形或者農場技術具有一定的發(fā)展前景，但其技術的發(fā)展需要對生物回收的各個階段進行全面的研究。