碳排放計算在礦山廠址方案比選中的應(yīng)用

羅飛，朱杰

(1.中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330038；2.江西省建筑技術(shù)促進中心，江西南昌 330000）

力爭2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和， 是我國基于推動構(gòu)建人類命運共同體的責(zé)任擔(dān)當(dāng)和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在要求作出的重大戰(zhàn)略決策，也是我國向世界作出的莊嚴(yán)承諾[1]。2021年10月以來，國家連續(xù)發(fā)布《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》《2030年前碳達峰行動方案》等頂層設(shè)計文件，對碳達峰、碳中和工作作出總體部署[2]。 目前,全國各省區(qū)、各行業(yè)均積極響應(yīng)行動，開展碳排放計算、降碳路線圖等多方面的研究。

礦石開采需要大量的能源,包括電力、燃料等。這些能源的生產(chǎn)和使用都會產(chǎn)生大量的二氧化碳。因此，最優(yōu)的廠址方案是確保礦山項目開發(fā)成本低、開采效率高的基礎(chǔ)。 而傳統(tǒng)的廠址比選多側(cè)重于基建工程量和運營成本的計算， 最終反映在費用現(xiàn)值的比較。本文將以廣西某鎢礦為例，擬從碳排放量的角度進行廠址方案比選。

1 項目概況

1.1 建設(shè)條件

本礦山位于廣西壯族自治區(qū)博白縣城。 礦區(qū)村級水泥路通往附近的村莊，道路寬約4 m，里程長約4 km。從博白縣經(jīng)三育村至陸川縣有二級公路相通，里程約37 km。 陸川縣內(nèi)有黎湛鐵路經(jīng)過，礦區(qū)交通條件較為便利。

礦區(qū)現(xiàn)有供電能力無法滿足礦山生產(chǎn)需要，需從博白縣城引入35 kV 供電線路至礦區(qū)， 并在礦區(qū)新建1 座35 kV 變電站。礦山下方附近有木垌灣河，距選廠約200 m，水質(zhì)、用水量均滿足礦山建設(shè)需要，可作為新建礦山水源。

1.2 自然條件

礦區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫暖潮濕，雨量充沛。年平均氣溫在22～23 ℃，最高溫度為38.9 ℃，最低溫度為2.1 ℃。 平均年降雨量為1 796.7 mm，降雨集中在每年4～8 月份。 礦區(qū)處于北回歸線以南的低緯度，境內(nèi)上空受東亞季風(fēng)環(huán)流控制。常年主導(dǎo)風(fēng)向為北風(fēng)和東北風(fēng)。 礦區(qū)屬低山地貌， 地形較為陡峻，坡度多在30 °～40 °之間。 山脈總體呈北東走向，地勢南部稍高， 北部略低。 最高點位于礦區(qū)西南邊部，海拔276.8 m，最低點位于礦區(qū)北部，海拔約110 m。礦區(qū)浮土覆蓋層厚，基巖出露差。礦區(qū)內(nèi)主要水系為木垌灣河，由南向北流經(jīng)礦區(qū)中部。礦區(qū)內(nèi)場地巖性復(fù)雜，巖石風(fēng)化、巖溶作用強烈，工程地質(zhì)條件較復(fù)雜。礦床水文地質(zhì)類型屬于巖溶溶隙溶洞充水、頂?shù)装逯苯舆M水的礦床。 礦體埋藏在當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以下，受河水潰水嚴(yán)重威脅。

1.3 建設(shè)規(guī)模

該項目的業(yè)主為中型采選聯(lián)合企業(yè)，以鎢礦地下開采生產(chǎn)為主，生產(chǎn)規(guī)模為原礦2 kt/d，服務(wù)年限為21 a。本項目主要是為選礦工業(yè)場地進行選址。至2021年， 礦山已開采約1 a， 礦權(quán)范圍內(nèi)已形成斜井、選廠、尾礦庫、生活辦公樓及現(xiàn)狀道路等設(shè)施。其中，選廠無法利用、斜井工程暫不利用；尾礦庫和生活辦公樓需改造后再利用。另外，本次地下開采需新建設(shè)施：混合井，提升機房，采、選工業(yè)場地，廢石場，炸藥庫，充填站及部分聯(lián)絡(luò)道路等。

2 廠址方案

廠址的選擇是一項僅次于生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)品方案且與采選工藝方案關(guān)系緊密的、多學(xué)科（專業(yè)）系統(tǒng)論證、優(yōu)化的綜合性重大技術(shù)經(jīng)濟方案。本項目的選址主要為選礦工業(yè)場地的廠址選擇。 通過對現(xiàn)場地形初步踏勘和研究，結(jié)合礦山的運輸，供水、供電等外部條件和采、選工藝流程配置要求，本項目在廠址選擇時，擬定了4 個方案進行比較分析。

1）方案一：新建選礦工業(yè)場地位于現(xiàn)有選廠附近，距離采坑約1.3 km。 混合井位于新選廠南側(cè)，井口標(biāo)高為+230 m， 回風(fēng)井位于礦體下盤6～8 線，井口標(biāo)高為+155 m， 利用已有的斜井作為輔助進風(fēng)井和安全出口。該場地現(xiàn)狀已部分平基，且有現(xiàn)狀道路可以利用。 該方案配套廢石場為位于混合井以北約0.25 km 的1#廢石場。 該方案的優(yōu)點是廠址位于木垌灣河西側(cè)， 物料運輸距離近， 且無需跨越木垌灣河；利用部分原有場地，可節(jié)省一定的土方平整和新建道路工程量；距離現(xiàn)狀尾礦庫近，近期尾礦運距相對較小；距離現(xiàn)有辦公樓較近，利于集中管理。 缺點是原礦運距超過1 km，需增加1 個井下生產(chǎn)安全出口，增加投資。

2）方案二：場址擬選擇位于礦體西南方向約0.8 km，木垌灣河西側(cè)，0 線附近的一處山坡。 混合井位于0 線西側(cè)，選廠南側(cè)，井口標(biāo)高為+220 m，回風(fēng)井位于礦體下盤18 線附近， 井口標(biāo)高為+190 m。該廠址現(xiàn)狀基本為林地，自然坡度大約為22 °。該方案配套廢石場為位于混合井西南方向約0.65 km 的2# 廢石場。 該方案的優(yōu)點是廠址位于木垌灣河西側(cè)，物料運輸距離較近，且無需跨越木垌灣河；距離現(xiàn)狀辦公樓較近，利于集中管理；可兼顧遠期南部資源開發(fā)；該廠址所在山坡較為開闊，坡度相對較緩，適合重選工藝選礦工業(yè)場地布置； 距離二期梧坡垌尾礦庫較近。缺點是中段石門略長，原礦運輸距離稍遠；距離一期現(xiàn)狀尾礦運輸距離相對較遠。

3）方案三：場址擬選擇在礦體東南部約0.6 km，礦體下盤16 線附近。 混合井位于16 線附近選廠南東側(cè)， 井口標(biāo)高+230 m， 回風(fēng)井位于礦體下盤6～8線，井口標(biāo)高+155 m，利用已有斜井承擔(dān)礦區(qū)北部污風(fēng)的排放任務(wù)，并作為井下安全出口。該廠址現(xiàn)狀基本為林地，自然坡度大約為24 °。該方案配套廢石場為位于混合井以北約0.32 km 的3#廢石場。 該方案的優(yōu)點是原礦運輸和廢石運輸距離相對較近。 缺點是廠址位于木垌灣河?xùn)|側(cè)，物料運輸距離較遠，且需跨越木垌灣河；距離近期和遠期尾礦庫均較遠。

4）方案四：場址擬選擇在礦體南部約0.68 km、木垌灣河?xùn)|側(cè)6 線附近的一處山坡。 混合井位于6線附近選廠南側(cè)，井口標(biāo)高+210 m，利用已有的斜井作為回風(fēng)井。該廠址現(xiàn)狀基本為林地，自然坡度大約為25 °。受地形條件和征地拆遷條件限制，該方案周邊無適宜地配套廢石場， 僅能利用3#廢石場進行廢石堆存。該方案的優(yōu)點是原礦運輸相對較近，土方工程量相對較小。缺點是廠址位于木垌灣河?xùn)|側(cè)，物料運輸距離較遠，且需跨越木垌灣河；附近沒有合適的配套廢石場，廢石運輸距離很遠。

具體廠址總平面布置方案見圖1。

圖1 廠址總平面布置方案

3 碳排放量計算

本次廠址方案的比選將對由于廠址不同而導(dǎo)致基建工程和生產(chǎn)運營的碳排放（可比部分）差異進行計算，找出碳排放量最小的廠址方案。 其中，基建工程（可比部分）分為地下工程和地面工程，生產(chǎn)運營（可比部分）分為原礦及廢石的運輸和尾礦輸送。 根據(jù)各廠址方案預(yù)估的工程量或運營消耗， 換算出相應(yīng)的能源消耗量（可比部分）。

3.1 地下基建工程（可比部分）碳排放計算

地下基建工程分為開鑿和支護兩部分。 1）開鑿工程包括鉆孔、爆破、開挖、運渣等多道工序，本次研究將開鑿各工序使用的能耗等價為柴油用量后，進行碳排放計算。 根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，每開鑿1 m3需要消耗1.5 L（1.245 kg）柴油，根據(jù)《IPCC 國家溫室氣體指南》（2006年） 中柴油的碳排放因子為0.592 1 kgCO2e/kg[3]，則可確定開鑿工程的碳排放因子為0.592 1 kgCO2e/kg。2）支護工程主要使用鋼筋混凝土作為加固， 支護工程碳排放量使用鋼筋混凝土的碳排放因子295 kgCO2e/m3進行計算。

結(jié)合各廠址方案的地下工程基建工程量（可比部分）計算出碳排放量如表1 所示。

表1 地下基建工程開鑿部分、支護部分（可比部分）工程量及產(chǎn)生碳排放量

3.2 地面基建工程（可比部分）碳排放計算

地面基建工程（可比部分）主要包括土石方工程和場地（路面）硬化兩個部分。

1）土石方工程碳排放計算。 土石方工程部分碳排放主要由土石方開挖碳排放和運輸碳排放組成。根據(jù)研究顯示，土石方工程中每開挖1 m3的土產(chǎn)生6.294 6 kg 二氧化碳排放[4]?！吨袊煌觇b2011》中表示， 公路運輸每運輸10 kt 的貨物消耗的柴油為655.7 kg/km。 各廠址方案中的棄方均采用自卸車運至排土場，運輸距離1 km，土方密度暫按1.3 t/m3考慮。 不同方案土方工程碳排放量，如表2 所示。

表2 土石方工程量及產(chǎn)生碳排放量（運距/km）

2）場地（路面）硬化碳排放計算。 礦區(qū)場地（路面）硬化采用瀝青表面處置路面：3 cm 瀝青碎石表面處置+20 cm 水泥穩(wěn)定碎石基層+20 cm 級配碎石下基層+15 cm 天然砂礫墊層。 根據(jù)《江西省市政工程消耗定額及統(tǒng)一基價表》中主要材料用量、筑路設(shè)備（如壓路機、攤鋪機、裝載機）的臺班數(shù)，通過查詢住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部《建設(shè)工程施工機械臺班費用編制規(guī)則》（建標(biāo)[2015]34 號）[5]中常用施工機械臺班能源用量， 可以換算出不同筑路設(shè)備每單位臺班的柴油用量。 每100 m2礦區(qū)場地 （路面） 硬化將產(chǎn)生471.91 kg，具體材料用量、機器臺班數(shù)及碳排放量如表3 所示，不同廠址方案的場地（路面）硬化碳排放量如表4 所示。

表3 每100 m2 場地（路面）硬化碳排放量

表4 不同方案路面硬化碳排放量

3.3 生產(chǎn)運營部分（可比部分）碳排放計算

總圖運輸?shù)膹S址比選中， 生產(chǎn)運營方面比選重點是內(nèi)外部運輸、外部供水、外部供電等方面。 由于本次4 個選礦工業(yè)場地廠址均在礦體附近， 外部供電線路的長度差距較?。ǎ? km），因此供電線路長度不同而帶來的輸電線損差異較小，導(dǎo)致外部供電的碳排放差異的可比性不足。故本次生產(chǎn)運營（可比部分） 碳排放計算主要對不同場址的內(nèi)外部運輸和外部供水的碳排放進行計算和比選，其中內(nèi)部運輸主要又分為原礦及廢石的運輸和尾礦輸送兩部分。

1）原礦及廢石運輸碳排放計算。

各廠址方案的原礦及廢石運輸均主要使用多繩摩擦式提升機配合電機車牽引礦車進行運輸。 原礦可由電機車直接運至選礦工業(yè)場地， 廢石還需利用汽車二次倒運至排土場。 故原礦及廢石運輸?shù)闹饕茉聪臑殡娔?，及少量柴油消耗。該項目每年約產(chǎn)生85 800 t 廢石， 但不同廠址方案廢石運輸距離不同。 2021年，國家生態(tài)環(huán)境部就《企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南發(fā)電設(shè)施（2021年修訂版）》征求意見， 此次修訂將全國電網(wǎng)平均排放因子調(diào)整為最新的0.583 9 kgCO2/kWh。 結(jié)合汽車運輸?shù)牟裼拖模?不同廠址方案在原礦及廢石運輸部分碳排放量（可比部分）如表5 所示。

表5 原礦及廢石運輸碳排放量（可比部分）

2）尾礦輸送碳排放計算。

尾礦輸送均采用泵送，主要能源消耗為電能。不同廠址方案的尾礦輸送距離不同， 導(dǎo)致電能消耗的差異。不同廠址方案在尾礦輸送部分碳排放量（可比部分）如表6 所示。

表6 尾礦輸送碳排放量（可比部分）

3）外部運輸碳排放計算。

礦山的外部運輸總量約為73 kt/a， 均采用汽車運輸。 根據(jù)《中國交通年鑒2011》中表示，公路運輸每運輸10 kt 的貨物1 km 消耗的柴油為655.7 kg。根據(jù)各廠址方案距離同一外部接駁點的距離不同，測算出不同方案的外部運輸碳排放量（可比部分）如表7 所示。

表7 外部運輸碳排放量（可比部分）

4）外部供水碳排放量計算。

新水輸送均采用泵送，主要能源消耗為電能。水源地的位置和標(biāo)高是相同的， 但不同廠址方案的新水輸送距離和高度不同，導(dǎo)致電能消耗的差異。不同廠址方案在新水輸送部分碳排放量（可比部分）如表8 所示。

表8 新水運輸碳排放量（可比部分）

3.4 不同廠址方案碳排放量

通過將地下基建工程、 地面基建工程和生產(chǎn)運營3 個階段的碳排放量相加， 可以得到不同廠址方案的碳排放量，如表9 所示。

表9 各廠址方案碳排放（可比部分）比較kg

由表9 可得，方案二的碳排放總量最低。這與計算投資和運營費進行對比所得出的結(jié)論一致。 各廠址方案投資及費用比較見表10。

表10 各廠址方案投資及費用（可比部分）比較萬元

4 結(jié)論

在全社會節(jié)能減排、 促進經(jīng)濟社會綠色轉(zhuǎn)型的大環(huán)境下， 將碳排放計算引入礦山項目的廠址比選設(shè)計中，對促進這礦山企業(yè)的節(jié)能減排、建設(shè)綠色低碳礦山具有重大意義。 本文通過對由廠址方案不同而變化的主要基建工程量（可比部分） 和運營成本（可比部分）梳理，測算、收集了主要工程量營運成本的碳排放因子， 并通過計算、 對比找出最優(yōu)廠址方案。通過計算過程可以看出，礦山項目的碳排放量與基建工程量和生產(chǎn)運營能耗呈絕對正相關(guān)性， 即基建工程量越大、 生產(chǎn)運行能耗越高， 則碳排放量越大，反之亦然。

在礦山總平面設(shè)計的時， 從滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求出發(fā)，充分利用現(xiàn)有的地形地貌等自然條件，有序規(guī)劃、合理進行布置，找到最優(yōu)的廠址方案和最合理總平面布置方式， 不僅僅是節(jié)省建設(shè)投資和生產(chǎn)成本的需求，也是降低礦山建設(shè)能耗強度、促使二氧化碳排放強度持續(xù)下降， 確保工業(yè)領(lǐng)域二氧化碳排放在2030年前達峰的有效措施。