我国地下煤矿温室气体溢散排放研究

张晓慧 刘金平

(中国矿业大学管理学院,江苏省徐州市,221116)

我国地下煤矿温室气体溢散排放研究

张晓慧 刘金平

(中国矿业大学管理学院,江苏省徐州市,221116)

根据我国地下煤矿温室气体溢散排放的构成,构建了计算模型;用替代法计算了缺失数据,确保了时间序列的完整性;提供了减少我国地下煤矿温室气体溢散排放计量不确定性的方法。

煤矿 温室气体 溢散排放 不确定性

煤矿区既是能源生产基地,又是耗能大户,也是重要的温室气体排放源。煤矿区温室气体排放主要包括使用能源(电、化石燃料等)带来的碳排放和煤炭开采加工过程中的溢散排放。甲烷(CH4)是煤炭开采加工过程中溢散排放的主要温室气体,一般来说,深层煤所含的甲烷要比浅层煤多,因此,大多数溢散排放来自深层的地下煤矿。目前国内外对地下煤矿溢散排放的研究还很少,对其排放源和排放机理还不清晰,更没有建立系统的地下煤矿溢散排放核算模型。本文从地下煤矿温室气体溢散排放构成角度,建立了地下煤矿温室气体溢散排放计量模型,并且研究了缺失数据和减少溢散排放计量不确定的方法,对于煤炭行业计量溢散排放具有一定的借鉴意义。

1 地下煤矿溢散排放的构成

溢散排放是煤矿区温室气体排放中最难以衡量和计算的部分。煤矿区温室气体的溢散排放是指煤矿采掘、加工、存储和运输过程中,温室气体有意或无意的释放。在煤矿溢散排放中,煤层气(主要是CH4和CO2)是主要的温室气体来源。其产生于煤生成的地质过程中,封固在煤层里,直到采掘过程中煤层暴露和破碎时,才释放到大气当中。地下煤矿溢散排放的主要构成为:

(1)采掘排放:煤炭采掘操作期间破碎煤层及周围层存储气体的排放。

(2)采后排放:在煤的后续处理、加工和输送期间产生。已经采掘出的煤,通常还会继续排放气体,不过比煤层破碎阶段的排放慢。

(3)废弃矿井溢散排放:采掘停止后,废弃煤矿可能还会继续排放甲烷。

(4)甲烷的回收及燃烧:甲烷的回收利用以及燃烧会减少温室气体的排放。

所以,地下煤矿溢散排放的量为:

式中:Y——地下煤矿温室气体总的溢散排放量;

Y1——采掘过程中通风和排气系统排出的温室气体;

Y2——采掘之后煤矿温室气体的溢散排放;

Y3——废弃的地下煤矿缓慢的温室气体溢散排放量;

Y4——甲烷的回收及燃烧减少的碳排放量。

1.1 采掘中煤层气排放

地下开采的碳排放量主要来自通风和排气系统。对于井下开采的煤矿企业来说,出于安全考虑,都会对特定矿井通风和排气系统的数据进行现场测量。有些煤矿通风和排气系统测量数据不可获取,如果该煤矿与有测量数据的煤矿在同一区域,则可以通过可测量煤矿区域的排放速率、甲烷浓度和原煤产量来估算其碳排放因子。排放因子能反映煤炭实际开采过程中的平均甲烷含量。

式中:E——某煤矿开采中碳排放因子;

Gi——特定煤矿的原煤产量;

vi——特定煤矿的通风与排气排放速率;

n——矿井个数;

ci——排除的气体中甲烷浓度,ci=f hi,hi为特定煤矿的深度。

由排放因子就可以得出该部分排出的温室气体量:

式中:G——地下原煤产量;

σ——单位转换因子,指CH4密度,可将CH4体积转换为CH4质量,在20°C、1个大气压的条件下,此密度取值为0.67×10-6Gg/m3;

A——温室气体的预设GWP值,即单位体积的CH4产生的温室效应是CO2的24.5倍。

排放因子不可测量和估算时,采用统一标准:平均开采深度小于200 m时,采用低CH4排放因子10 m3/t;平均开采深度在200～400 m之间,采用CH4排放因子18 m3/t;平均开采深度大于400 m时,采用高CH4排放因子25 m3/t。

1.2 采掘后煤层气排放

开采后的煤炭仍有温室气体逸出,并最终排入到大气。这部分的溢散排放包括煤被采掘之后、携带到地表和随后加工、存储及运输排放的CH4及CO2。对开采活动后排放量进行测量是不可行的,因此必须采用排放因子的方法,计算公式如下:

式中:EA——采掘后煤矿碳排放因子。

估算开采后排放要考虑煤的现场气体含量。对来自地下煤矿开采之前未除气的运送煤测量表明,25%～40%的现场气体仍保留在煤中。对于进行了预排气的煤矿,煤里的气体数量将小于现场值,小于量不明。对于没有预排气的煤矿,但已知现场气体含量,开采后排放因子可设置为现场气体含量的30%;对于预排气的煤矿,建议排放因子为现场气体含量的10%。如果没有现场的气体含量数据或预先排气系统已经运行,但并不知道运行到什么程度,合理的方法是将地下开采的总排放量提高3%。

1.3 废弃地下煤矿温室气体排放

目前还没有现成的方法估算此类排放源类别的排放量。对于被水淹没的煤矿,排放量几乎不会发生,而被机械封存的煤矿可能出现少量的泄漏。好的做法是记录被关闭矿井的时间和封存的方式,有关这类矿井大小和开采深度的数据,对于在此之后的任何估算都将是有用的。

式中:n——仍未淹没的废弃煤矿数量;

q——瓦斯矿的比例;

v——气体平均排放速率;

EF——废弃地下煤矿的排放因子;

a、b——常量,决定下降曲线,不同的国家和区域采用不同的值;

T——煤矿废弃后的年数。

1.4 甲烷的回收及燃烧后的温室气体排放

正在开采或废弃的地下煤矿排出的甲烷,可以直接排放到大气中,也可以从下水道、通风气或废弃煤矿中作为天然气资源回收并利用,亦或经过无任何利用的喷焰燃烧或催化氧化转化成CO2(单位体积的CO2产生的温室气体效应小于CH4),这样造成的温室增温趋势要低一些。

式中:MCO2——甲烷燃烧产生的CO2排放,Gg/a;

MCH4——未燃甲烷的排放,Gg/a;

V——指喷焰燃烧的甲烷量,m3/a;

p——化学计量质量因子,是单位质量甲烷完全燃烧产生的CO2的质量比率,等于2.75。

甲烷从煤层中抽放,然后燃烧或作为燃料利用,应从估算的排放总量中扣除这部分数量。无法直接获得煤矿企业甲烷利用量数据时,可以利用销售的气体量来代替。如果销售量也无法获得,可以选择从抽放系统已知的效率规范来估算甲烷的利用量,因此甲烷的回收及燃烧减少的碳排放量是:

式中:VR——指回收的甲烷体积,m3/a。

2 时间序列的完整性

时间序列是温室气体排放清单的关键组成部分,它为国家减排战略实施提供历史资料并反映减排实施效果。地下开采煤矿区溢散排放的时间序列中所有排放估算都应当保持一致,对所有年份尽可能应用同样的方法和数据来源计算。

对于煤矿区溢散排放的计算,必须计算具有测量数据年份的碳排放因子,再根据其排放因子计算煤矿区溢散排放量。对于煤矿区溢散排放量时间序列挖掘过程中的缺失值用替代方法进行处理,将溢散排放量与基础活动或其他指示性数据相联系,即温室气体溢散排放量与原煤产量相关联,用煤矿区原煤产量数据的变化模拟煤矿溢散排放量。

式中:Yj——数据缺失年份的溢散排放量;

Yi——第i年的溢散碳排放量;

Ys——已知数据年份中的任意一年的溢散排放量;

Gi——第i年的原煤产量;

Gs——已知数据年份中的原煤产量;

Gj——数据缺失年份的原煤产量;

ε——误差项,使用多年数据多次计算会更精确。

3 减少不确定性

地下煤矿产生的碳排放具有很大的天然可变性,这归咎于开采速率和气体排除速率的变化。减少其不确定性的方法:

(1)由于煤产量速率和相关排除的变化,一年当中的排放不尽相同,所以尽可能频繁地、最好是每两周或每月收集测量数据,以消除变化。每日测量会确保更高质量的估算。连续监测排放是排放监测的最高阶段,已在一些现代长壁矿中实施。

(2)确保仪器仪表准确地定位和校准,可以通过以下方法减少测量误差:使用更精确的测量方法,避免简化假设,以及确保适当使用和校准测量科技。

(3)在测量和调查过程中,收集尽可能多的数据。增加样品大小,可以减少与随机取样误差相关的不确定性。填补数据漏缺可以减少偏差和随机误差。

煤矿的温室气体溢散排放基于特定煤矿信息(包括现实排放速率和煤矿关闭日期)。尽管估算的各矿温室气体排放的不确定性范围可能很大(±50%范围),但根据中心极限定理,假设不确定性是独立的,将足够数量各矿排放的不确定性范围相加,实际会缩小最终清单不确定性的范围。

4 结论

(1)分析了地下煤矿温室气体溢散排放的构成,包括开采过程中的温室气体溢散排放、采后排放、废气煤矿的溢散排放、甲烷的回收利用及燃烧等。

(2)建立了地下煤矿温室气体溢散排放计量模型,给出了各排放源的排放计量方法,并参考IPCC温室气体计算指南将地下煤矿生产过程中排放的其他温室气体折合成为CO2进行综合计量。

(3)为了确保地下煤矿温室气体溢散排放清单的完整性,建立了估算缺失数据的模型。

(4)提出了3种减少地下煤矿温室气体溢散排放计量不确定性的方法。

[1] Intergovernmental Panel on Climate Change(IPCC)(1997).Revised 1996 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories,J.T.Houghton et al.,IPCC/OECD/IEA,Paris,France,1997

[2] IPCC.Good Practice Guidance and Uncertainty Management in National Greenhouse Gas Inventories,Penman,J.,Kruger,D.,Galbally,I.,Hiraishi,T.,Nyenzi,B.,Emmanuel,S,Buendia,L.,Hoppaus,R.,Martinsen,T.,Meijer,J.,Miwa,K.and Tanabe,K.(Eds).Intergovernmental Panel on Climate Change(IPCC),IPCC/OECD/IEA/IGES,Hayama,Japan,(2000)

[3] 石油和天然气工业温室气体排放方法学概略.美国石油学会,2004

Study on emission of greenhouse gases from coal mines in China

Zhang Xiaohui,Liu Jinping

(School of Management,China University f Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China)

A computation model was constructed according to the constitution of emission of greenhouse gases from the coal mines.The missing data was calculated by substitution method,ensuring the integrity of the time series.And an approach was provided to reduce the measurement uncertainty of emission of greenhouse gases from the coal mines.

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TD712

B

张晓慧(1987-),女,蒙古族,内蒙古赤峰人,中国矿业大学在读硕士研究生。研究方向:资源经济。

(责任编辑 张艳华)