露天煤矿能源消耗引致温室气体排放计量模型建构

刘福明，才庆祥，陈树召，周 伟

(中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221008)

露天煤矿不仅是生产一次能源的重要基地，而且也是当地重要的能源消耗单位。我国大型现代化露天煤矿年产都在10.00～20.0Mt，每年电能和油类燃料消耗的数额十分庞大，这些消耗都将引起温室气体的排放，研究表明能源消耗排放是露天煤矿最主要的排放源，其排放量约是露天矿总排放量50%以上。其次，在露天矿的诸多排放源中，能源消耗产生的排放是唯一的受控排放源，通过采矿工程、工艺和管理水平的改进可以很大程度地降低其排放量。而且针对该排放源采取的减排措施不会对企业的经济效益产生负面影响，相反可以降低采矿成本改善其经济效益。另外，露天煤矿能源消耗造成的温室气体排放与非煤露天矿差异性很小，适合露天煤矿的计算方法同样适用于其他露天矿。因此，精确计量此类排放不仅可以使制定煤矿减排措施时有的放矢，带来可观的效益回报，而且计算方法具有很大的推广空间。IPCC指南强调为了提高计算结果的可靠性，对关键排放源不能用活动水平乘以IPCC提高的缺省排放因子来计算，应在特定的计量模型的基础上，确定各露天矿相应的排放参数来计算。本课题着重建立露天矿电力消耗和油类燃料消耗温室气体计算模型，深入研究该类排放的计算方法。

1 电能消耗产生的温室气体间接排放系数计量模型建构

对能源系统作全面客观的温室气体排放时，仅考虑能源转换环节是不充分的，应该从资源的开发开始，把开采、运输、转换、废物处置等作为一个完整的电能源生产的燃料循环链，只有经过这样全面综合的考虑，才能对能源系统作出合乎实际的判断。根据生命周期分析方法的实际应用，首先确定本项工作的系统边界为电能源链所有过程的能源，因为在电能源链中，它们所排放的温室气体占整个电能源链多次能源和材料消耗所产生的温室气体的大部分。因此，煤电能源链的生命周期碳排放计量范围如图1所示。

图1 煤电能源链的生命周期碳排放计量范围[2]

煤电能源链的温室气体排放主要来自煤炭生产开采洗选、电煤运输及燃煤发电3个阶段，基于此本文构建了如下的煤电能源链的碳排放系数计量模型，3阶段碳排放子模型的求和函数：

EFb=EFbp+EFbt+EFbg

(1)

式中：EFb为煤电能源链的碳排放系数总量，g/kWh；EFbp为煤炭生产环节的碳排放系数总量， g/kWh;EFbt为电煤运输环节的碳排放系数总量，g/kWh；EFbg为燃煤发电环节的碳排放系数总量，g/kWh。

1.1 电厂发电环节的碳排放系数计量模型

由于煤炭在生产和运输中都存在电能需求，而电力生产又是在电厂完成的，因此，这些环节由电能消耗带来的碳排放将取决于电厂单位发电的排放。为方便计，对各环节电耗产生的碳排放只计算其在发电环节的产生量，故本文首先计量电厂发电环节的碳排放系数。研究发现火力电厂的N2O排放量十分有限，可以忽略不计，固CO2排放系数计算公式：

(2)

式中：g为电厂发电的单位耗煤量，kg/kWh；Q为电厂燃煤的平均单位发热量，MJ/kg；β为燃料的含碳率，kg/MJ；3.6为一度电的热值，MJ/kWh；η为电厂的发电效率[1]。

1.2 煤炭生产环节的碳排放计量模型

根据煤电能源链的系统思想，要想求出电厂发一度电带来的能源链上游环节温室气体排放，首先就得事先求出单位发电量要求煤炭生产端的原煤开采量和运输环节的煤炭运输量，电厂单位发电量的煤炭调运量Qt计算式：

(3)

式中：Cs为发电厂标准煤耗，g / kWh；ds为标煤转化为等热量洗出煤的质量转换系数；α为为煤炭在运输过程中的总遗撒率；λ为原煤洗出率。

煤炭生产环节的碳排放包括煤开采和洗选过程中能源消耗产生的温室气体，以及原煤在开采和洗选过程释放出的煤层吸附气体，故煤炭生产环节的碳排放计量模型：

(4)

式中:x为煤生产过程中使用的燃料或能源， 此环节主要指煤炭、燃油和电能( t 或 kWh)， X为三者的集合;Ubp为煤炭生产的单位能耗(原煤或电能)；Wbp为煤炭洗选的单位能耗；Y为单位原煤在开采和洗选过程释放出的煤层吸附气体量；ex为消耗能源种类所对应的排放系数；i为吸附气体种类，包括CH4和CO2；GWP为全球变暖效能因子。

表1 IPCC 关于部分温室气体的预设 GWP 值 gCO2 当量/ g 温室气体

1.3 煤炭运输环节的碳排放计量模型

煤炭运输的主要方式是铁路公路和水路运输，其中铁路运输一直是煤炭运输的主力各年统计年鉴货类运输周转量表显示，从 1990 年代末开始铁路运煤分担率一直保持在 50%左右，2001 年左右甚至逼近 60% 我国公路和水路的煤炭运输比例一直无确定权威机构作相关统计，只有煤炭科学院交通部等部门作了相关工作，见表2。在我国铁路煤炭运输中， 火车燃油基本以柴油为主，公路煤炭等大宗货物运输方面， 一般用20t及以上中重型车进行运输， 燃料也多为柴油水路煤炭运输方面， 海轮和驳船是主要的运输船型，前者多用于北煤南运，而驳船则作为内河水运的主力水路运输的燃料主要为燃料油(渣油)，由于船舶能耗强度和燃料油排放方面的数据缺失，故本文对我国煤炭水路运输中的油种进行了近似替代处理因为轮船的发动机功率非常大，又在一个封闭的环境下工作，所以轮船主机一般用渣油或重柴油，轮船辅机消防泵救生艇等用油也为柴油。因此，本文将煤炭船舶运输用油也以柴油处理。基于各煤炭运输方式运输量的分担率可得煤炭运输环节碳排放计量模型,见式(5)。

表2 中国煤炭运输量分担率(单位：%)

(5)

式中：i为不同的煤炭运输方式， 文中主要指铁路运输 水路运输 公路运输这3种煤炭运输方式；j为燃料和能源类型，文中主要指汽油、柴油、电能；Ui,j为第i类运输工具使用第j种燃料或能源的能耗强度，t / ( t km)或 kWh / ( t km)；Ui,j,k为第i类运输工具使用第j种燃料或能源产生的第k类温室气体的碳当量排放系数，gCO2当量/ kWh；ri,j为使用第j种燃料或能源的第i类交通工具总运输里程占所有类别运输工具总运输里程的比重，%；Qti为第i类运输工具运输的煤炭总量， 所有类型运输工具的运输总量为Qt,t；Si为第i类运输工具的平均运输里程，km[2]。

2 露天矿油类燃料消耗产生的温室气体排放计量模型建构

一座千万t级露天矿每年由矿用自卸卡车和辅助设备消耗的油类燃料达数万t，燃油不仅是露天采矿成本的主要组成部分，而且也是露天矿温室气体的主要排放源。燃油产生的温室气体主要有CO2和N2O，虽然N2O的绝对排放量与CO2相比甚至可以忽略，但单位体积N2O产生的温室效应是CO2的310倍，所以计算温室气体排放就不能将N2O这一项忽略，用温室效应的当量CO2值PWG将其统一计算为CO2的排放。另外，露天矿的开采过程中，硬岩爆破一般采用铵油炸药(主要由硝酸铵和柴油配制而成)，这种炸药在爆炸时要放出大量的CO2，也是露天矿的温室气体排放源[4]，故可以得到露天矿油类燃料消耗温室气体排放结构式：

RE=RE1+RE2+RE3

(6)

式中：RE1为露天矿运输设备燃油温室气体排放量，kg；RE2为露天矿非运输设备燃油温室气体排放量，kg；RE3为露天矿爆破工程温室气体排放量，kg。

3.1 露天矿运输设备燃油温室气体排放量计算

随着我国露天采矿的发展，国内几乎所有露天煤矿都采用卡车运输，而露天矿使用的大型矿用卡车是露天矿主要的燃油消耗源，燃料燃烧排放的主要温室气体有CO2、N2O、CH4。计算公式如下：

RE1=RECO2+REN2OaN2O+RECH4(aCH4-1)

(7)

式中：RECO2为CO2排放量，kg；REN2O为N2O排放量，kg；aN2 O为 N2O的全球变暖潜势(GWP)，这里取310；RECH4为CH4排放量，kg；aCH4为CH4的全球变暖潜势(GWP)，这里取24.5；1为由CH4中含的C 在CO2中已经计算过一次，为了避免重复计算，须从CH4中去除；a—燃料类型，如汽油、柴油、天然气、LPG等[4]。

(8)

REco2为CO2的排放量，此处可以为CH4、N2O；Fa为消耗燃料的热值，MJ；EFa为排放因子，kg/MJ；REx为除CO2外的温室气体排放量；Sa,b,c,d为某一运输设备引擎在稳定热运行阶段所行驶的距离，km；Ca,b,c,d热启动阶段的排放，kg；a为燃料类型(例如，柴油，汽油，天然气等)；b为车辆类型；c为排放控制技术(例如为控制，催化转换器等)；d为道路类型[5]。

2.2 露天矿非运输设备燃油温室气体排放量计算

露天矿的非运输燃油设备主要包括部分采掘设备和推土机、平路机等辅助设备，由于该类设备的主要燃料消耗与行驶距离没有线性相关关系，而与工作时间存在线性关系，所以适用于运输设备的计量模型不再适用，须建立与工作时间有关的计量予以处理，计量模型如下：

(9)

式中：Nij为使用燃料j的车辆i的数量；Hij为车辆i年使用小时(h)；Pij为车辆i的平均额定功率(kW)；LFij为车辆i一般负荷因子(0到1之间)；EFijy为车辆i使用燃料j排放温室气体y的当量CO2排放因子(kg/kWh)[5]。

2.3 露天矿爆破工程温室气体排放量计算

露天矿的上覆岩层以及煤层的硬度较大时，采掘设备很难直接采掘，需要增加爆破环节。目前我国露天矿广泛使用的是硝铵炸药，因为硝铵炸药是正氧平衡炸药, 在爆炸时则生成大量的氧化氮气体，硝酸铵的爆炸反应方程式如下：

NH4NO3→2H2O+N2+[O]+112.9kJ/mol

(10)

剩余的氧和氮气在高温下生成多种氮氧化物，这些氧化物多是有毒气体，为了避免有毒气体的污染，露天矿在炸药配置是加入了柴油、沥青等可燃剂以消耗炸药自身氧的富余量，同时带来温室气体的排放[6]，所以露天矿爆破工程温室气体排放量的计算公式如下：

BE3=G·ω·EF

(11)

式中：G为露天矿年消耗炸药量，t；ω为炸药中可燃剂的含量；EF为炸药可燃剂的排放因子，kg/t。

3 结论

论文对露天煤矿能源消耗引致温室气体排放量计算方法进行了研究，得出如下结论：

1)文章应用全生命周期分析方法建立了煤电能源链的碳排放量计算总模型和各环节的子计量模型，通过模型可以求得我国燃煤电厂在煤的生产、加工、运输各环节引致的温室气体排放量及煤电能源链温室气体总排放量，进而可以更精确地得出露天矿电能消耗引致的温室气体排放量。

2)基于露天矿消耗燃料不同途径碳排放系数的差异性，建立了适合各种燃料用途的排放计量模型，模型具体到每一台设备特定的运行环境和特定的运行状态，并创造性的建立了爆破环节排放的温室气体的计量模型，以保证露天矿能源消耗温室气体计量的完整性。

3)从煤电链的视角审视我国的温室气体的减排，火力电厂的发电环节的排放量占据煤电链排放量的大部分，而近年来我国电力行业技术改革已经使该环节的排放量有了很大程度的减少，同时也使这一环节的减排空间大大的缩小，而我国的减排任务还在不断的加大，要克服这一矛盾就只能诉诸煤电链的另一主要排放环节——煤炭生产环节。

[1] 马智杰.Edward Weinberg，四板沟水电站清洁发展机制额外性原理及CO2减排量的计算方法[J].中国水利水电科学研究院学报，2008,6(2)：118-123.

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[4] 马忠海.中国几种主要能源温室气体排放系数的比较评价研究[D].北京：中国原子能研究院，2002(6):145-147.

[5] EgglestonS, Buendia L, Miwa K, et al. 2006 IPCC guidelines for national greenhouse gas inventories fourth volume[M].Published IGES.

[6] 张萌.露天矿爆破工程[M].徐州：中国矿业大学出版社,1986：43-44.