基于能源替代的煤炭矿区碳排放量测算方法研究

2017-05-11任一鑫蒋蓬阳

山东工商学院学报 2017年2期

关键词：煤矸石测算排放量

盖丽,任一鑫,苗旺,蒋蓬阳

(山东科技大学a.经管学院;b.矿业学院,山东青岛 266590)

理论经济研究

基于能源替代的煤炭矿区碳排放量测算方法研究

盖丽a,任一鑫a,苗旺b,蒋蓬阳b

(山东科技大学a.经管学院;b.矿业学院,山东青岛 266590)

建立了煤炭矿区碳排放测算模型,通过分析煤炭矿区能源种类及特征,建立煤炭矿区能源替代体系,进而构建基于能源替代的煤炭矿区碳排放量测算模型。

能源替代;煤炭矿区;碳排放量

一、引言

作为“富炭、贫油、少气”的国家,在未来较长一段时间内,我国能源供应仍是以煤炭为主,煤炭矿区依然是我国能源的主要供应单元。中国为实现经济可持续发展,改善粗放式经济发展模式带来的环境污染,将低碳发展制定为我国的重要发展战略,并提出到2020年单位国内生产总值碳排放量比2005年降低40%～45%的发展目标[1]。

煤炭矿区作为煤炭生产、加工的集聚地,其中可用能源种类繁多,包括煤、柴油、汽油、天然气、煤矸石、余热、地热、乏风、沼气、太阳能、风能、煤层气等多种类型能源。由于煤炭矿区能源之间关系复杂,关联性强,能源之间既可以替代,又可以互补。针对煤炭矿区能源间这一特性,用清洁能源、低碳能源、可再生能源代替高污染能源、不可再生能源,以达到减少碳排放量的目的[2]。

科学有效的碳排放测算方法是实施监管节能减排、促进低碳发展的前提;同时对量化和评价能源替代对碳减排的作用,积极寻求更好的能源替代策略具有重要意义。

二、煤炭矿区碳排放测算方法研究

(一)煤炭矿区碳排放测算方法选择

煤炭行业碳排放测算方法主要分为三类:实测法;物料平衡法;排放因子法。

实测法是指通过一定的监测手段或相关部门认定的连续计量设施,测量二氧化碳的流速、流量以及浓度等数据来计算二氧化碳排放总量的一种测量方法。其公式为:C=K×Q×P (其中K表示单位排放系数,Q表示空气流量;P表示空气中二氧化碳浓度;C表示二氧化碳排放量)实测法是现场实测得到的数据,具有精度高、更接近实际的优点,但是其存在费用高、过程复杂的缺点。

物料平衡法是通过质量守恒定律,对能源燃烧过程中使用的物料进行定量分析的方法。其公式∑C投入=∑C排出+∑C固定。该方法不仅适用于整个生产系统,还是用于某一工序。物料平衡法需要系统的、全面的研究各个生产过程,程序复杂,但精确度相对较高。

排放系数法是在正常技术经济和管理条件下,单位化石能源燃烧排放二氧化碳数量的均值。公式:C=K×M (K表示碳排放系数,M表示能源消耗量),其具有计算简便的优点,但是其准确度较低。

由于煤炭矿区能源种类及能耗领域较多,且受生产环境限制,实测法和物料平衡法不宜在矿区广泛应用,但是可以在个别领域内使用。因此,本文煤炭矿区碳排放测算主要应用排放因子法,在个别领域采用实测法和物料平衡法。

(二)煤炭矿区碳排放测算模型构建

1.煤炭矿区概念界定。随着我国煤炭企业的不断发展变革以及循环经济在矿区的推广,煤炭矿区逐步从以煤炭为单一产品的生产结构向以煤炭生产为基础的多产品生产结构转型。因此,本文所指的煤炭矿区是指以煤炭生产、加工为主导,带动其他附属产业共同发展,形成的集生产、生活、服务为一体的经济区域。

2.碳排放领域划分。目前,我国大部分煤炭矿区都分为三个区域:生活区、生产区、服务办公区。由于每个区域功能不同、耗能种类不同,一般矿区在能耗统计中会将每个区域分别统计,根据上述特点,本文将煤炭矿区碳排放领域划分为三个区域,生活排放区、生产排放区和服务办公排放区。其中生活排放区又可以进一步划分为:职工宿舍区、食堂、澡堂、其他四部分;服务办公区可以进一步划分为:办公楼、医院、学校、招待所、其他五部分;生产排放区比较复杂,首先将其分为煤炭开采、煤炭加工、附属企业三部分。综上所述,煤炭矿区碳排放区域划分结构如图1所示。

图2 煤炭矿区碳排放形式结构图

3.碳排放形式划分。煤炭行业属于地下采掘业,这一性质导致煤炭矿区碳排放形式与其他企业存在较大差别,煤炭矿区不仅具有耗能碳排放部分,还包括非耗能碳排放部分。其中非耗能碳排放部分主要来自于瓦斯排放、煤矸石堆放排放、煤炭堆放排放三部分,如图2所示。

4.能源种类分析。煤炭矿区作为能源供应者和消费者,扮演双重身份,致使其可用能源种类较多,常用能源:电力、煤炭、天然气、汽油、柴油。新能源:风能、地热、太阳能、生物质能等。废弃能源:煤泥、中煤、煤矸石、煤层气、乏风、余热、余压、矿井水温差等。

5.碳排放测算体系构建。根据矿区碳排放区域划分结构图以及碳排放形式划分结构图,以及不同排放区域选择的碳排放测算方法,本着操作方便、涵盖全面的原则,构建煤炭矿区

煤炭矿区职工生活排放区中,以消耗电能、煤炭、天然气为主。碳排放测算体系如图3所示。

为简化煤炭矿区碳排放测算过程,因消耗电、煤、汽油、柴油、天然气等化石能源而造成的碳排放用排放因子法测算;煤矸石电厂和非耗能部分的碳排放量采用实测法测算;矸石砖厂排放量采用物料平衡法测算。综上所述,煤炭矿区碳排放量测算模型为:

=C11+C12+C13+C21+C22+C23+C31+C32+C33+C41+C42+C43

=(C11+C23+C41)+C12+C13+C21+C22+(C31+C32+C33+C42)+C43.

(1)

其中:C11、C12、C13、C21、C22、C23、C41计算运用排放因子法计算,公式为C=K×M;C31、C32、C33、C43采用直接测算法,公式为C=K×Q×P,由于循环经济在矿区的不断发展,煤矸石堆放问题已得到解决;随着矿井现代化建设,煤炭生产、销售一体,煤炭堆放时间较短,因此本文假设因煤矸石、煤炭堆放而造成的碳排放量为零;C42计算运用物料平衡法进行计算,公式为∑C投入=∑C排出+∑C固定。

三、基于能源替代的煤炭矿区碳排放量模型构建

(一)煤炭矿区能源间替代分析

图3 煤炭矿区碳排放测算体系

1.煤矿能源种类及特征分析。根据煤炭矿区按照能源的特征可将煤炭矿区能源分为常规能源、新能源和闲置能源三类。常规能源是指已经大规模生产和广泛利用的能源,主要有电、煤、油等;新能源是刚开发利用或正在积极研究、有待推广的能源,包括太阳能、风能、生物质能、地热能等[3];闲置能源是生产过程中产生的,但较少或没有被开发利用的能源,主要包括余热、煤层气、中煤、煤泥、煤矸石、矿井水携带热量、乏风携带热量等。由于煤炭矿区生物质能主要来自于有机物发酵,因此本文的生物质能用沼气代替。以上能源部分特征如表1所示。

2.煤炭矿区能源替代关系分析。结合前文及表1对煤炭矿区各类能源开放、存储、利用、产量、碳排放系数等特征的分析,以及各个耗能领域的耗能特点,研究分析了汽油、柴油、煤、电、天然气等各种化石能源的可替代能源,如表2所示。

3.煤炭矿区能源替代体系构建。构建思路:根据矿区能源的数量、品质和需求不同,建立能源种类替代子系统,合理分配使用各种能源;根据矿区范围内各耗能领域的特点,建立耗能领域集成子系统,实现耗能领域的合理组织;以低碳经济和可持续发展思想为指导,确保能源安全为前提,立足于矿区的现状,建立优质、高效、可持续发展的能源与耗能领域组合替代体系,实现能源的平衡与调度尽量做到物尽其用、就近利用[3]。煤炭矿区能源替代体系如图4所示。

表1 煤炭矿区能源特征分析表

表2 煤炭矿区能源替代关系表

注:Y表示列能源能替代行能源;N表示列能源不能替代行能源。

4.基于能源替代的煤炭矿区碳排放量测算。根据煤炭矿区能源替代体系可知,电能的可替代能源为矿井水热量、乏风热量、太阳能、地热能和风能,均为不含碳能源,此处假设以上五种能源使用量分别为M1、M2、M3、M4、M5;煤的替代能源为煤矸石电厂和矸石砖厂的余热,其使用量为M6;天然气的替代能源为煤层气和生物质能,其使用量分别为M7、M8,由于煤层气和生物质能(沼气)与天然气成分相同,因此此处能源替代可视为对碳排放量无影响;由于煤层气、煤矸石被充分回收利用,煤炭堆放碳排放量不计,因此在实行能源替代后,非耗能碳排放可忽略不计。根据煤炭矿区碳排放测算模型,得到能源替代后的煤炭矿区碳排放测算模型为

(2)

图4 煤炭矿区能源替代结构图

四、能源替代对煤炭矿区碳减排的作用机理分析

通过煤炭矿区能源替代体系可以发现,煤炭矿区能源替代是运用可再生能源替代不可再生能源、清洁能源替代化石能源,废弃能源替代常规能源,以实现化石能源的高效利用,新能源和废弃能源的充分利用[4]。

能源替代属于能源优化配置的方法之一,对化石能源的减量化利用和碳减排具有促进作用。第一,能源替代能够有效的提高化石能源(即常规能源)的利用效率,从而间接的减少了煤炭矿区对化石能源的消耗量,进而减少了煤炭矿区的碳排放量;第二,煤炭矿区能源替代使太阳能、风能、地热能、生物质能等新能源得到充分利用,替代了部分化石能源,直接减少了化石能源的消耗量,从而降低了煤炭矿区碳排放量;第三,煤炭矿区能源替代减少了废弃能源的排放,降低了因废弃能源排放而造成的能源浪费和煤炭矿区碳排放量。煤炭矿区能源替代对煤炭矿区碳减排量作用机理如图5所示。