井工煤矿开采全生命周期碳排放特征研究

曹原广，刘 娜

(1.山西能源学院，山西 太原 030006;2.太原理工大学，山西 太原 030024)

2020年9月，习近平主席向国际社会做出了中国的二氧化碳排放力争2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和的郑重承诺。煤炭生产带来的碳排放是造成我国采矿业碳排放的一个主要因素[1]，且未来较长时间内，化石能源的消耗将成为我国二氧化碳排放的主要来源[2]。在“碳达峰与碳中和”目标及新的经济形势下，我国必须对碳排放问题进行科学的研究和分析，煤炭行业也必须积极探寻低碳发展之路，实现以煤炭的低碳化生产和利用[3，4]。其中，煤炭开采将成为推动节能减排、实现低碳发展的重要环节[5，6]，对煤炭开采过程的碳排放进行精细化核算，可以清晰地了解煤炭开采过程中排放强度较大的重点排放源[7]，进而为从源头上制定煤炭开采减排路径提供数据支撑，为企业实行技术创新和节能减排提供重要依据[8]。

1 煤炭行业碳排放研究进展

在煤炭行业的碳排放研究方面，IPCC发布的《2006年国家温室气体清单指南》提供了碳排放核算的基本方法论，国内学者对IPCC清单指南提供的核算模型及排放因子进行了修正和扩展，使其更具适用性。于胜民、马翠梅等分别对中国煤炭开采和矿后活动所产生的CH4逃逸排放进行了系统性研究，并对相应排放因子的计算方法进行了修正[9，10]。也有一些学者将研究聚焦到煤炭生产阶段，Zhou等[11]分析了中国煤炭开采的碳排放结构及强度，结果显示甲烷在煤矿开采的碳排放中贡献最大，并在此基础上提出了瓦斯排放控制与利用技术体系；Wang等[12]研究了煤炭开采部门的碳排放，并提出煤矿瓦斯对煤炭行业减排潜力具有关键性影响，他们的研究表明，在煤矿的生产过程中，瓦斯的逃逸是一个重要的碳排放源，煤矿瓦斯的技术创新将是决定煤炭行业减排潜力的关键因素。Luo等、Lin等通过估算煤炭生产过程的碳排放，分别对煤炭城市的煤炭供应链中碳排放情况及中国煤炭城市CO2排放的区域差异进行了分析[13，14]，阐述了煤炭开采产生的碳排放给城市带来的影响。

在碳排放核算方法方面，生命周期评价(Life Cycle Assessment，LCA)是一种常见的碳排放核算方法，它是以过程分析为基础的一种“自下而上”核算方法，被广泛应用于产品或活动过程产生的碳排放核算[15]。生命周期法在煤炭行业的碳排放研究方面也有一定的应用，王晓琳等[1]以盘江集团煤矿为例对煤炭矿区全生命周期的碳排放源构成进行了分析，樊金璐等[16]对煤炭开发利用全产业链典型路线的碳排放进行了分析，并对不同煤炭利用方式的碳排放进行了核算。

上述研究在现有基本方法学的基础上建立了煤炭行业碳排放核算模型，为厘清煤炭生产行业的碳排放源、探究煤炭行业的碳排放特征奠定了基础，但这些研究并未深入煤炭井工开采的全生命周期，本文基于生命周期法完善了煤炭井工开采的全生命周期碳排放强度核算模型，探究了煤炭开采过程的碳排放强度规律。

2 煤炭开采的全生命周期碳排放模型构建

2.1 碳排放边界的确定

在对煤炭开采的全生命周期碳排放强度进行研究时，本文仅以煤炭井工开采的实际工艺流程为依据，将煤炭开采的全生命周期具体划分为巷道掘进、设备安装、煤炭回采、设备回撤四个具体环节，并在此基础上对各个环节的排放源进行详细的分析，厘清煤炭开采全生命周期的碳排放源，进而对煤炭开采全生命周期的碳排放及碳排放强度进行进一步研究。

碳排放边界是指碳排放的核算范围[17]，本文主要研究煤炭开采全生命周期的碳排放问题，因此应当以煤炭开采子系统为核算边界，核算系统内所有设备及相应的活动所产生的温室气体[18]。煤炭井工开采的设施范围包括回采、掘进等基本生产系统和通风、运输、提升等辅助生产系统。需要注意的是，煤炭生产过程中的人员出行及日常办公所造成的直接或间接温室气体排放不纳入核算范围，该部分碳排放通常计入城市碳排放中[19]。煤炭开采全生命周期内碳排放的核算边界如图1所示。

图1 煤炭开采全生命周期碳排放核算边界

2.2 碳排放源识别

从煤炭开采的全生命周期出发，识别与分析了直接或间接排放温室气体的各项活动，按照排放方式的不同，将煤炭开采全生命周期的各排放源划分为以下三类：

1)化石燃料燃烧产生的CO2直接排放。煤炭开采过程中各种设备、车辆消耗柴油、汽油、煤油等油品，锅炉等设备消耗燃煤都属于化石燃料燃烧，煤炭井工开采主要以电力消费为主，原煤、汽油、柴油等化石燃料的用量并不大，但是为了保证煤炭开采全生命周期碳排放核算体系的完整和全面，应将其纳入碳排放核算之中[2]。除此之外，若煤矿将煤炭开采过程中抽采的瓦斯(甲烷)用作自身燃料，则因这一部分甲烷燃烧产生的二氧化碳排放也应当计入化石燃料燃烧排放。

2)煤炭开采导致的逃逸排放。煤炭开采的逃逸排放是指煤炭开采过程中，由于煤层和岩石的暴露、破碎，使得原本固封在煤层中的瓦斯气体释放到大气中。因此，由于瓦斯涌出而导致的CH4逃逸排放也应当纳入温室气体排放总量的核算中。若煤矿在煤炭开采时采用火炬燃烧或催化氧化的方式销毁瓦斯气体或将瓦斯回收利用，则在计算时应当扣减相应的销毁量和回收利用量，加因销毁瓦斯而产生的二氧化碳排放，这种计算甲烷逃逸排放的方法属于实测法。除实测法外，IPCC清单指南通过煤炭产量与相应的排放因子和转换系数的乘积来核算甲烷的逃逸量，具体排放因子的数值则根据煤层深度及瓦斯含量来确定。

3)消耗水和电隐含的CO2间接排放。煤炭开采的间接排放是指煤炭开采过程中由于电力和干净水的消耗所造成的隐含的碳排放。煤炭开采既是能源生产活动，同时也是高耗能产业，煤炭开采过程复杂，涉及到的生产工序和设备系统较多，电能消耗量较大，而电力的生产过程往往伴随着温室气体的排放，因此煤炭开采过程消耗电能的同时也造成了相应的温室气体排放，在核算碳排放时煤炭开采全生命周期消耗电能的温室气体排放量也应当包含在内[20]。此外，煤炭开采过程中为了保护生态环境会使用大量清洁水资源来降尘，水资源的生产过程也会产生温室气体的排放，这些间接排放的具体计算方法为消耗的电力与干净水的数量与其相应的碳排放因子的乘积。煤炭开采碳排放源的结构及分类如图2所示。

图2 煤炭开采碳排放源的结构及分类

2.3 模型构建

根据上述煤炭开采全生命周期分析，结合IPCC清单指南及国家有关标准，构建了煤炭开采的全生命周期碳排放核算模型，具体如下：

根据上述煤炭开采的全生命周期碳排放源分析，碳排放总量等于化石燃料燃烧的CO2直接排放量、CH4逃逸排放量以及消耗电力和新鲜水的CO2间接排放之和，计算公式为：

E=E1+E2+E3+E4+E5

(1)

式中，E为煤炭开采全生命周期的CO2排放总量，t；E1为化石燃料燃烧的CO2直接排放量，t；E2为CO2逃逸排放量，t；E3为CH4逃逸排放量，需折算为二氧化碳当量，tCO2e；E4为消耗电力的CO2间接排放量，t；E5为消耗清洁水的CO2间接排放量，t。

2.3.1 化石燃料燃烧的碳排放计算

煤炭开采全生命周期的化石燃料燃烧的二氧化碳排放量由核算边界内各种化石燃料的消费量和二氧化碳排放因子计算得到，计算公式为：

E1=∑iDi×Fi

(2)

式中，Di为第i种化石燃料的消费量，固体燃料和液体燃料单位为t，气体燃料单位为104m3；Fi为第i种化石燃料的碳排放因子，单位为tCO2/t；i为化石燃料类型代号。

2.3.2 CO2逃逸的碳排放计算

煤炭开采的二氧化碳逃逸排放量等于井工开采的二氧化碳逃逸排放量与甲烷火炬燃烧或催化氧化产生的二氧化碳排放量之和，计算公式为：

E2=Q1×1.84×10+E6

(3)

式中，Q1为煤炭井工开采的CO2逃逸排放量，104m3(指常温常压下)；E6为甲烷火炬燃烧或催化氧化产生的二氧化碳排放量，t。

2.3.3 CH4逃逸的碳排放计算

对煤炭开采过程中的甲烷逃逸排放有两种主要的核算方法：一种为实测法，即根据煤炭生产企业在开采过程中对瓦斯气体排放的测量数据算得；另一种是根据IPCC提供缺省值和煤炭产量进行测算。

1)根据实测法计算碳排放，煤炭开采全生命周期的甲烷逃逸量等于甲烷逃逸排放总量减去甲烷的火炬燃烧或催化氧化销毁量和甲烷的回收利用量，为了统一计量和比较，需要将甲烷的排放量折算为二氧化碳当量，计算公式为：

E3=(Q2-Q3-Q4)×0.67×10×G

(4)

式中，Q2为煤炭开采的甲烷逃逸排放量，104m3(指常温常压下)；Q3为甲烷的火炬燃烧或催化氧化销毁量，104m3(指常温常压下)；Q4为甲烷的回收利用量，104m3(指常温常压下)；G为甲烷相比二氧化碳的全球增温潜势(GWP)值，缺省值为21。

2)根据IPCC清单法计算碳排放，煤炭开采全生命周期的甲烷逃逸排放总量等于CH4排放因子、地下煤产量与转换因子(即CH4的密度，可将CH4体积转换成CH4质量的系数)三者的乘积，计算公式为：

E3=D1×F1=Q5×C×ρ×F1

(5)

式中，D1为甲烷的排放量，等于煤炭产量、煤炭中甲烷含量与甲烷的密度之积，t；F1为甲烷的排放因子，根据IPCC规定的缺省值为21，单位为tCO2e/t；Q5为地下煤产量，t；C为煤炭中的甲烷含量(排放系数)，根据煤层深度及特性的不同，甲烷排放系数可分为三大类：低CH4排放系数=10m3/t，平均CH4排放系数=18m3/t，高CH4排放系数=25m3/t；ρ为甲烷的密度，t/m3。

2.3.4 电力消耗的碳排放计算

煤炭开采全生命周期内，掘进机、采煤机、运输设备等消耗电力造成的二氧化碳排放等于电力消耗量与电力的二氧化碳排放因子之积，计算公式为：

当电动滑门控制器接收到关门信号时，解锁电动机动作，解锁装置通过拉杆使中控锁工作，中控锁通过操纵软索解开开门保持机构锁。当检测到开门保持机构完成解开动作，解锁电动机停止动作。同时滑门驱动电动机开始工作，带动滑门关闭。当滑门即将到关闭位置时，后锁撞到后锁扣，滑门处于半关闭状态，滑门驱动电动机停止动作，此时闭锁电动机开始工作，将后锁与后锁扣锁定，进入二级锁内，滑门处于完全关闭状态，同时前锁和前锁扣自动锁定。

E4=D2×F2

(6)

式中，D2为煤炭开采全生命周期内电力消耗量，MW·h；F2为电力的二氧化碳排放因子。

2.3.5 水资源消耗的碳排放计算

煤炭开采全生命周期内，矿井降尘所消耗的清洁水资源的CO2间接碳排放量等于消耗的水资源量与其二氧化碳排放因子之积，计算公式为：

E5=D3×F3

(7)

式中，D3为煤炭开采全生命周期内水资源消耗量，t；F3为水的二氧化碳排放因子。

3 煤炭开采全生命周期碳排放强度实例研究

3.1 矿井概况

M煤矿位于山西省临汾市，是一座低瓦斯的井工煤矿，作为研究对象的工作面长为2400m，宽为180m，煤层平均厚度为2.85m，煤的平均密度为1.35t/m3，根据上述基本信息可以计算得出该工作面的煤炭总量为1662120t。M煤矿的年产量为120万t，每年实际工作时间按360d计，则该工作面共需499d开采完成。M煤矿一个工作面的开采过程中，设备的安装与撤回的时间各为半个月，在一年的生产中，掘进的时间为11个月，回采的时间为10个月。

3.2 M煤矿碳排放核算数据说明

煤炭开采全生命周期的碳排放核算需要两个方面的数据：一是活动水平数据，即煤炭开采过程中的能源消费量及产品的产量，该方面的数据通过对企业的调研得出；二是基础数据，即在核算煤炭开采全生命周期的碳排放时所需要的各排放源的二氧化碳排放因子、二氧化碳及甲烷的全球增温潜势值(GWP)等，该部分数据通过查阅国际、国内有关标准确定。

在核算煤炭开采全生命周期的碳排放强度时，活动水平数据由M煤矿提供，电力、新鲜水的消耗量以及煤炭的产量根据M煤矿2021年的实际生产数据计算，由于该煤矿主要消耗的能源类型为电力，煤炭及燃油的消耗量非常小，因此在该案例的研究中，因化石燃料燃烧而产生的二氧化碳排放忽略不计，仅核算电力、新鲜水的消耗产生的CO2间接排放以及甲烷的逃逸排放。

本文的基础数据的选择方面，电力的二氧化碳排放因子采用山西省能源局提供的数据，电力排放因子取值为0.7399 tCO2/(MW·h)；新鲜水的二氧化碳排放因子参考王莉莉、刘静静[21，22]等人的研究成果，水的排放因子取值为2.12×10-4tCO2e/t；依据M煤矿实际情况，该煤矿属于低瓦斯浓度煤矿，因此煤炭中的甲烷含量选择2006年IPCC清单中低甲烷排放系数，即10 m3/t；在20℃、1个大气压下甲烷的密度为6.7×10-4t/m3；甲烷的全球增温潜势值(GWP)为21，来源于《IPCC第四次评估报告》。为了使计算结果具有可比性，将二氧化碳的排放因子乘以其GWP值(CO2的GWP值为1)，将二氧化碳的排放量转化为二氧化碳当量。

3.3 M煤矿碳排放强度测算

表1 煤炭开采全生命周期电耗与CO2排放情况

从上述计算可以看出，在煤炭开采的全生命周期中，维持矿井正常运行的基础电力消耗占煤矿生产用电的比重最大，此外，掘进和回采的相关设备运行也是造成电力消耗的重要环节，分别占到了电力消费总量的14.74%和23.64%。因此，为减少煤炭开采的电力消耗，可以从加强矿井的用电管理和更换节能设备入手，降低矿井运行的电力消耗，进而减少煤炭开采的二氧化碳间接排放。

根据前文所述，对M煤矿的碳排放研究包括消费电力和新鲜水的间接排放、甲烷的逃逸排放三个部分，结合上述数据和本文第三节所构建的煤炭开采的全生命周期碳排放模型[式(1)—式(6)]，计算得到M煤矿煤炭开采的碳排放情况，结合煤炭产量数据可以计算得到碳排放强度。具体结果见表2。根据表2的计算结果可知，M煤矿煤炭开采的碳排放强度为0.321tCO2e/t，即该煤矿生产1t原煤会排放0.321t二氧化碳，从排放源的角度来看，电力的消耗排放二氧化碳占57.17%，新鲜水的消耗排放二氧化碳可忽略不计，甲烷逃逸排放量折合二氧化碳占42.82%。

从上述计算结果可以看出，电力消耗和甲烷的逃逸是造成井工煤矿碳排放的最主要因素，且电力消费的间接排放对煤炭开采过程的碳排放贡献最大，通过节能设备和节能技术减少电力消费则能够有效降低二氧化碳的间接排放；如果煤炭开采过程中的甲烷能够合理地回收利用，将在减少矿山排放的同时提高安全水平和经济效益。

表2 煤炭开采碳排放强度

4 结论与建议

本文构建了煤炭开采全生命周期的碳排放模型，并结合实际案例对煤炭开采全生命周期的碳排放强度及各环节的电力消耗情况进行了详细的分析。

1)维持矿井正常运行的基础耗电量占矿井工业用电比重最大。在煤炭开采的全生命周期内，维持矿井的正常运行的基础耗电量占矿井工业用电的58.13%，是煤炭开采全生命周期内的最大的耗电项；除此之外，掘进和回采的相关设备运行也是造成电力消耗的重要环节，分别占到了电力消费总量的14.74%和23.64%。

2)电力消耗和甲烷的逃逸是井工煤矿的主要排放源。且电力消费的间接排放对煤炭开采过程的碳排放贡献最大，占煤炭开采全生命周期二氧化碳排放的57.17%，甲烷逃逸产生的碳排放占煤炭开采全生命周期二氧化碳排放的42.82%。

通过上述研究可以看出，在煤炭开采的全生命周期内，电力消耗、甲烷逃逸及新鲜水的消耗等活动都会造成温室气体排放，因此，煤炭生产企业要实现节能减排和低碳发展，最终达成煤炭行业的“碳达峰”和“碳中和”目标，就必须采取一系列措施实现煤炭生产的节能减排，一方面，要实施源头治理，采用清洁生产方式。在煤矿设计、建设、生产等环节，全面采用低碳、清洁、安全、高效的生产技术工艺和装备，从源头减轻煤炭开采对生态环境的破坏。另一方面，要加强资源利用，将煤炭开采过程中产生的瓦斯、煤矸石、矿井水等各类副产品进行资源化利用，实现煤矿废弃物的减量化、资源化、无害化，实现可持续发展。