張曉慧 劉金平

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)管理學(xué)院,江蘇省徐州市,221116)

我國(guó)地下煤礦溫室氣體溢散排放研究

張曉慧 劉金平

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)管理學(xué)院,江蘇省徐州市,221116)

根據(jù)我國(guó)地下煤礦溫室氣體溢散排放的構(gòu)成,構(gòu)建了計(jì)算模型;用替代法計(jì)算了缺失數(shù)據(jù),確保了時(shí)間序列的完整性;提供了減少我國(guó)地下煤礦溫室氣體溢散排放計(jì)量不確定性的方法。

煤礦 溫室氣體 溢散排放 不確定性

煤礦區(qū)既是能源生產(chǎn)基地,又是耗能大戶(hù),也是重要的溫室氣體排放源。煤礦區(qū)溫室氣體排放主要包括使用能源(電、化石燃料等)帶來(lái)的碳排放和煤炭開(kāi)采加工過(guò)程中的溢散排放。甲烷(CH4)是煤炭開(kāi)采加工過(guò)程中溢散排放的主要溫室氣體,一般來(lái)說(shuō),深層煤所含的甲烷要比淺層煤多,因此,大多數(shù)溢散排放來(lái)自深層的地下煤礦。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)地下煤礦溢散排放的研究還很少,對(duì)其排放源和排放機(jī)理還不清晰,更沒(méi)有建立系統(tǒng)的地下煤礦溢散排放核算模型。本文從地下煤礦溫室氣體溢散排放構(gòu)成角度,建立了地下煤礦溫室氣體溢散排放計(jì)量模型,并且研究了缺失數(shù)據(jù)和減少溢散排放計(jì)量不確定的方法,對(duì)于煤炭行業(yè)計(jì)量溢散排放具有一定的借鑒意義。

1 地下煤礦溢散排放的構(gòu)成

溢散排放是煤礦區(qū)溫室氣體排放中最難以衡量和計(jì)算的部分。煤礦區(qū)溫室氣體的溢散排放是指煤礦采掘、加工、存儲(chǔ)和運(yùn)輸過(guò)程中,溫室氣體有意或無(wú)意的釋放。在煤礦溢散排放中,煤層氣(主要是CH4和CO2)是主要的溫室氣體來(lái)源。其產(chǎn)生于煤生成的地質(zhì)過(guò)程中,封固在煤層里,直到采掘過(guò)程中煤層暴露和破碎時(shí),才釋放到大氣當(dāng)中。地下煤礦溢散排放的主要構(gòu)成為:

(1)采掘排放:煤炭采掘操作期間破碎煤層及周?chē)鷮哟鎯?chǔ)氣體的排放。

(2)采后排放:在煤的后續(xù)處理、加工和輸送期間產(chǎn)生。已經(jīng)采掘出的煤,通常還會(huì)繼續(xù)排放氣體,不過(guò)比煤層破碎階段的排放慢。

(3)廢棄礦井溢散排放:采掘停止后,廢棄煤礦可能還會(huì)繼續(xù)排放甲烷。

(4)甲烷的回收及燃燒:甲烷的回收利用以及燃燒會(huì)減少溫室氣體的排放。

所以,地下煤礦溢散排放的量為:

式中:Y——地下煤礦溫室氣體總的溢散排放量;

Y1——采掘過(guò)程中通風(fēng)和排氣系統(tǒng)排出的溫室氣體;

Y2——采掘之后煤礦溫室氣體的溢散排放;

Y3——廢棄的地下煤礦緩慢的溫室氣體溢散排放量;

Y4——甲烷的回收及燃燒減少的碳排放量。

1.1 采掘中煤層氣排放

地下開(kāi)采的碳排放量主要來(lái)自通風(fēng)和排氣系統(tǒng)。對(duì)于井下開(kāi)采的煤礦企業(yè)來(lái)說(shuō),出于安全考慮,都會(huì)對(duì)特定礦井通風(fēng)和排氣系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。有些煤礦通風(fēng)和排氣系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)不可獲取,如果該煤礦與有測(cè)量數(shù)據(jù)的煤礦在同一區(qū)域,則可以通過(guò)可測(cè)量煤礦區(qū)域的排放速率、甲烷濃度和原煤產(chǎn)量來(lái)估算其碳排放因子。排放因子能反映煤炭實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中的平均甲烷含量。

式中:E——某煤礦開(kāi)采中碳排放因子;

Gi——特定煤礦的原煤產(chǎn)量;

vi——特定煤礦的通風(fēng)與排氣排放速率;

n——礦井個(gè)數(shù);

ci——排除的氣體中甲烷濃度,ci=f hi,hi為特定煤礦的深度。

由排放因子就可以得出該部分排出的溫室氣體量:

式中:G——地下原煤產(chǎn)量;

σ——單位轉(zhuǎn)換因子,指CH4密度,可將CH4體積轉(zhuǎn)換為CH4質(zhì)量,在20°C、1個(gè)大氣壓的條件下,此密度取值為0.67×10-6Gg/m3;

A——溫室氣體的預(yù)設(shè)GWP值,即單位體積的CH4產(chǎn)生的溫室效應(yīng)是CO2的24.5倍。

排放因子不可測(cè)量和估算時(shí),采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn):平均開(kāi)采深度小于200 m時(shí),采用低CH4排放因子10 m3/t;平均開(kāi)采深度在200～400 m之間,采用CH4排放因子18 m3/t;平均開(kāi)采深度大于400 m時(shí),采用高CH4排放因子25 m3/t。

1.2 采掘后煤層氣排放

開(kāi)采后的煤炭仍有溫室氣體逸出,并最終排入到大氣。這部分的溢散排放包括煤被采掘之后、攜帶到地表和隨后加工、存儲(chǔ)及運(yùn)輸排放的CH4及CO2。對(duì)開(kāi)采活動(dòng)后排放量進(jìn)行測(cè)量是不可行的,因此必須采用排放因子的方法,計(jì)算公式如下:

式中:EA——采掘后煤礦碳排放因子。

估算開(kāi)采后排放要考慮煤的現(xiàn)場(chǎng)氣體含量。對(duì)來(lái)自地下煤礦開(kāi)采之前未除氣的運(yùn)送煤測(cè)量表明,25%～40%的現(xiàn)場(chǎng)氣體仍保留在煤中。對(duì)于進(jìn)行了預(yù)排氣的煤礦,煤里的氣體數(shù)量將小于現(xiàn)場(chǎng)值,小于量不明。對(duì)于沒(méi)有預(yù)排氣的煤礦,但已知現(xiàn)場(chǎng)氣體含量,開(kāi)采后排放因子可設(shè)置為現(xiàn)場(chǎng)氣體含量的30%;對(duì)于預(yù)排氣的煤礦,建議排放因子為現(xiàn)場(chǎng)氣體含量的10%。如果沒(méi)有現(xiàn)場(chǎng)的氣體含量數(shù)據(jù)或預(yù)先排氣系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行,但并不知道運(yùn)行到什么程度,合理的方法是將地下開(kāi)采的總排放量提高3%。

1.3 廢棄地下煤礦溫室氣體排放

目前還沒(méi)有現(xiàn)成的方法估算此類(lèi)排放源類(lèi)別的排放量。對(duì)于被水淹沒(méi)的煤礦,排放量幾乎不會(huì)發(fā)生,而被機(jī)械封存的煤礦可能出現(xiàn)少量的泄漏。好的做法是記錄被關(guān)閉礦井的時(shí)間和封存的方式,有關(guān)這類(lèi)礦井大小和開(kāi)采深度的數(shù)據(jù),對(duì)于在此之后的任何估算都將是有用的。

式中:n——仍未淹沒(méi)的廢棄煤礦數(shù)量;

q——瓦斯礦的比例;

v——?dú)怏w平均排放速率;

EF——廢棄地下煤礦的排放因子;

a、b——常量,決定下降曲線,不同的國(guó)家和區(qū)域采用不同的值;

T——煤礦廢棄后的年數(shù)。

1.4 甲烷的回收及燃燒后的溫室氣體排放

正在開(kāi)采或廢棄的地下煤礦排出的甲烷,可以直接排放到大氣中,也可以從下水道、通風(fēng)氣或廢棄煤礦中作為天然氣資源回收并利用,亦或經(jīng)過(guò)無(wú)任何利用的噴焰燃燒或催化氧化轉(zhuǎn)化成CO2(單位體積的CO2產(chǎn)生的溫室氣體效應(yīng)小于CH4),這樣造成的溫室增溫趨勢(shì)要低一些。

式中:MCO2——甲烷燃燒產(chǎn)生的CO2排放,Gg/a;

MCH4——未燃甲烷的排放,Gg/a;

V——指噴焰燃燒的甲烷量,m3/a;

p——化學(xué)計(jì)量質(zhì)量因子,是單位質(zhì)量甲烷完全燃燒產(chǎn)生的CO2的質(zhì)量比率,等于2.75。

甲烷從煤層中抽放,然后燃燒或作為燃料利用,應(yīng)從估算的排放總量中扣除這部分?jǐn)?shù)量。無(wú)法直接獲得煤礦企業(yè)甲烷利用量數(shù)據(jù)時(shí),可以利用銷(xiāo)售的氣體量來(lái)代替。如果銷(xiāo)售量也無(wú)法獲得,可以選擇從抽放系統(tǒng)已知的效率規(guī)范來(lái)估算甲烷的利用量,因此甲烷的回收及燃燒減少的碳排放量是:

式中:VR——指回收的甲烷體積,m3/a。

2 時(shí)間序列的完整性

時(shí)間序列是溫室氣體排放清單的關(guān)鍵組成部分,它為國(guó)家減排戰(zhàn)略實(shí)施提供歷史資料并反映減排實(shí)施效果。地下開(kāi)采煤礦區(qū)溢散排放的時(shí)間序列中所有排放估算都應(yīng)當(dāng)保持一致,對(duì)所有年份盡可能應(yīng)用同樣的方法和數(shù)據(jù)來(lái)源計(jì)算。

對(duì)于煤礦區(qū)溢散排放的計(jì)算,必須計(jì)算具有測(cè)量數(shù)據(jù)年份的碳排放因子,再根據(jù)其排放因子計(jì)算煤礦區(qū)溢散排放量。對(duì)于煤礦區(qū)溢散排放量時(shí)間序列挖掘過(guò)程中的缺失值用替代方法進(jìn)行處理,將溢散排放量與基礎(chǔ)活動(dòng)或其他指示性數(shù)據(jù)相聯(lián)系,即溫室氣體溢散排放量與原煤產(chǎn)量相關(guān)聯(lián),用煤礦區(qū)原煤產(chǎn)量數(shù)據(jù)的變化模擬煤礦溢散排放量。

式中:Yj——數(shù)據(jù)缺失年份的溢散排放量;

Yi——第i年的溢散碳排放量;

Ys——已知數(shù)據(jù)年份中的任意一年的溢散排放量;

Gi——第i年的原煤產(chǎn)量;

Gs——已知數(shù)據(jù)年份中的原煤產(chǎn)量;

Gj——數(shù)據(jù)缺失年份的原煤產(chǎn)量;

ε——誤差項(xiàng),使用多年數(shù)據(jù)多次計(jì)算會(huì)更精確。

3 減少不確定性

地下煤礦產(chǎn)生的碳排放具有很大的天然可變性,這歸咎于開(kāi)采速率和氣體排除速率的變化。減少其不確定性的方法:

(1)由于煤產(chǎn)量速率和相關(guān)排除的變化,一年當(dāng)中的排放不盡相同,所以盡可能頻繁地、最好是每?jī)芍芑蛎吭率占瘻y(cè)量數(shù)據(jù),以消除變化。每日測(cè)量會(huì)確保更高質(zhì)量的估算。連續(xù)監(jiān)測(cè)排放是排放監(jiān)測(cè)的最高階段,已在一些現(xiàn)代長(zhǎng)壁礦中實(shí)施。

(2)確保儀器儀表準(zhǔn)確地定位和校準(zhǔn),可以通過(guò)以下方法減少測(cè)量誤差:使用更精確的測(cè)量方法,避免簡(jiǎn)化假設(shè),以及確保適當(dāng)使用和校準(zhǔn)測(cè)量科技。

(3)在測(cè)量和調(diào)查過(guò)程中,收集盡可能多的數(shù)據(jù)。增加樣品大小,可以減少與隨機(jī)取樣誤差相關(guān)的不確定性。填補(bǔ)數(shù)據(jù)漏缺可以減少偏差和隨機(jī)誤差。

煤礦的溫室氣體溢散排放基于特定煤礦信息(包括現(xiàn)實(shí)排放速率和煤礦關(guān)閉日期)。盡管估算的各礦溫室氣體排放的不確定性范圍可能很大(±50%范圍),但根據(jù)中心極限定理,假設(shè)不確定性是獨(dú)立的,將足夠數(shù)量各礦排放的不確定性范圍相加,實(shí)際會(huì)縮小最終清單不確定性的范圍。

4 結(jié)論

(1)分析了地下煤礦溫室氣體溢散排放的構(gòu)成,包括開(kāi)采過(guò)程中的溫室氣體溢散排放、采后排放、廢氣煤礦的溢散排放、甲烷的回收利用及燃燒等。

(2)建立了地下煤礦溫室氣體溢散排放計(jì)量模型,給出了各排放源的排放計(jì)量方法,并參考IPCC溫室氣體計(jì)算指南將地下煤礦生產(chǎn)過(guò)程中排放的其他溫室氣體折合成為CO2進(jìn)行綜合計(jì)量。

(3)為了確保地下煤礦溫室氣體溢散排放清單的完整性,建立了估算缺失數(shù)據(jù)的模型。

(4)提出了3種減少地下煤礦溫室氣體溢散排放計(jì)量不確定性的方法。

[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] 石油和天然氣工業(yè)溫室氣體排放方法學(xué)概略.美國(guó)石油學(xué)會(huì),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

張曉慧(1987-),女,蒙古族,內(nèi)蒙古赤峰人,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)在讀碩士研究生。研究方向:資源經(jīng)濟(jì)。

(責(zé)任編輯 張艷華)