王 猛，馬如英，代旭光，單雅迪

煤礦區(qū)碳排放的確認和低碳綠色發(fā)展途徑研究

王 猛1,3,4，馬如英2，代旭光4，單雅迪4

(1. 中國礦業(yè)大學(xué) 江蘇省煤基溫室氣體減排與資源化利用重點實驗室，江蘇 徐州 221008；2. 新疆大學(xué) 地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆維吾爾自治區(qū) 烏魯木齊 830046；3. 中國礦業(yè)大學(xué) 低碳能源研究院，江蘇 徐州 221008；4. 中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

開展煤礦區(qū)碳排放的系統(tǒng)評價和減排路徑的綜合分析，是落實我國碳達峰與碳中和愿景的具體行動。針對煤礦區(qū)碳排放源邊界不清、核算模型缺乏及碳中和背景下發(fā)展方向等問題開展分析。通過文獻查閱、資料收集等方法，厘清煤礦區(qū)碳排放源邊界，并建立碳排放量核算模型，明確煤礦區(qū)低碳綠色發(fā)展方向。結(jié)果表明：煤礦區(qū)碳排放(CH4和CO2)來源可劃分為自然排放和人為排放兩大類，并細分為5種類型，針對不同碳排放源提出相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型；同時煤礦區(qū)要加大節(jié)能和低碳技術(shù)的投入，提高綜合資源的利用程度和瓦斯的監(jiān)測力度，加強綠色礦山修復(fù)和建設(shè)，積極參與碳市場和碳排放權(quán)交易及培育適應(yīng)市場的管理模式等一系列措施，逐步實現(xiàn)低碳、綠色產(chǎn)業(yè)體系；此外，煤礦相關(guān)單位應(yīng)高瞻遠矚，深入分析并發(fā)揮政府的低碳環(huán)保政策的作用，與相關(guān)高校加強合作，在我國碳減排目標下，大力推動煤制氫技術(shù)的發(fā)展，突破CO2-ECBM和CCUS關(guān)鍵技術(shù)中的運輸、封存選址、安全穩(wěn)定性評價、成本降低等瓶頸問題，以期在雙碳背景下碳減排過程中實現(xiàn)經(jīng)濟、環(huán)保雙重效益。

煤礦區(qū)；碳排放源；碳減排路徑；低碳化技術(shù)

隨著全球變暖以及生態(tài)系統(tǒng)的失衡，世界各國為了應(yīng)對氣候變化中溫室氣體減排要求，逐步減少煤炭的需求。在能源方面，全球的CO2排放主要源自化石能源(煤炭、石油、天然氣)，并且呈逐年增加趨勢，而其他來源的CO2在占比較小[1-3]。IEA(International Energy Agency)[3]指出，到2060年碳排放不能高于90億t，需要提高能源效率、規(guī)?；_發(fā)可再生能源，發(fā)展碳捕獲、利用與封存(CCUS)等各類技術(shù)共同實現(xiàn)減排目標，在實現(xiàn)全球溫控1.5℃的目標下，IEA預(yù)估利用CCUS技術(shù)，至2060年可減少280億t的CO2排放量[4-5]。煤礦區(qū)作為CO2重要的地質(zhì)封存場所，為實現(xiàn)碳達峰與碳中和目標將發(fā)揮重要作用[6-8]。

根據(jù)國際能源署、國務(wù)院發(fā)展中心、清華大學(xué)等多個機構(gòu)預(yù)測結(jié)果表明，2020年我國CO2年排放量為100億t左右，至2030年CO2排放峰值為105億t左右[3,9]。我國擁有全球最大的能源系統(tǒng)(生產(chǎn)和消費)，2018、2035、2050年化石能源在一次能源消費中分別占86%、71%、62%[10]?；诋斍拔覈?jīng)濟發(fā)展形勢和能源構(gòu)成類型，雖然化石能源的比例有所下降，但對煤炭資源的依賴程度依舊很大。在煤炭開采、生產(chǎn)、加工及利用環(huán)節(jié)產(chǎn)生了大量的碳排放，造成了嚴重的環(huán)境負擔(dān)。在上述背景下，為應(yīng)對碳減排已提出一系列相關(guān)政策與措施，將在一定程度上增加煤炭企業(yè)的成本，如何在優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，保持生產(chǎn)力的基礎(chǔ)上，又能減少碳排放，這是當前煤炭企業(yè)面臨的重大困難和挑戰(zhàn)。

當前對煤礦區(qū)碳排放的研究主要集中在煤炭開采過程中瓦斯的直接逸散和電力消耗導(dǎo)致的間接碳排放，缺少對整個礦區(qū)碳排放的系統(tǒng)評估和在時間和空間尺度上礦區(qū)碳含量的變化趨勢研究。因此，進行整個煤礦區(qū)碳排放的系統(tǒng)評價，結(jié)合礦區(qū)實際碳排放結(jié)構(gòu)，提出相關(guān)碳減排建議和對策，對煤炭企業(yè)的綠色、安全可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

1 煤礦區(qū)碳排放來源的構(gòu)成分析

煤礦區(qū)開展碳減排措施的首要前提是明確礦區(qū)碳排放的來源，且對各源頭的碳排放進行確認和計量。本文將煤礦區(qū)碳排放(CH4和CO2)來源劃分為自然排放和人為排放兩大類，并劃分為5種類型，具體如下：未開采煤層、非受控燃燒、煤炭開采活動、能源資源消耗、垃圾處理等引起的碳排放，如圖1所示。

在明確了煤礦區(qū)各碳排放源邊界的基礎(chǔ)上，通過資料收集分析、實驗測試等方法，選擇適宜的數(shù)學(xué)模型，對碳排放源進行計量與分析，但目前缺乏對煤礦區(qū)碳排放量的計量模型。因此，本文針對各碳排放源提出了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

1) 能源和資源利用中的碳排放1

應(yīng)用IPCC模型將煤礦區(qū)涉及的所有能源和資源進行計量。

式中：為不同能源資源類型(煤炭、焦炭、原油、汽油、煤油、柴油、燃料油、天然氣、電力、水)；Q為類型的能源資源消費量；e為不同能源資源類型折算標準煤系數(shù)；f為不同能源資源的碳排放系數(shù)。

2) 煤礦區(qū)未開采、開采及閉采過程中的碳排放2

式中：、分別為未開采煤層氣量及碳排放系數(shù)；分別為開采煤層中總的煤層氣量及碳排放系數(shù)；分別為閉采煤層中剩余煤層氣資源量及碳排放系數(shù)；分別為煤層氣開采資源量及碳排放系數(shù)；分別為煤層氣總利用量及利用過程中的碳排放系數(shù)；分別為采出煤炭中剩余煤層氣量及碳排放系數(shù)。

3) 煤層、瓦斯及煤矸石自燃過程中的碳排放3

式中：X為煤層、煤矸石、瓦斯自燃量；χ為煤層、煤矸石、瓦斯自燃的碳排放系數(shù)。

4) 工業(yè)及生活垃圾處理中的碳排放4

式中：B為工業(yè)垃圾總量；ν為工業(yè)垃圾碳排放系數(shù)；D為生活垃圾總量；為生活垃圾碳排放系數(shù)。

針對式(1)—式(4)碳中排放系數(shù)的確定，有條件的企業(yè)可采用實測，遵循GB/T 476—2008《煤中碳和氫的測定方法》、NB/SH/T 0656—2017《石油產(chǎn)品及潤滑劑中碳、氫、氮的測定元素分析儀法》、GB/T 13610—2020《天然氣的組成分析氣相色譜法》或GB/T 8984—2008《氣體中一氧化碳、二氧化碳和碳氫化合物的測定氣相色譜法》等相關(guān)標準，或參考碳排放系數(shù)缺省值兩種方法[11]。

基于LMDI加和分解法，分析各碳排放源在煤礦區(qū)碳排放過程中的比例，明確下一步從源頭開展減排工作的方向。在分析煤礦區(qū)各碳排放源確認和計量的基礎(chǔ)上，以生產(chǎn)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、技術(shù)創(chuàng)新、能源結(jié)構(gòu)4個參數(shù)為對象，結(jié)合STIRPAT模型，分析并總結(jié)煤礦區(qū)碳減排的驅(qū)動要素。構(gòu)建的STIRPAT如下：

式中：、分別為誤差干擾項和常數(shù)項；為煤礦區(qū)碳排量；t為生產(chǎn)技術(shù)；s為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)；T為技術(shù)創(chuàng)新；E為能源結(jié)構(gòu)。1、2、3、4分別為生產(chǎn)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、技術(shù)創(chuàng)新、能源結(jié)構(gòu)的影響因子占比。

2 煤礦區(qū)碳減排途徑分析

當前，我國煤礦區(qū)存在技術(shù)設(shè)備老舊、污染嚴重、管理模式落后[8]、煤礦區(qū)碳排放核算邊界不清、計量與分析模型缺乏等一系列問題。此外，在低碳綠色產(chǎn)業(yè)體系、附加資源的綜合利用、碳排放物檢測預(yù)警體系、碳排放核算體系及前沿技術(shù)的研發(fā)方面均缺乏系統(tǒng)研究。實現(xiàn)煤礦區(qū)碳減排綠色發(fā)展，應(yīng)以煤礦區(qū)為核心，要充分發(fā)揮煤礦區(qū)、政府及高校間的聯(lián)動作用，借助政府支持，并加強與高校間的緊密合作，推動煤礦區(qū)碳排放監(jiān)測、CO2地質(zhì)封存、煤制氫領(lǐng)域等[12-17]熱點技術(shù)的發(fā)展，構(gòu)建煤礦區(qū)碳減排的新技術(shù)體系。

2.1 煤礦區(qū)碳減排主要任務(wù)

1) 節(jié)能和低碳技術(shù)

基于煤礦區(qū)碳源分析，結(jié)合實際情況，加大引入先進開采技術(shù)，推動大型開采設(shè)備更新，逐步實現(xiàn)低能耗、自動化、智能化等綜合機械化采煤，從而在煤炭開采過程中降低能耗和減少碳排放。多方面實施低碳和清潔生產(chǎn)利用等技術(shù)，降低在煤炭開采過程中的碳排放，構(gòu)建環(huán)保型產(chǎn)業(yè)體系。

2) 附加資源利用

注重和加大對開采附加資源技術(shù)的研發(fā)力度，提高對瓦斯、共/伴生礦產(chǎn)等多種資源的綜合開發(fā)和合理利用，以及對關(guān)閉礦井資源的二次評價與開發(fā)。其次，實現(xiàn)對煤炭生產(chǎn)過程中二次資源的回收和合理利用，具體包括：廢氣、廢水(或廢液)、固體廢棄物、余熱、余壓等資源；此外，還有煤矸石綜合利用、礦井水綜合利用、粉煤灰綜合利用、物料循環(huán)利用、工業(yè)用水循環(huán)利用等。

3) 瓦斯排放的監(jiān)測力度

煤炭開采、礦井廢棄及露天煤礦等，造成瓦斯自然逸散到大氣中，增加碳排放量。結(jié)合基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)，尋找并確定煤礦區(qū)廢棄礦井、塌陷區(qū)、易燃煤層分布、受構(gòu)造作用較強的未開采煤層分布等。對易燃煤層，應(yīng)采取相關(guān)措施，降低煤層的可燃性；加強礦區(qū)難抽采煤層瓦斯、低濃度煤層瓦斯的監(jiān)測；加大對煤炭采中、采后、廢棄礦井、塌陷區(qū)瓦斯碳排放的監(jiān)測力度，對于高瓦斯逸散區(qū)塊，應(yīng)開展進一步更為細致的研究工作，減少瓦斯逸散，同時加強瓦斯資源利用。

4) 綠色礦山修復(fù)和建設(shè)

減少礦區(qū)建設(shè)用地和采礦用地，加大土地復(fù)墾和塌陷區(qū)治理及易燃煤層的監(jiān)測力度，建立礦區(qū)生態(tài)園區(qū)，加強綠色礦山建設(shè)力度和實時監(jiān)控力度。推進對開采后的礦山廢棄空間旅游資源的開發(fā)，發(fā)展與旅游相關(guān)的服務(wù)行業(yè)；立足礦山生態(tài)，發(fā)展綠色農(nóng)副產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)，提高企業(yè)的綜合效益。

5) 碳市場和碳排放權(quán)交易

加強培育碳交易和碳資產(chǎn)專業(yè)管理的隊伍建設(shè)，拓展外部交流與合作等措施。結(jié)合我國出臺的一系列生態(tài)環(huán)境保護、碳減排、綠色清潔生產(chǎn)等與發(fā)展低碳經(jīng)濟相關(guān)的法律、法規(guī)和稅收減免政策等，逐步完善企業(yè)的監(jiān)管、治理、研發(fā)及激勵等機制，加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的升級。在碳排放權(quán)產(chǎn)權(quán)界定清晰下，積極參與碳排放權(quán)交易，并獲得更多的碳排放權(quán)，實現(xiàn)經(jīng)濟效益。

6) 煤礦區(qū)相適宜的碳排放核算體系

基于煤礦區(qū)碳排放源清單，針對不同的煤礦及礦石類型、各碳排放源特征，建立更加準確的核算方法，分析各碳排放源的排放強度、結(jié)構(gòu)，建立面向整個煤礦區(qū)的綜合核算模型。針對煤礦區(qū)碳減排核算模型，明確各碳排放源減排貢獻率，制定煤礦區(qū)碳減排綜合分析模型。

2.2 前沿低碳技術(shù)研發(fā)

1) 煤礦區(qū)碳排放在線監(jiān)測

(1) 衛(wèi)星遙感碳排放時空分布，對比并分析SCIAMACHY、AIRS以及我國的TanSat等嗅碳衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，利用高光譜遙感數(shù)據(jù)分析煤礦區(qū)CO2排放量的空間分布，以及煤礦區(qū)CO2排放量的月份、季節(jié)和年度變化趨勢，動態(tài)分析煤礦區(qū)CO2量的源匯格局的時空變化機制。

(2) 利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和云計算等信息技術(shù)，在煤礦區(qū)(地上和地下)部署多組CO2、CH4實時在線監(jiān)測儀器，實現(xiàn)碳排放監(jiān)測儀器自組網(wǎng)，并搭建煤礦區(qū)碳排放實時監(jiān)測云平臺，實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的無線傳輸、網(wǎng)絡(luò)匯聚和動態(tài)分析，進一步動態(tài)分析煤礦企業(yè)CO2和CH4排放的時空變化，構(gòu)建“互聯(lián)網(wǎng)+(CO2和CH4)”排放監(jiān)測模式。

2) 煤礦區(qū)CCUS潛力評價

查明區(qū)內(nèi)可采煤層、廢棄煤層、高瓦斯難采煤層、無商業(yè)價值或不可采煤層等規(guī)模，以及埋藏超過終采線的深部煤層的規(guī)模，收集煤礦區(qū)的基礎(chǔ)地質(zhì)資料，通過測試分析和實驗?zāi)M評價煤礦區(qū)儲蓋組合的孔滲等參數(shù)，篩選適宜性封存場所，評估CO2封存潛力，開展CCUS工程試點試驗，對封存后CO2的穩(wěn)定性建立預(yù)警、監(jiān)測和防范機制，做出封存穩(wěn)定性評估，最后通過建立數(shù)學(xué)模型以評價CO2利用和封存技術(shù)的適用性。在注入CO2提高煤層CH4采收率方面[18-19]，目前在已形成的開采技術(shù)基礎(chǔ)上，加快理論研究和技術(shù)研發(fā)，進行CO2-ECBM技術(shù)的經(jīng)濟、環(huán)境效益評價。CO2地質(zhì)利用與封存模式如圖2所示。

圖2 CO2地質(zhì)封存與利用模式

3) 煤制氫技術(shù)

基于能源需求長期預(yù)測，我國氫氣年需求量逐年增加，至2050年氫氣年需求量可達6 000萬t(圖3)，減排CO2可達7億t，具有空前的市場和碳減排潛力。在目前的制氫技術(shù)中，以化石能源制氫為主，預(yù)測至2030年，化石能源制氫占比仍約60%，至2050年時，隨著可再生能源制氫技術(shù)的發(fā)展，化石能源制氫比例有所下降，但仍占20%左右(圖4a)，表明在長達30 a時間中，化石能源制氫仍是眾多制氫技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)。其次，在可再生資源制氫、天然氣制氫、可再生電力制氫等技術(shù)未實現(xiàn)突破前，煤制氫技術(shù)的成本僅次于天然氣制氫，僅為14.59元/kg，成為我國初期和中遠期制氫技術(shù)中最為安全、經(jīng)濟、成熟的制氫方向[20]。從CO2封存成本而言，煤制氫過程產(chǎn)生的CO2純度最高達98%左右，大大降低了CCUS技術(shù)中CO2的捕獲成本。協(xié)同發(fā)展煤氣化、煤液化、煤制油等工藝，雖然煤制油易受國際市場和油價波動的影響，但從碳減排、綠色清潔生產(chǎn)的角度來看，仍具有一定的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖3 我國氫能需求[10]

通過分析我國從2014—2018年的煤炭消費量，如圖4b所示，發(fā)現(xiàn)火力發(fā)電占主要比例，雖然煤制氣和煤制油過程中煤炭消費量較低，但呈逐年增長趨勢。我國作為富煤國家，煤制氫技術(shù)為煤炭清潔綠色發(fā)展提供了新的發(fā)展方向，在可再生能源制氫技術(shù)未完全成熟之前，應(yīng)發(fā)展以煤炭為主的制氫技術(shù)，探索煤制氫技術(shù)的理論與方法，符合我國目前的碳減排需求。

3 建議與對策

應(yīng)深刻認識煤炭產(chǎn)業(yè)在我國能源安全領(lǐng)域的基礎(chǔ)兜底保障作用，是可清潔高效利用的最為經(jīng)濟和安全的能源[22]。應(yīng)以煤礦區(qū)為立腳點，通過碳排放的確認和計量，查明煤礦區(qū)碳排放來源、碳排放量、碳排放結(jié)構(gòu)，分析煤礦區(qū)內(nèi)企業(yè)規(guī)模、能耗強度和能源效率及低碳化實施程度，結(jié)合遙感衛(wèi)星與在線監(jiān)測儀器監(jiān)測煤礦區(qū)碳排放源匯格局的時空變化機制?；谏鲜龌A(chǔ)，總結(jié)分析煤礦區(qū)各碳排放源的碳排放特征，建立煤礦區(qū)碳排放相適宜的綜合核算和分析模型。明確各碳排放源的碳排放因子，在碳排放各環(huán)節(jié)制定相應(yīng)的減排途徑。充分利用政府部門給予的政策優(yōu)勢，與高校積極合作，發(fā)揮高校的理論研發(fā)優(yōu)勢，推進煤制氫理論與技術(shù)研發(fā)，開展CCUS及CO2-ECBM試點試驗，提出面向煤炭企業(yè)低碳循環(huán)發(fā)展模式和碳達峰與碳中和目標的政策與對策研究(圖5)。

圖4 我國制氫技術(shù)和比重與煤的二次利用[10,21]

圖5 煤礦區(qū)減排方案

4 結(jié)論

a. 厘清煤礦區(qū)碳排放源的邊界并建立核算模型。將煤礦區(qū)碳排放(CH4和CO2)來源劃分為自然排放和人為排放兩大類，并劃分為5種類型，針對不同的碳排放源提出相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

b. 明確了煤礦區(qū)低碳減排途徑。煤礦區(qū)要強化煤炭綠色開發(fā)和礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理，通過加大節(jié)能和低碳技術(shù)的投入、提高綜合資源的利用程度，加強培育適應(yīng)市場的管理模式等一系列措施協(xié)同開展，逐步實現(xiàn)低碳、綠色產(chǎn)業(yè)體系。

c. 指出了煤炭企業(yè)布局的前沿科技領(lǐng)域。應(yīng)逐步實現(xiàn)煤礦區(qū)碳排放的在線監(jiān)測部署，突破CO2-ECBM和CCUS等關(guān)鍵技術(shù)的瓶頸，大力推動煤制氫技術(shù)的發(fā)展，從而在碳減排中實現(xiàn)巨大的經(jīng)濟、環(huán)境效益。

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Confirmation of carbon emissions in coal mining areas and research on low-carbon green development path

WANG Meng1,3,4, MA Ruying2, DAI Xuguang4, SHAN Yadi4

(1. Jiangsu Key Laboratory of Coal-based Greenhouse Gas Control and Utilization, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China; 2. College of Geology and Mining Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830046, China; 3. Low Carbon Energy Institute, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China; 4. School of Resources and Geosciences, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

Analysis was carried out on the issues such as unclear boundaries of carbon emission sources in coal mining areas, lack of accounting models, and development directions in the context of carbon neutrality. Based on the previous researches and through literature review, data collection and other methods, the boundaries of carbon emission sources in coal mining areas have been clarified and accounting model has been established, clarifying the low-carbon and green development direction of coal mining areas. The sources of carbon emissions(CH4and CO2) in coal mining areas are divided into two major categories: natural emission and anthropogenic emission and divided into seven types, further, corresponding mathematical models are proposed for different carbon emission sources. At the same time, in the coal mining areas the investment in energy saving and low carbon technology should be increased, the utilization degree of comprehensive resources and gas monitoring should be improved, the restoration and construction of green mines, actively participating in carbon market and carbon emission right trading should be strengthened, and a series of measures to adapt to the market should be formed, a low carbon green industrial system should be gradually set up; In addition, we must be far-sighted, give full play to the government’s low-carbon environmental protection policy, and cooperate with relevant universities to vigorously promote the development of coal-to-hydrogen technology under China carbon emission reduction goals, the breakthrough in the bottleneck problems of transport, storage location, safety and stability evaluation and cost reduction of key technologies of CO2-ECBM and CCUS, and achieve huge economic and environmental benefits in the process of carbon emission reduction.

coal mining area; carbon emission source; carbon reduction path; low carbon technology

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P618.11

A

1001-1986(2021)05-0063-07

2021-07-08；

2021-08-09

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金項目(2020ZDPYMS09)

王猛，1982年生，男，山東鄒城人，博士，教授，從事非常規(guī)天然氣地質(zhì)、煤田地質(zhì)、CO2地質(zhì)封存研究. E-mail：wangm@cumt.edu.cn

王猛，馬如英，代旭光，等. 煤礦區(qū)碳排放的確認和低碳綠色發(fā)展途徑研究[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(5)：63–69. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.007

WANG Meng，MA Ruying，DAI Xuguang，et al.Confirmation of carbon emissions in coal mining areas and research on low-carbon green development path[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(5)：63–69. doi: 10.3969/j.issn. 1001-1986.2021.05.007

(責(zé)任編輯 范章群)