劉少權(quán),王海軍,史翊翔

(1.中國煤炭科工集團(tuán) 煤炭科學(xué)研究總院有限公司,北京 100013;2.清華大學(xué) 能源與動力工程系,北京 100084)

0 引 言

運輸系統(tǒng)是露天煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分,主要作用是完成煤炭或剝離土石方的運輸和排卸作業(yè),非公路礦用自卸車(簡稱礦卡)是其主力設(shè)備。在各煤炭采礦大國中,礦卡運輸量已占采剝運輸總量的80%以上,能源消耗約占礦山總能耗的40%～60%[1]。目前礦卡的主要動力形式是大功率高速柴油機(jī),由于露天煤礦開采和運輸強(qiáng)度的不斷提高,且柴油機(jī)運行工況復(fù)雜、時間長,CO、HC、NOx、顆粒物(PM)等大氣污染物,以及CO2等溫室氣體的排放問題極其嚴(yán)重,極大危害礦區(qū)和周圍環(huán)境,是目前露天煤礦行業(yè)面臨的普遍共性難題和制約因素之一[2]。

近年來,在雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)和新發(fā)展理念下,氫能源與燃料電池等相關(guān)技術(shù)裝備和產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速[3]。氫能動力車輛不僅能夠?qū)崿F(xiàn)使用終端大氣污染物零排放,采用綠氫能源后,與傳統(tǒng)柴油動力車輛相比,還能夠減少全生命周期溫室氣體排放50%以上,環(huán)境保護(hù)和社會效益顯著[4]。在煤炭采礦行業(yè),煤炭與氫能協(xié)同發(fā)展、礦區(qū)可再生能源發(fā)電與制氫儲能相互結(jié)合以及研發(fā)和推廣應(yīng)用氫能動力礦卡已成為建設(shè)綠色礦山的重要途徑[5-7]。國家能源集團(tuán)、英美資源集團(tuán)等煤炭采礦企業(yè)聯(lián)合礦卡和氫燃料電池系統(tǒng)制造商已陸續(xù)開始?xì)淠軇恿ΦV卡研究和試驗工作。

由于可簡化從制氫到用氫的復(fù)雜環(huán)節(jié),在露天煤礦應(yīng)用氫能動力礦卡具有先天優(yōu)勢條件,但目前系統(tǒng)性的研究工作開展較少。筆者對露天礦卡能源與動力方案綜合排放性進(jìn)行定量分析和對比,可為氫能源與燃料電池技術(shù)在露天礦卡的應(yīng)用研究工作起鋪墊作用,還可為煤炭與氫能協(xié)同發(fā)展、煤炭潔凈高效利用等提供決策依據(jù)和理論支持,為雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)和綠色礦山建設(shè)下的能源轉(zhuǎn)型提供參考。

1 研究目標(biāo)和研究對象

1.1 研究目標(biāo)定義

露天礦卡能效和成本核算通常以m3·km為基本單位(1 m3煤炭或剝離土石方運輸1 km距離),因此在能源與動力方案綜合排放性研究時統(tǒng)一使用m3·km作為基本單位。廢水和廢渣主要產(chǎn)生于能源轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié),廢水處理和循環(huán)利用技術(shù)、廢渣再利用率不斷提高,在定義研究目標(biāo)時視廢水和廢渣為近零排放。

露天礦卡屬于礦用特種設(shè)備,批量不大,受統(tǒng)計數(shù)據(jù)資料所限,能源轉(zhuǎn)化設(shè)備和礦卡動力子系統(tǒng)所用材料全壽命周期對排放性的影響主要以10 a為周期,研究露天煤礦運輸1 m3·km的煤炭或剝離土石方,從一次能源轉(zhuǎn)化為燃料到礦卡動力子系統(tǒng)終端使用的燃料周期過程中各大氣污染物和CO2綜合排放性定量分析和對比研究。

1.2 研究對象

以某露天煤礦及其運輸系統(tǒng)作為研究對象,該煤礦位于我國重點能源化工基地,煤炭生產(chǎn)能力1 000萬t/a,煤質(zhì)為煙煤,平均剝采比5 m3/t,平均提升高度200 m,平均單程運輸距離3 km,平均爬坡度6%,折合使用116臺120噸級礦卡(額定載重108 000 kg)進(jìn)行煤炭或剝離土石方運輸排卸作業(yè),礦卡動力子系統(tǒng)功率需求約800 kW。該煤礦坑口附近有大型煤化工廠,已建成400萬t合成柴油和100萬t氫氣(H2)的產(chǎn)能規(guī)模。該能源化工基地周邊具有豐富的風(fēng)能和太陽能資源,已建成風(fēng)力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電場,正在規(guī)劃建設(shè)可再生能源電解水制氫儲能項目。研究對象符合煤氫協(xié)同的應(yīng)用場景條件。

2 技術(shù)方案設(shè)計

在露天煤礦,常用移動式加注車輛為礦卡補(bǔ)給燃料,運輸距離較短,從能源轉(zhuǎn)化到礦卡動力的過程得到簡化,因此筆者主要對能源和動力2個子系統(tǒng)進(jìn)行研究。2個子系統(tǒng)分別采用不同的技術(shù)路線,將2個子系統(tǒng)的不同技術(shù)路線排列組合,即可得到露天礦卡能源與動力的不同技術(shù)方案。

在能源轉(zhuǎn)化子系統(tǒng)中,我國當(dāng)前煤化工行業(yè)發(fā)展較成熟,無論是煤化工制氫氣還是制柴油的技術(shù)路線,均已達(dá)規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化水平,電解水制氫氣的技術(shù)路線產(chǎn)業(yè)化規(guī)模尚小,還處于初級階段,且所需電能主要來自煤炭火力發(fā)電,仍產(chǎn)生大氣污染物和溫室氣體[8],如果可再生能源發(fā)電與制氫儲能融合發(fā)展,在技術(shù)經(jīng)濟(jì)和環(huán)保等諸多方面有強(qiáng)大競爭力[9-11]。在礦卡動力方面,目前柴油動力是主要技術(shù)路線,氫能動力方案中,動力裝置為氫燃料電池和小容量大功率型輔助動力蓄電池組成的混合動力系統(tǒng),其中氫燃料電池提供主要的動力需求,蓄電池具有削峰填谷作用,目前已有樣機(jī)且正在進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用試驗[12]。

設(shè)計綜合排放性研究對比方案時,常規(guī)上能源轉(zhuǎn)化子系統(tǒng)采用石油煉制柴油的技術(shù)路線,礦卡動力子系統(tǒng)采用柴油動力的技術(shù)路線。實際上在能源轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)煤化工制柴油標(biāo)桿水平的大氣污染物排放數(shù)據(jù)參考《重污染天氣重點行業(yè)應(yīng)急減排措施制定技術(shù)指南(2020年修訂版)》(環(huán)辦大氣函〔2020〕340號)中煉油和石油化工行業(yè)績效分級指標(biāo)的A級要求,相比石油煉制柴油的大氣污染物排放更少,且煤化工制成的合成柴油的污染物成分含量更低,燃燒排放更加清潔環(huán)保[13]。

因此選擇綜合排放性更好的煤化工制柴油和礦卡柴油動力技術(shù)路線作為綜合排放性研究的對比方案。所選擇研究對象具有各種能源轉(zhuǎn)化條件和礦卡動力燃料需求,為研究工作提供良好基礎(chǔ)。

根據(jù)現(xiàn)有的能源轉(zhuǎn)化和礦卡動力的技術(shù)條件,共設(shè)計出3種氫能動力技術(shù)方案和1種柴油動力對比方案,分別見表1中的方案1～3和方案4。

3 研究模型和數(shù)據(jù)清單的建立

3.1 研究模型

建立研究模型主要目的是確定研究范圍,確定前文所述4種技術(shù)方案中的含能物質(zhì)材料和能量流動路線和系統(tǒng)邊界,然后收集、挖掘和分析處理清單數(shù)據(jù),為實現(xiàn)研究目標(biāo)提供前提條件[14]。方案1～4研究模型如圖1所示。

圖1 方案1～4研究模型Fig.1 Research model for scheme 1-4

研究模型建立的說明、假設(shè)和簡化如下:

1)研究周期設(shè)定為10 a,通常礦卡設(shè)備的設(shè)計壽命為10 a(在良好的操作使用、維護(hù)保養(yǎng)條件下更長),煤化工設(shè)備的設(shè)計壽命為20 a,可再生能源發(fā)電設(shè)備的設(shè)計壽命為20 a,各種基建設(shè)施的設(shè)計壽命則更長,且礦卡全生命周期過程中整車及各子系統(tǒng)/分總成的材料周期排放統(tǒng)計數(shù)據(jù)較少,因此暫不考慮在內(nèi)。研究模型包括從含能物質(zhì)材料開采,到轉(zhuǎn)化,再到礦卡動力子系統(tǒng)終端利用的所有過程以及各種大氣污染物和溫室氣體的排放。

2)在研究模型中,含能物質(zhì)材料包括煤炭、水等,大氣污染物包括CO、HC、NOx、SO2、PM等有毒有害物質(zhì)和CO2等溫室氣體。

3)所有環(huán)節(jié)產(chǎn)生的大氣污染物和溫室氣體,除符合法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的達(dá)標(biāo)排放外,其余直接排放到環(huán)境中。

3.2 數(shù)據(jù)清單

建立數(shù)據(jù)清單是研究工作的核心環(huán)節(jié),通過全壽命周期清單數(shù)據(jù)的收集、挖掘和分析處理,可以獲得技術(shù)方案中能源轉(zhuǎn)化和礦卡動力2個子系統(tǒng)過程中的排放數(shù)據(jù),以及2組數(shù)據(jù)累加后的綜合數(shù)據(jù)。如何獲取準(zhǔn)確可靠和實時實地數(shù)據(jù),建立科學(xué)合理的數(shù)據(jù)清單,是研究工作的重點和難點。在收集數(shù)據(jù)時遵循以下原則:

1)考慮技術(shù)的時空有效性和科學(xué)合理的前瞻性,研究對應(yīng)時間(2019—2022年)和研究對象(我國重點能源化工基地及其露天煤礦)。

2)以我國工業(yè)、煤炭、能源、電力、采礦、化工、環(huán)保等行業(yè)數(shù)據(jù)為主,以國外數(shù)據(jù)為輔,包括但不限于官方統(tǒng)計數(shù)據(jù)、現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、文獻(xiàn)資料等。

3)對數(shù)據(jù)的取舍、處理上兼顧獲取數(shù)據(jù)的難易程度和數(shù)據(jù)對結(jié)果的影響程度。

能源轉(zhuǎn)化子系統(tǒng)清單數(shù)據(jù)主要來源和依據(jù)為

1)在能源轉(zhuǎn)化子系統(tǒng)中的大氣污染物排放,我國已制定較完善的法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。在煤化工制氫氣、柴油等環(huán)節(jié),假定CO作為副產(chǎn)品進(jìn)行回收利用,則污染物只有NOx、SO2、PM等,大氣污染物排放數(shù)據(jù)按照《重污染天氣重點行業(yè)應(yīng)急減排措施制定技術(shù)指南(2020年修訂版)》(環(huán)辦大氣函〔2020〕340號)中煉油和石油化工行業(yè)績效分級指標(biāo)的A級要求,以及GB 16297—1996《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》。在煤炭火力發(fā)電環(huán)節(jié),排放的大氣污染物主要有SO2、NOx、PM等,參考GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》、GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》和GB 16297—1996《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》。在可再生能源發(fā)電和電解水制氫氣等環(huán)節(jié),大氣污染物排放近零。

2)在礦卡動力子系統(tǒng)中的大氣污染物排放,礦卡柴油動力系統(tǒng)大氣污染物排放遵守GB 20891—2014 《非道路移動機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測量方法(中國第3、4階段)》[15],其中第3階段標(biāo)準(zhǔn)于2015年10月1日開始實施,額定凈功率560 kW以下非道路移動機(jī)械用柴油機(jī)于2022年12月1日開始實施第4階段標(biāo)準(zhǔn),也就是說,本研究中的礦卡采用的800 kW柴油動力系統(tǒng)仍在執(zhí)行第3階段標(biāo)準(zhǔn),排氣污染物主要包括CO、HC、NOx、PM等有毒有害物質(zhì),遵守達(dá)標(biāo)排放。礦卡氫能動力系統(tǒng)生成物只有水,大氣污染物排放近零。

4)礦卡氫能動力系統(tǒng)中,高純度氫氣和空氣中的氧氣在氫燃料電池堆中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),實際最高效率可達(dá)65%以上[17],考慮變工況運行和輔助系統(tǒng)消耗等因素,氫燃料電池系統(tǒng)綜合效率接近50%,燃料消耗率約50 g/kWh(以H2計),遠(yuǎn)高于柴油動力系統(tǒng)的卡諾循環(huán)效率,生成物只有水,可視為近零排放。柴油動力系統(tǒng)匹配的礦卡傳動系統(tǒng)為交流-直流-交流-機(jī)械傳動型式,氫能動力系統(tǒng)匹配的礦卡傳動系統(tǒng)為直流-交流-機(jī)械傳動型式,傳動路線短,效率更高,氫能動力系統(tǒng)中與輔助動力蓄電池,能夠在礦卡下坡時電力制動進(jìn)行能量回收[18],因此采用氫能動力系統(tǒng)的礦卡綜合效率高,可計算出氫氣消耗量為25 g/(m3·km)。

5)假定未使用碳捕集、封存和利用技術(shù)(CCUS處于示范工程階段,因經(jīng)濟(jì)性尚差,暫未得到大規(guī)模推廣應(yīng)用)[19-20],根據(jù)文獻(xiàn)[10],煤化工制氫氣的碳排放水平約19 kg/kg(以H2計),則煤化工制氫氣環(huán)節(jié),1 m3·km運輸量的CO2排放量為:19×25=475 g/(m3·km)。

6)在煤炭火力發(fā)電環(huán)節(jié),碳排放水平按生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的2021年度電網(wǎng)排放因子581 g/kWh(以CO2計),度電煤耗水平按國家能源局2021年度全國電力工業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)305 g/kWh。制氫電耗數(shù)據(jù)根據(jù)文獻(xiàn)[9],按5 kWh/m3計算。氫氣密度取89 g/m3,則1 m3·km運輸量的CO2排放量為:(25/89)×5×581=816 g/(m3·km)。

7)在煤化工制柴油環(huán)節(jié),CO2排放強(qiáng)度根據(jù)參考文獻(xiàn)[21-22]統(tǒng)計為3.48 g/g,1 m3·km運輸量的CO2排放量為:3.48×125=435 g/(m3·km)。

根據(jù)每種方案的2個子系統(tǒng)的大氣污染物和溫室氣體排放系數(shù),考慮技術(shù)迭代更新,計算得到每個子系統(tǒng)的排放清單,分別見表2、3,再匯總每種方案的2個子系統(tǒng)的大氣污染物和溫室氣體排放清單,得到排放總清單見表4。

表3 礦卡動力子系統(tǒng)排放系數(shù)Table 3 Emission list-haul truck power subsystem

表4 排放總清單Table 4 Total emission list

4 對比研究及優(yōu)化措施

通過對露天礦卡能源與動力方案數(shù)據(jù)清單的定量分析和對比,可獲得從能源轉(zhuǎn)化到礦卡動力2個子系統(tǒng)過程中大氣污染物和溫室氣體的綜合排放情況,識別出各方案的環(huán)境影響,找到減少環(huán)境污染的解決途徑。

1)根據(jù)排放總清單,在不考慮材料周期排放的情況下,方案2最綠色環(huán)保,在能源轉(zhuǎn)化和礦卡動力2個子系統(tǒng)過程中幾乎不排放大氣污染物和溫室氣體,從綜合排放性角度可視為露天礦卡能源與動力的最佳解決方案,綠氫動力礦卡是露天煤礦運輸系統(tǒng)技術(shù)裝備的發(fā)展趨勢。

2)方案1和3的礦卡氫能動力使用終端無大氣污染物和溫室氣體排放,主要排放集中在能源轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié),有條件采取措施對排放進(jìn)行集中處理,在各種技術(shù)成熟時,減排力度更大。

3)對排放清單中大氣污染物進(jìn)行分析:方案1的主要問題是煤化工制氫氣過程中SO2排放量大,比方案3和方案4大1個數(shù)量級,PM排放量較大,是方案3和方案4的2～3倍,因此方案1應(yīng)做好煤氣化過程中脫硫和除塵措施;方案4中礦卡柴油動力系統(tǒng)的CO和HC+NOx排放量大,比方案3大1個數(shù)量級,即使強(qiáng)制執(zhí)行非道路移動機(jī)械用柴油機(jī)國四排放標(biāo)準(zhǔn),大氣污染物CO和HC+NOx排放量有所下降,與礦卡氫能動力相比綜合排放性也無優(yōu)勢。

4)對排放清單中溫室氣體CO2進(jìn)行分析:方案3和4的CO2總排放量接近,方案1的CO2總排放量最小,比方案3和4減少排放40%以上,主要原因是煤化工制氫氣環(huán)節(jié)和礦卡氫能動力系統(tǒng)均比較高效;方案3中,電解水制氫氣的效率低,需消耗更多電能和煤炭,導(dǎo)致CO2總排放量居高;方案4中,礦卡柴油動力使用終端的CO2排放量大,煤化工制柴油過程中CO2排放量亦大。由于方案1和3的CO2排放集中于煤化工制氫氣環(huán)節(jié),加快CCUS技術(shù)攻關(guān)和推廣應(yīng)用的效果最顯著。

5 結(jié)論與展望

以某露天煤礦及其運輸系統(tǒng)作為對象,研究露天礦卡能源與動力方案綜合排放性,對包括能源轉(zhuǎn)化和礦卡動力2個子系統(tǒng)的燃料周期過程中的大氣污染物和溫室氣體排放進(jìn)行定量分析和對比研究,并給出優(yōu)化措施建議如下:

1)4種技術(shù)方案中,在不考慮材料周期排放的情況下,方案2的綜合排放性最好,方案4的綜合排放性最差,且減排技術(shù)難度大,因此有必要研究氫能動力等新型的礦用移動設(shè)備動力系統(tǒng)方案。

2)方案1和方案3的礦卡終端使用氫能動力,無大氣污染物和溫室氣體排放,與方案4相比,實際上只是將排放轉(zhuǎn)移到能源轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié),在各技術(shù)成熟時,可采取更有效的措施進(jìn)行減排。

3)方案3的減排重點在于CO2捕集、封存和利用,方案1除需進(jìn)行CO2捕集、封存和利用外,更要注重脫硫和除塵。

4)在研究露天礦卡能源與動力方案綜合排放性時,因數(shù)據(jù)較少,未考慮材料全壽命周期排放的影響,后續(xù)有必要繼續(xù)開展相關(guān)領(lǐng)域的研究工作。