我國地下煤礦溫室氣體溢散排放研究

張曉慧 劉金平

(中國礦業大學管理學院,江蘇省徐州市,221116)

我國地下煤礦溫室氣體溢散排放研究

張曉慧 劉金平

(中國礦業大學管理學院,江蘇省徐州市,221116)

根據我國地下煤礦溫室氣體溢散排放的構成,構建了計算模型;用替代法計算了缺失數據,確保了時間序列的完整性;提供了減少我國地下煤礦溫室氣體溢散排放計量不確定性的方法。

煤礦 溫室氣體 溢散排放 不確定性

煤礦區既是能源生產基地,又是耗能大戶,也是重要的溫室氣體排放源。煤礦區溫室氣體排放主要包括使用能源(電、化石燃料等)帶來的碳排放和煤炭開采加工過程中的溢散排放。甲烷(CH4)是煤炭開采加工過程中溢散排放的主要溫室氣體,一般來說,深層煤所含的甲烷要比淺層煤多,因此,大多數溢散排放來自深層的地下煤礦。目前國內外對地下煤礦溢散排放的研究還很少,對其排放源和排放機理還不清晰,更沒有建立系統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成角度,建立了地下煤礦溫室氣體溢散排放計量模型,并且研究了缺失數據和減少溢散排放計量不確定的方法,對于煤炭行業計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成

溢散排放是煤礦區溫室氣體排放中最難以衡量和計算的部分。煤礦區溫室氣體的溢散排放是指煤礦采掘、加工、存儲和運輸過程中,溫室氣體有意或無意的釋放。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源。其產生于煤生成的地質過程中,封固在煤層里,直到采掘過程中煤層暴露和破碎時,才釋放到大氣當中。地下煤礦溢散排放的主要構成為:

(1)采掘排放:煤炭采掘操作期間破碎煤層及周圍層存儲氣體的排放。

(2)采后排放:在煤的后續處理、加工和輸送期間產生。已經采掘出的煤,通常還會繼續排放氣體,不過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,廢棄煤礦可能還會繼續排放甲烷。

(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——采掘過程中通風和排氣系統排出的溫室氣體;

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

地下開采的碳排放量主要來自通風和排氣系統。對于井下開采的煤礦企業來說,出于安全考慮,都會對特定礦井通風和排氣系統的數據進行現場測量。有些煤礦通風和排氣系統測量數據不可獲取,如果該煤礦與有測量數據的煤礦在同一區域,則可以通過可測量煤礦區域的排放速率、甲烷濃度和原煤產量來估算其碳排放因子。排放因子能反映煤炭實際開采過程中的平均甲烷含量。

式中:E——某煤礦開采中碳排放因子;

Gi——特定煤礦的原煤產量;

vi——特定煤礦的通風與排氣排放速率;

n——礦井個數;

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——地下原煤產量;

σ——單位轉換因子,指CH4密度,可將CH4體積轉換為CH4質量,在20°C、1個大氣壓的條件下,此密度取值為0.67×10-6Gg/m3;

A——溫室氣體的預設GWP值,即單位體積的CH4產生的溫室效應是CO2的24.5倍。

排放因子不可測量和估算時,采用統一標準:平均開采深度小于200 m時,采用低CH4排放因子10 m3/t;平均開采深度在200～400 m之間,采用CH4排放因子18 m3/t;平均開采深度大于400 m時,采用高CH4排放因子25 m3/t。

1.2 采掘后煤層氣排放

開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、存儲及運輸排放的CH4及CO2。對開采活動后排放量進行測量是不可行的,因此必須采用排放因子的方法,計算公式如下:

式中:EA——采掘后煤礦碳排放因子。

估算開采后排放要考慮煤的現場氣體含量。對來自地下煤礦開采之前未除氣的運送煤測量表明,25%～40%的現場氣體仍保留在煤中。對于進行了預排氣的煤礦,煤里的氣體數量將小于現場值,小于量不明。對于沒有預排氣的煤礦,但已知現場氣體含量,開采后排放因子可設置為現場氣體含量的30%;對于預排氣的煤礦,建議排放因子為現場氣體含量的10%。如果沒有現場的氣體含量數據或預先排氣系統已經運行,但并不知道運行到什么程度,合理的方法是將地下開采的總排放量提高3%。

1.3 廢棄地下煤礦溫室氣體排放

目前還沒有現成的方法估算此類排放源類別的排放量。對于被水淹沒的煤礦,排放量幾乎不會發生,而被機械封存的煤礦可能出現少量的泄漏。好的做法是記錄被關閉礦井的時間和封存的方式,有關這類礦井大小和開采深度的數據,對于在此之后的任何估算都將是有用的。

式中:n——仍未淹沒的廢棄煤礦數量;

q——瓦斯礦的比例;

v——氣體平均排放速率;

EF——廢棄地下煤礦的排放因子;

a、b——常量,決定下降曲線,不同的國家和區域采用不同的值;

T——煤礦廢棄后的年數。

1.4 甲烷的回收及燃燒后的溫室氣體排放

正在開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、通風氣或廢棄煤礦中作為天然氣資源回收并利用,亦或經過無任何利用的噴焰燃燒或催化氧化轉化成CO2(單位體積的CO2產生的溫室氣體效應小于CH4),這樣造成的溫室增溫趨勢要低一些。

式中:MCO2——甲烷燃燒產生的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——化學計量質量因子,是單位質量甲烷完全燃燒產生的CO2的質量比率,等于2.75。

甲烷從煤層中抽放,然后燃燒或作為燃料利用,應從估算的排放總量中扣除這部分數量。無法直接獲得煤礦企業甲烷利用量數據時,可以利用銷售的氣體量來代替。如果銷售量也無法獲得,可以選擇從抽放系統已知的效率規范來估算甲烷的利用量,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 時間序列的完整性

時間序列是溫室氣體排放清單的關鍵組成部分,它為國家減排戰略實施提供歷史資料并反映減排實施效果。地下開采煤礦區溢散排放的時間序列中所有排放估算都應當保持一致,對所有年份盡可能應用同樣的方法和數據來源計算。

對于煤礦區溢散排放的計算,必須計算具有測量數據年份的碳排放因子,再根據其排放因子計算煤礦區溢散排放量。對于煤礦區溢散排放量時間序列挖掘過程中的缺失值用替代方法進行處理,將溢散排放量與基礎活動或其他指示性數據相聯系,即溫室氣體溢散排放量與原煤產量相關聯,用煤礦區原煤產量數據的變化模擬煤礦溢散排放量。

式中:Yj——數據缺失年份的溢散排放量;

Yi——第i年的溢散碳排放量;

Ys——已知數據年份中的任意一年的溢散排放量;

Gi——第i年的原煤產量;

Gs——已知數據年份中的原煤產量;

Gj——數據缺失年份的原煤產量;

ε——誤差項,使用多年數據多次計算會更精確。

3 減少不確定性

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

(1)由于煤產量速率和相關排除的變化,一年當中的排放不盡相同,所以盡可能頻繁地、最好是每兩周或每月收集測量數據,以消除變化。每日測量會確保更高質量的估算。連續監測排放是排放監測的最高階段,已在一些現代長壁礦中實施。

(2)確保儀器儀表準確地定位和校準,可以通過以下方法減少測量誤差:使用更精確的測量方法,避免簡化假設,以及確保適當使用和校準測量科技。

(3)在測量和調查過程中,收集盡可能多的數據。增加樣品大小,可以減少與隨機取樣誤差相關的不確定性。填補數據漏缺可以減少偏差和隨機誤差。

煤礦的溫室氣體溢散排放基于特定煤礦信息(包括現實排放速率和煤礦關閉日期)。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),但根據中心極限定理,假設不確定性是獨立的,將足夠數量各礦排放的不確定性范圍相加,實際會縮小最終清單不確定性的范圍。

4 結論

(1)分析了地下煤礦溫室氣體溢散排放的構成,包括開采過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量模型,給出了各排放源的排放計量方法,并參考IPCC溫室氣體計算指南將地下煤礦生產過程中排放的其他溫室氣體折合成為CO2進行綜合計量。

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

(4)提出了3種減少地下煤礦溫室氣體溢散排放計量不確定性的方法。

[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] 石油和天然氣工業溫室氣體排放方法學概略.美國石油學會,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,內蒙古赤峰人,中國礦業大學在讀碩士研究生。研究方向:資源經濟。

(責任編輯 張艷華)