露天礦低碳型運輸工藝的選擇方法

金 磊 ，杜勇志，李雪健，于洪洋，周志偉，李建剛，王永軍

（1.神華寶日希勒能源有限公司，內蒙古 呼倫貝爾 021000；2.遼寧工程技術大學 礦產資源開發利用技術及裝備研究院，遼寧 阜新 123000；3.遼寧工程技術大學 機械工程學院，遼寧 阜新 123000;4.內蒙古煤礦設計研究院 露天采礦所，內蒙古 呼和浩特，010010）

煤炭是我國資源儲量最豐富的化石能源，現階段煤炭仍是國家能源安全的壓艙石，占中國一次性能源消耗的56.8%，碳減排壓力巨大。能源消耗導致的碳排放增加是氣候變化的關鍵因素。廣義上看，碳排放指的是溫室氣體的排放，但二氧化碳是溫室氣體的重要組成，所以將狹義“碳排放”視為“二氧化碳排放”。露天礦能源消耗產生的排放是唯一受控排放源，通過采礦工藝和管理水平的改進可以極大地降低碳排放量。

國內學者對露天礦碳排放問題的研究不是很多。才慶祥[1]、劉福明[2]等初步探討了露天礦溫室氣體排放的方法，構建了露天礦能源消耗導致溫室氣體排放的計量模型；張振芳[3]建立了露天礦碳排放量初步核算模型和基于生產環節的露天礦碳排放量核算模型；周游[4]在識別溫室氣體排放源的基礎上構建了溫室氣體核算模型，初步提出露天礦的減排策略。綜上述分析，專家學者大多對露天礦溫室氣體排放量模型進行研究，對于生產運輸環節的碳排放研究甚少，主要集中于提高運輸管理和調度水平來節省運距，達到降能減排的效果[5－6]。

所謂低碳型開采工藝是指在可持續發展理念指導下、露天礦開采過程中，通過總量調控、運輸系統優化、技術創新和制度完善等多種手段，最大限度降低油料、電能等能源消耗[7]，不斷提高能源使用效率，最大可能減少溫室氣體排放，達到煤炭產能提高與生態環境保護雙贏的一種開采工藝。露天礦開采過程中，組成不同開采工藝的生產環節，運輸作業成本占露天礦總成本的50%～65%[8]，運輸作業過程會排放大量的碳，運輸能耗約占露天礦總能耗的60%，運輸環節是露天礦碳排放量的最大來源。露天礦生產運輸系統的碳排放主要是由卡車運輸的耗油設備和膠帶運輸的耗電設備產生的。為此，從能源消耗強度和能源效率角度，建立基于運輸環節的不同運輸方式的碳排放計算模型。

1 能源消耗強度

露天開采工藝中的運輸環節承擔了煤、巖的主體運輸任務，常用的基本運輸方式有鐵道、汽車和帶式輸送機等，鐵道運輸在我國露天礦已被汽車或帶式輸送機替代。所以，露天礦運輸環節的能耗類別主要有油和電力，卡車運輸和帶式輸送機運輸分別以油和電作為動力的來源。

1.1 耗油設備能源消耗強度

露天礦運輸環節的耗油設備主要是卡車以額定功率運行時所消耗柴/汽油達到的理論生產能力。設卡車在空載和重載時都以額定功率運行，卡車完成一次運輸消耗的能源強度為：

式中：q 為完成一次運輸的卡車能源消耗強度，kW·h；Lk為卡車運輸的距離，km；v0為卡車運行的空載速度，km/h；vt為卡車運行的滿載速度，km/h；Pk為卡車運行的額定功率，kW。

卡車完成一次運輸的生產能力指的是卡車滿載時的物料體積，卡車單位生產能力的耗油量W0為：

式中：W0為卡車單位生產能力的能源消耗，量（kW·h）/m3；m 為卡車的載重量，t；λ 為運輸物料的密度，t/m3。

1.2 耗電設備能源消耗強度

露天礦運輸環節的耗電設備主要是帶式輸送機在滿功率運行時能夠達到理論生產能力，故帶式輸送機運輸的能源消耗強度WE為：

式中：WE為帶式輸送機運輸單位生產能力的能源消耗，（kW·h）/m3；PD為帶式輸送機設備的額定功率，kW；Q0為帶式輸送機設備的生產能力，m3/h。

2 能源效率

2.1 卡車運輸做功

底盤應許發動機的功率P 為：

式中：P 為卡車完成一次運輸所需平均功率，kW；g 為重力加速度，g=9.8 m/s2；f 為滾動阻力系數，0.021；CD為空氣阻力系數，0.65；A 為汽車正面投影面積，A=B1H1；B1為前輪距；H1為汽車前臉高m；ma為汽車總質量；v 為平均車速，45km/h。

卡車完成一次運輸包括重車運輸和空車運輸返程2 部分，卡車完成一次運輸的做功Wty為：

式中：m0為汽車空載質量（自身自重），t；S 為卡車的運距，km。

2.2 帶運式輸送機輸做功

無論采用半連續工藝還是連續工藝，帶式輸送機做功采用相同的公式計算。帶式輸送機運輸機張力分布圖如圖1。

圖1 膠帶運輸機張力分布圖

假設工作面、端幫及排土的帶式運輸機均為水平布置，帶式輸送機傾角為0°，則帶式輸送機直線段和空段運行阻力為：

式中：CF為阻力值折算系數；FL為膠帶第1 個計算點的張力，FL=F1；Fy為膠帶最后第1 個計算點的張力，N；n 為摩擦力備用系數，1.15；μ 為膠帶與滾筒間的摩擦因數，0.25；θ 為膠帶與兩滾筒間的圍包角之和，200°。

膠帶運輸機主軸牽引力F 為：

膠帶運輸機牽引力做功WJD：

2.3 工藝的能源效率

功密度與能源消耗強度的比值稱為工藝的能源效率；通過比較不同工藝的能源利用效率，就可以選出低碳型露天開采工藝。

露天礦不同的生產工藝系統中每個作業環節的做功也有明顯的差異，運輸功和挖掘功占每種工藝總功的絕大部分，運輸功在不同工藝下差異最大。帶式輸送機運輸是耗電設備，是各種運輸方式中耗功最大，比卡車運輸的功密度高出1 個數量級，但帶式輸送機運輸是成本較低的運輸方式，歸因于卡車是耗油設備，提供等量能量需要的柴油的價格高于電能的價格。此外卡車能量需要通過柴油機發電，再用電能驅動電動機做功。能量經過多次轉換，且轉化率低和損失多，導致卡車運輸成本增加較大。而卡車運輸方式具有工藝技術成熟、適應性強、機動靈活，是近年來發展較快的露天開采工藝。綜合考慮多因素影響，才能選擇出合理、低碳、綠色的開采工藝。

從露天礦運輸作業環節中，只有在提升能源使用效率前提下，通過建立碳排放測算模型，根據能源消耗量和碳排放因子等因素的影響推導出排放量，進而分析查找出產生碳排放量的源頭，采取精準管控、精確施策，才能促進碳排放強度和能耗強度持續下降，最大可能地減少溫室氣體排放，實現減緩氣候變化的目標。

3 碳排放測算模型

3.1 碳排放測算模型

由于2 種運輸方式的做功原理和能源形式完全不同，需要建立與之對應的碳排放因子計算模型，才能保證計算結果的可靠性。按照露天礦碳排放的生產運輸環節分別建立耗油設備和耗電設備的碳排放因子計算模型。因此，露天礦運輸環節的碳排放量測算公式為：

式中：CYS為運輸環節的碳排放量，t；CKC為卡車運輸的碳排放量，t；CJD為帶式輸送機運輸的碳排放量，t。

式中：FKC為卡車的柴油消耗量，t；EFCY為柴油的碳排放因子；FKQ為卡車的汽油消耗量，t；EFQY為汽油的碳排放因子。

式中：FJD為帶式輸送機的用電消耗量，MWh；EFJD為露天礦所在區域電網的碳排放因子。

3.2 碳排放因子

1）耗油設備的碳排放因子。卡車運輸消耗柴/汽油，膠帶運輸消耗電能，二者之間的排放機理和排放環節有明顯的差異。耗油設備碳排放因子依據2006年IPCC 發布的被國際公認為核算溫室氣體排放的《2006 年IPCC 國家溫室氣體清單指南》，其中發布的碳排放因子至今仍被廣泛使用。因此，采用IPCC（2006）中CO2的排放因子。露天礦的能源碳排放因子見表1。

表1 露天礦的能源碳排放因子

2）耗電設備的碳排放因子。電力排放因子按照《中國煤炭生產企業溫室氣體排放核算方法與報告指南（試行）》（發改氣候辦2014 [2920]號）[9]中規定的方法進行核算，各電網的CO2排放因子見表2。本文選取按照露天礦所在地域分布的電網，選擇相應的排放因子作為電力統一的排放因子。

表2 各電網的CO2排放因子

4 實例研究

以內蒙古自治區某露天礦為例。該礦由中國神華能源股份有限公司控股建設，煤炭資源儲量就達23 億t，國家核定生產能力年產原煤35 Mt，2020 年共開采原煤21.44 Mt。

4.1 碳排放量

1）能源消耗的碳排放。2020 年該露天礦能源消費量為：電力35 530 MWh，汽油131.8 t，柴油60 966 t；能源消耗導致的CO2排放因子為：電力0.884 3，汽油3.07，柴油3.19；消耗電力、汽油、柴油致的CO2排放量為：31 419.18、404.63、194 481.54 t。由此得出該露天礦2020 年由能源消耗導致的CO2排放為226 305.35 t。

2)溫室氣體排放。此處因自燃導致的溫室氣體排放和植被吸收CO2的量忽略不計。根據在露天礦生產中，運輸過程會排放大量的碳，運輸能耗約占露天礦總能耗的60%計算，可以較精準預測該露天礦2020 年溫室氣體排放量為377 175.58 t。與當年實際溫室氣體排放量374 863.1 t 基本相當。該礦2020年實際上能源消耗導致的 排放占60.37%，而在礦山運輸作業中，運輸能耗占總能耗的40%～70%，可見，以上快速測算的方法，滿足工程實際要求。

4.2 碳排放源的精準管控

1）用油成本引起碳排放的管控。露天礦2020 年碳排放結果表明：該礦耗油產生的碳排放占總碳排放總量的86.12%，其碳排放貢獻度最大；耗電產生的碳排放占總碳排放總量的13.88%，它的碳排放貢獻度比較小。因此，應該加大用油的成本管控，會取得顯著的碳減排效果。油的消耗主要體現在卡車、推土機等內燃設備上，屬于重點管控對象。內燃設備是油消耗的主要載體，油的消耗一般分為硬消耗和軟消耗2 種。硬消耗是指設備一旦開始運行消耗的燃油量，它同設備的性能和狀態息息相關；軟消耗是指受到人為因素影響而發生變化消耗的燃油量，它同維護保養程度、作業環境、司機的技術水平等多種因素有關[10]。經統計分析：露天礦一般軟消耗占燃油消耗總量的30%左右，可見，軟消耗降本的空間很大。

2）用電成本引起碳排放的管控。運輸作業環節中，電的消耗主要體現在膠帶運輸的作業上。此處管控技術主要從膠帶輸送機的日常維護管理、設備操控人員的定期培訓、供配電實施監控技術、建立相應的保障機制等方面施行。

4.3 降低能耗的精確施策

1）降低用油成本采取的措施。露天礦在耗油的成本控制上可采取的措施：實施物資供應中心的油庫數字化燃油管理系統，實現取油、加油、耗油等各個環節數據的統一管理，及時準確掌握用油設備造成的油耗；加強設備定期保養，同時對“油老虎”設備及時維修，確保在正常使用柴油的消耗范圍內，定期對司機的操作水平進行訓練和考核，降低人為因素對油耗的影響[10]；保證設備運行作業環境，力爭做到幫齊底平，及時清理路面，提升道路質量；強化運輸環節的成本管控，優化運輸的路徑，減少怠速及空運里程，達到減油減排、降本增效的目的。

2）降低用電成本采取的措施。露天礦在耗電的成本控制上可采取的措施：建立設備配件臺賬信息；加強設備操作人員的技術培訓，強化設備的日常保養工作；提升設備利用率，有效降低折舊費占比；采用遠程監控供變電等新的技術手段，有效降低因惡劣天氣環境，對供電作業造成的影響；實施低成本戰略保障機制：建立成本管理信息系統，安全管控機制，落實安全生產責任制，建立應急管理系統，制定安全考核機制，實現露天礦可持續發展。

5 結語

1）從能源消耗強度和能源效率角度，根據各種設備的做功計算公式及功密度計算公式，推導出計算不同露天開采工藝的能源利用率的方法，通過比較不同工藝的能源利用效率，合理選出綠色、低碳的運輸工藝，為露天開采工藝的選擇提供了可靠的理論依據。

2）結合露天礦煤炭開采能源消耗大、運輸成本高、碳排放量測算復雜的特點，提出露天礦碳排放量測算模型，以具體實例驗證模型的正確性，精準計算出露天礦生產運輸系統的碳排放，進而預測了整個礦山的碳排放量，為露天礦管理者提供了碳資產規模、排放趨勢等關鍵數據信息，并提供了碳排放源的精準管控和降低能耗的精確施策方案。

3）為使露天礦向低碳化發展，從運輸工藝角度提出有效的節能減排策略：如提高能效、調整能源結構、CO2捕集、封存與利用、無人駕駛利用、人工智能和大數據的使用，來減少能源消耗所帶來的溫室氣體排放，有效控制能源消費和碳排放量，實現能源消費的低碳可持續利用。為實現碳中和愿景，露天開采行業需遵循能源命運共同體理念，推動低碳綠色開采、科學用煤，提高企業應對碳市場的能力。