基于生命周期評價方法的石灰石礦山碳排放核算模型研究

肖志雄,李偉

(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,湖北 武漢 430000;2.武漢理正工程科技有限公司,湖北 武漢 430000)

0 引言

我國是世界上最大的水泥生產(chǎn)國,2021年水泥產(chǎn)量達(dá)到23.63億t,約占全球總量的55%。水泥產(chǎn)業(yè)在提供主要建筑材料的同時,也成為了重要的溫室氣體排放源,2020年排放了11.12億t溫室氣體,約占我國工業(yè)生產(chǎn)總碳排放當(dāng)量的10.17%[1-2]。為應(yīng)對氣候變化危機(jī),達(dá)成“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo),政府開始大力推廣碳排放權(quán)交易制度,這必將導(dǎo)致水泥產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)成本顯著上升,為此,水泥企業(yè)必須尋求更高效、更全面的節(jié)能減排路徑[3-4]。

碳排放核算是分析碳排放溯源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ),也是提供針對性節(jié)能減排措施的前提。目前通用的溫室氣體核算方法為排放因子法[5],可分為三類:首先是根據(jù)IPCC 發(fā)布的《國家溫室氣體清單指南》,建立了用于核算水泥生產(chǎn)過程中為生產(chǎn)熟料而煅燒碳酸鹽產(chǎn)生的溫室氣體排放模型;其次是基于世界資源研究所和世界可持續(xù)發(fā)展工商理事會于2001年頒布的《溫室氣體議定書》,考慮了煅燒碳酸鹽過程中的運(yùn)營邊界和組織邊界;最后參考世界可持續(xù)發(fā)展工商理事會2001年發(fā)布的水泥可持續(xù)性倡議行動(CSI),在IPCC的基礎(chǔ)上提出間接排放因子的概念,計算了生料制備、熟料煅燒和水泥粉磨等主要工藝流程中的間接溫室氣體排放因子[6-7],提供的核算方法包括直接排放和間接排放。在此基礎(chǔ)上,中國建筑材料科學(xué)研究總院和國家發(fā)展與改革委員會陸續(xù)推出了適用于中國水泥工業(yè)的碳排放核算方法和碳排放因子。

但目前研究尚存在兩點(diǎn)不足:一是水泥四大生產(chǎn)流程中,生料制備、熟料煅燒和水泥粉磨過程的碳排放核算方法已經(jīng)成熟,但缺乏適用于礦山生產(chǎn)過程的碳排放核算方法;二是針對水泥工業(yè)生產(chǎn)過程中使用新型節(jié)能減排技術(shù)的研究,在宏觀角度上評估技術(shù)的推廣成本和效益潛力的方法較為成熟,但缺乏礦山?jīng)Q策各項節(jié)能減排技術(shù)的節(jié)能減排效果和經(jīng)濟(jì)合理性的微觀層面分析方法。

為填補(bǔ)石灰石礦山生產(chǎn)過程中溫室氣體排放核算模型和節(jié)能減排技術(shù)決策模型的空白,本文旨在綜合分析石灰石礦山的共同生產(chǎn)規(guī)律,圈定石灰石礦山碳排放核算邊界,構(gòu)建以設(shè)備性能參數(shù)、開采設(shè)計參數(shù)、碳排放源排放因子為輸入數(shù)據(jù)的石灰石礦山碳排放核算輸入數(shù)據(jù)清單,并基于生命周期評價理論[8],識別各工藝的溫室氣體排放源,揭示礦石開采—采礦工藝實(shí)施—采礦設(shè)備運(yùn)行—碳排放源消耗—碳排放溯源機(jī)制,構(gòu)建石灰石開采全工藝流程的碳排放核算模型。實(shí)現(xiàn)石灰石礦山碳排放的精確量化溯源[9-10]。基于盈虧平衡分析法,建立石灰石開采節(jié)能降碳技術(shù)決策模型,收集石灰石礦山適用的節(jié)能減碳技術(shù),精細(xì)化評估各工藝環(huán)節(jié)節(jié)能降碳技術(shù)應(yīng)用后的降碳潛力,構(gòu)建節(jié)能技術(shù)應(yīng)用成本和減碳節(jié)約成本的盈虧平衡分析模型。以數(shù)據(jù)包絡(luò)分析算法為核心,構(gòu)建不同決策單元組成的最優(yōu)生產(chǎn)前沿面,獲取礦山應(yīng)用節(jié)能減碳設(shè)計的最優(yōu)決策。并基于所建立的石灰石礦山碳排放核算模型和節(jié)能降碳技術(shù)決策模型,以宜城石灰石礦為生產(chǎn)實(shí)例,核算宜城石灰石礦的能源消耗和各工藝碳排放,結(jié)合各采選工藝及設(shè)備的碳排放核算結(jié)果,精細(xì)化評估各工藝環(huán)節(jié)節(jié)能減碳技術(shù)應(yīng)用后的減碳潛力,決策節(jié)能減碳技術(shù)的應(yīng)用方案。

1 研究模型

1.1 石灰石礦山碳排放核算模型

在石灰石礦山生產(chǎn)階段,目前國內(nèi)大部分礦山仍然沿用相對傳統(tǒng)的間斷開采工藝,即自卸卡車運(yùn)送石料到山下固定破碎站進(jìn)行破碎的方式。此種開采方式主要的作業(yè)流程為在生產(chǎn)臺階上穿孔爆破后產(chǎn)生石料堆,挖掘機(jī)將石料堆中的石料裝載至自卸卡車,經(jīng)過自卸卡車運(yùn)輸至破碎站,破碎機(jī)將石料破碎后通過固定式長皮帶輸送機(jī)運(yùn)送至原料堆場[10]。基于以上分析,確定穿孔、爆破、采裝、運(yùn)輸、破碎五大露天開采工藝為生命周期的系統(tǒng)邊界[11-12],如圖1所示。

圖1 露天礦山生產(chǎn)系統(tǒng)邊界

通過系統(tǒng)邊界分析,識別石灰石礦山各工藝存在的直接和間接兩種碳排放源,直接排放主要是使用化石燃料和工業(yè)炸藥產(chǎn)生的碳排放[13],間接排放則是消耗的電能和化石燃料在其制備過程中造成的碳排放[14]。由于礦山生產(chǎn)過程中碳排放源種類較多,并且排放溫室氣體的設(shè)備種類不一,所以將礦山生產(chǎn)過程中各類溫室氣體排放源的排放因子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的當(dāng)量單位,是核算系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確核算的重要準(zhǔn)備工作。根據(jù)碳排放源的分類,需要確定化石燃料、電能以及工業(yè)炸藥的碳排放因子。為此,生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了相關(guān)的溫室氣體排放因子,見表1。

表1 石灰石礦山各因素的碳排放因子

1.1.1 穿孔工作

穿孔工作是按照爆破設(shè)計參數(shù),在采場礦巖內(nèi)鉆鑿爆破孔,裝入炸藥進(jìn)行爆破,以便后續(xù)的采裝、運(yùn)輸?shù)裙ぷ鳌Ｊ沂V山穿孔工作采用潛孔和牙輪鉆機(jī),存在柴油和電能兩種耗能形式。穿孔工作產(chǎn)生的能耗取決于臺階高度、炮孔深度、炮孔單孔控制面積、鉆機(jī)功率、鉆機(jī)鉆孔速度和內(nèi)燃機(jī)將燃料轉(zhuǎn)化為輸出功率的效率。當(dāng)?shù)V山的穿孔設(shè)備型號已知,根據(jù)礦山礦巖的巖石力學(xué)參數(shù),采用工程類比法,得到穿孔設(shè)備的鑿巖速度,當(dāng)設(shè)備參數(shù)已知時,石灰石礦山穿孔工作產(chǎn)生的溫室氣體排放可由式(1)計算:

式中,E1為穿孔工作的溫室氣體排放,t CO2eq/a;Ef為化石燃料的排放因子,t CO2eq/t;Ee代表電力的排放因子,t CO2/MWh;ω為內(nèi)燃機(jī)燃燒化石燃料轉(zhuǎn)化為輸出功率的轉(zhuǎn)化率,t/k Wh;l為鉆孔長度,m;V為年采礦巖量,m3/a;P1為鉆機(jī)的功率,k W;v1為鉆機(jī)鉆孔速度,m/h;θ1為鉆機(jī)的時間利用系數(shù),%;M為單孔控制面積,m2;H為臺階高度,m。

1.1.2 爆破工作

在石灰石礦山,礦巖松碎工作一般采用臺階爆破的方式,以適于采掘設(shè)備的挖掘。爆破過程中產(chǎn)生的溫室氣體排放主要來自于工業(yè)炸藥的消耗。臺階爆破消耗的炸藥量可根據(jù)炸藥單耗進(jìn)行計算。在開采設(shè)計中,可以采用工程類比法,確定項目爆破礦巖過程中的炸藥單耗。當(dāng)炸藥單耗已知,石灰石礦山爆破工藝產(chǎn)生的溫室氣體排放可由式(2)計算:

式中,E2為爆破工作的溫室氣體排放,t CO2eq/a;Eexp為炸藥的排放因子,t CO2eq/t;q為炸藥單耗,kg/m3。

1.1.3 采裝工作

采裝工作是將爆破松碎的礦石從爆堆中采掘出來,裝入到運(yùn)輸設(shè)備中。石灰石礦山將單斗挖掘機(jī)、液壓挖掘機(jī)和裝載機(jī)作為主要采裝設(shè)備。單斗挖掘機(jī)和液壓挖掘機(jī)的驅(qū)動方式有電力驅(qū)動式、內(nèi)燃驅(qū)動式(柴油機(jī))和復(fù)合驅(qū)動式。裝載機(jī)是以鏟斗在輪式自行設(shè)備前端進(jìn)行鏟裝的裝載設(shè)備。這種設(shè)備與單斗挖掘機(jī)和液壓挖掘機(jī)相比,雖然生產(chǎn)能力較低,但是重量輕、造價低、快速靈活、調(diào)度操作方便。裝載機(jī)主要以柴油機(jī)驅(qū)動為主。當(dāng)電鏟功率、礦巖碎脹系數(shù)、單次采裝消耗時間、電鏟滿斗系數(shù)、電鏟裝載能力已知時,石灰石礦山采裝工藝產(chǎn)生的溫室氣體排放可用式(3)計算:

式中,E3為采裝工作的溫室氣體排放,t CO2eq/a;P2為電鏟的功率,k W;σ為礦巖的碎脹系數(shù),%;t1為電鏟單次采裝消耗時間,s;α1為電鏟的滿斗系數(shù),%;V1為電鏟的裝載能力,m3。

1.1.4 運(yùn)輸工作

石灰石礦山運(yùn)輸工作有兩方面,一方面是將剝離的廢石運(yùn)輸?shù)脚磐翀?另一方面將礦石運(yùn)輸?shù)剿嗉庸S。自卸卡車、牽引電機(jī)車和皮帶輸送機(jī)是最主要的運(yùn)輸設(shè)備,根據(jù)礦床賦存條件、地形條件等因素的不同,采用一種或多種運(yùn)輸方式聯(lián)合運(yùn)輸?shù)姆椒ā．?dāng)平均車速、平均運(yùn)距、載重等運(yùn)輸設(shè)計和設(shè)備參數(shù)已知時,石灰石礦山運(yùn)輸工藝產(chǎn)生的溫室氣體排放可以用式(4)計算:

式中,E4為運(yùn)輸工作的溫室氣體排放,t CO2eq/a;P3為自卸卡車的功率,k W;P4為牽引電機(jī)車的功率,k W;P5為皮帶輸送機(jī)的功率,k W;L1為卡車運(yùn)輸距離,km;L2為電機(jī)車運(yùn)輸距離,km;Q a為礦山年采礦巖量,t/a;α2為卡車滿斗系數(shù),%;α3為牽引電機(jī)車滿斗系數(shù),%;Q1為卡車的單次運(yùn)輸能力,t;Q2為電機(jī)車的單次運(yùn)輸能力,t;Q3為皮帶輸送機(jī)單位時間的運(yùn)輸能力,t/h。v2為自卸卡車的平均速度,km/h;v3為電機(jī)車的平均速度,km/h。

1.1.5 破碎工作

破碎工作可以滿足運(yùn)輸設(shè)備、裝載設(shè)備和初選設(shè)備對礦石塊度的需求。根據(jù)破碎后產(chǎn)出礦巖的塊度,破碎工作可以分為3個步驟:初碎、細(xì)碎和磨礦。其中細(xì)碎和磨礦主要在選礦廠進(jìn)行,在礦山生產(chǎn)中涉及的主要是初碎。石灰石礦山使用的初碎設(shè)備主要包括:顎式破碎機(jī)、旋回破碎機(jī)。當(dāng)破碎機(jī)功率和生產(chǎn)能力已知時,石灰石礦山破碎工藝產(chǎn)生的溫室氣體排放可由式(5)計算:

式中,E5為爆破工作的溫室氣體排放,t CO2eq/a;P6為破碎機(jī)的功率,k W;Q4為破碎機(jī)單位時間的生產(chǎn)能力,t/h。

1.2 節(jié)能降碳技術(shù)決策模型

為了提高企業(yè)層面節(jié)能減排潛力評估的準(zhǔn)確性,將生命周期評價的方法與ECSC 和CACC 方法相結(jié)合,以考慮產(chǎn)能利用率。節(jié)能技術(shù)和減少碳排放的貢獻(xiàn)可以分別由式(6)和式(7)估算:

式中,ECMn,t和CEMn,t分別是技術(shù)n在第t年減緩能源消耗和降低碳排放的潛力;是第t年采礦設(shè)備i現(xiàn)場發(fā)生的能源消耗和碳排放,可以通過LCA 模型進(jìn)行估算;ECCAP和CECAP分別是原始設(shè)計中的能耗消耗和碳排放量;和是技術(shù)n對節(jié)能減碳的單位貢獻(xiàn),可以從使用該技術(shù)的說明性示例中得出;是采礦設(shè)備i的裝機(jī)容量,該技術(shù)n將部署到該設(shè)備上。

另一方面,一項技術(shù)的投資也取決于裝機(jī)容量,節(jié)省單位能源或減少單位碳排放的相關(guān)成本可分別由式(8)和式(9)計算。

最終,通過積累這些具有成本效益的技術(shù)的貢獻(xiàn),可以預(yù)測石灰石礦山在節(jié)能或減少碳排放方面的潛力。

2 模型應(yīng)用及分析

2.1 溫室氣體排放核算

宜城石灰石礦馬頭山采區(qū)位于湖北省宜城市板橋鎮(zhèn),礦山采用露天方法,劃分為黃牛山、馬頭山、胡咀山3個采區(qū)進(jìn)行開采,生產(chǎn)規(guī)模分別為60萬t/a、40萬t/a、140萬t/a,采礦工藝包括:穿孔、爆破、裝載、運(yùn)輸,各工藝環(huán)節(jié)涉及的材料及設(shè)備參數(shù)見表2至表5。

表2 宜城石灰石礦穿孔設(shè)備生產(chǎn)能力及設(shè)備性能參數(shù)

表3 宜城石灰石礦山爆破參數(shù)

表4 宜城石灰石礦山裝載設(shè)備生產(chǎn)能力及設(shè)備性能參數(shù)

表5 宜城石灰石礦運(yùn)輸設(shè)備生產(chǎn)能力及設(shè)備性能參數(shù)

根據(jù)馬頭山礦各項生產(chǎn)工藝涉及的設(shè)備、生產(chǎn)設(shè)備的性能參數(shù)、能源消耗參數(shù)和計算所得的工業(yè)炸藥、化石燃料、電能的排放因子,對宜城石灰石礦的能源消耗和碳排放進(jìn)行核算,已將化石燃料、電能和炸藥3種形式的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為標(biāo)煤當(dāng)量,使其標(biāo)準(zhǔn)化以便于比較,核算結(jié)果見表6、表7。

表6 宜城石灰石礦能源消耗核算結(jié)果 GJ/kt

表7 宜城石灰石礦山碳排放核算結(jié)果 t CO2 eq/kt

由表6可知,在宜城石灰石礦各采區(qū),工業(yè)炸藥導(dǎo)致的能源消耗均占主導(dǎo)地位(710.757 GJ/kt),而電能和化石燃料導(dǎo)致的能源消耗(空壓機(jī)、挖掘機(jī)、卡車)占比均小于工業(yè)炸藥。黃牛山采區(qū)的卡車運(yùn)輸?shù)南牡哪茉催h(yuǎn)高于該采區(qū)的剝巖能耗,同時也高于其他采區(qū)的能源消耗,這是由于黃牛山采區(qū)的礦石運(yùn)距為9.6 km,遠(yuǎn)高于其他運(yùn)距(黃牛山廢石運(yùn)距為2 km,而胡咀山、馬頭山的礦石和廢石運(yùn)距均為1.6 km)。

由表7可知,運(yùn)輸工藝是石灰石礦山的主要碳排放源,占比70%,而爆破工藝的碳排放量占比較低,僅占總排放量的0.08%,這表明用于驅(qū)動穿孔設(shè)備的空壓機(jī)和驅(qū)動汽車的柴油發(fā)動機(jī)所消耗的電能以及化石燃料是石灰石礦山的主要碳排放源,因此適當(dāng)增加炸藥單耗,同時增大孔網(wǎng)參數(shù),減少大塊率,可以有效提高采裝效率,尤其是運(yùn)輸過程中的車輛滿斗系數(shù),提高運(yùn)輸效率,將有助降低礦山總體的碳排放。表6和表7中數(shù)據(jù)還表明,對于相同類型能源設(shè)備(如卡車),其消耗的能源與產(chǎn)生的碳排放呈正相關(guān)關(guān)系。而不同類型的能源之間,能源的消耗量與碳排放量之間并不存在正相關(guān)的關(guān)系(如炸藥和化石燃料)。

2.2 節(jié)能減排技術(shù)決策

以碳排放模型的計算結(jié)果為基礎(chǔ),導(dǎo)入碳減排潛力精細(xì)化評估模型,分析8項國家發(fā)改委提供的節(jié)能減排技術(shù)在宜城石灰石礦應(yīng)用的節(jié)能減排潛力,國家發(fā)改委提供的節(jié)能減排技術(shù)見表8。

表8 國家發(fā)改委提供的節(jié)能減排技術(shù)

根據(jù)國家發(fā)改委提供的各項技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用案例,首先對各項技術(shù)應(yīng)用后的單位節(jié)能潛力和單位減碳潛力進(jìn)行計算,計算結(jié)果見表9。

表9 節(jié)能減排技術(shù)應(yīng)用的成本、節(jié)能潛力和減碳潛力

圖2為礦山節(jié)能供給曲線,由圖2可知,在不考慮相互作用的情況下,技術(shù)T1、T2、T7、T8的節(jié)能成本低于200 CNY/tce,其值分別為18 CNY/tce、79 CNY/tce、159 CNY/tce、186 CNY/tce,因此,在當(dāng)前能源價格為200 CNY/tce時,只有這4項技術(shù)在經(jīng)濟(jì)上是合理的。

圖2 礦山節(jié)能供給曲線

3 結(jié)論

本文基于生命周期評價方法,以石灰石礦山的設(shè)備參數(shù)、生產(chǎn)參數(shù)和溫室氣體排放因子為輸入數(shù)據(jù),構(gòu)建了適用于石灰石礦山的溫室氣體排放核算模型。并以馬頭山礦為例,根據(jù)所得的碳排放核算數(shù)據(jù),輸入節(jié)能減排技術(shù)決策模型,得出如下結(jié)論。

(1)在宜城石灰石礦各采區(qū),工業(yè)炸藥導(dǎo)致的能源消耗均占主導(dǎo)地位(710.757 GJ/kt)。但運(yùn)輸工藝的碳排放達(dá)到70%,爆破工藝的碳排放量占比較低,僅占總排放量的0.08%,適當(dāng)增加炸藥單耗、孔網(wǎng)參數(shù),提高車輛滿斗系數(shù),有助降低礦山總體的碳排放。

(2)基于節(jié)能減碳潛力評估模型,輸入碳排放核算數(shù)據(jù),得到8項國家發(fā)改委提供的節(jié)能減排技術(shù)在宜城石灰石礦應(yīng)用的節(jié)能減排潛力,技術(shù)T1、T2、T7、T8 分別為18 CNY/tce、79 CNY/tce、159 CNY/tce、186 CNY/tce,當(dāng)能源價格為200 CNY/tce時,這4項技術(shù)在經(jīng)濟(jì)上合理。這一結(jié)果可以指導(dǎo)礦山節(jié)能減排技術(shù)的應(yīng)用決策。