中国井工煤矿开采过程的二氧化碳逃逸排放因子研究

于胜民1,朱松丽2,张俊龙 1

Energy of China - - CONTENTS -

(1. 国家应对气候变化战略研究和国际合作中心,北京 100038;2. 国家发展和改革委员会

能源研究所,北京 100038)

摘要: IPCC《2006 年国家温室气体清单指南》没有提供关于井工煤矿开采过程 CO2 逃逸排放的方法论和排放因子数据。本文首先梳理了井工煤矿开采过程 CO2逃逸的排放来源,提出了一种基于排放因子先计算 CO2排放总量,再分别考虑瓦斯气回收的减量贡献和/ 或火炬销毁的增量贡献的计算方法。其次根据中国 2011 年 7575 处井工煤矿矿井 CO2相对涌出量的测定数据,对中国井工煤矿开采过程的 CO2逃逸排放因子进行了计算和分析。结果表明,中国井工煤矿 CO2 逃逸排放因子 95% 的置信区间为 [0.00,22.39]m3 CO2/t 原煤产量,中位数为 5.23 m3 CO2/t 原煤产量,平均值为 6.57 m3 CO2/t 原煤产量,样本标准差为 6.67 m3 CO2/t。分析发现不同瓦斯等级矿井之间均值差异显著,低瓦斯矿井、高瓦斯矿井、突出矿井均值分别为5.41、9.38 和 10.50 m3 CO2/t 煤炭。相关分析发现中国井工煤矿 CO2 逃逸排放因子与 CH4 逃逸排放因子存在弱到中等的正相关关系,与矿井最大采深几乎不相关或有较弱的负相关关系。

关键词:井工开采;逃逸排放;二氧化碳;中国

中图分类号:TD82 文献标识码:A 文章编号:1003-2355-(2018)05-0010-07 Doi: 10.3969/j.issn.1003-2355.2018.05.002

Abstract: So far there is no specific guidance, neither method nor emission factors, in 2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories for estimating fugitive CO2 emissions from underground coal mining activities. This article sorts out the emission sources of fugitive CO2 in the coal mining process of underground coal mines and proposed an emission factor-based method for estimating fugitive CO2 emissions from underground coal mining activities by estimating first the gross emission, then considering the reduction caused by gas recovery and the increment cause by flaring or catalytic oxidation. Further, the paper analyzed China’s country-specific emission factor for this particular source category, based on the measurement of CO2 emission rates from ventilation and drainage systems at 7575 underground coal mines in China in 2011. The results show that the 95% confidence interval of fugitive CO2 emission factors for underground coal mining in China is [0.00, 22.39] m3 CO2 per tonne of mined coal, with median value, average value and standard deviation at 5.23, 6.57 and 6.67 m3 CO2 per tonne of mined coal, respectively. Significant variance is identified among different degree levels of gaseous mines, i.e. the average EFs of low, high and outburst gaseous mines are 5.41、9.38 and 10.50 m3 CO2 per tonne. Correlation analysis also indicates that fugitive CO2 emission factors for underground coal mining have a weak to medium positive correlation with their methane emission factors, but none or very weak negative correlation with the max. mining depth.

Key words: Underground Coal Mines; Fugitive Emissions; CO2; China 收稿日期:2018-04-23作者简介:于胜民(1972-),男,副研究员,国家应对气候变化战略研究和国际合作中心碳市场部副主任,主要从事国家、地方、企业层面的温室气体排放数据统计核算报告研究。

1 引言

《2006 年 IPCC 国家温室气体清单指南》(简称 2006 年 IPCC 指南)指出,煤生成的地质过程会产生甲烷( CH4 )、二氧化碳( CO2 )等气体,这些气体平时被封固在煤层里,统称为煤层气。随着煤层的开采,煤体及周围岩层的暴露、破碎使得这些原本以游离态或吸附态存在的气体得到释放,不断涌入大气造成温室气体排放。鉴于CH4的排放量较大,且其全球增温潜势(GWP)是 CO2的 20 倍以上,《2006 年 IPCC 指南》认为 CH4 是煤矿开采最重要的逃逸排放,并着重阐述了煤矿开采 CH4的估算方法学及相应的排放因子;对CO2 气体,《2006 年 IPCC 指南》只是简单地指出,若数据可以获取,CO2逃逸排放也应当纳入清单中,但没有提供明确的计算方法及相应的排放因子。为此,在《联合国气候变化框架公约》(简称《公约》)下,大多数公约附件一缔约方没有估算和报告煤矿开采过程的 CO2 逃逸排放。但澳大利亚、捷克共和国、斯洛伐克、斯洛文尼亚等少数国家,基于煤矿经营者报告的矿井通风和抽

[1]

放系统的 CO2 排放量测量数据 或基于对矿井吨煤 CO2排放因子的抽样测量研究结果 [2-4],报告了井工煤矿开采过程的二氧化碳逃逸排放。结果表明煤矿开采过程的 CO2 逃逸排放约相当于 CH4 逃逸排放二氧化碳当量的 6.5%~37.7%,且基本上都大于“公约附件一缔约方温室气体清单报告指

[5]

南” 关于某一个排放源“可不予估算”的“重要性门槛” 1,详见表 1。上述国家的清单结果表明在煤炭产量较大的国家或地区,井工煤矿开采过程的 CO2逃逸是一个不可忽视的温室气体排放源。有鉴于此,2016 年 IPCC 第 44 次全会通过的关于更新 2006 年 IPCC 指南的决定授权要提出井工煤矿开采过程 CO2 逃逸排放的计算方法 [6]。

中国的煤炭产量占全球产量的近 45%[7],且其中约 90% 为井工开采 [8]。中国分别通过第一次信息通报 [9]、第二次信息通报 [10] 和第一次两年更新

[11]

报 向国际社会报告了 1994 年、2005 年和 2012年的国家温室气体清单信息,但囿于方法论所限并没有报告煤炭开采的 CO2 排放 2。文献检索中也很难看到关于中国或其他发展中国家的煤炭开采CO2逃逸排放的相关研究3。因此,本文首次对井工煤矿开采过程 CO2逃逸的排放源种类进行了梳理,提出了一种基于排放因子先计算 CO2 排放总量,再分别考虑瓦斯气回收的减量贡献或火炬销毁的增量贡献的计算方法;在此基础上,根据中国《2011 年全国煤矿矿井瓦斯等级鉴定资料汇编》中有关 CO2涌出量的测定数据,对中国井工煤矿开采过程的 CO2逃逸排放因子进行了计算和分析。

2 方法论

2.1 井工煤矿开采过程 CO2逃逸的排放源范围根据《2006 年 IPCC 指南》第二卷第4 章第1节,运行中的井工煤矿 CO2逃逸排放的潜在排放源

包括以下4个方面:采掘过程煤层气泄放造成的CO2逃逸;矿后活动继续释放的CO2;煤炭暴露于空气中的低温氧化过程产生的 CO2 排放;煤矿或废料堆场非受控燃烧产生的 CO2 排放。对照 IPCC 授权,本文主要讨论井工煤矿采掘过程排放,不涉及煤炭暴露于空气中的低温氧化过程产生的 CO2 排放以及煤矿或废料堆场非受控燃烧产生的CO2 排放。但另一方面,在煤炭实际开采过程中,井工煤矿通过通风或抽放系统排出的瓦斯气体,既可能直接泄放到大气中、也可能加以回收利用或通过火炬燃烧或催化氧化处理后(出于安全、环保或减排目的,无能源回收)再排放到大气中。因此,计算井工煤矿开采过程的 CO2逃逸排放,除了考虑煤炭地下采掘过程中煤层及周围层破碎造成煤层气涌出并通过通风和抽放系统泄放到大气中的 CO2 外,还需要考虑到瓦斯气回收利用或火炬销毁处理对 CO2 排放的减量或增量贡献,即:

考虑瓦斯气回收利用或火炬销毁处理情况下井工煤矿采掘过程的 CO2 逃逸

井工煤矿 CO 逃逸排放量 =井工煤矿采掘过

2

程 CO 排放量 -被回收利用的瓦斯气带走的 CO2

2

量 + 瓦斯气经火炬燃烧或催化氧化生成的 CO 量

2 (1)

根据《2006 年 IPCC 指南》,式( 1 )中被回收利用的瓦斯气带走的 CO2量将按照瓦斯气的最终用途计算在相应的排放源类别下,故此处应作为减项扣除以避免重复计算;无能源回收的瓦斯气火炬燃烧或催化氧化将产生 CO2 排放,这部分排放也属于井工煤矿开采过程的 CO2 逃逸排放范畴,故应作为加项计入井工煤矿的 CO2 逃逸排放总量中以免漏算。如果有瓦斯气回收或火炬销毁情形,这两个子项需要从煤矿经营者处获取有关回收利用或火炬销毁的瓦斯气体积及其组分数据,再分别根据气体体积及其密度或气体燃料燃烧 CO2 排放量的计算方法计算 [13、14],对此本文不再赘述。2.2 井工煤矿采掘过程 CO2排放量的计算方法公式( 1 )中“井工煤矿采掘过程 CO2 排放量”,是指在不考虑瓦斯气回收利用或火炬销毁处理情形下采掘过程中通过通风和抽放系统泄放到大气中的 CO2。参考《2006 年 IPCC 指南》关于估算矿井 CH4逃逸排放量的计算方法,“井工煤矿采掘过程 CO2排放量”的可选计算方法包括排放 因子法(如《2006 年 IPCC 指南》中关于矿井 CH4逃逸排放的 Tier 1 和 Tier 2方法)或直接测量法(如《2006 年 IPCC 指南》中矿井 CH4 逃逸排放的Tier 3 方法)。前者采用缺省排放因子(Tier 1)或能反映本国国情的特定排放因子(Tier 2 )计算所有煤矿的排放总量;后者则是对每一处矿井的逃逸排放量进行连续的直接监测再汇总得出所有煤矿的排放总量。理论上直接测量法的不确定性最低,但实际运用对大多数国家而言仍面临很大的时间、资金及人力成本挑战。选择排放因子计算方法对大部分国家更具有可操作性。本文建议以原煤产量为活动数据,使用具有代表性的国家级或产煤区域级排放因子来计算“井工煤矿采掘过程CO2 排放量”,计算公式如下:

未考虑瓦斯气回收利用或火炬销毁处理情况下井工煤矿采掘过程的 CO2 逃逸井工煤矿采掘过程 CO 排放量 = 井工矿原煤

2

产量× EFCO 单位转换系数

(2)式中: EFCO 指吨原煤产量 CO2 逃逸排放因子(m3 CO2/t 煤炭)

单位转换系数指 CO2 密度,用于将 CO2 体积转换为 CO2 质量。在 20 ℃、1个大气压的常温常压条件下 1,此密度取值为 1.839×10-6 Gg/m3。

2.3 我国井工煤矿CO2逃逸排放因子的测定方法

为了全面掌握全国煤矿瓦斯灾害情况,并为煤矿瓦斯防治、抽采利用制定相关政策提供基础数据,国家安全生产监督管理总局会同国家煤矿安全监察局等管理机构先后于 2006 年和 2011 年

[15]发布了《AQ1025-2006 煤矿瓦斯等级鉴定规范》以及《煤矿瓦斯等级鉴定暂行办法》[16],规定正在生产以及正在建设的井工煤矿应以独立生产系统的自然井为单位,每年进行煤矿瓦斯等级鉴定及应遵循的相关要求和鉴定方法。

3 测定结果及数据来源

2011 年,国家煤矿安全监察局组织全国26 个产煤省(自治区、直辖市)及新疆生产建设兵团开展了矿井瓦斯等级鉴定工作。鉴定工作由国家安全生产监督管理总局认定的鉴定机构或具备矿井瓦斯等级鉴定能力的煤炭企业承担,鉴定结果经省级煤炭行业管理部门审定批准后报送省级煤矿安全监管

部门和省级煤矿安全监察机构,同时报国家煤矿安全监察局、国家能源局备案,最后形成了《全国煤矿矿井瓦斯等级鉴定资料汇编(2011)》[17]。

根据该汇编资料,截至 2011 年底,全国 26个产煤省(自治区、直辖市)及新疆生产建设兵团共计上报了 10963 处矿井的瓦斯等级鉴定资料,每处矿井要求的完整资料记录包括:矿井名称、矿井类型、生产能力( t/a )、矿井最大采深( m)、瓦斯等级、瓦斯抽采量( m3/min)、CH4 绝对涌出量(m3/min)、CH4 相对涌出量( m3/t)、CO2 绝对涌出量( m3 /min)、CO2 相对涌出量( m 3 /t )、鉴定月原煤产量( t )、月平均日产原煤量( t/d)等。上述矿井中,实际报告了 CO2相对涌出量的矿井有7575 处,占井工矿总数的 69%。这些数据是由国家煤矿安全监察局系统组织测定并公开发布的一份比较权威的数据集,为分析中国井工煤矿采掘过程 CO2逃逸排放因子提供了良好的数据基础。

4 结果分析

4.1 CO2 逃逸排放因子的频率分布

将上述 7575 处矿井的 CO2相对涌出量按升序排列,制出的频率分布图如图1 ,显示井工煤矿 CO2逃逸排放因子的分布并非严格意义上的正态分布但大体近似。最小值为0 m3 CO2/t ,最大值为 203.5 m3 CO2/t ,中位数为 5.23 m3 CO2/t ,均值为 6.57 m3 CO2 /t,样本标准差为 6.67 m3 CO 2/t, 95% 置信区间采用 2.5 和 97.5 百分位数表示为(0.00,22.39)m3 CO /t。

2

4.2 不同瓦斯等级矿井之间均数差异显著性检验

中国的煤矿瓦斯等级鉴定,根据《AQ10252006煤矿瓦斯等级鉴定规范》的规定,分为三个级别,其划分标准主要按照矿井 CH4 涌出量及涌出形式确定:①低瓦斯矿井:矿井 CH4 相对涌出量小于或等于 10 m3/t,且矿井 CH4 绝对涌出量小 于或等于 40 m3/min ;②高瓦斯矿井:矿井 CH4相对涌出量大于 10 m3/t,或矿井 CH4 绝对涌出量大于 40 m3/min ;③煤(或岩)与 CH4 (或 CO2)突出矿井:发生过煤(岩)与瓦斯(二氧化碳)突出现象的矿井(下文简称“突出矿井”)。作者将上述 7575 处矿井根据其鉴定的瓦斯等级即低瓦斯矿井、高瓦斯矿井、突出矿井分为 3 个子样本组,分别制出了它们的 CO2相对涌出量频率分布(图2、图 3、图 4),并计算了关于其频率分布的一些特征参数,见表 2。总体判断,3 个子组的 CO2 逃逸排放因子均非正态分布但大体近似;无论从中位数、样本均值、上四分位数或下四分位数进行比较,可看出 3个子组之间存在一定的差异但排序规律一致,其中“突出矿井”组最高,其次为“高瓦斯矿井”组,“低瓦斯矿井”组最低。

为了检验上述差异是否显著,作者对这3 个子组两两之间进行了差异显著性检验。在进行t 检验之前,先进行了F检验来确定它们的总体方差是否相等,结果见表 3(a)、3(b)、3(c ),表明 3 个 子组之间总体方差差异显著。由此采用t- 检验:双样本异方差假设来检验3个子组两两之间均数差异是否显著(显著水平α =0.05 ),结果见表 4(a)、4(b)、4(c),确认 3个子组之间均数差异显著。

4.3 CO2 逃逸排放因子与 CH4 逃逸排放因子的相关性分析

上述 7575 处矿井中,其中 7483 处矿井同时报告了甲烷相对涌出量。为了判断 CO2 逃逸排放因子与 CH4逃逸排放因子是否有相关关系,以CH4 逃逸排放因子为自变量、CO2逃逸排放因子为因变量作出了这 7483 处矿井以及其中“低瓦斯矿井组”、“高瓦斯矿井组”和“突出矿井”组的散点图如图 5(a )— 5(d )所示,它们的 Pearson相关系数以及检验相关关系显著性水平的T 统计量指标见表 5。表 5 中表明 CO2逃逸排放因子与CH4 逃逸排放因子在 95% 置信水平上存在一定的正相关关系,但相关程度为弱到中等,且散点图显示这种相关关系并非简单的线性相关。 4.4 CO2逃逸排放因子与采深的相关性分析上述 7575 处矿井中,其中有 3754 处矿井还报告了矿井最大采深。为了判断CO 逃逸排放因子与

2矿井采深是否有相关关系,以矿井最大采深为自变量、CO2逃逸排放因子为因变量作出了这3754 处矿井以及其中“低瓦斯矿井组”、“高瓦斯矿井组”和“突出矿井”组的散点图如图6(a)—6(d)所示,它们的 Pearson 相关系数以及检验相关关系显著性水平的T统计量指标见表6。表 6中表明CO逃逸

2排放因子与矿井最大采深在95%置信水平上存在一定的负相关关系,但对低瓦斯矿井组或这3754 处矿井整体而言这种相关程度非常弱,对高瓦斯矿井组和突出矿井组而言,也只有较弱的负相关关系,散点图显示应该还有其他未揭示的变量在发生作用。

排放因子,但部分公约附件一缔约方的计算结果表明,井工煤矿采掘过程的CO 逃逸是一个不容

2忽视的温室气体排放源,在煤炭产量较大的国家或地区更应值得重视。

井工煤矿采掘过程 CO2逃逸排放需考虑到瓦斯气经火炬燃烧或催化氧化生成的 CO2 量以及被回收利用的瓦斯气带走的 CO2量的情形,以避免漏算或重复计算。

2011 年中国 7575 处井工煤矿矿井二氧化碳相对涌出量的实测数据表明,基于原煤产量计算得到的井工煤矿 CO2逃逸排放因子并非正态分布但大体近似,其中位数为 5.23 m3 CO /t,均值为

2

6.57 m3 CO2/t ,样本标准差为 6.67 m3 CO2/t。不同瓦斯等级矿井之间均值差异显著,低瓦斯矿井、高瓦斯矿井、突出矿井均值分别为 5.41 m3 CO2/t、9.38 m3 CO /t 和 10.50 m3 CO 2/t。

2

相关分析发现中国井工煤矿 CO2 逃逸排放因子与 CH 逃逸排放因子存在弱到中等的正相关关

4系,与矿井最大采深几乎不相关或有较弱的负相关关系。上述关系并非简单的线性相关,应该还有其他未揭示的变量在发生作用。 参考文献: 1[EB/OL]. Commonwealth http://unfccc.int/national_reports/annex_i_ghg_inventories/ of Australia. National Inventory Report 2015 Volume

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