井工煤礦企業(yè)溫室氣體排放核算研究

王莉，何勝，張洋洋，剛良，魏雅娟，陳仕國，王靜，劉亦芳

（華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310000）

我國是世界第一產(chǎn)煤大國，產(chǎn)煤量占世界總產(chǎn)量的35%以上[1，2]。煤炭在我國一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)構(gòu)成中的占比為70%左右[3]。煤礦企業(yè)既是能源生產(chǎn)企業(yè)，也是能源消耗大戶，還是主要的碳排放部門[4]。煤炭企業(yè)溫室氣體排放主要來源于化石能源的燃燒和電能的使用，以及地下開采過程中產(chǎn)生的大量瓦斯[5]?！吨腥A人民共和國氣候變化第二次兩年更新報告》顯示，我國甲烷（CH4）排放量占溫室氣體排放總量的10%，其中煤炭開采導(dǎo)致的CH4排放量占全國CH4排放總量的38%[6]。其產(chǎn)生的溫室效應(yīng)不容忽視。我國對煤礦企業(yè)溫室氣體排放核算的研究較少，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定較為滯后，存在核算邊界不全、監(jiān)測和統(tǒng)計數(shù)據(jù)薄弱、排放因子不確定性較大等問題[5]。隨著碳排放管理被納入環(huán)評、碳交易市場的建立及國際上對碳邊境稅的征收，開展井工煤礦企業(yè)溫室氣體排放核算研究具有一定的實際指導(dǎo)意義。

1 核算依據(jù)

1.1 國際核算標(biāo)準(zhǔn)

國際碳排放核算標(biāo)準(zhǔn)主要有由世界資源研究所等制定的《溫室氣體議定書（GHG Protocol）：企業(yè)核算與報告準(zhǔn)則》和由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的《組織層面溫室氣體排放與清除的量化與報告》[8]，其核算流程可通用，但將排放源分為靜止源和移動源，不適用于煤礦企業(yè)實際的分類。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會制定的《IPCC 2006 國家溫室氣體清單指南》（以下簡稱《IPCC 2006 指南》），推薦了對煤礦CH4逃逸和二氧化碳（CO2）逃逸排放源的界定和核算方法，可為本文研究提供參考。

1.2 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)要求

2014 年印發(fā)的《煤炭生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南（試行）》（以下簡稱《2014 版指南》），初步明確了核算邊界和排放源，但其推薦的瓦斯逃逸實測法不易實施。2018 年發(fā)布的《溫室氣體排放核算與報告要求 第11 部分：煤炭生產(chǎn)企業(yè)》（GB/T 32151.11—2018）（以下簡稱2018 版國標(biāo)）調(diào)整了排放因子，但未詳細(xì)規(guī)定化石能源指標(biāo)檢測要求。2021 年印發(fā)的《企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南 發(fā)電設(shè)施（2021 年修訂版）》（以下簡稱《指南》）明確了發(fā)電企業(yè)碳排放權(quán)交易的監(jiān)測與核算要求，煤礦企業(yè)的化石能源和電能消耗與發(fā)電企業(yè)相同，可結(jié)合《指南》開展研究。

2 核算邊界與排放源

本文研究對象為某煤業(yè)集團(tuán)所轄的具備獨(dú)立法人資格的煤礦企業(yè)。核算邊界為煤礦企業(yè)在煤炭開采和洗選等生產(chǎn)活動中所有生產(chǎn)設(shè)施產(chǎn)生的溫室氣體排放量。其中，生產(chǎn)系統(tǒng)包括主要生產(chǎn)系統(tǒng)（原煤開采）、輔助生產(chǎn)系統(tǒng)（通風(fēng)、抽放、運(yùn)輸、提升、排水系統(tǒng)等）和附屬生產(chǎn)系統(tǒng)（職工食堂、車間浴室等）。

排放源主要包括：燃料燃燒CO2排放、CH4逃逸排放、井工開采CO2逃逸排放、凈購入電力和熱力對應(yīng)的CO2排放等四大類。本文研究的煤礦企業(yè)均無熱力外購、無瓦斯火炬燃燒，煤炭銷售運(yùn)輸服務(wù)外包，不計入核算邊界。參考《IPCC 2006 指南》推薦方法，CH4逃逸排放僅考慮井工開采、礦后活動環(huán)節(jié)，忽略低溫氧化和自燃等非控制燃燒環(huán)節(jié)。因此，核算邊界及排放源如圖1 所示。

3 核算方法

3.1 排放總量

根據(jù)排放源的界定，煤礦企業(yè)的溫室氣體排放總量等于燃料燃燒CO2排放量、CH4和CO2逃逸排放量、凈購入電力對應(yīng)的CO2排放量之和，計算公式如下：

式中，E為煤礦企業(yè)溫室氣體排放總量；E燃燒為化石燃料燃燒的CO2排放量；為CH4逃逸排放量；為CO2逃逸排放量；E購入電為企業(yè)購入電力對應(yīng)的CO2排放量。

3.2 燃料燃燒CO2 排放量

燃料燃燒CO2排放量是基于企業(yè)邊界內(nèi)各個燃燒設(shè)施分品種的化石燃料燃燒量，乘以相應(yīng)的燃料含碳量和碳氧化率，再逐層累加匯總得到，公式如下：

式中，ADi為第i種化石燃料消費(fèi)量；CCi為化石燃料i的含碳量；OFi為化石燃料i的碳氧化率；為CO2與碳的相對分子質(zhì)量之比。

圖1 核算邊界及排放源示意圖

3.3 CH4 逃逸排放量

CH4逃逸排放量等于井工開采和礦后活動CH4逃逸排放量之和扣除CH4回收利用量，計算公式如下：

3.3.1 井工開采CH4逃逸排放量

井工開采的CH4逃逸排放量按下式計算：

式中，AD井工i為礦井當(dāng)年原煤產(chǎn)量；為礦井當(dāng)年相對瓦斯涌出量。

3.3.2 礦后活動CH4逃逸排放量

礦后活動的CH4逃逸排放量按下式計算：

式中，AD礦后i為礦井當(dāng)年原煤產(chǎn)量；EF礦后i為礦后活動CH4排放因子。

3.3.3 礦后活動CH4逃逸排放量

CH4逃逸排放量按下式計算：

式中，QCH4利用為企業(yè)回收利用的瓦斯氣體量；為回收利用的瓦斯氣體中CH4的體積濃度。

3.4 CO2 逃逸排放量

井工開采CO2逃逸排放量按下式計算。

式中，1.84kg/m3為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、20℃下的CO2密度；為井工開采的CO2逃逸排放體積量；AD井工i為礦井當(dāng)年原煤產(chǎn)量；為礦井的相對CO2涌出量。

3.5 購入電力對應(yīng)的CO2 排放量

企業(yè)購入的電力對應(yīng)的CO2排放量按下式計算：

式中，AD購入電為購入電力量；EF電力為電力的平均CO2排放因子。

4 活動數(shù)據(jù)與排放因子

4.1 活動數(shù)據(jù)獲取

井工煤礦企業(yè)燃料燃燒CO2排放活動數(shù)據(jù)主要包括燃煤、燃?xì)?、汽油和柴油消耗量，可采用生產(chǎn)統(tǒng)計臺賬數(shù)據(jù)。井工開采CH4和CO2逃逸排放、礦后活動CH4排放活動數(shù)據(jù)為礦井當(dāng)年原煤產(chǎn)量，可采用原煤產(chǎn)量統(tǒng)計臺賬數(shù)據(jù)。CH4回收利用活動數(shù)據(jù)可采用CH4回收利用量統(tǒng)計臺賬數(shù)據(jù)。購入電力對應(yīng)的CO2排放活動數(shù)據(jù)可從企業(yè)財務(wù)部門的購入電量結(jié)算憑證中獲取。

4.2 排放因子選取

4.2.1 燃料燃燒CO2排放因子

煤礦企業(yè)應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)對化石燃料的含碳量等指標(biāo)開展檢測，而實際上大部分煤礦企業(yè)未開展檢測或檢測方法和頻次不滿足要求。因此，對含碳量、低位發(fā)熱量和碳氧化率等排放因子可采用《指南》中最新的缺省值，有條件時，應(yīng)按《指南》中的最新要求開展檢測，以和我國碳排放權(quán)交易體系銜接。

4.2.2 井工開采CH4和CO2排放因子

IPCC 推薦三種方法進(jìn)行排放因子的測算，分別為全球平均排放因子法、國家或特定煤田排放因子法和實測法。實測法最優(yōu)，《2014 版指南》推薦實測法，但不易實施。相關(guān)學(xué)者建議，可采用礦井瓦斯等級鑒定報告的“相對瓦斯涌出量”和“相對二氧化碳涌出量”作為排放因子，其值雖為全年最大排放量月份數(shù)據(jù)，但接近于實測值[6]。2018 版國標(biāo)亦推薦使用礦井瓦斯等級鑒定數(shù)據(jù)。在無實測的條件下，可選擇使用瓦斯等級鑒定報告數(shù)據(jù)。

4.2.3 礦后活動CH4排放因子

《IPCC 2006 指南》推薦的排放因子為0.9—4m3/t，該值不具備中國代表性，而且未區(qū)分高瓦斯與低瓦斯?！?014 版指南》數(shù)據(jù)較早，不適用于近年的核算。近年來，有學(xué)者對2010—2016 年我國煤礦數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)測算，得到高瓦斯和低瓦斯煤礦礦后活動CH4排放因子分別約為3m3/t 和0.94m3/t[6]，該研究結(jié)果與2018 版國標(biāo)的缺省值數(shù)據(jù)一致，具備中國代表性，可考慮采納。

4.2.4 購入電力對應(yīng)的CO2排放因子

電力供應(yīng)排放因子應(yīng)選取能代表本地電網(wǎng)排放因子的數(shù)據(jù)，但我國未公布東北、西北、華北、華東、華中等區(qū)域的電網(wǎng)溫室氣體排放因子。因此，選取2015 年全國電網(wǎng)平均供電CO2排放因子0.6101tCO2/MWh。

5 結(jié)果與分析

5.1 排放總量

本文選取位于內(nèi)蒙古、山西、陜西、甘肅的6 家年產(chǎn)煤量在百萬噸至千萬噸級別的井工煤礦企業(yè)進(jìn)行研究，包括5 家低瓦斯煤礦企業(yè)和1 家高瓦斯煤礦企業(yè)（位于山西）。按照上述方法對煤礦企業(yè)2019—2021 年的溫室氣體排放量年均值進(jìn)行核算（以tCO2計算），結(jié)果如表1 所示。由表1 可知，這6 家井工煤礦企業(yè)的年均溫室氣體排放量為20 萬—40 萬t。

5.2 排放源占比

分析排放源占比構(gòu)成（以年均值計），結(jié)果如表2 所示。由表2 可知，對于低瓦斯礦井，最大排放源是礦后活動CH4逃逸排放，占比為38.72%—57.06%，其次是凈購入電力對應(yīng)的CO2排放，占比為19.15%—34.56%；對于高瓦斯礦井，最大排放源是井工開采CH4逃逸排放，占比高達(dá)84.59%，其次是礦后活動CH4逃逸排放，占比為13.67%。

5.3 單位產(chǎn)品溫室氣體排放量

本文設(shè)定單位原煤溫室氣體排放量作為煤礦企業(yè)溫室氣體排放水平的評價指標(biāo)，2019—2021 年某6 家煤礦企業(yè)計算結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可知，低瓦斯煤礦的單位原煤溫室氣體排放量為0.023—0.037tCO2/t，高瓦斯煤礦的單位原煤溫室氣體排放量為0.28—0.35tCO2/t，高瓦斯煤礦的溫室氣體排放水平是低瓦斯煤礦的10 倍左右。

5.4 研究結(jié)果分析

（1）對影響煤礦企業(yè)溫室氣體排放量的主要因素進(jìn)行分析

有研究數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前我國90%煤炭產(chǎn)量來自井工開采煤礦，其中高瓦斯煤礦占30%左右，其產(chǎn)生的CH4排放量占煤礦CH4排放總量的80%以上[6]。本文研究結(jié)果顯示，煤礦井工開采和礦后活動CH4排放是影響溫室氣體排放總量的主要因素?？梢?，煤礦的開采方式、瓦斯類型和原煤年產(chǎn)量是影響煤礦企業(yè)溫室氣體排放量的主要因素。

表1 2019-2021 年6 家煤礦企業(yè)溫室氣體排放匯總

表2 2019-2021 年6 家煤礦企業(yè)溫室氣體排放源占比

圖2 煤礦企業(yè)單位原煤溫室氣體排放量

（2）對井工煤礦企業(yè)溫室氣體排放的主要排放源進(jìn)行分析

有研究資料顯示，低瓦斯礦井瓦斯排放占比最高，為62.89%，其次為電能消耗對應(yīng)的CO2排放，占比為32.51%[1]。另有研究資料顯示，高瓦斯礦井的瓦斯排放占比最高，為81.04%，其次為電能消耗對應(yīng)的CO2排放，占比為17.61%[4]。以上研究資料未對瓦斯排放按井工開采和礦后活動瓦斯排放區(qū)分，但與本文研究結(jié)果基本一致，說明煤礦企業(yè)溫室氣體第一排放源為瓦斯排放、第二排放源為電能消耗對應(yīng)的CO2排放。

（3）對單位原煤溫室氣體排放量進(jìn)行驗證

某研究將整個礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)（包括生產(chǎn)、生活和植被碳匯等）作為核算邊界，得到單位原煤溫室氣體排放量的計算結(jié)果為0.045tCO2/t[11]。有資料顯示，國內(nèi)某些井工開采的低瓦斯礦井的單位原煤溫室氣體排放量為0.022—0.038tCO2/t[3,8]，某些高瓦斯礦井的單位原煤溫室氣體排放量的計算結(jié)果為0.198tCO2/t 左右[4]。上述研究的核算邊界和核算方法有所不同，但研究結(jié)果與本文核算結(jié)果的數(shù)量級一致，數(shù)值區(qū)間較為接近。

綜上所述，本文核算依據(jù)和核算方法的選擇較為科學(xué)合理，核算結(jié)果能較客觀地反映當(dāng)前我國井工煤礦企業(yè)溫室氣體排放的基本情況。

6 結(jié)論與建議

6.1 結(jié)論

本文通過梳理國內(nèi)外溫室氣體排放核算標(biāo)準(zhǔn)，從當(dāng)前我國碳排放管理的角度，開展井工煤礦企業(yè)的溫室氣體排放核算研究。本文核算的井工煤礦企業(yè)的年平均溫室氣體排放量為20 萬—40 萬tCO2，低瓦斯礦井和高瓦斯礦井的單位原煤溫室氣體排放量分別為0.023—0.037tCO2/t 和0.28—0.35tCO2/t。通過分析，得出影響井工煤礦企業(yè)溫室氣體排放量的主要因素有開采方式、瓦斯類型和年產(chǎn)煤量，年產(chǎn)煤量越高、CH4濃度越高，溫室氣體排放總量越大；井工煤礦企業(yè)溫室氣體第一排放源為井工開采CH4逃逸和礦后活動CH4逃逸排放，第二排放源為凈購入電力對應(yīng)的CO2排放。本文研究結(jié)果可為煤礦企業(yè)開展碳排放管理工作提供參考。

6.2 建議

對數(shù)據(jù)統(tǒng)計與監(jiān)測工作提出以下建議：（1）嚴(yán)格區(qū)分原煤、商品煤和煤矸石，分類統(tǒng)計產(chǎn)煤量和化石燃料消耗量；（2）按標(biāo)準(zhǔn)檢測化石燃料含碳量等指標(biāo)，避免因采用缺省值導(dǎo)致核算結(jié)果偏大；（3）研究提高CH4和CO2逃逸排放因子監(jiān)測方法和儀表精度，避免因使用瓦斯等級鑒定數(shù)據(jù)導(dǎo)致核算值偏大；（4）建立溫室氣體排放管理制度體系，設(shè)定專職人員歸口管理統(tǒng)計數(shù)據(jù)，加強(qiáng)學(xué)習(xí)培訓(xùn)，樹立低碳理念。

對煤礦企業(yè)提出以下建議：（1）選擇適宜的低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)和利用技術(shù)，減少CH4排放[12，13]；（2）優(yōu)化用電，優(yōu)選低能耗設(shè)備，降低用電量；（3）開發(fā)太陽能、光伏等可再生新能源，降低外購電；（4）使用低含碳量化石燃料，提高鍋爐效率，采用余熱利用等技術(shù)，減少燃料燃燒；（5）結(jié)合綠色礦山建設(shè)基礎(chǔ)，提高礦井水、煤矸石等副產(chǎn)物綜合利用率，實施塌陷區(qū)治理、土地復(fù)墾和生態(tài)修復(fù)碳匯協(xié)同，達(dá)到整體節(jié)能減排、協(xié)同降碳的目標(biāo)。