我国煤炭的单位热值碳含量研究

郑剑平

(中国煤炭加工利用协会，北京 100013)

为贯彻落实习近平总书记在第75届联合国大会一般性辩论上提出的“30·60碳达峰碳中和”目标，国家层面陆续出台了《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》(中发〔2021〕36号)、《2030年前碳达峰行动方案》等重要文件，进一步明确我国实现碳达峰总体目标，部署重大举措，明确实施路径，对于统一全党认识和意志，汇聚全党全国力量来完成这一艰巨任务具有重大意义。

为了适应“双碳”形势发展的要求，煤炭行业应该清楚计算出各个环节中的碳排放情况，明确各组织营运边界和做好碳排放源的碳排放统计与清单编制工作[1-4]。同时为配合有关部门即将开展的碳核查、碳配额和全国碳市场交易等方面的工作，推动煤炭行业产品结构转型，积极参与碳减排行动计划，迫切需要摸清各煤种原煤、商品煤的碳含量底数和CO2排放因子，制定出科学的产业发展政策，稳定煤炭行业发展和生产运行[5]。为帮助煤炭生产企业准确核算和规范报告温室气体排放量，国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会联合发布了GB/T 32151.11-2018《温室气体排放核算与报告要求 第11部分：煤炭生产企业》国家标准[6]，规定了煤炭生产企业温室气体排放量的核算步骤和核算方法，其中关于煤炭产品单位热值碳含量，主要分为无烟煤、烟煤、褐煤、洗精煤及其他洗煤产品五类，相应的单位热值碳含量都是一个缺省值[7]。也有相关学者[8，9]开展了基于发热量来研究煤炭中的碳含量，计算出我国无烟煤、烟煤、次烟煤、褐煤的单位热值碳含量平均值，且发现随着煤化程度的提高，煤炭单位热值碳含量逐渐减小，但到无烟煤时，单位热值碳含量又有所增大，比烟煤、次烟煤都要高。

综上所述，以往关于单位热值碳含量的研究中，只是将整个煤炭分为无烟煤、烟煤、褐煤这三大类，并未对烟煤进行详细的划分和讨论，给出的单位热值碳含量指标太过于宽泛，以此来计算煤炭产品的二氧化碳排放因子则必然存在一定的缺陷。为此，中国煤炭加工利用协会在全国范围内开展了全国原煤、商品煤中碳元素含量专项调查研究，力求摸清各煤种的单位热值碳含量，这项工作得到了国家能源、晋能控股、山东能源、中煤集团、陕煤化、山西焦煤等大型煤炭生产企业的大力协助，通过这些基础数据，并以煤种来分类统计分析，研究我国各煤种的单位热值碳含量情况。

1 调研方案及计算方法

本次调研数据通过调研表填报，主要以各煤炭企业2020年生产数据为基准，各单位对其生产的原煤和商品煤日常的工业分析、元素分析及发热量分析进行统计分析后，按照煤种分别填报产量Q、全水分Mt、空干基水分Mad、空干基灰分Aad、空干基挥发分Vad、元素分析中的空干基碳元素质量分数Cad及收到基低位发热量Qnet，ar等数据。

收集基础数据后，研究工作组先对各企业填报数据进行甄别，剔除掉有误的数据后，再将数据统一换算成收到基碳元素质量分数Car，根据产量数据加权计算出各企业、各煤种的平均碳元素质量分数和发热量，再计算出各煤种的单位热值碳含量平均值，最终可得出了褐煤、长焰煤、不粘煤、弱粘煤、气煤、气肥煤、1/3焦煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫瘦煤、贫煤、无烟煤的单位热值碳含量平均值，可作为碳排放计量和碳排放系数计算时的参考值。

其中，煤中的全水分Mt采用GB/T 211-2017[10]中规定的方法进行检测；空干基水分Mad、灰分Aad、挥发分Vad采用GB/T 212-2008[11]中规定进行检测；碳元素质量分数Cad采用GB/T 476-2008[12]中的规定进行检测；收到基低位发热量Qnet，ar则根据GB/T 213-2008[13]进行测试并换算而得。

2 结果与讨论

2.1 全国原煤、商品煤中碳含量整体分析

本次调研共统计到12个大型煤炭企业集团的原煤、商品煤煤质数据，区域覆盖山西、内蒙古、陕西、新疆、贵州、安徽、山东、河南、宁夏、河北等省，其中原煤产量共计167 072.48万t，商品煤141 995.22万t，占2020年全国原煤产量(39亿t)的42.8%，样本数据具有良好的代表性，统计结果详见表1。

由表1及图1、图2可知，各煤炭企业原煤的收到基碳元素质量分数(产量加权平均)范围为39.71%～54.87%，平均50.45%；发热量的范围为16.23～22.57 MJ/kg，平均19.22 MJ/kg；单位热值碳含量范围为24.3×10-3～27.1×10-3kg/GJ，平均26.3×10-3kg/GJ。

商品煤的收到基碳元素质量分数(产量加权平均)范围为45.33%～64.87%，平均56.39%；发热量的范围为18.24～24.93 MJ/kg，平均21.49 MJ/kg；单位热值碳含量范围为24.7×10-3～27.1×10-3kg/GJ，平均26.2×10-3kg/GJ。

图3是各煤炭企业的原煤和商品煤的平均单位热值碳含量，整体上，商品煤和原煤的单位热值碳含量值是相近的，因各企业集团煤炭洗选工艺差异，入选比例差别，以及部分炼焦商品煤在日常检测过程中未进行发热量测量，致使各企业的商品煤和原煤间的单位热值碳含量数据有的增大，有的减小。因而，单纯比较各煤炭企业的原煤和商品煤的单位热值碳含量间的差异，意义不太大。且动力煤和炼焦煤间本来就存在很大差别，因此，后文将着重研究各大煤种的碳含量变化情况。

表1 各煤炭企业的原煤、商品煤的碳含量统计结果

图1 各煤炭企业原煤、商品煤的平均碳元素质量分数

图2 各煤炭企业原煤、商品煤的平均发热量

图3 各煤炭企业原煤、商品煤的平均单位热值碳含量

2.2 各煤种碳含量指标情况

通过各企业填报的数据，再对统计数据按照各个煤种的不同分类进行分析，得出结果如表2和图4、图5所示，同时，对比图6中的各个煤种原煤和商品煤的单位热值碳含量变化趋势，结果分析表明，各煤种原煤的单位热值碳含量范围为24.0×10-3～27.8×10-3kg/GJ，商品煤的范围为23.4×10-3～27.5×10-3kg/GJ。

图4 各煤种原煤、商品煤的平均碳元素质量分数

表2 各煤种碳含量统计结果

图5 各煤种原煤、商品煤的平均发热量

图6 不同煤种原煤、商品煤的平均单位热值碳含量

煤炭经过洗选后，发热量和碳元素质量分数都有所增大，对于褐煤、中低阶烟煤，单位热值碳含量稍有减小，炼焦配煤的单位热值碳含量也都有所减小，但肥煤和焦煤降低的幅度较大；反之，高阶烟煤(贫瘦煤、贫煤)和无烟煤都有所增大，其中无烟煤增大幅度最大，达到2.2×10-3kg/GJ。对于大部分煤种，原煤经过洗选加工后，单位热值碳含量减小了，即在同等的热值要求下，二氧化碳的排放量减少了。

分析各煤种的单位热值碳含量数据可知，整体趋势是单位热值碳含量随着煤阶的升高先减小后增大，中低阶烟煤基本满足随着煤阶的升高而降低，炼焦烟煤基本保持不变，无烟煤的单位热值碳含量又增大很多。

因为煤炭燃烧时放出的热量主要与煤中的C、H、O元素含量有关，单位质量的H产生的热量要远远大于C，但煤中的H含量比较低，一般在5%以下，煤中的O与C之间结合在一起，导致部分C被氧化，因此O含量越高，发热量越低。随着煤化程度的增加，C的质量分数一直在增大，H的质量分数在中等煤化程度几乎不变，直到无烟煤时，明显减小，O的质量分数则随着煤阶的升高而减小。

中等变质程度前，随着煤阶升高，发热量迅速增大，超过了C的质量分数的增加率，使得煤的单位热值碳含量由褐煤到烟煤是减小的；到高变质程度阶段，由于H的质量分数发生明显的下降，且C的减小和O的减小幅度很小，使得煤炭的发热量略微降低，导致无烟煤的单位热值碳含量又有所增大，超过了烟煤的单位热值碳含量。

3 结 论

(1)我国各煤种原煤的单位热值碳含量范围在24.0×10-3～27.8×10-3kg/GJ之内，商品煤在23.4×10-3～27.5×10-3kg/GJ之内。

(2)煤炭经过洗选后，发热量和碳元素质量分数都有所增大，除贫瘦煤、瘦煤和无烟煤外，其他煤炭的单位热值碳含量稍有减小，其中无烟煤增大幅度最大，达到2.2×10-3kg/GJ。

(3)随着煤化程度的升高，单位热值碳含量先减小后增大。