黑岱沟选煤厂碳排放核算研究

徐宏祥，武 威，刘利波，柳 骁，石 斌，汪竞争，崔家画，邓久帅

(1.中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院，北京 100083；2.国能准能集团有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 010300；3.北京国信安科技术有限公司，北京 100070)

2020年9月，中国在第75届联合国大会提出“双碳”目标，为中国经济社会发展转型指明了方向，为全球应对气候变化共同行动贡献了关键力量[1，2]。实现碳达峰碳中和目标需要健全“双碳”标准，构建统一规范的碳排放统计核算体系，推动能源“双控”向碳排放总量和强度“双控”转变。碳排放统计核算是一项复杂而庞大的系统工程，涉及多个层级、多类主体、多种维度。不同对象、不同用途的碳排放核算边界和方法也不同。为了保证碳排放统计核算工作始终服务“双碳”工作大局，必须用统一的规范在“不同”中实现统计核算体系的指向明确、导向一致、权责清晰、程序规范。

煤炭开采加工业属于高耗能产业，在38个工业从属行业中排名第7位[3]。经测算，2020年，我国煤炭相关产业CO2排放量接近71.5亿t[4]，煤炭行业是我国碳减排的重点对象之一。研究并建立煤炭领域碳排放统计核算体系对实现“双碳”目标有示范、带头、引领作用。目前国内外关于煤炭领域的碳排放核算研究集中在煤炭开采阶段，Bing Wang[5]等人使用排放因子法的煤炭开采部门排放核算模型，煤炭开采产生的碳排放主要来自煤矿瓦斯排放，占该行业碳排放总量的62%，其次是能源消耗；曾繁伟[6]等人构建了煤炭产品碳足迹计量模型，通过实证研究，给出了洼里煤矿业煤炭产品的碳足迹。相关研究中缺少详细的选煤厂碳排放核算过程。

碳排放核算研究中大多是针对国家[7]、城市、企业[8]、产品[9]、家庭[10]层面的研究，关于厂区层面的碳排放核算研究较少。20世纪90年代以来，众多国际机构围绕不同层级的碳排放核算标准制定开展了大量探索，主要包括两类：一类是对区域的温室气体排放进行核算，包括国家、州、城市甚至是社区层面；另一类是围绕企业(或组织)、项目以及产品层面的碳核算。目前较为权威的碳排放核算标准有IPCC出台的国家温室气体核算指南、WRI、C40和ICLEI发布的城市温室气体核算标准[11，12]、世界资源研究所(WRI)和世界可持续发展工商理事会(WBCSD)发布的温室气体核算体系、ISO制定的温室气体排放系列标准[13，14]。

已有的关于厂区层面的碳排放核算研究目前主要参考IPCC发布的国家温室气体清单指南体系以及WRI和WBCSD共同编制的温室气体核算体系[15]，其中IPCC所提供的核算指南中包括了所有厂区内可能产生的碳排放，并且附有计算方法。WRI和WBCSD共同编制的温室气体核算体系将温室气体排放划分为范围一到三，更有利于厂区内繁杂的碳排放主体划分[16]。严坤[17]等人分析了厂区层面特点，将厂区碳排放分为能源消费、工业过程和产品使用与废弃物处理处置三大类，比较了不同核算方法，为厂区碳排放提供核算建议。陈彬[18]等人通过对厂区碳排放核算方法研究提出了厂区碳排放核算框架，为厂区碳排放核算提供了核算模型。本研究以选煤厂为研究对象，基于上述已成型的碳排放核算标准和厂区层面碳排放核算研究，构建了选煤厂碳排放核算模型，并以黑岱沟选煤厂为例核算了煤炭在洗选过程中所产生的碳排放。其次，本研究结合中国煤炭生产企业温室气体排放指南试行文件以及其他学者们的研究，给出了具有当地特征的碳排放因子选取方法，助力国家完善煤炭行业碳排放统计核算体系，减轻我国碳减排压力。

1 选煤厂碳排放核算模型构建

1.1 选煤厂核算边界界定

根据选煤厂生产实际，选煤厂碳排放核算的系统边界包括：以生命周期为时间线，选煤厂为范围。即从煤炭进入选煤厂开始，到其成为产品为止。期间在选煤厂划分范围内的所有碳排放活动都算作选煤厂碳排放。计算过程中厂内所有的碳排放量，最后得出单位煤炭产品生产所排放的二氧化碳当量。

选煤厂碳排放源划分选用世界资源研究所(WRI)和世界可持续发展工商理事会(WBCSD)共同编制的温室气体核算体系。核算范围归纳如下：①范围一排放—发生在选煤厂内部的所有直接碳排放，选煤厂内生产电力、热能或蒸汽的燃烧燃料碳排放，工业生产过程中原煤逸散产生的碳排放。②范围二排放—选煤厂外购电力以及新水产生的间接碳排放。③范围三排放—选煤厂内废弃物处理(生活垃圾、污水)所产生的间接碳排放。选煤厂碳排放如图1所示。

图1 选煤厂碳排放

1.2 碳排放源识别

选煤是利用煤炭与其他物质的不同物理、化学性质，将煤炭与其他杂质分离的过程。选煤流程主要包括三个基本部分，即分选前的准备作业、分选作业以及分选后的产品处理。选煤各阶段均有大型机械参与，消耗大量电能并产生大量间接碳排放；同时，煤炭分选过程除循环水外还需消耗大量新水，也会产生间接碳排放；原煤在运输、洗选过程中会排放尚残留在煤炭中的甲烷气体，造成矿后CH4逃逸。

除去生产过程中产生的碳排放，选煤厂内采暖、空调、照明、电器设备、和通风等也会造成电能的消耗，造成间接碳排放。选煤厂内材料以及人员等的交通运输需要消耗燃油，造成直接排放，其次，选煤厂内供暖采用锅炉供暖，消耗燃煤也会产生直接碳排放[19]。最后，选煤厂内产生的生活垃圾、生产污水等废弃物处理也会造成其他间接碳排放。

根据上述选煤厂生产以及实际运营情况，得出选煤厂碳排放源见表1。

表1 碳排放源识别

1.3 碳排放统计核算模型

根据上述选煤厂的系统边界界定以及排放源识别，现将选煤厂碳排放核算按照排放范围，对选煤厂的碳排放建立核算模型。设定碳排放的核算期为一年，选煤厂碳排放计量单位为：kg CO2e/t，即：生产1 t煤炭产品排放二氧化碳当量数E。

E=(E1+E2+E3)/q

(1)

式中，E为生产1 t煤炭产品排放二氧化碳当量数，kg CO2e/t；E1为所述范围一碳排放量，CO2e；E2为所述范围二碳排放量，CO2e；E3为范围三碳排放量，CO2e；q为精煤产量，t。

所述范围一碳排放计算公式为：

式中，E1为所述范围一碳排放量，CO2e；I为范围一碳排放对应的排放源的个数；i=l，2，…，I；ADi为第i个范围一排放源的消耗量；EFi为第i个范围一排放源的二氧化碳排放因子。

所述范围二的碳排放计算公式为：

式中，E2为所述范围二碳排放量，CO2e；J为范围二碳排放对应的排放源的个数；j=l，2，…，J；ADj为第j个范围二排放源的消耗量；EFj为第j个范围二排放源的二氧化碳排放因子。

所述范围三碳排放计算公式为：

E3=E3-1+E3-2

(4)

式中，E3为范围三碳排放量，CO2e；E3-1为生活垃圾碳排放量，CO2e；E3-2为污水处理碳排放量，CO2e。

式中，E3-1为生活垃圾碳排放量，CO2e；K为生活垃圾处理类型的个数；k=l，2，…，K；ADk为利用第k种生活垃圾处理方式所处理的生活垃圾质量；EFk为第k种生活垃圾处理方式产生的二氧化碳排放因子。

E3-2=(TOW-S)×EF3-2

(6)

式中，E3-2为污水处理碳排放量，CO2e；TOW为所处理污水中可降解有机材料总量，kg COD/a；S为污水处理中污泥清除的有机成分，kg BOD/a；EF3-2为污水处理的二氧化碳排放因子。

本文选择的核算期为一年，所以在进行核算时，收集选煤厂一年内实际活动水平数据并代入模型得到选煤厂碳排放清单。

1.4 碳排放因子的确定

碳排放计量的过程需要选煤厂实际活动水平数据以及碳排放因子，其中实际活动水平数据通过实地调研获取，碳排放因子需要结合IPCC温室气体排放指南以及本国特征数据来获取。

1.4.1 燃料燃烧碳排放因子

燃料燃烧排放因子参考IPCC发布的三种方法获取，方法二以及方法三计算精确，但其所需的燃料的碳含量、净发热值等数据较难获取，所以根据IPCC中所述的方法一计算燃料所需的碳排放因子。对于选煤厂来说，需要获取汽油(动力汽油)、柴油、原煤的排放因子，根据IPCC 2006年国家温室气体清单指南2019修订版中能源工业中固定源燃烧的缺省排放因子表查询得到汽油(动力汽油)、柴油、原煤对应的各温室气体缺省排放因子，汽油、柴油、原煤对应的各温室气体排放因子的矫正值就等于缺省值乘以对应热值，柴油、汽油、原煤的净发热值由《2018能源统计年鉴》查询可得。IPCC缺省排放因子以及热值见表2，柴油、汽油、燃煤排放因子见表3。

表2 IPCC缺省排放因子以及热值

表3 柴油、汽油、燃煤排放因子

因本文采取单位为二氧化碳当量，所以需要将CH4、N2O排放因子乘以其对应的全球变暖系数(GWP)。CO2、CH4、N2O的全球变暖系数分别为1、23、296。

1.4.2 逸散碳排放因子

据查询，除中国以外的产煤大国最新国家温室气体清单报告可得，大多数国家都采用了《IPCC 2006指南》，并结合本国特征数据或实地数据探究了本地排放因子，所以本文结合IPCC清单指南以及其他产煤大国清单编制经验，采用《IPCC 2006指南》提供的相对成熟的矿后活动的CH4排放计算方法[20-22]。

目前国内关于煤炭企业的政策参考《中国煤炭生产企业温室气体排放核算方法与报告指南》得矿后活动CH4排放因子(kg CH4/t原煤)；高瓦斯矿井取3 m3/t，低瓦斯矿井0.9 m3/t，露天矿取0.5 m3/t。

马翠梅[23]等人通过IPCC T2方法计算了中国井工煤矿2010—2016年瓦斯矿井的矿后CH4碳排放因子，得出高瓦斯矿井矿后活动CH4排放因子为3 m3/t，低瓦斯矿井CH4平均排放因子为0.94 m3/t。

马翠梅等人利用IPCC T2方法计算所得数据更加精确，所以井工煤矿矿后CH4排放因子取马翠梅等人的研究，因为其缺少露天矿研究，所以露天矿矿后活动CH4排放因子取《中国煤炭生产企业温室气体排放核算方法与报告指南》为0.5 m3/t。已知甲烷的全球变暖系数GWPCH4为23，CH4密度按标准状况(1个标准大气压，20 ℃)下0.67 kg/m3计。矿后逸散碳排放因子计算公式如下：

EFCO2=EFCH4×GWPCH4×ρCH4

(7)

计算得高瓦斯矿井矿后逸散碳排放因子为4.623×10-2CO2e，低瓦斯矿井矿后逸散碳排放因子为1.45×10-2CO2e，露天矿矿后逸散碳排放因子为7.71×10-3CO2e。

1.4.3 电力碳排放因子

目前美国、澳大利亚、加拿大、英国和新西兰等国家已定期发布电网排放因子，且其内容包含所有电力类型(火电、水电、风电、核电等)的综合排放[24-26]。上述国家的电网排放因子根据本国国情各具特点，不同国家又各有特点，如新西兰和英国采用的是本国统一发布的平均电网排放因子；澳大利亚采用的是省或州的电网排放因子。

我国一般采用区域电网排放因子来进行计算，但我国地区之间差异较大，并且有地区之间有电力的交换，有学者提出不同的电网排放因子。下述为我国已有的关于电网排放因子的研究。

1)国家发展和改革委员会发布的中国区域电网基准线排放因子，用于开发CDM项目，计算的是单位火力发电的排放，因子中未包含水电、风电和核电等。如果使用该因子则认为外购电力全部来自火电，容易高估排放量，因此不适用于估算电力的间接排放。2019年中国区域电网基准排放因子(单位：tCO2/(MWh))如下：华北0.9419，东北1.0826，华中0.7921，华东0.8587，西北0.8922，南方0.8042。

2)宋然平等提出的中国区域电网企业外购电排放因子，与国际上通行的电网排放因子含义相同，包含了所有电力类型的综合排放，除考虑数据的可获得性将内蒙古统一放在华北电网外，电网的划分与中国区域电网实际分布基本一致，另外还考虑了电网间电力交换的影响，是当前中国核算电力间接排放较为合适的电网因子选择[27]。宋然平等提出的中国区域电网企业外购电排放因子(单位：tCO2/(10MWh))如下：华北11.3349，东北11.4218；华中7.0629；华东7.8835，西北8.1589，南方6.7254。

3)马翠梅等人在宋然平等提出的中国区域电网企业外购电排放因子的基础上研究了中国省级电网温室气体排放因子的计算方法，且考虑到了进出口电力以及省级交换电力，与区域级电网因子相比，省级电网因子核算结果更加精确，具体数据见表4[28]。

表4 省级电网温室气体排放因子 kg CO2e/(kWh)

表4 省级电网温室气体排放因子 kg CO2e/(kWh)

地区排放因子地区排放因子北京0.983河南1.041天津1.019湖北0.427河北1.099湖南0.652山西1.089重庆0.688内蒙古1.191四川0.362山东1.069广东0.687辽宁1.085广西0.524吉林1.025贵州0.774黑龙江1.107云南0.545上海0.809海南0.734江苏0.820陕西1.024浙江0.716甘肃0.692安徽0.912青海0.266福建0.562宁夏1.082江西0.902新疆0.853

综上所述，本研究选取马翠梅等人提出的省级电网温室排放因子。

1.4.4 新水排放因子

新水排放因子等于水折煤系数乘以标煤排放因子。根据《综合能耗计算通则》(GB/T 2589—2020)，新水折煤系数为0.0857 kg/t，根据《可再生能源建筑应用示范项目测评导则》，标煤CO2排放因子2.47 CO2e，新水排放因子为2.11679×10-4tCO2e/t。

1.4.5 生活垃圾碳排放因子

生活垃圾碳排放量的计算首先需要考虑垃圾处理的类型，不同的处理技术产生的碳排放量相差甚远，李欢等人根据IPCC温室气体清单对生活垃圾的计算得出如下几种常用的垃圾处理技术碳排放量计算公式[29]：

1)生活垃圾卫生填埋。生活垃圾厌氧填埋过程中，无甲烷收集处理的情况下，其碳排放达到最大，CH4和 CO2排放因子分别为：

式中，DOC为可降解有机碳，清单中东亚国家缺省值一般推荐14%；DOCf为实际可以分解的可降解有机碳比例，IPCC推荐值为50%；MCF为甲烷氧化因子，厌氧填埋场取100%，准好氧填埋场存在半有氧环境，产生的 CHA较少；F为填埋气中CH4体积比例。

最后可得生活垃圾卫生填埋产生的最大可能碳排放因子为EFCO2=1.108 tCO2e/t。

2)生活垃圾焚烧发电。生活垃圾燃烧的碳排放因子为：

式中，CF为生活垃圾可燃碳含量，我国生活垃圾中橡塑含量取值范围一般为7%～12%，IPCC推荐的橡塑含碳量为67%～75%，橡塑组分所含碳约占垃圾总重的 4%～9%，这里取4%，即CF取18%；OF为氧化因子，考虑到我国焚烧混合垃圾以及技术问题，这里取85%。

最后可得生活垃圾燃烧的碳排放因子为EFCO2=0.561 tCO2e/t。

3)生活垃圾好氧堆肥。堆肥过程的碳排放因子为：

式中，考虑堆肥完全腐熟后DOC分解率超过99.5%，碳在堆肥过程中将近2/3转换为CO2，其余1/3用于细胞合成，DOCf取0.65。

最后可得生活垃圾好氧堆肥的碳排放因子为EFCO2=0.334 tCO2e/t。

4)餐厨垃圾厌氧发酵。餐厨垃圾由于含水量以及含盐量较高，近年来提出了单独处理理念，餐厨垃圾一般采用厌氧发酵，厌氧分解会将大部分DOC转化为CH4和CO2，其中CH4含量在50%～55%之间，CH4最终燃烧转化为CO2。将相关参数(DOC取7%，DOCf取0.5)代入式(11)，可得到甲烷燃烧的碳排放因子。最终计算得出餐厨垃圾厌氧发酵产生的碳排放为EFCO2=0.128 tCO2e/t。

1.4.6 污水处理碳排放因子

污水处理碳排放目前研究较少，本文按照IPCC中所给核算标准进行计算，计算公式如下：

EFCO2=BO×MCF×23

(12)

式中，EFCO2为污水处理碳排放因子(kgCO2/kgCOD)；BO为最大CH4产生能力(kgCH4/kgCOD)，一般采用厂里排放污水特定数据，但详尽的数据特定数据较难获取，如果没有该数据，则采用IPCC COD缺省因子(0.25 kgCH4/kgCOD)；MCF为甲烷修正因子。

根据IPCC温室气体排放清单，对于未处理的工业废水，直接海洋、河流、湖泊排放MCF取0.1，有机物含量高的可能变成厌氧的，此处不予考虑。对于管理完善、一些甲烷会从沉积池或者其他料袋排放出来的耗氧处理厂，MCF取0；对于管理不完善、过载的耗氧处理厂，MCF取0.3；对于污泥的厌氧侵化池，和厌氧反应堆(如UASB，固定膜反应堆)，MCF取0.8，此处不考虑甲烷回收；对于深度不足2 m的厌氧化粪池，MCF取0.2；对于深度超过2 m的厌氧化粪池，MCF取0.8。

2 黑岱沟选煤厂碳排放计算

本研究选取黑岱沟选煤厂为研究对象，该选煤厂位于内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗薛家湾镇，是准能公司黑岱沟露天煤矿的配套项目。原设计能力12.00 Mt/a的跳汰洗选系统，始建于1992年7月，1996投入试生产，1999年11月正式移交生产。为适应煤炭市场变化的需求，先后增建了2套重介质浅槽洗选系统，使全厂设计生产能力达到30.00 Mt/a。

2.1 确定活动数据

1)黑岱沟选煤厂供暖由集团锅炉房统一提供，厂内无直接燃煤，根据生产统计数据，该选煤厂2020年燃煤量为19751 t，所用煤为选煤厂生产自用煤。选煤厂三个系统原煤全部来源于露天矿，2020年原煤生产量为32138148 t，矿后逸散碳排放因子取7.71×10-3tCO2e/t。

2)2020年，选煤厂生产设备供电、生活保障用电共消耗124063515 kWh电力，电力碳排放因子选取内蒙古地区1.186×10-3tCO2e/(kWh)。

3)黑岱沟选煤厂水源取自当地黄河水以及地下水，由该选煤厂生产技术部统计数据，该选煤厂2020年耗费新水343247 t，其中，原煤车间80006 t，洗选一车间108705 t，洗选二车间147720 t，重介车间(封尘剂)41061 t，新水排放因子取上述计算结果2.11679×10-4tCO2e/t。

4)该选煤厂生活垃圾全部采用卫生填埋方式处理，根据生产统计数据，2020年该厂消耗约150 t生活垃圾，碳排放因子选取1.108 tCO2e/t。

5)厂内污水外包给污水处理厂处理，无法获取其处理方式以及精确数据，但该厂以每吨污水1.2元的处理费承包给污水处理厂，即污水所产生的碳排放部分由污水处理厂承担，而由选煤厂承担部分通过承包费来计算，折合碳交易价格来获取其碳排放量，纪昊然等人[30]统计了2016—2020年碳交易平均价格为25.30元/t，即该厂产生的每吨污水排放0.0474 t二氧化碳，根据选煤厂生产技术部统计数据，2020年该厂污水排放数量为263686 t。

6)该厂三个系统生产优末煤、劣末煤、洗混块、中煤、煤泥、矸石，其中以优末煤、劣末煤、洗混块作为产品煤，2020年共计生产产品煤量为12168191 t。

2.2 编制碳排放清单

经过实地调研，汇总该厂2020年实际活动数据，通过模型计算得到该厂2020年碳排放量见表5。

表5 碳排放清单

根据式(1)可得黑岱沟选煤厂生产 1 t 煤炭产品排放二氧化碳当量数E=36.8476 kg tCO2e/t。

3 结 论

1)从选煤厂生产实际出发，对选煤厂在生产过程中的碳排放情况进行了谈论与分析，以IPCC国家温室气体核算指南为基础建立了选煤厂碳排放核算模型，说明了选煤厂碳排放核算步骤以及选煤厂各个碳排放源的碳排放因子选取方法，模型构建参考《2019年IPCC国家温室气体核算指南》以及过往学者研究，核算结果符合国家实际以及国际标准。最后以准能集团旗下黑岱沟选煤厂为例，通过建立的模型分析了该选煤厂的碳排放情况。

2)研究发现该选煤厂2020年碳排放量共计448368.48 tCO2e，即生产1 t煤炭产品排放二氧化碳当量数E=36.8476 kg tCO2e/t。范围一直接碳排放占总排放量的64%，其中，逸散碳排放占范围一碳排放的84%；范围二间接碳排放占总排放量的33%，其中电力碳排放占范围二碳排放的99%；范围三其他间接碳排放占总排放量的3%。由此可见，该选煤厂直接碳排放为主要碳排放源，占总碳排放量近一半。其次为外购电力产生的间接碳排放，占总碳排放量近三分之一。

3)逸散碳排放是选煤厂生产过程中碳排放的主要来源，电力碳排放是选煤厂碳排放的次要来源，如何实现选煤过程中甲烷逸散回收和设备的节能降耗是选煤行业实现低碳生产的关键命题，而我国选煤厂技术装备较先进，在现有技术条件下，通过节能降耗来减排二氧化碳的潜力已然不大。如何回收选煤厂矿后甲烷逸散具有较大的减碳空间。