平朔東露天礦煤礦生產能耗分析及碳排放核算

郭遠超

（中煤平朔集團有限公司 東露天礦，山西 朔州 036006）

人類的進步、經濟的發展都需要能源的支撐。一個國家的發展命脈也要依靠能源。我國煤炭資源豐富，煤炭的開采利用在社會工業發展中一直占有重要地位[1]。露天礦在國家煤炭安全生產管理規劃中一直處于優先發展的地位[2]，但是現階段對于露天礦的相關研究還不夠詳細，尤其在能耗方面的分析更是匱乏[3]。相比于井工礦而言，露天礦的能耗是相對較低的，但是現階段在減少露天礦的能耗方面，仍有很大的提升空間[4-5]。

通過進行露天礦能源消耗調查工作，能夠清楚自身的能源消耗結構，以此來制定符合露天礦實際運行的相關措施。為此，以平朔東露天礦為例，對露天礦各生產環節的相關特種設備進行能耗分析，并計算該年的溫室氣體排放量，依據結果進一步提出相關節能的建議和措施，對于提高露天礦的經濟效益有重要意義[6-7]。

1 東露天煤礦用能概況

露天礦生產活動中主要是穿爆、采裝、運輸、排土4 個環節耗能，現在東露天礦山采用單斗－卡車間斷工藝、單斗－卡車－破碎站－帶式輸送機聯合運輸（半連續）采煤工藝。柴油和汽油是露天礦最主要的動力能源，一般而言，柴油在露天礦中的應用比汽油更多，故對露天礦消耗柴油情況進行能耗分析。穿孔、運輸、工務和排土環節的礦卡和推土機主要消耗柴油；穿爆和采裝環節的鉆機和電鏟主要消耗電力。水主要用于行政樓和排水。東露天煤礦各個生產環節的能源消耗種類見表1。

表1 各環節的設備能耗類別

2 能耗分析體系

調研中煤平朔東露天礦的能源消耗情況，基于GB/T 2589—2008 綜合能耗計算通則[8]，礦山整體能耗的計算公式如下：

式中：E 為綜合能耗；n 為消耗的能源品種數；ek為生產和服務活動中消耗的第k 中能源實物量；pk為第k 種能源的折算系數，按能量的當量值或能源等價值折算。

東露天分為自營和外包2 種生產結構，現僅分析自營環節所產生的消耗，其中：一級能耗指標為東露天煤礦層面的綜合能耗；二級指標為生產工藝環節的綜合能耗（主要為采掘環節和運輸環節）；三級能耗指標為生產設備層面的單位能耗。

3 能耗流向分析

3.1 主要耗能設備

1）穿爆環節。穿爆環節由穿孔和爆破2 部分組成。參與生產的主要設備有CMD75 鉆機8 臺、DML鉆 機3 臺、DM50 鉆 機1 臺、D245S 鉆 機3 臺、SWDE165W 鉆機2 臺。

2）采掘環節。采掘環節主要是巖土的剝離和煤炭開采，運行的主要設備包括WK－35 電鏟2 臺、BE3951 電鏟2 臺、PH4100 電鏟5 臺、PH2800 電鏟4臺、L－1150 3 臺。

3）運輸環節。運輸環節是東露天礦生產活動中至關重要的一環，主要是運輸露天礦剝離的巖土和煤炭，東露天煤礦的運輸設備主要是自卸卡車，運輸設備有930E 34 臺、789C 6 臺、MT3700 16 臺、NTE200 9 臺、170D 1 臺、630E 5 臺。

4）排土環節。推土機是排土環節主要的運輸設備，其中，履帶推土機有：D475A－5EO 17 臺、D375A－5 1 臺、D375－5 3 臺、SD90－5 2 臺；膠輪推土機有：834H 7 臺、834K 4 臺、834H－X 4 臺、LW300F 1 臺、LW500K 1 臺。

5）開采準備環節。煤炭開采準備工作主要的設備有：GD825A－2 平路機11 臺、GD825A－EO 1 臺、336D2L 液壓挖掘機1 臺、SK350LC－8 挖掘機2 臺、灑水車等。

6）其他輔助環節。輔助環節主要是進行輔助煤炭開采的其他活動，運行的主要運輸設備包括發電車4 臺以及壓路機、清料車、平板車、吊車、油罐車等。

3.2 能耗計算及能源流向分析

基于GB/T 2589—2008 綜合能耗計算通則計算出東露天礦年度總能耗為89 869.28 tce。其中柴油55 043.45 t，折標準煤80 203.811 t；電力73 99.009萬kW·h，折標準煤9 093.38 t；水2 355 246 t，折算標準煤572.089 t。

東露天礦生產活動中消耗最多的能源是柴油，其次是電力，水的使用量最少，其中柴油大部分被自卸卡車所消耗，電力則大多數被電鏟所消耗。

綜合各種能源按當量值折標準煤計算，在東露天煤礦生產活動中，耗能最大的環節是運輸環節，2021 年共計消耗為68 096.23 tce，（1 tce=29.271 GJ）占總能耗的比例高75.78%。采裝環節總能耗為10 392 tce，其中80.3%來源于電力，19.7%來源于前裝機消耗的柴油。穿爆環節總能耗為729.52 tce，全部來源于電力。排土、工務及其他環節總能耗為12 679.02 tce，95.5%來源于柴油，工務環節耗能為4 089.80 tce，其中平路機的耗能占19.08%，反鏟的能耗占4.31%，灑水車在柴油方面的能消耗最大，達到了62.6%。排土和其他輔助環節中，主要是推土機和油罐車、平板車等消耗柴油。水的消耗方面，行政樓的能耗0.645 3 tce，僅占水總能耗的0.1%。

3.3 能耗指標

3.3.1 一級指標

原煤生產綜合能耗計算公式為

式中：Emz為單位原煤生產綜合能耗，kgce/t；E為綜合消耗，kgce；M 為統計報告期內原煤產量，t。

3.3.2 二級指標

1）生產工藝環節的綜合能耗中穿孔設備綜合能耗計算公式為：

式中：EB為穿孔設備綜合能耗，kgce/m3；ECQ為穿孔環節消耗，kgce；VCQ為穿孔環節作業量，m3。

2）生產工藝環節的綜合能耗中采裝設備綜合能耗計算公式為：

式中：EC為采裝設備綜合能耗，kgce/m3；ECZ為采裝環節消耗，kgce；VCZ為采裝環節作業量，m3。

3）生產工藝環節的綜合能耗中運輸設備綜合能耗計算公式為：

式中：EY為運輸設備綜合能耗，kg/（km·m）；EYS為運輸環節消耗，kgce；VYS為運輸環節作業量，m3；S為運輸距離，km。

3.3.3 三級指標

1）采裝設備單位能耗E1。

式中：E1為采裝設備單耗；A 為采裝設備耗能；VD為采裝設備作業量。

2）運輸設備單位能耗E2。

式中：E2為運輸設備單耗；VE為運輸設備作業量；SYS為運輸距離。

平朔東露天礦2021 年能源消耗各類指標數值為：一級指標原煤生產綜合能耗為3.47 kgce/t；二級指標穿孔設備綜合能耗為0.009 9 kgce/m3；二級指標采裝設備綜合能耗為0.096 6 kgce/m3；二級指標運輸設備柴油單耗為0.176 9 kg/（m·km）；三級指標電鏟電單耗為0.677 5 kWh/m3；三級指標L－1150 前裝機柴油單耗為0.190 9 kg/m3；三級指標930E 卡車柴油單耗為0.144 9 kg/（m·km）；三級指標789C 卡車柴油單耗為0.295 8 kg/（m·km）；三級指標NTE200 卡車柴油單耗為0.163 kg/（m·km）；三級指標MT3700 卡車柴油單耗為0.152 kg/（m·km）。

基于企業各個生產環節的詳細能源使用情況，通過分析可以得到以下結論：①東露天礦生產活動中運輸是耗能最多的環節，自卸卡車的運輸量與柴油的單耗呈負相關；②采裝環節是生產活動中另一個耗能較大的環節，電鏟的耗能是采裝環節中耗能最大的，L－1150 前裝機相比電鏟，單耗比較??；因此采取相關措施減少電鏟能耗尤為重要。

4 溫室氣體排放

4.1 能源消耗引起溫室氣體排放

柴油和汽油是露天礦使用最多的2 種能源，為生產設備提供動力的同時也伴隨著大量的溫室氣體產生，產生最多的溫室氣體是CO2，其次是CH4和N2O，但是單位體積N2O 產生的溫室效應是CO2的310 倍，而單位體積CH4產生的溫室效應是CO2的25 倍[9]。本次計算汽油的消耗不考慮在內。除此之外，電鏟等大型設備通過電力驅動作業，電力屬于二次能源，一般露天礦的電力是由附近的火力發電廠供應，電力消耗大、CO2的排放量高。東露天煤礦能源消費量為：柴油55 043.45 t，電力73 990.09 MWh。平朔東露天煤礦溫室氣體排放量見表2。

表2 平朔東露天煤礦溫室氣體排放量

4.2 逸散氣體排放量及其他溫室氣體排放量

1）露天礦生產作業中大量的甲烷從煤層中逸散，但是目前還沒有科學手段能夠將這些氣體收集起來加以用。東露天礦對于甲烷的排放量并沒有記錄數據，因此根據現場狀況及相關研究材料來確定排放因子[11]。通過參照IPCC2006 中的計算方法，可以得知開采過程中甲烷的排放因子為0.3 m3/t，開采后的甲烷排放因子為0.1 m3/t，估算東露天礦整個開采過程的CH4為179 817.47 t。

式中：Zal為總逸散CH4排放量，t；γ 為CH4的全球變暖趨勢（GWP），取24.3；G 為原煤總產量，t；ρ 為CH4密度，一般取0.714 kg/m3；A 為開采過程中的CH4排放因子；B 為開采后的CH4排放因子。

2）其他溫室氣體產生。東露天煤礦在生產作業中未出現煤層自然現象，因此不考慮煤層自燃產生的溫室氣體排放量。所以根據上述計算，得出東露天礦在2021 年溫室氣體排放量為408 915.07 t

5 結語

1）通過詳細研究和采取措施來改善車輛的行駛狀況、道路狀況和司機的駕駛習慣，可以有效降低自卸卡車的柴油單耗，減少整體礦山的能耗。通過最大化年運輸量和提高運輸效率，可以降低柴油單耗，降低綜合能耗。使用電鏟等電動設備可以大幅度減少采礦和裝載環節的能耗，減少環境影響。履式推土機等高能耗設備需要進行能耗管理，以降低這些環節的能耗。通過考慮爆破效果、生產效率和綜合成本，可以確定最佳的穿爆參數，以降低能耗和提高效率。

2）通過計算溫室氣體的排放量，結果可知，2021年東露天煤礦總的CO2的排放量為408 915.07 t，其中化石能源排放量約占55.3%。逸散氣體約占44.7%。造成煤礦碳排放量高的原因是由于化石能源消耗導致的，所以需要采取節能減排技術控制碳排放量。

3）跟隨時代的潮流，大力發展5G 技術在露天礦方面的應用，在設備故障預測、無人駕駛方面都可以與5G 技術相結合，在技術節能潛力已開發成熟的情況下，能耗監測、工序規劃、運輸調度的智能化是進一步節能的著眼點。

4）建立碳排放核算平臺。目前露天礦并沒有成立碳排放的管理部門，相對于現有企業存在的碳排放管理平臺還有很大差距，建議煤炭企業可以緊跟“雙碳”潮流，建立碳排放核算平臺，對煤礦生產中的CO2進行核算、分析、交易，掌握碳排放的實時信息，更好地制定節能措施。