露天矿低碳型运输工艺的选择方法

金 磊 ，杜勇志，李雪健，于洪洋，周志伟，李建刚，王永军

（1.神华宝日希勒能源有限公司，内蒙古 呼伦贝尔 021000；2.辽宁工程技术大学 矿产资源开发利用技术及装备研究院，辽宁 阜新 123000；3.辽宁工程技术大学 机械工程学院，辽宁 阜新 123000;4.内蒙古煤矿设计研究院 露天采矿所，内蒙古 呼和浩特，010010）

煤炭是我国资源储量最丰富的化石能源，现阶段煤炭仍是国家能源安全的压舱石，占中国一次性能源消耗的56.8%，碳减排压力巨大。能源消耗导致的碳排放增加是气候变化的关键因素。广义上看，碳排放指的是温室气体的排放，但二氧化碳是温室气体的重要组成，所以将狭义“碳排放”视为“二氧化碳排放”。露天矿能源消耗产生的排放是唯一受控排放源，通过采矿工艺和管理水平的改进可以极大地降低碳排放量。

国内学者对露天矿碳排放问题的研究不是很多。才庆祥[1]、刘福明[2]等初步探讨了露天矿温室气体排放的方法，构建了露天矿能源消耗导致温室气体排放的计量模型；张振芳[3]建立了露天矿碳排放量初步核算模型和基于生产环节的露天矿碳排放量核算模型；周游[4]在识别温室气体排放源的基础上构建了温室气体核算模型，初步提出露天矿的减排策略。综上述分析，专家学者大多对露天矿温室气体排放量模型进行研究，对于生产运输环节的碳排放研究甚少，主要集中于提高运输管理和调度水平来节省运距，达到降能减排的效果[5－6]。

所谓低碳型开采工艺是指在可持续发展理念指导下、露天矿开采过程中，通过总量调控、运输系统优化、技术创新和制度完善等多种手段，最大限度降低油料、电能等能源消耗[7]，不断提高能源使用效率，最大可能减少温室气体排放，达到煤炭产能提高与生态环境保护双赢的一种开采工艺。露天矿开采过程中，组成不同开采工艺的生产环节，运输作业成本占露天矿总成本的50%～65%[8]，运输作业过程会排放大量的碳，运输能耗约占露天矿总能耗的60%，运输环节是露天矿碳排放量的最大来源。露天矿生产运输系统的碳排放主要是由卡车运输的耗油设备和胶带运输的耗电设备产生的。为此，从能源消耗强度和能源效率角度，建立基于运输环节的不同运输方式的碳排放计算模型。

1 能源消耗强度

露天开采工艺中的运输环节承担了煤、岩的主体运输任务，常用的基本运输方式有铁道、汽车和带式输送机等，铁道运输在我国露天矿已被汽车或带式输送机替代。所以，露天矿运输环节的能耗类别主要有油和电力，卡车运输和带式输送机运输分别以油和电作为动力的来源。

1.1 耗油设备能源消耗强度

露天矿运输环节的耗油设备主要是卡车以额定功率运行时所消耗柴/汽油达到的理论生产能力。设卡车在空载和重载时都以额定功率运行，卡车完成一次运输消耗的能源强度为：

式中：q 为完成一次运输的卡车能源消耗强度，kW·h；Lk为卡车运输的距离，km；v0为卡车运行的空载速度，km/h；vt为卡车运行的满载速度，km/h；Pk为卡车运行的额定功率，kW。

卡车完成一次运输的生产能力指的是卡车满载时的物料体积，卡车单位生产能力的耗油量W0为：

式中：W0为卡车单位生产能力的能源消耗，量（kW·h）/m3；m 为卡车的载重量，t；λ 为运输物料的密度，t/m3。

1.2 耗电设备能源消耗强度

露天矿运输环节的耗电设备主要是带式输送机在满功率运行时能够达到理论生产能力，故带式输送机运输的能源消耗强度WE为：

式中：WE为带式输送机运输单位生产能力的能源消耗，（kW·h）/m3；PD为带式输送机设备的额定功率，kW；Q0为带式输送机设备的生产能力，m3/h。

2 能源效率

2.1 卡车运输做功

底盘应许发动机的功率P 为：

式中：P 为卡车完成一次运输所需平均功率，kW；g 为重力加速度，g=9.8 m/s2；f 为滚动阻力系数，0.021；CD为空气阻力系数，0.65；A 为汽车正面投影面积，A=B1H1；B1为前轮距；H1为汽车前脸高m；ma为汽车总质量；v 为平均车速，45km/h。

卡车完成一次运输包括重车运输和空车运输返程2 部分，卡车完成一次运输的做功Wty为：

式中：m0为汽车空载质量（自身自重），t；S 为卡车的运距，km。

2.2 带运式输送机输做功

无论采用半连续工艺还是连续工艺，带式输送机做功采用相同的公式计算。带式输送机运输机张力分布图如图1。

图1 胶带运输机张力分布图

假设工作面、端帮及排土的带式运输机均为水平布置，带式输送机倾角为0°，则带式输送机直线段和空段运行阻力为：

式中：CF为阻力值折算系数；FL为胶带第1 个计算点的张力，FL=F1；Fy为胶带最后第1 个计算点的张力，N；n 为摩擦力备用系数，1.15；μ 为胶带与滚筒间的摩擦因数，0.25；θ 为胶带与两滚筒间的围包角之和，200°。

胶带运输机主轴牵引力F 为：

胶带运输机牵引力做功WJD：

2.3 工艺的能源效率

功密度与能源消耗强度的比值称为工艺的能源效率；通过比较不同工艺的能源利用效率，就可以选出低碳型露天开采工艺。

露天矿不同的生产工艺系统中每个作业环节的做功也有明显的差异，运输功和挖掘功占每种工艺总功的绝大部分，运输功在不同工艺下差异最大。带式输送机运输是耗电设备，是各种运输方式中耗功最大，比卡车运输的功密度高出1 个数量级，但带式输送机运输是成本较低的运输方式，归因于卡车是耗油设备，提供等量能量需要的柴油的价格高于电能的价格。此外卡车能量需要通过柴油机发电，再用电能驱动电动机做功。能量经过多次转换，且转化率低和损失多，导致卡车运输成本增加较大。而卡车运输方式具有工艺技术成熟、适应性强、机动灵活，是近年来发展较快的露天开采工艺。综合考虑多因素影响，才能选择出合理、低碳、绿色的开采工艺。

从露天矿运输作业环节中，只有在提升能源使用效率前提下，通过建立碳排放测算模型，根据能源消耗量和碳排放因子等因素的影响推导出排放量，进而分析查找出产生碳排放量的源头，采取精准管控、精确施策，才能促进碳排放强度和能耗强度持续下降，最大可能地减少温室气体排放，实现减缓气候变化的目标。

3 碳排放测算模型

3.1 碳排放测算模型

由于2 种运输方式的做功原理和能源形式完全不同，需要建立与之对应的碳排放因子计算模型，才能保证计算结果的可靠性。按照露天矿碳排放的生产运输环节分别建立耗油设备和耗电设备的碳排放因子计算模型。因此，露天矿运输环节的碳排放量测算公式为：

式中：CYS为运输环节的碳排放量，t；CKC为卡车运输的碳排放量，t；CJD为带式输送机运输的碳排放量，t。

式中：FKC为卡车的柴油消耗量，t；EFCY为柴油的碳排放因子；FKQ为卡车的汽油消耗量，t；EFQY为汽油的碳排放因子。

式中：FJD为带式输送机的用电消耗量，MWh；EFJD为露天矿所在区域电网的碳排放因子。

3.2 碳排放因子

1）耗油设备的碳排放因子。卡车运输消耗柴/汽油，胶带运输消耗电能，二者之间的排放机理和排放环节有明显的差异。耗油设备碳排放因子依据2006年IPCC 发布的被国际公认为核算温室气体排放的《2006 年IPCC 国家温室气体清单指南》，其中发布的碳排放因子至今仍被广泛使用。因此，采用IPCC（2006）中CO2的排放因子。露天矿的能源碳排放因子见表1。

表1 露天矿的能源碳排放因子

2）耗电设备的碳排放因子。电力排放因子按照《中国煤炭生产企业温室气体排放核算方法与报告指南（试行）》（发改气候办2014 [2920]号）[9]中规定的方法进行核算，各电网的CO2排放因子见表2。本文选取按照露天矿所在地域分布的电网，选择相应的排放因子作为电力统一的排放因子。

表2 各电网的CO2排放因子

4 实例研究

以内蒙古自治区某露天矿为例。该矿由中国神华能源股份有限公司控股建设，煤炭资源储量就达23 亿t，国家核定生产能力年产原煤35 Mt，2020 年共开采原煤21.44 Mt。

4.1 碳排放量

1）能源消耗的碳排放。2020 年该露天矿能源消费量为：电力35 530 MWh，汽油131.8 t，柴油60 966 t；能源消耗导致的CO2排放因子为：电力0.884 3，汽油3.07，柴油3.19；消耗电力、汽油、柴油致的CO2排放量为：31 419.18、404.63、194 481.54 t。由此得出该露天矿2020 年由能源消耗导致的CO2排放为226 305.35 t。

2)温室气体排放。此处因自燃导致的温室气体排放和植被吸收CO2的量忽略不计。根据在露天矿生产中，运输过程会排放大量的碳，运输能耗约占露天矿总能耗的60%计算，可以较精准预测该露天矿2020 年温室气体排放量为377 175.58 t。与当年实际温室气体排放量374 863.1 t 基本相当。该矿2020年实际上能源消耗导致的 排放占60.37%，而在矿山运输作业中，运输能耗占总能耗的40%～70%，可见，以上快速测算的方法，满足工程实际要求。

4.2 碳排放源的精准管控

1）用油成本引起碳排放的管控。露天矿2020 年碳排放结果表明：该矿耗油产生的碳排放占总碳排放总量的86.12%，其碳排放贡献度最大；耗电产生的碳排放占总碳排放总量的13.88%，它的碳排放贡献度比较小。因此，应该加大用油的成本管控，会取得显著的碳减排效果。油的消耗主要体现在卡车、推土机等内燃设备上，属于重点管控对象。内燃设备是油消耗的主要载体，油的消耗一般分为硬消耗和软消耗2 种。硬消耗是指设备一旦开始运行消耗的燃油量，它同设备的性能和状态息息相关；软消耗是指受到人为因素影响而发生变化消耗的燃油量，它同维护保养程度、作业环境、司机的技术水平等多种因素有关[10]。经统计分析：露天矿一般软消耗占燃油消耗总量的30%左右，可见，软消耗降本的空间很大。

2）用电成本引起碳排放的管控。运输作业环节中，电的消耗主要体现在胶带运输的作业上。此处管控技术主要从胶带输送机的日常维护管理、设备操控人员的定期培训、供配电实施监控技术、建立相应的保障机制等方面施行。

4.3 降低能耗的精确施策

1）降低用油成本采取的措施。露天矿在耗油的成本控制上可采取的措施：实施物资供应中心的油库数字化燃油管理系统，实现取油、加油、耗油等各个环节数据的统一管理，及时准确掌握用油设备造成的油耗；加强设备定期保养，同时对“油老虎”设备及时维修，确保在正常使用柴油的消耗范围内，定期对司机的操作水平进行训练和考核，降低人为因素对油耗的影响[10]；保证设备运行作业环境，力争做到帮齐底平，及时清理路面，提升道路质量；强化运输环节的成本管控，优化运输的路径，减少怠速及空运里程，达到减油减排、降本增效的目的。

2）降低用电成本采取的措施。露天矿在耗电的成本控制上可采取的措施：建立设备配件台账信息；加强设备操作人员的技术培训，强化设备的日常保养工作；提升设备利用率，有效降低折旧费占比；采用远程监控供变电等新的技术手段，有效降低因恶劣天气环境，对供电作业造成的影响；实施低成本战略保障机制：建立成本管理信息系统，安全管控机制，落实安全生产责任制，建立应急管理系统，制定安全考核机制，实现露天矿可持续发展。

5 结语

1）从能源消耗强度和能源效率角度，根据各种设备的做功计算公式及功密度计算公式，推导出计算不同露天开采工艺的能源利用率的方法，通过比较不同工艺的能源利用效率，合理选出绿色、低碳的运输工艺，为露天开采工艺的选择提供了可靠的理论依据。

2）结合露天矿煤炭开采能源消耗大、运输成本高、碳排放量测算复杂的特点，提出露天矿碳排放量测算模型，以具体实例验证模型的正确性，精准计算出露天矿生产运输系统的碳排放，进而预测了整个矿山的碳排放量，为露天矿管理者提供了碳资产规模、排放趋势等关键数据信息，并提供了碳排放源的精准管控和降低能耗的精确施策方案。

3）为使露天矿向低碳化发展，从运输工艺角度提出有效的节能减排策略：如提高能效、调整能源结构、CO2捕集、封存与利用、无人驾驶利用、人工智能和大数据的使用，来减少能源消耗所带来的温室气体排放，有效控制能源消费和碳排放量，实现能源消费的低碳可持续利用。为实现碳中和愿景，露天开采行业需遵循能源命运共同体理念，推动低碳绿色开采、科学用煤，提高企业应对碳市场的能力。