第37卷第3期 2017年06月
矿冶工程
MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING
V〇1.37 ^3
June 2017
能源替代视角下碳排放测算模型构建及减碳机理研究
—以煤炭矿区为例
①
张震、李跃2,焦习燕2
(1.淄博矿业集团唐口煤业有限公司机电部，山东济宁272055; 2.山东科技大学经济管理学院，山东青岛266590)
摘要：根据煤炭矿区碳排放的特殊性，分析建立了煤炭矿区碳排放测算模型;通过分析煤炭矿区能源种类及特征，建立煤炭矿区
能源替代体系，构建能源替代视角下煤炭矿区碳排放测算模型。并分析了能源替代对煤炭矿区碳减排的作用机理。关键词：能源替代；碳排放；模型构建；煤炭矿区中图分类号：F407 文献标识码：A doi:10.3969/j.issn.0253-6099.2017.03.039文章编号：0253-6099(2017)03-0152-04
Construction of Carbon Emission Estimation Model and Study of Carbon Reduction Mechanism from Perspective of Energy Substitution ：
A Case Study of Coal Mining Area
ZHANG Zhen1, LI Yue2, JIAO Xi-yan2
(1.Electrical and Mechanical Department，Zibo Mining Group Tangkou Coal Industry Co Ltd，Jining 272055，Shandong， China; 2. College of Economics and Management， Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， Shandong，China)
Abstract： Based on the characteristics ol carbon emission in coal mining area，a carbon emission estimation model was
established. Then， an energy substitution system was also prepared lor the coal mining area by analyzing types and characteristics ol energies in coal mining area. Based on that， a carbon emission estimation model Irom perspective ol energy substitution was constructed，and the mechanism ol energy substitution lor carbon reduction in coal mining area was analyzed.
Key words ： energy substitution system； carbon emission； model construction； coal mining area
我国“富炭、贫油、少气”的能源赋存特征，决定了 以煤炭为主的能源供应格局，煤炭矿区将在较长一段 时间内保持能源主要供应单元的地位。在我国产业转 型的关键时期，将低碳发展确定为我国的重要发 展战略，并制定了碳减排40%〜45%的发展目标[|]。
煤炭矿区作为煤炭能源生产、加工、利用的集聚 地，其可用能源种类繁多，同时煤炭矿区能源之间关联 性强，能源之间替代可行性较高。针对煤炭矿区能源 间这一特性，可以利用清洁能源、可再生能源替代高污 染能源、不可再生能源，以达到减少碳排放量的目 的[2]。而科学有效的碳排放测算方法是实施监管节 能减排、促进低碳发展的前提;同时对量化和评价能源 替代对碳减排的作用、积极寻求更好的能源替代策略
①
具有重要意义[1]。为此，本文在能源替代视角下研究 煤炭矿区碳排放测算模型构建问题，为煤炭矿区监控 碳排放、走低碳发展道路奠定基础。
1
煤炭矿区碳排放测算方法研究
1.1煤炭矿区碳排放测算方法选择
实测法、物料平衡法、排放因子法是当前煤炭行业 碳排放测算较为常用的方法。各类测算方法的特征、 优缺点分析如下。
1)实测法是指通过相关计量设施，测量空气的流 速、流量以及C〇2浓度等数据来计算C〇2排放总量的-种方法。其计算公式为：
C =KxQ x P
(1)
收稿日期基金项目作者简介
2017-01-06山东省社会科学规划研究项目（16(:川21);泰安市社会科学项目（16-y_B-011) 张震（ 1979-)，男，内蒙古五原人，工程师，主要研究方向为煤矿机电与节能环保
第3期张震等：能源替代视角下碳排放测算模型构建及减碳机理研究——以煤炭矿区为例153
式中C为二氧化碳排放量;K为单位排放系数;0为空 气流量;P为空气中C02浓度。
实测法通过现场实测获得数据，具有精度高的优 点,但具有费用高、过程复杂的缺点，因此很少被应用。
2) 式为：
2 C投人=2 C1排出+ 2 C1固定
(2)
煤
型供运压排通掘物料平衡法是通过质量守恒定律，对能源燃烧
谷套
其他
过程中使用的物料进行定量分析的方法。其计算公
洗
选加工煤炭开采附属企业
办公楼
医院
学校
其他
式中2 C投入为系统内投人能源的含碳量；2 C排出为系统 _1_
矸煤矸，其排出物的含碳量；2C固定为生产产品中固定的含碳量。
该方法不仅适用于整个生产系统,还适用于某一 工序。物料平衡法需要掌握各个生产过程，程序复杂, 但精确度相对较高。
3)
排放系数法是在正常技术经济和管理条件下,
估算单位化石能源燃烧排放C〇2数量的均值,然后依 此计算C〇2排放量的方法。其测算公式为：
C = KxM
(3)
式中K为碳排放系数;M为能源消耗量。
该方法具有计算简便的优点，但准确度相对较低。 由于煤炭矿区能耗领域较多，生产环境复杂，除在 个别领域内，实测法和物料平衡法不宜在矿区广泛应 用。因此，本文煤炭矿区碳排放测算主要采用排放因 子法,在各矸石砖厂、瓦斯测算等领域采用实测法和物 料平衡法。
1.2煤炭矿区碳排放测算模型构建1.2.1
煤炭矿区概念界定
随着循环经济理念在煤炭矿区的推广和深化,煤 炭矿区逐步形成了以煤炭生产为基础、以煤炭及伴共 生为原材料的多产业链经济区。因此，本文所指的煤 炭矿区是指以煤炭生产、加工为基础，多产业共同发展 的集生产、生活、服务为一体的经济区域[3]。1.2.2碳排放领域划分
目前,我国大部分煤炭矿区都分为3个区域:生活 区、生产区、办公区[4]。由于每个区域功能不同、耗能 种类不同，矿区对各个区域耗能状况会分别统计，因 此,本文将煤炭矿区碳排放领域划分为3个区域:生活 排放区、生产排放区和办公服务排放区。每个碳排放 区的细分结构如图1所示。1.2.3碳排放形式划分
煤炭产业属于地下采掘业,导致煤炭矿区碳排放 形式与其他行业存在显著不同，煤炭矿区不仅具有耗 能碳排放部分，还包括非耗能碳排放部分。其中非耗 能碳排放主要来自于煤炭开采时的瓦斯排放[5]、煤矸 石堆放氧化、煤炭堆放氧化3部分，如图2所示。
炭回洗煤采电输风水风进石他企选
配煤
面
系系系系系系砖石统统统统统统电厂
业
厂
图1煤炭矿区碳排放领域划分结构
能电
消
图2煤炭矿区碳排放形式结构
1.2.4碳排放测算体系构建
本着操作方便、涵盖全面的原则，根据图1和图2 以及不同排放区域选择的碳排放测算方法，构建的煤 炭矿区碳排放测算体系如图3所示。其中，常规能源 消耗而产生的碳排放用排放因子法测算;煤矸石电厂
煤排层放气碳 Ci=ZCii
(公式量cj 职工生活区碳排放量Ci碳汽(公排油
式放C量21)
煤棚
碳矸石堆麵煤服(公排式放C量放碳炭矿区 办务
32
)
撤
Sc排=放yjc
量
排区公碳c2=ZC2I碳柴油量放^
(公排式放C量22) 2
煤碳炭排堆放放量
煤炭生产碳排放量C4
(公式
碳耗电
C(公排式放C2量3) 4=ZC4i
碳煤(公排矸式放石
C量42)
煤炭加.煤炭.开采附属企业—煤矸石砖厂碳耗(公排电式放 C4量1)
煤矸石电厂
其碳耗电~r~他企r
业(公排式放C量41)
碳发(公排电式放 C4量3)
碳耗(公排电
式放C4量1)
图3煤炭矿区碳排放测算体系
154矿冶工程第37卷
和非耗能部分的碳排放量采用实测法测算;矸石砖厂 排放量采用物料平衡法测算。
综上所述，煤炭矿区碳排放量测算模型为：
3 3 3 3C = ^ ^ ^ 〇2j + ^ 〇3j
1
1
1
1
=Cu + C,2 + C,3 + C2, + C22 + C23 +间较短，因此本文假设因煤矸石、煤炭堆放而造成的碳
排放量为〇;C42采用式(2)计算。
2
能源替代视角下煤炭矿区碳排放模型构建
2.1煤炭矿区能源替代分析 2.1.1煤矿能源种类及特征分析
^4^
按照能源的特征可将煤炭矿区能源分为常规能 源、可再生能源和废弃能源3类。常规能源是指煤炭、 电力、汽油、柴油等大规模生产并广泛使用的能源；可 再生能源是指太阳能、风能、地热能、生物质能等能够 再生的能源;废弃能源是指中煤、煤泥、余热、煤层气、 煤矸石等生产过程中产生的较少被利用的能源。以上 能源部分特征如表1所示。
C31 + C32 + C33 + C41 + C42 + C43
=(C11 + C23 + C41 ) + C12 + C13 + C21 +
C22 + (C31 + C32 + C33 + C42) + C43
其中 Cu、Cw、Cw、C21、C22、C23、C41 采用式（3)计算；C31、C32、C33、C43采用式（1)计算，由于循环经济在矿区
的不断发展,煤矸石堆放问题已得到解决，随着矿井信 息化建设不断加强，煤炭生产、销售一体，煤炭堆放时
表1煤炭矿区能源特征分析
碳排放系使用特点
/[吨碳•（万亿焦耳）1
太阳能0开发安全，存储不便，供给不稳定，受自然条件太阳辐射电、热可
再风能风力0开发安全，存储不便，供给不稳定，受自然条件电生地热能0开发安全，存储不便，供给稳定，受自然条件井田开拓电、热能
机物发酵气体15.3开发危险，存储不便，供给安全，受产量生物质能（沼气）2)有源
煤矿开采固体26.37存储方便，供给稳定，不受
常
10 0693)购买电供给稳定，不受廳规
18.9购买液体存储方便，供给稳定，不受能
源20.2购买液体存储方便，供给稳定，不受
25.8煤炭开采固体存储方便，供给稳定，受产量煤矸石4)
25.8煤炭洗选固体存储方便，供给稳定，受产量煤泥4)废
弃25.8煤炭洗选固体存储方便，供给稳定，受产量中煤4)能
余热煤矸石电厂气体9.46存储不便，供给稳定，受产量源
煤炭开采气体15.3煤层气开发危险，存储不便，供给不稳定，受产量
注:1)数据来源于《省级温室气体清单编制指南》（发改办气候[2011]1041号）。2)由于煤炭矿区生物质能主要来自于有机物发酵，因此本文的生物 质能用沼气代替。3)单位为吨碳/亿千瓦时。4)由于煤质差异，缺乏相关数据，煤矸石、煤泥、中煤均采用煤泥数值。2.1.2煤炭矿区能源替代关系分析
根据表1对各类能源来源、存储、利用、产量、碳排 放系数等的对比分析，以及各个领域的耗能特点，分析 了汽油、柴油、煤、电等常规能源的可替代能源[6]，如 表2所示。
表2煤炭矿区能源替代关系表
能源种类
可
再生能源
能源种类 来源 存储状态
YN太阳能
NNYN风能
NNYN地热能
生物质能NNNN
NNNN瓦斯
NNNY电厂余热
废NNYN乏风热能弃
NNNY煤矸石能
源NNYN矿井水热能
NNNY煤泥
中煤NY
注：Y表示行能源能替代列能源;N表示行能源不能替代列能源
2112.2煤炭矿区能源替代体系构建
根据煤炭矿区能源的数量、品质以及各个领域对 能源需求不同,建立能源替代子系统，实现各类能源的 合理分配与利用;通过研究煤炭矿区各耗能领域生产 特征和运行机理，建立耗能领域集成子系统，保障耗能 领域组织的合理性;最后以低碳经济发展理念为指导, 在保证能源安全利用的前提下，建立高效、优质、低碳
的耗能领域与能源的组合替代体系，如图4所示。2.3基于能源替代的碳排放量测算
根据煤炭矿区能源替代体系可知，电能的可替代 能源为太阳能、风能、矿井水热量、乏风热量和地热能, 均为不含碳能源，假设以上5种能源使用量分别为 ^、^、^、札、^;煤的替代能源为矸石砖厂和煤矸 石电厂的余热，其使用量为m6;天然气的替代能源为 生物质能和煤层气，其使用量分别为财7、财8,由于煤 层气和生物质能（沼气）与天然气成分相同，因此此处 能源替代可视为对碳排放量无影响；由于煤层气、煤矸
汽油
常规能源
柴油电力
煤炭
I第3期张震等：能源替代视角下碳排放测算模型构建及减碳机理研究——以煤炭矿区为例155
外
销
煤
选煤厂
原煤生产
煤炭矿区能源替代使太阳能、风能、地热能、生物质能 等可再生能源得到充分利用，替代了部分化石能源,直
电替代
矿井水热量 乏风热量 太阳能 地热能 风能
接减少了化石能源的消耗量，从而降低了煤炭矿区碳 排放量;第二，煤炭矿区能源替代减少了废弃能源的排 放,降低了因废弃能源排放而造成的能源浪费和煤炭 矿区碳排放量;第三，煤炭矿区能源替代利用,有效回 收了废弃能源（余热等），并用废弃能源替代部分化石 能源，进而降低碳排放量。能源替代对煤炭矿区碳减 汽
油
其他产I
业
电
服务办煤替代天公
然热力
气
煤矸职
石工然气替代电生天厂活
煤生物质能 矸|瓦斯气体
石
| 煤矸石|砖厂入
网图4煤炭矿区能源替代结构
石被充分回收利用，煤炭堆放碳排放量不计，因此在实 行能源替代后，非耗能碳排放可忽略不计。根据煤炭 矿区碳排放测算模型，得到能源替代后的碳排放测算 模型为：
C = (Cii + C23 + C41 - Ki^1
Mt) +
(CI2 一 K2MJ + CI3 +
⑶
C21 + C22 + C42 + C43
3
能
源
替
代
对
煤
炭
矿
区
碳
减
排
的
作
用
机理分析
通过煤炭矿区能源替代体系可以发现，煤炭矿区 能源替代是运用可再生能源、废弃能源替代化石能源, 以实现化石能源高效、减量利用,可再生能源和废弃能 源的充分利用。
能源替代属于能源优化配置的方法之一,对化石 能源的减量化利用和碳减排具有促进作用[5]。第一，
排作用机理如图5所示。
图5能源替代对煤炭矿区碳减排的作用机理
4结 论
煤炭矿区作为煤炭生产、加工集聚地，加之特殊的 作业方式，其可用能源丰富。充分利用煤炭矿区中的 太阳能、地热能、生物质能、风能等可再生能源，回收利 用煤层气、乏风热量、矿井水热量及煤矸石等废弃能 源，以替代煤炭、汽油、柴油、天然气、电能等常规能源, 能够减少化石能源利用量,减少能源浪费，进而减少煤 炭矿区的碳排放量。参考文献：
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[J]
工
炭
究
[J]
[J]
