刘少权,王海军,史翊翔

(1.中国煤炭科工集团 煤炭科学研究总院有限公司,北京 100013;2.清华大学 能源与动力工程系,北京 100084)

0 引 言

运输系统是露天煤矿生产系统的重要组成部分,主要作用是完成煤炭或剥离土石方的运输和排卸作业,非公路矿用自卸车(简称矿卡)是其主力设备。在各煤炭采矿大国中,矿卡运输量已占采剥运输总量的80%以上,能源消耗约占矿山总能耗的40%～60%[1]。目前矿卡的主要动力形式是大功率高速柴油机,由于露天煤矿开采和运输强度的不断提高,且柴油机运行工况复杂、时间长,CO、HC、NOx、颗粒物(PM)等大气污染物,以及CO2等温室气体的排放问题极其严重,极大危害矿区和周围环境,是目前露天煤矿行业面临的普遍共性难题和制约因素之一[2]。

近年来,在双碳战略目标和新发展理念下,氢能源与燃料电池等相关技术装备和产业发展迅速[3]。氢能动力车辆不仅能够实现使用终端大气污染物零排放,采用绿氢能源后,与传统柴油动力车辆相比,还能够减少全生命周期温室气体排放50%以上,环境保护和社会效益显著[4]。在煤炭采矿行业,煤炭与氢能协同发展、矿区可再生能源发电与制氢储能相互结合以及研发和推广应用氢能动力矿卡已成为建设绿色矿山的重要途径[5-7]。国家能源集团、英美资源集团等煤炭采矿企业联合矿卡和氢燃料电池系统制造商已陆续开始氢能动力矿卡研究和试验工作。

由于可简化从制氢到用氢的复杂环节,在露天煤矿应用氢能动力矿卡具有先天优势条件,但目前系统性的研究工作开展较少。笔者对露天矿卡能源与动力方案综合排放性进行定量分析和对比,可为氢能源与燃料电池技术在露天矿卡的应用研究工作起铺垫作用,还可为煤炭与氢能协同发展、煤炭洁净高效利用等提供决策依据和理论支持,为双碳战略目标和绿色矿山建设下的能源转型提供参考。

1 研究目标和研究对象

1.1 研究目标定义

露天矿卡能效和成本核算通常以m3·km为基本单位(1 m3煤炭或剥离土石方运输1 km距离),因此在能源与动力方案综合排放性研究时统一使用m3·km作为基本单位。废水和废渣主要产生于能源转化环节,废水处理和循环利用技术、废渣再利用率不断提高,在定义研究目标时视废水和废渣为近零排放。

露天矿卡属于矿用特种设备,批量不大,受统计数据资料所限,能源转化设备和矿卡动力子系统所用材料全寿命周期对排放性的影响主要以10 a为周期,研究露天煤矿运输1 m3·km的煤炭或剥离土石方,从一次能源转化为燃料到矿卡动力子系统终端使用的燃料周期过程中各大气污染物和CO2综合排放性定量分析和对比研究。

1.2 研究对象

以某露天煤矿及其运输系统作为研究对象,该煤矿位于我国重点能源化工基地,煤炭生产能力1 000万t/a,煤质为烟煤,平均剥采比5 m3/t,平均提升高度200 m,平均单程运输距离3 km,平均爬坡度6%,折合使用116台120吨级矿卡(额定载重108 000 kg)进行煤炭或剥离土石方运输排卸作业,矿卡动力子系统功率需求约800 kW。该煤矿坑口附近有大型煤化工厂,已建成400万t合成柴油和100万t氢气(H2)的产能规模。该能源化工基地周边具有丰富的风能和太阳能资源,已建成风力发电和太阳能光伏发电场,正在规划建设可再生能源电解水制氢储能项目。研究对象符合煤氢协同的应用场景条件。

2 技术方案设计

在露天煤矿,常用移动式加注车辆为矿卡补给燃料,运输距离较短,从能源转化到矿卡动力的过程得到简化,因此笔者主要对能源和动力2个子系统进行研究。2个子系统分别采用不同的技术路线,将2个子系统的不同技术路线排列组合,即可得到露天矿卡能源与动力的不同技术方案。

在能源转化子系统中,我国当前煤化工行业发展较成熟,无论是煤化工制氢气还是制柴油的技术路线,均已达规模化、产业化水平,电解水制氢气的技术路线产业化规模尚小,还处于初级阶段,且所需电能主要来自煤炭火力发电,仍产生大气污染物和温室气体[8],如果可再生能源发电与制氢储能融合发展,在技术经济和环保等诸多方面有强大竞争力[9-11]。在矿卡动力方面,目前柴油动力是主要技术路线,氢能动力方案中,动力装置为氢燃料电池和小容量大功率型辅助动力蓄电池组成的混合动力系统,其中氢燃料电池提供主要的动力需求,蓄电池具有削峰填谷作用,目前已有样机且正在进行工业应用试验[12]。

设计综合排放性研究对比方案时,常规上能源转化子系统采用石油炼制柴油的技术路线,矿卡动力子系统采用柴油动力的技术路线。实际上在能源转化环节煤化工制柴油标杆水平的大气污染物排放数据参考《重污染天气重点行业应急减排措施制定技术指南(2020年修订版)》(环办大气函〔2020〕340号)中炼油和石油化工行业绩效分级指标的A级要求,相比石油炼制柴油的大气污染物排放更少,且煤化工制成的合成柴油的污染物成分含量更低,燃烧排放更加清洁环保[13]。

因此选择综合排放性更好的煤化工制柴油和矿卡柴油动力技术路线作为综合排放性研究的对比方案。所选择研究对象具有各种能源转化条件和矿卡动力燃料需求,为研究工作提供良好基础。

根据现有的能源转化和矿卡动力的技术条件,共设计出3种氢能动力技术方案和1种柴油动力对比方案,分别见表1中的方案1～3和方案4。

3 研究模型和数据清单的建立

3.1 研究模型

建立研究模型主要目的是确定研究范围,确定前文所述4种技术方案中的含能物质材料和能量流动路线和系统边界,然后收集、挖掘和分析处理清单数据,为实现研究目标提供前提条件[14]。方案1～4研究模型如图1所示。

图1 方案1～4研究模型Fig.1 Research model for scheme 1-4

研究模型建立的说明、假设和简化如下:

1)研究周期设定为10 a,通常矿卡设备的设计寿命为10 a(在良好的操作使用、维护保养条件下更长),煤化工设备的设计寿命为20 a,可再生能源发电设备的设计寿命为20 a,各种基建设施的设计寿命则更长,且矿卡全生命周期过程中整车及各子系统/分总成的材料周期排放统计数据较少,因此暂不考虑在内。研究模型包括从含能物质材料开采,到转化,再到矿卡动力子系统终端利用的所有过程以及各种大气污染物和温室气体的排放。

2)在研究模型中,含能物质材料包括煤炭、水等,大气污染物包括CO、HC、NOx、SO2、PM等有毒有害物质和CO2等温室气体。

3)所有环节产生的大气污染物和温室气体,除符合法律法规和标准规范要求的达标排放外,其余直接排放到环境中。

3.2 数据清单

建立数据清单是研究工作的核心环节,通过全寿命周期清单数据的收集、挖掘和分析处理,可以获得技术方案中能源转化和矿卡动力2个子系统过程中的排放数据,以及2组数据累加后的综合数据。如何获取准确可靠和实时实地数据,建立科学合理的数据清单,是研究工作的重点和难点。在收集数据时遵循以下原则:

1)考虑技术的时空有效性和科学合理的前瞻性,研究对应时间(2019—2022年)和研究对象(我国重点能源化工基地及其露天煤矿)。

2)以我国工业、煤炭、能源、电力、采矿、化工、环保等行业数据为主,以国外数据为辅,包括但不限于官方统计数据、现行的标准规范、文献资料等。

3)对数据的取舍、处理上兼顾获取数据的难易程度和数据对结果的影响程度。

能源转化子系统清单数据主要来源和依据为

1)在能源转化子系统中的大气污染物排放,我国已制定较完善的法律法规和标准规范。在煤化工制氢气、柴油等环节,假定CO作为副产品进行回收利用,则污染物只有NOx、SO2、PM等,大气污染物排放数据按照《重污染天气重点行业应急减排措施制定技术指南(2020年修订版)》(环办大气函〔2020〕340号)中炼油和石油化工行业绩效分级指标的A级要求,以及GB 16297—1996《大气污染物综合排放标准》。在煤炭火力发电环节,排放的大气污染物主要有SO2、NOx、PM等,参考GB 13271—2014《锅炉大气污染物排放标准》、GB 13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》和GB 16297—1996《大气污染物综合排放标准》。在可再生能源发电和电解水制氢气等环节,大气污染物排放近零。

2)在矿卡动力子系统中的大气污染物排放,矿卡柴油动力系统大气污染物排放遵守GB 20891—2014 《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法(中国第3、4阶段)》[15],其中第3阶段标准于2015年10月1日开始实施,额定净功率560 kW以下非道路移动机械用柴油机于2022年12月1日开始实施第4阶段标准,也就是说,本研究中的矿卡采用的800 kW柴油动力系统仍在执行第3阶段标准,排气污染物主要包括CO、HC、NOx、PM等有毒有害物质,遵守达标排放。矿卡氢能动力系统生成物只有水,大气污染物排放近零。

4)矿卡氢能动力系统中,高纯度氢气和空气中的氧气在氢燃料电池堆中发生电化学反应,实际最高效率可达65%以上[17],考虑变工况运行和辅助系统消耗等因素,氢燃料电池系统综合效率接近50%,燃料消耗率约50 g/kWh(以H2计),远高于柴油动力系统的卡诺循环效率,生成物只有水,可视为近零排放。柴油动力系统匹配的矿卡传动系统为交流-直流-交流-机械传动型式,氢能动力系统匹配的矿卡传动系统为直流-交流-机械传动型式,传动路线短,效率更高,氢能动力系统中与辅助动力蓄电池,能够在矿卡下坡时电力制动进行能量回收[18],因此采用氢能动力系统的矿卡综合效率高,可计算出氢气消耗量为25 g/(m3·km)。

5)假定未使用碳捕集、封存和利用技术(CCUS处于示范工程阶段,因经济性尚差,暂未得到大规模推广应用)[19-20],根据文献[10],煤化工制氢气的碳排放水平约19 kg/kg(以H2计),则煤化工制氢气环节,1 m3·km运输量的CO2排放量为:19×25=475 g/(m3·km)。

6)在煤炭火力发电环节,碳排放水平按生态环境部发布的2021年度电网排放因子581 g/kWh(以CO2计),度电煤耗水平按国家能源局2021年度全国电力工业统计数据305 g/kWh。制氢电耗数据根据文献[9],按5 kWh/m3计算。氢气密度取89 g/m3,则1 m3·km运输量的CO2排放量为:(25/89)×5×581=816 g/(m3·km)。

7)在煤化工制柴油环节,CO2排放强度根据参考文献[21-22]统计为3.48 g/g,1 m3·km运输量的CO2排放量为:3.48×125=435 g/(m3·km)。

根据每种方案的2个子系统的大气污染物和温室气体排放系数,考虑技术迭代更新,计算得到每个子系统的排放清单,分别见表2、3,再汇总每种方案的2个子系统的大气污染物和温室气体排放清单,得到排放总清单见表4。

表3 矿卡动力子系统排放系数Table 3 Emission list-haul truck power subsystem

表4 排放总清单Table 4 Total emission list

4 对比研究及优化措施

通过对露天矿卡能源与动力方案数据清单的定量分析和对比,可获得从能源转化到矿卡动力2个子系统过程中大气污染物和温室气体的综合排放情况,识别出各方案的环境影响,找到减少环境污染的解决途径。

1)根据排放总清单,在不考虑材料周期排放的情况下,方案2最绿色环保,在能源转化和矿卡动力2个子系统过程中几乎不排放大气污染物和温室气体,从综合排放性角度可视为露天矿卡能源与动力的最佳解决方案,绿氢动力矿卡是露天煤矿运输系统技术装备的发展趋势。

2)方案1和3的矿卡氢能动力使用终端无大气污染物和温室气体排放,主要排放集中在能源转化环节,有条件采取措施对排放进行集中处理,在各种技术成熟时,减排力度更大。

3)对排放清单中大气污染物进行分析:方案1的主要问题是煤化工制氢气过程中SO2排放量大,比方案3和方案4大1个数量级,PM排放量较大,是方案3和方案4的2～3倍,因此方案1应做好煤气化过程中脱硫和除尘措施;方案4中矿卡柴油动力系统的CO和HC+NOx排放量大,比方案3大1个数量级,即使强制执行非道路移动机械用柴油机国四排放标准,大气污染物CO和HC+NOx排放量有所下降,与矿卡氢能动力相比综合排放性也无优势。

4)对排放清单中温室气体CO2进行分析:方案3和4的CO2总排放量接近,方案1的CO2总排放量最小,比方案3和4减少排放40%以上,主要原因是煤化工制氢气环节和矿卡氢能动力系统均比较高效;方案3中,电解水制氢气的效率低,需消耗更多电能和煤炭,导致CO2总排放量居高;方案4中,矿卡柴油动力使用终端的CO2排放量大,煤化工制柴油过程中CO2排放量亦大。由于方案1和3的CO2排放集中于煤化工制氢气环节,加快CCUS技术攻关和推广应用的效果最显著。

5 结论与展望

以某露天煤矿及其运输系统作为对象,研究露天矿卡能源与动力方案综合排放性,对包括能源转化和矿卡动力2个子系统的燃料周期过程中的大气污染物和温室气体排放进行定量分析和对比研究,并给出优化措施建议如下:

1)4种技术方案中,在不考虑材料周期排放的情况下,方案2的综合排放性最好,方案4的综合排放性最差,且减排技术难度大,因此有必要研究氢能动力等新型的矿用移动设备动力系统方案。

2)方案1和方案3的矿卡终端使用氢能动力,无大气污染物和温室气体排放,与方案4相比,实际上只是将排放转移到能源转化环节,在各技术成熟时,可采取更有效的措施进行减排。

3)方案3的减排重点在于CO2捕集、封存和利用,方案1除需进行CO2捕集、封存和利用外,更要注重脱硫和除尘。

4)在研究露天矿卡能源与动力方案综合排放性时,因数据较少,未考虑材料全寿命周期排放的影响,后续有必要继续开展相关领域的研究工作。