碳排放计算在矿山厂址方案比选中的应用

罗飞，朱杰

(1.中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌 330038；2.江西省建筑技术促进中心，江西南昌 330000）

力争2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和， 是我国基于推动构建人类命运共同体的责任担当和实现可持续发展的内在要求作出的重大战略决策，也是我国向世界作出的庄严承诺[1]。2021年10月以来，国家连续发布《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》《2030年前碳达峰行动方案》等顶层设计文件，对碳达峰、碳中和工作作出总体部署[2]。 目前,全国各省区、各行业均积极响应行动，开展碳排放计算、降碳路线图等多方面的研究。

矿石开采需要大量的能源,包括电力、燃料等。这些能源的生产和使用都会产生大量的二氧化碳。因此，最优的厂址方案是确保矿山项目开发成本低、开采效率高的基础。 而传统的厂址比选多侧重于基建工程量和运营成本的计算， 最终反映在费用现值的比较。本文将以广西某钨矿为例，拟从碳排放量的角度进行厂址方案比选。

1 项目概况

1.1 建设条件

本矿山位于广西壮族自治区博白县城。 矿区村级水泥路通往附近的村庄，道路宽约4 m，里程长约4 km。从博白县经三育村至陆川县有二级公路相通，里程约37 km。 陆川县内有黎湛铁路经过，矿区交通条件较为便利。

矿区现有供电能力无法满足矿山生产需要，需从博白县城引入35 kV 供电线路至矿区， 并在矿区新建1 座35 kV 变电站。矿山下方附近有木垌湾河，距选厂约200 m，水质、用水量均满足矿山建设需要，可作为新建矿山水源。

1.2 自然条件

矿区属亚热带季风气候区，气候温暖潮湿，雨量充沛。年平均气温在22～23 ℃，最高温度为38.9 ℃，最低温度为2.1 ℃。 平均年降雨量为1 796.7 mm，降雨集中在每年4～8 月份。 矿区处于北回归线以南的低纬度，境内上空受东亚季风环流控制。常年主导风向为北风和东北风。 矿区属低山地貌， 地形较为陡峻，坡度多在30 °～40 °之间。 山脉总体呈北东走向，地势南部稍高， 北部略低。 最高点位于矿区西南边部，海拔276.8 m，最低点位于矿区北部，海拔约110 m。矿区浮土覆盖层厚，基岩出露差。矿区内主要水系为木垌湾河，由南向北流经矿区中部。矿区内场地岩性复杂，岩石风化、岩溶作用强烈，工程地质条件较复杂。矿床水文地质类型属于岩溶溶隙溶洞充水、顶底板直接进水的矿床。 矿体埋藏在当地侵蚀基准面以下，受河水溃水严重威胁。

1.3 建设规模

该项目的业主为中型采选联合企业，以钨矿地下开采生产为主，生产规模为原矿2 kt/d，服务年限为21 a。本项目主要是为选矿工业场地进行选址。至2021年， 矿山已开采约1 a， 矿权范围内已形成斜井、选厂、尾矿库、生活办公楼及现状道路等设施。其中，选厂无法利用、斜井工程暂不利用；尾矿库和生活办公楼需改造后再利用。另外，本次地下开采需新建设施：混合井，提升机房，采、选工业场地，废石场，炸药库，充填站及部分联络道路等。

2 厂址方案

厂址的选择是一项仅次于生产规模和产品方案且与采选工艺方案关系紧密的、多学科（专业）系统论证、优化的综合性重大技术经济方案。本项目的选址主要为选矿工业场地的厂址选择。 通过对现场地形初步踏勘和研究，结合矿山的运输，供水、供电等外部条件和采、选工艺流程配置要求，本项目在厂址选择时，拟定了4 个方案进行比较分析。

1）方案一：新建选矿工业场地位于现有选厂附近，距离采坑约1.3 km。 混合井位于新选厂南侧，井口标高为+230 m， 回风井位于矿体下盘6～8 线，井口标高为+155 m， 利用已有的斜井作为辅助进风井和安全出口。该场地现状已部分平基，且有现状道路可以利用。 该方案配套废石场为位于混合井以北约0.25 km 的1#废石场。 该方案的优点是厂址位于木垌湾河西侧， 物料运输距离近， 且无需跨越木垌湾河；利用部分原有场地，可节省一定的土方平整和新建道路工程量；距离现状尾矿库近，近期尾矿运距相对较小；距离现有办公楼较近，利于集中管理。 缺点是原矿运距超过1 km，需增加1 个井下生产安全出口，增加投资。

2）方案二：场址拟选择位于矿体西南方向约0.8 km，木垌湾河西侧，0 线附近的一处山坡。 混合井位于0 线西侧，选厂南侧，井口标高为+220 m，回风井位于矿体下盘18 线附近， 井口标高为+190 m。该厂址现状基本为林地，自然坡度大约为22 °。该方案配套废石场为位于混合井西南方向约0.65 km 的2# 废石场。 该方案的优点是厂址位于木垌湾河西侧，物料运输距离较近，且无需跨越木垌湾河；距离现状办公楼较近，利于集中管理；可兼顾远期南部资源开发；该厂址所在山坡较为开阔，坡度相对较缓，适合重选工艺选矿工业场地布置； 距离二期梧坡垌尾矿库较近。缺点是中段石门略长，原矿运输距离稍远；距离一期现状尾矿运输距离相对较远。

3）方案三：场址拟选择在矿体东南部约0.6 km，矿体下盘16 线附近。 混合井位于16 线附近选厂南东侧， 井口标高+230 m， 回风井位于矿体下盘6～8线，井口标高+155 m，利用已有斜井承担矿区北部污风的排放任务，并作为井下安全出口。该厂址现状基本为林地，自然坡度大约为24 °。该方案配套废石场为位于混合井以北约0.32 km 的3#废石场。 该方案的优点是原矿运输和废石运输距离相对较近。 缺点是厂址位于木垌湾河东侧，物料运输距离较远，且需跨越木垌湾河；距离近期和远期尾矿库均较远。

4）方案四：场址拟选择在矿体南部约0.68 km、木垌湾河东侧6 线附近的一处山坡。 混合井位于6线附近选厂南侧，井口标高+210 m，利用已有的斜井作为回风井。该厂址现状基本为林地，自然坡度大约为25 °。受地形条件和征地拆迁条件限制，该方案周边无适宜地配套废石场， 仅能利用3#废石场进行废石堆存。该方案的优点是原矿运输相对较近，土方工程量相对较小。缺点是厂址位于木垌湾河东侧，物料运输距离较远，且需跨越木垌湾河；附近没有合适的配套废石场，废石运输距离很远。

具体厂址总平面布置方案见图1。

图1 厂址总平面布置方案

3 碳排放量计算

本次厂址方案的比选将对由于厂址不同而导致基建工程和生产运营的碳排放（可比部分）差异进行计算，找出碳排放量最小的厂址方案。 其中，基建工程（可比部分）分为地下工程和地面工程，生产运营（可比部分）分为原矿及废石的运输和尾矿输送。 根据各厂址方案预估的工程量或运营消耗， 换算出相应的能源消耗量（可比部分）。

3.1 地下基建工程（可比部分）碳排放计算

地下基建工程分为开凿和支护两部分。 1）开凿工程包括钻孔、爆破、开挖、运渣等多道工序，本次研究将开凿各工序使用的能耗等价为柴油用量后，进行碳排放计算。 根据生产经验，每开凿1 m3需要消耗1.5 L（1.245 kg）柴油，根据《IPCC 国家温室气体指南》（2006年） 中柴油的碳排放因子为0.592 1 kgCO2e/kg[3]，则可确定开凿工程的碳排放因子为0.592 1 kgCO2e/kg。2）支护工程主要使用钢筋混凝土作为加固， 支护工程碳排放量使用钢筋混凝土的碳排放因子295 kgCO2e/m3进行计算。

结合各厂址方案的地下工程基建工程量（可比部分）计算出碳排放量如表1 所示。

表1 地下基建工程开凿部分、支护部分（可比部分）工程量及产生碳排放量

3.2 地面基建工程（可比部分）碳排放计算

地面基建工程（可比部分）主要包括土石方工程和场地（路面）硬化两个部分。

1）土石方工程碳排放计算。 土石方工程部分碳排放主要由土石方开挖碳排放和运输碳排放组成。根据研究显示，土石方工程中每开挖1 m3的土产生6.294 6 kg 二氧化碳排放[4]。《中国交通年鉴2011》中表示， 公路运输每运输10 kt 的货物消耗的柴油为655.7 kg/km。 各厂址方案中的弃方均采用自卸车运至排土场，运输距离1 km，土方密度暂按1.3 t/m3考虑。 不同方案土方工程碳排放量，如表2 所示。

表2 土石方工程量及产生碳排放量（运距/km）

2）场地（路面）硬化碳排放计算。 矿区场地（路面）硬化采用沥青表面处置路面：3 cm 沥青碎石表面处置+20 cm 水泥稳定碎石基层+20 cm 级配碎石下基层+15 cm 天然砂砾垫层。 根据《江西省市政工程消耗定额及统一基价表》中主要材料用量、筑路设备（如压路机、摊铺机、装载机）的台班数，通过查询住房和城乡建设部《建设工程施工机械台班费用编制规则》（建标[2015]34 号）[5]中常用施工机械台班能源用量， 可以换算出不同筑路设备每单位台班的柴油用量。 每100 m2矿区场地 （路面） 硬化将产生471.91 kg，具体材料用量、机器台班数及碳排放量如表3 所示，不同厂址方案的场地（路面）硬化碳排放量如表4 所示。

表3 每100 m2 场地（路面）硬化碳排放量

表4 不同方案路面硬化碳排放量

3.3 生产运营部分（可比部分）碳排放计算

总图运输的厂址比选中， 生产运营方面比选重点是内外部运输、外部供水、外部供电等方面。 由于本次4 个选矿工业场地厂址均在矿体附近， 外部供电线路的长度差距较小（＜1 km），因此供电线路长度不同而带来的输电线损差异较小，导致外部供电的碳排放差异的可比性不足。故本次生产运营（可比部分） 碳排放计算主要对不同场址的内外部运输和外部供水的碳排放进行计算和比选，其中内部运输主要又分为原矿及废石的运输和尾矿输送两部分。

1）原矿及废石运输碳排放计算。

各厂址方案的原矿及废石运输均主要使用多绳摩擦式提升机配合电机车牵引矿车进行运输。 原矿可由电机车直接运至选矿工业场地， 废石还需利用汽车二次倒运至排土场。 故原矿及废石运输的主要能源消耗为电能，及少量柴油消耗。该项目每年约产生85 800 t 废石， 但不同厂址方案废石运输距离不同。 2021年，国家生态环境部就《企业温室气体排放核算方法与报告指南发电设施（2021年修订版）》征求意见， 此次修订将全国电网平均排放因子调整为最新的0.583 9 kgCO2/kWh。 结合汽车运输的柴油消耗， 不同厂址方案在原矿及废石运输部分碳排放量（可比部分）如表5 所示。

表5 原矿及废石运输碳排放量（可比部分）

2）尾矿输送碳排放计算。

尾矿输送均采用泵送，主要能源消耗为电能。不同厂址方案的尾矿输送距离不同， 导致电能消耗的差异。不同厂址方案在尾矿输送部分碳排放量（可比部分）如表6 所示。

表6 尾矿输送碳排放量（可比部分）

3）外部运输碳排放计算。

矿山的外部运输总量约为73 kt/a， 均采用汽车运输。 根据《中国交通年鉴2011》中表示，公路运输每运输10 kt 的货物1 km 消耗的柴油为655.7 kg。根据各厂址方案距离同一外部接驳点的距离不同，测算出不同方案的外部运输碳排放量（可比部分）如表7 所示。

表7 外部运输碳排放量（可比部分）

4）外部供水碳排放量计算。

新水输送均采用泵送，主要能源消耗为电能。水源地的位置和标高是相同的， 但不同厂址方案的新水输送距离和高度不同，导致电能消耗的差异。不同厂址方案在新水输送部分碳排放量（可比部分）如表8 所示。

表8 新水运输碳排放量（可比部分）

3.4 不同厂址方案碳排放量

通过将地下基建工程、 地面基建工程和生产运营3 个阶段的碳排放量相加， 可以得到不同厂址方案的碳排放量，如表9 所示。

表9 各厂址方案碳排放（可比部分）比较kg

由表9 可得，方案二的碳排放总量最低。这与计算投资和运营费进行对比所得出的结论一致。 各厂址方案投资及费用比较见表10。

表10 各厂址方案投资及费用（可比部分）比较万元

4 结论

在全社会节能减排、 促进经济社会绿色转型的大环境下， 将碳排放计算引入矿山项目的厂址比选设计中，对促进这矿山企业的节能减排、建设绿色低碳矿山具有重大意义。 本文通过对由厂址方案不同而变化的主要基建工程量（可比部分） 和运营成本（可比部分）梳理，测算、收集了主要工程量营运成本的碳排放因子， 并通过计算、 对比找出最优厂址方案。通过计算过程可以看出，矿山项目的碳排放量与基建工程量和生产运营能耗呈绝对正相关性， 即基建工程量越大、 生产运行能耗越高， 则碳排放量越大，反之亦然。

在矿山总平面设计的时， 从满足工业生产的需求出发，充分利用现有的地形地貌等自然条件，有序规划、合理进行布置，找到最优的厂址方案和最合理总平面布置方式， 不仅仅是节省建设投资和生产成本的需求，也是降低矿山建设能耗强度、促使二氧化碳排放强度持续下降， 确保工业领域二氧化碳排放在2030年前达峰的有效措施。