冀中能源低碳運行生態礦山建設的創新實踐

劉建功

(冀中能源集團,河北省邢臺市,054021)

1 低碳運行生態礦山建設的意義與思考

剛剛過去的2009年,低碳經濟、生態環保成為了全世界關注的焦點問題之一。全球氣候變化所導致的氣溫增高、海平面上升、極端氣候頻發等,對人類生存環境產生了嚴重影響。低碳經濟、生態環保,是指關注人類生存發展與環境的和諧統一,以傳統產業經濟為基礎而發展起來的可持續發展模式。不同于傳統產業經濟,低碳經濟以維護人類生存環境、合理保護資源與能源等為特征,核心是強調人與自然的協調發展。

中國要走低碳經濟道路,并不是不發展能耗產業,而是要用更好的低碳技術,提高能源資源的利用效率,把環境污染降下來。低碳經濟是一個永恒的發展過程,而不是最終形態。企業要做的就是在這個過程中堅持不懈地努力。

中國要盡早進入低碳經濟、生態環保的時代,就必須面對現實中的主色調,即以煤炭開采與利用為代表的“黑色經濟”。一方面,經濟發展使中國經濟對煤炭的需求不斷增長;另一方面,煤炭生產和利用環節也像其他重化行業一樣給環境帶來了負擔。污水、矸石、地表沉降塌陷、廢氣排放等問題已經成為中國重化工業乃至全社會面臨的重要難題。黑色的煤炭在支撐中國經濟繁榮的同時,也像其他重化行業一樣呼喚著低碳經濟時代的到來。

中國是世界上最大的煤炭生產、消費國。據國家有關部門的測算表明,目前在一次能源生產總量中,煤炭產量占74%,在一次能源消費總量中,煤炭占70%。2009年中國煤炭產量完成30.5億t,同比增長8.8%。因此,富煤、缺油、少氣的能源資源結構,決定了在今后較長時期內,以煤為主的能源結構不會發生根本改變,煤炭仍將是支撐我國經濟發展的主體能源。

低碳經濟的實現離不開煤炭企業的參與,需要煤炭企業主動肩負起社會責任。因為煤炭企業是實現低碳運行、低碳技術和生態技術等應用目標的主體,是發展低碳經濟的主要實踐者。

冀中能源低碳運行生態礦山建設,是在近年來大量科技創新實踐的基礎上,結合國內外形勢發展而提出來的一個全新概念。所謂低碳運行生態礦山建設是將礦山建設、人文環境、生態環境、資源環境和技術經濟環境相互聯系起來,對采礦活動提升改造,構建科學、生態、環保的礦山工業系統,以最小的生態擾動獲取最大的資源和經濟效益,并在采礦活動結束后通過最小的末端治理,使礦山工程與生態環境融為一體。其含義是遵循自然生態系統的物質循環規律和能量轉換規律重構生產系統,使其和諧地納入自然生態系統的物質循環過程;形成產品清潔生產、資源高效回收和廢物循環利用為特征的低碳生態礦山新的發展形態。

低碳運行生態礦山建設是一個高科技、全方位、長時效的系統工程。建設低碳運行生態礦山,一個重要的理念就是,在煤炭開采過程中,不只把煤炭看作是資源,更要把大氣、土地、地下水、周圍環境等構成環境生態的這些因素都看作重要資源,來科學開發、綜合利用,把煤礦建設和開采過程中對環境的破壞和影響,用現代科技手段加以抑制和消除。低碳運行生態礦山建設的一個突出標志就是,煤礦開采過程中的運行是低碳的,結束后,仍然沒有對周圍生態環境形成影響,礦井建設完全是一種新的低碳運行生態環保模式。

作為傳統煤炭企業,冀中能源集團依靠科技創新,在生產黑色煤炭產品的同時,建設低碳運行的生態礦山,不僅為社會提供了優質能源產品,還成為煤炭工業發展方式轉變的領頭雁。

2 低碳運行生態礦山建設的創新與實踐

煤炭行業既是產能大戶,也是耗能大戶。冀中能源在低碳運行生態礦山建設中,為最大限度地減少能源的消耗,最大限度地增加資源和廢物的回收復用,最大限度地減少廢棄物的排放,將集成的各項新型低碳運行生態節能技術嵌入整個生產過程,做到不啟動低碳生態技術環節就不能生產,從而使整個生產過程實現低碳生態運行。

2.1 煤礦矸石不升井,井下充填效益高

對煤炭企業來說,最大的低碳生態行為莫過于節約煤炭資源,煤炭對企業來說是產品,對社會來說是資源,是不可再生的燃料、原料。

矸石是煤礦開采過程中不可避免的伴生物,長期以來,煤礦生產過程中產生的矸石都需要提升到地面,在運輸和提升過程中,需要消耗大量電力、運力資源。矸石在地面長期堆存過程中,不僅占用土地,還會產生大量有害氣體、分解物,對周圍空氣和地下水造成嚴重影響。

為從根本上解決這些問題,最有效的辦法就是不把矸石提升到地面,而是在井下直接處理。圍繞這一理念,冀中能源一是研究將矸石篩選系統前移到井下,這樣至少會選出10%～15%的矸石,礦井提升效率將相應提高10%～15%;二是已開始將多年井下采面開拓及選矸產生的矸石直接在井下充填。在消除煤矸石及其污染的同時,減少開采造成的圍巖變形破壞、地表下沉、地面環境污染和土地占用。

邢東礦是冀中能源低碳運行生態礦山建設的先導,創造性地實現了國內首創的矸石井下充填采煤新工藝,實現了矸石不升井、地面不建矸石山,被公認為全國“科技低碳生態型”煤礦的典范。矸石井下充填采煤技術工藝,不但消除了井上排矸石帶來的占壓耕地和矸石對環境的影響。同時,還可利用這些矸石對采空區煤巷進行充填支撐,最大限度地開采煤炭資源。此項技術榮獲“國家科技進步二等獎”。

邢臺礦是一個老礦,建有配套的電廠和水泥廠。該礦采用矸石井下充填采煤技術工藝,利用矸石和粉煤灰做井下充填材料的采煤工藝實踐也獲成功,并回收了大量煤炭資源。

矸石回填技術帶來了低碳運行生態礦山建設的集群式效應:首先,矸石回填后可把用常規方法不可能采出的煤炭資源采出來,實現了建筑物下安全采煤,提高了資源產出率。利用這一技術冀中能源共從“禁區”采出煤炭8000萬t。每充填1m巷道,就可多產煤30 t。斷面25 m2巷道的直接經濟效益為18000～23000元,年創效益達2000萬元以上。所以采面充填的經濟效益和社會效益非常可觀。其次,矸石回填代替保護煤柱,避免了地面塌陷,不但有效地保護耕地,降低生產成本,防止了矸石山長期風化造成的污染,實現了低碳生態開采,而且不再提升矸石,不再堆矸石山,不再占用土地,不再污染地面空氣。據測算,一個年產100萬t的礦井,矸石山的占地面積大約在1.1公頃左右。其三,矸石回填技術還帶動了其他一系列難題的解決。建筑物下開采,一直是煤炭業界的一大難題,其中煤炭開采出來后的充填材料和充填技術,就是兩大難關。這些都在冀中能源被一一攻克。

同時,為了提高煤炭回收率,冀中能源在煤炭開采方式上由粗放式開采變為精細開采。一是通過優化工作面設計、改進采煤工藝和加強管理等手段,使煤炭回采率提高到97%以上。二是通過整合、購并地方煤礦,對一些資源枯竭的礦井不急于丟棄,通過復采,進行技術改造,提高資源回收率,保護了一部分資源。三是通過技術攻關,利用矸石巷道充填、矸石采面充填、膏體充填、高水材料充填、沿空留巷、極薄煤層開采等技術,對一些可采可不采甚至是開采“禁區”、“表外”的煤炭也通過矸石井下充填開發了出來。四是洗精煤生產,最大限度地多洗精煤,調整產品結構。

另外,冀中能源邯礦集團陶一礦由于采取了“超高水材料充填”的采煤新技術,使該礦的煤炭回采率達到95%以上。2009年夏,邯礦集團應用這項新技術充填體積39766 m3,解放出600多萬t煤炭資源,延長煤礦10多年壽命。如果推廣該技術,整個邯礦集團可解放的煤炭超過3000萬t,全冀中能源可解放煤炭超過4億t。如果這項新技術在全國煤礦系統推廣應用,多回收的煤炭資源可達120億t,隨著推廣規模擴大,超高水材料還有望形成新材料產業,前景非常廣闊。該技術獲2009年度中國煤炭工業協會科技進步一等獎。

提高煤炭回采率帶來的益處是顯而易見的。如果按照我國煤炭回采率提高1%來計算,在不增加基建投資的情況下可增產1000萬t煤炭,若提高10%,則可增產1億t煤炭。因此,“超高水材料充填”技術工藝利國利企利民。

矸石、膏體、超高水材料等井下充填技術工藝,是造福國家和社會的善舉。冀中能源在全國第一家推行后,對此技術工藝并不保守,先后引來了美國、英國、波蘭、印度、澳大利亞、越南等國家和全國煤炭企業168個團次參觀學習,使這一自主知識產權技術工藝不僅在全國其他煤炭企業推廣,還走向了世界。

2.2 煤礦產煤不燒煤,礦井回風用途廣

低碳運行生態礦山建設包括低碳、循環和相應的創新技術體系。低碳經濟的特點一是少用碳,二是大量減排,三是將所生產的資源通過回收、再生等方式獲得使用價值,實現低碳環保、循環利用。

東龐礦北井不用燃煤鍋爐就解決了職工冬季取暖問題,并解決了夏季制冷問題。他們是利用礦井獨具的回風源、水源特點,研制了高效礦井回風熱交換器,利用礦井回風溫差作為能源,通過熱交換器提取熱量,帶動壓縮機做功實現機組冬季采暖、夏季制冷的目的。此舉降低了主通風設備的噪音,改善了礦井地面的環境。同時東龐礦還研究開發了新型高效、低噪音、免維護、環保型渦旋熱泵機組,采用無毒、無污染、環保型工作介質,實現了模塊化設計,壓縮機并聯使用,提高了備用系數及運行效率。另外東龐礦還研制出了低溫、低噪音井筒防凍散熱器,可適應進水溫度45℃和環境溫度-15℃的要求,保證進風井筒中混合空氣溫度2℃以上,解決了井筒防凍等問題。在此基礎上,東龐礦利用熱泵技術回收礦井總回風中、電廠冷卻水中的熱量,成功地實現為煤礦建筑供暖,為井筒防凍,為居民提供生活熱水,全礦取消了所有燃煤鍋爐,實現了“產煤不燒煤”,減少了污染物排放,節能又環保。

目前,這項技術已在東龐礦、梧桐莊礦、云駕嶺礦等成功應用。該項技術的推廣不但滿足了東龐、梧桐莊、云駕嶺等礦井供暖空調、井筒防凍需要,還解決了職工洗澡、宿舍冬季取暖問題。同時利用井下與地面水的溫差,制造“天然空調”,實現了冬天取暖、夏天制冷。此項技術的應用,一個礦一個采暖季就可節約燃煤和運行費用220多萬元,減排二氧化碳5000多t。據初步估算,此技術若在全國推廣,每年利用的熱能折合標煤可達2485萬t,相當于一個大型煤炭企業的產量。這是一個典型的低碳運行范例,實現了不燒煤,不排廢氣、廢渣。

2.3 煤礦不污染地下水,生產用水巧循環

水,特別是地下水,是我國的一種稀缺資源,冀中能源的煤礦開采不但不破壞地下水,而且還有效保護了地下水資源,實現了循環利用。這也是低碳運行生態礦山建設的重要內容之一。礦井突水是一個世界性的難題,我國煤炭資源與水資源具有逆向分布的特征,一方面是富煤地區嚴重缺水,一方面是少煤區域礦井水的大量排放,造成水資源的嚴重破壞和浪費。目前,全國每年礦井排水量約45億m3。冀中能源礦井井下多處于華北多水區域,而且大多為奧灰水。這要求冀中能源在礦井生產過程中,既要采取保水開采、回灌治理等技術手段,對導水構造和含水層進行探查,制定技術方案進行封堵和治理,減少礦井涌水量,保證安全生產;又要建立井下水澄清系統和地面水回灌系統,將經過治理的水通過回灌孔重新注入井下含水層中,保證地下水資源的相對平衡,實現對水資源的保護和循環利用。

梧桐莊礦是一個被水威脅的典型礦井。通過綜合物探、導水陷落柱注漿封堵、斷裂構造探查治理、工作面底板預注漿加固改造等工程,變治水為防水,對礦井突水進行了徹底封堵,將涌水量由17.5 m3/s減少至5 m3/s,減少了突水幾率,以杜絕各類突水事故。在取得減水效果的基礎上,梧桐莊礦利用井下澄清系統對礦井水進行澄清處理,將5 m3/s的涌水量排至地面石英砂過濾,降低水質濁度后回灌到井下用于礦井防塵、注漿、矸石灑水等各個方面。另外,把剩余水量經過過濾、消毒后壓至井田內含水層,從而實現了礦井劣質水源的閉路循環復用。該技術也獲得2009年度中國煤炭工業協會科技進步一等獎。

為解決煤礦生產生活中產生的大量污水問題,邢東礦、東龐礦等投入巨資,建設中央水處理系統對澡堂洗浴水進行處理,日處理量達240 m3以上。為從根本上解決礦井生產產生的污水,投資1800萬元建設污水處理站,處理全部的生活污水和井下礦井水,日處理能力在3000 m3以上。經過處理后的污水全部達到了環保要求,可用于降塵、噴灌、景觀、潔衛等,實現了礦井水的循環利用。邢臺礦的污水處理工程規模更大、社會效益更可觀。

2.4 生產系統低碳運行,節能減排碩果豐

作為國有大型煤炭企業,冀中能源一直狠抓低碳運行和節能減排工作,以科技進步帶動產業升級,不斷延伸產業鏈條,提高產業的現代化水平。在實踐中把低碳運行技術貫穿到企業活動的全過程,依靠項目建設來推動低碳,依靠加強管理來促進低碳,依靠科技進步來實現低碳節能。

云駕嶺礦對主井進行了轉子變頻調速攻關,不僅技術先進,填補了國內空白,而且節電效果明顯,達到了19.6%。該項目榮獲“國家科技進步二等獎”。集團所屬大部分礦井實行了井下工作面用電考核,避峰就谷,效果十分明顯。以東龐一個礦為例,改造后節電達25%,年節電120萬kWh。

葛泉礦使用的燃煤蒸汽鍋爐共有8臺,但由于部分部件老化,存在一定的技術缺陷,能耗一直居高不下,二氧化硫排放也超過了標準。為低碳運行減少排放,葛泉礦通過大量研究,對蒸汽鍋爐的給水泵、引風機、鼓風機等重要部件進行了一系列變頻自動控制改造,并將其原來使用的陶瓷多管旋風除塵器更換為先進的水膜脫硫除塵器。成功運行后,為使其更好地實現低碳、高效、節能、少排放,又在每臺鍋爐上安裝了全自動軟化水設備。僅此一項,可年節電90萬kWh,節煤超過400t。

冀中能源邯礦集團通過利用安全生產資金、國債資金、折舊基金等,籌集8000萬元低碳運行節能減排專項資金。經過調研論證確立了涉及粉塵治理、污水處理、淘汰更新高耗能技術設備、改造優化用能系統等10項低碳運行節能減排重點項目,按照質量、投資和工期“三包干”,責任單位、分管領導、牽頭部門“三明確”的原則,定期組織項目調度會,加強項目跟蹤管理,確保各項低碳工程按期完成。

除此而外,邯礦集團公司還拿出55萬元資金用于對水源熱泵工程、電機變頻技術改造、礦區生活污水處理等7個年度低碳節能減排重點項目進行獎勵。經過努力,截至2009年底,邯礦集團實現節能13586 t標準煤,完成年計劃的122.4%,減排量控制在計劃之內,提前兩個月順利完成了省政府下達的全年節能減排計劃指標。其中節能量已提前完成了“十一五”規劃目標。

冀中能源金牛股份公司僅2007-2008年期間,就投入5億元用于節能工程,實施碧水藍天工程,安排了低碳節能減排工程11項,更新高耗能及淘汰落后設備4695臺,使老礦井低碳節能工作取得重大進展。

冀中能源峰峰集團2008年投入低碳運行節能減排資金共14783.3萬元,淘汰更新高耗能的電機36臺、水泵22臺、照明燈1326盞、變壓器68臺。關停了峰煤建材有限責任公司的20萬t/a機械立窯水泥廠和薛村礦等10臺燃煤生活鍋爐;關停了邯鄲市潔能煤焦化公司、邯鄲市興泰焦化有限責任公司、羊渠河礦焦化廠炭化室高度小于4.3 m的小焦爐。集團所屬小屯礦對2個中央選煤廠投資7000萬元進行工藝技術改造,提高了精煤回收率。同時,小屯礦實施電廠余壓余熱綜合利用,生活區實現了集中供熱、制冷,取消了小型燃煤鍋爐,優化了能耗結構,實現了低碳運行。

冀中能源正是從科技創新在低碳運行和節能減排方面獲得了社會效益和經濟效益,所以才提出用科技創新帶領低碳節能,用科技創新推廣低碳節能,用科技創新解決企業整體低碳運行的問題,最大限度地實現了節能目標。即使有金融危機的影響,2009年冀中能源的低碳節能工作依然取得巨大進步。其中,金牛能源股份公司、邯礦集團、峰峰集團還被中國煤炭工業協會評選為2009年度煤炭工業節能減排先進企業稱號。

2010年,冀中能源除加大力度淘汰高耗能設備外,還將在變頻技術推廣、礦井風源水源熱能綜合利用、高效電機、變壓器等低碳節能型機電設備推廣、低碳照明技術應用等方面推廣應用低碳節能技術,重點支持新能源、新材料、醫藥化工等產業技術研發和產業化,搶占低碳發展的制高點。

2.5 煤礦廢氣不外排,安全環保上水平

冀中能源多年來把煤礦瓦斯抽采與綜合利用技術研究當作低碳戰略任務,在保證地面瓦斯抽放系統正常運行的基礎上,加大對瓦斯地質構造的研究,通過掌握瓦斯涌出規律,成功研究開發并推廣了瓦斯可控抽采技術,在具備條件的情況下利用瓦斯發電技術,實現資源的綜合利用和低碳最大化。瓦斯發電已經在張礦集團宣東礦運行達6年。

東龐礦在瓦斯治理與應用方面,采用地面瓦斯抽放系統。2008年底該系統建成并投入使用,配備兩臺CBF-530水環真空泵,兩臺280 kW電動機,額定抽氣量210 m3/min。系統投入使用以來,累計抽排純瓦斯140多萬m3。

云駕嶺礦在煤炭工作面生產過程中采取了抽放、煤層注水、引排等多種措施治理瓦斯。首先,通過本煤層深孔抽放、工作面淺孔抽放、頂板高位抽放、上隅角抽放等,使工作面瓦斯抽放量達到2 m3/min,瓦斯抽放率達28.7%;其次,通過工作面煤層淺孔注水,使工作面瓦斯涌出量降低了0.5 m3/min,工作面瓦斯不均衡系數由原來的2.5降低到了1.8。另外,通過在上隅角安設氣動風機,采空區使用風水噴霧器定時灑水,上下安全出口處采取退錨減少空頂面積,增大該工作面風量等措施,使生產工作面回風流瓦斯基本控制在0.6%以下,保證了工作面的安全回采。

投資1600萬元的東龐礦矸石電廠脫硫工程已經完工投入運行。此項脫硫工程,以低碳為目標,應用先進的氧化鎂加爐內噴鈣技術,配置4套先進的監測系統,可連續監測煙氣中二氧化硫的濃度、煙塵壓力,實現對脫硫系統的遠程控制。脫硫系統改造后,二氧化硫排放量由509.28t/a降至50.9t/a,使東龐礦周邊環境大氣質量得以明顯改善。

梧桐莊礦抓低碳運行從細節入手,為消除煤塵飛揚對周圍環境的污染,在原來3個萬噸級儲煤圓筒倉的基礎上,又建設一座能容納7萬t煤的地面封閉儲煤場,從根本上消除了煤塵。同時,為減少井下礦塵的產生,該礦采取了煤壁注水、濕式鉆眼、除塵風機吸塵、大巷灑水車定時灑水等措施,實現了井下防塵治理,完善了礦井綜合防塵系統,有效治理了廢氣、廢塵的排放。

2.6 低碳循環產業鏈,促進企業集約化

煤炭生產過程中經常會產生一些副產品,造成資源浪費和環境污染,也加重了煤炭企業低碳運行的難度和經濟成本。冀中能源運用低碳循環經濟模式優化產業鏈,將傳統的單向直線式經濟發展模式變為反饋式循環經濟發展模式,利用各個產業鏈內部消解工業廢物。通過近幾年的嘗試,章村礦走出了一條“煤-電-建材”的新型工業化道路,基本形成了自己獨特的低碳循環經濟圈,做到了無廢物生產。

章村礦生產的原煤首先進入選煤廠洗選。優質的洗精煤作為工業用煤,主要作為煉鋼、化工產品的原料;劣質煤以及煤矸石作為坑口電廠的燃料。采礦產生的礦井水經過凈化處理后,一部分作為電廠的冷卻循環水,一部分作為選煤廠的生產用水,還有一部分作為廠區內生產及生活用水。坑口電廠發出的電主要滿足生產礦井和水泥廠生產所需;電廠的粉煤灰和爐渣作為水泥生產的配料;電廠產生的余熱為辦公區、家屬區供暖。水泥廠生產的水泥一部分供礦井生產、維護使用;水泥生產過程中利用回轉窯產生的余熱發電,直接供水泥生產使用。

章村礦低碳循環經濟鏈條的形成,做到了上道工序的廢料就是下道工序的原料,通過傳統的煤炭資源產業與低碳科技創新相結合,實現了多產業、多產品、多功能的組合,實現了企業的低碳化、集約化和利潤最大化。目前,章村礦的低碳循環模式正在向冀中能源其他條件相似的礦井推廣,并且初顯成效。

3 深化低碳運行生態礦山建設成果,沖刺世界強企

冀中能源將繼續按照低碳運行生態礦山的發展方式,推進低碳生態礦山建設,構建跨產業生態鏈,推進企業內部不同產業的廢物循環低碳利用。企業不斷推進清潔生產,從源頭減少廢物的產生,實現由末端治理向污染預防和生產全過程控制轉變,促進工業廢棄物的低碳化、減量化和資源化利用,控制和減少污染物排放,提高資源利用效率。

目前,冀中能源正以國際化的視野,科學發展觀的要求,轉變發展方式,進行結構調整,進一步將矸石不升井、不建矸石山,產煤不燒煤,保護地下水,充分利用廢氣,低碳循環模式等低碳運行生態礦山建設技術工藝在一個礦進行集成,然后再試點推行。本著總體規劃、分類實施、先示范、后推廣、全面實施的原則和方案,進一步組織科研院所以及相關的環保專家開展低碳運行生態礦山建設專題研討,研究制定相關的具體標準,開展試點研究工作。目前,確定東龐礦、邢東礦、章村礦、梧桐莊礦、云駕嶺礦等5座煤礦作為低碳運行示范礦。這些礦將集成應用近年來企業最新的低碳科技創新成果和煤炭行業有關最新科技成果,分類推廣各項低碳運行生態礦山建設技術工藝。同時,冀中能源所屬其他煤礦也根據自身情況大力開展低碳運行生態礦山建設。

今后冀中能源低碳運行生態礦山建設深入研究與發展的重點是:煤炭井下開采低碳運行,把10%～15%的矸石處理在井下;井下充填技術工藝的推廣與充填材料的充分使用;保水開采的研究與發展;科技創新項目的普及與應用;低碳運行生態礦山建設技術工藝的完善及產業化等等。

冀中能源的低碳運行生態礦山建設,因科技創新的支撐而得到大力發展。所以,冀中能源在低碳運行型生態礦山建設的科技創新上將繼續加大投入力度。企業要想成為低碳運行技術創新的主體,首先要成為投入的主體,而為了調動經濟主體——廣大企業的低碳經濟積極性,國家也應該出臺相關的法規、政策和市場交易的有關規定。這樣,不僅對致力于低碳環保生態有實效的企業進行了大力扶持,還能使更多的企業加入到低碳運行生態環保中來。

冀中能源推行的低碳運行生態礦山建設,既是冀中能源落實科學發展觀、轉變發展方式、進行結構調整、保護生態環境的一項重大任務,也是企業“保雙五,爭跨越”沖刺世界強企,實現新目標的總體戰略舉措。它的有效實施,必將推進冀中能源自覺轉變發展方式、全面實現經濟結構調整,向低碳運行、資源節約、生態保護、科學發展的具有國際競爭力大型企業集團的宏偉目標全力挺進。