濱湖煤礦能源集成利用研究＊

任一鑫 曾憲迪 張士強 徐忠臣

（山東科技大學經濟管理學院，山東省青島市，266590）

能源消耗急劇增加所引發的能源供需矛盾加劇、生態環境惡化和國際關系復雜化等問題引起了人們的普遍關注。國內外對能源替代、能源優化配置、能源結構調整和能源綜合利用等研究較多，用之實踐后使得能耗大幅度降低、能效大幅度提高。濱湖煤礦對能源管理開展了深入的研究和探索，生物質能、礦井水等能源綜合利用成效卓著，但仍然存在能源綜合利用程度低、消費結構不合理、共享程度低和利用效率差等現象。出現這些現象的表面原因是缺乏對能源種類與能耗領域的系統分析，未能依據供需特點對能源種類與能耗領域進行優化配置，深層次的原因是缺乏科學的能源配置方法。能源集成是科學的能源配置方法之一，集成理論在電子學的應用中取得了節省資源、提高功能、減少體積等效果，在信息、管理等領域的應用中提高了資源共享程度，集成理論在濱湖煤礦能源體系的應用將有很好的發展空間。為此，本文以集成理論作為指導思想，設計濱湖煤礦能源集成體系，優化能源結構，科學配置能源，提高濱湖煤礦能源，尤其是再生能源、廢棄能源的綜合利用程度，探討新的節能方法。

1 濱湖煤礦基本情況

棗莊礦業集團濱湖煤礦井田面積為44km2，地質儲量為7574萬t，可采儲量為3899萬t，設計生產能力為45萬t／a。礦井位于山東省滕州市濱湖鎮境內，井田東側毗鄰濟 （寧）微 （山）公路和濱湖煤礦的專用公路，并且緊鄰吞吐量為440萬t／a的滕州港，經微山湖與大運河相連，礦井運輸條件十分優越。

2 濱湖煤礦能源利用現狀分析

2.1 礦井水能源綜合利用現狀

濱湖煤礦利用水源熱泵技術，將提取處理完的礦井水中的熱量用于井口防凍、職工洗浴、工廠供暖和制冷等，基本替代了燃煤鍋爐，可節約運行費用約100萬元／a，節約標準煤可達到2788t／a，減排二氧化碳約為7249t／a、二氧化硫約為50t／a，粉塵約為260t／a、固體廢棄物約為2000t／a，基本實現了煙塵、礦井水、爐渣灰零排放，實現了經濟效益、社會和環境效益的統一。礦井水能源綜合利用系統如圖1所示。

圖1 礦井水能源綜合利用系統圖

2.2 沼氣能源綜合利用現狀

濱湖煤礦充分利用秸稈、糞便和污水處理廠沉淀物等廢棄資源來開發沼氣，使得厭氧池生產沼氣達到524286m3／a。經過開發的沼氣可作為礦區職工食堂炊飲用能源，也為以沼氣為能源的蔬菜大棚、溫室花房及養豬場加溫，同樣可以為養豬場、蔬菜大棚、溫室花房提供夜間照明；沼氣池產生的沼渣和沼液可以作為煤礦農田的綠色無污染的有機肥料，也可以為溫室花房和蔬菜基地提供肥料，沼氣利用系統結構如圖2所示。

隨著濱湖煤礦的發展，生產、生活和辦公等場所的增加，勢必會增加對能源的需求，所以更需要采用能源集成方法來開發新的能源提供點。目前濱湖煤礦所產生的煤泥、煤矸石等資源基本都是在簡單處理后直接外銷，附加值相對較低。因此，隨著濱湖煤礦的發展，要適時建設綜合利用煤泥、煤矸石及其他低值煤的電廠，調整用能結構使得以電能為主向多元化發展，實現其余熱利用溴化鋰機組冬天供暖，夏天提供冷氣。

圖2 沼氣利用系統結構圖

3 濱湖煤礦能源種類與能耗特征研究

3.1 濱湖煤礦能源種類和特點研究

濱湖煤礦能夠提供的能源種類，尤其是廢棄能源種類較多。濱湖煤礦除可利用煤、電、油、汽、礦井水等能源外，還可利用太陽能、風能、生物質能、地熱、余熱、煤矸石及煤泥等能源。因此，濱湖煤礦能源的主要特點是能源種類多、來源廣、能源之間關系復雜、關聯性強，能源之間既可以替代，又可以互補，這為濱湖煤礦能源種類集成奠定了基礎。

3.2 濱湖煤礦能耗特征

煤炭開采受到地質構造、開采深度、涌水量、瓦斯程度、地熱、自燃和粉塵爆炸等自然因素影響比較大，也受開采工藝與技術的影響。因此，濱湖煤礦進行能源集成利用時必須考慮保障煤炭生產及其安全、保障生產設施設備、安全設施設備及職工必需生活需要。

濱湖煤礦主要能耗領域按能耗領域劃分可分為5個方面。一是井下能耗領域，進一步分為基本生產用能與輔助生產用能2個領域。基本生產能耗領域主要是回采與掘進，輔助生產能耗領域主要包括運輸、提升、排水、通風和壓氣等，這些領域主要耗費電力以及少量的油品。由于安全生產與穩定生產的需要，這些領域對能源種類及供給要求極其嚴格，很難使用其他替代能源，更不能出現停供的現象。這一領域能源管理的重點是提效節能，其途徑是技術改造與創新、管理創新或系統優化等。二是地面生產能耗領域，主要包括煤炭洗選與加工、機械制造、礦用設施設備維修、礦用物資生產、電力、建材、煤炭轉化及其他非煤產業，主要耗費電、煤、油及加工后的熱氣與冷氣。這些領域用能是必須的，但能夠根據生產需要進行錯時用能，也能夠使用替代能源。三是地面輔助能耗領域，主要包括固廢處理、生活污水與工業廢水處理、地面運輸、辦公區域等，這些領域能耗種類比較多，用能量所占比例不大，能夠使用替代能源，是廢棄能源開發利用的重要區域。四是生活能耗領域，這些領域用能品種多、用能量少，能夠使用新能源和廢棄能源等替代能源，是能源綜合利用的重點區域。五是服務領域，主要消耗電與煤，能使用替代或廢棄能源，也是能源綜合利用的重點領域。

濱湖煤礦用能環節、用能領域復雜而多樣，用能品種多樣化，能耗領域與環節關聯性強，能夠進行集成利用，為研究濱湖煤礦能源集成利用方式提供了可能。

4 濱湖煤礦能源集成利用系統設計

4.1 能源種類集成

礦區能源種類集成是指將礦區所能提供的能源看作一個集成系統，在系統范圍內，以能源替代和互補為依據，實現能源替代、互補和順序利用。

（1）盡可能用存量大、流量多、再生速度快、效益好的能源代替存量小、流量少、再生速度慢、效益差的能源，盡可能地用廢棄能源來替代正在使用的常規能源。礦區能源集成利用順序應該是優先考慮余熱、余壓及以副產品或廢棄物形式出現的可燃固體、氣體和液體；其次考慮太陽能、風能、地熱能及礦井水攜帶能量等可再生能源；再考慮煤泥、煤矸石、油母頁巖等低品位能源；然后考慮電力、天然氣、油等優質能源；最后考慮煤炭。

（2）能源互補利用首先要分析能源特點及其互補性。不同種類的能源其特性各異，如果一種能源的優點恰好是另一種能源的缺點，那么它們就具有互補利用的可能性。目前的情況是人類還不能對自然界的能源 （如風能、太陽能等）進行有效地控制，這些能源的利用往往容易遇到不可控因素的影響，出現能源供給的不穩定性和不連續性。為保證礦區能源供給的穩定性和連續性，故再生能源利用常常要設置大容量的蓄能裝置，蓄能裝置不但受到蓄能材料的制約，而且投資大、占地面積廣，增加了再生能源系統的投資成本，加大了再生能源大規模利用的難度。

濱湖煤礦能源之間存在著互補性。采用并聯和串聯等集成利用手段，揚長避短，將廢棄能源、再生能源與常規能源聯合利用。當廢棄能源、再生能源可以利用時盡量使用廢棄能源、再生能源，當廢棄能源、再生能源不足或中斷時輔助使用常規能源，滿足用能需求，以取得最合理能源利用效果與效益。能源種類集成形式有很多種：如生物質能與煤的混合發電、太陽能集熱器+熱泵+天然氣 （建筑能源供應）聯合開發、太陽能加熱火力發電廠的鍋爐給水、大規模風場+燃氣輪機或壓縮空氣蓄能、風能和煤化工的集成、風光互補等。

4.2 能耗領域集成

濱湖煤礦主要能耗領域按其重要程度可分為重點、次要及一般3 個層面。重點能耗領域包括回采、掘進、通風和排水等用能；次要能耗領域主要是輔助生產、地面工業廣場、非煤產業、辦公及生活等用能；一般能耗領域是可以根據實際進行調控與替代的能耗領域，如景觀耗能。因此我們應首先滿足重點能耗領域，依此類推。

4.3 能源集成利用方式

4.3.1 錯時利用

由于能源生產與能源的利用存在不統一性，能夠存儲的能源 （如煤炭、石油等）可以利用庫存來進行調節，降低能源浪費，對于不能夠存儲的能源（如電力、風能、太陽能等）如果不及時利用，就會造成浪費，因此，在能源集成利用時應該對某些產業用能實行錯時利用，盡可能錯開用能的高峰期，而在低谷期利用不能存儲的多余能源。

4.3.2 聯合互補利用

為了保證能源供給穩定，保障生產、生活及社會活動的正常進行，提高能源綜合利用效率，設計礦區能源聯合集成利用方法如下：

（1）并聯利用能源。根據需要設計全部或幾種能源供給渠道，按照能源使用順序利用能源，當某種能源供給出現問題時，轉換為另一種能源，或者對同一使用領域同時供給全部或幾種能源，如礦區浴池可以同時應用太陽能、風能、余熱及其他常規能源，正常時使用太陽能或余熱，非正常時使用電或煤。

（2）串聯利用能源。按照能源質量，利用有關技術，將相關能源連在一起形成能源提質鏈或體系，利用少量的優質能源使低質能源達到能夠利用的狀況，提高低質能源的利用效率，如采用熱泵技術，利用少量的電力將礦井水的熱量提高來滿足采暖、制冷等需要。串聯利用能解決低質能源無法利用的困難，是能源綜合利用的發展方向。

（3）混合利用能源。將串聯與并聯結合起來利用，這樣既能夠解決低質能源無法利用的問題，又能解決能源供給不穩定的問題。

4.3.3 順序利用方式

礦區任何生產、生活和社會活動都需要能源的投入，生產和生活方式不同，能源耗費方式亦不同，即所投入的能源種類、數量和比例不同。如果要使所投入的能源種類合適，數量和比例經濟綜合效益高，首先要對所投入能源替代關系進行集成分析，得出能源替代排序方法，然后對每一種礦區能源的利用領域進行分析排序，最后再對礦區能源與能耗領域之間的關系進行分析，進行綜合排序，得出能源的最佳配置方式，使合適的能源放在合適的地方，物盡其用。

圖3 濱湖煤礦能源種類與能源應用領域集成體系

4.3.4 層級利用方式

能源轉換是由低級向高級轉換的過程，中間會產生不同品質的能源，這些能源無法滿足終極目標的需要，但對于相關領域仍然有使用價值，需要進行利用，否則不僅造成浪費，也對生態環境產生污染；能源使用過程一般是由高品質向低品質轉換，這一過程同樣產生其他不同品質的中間能源，也同樣需要加以利用。層級集成利用就是對能源轉換或使用過程中所產生的能源依據其品質劃分等級或層級，研究其特性；對能源需求領域依據其對能源品質的需求劃分等級，研究其對能源的需求特性；依據能源品質與等級所對應需求領域的等級及所需求能源的品質配置能源使用領域，實現能源按其品位逐級加以利用的目的。

4.4 能源與能耗領域集成

對于井下基本、輔助生產領域及煤炭加工與轉換利用等領域用能，主要依靠電力、石油和煤炭，并且要持續供應；三廢處理必須用電，很難替代；地面生產領域以消耗電為主，電廠應該大力發展太陽能、風能、生物質能及核能發電，火力發電用煤矸石、煤泥等替代煤炭；對于洗選、機修、非煤產業等領域應盡量考慮錯時用能，避開主要生產用能高峰；制冷與采暖領域在利用礦井水的基礎上，以聯合地熱、太陽能、余熱等能源，發揮能源互補優勢；其他地面輔助領域和生活領域應盡量采用太陽能、風能、余熱、地熱、余壓、生物質能等替代能源，減少電力、煤炭、石油等能源的使用。依據這一思路設計濱湖煤礦能源種類與能源應用領域集成體系如圖3所示。

4.5 集成效果評價

濱湖煤礦在對能源種類和特征等方面研究基礎上，以能源集成利用為科學用能方式，建立了能源與能耗領域集成利用體系。該體系不是將多種能源和用能過程簡單組合和疊加，而是以 “能源轉換品位對口互補”為原則，通過物理化學等關鍵過程的集成和革新，實現不同能源利用系統之間能量轉化利用過程的互補，在系統高度上按照不同能源品位的高低進行綜合互補利用，實現能源之間的優勢互補，徹底取代了燃煤鍋爐，最大限度的節約了常規能源，優化了能源消費結構，實現了經濟效益、生態效益和社會效益的共贏，構建了礦區生態建設新模式，這也打造了濱湖煤礦節能減排、發展低碳經濟和生態文明的新亮點，在煤炭行業具有極大的推廣價值。

5 結論

濱湖煤礦能夠提供的能源種類多、能耗領域多、用能種類多，建立科學用能體系是大勢所趨。濱湖煤礦能源集成利用體系就是運用系統的方法，將常規能源、再生能源和廢棄能源作為一個整體能源供給系統來考慮。能源集成利用體系解決了濱湖煤礦能源關系混亂、能源孤立開發和孤立利用的問題。通過能源錯時利用研究，提高了能源使用效率；通過能源聯合互補利用研究，充分利用廢棄和新能源，優化了能源結構；通過能源順序利用研究，優化了能源利用順序；通過能源層級利用研究，實現了能源的綜合利用。總之，該研究為能源與能源利用領域的合理配置提供了的方法，在提高能源利用效率的同時，也為能源結構的調整奠定了基礎。

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