煤礦礦井水預處理系統能耗分析與節能途徑研究

王國棟，鄭利祥，田希雙，楊建超，屈慶利，李明德，孫玉嬌，湯吉亮，張 帥

(1.兗煤藍天清潔能源有限公司，山東 濟寧 272000；2.中煤科工集團杭州研究院有限公司，浙江 杭州 311201)

0 前 言

煤礦礦井水處理站是煤礦企業中重要能耗部門之一。礦井水處理站預處理系統運行過程中的預沉調節、混凝沉淀(澄清)、煤泥脫水等工藝段所耗能源約占全部能耗的90%以上，其中主要為設備能耗[1-3]。設備能耗過高是造成礦井水處理站運營成本偏高的重要原因之一。從國家層面而言，降低能耗強度已被確定為國民經濟和社會發展的約束性指標，受到了全社會的廣泛認同和關注[4-5]。同時，“十四五規劃”報告中指出企業要節能優先，強化節能管理，加快能耗限額。這就要求企業主要能耗指標達到更高標準。具體到礦井水處理行業而言，運行中用到的水泵、攪拌機、空壓機和脫水機等主要耗能設備能耗指標也需要進一步降低。因此，礦井水預處理系統如何以較少的能源消耗取得較大的環境效益和經濟效益，不僅能降低礦井水運行成本，更是實現煤礦企業可持續發展的必然要求。

文獻檢索和調研發現，系統性能耗分析多應用于城鎮市政污水處理廠的運行研究中，旨在實現工藝和設備的節能降耗，從而達到節省運行成本的目的[6-10]，而將分析方法應用在煤礦礦井水預處理系統運行優化中的研究較少。本文針對山東礦區某3座礦井水處理站的預處理系統實際運行狀況進行了調查，采用比能分析法和單元能耗分析法研究了礦井水預處理的能耗構成、分布比例和能耗特點等，提出了預處理系統各工藝單元節能降耗技術措施和有效途徑，對礦井水處理行業的節能降耗具有借鑒意義。

1 基本情況

山東礦區某3座礦井水處理站的基本情況如表1所列。

表1 3座礦井水處理站基本情況表Table 1 Basic information of three mine water treatment stations

由表1可知，3座礦井水處理站均正常穩定運行，出水懸浮物含量達到《煤炭工業污染物排放標準》(GB 20426—2006)和《煤礦井下消防、灑水設計規范》(GB 50383—2016)中排放回用要求，或滿足后續深度處理進水懸浮物含量要求。

2 分析方法

礦井水處理站運行能耗形式多樣，大致可分為直接能耗和間接能耗兩部分[11]。其中，礦井水和煤泥水提升的電耗、煤泥轉輸和濃縮脫水的電耗、攪拌反應機械的電耗、采暖通風機械的電耗、廠區照明監控的電耗等均屬于直接電耗。絮凝劑、吸附劑和消毒劑等藥劑耗材的生產所需能源屬于間接能耗。直接能耗客觀地反映了處理站在實際運行過程中的能量消耗，也是能耗分析的重要研究對象。礦井水處理運行能耗分析涉及提升系統、攪拌反應系統、煤泥濃縮脫水系統等方面。

目前，我國污水處理廠應用比較廣泛的能耗分析方法包括比能分析法、單元能耗分析法、層次分析法、生命周期評價法和模糊綜合評價法等。

2.1 比能耗分析法

比能分析法是指將處理單位體積的礦井水所消耗的能量折算為電能表示，或以去除單位數量的懸浮物所消耗的能量來表示[12]，計算公式詳見式(1)。

(1)

式(1)中消耗總能量包括電能耗、熱能耗和化學能耗，分析研究中以設備電能耗為主。比能耗具有計算簡單、直觀性強的優點，可對相同工藝、類似水質進行概括性比較，但不能揭示能耗發生的內在原因和能量利用效率。本文分析研究主要以該方法為主。

2.2 單元能耗分析法

單元能耗分析法是將礦井水處理站按照工藝流程和能耗特征分別對預沉調節、澄清過濾和煤泥處理3個單元進行能耗分析的方法。該方法能更好地分析同一工藝中各單元的能耗特點和不同工藝間的能耗對比、識別節能潛力、篩選節能途徑。根據能耗數據統計，制定反映單元能耗水平的評估指標，可為礦井水處理站能源管理和節能工藝提供針對性依據。本文分析研究還采用了該方法。

2.3 層次分析法

層次分析法是將與決策有關的元素分解成目標、準則和方案等層次，在此基礎上進行定性和定量分析的決策方法[6]。將目標分解為多目標的若干層次，通過矩陣特征向量求解和優先權重分析比較，確定優化方案。該方法多運用于污水處理廠的工藝擇優和運行能耗調查計算，還未見運用于礦井水處理工藝和能耗分析的相關研究報道。

2.4 生命周期評價法

生命周期評價法是指從全過程的角度來識別和量化分析礦井水處理工藝在其生命周期各階段的能耗，找出能耗原因和影響因素，并在此基礎上提出節能措施。礦井水處理站的生命周期分為施工建設、生產運行和廢棄拆除階段。該方法研究實踐起步晚、實施周期長和數據統計期限大等局限，目前運用相對較少。

2.5 模糊綜合評價法

模糊綜合評價法是一種基于模糊數學的綜合評價方法，對邊界不清楚、不容易定量因素進行定量化的綜合評價方法。這種方法的特點是結果清晰、系統性強，具有較強的可操作性和較好的可行性，適合各種非確定性問題的解決[13]。該方法可以全面定量地了解污水處理廠能耗水平，為污水處理行業科學合理地制定節能措施以及規范污水處理廠高速運行提供依據。

3 結果與討論

礦井水預處理系統的能耗分析主要采用了比能耗分析法，從能耗結構和比能耗兩個方面進行研究。由于預處理系統中電耗在總能耗中所占比例極大，而熱耗較少，因此，在能耗分析中以電耗作為分析對象進行研究。

3.1 預處理系統能耗分析

3.1.1 能耗結構分析

礦井水預處理系統的能耗主要分布在礦井水提升、藥劑配制投加與反應攪拌、煤泥輸送與處理等環節，能耗結構分析也從這些重要工藝環節中入手。3座礦井水處理站預處理系統的能耗統計結果如表2所列。

由表2可知，A處理站礦井水提升與處理、藥劑配制投加與反應攪拌、煤泥輸送與處理3個工藝環節的能耗占比分別為82.05%、6.50%和11.11%；同理，B處理站3個工藝環節的能耗占比分別為76.58%、4.18%、18.68%；C處理站3個工藝環節的能耗占比分別為77.38%、5.14%和16.71%。數據分析可知，礦井水提升與處理、藥劑配制投加與反應攪拌、煤泥輸送與處理3個工藝環節能耗占比的加權平均值分別為79.98%、5.80%和13.73%。盡管各處理站的規模、水質不同，但就各工藝環節能耗結構和占比而言，具有明顯的相似性，各站的主要能耗均發生在礦井水提升、煤泥輸送與處理環節，而藥劑配制投加與反應攪拌環節相對較小。

3.1.2 礦井水提升與處理環節

預處理系統中礦井水提升環節包括預沉調節單元至澄清單元的一次提升或澄清單元至過濾單元的二次提升，以及處理后清水的輸送等；礦井水處理環節包括預沉調節單元的刮泥、機械澄清單元的反應攪拌及機械過濾的氣水反沖洗等。由表2數據計算得出，A、B、C三座處理站的礦井水提升與處理環節中提升設備能耗占比分別為95.82%、93.23%和93.96%，提升設備發生能耗與礦井水實際預處理量、工藝構筑物或設備設計高程密切相關。A處理站實際處理量最大，C處理站次之，B處理站最小，這與提升能耗排序相一致。一般情況下，礦井水處理工藝流程設計以一次提升為主，后續工藝依靠重力流完成。中間工藝考慮到高程或壓力需求才配備二次提升或加壓。

A處理站采用穿孔旋流+機械過濾工藝，礦井水需要二次提升加壓。B和C處理站采用水力澄清+無閥濾池工藝，僅一次提升。因此，A處理站提升能耗占比高于B和C處理站。相比而言，A處理站機械過濾設備還存在氣水反沖洗要求，這也會在此環節中消耗較多能量。

3.1.3 藥劑配制投加與反應環節

礦井水預處理中所需藥劑一般包括混凝劑(如鋁鹽、鐵鹽等)、助凝劑(聚丙烯酰胺等)、消毒劑(次氯酸鈉等)和應急藥劑(如粉炭、石灰和酸堿劑等)等。應用較多的藥劑還是以聚合氯化鋁(PAC)和聚丙烯酰胺(PAM)為主。藥劑投加前需要經過攪拌溶解或稀釋，通過計量泵投加到穿孔旋流器或澄清池進行絮凝反應。涉及到的設備(桁車、電動葫蘆、投料機、攪拌機、計量泵等)數量較多，設備功率較小，在總能耗中占比也小。該環節的能耗高低與工藝類型、處理規模、進出水懸浮物含量和加藥量等因素緊密相關。

3.1.4 煤泥輸送與處理環節

由表2可知，A、B和C三座處理站的煤泥輸送與處理環節能耗在實際總電耗中的占比分別為11.11%、18.68%和16.71%。其中，煤泥脫水主要采用板框壓濾機工藝，A處理站污泥泵(包括輸送泵和壓濾入料泵等)在工藝環節中的能耗占比為90.08%，B處理站為85.61%，C處理為94.02%。該環節的能耗高低與處理規模、懸浮物含量、煤泥脫水率及脫水設備等因素緊密相關。

3.2 比能耗分析

為了進一步分析3個處理站的實際能耗水平，對各處理站的比能耗進行了統計，并按單位水量電耗和單位SS去除量電耗兩個角度分析[14]，分析結果如表3所列。

表3 礦井水預處理系統的比能耗分析情況Table 3 Specific energy consumption analysis of mine water pretreatment systems

根據表3中3個處理站的平均處理水量、單位水量電耗和單位SS電耗值，得到3座處理站的單位能耗對比，如圖1所示。

由圖1可知，礦井水處理站預處理系統能耗存在較為明顯的規模效應。不同處理規模下的能耗平均值存在較大的差異。隨著規模的降低，單位水量電耗和單位SS去除量電耗值明顯升高。處理規模為3 500 m3/d的預處理系統平均能耗是規模為14 000 m3/d的預處理系統平均能耗的1.5倍左右。較小處理規模的預處理系統由于需要設置足夠高的安全系數、較大的耐沖擊負荷以及必須的各種設備和工藝配電系統，其高能耗成為必然。另外，由于小規模預處理系統總耗電量基數較低，相對于較大規模預處理系統而言，其節能降耗空間有限，節能貢獻較小。因此，進一步挖掘較大規模(>10 000 m3/d)預處理系統節能潛力，對于礦井水處理站能耗水平的降低具有重要意義。

圖1 預處理規模及其能耗水平對比Fig.1 Comparison of pretreatment scale and energy consumption

3座處理站設計規模和處理量利用率如表4所列。

表4 3個處理站處理量利用率Table 4 Utilization rate of the processing capacity of the three treatment stations

由表4和圖1可知，B處理站和C處理站設計規模相近，B處理站比能耗卻較C處理站大，可能原因之一是B處理站實際負荷率比C處理站低。通常情況下，隨著處理負荷的增加電耗呈下降趨勢，即礦井水預處理系統的電耗具有一定的規模效益[15]。

3.3 節能降耗途徑

礦井水預處理系統的能耗主要分布在礦井水提升與處理、煤泥輸送與處理、藥劑配制投加與反應攪拌等工藝環節，包括設備的電能消耗和預處理涉及的藥劑消耗等。其中，主要的耗能設備是礦井水提升泵、刮泥機、攪拌機、加藥泵、污泥泵和脫水機等；藥劑消耗主要發生在應急調節處理、澄清、煤泥調理與消毒等階段。降低主要耗能設備和工藝的藥劑能源，將是礦井水預處理過程中節能降耗的重要途徑之一。以礦井水預處理的典型工藝“預沉調節+澄清過濾”流程為例，分別就上述環節的能耗加以分析。

3.3.1 礦井水提升

礦井水提升泵是礦井水提升的主要耗能設備，對提升泵進行改進設計有利于在保證水質的情況下減少提升泵的能耗。由表2可知，A、B和C處理站的礦井水提升與處理環節中提升泵的能耗分別占到了總能耗的78.9%、71.8%和73.3%。提升泵的能耗取決于泵的實際工作揚程，同時構筑物水頭損失設計過大也會增加礦井水提升的能耗。因此，設計階段采取管道淹沒出流和控制跌水高度，減小出口處水頭損失等措施可有效降低礦井水提升高度，節約能耗。

選用高效率的提升泵也是節能降耗的重要途徑之一。運行優化改造中可更換成超超或超高效率電機，也可用變頻調速技術控制提升泵，從而有效降低泵的能耗。實際運行數據表明，使用變頻調速設備可使水泵平均轉速降低20%以上，綜合節能效率可達20%～40%，同樣情況下，與用閥門調節流量相比，可節能40%～60%[16]。

此外，使用多級動態液位控制技術也能起到節能降耗的功效。提升泵運行過程中采用控制轉速和運行臺數的方法可讓定速泵在平均流量工況下運行。當出現水流波動較大時，可以適當地增減運轉臺數，然后改變泵的運行速度。

3.3.2 藥劑配制投加

由表2可知，A、B、C處理站礦井水藥劑配制投加環節中藥劑相關能耗占到了總能耗的1.64%、4.21%和5.18%。盡管藥劑相關能耗占預處理系統總能耗不到10%，但是還是具有挖掘節能降耗的潛力。

礦井水預處理藥劑相關能耗主要發生在藥劑攪拌配制和投加中，同時與礦井水的進水懸浮物含量、處理水量和出水水質標準相關。因此，為節省藥劑相關能耗可考慮通過清潔生產降低進水懸浮物含量或提高藥劑有效含量(濃度)從而減少藥劑配制投加量來實現。另外，隨著自動化和PLC程序的普遍應用，藥劑的配制投加應考慮變頻技術與計算機的聯合應用。根據運行工況設計程序，提高效率降低能耗，如變頻加藥計量泵可根據進水水量、水質變化自動適配調整加藥量，避免了額外藥劑投加和能源浪費。

3.3.3 煤泥輸送與處理

煤泥輸送泵和皮帶輸送機是煤泥輸送與處理工藝環節中的主要能耗設備。由表2可知，A、B和C處理站的煤泥輸送與處理能耗分別占到了總能耗的10.3%、16.7%和16.6%。煤泥排放與輸送能耗取決于煤泥泵的實際工作揚程，同時與煤泥含水率、黏性和產泥量密切相關。因此，設計中應優化煤泥排放與輸送的高程和距離，優化煤泥處理構筑物平面布置，實際運行中考慮提高煤泥的調理、濃縮和脫水效果，盡量在源頭處理中做到減量化。同時可考慮將煤泥水輸送至企業內部洗煤廠，與洗煤產生的煤泥水一并處理。

3.3.4 節能降耗管理

(1)完善管理機制

運行管理中可通過分析處理工藝環節的能耗情況，明確不同處理單元的實際能耗需求，確定與預處理能耗密切相關的控制節點，分析挖掘控制節點的節能降耗潛力。基于不同預處理工藝和不同處理規模條件建立能耗評價指標體系，從而能夠反映各工藝環節的能耗水平，便于進行工藝環節間的縱向比較和各處理站間的橫向比較。

建立節能降耗目標，進行能耗分析、節能潛力的識別和能耗管理水平的提升，實現對礦井水預處理系統的精確控制，完成節能降耗目標。

(2)提升節能降耗意識

在日常工作中具備節能降耗意識，做好各個環節的能耗控制。定期進行設備的維修與檢查。對于一些管道，要勤洗勤換，如果出現了異常現象，要及時進行原因分析，并采取相應的解決策略；加強用電負荷調度與用水的管理，避開用電高峰期，對負荷峰值加以必要調整，實現預處理系統的優化與改進。

4 結 論

通過山東礦區3個礦井水處理站預處理系統的能耗分析，得出以下結論：

(1)礦井水預處理系統中工藝環節方面能耗水平由高到低依次為：礦井水提升與處理環節、煤泥輸送與處理環節和藥劑配制投加環節，能耗占比均值分別為79.98%、13.73%和5.80%。

(2)礦井水預處理系統能耗的主要影響因素包括實際處理量、設備功效、系統運行狀況、水質情況和控制管理水平等。

(3)一般地，預處理系統實際處理規模越大，總體能耗水平越低，但還與礦井水預處理工藝，流程設計和平面布置等因素密切相關。

(4)預處理系統的節能降耗可通過優化平面高程設計、優選高效能機電設備、采用多級動態液位和變頻自控技術、加強水質變化監測和完善運行管理等途徑來實現。