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(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院，山東省青島市，266590）

能源消耗急劇增加所引發(fā)的能源供需矛盾加劇、生態(tài)環(huán)境惡化和國際關(guān)系復(fù)雜化等問題引起了人們的普遍關(guān)注。國內(nèi)外對能源替代、能源優(yōu)化配置、能源結(jié)構(gòu)調(diào)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(zhì)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(jié)構(gòu)不合理、共享程度低和利用效率差等現(xiàn)象。出現(xiàn)這些現(xiàn)象的表面原因是缺乏對能源種類與能耗領(lǐng)域的系統(tǒng)分析，未能依據(jù)供需特點對能源種類與能耗領(lǐng)域進行優(yōu)化配置，深層次的原因是缺乏科學(xué)的能源配置方法。能源集成是科學(xué)的能源配置方法之一，集成理論在電子學(xué)的應(yīng)用中取得了節(jié)省資源、提高功能、減少體積等效果，在信息、管理等領(lǐng)域的應(yīng)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(yīng)用將有很好的發(fā)展空間。為此，本文以集成理論作為指導(dǎo)思想，設(shè)計濱湖煤礦能源集成體系，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，科學(xué)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(jié)能方法。

1 濱湖煤礦基本情況

棗莊礦業(yè)集團濱湖煤礦井田面積為44km2，地質(zhì)儲量為7574萬t，可采儲量為3899萬t，設(shè)計生產(chǎn)能力為45萬t／a。礦井位于山東省滕州市濱湖鎮(zhèn)境內(nèi)，井田東側(cè)毗鄰濟 （寧）微 （山）公路和濱湖煤礦的專用公路，并且緊鄰?fù)掏铝繛?40萬t／a的滕州港，經(jīng)微山湖與大運河相連，礦井運輸條件十分優(yōu)越。

2 濱湖煤礦能源利用現(xiàn)狀分析

2.1 礦井水能源綜合利用現(xiàn)狀

濱湖煤礦利用水源熱泵技術(shù)，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(jié)約運行費用約100萬元／a，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)了煙塵、礦井水、爐渣灰零排放，實現(xiàn)了經(jīng)濟效益、社會和環(huán)境效益的統(tǒng)一。礦井水能源綜合利用系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 礦井水能源綜合利用系統(tǒng)圖

2.2 沼氣能源綜合利用現(xiàn)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(fā)沼氣，使得厭氧池生產(chǎn)沼氣達到524286m3／a。經(jīng)過開發(fā)的沼氣可作為礦區(qū)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(yǎng)豬場加溫，同樣可以為養(yǎng)豬場、蔬菜大棚、溫室花房提供夜間照明；沼氣池產(chǎn)生的沼渣和沼液可以作為煤礦農(nóng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

隨著濱湖煤礦的發(fā)展，生產(chǎn)、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(fā)新的能源提供點。目前濱湖煤礦所產(chǎn)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(fā)展，要適時建設(shè)綜合利用煤泥、煤矸石及其他低值煤的電廠，調(diào)整用能結(jié)構(gòu)使得以電能為主向多元化發(fā)展，實現(xiàn)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(tǒng)結(jié)構(gòu)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(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)帷⒂酂?、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(guān)系復(fù)雜、關(guān)聯(lián)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(chǔ)。

3.2 濱湖煤礦能耗特征

煤炭開采受到地質(zhì)構(gòu)造、開采深度、涌水量、瓦斯程度、地?zé)?、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(shù)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(chǎn)及其安全、保障生產(chǎn)設(shè)施設(shè)備、安全設(shè)施設(shè)備及職工必需生活需要。

濱湖煤礦主要能耗領(lǐng)域按能耗領(lǐng)域劃分可分為5個方面。一是井下能耗領(lǐng)域，進一步分為基本生產(chǎn)用能與輔助生產(chǎn)用能2個領(lǐng)域。基本生產(chǎn)能耗領(lǐng)域主要是回采與掘進，輔助生產(chǎn)能耗領(lǐng)域主要包括運輸、提升、排水、通風(fēng)和壓氣等，這些領(lǐng)域主要耗費電力以及少量的油品。由于安全生產(chǎn)與穩(wěn)定生產(chǎn)的需要，這些領(lǐng)域?qū)δ茉捶N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(xiàn)停供的現(xiàn)象。這一領(lǐng)域能源管理的重點是提效節(jié)能，其途徑是技術(shù)改造與創(chuàng)新、管理創(chuàng)新或系統(tǒng)優(yōu)化等。二是地面生產(chǎn)能耗領(lǐng)域，主要包括煤炭洗選與加工、機械制造、礦用設(shè)施設(shè)備維修、礦用物資生產(chǎn)、電力、建材、煤炭轉(zhuǎn)化及其他非煤產(chǎn)業(yè)，主要耗費電、煤、油及加工后的熱氣與冷氣。這些領(lǐng)域用能是必須的，但能夠根據(jù)生產(chǎn)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(lǐng)域，主要包括固廢處理、生活污水與工業(yè)廢水處理、地面運輸、辦公區(qū)域等，這些領(lǐng)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(fā)利用的重要區(qū)域。四是生活能耗領(lǐng)域，這些領(lǐng)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(qū)域。五是服務(wù)領(lǐng)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(lǐng)域。

濱湖煤礦用能環(huán)節(jié)、用能領(lǐng)域復(fù)雜而多樣，用能品種多樣化，能耗領(lǐng)域與環(huán)節(jié)關(guān)聯(lián)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(tǒng)設(shè)計

4.1 能源種類集成

礦區(qū)能源種類集成是指將礦區(qū)所能提供的能源看作一個集成系統(tǒng)，在系統(tǒng)范圍內(nèi)，以能源替代和互補為依據(jù)，實現(xiàn)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(guī)能源。礦區(qū)能源集成利用順序應(yīng)該是優(yōu)先考慮余熱、余壓及以副產(chǎn)品或廢棄物形式出現(xiàn)的可燃固體、氣體和液體；其次考慮太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮芗暗V井水?dāng)y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(yōu)質(zhì)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(yōu)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(fēng)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(xiàn)能源供給的不穩(wěn)定性和不連續(xù)性。為保證礦區(qū)能源供給的穩(wěn)定性和連續(xù)性，故再生能源利用常常要設(shè)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(tǒng)的投資成本，加大了再生能源大規(guī)模利用的難度。

濱湖煤礦能源之間存在著互補性。采用并聯(lián)和串聯(lián)等集成利用手段，揚長避短，將廢棄能源、再生能源與常規(guī)能源聯(lián)合利用。當(dāng)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(dāng)廢棄能源、再生能源不足或中斷時輔助使用常規(guī)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(zhì)能與煤的混合發(fā)電、太陽能集熱器+熱泵+天然氣 （建筑能源供應(yīng)）聯(lián)合開發(fā)、太陽能加熱火力發(fā)電廠的鍋爐給水、大規(guī)模風(fēng)場+燃氣輪機或壓縮空氣蓄能、風(fēng)能和煤化工的集成、風(fēng)光互補等。

4.2 能耗領(lǐng)域集成

濱湖煤礦主要能耗領(lǐng)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(lǐng)域包括回采、掘進、通風(fēng)和排水等用能；次要能耗領(lǐng)域主要是輔助生產(chǎn)、地面工業(yè)廣場、非煤產(chǎn)業(yè)、辦公及生活等用能；一般能耗領(lǐng)域是可以根據(jù)實際進行調(diào)控與替代的能耗領(lǐng)域，如景觀耗能。因此我們應(yīng)首先滿足重點能耗領(lǐng)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(chǎn)與能源的利用存在不統(tǒng)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(diào)節(jié)，降低能源浪費，對于不能夠存儲的能源（如電力、風(fēng)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(yīng)該對某些產(chǎn)業(yè)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(lián)合互補利用

為了保證能源供給穩(wěn)定，保障生產(chǎn)、生活及社會活動的正常進行，提高能源綜合利用效率，設(shè)計礦區(qū)能源聯(lián)合集成利用方法如下：

（1）并聯(lián)利用能源。根據(jù)需要設(shè)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(dāng)某種能源供給出現(xiàn)問題時，轉(zhuǎn)換為另一種能源，或者對同一使用領(lǐng)域同時供給全部或幾種能源，如礦區(qū)浴池可以同時應(yīng)用太陽能、風(fēng)能、余熱及其他常規(guī)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(lián)利用能源。按照能源質(zhì)量，利用有關(guān)技術(shù)，將相關(guān)能源連在一起形成能源提質(zhì)鏈或體系，利用少量的優(yōu)質(zhì)能源使低質(zhì)能源達到能夠利用的狀況，提高低質(zhì)能源的利用效率，如采用熱泵技術(shù)，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(lián)利用能解決低質(zhì)能源無法利用的困難，是能源綜合利用的發(fā)展方向。

（3）混合利用能源。將串聯(lián)與并聯(lián)結(jié)合起來利用，這樣既能夠解決低質(zhì)能源無法利用的問題，又能解決能源供給不穩(wěn)定的問題。

4.3.3 順序利用方式

礦區(qū)任何生產(chǎn)、生活和社會活動都需要能源的投入，生產(chǎn)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(shù)量和比例不同。如果要使所投入的能源種類合適，數(shù)量和比例經(jīng)濟綜合效益高，首先要對所投入能源替代關(guān)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(qū)能源的利用領(lǐng)域進行分析排序，最后再對礦區(qū)能源與能耗領(lǐng)域之間的關(guān)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(yīng)用領(lǐng)域集成體系

4.3.4 層級利用方式

能源轉(zhuǎn)換是由低級向高級轉(zhuǎn)換的過程，中間會產(chǎn)生不同品質(zhì)的能源，這些能源無法滿足終極目標(biāo)的需要，但對于相關(guān)領(lǐng)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(tài)環(huán)境產(chǎn)生污染；能源使用過程一般是由高品質(zhì)向低品質(zhì)轉(zhuǎn)換，這一過程同樣產(chǎn)生其他不同品質(zhì)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(zhuǎn)換或使用過程中所產(chǎn)生的能源依據(jù)其品質(zhì)劃分等級或?qū)蛹?，研究其特性；對能源需求領(lǐng)域依據(jù)其對能源品質(zhì)的需求劃分等級，研究其對能源的需求特性；依據(jù)能源品質(zhì)與等級所對應(yīng)需求領(lǐng)域的等級及所需求能源的品質(zhì)配置能源使用領(lǐng)域，實現(xiàn)能源按其品位逐級加以利用的目的。

4.4 能源與能耗領(lǐng)域集成

對于井下基本、輔助生產(chǎn)領(lǐng)域及煤炭加工與轉(zhuǎn)換利用等領(lǐng)域用能，主要依靠電力、石油和煤炭，并且要持續(xù)供應(yīng)；三廢處理必須用電，很難替代；地面生產(chǎn)領(lǐng)域以消耗電為主，電廠應(yīng)該大力發(fā)展太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能及核能發(fā)電，火力發(fā)電用煤矸石、煤泥等替代煤炭；對于洗選、機修、非煤產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)盡量考慮錯時用能，避開主要生產(chǎn)用能高峰；制冷與采暖領(lǐng)域在利用礦井水的基礎(chǔ)上，以聯(lián)合地?zé)?、太陽能、余熱等能源，發(fā)揮能源互補優(yōu)勢；其他地面輔助領(lǐng)域和生活領(lǐng)域應(yīng)盡量采用太陽能、風(fēng)能、余熱、地?zé)?、余壓、生物質(zhì)能等替代能源，減少電力、煤炭、石油等能源的使用。依據(jù)這一思路設(shè)計濱湖煤礦能源種類與能源應(yīng)用領(lǐng)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(chǔ)上，以能源集成利用為科學(xué)用能方式，建立了能源與能耗領(lǐng)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(zhuǎn)換品位對口互補”為原則，通過物理化學(xué)等關(guān)鍵過程的集成和革新，實現(xiàn)不同能源利用系統(tǒng)之間能量轉(zhuǎn)化利用過程的互補，在系統(tǒng)高度上按照不同能源品位的高低進行綜合互補利用，實現(xiàn)能源之間的優(yōu)勢互補，徹底取代了燃煤鍋爐，最大限度的節(jié)約了常規(guī)能源，優(yōu)化了能源消費結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益的共贏，構(gòu)建了礦區(qū)生態(tài)建設(shè)新模式，這也打造了濱湖煤礦節(jié)能減排、發(fā)展低碳經(jīng)濟和生態(tài)文明的新亮點，在煤炭行業(yè)具有極大的推廣價值。

5 結(jié)論

濱湖煤礦能夠提供的能源種類多、能耗領(lǐng)域多、用能種類多，建立科學(xué)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(tǒng)的方法，將常規(guī)能源、再生能源和廢棄能源作為一個整體能源供給系統(tǒng)來考慮。能源集成利用體系解決了濱湖煤礦能源關(guān)系混亂、能源孤立開發(fā)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(lián)合互補利用研究，充分利用廢棄和新能源，優(yōu)化了能源結(jié)構(gòu)；通過能源順序利用研究，優(yōu)化了能源利用順序；通過能源層級利用研究，實現(xiàn)了能源的綜合利用。總之，該研究為能源與能源利用領(lǐng)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(jié)構(gòu)的調(diào)整奠定了基礎(chǔ)。

［1］ 倪維斗，高健等.用風(fēng)電和現(xiàn)代煤化工的集成系統(tǒng)生產(chǎn) “綠色”甲醇／二甲醚 ［J］.中國煤炭，2008（12）

［2］ 張運河，梁玉國，張慶.低碳經(jīng)濟背景下的中國能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化 ［J］.價值工程，2011 （11）

［3］ 曹敏.優(yōu)化我國能源消費結(jié)構(gòu)的對策研究 ［J］.全國商情·理論研究，2010 （2）

［4］ Michael E·Porter.Clusters and the New Economics of Competition ［J］ .Harvard Business Review，Nov／Dec 1998

［5］ 曾勝，鄭賢貴，饒呈祥.我國能源消費結(jié)構(gòu)與經(jīng)濟增長的關(guān)聯(lián)關(guān)系分析 ［J］.軟科學(xué)，2009 （8）

［6］ ［英］馬歇爾.經(jīng)濟學(xué)原理 （上卷），中譯本 ［M］.北京：商務(wù)印書館，1964

［7］ 徐康寧.當(dāng)代西方產(chǎn)業(yè)集群理論的興起、發(fā)展和啟示 ［J］.經(jīng)濟學(xué)動態(tài)，2003 （3）

［8］ P·Krugman.Increasing Returns and Economic Geography［J］.JPE，1991（3）

［9］ 吳秋明.集成管理理論研究 ［D］.武漢理工大學(xué)，2004 （3）

［10］ 陳捷娜，吳秋明.集成管理研究綜述 ［J］.科技進步與對策，2011 （8）

［11］ 張興安.濱湖煤礦礦井水生態(tài)化利用 ［J］.環(huán)境保護，2010 （5）