礦區(qū)多能互補(bǔ)近零碳供熱模式研究

李瑞華，武 進(jìn)

(中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西省西安市，710054)

0 引言

能源是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是推進(jìn)碳達(dá)峰、碳中和的主戰(zhàn)場(chǎng)，由化石能源主導(dǎo)的高碳能源系統(tǒng)正逐步向清潔能源主導(dǎo)的低碳、近零碳能源系統(tǒng)過(guò)渡[1-2]。供熱領(lǐng)域也逐步向清潔化、低碳化、多元化方向發(fā)展，供熱能源結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化。2022年6月，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局等9部委聯(lián)合印發(fā)的《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》首次提出了可再生能源非電利用目標(biāo)，建立可再生能源與傳統(tǒng)能源協(xié)同互補(bǔ)、梯級(jí)利用的供熱體系?！半p碳”目標(biāo)也倒逼煤炭行業(yè)加快綠色轉(zhuǎn)型步伐，煤炭的碳排放主要集中在開發(fā)利用過(guò)程、生產(chǎn)用能環(huán)節(jié)和瓦斯排放等方面，其中煤炭燃燒產(chǎn)生的碳排放占生產(chǎn)用能環(huán)節(jié)的碳排放比例超過(guò)50%[3]，這主要是由于礦區(qū)燃煤鍋爐供熱產(chǎn)生的。近年來(lái)，各地對(duì)小型燃煤鍋爐的淘汰也在加緊推進(jìn)，以陜西省為例，2018年陜西省政府辦公廳印發(fā)的《陜西省鐵腕治霾打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)方案》(2018-2020年)中就已明確全省不再新建35 t/h以下的燃煤鍋爐。未來(lái)隨著“雙碳”政策的逐步落地，小型燃煤供熱鍋爐將面臨淘汰的困境，尤其對(duì)于北方寒冷地區(qū)的煤礦，供熱熱負(fù)荷普遍較大，燃煤鍋爐淘汰后的供熱缺口將難以彌補(bǔ)。同時(shí)，煤炭生產(chǎn)企業(yè)也提出“零碳礦井”“零碳礦區(qū)”等發(fā)展理念[4-5]，以綠色零碳能源供應(yīng)實(shí)現(xiàn)“零碳煤”的開采供應(yīng)。

筆者提出的基于礦井伴生能源耦合可再生能源的多能互補(bǔ)近零碳供熱模式，可有效解決燃煤鍋爐淘汰后礦區(qū)的供熱問(wèn)題，既能夠提高單一清潔能源利用率，又可以使多能互補(bǔ)協(xié)同效應(yīng)發(fā)揮到最佳，彌補(bǔ)燃煤鍋爐淘汰后的供熱缺口，實(shí)現(xiàn)近零碳供熱，為“零碳礦區(qū)”的落地實(shí)施奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 煤礦礦區(qū)熱負(fù)荷及熱資源分析

1.1 煤礦礦區(qū)熱負(fù)荷分析

煤礦礦區(qū)熱負(fù)荷包含礦井及選煤廠區(qū)域的供熱熱負(fù)荷，大體分為礦井井筒防凍熱負(fù)荷、生產(chǎn)及行政福利建筑采暖熱負(fù)荷和生活用熱負(fù)荷，前2類屬于季節(jié)性熱負(fù)荷，生活用熱負(fù)荷屬于常年性熱負(fù)荷[6-7]。供熱對(duì)于煤礦的正常安全生產(chǎn)至關(guān)重要，若井筒防凍效果不佳，立井井壁出現(xiàn)結(jié)冰會(huì)對(duì)提升設(shè)備和人員的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，甚至可能發(fā)生冰凌突然墜落的惡性事故，斜井路面結(jié)冰會(huì)造成路面打滑，嚴(yán)重威脅行車和行人安全，因此要求煤礦井筒進(jìn)風(fēng)混合溫度不低于2 ℃；建筑采暖效果也會(huì)直接影響選煤廠浮選工藝、煤泥水處理和行政辦公等煤礦正常的生產(chǎn)生活；生活用熱負(fù)荷主要為洗浴用熱，受排班制度影響屬于間歇性用熱，一般與之配套的小型儲(chǔ)熱水箱能夠緩沖熱源側(cè)的短時(shí)波動(dòng)。我國(guó)部分地區(qū)煤礦礦井熱負(fù)荷構(gòu)成[8-9]見(jiàn)表1。

表1 我國(guó)部分地區(qū)煤礦礦井熱負(fù)荷構(gòu)成 MW

由表1可以看出，在礦井熱負(fù)荷中礦井井筒防凍熱負(fù)荷和生產(chǎn)及行政福利建筑采暖熱負(fù)荷占比較高，而生活用熱熱負(fù)荷占比較小。不同規(guī)模的礦井其熱負(fù)荷差異也較大，即產(chǎn)能規(guī)模越大、環(huán)境條件類似時(shí)，其熱負(fù)荷越大。礦井井筒防凍熱負(fù)荷主要受礦井通風(fēng)量大小的影響，生產(chǎn)建筑采暖熱負(fù)荷主要受建筑指標(biāo)(體積、面積等)的影響，兩者與產(chǎn)能規(guī)模相對(duì)關(guān)聯(lián)度較大，行政福利建筑采暖熱負(fù)荷和生活用熱負(fù)荷與礦區(qū)人員規(guī)模相關(guān)，隨著煤炭行業(yè)進(jìn)入規(guī)模化、智能化后，各礦區(qū)人員規(guī)模相差較小，生活用熱負(fù)荷多數(shù)在2 MW左右，相差不大。

1.2 煤礦礦區(qū)熱資源分析

煤礦礦區(qū)供熱有別于其他園區(qū)供熱的一大特點(diǎn)是礦井擁有較為豐富的伴生能源，包含礦井回風(fēng)余熱、礦井排水余熱、瓦斯發(fā)電余熱、空壓機(jī)余熱等[10-11]。煤礦井下生產(chǎn)過(guò)程中機(jī)電設(shè)備散熱、運(yùn)輸中煤和矸石的散熱和氧化放熱等均會(huì)產(chǎn)生大量熱量，這部分低品位的熱量經(jīng)礦井回風(fēng)和礦井排水帶到地面，通過(guò)熱泵回收后可用于供熱系統(tǒng)。礦井回風(fēng)余熱和礦井排水余熱資源量豐富，通?？蛇_(dá)5～10 MW，主要受回風(fēng)量、礦井排水量和溫度的影響；瓦斯發(fā)電對(duì)瓦斯?jié)舛扔幸?，在高瓦斯礦井應(yīng)用較多，余熱量可達(dá)1～5 MW；空壓機(jī)余熱量較小，一般有200～600 kW，多用于滿足間歇性生活用熱。

煤礦礦區(qū)有大量的采煤沉陷區(qū)等土地資源，風(fēng)光資源較為豐富，當(dāng)前主要以光伏利用為主。將可再生能源應(yīng)用于礦區(qū)供熱系統(tǒng)中時(shí)，要結(jié)合礦區(qū)生產(chǎn)特點(diǎn)和用熱特性來(lái)分析。對(duì)于風(fēng)光資源的利用，建議以光資源利用為主，這主要是由于礦區(qū)風(fēng)電受風(fēng)資源分布和地質(zhì)穩(wěn)定性的影響[12-13]，可利用區(qū)域相對(duì)有限；光資源能量密度較低，規(guī)?；瘧?yīng)用主要是光伏和光熱利用兩大類，在礦區(qū)的大規(guī)模應(yīng)用建議以光伏應(yīng)用為主，光熱通過(guò)管道硬連接，對(duì)于地質(zhì)變形的適應(yīng)性和維護(hù)工作遠(yuǎn)不如光伏簡(jiǎn)單。此外，光熱僅在采暖季利用，光伏可全年利用，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和設(shè)備利用率遠(yuǎn)高于光熱。

2 煤礦礦區(qū)多能互補(bǔ)近零碳供熱系統(tǒng)模式

2.1 設(shè)計(jì)原則

在煤礦礦區(qū)熱負(fù)荷和熱資源分析的基礎(chǔ)上，按照“分區(qū)動(dòng)態(tài)平衡”的思路將熱源和用熱需求進(jìn)行匹配，根據(jù)空間距離的遠(yuǎn)近將用熱終端劃分成不同區(qū)域，再根據(jù)區(qū)域內(nèi)熱源分布情況依次增加熱源，以各區(qū)域熱平衡為基礎(chǔ)構(gòu)成整個(gè)礦區(qū)供熱循環(huán)大平衡。礦區(qū)多能互補(bǔ)近零碳供熱系統(tǒng)中以礦井伴生能源為基礎(chǔ)負(fù)荷，不足部分由可再生能源+儲(chǔ)熱來(lái)補(bǔ)充?？紤]到可再生能源的不穩(wěn)定性，以外部電網(wǎng)電能作為供暖季長(zhǎng)時(shí)間風(fēng)光資源不足時(shí)的替代熱源。

2.2 系統(tǒng)模式研究

由于我國(guó)煤礦區(qū)域所處地理位置、產(chǎn)能規(guī)模等的差異，不同礦區(qū)的熱源和熱負(fù)荷也不盡相同。對(duì)于選定的礦井而言，礦井伴生能源資源量基本保持穩(wěn)定，短時(shí)間內(nèi)的波動(dòng)量較小。通過(guò)礦井伴生能源資源量與礦區(qū)最大熱負(fù)荷之間的關(guān)系，筆者提出了以下3種典型的近零碳供熱系統(tǒng)模式。在礦區(qū)逐時(shí)熱負(fù)荷計(jì)算的基礎(chǔ)上，基于氣象數(shù)據(jù)庫(kù)中的氣象數(shù)據(jù)，選擇最大熱負(fù)荷前后的典型日為分析對(duì)象，整體環(huán)境溫度為-10～8 ℃，若熱源可供熱量能滿足最大熱負(fù)荷，則整個(gè)供暖季熱負(fù)荷需求也能保證，在此對(duì)3種模式的礦井伴生能源資源量與礦區(qū)熱負(fù)荷的匹配關(guān)系進(jìn)行對(duì)比分析。

2.2.1 礦井伴生能源

該模式針對(duì)礦井伴生能源資源量遠(yuǎn)大于礦區(qū)最大熱負(fù)荷的情景，對(duì)地處環(huán)境氣溫較高的煤礦，如安徽淮南、山東棗莊等部分煤礦，其熱負(fù)荷較小，利用單一的礦井回風(fēng)余熱或礦井排水余熱即可滿足整個(gè)礦區(qū)熱負(fù)荷需求。礦井伴生能源源荷匹配關(guān)系如圖1所示。

圖1 礦井伴生能源源荷匹配關(guān)系

隨著環(huán)境溫度的逐時(shí)變化，建筑采暖熱負(fù)荷和井筒防凍熱負(fù)荷也隨之相應(yīng)變化，生活用熱熱負(fù)荷屬于間歇性熱負(fù)荷，受環(huán)境影響較小。該模式下礦井伴生能源可提供的熱量任何時(shí)間段均大于礦區(qū)總熱負(fù)荷，熱源能夠完全覆蓋全時(shí)段的熱負(fù)荷需求，如中煤新集劉莊礦業(yè)有限公司就已全部采用礦井回風(fēng)余熱淘汰和替代了4×10 t/h的燃煤蒸汽供熱鍋爐。該模式采用單一熱源或幾種熱源的組合就可以實(shí)現(xiàn)燃煤鍋爐的淘汰和替代，系統(tǒng)簡(jiǎn)單且改造工程量小，以替代2×20 t/h燃煤鍋爐為例，可減少碳排放量約1萬(wàn)t/a。

2.2.2 礦井伴生能源+短期儲(chǔ)熱

該模式針對(duì)礦井伴生能源資源量略小于礦區(qū)最大熱負(fù)荷的情景，在礦井伴生能源的基礎(chǔ)上增加短期儲(chǔ)熱系統(tǒng)，如陜西關(guān)中地區(qū)煤礦，短期儲(chǔ)熱系統(tǒng)既可以作為供熱系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的緩沖，也可以作為極端條件下供熱系統(tǒng)的備用熱源，可以有效解決熱源缺口難題。若按照礦井伴生能源模式(無(wú)儲(chǔ)熱)運(yùn)行，礦區(qū)回風(fēng)或礦井排水中的余熱在環(huán)境溫度較高時(shí)，就有大部分熱能未被利用，因而造成浪費(fèi)。礦井伴生能源+短期儲(chǔ)熱源荷匹配關(guān)系如圖2所示。

圖2 礦井伴生能源+短期儲(chǔ)熱源荷匹配關(guān)系

由圖2可以看出，熱負(fù)荷的日變化較大，波動(dòng)有時(shí)可達(dá)70%以上，圖中礦井伴生能源可供量為15 MW，與礦區(qū)最大熱負(fù)荷18.5 MW之間相差較小，短期儲(chǔ)熱系統(tǒng)可在白天環(huán)境氣溫較高、熱負(fù)荷較小時(shí)將多余的礦井伴生熱量回收儲(chǔ)存起來(lái)，在夜間氣溫較低時(shí)逐步釋放，與持續(xù)性熱源相疊加共同滿足總熱負(fù)荷需求。同時(shí)，儲(chǔ)熱量的大小根據(jù)次日調(diào)峰負(fù)荷量來(lái)進(jìn)行儲(chǔ)存(如圖2中所示每日的儲(chǔ)熱量不同)。該模式是對(duì)模式一的進(jìn)一步優(yōu)化，能夠進(jìn)一步提高礦區(qū)余熱利用率，以替代2×20 t/h燃煤鍋爐為例，可減少碳排放量約1.2萬(wàn)t，比模式一減少碳排放約20%。

2.2.3 礦井伴生能源+可再生能源+短期儲(chǔ)熱

該模式針對(duì)礦井伴生能源資源量小于礦區(qū)最大熱負(fù)荷的情景，僅依靠礦井伴生能源遠(yuǎn)不足以滿足最大熱負(fù)荷的要求，如陜西榆林、山西朔州等部分煤礦，通過(guò)與可再生能源(以光伏為例)耦合供熱來(lái)滿足供熱需求。白天時(shí)段光伏所發(fā)的綠電經(jīng)電鍋爐轉(zhuǎn)為熱能后進(jìn)行存儲(chǔ)，在夜晚低溫時(shí)段釋放補(bǔ)充熱量[14-15]。以持續(xù)性熱源(礦井伴生能源)為主承擔(dān)基本負(fù)荷，調(diào)峰負(fù)荷由儲(chǔ)熱來(lái)分擔(dān)，儲(chǔ)熱熱量主要來(lái)源于2個(gè)方面：一方面是白天熱負(fù)荷低于礦井伴生能源時(shí)儲(chǔ)存的熱量，另一方面是光伏所產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)化為熱能儲(chǔ)存起來(lái)的部分。若出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)光資源不足時(shí)，可利用外部電網(wǎng)帶動(dòng)電鍋爐供熱彌補(bǔ)缺口，以滿足煤礦井筒、重要生產(chǎn)車間和辦公宿舍的用熱，確保煤礦生產(chǎn)安全。礦井伴生能源+可再生能源+短期儲(chǔ)熱源荷匹配關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 礦井伴生能源+可再生能源+短期儲(chǔ)熱源荷匹配關(guān)系

由圖3可以看出，礦井伴生能源可供量總計(jì)為10 MW，與礦區(qū)最大熱負(fù)荷18.5 MW相差較大，礦井伴生能源僅夠承擔(dān)基本負(fù)荷，基本負(fù)荷之上的調(diào)峰負(fù)荷就需外部熱源進(jìn)行補(bǔ)充，該部分由太陽(yáng)能來(lái)承擔(dān)，即白天將太陽(yáng)能所發(fā)電能轉(zhuǎn)化為熱能進(jìn)行儲(chǔ)存，出現(xiàn)調(diào)峰負(fù)荷缺口時(shí)逐漸按需釋放。該模式為高寒地區(qū)煤礦低碳清潔供熱提供了解決方案，通過(guò)多能互補(bǔ)來(lái)協(xié)同解決燃煤鍋爐淘汰后的巨大熱缺口難題，以替代2×20 t/h燃煤鍋爐為例，較燃煤鍋爐減少碳排放約2.2萬(wàn)t/a。

3 碳排放分析

按照“零碳礦區(qū)”的建設(shè)理念，燃煤供熱鍋爐的淘汰是必然選擇，對(duì)于礦區(qū)多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)而言，碳排放主要來(lái)源于外部電網(wǎng)電能中“灰電”產(chǎn)生的碳排放。筆者提出的3種典型的供熱模式中，碳排放為供熱系統(tǒng)耗電折算產(chǎn)生的間接碳排放。模式三中有可再生能源發(fā)電，非供暖時(shí)段所發(fā)綠電可用于礦區(qū)生產(chǎn)生活，從供熱系統(tǒng)邊界來(lái)看，其在源源不斷向外提供綠電，基本可實(shí)現(xiàn)零碳排放。此外，從遠(yuǎn)期來(lái)看，電網(wǎng)中新能源比例逐年升高，碳排放因子未來(lái)將逐步下降達(dá)到平衡趨近于零，3種模式均能實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)近零碳排放。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著小型燃煤鍋爐的淘汰和“零碳礦區(qū)”的逐步推進(jìn)，礦區(qū)多能互補(bǔ)清潔供熱將是一個(gè)重要的發(fā)展方向。筆者基于礦區(qū)熱負(fù)荷和熱資源分析，通過(guò)對(duì)各類礦井伴生能源量及礦區(qū)可再生能源利用方式的分析，根據(jù)礦井伴生能源資源量與礦區(qū)熱負(fù)荷的大小關(guān)系，提出了3種典型的近零碳供熱模式，將儲(chǔ)熱和可再生能源與礦井伴生能源相結(jié)合，以多能互補(bǔ)協(xié)同的技術(shù)路線解決了燃煤鍋爐房淘汰后供熱缺口難題，可進(jìn)一步提升了礦區(qū)能源利用效率，大幅降低碳排放水平。