煤炭矿区能源集成利用方式研究.pdf

第3 3 卷第4 期 2 0 1 3 年0 8 月 矿冶 工 程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G I N E E R I N G V 0 1 ．3 3 №4 A u g u s t2 0 1 3 煤炭矿区能源集成利用方式研究① 任一鑫1 ，曾宪迪2 ，张士强1 1 ．山东科技大学，山东青岛2 6 6 5 9 0 ；2 ．山东裕隆矿业集团，山东曲阜2 7 3 1 0 0 摘要针对矿区能源孤立开发与利用、综合利用程度低、共享程度低的问题，结合矿区能源实际情况，利用集成理论对矿区能源 集成利用方式进行了研究。在探究矿区能源关系和能耗特点的基础上，创建了以错时、互补、顺序利用等为主体的矿区能源集成利 用方式。该研究为解决矿区能源孤立开发与利用、废弃能源与再生能源利用率低等问题提供了新思路，为能源的优化配置提供了 新的分析方法。 关键词能源关系；煤炭矿区；能耗领域；集成利用方式 中图分类号F 4 0 7文献标识码Ad o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 - 6 0 9 9 ．2 0 1 3 ．0 4 ．0 3 2 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 3 0 4 0 1 2 3 一0 4 M e t h o d sf o rI n t e g r a t e dU t i l i z a t i o no fE n e r g yi nC o a lM i n i n gA r e a s R E NY i x i n l ，Z E N GX i a n - d i 2 ，Z H A N GS h i q i a n 9 1 1 ．S h a n d o n gU n w e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，Q i n g d a o2 6 6 5 9 0 ，S h a n d o n g ，C h i n a ；2 ．S h a n d o n gY u l o n gM i n i n g G r o u p ，Q 咖2 7 3 1 0 0 ，S h a n d o n g ，C h i n a A b s t r a c t I nv i e wo ft h ep r o b l e m so fi s o l a t e dd e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o n ，l o wc o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o na n dl o ws h a r i n g o fe n e r g yi nc o a lm i n i n ga r e a s ，m e t h o d sf o ri n t e g r a t e du t i l i z a t i o no fe n e r g yi nc o a lm i n i n ga r e a 8w e r es t u d i e db yu s i n g i n t e g r a t i o nt h e o r yi nc o m b i n a t i o nw i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o no fe n e r g yu t i l i z a t i o ni n c o a lm i n i n ga r e a s ．O nt h eb a s i so f p r o b i n gt h ee n e r g yr e l a t i o n s h i pa n de n e r g yc o n s u m p t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，am e t h o db a s e do ns t a g g e r e d ，c o m p l e m e n t a r y a n ds e q u e n t i a lu s e sw a se s t a b l i s h e df o ri n t e g r a t e du t i l i z a t i o no fe n e r g y ．T h i sr e s e a r c hh a sp r o v i d e dn o to n l yan e wi d e a f o rr e s o l v i n gp r o b l e m ss u c ha si s o l a t e dd e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no fe n e r g y ，l o wu t i l i z a t i o no fw a s t ee n e r g ya n d r e n e w a b l ee n e r g y ，b u ta l s oa san e wa n a l y s i sm e t h o df o ro p t i m i z e da l l o c a t i o no fe n e r g y ． K e yw o r d s e n e r g yr e l a t i o n s h i p ；c o a lm i n i n ga r e a ；e n e r g yc o n s u m p t i o nf i e l d ；i n t e g r a t e du t i l i z a t i o nm e t h o d 煤炭行业作为重点能耗领域之一，尽管近年来对 能源管理开展了深入的研究，使得能耗大幅度降低、能 效大幅度提高，但仍然存在能源浪费、综合利用程度 低、消费结构不合理、共享程度低、利用效率差等现象。 出现这些现象的表面原因是缺乏对能源种类与能耗领 域的系统分析，未能依据供需特点对能源种类与能耗 领域进行优化配置，深层次原因是缺乏科学的能源配 置方法。就目前研究现状来看，国内外对能源替代、能 源优化配置、能源结构调整和能源综合利用等的研究 较多。4 1 ，但运用集成方法研究矿区能源利用方式的 极少。为此，本文提出利用集成理论作指导，研究矿区 能源集成利用方式，优化能源结构，科学配置能源，提 高矿区能源，尤其是再生、闲置能源的综合利用程度， 探讨新的节能方法，为矿区能源与耗能领域优化配置 提供分析方法。 1 矿区能源利用现状分析 目前，煤炭矿区能源开发与利用已经出现多元化 发展的趋势，新能源替代煤炭发电，余热用于井口防 冻、采暖制冷、温室种植养殖等，因此在这些领域中积 累了相应的经验，但从矿区能源利用方式来看，还存在 着以下问题 1 能源消费结构不合理，一次能源消费比例过 大，能源消费顺序不科学，能源利用率低。我国煤炭矿 区的能源消耗主要以传统能源为主，新能源和废弃能 源比例较小；由于化石燃料是不可再生资源，资源一旦 枯竭，新能源和再生能源很难立刻替代它在经济发展 中的地位；煤炭深加工程度低，煤矸石、粉煤灰等副产 ①收稿日期2 0 1 3 ．0 3 1 1 作者简介任一鑫 1 9 6 2 一 ，男，山东莱西人，教授，博士，博士研究生导师，主要研究循环经济、能源管理、生态经济等。 万方数据 矿冶工程 第3 3 卷 品利用率不高，据资料统计，当前8 5 ％的煤炭是通过 直接燃烧使用的，能源效率约为3 3 ％，比发达国家低 约1 0 个百分点，造成了能源的浪费并给环境带来了严 重的污染‘5 | 。 2 新能源技术普及率低，未得到大规模使用。再 生能源利用率不高、开发利用技术建设成本较高、开发 利用瓶颈等问题一直困扰着我国矿区能源技术的发 展。据统计，我国再生能源在发电装机中尚未达到 1 ％，远远低于1 6 ％的世界平均水平。 3 废弃能源利用不充分，资源浪费严重。据统 计，很多矿区矿井水余能、电厂余能等大量低品位废弃 能源被闲置或直接排放，一方面给矿区及其城市环境 带来热污染，另一方面，这些能量直接排放，而不通过 先进技术加以利用，也是对能源及资源的极大浪费，这 在能源十分短缺的形势下，废弃能源的浪费及其造成 的负面影响是与社会发展极不适宜的。 综上，矿区能源利用过程中出现上述问题的根本 原因是缺少能源优化配置的方法。矿区能源系统利用 性差，梯级利用和综合利用程度低，能源消耗过程中缺 乏理论和方法支撑，而能源集成是能源优化配置的途 径之一。因此，就要分析能源的集成关系。 2 矿区能源集成关系和能耗特征 能源关系和能耗特征是矿区能源集成的出发点， 也是研究能源集成关系、进行能源结构优化的基础。 2 ．1 矿区能源集成关系 矿区能源的主要特点是能源种类多、来源广、各种 能源之间存在关联性。矿区能够提供的能源种类，尤 其是废弃能源种类较多，如热能、煤层气、煤泥、煤矸 石、油页岩、乏风、水能、煤焦化与煤化工等产生可燃资 源等。矿区能源种类不同，特点和用途各异，能源之间 关系复杂，关联性强，能源之间既可以替代，又可以互 补，这为能源种类集成奠定了基础。 2 ．2 矿区能耗特征 1 矿区主要能耗领域按其重要程度可分为重点、 次要及一般3 个层面，重点能耗领域包括回采、掘进、 通风、排水等；次要能耗领域主要是辅助生产、地面工 业广场、非煤产业、办公及生活、生活服务产业等用能； 一般能耗领域是可以根据实际进行调控与替代的能耗 领域，如景观耗能。因此，应首先满足重点能耗领域， 依此类推。 2 煤炭开采受地质构造、开采深度、涌水量、瓦斯 程度、地热、自燃、粉尘爆炸等自然因素影响比较大，也 受开采工艺与技术的影响。因此，矿区进行能源集成 利用时必须考虑保障煤炭生产及其安全、保障生产设 施设备、安全设施设备及职工必需生活需要。 矿区用能环节、用能领域多且复杂，用能品种又多 样，能耗领域与环节存在各种联系，关联性强，能够进 行集成利用，这为研究矿区能源集成利用方式提供了 可能。 3 矿区能源集成利用方式 要解决同种能源在不同使用领域的数量分配、同 一耗能领域采用哪种能源或能源组合、同一时间能源 如何布局，实现能源梯级和联合利用等问题，就需要研 究能源与耗能领域的集成方式。能源集成利用可以做 到错时、错峰，使各种高低品位能源梯级利用和联合利 用，实现矿区能源科学、合理、有序、综合利用，提高能 源系统效率怕。矿区能源集成利用方式主要有错 时、替代与互补、梯级和联合利用方式。 3 ～错时利用方式 3 ．1 ．1 错时用能原理矿区能源分配与利用，是通过 能源配置系统完成的。能源配置系统中配置方法有很 多，能源错时利用是其方法之一。由于能源生产与能 源利用时间和空问上存在不统一性，能够存储的能源 如煤炭 可以利用库存来进行调节降低能源浪费 虽 然使用成本高 ，对于不能够存储的能源 如电力、风 能、太阳能等 如果不及时利用，就会造成浪费。因 此，需要依据能源供给系统的能源供应情况及耗能领 域的不同用能规律，合理地、有计划地安排和组织各个 耗能领域的用能时间，在保障生活和生活正常运转的 前提下，尽可能错开用能的高峰期，而在低谷期利用不 能存储的多余能源，解决能源生产与利用峰谷不协调 的问题。 3 ．1 ．2 方案设计错时用能手段主要包括研究和系 统分析矿区各耗能领域的生产特点、工艺流程及能耗 特性，归纳各领域各时段用能种类、数量，采用多种手 段优化用能方式，对能源进行合理的调整，经济合理的 安排尖峰、高峰、平均及低谷时段的能源种类，最大限 度地将尖峰时段的能源，尤其是将可存储的能源转移 至低谷时段H 1 。 矿区生产一般分为间断生产和连续生产两类。连 续生产，如井下生产和辅助生产，这一领域用能必须保 证，不能间断；而井上生产、生活等很多领域则是可间 断生产类型。错时用能利用方式主要是通过改变生产 作业时间来调整间断生产的用能时间，将相对不太重 要的作业时间安排在能耗低谷或平荷时段进行。具体 方案①对井上生产、辅助等领域作业过程控制进行调 整，可以考虑在尖峰时段按生产能力的合理比例5 0 ％组 织生产；在高峰时段按生产能力的5 0 ％～7 0 ％组织生 产；在平荷时段按生产能力的8 5 ％～9 0 ％组织高负荷生 产，在低谷时段组织满负荷甚至超负荷生产Mo 注这里 的数据只是一种假设的合理优化生产比例 。②对景 万方数据 第4 期 任一鑫等煤炭矿区能源集成利用方式研究 观耗能等不重要的用能方式在用能尖峰和高峰期则可 考虑不予供能。③在用能高峰期，合理调配储备的能 源，而在低谷时尽量使用不能存储的能源。 3 ．2 替代和互补利用方式 3 ．2 ．1替代利用方式同种能源有多种用途，各种用 途在矿区发展中发挥的作用不同，其重要程度也不同， 由此可将用能领域划分为重要领域、次要领域与一般 领域。一般来说，首先，保证社会经济发展重要领域的 能源供应；其次，满足次要领域的能源供应；最后才考 虑一般领域能源供应一1 。 每种能源具有多种用途，各种用途在经济和社会 发展中的作用和地位不同，其贡献也不同；不同能源能 满足同一需求，但能源存量、流量不同，能源再生速度 不同，其应用时产生的效益不同，对生态环境影响程度 也不同一] 。因此应尽可能用存量大、流量多、再生速 度快的能源代替存量小、流量少、再生速度慢的能源， 用效益好的能源来代替效益差的能源，以新能源、闲置 能源替代常规能源。例如矿井水热能可以替代燃烧煤 炭供暖，煤泥、煤矸石、太阳能等可以替代煤炭发电等。 3 ．2 ．2 互补利用方式能源互补利用首先要分析能 源特点及其互补性。不同种类能源其特性各异，如果 一种能源的优点恰好是另一种能源的缺点，那么它们 就具有互补利用的可能性。目前的情况下人类还不能 对自然界的能源 如风能、太阳能等 进行有效的控 制，这些能源的利用往往遇到不可控因素的影响，出现 能源供给的不稳定性和不连续性。为保证矿区能源供 给的稳定和连续，再生能源利用常常要设置大容量的 蓄能装置，蓄能装置不但受到蓄能材料的制约而且投 资大，占地面积广，增加了再生能源系统的投资成本， 加大了再生能源大规模利用的难度。为了解决上述难 题就需要利用能源互补特性，尤其是再生能源与常规 能源的优势互补，在一个领域采用不同品种的能源，当 再生能源出现问题时，利用常规能源进行候补，保证生 产的稳定性‘1 ⋯。 3 ．3 梯级利用方式 能源的梯级利用包括按质用能、逐级多次利用 1 按质用能就是尽可能不使高质能源去做低质 能源可完成的工作；在一定要用高温热源来加热时，也 尽可能减少传热温差；在只有高温热源，又只需要低温 加热的场合下，则应先用高温热源发电，再利用发电装 置的低温余热加热，如热电联产。在利用过程中需减 少不必要的能量转换，按能源品位对高、低热值能源逐 级加以利用。对于余热能源，其一，要提高余热质量， 高低温余热不要混合；其二，回收的余热尽可能地在生 产过程中直接使用，尽量不考虑转化为其它种类的能 源“。能源的综合梯级利用如图l 所示。 I曼焦l 黼一甬r ] 一田 [ 1 f i ] ll 唏I 垄皇I 面| | 音圜 固Il I 生蕊水I 面U 一圆 圈1 能遁增纷剩用图 2 能源转化是由低级向高级转化的过程，中间会 产生不同品质的能源，这些能源无法满足终极目标的 需要，但对于相关领域仍然有使用价值，需要进行利 用，否则，不仅造成浪费，也对生态环境产生污染。能 源使用过程一般是由高品质向低品质转化，这一过程 同样产生其他不同品质的中间能源，也同样需要加以 利用。能源逐级多次利用就是对能源转化或使用过程 中所产生的能源依据其品质划分等级或层级，研究其 特性；对能源需求领域依据其对能源品质的需求划分 等级，研究其对能源的需求特性；依据能源品质与等级 所对应需求领域的等级及所需求能源的品质配置能源 使用领域，使总的能源利用率达到最高水平，实现能源 按其品位逐级加以利用的目的【l2 1 。热电厂能量梯级 利用图如图2 所示。 图2 能源梯级利用图 3 ．4 联合利用方式 新能源不稳定和不连续，闲置能源大多又属于低 质能源，很难直接利用。为了满足矿区生产、生活及社 会活动对能源需求的连续性和稳定性，同时最大限度 挖掘闲置能源的潜力，以使用新能源、闲置能源为主， 使用常规能源为辅的多能源联合利用方案是一个不错 的选择。多能源联合利用方案充分利用了新能源、闲 置能源，同时有效减少常规能源的消耗，优化了矿区能 源消费结构，提高能源综合利用效率，多能源联合利用 途径如下 1 并联利用能源。就是根据需要设计全部或几 种能源供给渠道，按照能源使用顺序利用能源，当某种 能源供给出现问题时，转换为另一种能源，或者对同一 万方数据 矿冶工程 使用领域同时供给全部或几种能源，如矿区浴池可以 同时应用太阳能、风能、余热及其它常规能源，正常时 使用太阳能或余热，非正常时使用电或煤m 1 。太阳能 热泵并联利用如图3 所示。 图3 太阳能热泵并联利用图 2 串联利用能源。就是按照能源质量，利用有关 技术，将相关能源连在一起形成能源提质链或体系，利 用少量的优质能源使低质能源达到能够利用的状况，提 高低质能源的利用效率。串联利用能解决低质能源无 法利用的困难，是能源综合利用的方向。如采用热泵技 术，利用少量的电力将矿井水的热量提高来满足采暖、 制冷等的需要3 | 。太阳能热泵串联利用如图4 所示。 图4 太阳能热泵串联利用图 3 混合利用能源。就是将串联与并联结合起来 利用，这样既能够解决低质能源无法利用的问题，又能 解决能源供给不稳定的问题。太阳能热泵混合利用如 图5 所示‘圳。 平 板 集 热 器 图5 太阳能热泵混合利用图 第3 3 卷 4 结论 矿区能够提供的能源种类多，能耗领域多，用能种 类多，建立矿区科学用能体系是大势所趋。矿区能源 集成利用方式研究就是运用集成方法，将常规能源、再 生能源、废弃能源作为一个整体能源供给系统来考虑， 该研究达到以下目的错时利用解决了能源生产与能 源利用峰谷不统一，能源生产高峰期产出的能源无法 利用，生产高峰期能源供给不足的问题；替代与互补研 究解决了废弃能源无法利用的问题，串联利用解决了 低质能源无法利用的问题，并联利用解决了某些能源 供给不稳定无法满足持续稳定需求的问题；梯级利用 实现了按质用能、逐级多次利用的目的；系统利用解决 了能源孤立生产、孤立利用的问题。总之，通过集成利 用方式的研究，为能源与能源利用领域的合理配置提 供了方法，在提高能源利用效率的同时，也为能源结构 的调整奠定了基础。 参考文献 [ 1 ] C h oWG 。N a mK ，P a g a nJA ． i n t e f f u e ls u b s t i t u t i o ni nK o r e a [ J ] 一5 0 ． E c o n o m i cg r o w t ha n di n t e r f a c t o r ／ E n e r g yE c o n o m i c s ，2 0 0 4 ，2 6 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