煤炭矿区能源集成利用体系研究.pdf

第3 4 卷第1 期 2 0 1 4 年0 2 月 矿冶工程 妇N 矾GA N DM 毗T A I 正．U R G I C A LE N G l N E E R 矾G V o l _ 3 4 №1 F e b m a r v2 0 1 4 煤炭矿区能源集成利用体系研究① 唐晓城1 ，张伟2 ，任一鑫2 ，曾宪迪3 1 ．中国科学院广州地球化学研究所广东广州5 1 0 6 4 0 ；2 ．山东科技大学，山东青岛2 6 6 5 9 0 ；3 ．山东裕隆矿业集团，山东曲阜2 7 3 1 0 0 摘要利用集成理论，结合相关的能源法律法规及政策，对煤炭矿区能源与耗能领域集成体系进行研究，并运用技术及管理集 成，实现集成体系良性运行和持续改善。通过煤炭矿区能源集成体系的研究，有助于实现矿区能源优势互补，优化能源及耗能领域 配置，缓解能源供给压力，减少能源浪费，提高能源的利用效率。其研究成果不仅丰富完善能源优化配置理论及方法，还为我国能 源结构调整提供了新的思路。 关键词能源集成；煤炭矿区；集成配置；耗能领域；集成体系 中图分类号F 4 0 7 文献标识码B d o i 1 0 ．3 9 6 9 巧．i s s n ．0 2 5 3 6 0 9 9 ．2 0 1 4 ．0 1 ．0 3 0 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 4 0 卜0 11 0 一0 5 R e s e a r c ho nI n t e g r a t e dE 耻r 斟- U t m z a t i o nS y s t e mi nC o a lM i 玳 T A N GX i a o c h e n 9 1 ，Z H A N GW e i 2 ，R E NY i ．x i n 2 ，Z E N GX i a n d i 3 1 ．‰n g z b Ⅱ加t 如姚矿G ∞c l l l e ，，蕊t 可，劬i n e s eA c 口幽W 矿 洒c ∞，G ∞n g z b M5 1 0 6 4 0 ，G ∞，l g 面n g ，劬i M ；2 ．‰n d D 昭 ‰i t J e r s 妙矿 诧乃c e 口蒯‰ 加妞y ，Q i n 础o2 6 6 5 9 0 ，鼽n n 幽n g ，傀i 眦；3 ．‰n 面昭地三0 增胧n i n gG r D 印，Q 咖‘ 2 7 3 1 0 0 ，鼽口，渤n g ，饥i 船 A b s t n 吣t B yu s i n gi n t e g r a t i o nt } I e o r y ，t o g e t h e rw i t } lr e l e v a n te n e r g yl a w s ，r e g u l a t i o n sa n dp o l i c i e s ，t h ei n t e g r a t e d s y s t e mf o re n e r g ya n de n e r g y c o n s u m p t i o nf i e l di nc o a lm i n ew 鹊s t u d i e d ．W i t ht e c h n o l o g ya n dm a n a g e m e n ti n t e g r a t i o n ， t I I ei n t e g m t e ds y s t e mc a nb ek e p ti nap o s i t i v eo p e r a t i o na n db e i n gi m p m V e d ．T h es t u d yo nt l l ei n t e g r a t e de n e r g ys y s t e m c 锄b r i n gc o a lm i n ec o m p l e m e n t a r ya d v a n t a g e ，e n e r g yo p t i m i z a t i o na n dp r o p e ra l l o c a t i o no fe n e r g y - c o n s u m p t i o n ￡e l d ， r e s u l t i n gi nt l l er e l i e V e dp r e s s u r ei ne n e r g ys u p p l y ，r e d u c e de n e r g yw 嬲t ea sw e l la si m p r o V e du t i l i z a t i o ne 伍c i e n c y ．I ti s c o n c l u d e dm a ts u c hr e s e a r c hr e s u l t sc a nn o to n l ye n r i c h 锄dp e d e c tt h et h e o r ya n dm e t } l o do fo p t i m a le n e r g ya L l l o c a t i o n ， b u ta L l s op r o p o s ean e wi d e af o re n e r g ys t r I l c t u r ea d j u s t m e n ti nC h i n a ． K e yw o r d s e n e r g yi n t e 铲砒i o n ；c o a lm i n e ；i n t e g r a t e da l l o c a t i o n ；e n e r g y c o n s u m p t i o nf i e l d ；i n t e g r a t e ds y s t e m 煤炭矿区是以煤炭生产为核心与农村、城市融合 为一体的区域，该区域兼有能源生产与消耗双重身份， 涵盖生产、生活及社会活动等耗能领域。由于矿区各 单位隶属关系及性质不同，导致能源的孤立开发与利 用，产生了能源重复使用、能源综合利用率低等现象。 一方面，矿区能源供给紧张、节能任务难以完成，另一 方面，地热等新能源、余热等闲置能源没有得到合理开 发利用，能源浪费严重。出现上述问题的表面原因是 没有从系统的角度统筹安排能源的开发与利用，而实 质是能源配置理论与方法不完善。优化配置相关研究 主要涉及能源管理、能源替代和互补关系、能源结构优 化及配置方法等。配置方法主要从市场、行政等宏观 角度进行了研究。5 j ，而从集成角度针对矿区能源孤 立开发与利用问题的研究还较少。矿区要提高能源管 理水平，完成节能任务，建设低碳矿区，需要站在系统 的角度从整体上考虑矿区能源分布与利用，依据不同 领域能源获取与使用的特点，创新能源优化配置方法， 设计科学合理的能源集成利用体系。 1 矿区能耗特征 矿区能耗特征包括能源种类特征和耗能领域特 征，是进行能源集成体系设计的基础。 1 ．1 能源种类特征 矿区能源主要特征能够获取的能源种类多，尤其 是闲置能源种类更多；能源获取渠道多；能源之间关系 复杂，替代、互补度高，梯级利用、综合利用潜力大；按 照能源的特征可分为常规能源、新能源和闲置能源，不 同种类能源特征不同。 ①收稿日期2 0 1 3 一1 1 1 2 基金项目教育部人文社科项目 1 2 Y J A 7 9 0 1 0 8 作者简介唐晓城 1 9 7 5 一 ，男，山东曹县人，博士研究生，研究方向为环境科学。 万方数据 第1 期 唐晓城等煤炭矿区能源集成利用体系研究 1 ．1 ．1 常规能源 常规能源主要有电、煤、油、气等， 其中电、煤等能源是矿区生产、生活与安全正常进行的 保障，是必须使用的，也是需要节约的。常规能源特 征①产量大、性能稳定、易于操作和控制，投产方便； ②开发利用技术比较成熟、应用普遍；③开发、使用 成本较便宜；④储量有限、不可再生、环境污染。 1 ．1 ．2 新能源矿区新能源包括太阳能、风能、生物 质能、地热能等。新能源由于受技术、管理、认识等方 面因素的影响，还没被正常的开发利用。随着技术的 逐步成熟，它们将被大规模开发，并替代常规能源。新 能源特征①来源丰富、分布范围广；②可再生、清洁 无污染；③能量密度低、供应不稳定、随机性大、难以 有效控制；④开发利用技术不够成熟、成本高，难以大 范围推广。 1 ．1 ．3 闲置能源闲置能源是生产过程中产生的，但 没有被开发利用的能源。矿区闲置能源主要包括电 厂、矸石砖厂、水泥厂等产生的余热能，矿井水携带的 热能、动能和势能，乏风携带的热能，煤炭开采、加工及 利用产生的瓦斯、油母页岩、一氧化碳、煤泥、煤矸石， 煤炭转化及利用过程中产生的可燃气体 如一氧化 碳 、液体 如煤焦油 、固体 如焦渣 等。矿区闲置能 源特征主要有①来源丰富、种类多，利用潜力巨大， 是综合利用的重点；②直接排放到自然界不仅造成能 源的浪费，还会对生态环境造成污染；③集中度低，很 多又属于低质能源，很难加以利用。 1 ．2 耗能领域特征 矿区主要耗能领域可分为5 个方面一是井下耗 能领域，进一步分为基本生产用能与辅助生产用能两 个领域。基本生产耗能领域主要是回采与掘进，辅助 生产耗能领域主要包括运输、提升、排水、通风、压气 等，这些领域主要耗费电力以及少量的油品。二是地 面生产耗能领域，主要包括煤炭洗选与加工、机械制 造、矿用设施设备维修、矿用物资生产、电力、建材、煤 炭转化及其它非煤产业，主要耗费电、煤、油及加工后 的热气与冷气。三是地面辅助耗能领域，主要包括固 废处理、生活污水与工业废水处理、地面运输、办公区 域等。四是生活耗能领域，主要包括职工公寓、家属 区、食堂、浴池、工业广场、景观等。五是为矿区生活提 供服务的耗能领域，主要有通信、商店、宾馆、酒店、医 院、学校、银行及邮政等。地面辅助、生活及为矿区生 活提供服务的耗能领域耗能品种多，能够使用替代与 闲置能源，是能源综合利用的重要区域旧o 。 2 矿区能源与耗能领域集成体系设计 2 ．1 设计原则 设计能源与耗能领域集成体系要遵循以下原则 ①以保障矿区安全生产和正常生活为前提；②从整 体角度出发，研究整个矿区能源与耗能领域的集成系 统；③要贯彻循环经济的“3 R ”原则，以能源流动路径和 能耗特征为基础，科学优化相关环节，使系统中相关环 节产生的余热物成为其它环节的资源，提高能源的利用 率，尤其是梯级利用率，使集成系统的能量得到充分完 全利用，达到“零排放”的目标；④以“分配得当、各得所 需、温度对口、梯级利用”为科学用能原则；⑤要同时兼 顾环境效益、社会效益及经济效益，在合理的综合成本 范围内，追求最低的能源消耗，最大的收益。 2 ．2 集成体系设计 矿区能源与耗能领域集成体系包含能源种类集成 子系统、耗能领域集成子系统等，只有各个子系统之间 相互耦合才能实现整个集成系统的正常运转。能源种 类集成是集成体系设计的前提，主要是依据矿区能源 特点，通过能源替代和互补，实现能源的合理搭配和消 费结构的优化调整；耗能领域集成是集成体系的基础， 主要根据矿区范围内各耗能领域的特点、重要程度，通 过分等级调配和安排能源流动路径，实现耗能领域的 合理组织。 2 ．2 ．1能源种类集成研究不同的耗能领域对能源 种类要求不同、不同品位能源适合在不同的生产环节 利用，即一个生产过程多余的能量作为另一个过程的 能源。能源种类集成是指将矿区所能提供的能源看作 一个集成系统，依据替代机理和替代关系，通过能源之 间相互比较，选用库存量较大、流通量较多、可再生速 度较快、效益较好的能源代替原来使用的能源1 ；依 据互补机理和互补关系，抓住各种能源的优势，多能源 相结合，采用并联和串联等集成利用手段，扬长避短， 将闲置能源、新能源与常规能源集成利用，当闲置能 源、新能源可以利用时尽量使用闲置能源、新能源，当 闲置能源、新能源不足或中断时辅助使用常规能源，在 满足用能需求的前提下，尽可能实现新能源、闲置能源 对常规能源的替代，以最大限度地节约常规能源，以取 得最合理能源利用效果与效益J 。 能源种类集成不是仅将多种能源和用能过程的简 单组合和叠加，而是以“能源替代、能源转化品位对口 互补”为原则，通过物理化学等关键过程的集成和革 新，实现在系统高度上按照不同能源品位的高低进行 综合互补利用，实现矿区能源的优势互补，形成有效互 补配合，从而提高整个能源配置结构的效率，促进矿区 能源结构的优化调整。 能源种类集成形式有很多种如风光互补、生物质 能与煤的混合发电等一J 。本文以太阳能、沼气等新能 源与天然气相组合的多能源集成利用为例，研究能源 种类集成问题。图1 为多能源集成系统流程示意图。 万方数据 矿冶工程 第3 4 卷 图l 多能源集成流程 该方案以“能源互补、梯级利用”为设计原则，采 用天然气水合物技术、太阳能光热及光电技术及沼气 技术，既保留了以天然气为燃料的分布式能源系统的 优点，又充分利用了新能源与常规能源的互补性，实现 新能源对常规能源最大限度地替代，解决了新能源及 低质能源难以利用、供给不稳定的问题，从而方便安全 地解决了能源孤立利用带来的难题，实现了能效、经济 和环境的共赢0 | 。 2 ．2 ．2 耗能领域集成研究矿区耗能领域集成就是 根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、用能的重要程度对耗能领域进行分等级配 置，合理地、有计划地安排和组织各个耗能领域的用能 时间、用能种类及数量，实现耗能领域的合理组织，使 各耗能环节搭配合理，使每个生产过程投入和产出的 能量都能有效利用。矿区耗能领域按用能的重要程度 分为特别重要、重要、较重要、一般重要、一般。 1 特别重要耗能领域如回采、掘进、通风、排水 等，由于安全生产与稳定生产的需要，这些领域对能源 种类及供给要求极其严格。①能源供给必须持续稳 定，不能出现停供的现象，即使在用能高峰时段，也要 优先考虑该领域能源供给；②能源供给种类只能是电 及少量的油，很难使用其它替代能源；③这一领域能 源管理的重点是通过技术改造与创新、管理创新或系 统优化等来提高能源利用效率节能。 2 重要耗能领域主要是地面生产领域等，这些领 域用能是必须的，能源供给也必须保证，但能够使用替 代能源，比如电厂应该用煤矸石、煤泥、生物质能等替 代煤炭，鼓励发展光电和风电。 3 较重要耗能领域主要是辅助生产领域，这部分用 能除了三废处理必须用电外，其它领域都可以考虑使用 替代能源，且应尽量考虑错时用能，避开生产用能高峰。 4 一般重要耗能领域主要是生活和服务领域，这 些领域能耗种类比较多，用能量所占比例不大，能够使 用替代能源，是闲置能源开发利用的重要区域，如取暖 和制冷尽量使用电厂余热、矿井水等能源，并按品位梯 级利用能源。 5 一般耗能领域是可以根据实际情况进行调控与 替代的耗能领域，如景观耗能，这部分耗能一般考虑利 用不能存储的能源，如风能、光能，发展风能光能互补。 2 ．2 ．3能源与耗能领域集成研究能源与耗能领域 集成体系设计思路以矿区及所在区域为集成范围，以 低碳经济和可持续发展思想为指导，确保能源安全为 前提，立足于矿区的现状，应用能源种类、耗能领域及 集成利用方式等研究成果，建立优质、高效、可持续发 展的能源与耗能领域集成体系，实现能源的平衡与调 度尽量做到物尽其用、就近利用。 矿区能源与耗能领域集成体系如图2 所示。图2 右侧为矿区耗能领域集成，左侧为矿区能源种类集成， 中间为能源集成利用方式。 图2 矿区能源种类与耗能领域集成图 2 ．2 ．4 集成配置分析矿区能源与耗能领域集成体系 分析如下在井下基本和辅助生产领域，主要以消耗电、 油为主；地面生产领域以消耗电为主，煤加工与转化利 用等领域主要消耗煤、电、油；电厂应该用煤矸石、煤泥 等替代煤炭，并且大力发展太阳能、风能及核能发电；对 于洗选、机修、非煤产业等领域应尽量考虑错时用能，避 开用能高峰；降温与采暖领域应该尽量利用地热、太阳 能、余热等能源替代常规能源；地面辅助领域，除固体废 弃物、生活污水及工业废水等处理必须用电外，其它领 万方数据 第l 期 唐晓城等煤炭矿区能源集成利用体系研究 域应尽量采用太阳能、风能、余热、地热、余压、生物质 能、煤炭使用或深加工中产生的气体、液体、固体等可燃 物质等替代能源；生活等耗能应该尽量减少电、煤、油等 的使用，尽可能采用煤层气、生物质能、太阳能、风能、余 热及加工过程中产生可燃固体、气体与液体等新能源或 替代能源，以闲置能源利用为主；景观与工业广场应该 尽可能采用风能、太阳能及矿井水能，大力发展互补能 源；围绕矿区生活服务的产业应该尽量减少对煤炭、电 力、天然气等能源的利用，尽可能利用太阳能、余热、地 热等能源，以能源之间的替代、互补为主。 3 能源集成利用系统运行研究 能源种类集成实现了能源结构优化，耗能领域集 成实现了耗能领域的合理组织，能源集成利用方式使 能源种类集成子系统与耗能领域集成子系统耦合在一 起，而技术和管理集成则为维持和持续改进该集成体 系的运行提供了保障。技术集成是为能源与耗能领域 集成利用体系的运转提供技术支撑，管理集成作为一 种以“一体化的整合思想”为主要内容的全新的管理 理念及方法，它使能源与耗能领域系统内各个要素集 合在一起，并使它们之间互相渗透互相吸纳而成一种 新的“有机体”“。 3 ．1 技术集成 技术集成是指按照一定的技术原理或功能目的， 将两个或两个以上的单项技术通过重组而获得具有统 一整体功能的新技术的创造方法，可以用来实现单个 技术实现不了的技术需求目的2 | 。矿区能源综合利 用技术集成并非简单的应用各类能源综合利用技术， 而是综合分析在应用这些技术时产生的相互耦合影 响，并据此设计优化各类技术的应用方案，以关联技术 相耦合实现技术集成体的互动效应。如新能源与建筑 节能技术集成其一，集成时要考虑各类新能源之间的 技术耦合，如风能光能互补；其二，建筑想要采用可新 能源利用技术，建筑师必须集成考虑建筑工程中的结 构、给排水、暖通和电力等的要求，以保证其使用的安 全性和实效性，这些建筑都是综合考虑了各项技术之 间相互影响后确定出最优方案3 | 。 3 ．2 管理集成 矿区管理集成是指以能源、耗能领域、技术工艺以 及人员、资金等为集成对象，在矿区能源集成利用承诺 的基础上，采用并改进“P D C ．A ”循环模式和管理的 系统方法，体现为兑现能源管理承诺，实现能源与耗能 领域集成体系的高效运行而进行的包括技术集成在内 的策划、实施、检查与纠正、管理评审等过程，对矿区能 源集成利用的全过程实施控制，达到持续调整能源结 构、提高能源利用效率的目标。其基本构成要素如下 ①能源集成利用承诺矿区的最高管理者对建立、实 施、保持和持续改进能源集成利用体系作出承诺。 ②策划 P 在确定企业的能源因素、耗能领域及集 成利用方式的基础上，通过技术集成等手段，策划能源 集成利用的最优方案。③实施与运行 D 包括为实 施能源集成利用方案提供所需的资源，规定与落实有 关人员的作用、职责和权限；确定能力和意识要求并进 行培训；建立内、外部信息交流机制；制定方案运行所 需的文件和记录并实施控制；落实方案并开展与能源 集成利用相关的活动，以实现矿区能源管理目标。 ④检查与纠正 C 包括对能源集成利用活动和目标 实现情况的监视和测量；对符合相关法律法规和标准 等要求的情况进行评价，识别和处理已发生的和潜在 的不符合能源集成利用目标的行为。⑤管理评审 A 基于内部审核和管理评审的结果及其他相关信 息，对实现能源集成利用承诺、能源目标和指标的适宜 性、充分性和有效性进行评价，采取纠正措施和预防措 施，以达到持续改进能源集成利用体系的目的。改进 可以发生在许多要素的实施过程中，其中管理评审是 为了保持体系的持续适宜性、充分性和有效性，并持续 改进能源管理绩效而进行的整体改进活动。 能源集成管理体系的P D C A 循环，一个循环的结 束是另一个循环的开始，但不是原来水平层次上的简 单循环，而是更高层次上的循环，形成一个螺旋上升的 连续，达到持续优化矿区用能系统的目的4 | 。基于 “P D c A ”方法的能源集成利用体系运行模式如图3 。 图3 能源集成利用体系运行模式 4 结语 结合我国煤炭矿区耗能特征，为提高矿区能源管 理水平、能源利用效率，实现矿区能源合理优化配置， 就必须建立科学合理的矿区能源体系。本文在探讨矿 区耗能特征基础上，利用集成理论，对矿区能源集成体 系进行研究。矿区能源集成体系解决了矿区能源孤立 万方数据 1 1 4 矿冶工程 第3 4 卷 开发、孤立利用、配置不合理等问题。首先，依据能源 替代、互补机理和关系，建立能源种类集成子系统，实 现能源优势互补，最大限度地节约常规能源；其次，根 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、用能的重要程度对耗能领域进行分等级配置， 合理地、有计划地安排和组织各个耗能领域的用能时 间、用能种类及数量，实现耗能领域的合理组织。在上 述研究的基础上，设计矿区能源与耗能领域集成体系， 通过技术和管理集成，实现集成体系的良性运转和持 续改善，达到矿区科学使用能源、科学配置能源和科学 管理能源的目的。总之，通过集成体系的研究不仅解 决了矿区能源孤立开发与利用、配置不合理等实际问 题，还为我国能源结构调整提供新的思路，丰富完善能 源优化配置理论。 参考文献 [ 1 ] 李青松，韩真理．贵州高产高效煤矿能源管理浅析[ J ] ．中国煤 炭，2 0 l l ，3 7 3 2 3 2 5 ． [ 2 ]s m 汕，硒c h a I 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