冀中能源低碳运行生态矿山建设的创新实践

刘建功

(冀中能源集团,河北省邢台市,054021)

1 低碳运行生态矿山建设的意义与思考

刚刚过去的2009年,低碳经济、生态环保成为了全世界关注的焦点问题之一。全球气候变化所导致的气温增高、海平面上升、极端气候频发等,对人类生存环境产生了严重影响。低碳经济、生态环保,是指关注人类生存发展与环境的和谐统一,以传统产业经济为基础而发展起来的可持续发展模式。不同于传统产业经济,低碳经济以维护人类生存环境、合理保护资源与能源等为特征,核心是强调人与自然的协调发展。

中国要走低碳经济道路,并不是不发展能耗产业,而是要用更好的低碳技术,提高能源资源的利用效率,把环境污染降下来。低碳经济是一个永恒的发展过程,而不是最终形态。企业要做的就是在这个过程中坚持不懈地努力。

中国要尽早进入低碳经济、生态环保的时代,就必须面对现实中的主色调,即以煤炭开采与利用为代表的“黑色经济”。一方面,经济发展使中国经济对煤炭的需求不断增长;另一方面,煤炭生产和利用环节也像其他重化行业一样给环境带来了负担。污水、矸石、地表沉降塌陷、废气排放等问题已经成为中国重化工业乃至全社会面临的重要难题。黑色的煤炭在支撑中国经济繁荣的同时,也像其他重化行业一样呼唤着低碳经济时代的到来。

中国是世界上最大的煤炭生产、消费国。据国家有关部门的测算表明,目前在一次能源生产总量中,煤炭产量占74%,在一次能源消费总量中,煤炭占70%。2009年中国煤炭产量完成30.5亿t,同比增长8.8%。因此,富煤、缺油、少气的能源资源结构,决定了在今后较长时期内,以煤为主的能源结构不会发生根本改变,煤炭仍将是支撑我国经济发展的主体能源。

低碳经济的实现离不开煤炭企业的参与,需要煤炭企业主动肩负起社会责任。因为煤炭企业是实现低碳运行、低碳技术和生态技术等应用目标的主体,是发展低碳经济的主要实践者。

冀中能源低碳运行生态矿山建设,是在近年来大量科技创新实践的基础上,结合国内外形势发展而提出来的一个全新概念。所谓低碳运行生态矿山建设是将矿山建设、人文环境、生态环境、资源环境和技术经济环境相互联系起来,对采矿活动提升改造,构建科学、生态、环保的矿山工业系统,以最小的生态扰动获取最大的资源和经济效益,并在采矿活动结束后通过最小的末端治理,使矿山工程与生态环境融为一体。其含义是遵循自然生态系统的物质循环规律和能量转换规律重构生产系统,使其和谐地纳入自然生态系统的物质循环过程;形成产品清洁生产、资源高效回收和废物循环利用为特征的低碳生态矿山新的发展形态。

低碳运行生态矿山建设是一个高科技、全方位、长时效的系统工程。建设低碳运行生态矿山,一个重要的理念就是,在煤炭开采过程中,不只把煤炭看作是资源,更要把大气、土地、地下水、周围环境等构成环境生态的这些因素都看作重要资源,来科学开发、综合利用,把煤矿建设和开采过程中对环境的破坏和影响,用现代科技手段加以抑制和消除。低碳运行生态矿山建设的一个突出标志就是,煤矿开采过程中的运行是低碳的,结束后,仍然没有对周围生态环境形成影响,矿井建设完全是一种新的低碳运行生态环保模式。

作为传统煤炭企业,冀中能源集团依靠科技创新,在生产黑色煤炭产品的同时,建设低碳运行的生态矿山,不仅为社会提供了优质能源产品,还成为煤炭工业发展方式转变的领头雁。

2 低碳运行生态矿山建设的创新与实践

煤炭行业既是产能大户,也是耗能大户。冀中能源在低碳运行生态矿山建设中,为最大限度地减少能源的消耗,最大限度地增加资源和废物的回收复用,最大限度地减少废弃物的排放,将集成的各项新型低碳运行生态节能技术嵌入整个生产过程,做到不启动低碳生态技术环节就不能生产,从而使整个生产过程实现低碳生态运行。

2.1 煤矿矸石不升井,井下充填效益高

对煤炭企业来说,最大的低碳生态行为莫过于节约煤炭资源,煤炭对企业来说是产品,对社会来说是资源,是不可再生的燃料、原料。

矸石是煤矿开采过程中不可避免的伴生物,长期以来,煤矿生产过程中产生的矸石都需要提升到地面,在运输和提升过程中,需要消耗大量电力、运力资源。矸石在地面长期堆存过程中,不仅占用土地,还会产生大量有害气体、分解物,对周围空气和地下水造成严重影响。

为从根本上解决这些问题,最有效的办法就是不把矸石提升到地面,而是在井下直接处理。围绕这一理念,冀中能源一是研究将矸石筛选系统前移到井下,这样至少会选出10%～15%的矸石,矿井提升效率将相应提高10%～15%;二是已开始将多年井下采面开拓及选矸产生的矸石直接在井下充填。在消除煤矸石及其污染的同时,减少开采造成的围岩变形破坏、地表下沉、地面环境污染和土地占用。

邢东矿是冀中能源低碳运行生态矿山建设的先导,创造性地实现了国内首创的矸石井下充填采煤新工艺,实现了矸石不升井、地面不建矸石山,被公认为全国“科技低碳生态型”煤矿的典范。矸石井下充填采煤技术工艺,不但消除了井上排矸石带来的占压耕地和矸石对环境的影响。同时,还可利用这些矸石对采空区煤巷进行充填支撑,最大限度地开采煤炭资源。此项技术荣获“国家科技进步二等奖”。

邢台矿是一个老矿,建有配套的电厂和水泥厂。该矿采用矸石井下充填采煤技术工艺,利用矸石和粉煤灰做井下充填材料的采煤工艺实践也获成功,并回收了大量煤炭资源。

矸石回填技术带来了低碳运行生态矿山建设的集群式效应:首先,矸石回填后可把用常规方法不可能采出的煤炭资源采出来,实现了建筑物下安全采煤,提高了资源产出率。利用这一技术冀中能源共从“禁区”采出煤炭8000万t。每充填1m巷道,就可多产煤30 t。断面25 m2巷道的直接经济效益为18000～23000元,年创效益达2000万元以上。所以采面充填的经济效益和社会效益非常可观。其次,矸石回填代替保护煤柱,避免了地面塌陷,不但有效地保护耕地,降低生产成本,防止了矸石山长期风化造成的污染,实现了低碳生态开采,而且不再提升矸石,不再堆矸石山,不再占用土地,不再污染地面空气。据测算,一个年产100万t的矿井,矸石山的占地面积大约在1.1公顷左右。其三,矸石回填技术还带动了其他一系列难题的解决。建筑物下开采,一直是煤炭业界的一大难题,其中煤炭开采出来后的充填材料和充填技术,就是两大难关。这些都在冀中能源被一一攻克。

同时,为了提高煤炭回收率,冀中能源在煤炭开采方式上由粗放式开采变为精细开采。一是通过优化工作面设计、改进采煤工艺和加强管理等手段,使煤炭回采率提高到97%以上。二是通过整合、购并地方煤矿,对一些资源枯竭的矿井不急于丢弃,通过复采,进行技术改造,提高资源回收率,保护了一部分资源。三是通过技术攻关,利用矸石巷道充填、矸石采面充填、膏体充填、高水材料充填、沿空留巷、极薄煤层开采等技术,对一些可采可不采甚至是开采“禁区”、“表外”的煤炭也通过矸石井下充填开发了出来。四是洗精煤生产,最大限度地多洗精煤,调整产品结构。

另外,冀中能源邯矿集团陶一矿由于采取了“超高水材料充填”的采煤新技术,使该矿的煤炭回采率达到95%以上。2009年夏,邯矿集团应用这项新技术充填体积39766 m3,解放出600多万t煤炭资源,延长煤矿10多年寿命。如果推广该技术,整个邯矿集团可解放的煤炭超过3000万t,全冀中能源可解放煤炭超过4亿t。如果这项新技术在全国煤矿系统推广应用,多回收的煤炭资源可达120亿t,随着推广规模扩大,超高水材料还有望形成新材料产业,前景非常广阔。该技术获2009年度中国煤炭工业协会科技进步一等奖。

提高煤炭回采率带来的益处是显而易见的。如果按照我国煤炭回采率提高1%来计算,在不增加基建投资的情况下可增产1000万t煤炭,若提高10%,则可增产1亿t煤炭。因此,“超高水材料充填”技术工艺利国利企利民。

矸石、膏体、超高水材料等井下充填技术工艺,是造福国家和社会的善举。冀中能源在全国第一家推行后,对此技术工艺并不保守,先后引来了美国、英国、波兰、印度、澳大利亚、越南等国家和全国煤炭企业168个团次参观学习,使这一自主知识产权技术工艺不仅在全国其他煤炭企业推广,还走向了世界。

2.2 煤矿产煤不烧煤,矿井回风用途广

低碳运行生态矿山建设包括低碳、循环和相应的创新技术体系。低碳经济的特点一是少用碳,二是大量减排,三是将所生产的资源通过回收、再生等方式获得使用价值,实现低碳环保、循环利用。

东庞矿北井不用燃煤锅炉就解决了职工冬季取暖问题,并解决了夏季制冷问题。他们是利用矿井独具的回风源、水源特点,研制了高效矿井回风热交换器,利用矿井回风温差作为能源,通过热交换器提取热量,带动压缩机做功实现机组冬季采暖、夏季制冷的目的。此举降低了主通风设备的噪音,改善了矿井地面的环境。同时东庞矿还研究开发了新型高效、低噪音、免维护、环保型涡旋热泵机组,采用无毒、无污染、环保型工作介质,实现了模块化设计,压缩机并联使用,提高了备用系数及运行效率。另外东庞矿还研制出了低温、低噪音井筒防冻散热器,可适应进水温度45℃和环境温度-15℃的要求,保证进风井筒中混合空气温度2℃以上,解决了井筒防冻等问题。在此基础上,东庞矿利用热泵技术回收矿井总回风中、电厂冷却水中的热量,成功地实现为煤矿建筑供暖,为井筒防冻,为居民提供生活热水,全矿取消了所有燃煤锅炉,实现了“产煤不烧煤”,减少了污染物排放,节能又环保。

目前,这项技术已在东庞矿、梧桐庄矿、云驾岭矿等成功应用。该项技术的推广不但满足了东庞、梧桐庄、云驾岭等矿井供暖空调、井筒防冻需要,还解决了职工洗澡、宿舍冬季取暖问题。同时利用井下与地面水的温差,制造“天然空调”,实现了冬天取暖、夏天制冷。此项技术的应用,一个矿一个采暖季就可节约燃煤和运行费用220多万元,减排二氧化碳5000多t。据初步估算,此技术若在全国推广,每年利用的热能折合标煤可达2485万t,相当于一个大型煤炭企业的产量。这是一个典型的低碳运行范例,实现了不烧煤,不排废气、废渣。

2.3 煤矿不污染地下水,生产用水巧循环

水,特别是地下水,是我国的一种稀缺资源,冀中能源的煤矿开采不但不破坏地下水,而且还有效保护了地下水资源,实现了循环利用。这也是低碳运行生态矿山建设的重要内容之一。矿井突水是一个世界性的难题,我国煤炭资源与水资源具有逆向分布的特征,一方面是富煤地区严重缺水,一方面是少煤区域矿井水的大量排放,造成水资源的严重破坏和浪费。目前,全国每年矿井排水量约45亿m3。冀中能源矿井井下多处于华北多水区域,而且大多为奥灰水。这要求冀中能源在矿井生产过程中,既要采取保水开采、回灌治理等技术手段,对导水构造和含水层进行探查,制定技术方案进行封堵和治理,减少矿井涌水量,保证安全生产;又要建立井下水澄清系统和地面水回灌系统,将经过治理的水通过回灌孔重新注入井下含水层中,保证地下水资源的相对平衡,实现对水资源的保护和循环利用。

梧桐庄矿是一个被水威胁的典型矿井。通过综合物探、导水陷落柱注浆封堵、断裂构造探查治理、工作面底板预注浆加固改造等工程,变治水为防水,对矿井突水进行了彻底封堵,将涌水量由17.5 m3/s减少至5 m3/s,减少了突水几率,以杜绝各类突水事故。在取得减水效果的基础上,梧桐庄矿利用井下澄清系统对矿井水进行澄清处理,将5 m3/s的涌水量排至地面石英砂过滤,降低水质浊度后回灌到井下用于矿井防尘、注浆、矸石洒水等各个方面。另外,把剩余水量经过过滤、消毒后压至井田内含水层,从而实现了矿井劣质水源的闭路循环复用。该技术也获得2009年度中国煤炭工业协会科技进步一等奖。

为解决煤矿生产生活中产生的大量污水问题,邢东矿、东庞矿等投入巨资,建设中央水处理系统对澡堂洗浴水进行处理,日处理量达240 m3以上。为从根本上解决矿井生产产生的污水,投资1800万元建设污水处理站,处理全部的生活污水和井下矿井水,日处理能力在3000 m3以上。经过处理后的污水全部达到了环保要求,可用于降尘、喷灌、景观、洁卫等,实现了矿井水的循环利用。邢台矿的污水处理工程规模更大、社会效益更可观。

2.4 生产系统低碳运行,节能减排硕果丰

作为国有大型煤炭企业,冀中能源一直狠抓低碳运行和节能减排工作,以科技进步带动产业升级,不断延伸产业链条,提高产业的现代化水平。在实践中把低碳运行技术贯穿到企业活动的全过程,依靠项目建设来推动低碳,依靠加强管理来促进低碳,依靠科技进步来实现低碳节能。

云驾岭矿对主井进行了转子变频调速攻关,不仅技术先进,填补了国内空白,而且节电效果明显,达到了19.6%。该项目荣获“国家科技进步二等奖”。集团所属大部分矿井实行了井下工作面用电考核,避峰就谷,效果十分明显。以东庞一个矿为例,改造后节电达25%,年节电120万kWh。

葛泉矿使用的燃煤蒸汽锅炉共有8台,但由于部分部件老化,存在一定的技术缺陷,能耗一直居高不下,二氧化硫排放也超过了标准。为低碳运行减少排放,葛泉矿通过大量研究,对蒸汽锅炉的给水泵、引风机、鼓风机等重要部件进行了一系列变频自动控制改造,并将其原来使用的陶瓷多管旋风除尘器更换为先进的水膜脱硫除尘器。成功运行后,为使其更好地实现低碳、高效、节能、少排放,又在每台锅炉上安装了全自动软化水设备。仅此一项,可年节电90万kWh,节煤超过400t。

冀中能源邯矿集团通过利用安全生产资金、国债资金、折旧基金等,筹集8000万元低碳运行节能减排专项资金。经过调研论证确立了涉及粉尘治理、污水处理、淘汰更新高耗能技术设备、改造优化用能系统等10项低碳运行节能减排重点项目,按照质量、投资和工期“三包干”,责任单位、分管领导、牵头部门“三明确”的原则,定期组织项目调度会,加强项目跟踪管理,确保各项低碳工程按期完成。

除此而外,邯矿集团公司还拿出55万元资金用于对水源热泵工程、电机变频技术改造、矿区生活污水处理等7个年度低碳节能减排重点项目进行奖励。经过努力,截至2009年底,邯矿集团实现节能13586 t标准煤,完成年计划的122.4%,减排量控制在计划之内,提前两个月顺利完成了省政府下达的全年节能减排计划指标。其中节能量已提前完成了“十一五”规划目标。

冀中能源金牛股份公司仅2007-2008年期间,就投入5亿元用于节能工程,实施碧水蓝天工程,安排了低碳节能减排工程11项,更新高耗能及淘汰落后设备4695台,使老矿井低碳节能工作取得重大进展。

冀中能源峰峰集团2008年投入低碳运行节能减排资金共14783.3万元,淘汰更新高耗能的电机36台、水泵22台、照明灯1326盏、变压器68台。关停了峰煤建材有限责任公司的20万t/a机械立窑水泥厂和薛村矿等10台燃煤生活锅炉;关停了邯郸市洁能煤焦化公司、邯郸市兴泰焦化有限责任公司、羊渠河矿焦化厂炭化室高度小于4.3 m的小焦炉。集团所属小屯矿对2个中央选煤厂投资7000万元进行工艺技术改造,提高了精煤回收率。同时,小屯矿实施电厂余压余热综合利用,生活区实现了集中供热、制冷,取消了小型燃煤锅炉,优化了能耗结构,实现了低碳运行。

冀中能源正是从科技创新在低碳运行和节能减排方面获得了社会效益和经济效益,所以才提出用科技创新带领低碳节能,用科技创新推广低碳节能,用科技创新解决企业整体低碳运行的问题,最大限度地实现了节能目标。即使有金融危机的影响,2009年冀中能源的低碳节能工作依然取得巨大进步。其中,金牛能源股份公司、邯矿集团、峰峰集团还被中国煤炭工业协会评选为2009年度煤炭工业节能减排先进企业称号。

2010年,冀中能源除加大力度淘汰高耗能设备外,还将在变频技术推广、矿井风源水源热能综合利用、高效电机、变压器等低碳节能型机电设备推广、低碳照明技术应用等方面推广应用低碳节能技术,重点支持新能源、新材料、医药化工等产业技术研发和产业化,抢占低碳发展的制高点。

2.5 煤矿废气不外排,安全环保上水平

冀中能源多年来把煤矿瓦斯抽采与综合利用技术研究当作低碳战略任务,在保证地面瓦斯抽放系统正常运行的基础上,加大对瓦斯地质构造的研究,通过掌握瓦斯涌出规律,成功研究开发并推广了瓦斯可控抽采技术,在具备条件的情况下利用瓦斯发电技术,实现资源的综合利用和低碳最大化。瓦斯发电已经在张矿集团宣东矿运行达6年。

东庞矿在瓦斯治理与应用方面,采用地面瓦斯抽放系统。2008年底该系统建成并投入使用,配备两台CBF-530水环真空泵,两台280 kW电动机,额定抽气量210 m3/min。系统投入使用以来,累计抽排纯瓦斯140多万m3。

云驾岭矿在煤炭工作面生产过程中采取了抽放、煤层注水、引排等多种措施治理瓦斯。首先,通过本煤层深孔抽放、工作面浅孔抽放、顶板高位抽放、上隅角抽放等,使工作面瓦斯抽放量达到2 m3/min,瓦斯抽放率达28.7%;其次,通过工作面煤层浅孔注水,使工作面瓦斯涌出量降低了0.5 m3/min,工作面瓦斯不均衡系数由原来的2.5降低到了1.8。另外,通过在上隅角安设气动风机,采空区使用风水喷雾器定时洒水,上下安全出口处采取退锚减少空顶面积,增大该工作面风量等措施,使生产工作面回风流瓦斯基本控制在0.6%以下,保证了工作面的安全回采。

投资1600万元的东庞矿矸石电厂脱硫工程已经完工投入运行。此项脱硫工程,以低碳为目标,应用先进的氧化镁加炉内喷钙技术,配置4套先进的监测系统,可连续监测烟气中二氧化硫的浓度、烟尘压力,实现对脱硫系统的远程控制。脱硫系统改造后,二氧化硫排放量由509.28t/a降至50.9t/a,使东庞矿周边环境大气质量得以明显改善。

梧桐庄矿抓低碳运行从细节入手,为消除煤尘飞扬对周围环境的污染,在原来3个万吨级储煤圆筒仓的基础上,又建设一座能容纳7万t煤的地面封闭储煤场,从根本上消除了煤尘。同时,为减少井下矿尘的产生,该矿采取了煤壁注水、湿式钻眼、除尘风机吸尘、大巷洒水车定时洒水等措施,实现了井下防尘治理,完善了矿井综合防尘系统,有效治理了废气、废尘的排放。

2.6 低碳循环产业链,促进企业集约化

煤炭生产过程中经常会产生一些副产品,造成资源浪费和环境污染,也加重了煤炭企业低碳运行的难度和经济成本。冀中能源运用低碳循环经济模式优化产业链,将传统的单向直线式经济发展模式变为反馈式循环经济发展模式,利用各个产业链内部消解工业废物。通过近几年的尝试,章村矿走出了一条“煤-电-建材”的新型工业化道路,基本形成了自己独特的低碳循环经济圈,做到了无废物生产。

章村矿生产的原煤首先进入选煤厂洗选。优质的洗精煤作为工业用煤,主要作为炼钢、化工产品的原料;劣质煤以及煤矸石作为坑口电厂的燃料。采矿产生的矿井水经过净化处理后,一部分作为电厂的冷却循环水,一部分作为选煤厂的生产用水,还有一部分作为厂区内生产及生活用水。坑口电厂发出的电主要满足生产矿井和水泥厂生产所需;电厂的粉煤灰和炉渣作为水泥生产的配料;电厂产生的余热为办公区、家属区供暖。水泥厂生产的水泥一部分供矿井生产、维护使用;水泥生产过程中利用回转窑产生的余热发电,直接供水泥生产使用。

章村矿低碳循环经济链条的形成,做到了上道工序的废料就是下道工序的原料,通过传统的煤炭资源产业与低碳科技创新相结合,实现了多产业、多产品、多功能的组合,实现了企业的低碳化、集约化和利润最大化。目前,章村矿的低碳循环模式正在向冀中能源其他条件相似的矿井推广,并且初显成效。

3 深化低碳运行生态矿山建设成果,冲刺世界强企

冀中能源将继续按照低碳运行生态矿山的发展方式,推进低碳生态矿山建设,构建跨产业生态链,推进企业内部不同产业的废物循环低碳利用。企业不断推进清洁生产,从源头减少废物的产生,实现由末端治理向污染预防和生产全过程控制转变,促进工业废弃物的低碳化、减量化和资源化利用,控制和减少污染物排放,提高资源利用效率。

目前,冀中能源正以国际化的视野,科学发展观的要求,转变发展方式,进行结构调整,进一步将矸石不升井、不建矸石山,产煤不烧煤,保护地下水,充分利用废气,低碳循环模式等低碳运行生态矿山建设技术工艺在一个矿进行集成,然后再试点推行。本着总体规划、分类实施、先示范、后推广、全面实施的原则和方案,进一步组织科研院所以及相关的环保专家开展低碳运行生态矿山建设专题研讨,研究制定相关的具体标准,开展试点研究工作。目前,确定东庞矿、邢东矿、章村矿、梧桐庄矿、云驾岭矿等5座煤矿作为低碳运行示范矿。这些矿将集成应用近年来企业最新的低碳科技创新成果和煤炭行业有关最新科技成果,分类推广各项低碳运行生态矿山建设技术工艺。同时,冀中能源所属其他煤矿也根据自身情况大力开展低碳运行生态矿山建设。

今后冀中能源低碳运行生态矿山建设深入研究与发展的重点是:煤炭井下开采低碳运行,把10%～15%的矸石处理在井下;井下充填技术工艺的推广与充填材料的充分使用;保水开采的研究与发展;科技创新项目的普及与应用;低碳运行生态矿山建设技术工艺的完善及产业化等等。

冀中能源的低碳运行生态矿山建设,因科技创新的支撑而得到大力发展。所以,冀中能源在低碳运行型生态矿山建设的科技创新上将继续加大投入力度。企业要想成为低碳运行技术创新的主体,首先要成为投入的主体,而为了调动经济主体——广大企业的低碳经济积极性,国家也应该出台相关的法规、政策和市场交易的有关规定。这样,不仅对致力于低碳环保生态有实效的企业进行了大力扶持,还能使更多的企业加入到低碳运行生态环保中来。

冀中能源推行的低碳运行生态矿山建设,既是冀中能源落实科学发展观、转变发展方式、进行结构调整、保护生态环境的一项重大任务,也是企业“保双五,争跨越”冲刺世界强企,实现新目标的总体战略举措。它的有效实施,必将推进冀中能源自觉转变发展方式、全面实现经济结构调整,向低碳运行、资源节约、生态保护、科学发展的具有国际竞争力大型企业集团的宏伟目标全力挺进。