矿区余热资源与其他能源的协同利用方式研究

赵友宝，薛 健

(山东科技大学经济管理学院，山东青岛266510)

矿区余热资源与其他能源的协同利用方式研究

赵友宝，薛 健

(山东科技大学经济管理学院，山东青岛266510)

以龙固矿区为载体，结合协同利用和资源优化配置理论，探讨矿区余热资源深度利用问题，提出高温矿区余热资源与电能、太阳能、风能、生物质能等能源之间的协同利用，并依据错时、互补、联合、替代、层级等利用方式，设计出煤炭矿区能源协同利用体系，为矿区余热资源利用提供参考依据。

余热资源;协同利用;龙固矿区;节能减排

一、引言

我国作为“富煤、贫油、少气”的国家，煤炭矿区是我国能源的主要供应者，同时也是能源消费大户。随着开采水平延伸和采区向两翼延伸，提升的深度、排水的深度、运输和通风距离会不断增加，使得单位原煤的开采能耗增加，进而总能耗增加。在经济快速发展的大背景下，能源消费结构严重不合理、新能源难以得到充分合理利用，能源利用效率低、能源浪费现象严重等问题日益引起人们的高度关注［1］。其中，余热资源由于其分布分散、利用难度大等特点，长期以来处于利用不充分状态，浪费十分严重。本文借助协同理论和方法，将矿区余热资源与电能、太阳能、风能、生物质能等资源相结合，实现协同利用，这对于煤炭矿区节能减排、提高能源利用率意义重大。

二、煤炭矿区余热资源供给与需求分析

矿区拥有大量的余热资源，主要包括电厂余热、焦化厂余热、矸石砖厂余热、乏风余热、矿井水携带的热量以及风机、绞车等设施设备摩擦产生的热量。同时，对于这些余热的利用领域也较为广泛，具有很大的发展空间。

(一)余热供给分析

1.电厂余热。电厂的燃料燃烧总发热量中只有35%左右转变为电能，而60%以上的热能主要通过锅炉烟囱和汽轮机凝汽器的循环冷却水失散到环境中［2］。相比之下，循环冷却水携带走的废热量又占其中绝大部分。

2.焦化厂余热。在炼焦过程中，一方面将焦煤、肥煤、气煤等按照一定的比例进行燃烧，燃烧到一定程度以后，运用湿式灭火方法，形成焦炭;另一方面煤料在炭化室内经过一个结焦周期的高温干馏会产生荒煤气。在产生焦炭和煤气的过程中，都会产生大量的热量，可以回收加以利用［3］。

3.矿井水携带的热量。在煤炭矿井中地热资源的主要载体是矿井水，由于浅层的地下温度梯度约为每向下延伸30米，温度升高1℃，造成矿井水温度较高。一般而言，在我国的大多数矿井的矿井水温度都能够到达16～25℃。如龙固矿区属于高温矿井，矿井水温达到40～42℃，经水源热泵处理后，水温从34.5摄氏度降到15摄氏度，每小时会释放28 779kw的热能。

4.矸石砖厂余热。煤矸石制砖生产线由于其特有的工艺特点，靠矸石自身热量烧制，其水分蒸发热、化学反应热仅使用总热量的30%左右，送往干燥室热量占总热量30%～35%，而40%左右热量散失。此散失的热量即可充分地回收利用。

5.风机、绞车等设备摩擦产生的热量。风机、绞车等设备在连续运行中，机械设备相互摩擦，并压缩自然状态下的空气获得高压压缩空气，其中一小部分由机械能转换为高压压缩空气势能，另外空气被压缩产生的大量热量，这些热量经过处理可以利用到生产生活的场所［4］。

6.乏风余热。在矿井开发的过程中，伴随有矿井水和矿井回风的产生，进入矿井的空气不断与矿井进行热交换，最终，空气与矿井的地温达到平衡［5］。故而，矿井水和矿井回风是一类稳定的较优质的余热资源。

(二)余热需求分析

1.工业用能。在工业生产中，机械制造、矿用设施等设备的运行需要耗费大量的电能，而通过利用电厂余热、焦化厂余热发电以及沼气池发电可以满足这一部分需求;在工业办公方面，除了日常办公的电能之外，办公楼还需要达到冬季供暖、夏季制冷的需求。这一部分可以通过利用水源热泵提取处理后的矿井水的热量得以实现［6］。

在矿井井下工作时，针对矿井井下夏季温度高、冬季温度低的特点，需要采取一系列方式来进行夏季井下降温、冬季井口防冻。夏季时通过采取水源热泵方式，利用矿井水热能制冷实现井下局部降温;冬季时可以利用矿井水余热、电厂余热、乏风余热等热能使井口的温度上升，达到井口防冻的目的。

2.生活用能。在居民生活区，居民日常生活所需的电量可以通过矿区的电厂余热、焦化厂余热以及沼气池来发电得到，而居民做饭所需的煤、天然气可通过沼气池发酵产生的天然气来代替使用［7］。

3.生产服务用能。煤矿公司的宿舍楼和办公楼需要冬季供暖、夏季制冷，而目前冬季采暖多用燃煤锅炉供暖，供暖时间长，耗煤量大;夏季多采用空调制冷，耗电量大［8］。为此，可以充分利用矿井水的热量，减少供热能源消耗，利用水源热泵提取处理后的矿井水的热量得以实现。同时，矿井员工全年每时每刻都需要洗浴用水，此系统全天24小时一直在运行，需要耗费较多的水资源和热能，而高温矿井水正好为洗浴用水提供了便利。

4.生态农业用能。随着矿区塌陷区复垦与治理，塌陷区的综合利用成为矿区发展的初识。矿区可以充分利用塌陷区土地，大力发展生态农业。在北方寒冷的冬季，温室养殖和温室种植对生态农业的发展十分重要。而它们都需要适合的温度才能达到相应的目的，如温室养殖可以利用经过处理后的矿井水，其水质和温度都能达到需要;温室种植可以利用矿井水余热、电厂余热、乏风余热等来给大棚供热，使普通日光温室大棚变成供热温室大棚，减小气候对作物的影响。

在农产品加工方面，诸如酿造、烘干、发酵等都需要一定的温度热量以及电能进行处理，而电厂余热、矿井水余热、乏风余热等对各类加工可以提供帮助。对于农产品的冷藏所需的低温可以通过水源热泵机组对矿井水余热利用达到制冷效果。

5.其他方面用能。景观用能方面，如路灯、花草灌溉等对电量的需求可以通过电厂余热、焦化厂余热发电以及沼气池发电得以满足。

在生活污水处理方面，根据排放标准和生产回用水水质的要求，可以采用ETS生态污水处理工艺和絮凝过滤处理工艺。ETS生态污水处理系统在中心处理部分——生态桶中形成了一个由多种生物组成的生态平衡系统。在此处理系统中，矿井水通入生态桶，矿井水余热为生态桶中的微生物提供适宜的生存温度，从而将水中污染物如有机物、病菌、磷等逐级降解。处理后出水回用于矿区生产及生活区绿化，在改善周边环境的同时实现污水的资源化利用。

三、矿区余热与其他能源协同利用方式研究

(一)矿区余热与电能协同利用

矿井水余热是矿区余热的重要组成部分，也是矿区余热与其他能源协同利用的重点。矿井水余热与电能的协同利用主要是通过水源热泵技术来完成的，即通过输入少量高品位能源(电能)，实现低温位热能向高温位转移，达到节能的目的［9］。

煤炭企业由于生产的特殊性，特别是井工开采煤矿，矿井水余热资源可进行水源热泵技术开发应用，温差稳定在一定温度范围，无疑给水源热泵技术的应用提供了一种特别能量。水源热泵实质上是一种热量提升装置，它本身消耗一部分能量，把环境介质中贮存的能量加以挖掘，提高温位进行利用，而整个热泵装置所消耗的功仅为供热量的三分之一或更低，这也是热泵的节能特点。水源热泵是由蒸发器、冷凝器、压缩机、膨胀阀等四部分组成。它的工作原理是由电能驱动压缩机，使制冷剂在冷凝器中液化放热，通过膨胀阀进入蒸发器中膨胀气化吸热、使热量不断得到交换传递，并通过阀门切换使机组实现制热(或制冷)功能。夏季制冷时，热泵机组与冷却塔连接，制冷剂向水中放出热量后温度降低，再与空调系统循环水连接，吸收循环水中热量，从而降低循环水温度，为空调系统提供冷水，借助冷却塔为办公等场所提供冷气;冬季供暖时，矿井水通过板式换热器间接与热泵连接，制冷剂吸收矿井水中热量加热系统循环水，为各供暖系统提供热量，满足煤矿井筒保温、工业场地生产、办公及职工宿舍取暖等［10］。

(二)矿区余热与生物质能协同利用

生物质能，就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。矿区余热与生物质能的协同利用可以通过兴建大型恒温控制沼气池来完成，即将余热用于沼气制作过程中，为生产沼气提供创造必要的条件［11］。

因为在我国北方气温较低，尤其是高寒冷地区，温差更大。而沼气发酵的温度一般为15℃ ～27℃，如果发酵原料的温度每天降低1℃，就足以影响发酵的正常进行，若温度骤然降低3℃，就会严重影响发酵，产气量明显减少［12］。而矿区余热正好为产生沼气提供适宜的温度。沼气资源可以作为能源为生活和办公提供热源，也可以转化为电能用于生产生活;同时沼气生产过程中产生的沼液、沼渣等也可作为有机肥料，用于动物和水产动植物养殖、植物施肥等，完成动物粪便、植物秸秆、落叶－沼气、沼液、沼渣－有机肥料的循环利用，这样在节能的同时也达到了减排的目的。

(三)矿区余热与太阳能、风能协同利用

太阳能、风能是目前全球新能源开发和应用技术发展和应用比较成熟、规模化和产业化的新能源行业。为了满足矿区生产、生活及社会活动对热能需求的连续性和稳定性，有以下三种途径来实现矿区余热与太阳、风能的协同利用。

1.并联利用

并联利用指的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，或者对同一使用领域同时供给全部或几种能源。矿区余热与太阳、风能的并联式利用原理:把水源热泵系统与风力发电装置、太阳能热水系统并联起来同时进行。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，一般白天太阳能充足，风能相对不足，晚上则相反;夏大太阳能充足，风能不足，冬天则恰相反。风光较好的互补性使风光联合互补发电系统有效克服了风能、光能独立运作带来的供电的随机性和不连续性。图1为太阳能热泵并联利用图。

图1 太阳能热泵并联利用图

图2 太阳能热泵串联利用图

2.串联利用

串联利用指的是按照能源质量，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。矿井水余热与太阳能的串联式利用原理如下:将矿井水先经过太阳能装置，对水进行加热，待温度升高到一定温度后再将其通入水源热泵中。这样顺序流程在白天尤其是阳光充足的时候效果较好。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。图2为太阳能热泵串联利用图。

3.混合利用。

混合利用指的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。以太阳能与矿井水热能联合应用为例，可以联合利用太阳能热水系统对排到地面的矿井水进行加热，这样将会大大提高矿井水余热的利用效率。串并联混合装置能够让太阳能热水系统的功率大于水源热泵的功率，这样可以在白天阳光充足时使太阳能热水系统储存一定的水源以供晚上或阴天时水源热泵系统运作，从而提高整体效率。以利用太阳能为例来体现混合利用能源，图3为太阳能热泵混合利用图。

图3 太阳能热泵混合利用图

4.矿区能源协同利用体系

煤炭矿区的能源供给可以分成三大部分，除了矿井水余热、乏风余热等闲置能源和太阳能、风能、生物质能等新能源外，还有煤、电、油等常规能源，共同组成了煤炭矿区的能源供给体系。在分别研究了矿区余热与太阳能、风能、生物质能和电能的协同利用之后，结合矿区煤炭生产－加工－废物回收各个环节，加入煤炭、油气等能源，依据错时、互补、联合、替代、层级等利用方式，设计煤炭矿区能源协同利用体系。图4为煤炭矿区能源协同利用体系图。

四、龙固矿区余热资源利用体系设计及应用前景分析

为了验证余热资源与其他能源协同利用的可操作性和可行性，本体系以龙固矿区为例进行了研究设计。在分析龙固矿区基本情况和用能系统概况的基础上，建立了龙固矿区余热资源综合利用链，包括大型化恒温控制沼气池的建设、生态农业发展链以及矿区生产生活利用。图5为龙固矿区余热资源利用体系设计图。

(一)余热与生物质能的协同利用——建设大型化恒温控制沼气池

当前，新巨龙公司可待开发利用的生物质能资源有:动物粪便，植物秸秆，枯枝落叶，农产品加工的下脚料和水生养殖产生的淤泥，餐厨垃圾等。因此，可以以此为充足的发酵原料，建设大型化恒温控制沼气池。该沼气池的设计用途包括以下几方面:

第一，以沼气为原料发电。沼气燃烧发电是随着大型沼气池建设和沼气综合利用的不断发展而出现的一项沼气利用技术，它将厌氧发酵处理产生的沼气用于发动机上，并装有综合发电装置，以产生电能和热能。其中产生的电能可供给给矿区生产生活用电，以及周边村庄用电需求。

图4 煤炭矿区能源协同利用体系图

第二，发展LNG。先将沼气池生产的天然气净化处理，再经超低温(－162℃)常压液化就形成液化天然气。LNG作为一种清洁、高效、方便、安全的能源，不仅可作为清洁燃料汽化后供城市居民使用，也可作代用汽车燃料使用，还可以作为工业气体燃料。

第三，利用沼渣、沼液加工有机肥。沼气池产生的沼渣和沼液既可以直接用于矿区生态农业种植的肥料，也可以通过肥料加工厂制成有机肥提供给植物的生长。

沼气池的建立不仅解决养殖场粪便的污染问题也为温室大棚、职工食堂提供了能源，还为种植区提供了有机肥料，给鱼塘提供了饲料。一方面减少矿区的种植区、温室花房和蔬菜基地的有机肥料支出，另一方面，一吨秸秆可产沼气1 500m3，这合标准煤750kg，相当于汽油1 970kg，可发电1 875度，电费按0.5元/千瓦时计，一吨秸秆就可节省发电费用937.5元。这一设计不仅提高了龙固矿区内部废物资源的循环利用，而且还大大提高矿区的经济效益。

(二)余热与太阳能的协同利用——发展生态农业

新巨龙现已成立了龙美农业开发公司，对矿区农业资源进行集中开发利用，大力发展生态农业，取得了不错的成绩。但其发展仍处于初步阶段，在发展过程中也存在着诸多问题。本设计规划将着重发挥余热资源与太阳能、风能的协同利用来介绍龙固矿区生态农业的发展。

1.温室种植。当前，新巨龙公司已建立两座智能温室绿色生态农业大棚，32座日光大棚。在温室种植的过程中，可以通过利用矿井水余热来给大棚供热，使普通日光温室大棚变成供热温室大棚，可以人工控制大棚的温度，使大棚温度不受气候影响，或受气候影响较小，白天和晚上温度都较高，使得适合种植、养殖的品种类型大大增加，生产期缩短，产品质量提高。同时，矿井水余热应当与太阳能协同利用，在夏季温度较高或者矿井水余热不足时，可是充分利用太阳能，提供植物成长的能量。通过种植各类水果蔬菜，不仅可以解决内部食材的需要，还可以进行外销，大大提高公司的经济收入。

2.农产品加工。龙美农业园苗木种植、蔬菜生产和畜牧养殖三大产业已对农业园土地利用实现全覆盖。其中，由温室大棚提供优质蔬菜40万斤，新增优质品种10个，包括:香蕉、木瓜、莲雾、冰草、香椿芽等。为此对相关农产品可以进行加工处理，设置冷藏库、食品加工厂、食品包装厂等，以提高经济效益。新巨龙公司的农产品加工过程，诸如酿造、烘干、冷藏等，将需要大量的电能、热能资源。因而，可以将矿井水余热与农产品加工过程相结合，替代了常规能源燃煤发电的消耗，预计年节约标准煤40吨，年减少CO2的排放量17吨，年减少SO2的排放量0.8吨，烟尘0.6吨、灰渣排放10吨。

3.温室养殖。现在温室养殖技术已经趋于成熟，目前研制的品种已有很多，如鳄鱼、巴西龟、珍珠鳖、甲鱼等等。温室养殖技术就是控温技术，需要控制温度符合养殖品种生存的最佳温度，并恒温控制，这个问题是温室养殖的关键，另外还需要根据不同的品种对水质和温度同时进行调节。新巨龙矿区矿井水地热资源丰富，出水量1 000t/h，水温一直都是恒温，经过处理后水质和温度都能达到温室养殖的需要，非常适合发展温室养殖。同时也可以利用电厂余热来进行渔业养殖。通过温室养殖的发展，既可以充分利用矿井水余热、电厂余热，也可以为其带来可观的经济效益。

4.旅游观光。结合新农村建设，可以引导失去土地的农民发展温室养殖，发展观赏品种的养殖，促进矿区观光旅游业的发展。同时，开展蔬菜观光与果树采摘、特色农产品展销、生态餐饮体验、湿地风景体验等活动，既普及了知识、宣传了企业，又可以创造一定的经济价值。

(三)余热与电能的协同利用——生产生活

龙固矿区余热与电能的协同利用主要是通过建设水源热泵站来完成，通过水源热泵完成低品位热能向高品味热能的转换，以满足矿区日常生产生活需要。目前矿区投资4 530万元，建设了5座水源热泵机房，装备14套水源热泵机组，构成了矿井水余热资源综合利用系统，满足了矿井所有生产、生活场所冬季供暖和夏季制冷需求。

1.井下降温。针对井下通过制冰、送冰系统来降低温度产生的高能耗问题，拟定以下系统优化节能方案:利用井下矿井水资源，采取水源热泵方式，利用矿井水热能制冷实现井下局部降温。在井下排水温度约46℃ ～48℃的工况下，利用矿井排水作为介质，利用热泵的“泵升”原理通过压缩机做功，带走掘进迎头的热量，从而达到降温的作用。矿井水经过水源热泵系统提热后温度降为23℃左右，用于井下防尘洒水，相当于免费水源，可以缓解井下高温环境，减少制冷系统运行负荷。通过该系统的设计能为新巨龙公司每年节约标煤6 889吨，按每吨标煤500元计算，可节省费用344.5万元，同时，年减少CO2的排放量17 911.9吨，年减少SO2的排放量124吨，在提高经济效益的同时，最大程度地降低了环境污染。图6为水源热泵夏季制冷运行流程图。

图6 水源热泵夏季制冷运行流程图

2.冬季井口防冻。若矿井水温度为48℃，经过水源热泵冷凝放热后将矿井水温度可提高到54～56℃左右，把矿井水通过排水泵提升到地面，温度在46～48℃，然后分支出一条管路至进风井口，在井口周围布置换热器，通过矿井水在换热器内部循环提高进风的温度，使进风温度提高到5℃以上。通过该系统的设计能为新巨龙公司每年节约标煤3 840吨，按每吨标煤500元计算，可节省费用192万元，同时，年减少CO2的排放量9 984吨，年减少SO2的排放量69.1吨。图7为水源热泵冬季制热运行流程图。

图7 水源热泵冬季制热运行流程图

3.办公、宿舍楼及辅助办公区供暖。目前龙固矿区有宿舍楼4栋，面积约为22 800m2，新建办公大楼一座，面积33 600m2，联合建筑10 080m2，工艺楼4 150m2，总面积为70 630平方米，冬季采暖用燃煤锅炉供暖，供暖季为4个月共计120天，年消耗原煤4 627t，折合标煤量为4 164t。利用矿井水地热资源，通过水源热泵技术，冬季供暖采用水源热泵制取的54℃热水，将热水送至室内风机盘管进行放热来提高室内的温度。这样既可以以满足办公、宿舍楼及辅助办公区供暖，又可年可节约标准煤3 327t，按每吨标煤500元计算，年可节约采暖费166.4万元。另外也可以通过水源热泵实现办公、宿舍楼及辅助办公区的制冷。

4.职工洗浴热水。龙固矿区生产每天需要员工2 000人，每人每天洗浴平均用水量0.1m3，洗浴天数365天，每年洗浴用水耗煤量521t，折合标煤量为469t。岩石层渗水洁净度高，热源充足，可直接作为洗浴用水，每天洗浴用水量为200t，井下出水量1 000t/h，可以满足洗浴用水需求。通过直接利用井下矿井水洗浴，全部实施后，节煤量可折合标煤469吨，按照吨标煤500元计算，可实现节能效益23.5万元。同时，将余热资源与太阳能协同利用，在职工澡堂建成太阳能洗浴系统，安装并联太阳能热水器。当矿井水余热不足以满足洗浴需求时，开启太阳能洗浴系统，实现互补。

(四)矿区余热资源利用体系应用前景

龙固矿区余热资源利用体系的设计与实施，会带来巨大的经济效益、生态效益与社会效益。通过项目的实施，可以带动巨野及周围县市的发展，不仅能够改善当地环境，优化当地居民的生活质量，而且通过改善矿区的生产生活环境有利于吸引国内外企业投资，能够创造更多的就业机会，促进区域经济发展。同时，该余热体系的设计可以为全国各大矿区建立示范作用，提高矿区能源综合利用程度，大大提高矿区的经济收入，促进矿区的生态文明建设。

因此，该研究有效地解决了一系列经济、社会和环境问题，真正意义上达到了经济效益、社会和环境效益的统一。可以说，龙固矿区余热资源利用体系建设是一项利国、利民、利企的效益工程，应用前景良好。

五、结论

第一，本文将矿区余热资源替代常规电能、热能使用，并结合电能、太阳能、风能以及生物质能等能源协同利用，节省了常规能源，充分利用了闲置资源，实现了能源之间的互补与替代，提高了能源综合利用程度，达到节能减排的目的。

第二，在体系构建中，形成了一条从农产品生产——废弃物利用——农产品加工、观光旅游的生态农业产业链。其中，通过建设大型化恒温控制沼气池，实现了生活区、养殖区、种植区之间的有机废弃物的循环利用，完成了园区生态农业的一体化发展，提供了矿区发展的新的经济增长点。

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［责任编辑:刘 炜］

F426.21;TK115

A

1672 -5956(2016)02-0027-08

10.3969/j.issn.1672－5956.2016.02.005

2015-10-17

赵友宝，1965年生，男，山东日照人，山东科技大学副教授，研究方向为管理经济学、跨国公司管理与世界经济，(电子信箱)xuejian900727@163.com。