礦區(qū)多能互補近零碳供熱模式研究

李瑞華，武 進

(中煤能源研究院有限責任公司，陜西省西安市，710054)

0 引言

能源是經(jīng)濟社會發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是推進碳達峰、碳中和的主戰(zhàn)場，由化石能源主導的高碳能源系統(tǒng)正逐步向清潔能源主導的低碳、近零碳能源系統(tǒng)過渡[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，國家發(fā)展改革委、國家能源局等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，建立可再生能源與傳統(tǒng)能源協(xié)同互補、梯級利用的供熱體系。“雙碳”目標也倒逼煤炭行業(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50%[3]，這主要是由于礦區(qū)燃煤鍋爐供熱產(chǎn)生的。近年來，各地對小型燃煤鍋爐的淘汰也在加緊推進，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天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動方案》(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，尤其對于北方寒冷地區(qū)的煤礦，供熱熱負荷普遍較大，燃煤鍋爐淘汰后的供熱缺口將難以彌補。同時，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)的供熱問題，既能夠提高單一清潔能源利用率，又可以使多能互補協(xié)同效應(yīng)發(fā)揮到最佳，彌補燃煤鍋爐淘汰后的供熱缺口，實現(xiàn)近零碳供熱，為“零碳礦區(qū)”的落地實施奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 煤礦礦區(qū)熱負荷及熱資源分析

1.1 煤礦礦區(qū)熱負荷分析

煤礦礦區(qū)熱負荷包含礦井及選煤廠區(qū)域的供熱熱負荷，大體分為礦井井筒防凍熱負荷、生產(chǎn)及行政福利建筑采暖熱負荷和生活用熱負荷，前2類屬于季節(jié)性熱負荷，生活用熱負荷屬于常年性熱負荷[6-7]。供熱對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)冰會對提升設(shè)備和人員的安全構(gòu)成嚴重威脅，甚至可能發(fā)生冰凌突然墜落的惡性事故，斜井路面結(jié)冰會造成路面打滑，嚴重威脅行車和行人安全，因此要求煤礦井筒進風混合溫度不低于2 ℃；建筑采暖效果也會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熱水箱能夠緩沖熱源側(cè)的短時波動。我國部分地區(qū)煤礦礦井熱負荷構(gòu)成[8-9]見表1。

表1 我國部分地區(qū)煤礦礦井熱負荷構(gòu)成 MW

由表1可以看出，在礦井熱負荷中礦井井筒防凍熱負荷和生產(chǎn)及行政福利建筑采暖熱負荷占比較高，而生活用熱熱負荷占比較小。不同規(guī)模的礦井其熱負荷差異也較大，即產(chǎn)能規(guī)模越大、環(huán)境條件類似時，其熱負荷越大。礦井井筒防凍熱負荷主要受礦井通風量大小的影響，生產(chǎn)建筑采暖熱負荷主要受建筑指標(體積、面積等)的影響，兩者與產(chǎn)能規(guī)模相對關(guān)聯(lián)度較大，行政福利建筑采暖熱負荷和生活用熱負荷與礦區(qū)人員規(guī)模相關(guān)，隨著煤炭行業(yè)進入規(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)供熱的一大特點是礦井擁有較為豐富的伴生能源，包含礦井回風余熱、礦井排水余熱、瓦斯發(fā)電余熱、空壓機余熱等[10-11]。煤礦井下生產(chǎn)過程中機電設(shè)備散熱、運輸中煤和矸石的散熱和氧化放熱等均會產(chǎn)生大量熱量，這部分低品位的熱量經(jīng)礦井回風和礦井排水帶到地面，通過熱泵回收后可用于供熱系統(tǒng)。礦井回風余熱和礦井排水余熱資源量豐富，通常可達5～10 MW，主要受回風量、礦井排水量和溫度的影響；瓦斯發(fā)電對瓦斯?jié)舛扔幸螅诟咄咚沟V井應(yīng)用較多，余熱量可達1～5 MW；空壓機余熱量較小，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，風光資源較為豐富，當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，要結(jié)合礦區(qū)生產(chǎn)特點和用熱特性來分析。對于風光資源的利用，建議以光資源利用為主，這主要是由于礦區(qū)風電受風資源分布和地質(zhì)穩(wěn)定性的影響[12-13]，可利用區(qū)域相對有限；光資源能量密度較低，規(guī)模化應(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，光熱通過管道硬連接，對于地質(zhì)變形的適應(yīng)性和維護工作遠不如光伏簡單。此外，光熱僅在采暖季利用，光伏可全年利用，系統(tǒng)經(jīng)濟性和設(shè)備利用率遠高于光熱。

2 煤礦礦區(qū)多能互補近零碳供熱系統(tǒng)模式

2.1 設(shè)計原則

在煤礦礦區(qū)熱負荷和熱資源分析的基礎(chǔ)上，按照“分區(qū)動態(tài)平衡”的思路將熱源和用熱需求進行匹配，根據(jù)空間距離的遠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)成整個礦區(qū)供熱循環(huán)大平衡。礦區(qū)多能互補近零碳供熱系統(tǒng)中以礦井伴生能源為基礎(chǔ)負荷，不足部分由可再生能源+儲熱來補充。考慮到可再生能源的不穩(wěn)定性，以外部電網(wǎng)電能作為供暖季長時間風光資源不足時的替代熱源。

2.2 系統(tǒng)模式研究

由于我國煤礦區(qū)域所處地理位置、產(chǎn)能規(guī)模等的差異，不同礦區(qū)的熱源和熱負荷也不盡相同。對于選定的礦井而言，礦井伴生能源資源量基本保持穩(wěn)定，短時間內(nèi)的波動量較小。通過礦井伴生能源資源量與礦區(qū)最大熱負荷之間的關(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)逐時熱負荷計算的基礎(chǔ)上，基于氣象數(shù)據(jù)庫中的氣象數(shù)據(jù)，選擇最大熱負荷前后的典型日為分析對象，整體環(huán)境溫度為-10～8 ℃，若熱源可供熱量能滿足最大熱負荷，則整個供暖季熱負荷需求也能保證，在此對3種模式的礦井伴生能源資源量與礦區(qū)熱負荷的匹配關(guān)系進行對比分析。

2.2.1 礦井伴生能源

該模式針對礦井伴生能源資源量遠大于礦區(qū)最大熱負荷的情景，對地處環(huán)境氣溫較高的煤礦，如安徽淮南、山東棗莊等部分煤礦，其熱負荷較小，利用單一的礦井回風余熱或礦井排水余熱即可滿足整個礦區(qū)熱負荷需求。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)境溫度的逐時變化，建筑采暖熱負荷和井筒防凍熱負荷也隨之相應(yīng)變化，生活用熱熱負荷屬于間歇性熱負荷，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間段均大于礦區(qū)總熱負荷，熱源能夠完全覆蓋全時段的熱負荷需求，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現(xiàn)燃煤鍋爐的淘汰和替代，系統(tǒng)簡單且改造工程量小，以替代2×20 t/h燃煤鍋爐為例，可減少碳排放量約1萬t/a。

2.2.2 礦井伴生能源+短期儲熱

該模式針對礦井伴生能源資源量略小于礦區(qū)最大熱負荷的情景，在礦井伴生能源的基礎(chǔ)上增加短期儲熱系統(tǒng)，如陜西關(guān)中地區(qū)煤礦，短期儲熱系統(tǒng)既可以作為供熱系統(tǒng)運行過程的緩沖，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(無儲熱)運行，礦區(qū)回風或礦井排水中的余熱在環(huán)境溫度較高時，就有大部分熱能未被利用，因而造成浪費。礦井伴生能源+短期儲熱源荷匹配關(guān)系如圖2所示。

圖2 礦井伴生能源+短期儲熱源荷匹配關(guān)系

由圖2可以看出，熱負荷的日變化較大，波動有時可達70%以上，圖中礦井伴生能源可供量為15 MW，與礦區(qū)最大熱負荷18.5 MW之間相差較小，短期儲熱系統(tǒng)可在白天環(huán)境氣溫較高、熱負荷較小時將多余的礦井伴生熱量回收儲存起來，在夜間氣溫較低時逐步釋放，與持續(xù)性熱源相疊加共同滿足總熱負荷需求。同時，儲熱量的大小根據(jù)次日調(diào)峰負荷量來進行儲存(如圖2中所示每日的儲熱量不同)。該模式是對模式一的進一步優(yōu)化，能夠進一步提高礦區(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+短期儲熱

該模式針對礦井伴生能源資源量小于礦區(qū)最大熱負荷的情景，僅依靠礦井伴生能源遠不足以滿足最大熱負荷的要求，如陜西榆林、山西朔州等部分煤礦，通過與可再生能源(以光伏為例)耦合供熱來滿足供熱需求。白天時段光伏所發(fā)的綠電經(jīng)電鍋爐轉(zhuǎn)為熱能后進行存儲，在夜晚低溫時段釋放補充熱量[14-15]。以持續(xù)性熱源(礦井伴生能源)為主承擔基本負荷，調(diào)峰負荷由儲熱來分擔，儲熱熱量主要來源于2個方面：一方面是白天熱負荷低于礦井伴生能源時儲存的熱量，另一方面是光伏所產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)化為熱能儲存起來的部分。若出現(xiàn)長時間的風光資源不足時，可利用外部電網(wǎng)帶動電鍋爐供熱彌補缺口，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為10 MW，與礦區(qū)最大熱負荷18.5 MW相差較大，礦井伴生能源僅夠承擔基本負荷，基本負荷之上的調(diào)峰負荷就需外部熱源進行補充，該部分由太陽能來承擔，即白天將太陽能所發(fā)電能轉(zhuǎn)化為熱能進行儲存，出現(xiàn)調(diào)峰負荷缺口時逐漸按需釋放。該模式為高寒地區(qū)煤礦低碳清潔供熱提供了解決方案，通過多能互補來協(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，對于礦區(qū)多能互補供熱系統(tǒng)而言，碳排放主要來源于外部電網(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)邊界來看，其在源源不斷向外提供綠電，基本可實現(xiàn)零碳排放。此外，從遠期來看，電網(wǎng)中新能源比例逐年升高，碳排放因子未來將逐步下降達到平衡趨近于零，3種模式均能實現(xiàn)供熱系統(tǒng)近零碳排放。

4 結(jié)語

隨著小型燃煤鍋爐的淘汰和“零碳礦區(qū)”的逐步推進，礦區(qū)多能互補清潔供熱將是一個重要的發(fā)展方向。筆者基于礦區(qū)熱負荷和熱資源分析，通過對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)熱負荷的大小關(guān)系，提出了3種典型的近零碳供熱模式，將儲熱和可再生能源與礦井伴生能源相結(jié)合，以多能互補協(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，可進一步提升了礦區(qū)能源利用效率，大幅降低碳排放水平。