趙友寶，薛 健

(山東科技大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，山東青島266510)

礦區(qū)余熱資源與其他能源的協(xié)同利用方式研究

趙友寶，薛 健

(山東科技大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，山東青島266510)

以龍固礦區(qū)為載體，結(jié)合協(xié)同利用和資源優(yōu)化配置理論，探討礦區(qū)余熱資源深度利用問題，提出高溫礦區(qū)余熱資源與電能、太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等能源之間的協(xié)同利用，并依據(jù)錯時、互補(bǔ)、聯(lián)合、替代、層級等利用方式，設(shè)計出煤炭礦區(qū)能源協(xié)同利用體系，為礦區(qū)余熱資源利用提供參考依據(jù)。

余熱資源;協(xié)同利用;龍固礦區(qū);節(jié)能減排

一、引言

我國作為“富煤、貧油、少氣”的國家，煤炭礦區(qū)是我國能源的主要供應(yīng)者，同時也是能源消費(fèi)大戶。隨著開采水平延伸和采區(qū)向兩翼延伸，提升的深度、排水的深度、運(yùn)輸和通風(fēng)距離會不斷增加，使得單位原煤的開采能耗增加，進(jìn)而總能耗增加。在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的大背景下，能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)嚴(yán)重不合理、新能源難以得到充分合理利用，能源利用效率低、能源浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重等問題日益引起人們的高度關(guān)注［1］。其中，余熱資源由于其分布分散、利用難度大等特點，長期以來處于利用不充分狀態(tài)，浪費(fèi)十分嚴(yán)重。本文借助協(xié)同理論和方法，將礦區(qū)余熱資源與電能、太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等資源相結(jié)合，實現(xiàn)協(xié)同利用，這對于煤炭礦區(qū)節(jié)能減排、提高能源利用率意義重大。

二、煤炭礦區(qū)余熱資源供給與需求分析

礦區(qū)擁有大量的余熱資源，主要包括電廠余熱、焦化廠余熱、矸石磚廠余熱、乏風(fēng)余熱、礦井水?dāng)y帶的熱量以及風(fēng)機(jī)、絞車等設(shè)施設(shè)備摩擦產(chǎn)生的熱量。同時，對于這些余熱的利用領(lǐng)域也較為廣泛，具有很大的發(fā)展空間。

(一)余熱供給分析

1.電廠余熱。電廠的燃料燃燒總發(fā)熱量中只有35%左右轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，?0%以上的熱能主要通過鍋爐煙囪和汽輪機(jī)凝汽器的循環(huán)冷卻水失散到環(huán)境中［2］。相比之下，循環(huán)冷卻水?dāng)y帶走的廢熱量又占其中絕大部分。

2.焦化廠余熱。在煉焦過程中，一方面將焦煤、肥煤、氣煤等按照一定的比例進(jìn)行燃燒，燃燒到一定程度以后，運(yùn)用濕式滅火方法，形成焦炭;另一方面煤料在炭化室內(nèi)經(jīng)過一個結(jié)焦周期的高溫干餾會產(chǎn)生荒煤氣。在產(chǎn)生焦炭和煤氣的過程中，都會產(chǎn)生大量的熱量，可以回收加以利用［3］。

3.礦井水?dāng)y帶的熱量。在煤炭礦井中地?zé)豳Y源的主要載體是礦井水，由于淺層的地下溫度梯度約為每向下延伸30米，溫度升高1℃，造成礦井水溫度較高。一般而言，在我國的大多數(shù)礦井的礦井水溫度都能夠到達(dá)16～25℃。如龍固礦區(qū)屬于高溫礦井，礦井水溫達(dá)到40～42℃，經(jīng)水源熱泵處理后，水溫從34.5攝氏度降到15攝氏度，每小時會釋放28 779kw的熱能。

4.矸石磚廠余熱。煤矸石制磚生產(chǎn)線由于其特有的工藝特點，靠矸石自身熱量燒制，其水分蒸發(fā)熱、化學(xué)反應(yīng)熱僅使用總熱量的30%左右，送往干燥室熱量占總熱量30%～35%，而40%左右熱量散失。此散失的熱量即可充分地回收利用。

5.風(fēng)機(jī)、絞車等設(shè)備摩擦產(chǎn)生的熱量。風(fēng)機(jī)、絞車等設(shè)備在連續(xù)運(yùn)行中，機(jī)械設(shè)備相互摩擦，并壓縮自然狀態(tài)下的空氣獲得高壓壓縮空氣，其中一小部分由機(jī)械能轉(zhuǎn)換為高壓壓縮空氣勢能，另外空氣被壓縮產(chǎn)生的大量熱量，這些熱量經(jīng)過處理可以利用到生產(chǎn)生活的場所［4］。

6.乏風(fēng)余熱。在礦井開發(fā)的過程中，伴隨有礦井水和礦井回風(fēng)的產(chǎn)生，進(jìn)入礦井的空氣不斷與礦井進(jìn)行熱交換，最終，空氣與礦井的地溫達(dá)到平衡［5］。故而，礦井水和礦井回風(fēng)是一類穩(wěn)定的較優(yōu)質(zhì)的余熱資源。

(二)余熱需求分析

1.工業(yè)用能。在工業(yè)生產(chǎn)中，機(jī)械制造、礦用設(shè)施等設(shè)備的運(yùn)行需要耗費(fèi)大量的電能，而通過利用電廠余熱、焦化廠余熱發(fā)電以及沼氣池發(fā)電可以滿足這一部分需求;在工業(yè)辦公方面，除了日常辦公的電能之外，辦公樓還需要達(dá)到冬季供暖、夏季制冷的需求。這一部分可以通過利用水源熱泵提取處理后的礦井水的熱量得以實現(xiàn)［6］。

在礦井井下工作時，針對礦井井下夏季溫度高、冬季溫度低的特點，需要采取一系列方式來進(jìn)行夏季井下降溫、冬季井口防凍。夏季時通過采取水源熱泵方式，利用礦井水熱能制冷實現(xiàn)井下局部降溫;冬季時可以利用礦井水余熱、電廠余熱、乏風(fēng)余熱等熱能使井口的溫度上升，達(dá)到井口防凍的目的。

2.生活用能。在居民生活區(qū)，居民日常生活所需的電量可以通過礦區(qū)的電廠余熱、焦化廠余熱以及沼氣池來發(fā)電得到，而居民做飯所需的煤、天然氣可通過沼氣池發(fā)酵產(chǎn)生的天然氣來代替使用［7］。

3.生產(chǎn)服務(wù)用能。煤礦公司的宿舍樓和辦公樓需要冬季供暖、夏季制冷，而目前冬季采暖多用燃煤鍋爐供暖，供暖時間長，耗煤量大;夏季多采用空調(diào)制冷，耗電量大［8］。為此，可以充分利用礦井水的熱量，減少供熱能源消耗，利用水源熱泵提取處理后的礦井水的熱量得以實現(xiàn)。同時，礦井員工全年每時每刻都需要洗浴用水，此系統(tǒng)全天24小時一直在運(yùn)行，需要耗費(fèi)較多的水資源和熱能，而高溫礦井水正好為洗浴用水提供了便利。

4.生態(tài)農(nóng)業(yè)用能。隨著礦區(qū)塌陷區(qū)復(fù)墾與治理，塌陷區(qū)的綜合利用成為礦區(qū)發(fā)展的初識。礦區(qū)可以充分利用塌陷區(qū)土地，大力發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)。在北方寒冷的冬季，溫室養(yǎng)殖和溫室種植對生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展十分重要。而它們都需要適合的溫度才能達(dá)到相應(yīng)的目的，如溫室養(yǎng)殖可以利用經(jīng)過處理后的礦井水，其水質(zhì)和溫度都能達(dá)到需要;溫室種植可以利用礦井水余熱、電廠余熱、乏風(fēng)余熱等來給大棚供熱，使普通日光溫室大棚變成供熱溫室大棚，減小氣候?qū)ψ魑锏挠绊憽?/p>

在農(nóng)產(chǎn)品加工方面，諸如釀造、烘干、發(fā)酵等都需要一定的溫度熱量以及電能進(jìn)行處理，而電廠余熱、礦井水余熱、乏風(fēng)余熱等對各類加工可以提供幫助。對于農(nóng)產(chǎn)品的冷藏所需的低溫可以通過水源熱泵機(jī)組對礦井水余熱利用達(dá)到制冷效果。

5.其他方面用能。景觀用能方面，如路燈、花草灌溉等對電量的需求可以通過電廠余熱、焦化廠余熱發(fā)電以及沼氣池發(fā)電得以滿足。

在生活污水處理方面，根據(jù)排放標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)回用水水質(zhì)的要求，可以采用ETS生態(tài)污水處理工藝和絮凝過濾處理工藝。ETS生態(tài)污水處理系統(tǒng)在中心處理部分——生態(tài)桶中形成了一個由多種生物組成的生態(tài)平衡系統(tǒng)。在此處理系統(tǒng)中，礦井水通入生態(tài)桶，礦井水余熱為生態(tài)桶中的微生物提供適宜的生存溫度，從而將水中污染物如有機(jī)物、病菌、磷等逐級降解。處理后出水回用于礦區(qū)生產(chǎn)及生活區(qū)綠化，在改善周邊環(huán)境的同時實現(xiàn)污水的資源化利用。

三、礦區(qū)余熱與其他能源協(xié)同利用方式研究

(一)礦區(qū)余熱與電能協(xié)同利用

礦井水余熱是礦區(qū)余熱的重要組成部分，也是礦區(qū)余熱與其他能源協(xié)同利用的重點。礦井水余熱與電能的協(xié)同利用主要是通過水源熱泵技術(shù)來完成的，即通過輸入少量高品位能源(電能)，實現(xiàn)低溫位熱能向高溫位轉(zhuǎn)移，達(dá)到節(jié)能的目的［9］。

煤炭企業(yè)由于生產(chǎn)的特殊性，特別是井工開采煤礦，礦井水余熱資源可進(jìn)行水源熱泵技術(shù)開發(fā)應(yīng)用，溫差穩(wěn)定在一定溫度范圍，無疑給水源熱泵技術(shù)的應(yīng)用提供了一種特別能量。水源熱泵實質(zhì)上是一種熱量提升裝置，它本身消耗一部分能量，把環(huán)境介質(zhì)中貯存的能量加以挖掘，提高溫位進(jìn)行利用，而整個熱泵裝置所消耗的功僅為供熱量的三分之一或更低，這也是熱泵的節(jié)能特點。水源熱泵是由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)、膨脹閥等四部分組成。它的工作原理是由電能驅(qū)動壓縮機(jī)，使制冷劑在冷凝器中液化放熱，通過膨脹閥進(jìn)入蒸發(fā)器中膨脹氣化吸熱、使熱量不斷得到交換傳遞，并通過閥門切換使機(jī)組實現(xiàn)制熱(或制冷)功能。夏季制冷時，熱泵機(jī)組與冷卻塔連接，制冷劑向水中放出熱量后溫度降低，再與空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)水連接，吸收循環(huán)水中熱量，從而降低循環(huán)水溫度，為空調(diào)系統(tǒng)提供冷水，借助冷卻塔為辦公等場所提供冷氣;冬季供暖時，礦井水通過板式換熱器間接與熱泵連接，制冷劑吸收礦井水中熱量加熱系統(tǒng)循環(huán)水，為各供暖系統(tǒng)提供熱量，滿足煤礦井筒保溫、工業(yè)場地生產(chǎn)、辦公及職工宿舍取暖等［10］。

(二)礦區(qū)余熱與生物質(zhì)能協(xié)同利用

生物質(zhì)能，就是太陽能以化學(xué)能形式貯存在生物質(zhì)中的能量形式，即以生物質(zhì)為載體的能量。礦區(qū)余熱與生物質(zhì)能的協(xié)同利用可以通過興建大型恒溫控制沼氣池來完成，即將余熱用于沼氣制作過程中，為生產(chǎn)沼氣提供創(chuàng)造必要的條件［11］。

因為在我國北方氣溫較低，尤其是高寒冷地區(qū)，溫差更大。而沼氣發(fā)酵的溫度一般為15℃ ～27℃，如果發(fā)酵原料的溫度每天降低1℃，就足以影響發(fā)酵的正常進(jìn)行，若溫度驟然降低3℃，就會嚴(yán)重影響發(fā)酵，產(chǎn)氣量明顯減少［12］。而礦區(qū)余熱正好為產(chǎn)生沼氣提供適宜的溫度。沼氣資源可以作為能源為生活和辦公提供熱源，也可以轉(zhuǎn)化為電能用于生產(chǎn)生活;同時沼氣生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的沼液、沼渣等也可作為有機(jī)肥料，用于動物和水產(chǎn)動植物養(yǎng)殖、植物施肥等，完成動物糞便、植物秸稈、落葉－沼氣、沼液、沼渣－有機(jī)肥料的循環(huán)利用，這樣在節(jié)能的同時也達(dá)到了減排的目的。

(三)礦區(qū)余熱與太陽能、風(fēng)能協(xié)同利用

太陽能、風(fēng)能是目前全球新能源開發(fā)和應(yīng)用技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用比較成熟、規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化的新能源行業(yè)。為了滿足礦區(qū)生產(chǎn)、生活及社會活動對熱能需求的連續(xù)性和穩(wěn)定性，有以下三種途徑來實現(xiàn)礦區(qū)余熱與太陽、風(fēng)能的協(xié)同利用。

1.并聯(lián)利用

并聯(lián)利用指的是根據(jù)需要設(shè)計全部或幾種能源供給渠道，按照能源使用順序利用能源，當(dāng)某種能源供給出現(xiàn)問題時，轉(zhuǎn)換為另一種能源，或者對同一使用領(lǐng)域同時供給全部或幾種能源。礦區(qū)余熱與太陽、風(fēng)能的并聯(lián)式利用原理:把水源熱泵系統(tǒng)與風(fēng)力發(fā)電裝置、太陽能熱水系統(tǒng)并聯(lián)起來同時進(jìn)行。如礦區(qū)浴池可以同時應(yīng)用太陽能、風(fēng)能、余熱及其它常規(guī)能源，一般白天太陽能充足，風(fēng)能相對不足，晚上則相反;夏大太陽能充足，風(fēng)能不足，冬天則恰相反。風(fēng)光較好的互補(bǔ)性使風(fēng)光聯(lián)合互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)有效克服了風(fēng)能、光能獨(dú)立運(yùn)作帶來的供電的隨機(jī)性和不連續(xù)性。圖1為太陽能熱泵并聯(lián)利用圖。

圖1 太陽能熱泵并聯(lián)利用圖

圖2 太陽能熱泵串聯(lián)利用圖

2.串聯(lián)利用

串聯(lián)利用指的是按照能源質(zhì)量，利用有關(guān)技術(shù)，將相關(guān)能源連在一起形成能源提質(zhì)鏈或體系，利用少量的優(yōu)質(zhì)能源使低質(zhì)能源達(dá)到能夠利用的狀況，提高低質(zhì)能源的利用效率。礦井水余熱與太陽能的串聯(lián)式利用原理如下:將礦井水先經(jīng)過太陽能裝置，對水進(jìn)行加熱，待溫度升高到一定溫度后再將其通入水源熱泵中。這樣順序流程在白天尤其是陽光充足的時候效果較好。串聯(lián)利用能解決低質(zhì)能源無法利用的困難，是能源綜合利用的方向。圖2為太陽能熱泵串聯(lián)利用圖。

3.混合利用。

混合利用指的是將串聯(lián)與并聯(lián)結(jié)合起來利用，這樣既能夠解決低質(zhì)能源無法利用的問題，又能解決能源供給不穩(wěn)定的問題。以太陽能與礦井水熱能聯(lián)合應(yīng)用為例，可以聯(lián)合利用太陽能熱水系統(tǒng)對排到地面的礦井水進(jìn)行加熱，這樣將會大大提高礦井水余熱的利用效率。串并聯(lián)混合裝置能夠讓太陽能熱水系統(tǒng)的功率大于水源熱泵的功率，這樣可以在白天陽光充足時使太陽能熱水系統(tǒng)儲存一定的水源以供晚上或陰天時水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)作，從而提高整體效率。以利用太陽能為例來體現(xiàn)混合利用能源，圖3為太陽能熱泵混合利用圖。

圖3 太陽能熱泵混合利用圖

4.礦區(qū)能源協(xié)同利用體系

煤炭礦區(qū)的能源供給可以分成三大部分，除了礦井水余熱、乏風(fēng)余熱等閑置能源和太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等新能源外，還有煤、電、油等常規(guī)能源，共同組成了煤炭礦區(qū)的能源供給體系。在分別研究了礦區(qū)余熱與太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能和電能的協(xié)同利用之后，結(jié)合礦區(qū)煤炭生產(chǎn)－加工－廢物回收各個環(huán)節(jié)，加入煤炭、油氣等能源，依據(jù)錯時、互補(bǔ)、聯(lián)合、替代、層級等利用方式，設(shè)計煤炭礦區(qū)能源協(xié)同利用體系。圖4為煤炭礦區(qū)能源協(xié)同利用體系圖。

四、龍固礦區(qū)余熱資源利用體系設(shè)計及應(yīng)用前景分析

為了驗證余熱資源與其他能源協(xié)同利用的可操作性和可行性，本體系以龍固礦區(qū)為例進(jìn)行了研究設(shè)計。在分析龍固礦區(qū)基本情況和用能系統(tǒng)概況的基礎(chǔ)上，建立了龍固礦區(qū)余熱資源綜合利用鏈，包括大型化恒溫控制沼氣池的建設(shè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展鏈以及礦區(qū)生產(chǎn)生活利用。圖5為龍固礦區(qū)余熱資源利用體系設(shè)計圖。

(一)余熱與生物質(zhì)能的協(xié)同利用——建設(shè)大型化恒溫控制沼氣池

當(dāng)前，新巨龍公司可待開發(fā)利用的生物質(zhì)能資源有:動物糞便，植物秸稈，枯枝落葉，農(nóng)產(chǎn)品加工的下腳料和水生養(yǎng)殖產(chǎn)生的淤泥，餐廚垃圾等。因此，可以以此為充足的發(fā)酵原料，建設(shè)大型化恒溫控制沼氣池。該沼氣池的設(shè)計用途包括以下幾方面:

第一，以沼氣為原料發(fā)電。沼氣燃燒發(fā)電是隨著大型沼氣池建設(shè)和沼氣綜合利用的不斷發(fā)展而出現(xiàn)的一項沼氣利用技術(shù)，它將厭氧發(fā)酵處理產(chǎn)生的沼氣用于發(fā)動機(jī)上，并裝有綜合發(fā)電裝置，以產(chǎn)生電能和熱能。其中產(chǎn)生的電能可供給給礦區(qū)生產(chǎn)生活用電，以及周邊村莊用電需求。

圖4 煤炭礦區(qū)能源協(xié)同利用體系圖

第二，發(fā)展LNG。先將沼氣池生產(chǎn)的天然氣凈化處理，再經(jīng)超低溫(－162℃)常壓液化就形成液化天然氣。LNG作為一種清潔、高效、方便、安全的能源，不僅可作為清潔燃料汽化后供城市居民使用，也可作代用汽車燃料使用，還可以作為工業(yè)氣體燃料。

第三，利用沼渣、沼液加工有機(jī)肥。沼氣池產(chǎn)生的沼渣和沼液既可以直接用于礦區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)種植的肥料，也可以通過肥料加工廠制成有機(jī)肥提供給植物的生長。

沼氣池的建立不僅解決養(yǎng)殖場糞便的污染問題也為溫室大棚、職工食堂提供了能源，還為種植區(qū)提供了有機(jī)肥料，給魚塘提供了飼料。一方面減少礦區(qū)的種植區(qū)、溫室花房和蔬菜基地的有機(jī)肥料支出，另一方面，一噸秸稈可產(chǎn)沼氣1 500m3，這合標(biāo)準(zhǔn)煤750kg，相當(dāng)于汽油1 970kg，可發(fā)電1 875度，電費(fèi)按0.5元/千瓦時計，一噸秸稈就可節(jié)省發(fā)電費(fèi)用937.5元。這一設(shè)計不僅提高了龍固礦區(qū)內(nèi)部廢物資源的循環(huán)利用，而且還大大提高礦區(qū)的經(jīng)濟(jì)效益。

(二)余熱與太陽能的協(xié)同利用——發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)

新巨龍現(xiàn)已成立了龍美農(nóng)業(yè)開發(fā)公司，對礦區(qū)農(nóng)業(yè)資源進(jìn)行集中開發(fā)利用，大力發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)，取得了不錯的成績。但其發(fā)展仍處于初步階段，在發(fā)展過程中也存在著諸多問題。本設(shè)計規(guī)劃將著重發(fā)揮余熱資源與太陽能、風(fēng)能的協(xié)同利用來介紹龍固礦區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

1.溫室種植。當(dāng)前，新巨龍公司已建立兩座智能溫室綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)大棚，32座日光大棚。在溫室種植的過程中，可以通過利用礦井水余熱來給大棚供熱，使普通日光溫室大棚變成供熱溫室大棚，可以人工控制大棚的溫度，使大棚溫度不受氣候影響，或受氣候影響較小，白天和晚上溫度都較高，使得適合種植、養(yǎng)殖的品種類型大大增加，生產(chǎn)期縮短，產(chǎn)品質(zhì)量提高。同時，礦井水余熱應(yīng)當(dāng)與太陽能協(xié)同利用，在夏季溫度較高或者礦井水余熱不足時，可是充分利用太陽能，提供植物成長的能量。通過種植各類水果蔬菜，不僅可以解決內(nèi)部食材的需要，還可以進(jìn)行外銷，大大提高公司的經(jīng)濟(jì)收入。

2.農(nóng)產(chǎn)品加工。龍美農(nóng)業(yè)園苗木種植、蔬菜生產(chǎn)和畜牧養(yǎng)殖三大產(chǎn)業(yè)已對農(nóng)業(yè)園土地利用實現(xiàn)全覆蓋。其中，由溫室大棚提供優(yōu)質(zhì)蔬菜40萬斤，新增優(yōu)質(zhì)品種10個，包括:香蕉、木瓜、蓮霧、冰草、香椿芽等。為此對相關(guān)農(nóng)產(chǎn)品可以進(jìn)行加工處理，設(shè)置冷藏庫、食品加工廠、食品包裝廠等，以提高經(jīng)濟(jì)效益。新巨龍公司的農(nóng)產(chǎn)品加工過程，諸如釀造、烘干、冷藏等，將需要大量的電能、熱能資源。因而，可以將礦井水余熱與農(nóng)產(chǎn)品加工過程相結(jié)合，替代了常規(guī)能源燃煤發(fā)電的消耗，預(yù)計年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤40噸，年減少CO2的排放量17噸，年減少SO2的排放量0.8噸，煙塵0.6噸、灰渣排放10噸。

3.溫室養(yǎng)殖。現(xiàn)在溫室養(yǎng)殖技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，目前研制的品種已有很多，如鱷魚、巴西龜、珍珠鱉、甲魚等等。溫室養(yǎng)殖技術(shù)就是控溫技術(shù)，需要控制溫度符合養(yǎng)殖品種生存的最佳溫度，并恒溫控制，這個問題是溫室養(yǎng)殖的關(guān)鍵，另外還需要根據(jù)不同的品種對水質(zhì)和溫度同時進(jìn)行調(diào)節(jié)。新巨龍礦區(qū)礦井水地?zé)豳Y源豐富，出水量1 000t/h，水溫一直都是恒溫，經(jīng)過處理后水質(zhì)和溫度都能達(dá)到溫室養(yǎng)殖的需要，非常適合發(fā)展溫室養(yǎng)殖。同時也可以利用電廠余熱來進(jìn)行漁業(yè)養(yǎng)殖。通過溫室養(yǎng)殖的發(fā)展，既可以充分利用礦井水余熱、電廠余熱，也可以為其帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

4.旅游觀光。結(jié)合新農(nóng)村建設(shè)，可以引導(dǎo)失去土地的農(nóng)民發(fā)展溫室養(yǎng)殖，發(fā)展觀賞品種的養(yǎng)殖，促進(jìn)礦區(qū)觀光旅游業(yè)的發(fā)展。同時，開展蔬菜觀光與果樹采摘、特色農(nóng)產(chǎn)品展銷、生態(tài)餐飲體驗、濕地風(fēng)景體驗等活動，既普及了知識、宣傳了企業(yè)，又可以創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)價值。

(三)余熱與電能的協(xié)同利用——生產(chǎn)生活

龍固礦區(qū)余熱與電能的協(xié)同利用主要是通過建設(shè)水源熱泵站來完成，通過水源熱泵完成低品位熱能向高品味熱能的轉(zhuǎn)換，以滿足礦區(qū)日常生產(chǎn)生活需要。目前礦區(qū)投資4 530萬元，建設(shè)了5座水源熱泵機(jī)房，裝備14套水源熱泵機(jī)組，構(gòu)成了礦井水余熱資源綜合利用系統(tǒng)，滿足了礦井所有生產(chǎn)、生活場所冬季供暖和夏季制冷需求。

1.井下降溫。針對井下通過制冰、送冰系統(tǒng)來降低溫度產(chǎn)生的高能耗問題，擬定以下系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能方案:利用井下礦井水資源，采取水源熱泵方式，利用礦井水熱能制冷實現(xiàn)井下局部降溫。在井下排水溫度約46℃ ～48℃的工況下，利用礦井排水作為介質(zhì)，利用熱泵的“泵升”原理通過壓縮機(jī)做功，帶走掘進(jìn)迎頭的熱量，從而達(dá)到降溫的作用。礦井水經(jīng)過水源熱泵系統(tǒng)提熱后溫度降為23℃左右，用于井下防塵灑水，相當(dāng)于免費(fèi)水源，可以緩解井下高溫環(huán)境，減少制冷系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷。通過該系統(tǒng)的設(shè)計能為新巨龍公司每年節(jié)約標(biāo)煤6 889噸，按每噸標(biāo)煤500元計算，可節(jié)省費(fèi)用344.5萬元，同時，年減少CO2的排放量17 911.9噸，年減少SO2的排放量124噸，在提高經(jīng)濟(jì)效益的同時，最大程度地降低了環(huán)境污染。圖6為水源熱泵夏季制冷運(yùn)行流程圖。

圖6 水源熱泵夏季制冷運(yùn)行流程圖

2.冬季井口防凍。若礦井水溫度為48℃，經(jīng)過水源熱泵冷凝放熱后將礦井水溫度可提高到54～56℃左右，把礦井水通過排水泵提升到地面，溫度在46～48℃，然后分支出一條管路至進(jìn)風(fēng)井口，在井口周圍布置換熱器，通過礦井水在換熱器內(nèi)部循環(huán)提高進(jìn)風(fēng)的溫度，使進(jìn)風(fēng)溫度提高到5℃以上。通過該系統(tǒng)的設(shè)計能為新巨龍公司每年節(jié)約標(biāo)煤3 840噸，按每噸標(biāo)煤500元計算，可節(jié)省費(fèi)用192萬元，同時，年減少CO2的排放量9 984噸，年減少SO2的排放量69.1噸。圖7為水源熱泵冬季制熱運(yùn)行流程圖。

圖7 水源熱泵冬季制熱運(yùn)行流程圖

3.辦公、宿舍樓及輔助辦公區(qū)供暖。目前龍固礦區(qū)有宿舍樓4棟，面積約為22 800m2，新建辦公大樓一座，面積33 600m2，聯(lián)合建筑10 080m2，工藝樓4 150m2，總面積為70 630平方米，冬季采暖用燃煤鍋爐供暖，供暖季為4個月共計120天，年消耗原煤4 627t，折合標(biāo)煤量為4 164t。利用礦井水地?zé)豳Y源，通過水源熱泵技術(shù)，冬季供暖采用水源熱泵制取的54℃熱水，將熱水送至室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤管進(jìn)行放熱來提高室內(nèi)的溫度。這樣既可以以滿足辦公、宿舍樓及輔助辦公區(qū)供暖，又可年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤3 327t，按每噸標(biāo)煤500元計算，年可節(jié)約采暖費(fèi)166.4萬元。另外也可以通過水源熱泵實現(xiàn)辦公、宿舍樓及輔助辦公區(qū)的制冷。

4.職工洗浴熱水。龍固礦區(qū)生產(chǎn)每天需要員工2 000人，每人每天洗浴平均用水量0.1m3，洗浴天數(shù)365天，每年洗浴用水耗煤量521t，折合標(biāo)煤量為469t。巖石層滲水潔凈度高，熱源充足，可直接作為洗浴用水，每天洗浴用水量為200t，井下出水量1 000t/h，可以滿足洗浴用水需求。通過直接利用井下礦井水洗浴，全部實施后，節(jié)煤量可折合標(biāo)煤469噸，按照噸標(biāo)煤500元計算，可實現(xiàn)節(jié)能效益23.5萬元。同時，將余熱資源與太陽能協(xié)同利用，在職工澡堂建成太陽能洗浴系統(tǒng)，安裝并聯(lián)太陽能熱水器。當(dāng)?shù)V井水余熱不足以滿足洗浴需求時，開啟太陽能洗浴系統(tǒng)，實現(xiàn)互補(bǔ)。

(四)礦區(qū)余熱資源利用體系應(yīng)用前景

龍固礦區(qū)余熱資源利用體系的設(shè)計與實施，會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益與社會效益。通過項目的實施，可以帶動巨野及周圍縣市的發(fā)展，不僅能夠改善當(dāng)?shù)丨h(huán)境，優(yōu)化當(dāng)?shù)鼐用竦纳钯|(zhì)量，而且通過改善礦區(qū)的生產(chǎn)生活環(huán)境有利于吸引國內(nèi)外企業(yè)投資，能夠創(chuàng)造更多的就業(yè)機(jī)會，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展。同時，該余熱體系的設(shè)計可以為全國各大礦區(qū)建立示范作用，提高礦區(qū)能源綜合利用程度，大大提高礦區(qū)的經(jīng)濟(jì)收入，促進(jìn)礦區(qū)的生態(tài)文明建設(shè)。

因此，該研究有效地解決了一系列經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境問題，真正意義上達(dá)到了經(jīng)濟(jì)效益、社會和環(huán)境效益的統(tǒng)一?？梢哉f，龍固礦區(qū)余熱資源利用體系建設(shè)是一項利國、利民、利企的效益工程，應(yīng)用前景良好。

五、結(jié)論

第一，本文將礦區(qū)余熱資源替代常規(guī)電能、熱能使用，并結(jié)合電能、太陽能、風(fēng)能以及生物質(zhì)能等能源協(xié)同利用，節(jié)省了常規(guī)能源，充分利用了閑置資源，實現(xiàn)了能源之間的互補(bǔ)與替代，提高了能源綜合利用程度，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

第二，在體系構(gòu)建中，形成了一條從農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)——廢棄物利用——農(nóng)產(chǎn)品加工、觀光旅游的生態(tài)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈。其中，通過建設(shè)大型化恒溫控制沼氣池，實現(xiàn)了生活區(qū)、養(yǎng)殖區(qū)、種植區(qū)之間的有機(jī)廢棄物的循環(huán)利用，完成了園區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)的一體化發(fā)展，提供了礦區(qū)發(fā)展的新的經(jīng)濟(jì)增長點。

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［責(zé)任編輯:劉 煒］

F426.21;TK115

A

1672 -5956(2016)02-0027-08

10.3969/j.issn.1672－5956.2016.02.005

2015-10-17

趙友寶，1965年生，男，山東日照人，山東科技大學(xué)副教授，研究方向為管理經(jīng)濟(jì)學(xué)、跨國公司管理與世界經(jīng)濟(jì)，(電子信箱)xuejian900727@163.com。