矿区多能互补近零碳供热模式研究

李瑞华，武 进

(中煤能源研究院有限责任公司，陕西省西安市，710054)

0 引言

能源是经济社会发展的物质基础，也是推进碳达峰、碳中和的主战场，由化石能源主导的高碳能源系统正逐步向清洁能源主导的低碳、近零碳能源系统过渡[1-2]。供热领域也逐步向清洁化、低碳化、多元化方向发展，供热能源结构不断优化。2022年6月，国家发展改革委、国家能源局等9部委联合印发的《“十四五”可再生能源发展规划》首次提出了可再生能源非电利用目标，建立可再生能源与传统能源协同互补、梯级利用的供热体系。“双碳”目标也倒逼煤炭行业加快绿色转型步伐，煤炭的碳排放主要集中在开发利用过程、生产用能环节和瓦斯排放等方面，其中煤炭燃烧产生的碳排放占生产用能环节的碳排放比例超过50%[3]，这主要是由于矿区燃煤锅炉供热产生的。近年来，各地对小型燃煤锅炉的淘汰也在加紧推进，以陕西省为例，2018年陕西省政府办公厅印发的《陕西省铁腕治霾打赢蓝天保卫战三年行动方案》(2018-2020年)中就已明确全省不再新建35 t/h以下的燃煤锅炉。未来随着“双碳”政策的逐步落地，小型燃煤供热锅炉将面临淘汰的困境，尤其对于北方寒冷地区的煤矿，供热热负荷普遍较大，燃煤锅炉淘汰后的供热缺口将难以弥补。同时，煤炭生产企业也提出“零碳矿井”“零碳矿区”等发展理念[4-5]，以绿色零碳能源供应实现“零碳煤”的开采供应。

笔者提出的基于矿井伴生能源耦合可再生能源的多能互补近零碳供热模式，可有效解决燃煤锅炉淘汰后矿区的供热问题，既能够提高单一清洁能源利用率，又可以使多能互补协同效应发挥到最佳，弥补燃煤锅炉淘汰后的供热缺口，实现近零碳供热，为“零碳矿区”的落地实施奠定技术基础。

1 煤矿矿区热负荷及热资源分析

1.1 煤矿矿区热负荷分析

煤矿矿区热负荷包含矿井及选煤厂区域的供热热负荷，大体分为矿井井筒防冻热负荷、生产及行政福利建筑采暖热负荷和生活用热负荷，前2类属于季节性热负荷，生活用热负荷属于常年性热负荷[6-7]。供热对于煤矿的正常安全生产至关重要，若井筒防冻效果不佳，立井井壁出现结冰会对提升设备和人员的安全构成严重威胁，甚至可能发生冰凌突然坠落的恶性事故，斜井路面结冰会造成路面打滑，严重威胁行车和行人安全，因此要求煤矿井筒进风混合温度不低于2 ℃；建筑采暖效果也会直接影响选煤厂浮选工艺、煤泥水处理和行政办公等煤矿正常的生产生活；生活用热负荷主要为洗浴用热，受排班制度影响属于间歇性用热，一般与之配套的小型储热水箱能够缓冲热源侧的短时波动。我国部分地区煤矿矿井热负荷构成[8-9]见表1。

表1 我国部分地区煤矿矿井热负荷构成 MW

由表1可以看出，在矿井热负荷中矿井井筒防冻热负荷和生产及行政福利建筑采暖热负荷占比较高，而生活用热热负荷占比较小。不同规模的矿井其热负荷差异也较大，即产能规模越大、环境条件类似时，其热负荷越大。矿井井筒防冻热负荷主要受矿井通风量大小的影响，生产建筑采暖热负荷主要受建筑指标(体积、面积等)的影响，两者与产能规模相对关联度较大，行政福利建筑采暖热负荷和生活用热负荷与矿区人员规模相关，随着煤炭行业进入规模化、智能化后，各矿区人员规模相差较小，生活用热负荷多数在2 MW左右，相差不大。

1.2 煤矿矿区热资源分析

煤矿矿区供热有别于其他园区供热的一大特点是矿井拥有较为丰富的伴生能源，包含矿井回风余热、矿井排水余热、瓦斯发电余热、空压机余热等[10-11]。煤矿井下生产过程中机电设备散热、运输中煤和矸石的散热和氧化放热等均会产生大量热量，这部分低品位的热量经矿井回风和矿井排水带到地面，通过热泵回收后可用于供热系统。矿井回风余热和矿井排水余热资源量丰富，通常可达5～10 MW，主要受回风量、矿井排水量和温度的影响；瓦斯发电对瓦斯浓度有要求，在高瓦斯矿井应用较多，余热量可达1～5 MW；空压机余热量较小，一般有200～600 kW，多用于满足间歇性生活用热。

煤矿矿区有大量的采煤沉陷区等土地资源，风光资源较为丰富，当前主要以光伏利用为主。将可再生能源应用于矿区供热系统中时，要结合矿区生产特点和用热特性来分析。对于风光资源的利用，建议以光资源利用为主，这主要是由于矿区风电受风资源分布和地质稳定性的影响[12-13]，可利用区域相对有限；光资源能量密度较低，规模化应用主要是光伏和光热利用两大类，在矿区的大规模应用建议以光伏应用为主，光热通过管道硬连接，对于地质变形的适应性和维护工作远不如光伏简单。此外，光热仅在采暖季利用，光伏可全年利用，系统经济性和设备利用率远高于光热。

2 煤矿矿区多能互补近零碳供热系统模式

2.1 设计原则

在煤矿矿区热负荷和热资源分析的基础上，按照“分区动态平衡”的思路将热源和用热需求进行匹配，根据空间距离的远近将用热终端划分成不同区域，再根据区域内热源分布情况依次增加热源，以各区域热平衡为基础构成整个矿区供热循环大平衡。矿区多能互补近零碳供热系统中以矿井伴生能源为基础负荷，不足部分由可再生能源+储热来补充。考虑到可再生能源的不稳定性，以外部电网电能作为供暖季长时间风光资源不足时的替代热源。

2.2 系统模式研究

由于我国煤矿区域所处地理位置、产能规模等的差异，不同矿区的热源和热负荷也不尽相同。对于选定的矿井而言，矿井伴生能源资源量基本保持稳定，短时间内的波动量较小。通过矿井伴生能源资源量与矿区最大热负荷之间的关系，笔者提出了以下3种典型的近零碳供热系统模式。在矿区逐时热负荷计算的基础上，基于气象数据库中的气象数据，选择最大热负荷前后的典型日为分析对象，整体环境温度为-10～8 ℃，若热源可供热量能满足最大热负荷，则整个供暖季热负荷需求也能保证，在此对3种模式的矿井伴生能源资源量与矿区热负荷的匹配关系进行对比分析。

2.2.1 矿井伴生能源

该模式针对矿井伴生能源资源量远大于矿区最大热负荷的情景，对地处环境气温较高的煤矿，如安徽淮南、山东枣庄等部分煤矿，其热负荷较小，利用单一的矿井回风余热或矿井排水余热即可满足整个矿区热负荷需求。矿井伴生能源源荷匹配关系如图1所示。

图1 矿井伴生能源源荷匹配关系

随着环境温度的逐时变化，建筑采暖热负荷和井筒防冻热负荷也随之相应变化，生活用热热负荷属于间歇性热负荷，受环境影响较小。该模式下矿井伴生能源可提供的热量任何时间段均大于矿区总热负荷，热源能够完全覆盖全时段的热负荷需求，如中煤新集刘庄矿业有限公司就已全部采用矿井回风余热淘汰和替代了4×10 t/h的燃煤蒸汽供热锅炉。该模式采用单一热源或几种热源的组合就可以实现燃煤锅炉的淘汰和替代，系统简单且改造工程量小，以替代2×20 t/h燃煤锅炉为例，可减少碳排放量约1万t/a。

2.2.2 矿井伴生能源+短期储热

该模式针对矿井伴生能源资源量略小于矿区最大热负荷的情景，在矿井伴生能源的基础上增加短期储热系统，如陕西关中地区煤矿，短期储热系统既可以作为供热系统运行过程的缓冲，也可以作为极端条件下供热系统的备用热源，可以有效解决热源缺口难题。若按照矿井伴生能源模式(无储热)运行，矿区回风或矿井排水中的余热在环境温度较高时，就有大部分热能未被利用，因而造成浪费。矿井伴生能源+短期储热源荷匹配关系如图2所示。

图2 矿井伴生能源+短期储热源荷匹配关系

由图2可以看出，热负荷的日变化较大，波动有时可达70%以上，图中矿井伴生能源可供量为15 MW，与矿区最大热负荷18.5 MW之间相差较小，短期储热系统可在白天环境气温较高、热负荷较小时将多余的矿井伴生热量回收储存起来，在夜间气温较低时逐步释放，与持续性热源相叠加共同满足总热负荷需求。同时，储热量的大小根据次日调峰负荷量来进行储存(如图2中所示每日的储热量不同)。该模式是对模式一的进一步优化，能够进一步提高矿区余热利用率，以替代2×20 t/h燃煤锅炉为例，可减少碳排放量约1.2万t，比模式一减少碳排放约20%。

2.2.3 矿井伴生能源+可再生能源+短期储热

该模式针对矿井伴生能源资源量小于矿区最大热负荷的情景，仅依靠矿井伴生能源远不足以满足最大热负荷的要求，如陕西榆林、山西朔州等部分煤矿，通过与可再生能源(以光伏为例)耦合供热来满足供热需求。白天时段光伏所发的绿电经电锅炉转为热能后进行存储，在夜晚低温时段释放补充热量[14-15]。以持续性热源(矿井伴生能源)为主承担基本负荷，调峰负荷由储热来分担，储热热量主要来源于2个方面：一方面是白天热负荷低于矿井伴生能源时储存的热量，另一方面是光伏所产生的电能转化为热能储存起来的部分。若出现长时间的风光资源不足时，可利用外部电网带动电锅炉供热弥补缺口，以满足煤矿井筒、重要生产车间和办公宿舍的用热，确保煤矿生产安全。矿井伴生能源+可再生能源+短期储热源荷匹配关系曲线如图3所示。

图3 矿井伴生能源+可再生能源+短期储热源荷匹配关系

由图3可以看出，矿井伴生能源可供量总计为10 MW，与矿区最大热负荷18.5 MW相差较大，矿井伴生能源仅够承担基本负荷，基本负荷之上的调峰负荷就需外部热源进行补充，该部分由太阳能来承担，即白天将太阳能所发电能转化为热能进行储存，出现调峰负荷缺口时逐渐按需释放。该模式为高寒地区煤矿低碳清洁供热提供了解决方案，通过多能互补来协同解决燃煤锅炉淘汰后的巨大热缺口难题，以替代2×20 t/h燃煤锅炉为例，较燃煤锅炉减少碳排放约2.2万t/a。

3 碳排放分析

按照“零碳矿区”的建设理念，燃煤供热锅炉的淘汰是必然选择，对于矿区多能互补供热系统而言，碳排放主要来源于外部电网电能中“灰电”产生的碳排放。笔者提出的3种典型的供热模式中，碳排放为供热系统耗电折算产生的间接碳排放。模式三中有可再生能源发电，非供暖时段所发绿电可用于矿区生产生活，从供热系统边界来看，其在源源不断向外提供绿电，基本可实现零碳排放。此外，从远期来看，电网中新能源比例逐年升高，碳排放因子未来将逐步下降达到平衡趋近于零，3种模式均能实现供热系统近零碳排放。

4 结语

随着小型燃煤锅炉的淘汰和“零碳矿区”的逐步推进，矿区多能互补清洁供热将是一个重要的发展方向。笔者基于矿区热负荷和热资源分析，通过对各类矿井伴生能源量及矿区可再生能源利用方式的分析，根据矿井伴生能源资源量与矿区热负荷的大小关系，提出了3种典型的近零碳供热模式，将储热和可再生能源与矿井伴生能源相结合，以多能互补协同的技术路线解决了燃煤锅炉房淘汰后供热缺口难题，可进一步提升了矿区能源利用效率，大幅降低碳排放水平。