双碳目标下矿区“零碳”化提升改造研究

双碳目标下矿区“零碳”化提升改造研究

郝子玉

中煤天津设计工程有限责任公司，天津  300120

摘要：在“双碳”的大环境下，以内蒙古葫芦素矿井为例，结合矿井自身条件，研究“零碳”改造实施方案。通过可再生能源的开发利用、配置相应的储能系统、矿井伴生能源的利用、智慧能源管理平台的搭建、建筑及生产系统的能耗优化五个方面，降低矿井的综合能耗、开发利用潜在的能源、整合优化矿井能源流。最终打造”零碳“高效矿井，同时实现“零废”排放。为传统“高能耗、高排放”型企业向绿色、低碳发展转型提供思路借鉴。

关键词  双碳  可再生能源  智慧能耗管理  零碳排  能源流

基于推动实现可持续发展的内在要求和构建人类命运共同体的责任担当，中国2020年宣布了碳达峰、碳中和目标愿景。习近平总书记强调，要把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局。要推动绿色低碳技术实现重大突破，抓紧部署低碳前沿技术研究，加快推广应用减污降碳技术，建立完善绿色低碳技术评估、交易体系和科技创新服务平台。“碳达峰-碳中和”已成为国家战略。

“双碳”目标下，以矿井为主的传统能源产业，面临巨大的冲击和挑战。传统的能源企业，能源消耗、碳排放体量庞大，需要进行能源转型。要从依赖煤炭，转变为依托煤炭、超越煤炭，实现绿色、低碳、智慧发展。此次研究以内蒙古葫芦素矿井为例，提供一种“零碳”化的改造思路。

1  厂区能耗及碳排分析

葫芦素矿井位于东胜煤田呼吉尔特矿区，地处内蒙古自治区鄂尔多斯市境内。矿井设计生产能力为13.0Mt/a，葫芦素矿井能耗及碳排主要由电耗、热耗、油耗、水耗、矿井通风等几部分组成，综合能耗及碳排数据见表1。

表1 综合能耗及碳排数据表

葫芦素矿井综合碳排体量还是比较可观的，因此针对矿井自身特点经过深入研究探索，提出节能减排几项措施。

2 .碳减排主要举措和定位

2.1 能源流优化

矿井实现零碳化运行，有两个关键点，其一是需要在能源流上进行科学的规划与把控，首先降低或终止外部动力的依赖，充分开发矿井自身潜在的动力，实现矿井工业场地内电能、热能、水油等能耗的自给自足，并且达到废弃物零排放。其二是搭建能源智慧平台，实现矿井综合能源系统高效优质运行，提高矿井综合用能水平，共同构建零碳能源系统。

图1 厂区能源流向示意图

2.2 实施理念

2.2.1绿色产能

利用当地丰富的太阳能资源、风能资源、土地资源，规划建设光伏发电及风力发电，合理配置储能系统，实现电量的存储，满足用电的可靠性，为矿井提供清洁绿电。

2.2.2热能开发

充分开发矿井自身余热资源，满足矿井供热需求，包括矿井水余热、乏风余热、空压机余热的利用等。

2.2.3资源循环利用

对矿井涌水进行分质处理，满足矿井生产用水需求，完全替代深井水供水。同时对其余矿井涌水进行深度处理，提供给矿区内煤化工园区，实现矿井用水在矿区的循环利用，降低整个园区的外部水耗。

采用离层注浆充填技术，将煤矸石处理后充填至地下，大幅度减缓地面沉降的同时，做到了固体废弃物零外排，实现了矿井的绿色开采。

2.2.4智慧控能

在综采、掘进、运输、排水、提升、电力等工艺上采取智能优化的运行方式，实现能耗自评估和故障自诊断等功能。并且在井上下运用各类机器人技术，逐步实现自动化减人、机械化提效的目标。

智慧能源管理系统：智慧能源管理系统可以协调优化厂区能源供给侧和需求侧，实现低能耗运行。主要从两个方面进行控制：其一是全面监测主辅生产设备，根据用能需求精准调节用能负荷，有效降低用能成本，更高效的控制内部能源的使用。其二是综合控制内外能源系统，及时响应系统负荷指令，使内外能源互动更友好。

2.2.5高效节能

建筑节能：通过可再生能源的利用、围护结构热工性能的提升、被动及主动节能措施，减少运营阶段的建筑能耗，减少碳的排放量。

生产系统节能：包括立井提升机的势能回收、带式输送机顺煤流启动、运输系统永磁变频改造、推行电力无轨胶轮车等手段，降低碳排放。

3  能耗减排及综合效益

3.1能耗减排

3.1.1绿电补偿

利用当地丰富的太阳能资源以及葫芦素煤矿二、四盘区地面采煤沉陷区土地资源（688h㎡），建设装机容量300MW的牧光互补地面光伏电站，年均上网电量57300万kW·h。其次利用厂区内的场地及建筑屋顶、停车场等，建设10MW分布式光伏发电工程，年均上网电量1300万kW·h。第三利用当地风能资源，建设20MW风力发电，年发电量约4000万kW·h。年绿电供应约为6.0亿k·Wh。

3.1.2系统用电提升改造

对整个煤矿范围内电力节能改造及智慧化管理所降低的能耗，节电效果见表2。

表2  电力消耗减排据表

3.1.3热力消耗及减排

首先，通过“绿色建筑”的改造，使围护结构热工性能提高5%~20%，或者通过“近零能耗建筑”的改造，使建筑本体节能率达到30%以上，降低建筑的热能耗。其次，开发矿井余热资源，满足矿井全部供热需求，实现外部供热的全部替代。

3.1.4燃油消耗及减碳

对矿区内运输车辆大规模推进油改电措施，改造前该部分车辆年燃油消耗量为1050吨，改造后全部由绿电充电，每年可减少碳排放量0.2万吨。

3.1.5水消耗及减排

目前葫芦素矿井水处理量为1600m³/h，将矿井涌水进行处理后再利用，代替传统深井水的使用。富余矿井水进行深度处理，供中天合创化工园区生产使用，年对外供优质水970万吨，实现了水资源的整体循环利用及碳的减排。

3.2综合节能及碳减排效益

通过以上综合举措，节能及减排汇总结果见表3。

表3   厂区能耗数据表

经计算，折合碳排放量为-182.6万吨/年，即厂区不仅能实现零碳排放，还能输出绿色产能，为企业的碳交易争取了一定的指标。除此之外，厂区“零碳化”实现具有更大的社会效益，相当于每年实现了大规模的植树造林，更是拉动了可再生能源等相关产业的发展，为传统能源消耗型企业探索出一条绿色、低碳的产能之路。

4  结论

实现“零碳化”矿井运行，需要在矿井范围内全面把控能源流向，并且融合清洁能源开发、矿井废能利用、厂区内建筑及生产系统的节能优化、智慧能源管理平台的搭建等技术措施，使矿井生产及矿区日常运行过程中，实现资源高效利用、节能低碳环保、综合效益最大化，最终实现碳排放量为零的目标。

参考文献：

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作者简介：郝子玉（1988—），女，河北邯郸人，工程师，一级注册建筑师，长期从事规划设计研究工作。

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