论循环经济中的资源集成

论循环经济中的资源集成

煤炭和木炭行业是受资源环境密切影响的行业。多年来,由于传统粗放型发展模式的影响,煤炭企业在为国家提供能源的同时,也存在地表塌陷、大量排放污水、废弃物堆存占地等多种破坏生态环境的问题。随着“低碳经济”、“绿色经济”理念的引入,发展生态矿区建设对推动煤矿行业的可持续发展具有重要意义。1基于煤矿生态系统建设的机理分析1.1资源集成的过程所谓资源集成就是为了使生产获得更好的有效性和效率,提高资源利用效率,提高资源的共享度,将可用的资源与信息依据机构运行的机理汇聚起来,使各种资源之间紧密联系,相互适应,彼此促进与共同发展。资源集成是资源流动的一种重要形式,通过矿区资源集成种类、途径、方法和技术的分析和研究,有利于煤炭企业从总体上掌握可利用资源信息,更加科学合理地开发资源,提高资源利用效率,提高资源共享度。资源集成各环节的关系如图1所示。资源产出是指社会各类资源的产生过程,资源处理是指对产生资源的合理配置,使各种资源产生后,就得到充分合理利用。资源分解是指对各类资源进行物理和化学处理的环节。资源消费是指资源产生过程中所产出的副产品、废弃物的利用,根据各种资源本身的物理和化学性质,将其转变为具有高附加值的产品或是有用的资源。将这些“放错地方”的资源加以利用,可以产生良好的经济效益、生态效益和社会效益,这也正是循环经济发展过程中的进行资源集成的目的所在。对于矿区的资源集成来讲,大概涉及3个方面的问题:物质集成、能量集成、水系统集成。1.2发展循环经济替代的概念是一种物质被功能相近或相似的另一种物质所取代。资源按照其能否再生可分为可再生资源、不可再生资源,资源的多用途性及满足同种用途资源多样化的特点,决定了资源之间可以产生替代效应。发展循环经济就是要尽可能用可再生资源替代不可再生资源,用再生速度快、再生规模大的资源替代再生速度慢、再生规模小的资源,用丰富资源替代枯竭资源。替代是延迟不可再生资源枯竭期到来的主要方法之一,也能为寻找新的资源赢得时间。开展替代研究,提高次级资源利用量和利用效率,这是循环经济发展的关键。1.3资源品质需求情况层级利用原理就是依据资源品质高低及资源利用领域对资源品质需求情况,将资源利用领域按照其对资源品质需求的高低分成多个层级,使资源从高品质到低品质依次被利用的规律或机理,该原理在能源利用领域较多。2煤炭矿区生态系统设计2.1设计原则2.1.1环经济的“3r”原则循环经济是“资源-产品-再生资源”的物质闭环流动型经济的简称,在矿区生态系统设计的过程中,要贯彻循环经济的“3R”原则,以循环利用、层级利用为手段,以资源流动路径为基础,以资源生产、处理、消费、分解等为基本单元,科学优化相关环节,使系统中相关环节产生的产品、副产品、废弃物成为其它环节的资源,提高资源的利用率,尤其是提高循环利用率、重复利用率,使系统的资源得到充分完全利用,达到“零排放”的目标。2.1.2资源优化设计以节能减排为目标,依据相关资源的属性、用途及相关领域需求情况,优化结构,实现资源在系统内部合理流动。依据层级利用的原理,使水资源中的能量、营养物及水资源本身得到合理的开发利用。2.1.3强化资源节约意识在整个系统的设计实施过程中,公司的全员都应该参与,强化全员工的资源节约意识,使设计体系能够得到完整的实施,这样才能在整体上达到最好的节约效果。2.1.4资源特性分析是保证环境设计的选择系统的设计实施过程中,是要以科技作为依据的,只有科学的分析各种资源的特性与利用价值,以及他们之间可以相互利用的关系,才可以优化整体的设计结构,达到最大程度的资源节约。2.1.5经济效益原则系统设计的过程中,既要追求环境效益、社会效益,也要考虑经济效益,即以成本效益原则为依据,在合理的成本范围内,追求最低的消耗,最大的效益。2.1.6零系统排列原则在整个系统的设计过程中,以系统零排放为原则,无论是矿井水还是固体废弃物都不向外排放。2.1.7矿区生态结构的测定,在系统的设计过程中,要以生态学原理作为指导,识别整个矿区内的各种生态关系,确定矿区资源开发利用和保护的生态适宜性,改善矿区的生态结构。2.2煤矿水利用的生态化发展方向为提高矿区资源生态化利用程度,促进企业可持续发展,从可持续发展和循环经济理论以及生态经济理论出发,对煤炭矿区资源以水资源为主线,实行“井下处理-开发利用能量-水资源处理与利用-系统固废物质综合利用”的生态化利用路线。水处理是根据矿井水质的特性、来源及应用领域采取不同的处理方式,主要处理方式有老塘自净处理、井下人工处理、生态处理和生活污水处理;除老塘水部分用于井下降温外,经过井下处理后的矿井水利用水源热泵提取能量,供相关领域使用;提取能量后的矿井水部分直接利用,一部分深度处理后,供生活等领域使用,使用后的水资源再次经过处理,必须实现全部回用等;结合矿井水的开发利用,将煤炭矿区的水生养殖、水生种植、陆生养殖、陆生种植与矿区绿化、景观有机构成一体,形成优美的生态园区;依据食物链的原理,对系统中产生的固废物质进行资源化开发利用,实现系统“零排放”。2.3矿区生态系统设计2.3.1资源特性分析在系统构建之前,需要先对系统内部可利用的资源进行分析,然后根据资源各自的特性进行处理、利用。系统资源共分为3类:水资源、固废资源和能源。1矿井水循环利用①矿井水。矿井水主要包括了老塘水和采区、掘进面、巷道渗水或涌出水。其中老塘水可以先通过自净处理,净化后的水可用来井下防尘、井下降温等。用过之后的水和采面、掘进面的渗水通过井下处理后,一部分就可以直接利用,例如可用于洗煤厂、景观区、陆生养殖等。而另一部分需要经过深度处理后用于浴池、洗衣、饮用等,或作为资源外销给其它用水单位。被利用的水一部分是直接耗费掉的,但多数废水、污水经过处理后可以循环使用。矿井水循环利用示意见图2。②洗煤水。洗煤水是煤矿湿法洗煤加工工艺的工业废水,其中含有大量的煤泥和泥砂。如果最大限度地从煤泥水中分离出固体悬浮物,就可以获得符合要求的分选介质——循环水,供洗煤厂循环使用,而且可以回收宝贵的矿物资源,最大限度的回收精煤,在有条件的情况下,也可以制作水煤浆。洗煤水处理后应该循环利用。③热电厂废水。热电厂废水中主要含悬浮物,可将废水经澄清和过滤处理后直接用于本系统循环使用。④陆生养殖污水。陆生养殖污水主要是指养殖过程中产生的污水,如养猪厂给猪洗澡后产生的污水。这些污水中主要含有动物的粪便,将这些水输送到沼气池可以用来制造沼气。⑤生活污水。生活污水是煤矿的一个很大废水产生源,一般来自于煤矿居住区和工业场地的浴室、办公楼、单身宿舍、洗衣房和锅炉房等用水场合。煤矿生活污水所含污染物的成分比较复杂,一般采用物理、化学和生物法等组合工艺进行处理。处理后煤矿生活污水水质达到中水回用水质要求,可以用作矿井生产用水、洗煤用水、绿化用水及其他杂用水(如冲厕所、洗车、道路喷洒等)。2煤石等3种常见固体废弃物资源利用。其复①煤泥。正常情况下,煤泥含水率较高(20%~30%),无法直接使用,也不便于冬季储运,如经干燥脱水后,煤泥可直接用于锅炉燃烧和发电,可对我国煤炭供应紧张局势的缓解有所助益。煤泥可用来加工煤泥型煤、作为电厂燃料、作为砖厂添加剂、作为水泥厂添加料以及作为化工原料等。②中煤。中煤是选煤厂选出的灰分高于精煤而低于煤矸石的产品,发热量多为中等水平,可以作为电站锅炉燃料用。③煤矸石。煤矸石是煤炭开采和加工过程中排出的废弃物,主要产生于井巷掘进、煤炭洗选、露天开采剥离中。煤矸石是可利用的资源,其利用途径主要包括:煤矸石发电、煤矸石建材及制品、煤矸石制取化工产品、复垦回填及做土壤改良剂。煤泥、中煤以及煤矸石可以用作建材以及发电使用。其中用作发电使用后会有煤灰分和炉渣产生,而这些产物又可以根据各自的特性用于建材、铺路、坍塌区的填埋以及用于生产轻工原料。这样一个资源的使用过程,最终将不会有固体废弃物的产生。煤炭资源流动图见图3。④植物秸秆、叶、茎。陆生种植的植物秸秆、叶、茎中含有大量碳、氮、磷、钾、钙、镁、硫和硅等多种营养元素,同时富含纤维素、半纤维素、木质素和蛋白质等有机物质,是一种可以资源化利用的“固体废弃物资源”。植物秸秆、叶、茎粉碎后用于养殖的饲料等,也可以作为沼气池的原料,或采用堆肥技术处理后做肥料。⑤动物粪便。陆生、水生养殖的动物粪便可以用来产生沼气,既方便又清洁,1t动物粪便可得约400m3的可燃气,这是很宝贵的能源,而且可以减少粪便带来的污染;动物粪便可以做饲料,也可以做有机肥。⑥淤泥。将淤泥进行堆肥处理后可以生成的肥料,有机质含量高,可以再使用的同时改良土壤;另外它富含氮、磷、钾等多种微量元素,营养价值较高,可以用作养殖的肥料。⑦沼渣、沼液。沼渣和沼液总称为沼肥,是生物质经过沼气池厌氧发酵的产物。沼液中含有丰富的氮、磷、钾、钠、钨营养元素。沼渣是由部分未分解的原料和新生的微生物菌体组成,分为3部分:一是有机质、腐殖酸,对改良土壤起着作用;二是氮、钾、磷等元素,满足生物生长需要;三是未腐熟原料,施入农田继续发酵,释放肥分。⑧食堂废弃物。食堂废弃物经处理以后可以用作陆生养殖。⑨污水处理后沉淀物。污水处理后的沉淀物含有一定程度的有机质,可以将其用于沼气的生产。矿井水生态应用系统固废利用示意见图4。3矿井水能量的来源①地源热能。煤矿在开采过程中,矿井水的热能往往随着矿井水的排放而流失,造成热源的浪费。可以根据矿井水恒温的特性,使用水源热泵空调机组将矿井水中的部分热量提取出来。水源热泵通过输入少量的高品位能源(如电能),实现低温位热能向高温位转移。地能可以分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源,即在冬季把地能中的热量“取”出来,提高温度后,供给室内采暖;夏季把室内的热量“取”出来,释放到地下去。对矿区而言,可以实现冬季为井口防冻、浴池供热、生活供暖、恒温养殖、种植、工作服烘干、发酵等等。夏季可用于办公楼、职工公寓楼空调制冷。矿井水能量流动图见图5。②沼气。沼气的主要成分甲烷是一种理想的气体燃料,它无色无味,与适量的空气混合后即对燃烧。1m3甲烷发热量为34000kJ,1m3沼气发热量约为20800~23600kJ。即1m3沼气完全燃烧后,能产生相当于0.7kg无烟煤提供的热量,是一种很好的清洁燃料。沼气可以直接燃烧用于炊事,沼气装置发酵后排出的料液和沉渣含有较丰富的营养物质,可用作肥料。2.3.2固废利用子系统根据矿区资源的特性以及流动特征,将矿区生态化系统划分为4个子系统:矿井水处理子系统、能源利用子系统、水资源利用子系统以及固废利用子系统,如图6所示。矿井水处理子系统主要是对工业废水以及生活污水进行处理,使其达到使用标准;而能源利用子系统是将地下矿井水的热量利用水源热泵提取,使其获得使用,以及利用废弃物产生沼气,供食堂等作为能源使用;水资源利用子系统是将矿井水处理子系统已经处理过的矿井水进行利用;固废利用子系统是将前面各个系统产生的固体废弃物进行利用,确保系统最终没有废弃物的排出。2.4系统功能分析2.4.1系统功能1矿井水处理系统矿井水处理子系统为整个系统的基础。因为在最初煤炭开采过程中形成的矿井水以及生活污水,无论水的感观性、物理化学性能、化学成分、生物组分以及底质情况都不适合直接利用,所以要经过该子系统对矿井水水进行不同程度的处理,达到工业、生活用水的标准,才可以将矿井水予以充分的利用。2余热利用的节能作用能源利用子系统是对井下采空区和采煤区排出的矿井水的热量,利用水源热泵对冷热能源进行利用,以及对系统废弃物产生的沼气进行利用,在提高资源的使用率的同时也减少了对环境的污染,并起到节能减排的作用。32水资源使用系统水资源利用子系统就是根据矿井水处理子系统处理过的不同水资源的特性,将其进行充分利用,使水资源不外排,全部综合利用。4沼渣、沼液固废利用子系统特征前面3个子系统最终都会有固体废弃物的产生,例如水处理系统中的煤泥,能源利用系统中的沼渣、沼液,这些固体废弃物的外排也会造成环境的污染,资源的浪费,所以固废利用子系统是将各种固体废弃物根据各自的特性分别予以利用,达到没有污染物产生的目的。2.4.2矿井水处理系统的基础上述4个系统共同构成了矿井水处理子系统,而他们之间也存在着内在的联系,并不是相互独立的4个子系统。图7描述了各子系统之间的相互关系。矿井水处理子系统时水资源利用子系统的基础,为水资源利用子系统提供可以利用的水资源,而在矿井水处理过程中产生的固体废弃物可以提供给固废利用子系统,同时地下矿井水的热量可以提供给能源利用子系统。水资源利用子系统在利用水资源的过程中产生的固体废弃物提供给固废利用子系统,而水利用系统最终产生的污水也可提供给矿井水处理系统将水资源进行处理后循环使用。固废利用子系统将固废物质进行利用产生的饲料以及肥料可以提供给水资源利用系统,使其进行水生、陆生种植、养殖;本系统产生的沼气可以提供给能源利用子系统。3湖区煤矿生态系统的设计与实施效果3.1大集团战略的重大重大工程滨湖煤矿位于山东省滕州市西部独山湖区,是枣矿集团实施的主业扩张、实施大集团战略的五大重点工程之一。滨湖煤矿自建矿以来始终认真贯彻执行有关环保法律法规,坚持企业发展与环境保护相结合的原则,积极实施企业可持续发展战略。依据矿区生态系统设计原则和框架,设计滨湖煤矿生态系统如图8所示。3.2矿井水系统改造滨湖煤矿以水为主线,构建适合滨湖矿区特点的生态系统。该矿分别投资建成了矿井水处理系统和生活污水处理系统,利用水源热泵提取矿井水中的能量;对人工湖河以西13亩矸石土地改良、换土进行绿色经济种植,同时大力发展陆生、水生养殖业。滨湖煤矿生态系统实施后,取得了可观的经济效益和社会效益。3.2.1经济分析1运行费用及运行成本据测算,滨湖煤矿矿井水处理站运行后每年可节约大量水费、排污费等费用,累计相当于为矿区创造年收益191.4116万元,扣除系统年总运行费用83.82万元,每年净收益可达107.59万元。此外,生活污水处理系统处理率达到100%,根据设计处理能力测算,年可节约用水21.6万t,水费以2.95元/t计,年可省水费63.72万元;污水处理直接运行成本为0.64元/m3,年处理费用为13.82万元,扣除运行成本,污水处理厂每年可节省费用49.90万元。两项合计年经济效益为157.49万元。2能源节约利用在能源利用方面,滨湖煤矿采用热泵系统供热替代燃煤锅炉,每年可节约运行成本189.8万元;每年可节约标煤3120.4t标煤,年减少CO2的排放量8113t,年减少SO2的排放