論循環(huán)經(jīng)濟(jì)中的資源集成

論循環(huán)經(jīng)濟(jì)中的資源集成

煤炭和木炭行業(yè)是受資源環(huán)境密切影響的行業(yè)。多年來,由于傳統(tǒng)粗放型發(fā)展模式的影響,煤炭企業(yè)在為國家提供能源的同時,也存在地表塌陷、大量排放污水、廢棄物堆存占地等多種破壞生態(tài)環(huán)境的問題。隨著“低碳經(jīng)濟(jì)”、“綠色經(jīng)濟(jì)”理念的引入,發(fā)展生態(tài)礦區(qū)建設(shè)對推動煤礦行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。1基于煤礦生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)的機(jī)理分析1.1資源集成的過程所謂資源集成就是為了使生產(chǎn)獲得更好的有效性和效率,提高資源利用效率,提高資源的共享度,將可用的資源與信息依據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)行的機(jī)理匯聚起來,使各種資源之間緊密聯(lián)系,相互適應(yīng),彼此促進(jìn)與共同發(fā)展。資源集成是資源流動的一種重要形式,通過礦區(qū)資源集成種類、途徑、方法和技術(shù)的分析和研究,有利于煤炭企業(yè)從總體上掌握可利用資源信息,更加科學(xué)合理地開發(fā)資源,提高資源利用效率,提高資源共享度。資源集成各環(huán)節(jié)的關(guān)系如圖1所示。資源產(chǎn)出是指社會各類資源的產(chǎn)生過程,資源處理是指對產(chǎn)生資源的合理配置,使各種資源產(chǎn)生后,就得到充分合理利用。資源分解是指對各類資源進(jìn)行物理和化學(xué)處理的環(huán)節(jié)。資源消費(fèi)是指資源產(chǎn)生過程中所產(chǎn)出的副產(chǎn)品、廢棄物的利用,根據(jù)各種資源本身的物理和化學(xué)性質(zhì),將其轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈吒郊又档漠a(chǎn)品或是有用的資源。將這些“放錯地方”的資源加以利用,可以產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會效益,這也正是循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中的進(jìn)行資源集成的目的所在。對于礦區(qū)的資源集成來講,大概涉及3個方面的問題:物質(zhì)集成、能量集成、水系統(tǒng)集成。1.2發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)替代的概念是一種物質(zhì)被功能相近或相似的另一種物質(zhì)所取代。資源按照其能否再生可分為可再生資源、不可再生資源,資源的多用途性及滿足同種用途資源多樣化的特點(diǎn),決定了資源之間可以產(chǎn)生替代效應(yīng)。發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)就是要盡可能用可再生資源替代不可再生資源,用再生速度快、再生規(guī)模大的資源替代再生速度慢、再生規(guī)模小的資源,用豐富資源替代枯竭資源。替代是延遲不可再生資源枯竭期到來的主要方法之一,也能為尋找新的資源贏得時間。開展替代研究,提高次級資源利用量和利用效率,這是循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵。1.3資源品質(zhì)需求情況層級利用原理就是依據(jù)資源品質(zhì)高低及資源利用領(lǐng)域?qū)Y源品質(zhì)需求情況,將資源利用領(lǐng)域按照其對資源品質(zhì)需求的高低分成多個層級,使資源從高品質(zhì)到低品質(zhì)依次被利用的規(guī)律或機(jī)理,該原理在能源利用領(lǐng)域較多。2煤炭礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)原則2.1.1環(huán)經(jīng)濟(jì)的“3r”原則循環(huán)經(jīng)濟(jì)是“資源-產(chǎn)品-再生資源”的物質(zhì)閉環(huán)流動型經(jīng)濟(jì)的簡稱,在礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中,要貫徹循環(huán)經(jīng)濟(jì)的“3R”原則,以循環(huán)利用、層級利用為手段,以資源流動路徑為基礎(chǔ),以資源生產(chǎn)、處理、消費(fèi)、分解等為基本單元,科學(xué)優(yōu)化相關(guān)環(huán)節(jié),使系統(tǒng)中相關(guān)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的產(chǎn)品、副產(chǎn)品、廢棄物成為其它環(huán)節(jié)的資源,提高資源的利用率,尤其是提高循環(huán)利用率、重復(fù)利用率,使系統(tǒng)的資源得到充分完全利用,達(dá)到“零排放”的目標(biāo)。2.1.2資源優(yōu)化設(shè)計(jì)以節(jié)能減排為目標(biāo),依據(jù)相關(guān)資源的屬性、用途及相關(guān)領(lǐng)域需求情況,優(yōu)化結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)資源在系統(tǒng)內(nèi)部合理流動。依據(jù)層級利用的原理,使水資源中的能量、營養(yǎng)物及水資源本身得到合理的開發(fā)利用。2.1.3強(qiáng)化資源節(jié)約意識在整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)施過程中,公司的全員都應(yīng)該參與,強(qiáng)化全員工的資源節(jié)約意識,使設(shè)計(jì)體系能夠得到完整的實(shí)施,這樣才能在整體上達(dá)到最好的節(jié)約效果。2.1.4資源特性分析是保證環(huán)境設(shè)計(jì)的選擇系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)施過程中,是要以科技作為依據(jù)的,只有科學(xué)的分析各種資源的特性與利用價值,以及他們之間可以相互利用的關(guān)系,才可以優(yōu)化整體的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),達(dá)到最大程度的資源節(jié)約。2.1.5經(jīng)濟(jì)效益原則系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中,既要追求環(huán)境效益、社會效益,也要考慮經(jīng)濟(jì)效益,即以成本效益原則為依據(jù),在合理的成本范圍內(nèi),追求最低的消耗,最大的效益。2.1.6零系統(tǒng)排列原則在整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中,以系統(tǒng)零排放為原則,無論是礦井水還是固體廢棄物都不向外排放。2.1.7礦區(qū)生態(tài)結(jié)構(gòu)的測定,在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中,要以生態(tài)學(xué)原理作為指導(dǎo),識別整個礦區(qū)內(nèi)的各種生態(tài)關(guān)系,確定礦區(qū)資源開發(fā)利用和保護(hù)的生態(tài)適宜性,改善礦區(qū)的生態(tài)結(jié)構(gòu)。2.2煤礦水利用的生態(tài)化發(fā)展方向?yàn)樘岣叩V區(qū)資源生態(tài)化利用程度,促進(jìn)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展,從可持續(xù)發(fā)展和循環(huán)經(jīng)濟(jì)理論以及生態(tài)經(jīng)濟(jì)理論出發(fā),對煤炭礦區(qū)資源以水資源為主線,實(shí)行“井下處理-開發(fā)利用能量-水資源處理與利用-系統(tǒng)固廢物質(zhì)綜合利用”的生態(tài)化利用路線。水處理是根據(jù)礦井水質(zhì)的特性、來源及應(yīng)用領(lǐng)域采取不同的處理方式,主要處理方式有老塘自凈處理、井下人工處理、生態(tài)處理和生活污水處理;除老塘水部分用于井下降溫外,經(jīng)過井下處理后的礦井水利用水源熱泵提取能量,供相關(guān)領(lǐng)域使用;提取能量后的礦井水部分直接利用,一部分深度處理后,供生活等領(lǐng)域使用,使用后的水資源再次經(jīng)過處理,必須實(shí)現(xiàn)全部回用等;結(jié)合礦井水的開發(fā)利用,將煤炭礦區(qū)的水生養(yǎng)殖、水生種植、陸生養(yǎng)殖、陸生種植與礦區(qū)綠化、景觀有機(jī)構(gòu)成一體,形成優(yōu)美的生態(tài)園區(qū);依據(jù)食物鏈的原理,對系統(tǒng)中產(chǎn)生的固廢物質(zhì)進(jìn)行資源化開發(fā)利用,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)“零排放”。2.3礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.3.1資源特性分析在系統(tǒng)構(gòu)建之前,需要先對系統(tǒng)內(nèi)部可利用的資源進(jìn)行分析,然后根據(jù)資源各自的特性進(jìn)行處理、利用。系統(tǒng)資源共分為3類:水資源、固廢資源和能源。1礦井水循環(huán)利用①礦井水。礦井水主要包括了老塘水和采區(qū)、掘進(jìn)面、巷道滲水或涌出水。其中老塘水可以先通過自凈處理,凈化后的水可用來井下防塵、井下降溫等。用過之后的水和采面、掘進(jìn)面的滲水通過井下處理后,一部分就可以直接利用,例如可用于洗煤廠、景觀區(qū)、陸生養(yǎng)殖等。而另一部分需要經(jīng)過深度處理后用于浴池、洗衣、飲用等,或作為資源外銷給其它用水單位。被利用的水一部分是直接耗費(fèi)掉的,但多數(shù)廢水、污水經(jīng)過處理后可以循環(huán)使用。礦井水循環(huán)利用示意見圖2。②洗煤水。洗煤水是煤礦濕法洗煤加工工藝的工業(yè)廢水,其中含有大量的煤泥和泥砂。如果最大限度地從煤泥水中分離出固體懸浮物,就可以獲得符合要求的分選介質(zhì)——循環(huán)水,供洗煤廠循環(huán)使用,而且可以回收寶貴的礦物資源,最大限度的回收精煤,在有條件的情況下,也可以制作水煤漿。洗煤水處理后應(yīng)該循環(huán)利用。③熱電廠廢水。熱電廠廢水中主要含懸浮物,可將廢水經(jīng)澄清和過濾處理后直接用于本系統(tǒng)循環(huán)使用。④陸生養(yǎng)殖污水。陸生養(yǎng)殖污水主要是指養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的污水,如養(yǎng)豬廠給豬洗澡后產(chǎn)生的污水。這些污水中主要含有動物的糞便,將這些水輸送到沼氣池可以用來制造沼氣。⑤生活污水。生活污水是煤礦的一個很大廢水產(chǎn)生源,一般來自于煤礦居住區(qū)和工業(yè)場地的浴室、辦公樓、單身宿舍、洗衣房和鍋爐房等用水場合。煤礦生活污水所含污染物的成分比較復(fù)雜,一般采用物理、化學(xué)和生物法等組合工藝進(jìn)行處理。處理后煤礦生活污水水質(zhì)達(dá)到中水回用水質(zhì)要求,可以用作礦井生產(chǎn)用水、洗煤用水、綠化用水及其他雜用水(如沖廁所、洗車、道路噴灑等)。2煤石等3種常見固體廢棄物資源利用。其復(fù)①煤泥。正常情況下,煤泥含水率較高(20%~30%),無法直接使用,也不便于冬季儲運(yùn),如經(jīng)干燥脫水后,煤泥可直接用于鍋爐燃燒和發(fā)電,可對我國煤炭供應(yīng)緊張局勢的緩解有所助益。煤泥可用來加工煤泥型煤、作為電廠燃料、作為磚廠添加劑、作為水泥廠添加料以及作為化工原料等。②中煤。中煤是選煤廠選出的灰分高于精煤而低于煤矸石的產(chǎn)品,發(fā)熱量多為中等水平,可以作為電站鍋爐燃料用。③煤矸石。煤矸石是煤炭開采和加工過程中排出的廢棄物,主要產(chǎn)生于井巷掘進(jìn)、煤炭洗選、露天開采剝離中。煤矸石是可利用的資源,其利用途徑主要包括:煤矸石發(fā)電、煤矸石建材及制品、煤矸石制取化工產(chǎn)品、復(fù)墾回填及做土壤改良劑。煤泥、中煤以及煤矸石可以用作建材以及發(fā)電使用。其中用作發(fā)電使用后會有煤灰分和爐渣產(chǎn)生,而這些產(chǎn)物又可以根據(jù)各自的特性用于建材、鋪路、坍塌區(qū)的填埋以及用于生產(chǎn)輕工原料。這樣一個資源的使用過程,最終將不會有固體廢棄物的產(chǎn)生。煤炭資源流動圖見圖3。④植物秸稈、葉、莖。陸生種植的植物秸稈、葉、莖中含有大量碳、氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫和硅等多種營養(yǎng)元素,同時富含纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和蛋白質(zhì)等有機(jī)物質(zhì),是一種可以資源化利用的“固體廢棄物資源”。植物秸稈、葉、莖粉碎后用于養(yǎng)殖的飼料等,也可以作為沼氣池的原料,或采用堆肥技術(shù)處理后做肥料。⑤動物糞便。陸生、水生養(yǎng)殖的動物糞便可以用來產(chǎn)生沼氣,既方便又清潔,1t動物糞便可得約400m3的可燃?xì)?這是很寶貴的能源,而且可以減少糞便帶來的污染;動物糞便可以做飼料,也可以做有機(jī)肥。⑥淤泥。將淤泥進(jìn)行堆肥處理后可以生成的肥料,有機(jī)質(zhì)含量高,可以再使用的同時改良土壤;另外它富含氮、磷、鉀等多種微量元素,營養(yǎng)價值較高,可以用作養(yǎng)殖的肥料。⑦沼渣、沼液。沼渣和沼液總稱為沼肥,是生物質(zhì)經(jīng)過沼氣池厭氧發(fā)酵的產(chǎn)物。沼液中含有豐富的氮、磷、鉀、鈉、鎢營養(yǎng)元素。沼渣是由部分未分解的原料和新生的微生物菌體組成,分為3部分:一是有機(jī)質(zhì)、腐殖酸,對改良土壤起著作用;二是氮、鉀、磷等元素,滿足生物生長需要;三是未腐熟原料,施入農(nóng)田繼續(xù)發(fā)酵,釋放肥分。⑧食堂廢棄物。食堂廢棄物經(jīng)處理以后可以用作陸生養(yǎng)殖。⑨污水處理后沉淀物。污水處理后的沉淀物含有一定程度的有機(jī)質(zhì),可以將其用于沼氣的生產(chǎn)。礦井水生態(tài)應(yīng)用系統(tǒng)固廢利用示意見圖4。3礦井水能量的來源①地源熱能。煤礦在開采過程中,礦井水的熱能往往隨著礦井水的排放而流失,造成熱源的浪費(fèi)?？梢愿鶕?jù)礦井水恒溫的特性,使用水源熱泵空調(diào)機(jī)組將礦井水中的部分熱量提取出來。水源熱泵通過輸入少量的高品位能源(如電能),實(shí)現(xiàn)低溫位熱能向高溫位轉(zhuǎn)移。地能可以分別在冬季作為熱泵供暖的熱源和夏季空調(diào)的冷源,即在冬季把地能中的熱量“取”出來,提高溫度后,供給室內(nèi)采暖;夏季把室內(nèi)的熱量“取”出來,釋放到地下去。對礦區(qū)而言,可以實(shí)現(xiàn)冬季為井口防凍、浴池供熱、生活供暖、恒溫養(yǎng)殖、種植、工作服烘干、發(fā)酵等等。夏季可用于辦公樓、職工公寓樓空調(diào)制冷。礦井水能量流動圖見圖5。②沼氣。沼氣的主要成分甲烷是一種理想的氣體燃料,它無色無味,與適量的空氣混合后即對燃燒。1m3甲烷發(fā)熱量為34000kJ,1m3沼氣發(fā)熱量約為20800~23600kJ。即1m3沼氣完全燃燒后,能產(chǎn)生相當(dāng)于0.7kg無煙煤提供的熱量,是一種很好的清潔燃料。沼氣可以直接燃燒用于炊事,沼氣裝置發(fā)酵后排出的料液和沉渣含有較豐富的營養(yǎng)物質(zhì),可用作肥料。2.3.2固廢利用子系統(tǒng)根據(jù)礦區(qū)資源的特性以及流動特征,將礦區(qū)生態(tài)化系統(tǒng)劃分為4個子系統(tǒng):礦井水處理子系統(tǒng)、能源利用子系統(tǒng)、水資源利用子系統(tǒng)以及固廢利用子系統(tǒng),如圖6所示。礦井水處理子系統(tǒng)主要是對工業(yè)廢水以及生活污水進(jìn)行處理,使其達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn);而能源利用子系統(tǒng)是將地下礦井水的熱量利用水源熱泵提取,使其獲得使用,以及利用廢棄物產(chǎn)生沼氣,供食堂等作為能源使用;水資源利用子系統(tǒng)是將礦井水處理子系統(tǒng)已經(jīng)處理過的礦井水進(jìn)行利用;固廢利用子系統(tǒng)是將前面各個系統(tǒng)產(chǎn)生的固體廢棄物進(jìn)行利用,確保系統(tǒng)最終沒有廢棄物的排出。2.4系統(tǒng)功能分析2.4.1系統(tǒng)功能1礦井水處理系統(tǒng)礦井水處理子系統(tǒng)為整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因?yàn)樵谧畛趺禾块_采過程中形成的礦井水以及生活污水,無論水的感觀性、物理化學(xué)性能、化學(xué)成分、生物組分以及底質(zhì)情況都不適合直接利用,所以要經(jīng)過該子系統(tǒng)對礦井水水進(jìn)行不同程度的處理,達(dá)到工業(yè)、生活用水的標(biāo)準(zhǔn),才可以將礦井水予以充分的利用。2余熱利用的節(jié)能作用能源利用子系統(tǒng)是對井下采空區(qū)和采煤區(qū)排出的礦井水的熱量,利用水源熱泵對冷熱能源進(jìn)行利用,以及對系統(tǒng)廢棄物產(chǎn)生的沼氣進(jìn)行利用,在提高資源的使用率的同時也減少了對環(huán)境的污染,并起到節(jié)能減排的作用。32水資源使用系統(tǒng)水資源利用子系統(tǒng)就是根據(jù)礦井水處理子系統(tǒng)處理過的不同水資源的特性,將其進(jìn)行充分利用,使水資源不外排,全部綜合利用。4沼渣、沼液固廢利用子系統(tǒng)特征前面3個子系統(tǒng)最終都會有固體廢棄物的產(chǎn)生,例如水處理系統(tǒng)中的煤泥,能源利用系統(tǒng)中的沼渣、沼液,這些固體廢棄物的外排也會造成環(huán)境的污染,資源的浪費(fèi),所以固廢利用子系統(tǒng)是將各種固體廢棄物根據(jù)各自的特性分別予以利用,達(dá)到?jīng)]有污染物產(chǎn)生的目的。2.4.2礦井水處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上述4個系統(tǒng)共同構(gòu)成了礦井水處理子系統(tǒng),而他們之間也存在著內(nèi)在的聯(lián)系,并不是相互獨(dú)立的4個子系統(tǒng)。圖7描述了各子系統(tǒng)之間的相互關(guān)系。礦井水處理子系統(tǒng)時水資源利用子系統(tǒng)的基礎(chǔ),為水資源利用子系統(tǒng)提供可以利用的水資源,而在礦井水處理過程中產(chǎn)生的固體廢棄物可以提供給固廢利用子系統(tǒng),同時地下礦井水的熱量可以提供給能源利用子系統(tǒng)。水資源利用子系統(tǒng)在利用水資源的過程中產(chǎn)生的固體廢棄物提供給固廢利用子系統(tǒng),而水利用系統(tǒng)最終產(chǎn)生的污水也可提供給礦井水處理系統(tǒng)將水資源進(jìn)行處理后循環(huán)使用。固廢利用子系統(tǒng)將固廢物質(zhì)進(jìn)行利用產(chǎn)生的飼料以及肥料可以提供給水資源利用系統(tǒng),使其進(jìn)行水生、陸生種植、養(yǎng)殖;本系統(tǒng)產(chǎn)生的沼氣可以提供給能源利用子系統(tǒng)。3湖區(qū)煤礦生態(tài)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施效果3.1大集團(tuán)戰(zhàn)略的重大重大工程濱湖煤礦位于山東省滕州市西部獨(dú)山湖區(qū),是棗礦集團(tuán)實(shí)施的主業(yè)擴(kuò)張、實(shí)施大集團(tuán)戰(zhàn)略的五大重點(diǎn)工程之一。濱湖煤礦自建礦以來始終認(rèn)真貫徹執(zhí)行有關(guān)環(huán)保法律法規(guī),堅(jiān)持企業(yè)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)相結(jié)合的原則,積極實(shí)施企業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。依據(jù)礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則和框架,設(shè)計(jì)濱湖煤礦生態(tài)系統(tǒng)如圖8所示。3.2礦井水系統(tǒng)改造濱湖煤礦以水為主線,構(gòu)建適合濱湖礦區(qū)特點(diǎn)的生態(tài)系統(tǒng)。該礦分別投資建成了礦井水處理系統(tǒng)和生活污水處理系統(tǒng),利用水源熱泵提取礦井水中的能量;對人工湖河以西13畝矸石土地改良、換土進(jìn)行綠色經(jīng)濟(jì)種植,同時大力發(fā)展陸生、水生養(yǎng)殖業(yè)。濱湖煤礦生態(tài)系統(tǒng)實(shí)施后,取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。3.2.1經(jīng)濟(jì)分析1運(yùn)行費(fèi)用及運(yùn)行成本據(jù)測算,濱湖煤礦礦井水處理站運(yùn)行后每年可節(jié)約大量水費(fèi)、排污費(fèi)等費(fèi)用,累計(jì)相當(dāng)于為礦區(qū)創(chuàng)造年收益191.4116萬元,扣除系統(tǒng)年總運(yùn)行費(fèi)用83.82萬元,每年凈收益可達(dá)107.59萬元。此外,生活污水處理系統(tǒng)處理率達(dá)到100%,根據(jù)設(shè)計(jì)處理能力測算,年可節(jié)約用水21.6萬t,水費(fèi)以2.95元/t計(jì),年可省水費(fèi)63.72萬元;污水處理直接運(yùn)行成本為0.64元/m3,年處理費(fèi)用為13.82萬元,扣除運(yùn)行成本,污水處理廠每年可節(jié)省費(fèi)用49.90萬元。兩項(xiàng)合計(jì)年經(jīng)濟(jì)效益為157.49萬元。2能源節(jié)約利用在能源利用方面,濱湖煤礦采用熱泵系統(tǒng)供熱替代燃煤鍋爐,每年可節(jié)約運(yùn)行成本189.8萬元;每年可節(jié)約標(biāo)煤3120.4t標(biāo)煤,年減少CO2的排放量8113t,年減少SO2的排放