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本文作者：顧清華,李學(xué)現(xiàn),盧才武,阮順領(lǐng),江 松

隨著智能化開采技術(shù)的不斷發(fā)展,全球礦業(yè)正在經(jīng)歷一場(chǎng)新的技術(shù)革命,礦山開采模式需要不斷革新,新時(shí)期礦業(yè)發(fā)展將全面進(jìn)入安全、高效、綠色、智 能的全新歷史階段。

礦山的綠色開采、智能開采是21世紀(jì)礦業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的重要方向和前瞻性目標(biāo) ,是實(shí)現(xiàn)礦業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、提質(zhì)增效、提升競(jìng)爭(zhēng)力的重要途徑,也是實(shí)現(xiàn)資源—經(jīng)濟(jì)—環(huán)境相協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的重要手段。

近年來, 國家各部委陸續(xù)發(fā)布了一系列關(guān)于支持綠色智能礦山建設(shè)的政策和舉措。2016年, 國家發(fā)展和改革委員會(huì)、國家能源局在《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016—2030年)》中指出,到2050年全面建成安全、綠色、高效、智能的礦山技術(shù)體系。

礦業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè),但也是典型的高能耗、高碳排放工業(yè),是我國實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的主戰(zhàn)場(chǎng)之一。

據(jù)統(tǒng)計(jì),2020年,我國鋼鐵行業(yè)碳排 放量為18億t,約占全國碳排放總量的15%,有色金屬行業(yè)碳排放量約6.6億t, 占全國總排放量的4.7%,其中直接用能排放是主要來源。

目前, 國際上以煤炭、石油為主要燃料的國家 ,化石燃料儲(chǔ)量減少和環(huán)境污染的雙重危機(jī)日益加深 ,碳排放問題嚴(yán)重制約了經(jīng)濟(jì)發(fā)展。根據(jù)統(tǒng)計(jì),礦山運(yùn)輸每年消耗原油約2000萬t,產(chǎn)生二氧化碳排放6000萬t。

隨著淺層地表資源日益減少,露天礦已從淺層開采逐步轉(zhuǎn)向深部開采,隨之而來的是卡車運(yùn)距逐漸加大,進(jìn)而造成 燃油消耗、輪胎磨損、設(shè)備維修等方面的費(fèi)用增加。大多數(shù)露天礦運(yùn)輸仍以傳統(tǒng)的柴油卡車為主,采用機(jī)械傳動(dòng)的傳統(tǒng)礦車在傳動(dòng)效率、耗油量、碳排放方面仍存在不少問題。

因此,開發(fā)利用清潔的、可再生能源已成為礦山行業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分, 探索礦產(chǎn)資源低碳、智能開采模式是實(shí)現(xiàn)綠色礦山建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),也是實(shí)現(xiàn)采礦行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。

本研究通過分析當(dāng)前露天礦智能化建設(shè)中存在的問題,提出了一種露天礦智能化建設(shè)新模式,該模式從低碳、無人、連續(xù)等多個(gè)角度對(duì)露天礦智能化建 設(shè)方向進(jìn)行了全新闡釋。之后分別從構(gòu)建多能互補(bǔ)的可再生能源系統(tǒng)、探索露天礦山低碳連續(xù)生產(chǎn)工藝、開發(fā)碳封存與生態(tài)碳匯技術(shù)體系3個(gè)方向,探討了“雙碳”背景下露天礦智能化建設(shè)新模式的技術(shù)路徑,為實(shí)現(xiàn)露天礦低碳智能開采提供可行的解決方案。

目前,我國露天礦智能化建設(shè)工作仍處于初級(jí)階段,整體建設(shè)水平不高,特別是在低碳智能化建設(shè)方面還需要更多關(guān)注和研究。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1) 露天礦區(qū)低碳開采潛力尚未有效開發(fā) 。礦山開采在獲取礦產(chǎn)資源的同時(shí)也衍生出一系列的生態(tài)環(huán)境問題,在“雙碳”目標(biāo)和生態(tài)文明建設(shè)的背景下,礦山生態(tài)修復(fù)成為當(dāng)前亟待解決的問題?，F(xiàn)階段,我國礦山開采生態(tài)修復(fù)率仍低于國際平均水平, 生態(tài)修復(fù)整體情況不容樂觀。礦區(qū)低碳開采與生態(tài)修復(fù)是相輔相成的關(guān)系,探索低碳開采的措施有利于促進(jìn)礦區(qū)生態(tài)修復(fù)。

露天礦山低碳開采的潛力仍有待進(jìn)一步開發(fā):一方面,開發(fā)可再生能源是礦區(qū)實(shí)現(xiàn) 低碳開采的重要途徑之一。利用礦區(qū)廢棄場(chǎng)地發(fā)展生物質(zhì)能與太陽能等可再生能源 ,既能夠起到節(jié)約化 石能源、降低成本的作用,又能減少碳排放、保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。另一方面,利用碳捕集、利用與封存技術(shù)進(jìn)行降碳增匯 ,可有效開發(fā)礦區(qū)生物碳匯的潛力, 以及探索不同形式的礦化封存技術(shù), 實(shí)現(xiàn)低碳或零碳開采。

(2) 傳統(tǒng)采礦設(shè)計(jì)已無法適應(yīng)智能裝備的發(fā)展。在智能礦山建設(shè)背景下 ,各種智能化采礦裝備不斷涌現(xiàn) ,這些智能裝備在減人增效的同時(shí),也帶來了一些 新的問題,例如道路設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化、充電設(shè)施布置等。傳統(tǒng)的采礦設(shè)計(jì)和工藝亟需進(jìn)行革新,以適應(yīng)智 能裝備的發(fā)展要求。在道路設(shè)計(jì)方面,相比于有人駕駛卡車,無人駕駛卡車對(duì)于露天礦道路設(shè)計(jì)的要求更高 ,應(yīng)從提高無人駕駛安全性和效率出發(fā)進(jìn)行道路參數(shù)設(shè)計(jì)。

對(duì)于新能源純電動(dòng)礦卡來說,還應(yīng)該考慮如何設(shè)計(jì)道路坡度以達(dá)到最佳的電池能量回收利用率。在工藝優(yōu)化方面,運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施布設(shè)等都要與智能裝備相適應(yīng),如要使新能源礦卡在露天礦區(qū)具備可行性,運(yùn)輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能符合“空載上坡、重載下坡”運(yùn)輸工況, 電動(dòng)卡車充換電站選址應(yīng)考慮動(dòng)力電池容量、運(yùn)輸里程等因素。

(3) 新能源智能裝備無法進(jìn)行定制化配置。新能源礦用卡車運(yùn)輸是實(shí)現(xiàn)露天礦節(jié)能、環(huán)保、低碳發(fā)展的重要途徑。目前,新能源純電動(dòng)卡車由于續(xù)航里 程短、充電時(shí)間長(zhǎng)、充換電基礎(chǔ)設(shè)施不完善等因素制約了其大規(guī)模應(yīng)用。動(dòng)力電池作為新能源卡車的核心部件,決定著卡車的最大生產(chǎn)能力。

但由于露天礦運(yùn)輸環(huán)境復(fù)雜多變, 電動(dòng)卡車的能耗受到運(yùn)輸里程、荷載變化、道路狀況等多種因素影響。續(xù)航和載重是動(dòng)力電池設(shè)計(jì)的兩個(gè)關(guān)鍵影響因素,兩者之間相互矛盾。續(xù)航里程越長(zhǎng),電能消耗越多,則需要更大容量的電池;而電池容量越大,卡車自重就越大,成本越高,裝載能力就會(huì)受到影響。因此,電動(dòng)卡車的最佳電池容量應(yīng)該根據(jù)礦山的具體情況進(jìn)行定制化設(shè)計(jì),盡可能降低電池成本,提升卡車的有效荷載。

針對(duì)現(xiàn)階段露天礦智能化建設(shè)存在的問題,本研究提出了一種露天礦低碳智能開采新模式———CDEC采礦模式,該模式對(duì)露天礦智能化建設(shè)進(jìn)行了全新闡釋。其內(nèi)涵主要包括:清潔能源開發(fā)及碳封存與利用(Carbon)、露天礦開采設(shè)計(jì)的新理念(Design)、新能源智能裝備定制化方案(Equipment) 以及露天礦無人連續(xù)生產(chǎn)工藝(Continuous)。

(1) 清潔能源及碳封存與利用。在露天礦能源供給方面,提出了“可再生能源利用+新能源裝備+碳封存與利用”的綠色能源供給利用方式。通過開發(fā)不同形式的可再生能源項(xiàng)目,獲取清潔的電能為礦區(qū)用電設(shè)施及新能源純電動(dòng)卡車進(jìn)行供能;在設(shè)備用能端,通過道路優(yōu)化設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)設(shè)施選址等措施,建立電 動(dòng)卡車“重載下坡、空載上坡”運(yùn)輸工況,有效發(fā)揮車載能量回收系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì) ,延長(zhǎng)車輛續(xù)航里程 ,減少能源消耗 ;最后在碳封存與利用方面,研發(fā)礦區(qū)生物碳匯和CO2礦化封存技術(shù) ,將捕集的CO2用于礦區(qū)復(fù)綠和植被保護(hù)等方面,實(shí)現(xiàn)礦區(qū)碳資源循環(huán)利用。

(2) 露天礦開采設(shè)計(jì)的新理念。在露天礦采礦生產(chǎn)方面,依據(jù)露天礦區(qū)裝—運(yùn)—卸礦石流的運(yùn)輸工藝,利用新能源智能裝備“重載下坡回收電量、輕車 上坡使用電量”的能耗特性, 根據(jù)移動(dòng)式緩沖裝載機(jī)、礦用升降機(jī)、礦區(qū)連續(xù)作業(yè)皮帶等裝備的特點(diǎn) ,以提高運(yùn)輸系統(tǒng)的整體生產(chǎn)效率為目標(biāo),運(yùn)用采礦系統(tǒng)工程的相關(guān)理論及技術(shù),對(duì)露天礦區(qū)新能源智能裝備、開拓布線、道路設(shè)計(jì)以及破碎站選址、皮帶運(yùn)輸進(jìn)行露天礦生產(chǎn)工藝整體設(shè)計(jì),優(yōu)化革新傳統(tǒng)的露天礦生產(chǎn)模式,構(gòu)建“新能源無人駕駛+皮帶或升降機(jī)” 的聯(lián)合無人連續(xù)開采工藝新模式。

(3) 新能源智能裝備定制方案。根據(jù)不同礦山在地質(zhì)條件、生產(chǎn)情況、智能化建設(shè)等方面的差異 ,提 出了“一礦一策”的按需定制方式配置智能化裝備。由于無人駕駛等智能裝備效率的差異性,首先根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)和無人駕駛等智能裝備的生產(chǎn)效率 ,進(jìn)行智能裝備的配置優(yōu)化。然后以新能源純電動(dòng)卡車為例,可設(shè)計(jì)背負(fù)式、側(cè)置式、架線式等多種供能方式,以滿足礦山的不同需求。架線輔助供電技術(shù)可以極大提升電動(dòng)卡車的發(fā)動(dòng)機(jī)功率,在重載上坡時(shí)可以提高運(yùn)輸速度加快工作循環(huán), 同時(shí)可以降低卡車的維修保養(yǎng)成本,延長(zhǎng)工作壽命。如采用車載式電動(dòng)卡車,則根據(jù)礦山的生產(chǎn)量、運(yùn)輸里程、道路狀況等關(guān)鍵因素 ,確定 電動(dòng)卡車所需的最佳電池容量,定制化配置卡車的動(dòng)力電池組。

(4) 露天礦無人連續(xù)生產(chǎn)工藝。大多數(shù)的露天礦山主要采用單斗—卡車系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè),這種間斷運(yùn)輸方式雖然運(yùn)輸靈活性較高,但是存在車鏟協(xié)同困難、效率低、運(yùn)行維護(hù)工作量大等問題。為了有效提高露天礦運(yùn)輸效率 ,解決當(dāng)前露天礦無人駕駛存在 的成本高、效率低、裝卸難以完全無人化的問題,充分利用新能源無人駕駛礦卡、移動(dòng)緩沖裝載機(jī)、升降機(jī)、礦用皮帶等裝備的特點(diǎn) ,提出構(gòu)建“移動(dòng)緩沖裝載機(jī)(可選)+新能源無人駕駛+破碎系統(tǒng)+皮帶運(yùn)輸或升降裝置”的無人連續(xù)生產(chǎn)工藝 ,可有效解決新能源礦卡在深凹露天礦難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的難題 ,大幅提高露天礦運(yùn)輸智能化水平。

本研究從構(gòu)建多能互補(bǔ)的可再生能源系統(tǒng)、探索露天礦山低碳連續(xù)生產(chǎn)工藝、開發(fā)碳封存與生態(tài)碳匯技術(shù)體系3個(gè)方面,探討了“ 雙碳”背景下露天礦智能化建設(shè)新模式的技術(shù)路徑,如圖1所示。

首先,通過合理評(píng)估礦區(qū)可再生能源的開發(fā)潛力和投資成本, 建立多種能源互相補(bǔ)充的混合能源系統(tǒng),為礦區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施和電動(dòng)礦卡提供能源;其次,通過合理設(shè)計(jì)新能源裝備、破碎傳送系統(tǒng)、新能源充電站等運(yùn)輸系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié),形成露天礦無人連續(xù)生產(chǎn)新工藝;最后,針對(duì)礦區(qū)排放的二氧化碳 ,開發(fā)碳捕捉利用與封存以及生物碳匯技術(shù),實(shí)現(xiàn)礦區(qū)碳資源的循環(huán)利用。

3.1 構(gòu)建多能互補(bǔ)的可再生能源系統(tǒng)

開發(fā)礦區(qū)可再生能源具有極大的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益 ,在我國北方礦區(qū)如內(nèi)蒙古、青海、新疆等地,太陽能和風(fēng)能資源豐富,利用礦區(qū)開發(fā)可再生能源, 在修復(fù)生態(tài)破壞的同時(shí),也可起到節(jié)約化石能源和減少碳排放的作用,同時(shí)可為新能源純電動(dòng)卡車提供能量來源。露天礦混合光伏—風(fēng)能可再生能源系統(tǒng)概況如圖2所示。

本節(jié)主要從礦區(qū)可再生能源利用潛力、可再生能源投資成本、混合系統(tǒng)及儲(chǔ)能技術(shù)3個(gè)方面論述開發(fā)露天礦可再生能源的可行性,并提出構(gòu) 建多能互補(bǔ)的礦區(qū)可再生能源系統(tǒng)。

3.1.1 礦區(qū)可再生能源利用潛力

目前, 國內(nèi)部分學(xué)者從技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析、開發(fā)利用模式、不同應(yīng)用場(chǎng)景等方面探討了礦區(qū)可再生能源利用的潛力。霍冉等對(duì)國外廢棄礦井可再生能源的開采利用現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述 ,包括太陽能、風(fēng)能、礦井水蓄熱、抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能,為我國礦山可再生能源開發(fā)利用提供了借鑒和示范。

全師渺等探討了礦山廢棄地開發(fā)可再生能源的潛力 ,并評(píng)估了礦區(qū) 可再生能源替代化石能源的能力,對(duì)于礦區(qū)碳減排和 生態(tài)修復(fù)具有重要意義。梁?jiǎn)吹葹榱藘?yōu)化礦山能源利用效率,提出了一種“光—儲(chǔ)—?dú)狻獜U棄礦井抽蓄”多能互補(bǔ)的礦山綜合能源系統(tǒng)。

青海夏日哈木鎳鈷礦區(qū)地處偏遠(yuǎn)高寒高海拔地區(qū),實(shí)現(xiàn)礦區(qū)電網(wǎng)供 電十分困難 ,對(duì)此李鵬等通過引入孤網(wǎng)光伏+儲(chǔ)能的方式,通過建設(shè)充電樁對(duì)純電動(dòng)礦卡進(jìn)行供能,實(shí)現(xiàn)了礦區(qū)光伏能源的有效利用。以上研究為開發(fā)露天礦可再生能源提供了有益借鑒。

圖 1 露天礦智能化建設(shè)新模式技術(shù)路徑

在礦區(qū)可開發(fā)的可再生能源中,太陽能和風(fēng)能是最常見的化石燃料替代品,太陽能光伏發(fā)電過程清潔無污染,是最優(yōu)質(zhì)的綠色能源之一。在礦區(qū)建立光伏 發(fā)電系統(tǒng)具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。

光伏發(fā)電的等效電價(jià)只有0.38 元/ (kW ·h) ,若采用新能源純電動(dòng)卡車進(jìn)行礦石運(yùn)輸,按照每臺(tái)卡車日均耗電量1000kW·h 計(jì)算 ,每天的運(yùn)輸成本只有幾百元 ;相比之下,燃油卡車日均油耗約800L,運(yùn)輸成本將高達(dá)幾千元,約為純電動(dòng)卡車的10倍。

因此 ,光伏發(fā)電將 大幅降低礦山的成本支出, 同時(shí)采用光伏發(fā)電可有效 減少二氧化碳的排放量?，F(xiàn)階段,光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用的制約因素有初期投資成本大、與其配合的儲(chǔ)能成本投資仍較大等,可采用新能源礦卡動(dòng)力電池組進(jìn)行聯(lián) 合儲(chǔ)能 ,盡可能降低投資成本。

據(jù)統(tǒng)計(jì),在我國平均日照條件下,每1kW·h的光伏發(fā)電系統(tǒng),可有效減少約1t的二氧化碳排放量。目前, 西藏華泰龍礦區(qū)、內(nèi)蒙古白云鄂博礦區(qū)、遼寧撫順礦區(qū)、寧夏寧東能源化工基地等多家礦山已建設(shè)了光伏發(fā)電項(xiàng)目。

另外 ,風(fēng)力發(fā)電是新能源開發(fā)技術(shù)最為成熟、最具有大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式 ,也是實(shí)現(xiàn)礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。

目前, 國內(nèi)已經(jīng)有 多家礦區(qū)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目的投產(chǎn)應(yīng)用 ,如玉門黑崖子風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量5萬kW,安裝2MW風(fēng)電機(jī)組25臺(tái),項(xiàng)目年發(fā)電1.54kW·h,年可節(jié)約標(biāo)煤5.39萬t,減排二氧化碳16萬t。青海錫鐵山礦區(qū)三期風(fēng)電項(xiàng)目總裝機(jī)容量10萬 kW,每年可為電網(wǎng)提供 清潔電能2.3億kW·h,可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約7萬t,減少 二氧化碳排放量約20萬t。

3.1.2 可再生能源投資成本分析

在世界范圍內(nèi),可再生能源幾乎是所有國家最經(jīng)濟(jì)的發(fā)電類型之一。可再生能源系統(tǒng)投資成本主要包括兩部分,一是資本性支出(Capital Expenditure,CAPEX),二是日常運(yùn)營成本(Operating Expense, OPEX)。其中,資本性支出是可再生能源項(xiàng)目投資的重要組成部分,直接決定著項(xiàng)目能否成功實(shí)施。與采用傳統(tǒng)的化石能源相比,在礦區(qū)部署可再生能源系 統(tǒng)具有較高的前期投資成本,而且這些投資在短時(shí)間內(nèi)難以得到回報(bào)。但是隨著項(xiàng)目生命周期的不斷增長(zhǎng),兩種能源的投資成本會(huì)達(dá)到盈虧平衡點(diǎn)。

隨著可再生能源技術(shù)不斷發(fā)展,每單位發(fā)電量的成本逐漸下降。國際上一般采用平準(zhǔn)化度電成本(Levelized Cost of Energy,LCOE)計(jì)算電力行業(yè)的發(fā)電成本,它是項(xiàng)目生命周期內(nèi)的總成本現(xiàn)值與總發(fā)電量現(xiàn)值的比值。

全球近20a(2000—2021)幾種代表性可再生能源技術(shù)的LCOE值變化趨勢(shì)如圖3所示。由圖3可知:太陽能光伏和太陽能聚光發(fā)電的LCOE值呈現(xiàn)出大幅下降趨勢(shì),2010—2021年,光伏發(fā)電成本從0.42美元/( kW·h)下降至0.05美元/(kW·h), 太陽能聚光發(fā)電成本從0.36美元/(kW·h)下降至0.11美元/(kW·h)。截至2021年,幾種可再生能源的LCOE 值均達(dá)到或接近化石燃料的最低成本 ,且呈現(xiàn)繼續(xù)下降的趨勢(shì)。

圖 3 全球可再生能源 2000—2021 年 LCOE 變化趨勢(shì)

①—生物能;②—地?zé)崮?③—海上風(fēng)電;④—太陽能光伏;⑤—太陽能聚光;⑥—水力發(fā)電;⑦— 陸上風(fēng)電

國外部分學(xué)者通過量化投資成本評(píng)估了礦區(qū)可再生能源項(xiàng)目的可行性, 如BARNARD等通過南非某礦山的案例分析比較了太陽能光伏發(fā)電廠與傳統(tǒng)采購電力的成本與收益 ,結(jié)果表明:實(shí)施54MW太陽能光伏發(fā)電的電廠可節(jié)省10%的電力成本;POL-LACK等基于平準(zhǔn)化度電成本提出了一種數(shù)學(xué)模型用于評(píng)估柴油發(fā)電、光伏+柴油發(fā)電、天然氣組合循環(huán)發(fā)電以及光伏+天然氣組合循環(huán)發(fā)電4種能源系統(tǒng)的可行性,為礦區(qū)實(shí)施可再生能源項(xiàng)目提供了有效的決策工具;ZHARAN等考慮了礦山生命周期階段以及LCOE值的不同,提出了一種可再生能源項(xiàng)目動(dòng)態(tài)決策方法,基于現(xiàn)金流對(duì)采礦作業(yè)中集成光伏項(xiàng)目的成本進(jìn)行了分析。

因此,綜合以上分析,在實(shí)施礦區(qū)可再生能源項(xiàng)目之前,需要根據(jù)礦山項(xiàng)目的生命周期以及LCOE值的動(dòng)態(tài)變化情況對(duì)可再生能源技術(shù)進(jìn)行合理的經(jīng)濟(jì)評(píng)估,以確定最佳的項(xiàng)目實(shí)施 決策。

3.1.3 混合系統(tǒng)及儲(chǔ)能技術(shù)開發(fā)

采礦作業(yè)是一個(gè)連續(xù)的生產(chǎn)過程 ,需要大量不間斷的能源供應(yīng),但是由于可再生能源具有不穩(wěn)定性、利用率低等特點(diǎn) ,難以滿足礦山連續(xù)工作的生產(chǎn)需求。目前,可再生能源在礦區(qū)應(yīng)用較少,為了順利實(shí) 現(xiàn)傳統(tǒng)化石能源向可再生能源的過渡,需要根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)結(jié)合不同可再生能源的優(yōu)勢(shì),建立多種能源互補(bǔ)的混合可再生能源系統(tǒng)(Hybrid Renewable Energy System,HRES),以實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的能源供應(yīng)。

混合系統(tǒng)與單一系統(tǒng)的能源相比,具有更高的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。不同組合的能源還可提高系統(tǒng)效率,減少能源儲(chǔ)存需求。常見的混合可再生能源系統(tǒng)可分為混合光伏系統(tǒng)、混合風(fēng)能系統(tǒng)、混合光伏—風(fēng)能系統(tǒng)等。

國外部分地處偏遠(yuǎn)的礦山?jīng)]有與電力基礎(chǔ)設(shè)施連接,用能主要依賴于獨(dú)立的柴油發(fā)電機(jī)組,這些礦山屬于離網(wǎng)型(off-grid)礦山 。由于受到燃料運(yùn)輸成 本和價(jià)格波動(dòng)的影響,礦業(yè)公司嘗試采用傳統(tǒng)燃料與可再生能源組合的方式解決供能問題。

近年來,部分學(xué)者在此方面開展了相關(guān)研究,例如ANSONG 等為解決某離網(wǎng)型礦山的用能需求,考慮了太陽能光伏、燃料電池系統(tǒng)以及柴油發(fā)電機(jī)組組合3種不同的混合能源系統(tǒng),并基于凈現(xiàn)值、運(yùn)營成本、LCOE 等多種標(biāo)準(zhǔn),評(píng)估了不同方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性;KALANTARI等比較了6 種不同的可再生能源—多儲(chǔ)能解決方案,并通過全面的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)分析,評(píng)估了偏遠(yuǎn)礦區(qū)實(shí)施可再生能源項(xiàng)目的可行性;ELLABBAN等提出了一種礦區(qū)混合微電網(wǎng)最佳規(guī)模和盈利能力評(píng)估框架,該框架優(yōu)化了混合系統(tǒng)組合中每種能源的規(guī)模,以實(shí)現(xiàn)所需的經(jīng)濟(jì)目標(biāo), 同時(shí)保持技術(shù)約束要求。

因此,根據(jù)礦山的實(shí)際情況開發(fā)最佳的混合能源系統(tǒng)對(duì)于降低生產(chǎn)成本、保障生產(chǎn)穩(wěn)定具有重要意義。

另外,在礦區(qū)推廣可再生能源離不開儲(chǔ)能系統(tǒng)的研發(fā),對(duì)于太陽能和風(fēng)能等不穩(wěn)定能源的大力開發(fā),亟需大規(guī)模儲(chǔ)能并高效發(fā)電的技術(shù)和設(shè)施。目前,礦山常用的儲(chǔ)能方式主要有電池儲(chǔ)能、抽水蓄能、氫能儲(chǔ)能等。

通常電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本高、壽命短, 占獨(dú)立系統(tǒng)總成本的相當(dāng)大一部分,需要在整個(gè)礦山生命 周期內(nèi)進(jìn)行更換,但是如能充分利用新能源純電卡車的電池組進(jìn)行儲(chǔ)能,當(dāng)卡車閑置時(shí)進(jìn)行儲(chǔ)能可有效降低電池儲(chǔ)能成本。抽水蓄能通過利用地勢(shì)高差將電能轉(zhuǎn)化為水的勢(shì)能,從而將能量進(jìn)行存儲(chǔ),是電力系統(tǒng)中最可靠、最經(jīng)濟(jì)、壽命周期長(zhǎng)、容量大、技術(shù)最成熟的規(guī)模儲(chǔ)能裝置。

抽水蓄能電站建設(shè)需要合理評(píng)估多種因素的影響,例如地形地貌特點(diǎn)、水資源分布、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等 ,現(xiàn)有的大量研究主要關(guān)注廢棄礦井抽水蓄能的開發(fā)利用潛力。氫儲(chǔ)能技術(shù)具有 清潔高效、能量密度大、大容量存儲(chǔ)、利用率高等特點(diǎn) ,是非常理想的化石燃料替代品 ,并且具有極大的儲(chǔ)能潛力。

但是,氫儲(chǔ)能目前也面臨著系統(tǒng)效率低、建設(shè)成本高等挑戰(zhàn)。因此 ,建設(shè)礦區(qū)可再生能源系統(tǒng)需要進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的多因素評(píng)估,并結(jié)合礦山特點(diǎn)選擇最佳的儲(chǔ)能技術(shù)。

3.2 探索露天礦山低碳連續(xù)生產(chǎn)新工藝

在當(dāng)前我國“雙碳”戰(zhàn)略和智能礦山建設(shè)背景下,露天礦亟需變革傳統(tǒng)的生產(chǎn)作業(yè)方式。通過在新型低碳智能裝備研發(fā)、破碎傳送系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、卡車充換電站和破碎站布設(shè)選址等方面開展研究工作,探索建立露天礦無人連續(xù)低碳智能的開采模式,以提高能源利用效率,降低生產(chǎn)成本和碳排放。

3.2.1 新型低碳智能裝備研發(fā)

智能裝備是露天礦智能化建設(shè)的重要內(nèi)容之一, 當(dāng)前露天礦山裝備系統(tǒng)智能化建設(shè)僅實(shí)現(xiàn)了部分環(huán)節(jié)的自動(dòng)化、無人化, 整體尚處于較為初級(jí)的階段。因此,亟需推動(dòng)我國露天開采裝備變革,加快新能源無人駕駛卡車、新型連續(xù)生產(chǎn)工藝裝備等的研發(fā)與應(yīng)用。

3.2.1.1 新能源無人駕駛智能裝備

新能源礦用卡車主要分為純電動(dòng)、油電混動(dòng)和氫能源動(dòng)力3種,目前對(duì)于新能源純電動(dòng)卡車的研究較多集中在電力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制動(dòng)能量回收技術(shù)等方面,對(duì)于油電混動(dòng)、氫能源礦用卡車方面的研究較薄弱,仍處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。電動(dòng)車制動(dòng)能量回收技術(shù),又稱為回饋制動(dòng)或再生制動(dòng),是新能源裝備得以推廣應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)之一。

如圖4所示,其工作原理是在車輛減速或制動(dòng)過程中,利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電,從而將車輛的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存于電池中。

目前,已有部分學(xué)者對(duì)能量回收技術(shù)在露天礦卡的應(yīng)用進(jìn)行了研究,如李洪亮等結(jié)合超級(jí)電容和蓄電池技術(shù),通過重新設(shè)計(jì)蓄電池的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),用于電 動(dòng)輪礦車的能量回饋系統(tǒng)中;吳陽杰等研究了超級(jí)電容與蓄電池混合儲(chǔ)能的制動(dòng)能量回收原理,開發(fā)了一種大型礦車制動(dòng)能量回收與利用管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn) 了對(duì)能量系統(tǒng)的控制、調(diào)試和維護(hù)。

圖 4 車載能量回收系統(tǒng)原理

露天礦運(yùn)輸工況復(fù)雜,礦用卡車的載重非常大, 一般自重可達(dá)幾十噸甚至上百噸,卡車在運(yùn)輸?shù)V石的 過程中需要經(jīng)過多條上坡或者下坡路段 ,尤其在重載 下坡的過程中消耗了大量的重力勢(shì)能 ,將這部分能量 進(jìn)行回收利用將大幅提高能源利用效率 ,降低運(yùn)輸成本。

考慮露天礦運(yùn)輸工況 ,搭載電池能量回收系統(tǒng)的礦用卡車在上坡時(shí), 電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能用于驅(qū)動(dòng)卡車前進(jìn);當(dāng)卡車下坡時(shí)將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行存儲(chǔ) , 從而形成“重載下坡回收電量、空載上坡使用電量”的運(yùn)輸工況,如圖5所示。該能量回收系統(tǒng)可將運(yùn)輸過程中由摩擦消耗的能量進(jìn)行回收 ,從而大幅減少能量消耗 ,延長(zhǎng)設(shè)備作業(yè)時(shí)間,達(dá)到能量利用率的最大化。

但能量回收系統(tǒng)與礦卡配置的儲(chǔ)能電池進(jìn)行匹配可能額外增加成本,減少卡車的有效載重。有研究表明:對(duì)于車載儲(chǔ)能系統(tǒng)來說,采用不同的技術(shù)和尺 寸會(huì)對(duì)能耗和運(yùn)輸效率帶來一定程度的影響。因此,需要根據(jù)礦山的實(shí)際工況最優(yōu)化選擇儲(chǔ)能電池的容量、尺寸以及所采用的技術(shù),從而實(shí)現(xiàn)車載能量回收系統(tǒng)的定制化配置。

圖 5  “空車上坡、重車下坡”運(yùn)輸工況

3.2.1.2 新型半連續(xù)生產(chǎn)工藝裝備

單斗—卡車間斷式生產(chǎn)工藝具有適應(yīng)性強(qiáng)、靈活性強(qiáng)、費(fèi)用較低等特點(diǎn)。近年來出現(xiàn)了多種新型裝備 與單斗—卡車系統(tǒng)的組合,以進(jìn)一步提高系統(tǒng)作業(yè)的連續(xù)性,降低卡車運(yùn)輸成本, 比較典型的有移動(dòng)式緩沖裝載機(jī)、露天礦用卡車升降機(jī)等。

(1) 移動(dòng)式緩沖裝載機(jī)。英國礦山機(jī)械公司MMD設(shè)計(jì)了一種新型裝載設(shè)備———緩沖裝載機(jī)(Surge Loader)作為電鏟和卡車之間的儲(chǔ)料倉,從而將電鏟和卡車的間斷工藝轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)生產(chǎn)工藝 。如圖6所示,緩沖裝載機(jī)將電鏟—卡車循環(huán)分為兩個(gè)獨(dú)立作業(yè)的部分。

該裝載方式不僅減少了電鏟等待卡車的閑置時(shí)間 ,消除了裝載區(qū)域復(fù)雜的換向操作, 而且降低了沖擊載荷和操作人員的疲勞度 ,極大地提高了裝載作業(yè)的連續(xù)性和安全性。

另外,緩沖裝載機(jī) 還可通過輸送帶上的傳感器自動(dòng)測(cè)量物料的體積和 質(zhì)量,并監(jiān)測(cè)大塊礦石是否會(huì)對(duì)裝載產(chǎn)生影響 ,從而精準(zhǔn)控制卡車的裝載系數(shù)。相關(guān)研究表明:全移動(dòng)式緩沖裝載機(jī)有潛力使卡車和鏟車系統(tǒng)性能提升40%,鏟車?yán)寐侍嵘?5%,平均目標(biāo)有效負(fù)載提升至98%。

在安全性方面,緩沖裝載機(jī)通過視覺 和傳感技術(shù)精確引導(dǎo)卡車定位,解決了無人駕駛卡車裝載作業(yè)的車鏟難以自動(dòng)匹配的難題 ,避免了設(shè)備之間的相互作用,降低了裝載環(huán)節(jié)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

(2) 露天礦用卡車升降機(jī)。 目前國內(nèi)除了大多水泥、砂石露天礦具備適宜于新能源礦卡的“重載下坡、輕車上坡”運(yùn)輸條件外, 大多數(shù)露天礦逐漸轉(zhuǎn)向深部開采,卡車的運(yùn)輸距離和道路坡度逐漸增大 ,運(yùn)輸成本急劇增加, 給新能源卡車應(yīng)用帶來了極大挑戰(zhàn)。礦卡在運(yùn)輸?shù)V石重載上坡過程中,能量消耗、機(jī)械磨損、產(chǎn)生廢氣等問題都極為突出。為了有效緩解這種局面,改變大多數(shù)情況下卡車“ 空載下坡 ,重載上坡”的運(yùn)輸工況 ,本研究提出了一種新能源礦卡與礦用整車提升或皮帶的聯(lián)合運(yùn)輸方式,其中礦用整車 提升技術(shù)早在20世紀(jì)40年代就已提出,但后續(xù)未得到大規(guī)模推廣應(yīng)用, 主要原因是未形成技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

露天礦用卡車升降機(jī)可實(shí)現(xiàn)卡車的垂直升降,克服卡車因提升自重以及摩擦阻力產(chǎn)生的能源消耗,有效解決重載運(yùn)輸能源消耗量大、有害氣體排放量大、車輛維修保養(yǎng)成本高等問題。將新能源純電礦用卡車和礦用升降機(jī)或皮帶聯(lián)合使用,可改變露天礦傳統(tǒng)的運(yùn)輸模式,為開拓運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了新的解決思路。

3.2.2 破碎傳送系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前,露天礦所采用的破碎系統(tǒng)主要分為固定式、半固定式和移動(dòng)式,各有其優(yōu)缺點(diǎn)和不同的適用場(chǎng)景。破碎站作為運(yùn)輸破碎的重要環(huán)節(jié),合理確定破碎站的型式、布置方式及其移設(shè)步距 ,是充分發(fā)揮系統(tǒng)綜合能力及降低開采成本的重要途徑。

3.2.2.1 固定式破碎站選址與移設(shè)

采用單斗—卡車生產(chǎn)工藝時(shí),破碎站的選址位置直接決定著卡車運(yùn)距大小,從而影響著礦石的運(yùn)輸成本。在露天礦開采初期,破碎站一般被設(shè)置在境界邊緣,此時(shí)物料運(yùn)輸全部依靠自卸式卡車完成。

這一時(shí)期卡車運(yùn)距較短、運(yùn)輸費(fèi)用不高,并且具有較大的靈活性。但是隨著開采深度不斷加大,卡車往返于出礦點(diǎn)和破碎站的運(yùn)距逐漸變大,特別是卡車重載上坡現(xiàn)象變得尤為明顯。此時(shí)需要對(duì)破碎站的位置進(jìn)行移設(shè),以縮短卡車運(yùn)距, 降低運(yùn)輸成本。破碎站選址問題的實(shí)質(zhì)是使得移設(shè)費(fèi)用得到補(bǔ)償 ,并且移設(shè)后總運(yùn)輸費(fèi)用達(dá)到最小。

國內(nèi)學(xué)者針對(duì)此問題進(jìn)行了大量研究 ,提出的方法主要有移設(shè)費(fèi)用補(bǔ)償法、單位成本最小法、總成本最小法 、期望值補(bǔ)償法等。但大部分研究將破碎站移設(shè)問題孤立地進(jìn)行考慮 ,忽略了與生產(chǎn)計(jì)劃之間的相互影響。喻鴻 等認(rèn)為破碎站移設(shè)要與生產(chǎn)計(jì)劃相關(guān)聯(lián),應(yīng)該以礦石的總運(yùn)輸功最小化為目標(biāo) ,使破碎站盡量靠近被采礦體的質(zhì)心點(diǎn)。

本研究課題組利用微分的思想將整個(gè)礦床模型離散化 ,構(gòu)建了露天礦礦體空間微分模型,并進(jìn)一步以最小總運(yùn)輸功為目標(biāo)構(gòu)建了破碎站選址優(yōu)化模型。破碎站選址前后的位置對(duì)比如圖7所示 ,經(jīng)過優(yōu)化大幅降低了卡車的運(yùn)輸距離。由此可見,破碎站選址并不是一個(gè)孤立的問題,而應(yīng)該將其 作為運(yùn)輸系統(tǒng)的一環(huán)進(jìn)行整體優(yōu)化。

破碎站作為運(yùn)輸系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),與露天礦道路設(shè)計(jì)聯(lián)系密切,破碎站的選址位置直接決定著開拓布線的布局和走向。另外, 由于礦山環(huán)境因素復(fù)雜多變,不同等級(jí)、坡度、路面質(zhì)量的道路對(duì)卡車的行駛消耗影響非常大,特別是當(dāng)卡車重載上坡時(shí),道路狀況 對(duì)于做功消耗的影響尤為明顯。

露天礦特殊的運(yùn)輸條件, 以及破碎站不合理的選址位置, 就會(huì)產(chǎn)生“重載上坡、空載下坡”運(yùn)輸工況,造成了卡車運(yùn)輸?shù)牟唤?jīng)濟(jì)性。因此,通過破碎站選址和道路優(yōu)化設(shè)計(jì), 形成“空載上坡、重載下坡”的卡車運(yùn)輸工況,不僅能夠大幅縮短運(yùn)輸距離,而且可有效利用新能源卡車的能量回收系統(tǒng),使得下山能量回饋與上山消耗的能量相互補(bǔ)償,從而延長(zhǎng)整車使用時(shí)間及續(xù)航里程。

3. 2. 2. 2 移動(dòng)式破碎傳送系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著露天礦開采深度不斷加大,已從淺層開采逐 漸轉(zhuǎn)向深部開采,單一卡車運(yùn)輸方式的經(jīng)濟(jì)性正在不斷下降。有研究表明:當(dāng)?shù)V坑開采深度超過150m時(shí),每向下延深100m, 單一卡車運(yùn)輸費(fèi)用增加約50%,相比之下,皮帶運(yùn)輸費(fèi)用只增加5%~6%。不同于傳統(tǒng)的卡車—電鏟系統(tǒng)的間斷運(yùn)輸工藝 ,坑內(nèi)移動(dòng)式破碎傳送系統(tǒng)(In-Pit Crushing and Conveying,IPCC)將礦石破碎與傳送結(jié)合為一體,大幅提高了礦 石的運(yùn)輸效率,是結(jié)合單一卡車運(yùn)輸方式的最佳選擇。

關(guān)于兩種運(yùn)輸系統(tǒng)的適用性問題 , 國外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究 。比較有代表性的有:NEHRING等對(duì)不同類型的露天礦實(shí)施IPCC系統(tǒng)的適用性進(jìn)行了研究 ,并與傳統(tǒng)的卡車運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行了比較 , 結(jié)果表明:IPCC系統(tǒng)的使用可提高資源綜合回收率。

PARICHEH等研究了IPCC系統(tǒng)替代單一卡車運(yùn)輸系統(tǒng)的最優(yōu)時(shí)間問題,發(fā)現(xiàn)IPCC系統(tǒng)更適合壽命期較長(zhǎng)、特別是在運(yùn)距較大的露天礦山。NUNES等探討了在礦山項(xiàng)目的早期階段 ,采用半移動(dòng)式坑內(nèi)破碎與傳送(SMIPCC)系統(tǒng)的潛力。

實(shí)例應(yīng)用表明:該系統(tǒng)可有效降低礦石的單位運(yùn)輸成本, 同時(shí)減少了58%的碳排放量。通過以上研究發(fā)現(xiàn) ,選擇最佳的運(yùn)輸方式對(duì)于礦山生產(chǎn)設(shè)計(jì)來說具有重要意義。

IPCC 系統(tǒng)具有較高的初始投資,但是后期的運(yùn)營費(fèi)用增長(zhǎng)緩慢。與之相比, 卡車系統(tǒng)初始投資較低 ,但是后期的燃料和維修費(fèi)用增長(zhǎng)較快。從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā),兩種系統(tǒng)的累計(jì)折現(xiàn)成本曲線存在一個(gè)交叉點(diǎn) ,此時(shí)對(duì)應(yīng)著最佳的系統(tǒng)更換時(shí)間。

因此 ,在最佳的時(shí)期對(duì)運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整 ,對(duì)于提高運(yùn)輸效率和降低運(yùn)輸成本具有重要意義。

通過累計(jì)折現(xiàn)成本計(jì)算可以得到最佳的運(yùn)輸系統(tǒng)更換期,此時(shí)以 IPCC 系統(tǒng)的破碎站為紐帶連接起無人礦卡間斷運(yùn)輸與皮帶連續(xù)運(yùn)輸,形成“無人駕駛+皮帶運(yùn)輸”的半連續(xù)生產(chǎn)工藝,可大幅提高生產(chǎn)效率,降低運(yùn)輸成本。

3.2.3 卡車充換電站布設(shè)選址

隨著礦用電動(dòng)卡車在礦區(qū)不斷應(yīng)用,與其相配套的基礎(chǔ)設(shè)施也亟需完善。礦用電動(dòng)卡車因其具有綠色無污染、運(yùn)輸成本低等優(yōu)點(diǎn)而被大力推廣,但同時(shí)也存在著續(xù)航里程短、充電時(shí)間久等問題,礦區(qū)低下的運(yùn)輸效率與亟需提高的生產(chǎn)效益之間形成了較大矛盾。

因此,在兼顧成本和效率的基礎(chǔ)上, 電動(dòng)礦卡充電站/換電站的合理設(shè)計(jì)和選址成為了解決這些問題的關(guān)鍵。

電動(dòng)礦卡充電站選址問題涉及的影響因素眾多, 主要有充電規(guī)劃、電網(wǎng)規(guī)劃、交通規(guī)劃以及建設(shè)規(guī)劃4大類,如圖8所示。

其中的關(guān)鍵影響因素為:坡度 引起的勢(shì)能變化、電網(wǎng)安全和負(fù)荷參數(shù)、電動(dòng)礦卡充 電模式、充電距離和充電功率以及充電站建設(shè)綜合成本。

①坡度引起的勢(shì)能變化 ,露天礦運(yùn)輸?shù)缆窂?fù)雜 多變、上下坡度變化大,這會(huì)對(duì)電動(dòng)礦卡的能量消耗產(chǎn)生較大影響?？ㄜ囕d重也會(huì)影響電量的使用速率, 在重載上坡情況下尤為明顯。

②電網(wǎng)安全和負(fù)荷參數(shù),電網(wǎng)的功率和負(fù)荷參數(shù)都是不能被忽略的重要系數(shù) ,通過設(shè)置電動(dòng)礦卡的荷電狀態(tài)、充放電功率范圍約束條件 ,滿足電網(wǎng)的充電安全性,最大限度地延長(zhǎng) 電池使用壽命, 降低經(jīng)濟(jì)成本。

③電動(dòng)礦卡充電模式,充電功率的不同會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)礦卡的充電需求緊迫性、充電時(shí)間、充電站建設(shè)成本、電網(wǎng)要求等客觀因素 都有所差異,尤其需要注意的是充分利用地方電網(wǎng)的波峰波谷電價(jià)可大幅降低充電成本。

④充電距離和充電功率 ,充電站的選址位置要考慮服務(wù)半徑以達(dá)到最大的服務(wù)面積,滿足采場(chǎng)不同位置卡車的充電需求。

⑤充電站建設(shè)綜合成本,綜合成本需要綜合考 慮充電站的建設(shè)成本、充電時(shí)間成本、排隊(duì)時(shí)間成本、電池?fù)p耗成本等方面, 在全生命周期內(nèi)進(jìn)行綜合評(píng)估。

礦用電動(dòng)卡車采用充電式補(bǔ)充電能 ,單次充電時(shí)間較長(zhǎng),導(dǎo)致設(shè)備生產(chǎn)延誤率較高 ,有效作業(yè)時(shí)間較短 ,不能充分發(fā)揮生產(chǎn)效率。

針對(duì)此問題 , 目前有學(xué)者研究了采用換電站替代充電站的方案, 如趙映等研究了可移動(dòng)式礦用卡車換電站的設(shè)計(jì)問題, 包括換電站供配電系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等,換電系統(tǒng)采用全自動(dòng)化設(shè)計(jì),具有電能補(bǔ)充速度快、充電管理方便等優(yōu)點(diǎn)。相比充電式可顯著縮短礦用電動(dòng)卡車的能源補(bǔ)充時(shí)間 ,提高生產(chǎn)效率。

3.3 開發(fā)碳封存與生態(tài)碳匯技術(shù)體系

為了有效實(shí)現(xiàn)露天礦區(qū)減碳的目標(biāo) ,可分別從碳 捕集、利用與封存技術(shù)和礦區(qū)生態(tài)修復(fù)與生物碳匯兩個(gè)方面進(jìn)行分析, 在礦區(qū)可利用CCUS技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)CO2的捕獲 ,利用捕獲的CO2實(shí)現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)修復(fù)等。 

3.3.1 碳捕集、封存與利用技術(shù)

碳捕集、利用與封存技術(shù)(CarbonCapture,Utili-zationandStorage,CCUS)是實(shí)現(xiàn)減碳目標(biāo)的最顯著方式之一。

通過在礦區(qū)利用CCUS技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)CO2的捕獲、運(yùn)輸、封存和利用,最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能降碳和CO2的循環(huán)利用。目前該技術(shù)在國內(nèi)還處于起步階段,工業(yè)中的應(yīng)用主要涉及石油行業(yè),利用二氧化碳進(jìn)行驅(qū)油,以提高油田采收率。具體到礦山行業(yè)中還沒有相關(guān)應(yīng)用成果落地,但是卻蘊(yùn)藏著極大的利用價(jià)值。

如利用捕捉的二氧化碳合成燃料電池、新型材料等,用于新能源無人礦卡的電池制備;在生態(tài)農(nóng)業(yè)和林業(yè)中合成生物質(zhì)肥料,可用于實(shí)現(xiàn)廢棄礦山復(fù)墾復(fù)綠和植被保護(hù);還可以應(yīng)用于煤化工、制氧、生物發(fā)電等領(lǐng)域。因此,在礦山生產(chǎn)過程中有效地進(jìn)行碳捕捉,并進(jìn)一步服務(wù)于采礦生產(chǎn),實(shí)現(xiàn)礦山碳循環(huán)回收利用,具有廣闊的應(yīng)用前景。

礦山行業(yè)在碳封存方面具有巨大的應(yīng)用潛力,可以利用地殼深部沉積地層、廢棄油氣層、不可開采煤層等實(shí)現(xiàn)CO2的大規(guī)模封存。但是該方法存在一定的風(fēng)險(xiǎn)因素,例如容易造成泄漏、引發(fā)地震、生態(tài)破壞等。后來有學(xué)者提出了利用礦物碳化反應(yīng)對(duì)CO2進(jìn)行封存的技術(shù),原理是以CO2與堿土金屬氧化物反應(yīng),可生成穩(wěn)定的碳酸鹽產(chǎn)物,從而實(shí)現(xiàn)CO2的永久封存。

CO2礦化利用技術(shù)被認(rèn)為是高效的封存技術(shù)之一,該方法優(yōu)勢(shì)為:

①天然堿性硅酸鹽巖儲(chǔ)量豐富,可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的CO2處理;

②礦物碳化的生成物為穩(wěn)定的碳酸鹽,環(huán)境污染小且能夠永久封存CO2;

③礦物碳化為放熱反應(yīng),具有一定的商業(yè)化應(yīng)用潛力。

然而,由于目前的工藝仍面臨著成本高昂的問題,難以實(shí)現(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)效益。因此需要對(duì)相關(guān)技術(shù)的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用進(jìn)行經(jīng)濟(jì)可行性和全生命周期的能耗評(píng)估,并開發(fā)流程簡(jiǎn)單、低成本的CO2封存技術(shù)。目前,有礦業(yè)公司正在研究利用礦山固體廢棄物封存CO2的商業(yè)化技術(shù)。

研究表明,鉆石礦每年可存儲(chǔ)二氧化碳1.75億t,其他超堿性礦山,例如鋁、鐵和水泥,每年可儲(chǔ)存CO2達(dá)3.01億t。由此可見,CO2封存技術(shù)在礦山行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景和顯著的生態(tài)效益。

3.3.2 礦區(qū)生態(tài)修復(fù)與生物碳匯

“碳中和”的關(guān)鍵是增加碳匯,露天礦區(qū)生態(tài)修復(fù)正是增匯的重要技術(shù)手段。傳統(tǒng)的礦山生態(tài)修復(fù)多注重于生態(tài)系統(tǒng)功能恢復(fù)和土地利用結(jié)構(gòu)變化,較少關(guān)注節(jié)能、減排、增匯的目標(biāo)。因此,研究如何從碳中和的角度開展礦區(qū)生態(tài)修復(fù),既有利于礦山生態(tài)文明建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展,又有利于固碳增匯,實(shí)現(xiàn)礦區(qū)碳資源的有效利用。經(jīng)過生態(tài)修復(fù)后的礦區(qū)擁有巨大的生態(tài)固碳資源,如土壤資源、動(dòng)植物資源、微生物資源等,恢復(fù)土壤和植被的碳儲(chǔ)存和固碳能力, 還可發(fā)展礦區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)養(yǎng)殖等產(chǎn)業(yè)。

目前,已經(jīng)有部分學(xué)者開展了相關(guān)的研究工作,主要集中在碳中和目標(biāo)下生態(tài)修復(fù)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)、固碳增匯關(guān)鍵技術(shù)、礦山環(huán)境正效應(yīng)資源化利用、礦區(qū)生態(tài)碳匯體系構(gòu)建等方面。胡振琪等認(rèn)為礦區(qū)土地復(fù)墾和生態(tài)修復(fù)具有雙重增匯屬性,不僅可以抑制受損土地產(chǎn)生碳排放,而且恢復(fù)的植被可以增加碳匯功能,并從碳中和視角分析了礦山生態(tài)修復(fù)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。陳浮等在礦區(qū)生態(tài)修復(fù)中碳匯關(guān)鍵過程的基礎(chǔ)上,分析了黃土高原礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的增匯潛力,并提出了固碳增匯的關(guān)鍵技術(shù)。王根鎖等從“礦山環(huán)境正效應(yīng)資源化”視角分析了生態(tài)資源、可再生資源等對(duì)于削減廢棄礦區(qū)碳源、增加生態(tài)碳匯以及推動(dòng)碳減排的潛在優(yōu)勢(shì)。劉祥宏等提出了礦區(qū)生態(tài)碳匯的3種主要類別分別為土壤碳匯、植被碳匯、濕地碳匯,并從礦區(qū)生態(tài)碳匯規(guī)劃、碳匯監(jiān)測(cè)調(diào)查、碳匯功能提升等8個(gè)方面探討了礦區(qū)生態(tài)碳匯的體系框架,為進(jìn)一步深入研究礦區(qū)生態(tài)碳匯提供了方向指導(dǎo)。

由此可見:通過開展以減排增匯為目標(biāo)的礦區(qū)生態(tài)修復(fù),一方面可以減少采礦活動(dòng)產(chǎn)生的碳排放,助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)下的礦山低碳化建設(shè);另一方面可以增加礦區(qū)的碳匯資源,實(shí)現(xiàn)碳資源的循環(huán)利用,有利于礦山生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

隨著綠色礦山、智能礦山建設(shè)步伐的有序推進(jìn),以及無人駕駛技術(shù)的不斷落地,新能源純電動(dòng)無人礦卡將成為露天礦未來低碳運(yùn)輸?shù)闹饕绞街弧?/p>

本研究以新能源裝備和新生產(chǎn)工藝為出發(fā)點(diǎn),探索了一種低碳、連續(xù)、高效、安全的露天礦智能化建設(shè)新模式———CDEC采礦模式,并從構(gòu)建多能互補(bǔ)的可再生能源系統(tǒng)、探索露天礦山低碳連續(xù)生產(chǎn)工藝、開發(fā)碳封存與生態(tài)碳匯技術(shù)體系3個(gè)方面探討了“雙碳”背景下該模式的技術(shù)路徑。所得結(jié)論如下:

(1)開發(fā)礦區(qū)可再生能源具有極大的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益,特別是在太陽能和風(fēng)能豐富的西北偏遠(yuǎn)地區(qū)的露天礦?？紤]到可再生能源的不穩(wěn)定性,通過構(gòu)建礦區(qū)多能互補(bǔ)的能源系統(tǒng),可以直接作為新能源裝備和基礎(chǔ)設(shè)施的能量來源,可有效解決火力發(fā)電成本高的問題,降低礦區(qū)用電成本和運(yùn)輸成本,并從根本上減少碳排放的產(chǎn)生。

(2)考慮到新能源無人駕駛裝備以及皮帶運(yùn)輸?shù)膬?yōu)勢(shì),通過對(duì)道路優(yōu)化設(shè)計(jì)、破碎系統(tǒng)選址,形成“空載上坡,重載下坡”的卡車運(yùn)輸工況,有效發(fā)揮車載能量回收系統(tǒng)的巨大潛力,從而建立“新能源無人駕駛+皮帶運(yùn)輸或升降裝置”的低碳、連續(xù)運(yùn)輸方式,有效提高運(yùn)輸系統(tǒng)的能源利用效率,降低碳排放和運(yùn)輸成本。

(3)碳捕集、利用與封存以及生態(tài)碳匯技術(shù)是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要途徑,在礦山行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。在礦山生產(chǎn)過程中有效地進(jìn)行碳捕捉,并進(jìn)一步服務(wù)于采礦生產(chǎn),可以實(shí)現(xiàn)碳能源的有效回收利用。以碳中和為目標(biāo)的礦區(qū)生態(tài)修復(fù),推動(dòng)礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)逐步從“碳源”向“碳匯”轉(zhuǎn)變,有利于礦山生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。