小莊煤礦水源地熱資源開發(fā)及利用研究

張國平

（陜西彬長小莊礦業(yè)有限公司，陜西省咸陽市，713500）

地熱資源是一種綠色可再生能源，“十三五”期間國家計劃重點推進地熱能的開發(fā)利用。我國地熱資源儲量豐富，分布范圍廣，礦山作為地熱研究的重要陣地，同時也是人類向地下探索的重要途徑［1］，［4］。礦 山 地 熱 利 用 經 歷 了 由 粗 獷 到 集 約、由簡單到多樣的過程。礦井中的可用熱源有礦井排水、地熱水、礦井乏風、洗浴排水以及空氣壓縮機冷卻水等。礦井余熱、廢熱熱泵提取技術就是利用熱泵系統(tǒng)實現(xiàn)礦井排風余熱、礦井排水余熱、礦區(qū)洗浴排水廢熱及壓縮空氣散熱等多種低溫熱能回收再利用，以滿足礦區(qū)冬季井筒保溫防凍、職工浴室冬季和夏季洗澡用熱、冬季建筑物供暖及夏季建筑物供冷的功能，達到節(jié)能減排目的，實現(xiàn)“低碳運行生建設態(tài)礦山”的理念。陜西彬長小莊煤礦（以下簡稱“小莊煤礦”）地熱涌水量較大，可為我國礦山地熱能的利用提供新思路。

1 礦井地質及熱利用方案

1.1 小莊煤礦概況

小莊煤礦位于陜西省咸陽市彬州市，與市區(qū)相距15 k m，交通便利，礦井采深為427 m，井下熱害情況較為嚴重，采煤和掘進工作面在夏季時溫度高達34℃，礦井共有4個立井，工業(yè)廣場有主井、副井、進風井和回風井。礦區(qū)約有員工1400人，建筑面積為26萬㎡，主要包括辦公樓、機修車間、職工宿舍、聯(lián)合建筑和附屬建筑等。

小莊煤礦工業(yè)廣場于2011年建造1座燃煤鍋爐房，鍋爐房內現(xiàn)有3臺SZL14-1.25-120/80-AIII型和1臺SZL7-1.25-120/80-AIII型熱水鍋爐，熱媒設計均為120℃/80℃高溫熱水。工業(yè)場地鍋爐房及聯(lián)合建筑內已各建一個熱交換站，鍋爐房熱交換站為選煤廠采暖供熱，聯(lián)合建筑熱交換站為行政公共建筑采暖供熱。根據調研，小莊煤礦冬季運行1臺SZL14-1.25-120/80-AIII型熱水鍋爐，供水溫度為93.9℃，回水溫度為72.8℃；夏季運行1臺7 MW鍋爐用于制備洗浴熱水，就可以滿足小莊煤礦正常的供熱需求。

1.2 礦井水余熱資源條件及供熱利用方案

小莊煤礦礦井水處理站礦井涌水量最大約為1000 m3/h，正常涌量約為756 m3/h，礦井24 h連續(xù)排水，經測量礦井水溫可控制在21℃～24℃，目前礦井水只經過水處理站過濾和沉淀等水處理，未來計劃要對礦井水進行反滲透處理。

礦井井下排水流量較大，水溫比較恒定，溫度較高，在礦井循環(huán)水池內的水溫在20℃左右，因此礦井排水富含大量可利用的低位熱能，該熱能回收可以利用涌水源熱泵技術。其基本原理為：夏季工況下，礦井水與熱泵系統(tǒng)冷凝器相連，則礦井水系統(tǒng)作為熱泵的冷卻水系統(tǒng)吸收工質放熱，通過熱量交換實現(xiàn)蒸發(fā)器制冷，蒸發(fā)器制得的冷凍水送往空調用戶，供末端使用；冬季工況下，礦井水與熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器相連，則礦井水系統(tǒng)作為熱泵的冷凍水系統(tǒng)，工質吸收礦井水熱量，通過熱量交換實現(xiàn)冷凝器制熱，冷凝器制得冷卻水送往需要供熱的用戶，用于冬季末端供熱［2］，［5］。

至此，小莊煤礦利用礦井涌水的余熱，即礦井水量為900 m3/h時（涌水量最大約為1000 m3/h），通過涌水源熱泵技術處理后的礦井水，按年平均水溫20℃計算，提取余熱后水溫為4℃，提取余熱量為13 MW，礦井水源熱泵COP為4.2，則礦井水源熱泵供熱能力為21.98 MW。

1.3 供需平衡分析

目前小莊煤礦冬季只需運行1臺14 MW的熱水鍋爐就可以滿足工業(yè)廣場采暖的負荷需求，且鍋爐沒有達到額定出力，根據目前的礦井涌水量及水溫，礦井水源熱泵可以滿足目前小莊煤礦工業(yè)廣場采暖負荷需求。目前礦井水源熱泵總供熱能力為21.98 MW，基本查以滿足小莊煤礦工業(yè)廣場的負荷需求，后期隨著礦井水量的增加，礦井水源熱泵總供熱能力將進一步增加。

按照總體設計、分步實施的原則，結合目前小莊煤礦工業(yè)廣場鍋爐房冬季最多運行1臺14 MW熱水鍋爐的供熱現(xiàn)狀，考慮一定的富余量，本項目設計供熱負荷為15 MW。

為了避免重復建設，本項目熱泵機房土建工程一次建成，預留后期水源熱泵位置。

1.4 礦井水綜合利用方案

利用小莊煤礦礦井水余熱資源，解決小莊煤礦工業(yè)廣場供熱需求，實現(xiàn)“綠色能源代煤供熱”的目標。對于小莊煤礦工業(yè)廣場礦井水余熱資源，采用SMEET煤礦專用高效的原生態(tài)涌水熱泵技術［5］。該技術制取低溫熱水，供水溫度為50℃，回水溫度為40℃。洗浴熱水系統(tǒng)新增板式換熱器和1座200 m3水箱用于蓄存熱水。聯(lián)建樓浴室和單身公寓樓熱水均來自蓄熱水箱。

熱源設備總體設計分步實施。前期選配8臺水源熱泵，供熱能力為15 MW，后期選配4臺水源熱泵，供熱能力為7.5 MW。水源熱泵投入運行以后，夏季可為辦公樓和業(yè)務接待樓提供冷水，滿足夏季空調負荷需求，替代風冷熱泵機組［3］，［8］。

熱泵機房內布置熱泵機組、熱水一次循環(huán)泵等；洗浴熱水板式換熱器、洗浴熱水二次循環(huán)泵、蓄熱水箱和洗浴熱水給水泵布置在聯(lián)建樓地下室；礦井水潛水泵布置在礦井循環(huán)水池內［3］，［8］。

小莊煤礦前期井下排水聯(lián)合建筑為756 m3/h，通過熱泵制取低溫熱水量為1290 m3/h，供水溫度為50℃，回水溫度為40℃，前期不同場地配水示意圖如圖1所示；后期井下排水聯(lián)合建筑為900 m3/h，通過熱泵制取低溫熱水量為1892 m3/h，供水溫度為50℃，回水溫度為40℃，后期不同場地配水示意圖如圖2所示［7］。

2 礦井水綜合利用方案分析

2.1 投資估算

根據總體設計，分步實施的原則，本項目設計供熱能力為15 MW。本項目的設備機房土建工程、配電、控制工程一次建成，項目總投資約為2262.3萬元。

2.2 工業(yè)廣場全年耗熱量計算

根據《城鎮(zhèn)供熱管網設計規(guī)范》（CJJ34-2010）［4］，［7］，采暖全年耗熱量計算，小莊煤礦民用建筑采暖耗熱量為1884萬kW·h/a；工業(yè)建筑和選煤廠采暖耗熱量為1694萬k W·h/a；井口供熱量為807萬k W·h/a；洗浴全年供熱量，考慮自來水溫變化，滿負荷率取0.8，則洗浴熱水耗熱量為561萬kW·h/a。由此可得，全年總耗熱量為4946萬kW·h/a。

2.3 采用燃煤鍋爐供熱成本分析

圖1 前期不同場地配水示意圖

圖2 后期不同場地配水示意圖

按照環(huán)保達標鍋爐計算現(xiàn)有燃煤鍋爐運行成本。根據煤礦鍋爐運行情況，鍋爐效率取50%。采用燃煤鍋爐方式消耗原煤1.5萬t，按照原煤價格400元/t計算，共計600萬元；耗電388.8萬k W·h，按照電價0.6元/k W·h計算，共計233.3萬元；脫硫脫硝費用為291.6萬元；軟化水消耗14.6萬元；管理人員30名，共計費用72萬元；設備維護保養(yǎng)費用按照設備投資的10%計算，約為21萬元。以上全年總費用約為1232.5萬元。

2.4 綠色能源供熱系統(tǒng)效益分析

根據前文可知，小莊煤礦工業(yè)廣場耗熱量為4946萬k W·h/a，熱泵綜合能效為5.0。系統(tǒng)運行過程中的結果表明，采用綠色能源供熱系統(tǒng)耗電量為1100萬k W·h，其中熱泵機組耗電量為951萬k W·h，水泵耗電量為148.6萬k W·h。按照電價為0.6元/k W·h計算，綠色能源供熱系統(tǒng)的費用約為660萬元；使用綠色能源供熱系統(tǒng)僅需3名管理人員，人員成本為7.2萬元；維護保養(yǎng)按照設備的10%計算，約為23萬元。則該方案的運行總成本為690.2萬元。

本項目實施完成后，較燃煤鍋爐供熱系統(tǒng)冬季可節(jié)省運行費用約540余萬元，投資回收期約為4年。

2.5 環(huán)境效益分析

綠色能源供熱系統(tǒng)耗電量相當于標煤量為3278 t（按理論熱值計算：1 kW·h=0.298 kg標煤），采用燃煤鍋爐全年消耗標煤量為11693 t。綠色能源供熱系統(tǒng)可以節(jié)約的標煤量為8415 t，節(jié)能率為71.9%，則可以減少的污染物排量見表1。

表1 可減少污染物排放量

3 結論

（1）利用小莊煤礦礦井水余熱資源可以滿足小莊煤礦工業(yè)廣場供熱負荷及夏季空調負荷需求，能夠達到全年“綠色能源代煤供熱”的目的，徹底解決全年運行燃煤熱水鍋爐造成的能源浪費和環(huán)保問題［1］，［2］。

（2）本項目實施以后，就前期來算，每年可以節(jié)約運行費287.2萬元，且實施本項目以后替代燃煤鍋爐房，可以省去燃煤鍋爐房中有關除塵、脫硫、脫硝系統(tǒng)的投資（2000萬元左右），每年減排各種污染物3.3萬t，節(jié)能減排率達71.9%。

（3）采用綠色能源供熱系統(tǒng)供熱，可以實現(xiàn)小莊礦全年供熱減員增效，提高煤礦供熱技術的科技含量，減輕工人勞動強度與改善工人工作環(huán)境，有益于工人身心健康。

（4）礦山地熱水作為采礦的伴生礦物，開采涉及探采礦產權問題，相關政策和法律應予以支持礦山地熱利用，對于減少碳排放，推動節(jié)能減排，建設綠色礦山是一條可行之路煤礦企業(yè)的開采理念發(fā)生轉變，最終實現(xiàn)煤-水-熱的共同開采［6］。