潘二礦礦井奧灰水熱能利用可行性研究

劉家柱

(淮南礦業(yè)集團煤業(yè)分公司，安徽 淮南 232082)

0 引言

目前煤炭仍是我國的主體能源，占我國一次能源生產(chǎn)及消費的70%以上，且這種局勢短期內(nèi)不會有根本變化[1]。煤炭以井工開采為主，約占整個煤炭產(chǎn)量的97%[2]，在煤炭開采的過程中，采煤層及開拓巷道附近的地下水及少部分地表水經(jīng)巖層裂隙滲入巷道從而形成礦井水，由于受到水文地質(zhì)條件、水動力學(xué)、地質(zhì)化學(xué)、礦床地質(zhì)構(gòu)造、開采方法以及人類活動等因素的綜合影響，使礦井水水質(zhì)與地表水水質(zhì)有明顯差異，從而具有顯著的煤炭行業(yè)特征。水資源短缺及廢水處理問題成為我國煤炭工業(yè)發(fā)展的瓶頸，具體體現(xiàn)在礦井水的處理及回用問題。礦井水的直接排放，不僅污染環(huán)境，還會造成水資源的巨大浪費。據(jù)統(tǒng)計，我國開采1 t煤炭約產(chǎn)生2.1 t礦井水，每年產(chǎn)生礦井水約70億t，礦井水利用率60%左右[3-4]。因此，在煤炭企業(yè)經(jīng)濟發(fā)展中，需要摒棄以往粗放式的經(jīng)濟發(fā)展觀，努力追求“綠水青山就是金山銀山”的礦區(qū)生態(tài)發(fā)展觀，樹立“礦區(qū)與周邊環(huán)境是一個生命共同體”理念，對礦井水進行無害化處理及資源化利用，努力激發(fā)礦井水所蘊含的重大環(huán)境和社會效益。

奧灰水突出是煤炭采掘過程中，潛伏于煤層底下的奧陶紀(jì)灰?guī)r巖溶承壓水沿著煤層底板的裂隙帶、構(gòu)造帶突然大量涌出進入采掘區(qū)域，淹沒工作面，采區(qū)甚至礦井，將會造成巨大的經(jīng)濟損失及自然災(zāi)害[5-6]。大多數(shù)煤礦會采取將奧灰水疏排，疏排得到的奧灰水具有高溫、高礦化度和高含鹽量的特點，直接外排不僅會造成環(huán)境污染，而且會造成水資源及其熱能資源的浪費。礦井水余熱利用是其資源化的一個重要途徑[7-12]，高溫高礦化度礦井水直接外排是一種污染源，影響水體中動植物正常生存，破壞生態(tài)環(huán)境。同時高溫高礦化度又是一種寶貴的資源，如果能將礦井水中的熱源提取，一次投資長期受益，符合國家綠色礦山理念和節(jié)能中長期規(guī)劃。本文通過分析潘二礦礦井奧灰水余熱利用技術(shù)方案，為礦區(qū)奧灰水綜合利用提供一定技術(shù)支持。

1 礦井概況

潘二煤礦位于淮南市境內(nèi)的中北部邊緣，介于明龍山與淮河之間，南距淮南市中心(洞山)約 25 km。地理坐標(biāo)： 東經(jīng) 116°49′26″～116°51′10″，北緯 32°46′02″～32°50′21″。2012年核定能力為 3.8 Mt/a，是淮南礦業(yè)集團的主力生產(chǎn)礦井，淮南礦業(yè)(集團)有限責(zé)任公司是全國500家大型企業(yè)集團和安徽省13家國有重點骨干企業(yè)之一。被列為國家第一批循環(huán)經(jīng)濟試點單位和中華環(huán)境友好煤炭企業(yè)、國家級創(chuàng)新型試點企業(yè)。

隨著淮南礦業(yè)集團向高質(zhì)量發(fā)展步伐的不斷邁進，以及精煤發(fā)展戰(zhàn)略的實施，對灰分低、熱量高、開采效率好的 A 組煤的開采力度亦將不斷加大，潘二礦即將開拓-800 m水平開采A組煤。但在開采A組煤層的同時將會受到底板灰?guī)r承壓水很大威脅，嚴(yán)重時甚至引發(fā)礦井底板突水事故，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。為解放A組煤的開采，需要對整個潘謝礦區(qū)的奧灰水進行疏排，經(jīng)初步估算潘二礦穩(wěn)定期疏排量為600 m3/h。

2018年潘二礦對礦井水處理站進行一次改造，改造采用工藝為“高效澄清+多介質(zhì)過濾”工藝，改造后總體處理規(guī)模為10 000 m3/d。原有的礦井水處理系統(tǒng)僅能實現(xiàn)達標(biāo)排放的目標(biāo)，缺少對奧灰水熱能利用的有效途徑。此外，國務(wù)院和安徽省已經(jīng)明令禁止35蒸噸以下的燃煤鍋爐繼續(xù)使用，礦區(qū)供熱能源清潔化是當(dāng)務(wù)之急。因此奧灰水熱能利用將是解決礦區(qū)供熱的最優(yōu)途徑。

2 技術(shù)路線分析

2.1 熱能利用流程

潘二礦奧灰水熱能利用流程見圖1所示。

井下奧灰水抽取后至地面調(diào)節(jié)水池開始利用，為了防止奧灰水的腐蝕和結(jié)垢，中間加一個專用的換熱器。熱泵系統(tǒng)分為兩級利用，第一級系統(tǒng)能效約5，第二級系統(tǒng)能效約4.5。末端利用原有的管路和設(shè)備，盡可能減少改動工程，末端供水溫度55～50 ℃，可以隨天氣變化自動調(diào)節(jié)。冬季通過水源熱泵制取55 ℃熱水，一部分通過新增管網(wǎng)輸配至地面建筑，用于冬季采暖；一部分進入井口空氣加熱器，用于井口防凍及其他用熱，通過水源熱泵設(shè)備加熱自來水至48 ℃，用于洗浴用水。

2.2 技術(shù)可行性分析

礦井涌水一般蘊含大量的中低焓地?zé)崮埽貏e是在涌水量大、開采深度大的礦井中。熱能利用經(jīng)濟效益最為顯著。通過初步測算，潘二礦A組煤開采后，礦井水疏排量為600 m3/h，這部分水的特點是高溫、高礦化度，水溫約37～45 ℃，礦化度約1 700～3 000 mg/L，水質(zhì)類型為Cl-SO4-K+Na型。

潘二礦熱能主要用于建筑、礦區(qū)洗浴以及井口防凍，各熱負(fù)荷計算如下。

(1)建筑熱負(fù)荷

建筑物供熱指標(biāo)取50 W/m2，供熱面積35.36萬m2，經(jīng)計算建筑熱負(fù)荷17 680 kW。

(2)洗浴用水熱負(fù)荷

熱水計算公式如下：

式中，Q為設(shè)計小時耗熱量kJ/h；C為水的比熱，取4.18 kJ/kg·℃；tr為熱水溫度，取45 ℃；tl為自來水補水溫度，取10 ℃；qr熱水用水定額，取200 L/人次；m為用水計算人數(shù)，取3 600人次/日；T為一天內(nèi)熱水供應(yīng)時間，取24 h；Kn為熱水小時變化系數(shù)，取1.25。

礦區(qū)浴室日均洗澡人員總數(shù)為3 600人/日，按每人每日洗澡用水量200 kg/日計算，自來水補水溫度取10 ℃。經(jīng)計算，洗浴熱水熱負(fù)荷為1 400 kW。

(3)井口防凍供熱負(fù)荷

礦井總進風(fēng)量為27 226 m3/min，其中主井1 886 m3/min，副井1#為12 841 m3/min，副井2#為12 499 m3/min。根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》要求，井口入風(fēng)溫度按2 ℃設(shè)計，按照副井最大進風(fēng)量13 600 m3/min進行熱負(fù)荷的計算。經(jīng)計算冬季井口防凍供熱負(fù)荷為4 409 kW。

因此，潘二礦總熱負(fù)荷為23 489 kW。潘二礦奧灰水總量為600 m3/h。礦井水上層太灰水水溫37 ℃，下層奧灰水水溫 45 ℃，按水溫37 ℃，回水溫度7 ℃計算，最后總計可利用的熱能約25 000 kW。奧灰水熱能完全滿足潘二礦全礦的供熱需求。

3 工程投資概算

本項目工程投資費用匯總見表1。

表1 熱能項目投資估算

運行費用估算：礦井涌水熱能利用系統(tǒng)運行費用主要是電費，人工費用和維護費用很低，目前主要估算運行電費，總計全年運行電費231萬元。本項目工程年運行費用匯總見表2。

表2 礦井熱能利用系統(tǒng)全年運行費用

潘二礦現(xiàn)有冬季采暖及全年洗浴制熱運行費用計算如下：

(1)鍋爐及配套設(shè)施費用：現(xiàn)有鍋爐3臺，鍋爐型號為 SZL10-1.5- AⅡ(Ⅲ)，單臺額定供熱量：10 t/h蒸汽、每小時燃煤量1.2 t(標(biāo)準(zhǔn)煤)，配有脫硫、脫硝設(shè)施，總費用約460.8萬元。

(2)鍋爐運行費用：鍋爐房年度耗煤量(標(biāo)準(zhǔn)煤)：5 760 t，標(biāo)準(zhǔn)煤價格按照800元/t計算，則燃煤費用為5 760×0.08=460.8 萬元；鍋爐脫硫脫銷裝置運行費用冬季：鍋爐輔機及脫硫裝置運行功率為 300 kW，脫硝裝置運行功率為 300 kW，合計600 kW；其它季節(jié)：鍋爐輔機及脫硫裝置運行功率為220 kW，脫硝裝置運行功率為250 kW，合計470 kW；計算運行費用為288.3萬元。

(3)其它費用

包括人工費用50 萬元，化水處理費用 5 萬元，繳納環(huán)境稅費28.05萬元(減少煙塵排放量280 t，SO240 t，NOx60 t)。

綜上，現(xiàn)有燃煤鍋爐運行費用為832.15萬元。

相比現(xiàn)有燃煤鍋爐供暖運行費用每年節(jié)省601.2萬元，2.5年即可收回投資成本。

因此，潘二礦奧灰水熱能利用方案是可行的。

4 結(jié)論

本項目就潘二煤礦礦井熱能開發(fā)利用開展研究，通過方案分析及熱能計算，得出技術(shù)方案的可行性結(jié)論，潘二礦奧灰水熱能利用工程相比現(xiàn)有燃煤鍋爐供暖運行費用每年節(jié)省601.2萬元，同時減少煙塵排放量280 t，SO240 t，NOx60 t。

科學(xué)合理評估開發(fā)潛力，提出可操作的技術(shù)方案，為新時期潘二煤礦的轉(zhuǎn)型發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)，利用礦井涌水作為熱水水源，進行冬季供暖，夏季供冷，使得原來排放的污水，得以充分利用，實現(xiàn)了資源的循環(huán)利用，節(jié)約了煤、石油等不可再生的化石燃料，有利于我國資源的可持續(xù)發(fā)展，是煤礦安全、綠色開采的保障，是我國未來技術(shù)的發(fā)展方向，對同類礦井發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟和節(jié)能減排具有重要的參考意義。