小莊煤礦水源地熱資源開發及利用研究

張國平

（陜西彬長小莊礦業有限公司，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實現礦井排風余熱、礦井排水余熱、礦區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，達到節能減排目的，實現“低碳運行生建設態礦山”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，工業廣場有主井、副井、進風井和回風井。礦區約有員工1400人，建筑面積為26萬㎡，主要包括辦公樓、機修車間、職工宿舍、聯合建筑和附屬建筑等。

小莊煤礦工業廣場于2011年建造1座燃煤鍋爐房，鍋爐房內現有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。工業場地鍋爐房及聯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，礦井水與熱泵系統冷凝器相連，則礦井水系統作為熱泵的冷卻水系統吸收工質放熱，通過熱量交換實現蒸發器制冷，蒸發器制得的冷凍水送往空調用戶，供末端使用；冬季工況下，礦井水與熱泵系統蒸發器相連，則礦井水系統作為熱泵的冷凍水系統，工質吸收礦井水熱量，通過熱量交換實現冷凝器制熱，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廣場鍋爐房冬季最多運行1臺14 MW熱水鍋爐的供熱現狀，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，解決小莊煤礦工業廣場供熱需求，實現“綠色能源代煤供熱”的目標。對于小莊煤礦工業廣場礦井水余熱資源，采用SMEET煤礦專用高效的原生態涌水熱泵技術［5］。該技術制取低溫熱水，供水溫度為50℃，回水溫度為40℃。洗浴熱水系統新增板式換熱器和1座200 m3水箱用于蓄存熱水。聯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、熱水一次循環泵等；洗浴熱水板式換熱器、洗浴熱水二次循環泵、蓄熱水箱和洗浴熱水給水泵布置在聯建樓地下室；礦井水潛水泵布置在礦井循環水池內［3］，［8］。

小莊煤礦前期井下排水聯合建筑為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 工業廣場全年耗熱量計算

根據《城鎮供熱管網設計規范》（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

按照環保達標鍋爐計算現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 綠色能源供熱系統效益分析

根據前文可知，小莊煤礦工業廣場耗熱量為4946萬k W·h/a，熱泵綜合能效為5.0。系統運行過程中的結果表明，采用綠色能源供熱系統耗電量為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，綠色能源供熱系統的費用約為660萬元；使用綠色能源供熱系統僅需3名管理人員，人員成本為7.2萬元；維護保養按照設備的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冬季可節省運行費用約540余萬元，投資回收期約為4年。

2.5 環境效益分析

綠色能源供熱系統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。綠色能源供熱系統可以節約的標煤量為8415 t，節能率為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保問題［1］，［2］。

（2）本項目實施以后，就前期來算，每年可以節約運行費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、脫硝系統的投資（2000萬元左右），每年減排各種污染物3.3萬t，節能減排率達71.9%。

（3）采用綠色能源供熱系統供熱，可以實現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，推動節能減排，建設綠色礦山是一條可行之路煤礦企業的開采理念發生轉變，最終實現煤-水-熱的共同開采［6］。