潘二礦礦井奧灰水熱能利用可行性研究

劉家柱

(淮南礦業集團煤業分公司，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及消費的70%以上，且這種局勢短期內不會有根本變化[1]。煤炭以井工開采為主，約占整個煤炭產量的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巖層裂隙滲入巷道從而形成礦井水，由于受到水文地質條件、水動力學、地質化學、礦床地質構造、開采方法以及人類活動等因素的綜合影響，使礦井水水質與地表水水質有明顯差異，從而具有顯著的煤炭行業特征。水資源短缺及廢水處理問題成為我國煤炭工業發展的瓶頸，具體體現在礦井水的處理及回用問題。礦井水的直接排放，不僅污染環境，還會造成水資源的巨大浪費。據統計，我國開采1 t煤炭約產生2.1 t礦井水，每年產生礦井水約70億t，礦井水利用率60%左右[3-4]。因此，在煤炭企業經濟發展中，需要摒棄以往粗放式的經濟發展觀，努力追求“綠水青山就是金山銀山”的礦區生態發展觀，樹立“礦區與周邊環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，努力激發礦井水所蘊含的重大環境和社會效益。

奧灰水突出是煤炭采掘過程中，潛伏于煤層底下的奧陶紀灰巖巖溶承壓水沿著煤層底板的裂隙帶、構造帶突然大量涌出進入采掘區域，淹沒工作面，采區甚至礦井，將會造成巨大的經濟損失及自然災害[5-6]。大多數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，破壞生態環境。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能中長期規劃。本文通過分析潘二礦礦井奧灰水余熱利用技術方案，為礦區奧灰水綜合利用提供一定技術支持。

1 礦井概況

潘二煤礦位于淮南市境內的中北部邊緣，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： 東經 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，是淮南礦業集團的主力生產礦井，淮南礦業(集團)有限責任公司是全國500家大型企業集團和安徽省13家國有重點骨干企業之一。被列為國家第一批循環經濟試點單位和中華環境友好煤炭企業、國家級創新型試點企業。

隨著淮南礦業集團向高質量發展步伐的不斷邁進，以及精煤發展戰略的實施，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巖承壓水很大威脅，嚴重時甚至引發礦井底板突水事故，造成人員傷亡和財產損失。為解放A組煤的開采，需要對整個潘謝礦區的奧灰水進行疏排，經初步估算潘二礦穩定期疏排量為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+多介質過濾”工藝，改造后總體處理規模為10 000 m3/d。原有的礦井水處理系統僅能實現達標排放的目標，缺少對奧灰水熱能利用的有效途徑。此外，國務院和安徽省已經明令禁止35蒸噸以下的燃煤鍋爐繼續使用，礦區供熱能源清潔化是當務之急。因此奧灰水熱能利用將是解決礦區供熱的最優途徑。

2 技術路線分析

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節水池開始利用，為了防止奧灰水的腐蝕和結垢，中間加一個專用的換熱器。熱泵系統分為兩級利用，第一級系統能效約5，第二級系統能效約4.5。末端利用原有的管路和設備，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節。冬季通過水源熱泵制取55 ℃熱水，一部分通過新增管網輸配至地面建筑，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，通過水源熱泵設備加熱自來水至48 ℃，用于洗浴用水。

2.2 技術可行性分析

礦井涌水一般蘊含大量的中低焓地熱能，特別是在涌水量大、開采深度大的礦井中。熱能利用經濟效益最為顯著。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，水質類型為Cl-SO4-K+Na型。

潘二礦熱能主要用于建筑、礦區洗浴以及井口防凍，各熱負荷計算如下。

(1)建筑熱負荷

建筑物供熱指標取50 W/m2，供熱面積35.36萬m2，經計算建筑熱負荷17 680 kW。

(2)洗浴用水熱負荷

熱水計算公式如下：

式中，Q為設計小時耗熱量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，取3 600人次/日；T為一天內熱水供應時間，取24 h；Kn為熱水小時變化系數，取1.25。

礦區浴室日均洗澡人員總數為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 ℃。經計算，洗浴熱水熱負荷為1 400 kW。

(3)井口防凍供熱負荷

礦井總進風量為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《煤炭安全規程》要求，井口入風溫度按2 ℃設計，按照副井最大進風量13 600 m3/min進行熱負荷的計算。經計算冬季井口防凍供熱負荷為4 409 kW。

因此，潘二礦總熱負荷為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 礦井熱能利用系統全年運行費用

潘二礦現有冬季采暖及全年洗浴制熱運行費用計算如下：

(1)鍋爐及配套設施費用：現有鍋爐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(標準煤)，配有脫硫、脫硝設施，總費用約460.8萬元。

(2)鍋爐運行費用：鍋爐房年度耗煤量(標準煤)：5 760 t，標準煤價格按照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：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，繳納環境稅費28.05萬元(減少煙塵排放量280 t，SO240 t，NOx60 t)。

綜上，現有燃煤鍋爐運行費用為832.15萬元。

相比現有燃煤鍋爐供暖運行費用每年節省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 結論

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

科學合理評估開發潛力，提出可操作的技術方案，為新時期潘二煤礦的轉型發展提供科學依據，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，實現了資源的循環利用，節約了煤、石油等不可再生的化石燃料，有利于我國資源的可持續發展，是煤礦安全、綠色開采的保障，是我國未來技術的發展方向，對同類礦井發展循環經濟和節能減排具有重要的參考意義。