水源热泵在地浸采铀中的应用分析

曹永凯

(中核第四研究设计工程有限公司,河北 石家庄 050021)

水源热泵在地浸采铀中的应用分析

曹永凯

(中核第四研究设计工程有限公司,河北 石家庄 050021)

分析了地浸采铀应用水源热泵技术的优势。以内蒙古某CO2+O2地浸采铀工程为例，对浸出液的腐蚀性和结垢性进行分析，指出弱碱性浸出液不宜直接作为水源热泵机组的低温水源。同时对水源热泵的低温水源接入点设置方案进行了分析，确定了在线取热的热泵工作流程。通过水源热泵系统的效益分析，表明水源热泵机组在CO2+O2地浸采铀工程中有很好的应用前景。

CO2+O2地浸采铀；腐蚀性；结垢性；在线取热；污水换热器；效益分析

水源热泵是通过消耗少量高品位能量，将低温水中不可直接利用的低品位热量提取出来，变成可以直接利用的高品位能源的装置。由于水源热泵技术具有运行稳定、节水省地、高效节能等优点，目前在公用建筑、民用建筑、工业等领域得到广泛应用，但在地浸铀矿生产企业中应用甚少。本文结合中核内蒙矿业公司某地浸铀矿的具体特点，分析水源热泵技术在地浸采铀工程应用中的可行方案。

1 地浸采铀简介

地浸采铀是一种在天然埋藏条件下，通过溶浸剂与矿物的化学反应选择性地溶解矿石中的铀，而不使矿石产生位移的集采、冶于一体的铀矿开采方法，这在当今世界各国采铀行业受到普遍关注。它与常规采铀方法相比，具有基建投资省，建设周期短，生产成本低，资源利用率高，安防和自然保护好等优点。据报道，地浸采铀量占世界铀总产量的20%以上，而美国和哈萨克斯坦地浸采铀量则占铀总产量的60%以上[1]。

自2000年以来，我国在吐哈、松辽和鄂尔多斯等盆地的砂岩型铀矿床进行了以CO2+O2地浸采铀为主的弱碱性采铀试验，并于2009年在松辽盆地钱家店铀矿床建成了我国第一座碱法地浸工业生产矿山[2]。地浸采铀将是我国未来铀矿冶发展的主流模式之一。

2 CO2+O2地浸铀矿应用水源热泵技术优势分析

CO2+O2地浸采铀首先将配液池的弱碱性溶浸液通过注入钻孔注到地下含矿层，与矿石反应形成含铀浸出液；再通过抽出钻孔将浸出液抽到地表集液池，再泵至水冶厂房进行加工处理最终得到合格产品。地浸采铀工艺流程示意图见图1所示。由于地下环境一年四季在10～20℃范围内，温度变化比较稳定，在“溶浸液注入-反应-浸出液抽出”的过程中，可同时实现“溶浸液注入-热量运移-浸出液抽出”这一过程，为很好的利用地热能奠定了基础。

图1 地浸采铀工艺流程示意图

地下水源热泵系统和设备都已相当成熟，制约其推广应用的关键问题有二个：一是初投资髙，地下钻井打眼和埋管都需要较高的工程建设费，尤其是在现场地质水文条件恶劣的情况下更为突出；二是地下水采-灌平衡困难，如果长期不能正常回灌就会导致承压含水层厚度减小，进而导致地下水储量减少、地面沉降等问题，若沉降量较大或出现差异沉降过大，还可能造成地面建筑物变形或破坏。而对于CO2+O2地浸铀矿，第一：水源热泵系统无需负担钻井打眼和埋管的任何费用，这是工艺生产的必要投入；第二：无需担心采-灌平衡的问题，地浸采铀有严格的抽、注控制比例，这是保证回收浸出液提高金属回收率的主要技术，即在地浸工程中，水源热泵系统根本不涉及回灌平衡的问题。所以，水源热泵在CO2+O2地浸铀矿具有良好的先天条件。

3 技术可行性分析

中核内蒙矿业公司某地浸铀矿拟采用CO2+O2地浸采铀技术。该矿远离居民区，周边无成熟外部热源接入。地面建筑包括各生产厂房、生活设施等，其热用户主要是各地表建筑的供暖、放射性排风的补风加热、职工淋浴热水用热等。该矿矿体顶板埋深在300～500m之间，可保证浸出液温度夏季19℃，冬季15℃以上。浸出液处理量2500m3/h，水量稳定，且全年生产。下面通过对该矿实验工程中的水质报告进行分析，探讨水源热泵系统应用的技术方案。

3.1 某地浸铀工程浸出液水质分析

3.1.1 浸出液及水源热泵用水水质对比

表1 浸出液水质变化及水源热泵用水水质对比

3.1.2结垢性分析

根据表1数据计算可知，该铀矿经CO2+O2地浸采铀技术所得到的浸出液中Cl-的毫克当量百分数为8.6%，此时应按照雷兹诺指数(RI)判定其结垢性。文献[4]给出了雷兹诺指数的计算公式(式(1)、式(2))。

RI=2pHs-pHa

(1)

(2)

式中：RI为雷兹诺指数；pHs为流体的pH计算值；pHa为流体的pH实测值；[Ca2+]为流体中钙离子的摩尔浓度；[ALK]为总碱度；Kc为常数，这里取2.5。

由此可求出雷兹诺指数RI=6.13，介于6.0～7.0之间，由文献[4]中附表C.0.2《根据雷兹诺指数确定地热流体的结垢性》，判定浸出液结垢性为轻微。

3.1.3 腐蚀性分析

CO2+O2地浸采铀浸出液的腐蚀性判定按照拉申指数判定。文献[4]给出了拉申指数的计算公式(式(3))。

(3)

式中：LI为拉申指数；[Cl]、[SO4]、ALK为相应离子的毫克当量数。

根据表1数据计算可得该铀矿地浸液的拉申指数LI=0.52，由文献[4]中附表D.0.2《根据拉申指数确定地热流体的结垢性和腐蚀性》，可判定其浸出液为轻腐蚀性流体。

综上所述，该铀矿经CO2+O2地浸采铀技术所得的浸出液水质不满足水源热泵用水要求，结垢性、腐蚀性均为轻微级别，故不宜直接作为水源热泵低温水源使用，应采取相应的水处理措施或间接换热使用。

3.2 取热方式

3.2.1 取热方案比较

该铀矿自工艺井场抽出的浸出液经过多条管道汇集到2000m3的集液池，然后再由集液泵加压送至水冶处理厂房。水源热泵的低温水吸入口设置有四种方案：进集液池前取水；集液池取水；集液池后水冶厂净化处理前在线取水；水冶厂净化处理后在线取水。各取水方法技术参数优劣比较见表2。

综合分析得知：方案一由于来自各抽液井的浸出液管道较细，取水需设专用集液管道或建缓冲池，热量采集困难；方法二和方法三可行，但方案二要求在集液池实现分层取热或分区取热，以避免浸出液混合导致热效率降低，这样就需要改造集液池，其投资必然高于方案三；方案四因可能影响主工艺的稳定性，不可取。综上所述，采用方案三，并对输送管道保温，对集液池做覆土保温措施，尽量降低热损失是最合理可行的方案。

表2 各取水方法技术参数优劣比较

3.2.2 浸出液在线取热

在线取热即直接从浸出液通往水冶厂房的工艺管道取水，通过热交换器从中间接提取热量后，浸出液再返回工艺主管道。由于浸出液中浊度、悬浮物较高，同时浸出液具有轻微结垢性和轻微腐蚀性不宜直接进入水源热泵机组进行热交换。根据此特点，水源热泵系统增加中介循环系统(图2)，将浸出液与清水系统分割，这样水源热泵机组的选择同普通水源系统，直接根据热负荷直接选择机组即可。

1-工艺浸出液主管道；2-旋流除砂器；3-蝶阀；4-污水换热器； 5-中介泵；6-水源热泵机组；7-循环泵；8-末端热用户 图2 浸出液热泵系统原理图

污水换热器采用单流程、大截面、宽流道的作为低位能的采集装置，充分保证热泵取水系统的安全性和可靠性，同时提高系统热效率。此种换热器初始状态下，传热系数在2800W/m2·℃。

由于低位能均来自地下浸出液，这将使水源热泵系统的连续性受制于工艺专业的运行，一旦作为热源的浸出液管道停运，将使整个供热系统瘫痪，所以不仅应该考虑取热点的可靠性，还应考虑第二条低位热源供热点，甚至建设利用废弃的抽液孔和注液孔构成的备用热源系统。

3.3 末端散热设备选择

水源热泵系统的末端散热设备可根据系统的供水温度，并结合铀矿冶厂房的特点经技术经济比较后确定。鉴于水源热泵系统供热温度一般在40～50℃之间，因此末端散热设备可选择风机盘管、地板辐射采暖系统等形式。

4 效益分析

中核内蒙矿业公司某地浸铀矿总热负荷2760kW，按照工艺生产、采暖供热、淋浴洗衣等运行需求，同时考虑管道等热损失、备用关系等因素，若采用锅炉供热可采用3×1.4MW的热水锅炉；若采用水源热泵房可采用3×1042kW的热泵机组。基于两种不同热源，进行效益分析。

4.1 节能效益

研究表明，使用热泵机组消耗的能量是使用锅炉消耗能量的17.8%，即可节能82.2%[5]。该铀矿若采用3×1.4MW的热水锅炉，年耗原煤量1940 t，折标煤1270t；若采用热泵机组，节能率按82.2%计算，可节标煤1044 t。

4.2 财务效益

4.2.1 建设期初投资

按照文献[6]提供的锅炉房单位生产能力综合估算指标，3×1.4MW的热水锅炉的单位投资为49.61万元/(MW)，总投资为208.35万元，由于该数据为前些年统计数据，考虑物价、人工成本的涨价因素，锅炉房投资不会低于该数据。利用地浸液的水源热泵系统无需负担钻井打眼和埋管的任何费用，其投资仅为地表热泵房、相关设备及管道的投资。水源热泵房初投资估算见表3。

通过表3可知，初投资方面水源热泵房比锅炉房价格高25.95万元。但值得注意的是水源热泵系统简单，设备较少，厂房占地面积较小，无需煤场、渣场等设施。

4.2.2 运营期费用。

设备运行费：经计算，该铀矿采用热泵机组消耗电量为138.33万kW·h，当地工业电费为0.6元/ kW·h，其年费用为83.0万元。采用锅炉供热，标煤按880元/t计算，则年费用为111.76万元，全年相差28.76万元。

表3 水源热泵房初投资估算

维护费用：锅炉保养费用至少10万元/a；水源热泵维修保养费用几乎没有，可忽略不计。

工人工资：采用锅炉供热，按照采暖季3班/d，5人/班，非采暖季1班/d，3人/班，工资按3000元/月·人考虑，则工人全年工资为36万元; 采用水源热泵制取热水，按照采暖季3班/d，2人/班，非采暖季1班/d，1人/班，工资标准不变，则工人全年工资为12.6万元，全年相差23.4万元。

通过建设期初投资和运行期费用静态分析可知，该铀矿采用热泵系统初投资比锅炉房增加25.95万元，但运行费用每年可节约62.16万元/a，其财务效益较为明显。

4.3 环境效益

水源热泵技术属洁净运行技术，符合国家资源综合利用扶持政策及发展循环经济模式，保护了煤炭资源，水源热泵空调的运行不产生燃烧、排烟、废弃物等污染。以当地煤质成分初步估算，该矿若采用水源热泵系统可比锅炉系统减排二氧化碳3340 t/a、二氧化硫23.4 t/a，具有一定的环境效益。同时设备运行中不存在爆炸、燃烧等安全隐患，从而有利于安全管理。

5 结语

水源热泵机组可充分利用CO2+O2地浸采铀浸出液作为低品位热能提取热量，取代目前所使用的燃煤锅炉，实现由热泵机组对厂房、办公楼、宿舍等建筑物的冬季供暖，并提供生活洗浴用水和用于衣服烘干用热等，达到节能减排及降低运行费用的目的。水源热泵机组和CO2+O2地浸采铀工程的结合，取长补短，大大降低了热泵系统的建设费用和运行费用。通过技术方案和效益分析，表明水源热泵系统在地浸采铀工程中技术可行，在节能、财务、环境效益等方面成绩显著，具有很好的应用前景。

[1] 朱鹏,陈建昌,尉小龙，等.砂岩型铀矿床地浸采铀工艺方法概述[J].采矿技术,2011,11(4):4-6.

[2] 苏学斌,杜志明.我国地浸采铀工艺技术发展现状与展望[J].中国矿业,2012,21(zk):79-83.

[3] 秦增虎,童明伟,项勇.江水源热泵水质标准实验及传热特性分析[J].湖南大学学报,2012,39(3):71-73.

[4] 天津大学.CJJ138-2010 城镇地热供热工程技术规程[S].北京:中国建筑出版社,2010.

[5] 李萌.矿井水水源热泵技术在煤矿中的应用[J].中州煤炭,2012(12):73-76.

[6] 洪向道,舒世安,徐振国，等.锅炉房实用设计手册[M].第二版.北京:机械工业出版社,2003.

我国天然气对外依存度升至32.2%

中国石油和化学工业联合会最近发布的一份题为《我国天然气发展面临的不确定因素》的报告(简称“报告”)显示，2014年我国天然气表观消费量为1800亿m3，同比增长7.4%，其中进口天然气580亿m3，对外依存度达32.2%。

根据国办印发的《能源发展战略行动计划(2014～2020年)》，到2020年，我国一次能源消费总量控制在48亿吨标准煤，天然气消费比重10%以上，相当于3600亿m3；国产常规天然气、页岩气、煤层气总计目标为2450亿m3。天然气对外依存度由此控制在32%以内。然而，中国石油和化学工业联合会副会长李润生表示，鉴于市场存在诸多不确定因素，我国要实现天然气发展目标面临严峻挑战。

Application and analysis of water source heat pump in-situ leaching

CAO Yong-kai

(The Fourth Research and Design Engineering Corporation,China National Nuclear Corporation，Shijiazhuang 050021,China)

The advantages of water source heat pump technology to in-situ leaching of uranium are analyzed.By a engineering of CO2+O2in-situ leaching of uranium in Inner Mongolia，showed that the lixivium can not be used to water source heat pump units directly.Through the analysis of low-temperature water access point settings，determined the workflow of the water source heat pump using lixivium.The benefit analysis showed that water source heat pump technology has good prospects in CO2+O2in-situ leaching of uranium.

CO2+O2situ leaching of uranium; corrosive; fouling resistance; online to take the heat; effluent exchanger; benefit analysis.

2014-03-04

曹永凯(1978-)，男，高级工程师，主要从事暖通空调研究设计工作。E-mail:c1369292908@163.com。

TD228

A

1004-4051(2015)02-0150-04