小庄煤矿水源地热资源开发及利用研究

张国平

（陕西彬长小庄矿业有限公司，陕西省咸阳市，713500）

地热资源是一种绿色可再生能源，“十三五”期间国家计划重点推进地热能的开发利用。我国地热资源储量丰富，分布范围广，矿山作为地热研究的重要阵地，同时也是人类向地下探索的重要途径［1］，［4］。矿 山 地 热 利 用 经 历 了 由 粗 犷 到 集 约、由简单到多样的过程。矿井中的可用热源有矿井排水、地热水、矿井乏风、洗浴排水以及空气压缩机冷却水等。矿井余热、废热热泵提取技术就是利用热泵系统实现矿井排风余热、矿井排水余热、矿区洗浴排水废热及压缩空气散热等多种低温热能回收再利用，以满足矿区冬季井筒保温防冻、职工浴室冬季和夏季洗澡用热、冬季建筑物供暖及夏季建筑物供冷的功能，达到节能减排目的，实现“低碳运行生建设态矿山”的理念。陕西彬长小庄煤矿（以下简称“小庄煤矿”）地热涌水量较大，可为我国矿山地热能的利用提供新思路。

1 矿井地质及热利用方案

1.1 小庄煤矿概况

小庄煤矿位于陕西省咸阳市彬州市，与市区相距15 k m，交通便利，矿井采深为427 m，井下热害情况较为严重，采煤和掘进工作面在夏季时温度高达34℃，矿井共有4个立井，工业广场有主井、副井、进风井和回风井。矿区约有员工1400人，建筑面积为26万㎡，主要包括办公楼、机修车间、职工宿舍、联合建筑和附属建筑等。

小庄煤矿工业广场于2011年建造1座燃煤锅炉房，锅炉房内现有3台SZL14-1.25-120/80-AIII型和1台SZL7-1.25-120/80-AIII型热水锅炉，热媒设计均为120℃/80℃高温热水。工业场地锅炉房及联合建筑内已各建一个热交换站，锅炉房热交换站为选煤厂采暖供热，联合建筑热交换站为行政公共建筑采暖供热。根据调研，小庄煤矿冬季运行1台SZL14-1.25-120/80-AIII型热水锅炉，供水温度为93.9℃，回水温度为72.8℃；夏季运行1台7 MW锅炉用于制备洗浴热水，就可以满足小庄煤矿正常的供热需求。

1.2 矿井水余热资源条件及供热利用方案

小庄煤矿矿井水处理站矿井涌水量最大约为1000 m3/h，正常涌量约为756 m3/h，矿井24 h连续排水，经测量矿井水温可控制在21℃～24℃，目前矿井水只经过水处理站过滤和沉淀等水处理，未来计划要对矿井水进行反渗透处理。

矿井井下排水流量较大，水温比较恒定，温度较高，在矿井循环水池内的水温在20℃左右，因此矿井排水富含大量可利用的低位热能，该热能回收可以利用涌水源热泵技术。其基本原理为：夏季工况下，矿井水与热泵系统冷凝器相连，则矿井水系统作为热泵的冷却水系统吸收工质放热，通过热量交换实现蒸发器制冷，蒸发器制得的冷冻水送往空调用户，供末端使用；冬季工况下，矿井水与热泵系统蒸发器相连，则矿井水系统作为热泵的冷冻水系统，工质吸收矿井水热量，通过热量交换实现冷凝器制热，冷凝器制得冷却水送往需要供热的用户，用于冬季末端供热［2］，［5］。

至此，小庄煤矿利用矿井涌水的余热，即矿井水量为900 m³/h时（涌水量最大约为1000 m3/h），通过涌水源热泵技术处理后的矿井水，按年平均水温20℃计算，提取余热后水温为4℃，提取余热量为13 MW，矿井水源热泵COP为4.2，则矿井水源热泵供热能力为21.98 MW。

1.3 供需平衡分析

目前小庄煤矿冬季只需运行1台14 MW的热水锅炉就可以满足工业广场采暖的负荷需求，且锅炉没有达到额定出力，根据目前的矿井涌水量及水温，矿井水源热泵可以满足目前小庄煤矿工业广场采暖负荷需求。目前矿井水源热泵总供热能力为21.98 MW，基本查以满足小庄煤矿工业广场的负荷需求，后期随着矿井水量的增加，矿井水源热泵总供热能力将进一步增加。

按照总体设计、分步实施的原则，结合目前小庄煤矿工业广场锅炉房冬季最多运行1台14 MW热水锅炉的供热现状，考虑一定的富余量，本项目设计供热负荷为15 MW。

为了避免重复建设，本项目热泵机房土建工程一次建成，预留后期水源热泵位置。

1.4 矿井水综合利用方案

利用小庄煤矿矿井水余热资源，解决小庄煤矿工业广场供热需求，实现“绿色能源代煤供热”的目标。对于小庄煤矿工业广场矿井水余热资源，采用SMEET煤矿专用高效的原生态涌水热泵技术［5］。该技术制取低温热水，供水温度为50℃，回水温度为40℃。洗浴热水系统新增板式换热器和1座200 m3水箱用于蓄存热水。联建楼浴室和单身公寓楼热水均来自蓄热水箱。

热源设备总体设计分步实施。前期选配8台水源热泵，供热能力为15 MW，后期选配4台水源热泵，供热能力为7.5 MW。水源热泵投入运行以后，夏季可为办公楼和业务接待楼提供冷水，满足夏季空调负荷需求，替代风冷热泵机组［3］，［8］。

热泵机房内布置热泵机组、热水一次循环泵等；洗浴热水板式换热器、洗浴热水二次循环泵、蓄热水箱和洗浴热水给水泵布置在联建楼地下室；矿井水潜水泵布置在矿井循环水池内［3］，［8］。

小庄煤矿前期井下排水联合建筑为756 m3/h，通过热泵制取低温热水量为1290 m3/h，供水温度为50℃，回水温度为40℃，前期不同场地配水示意图如图1所示；后期井下排水联合建筑为900 m3/h，通过热泵制取低温热水量为1892 m3/h，供水温度为50℃，回水温度为40℃，后期不同场地配水示意图如图2所示［7］。

2 矿井水综合利用方案分析

2.1 投资估算

根据总体设计，分步实施的原则，本项目设计供热能力为15 MW。本项目的设备机房土建工程、配电、控制工程一次建成，项目总投资约为2262.3万元。

2.2 工业广场全年耗热量计算

根据《城镇供热管网设计规范》（CJJ34-2010）［4］，［7］，采暖全年耗热量计算，小庄煤矿民用建筑采暖耗热量为1884万kW·h/a；工业建筑和选煤厂采暖耗热量为1694万k W·h/a；井口供热量为807万k W·h/a；洗浴全年供热量，考虑自来水温变化，满负荷率取0.8，则洗浴热水耗热量为561万kW·h/a。由此可得，全年总耗热量为4946万kW·h/a。

2.3 采用燃煤锅炉供热成本分析

图1 前期不同场地配水示意图

图2 后期不同场地配水示意图

按照环保达标锅炉计算现有燃煤锅炉运行成本。根据煤矿锅炉运行情况，锅炉效率取50%。采用燃煤锅炉方式消耗原煤1.5万t，按照原煤价格400元/t计算，共计600万元；耗电388.8万k W·h，按照电价0.6元/k W·h计算，共计233.3万元；脱硫脱硝费用为291.6万元；软化水消耗14.6万元；管理人员30名，共计费用72万元；设备维护保养费用按照设备投资的10%计算，约为21万元。以上全年总费用约为1232.5万元。

2.4 绿色能源供热系统效益分析

根据前文可知，小庄煤矿工业广场耗热量为4946万k W·h/a，热泵综合能效为5.0。系统运行过程中的结果表明，采用绿色能源供热系统耗电量为1100万k W·h，其中热泵机组耗电量为951万k W·h，水泵耗电量为148.6万k W·h。按照电价为0.6元/k W·h计算，绿色能源供热系统的费用约为660万元；使用绿色能源供热系统仅需3名管理人员，人员成本为7.2万元；维护保养按照设备的10%计算，约为23万元。则该方案的运行总成本为690.2万元。

本项目实施完成后，较燃煤锅炉供热系统冬季可节省运行费用约540余万元，投资回收期约为4年。

2.5 环境效益分析

绿色能源供热系统耗电量相当于标煤量为3278 t（按理论热值计算：1 kW·h=0.298 kg标煤），采用燃煤锅炉全年消耗标煤量为11693 t。绿色能源供热系统可以节约的标煤量为8415 t，节能率为71.9%，则可以减少的污染物排量见表1。

表1 可减少污染物排放量

3 结论

（1）利用小庄煤矿矿井水余热资源可以满足小庄煤矿工业广场供热负荷及夏季空调负荷需求，能够达到全年“绿色能源代煤供热”的目的，彻底解决全年运行燃煤热水锅炉造成的能源浪费和环保问题［1］，［2］。

（2）本项目实施以后，就前期来算，每年可以节约运行费287.2万元，且实施本项目以后替代燃煤锅炉房，可以省去燃煤锅炉房中有关除尘、脱硫、脱硝系统的投资（2000万元左右），每年减排各种污染物3.3万t，节能减排率达71.9%。

（3）采用绿色能源供热系统供热，可以实现小庄矿全年供热减员增效，提高煤矿供热技术的科技含量，减轻工人劳动强度与改善工人工作环境，有益于工人身心健康。

（4）矿山地热水作为采矿的伴生矿物，开采涉及探采矿产权问题，相关政策和法律应予以支持矿山地热利用，对于减少碳排放，推动节能减排，建设绿色矿山是一条可行之路煤矿企业的开采理念发生转变，最终实现煤-水-热的共同开采［6］。