地浸液取热技术研究及换热材料选择

2022-07-27曹永凯

铀矿冶 2022年3期

曹永凯

(中核第四研究设计工程有限公司，河北石家庄 050021)

中国地浸铀矿多地处偏远、严寒地区，市政配套设施较差，供热热源多采用独立运行的燃煤锅炉、电锅炉等设施。随着国家“双碳”战略的实施，绿色低碳成为中国铀矿冶发展的必然要求，地浸铀矿的供暖方式也由燃煤锅炉逐步向煤改气、空气源热泵等方式转换。

目前世界各国研究人员开展了大量的取热技术研究工作，研究成果多集中在海水[1-2]、污水[3]和地热水的利用等方面。刘洋等人[4]为解决地下水源热泵系统水质超标腐蚀机组、含砂量高难以回灌等问题，引入中间换热池，实际项目运行效果良好。宋伟等[5]针对热源井抽灌同井连续取/放热特性进行的研究表明，抽灌同井在试验条件下对取热工况更加敏感，取热比放热更为困难；在连续取热工况下，含水层受到外界初次干扰的影响更为明显。

由于地浸采铀的行业特殊性，未见地浸液取热技术的相关研究报道。地浸液取热技术省略了抽水井、回灌井的能量采集环节，更类似于地表水地源热泵系统；但水质指标又不同于江、河、湖、海等地表水系统。相比于地表水，地浸液水温低、温差小，取热难度大，地浸液水质差，取热设备易腐蚀。地浸液所含地热能是否满足工程供热需求，地浸液取热是否影响工艺生产等问题有待研究。鉴于目前国内在地浸液取热技术及利用方面研究较少，笔者拟对地浸液取热和换热材料选择等问题进行深入研究。

1 地浸液取热技术研究

1.1 地浸液水质分析

表1 典型铀矿地浸液水质参数Table 1 Water quality parameters of in-situ leaching solution of typical uranium ores

表2 典型铀矿地浸液腐蚀性和结垢性判定Table 2 Determination of corrosive and scaling of in-situ leaching solution of typical uranium ores

由表2可见，各样本均呈现一定的结垢性和腐蚀性，尤其是样本3呈中等结垢性和强腐蚀性，说明地浸液不能直接作为热泵低温侧热源使用。另外，CO2+O2地浸工艺的浸出液中含有一定量的O2，其腐蚀性也不容忽视。

1.2 地浸液取热类型划分

根据地浸采铀生产实际情况，依据取热地点差异把热泵取热系统划分为池式取热、管道取热、就地取热3种类型；并根据取热是否引入中介流体，把3种类型细分为6种方式。引入中介流体则称为闭式或间接取热，不引入中介流体则称为开式或直接式取热，地浸液取热类型见表3。

表3 地浸液取热类型Table 3 Heat exchange type of in-situ leaching solution

1.3 地浸液取热方式比较

1.3.1 系统制热性能系数比较

热泵机组优劣评价常用的性能指标是热泵性能系数(COP)。相同工况下，COP值越大，说明机组的效率越高。以供热量500 kW，地浸液流量86 m3/h，热泵供回水温差5 ℃为例，按照各方案的最佳配置，计算各系统的制热性能系数(SCOP)值，并进行比较，结果见表4。鉴于深井换热和垂直地埋管取热设备投资及安装功率基本相同，此处合并比较。

表4 地浸液取热方案运行功率及制热性能系数比较Table 4 Comparison of operating power and heating performance coefficient of ground immersion heat extraction scheme

由表4可知：方案3由于地浸液直接进入机组，蒸发温度相对较高，系统制热性能系数最高，SCOP值为4.33。方案4与方案3相比，增加了中间换热器，其系统总安装功率约增加2.4%，SCOP约降低2.5%。但考虑直接取热可能造成设备腐蚀、结垢等问题，故SCOP分析得出方案从优到劣依次为方案4、方案3、方案2、方案1和方案5。

1.3.2 供热方案全寿命周期成本分析

水源热泵系统成本可分3类[9]：1)系统运行前所发生的成本，即初始投资(IC)；2)系统运行周期内发生的费用，含设备运行电费、维护管理费、维修费，即运行维护管理费(OC)；3)机组净残值(RC)，即预计的折旧年限终了时固定资产残值减去清理废弃费用后的余额。由于LCC考虑了将来所发生的成本费用，故在计算运行维护管理费时，应考虑时间价值，把所有的收入和支出，折现后进行比较。在折现计算中，最常用的方法是净现值计算方法，热泵系统的寿命周期成本(LCC)计算公式为

LCC=IC+OC-RC，

式中：LCC—热泵系统的寿命周期成本，万元；OM—维修费，万元；PR—设备年运行电费，万元；CA—人工费，万元；t—周期长度，年；n—计算年的排序数；X—折现率，%；Y—损坏率，%。

仍以提供500 kW热负荷为例，假定运行电费0.7元/(kW·h)，运行人员2人，工资6 000元/(月·人)，主设备寿命按12 a计，根据当前的贷款利率，折现率取7%，损坏率按每年5%～8%(间接式取5%，其余取8%)计算。各方案成本初始值见表5。

表5 各取热方案成本初始值Table 5 Initial cost of each heat extraction scheme

在同样换热条件下，各方案的全寿命周期成本见表6。寿命周期按12年考虑。

表6 各取热方案的全寿命周期成本Table 6 Life cycle cost of each extraction scheme 万元

从表6可见，方案4的全寿命周期成本最低，为411.4万元；方案5的全寿命周期成本最高，为583.8万元。故全寿命周期成本从低到高依次为方案4、方案2、方案3、方案1和方案5。

1.4 推荐的取热方式

根据各方案的系统性能系数(SCOP)、全寿命周期成本(LCC)分析，结合各指标的影响程度，得出方案4(间接式管道取热)最优，方案4可作为地浸液源热泵取热系统的首选方式。

2 金属热交换材料选择

内蒙古某地浸铀矿试验基地率先使用地浸液为地表建筑供暖，在水源热泵供暖系统的设计和运行方面先行先试，取得了宝贵的运行经验。水源热泵供暖技术结合工艺生产“溶浸液注入—铀金属浸出—地浸液抽出—地浸液处理—溶浸液再注入”的流程，实现了“溶浸液注入—载带地热—地浸液抽出—热泵取热—溶浸液再注入”过程，通过合理取热实现了能源的综合利用。在热泵机组的蒸发器选材方面，曾先后采用T2材料、T2镀镍等；但均未从根本上解决蒸发器腐蚀穿孔的问题。

本研究拟根据纳岭沟地浸液水质参数，结合常用金属换热材料，对T2(紫铜)、B30(白铜)、316L(不锈钢)、TA1(钛钢)等4种常用换热金属进行室内挂片试验，以评价和确定适用于方案4的换热材料。

结合该基地地浸液水质参数，模拟地浸液水质，共设计5组地浸液全浸试验和1组加速全浸试验，2种试验同时开展。每组试样4片，共使用试样288片，试验周期分为10、30、60 d。

2.1 试验环境

试验环境见表7～8。

表7 模拟地浸液全浸试验环境Table 7 Full immersion test environment of simulated in-situ leaching solution

表8 模拟地浸液加速全浸试验环境Table 8 Accelerated full immersion test environment of simulated in-situ leaching solution

2.2 试验材料

金属试片规格为50 mm×25 mm×3 mm，先用1200号砂纸打磨，再依次用去离子水超声冲洗10 min、无水丙酮擦洗、吹风机冷风吹干，然后放置在干燥器中静置24 h后称重备用。

2.3 试验方法

先用失重法测定每种工况下各种金属的腐蚀速率；再分别采用VK-X200的激光共聚焦显微镜和EJOL扫描电子显微镜进行微观形貌观测分析。

2.4 试验结果与讨论

2.4.1 材料失重结果

全浸腐蚀换热材料多周期下失重结果见表9。

表9 换热材料腐蚀深度Table 9 Corrosion depth of heat exchange material

对每种金属材料的3个平行样，在试验周期结束后进行除锈，计算腐蚀前后材料的厚度变化，并使用年腐蚀深度(mm/a)表征失重腐蚀速率[10]。试验研究表明，T2年平均腐蚀深度最为明显，该种材料在多种情况下的平行试验中都有较大失厚现象产生。B30也在加速全浸状态下有较高的年腐蚀速率。316L和TA1在各环境下的年腐蚀速率相对较小，且两者典型腐蚀特点均为点蚀。总体看来，材料年腐蚀深度依T2、B30、316L、TA1顺序递减。

2.4.2 形貌观察

采用激光共聚焦对多周期除锈后的试片进行1 000倍观察。可以看出，各种材料在10 d、30 d的环境中腐蚀类型多为蚀坑形式；但材料整体良好，并未发生全面腐蚀并损伤基体。经过长周期的多种环境全浸试验，表面状态的变化规律趋于明显。对长周期(60 d)试验得到的试片的观察发现，4种材料在加速全浸环境下表面状态最复杂，环境影响较大；在模拟全浸状态下次之。

采用扫描电镜对T2多周期除锈前试片进行500倍观察。可以看出，T2在10 d各个环境全浸试验后，多处于腐蚀产物萌生阶段，产物较少，腐蚀产物仅在部分区域存在。60 d全浸试验后，T2在各种环境下腐蚀产物均密集分布在材料表面，材料表面腐蚀产物呈块状或团絮状，已看不到基体。随着试验周期的延长，腐蚀产物由原来的针状向颗粒状、块状或团簇状发展，更加均匀密集地分布在材料表面，如图1所示。