潘二矿矿井奥灰水热能利用可行性研究

刘家柱

(淮南矿业集团煤业分公司，安徽 淮南 232082)

0 引言

目前煤炭仍是我国的主体能源，占我国一次能源生产及消费的70%以上，且这种局势短期内不会有根本变化[1]。煤炭以井工开采为主，约占整个煤炭产量的97%[2]，在煤炭开采的过程中，采煤层及开拓巷道附近的地下水及少部分地表水经岩层裂隙渗入巷道从而形成矿井水，由于受到水文地质条件、水动力学、地质化学、矿床地质构造、开采方法以及人类活动等因素的综合影响，使矿井水水质与地表水水质有明显差异，从而具有显著的煤炭行业特征。水资源短缺及废水处理问题成为我国煤炭工业发展的瓶颈，具体体现在矿井水的处理及回用问题。矿井水的直接排放，不仅污染环境，还会造成水资源的巨大浪费。据统计，我国开采1 t煤炭约产生2.1 t矿井水，每年产生矿井水约70亿t，矿井水利用率60%左右[3-4]。因此，在煤炭企业经济发展中，需要摒弃以往粗放式的经济发展观，努力追求“绿水青山就是金山银山”的矿区生态发展观，树立“矿区与周边环境是一个生命共同体”理念，对矿井水进行无害化处理及资源化利用，努力激发矿井水所蕴含的重大环境和社会效益。

奥灰水突出是煤炭采掘过程中，潜伏于煤层底下的奥陶纪灰岩岩溶承压水沿着煤层底板的裂隙带、构造带突然大量涌出进入采掘区域，淹没工作面，采区甚至矿井，将会造成巨大的经济损失及自然灾害[5-6]。大多数煤矿会采取将奥灰水疏排，疏排得到的奥灰水具有高温、高矿化度和高含盐量的特点，直接外排不仅会造成环境污染，而且会造成水资源及其热能资源的浪费。矿井水余热利用是其资源化的一个重要途径[7-12]，高温高矿化度矿井水直接外排是一种污染源，影响水体中动植物正常生存，破坏生态环境。同时高温高矿化度又是一种宝贵的资源，如果能将矿井水中的热源提取，一次投资长期受益，符合国家绿色矿山理念和节能中长期规划。本文通过分析潘二矿矿井奥灰水余热利用技术方案，为矿区奥灰水综合利用提供一定技术支持。

1 矿井概况

潘二煤矿位于淮南市境内的中北部边缘，介于明龙山与淮河之间，南距淮南市中心(洞山)约 25 km。地理坐标： 东经 116°49′26″～116°51′10″，北纬 32°46′02″～32°50′21″。2012年核定能力为 3.8 Mt/a，是淮南矿业集团的主力生产矿井，淮南矿业(集团)有限责任公司是全国500家大型企业集团和安徽省13家国有重点骨干企业之一。被列为国家第一批循环经济试点单位和中华环境友好煤炭企业、国家级创新型试点企业。

随着淮南矿业集团向高质量发展步伐的不断迈进，以及精煤发展战略的实施，对灰分低、热量高、开采效率好的 A 组煤的开采力度亦将不断加大，潘二矿即将开拓-800 m水平开采A组煤。但在开采A组煤层的同时将会受到底板灰岩承压水很大威胁，严重时甚至引发矿井底板突水事故，造成人员伤亡和财产损失。为解放A组煤的开采，需要对整个潘谢矿区的奥灰水进行疏排，经初步估算潘二矿稳定期疏排量为600 m3/h。

2018年潘二矿对矿井水处理站进行一次改造，改造采用工艺为“高效澄清+多介质过滤”工艺，改造后总体处理规模为10 000 m3/d。原有的矿井水处理系统仅能实现达标排放的目标，缺少对奥灰水热能利用的有效途径。此外，国务院和安徽省已经明令禁止35蒸吨以下的燃煤锅炉继续使用，矿区供热能源清洁化是当务之急。因此奥灰水热能利用将是解决矿区供热的最优途径。

2 技术路线分析

2.1 热能利用流程

潘二矿奥灰水热能利用流程见图1所示。

井下奥灰水抽取后至地面调节水池开始利用，为了防止奥灰水的腐蚀和结垢，中间加一个专用的换热器。热泵系统分为两级利用，第一级系统能效约5，第二级系统能效约4.5。末端利用原有的管路和设备，尽可能减少改动工程，末端供水温度55～50 ℃，可以随天气变化自动调节。冬季通过水源热泵制取55 ℃热水，一部分通过新增管网输配至地面建筑，用于冬季采暖；一部分进入井口空气加热器，用于井口防冻及其他用热，通过水源热泵设备加热自来水至48 ℃，用于洗浴用水。

2.2 技术可行性分析

矿井涌水一般蕴含大量的中低焓地热能，特别是在涌水量大、开采深度大的矿井中。热能利用经济效益最为显著。通过初步测算，潘二矿A组煤开采后，矿井水疏排量为600 m3/h，这部分水的特点是高温、高矿化度，水温约37～45 ℃，矿化度约1 700～3 000 mg/L，水质类型为Cl-SO4-K+Na型。

潘二矿热能主要用于建筑、矿区洗浴以及井口防冻，各热负荷计算如下。

(1)建筑热负荷

建筑物供热指标取50 W/m2，供热面积35.36万m2，经计算建筑热负荷17 680 kW。

(2)洗浴用水热负荷

热水计算公式如下：

式中，Q为设计小时耗热量kJ/h；C为水的比热，取4.18 kJ/kg·℃；tr为热水温度，取45 ℃；tl为自来水补水温度，取10 ℃；qr热水用水定额，取200 L/人次；m为用水计算人数，取3 600人次/日；T为一天内热水供应时间，取24 h；Kn为热水小时变化系数，取1.25。

矿区浴室日均洗澡人员总数为3 600人/日，按每人每日洗澡用水量200 kg/日计算，自来水补水温度取10 ℃。经计算，洗浴热水热负荷为1 400 kW。

(3)井口防冻供热负荷

矿井总进风量为27 226 m3/min，其中主井1 886 m3/min，副井1#为12 841 m3/min，副井2#为12 499 m3/min。根据《煤炭安全规程》要求，井口入风温度按2 ℃设计，按照副井最大进风量13 600 m3/min进行热负荷的计算。经计算冬季井口防冻供热负荷为4 409 kW。

因此，潘二矿总热负荷为23 489 kW。潘二矿奥灰水总量为600 m3/h。矿井水上层太灰水水温37 ℃，下层奥灰水水温 45 ℃，按水温37 ℃，回水温度7 ℃计算，最后总计可利用的热能约25 000 kW。奥灰水热能完全满足潘二矿全矿的供热需求。

3 工程投资概算

本项目工程投资费用汇总见表1。

表1 热能项目投资估算

运行费用估算：矿井涌水热能利用系统运行费用主要是电费，人工费用和维护费用很低，目前主要估算运行电费，总计全年运行电费231万元。本项目工程年运行费用汇总见表2。

表2 矿井热能利用系统全年运行费用

潘二矿现有冬季采暖及全年洗浴制热运行费用计算如下：

(1)锅炉及配套设施费用：现有锅炉3台，锅炉型号为 SZL10-1.5- AⅡ(Ⅲ)，单台额定供热量：10 t/h蒸汽、每小时燃煤量1.2 t(标准煤)，配有脱硫、脱硝设施，总费用约460.8万元。

(2)锅炉运行费用：锅炉房年度耗煤量(标准煤)：5 760 t，标准煤价格按照800元/t计算，则燃煤费用为5 760×0.08=460.8 万元；锅炉脱硫脱销装置运行费用冬季：锅炉辅机及脱硫装置运行功率为 300 kW，脱硝装置运行功率为 300 kW，合计600 kW；其它季节：锅炉辅机及脱硫装置运行功率为220 kW，脱硝装置运行功率为250 kW，合计470 kW；计算运行费用为288.3万元。

(3)其它费用

包括人工费用50 万元，化水处理费用 5 万元，缴纳环境税费28.05万元(减少烟尘排放量280 t，SO240 t，NOx60 t)。

综上，现有燃煤锅炉运行费用为832.15万元。

相比现有燃煤锅炉供暖运行费用每年节省601.2万元，2.5年即可收回投资成本。

因此，潘二矿奥灰水热能利用方案是可行的。

4 结论

本项目就潘二煤矿矿井热能开发利用开展研究，通过方案分析及热能计算，得出技术方案的可行性结论，潘二矿奥灰水热能利用工程相比现有燃煤锅炉供暖运行费用每年节省601.2万元，同时减少烟尘排放量280 t，SO240 t，NOx60 t。

科学合理评估开发潜力，提出可操作的技术方案，为新时期潘二煤矿的转型发展提供科学依据，利用矿井涌水作为热水水源，进行冬季供暖，夏季供冷，使得原来排放的污水，得以充分利用，实现了资源的循环利用，节约了煤、石油等不可再生的化石燃料，有利于我国资源的可持续发展，是煤矿安全、绿色开采的保障，是我国未来技术的发展方向，对同类矿井发展循环经济和节能减排具有重要的参考意义。