水源熱泵在地浸采鈾中的應用分析

曹永凱

(中核第四研究設計工程有限公司,河北 石家莊 050021)

水源熱泵在地浸采鈾中的應用分析

曹永凱

(中核第四研究設計工程有限公司,河北 石家莊 050021)

分析了地浸采鈾應用水源熱泵技術的優勢。以內蒙古某CO2+O2地浸采鈾工程為例，對浸出液的腐蝕性和結垢性進行分析，指出弱堿性浸出液不宜直接作為水源熱泵機組的低溫水源。同時對水源熱泵的低溫水源接入點設置方案進行了分析，確定了在線取熱的熱泵工作流程。通過水源熱泵系統的效益分析，表明水源熱泵機組在CO2+O2地浸采鈾工程中有很好的應用前景。

CO2+O2地浸采鈾；腐蝕性；結垢性；在線取熱；污水換熱器；效益分析

水源熱泵是通過消耗少量高品位能量，將低溫水中不可直接利用的低品位熱量提取出來，變成可以直接利用的高品位能源的裝置。由于水源熱泵技術具有運行穩定、節水省地、高效節能等優點，目前在公用建筑、民用建筑、工業等領域得到廣泛應用，但在地浸鈾礦生產企業中應用甚少。本文結合中核內蒙礦業公司某地浸鈾礦的具體特點，分析水源熱泵技術在地浸采鈾工程應用中的可行方案。

1 地浸采鈾簡介

地浸采鈾是一種在天然埋藏條件下，通過溶浸劑與礦物的化學反應選擇性地溶解礦石中的鈾，而不使礦石產生位移的集采、冶于一體的鈾礦開采方法，這在當今世界各國采鈾行業受到普遍關注。它與常規采鈾方法相比，具有基建投資省，建設周期短，生產成本低，資源利用率高，安防和自然保護好等優點。據報道，地浸采鈾量占世界鈾總產量的20%以上，而美國和哈薩克斯坦地浸采鈾量則占鈾總產量的60%以上[1]。

自2000年以來，我國在吐哈、松遼和鄂爾多斯等盆地的砂巖型鈾礦床進行了以CO2+O2地浸采鈾為主的弱堿性采鈾試驗，并于2009年在松遼盆地錢家店鈾礦床建成了我國第一座堿法地浸工業生產礦山[2]。地浸采鈾將是我國未來鈾礦冶發展的主流模式之一。

2 CO2+O2地浸鈾礦應用水源熱泵技術優勢分析

CO2+O2地浸采鈾首先將配液池的弱堿性溶浸液通過注入鉆孔注到地下含礦層，與礦石反應形成含鈾浸出液；再通過抽出鉆孔將浸出液抽到地表集液池，再泵至水冶廠房進行加工處理最終得到合格產品。地浸采鈾工藝流程示意圖見圖1所示。由于地下環境一年四季在10～20℃范圍內，溫度變化比較穩定，在“溶浸液注入-反應-浸出液抽出”的過程中，可同時實現“溶浸液注入-熱量運移-浸出液抽出”這一過程，為很好的利用地熱能奠定了基礎。

圖1 地浸采鈾工藝流程示意圖

地下水源熱泵系統和設備都已相當成熟，制約其推廣應用的關鍵問題有二個：一是初投資髙，地下鉆井打眼和埋管都需要較高的工程建設費，尤其是在現場地質水文條件惡劣的情況下更為突出；二是地下水采-灌平衡困難，如果長期不能正常回灌就會導致承壓含水層厚度減小，進而導致地下水儲量減少、地面沉降等問題，若沉降量較大或出現差異沉降過大，還可能造成地面建筑物變形或破壞。而對于CO2+O2地浸鈾礦，第一：水源熱泵系統無需負擔鉆井打眼和埋管的任何費用，這是工藝生產的必要投入；第二：無需擔心采-灌平衡的問題，地浸采鈾有嚴格的抽、注控制比例，這是保證回收浸出液提高金屬回收率的主要技術，即在地浸工程中，水源熱泵系統根本不涉及回灌平衡的問題。所以，水源熱泵在CO2+O2地浸鈾礦具有良好的先天條件。

3 技術可行性分析

中核內蒙礦業公司某地浸鈾礦擬采用CO2+O2地浸采鈾技術。該礦遠離居民區，周邊無成熟外部熱源接入。地面建筑包括各生產廠房、生活設施等，其熱用戶主要是各地表建筑的供暖、放射性排風的補風加熱、職工淋浴熱水用熱等。該礦礦體頂板埋深在300～500m之間，可保證浸出液溫度夏季19℃，冬季15℃以上。浸出液處理量2500m3/h，水量穩定，且全年生產。下面通過對該礦實驗工程中的水質報告進行分析，探討水源熱泵系統應用的技術方案。

3.1 某地浸鈾工程浸出液水質分析

3.1.1 浸出液及水源熱泵用水水質對比

表1 浸出液水質變化及水源熱泵用水水質對比

3.1.2結垢性分析

根據表1數據計算可知，該鈾礦經CO2+O2地浸采鈾技術所得到的浸出液中Cl-的毫克當量百分數為8.6%，此時應按照雷茲諾指數(RI)判定其結垢性。文獻[4]給出了雷茲諾指數的計算公式(式(1)、式(2))。

RI=2pHs-pHa

(1)

(2)

式中：RI為雷茲諾指數；pHs為流體的pH計算值；pHa為流體的pH實測值；[Ca2+]為流體中鈣離子的摩爾濃度；[ALK]為總堿度；Kc為常數，這里取2.5。

由此可求出雷茲諾指數RI=6.13，介于6.0～7.0之間，由文獻[4]中附表C.0.2《根據雷茲諾指數確定地熱流體的結垢性》，判定浸出液結垢性為輕微。

3.1.3 腐蝕性分析

CO2+O2地浸采鈾浸出液的腐蝕性判定按照拉申指數判定。文獻[4]給出了拉申指數的計算公式(式(3))。

(3)

式中：LI為拉申指數；[Cl]、[SO4]、ALK為相應離子的毫克當量數。

根據表1數據計算可得該鈾礦地浸液的拉申指數LI=0.52，由文獻[4]中附表D.0.2《根據拉申指數確定地熱流體的結垢性和腐蝕性》，可判定其浸出液為輕腐蝕性流體。

綜上所述，該鈾礦經CO2+O2地浸采鈾技術所得的浸出液水質不滿足水源熱泵用水要求，結垢性、腐蝕性均為輕微級別，故不宜直接作為水源熱泵低溫水源使用，應采取相應的水處理措施或間接換熱使用。

3.2 取熱方式

3.2.1 取熱方案比較

該鈾礦自工藝井場抽出的浸出液經過多條管道匯集到2000m3的集液池，然后再由集液泵加壓送至水冶處理廠房。水源熱泵的低溫水吸入口設置有四種方案：進集液池前取水；集液池取水；集液池后水冶廠凈化處理前在線取水；水冶廠凈化處理后在線取水。各取水方法技術參數優劣比較見表2。

綜合分析得知：方案一由于來自各抽液井的浸出液管道較細，取水需設專用集液管道或建緩沖池，熱量采集困難；方法二和方法三可行，但方案二要求在集液池實現分層取熱或分區取熱，以避免浸出液混合導致熱效率降低，這樣就需要改造集液池，其投資必然高于方案三；方案四因可能影響主工藝的穩定性，不可取。綜上所述，采用方案三，并對輸送管道保溫，對集液池做覆土保溫措施，盡量降低熱損失是最合理可行的方案。

表2 各取水方法技術參數優劣比較

3.2.2 浸出液在線取熱

在線取熱即直接從浸出液通往水冶廠房的工藝管道取水，通過熱交換器從中間接提取熱量后，浸出液再返回工藝主管道。由于浸出液中濁度、懸浮物較高，同時浸出液具有輕微結垢性和輕微腐蝕性不宜直接進入水源熱泵機組進行熱交換。根據此特點，水源熱泵系統增加中介循環系統(圖2)，將浸出液與清水系統分割，這樣水源熱泵機組的選擇同普通水源系統，直接根據熱負荷直接選擇機組即可。

1-工藝浸出液主管道；2-旋流除砂器；3-蝶閥；4-污水換熱器； 5-中介泵；6-水源熱泵機組；7-循環泵；8-末端熱用戶 圖2 浸出液熱泵系統原理圖

污水換熱器采用單流程、大截面、寬流道的作為低位能的采集裝置，充分保證熱泵取水系統的安全性和可靠性，同時提高系統熱效率。此種換熱器初始狀態下，傳熱系數在2800W/m2·℃。

由于低位能均來自地下浸出液，這將使水源熱泵系統的連續性受制于工藝專業的運行，一旦作為熱源的浸出液管道停運，將使整個供熱系統癱瘓，所以不僅應該考慮取熱點的可靠性，還應考慮第二條低位熱源供熱點，甚至建設利用廢棄的抽液孔和注液孔構成的備用熱源系統。

3.3 末端散熱設備選擇

水源熱泵系統的末端散熱設備可根據系統的供水溫度，并結合鈾礦冶廠房的特點經技術經濟比較后確定。鑒于水源熱泵系統供熱溫度一般在40～50℃之間，因此末端散熱設備可選擇風機盤管、地板輻射采暖系統等形式。

4 效益分析

中核內蒙礦業公司某地浸鈾礦總熱負荷2760kW，按照工藝生產、采暖供熱、淋浴洗衣等運行需求，同時考慮管道等熱損失、備用關系等因素，若采用鍋爐供熱可采用3×1.4MW的熱水鍋爐；若采用水源熱泵房可采用3×1042kW的熱泵機組。基于兩種不同熱源，進行效益分析。

4.1 節能效益

研究表明，使用熱泵機組消耗的能量是使用鍋爐消耗能量的17.8%，即可節能82.2%[5]。該鈾礦若采用3×1.4MW的熱水鍋爐，年耗原煤量1940 t，折標煤1270t；若采用熱泵機組，節能率按82.2%計算，可節標煤1044 t。

4.2 財務效益

4.2.1 建設期初投資

按照文獻[6]提供的鍋爐房單位生產能力綜合估算指標，3×1.4MW的熱水鍋爐的單位投資為49.61萬元/(MW)，總投資為208.35萬元，由于該數據為前些年統計數據，考慮物價、人工成本的漲價因素，鍋爐房投資不會低于該數據。利用地浸液的水源熱泵系統無需負擔鉆井打眼和埋管的任何費用，其投資僅為地表熱泵房、相關設備及管道的投資。水源熱泵房初投資估算見表3。

通過表3可知，初投資方面水源熱泵房比鍋爐房價格高25.95萬元。但值得注意的是水源熱泵系統簡單，設備較少，廠房占地面積較小，無需煤場、渣場等設施。

4.2.2 運營期費用。

設備運行費：經計算，該鈾礦采用熱泵機組消耗電量為138.33萬kW·h，當地工業電費為0.6元/ kW·h，其年費用為83.0萬元。采用鍋爐供熱，標煤按880元/t計算，則年費用為111.76萬元，全年相差28.76萬元。

表3 水源熱泵房初投資估算

維護費用：鍋爐保養費用至少10萬元/a；水源熱泵維修保養費用幾乎沒有，可忽略不計。

工人工資：采用鍋爐供熱，按照采暖季3班/d，5人/班，非采暖季1班/d，3人/班，工資按3000元/月·人考慮，則工人全年工資為36萬元; 采用水源熱泵制取熱水，按照采暖季3班/d，2人/班，非采暖季1班/d，1人/班，工資標準不變，則工人全年工資為12.6萬元，全年相差23.4萬元。

通過建設期初投資和運行期費用靜態分析可知，該鈾礦采用熱泵系統初投資比鍋爐房增加25.95萬元，但運行費用每年可節約62.16萬元/a，其財務效益較為明顯。

4.3 環境效益

水源熱泵技術屬潔凈運行技術，符合國家資源綜合利用扶持政策及發展循環經濟模式，保護了煤炭資源，水源熱泵空調的運行不產生燃燒、排煙、廢棄物等污染。以當地煤質成分初步估算，該礦若采用水源熱泵系統可比鍋爐系統減排二氧化碳3340 t/a、二氧化硫23.4 t/a，具有一定的環境效益。同時設備運行中不存在爆炸、燃燒等安全隱患，從而有利于安全管理。

5 結語

水源熱泵機組可充分利用CO2+O2地浸采鈾浸出液作為低品位熱能提取熱量，取代目前所使用的燃煤鍋爐，實現由熱泵機組對廠房、辦公樓、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熱等，達到節能減排及降低運行費用的目的。水源熱泵機組和CO2+O2地浸采鈾工程的結合，取長補短，大大降低了熱泵系統的建設費用和運行費用。通過技術方案和效益分析，表明水源熱泵系統在地浸采鈾工程中技術可行，在節能、財務、環境效益等方面成績顯著，具有很好的應用前景。

[1] 朱鵬,陳建昌,尉小龍，等.砂巖型鈾礦床地浸采鈾工藝方法概述[J].采礦技術,2011,11(4):4-6.

[2] 蘇學斌,杜志明.我國地浸采鈾工藝技術發展現狀與展望[J].中國礦業,2012,21(zk):79-83.

[3] 秦增虎,童明偉,項勇.江水源熱泵水質標準實驗及傳熱特性分析[J].湖南大學學報,2012,39(3):71-73.

[4] 天津大學.CJJ138-2010 城鎮地熱供熱工程技術規程[S].北京:中國建筑出版社,2010.

[5] 李萌.礦井水水源熱泵技術在煤礦中的應用[J].中州煤炭,2012(12):73-76.

[6] 洪向道,舒世安,徐振國，等.鍋爐房實用設計手冊[M].第二版.北京:機械工業出版社,2003.

我國天然氣對外依存度升至32.2%

中國石油和化學工業聯合會最近發布的一份題為《我國天然氣發展面臨的不確定因素》的報告(簡稱“報告”)顯示，2014年我國天然氣表觀消費量為1800億m3，同比增長7.4%，其中進口天然氣580億m3，對外依存度達32.2%。

根據國辦印發的《能源發展戰略行動計劃(2014～2020年)》，到2020年，我國一次能源消費總量控制在48億噸標準煤，天然氣消費比重10%以上，相當于3600億m3；國產常規天然氣、頁巖氣、煤層氣總計目標為2450億m3。天然氣對外依存度由此控制在32%以內。然而，中國石油和化學工業聯合會副會長李潤生表示，鑒于市場存在諸多不確定因素，我國要實現天然氣發展目標面臨嚴峻挑戰。

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

曹永凱(1978-)，男，高級工程師，主要從事暖通空調研究設計工作。E-mail:c1369292908@163.com。

TD228

A

1004-4051(2015)02-0150-04