廢棄礦井地熱資源的開發利用

謝友泉，高 輝，蘇志國，李 春，董麗靜，朱家玲

(1. 國華投資有限公司，北京 100007；2.中國可再生能源學會，北京 100190；3. 天津大學地熱研究培訓中心，天津 300392)

0 引言

隨著中國能源結構調整力度的加大，煤炭供給側改革不斷深入，大量煤礦被關閉，導致礦井也隨之被廢棄，由此帶來了資源浪費、生態破壞、環境污染等方面的社會問題；且原生產廠區還有大量廠房和設備被閑置，占用了大量的土地資源；另外，還有很多下崗人員未被安置。僅2016年，中國就關閉退出煤礦2000個左右[1]。2018年底，中國采煤礦數量已由“十二五”初期的1.4萬多個減少到5800個左右[2]。隨著“去產能”的深入推進，將有更多煤礦被關閉，到2030年，廢棄礦井數量將達到1.5萬個[3]。

過去粗放式的煤礦開采并未注意保護環境，很多礦井未實現資源的綜合利用。這些廢棄礦井不僅造成了資源的巨大浪費，還有可能誘發后續的安全、環境等問題。由于各礦井的基礎條件不同，礦井所在區域的區位優勢、資源稟賦等也不同，因此，關閉或廢棄礦井的開發利用也各有不同，探索關閉或廢棄礦井的轉產和轉型存在很大難度。除少數礦井的轉產和轉型取得一定程度的成功外，大部分關閉或廢棄礦井均被遺棄，造成大量資產被閑置，且留下了一定程度的安全隱患。因此，隨著關閉或廢棄礦井的大幅度增加，我國迫切需要解決已經關閉或廢棄礦井的出路問題[4]。

本文介紹了廢棄礦井的資源類型，分析了廢棄礦井地熱資源的現狀和特點，研究了擁有不同地熱資源的廢棄礦井的開發利用模式，明確了適宜開發利用的廢棄礦井地熱資源的基本參數，并對廢棄礦井地熱資源的開發利用提出了發展建議。

1 廢棄礦井的資源類型

1.1 廢棄礦井的塌陷土地資源

廢棄后的礦井會形成大量的采空區和塌陷區，即采礦坑廢棄地和各種剩余物排放堆積形成的尾礦廢棄地，以及采礦作業面、機械設施、礦山輔助建筑物和道路交通等占用的廢棄土地。

大量的廢棄礦井不僅占用土地資源，而且也帶來了影響深遠的環境問題，尤其是土地重金屬污染問題。因此，加快廢棄礦井的治理，實現區域生態經濟的可持續發展，已經成為環境生態研究的焦點問題[5]。

1.2 廢棄礦井的坑道空間

廢棄礦井內的空間資源巨大。由于需要保證安全生產，所以開采煤炭時所需的井筒、巷道等建筑設施的質量非常好。若將改造后的廢棄礦井用于地下儲物，則是最簡單、最直接、最省錢的再利用辦法[6]。

根據數據顯示，到2020年，中國廢棄礦井數量將達到1.2萬個。按每個礦井地下空間資源為60萬m3計算，1.2萬個廢棄礦井就是72億m3的空間資源，相當于1座千萬人口大城市的空間[2]。

1.3 地熱及其他資源

中國廢棄礦井中賦存多種資源，其中，煤炭高達420億t、天然氣近5000億m3，還擁有大量水和地熱等資源。

中國廢棄礦井的深度從幾十米到上千米不等，有的甚至更深；有些坑道內常年儲存著熱水資源，水溫大多在10～30 ℃，是很好的熱能資源[7]。

2 廢棄礦井地熱資源的開發利用模式

2.1 廢棄礦井地熱水資源的特點

由于地理條件、地質條件不同，廢棄礦井資源狀況不一樣，且廢棄礦井所在區域的經濟條件、資源稟賦等不同，廢棄礦井的利用方式和開發水平存在較大差異。因此，需要根據每個廢棄礦井地熱資源的特點進行有針對性的開發利用，切實可行地解決已經關閉或廢棄礦井的合理開發利用問題[8]。

廢棄礦井中可用的熱水資源包括礦坑水、涌滲水、地熱水等，其溫度、可利用量等參數會隨氣候條件、地形地貌、地質情況、礦井深度等發生變化。一般1000 m深處的坑道溫度多在35～45 ℃之間，部分高溫區域可達60～70 ℃以上。

2.2 廢棄礦井地熱資源的發展優勢

熱泵技術可以有效解決廢棄礦井低位熱能的冷熱源，即利用熱泵機組把礦井水中的低位熱能提取出來，轉化為人們生活能夠利用的高位熱能，采用此技術的系統被稱為“礦井水源熱泵系統”。

礦井水源熱泵系統具有以下優勢：1)環境友好，經濟效益顯著；2)高效節能；3)運行穩定可靠、操作簡單；4)一機多用，應用范圍廣。

2.2.1 環境友好，經濟效益顯著

礦井水源熱泵系統是利用常年基本保持恒定的礦井水作為熱泵機組的冷、熱源，與傳統的供熱空調系統相比，該系統在冬季供熱時不需要消耗燃煤，避免了CO2、SO2等污染氣體的排放，并且無廢棄物，減少了有毒、有害氣體對大氣環境的污染；在夏季為人們提供冷量時，該系統也省去了冷卻塔等設備，避免了冷卻塔在運行時產生的噪聲，減少了冷卻水的自然蒸發和霉菌的滋生。因此，礦井水源熱泵系統不會對環境產生危害，保護環境的同時經濟效益顯著。

2.2.2 高效節能

礦井水源熱泵系統所利用的礦井水的溫度全年波動不大，在冬季其溫度約在16～18 ℃，比室外的環境空氣溫度高，所以提高了礦井水源熱泵系統循環的蒸發溫度，有利于系統提取熱量，能效比也得到提高。而在夏季，礦井水的溫度為18～22 ℃，比環境空氣溫度低，所以降低了礦井水源熱泵系統循環的冷凝溫度，有利于系統釋放熱量，具有較好的冷卻效果，提高了熱泵機組工作效率。因此，礦井水源熱泵系統比一般不利用礦井水的熱泵系統運行更穩定、更節能。

2.2.3 運行穩定可靠、操作簡單

礦井水的溫度一年四季相對恒定、流量穩定，是非常理想的冷、熱源，使礦井水源熱泵系統的運行更加穩定可靠，提高了系統的運行效率，并且其不存在空氣源熱泵的融霜、除霜等問題。現在的礦井水源熱泵系統自動化程度高，基本已實現計算機控制[9]，操作簡單。

2.2.4 一機多用，應用范圍廣

礦井水源熱泵系統除了能夠實現冬季供暖和夏季制冷，還可以為日常生活提供生活熱水，一機多用，1套礦井水源熱泵系統可以代替1套傳統的鍋爐與1套傳統的空調系統。特別是對于需要同時制冷和供熱的場合，具有非常明顯的優勢。

礦井水源熱泵系統不但減少了能量消耗，節省了大量資源，而且能同時滿足建筑冷、熱量供應的要求，因此，該系統在賓館、學校、辦公樓等建筑上得到了廣泛的應用。

2.3 廢棄礦井地熱資源的利用模式

可以結合廢棄礦井自身實際情況與工程實例，制定合理的廢棄礦井地熱資源利用模式，不僅能夠為未來規劃的廢棄礦井產業園區提供熱能，而且相較于化石燃料，其可極大地減少CO2的排放。根據能源品質的區別，廢棄礦井地熱能的利用方式主要有供熱/制冷、發電這2種。

2.3.1 供熱 /制冷

1)利用廢棄礦井低溫水資源進行供熱/制冷。對于廢棄礦井地熱水的溫度在16～30 ℃的熱能資源，礦井水源熱泵系統可以利用其對建筑物供暖/制冷。廢棄礦井熱泵供熱/制冷系統由水泵、逆流殼管式熱交換器、壓縮機、熱水水箱、分布空調和設備連接管道等組成，如圖1所示。

從圖1可以看到，礦井水被從1個或多個井眼中抽取出來，直接通過熱泵或是直接通過連接到熱泵的熱交換器，將經過熱交換后的水重新注入礦井或其他含水層單元。

另一種方式是利用單井提取熱水，并同時將冷卻水注入同一個豎井中，從而構建雙合系統，這樣能夠最小化所需面積和初始投資成本，同時還可以保證礦井水的循環利用，節省了水資源及其處理成本。單井換熱示意圖如圖2所示。但另一方面，若礦井水抽取點和注入點之間的連接過于直接，則需要對回注井眼進行鉆探和維護，并且存在熱“反饋”的風險。

2)廢棄礦井季節性蓄熱。對于廢棄礦井的淺層地熱資源，可以和蓄熱利用相結合。廢棄礦井巷道和深層的巖石可以提供非常充分的換熱面積和較為有利的換熱條件，而且由于廢棄礦井還具有豐富的水資源，形成了一個容量巨大的天然熱能儲存器，并且會隨著自然條件的變化自動進行充、放熱，且礦井水的溫度基本常年恒定，這都為廢棄礦井巷道蓄熱提供了條件。

利用廢棄礦井巷道空間作為季節性太陽能蓄熱的系統示意圖如圖3所示。

中國已經開始了上述研究，以水作為蓄熱介質，整個蓄熱系統由礦區地面的湖泊、礦區內的礦井、太陽能集熱器、熱泵機組及生活區用戶端組成。在夏季時，太陽能集熱器加熱從熱泵排出的水，通過熱泵機組將被加熱的水存入礦井巷道；在冬季時，利用夏季儲存在巷道中的熱水作為熱泵系統的熱源，對生活區供熱，利用后的水排入湖泊以備循環使用。

在上述利用模式的基礎上，還可以將生物質熱電聯產在夏季的熱能可供回收的余熱、可再生能源(太陽能、地熱能等)、工業廢熱余熱等，經過適當處理后存入廢棄礦井中儲存起來，等到供熱季再提取利用。這一利用模式的工作原理如圖4所示。

2.3.2 發電

利用廢棄礦井地熱資源進行發電時，有2種模式，分別為廢棄礦井雙循環地熱發電系統和廢棄礦井干熱巖發電系統。

1)廢棄礦井雙循環地熱發電系統。一般情況下，廢棄礦井熱源溫度偏低，若直接利用，能源轉換效率較低，因此需要借助中間介質來實現對熱能的提取，常采用的是廢棄礦井雙循環地熱發電系統[10]，其工作原理如圖5所示。廢棄礦井雙循環地熱發電系統主要由蒸汽發生器、冷凝器、水泵、汽輪機、發電機等構成。

廢棄礦井雙循環地熱發電系統中存在2種流體。一種是熱源流體，其一般為經處理后的地下水，在蒸汽發生器中被冷卻后再次打入地下。另一種是以低沸點工質流體(如氟里昂、異戊烷、異丁烷、正丁烷等，沸點均低于30 ℃)作為工作介質，此種流體在蒸汽發生器內因吸收了地熱水釋放出的熱量而汽化，這些低沸點的流體蒸汽被送入汽輪機發電機組進行發電；做完功后的蒸汽由汽輪機排出，并在冷凝器中冷凝成液體，然后經循環泵打回蒸汽發生器再循環工作[11]。

提升廢棄礦井雙循環地熱發電系統發電技術的關鍵是開發高效的熱交換器，以減少換熱過程中的熱量損失；同時，還要尋找和選擇沸點低、成本低、安全環保的工質。

2)廢棄礦井干熱巖發電系統。我國一些廢棄礦井的深度可以達到1 km，個別廢棄礦井的深度甚至可以達到1.5 km。在具備開發條件的地方，可以利用這一優勢，在此基礎上進一步將礦井鉆至4～6 km深，此處的巖層為高溫巖體，如此便可獲得 120～180 ℃的高溫熱源。通過這種方式的開發利用，可將廢棄礦井開發成為干熱巖發電系統[12]，其工作原理圖如圖6所示。

廢棄礦井干熱巖發電系統包括注水井、生產井、人工裂隙、汽輪機、發電機、冷凝器、水泵等。與常規地熱發電系統不同，廢棄礦井干熱巖發電系統需先將外界冷水注入地下，由事先壓裂而成的人工裂隙產生的高溫蒸汽驅動汽輪機轉動，從而帶動發電機工作，過熱蒸汽經冷凝器冷卻后再次注入地下，構成閉合循環系統，以實現連續發電。

3 影響廢棄礦井地熱資源利用的因素

3.1 地理區位條件制約

廢棄礦井地下空間長度可以從幾千米到上萬米，可分為臨近城區、城區邊緣和城郊之外等不同的區域類型。從地熱資源的開發模式來看，建立的地熱系統盡量遠離城區，與城市保持一定的安全防護距離，但需要與用戶建立供暖輸配網絡，且距離的遠近將直接影響到輸配成本[13]。

3.2 水質制約

我國許多廢棄礦井的礦坑水，特別是老窖水，水質很差，總硬度約為30～76度，礦化度約為1～9 g/L，屬于高礦化度礦井水。同時，礦井水中含有金屬硫化物，會形成酸性礦井水；有的礦井水還存在有機物、微生物，還有高硫酸鹽、高氟、高鐵、高錳、砷超標等問題。

進行地熱資源利用時，需要考慮到水泵、熱交換器、管道和回注井的腐蝕或結垢堵塞問題，應根據情況選擇添加濾網或進行水處理；回注時，需要注意抽取點和注入點之間的距離，防止熱“反饋”風險。

3.3 廢棄礦井地熱利用基本要求

在對廢棄礦井地熱資源進行利用之前，需要從經濟和技術條件方面進行分析，并對其利用價值做出評價。

一個礦井區域的溫度會隨著礦井深度的增加而增加，但是鉆井的難度和復雜性也會隨著鉆井深度的增加而增加，且鉆井成本也會增高。為此，將鉆井深度小于2 km就可以利用的地熱資源定義為經濟型地熱資源，鉆井深度為2～3 km可以利用的地熱資源定義為亞經濟型地熱資源；只有當溫度大于40 ℃、出水量大于20 m3/h時，才能被當作適宜開發利用的地熱資源加以評價。

4 結論

本文對廢棄礦井地熱資源的現狀和特點進行了分析，并針對不同的地熱資源類型進行了利用模式的研究，明確了適宜開發利用的廢棄礦井地熱資源的基本參數。廢棄礦井的可再生能源開發利用要走綠色發展的道路，應注重廢棄礦井地熱資源開發和生態保護的協調發展，遵循“在保護中開發，在開發中保護”的基本原則，把綠色發展理念貫穿于廢棄礦井開發利用的全過程。在項目選擇上，要以“環保優先”為前提條件，做到“高門檻準入、高標準開發、高要求監管”；廢棄礦井的生態環境保護與治理要“規劃先行”，項目實施前要經過充分調研和論證；開發利用方案要經過政府相關部門的審核，做到科學、合理、有序、協調地發展。