水源熱泵在地浸采鈾中的應(yīng)用分析

曹永凱

(中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司,河北 石家莊 050021)

水源熱泵在地浸采鈾中的應(yīng)用分析

曹永凱

(中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司,河北 石家莊 050021)

分析了地浸采鈾應(yīng)用水源熱泵技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。以內(nèi)蒙古某CO2+O2地浸采鈾工程為例，對(duì)浸出液的腐蝕性和結(jié)垢性進(jìn)行分析，指出弱堿性浸出液不宜直接作為水源熱泵機(jī)組的低溫水源。同時(shí)對(duì)水源熱泵的低溫水源接入點(diǎn)設(shè)置方案進(jìn)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(tǒng)的效益分析，表明水源熱泵機(jī)組在CO2+O2地浸采鈾工程中有很好的應(yīng)用前景。

CO2+O2地浸采鈾；腐蝕性；結(jié)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(shù)具有運(yùn)行穩(wěn)定、節(jié)水省地、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，目前在公用建筑、民用建筑、工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但在地浸鈾礦生產(chǎn)企業(yè)中應(yīng)用甚少。本文結(jié)合中核內(nèi)蒙礦業(yè)公司某地浸鈾礦的具體特點(diǎn)，分析水源熱泵技術(shù)在地浸采鈾工程應(yīng)用中的可行方案。

1 地浸采鈾簡(jiǎn)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(xué)反應(yīng)選擇性地溶解礦石中的鈾，而不使礦石產(chǎn)生位移的集采、冶于一體的鈾礦開采方法，這在當(dāng)今世界各國采鈾行業(yè)受到普遍關(guān)注。它與常規(guī)采鈾方法相比，具有基建投資省，建設(shè)周期短，生產(chǎn)成本低，資源利用率高，安防和自然保護(hù)好等優(yōu)點(diǎn)。據(jù)報(bào)道，地浸采鈾量占世界鈾總產(chǎn)量的20%以上，而美國和哈薩克斯坦地浸采鈾量則占鈾總產(chǎn)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(jìn)行了以CO2+O2地浸采鈾為主的弱堿性采鈾試驗(yàn)，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(yè)生產(chǎn)礦山[2]。地浸采鈾將是我國未來鈾礦冶發(fā)展的主流模式之一。

2 CO2+O2地浸鈾礦應(yīng)用水源熱泵技術(shù)優(yōu)勢(shì)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(yīng)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(jìn)行加工處理最終得到合格產(chǎn)品。地浸采鈾工藝流程示意圖見圖1所示。由于地下環(huán)境一年四季在10～20℃范圍內(nèi)，溫度變化比較穩(wěn)定，在“溶浸液注入-反應(yīng)-浸出液抽出”的過程中，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)“溶浸液注入-熱量運(yùn)移-浸出液抽出”這一過程，為很好的利用地?zé)崮艿於嘶A(chǔ)。

圖1 地浸采鈾工藝流程示意圖

地下水源熱泵系統(tǒng)和設(shè)備都已相當(dāng)成熟，制約其推廣應(yīng)用的關(guān)鍵問題有二個(gè)：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(shè)費(fèi)，尤其是在現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)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?；毓嗑蜁?huì)導(dǎo)致承壓含水層厚度減小，進(jìn)而導(dǎo)致地下水儲(chǔ)量減少、地面沉降等問題，若沉降量較大或出現(xiàn)差異沉降過大，還可能造成地面建筑物變形或破壞。而對(duì)于CO2+O2地浸鈾礦，第一：水源熱泵系統(tǒng)無需負(fù)擔(dān)鉆井打眼和埋管的任何費(fèi)用，這是工藝生產(chǎn)的必要投入；第二：無需擔(dān)心采-灌平衡的問題，地浸采鈾有嚴(yán)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(shù)，即在地浸工程中，水源熱泵系統(tǒng)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(shù)可行性分析

中核內(nèi)蒙礦業(yè)公司某地浸鈾礦擬采用CO2+O2地浸采鈾技術(shù)。該礦遠(yuǎn)離居民區(qū)，周邊無成熟外部熱源接入。地面建筑包括各生產(chǎn)廠房、生活設(shè)施等，其熱用戶主要是各地表建筑的供暖、放射性排風(fēng)的補(bǔ)風(fēng)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(wěn)定，且全年生產(chǎn)。下面通過對(duì)該礦實(shí)驗(yàn)工程中的水質(zhì)報(bào)告進(jìn)行分析，探討水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的技術(shù)方案。

3.1 某地浸鈾工程浸出液水質(zhì)分析

3.1.1 浸出液及水源熱泵用水水質(zhì)對(duì)比

表1 浸出液水質(zhì)變化及水源熱泵用水水質(zhì)對(duì)比

3.1.2結(jié)垢性分析

根據(jù)表1數(shù)據(jù)計(jì)算可知，該鈾礦經(jīng)CO2+O2地浸采鈾技術(shù)所得到的浸出液中Cl-的毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)為8.6%，此時(shí)應(yīng)按照雷茲諾指數(shù)(RI)判定其結(jié)垢性。文獻(xiàn)[4]給出了雷茲諾指數(shù)的計(jì)算公式(式(1)、式(2))。

RI=2pHs-pHa

(1)

(2)

式中：RI為雷茲諾指數(shù)；pHs為流體的pH計(jì)算值；pHa為流體的pH實(shí)測(cè)值；[Ca2+]為流體中鈣離子的摩爾濃度；[ALK]為總堿度；Kc為常數(shù)，這里取2.5。

由此可求出雷茲諾指數(shù)RI=6.13，介于6.0～7.0之間，由文獻(xiàn)[4]中附表C.0.2《根據(jù)雷茲諾指數(shù)確定地?zé)崃黧w的結(jié)垢性》，判定浸出液結(jié)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(shù)判定。文獻(xiàn)[4]給出了拉申指數(shù)的計(jì)算公式(式(3))。

(3)

式中：LI為拉申指數(shù)；[Cl]、[SO4]、ALK為相應(yīng)離子的毫克當(dāng)量數(shù)。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)計(jì)算可得該鈾礦地浸液的拉申指數(shù)LI=0.52，由文獻(xiàn)[4]中附表D.0.2《根據(jù)拉申指數(shù)確定地?zé)崃黧w的結(jié)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(jīng)CO2+O2地浸采鈾技術(shù)所得的浸出液水質(zhì)不滿足水源熱泵用水要求，結(jié)垢性、腐蝕性均為輕微級(jí)別，故不宜直接作為水源熱泵低溫水源使用，應(yīng)采取相應(yīng)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(chǎng)抽出的浸出液經(jīng)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(shè)置有四種方案：進(jìn)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(shù)參數(shù)優(yōu)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(xì)，取水需設(shè)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(shí)現(xiàn)分層取熱或分區(qū)取熱，以避免浸出液混合導(dǎo)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(wěn)定性，不可取。綜上所述，采用方案三，并對(duì)輸送管道保溫，對(duì)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(shù)參數(shù)優(yōu)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(shí)浸出液具有輕微結(jié)垢性和輕微腐蝕性不宜直接進(jìn)入水源熱泵機(jī)組進(jìn)行熱交換。根據(jù)此特點(diǎn)，水源熱泵系統(tǒng)增加中介循環(huán)系統(tǒng)(圖2)，將浸出液與清水系統(tǒng)分割，這樣水源熱泵機(jī)組的選擇同普通水源系統(tǒng)，直接根據(jù)熱負(fù)荷直接選擇機(jī)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(jī)組；7-循環(huán)泵；8-末端熱用戶 圖2 浸出液熱泵系統(tǒng)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(tǒng)的安全性和可靠性，同時(shí)提高系統(tǒng)熱效率。此種換熱器初始狀態(tài)下，傳熱系數(shù)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(tǒng)的連續(xù)性受制于工藝專業(yè)的運(yùn)行，一旦作為熱源的浸出液管道停運(yùn)，將使整個(gè)供熱系統(tǒng)癱瘓，所以不僅應(yīng)該考慮取熱點(diǎn)的可靠性，還應(yīng)考慮第二條低位熱源供熱點(diǎn)，甚至建設(shè)利用廢棄的抽液孔和注液孔構(gòu)成的備用熱源系統(tǒng)。

3.3 末端散熱設(shè)備選擇

水源熱泵系統(tǒng)的末端散熱設(shè)備可根據(jù)系統(tǒng)的供水溫度，并結(jié)合鈾礦冶廠房的特點(diǎn)經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。鑒于水源熱泵系統(tǒng)供熱溫度一般在40～50℃之間，因此末端散熱設(shè)備可選擇風(fēng)機(jī)盤管、地板輻射采暖系統(tǒng)等形式。

4 效益分析

中核內(nèi)蒙礦業(yè)公司某地浸鈾礦總熱負(fù)荷2760kW，按照工藝生產(chǎn)、采暖供熱、淋浴洗衣等運(yùn)行需求，同時(shí)考慮管道等熱損失、備用關(guān)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(jī)組?；趦煞N不同熱源，進(jìn)行效益分析。

4.1 節(jié)能效益

研究表明，使用熱泵機(jī)組消耗的能量是使用鍋爐消耗能量的17.8%，即可節(jié)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(biāo)煤1270t；若采用熱泵機(jī)組，節(jié)能率按82.2%計(jì)算，可節(jié)標(biāo)煤1044 t。

4.2 財(cái)務(wù)效益

4.2.1 建設(shè)期初投資

按照文獻(xiàn)[6]提供的鍋爐房單位生產(chǎn)能力綜合估算指標(biāo)，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(shù)據(jù)為前些年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，考慮物價(jià)、人工成本的漲價(jià)因素，鍋爐房投資不會(huì)低于該數(shù)據(jù)。利用地浸液的水源熱泵系統(tǒng)無需負(fù)擔(dān)鉆井打眼和埋管的任何費(fèi)用，其投資僅為地表熱泵房、相關(guān)設(shè)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?jī)r(jià)格高25.95萬元。但值得注意的是水源熱泵系統(tǒng)簡(jiǎn)單，設(shè)備較少，廠房占地面積較小，無需煤場(chǎng)、渣場(chǎng)等設(shè)施。

4.2.2 運(yùn)營期費(fèi)用。

設(shè)備運(yùn)行費(fèi)：經(jīng)計(jì)算，該鈾礦采用熱泵機(jī)組消耗電量為138.33萬kW·h，當(dāng)?shù)毓I(yè)電費(fèi)為0.6元/ kW·h，其年費(fèi)用為83.0萬元。采用鍋爐供熱，標(biāo)煤按880元/t計(jì)算，則年費(fèi)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(hù)費(fèi)用：鍋爐保養(yǎng)費(fèi)用至少10萬元/a；水源熱泵維修保養(yǎng)費(fèi)用幾乎沒有，可忽略不計(jì)。

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(biāo)準(zhǔn)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(shè)期初投資和運(yùn)行期費(fèi)用靜態(tài)分析可知，該鈾礦采用熱泵系統(tǒng)初投資比鍋爐房增加25.95萬元，但運(yùn)行費(fèi)用每年可節(jié)約62.16萬元/a，其財(cái)務(wù)效益較為明顯。

4.3 環(huán)境效益

水源熱泵技術(shù)屬潔凈運(yùn)行技術(shù)，符合國家資源綜合利用扶持政策及發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式，保護(hù)了煤炭資源，水源熱泵空調(diào)的運(yùn)行不產(chǎn)生燃燒、排煙、廢棄物等污染。以當(dāng)?shù)孛嘿|(zhì)成分初步估算，該礦若采用水源熱泵系統(tǒng)可比鍋爐系統(tǒng)減排二氧化碳3340 t/a、二氧化硫23.4 t/a，具有一定的環(huán)境效益。同時(shí)設(shè)備運(yùn)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(jié)語

水源熱泵機(jī)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(shí)現(xiàn)由熱泵機(jī)組對(duì)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(dá)到節(jié)能減排及降低運(yùn)行費(fèi)用的目的。水源熱泵機(jī)組和CO2+O2地浸采鈾工程的結(jié)合，取長補(bǔ)短，大大降低了熱泵系統(tǒng)的建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用。通過技術(shù)方案和效益分析，表明水源熱泵系統(tǒng)在地浸采鈾工程中技術(shù)可行，在節(jié)能、財(cái)務(wù)、環(huán)境效益等方面成績(jī)顯著，具有很好的應(yīng)用前景。

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我國天然氣對(duì)外依存度升至32.2%

中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)最近發(fā)布的一份題為《我國天然氣發(fā)展面臨的不確定因素》的報(bào)告(簡(jiǎn)稱“報(bào)告”)顯示，2014年我國天然氣表觀消費(fèi)量為1800億m3，同比增長7.4%，其中進(jìn)口天然氣580億m3，對(duì)外依存度達(dá)32.2%。

根據(jù)國辦印發(fā)的《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃(2014～2020年)》，到2020年，我國一次能源消費(fèi)總量控制在48億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，天然氣消費(fèi)比重10%以上，相當(dāng)于3600億m3；國產(chǎn)常規(guī)天然氣、頁巖氣、煤層氣總計(jì)目標(biāo)為2450億m3。天然氣對(duì)外依存度由此控制在32%以內(nèi)。然而，中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)副會(huì)長李潤生表示，鑒于市場(chǎng)存在諸多不確定因素，我國要實(shí)現(xiàn)天然氣發(fā)展目標(biāo)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

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(jí)工程師，主要從事暖通空調(diào)研究設(shè)計(jì)工作。E-mail:c1369292908@163.com。

TD228

A

1004-4051(2015)02-0150-04