地热技术在矿山的开发与利用

    摘要：以某矿山井下水为例，从生态学的角度出发，探讨和研究新能源的开发利用以及生态环境的保护。利用热泵技术将低品位热源转换为一种高品位热源用来采暖和制冷；通过对井下水循环使用，节约了能源，健全了水文生态系统，为可持续发展探索了新的途径。

    关键词:　矿山井下水   地热利用  热泵技术  水文生态系统 可持续发展

Development and Application of the Low Quality Heat Sources in the Groundwater

WANG Zi-wen, ZHANG Shi-xia , ZHANG Ji-ming

Department of Architecture and Engineering of Zhe Jiang University

Abstract：Based on the ecological principle, this article takes the example of water in the mine well to give discussions on the development and utilization of new energy sources and eco-environmental protection. By using the heat pump, low quality heat sources can be converted into high quality ones for cooling or heating. By recycling and reusing the mine water, energy can be saved, hydrological and ecological systems improved and sustainable development achieved.

Key words：water in the mine well； utilization of ground-heat source ；heat pump； hydrological and ecological systems；sustainable  development

1、概述：

可持续发展理论已成为世界各国制定国民经济发展战略的行动纲领和理论基础，其目标任务主要强调“人类对自然资源的利用及损毁速度小于其再生速度（可再生资源）；人类的消费需求及其变换过程中都要努力减少对能源和物质的长远消耗；”要努力维护人类生态系统的长久活力，保持其良性的循环。而水资源和能源是一种宝贵的自然资源，是人类生存和发展的物质基础，是可持续发展的重要保障。随着我国人口急剧增长，经济迅速发展以及消费水平的提高，人们对水资源和能源的需求量大幅度的增加，而盲目的追求经济发展的传统生产模式造成了严重的水环境污染和能源的浪费。再加上我国能源利用率十分低，更加剧了这种供需矛盾。目前资源危机和生态环境恶化已成为世界各国共同面临的问题。在世界能源危机和环境污染的双重压力下，世界各国人们都开始从生态系统的源头考虑人类与环境的关系，积极修复与补偿被破损的生态环境，寻找清洁、高效、可替代的新能源（如：太阳能、风能、潮汐能）来改善能源结构，减少一次能源的消耗与污染排放。据资料表明，在新能源家族中地热能是新能源家族中最为现实的能源，在整个能源系统中的地位与日俱增。其中利用地下水作为中低温地热源来采暖和制冷等，目前在美国、日本、德国等发达国家发展十分迅速，我国发展还比较缓慢。

然而，城市地下水参与水环境系统的循环，在自然循环系统中水体通过蒸发，将雨水和地面径流与大气联系起来；另外，城市运行中，除了有部分水量消耗外，主要发生的是水质变化，水体与地下水通过土壤渗透和地下水补给运动联系起来。城市水资源利用的人工循环系统由城市给水、排水和处理系统组成。城市水环境系统又是整个流域水文的一部分，参与整体的水文循环过程。因此，在合理开发利用新能源，对地下水进行利用的过程中，必须考虑水系循环的各个生态链，防止因为不适当利用导致系统环节发生问题，引起城市水文生态系统的失调，带来人为的灾害。

总之，维持良好的生态环境，实现人类社会可持续发展，是我们面临的全新课题。本文以某矿山井下水优化设计为例进行了初步的尝试和研究。

2、将传统的生产工艺与生态设计相结合，合理开发利用井下水的低位能源　

我国矿产资源丰富，矿山企业较多，在胶东半岛尤为突出。在矿山的生产过程中，为了采掘作业的顺利进行，不可避免的要进行多项安全保卫措施，其中排除与隔绝地下水就是必须采取的措施之一，原有的排水系统只是将井下水提升到沉淀池，经沉淀池沉淀后直接排入大海。造成宝贵的淡水资源严重浪费，并且地下水中蕴含有丰富的低品位热源没有被开发利用。更为严重的是:地下水不断的开采和排放，又不能及时地给以补充，加上城市（地表硬质）化导致雨水下渗量的大大减少，致使区域性地下水位逐年下降并有扩张的趋势。随之而来的是海水入侵和地面沉降，给生态环境造成很大的破坏。针对这种情况，我们对矿山井下水传统排水工艺进行分析和研究，为了充分利用地下水所蕴含的宝贵能量，改善生态环境，结合企业的实际情况，采用了生态工艺设计原理。将生产中排出的废水作为低温热源来采暖与制冷，并循环使用井下水。该原理是一种崭新的生态经济观念，是运用生态学中物质循环再生原理和系统工程的优化方法，来设计对物质能源的多层分级利用的工程体系。即，用生态工艺理念来代替对自然资源掠夺式开采和无节制排放污染的传统工艺，进行无废料生产；以闭合循环和综合生产的形式，把生产全过程纳入生物圈的物质循环系统，实现物质和能量的多层分级利用，无污染排放和维护水文生态系统等多功能利用的完全代谢系统^[1]。本研究矿山井下水的新工艺流程如图1所示。

                              Fig. 1. New design flowchart

2.1  工程应用情况

该矿山井下每日排水量为3000～4000m³/d，即为125～166m³/h。井深约600米，常年水温10～12℃左右，水量较大且蕴含着丰富的低品位热源。水质报告如下：

CL^-=5901.18mg/L,Ca²⁺=1515.20mg/L,Mg²⁺=85.08 mg/L, Fe³⁺=1.12 mg/L,PH=7.1,总矿化度= 11694.5mg/L,悬浮物为35.60 mg/L。而精炼厂厂房平时工作温度为30～40℃，面积约2000平方米。为了改善工作环境，要求将室内温度降至26～28℃，要求冷量329KW。根据现场实际情况，采用全循环多层分级利用的方案，从上图中可以看出：由矿井水泵从蓄水池中抽水（10℃），输送到除砂器（兼作储水池），经除砂后利用地热热泵技术直接将低品位热源转换为高品位热源来制冷，换热后供选冶车间洗矿用水，用后废水经处理后回灌地下，如此循环往复。其中主要参数的确定和设备选型如下：

 冷却水量：

Vw=3600×Q /[1000×0.7×Cw(T₂-T₁)]

=3600×329/[1000×0.7×4.19×(16～10)]

=67.3m³/h<125m³/h

其中：

Q—需冷量，329KW

Cw—水的比热，4.19KJ/Kg·℃

0.7—热效率（三个循环系统）

制冷系数计算：

压缩机输入功率：W=√3UICOSФ=76.7KW

其中：U—电压（V），I—电流（A），

COSФ—功率因子，0.8

供冷量:Q=1000CpVΔT/3600(KW)

=4.19×50×（12-6）/3.6

=349.2KW

其中：Cp—定压比热,4.19KJ/Kg·℃，

V—室内循环流量(50m³/h)

ΔT---蒸发器进出口温差(12/6℃)

3)制冷系数:COP=Q/W

W=76.7KW,

Q=349.2KW,

COP=4.55

通过计算选用DZ-LC-160型地热热泵2台，单台制冷量为167.5kw,输入功率为45kw。空调循环水泵两台（一用一备），以及其他配套设施。经过几个月的试运行，精炼厂房内的工作温度由以往的30~40℃降低到28℃以下，大大改善了工作环境，提高了工作效率。

2.2热泵技术的原理和特点

热泵技术是一种能将热能从低温转换为高温热源，也可将高温热源转换为低温热源的技术。地热热泵技术则是利用井中的地下水或直接利用与土壤耦合垂直的热交换器进行热交换^[2]。本文研究的对象是直接利用地下水的低温热作为热源进行热交换。冬天室内需要供暖，利用热泵封闭系统中运转的低沸点液体在蒸发器中气化吸热的功能，从井下水中吸取大量低温位热对室内供暖。在夏天，则依靠热泵设备内热量，依靠电力驱动，把吸收的低温热转化为高冷媒的反向流动，使原来的吸热与放热功能转换，把厂房内多余的热量转移到井下水中，利用地下水的冷热源，进行热交换；从而达到调节室内温度的目的。地热利用型热泵技术与我们普遍采用的普通空调器相比具有明显的优点：

（1）环保性：普通空调器是采用一种被称为空气源的热泵技术，天冷时它可以把室外空气中的热量转移到室内，而天热时则把室内空气中的废热全部转移到了室外，对大气环境产生热污染。这种现象在大城市中更为严重。因为城市中集中了大量的建筑群、绿地面积减少，大量建筑物、道路的混凝土表面的热辐射比郊区大得多，加上城市中大量消耗的能量一部分成为废热排向大气。在大气中的尘埃形成的挡波层及大气逆温层的作用下，形成了城市中心的“热岛”现象。而城市中大量空调的使用更加剧了“热岛”现象的形成。而地热利用型热泵技术则是将全部的废热转移到井下水中，在使用过程中不产生任何有害的物质，对生态环境取很好的保护作用。

（2）经济性：由于利用了井下水中的废热，节约了电能，其运行成本比普通空调的成本要低，且初始投资是溴化锂机组和其他中央空调的2/3～4/5。以该工程热泵机组制冷时的运行状况进行验算：总输入功率为80KW，若电价按0.6元/度计算，空调时间100天，每天按12小时计算，则年空调费用：0.7×0.6×80×100×12×0.8=3.23万元,平均16.2元/m².a。普通空调是其5.8倍。该工程节约投资约15.6万元/年。

（3）安全性：使用方便,安全可靠、不存在任何爆炸、燃烧的安全隐患。而且热泵技术能实现很高的自动化管理，维护、维修工作量很小。(4)节能性：普通空调所需要的能量全部要靠电能来转换。目前南方城市最大的能量消耗是夏季空调，随着人们生活水平的提高，人均拥有空调机台数会大幅度增加，它将加剧城市用电高峰的紧张局面。如今年夏天，全国许多城市出现了五十年一遇的高温天气，使能量的消耗量急剧上升，曾多次出现停水停电等现象，给人们的生产、生活带来极大的不便。而热泵系统还可以采用地下蓄热（冷）槽方式，利用晚上供电低谷时段的低价电能，把提升后的高品 。
 

Fig. 2.Storage heat pump system in Japan

位热量储蓄起来，解决白天热（冷、暖）负荷高峰时段的供给不足问题；达到对城市用电的调峰、节能作用；同时也获得可观的经济效益。这在日本“光之丘”社区的集中供冷暖系统中取得了很好的效果（见图2 所示：利用当地垃圾焚烧工厂的发电冷却水与高压电缆线的冷却水等低位热能，由热泵蓄热系统利用半夜低价电蓄热供暖^[3]）。本研究把井下水作为低温热源的热泵系统充分利用了地下水中丰富的能量，其能量输入与输出之比：供热状态约1:4.2,制冷状态约1:5.8，比普通空调节约能源约4～5倍。而且，地热利用型热泵技术的潜在用途比单纯用于房屋空调要广泛的多。在北方或较寒冷地区，可利用蓄热式热泵系统，把数个热泵串联起来，或利用热泵总站与分站的组合方式，产生一种阶梯式的增温效果，克服单个热泵供热量的不足；同时也可纳入区域集中供暖系统中去。这也是本课题今后的研究目标。

通过利用低温地热，节约大量的一次能源，以减少大气污染，也缓解了城市能源不足的紧张局面。

3、回灌补充地下水，健全水文生态系统

水资源是生态环境的基本要素，是生态环境系统结构与功能的组成部分。水以其存在形态与系统内部各要素之间发生着有机的联系，构成生态系统的形态结构，并作为营养物质和能量传递的载体，构成系统的营养结构^[4]。水在生态系统中永无休止的运动，必然产生系统与外部环境之间的物质循环和能量的转换，因而形成系统功能。水在生态系统结构与功能中的地位与作用是其他任何物质无法取代的。因此水资源的合理开发和利用与生态环境的保护密切相关。近年来，由于地表水污染严重，人们大量开采地下水，使地下水量急剧减少，地下水位逐年降低；特别是随着城市化进程的加快，大量城市建筑物及道路构筑了大量的不透水表面，改变了水的自然循环方式^[5]，绝大部分雨水以径流的形式排入到附近的水体中。径流量大大增加，下渗量却大大减少，地下水不能及时得到补充从而导致地质结构发生了显著的变化，地基承载力减弱，出现了地面裂缝、沉降等现象。例如，浙江省嘉兴市40年来，地面沉降累计达81.4厘米，其周围城镇如海宁、桐乡、海盐、嘉善等县城地面沉降也均超过50厘米，沉降总面积达2000平方公里，与苏、锡、常、沪形成了一个沉降区。北京自1996年以来，地面正以10-20mm/a的速度下沉。在胶东半岛尤为突出，曾多次出现整体房物倒塌，省级公路塌陷，给人们的生命财产造成很大的威胁。这与采矿过程中大量的地下水直接排放，没有采取任何回灌的措施，有很大的关系。于是，本工程不仅利用地下水所蕴含的热能来制冷、供暖，更重要的是从生态学的角度、从水的自然循环特性出发，将井下水经过低温热利用后的洗矿废水再处理，重新回灌地下。既避免了对环境的污染，又及时补充地下水，健全了水文生态系统，实现了水的全循环过程。地下水回灌方式很多，有多孔管渗透，渗井、渗渠等。我们结合当地的实际情况和生产工艺，将废水与井下充填材料混合进行充填，剩下的废水80m³/h采用渗井与多孔管相结合的回灌方式，其示意图如下：

Fig. 3. Method of water infiltration

该矿区地面标高为33～44米，地下水位25～30米，渗透系数为16m/d。设计下渗水量是80m³/h，渗井直径为5米、高6米；采用12根Φ159×4.5的无缝钢管，每根长度为40米，孔口出口平均流速为0.01m/s；经计算每根开孔数是2614个，管上开三排孔，孔眼错开，孔直径d=3cm，孔间距为6cm，完成满足设计要求。

4　可持续发展的思考

从这个工程实例可以看出，采用生态学的物质循环原理和生态经济观念，利用先进的科学技术和人为的基础设施将生产中出现的废弃物以再循环、再利用的方式可以化废（如低品位能源）为利、化废为宝。开发城市能量的“永恒利用”系统，使物质能量在城市内部循环或综合利用。通过综合利用，不仅可以达到节约能源的目的，而且可以最大限度地减少污染物质的排放。更为重要的是，利用地下水的回灌，使日益匮乏的地下水资源得到了补充，提高了地下水位，阻止或缓解地面下沉，变恶性循环为良性循环，使生态环境大为改善。以达到保证人类社会可持续发展的目的。因此，人们在进行各项生产活动时必须遵循生态规律和经济规律，将社会经济发展的方向和规模，控制在区域资源承载力和环境容量内，真正实现经济、资源、环境的协调发展。