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)

中國(guó)地浸鈾礦多地處偏遠(yuǎn)、嚴(yán)寒地區(qū)，市政配套設(shè)施較差，供熱熱源多采用獨(dú)立運(yùn)行的燃煤鍋爐、電鍋爐等設(shè)施。隨著國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略的實(shí)施，綠色低碳成為中國(guó)鈾礦冶發(fā)展的必然要求，地浸鈾礦的供暖方式也由燃煤鍋爐逐步向煤改氣、空氣源熱泵等方式轉(zhuǎn)換。

目前世界各國(guó)研究人員開展了大量的取熱技術(shù)研究工作，研究成果多集中在海水[1-2]、污水[3]和地?zé)崴睦玫确矫?。劉洋等人[4]為解決地下水源熱泵系統(tǒng)水質(zhì)超標(biāo)腐蝕機(jī)組、含砂量高難以回灌等問題，引入中間換熱池，實(shí)際項(xiàng)目運(yùn)行效果良好。宋偉等[5]針對(duì)熱源井抽灌同井連續(xù)取/放熱特性進(jìn)行的研究表明，抽灌同井在試驗(yàn)條件下對(duì)取熱工況更加敏感，取熱比放熱更為困難；在連續(xù)取熱工況下，含水層受到外界初次干擾的影響更為明顯。

由于地浸采鈾的行業(yè)特殊性，未見地浸液取熱技術(shù)的相關(guān)研究報(bào)道。地浸液取熱技術(shù)省略了抽水井、回灌井的能量采集環(huán)節(jié)，更類似于地表水地源熱泵系統(tǒng)；但水質(zhì)指標(biāo)又不同于江、河、湖、海等地表水系統(tǒng)。相比于地表水，地浸液水溫低、溫差小，取熱難度大，地浸液水質(zhì)差，取熱設(shè)備易腐蝕。地浸液所含地?zé)崮苁欠駶M足工程供熱需求，地浸液取熱是否影響工藝生產(chǎn)等問題有待研究。鑒于目前國(guó)內(nèi)在地浸液取熱技術(shù)及利用方面研究較少，筆者擬對(duì)地浸液取熱和換熱材料選擇等問題進(jìn)行深入研究。

1 地浸液取熱技術(shù)研究

1.1 地浸液水質(zhì)分析

表1 典型鈾礦地浸液水質(zhì)參數(shù)Table 1 Water quality parameters of in-situ leaching solution of typical uranium ores

表2 典型鈾礦地浸液腐蝕性和結(jié)垢性判定Table 2 Determination of corrosive and scaling of in-situ leaching solution of typical uranium ores

由表2可見，各樣本均呈現(xiàn)一定的結(jié)垢性和腐蝕性，尤其是樣本3呈中等結(jié)垢性和強(qiáng)腐蝕性，說明地浸液不能直接作為熱泵低溫側(cè)熱源使用。另外，CO2+O2地浸工藝的浸出液中含有一定量的O2，其腐蝕性也不容忽視。

1.2 地浸液取熱類型劃分

根據(jù)地浸采鈾生產(chǎn)實(shí)際情況，依據(jù)取熱地點(diǎn)差異把熱泵取熱系統(tǒng)劃分為池式取熱、管道取熱、就地取熱3種類型；并根據(jù)取熱是否引入中介流體，把3種類型細(xì)分為6種方式。引入中介流體則稱為閉式或間接取熱，不引入中介流體則稱為開式或直接式取熱，地浸液取熱類型見表3。

表3 地浸液取熱類型Table 3 Heat exchange type of in-situ leaching solution

1.3 地浸液取熱方式比較

1.3.1 系統(tǒng)制熱性能系數(shù)比較

熱泵機(jī)組優(yōu)劣評(píng)價(jià)常用的性能指標(biāo)是熱泵性能系數(shù)(COP)。相同工況下，COP值越大，說明機(jī)組的效率越高。以供熱量500 kW，地浸液流量86 m3/h，熱泵供回水溫差5 ℃為例，按照各方案的最佳配置，計(jì)算各系統(tǒng)的制熱性能系數(shù)(SCOP)值，并進(jìn)行比較，結(jié)果見表4。鑒于深井換熱和垂直地埋管取熱設(shè)備投資及安裝功率基本相同，此處合并比較。

表4 地浸液取熱方案運(yùn)行功率及制熱性能系數(shù)比較Table 4 Comparison of operating power and heating performance coefficient of ground immersion heat extraction scheme

由表4可知：方案3由于地浸液直接進(jìn)入機(jī)組，蒸發(fā)溫度相對(duì)較高，系統(tǒng)制熱性能系數(shù)最高，SCOP值為4.33。方案4與方案3相比，增加了中間換熱器，其系統(tǒng)總安裝功率約增加2.4%，SCOP約降低2.5%。但考慮直接取熱可能造成設(shè)備腐蝕、結(jié)垢等問題，故SCOP分析得出方案從優(yōu)到劣依次為方案4、方案3、方案2、方案1和方案5。

1.3.2 供熱方案全壽命周期成本分析

水源熱泵系統(tǒng)成本可分3類[9]：1)系統(tǒng)運(yùn)行前所發(fā)生的成本，即初始投資(IC)；2)系統(tǒng)運(yùn)行周期內(nèi)發(fā)生的費(fèi)用，含設(shè)備運(yùn)行電費(fèi)、維護(hù)管理費(fèi)、維修費(fèi)，即運(yùn)行維護(hù)管理費(fèi)(OC)；3)機(jī)組凈殘值(RC)，即預(yù)計(jì)的折舊年限終了時(shí)固定資產(chǎn)殘值減去清理廢棄費(fèi)用后的余額。由于LCC考慮了將來所發(fā)生的成本費(fèi)用，故在計(jì)算運(yùn)行維護(hù)管理費(fèi)時(shí)，應(yīng)考慮時(shí)間價(jià)值，把所有的收入和支出，折現(xiàn)后進(jìn)行比較。在折現(xiàn)計(jì)算中，最常用的方法是凈現(xiàn)值計(jì)算方法，熱泵系統(tǒng)的壽命周期成本(LCC)計(jì)算公式為

LCC=IC+OC-RC，

式中：LCC—熱泵系統(tǒng)的壽命周期成本，萬元；OM—維修費(fèi)，萬元；PR—設(shè)備年運(yùn)行電費(fèi)，萬元；CA—人工費(fèi)，萬元；t—周期長(zhǎng)度，年；n—計(jì)算年的排序數(shù)；X—折現(xiàn)率，%；Y—損壞率，%。

仍以提供500 kW熱負(fù)荷為例，假定運(yùn)行電費(fèi)0.7元/(kW·h)，運(yùn)行人員2人，工資6 000元/(月·人)，主設(shè)備壽命按12 a計(jì)，根據(jù)當(dāng)前的貸款利率，折現(xiàn)率取7%，損壞率按每年5%～8%(間接式取5%，其余取8%)計(jì)算。各方案成本初始值見表5。

表5 各取熱方案成本初始值Table 5 Initial cost of each heat extraction scheme

在同樣換熱條件下，各方案的全壽命周期成本見表6。壽命周期按12年考慮。

表6 各取熱方案的全壽命周期成本Table 6 Life cycle cost of each extraction scheme 萬元

從表6可見，方案4的全壽命周期成本最低，為411.4萬元；方案5的全壽命周期成本最高，為583.8萬元。故全壽命周期成本從低到高依次為方案4、方案2、方案3、方案1和方案5。

1.4 推薦的取熱方式

根據(jù)各方案的系統(tǒng)性能系數(shù)(SCOP)、全壽命周期成本(LCC)分析，結(jié)合各指標(biāo)的影響程度，得出方案4(間接式管道取熱)最優(yōu)，方案4可作為地浸液源熱泵取熱系統(tǒng)的首選方式。

2 金屬熱交換材料選擇

內(nèi)蒙古某地浸鈾礦試驗(yàn)基地率先使用地浸液為地表建筑供暖，在水源熱泵供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行方面先行先試，取得了寶貴的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。水源熱泵供暖技術(shù)結(jié)合工藝生產(chǎn)“溶浸液注入—鈾金屬浸出—地浸液抽出—地浸液處理—溶浸液再注入”的流程，實(shí)現(xiàn)了“溶浸液注入—載帶地?zé)帷亟撼槌觥獰岜萌帷芙涸僮⑷搿边^程，通過合理取熱實(shí)現(xiàn)了能源的綜合利用。在熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器選材方面，曾先后采用T2材料、T2鍍鎳等；但均未從根本上解決蒸發(fā)器腐蝕穿孔的問題。

本研究擬根據(jù)納嶺溝地浸液水質(zhì)參數(shù)，結(jié)合常用金屬換熱材料，對(duì)T2(紫銅)、B30(白銅)、316L(不銹鋼)、TA1(鈦鋼)等4種常用換熱金屬進(jìn)行室內(nèi)掛片試驗(yàn)，以評(píng)價(jià)和確定適用于方案4的換熱材料。

結(jié)合該基地地浸液水質(zhì)參數(shù)，模擬地浸液水質(zhì)，共設(shè)計(jì)5組地浸液全浸試驗(yàn)和1組加速全浸試驗(yàn)，2種試驗(yàn)同時(shí)開展。每組試樣4片，共使用試樣288片，試驗(yàn)周期分為10、30、60 d。

2.1 試驗(yàn)環(huán)境

試驗(yàn)環(huán)境見表7～8。

表7 模擬地浸液全浸試驗(yàn)環(huán)境Table 7 Full immersion test environment of simulated in-situ leaching solution

表8 模擬地浸液加速全浸試驗(yàn)環(huán)境Table 8 Accelerated full immersion test environment of simulated in-situ leaching solution

2.2 試驗(yàn)材料

金屬試片規(guī)格為50 mm×25 mm×3 mm，先用1200號(hào)砂紙打磨，再依次用去離子水超聲沖洗10 min、無水丙酮擦洗、吹風(fēng)機(jī)冷風(fēng)吹干，然后放置在干燥器中靜置24 h后稱重備用。

2.3 試驗(yàn)方法

先用失重法測(cè)定每種工況下各種金屬的腐蝕速率；再分別采用VK-X200的激光共聚焦顯微鏡和EJOL掃描電子顯微鏡進(jìn)行微觀形貌觀測(cè)分析。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.4.1 材料失重結(jié)果

全浸腐蝕換熱材料多周期下失重結(jié)果見表9。

表9 換熱材料腐蝕深度Table 9 Corrosion depth of heat exchange material

對(duì)每種金屬材料的3個(gè)平行樣，在試驗(yàn)周期結(jié)束后進(jìn)行除銹，計(jì)算腐蝕前后材料的厚度變化，并使用年腐蝕深度(mm/a)表征失重腐蝕速率[10]。試驗(yàn)研究表明，T2年平均腐蝕深度最為明顯，該種材料在多種情況下的平行試驗(yàn)中都有較大失厚現(xiàn)象產(chǎn)生。B30也在加速全浸狀態(tài)下有較高的年腐蝕速率。316L和TA1在各環(huán)境下的年腐蝕速率相對(duì)較小，且兩者典型腐蝕特點(diǎn)均為點(diǎn)蝕?？傮w看來，材料年腐蝕深度依T2、B30、316L、TA1順序遞減。

2.4.2 形貌觀察

采用激光共聚焦對(duì)多周期除銹后的試片進(jìn)行1 000倍觀察?？梢钥闯?，各種材料在10 d、30 d的環(huán)境中腐蝕類型多為蝕坑形式；但材料整體良好，并未發(fā)生全面腐蝕并損傷基體。經(jīng)過長(zhǎng)周期的多種環(huán)境全浸試驗(yàn)，表面狀態(tài)的變化規(guī)律趨于明顯。對(duì)長(zhǎng)周期(60 d)試驗(yàn)得到的試片的觀察發(fā)現(xiàn)，4種材料在加速全浸環(huán)境下表面狀態(tài)最復(fù)雜，環(huán)境影響較大；在模擬全浸狀態(tài)下次之。

采用掃描電鏡對(duì)T2多周期除銹前試片進(jìn)行500倍觀察。可以看出，T2在10 d各個(gè)環(huán)境全浸試驗(yàn)后，多處于腐蝕產(chǎn)物萌生階段，產(chǎn)物較少，腐蝕產(chǎn)物僅在部分區(qū)域存在。60 d全浸試驗(yàn)后，T2在各種環(huán)境下腐蝕產(chǎn)物均密集分布在材料表面，材料表面腐蝕產(chǎn)物呈塊狀或團(tuán)絮狀，已看不到基體。隨著試驗(yàn)周期的延長(zhǎng)，腐蝕產(chǎn)物由原來的針狀向顆粒狀、塊狀或團(tuán)簇狀發(fā)展，更加均勻密集地分布在材料表面，如圖1所示。

圖1 T2試樣除銹前微觀形貌(全浸60 d)Fig. 1 Microstructure of T2 sample before rust removal (full immersion 60 days)

60 d全浸試驗(yàn)后T2和B30部分環(huán)境表面狀態(tài)破壞嚴(yán)重，TA1、316L存在蝕坑，但整體表面狀態(tài)仍然較好，如圖2、圖3所示。通過對(duì)4種材料的破壞程度對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，多種環(huán)境對(duì)材料的破壞性從高到低依次為T2、B30、316L和TA1。

圖2 T2試樣微觀形貌(全浸60 d, pH=7.5, 45 ℃)Fig. 2 Microstructure of T2 sample (full immersion 60 days, pH=7.5, 45 ℃)

圖3 316L試樣微觀形貌(全浸60 d, pH=7.5, 45 ℃)Fig. 3 Microstructure of 316L sample (full immersion 60 days, pH=7.5, 45 ℃)

2.5 材料綜合性能判定

金屬熱交換材料的選用主要考慮材料的傳熱性能、耐腐蝕性能、價(jià)格、施工工藝，以及工作介質(zhì)、工作溫度、壓力等因素?；谑褂猛还に嚱橘|(zhì)的前提下，將影響金屬性能的比熱阻、腐蝕速率、價(jià)格等關(guān)鍵因素折合為單向趨勢(shì)，進(jìn)一步評(píng)價(jià)金屬性能，并以三者的權(quán)重與位次之積的和作為判定值，判定值越小則性能越好。

由表10可見，316L判定值最低，其次是B30。結(jié)合材料失重?cái)?shù)據(jù)及形貌觀察結(jié)果可知，316L腐蝕速率較低，導(dǎo)熱率適中，價(jià)格較低，可作為金屬熱交換首選材料。

表10 試驗(yàn)金屬主要因素評(píng)價(jià)Table 10 Main factors evaluation of test metal

3 結(jié)論