基于熱棒移熱的儲(chǔ)煤堆自燃防治研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

易 欣，任 瑤，陳安明，王振平，任 蕾

（1.西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.兗州煤業(yè)股份有限公司，山東 鄒城 237500）

0 引 言

煤炭在儲(chǔ)運(yùn)過程中長(zhǎng)期面臨煤自燃的威脅，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國規(guī)模較大的煤矸石山有2600 多座，占地1.2 萬多hm2，目前仍以每年1 億t 的速度增長(zhǎng)[1-2]。持續(xù)低溫氧化導(dǎo)致煤炭變質(zhì)，損耗熱能，降低煤質(zhì)；同時(shí)，煤炭受環(huán)境侵蝕分解，氣體產(chǎn)物及化學(xué)物質(zhì)造成周圍環(huán)境惡化。若不及時(shí)干預(yù)治理，會(huì)對(duì)儲(chǔ)煤場(chǎng)設(shè)備、設(shè)施及人員生命安全造成嚴(yán)重威脅。

常用儲(chǔ)煤堆防滅火技術(shù)如注漿、黃土覆蓋等技術(shù)施工量大；化學(xué)阻化劑與煤堆表面煤體發(fā)生反應(yīng)，影響煤質(zhì)；注氮和投放干冰方式效率較低，無法達(dá)到長(zhǎng)期防治效果。熱棒是一種利用汽液轉(zhuǎn)換循環(huán)實(shí)現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移的高效換熱系統(tǒng)，因其高熱導(dǎo)率、低啟動(dòng)溫差及優(yōu)良均溫性能等特點(diǎn)[3-5]，國內(nèi)外學(xué)者提出利熱棒強(qiáng)化煤堆散熱，破壞蓄熱環(huán)境的思路。本文在分析儲(chǔ)煤堆自燃特性的基礎(chǔ)上對(duì)現(xiàn)有煤堆自燃防治手段進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)分析，綜述了熱棒技術(shù)在煤堆移熱中研究現(xiàn)狀和存在問題。從儲(chǔ)煤堆多場(chǎng)耦合方法、熱能高效提取利用及自燃綜合防控技術(shù)3 個(gè)方面對(duì)熱棒用于儲(chǔ)煤堆自燃防治的研究趨勢(shì)進(jìn)行展望。

1 儲(chǔ)煤堆自燃特性及防治措施

煤自燃需要以下4 個(gè)條件[6]：①浮煤狀態(tài)條件；②熱量積聚條件；③氧供應(yīng)量充足條件；④時(shí)空條件（足夠的自熱期）見圖1。

圖1 煤自燃條件

1.1 煤堆自燃特性

煤自燃是溫度場(chǎng)、空氣滲流、化學(xué)反應(yīng)和裂隙結(jié)構(gòu)場(chǎng)耦合作用結(jié)果，宏觀表現(xiàn)為熱量升高、氣體產(chǎn)生以及煤微觀結(jié)構(gòu)的變化圖2 所示。從微觀角度分析煤自燃過程，則可描述為氧與煤分子間的煤氧吸附、活化吸附和高溫燃燒3 個(gè)階段[7-8]。

煤氧吸附階段：此階段煤處于緩慢氧化狀態(tài)，煤在氧化的過程中吸附氧氣，發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，從而放出熱量，但煤溫升幅度微乎其微。此階段內(nèi)煤官能團(tuán)發(fā)生變化[9]，化學(xué)活性增強(qiáng)。

圖2 儲(chǔ)煤堆自燃多場(chǎng)耦合作用機(jī)制

活化吸附階段：準(zhǔn)備期后，煤溫升高，煤化學(xué)活性增強(qiáng)，氧化反應(yīng)進(jìn)一步加快，煤堆局部區(qū)域熱量蓄積，煤溫介于煤自燃臨界溫度與裂解溫度之間。

高溫燃燒階段：到達(dá)裂解溫度后，儲(chǔ)煤堆高溫蓄熱區(qū)開始燃燒，出現(xiàn)煙霧、明火等現(xiàn)象，且伴隨著各類氣體的擴(kuò)散，發(fā)出刺鼻的火災(zāi)氣味。

根據(jù)煤堆自燃階段特征及影響因素來采取防治措施，煤巖煤化程度及微觀結(jié)構(gòu)只與其種類有關(guān)，難以進(jìn)行人為干預(yù)。作為可管控因素，環(huán)境溫度、風(fēng)流強(qiáng)度、漏風(fēng)強(qiáng)度（孔隙率）是煤堆自燃防控重點(diǎn)考慮因素。

1.2 常規(guī)防治措施

煤堆自燃防控主要從“隔氧”角度出發(fā)，在自熱區(qū)噴灑阻化劑，在自燃區(qū)進(jìn)行充填、灌漿、注膠，在高溫區(qū)域注N2、CO2等方法進(jìn)行儲(chǔ)煤堆自燃防控，常規(guī)防控理論與方法見表1。但大量研究與實(shí)踐證實(shí)，僅從單一影響因素進(jìn)行煤自燃的防控存在局限性[10]。

2 熱棒用于煤堆移熱的機(jī)理及優(yōu)勢(shì)

熱棒作為無源冷卻系統(tǒng)，在寒區(qū)工程、凍土路基、荒漠化治理、油氣開采、低溫儲(chǔ)存等領(lǐng)域均得到了廣泛推廣應(yīng)用。熱棒可以通過強(qiáng)化散熱破壞儲(chǔ)煤堆蓄熱環(huán)境，進(jìn)而對(duì)儲(chǔ)煤堆自燃進(jìn)行防控，故其作為煤火防治領(lǐng)域新的手段亟待開發(fā)。

表1 常規(guī)儲(chǔ)煤堆自燃防治方法

如圖3 所示，自然條件下，煤與熱管間溫度梯度促使熱棒內(nèi)腔液體工質(zhì)在蒸發(fā)段吸熱汽化；在管內(nèi)壓差驅(qū)動(dòng)力下流動(dòng)至冷凝段液化，凝珠回流至蒸發(fā)段再次吸熱，將大氣中的冷量持續(xù)輸入煤堆，從而破壞煤堆蓄熱環(huán)境。

圖3 熱棒工作原理示意圖

其應(yīng)用于煤堆自燃防控時(shí)具有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：①熱導(dǎo)系數(shù)極高：熱棒熱導(dǎo)系數(shù)是金屬銅的600 多倍；②等溫性能優(yōu)良：液體工質(zhì)相變過程能最大程度保持兩端溫度分布均勻[11]；③熱響應(yīng)性優(yōu)良：汽態(tài)工質(zhì)在壓差作用下傳輸速度接近音速，極大縮減熱管啟動(dòng)時(shí)間[12]；④熱流密度可變：熱棒可在吸熱面積較小的情況下以較大冷凝面積輸出；⑤環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)：熱棒可通過材料結(jié)構(gòu)、布置方式等參數(shù)設(shè)計(jì)與工程相適應(yīng)。

3 熱棒強(qiáng)化煤堆散熱研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外學(xué)者基于熱棒強(qiáng)化煤堆散熱構(gòu)想，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試進(jìn)行了大量研究。2010 年，Schmidt[13]等利用熱棒進(jìn)行煤田火區(qū)地下煤火防控研究；鄧軍[14]，屈銳[15]等發(fā)現(xiàn)熱棒布置間距、插入深度以及傾角等因素均會(huì)影響其降溫效果（圖4）黨逸峰[16]，王力偉[17]等發(fā)現(xiàn)不同類型熱棒換熱性能依次為：翅片管>光管>自然冷卻；2020 年李貝[18]證實(shí)熱棒可以持續(xù)加快煤堆熱量散失，如圖5 所示，且煤堆內(nèi)部溫度分布場(chǎng)隨著與熱棒邊緣距離增大趨勢(shì)后趨于穩(wěn)定。

圖4 煤堆溫度曲線隨時(shí)間的變化關(guān)系[15]

圖5 測(cè)試裝置[18]

儲(chǔ)煤堆低溫氧化進(jìn)程較慢，不可控干擾因素較多，實(shí)驗(yàn)周期過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)冗雜，影響實(shí)驗(yàn)精度。由于煤堆自然堆積狀態(tài)下熱源分布情況復(fù)雜，基于物理實(shí)驗(yàn)，學(xué)者采用數(shù)值模擬方法開展了研究。1981年，M.Shiraish 等[19]最先在重力熱管的熱導(dǎo)機(jī)理基礎(chǔ)上提出了與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)高度吻合的簡(jiǎn)明數(shù)學(xué)模型；衛(wèi)紅[20]、徐舜華[21]等推導(dǎo)了熱管熱阻及傳熱能力量化表達(dá)式；馬礪[22]等通過分析熱棒在煤堆中熱周轉(zhuǎn)過程，建立了熱棒熱阻網(wǎng)絡(luò)、傳熱功率的數(shù)學(xué)表達(dá)式；2019 年馮乾[23]依據(jù)熱管傳熱模型進(jìn)頭發(fā)熱管參數(shù)設(shè)計(jì)。李貝[24]得到單根、雙根熱棒作用下的溫度場(chǎng)分布情況，驗(yàn)證了基于煤自燃防滅火熱棒移熱降溫性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；陳清華[25]，孫美華[26]等建立煤堆熱棒復(fù)合傳熱系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)重力熱管距熱源越近，煤堆高溫區(qū)域濕度相對(duì)越低；王皎[27]通過建立風(fēng)力驅(qū)動(dòng)下的三維非穩(wěn)態(tài)煤堆自燃模型，對(duì)熱棒插入深度、布置角度和布置間距進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化；2020 年程方明[28]模擬發(fā)現(xiàn)煤堆熱量傳導(dǎo)路徑在熱棒作用下改變,熱棒可使溫度等值線向熱端移動(dòng)。

4 發(fā)展趨勢(shì)

4.1 基于熱棒移熱的煤堆多場(chǎng)耦合方法

儲(chǔ)煤堆自然發(fā)火期過長(zhǎng)導(dǎo)致全過程實(shí)驗(yàn)難以實(shí)施，受空間和環(huán)境條件限制，且無法完全反映熱棒作用于儲(chǔ)煤堆時(shí)的空氣滲流場(chǎng)、溫度分布場(chǎng)、化學(xué)反應(yīng)等物理化學(xué)場(chǎng)自燃演化過程中熱力、動(dòng)力學(xué)規(guī)律。因此，在利用數(shù)值模擬手段時(shí)需要針對(duì)煤堆裂隙結(jié)構(gòu)、溫度及化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)構(gòu)建基于多場(chǎng)耦合的數(shù)學(xué)[32-33]。

式中：Δ 為Hamilton 算子；p為壓力，Pa；μ為空氣動(dòng)力粘度，Pa·s；k為煤堆滲透系數(shù)；A為指前因子；E為煤巖反應(yīng)活化能，kJ/mol；R為氣體普適常數(shù)，（J/mol·K）；λeff為松散煤體等效導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；λg為空氣熱導(dǎo)系數(shù)，λs為煤巖熱導(dǎo)系數(shù)，W/（m·K）。

目前可實(shí)現(xiàn)煤堆－熱棒系統(tǒng)的數(shù)值模擬途徑主要為COMSOL 和FIUENT 軟件。COMSOL 軟件可以實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)解算組分運(yùn)移場(chǎng)、溫度場(chǎng)及滲流速度場(chǎng)3 場(chǎng)耦合作用下的煤堆內(nèi)部溫度場(chǎng)分布[34]，但在體現(xiàn)描述流場(chǎng)的滲流規(guī)律，解釋多孔介質(zhì)煤與流體氧之間運(yùn)移軌跡方面稍有欠缺。FLUENT 軟件模擬煤堆內(nèi)部流體在固態(tài)間的滲流規(guī)律[35]，計(jì)算出煤堆內(nèi)部溫度場(chǎng)分布，并通過節(jié)點(diǎn)設(shè)置劃定最終的高溫易燃區(qū)域，但不能體現(xiàn)多物理場(chǎng)耦合作用下的煤堆內(nèi)部溫度場(chǎng)變化規(guī)律。因此，需要，研究適用于煤堆移熱的多場(chǎng)耦合方法，揭示煤堆非控自燃規(guī)律。

4.2 基于熱棒的儲(chǔ)煤堆熱能高效提取利用方法

煤堆自燃防控實(shí)施方法主要考慮了熱量轉(zhuǎn)移及散失，而沒有考慮熱能利用。尹嵐[29]將溫差發(fā)電裝置與熱棒冷凝段緊湊固定，發(fā)現(xiàn)隨著熱源溫度升高，負(fù)載電壓呈一次線型遞減。蘇賀濤[30]通過設(shè)計(jì)了工程測(cè)試裝置，隨用電設(shè)備電壓需求增大，增加溫差發(fā)電元件串聯(lián)數(shù)量可以提高系統(tǒng)輸出功率。 由于溫差發(fā)電設(shè)計(jì)電子元件熱電轉(zhuǎn)化效率不夠理想，且運(yùn)行條件受限制，需要進(jìn)一步研究?jī)?chǔ)煤堆熱能高效提取利用方法。

圖6 自循環(huán)水冷分布式煤火熱能提取與溫差發(fā)電系統(tǒng)示意圖[32]

4.3 基于熱棒的儲(chǔ)煤堆自燃綜合防控技術(shù)

破壞煤堆內(nèi)部蓄熱環(huán)境和阻隔氧氣滲入通道是進(jìn)行煤堆自燃防控的重點(diǎn)[31]。煤堆自燃產(chǎn)生的熱量不僅僅從移熱角度分析，還需要綜合考慮氣候、儲(chǔ)煤量及與煤堆壓實(shí)程度等因素。因此，應(yīng)聚焦于儲(chǔ)煤堆自燃綜合防控體系和技術(shù)研究，利用控風(fēng)-壓實(shí)-儲(chǔ)煤時(shí)間-熱棒布置工藝等進(jìn)行綜合考慮，采用熱棒強(qiáng)化散熱同時(shí)，配防滅火措施，提高煤堆自燃防滅火工程經(jīng)濟(jì)及有效性。

5 結(jié)論及展望

1）結(jié)合儲(chǔ)煤堆自燃形成機(jī)理及影響因素闡述了儲(chǔ)煤堆自燃特性，闡明了熱棒在儲(chǔ)煤堆高溫蓄熱區(qū)移熱過程中的作用機(jī)理及技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

2）基于熱棒技術(shù)的儲(chǔ)煤堆自燃防控研究應(yīng)將實(shí)驗(yàn)測(cè)試、數(shù)值模擬方法之間的相互補(bǔ)充及驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)煤堆高溫區(qū)動(dòng)態(tài)判定及熱棒移熱關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化。

4）基于熱棒移熱技術(shù)闡述了儲(chǔ)煤堆多場(chǎng)耦合方法、熱能高效提取利用及自燃綜合防控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，以實(shí)現(xiàn)煤堆自燃防控與熱能高效利用的一體化。