基于热棒移热的储煤堆自燃防治研究现状及进展

2022-07-14陈安明王振平

煤矿现代化 2022年4期

易欣，任瑶，陈安明，王振平，任蕾

（1.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安 710054；2.兖州煤业股份有限公司，山东邹城 237500）

0 引言

煤炭在储运过程中长期面临煤自燃的威胁，据不完全统计，全国规模较大的煤矸石山有2600 多座，占地1.2 万多hm2，目前仍以每年1 亿t 的速度增长[1-2]。持续低温氧化导致煤炭变质，损耗热能，降低煤质；同时，煤炭受环境侵蚀分解，气体产物及化学物质造成周围环境恶化。若不及时干预治理，会对储煤场设备、设施及人员生命安全造成严重威胁。

常用储煤堆防灭火技术如注浆、黄土覆盖等技术施工量大；化学阻化剂与煤堆表面煤体发生反应，影响煤质；注氮和投放干冰方式效率较低，无法达到长期防治效果。热棒是一种利用汽液转换循环实现热量转移的高效换热系统，因其高热导率、低启动温差及优良均温性能等特点[3-5]，国内外学者提出利热棒强化煤堆散热，破坏蓄热环境的思路。本文在分析储煤堆自燃特性的基础上对现有煤堆自燃防治手段进行优缺点分析，综述了热棒技术在煤堆移热中研究现状和存在问题。从储煤堆多场耦合方法、热能高效提取利用及自燃综合防控技术3 个方面对热棒用于储煤堆自燃防治的研究趋势进行展望。

1 储煤堆自燃特性及防治措施

煤自燃需要以下4 个条件[6]：①浮煤状态条件；②热量积聚条件；③氧供应量充足条件；④时空条件（足够的自热期）见图1。

图1 煤自燃条件

1.1 煤堆自燃特性

煤自燃是温度场、空气渗流、化学反应和裂隙结构场耦合作用结果，宏观表现为热量升高、气体产生以及煤微观结构的变化图2 所示。从微观角度分析煤自燃过程，则可描述为氧与煤分子间的煤氧吸附、活化吸附和高温燃烧3 个阶段[7-8]。

煤氧吸附阶段：此阶段煤处于缓慢氧化状态，煤在氧化的过程中吸附氧气，发生链式反应，从而放出热量，但煤温升幅度微乎其微。此阶段内煤官能团发生变化[9]，化学活性增强。

图2 储煤堆自燃多场耦合作用机制

活化吸附阶段：准备期后，煤温升高，煤化学活性增强，氧化反应进一步加快，煤堆局部区域热量蓄积，煤温介于煤自燃临界温度与裂解温度之间。

高温燃烧阶段：到达裂解温度后，储煤堆高温蓄热区开始燃烧，出现烟雾、明火等现象，且伴随着各类气体的扩散，发出刺鼻的火灾气味。

根据煤堆自燃阶段特征及影响因素来采取防治措施，煤岩煤化程度及微观结构只与其种类有关，难以进行人为干预。作为可管控因素，环境温度、风流强度、漏风强度（孔隙率）是煤堆自燃防控重点考虑因素。

1.2 常规防治措施

煤堆自燃防控主要从“隔氧”角度出发，在自热区喷洒阻化剂，在自燃区进行充填、灌浆、注胶，在高温区域注N2、CO2等方法进行储煤堆自燃防控，常规防控理论与方法见表1。但大量研究与实践证实，仅从单一影响因素进行煤自燃的防控存在局限性[10]。

2 热棒用于煤堆移热的机理及优势

热棒作为无源冷却系统，在寒区工程、冻土路基、荒漠化治理、油气开采、低温储存等领域均得到了广泛推广应用。热棒可以通过强化散热破坏储煤堆蓄热环境，进而对储煤堆自燃进行防控，故其作为煤火防治领域新的手段亟待开发。

表1 常规储煤堆自燃防治方法

如图3 所示，自然条件下，煤与热管间温度梯度促使热棒内腔液体工质在蒸发段吸热汽化；在管内压差驱动力下流动至冷凝段液化，凝珠回流至蒸发段再次吸热，将大气中的冷量持续输入煤堆，从而破坏煤堆蓄热环境。

图3 热棒工作原理示意图

其应用于煤堆自燃防控时具有以下技术优势：①热导系数极高：热棒热导系数是金属铜的600 多倍；②等温性能优良：液体工质相变过程能最大程度保持两端温度分布均匀[11]；③热响应性优良：汽态工质在压差作用下传输速度接近音速，极大缩减热管启动时间[12]；④热流密度可变：热棒可在吸热面积较小的情况下以较大冷凝面积输出；⑤环境适应性强：热棒可通过材料结构、布置方式等参数设计与工程相适应。

3 热棒强化煤堆散热研究现状

国内外学者基于热棒强化煤堆散热构想，通过实验测试进行了大量研究。2010 年，Schmidt[13]等利用热棒进行煤田火区地下煤火防控研究；邓军[14]，屈锐[15]等发现热棒布置间距、插入深度以及倾角等因素均会影响其降温效果（图4）党逸峰[16]，王力伟[17]等发现不同类型热棒换热性能依次为：翅片管>光管>自然冷却；2020 年李贝[18]证实热棒可以持续加快煤堆热量散失，如图5 所示，且煤堆内部温度分布场随着与热棒边缘距离增大趋势后趋于稳定。

图4 煤堆温度曲线随时间的变化关系[15]

图5 测试装置[18]

储煤堆低温氧化进程较慢，不可控干扰因素较多，实验周期过长会导致数据冗杂，影响实验精度。由于煤堆自然堆积状态下热源分布情况复杂，基于物理实验，学者采用数值模拟方法开展了研究。1981年，M.Shiraish 等[19]最先在重力热管的热导机理基础上提出了与实验数据高度吻合的简明数学模型；卫红[20]、徐舜华[21]等推导了热管热阻及传热能力量化表达式；马砺[22]等通过分析热棒在煤堆中热周转过程，建立了热棒热阻网络、传热功率的数学表达式；2019 年冯乾[23]依据热管传热模型进头发热管参数设计。李贝[24]得到单根、双根热棒作用下的温度场分布情况，验证了基于煤自燃防灭火热棒移热降温性能的实验结果；陈清华[25]，孙美华[26]等建立煤堆热棒复合传热系统，发现重力热管距热源越近，煤堆高温区域湿度相对越低；王皎[27]通过建立风力驱动下的三维非稳态煤堆自燃模型，对热棒插入深度、布置角度和布置间距进行了参数优化；2020 年程方明[28]模拟发现煤堆热量传导路径在热棒作用下改变,热棒可使温度等值线向热端移动。

4 发展趋势

4.1 基于热棒移热的煤堆多场耦合方法

储煤堆自然发火期过长导致全过程实验难以实施，受空间和环境条件限制，且无法完全反映热棒作用于储煤堆时的空气渗流场、温度分布场、化学反应等物理化学场自燃演化过程中热力、动力学规律。因此，在利用数值模拟手段时需要针对煤堆裂隙结构、温度及化学反应场构建基于多场耦合的数学[32-33]。

式中：Δ 为Hamilton 算子；p为压力，Pa；μ为空气动力粘度，Pa·s；k为煤堆渗透系数；A为指前因子；E为煤岩反应活化能，kJ/mol；R为气体普适常数，（J/mol·K）；λeff为松散煤体等效导热系数，W/（m·K）；λg为空气热导系数，λs为煤岩热导系数，W/（m·K）。

目前可实现煤堆－热棒系统的数值模拟途径主要为COMSOL 和FIUENT 软件。COMSOL 软件可以实现瞬态解算组分运移场、温度场及渗流速度场3 场耦合作用下的煤堆内部温度场分布[34]，但在体现描述流场的渗流规律，解释多孔介质煤与流体氧之间运移轨迹方面稍有欠缺。FLUENT 软件模拟煤堆内部流体在固态间的渗流规律[35]，计算出煤堆内部温度场分布，并通过节点设置划定最终的高温易燃区域，但不能体现多物理场耦合作用下的煤堆内部温度场变化规律。因此，需要，研究适用于煤堆移热的多场耦合方法，揭示煤堆非控自燃规律。

4.2 基于热棒的储煤堆热能高效提取利用方法

煤堆自燃防控实施方法主要考虑了热量转移及散失，而没有考虑热能利用。尹岚[29]将温差发电装置与热棒冷凝段紧凑固定，发现随着热源温度升高，负载电压呈一次线型递减。苏贺涛[30]通过设计了工程测试装置，随用电设备电压需求增大，增加温差发电元件串联数量可以提高系统输出功率。由于温差发电设计电子元件热电转化效率不够理想，且运行条件受限制，需要进一步研究储煤堆热能高效提取利用方法。

图6 自循环水冷分布式煤火热能提取与温差发电系统示意图[32]

4.3 基于热棒的储煤堆自燃综合防控技术

破坏煤堆内部蓄热环境和阻隔氧气渗入通道是进行煤堆自燃防控的重点[31]。煤堆自燃产生的热量不仅仅从移热角度分析，还需要综合考虑气候、储煤量及与煤堆压实程度等因素。因此，应聚焦于储煤堆自燃综合防控体系和技术研究，利用控风-压实-储煤时间-热棒布置工艺等进行综合考虑，采用热棒强化散热同时，配防灭火措施，提高煤堆自燃防灭火工程经济及有效性。