基于熱棒移熱的儲煤堆自燃防治研究現狀及進展

易 欣，任 瑤，陳安明，王振平，任 蕾

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

0 引 言

煤炭在儲運過程中長期面臨煤自燃的威脅，據不完全統計，全國規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[1-2]。持續低溫氧化導致煤炭變質，損耗熱能，降低煤質；同時，煤炭受環境侵蝕分解，氣體產物及化學物質造成周圍環境惡化。若不及時干預治理，會對儲煤場設備、設施及人員生命安全造成嚴重威脅。

常用儲煤堆防滅火技術如注漿、黃土覆蓋等技術施工量大；化學阻化劑與煤堆表面煤體發生反應，影響煤質；注氮和投放干冰方式效率較低，無法達到長期防治效果。熱棒是一種利用汽液轉換循環實現熱量轉移的高效換熱系統，因其高熱導率、低啟動溫差及優良均溫性能等特點[3-5]，國內外學者提出利熱棒強化煤堆散熱，破壞蓄熱環境的思路。本文在分析儲煤堆自燃特性的基礎上對現有煤堆自燃防治手段進行優缺點分析，綜述了熱棒技術在煤堆移熱中研究現狀和存在問題。從儲煤堆多場耦合方法、熱能高效提取利用及自燃綜合防控技術3 個方面對熱棒用于儲煤堆自燃防治的研究趨勢進行展望。

1 儲煤堆自燃特性及防治措施

煤自燃需要以下4 個條件[6]：①浮煤狀態條件；②熱量積聚條件；③氧供應量充足條件；④時空條件（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、空氣滲流、化學反應和裂隙結構場耦合作用結果，宏觀表現為熱量升高、氣體產生以及煤微觀結構的變化圖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 個階段[7-8]。

煤氧吸附階段：此階段煤處于緩慢氧化狀態，煤在氧化的過程中吸附氧氣，發生鏈式反應，從而放出熱量，但煤溫升幅度微乎其微。此階段內煤官能團發生變化[9]，化學活性增強。

圖2 儲煤堆自燃多場耦合作用機制

活化吸附階段：準備期后，煤溫升高，煤化學活性增強，氧化反應進一步加快，煤堆局部區域熱量蓄積，煤溫介于煤自燃臨界溫度與裂解溫度之間。

高溫燃燒階段：到達裂解溫度后，儲煤堆高溫蓄熱區開始燃燒，出現煙霧、明火等現象，且伴隨著各類氣體的擴散，發出刺鼻的火災氣味。

根據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構只與其種類有關，難以進行人為干預。作為可管控因素，環境溫度、風流強度、漏風強度（孔隙率）是煤堆自燃防控重點考慮因素。

1.2 常規防治措施

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

2 熱棒用于煤堆移熱的機理及優勢

熱棒作為無源冷卻系統，在寒區工程、凍土路基、荒漠化治理、油氣開采、低溫儲存等領域均得到了廣泛推廣應用。熱棒可以通過強化散熱破壞儲煤堆蓄熱環境，進而對儲煤堆自燃進行防控，故其作為煤火防治領域新的手段亟待開發。

表1 常規儲煤堆自燃防治方法

如圖3 所示，自然條件下，煤與熱管間溫度梯度促使熱棒內腔液體工質在蒸發段吸熱汽化；在管內壓差驅動力下流動至冷凝段液化，凝珠回流至蒸發段再次吸熱，將大氣中的冷量持續輸入煤堆，從而破壞煤堆蓄熱環境。

圖3 熱棒工作原理示意圖

其應用于煤堆自燃防控時具有以下技術優勢：①熱導系數極高：熱棒熱導系數是金屬銅的600 多倍；②等溫性能優良：液體工質相變過程能最大程度保持兩端溫度分布均勻[11]；③熱響應性優良：汽態工質在壓差作用下傳輸速度接近音速，極大縮減熱管啟動時間[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環境適應性強：熱棒可通過材料結構、布置方式等參數設計與工程相適應。

3 熱棒強化煤堆散熱研究現狀

國內外學者基于熱棒強化煤堆散熱構想，通過實驗測試進行了大量研究。2010 年，Schmidt[13]等利用熱棒進行煤田火區地下煤火防控研究；鄧軍[14]，屈銳[15]等發現熱棒布置間距、插入深度以及傾角等因素均會影響其降溫效果（圖4）黨逸峰[16]，王力偉[17]等發現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]證實熱棒可以持續加快煤堆熱量散失，如圖5 所示，且煤堆內部溫度分布場隨著與熱棒邊緣距離增大趨勢后趨于穩定。

圖4 煤堆溫度曲線隨時間的變化關系[15]

圖5 測試裝置[18]

儲煤堆低溫氧化進程較慢，不可控干擾因素較多，實驗周期過長會導致數據冗雜，影響實驗精度。由于煤堆自然堆積狀態下熱源分布情況復雜，基于物理實驗，學者采用數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機理基礎上提出了與實驗數據高度吻合的簡明數學模型；衛紅[20]、徐舜華[21]等推導了熱管熱阻及傳熱能力量化表達式；馬礪[22]等通過分析熱棒在煤堆中熱周轉過程，建立了熱棒熱阻網絡、傳熱功率的數學表達式；2019 年馮乾[23]依據熱管傳熱模型進頭發熱管參數設計。李貝[24]得到單根、雙根熱棒作用下的溫度場分布情況，驗證了基于煤自燃防滅火熱棒移熱降溫性能的實驗結果；陳清華[25]，孫美華[26]等建立煤堆熱棒復合傳熱系統，發現重力熱管距熱源越近，煤堆高溫區域濕度相對越低；王皎[27]通過建立風力驅動下的三維非穩態煤堆自燃模型，對熱棒插入深度、布置角度和布置間距進行了參數優化；2020 年程方明[28]模擬發現煤堆熱量傳導路徑在熱棒作用下改變,熱棒可使溫度等值線向熱端移動。

4 發展趨勢

4.1 基于熱棒移熱的煤堆多場耦合方法

儲煤堆自然發火期過長導致全過程實驗難以實施，受空間和環境條件限制，且無法完全反映熱棒作用于儲煤堆時的空氣滲流場、溫度分布場、化學反應等物理化學場自燃演化過程中熱力、動力學規律。因此，在利用數值模擬手段時需要針對煤堆裂隙結構、溫度及化學反應場構建基于多場耦合的數學[32-33]。

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

目前可實現煤堆－熱棒系統的數值模擬途徑主要為COMSOL 和FIUENT 軟件。COMSOL 軟件可以實現瞬態解算組分運移場、溫度場及滲流速度場3 場耦合作用下的煤堆內部溫度場分布[34]，但在體現描述流場的滲流規律，解釋多孔介質煤與流體氧之間運移軌跡方面稍有欠缺。FLUENT 軟件模擬煤堆內部流體在固態間的滲流規律[35]，計算出煤堆內部溫度場分布，并通過節點設置劃定最終的高溫易燃區域，但不能體現多物理場耦合作用下的煤堆內部溫度場變化規律。因此，需要，研究適用于煤堆移熱的多場耦合方法，揭示煤堆非控自燃規律。

4.2 基于熱棒的儲煤堆熱能高效提取利用方法

煤堆自燃防控實施方法主要考慮了熱量轉移及散失，而沒有考慮熱能利用。尹嵐[29]將溫差發電裝置與熱棒冷凝段緊湊固定，發現隨著熱源溫度升高，負載電壓呈一次線型遞減。蘇賀濤[30]通過設計了工程測試裝置，隨用電設備電壓需求增大，增加溫差發電元件串聯數量可以提高系統輸出功率。 由于溫差發電設計電子元件熱電轉化效率不夠理想，且運行條件受限制，需要進一步研究儲煤堆熱能高效提取利用方法。

圖6 自循環水冷分布式煤火熱能提取與溫差發電系統示意圖[32]

4.3 基于熱棒的儲煤堆自燃綜合防控技術

破壞煤堆內部蓄熱環境和阻隔氧氣滲入通道是進行煤堆自燃防控的重點[31]。煤堆自燃產生的熱量不僅僅從移熱角度分析，還需要綜合考慮氣候、儲煤量及與煤堆壓實程度等因素。因此，應聚焦于儲煤堆自燃綜合防控體系和技術研究，利用控風-壓實-儲煤時間-熱棒布置工藝等進行綜合考慮，采用熱棒強化散熱同時，配防滅火措施，提高煤堆自燃防滅火工程經濟及有效性。

5 結論及展望

1）結合儲煤堆自燃形成機理及影響因素闡述了儲煤堆自燃特性，闡明了熱棒在儲煤堆高溫蓄熱區移熱過程中的作用機理及技術優勢。

2）基于熱棒技術的儲煤堆自燃防控研究應將實驗測試、數值模擬方法之間的相互補充及驗證，實現儲煤堆高溫區動態判定及熱棒移熱關鍵參數優化。

4）基于熱棒移熱技術闡述了儲煤堆多場耦合方法、熱能高效提取利用及自燃綜合防控技術發展趨勢，以實現煤堆自燃防控與熱能高效利用的一體化。