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用科技降服燃燒千年的“火焰山” 地下煤火變身清潔電能

2018-02-01 12:47:31 科技日報　點擊量：評論 (0)

中國是世界上煤火災害最嚴重的國家，其中又以新疆為甚。如何防治、利用煤火，成為一項世界性難題。遠遠的就能看見陣陣仙氣，靠近則是熱浪撲

中國是世界上煤火災害最嚴重的國家，其中又以新疆為甚。如何防治、利用煤火，成為一項世界性難題。

遠遠的就能看見陣陣“仙氣”，靠近則是熱浪撲面，地面塌陷的洞口隱約可見赤紅的火光，仿佛一扇“地獄之門”隨時將人吞噬……

在烏魯木齊西郊的大泉湖，有一座“火焰山”。2015年4月，大泉湖地表發(fā)生一處塌陷，形成一個直徑約1米的明火塌陷坑，距離最近的住宅小區(qū)僅有200米，引發(fā)公眾恐慌。

如今，這個過火面積達32萬平方米的火區(qū)，打滿了孔洞，一個個管狀設備豎立其上，源源不斷地抽取地下高溫熱量，同時還在產(chǎn)生滋滋的電流。

“通過中國礦業(yè)大學首創(chuàng)的分布式煤田火區(qū)熱能提取新型發(fā)電技術，不僅使地下煤火的熱能得到有效利用，替代鉆孔注水每年還可節(jié)約水資源35.8萬噸。”新疆煤田滅火工程局局長賈新勇告訴科技日報記者。

中國是世界上煤火災害最嚴重的國家，其中又以新疆為甚。地下煤火到底什么樣？煤層自燃如何形成的？如何滅火？記者近日采訪中國礦業(yè)大學和新疆煤田滅火工程局的科技人員，為您揭開新疆地下煤火的秘密。

肆虐全球，沒有國界線的地下火災

地下煤火是煤田火和礦井火總稱。煤火被稱為沒有地理界限的“全球性災難”，在全世界各地都有熊熊燃燒的煤火，專家估計有的煤火已經(jīng)燃燒數(shù)千年。

賈新勇認為，《西游記》中唐僧師徒西天取經(jīng)，路過的火焰山原型可能正是煤田火災。早在1600多年前，北魏地理學家酈道元在《水經(jīng)注》中就有“屈詞二百里有山，夜則火光，晝則但煙”的記載，描述的就是當今新疆庫車、拜城一帶煤田火災。

中國礦業(yè)大學周福寶教授告訴記者，全球每年約有10億噸煤炭被地下煤火燒毀，占世界煤炭消費總量的1/8，相當于全球500個核電站所產(chǎn)能量總和的2.5倍，也超過水力發(fā)電所產(chǎn)能量總和。

在浪費能源的同時，煤火燃燒也釋放大量有毒氣體和煙塵。每年僅地下煤火產(chǎn)生的溫室氣體二氧化碳，就占世界二氧化碳排放量的十分之一。

同時，地表高溫破壞土壤生態(tài)環(huán)境，加劇水土流失和沙漠化，也會導致植被枯萎死亡甚至引發(fā)山林火災；地表高溫還導致土壤釋放有害化學物質(zhì)……這些都會嚴重影響人類健康和生活安全，尤其對煤火區(qū)附近人民會造成威脅。

“我國是世界上煤火災害最嚴重的國家，80%的煤層有自燃傾向，據(jù)不完全統(tǒng)計，1949年以來我國煤火燒毀煤炭資源量30億噸。”周福寶介紹說。

1958年以來，國家在新疆投入10億元，治理大小煤田火區(qū)50處。但是，迄今還有46處煤火在燃，每年有440萬噸的煤炭資源白白被浪費掉。此外，山西、內(nèi)蒙古等煤礦大省也有大量的煤火在燃燒，治理難度相當大。

因此，如何防治、利用煤火，成為一項世界性難題。

“反彈琵琶”，地下煤火變身清潔電能

“治理煤火并不是將火體丟進水里那么簡單，如果用水給一座大山滅火，那么用水量可能超過當?shù)氐乃Y源總量。因此，亟須研究如何利用最少的資源來解決這個問題。”英國皇家工程院院士、國際火災安全科學學會副主席卡倫強調(diào)。

“以大泉湖為例，完全依靠注水灌漿，需要近400萬噸水，這對新疆這個缺水干旱的地區(qū)來說，代價相當大。”賈新勇說道。

然而，面對燃燒數(shù)千年的煤火，目前并沒有太多的好辦法，常規(guī)手段仍然是最傳統(tǒng)的滅火方法：遇地表明火就直接剝離用挖掘機挖出火源，或用黃土覆蓋；有地下暗火則打孔注水灌漿，注水是為了降溫滅火，灌漿是填充地下裂隙。

由于地下煤火從形成到燃燒已有數(shù)十年、上百年，甚至上千年，地下積聚了大量的熱，很難消散；傳統(tǒng)的手段消耗了大量的水資源，但是降溫效果有限，火區(qū)難以徹底熄滅。

2016年起，周福寶教授提出了地下煤火熱能利用新理念，將煤火防治與熱害的資源化利用協(xié)同考慮，實現(xiàn)由“治”到“用”的根本性轉變。他研發(fā)了分布式煤田火區(qū)熱能提取溫差發(fā)電新技術，利用熱電材料將地下煤火的熱能直接轉換為清潔電能。

這個設備主要由熱量提取系統(tǒng)和溫差發(fā)電系統(tǒng)兩部分組成；熱量提取系統(tǒng)，由放入鉆孔中的鋁管和鋁管中導熱介質(zhì)組成；溫差發(fā)電系統(tǒng)，采用溫差發(fā)電的形式，利用硅油提取上來的熱量在發(fā)電片的熱端產(chǎn)生高溫并與和散熱水箱接觸的冷端形成溫差，從而達到發(fā)電的目的。

該技術在熱電轉換過程中具備無額外的能源輸入、無污染、無噪音、設備體積小、安全可靠等優(yōu)點。目前，已經(jīng)完成了第四代產(chǎn)品的研發(fā)，煤火區(qū)單孔最高發(fā)電功率達到了2105瓦，提取火區(qū)熱能181.6千瓦。

“我們在大泉湖火區(qū)的工程應用成效已經(jīng)顯現(xiàn)。按100個鉆孔計算，每小時發(fā)電功率可達205千瓦，每年產(chǎn)生電能價值147.2萬元；此外，節(jié)約大量水資源，并減輕燃燒產(chǎn)生的酸堿性化合物、有毒物質(zhì)污染地下水，減少大量有毒有害氣體排放，對生態(tài)環(huán)境保護作出了貢獻。”周福寶說。

多管齊下，降服地下火龍還需科學探究

“新疆多風少雨干旱，稍不注意就會引發(fā)煤火，地下巷道燒塌了后又與地面裂隙形成供氧通道越燒越旺，大量的水注下去有時就流到別處去了……”

與煤火周旋了多年的賈新勇感嘆到，撲滅煤火遠不是想象的那么簡單。

“當前煤田火災研究中尚存在以下三個方面的問題：大面積煤層貧氧燃燒、煤火發(fā)展狀態(tài)不明、煤巖體賦存大量熱量。”煤礦瓦斯與火災防治教育部重點實驗室主任、中國礦業(yè)大學王德明教授說，針對這三方面問題，經(jīng)過多年研究，目前已初步形成三方面成果：煤田火災的形成機理及貧氧燃燒特性，煤田火災的磁、電異常特征及綜合探測方法和煤田火災的高效治理技術。

王德明說，煤炭的成分很復雜，不同地區(qū)、不同類型的煤炭各不相同，通過對世界上主要煤炭進行分析，他們研究出130多種煤炭燃燒機理，并且發(fā)現(xiàn)含氧量3%是個分水嶺，超過就會引發(fā)煤火。

根據(jù)研究，他們還發(fā)現(xiàn)煤火燃燒地區(qū)的地磁和電阻都發(fā)生改變，因此不論地表是否能看見煙火，都可以用磁電綜合探測方法準確地找到地下煤火的位置。

在基礎理論的指導下，王德明團隊也探索出一套較成熟的煤火治理技術體系。他們采用的多相介質(zhì)滅火效果顯著，據(jù)實地檢測，當泡沫狀的多相介質(zhì)接觸到煤火后，火區(qū)溫度迅速降低，在10秒內(nèi)由800℃降低到105℃，極大地節(jié)約了滅火用水。

目前，中國礦業(yè)大學國際地下煤火防治與利用項目已列入國家“111計劃”，匯集了來自美、澳、德等國多個學科的科學家，以期通過國際合作，在煤火燃燒機理及產(chǎn)物的環(huán)境影響、地下煤火熱能資源的綜合化利用等方面取得突破。

“目前，我們正在和南非進行商談，探討如何應用于金礦等深井，改善礦工的工作環(huán)境。”周福寶介紹說，這套技術裝備可靠，溫差高于20攝氏度就可以用它發(fā)電，可應用于其他地熱開采領域，比如干熱巖等。賈新勇也透露，這項研究成果今年將在新疆缺水少電的托克遜烏尊布拉克煤田火區(qū)，進一步推廣應用。（記者張曄）