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借科技“芭蕉扇” 降服燃烧千年的“火焰山”

2018-02-01 16:06:04|来源:科技日报|编辑:于苏燕 |责编:韩东林

  原标题:借科技这把“芭蕉扇” 降服燃烧千年的“火焰山”

(本文图片由受访者提供) 

  中国是世界上煤火灾害最严重的国家,其中又以新疆为甚。如何防治、利用煤火,成为一项世界性难题。

  远远的就能看见阵阵“仙气”,靠近则是热浪扑面,地面塌陷的洞口隐约可见赤红的火光,仿佛一扇“地狱之门”随时将人吞噬……

  在乌鲁木齐西郊的大泉湖,有一座“火焰山”。2015年4月,大泉湖地表发生一处塌陷,形成一个直径约1米的明火塌陷坑,距离最近的住宅小区仅有200米,引发公众恐慌。

  如今,这个过火面积达32万平方米的火区,打满了孔洞,一个个管状设备竖立其上,源源不断地抽取地下高温热量,同时还在产生滋滋的电流。

  “通过中国矿业大学首创的分布式煤田火区热能提取新型发电技术,不仅使地下煤火的热能得到有效利用,替代钻孔注水每年还可节约水资源35.8万吨。”新疆煤田灭火工程局局长贾新勇告诉科技日报记者。

  中国是世界上煤火灾害最严重的国家,其中又以新疆为甚。地下煤火到底什么样?煤层自燃如何形成的?如何灭火?记者近日采访中国矿业大学和新疆煤田灭火工程局的科技人员,为您揭开新疆地下煤火的秘密。

  肆虐全球,没有国界线的地下火灾

  地下煤火是煤田火和矿井火总称。煤火被称为没有地理界限的“全球性灾难”,在全世界各地都有熊熊燃烧的煤火,专家估计有的煤火已经燃烧数千年。

  贾新勇认为,《西游记》中唐僧师徒西天取经,路过的火焰山原型可能正是煤田火灾。早在1600多年前,北魏地理学家郦道元在《水经注》中就有“屈词二百里有山,夜则火光,昼则但烟”的记载,描述的就是当今新疆库车、拜城一带煤田火灾。

  中国矿业大学周福宝教授告诉记者,全球每年约有10亿吨煤炭被地下煤火烧毁,占世界煤炭消费总量的1/8,相当于全球500个核电站所产能量总和的2.5倍,也超过水力发电所产能量总和。

  在浪费能源的同时,煤火燃烧也释放大量有毒气体和烟尘。每年仅地下煤火产生的温室气体二氧化碳,就占世界二氧化碳排放量的十分之一。

  同时,地表高温破坏土壤生态环境,加剧水土流失和沙漠化,也会导致植被枯萎死亡甚至引发山林火灾;地表高温还导致土壤释放有害化学物质……这些都会严重影响人类健康和生活安全,尤其对煤火区附近人民会造成威胁。

  “我国是世界上煤火灾害最严重的国家,80%的煤层有自燃倾向,据不完全统计,1949年以来我国煤火烧毁煤炭资源量30亿吨。”周福宝介绍说。

  1958年以来,国家在新疆投入10亿元,治理大小煤田火区50处。但是,迄今还有46处煤火在燃,每年有440万吨的煤炭资源白白被浪费掉。此外,山西、内蒙古等煤矿大省也有大量的煤火在燃烧,治理难度相当大。

  因此,如何防治、利用煤火,成为一项世界性难题。

  “反弹琵琶”,地下煤火变身清洁电能

  “治理煤火并不是将火体丢进水里那么简单,如果用水给一座大山灭火,那么用水量可能超过当地的水资源总量。因此,亟须研究如何利用最少的资源来解决这个问题。”英国皇家工程院院士、国际火灾安全科学学会副主席卡伦强调。

  “以大泉湖为例,完全依靠注水灌浆,需要近400万吨水,这对新疆这个缺水干旱的地区来说,代价相当大。”贾新勇说道。

  然而,面对燃烧数千年的煤火,目前并没有太多的好办法,常规手段仍然是最传统的灭火方法:遇地表明火就直接剥离用挖掘机挖出火源,或用黄土覆盖;有地下暗火则打孔注水灌浆,注水是为了降温灭火,灌浆是填充地下裂隙。

  由于地下煤火从形成到燃烧已有数十年、上百年,甚至上千年,地下积聚了大量的热,很难消散;传统的手段消耗了大量的水资源,但是降温效果有限,火区难以彻底熄灭。

  2016年起,周福宝教授提出了地下煤火热能利用新理念,将煤火防治与热害的资源化利用协同考虑,实现由“治”到“用”的根本性转变。他研发了分布式煤田火区热能提取温差发电新技术,利用热电材料将地下煤火的热能直接转换为清洁电能。

  这个设备主要由热量提取系统和温差发电系统两部分组成;热量提取系统,由放入钻孔中的铝管和铝管中导热介质组成;温差发电系统,采用温差发电的形式,利用硅油提取上来的热量在发电片的热端产生高温并与和散热水箱接触的冷端形成温差,从而达到发电的目的。

  该技术在热电转换过程中具备无额外的能源输入、无污染、无噪音、设备体积小、安全可靠等优点。目前,已经完成了第四代产品的研发,煤火区单孔最高发电功率达到了2105瓦,提取火区热能181.6千瓦。

  “我们在大泉湖火区的工程应用成效已经显现。按100个钻孔计算,每小时发电功率可达205千瓦,每年产生电能价值147.2万元;此外,节约大量水资源,并减轻燃烧产生的酸碱性化合物、有毒物质污染地下水,减少大量有毒有害气体排放,对生态环境保护作出了贡献。”周福宝说。

  多管齐下,降服地下火龙还需科学探究

  “新疆多风少雨干旱,稍不注意就会引发煤火,地下巷道烧塌了后又与地面裂隙形成供氧通道越烧越旺,大量的水注下去有时就流到别处去了……”

  与煤火周旋了多年的贾新勇感叹到,扑灭煤火远不是想象的那么简单。

  “当前煤田火灾研究中尚存在以下三个方面的问题:大面积煤层贫氧燃烧、煤火发展状态不明、煤岩体赋存大量热量。”煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室主任、中国矿业大学王德明教授说,针对这三方面问题,经过多年研究,目前已初步形成三方面成果:煤田火灾的形成机理及贫氧燃烧特性,煤田火灾的磁、电异常特征及综合探测方法和煤田火灾的高效治理技术。

  王德明说,煤炭的成分很复杂,不同地区、不同类型的煤炭各不相同,通过对世界上主要煤炭进行分析,他们研究出130多种煤炭燃烧机理,并且发现含氧量3%是个分水岭,超过就会引发煤火。

  根据研究,他们还发现煤火燃烧地区的地磁和电阻都发生改变,因此不论地表是否能看见烟火,都可以用磁电综合探测方法准确地找到地下煤火的位置。

  在基础理论的指导下,王德明团队也探索出一套较成熟的煤火治理技术体系。他们采用的多相介质灭火效果显著,据实地检测,当泡沫状的多相介质接触到煤火后,火区温度迅速降低,在10秒内由800℃降低到105℃,极大地节约了灭火用水。

  目前,中国矿业大学国际地下煤火防治与利用项目已列入国家“111计划”,汇集了来自美、澳、德等国多个学科的科学家,以期通过国际合作,在煤火燃烧机理及产物的环境影响、地下煤火热能资源的综合化利用等方面取得突破。

  “目前,我们正在和南非进行商谈,探讨如何应用于金矿等深井,改善矿工的工作环境。”周福宝介绍说,这套技术装备可靠,温差高于20摄氏度就可以用它发电,可应用于其他地热开采领域,比如干热岩等。贾新勇也透露,这项研究成果今年将在新疆缺水少电的托克逊乌尊布拉克煤田火区,进一步推广应用。(张 晔)

  

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