重力熱管在貓兒溝露天礦排土場深部積溫治理的應(yīng)用

張柏林,房淑華

(1.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，南京 210096；2.太原理工大學(xué)，太原 030024)

矸石是在煤礦開采落煤過程中和煤炭洗選過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢物，隨著生產(chǎn)的持續(xù)，矸石量不斷增加，一般被堆放在空曠場地中。矸石中含有大量的可燃質(zhì)以及硫、磷和鐵等元素，長期暴露在空氣中，受到大自然的緩慢氧化作用，會產(chǎn)生SO2、H2S、CO2和CO等有害氣體，并且矸石堆場內(nèi)部會產(chǎn)生大量積溫加劇有害氣體的產(chǎn)生和釋放，長此以往，嚴重破壞生態(tài)環(huán)境[1-2]。針對自燃發(fā)生和發(fā)展期的矸石山，常用的治理方法有覆蓋法、注漿法、氮氣充填法、局部加速燃燒法、注漿密閉和泡沫滅火法、挖除法及矸石山重新堆積法等[3]。目前主要存在的問題是針對矸石山自燃不同階段臨界變化狀態(tài)與關(guān)鍵因素的研究不夠明確，適用于不同煤質(zhì)、不同堆積狀態(tài)矸石山自然發(fā)火模型的研究不夠完善，泡沫滅火、低溫惰性氣體滅火、控制燃燒和熱管移熱等新技術(shù)的大面積推廣及其與傳統(tǒng)覆蓋、注漿等技術(shù)融合不夠全面，綜合治理模式仍可優(yōu)化[4]。

針對矸石山或排土場深部高溫區(qū)域比較有效的方法是熱管移熱技術(shù)，熱管是依靠其內(nèi)部密閉真空環(huán)境下工質(zhì)汽化-液化來傳遞熱量，根據(jù)使用環(huán)境的不同管腔內(nèi)密封有不同物性的工質(zhì)[5]。工質(zhì)受熱汽化吸熱，冷凝液化放熱，實現(xiàn)熱量的運移[6]，因此它是具有極高的導(dǎo)熱效率的傳熱原件[7]，熱管技術(shù)在地?zé)豳Y源開采利用[8]、熱處理煙氣節(jié)能環(huán)保利用[9]、汽車領(lǐng)域[10]、工業(yè)鍋爐余熱回收方面[11]、CPU及服務(wù)器散熱方面[12]都有重要應(yīng)用。

熱管具有如下特點：

1)熱管管腔內(nèi)的工質(zhì)通過氣液相變進行熱量傳遞，汽化潛熱和液化潛熱的效率較高，因此熱管的傳熱效率高。

2)汽化潛熱和液化潛熱是在等溫條件下進行的熱量吸收和釋放，并且熱管是由金屬加工而成，因此熱管具有溫差小的特點。

3)由于熱管吸熱端和放熱端所處的環(huán)境溫度不同，會導(dǎo)致工質(zhì)攜帶者熱量在其內(nèi)部流動，而不同熱管其內(nèi)部流動的橫截面積可根據(jù)需要進行定制，因此工質(zhì)的熱流密度會隨著外界條件的變化而變化。

4)熱管內(nèi)的工質(zhì)是在蒸發(fā)端吸熱，冷凝端放熱進行的無質(zhì)量變化的循環(huán)，因此熱量的交互具有循環(huán)特性[13]。

1 貓兒溝露天礦排土場重力熱管治理工藝

在煤礦矸石山排土場積溫治理方面，熱管技術(shù)也有重要研究與應(yīng)用，馮乾[14]在山西省思汗溝煤矸石山上進行了三種重力熱管的治理實驗，分別是翅片管、水套管和雙熱管的實驗，實驗結(jié)果表明散熱能力翅片管>雙熱管>水套管。孫美華[15]在松散煤體中，用數(shù)值模擬的方法，建立了單根重力熱管、兩根重力熱管以及傾斜重力熱管作用煤堆移熱降溫的數(shù)學(xué)模型，數(shù)值模擬了熱管插入煤堆不同深度、角度和間距的條件對煤堆內(nèi)部溫度場及濕度場的影響。本文以貓兒溝露天煤礦排土場為實驗基地，研究重力熱管對于矸石山深部積溫的治理工藝，采用理論計算的方法對重力熱管的物理參數(shù)和疏熱效率進行分析，量化了貓兒溝露天煤礦排土場的治理效果。

貓兒溝露天礦排土場主要有兩種，一是已經(jīng)完全成型的外堆區(qū)，表層覆蓋黃土，種植了大量植被；另一種是還在繼續(xù)堆積，沒有完全成型的內(nèi)堆區(qū)。貓兒溝露天礦排土場自燃區(qū)主要分為三種情況：第一種是排土場外堆區(qū)，有部分地區(qū)已經(jīng)發(fā)生了自燃現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為地溫高，大量植被死亡，冬季伴隨熱氣有大量蒸汽冒出，外堆區(qū)自燃現(xiàn)象如圖1所示；第二種是排土場內(nèi)堆區(qū)，大部分地區(qū)都已經(jīng)發(fā)生了自燃現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為地溫升高，冬季伴隨熱氣有大量蒸汽冒出，更嚴重的還有明火冒出；第三種是老礦區(qū)，大部分礦道已經(jīng)發(fā)生了自燃現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為地溫升高，冬季伴隨熱氣有大量蒸汽冒出，同時伴隨有濃烈的刺鼻氣味，內(nèi)堆區(qū)自燃現(xiàn)象如圖2所示。

圖1 外堆區(qū)自燃現(xiàn)象

圖2 內(nèi)堆區(qū)自燃現(xiàn)象

經(jīng)過現(xiàn)場勘察，選取890排土場為實驗場地，該場地面積約為1 000 m2，實驗前890排土場已經(jīng)覆蓋2～3 m的黃土用于治理頻繁冒煙現(xiàn)象，但是效果不理想，主要體現(xiàn)在覆蓋黃土的工程量大，覆蓋1～2個月后地面再次出現(xiàn)冒煙現(xiàn)象并伴有大量刺鼻氣味，高溫導(dǎo)致黃土沙化現(xiàn)象嚴重。針對以上現(xiàn)象，重力熱管設(shè)計加工長度為6 m，外徑為90 mm，材質(zhì)為碳鋼并且外表面做防銹處理，內(nèi)部工質(zhì)選取聯(lián)苯(工作溫度為150～300 ℃)。重力熱管吸熱端插入地下4 m左右，散熱段為2 m左右在地表以上，由此形成了貓兒溝露天礦排土場的初步方案，建立物理模型，并進行計算。

2 結(jié)構(gòu)分析及物理計算

熱管的外管壁將內(nèi)部工質(zhì)密封，使工質(zhì)不與外界發(fā)生質(zhì)量交換，因此可以定義內(nèi)部循環(huán)的工質(zhì)是閉口系，熱管是從排土場深部吸收熱量，使工質(zhì)汽化，氣體在熱管內(nèi)上升至地表以上，經(jīng)過環(huán)境的降溫液化，放出熱量。根據(jù)熱力學(xué)第一定律[22]，即能量守恒定律，因為沒有其它形式的功的轉(zhuǎn)化以及質(zhì)量的損失，且忽略勢能的影響，可以得出熱管閉口系能力方程：排土場深部吸收熱量=向環(huán)境放出的熱量。因此建立重力熱管的地表以上部分的散熱模型，計算熱管內(nèi)工質(zhì)向環(huán)境放出的熱量便可知排土場深部吸收熱量。

建立重力熱管的散熱模型，重力熱管散熱模型如圖3所示。

圖3 重力熱管散熱模型

熱管對流傳熱熱量損耗計算：

空氣的膜平均溫度為：

(1)

查詢空氣物性值為：

μf=2.385×10-5kg/(m·s)

kf=0.035 71 W/(m·℃)

Prf=0.686

式(1)中，Tw為熱管外壁溫度，℃攝氏度；T∞為空氣溫度，℃；Tf為空氣的膜評價溫度，K開氏度；R為空氣的氣體常數(shù)；μf為動力粘度，kg/(m·s)；kf為導(dǎo)熱性系數(shù)，W/(m·℃)；Prf為普朗特數(shù)。

雷諾數(shù)為：

(2)

式(2)中，U∞為空氣流速，三級風(fēng)風(fēng)速約為3.4～5.4 m/s；d為熱管直徑，直徑為0.09 m。

努塞爾數(shù)以平均對流傳熱系數(shù)h計算的橫掠單管時的對流傳熱特征數(shù)關(guān)聯(lián)式為：

(3)

由所求雷諾數(shù)通過查表可得C=0.193，

式(3)中，Nu為努塞爾數(shù)；h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m·℃)。

熱管的對流傳熱量為：

q=πdh(TW-T∞)L=3.141 6×0.09×28.986×290×2=4 753.507 W

(4)

式(4)中，q為熱流量，W；L為熱管對流散熱長度，m。

經(jīng)過理論計算，可計算出單根熱管在貓兒溝露天礦排土場的散熱功率為4.75 kW，890排土場實驗區(qū)域共安裝20根重力熱管，散熱總功率為95 kW。

3 治理效果評價

經(jīng)過60 d的治理及現(xiàn)場考察，區(qū)域內(nèi)已無冒煙現(xiàn)象，由于深部積溫通過重力熱管直接傳導(dǎo)至大氣中，地表覆蓋的黃土溫度由治理前的50 ℃下降至16 ℃，地表沙化現(xiàn)象明顯改善，初步判斷具備種植植物的條件。隨著治理過程的推進，部分重力熱管外露部分溫度會逐漸下降，當測量溫度下降至工質(zhì)相變溫度以下時，判定此部分重力熱管將不再工作，可以將其從排土場中拔出回收。直至剩余1～2根重力熱管時，此區(qū)域治理結(jié)束，剩余的1～2根重力熱管將起到監(jiān)測的作用，持續(xù)更長的一段時間后拔出回收。890排土場治理前和排土場治理后的場景分別見圖4和圖5。

圖4 890排土場治理前

圖5 890排土場治理后

4 結(jié)語

重力熱管對于露天礦排土場自燃區(qū)域的治理效果明顯，相對于覆蓋法、注漿法等工藝，具有以下特點：

1)操作簡單。用鉆機在自燃區(qū)域施工地面鉆孔，將熱管插入鉆孔中，用黃土填入鉆孔縫隙中即可。

2)治理成本低。由于重力熱管可以重復(fù)使用，治理區(qū)域隨著內(nèi)部積溫的下降，可以逐步回收重力熱管。

3)治理效果易于觀測考察。可以觀測排土場內(nèi)部積溫以及重力熱管外露部分的溫度，經(jīng)過計算可判斷治理效果。

隨著我國對于煤炭去產(chǎn)能的調(diào)控政策，許多煤礦已經(jīng)關(guān)停，但是開采留下的矸石山和排土場自燃情況仍在繼續(xù)，并且將持續(xù)很長時間。雖然重力熱管工藝在貓兒溝露天礦排土場內(nèi)部積溫的治理取得了很好的效果，但是從理論計算中可以看到1 000 m2排土場地安裝的20根重力熱管產(chǎn)生的散熱功率為95 kW，貓兒溝露天礦排土場的面積約為5.618 1 km2，初步估算通過重力熱管可導(dǎo)出的深部積溫多達533 kW。在治理的過程中重力熱管散發(fā)出的熱量全部排入空氣中，會導(dǎo)致局部區(qū)域空氣溫度升高，并且大量熱量仍具有可以轉(zhuǎn)化的可能，若能將重力熱管的高效疏熱優(yōu)點與熱能轉(zhuǎn)化結(jié)合起來，有可能產(chǎn)生極大的廢棄能源二次利用價值。